基于腐蚀调控技术的微纳光纤传感器及其外保护支架的制备与集成封装方法技术

本发明专利技术涉及一种基于腐蚀调控技术的微纳光纤传感器及其外保护支架的制备与封装方法，属于光学传感器技术领域，包括以下步骤：确定微纳光纤传感器的具体目标参数；设计并制备外保护支架；对待腐蚀光纤进行加工处理，完成支架的封装；搭建光纤腐蚀平台，并运用光纤固定件将光纤及其支架进行固定；对光纤进行三阶段腐蚀；对腐蚀完成后的微纳光纤清洗并干燥；测试微纳光纤结构与性能，确定所制备的微纳光纤传感器满足设计要求。本发明专利技术可更好地满足实际中不同微纳光纤传感器的制作需求。中不同微纳光纤传感器的制作需求。中不同微纳光纤传感器的制作需求。

【技术实现步骤摘要】
基于腐蚀调控技术的微纳光纤传感器及其外保护支架的制备与集成封装方法


[0001]本专利技术属于光学传感器
，涉及一种基于腐蚀调控技术的微纳光纤传感器及其外保护支架的制备与集成封装方法。

技术介绍

[0002]微纳光纤作为一种新型的光波导，其直径在数百纳米到几十微米的范围内，具有独特的光学与力学特性。由于微纳光纤直径接近或小于传输的光波长，光纤的外周将存在强消逝场，其对外界的微弱应力、粒子变化或温度刺激尤其灵敏，非常适合研制成高灵敏、小尺寸传感器。而微纳光纤传感器的制备作为应用的前提条件也受到了广泛关注，当前主要制备方法包括了光刻法、电子束刻蚀法、纳米压痕、火焰加热法以及化学腐蚀法。其中，火焰加热法应用最为广泛，所制备的微纳光纤具备表面光滑、结构均匀等优点，但是该方法成本较高，并且对于特殊结构的微纳光纤(水滴形、侧面抛结构)当前该方法仍然无法制备。而化学腐蚀法主要由于结构无法调控、透射损耗高这两个方面的限制而发展较为缓慢，但是该方法在应用上更为灵活，可制备一些特殊结构的微纳光纤，并且具有制作简单、成本低的优势。因此，有待提出相应方法以解决当前化学腐蚀法的限制，以推动其在微纳光纤传感器制备上的技术发展。
[0003]同时，这些微纳光纤制备方法同时都面临着微纳光纤易受外力破坏的问题，由于所制备的微纳光纤尺寸只有头发丝的几十分之一以下，在制备、应用过程中的小应力可能引起其破裂。虽然已有研究证明了火焰加热法可增强光纤单位截面下耐拉升强度，并且所制备出的微纳光纤可被弯曲、绕制，但是其总耐受强度仅仅为原有裸纤的几百甚至几千分之一，在实际应用中微纳光纤依然容易碎裂。为了解决该问题，目前主要的方法是在微纳光纤上涂覆一层保护性的高分子层，但可能由于该高分子层所提升的抗拉伸性能有限、并且会影响微纳光纤的透射损耗性能，所以当前该方法并未推广应用。因此，迫切需要提出新的方法以提升微纳光纤在制备、应用过程中耐受外力损伤的能力。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于腐蚀调控技术的微纳光纤传感器及其外保护支架的制备与封装方法。该方法可实现化学腐蚀方法下微纳光纤多结构参数的准确调控，并运用超声振荡与水洗的方式去除微纳光纤表面腐蚀沉淀物以降低其透射损耗，同时设计了外保护支架结构以避免微纳光纤在制备、应用环节遭受外部大应力损伤。该方法拥有成本低、操作简单、重复性与成品率高等优势，并具备良好的技术应用前景与突出的工业经济价值。
[0005]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种基于腐蚀调控技术的微纳光纤传感器及其外保护支架的制备与封装方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：确定微纳光纤传感器的具体目标参数，根据目标参数明确腐蚀位置P、HF酸(氢氟酸)浓度C及其滴加量V、腐蚀时间T、裸纤长度L1、涂覆层预留长度L2、滴涂方式M；
[0008]步骤2：设计出外保护支架的结构，包括中部三条支梁、两端的连接部分，所述两端的连接部分中心位置有微孔；制备出外保护支架，同时对各微支梁表面进行粗糙处理；
[0009]步骤3：对待腐蚀光纤进行加工处理，将待腐蚀区域长度为L1的涂覆层去除，并确定出预留涂覆层的长度L2，在剩余涂覆层上制备出非连续性的预留涂覆层，所述预留涂覆层远离腐蚀中心的端部位置即为腐蚀液包覆的左右限定位置；将外保护支架串入至光纤待腐蚀区域，其中心位置与微纳光纤的中心位置一致，然后用耐腐蚀的固化胶将其固化，进而完成支架的封装；
[0010]步骤4：搭建光纤腐蚀平台，并运用光纤固定件将光纤及其支架进行固定，整体保持水平稳定；
[0011]步骤5：第一阶段腐蚀：滴加V体积量的高溶度腐蚀液至腐蚀位置P，确定腐蚀液不超过左右限定位置后，进行光纤腐蚀操作；完成腐蚀第一阶段腐蚀后，吸走HF酸液，并将去离子水滴入光纤腐蚀区域，然后开启超声振荡平台对样品进行振荡操作；
[0012]步骤6：将振荡完成后的去离子水去除，并进行第二阶段腐蚀操作，其过程与步骤5相同；
[0013]步骤7：第二阶段腐蚀操作完成后，将原有的高溶度HF酸液换成低溶度HF酸液，进行第三步腐蚀操作，其过程与步骤5、6相同，第三阶段的腐蚀时间大于前两阶段的腐蚀时间；
[0014]步骤8：对腐蚀完成后的微纳光纤进行去离子水的清洗，以去除其中残留的HF酸液；之后注入含氯烷烃和酮的混合溶剂去除所预留的光纤涂覆层，等完全去除涂覆层后再替换成去离子水，并用超声振荡对原有结构进行清洗；清洗完成后，进行干燥处理；
[0015]步骤9：测试微纳光纤结构与性能，确定所制备的微纳光纤传感器满足设计要求。
[0016]进一步，步骤2中，选用聚酰胺PA或聚碳酸酯PC材料并利用微加工技术制备外保护支架，其中微孔的直径大于光纤涂覆层直径。
[0017]进一步，步骤4中所述搭建光纤腐蚀平台，包括耐HF酸腐蚀的方盘、超声振荡平台、微型滴管、光纤固定件、废液收集桶，将所述超声振荡平台水平放置，将方盘放置在超声振荡平台上，所述光纤固定件设置在方盘顶部，将外保护支架的两端连接部分及待腐蚀光纤固定在光纤固定件上；所述微型滴管用于存放HF酸液；所述废液收集桶用于收集腐蚀完成后的废液。
[0018]进一步，在腐蚀过程中通过调控不同对象以制备出不同结构参数的微纳光纤，其中关键性参数包括位置、长度、粗细度、锥度、特殊结构，各参数的调控方法如下：
[0019]①
位置：改变HF酸液的滴加位置，进而实现不同位置的微纳光纤制备，且可实现多个位置的同步腐蚀；
[0020]②
长度：改变光纤外涂覆层去除的长度，并控制滴加的HF酸液的量，两者共同决定腐蚀光纤的长度；
[0021]③
粗细度：改变HF酸浓度及腐蚀时间进而控制腰部粗细度；
[0022]④
锥度：改变预留光纤涂覆层长度、滴加HF酸液量、HF酸浓度及腐蚀时间四个量以制备出不同锥度；其中，所预留的光纤涂覆层约束腐蚀路径，HF酸液注入后完全包裹裸纤并
且逐步靠近预留涂覆层的左右端部，涂覆层预留长度决定锥形长度，同时控制腰部的粗细度，锥形长度与腰部的粗细度共同决定微纳光纤的锥度；
[0023]⑤
特殊结构：特殊结构包括两端不同锥度、截面为液滴形、侧边腐蚀；通过改变HF酸液的滴涂方式实现这些非对称的特殊微纳光纤结构的制备。
[0024]进一步，对于微纳光纤锥度的调控利用预留涂覆层对径向腐蚀路径的约束作用；首先去除光纤待腐蚀区域的涂覆层，再在剩余的涂覆层按照所预留涂敷层的长度确定其端部位置，然后从该位置对涂覆层进行环切，以制备出左右单独的预留涂覆层；腐蚀液包裹着裸纤并不断延伸至预留涂覆层端部，由于预留涂覆层的约束，所包裹区域的光纤径向得到约束，内部腐蚀将呈现出轴向
‑
径向的腐蚀路径，即以锥形的形式进行腐蚀，直到锥部腐蚀长度达到预留涂覆层端部位置时引起预留的涂覆层脱落，轴向腐蚀停止而径向腐蚀继续，当径向腐蚀达到粗细度要求时即完成腐蚀操作，从而制备出特定锥度的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于腐蚀调控技术的微纳光纤传感器及其外保护支架的制备与封装方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：确定微纳光纤传感器的具体目标参数，根据目标参数明确腐蚀位置P、HF酸浓度C及其滴加量V、腐蚀时间T、裸纤长度L1、涂覆层预留长度L2、滴涂方式M；步骤2：设计出外保护支架的结构，包括中部三条支梁、两端的连接部分，所述两端的连接部分中心位置有微孔；制备出外保护支架，同时对各微支梁表面进行粗糙处理；步骤3：对待腐蚀光纤进行加工处理，将待腐蚀区域长度为L1的涂覆层去除，并确定出预留涂覆层的长度L2，在剩余涂覆层上制备出非连续性的预留涂覆层，所述预留涂覆层远离腐蚀中心的端部位置即为腐蚀液包覆的左右限定位置；将外保护支架串入至光纤待腐蚀区域，其中心位置与微纳光纤的中心位置一致，然后用耐腐蚀的固化胶将其固化，进而完成支架的封装；步骤4：搭建光纤腐蚀平台，并运用光纤固定件将光纤及其支架进行固定，整体保持水平稳定；步骤5：第一阶段腐蚀：滴加V体积量的高溶度腐蚀液至腐蚀位置P，确定腐蚀液不超过左右限定位置后，进行光纤腐蚀操作；完成腐蚀第一阶段腐蚀后，吸走HF酸液，并将去离子水滴入光纤腐蚀区域，然后开启超声振荡平台对样品进行振荡操作；步骤6：将振荡完成后的去离子水去除，并进行第二阶段腐蚀操作，其过程与步骤5相同；步骤7：第二阶段腐蚀操作完成后，将原有的高溶度HF酸液换成低溶度HF酸液，进行第三步腐蚀操作，其过程与步骤5、6相同，第三阶段的腐蚀时间大于前两阶段的腐蚀时间；步骤8：对腐蚀完成后的微纳光纤进行去离子水的清洗，以去除其中残留的HF酸液；之后注入含氯烷烃和酮的混合溶剂去除所预留的光纤涂覆层，等完全去除涂覆层后再替换成去离子水，并用超声振荡对原有结构进行清洗；清洗完成后，进行干燥处理；步骤9：测试微纳光纤结构与性能，确定所制备的微纳光纤传感器满足设计要求。2.根据权利要求1所述的基于腐蚀调控技术的微纳光纤传感器及其外保护支架的制备与封装方法，其特征在于：步骤2中，选用聚酰胺PA或聚碳酸酯PC材料并利用微加工技术制备外保护支架，其中微孔的直径大于光纤涂覆层直径。3.根据权利要求1所述的基于腐蚀调控技术的微纳光纤传感器及其外保护支架的制备与封装方法，其特征在于：步骤4中所述搭建光纤腐蚀平台，包括耐HF酸腐蚀的方盘、超声振荡平台、微型滴管、光纤固定件、废液收集桶，将所述超声振荡平台水平放置，将方盘放置在超声振荡平台上，所述光纤固定件设置在方盘顶部，将外保护支架的两端连接部分及待腐蚀光纤固定在光纤固定件上；所述微型滴管用于存放HF酸液；所述废液收集桶用于收集腐蚀完成后的废液。4.根据权利要求1所述的基于腐蚀调控技术的微纳光纤传感器及其外保护支架的制备与封装方法，其特征在于：在腐蚀过程中通过调控不同对象以制备出不同结构参数的微纳光纤，其中关键性参数包括位置、长度、粗细度、锥度、特殊结构，各参数的调控方法如下：
①
位置：改变HF酸液的滴加位置，进而实现不同位置的微纳光纤制备，且可实现多个位置的同步腐蚀；
②
长度：改变光纤外涂覆层去除的长度，并控制滴加的HF酸液的量，两者共同决定腐蚀
...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳希，周湶，陈伟根，李剑，王有元，杜林，王飞鹏，谭亚雄，万福，黄正勇，罗振辉，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：