基于法布里－珀罗干涉的光纤湿度传感器的制作方法技术

本发明专利技术涉及一种基于法布里－珀罗干涉的光纤湿度传感器的制作方法，其中包括：宽带光源１、光谱仪２、耦合器３传感光纤４、传感探头５在光纤的端面镀有三层膜，当光遇到多层膜后，一部分光反射回去，再经过耦合器另一端到达光谱仪，由于端面为多层膜结构，反射的光经过干涉加强和干涉减弱，在光谱仪中检测到的光谱成类似正弦曲线的光谱，当空气湿度发生改变时，光谱曲线也跟随移动。该方法采用多孔硅作为敏感材料，该材料具有多孔性对湿度具有灵敏度高、响应速度快、重复性好、耐高低温、线性好、测量精度高等优点，是湿度传感器的理想材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料科学以及光电子技术的交叉领域，具体涉及到将湿敏材料用于传感器的制作。特别用于检测和控制湿度的测量。
技术介绍
空气湿度在许多方面有用途，如航空航天、军事、气象学、水文学、医学、生物学、储 藏和生产。现在，在工业生产中，湿度的概念也变得重要起来，监测和控制湿度，有时对产品 质量起着关键作用，如印刷业。 较早期的湿度传感器为干湿球湿度计，也是过去应用最普遍的，但是其精度只有 5% _7%，已远不能满足现代人的要求。目前，市场上主流的湿度传感器是电容式和电阻式 的电传感器。电阻式湿度传感器采用湿敏电阻材料制成的薄膜作为传感元，通过薄膜对水 份的吸附，引起电阻值的改变来测量湿度。这种传感器虽然灵敏度高，但是线性度和互换性 都较差，受电磁干扰影响大。电容式湿度传感器一般使用高分子薄膜，当空气湿度变化时， 薄膜电容发生变化，通过测量电容的变化可得到湿度值。这种传感器小型、响应快，但是电 容值也随温度变化，因此测量精度有限，且抗电磁干扰能力差。光纤传感器有着小型、灵活、 抗电磁干扰强、使用范围广、干涉型传感器受温度影响小等特点。随着光通信的发展，光纤 传感的需求的不断扩大，光纤传感的市场占有量也正在逐年上升。对光纤湿度传感器的研 究开发很有意义。 目前，光纤湿度传感器的研究工作大多是基于光强型的。且测量范围小、精度低、 稳定性差，主要原因是光强受很多因素影响，对光纤进行小的震动都可能引起光强的大波 动。温度的变化也会影响光强的变化。为此，我们提出了干涉式光纤湿度传感器，温度对光 强的影响不改变干涉光谱的特征形状，故可以大为提高精度，为光纤湿度传感器提供新途径。
技术实现思路
本专利技术的目的是制作一种以多孔硅薄膜作为敏感材料，并将该材料依次镀在光 纤的端面上，该材料具有多孔性对湿度具有灵敏度高、响应速度快、重复性好、耐高低温、线 性好、测量精度高等优点，是湿度传感器的理想材料。 基于法布里_珀罗干涉的光纤湿度传感器。应用的主要技术有高真空磁控溅射技 术、电化学阳极氧化技术。 本专利技术的工作原理是光源发出稳定的宽带光，通过耦合器进入传感光纤中，当光 遇到传感探头多层膜后，一部分光反射回去，再经过耦合器另一端到达光谱仪。由于端面为 多层膜结构，反射的光经过干涉加强和干涉减弱，在光谱仪中检测到的光谱成类似正弦曲 线的光谱。当空气湿度发生改变时，光谱曲线也跟随移动。 图2为光纤探头结构图。其结构以单模光纤作为基本传感光纤，将单模光纤镀膜 端固定在陶瓷插芯上。由于光纤比较细，端面面积小，直接镀膜存在很多问题，且难以控3制，特别是多孔硅很难成膜，故用陶瓷插芯，以获得大的表面积，大的表面积也使得膜层与 空气的作用面增大，对基于法布里-珀罗干涉的光纤湿度传感器的精度有极佳的效果。本 专利技术中所使用的是单模光纤作为基本传感光纤。由于多模光纤中存在多种模式，各种模 式间的传播速度不一样，存在严重的模间色散。如果采用多模光纤作为传感光纤，那么各 种模式将各自形成各自的干涉光谱，各干涉光谱间相互干扰，影响分析。单模光纤只传输 基模，不存在模间色散的问题，能形成细小平滑的光谱，利于提高精度，故采用单模光纤做 传感光纤。在传感探头中光纤端面镀有三层膜，第一层为银(Ag)膜，也可以使用铝(Al)、 金(Au)、镉(Cr)、钯(Pd)、钼(Pt)、铜(Cu)、镍(Ni)、锌(Zn)、镉(Cd)，无论镀那种膜层，所 用的镀膜方法都采用高真空磁控溅射技术，在清洗过的光纤端面溅射而成。第一层膜的厚 度在5nm-20nm之间，由于该膜层厚度薄，大部分光可以透过进入第二层多孔硅膜中，因此 可以起到高透射的作用。第二层为多孔硅膜，膜的厚度为20iim-90iim。该层目的是形成 法布里_珀罗干涉，同时，由于第一层Ag有低折射率和高吸收系数的性质，有利于增大法 布里-珀罗干涉光谱的振幅，使得特征极小值更加突出。第二层的制备方法为，多孔硅薄 膜是通过电化学阳极氧化工艺在硅片上制备而成，并用高电流电击取下。取下的多孔硅用 Farmwar (聚乙烯醇縮甲醛和氯醋聚乙烯醇三元共聚物)贴在第一层Ag膜上。多孔硅是具有 多孔结构的材料，具有极大的比表面积和比表面能，对极性分子的40有很强的吸附能力。 多孔硅对空气中的!120的吸附与空气湿度有一定的关系，吸附了1120分子的多孔硅的光学折 射率将发生变化，导致光在多孔硅里的光程变化，也即相当于法布里_珀罗腔腔长变化，从 而引起了法布里-珀罗干涉光谱的移动，通过对干涉光谱移动的分析，便可与湿度值对应 起来。第三层膜也是银(Ag)膜，也可以使用铝(Al)、金(Au)、镉(Cr)、钯(Pd)、钼(Pt)、铜 (Cu)、镍(Ni)、锌(Zn)、镉(Cd);该膜的厚度在50nm-200nm。该膜也是通过磁控溅射制得， 由于Ag的折射率小以及其吸收系数低，50nm-200nm厚度的Ag膜已经基本不透光而成为高 反膜，如此也减小了透射损失和吸收损失，增强了干涉光强，降低了噪声影响，提高精度。由 此可见采用单模光纤作为基本传感光纤，在光纤端面依次镀上第一层5nm-20nm Ag，第二层 20 ii m-90 ii m多孔硅，第三层50nm-200nmAg。当光进入光纤，遇到膜层并发生反射，测量反 射光谱，将得到特征干涉光谱。当空气湿度变化时，特征干涉光谱也相应的移动，从而将特 征干涉光谱与湿度联系起来。达到了湿度的测量目的。 基于法布里-珀罗干涉的光纤湿度传感器，使用三层膜结构，第一层和第三层均 为Ag膜。采用材料Ag并不是唯一的，我们也可以使用Al、Au、Cr、Pd、Pt、Cu、Ni、Zn、Cd，通 过控制相应材料的厚度，也可以达到同样的效果。其目的是第一层膜要薄，起高透作用，第 二层形成法布里-珀罗干涉、第三层膜要厚，起高反作用。 本专利技术基于法布里_珀罗干涉的光纤湿度传感器的传感探头详细制备方法传感 光纤采用单模光纤，其光纤纤芯直径为9 ii m。将单模光纤6 —端插入到陶瓷插芯7中，陶 瓷插芯7的直径2. 5mm，长15mm。采用超声波清洗技术，有效清洁光纤端面和光纤及插芯表 面的杂质影响膜与端面的结合性，影响传感器的使用寿命。是对光纤进行清洗最常用的方 法之一。镀膜前，将带插芯的光纤一端先在99. 5%的丙酮中超声清洗5分钟，再在99. 7% 的酒精中超声清洗5分钟，最后在高纯水中超声清洗5分钟，如此将得到端面清洁的光纤。 清洗后在光纤端面镀上三层膜。第一层是Ag膜，该膜采用德国进口 BESTEC真空镀膜机， 在1 X 10—3Pa高真空下，氩气作为工艺气体，采用磁控溅射工艺，直流电流起始功率50W，溅射功率100W，石英晶体振荡法监测厚度，厚度为5nm-20nm。靶材使用纯度99%、直径为 76. 2mm、厚6mm的Ag靶。磁控溅射能镀制成分均匀、表面平整、厚度极薄的膜层，是镀制纳 米级薄膜较理想的方法。第二层是多孔硅膜，采用电化学阳极氧化法制备多孔硅膜，用n+ 型〈100〉取向硅片作为基片，在质量分数为5. 5%的HF溶液中通以40mA/cm2的电流密度， 经1000s后取出，用两个周期的电流脉冲(峰值200mA/cm、周期6s，占空比33% )取下形 成的多孔硅膜，这样将形成厚度大约30 ii m，多孔本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于法布里－珀罗干涉的光纤湿度传感器的制作方法；其中包括：宽带光源（１）、光谱仪（２）、耦合器（３）传感光纤（４）、传感探头（５）其特征在于：宽带光源（１）发出稳定的宽带光，通过耦合器（３）进入传感光纤（４）中，当传感光纤（４）的光再进入传感探头（５），光纤探头（５）由单模光纤（６）镀膜端固定在陶瓷插芯（７）上并在端面镀有三层膜，当光遇到多层膜后，一部分光反射回去，再经过耦合器另一端到达光谱仪，由于端面为多层膜结构，反射的光经过干涉加强和干涉减弱，在光谱仪中检测到的光谱成类似正弦曲线的光谱，当空气湿度发生改变时，光谱曲线也跟随移动。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨明红，李小兵，代吉祥，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]