CN106679846A - 一种侧抛型聚合物温度传感光纤及其制作方法 - Google Patents

一种侧抛型聚合物温度传感光纤及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种侧抛型聚合物温度传感光纤，利用该侧抛型聚合物温度传感光纤制作光纤倏逝波传感器，基于倏逝波耦合共振原理，利用单模光纤呈弧形的结构，使得特定入射光中横磁偏振光的部分波失更大程度上耦合到由聚合物涂层所形成的平面波导内部，从而形成倏逝波，平面波导SiO2涂覆层的折射率与单模光纤的覆层折射率相等，削弱了平面波导双折射结构的引起偏振依赖性，并提供了一种应用上述侧抛型聚合物温度传感光纤的光纤温度传感器，具有制备工艺简单快捷，稳定性好，重复性好，高灵敏度和低温输出等优点，同时克服了传统电化学温度传感器不耐腐蚀，不抗电辐射等缺点。

Description

一种侧抛型聚合物温度传感光纤及其制作方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种侧抛型聚合物温度传感光纤及其制作方法、光纤倏逝波传感器。
背景技术
近年来，随着现代工业、空间技术、军事等领域逐步向自动化和智能化发展，对传感器的灵敏度、精度、可靠性等的要求不断增加。传统的温度传感器主要有热电偶、热电阻温度传感器、热敏电阻温度传感器和半导体温度传感器等，但其灵敏度、线性度和互换性都较差。
随着科技的发证，人们发明了光纤倏逝波传感器，即采用光波在光纤内以全反射的方式进行传输时所产生的倏逝波来对倏逝场中待测目标物质进行检测。该光纤倏逝波传感器因其灵敏度高、较强的抗电磁干扰能力、良好的动态范围、体积小、耐腐蚀、响应速度快、网络化、分布式、多点、大区域、同步检测、本质安全、易于复用等优点，特别适应于易燃易爆等高危环境和某些狭小空间内的高精度温度测量。从而使其在环境监测、生物医学、食品卫生检测、医学诊断等领域得到广泛的应用。
目前，传统的光纤倏逝波传感器结构主要有以下几种：直形传感光纤、D形传感光纤、S形传感光纤、U形传感光纤和锥形传感光纤。直形结构简单，易制备，易操作，但目前的制作工艺制约了光纤传感区的长度和直径，限制了传感器的性能；D形结构灵敏度低，不易制备；S形结构特殊，加工工艺复杂困难，成本较高；U形结构其U形区易被折断，体积大，不易封装，弯曲损耗大，信号弱；锥形结构不易制备，锥形结构参数难控制；现有的分段结构的光纤倏逝波传感器，虽然增强了传感器机械强度，但灵敏度不高。
发明内容
本发明提供一种具有制备工艺简单、检测高灵敏度、良好的选择性与低温输出性的侧抛型聚合物温度传感光纤及其制作方法、应用该侧抛型聚合物温度传感光纤的光纤倏逝波传感器，以解决上现有光纤倏逝波传感器制备工艺复杂、检测灵敏度低的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种侧抛型聚合物温度传感光纤，其包括硅片基座、呈弧形的单模光纤，所述单模光纤中部通过其纤芯固定在所述硅片基座上，并在该单模光纤中部的纤芯背离所述硅片基座一侧设有聚合物涂层和SiO2涂覆层，所述SiO2涂覆层通过所述聚合物涂层固定在所述单模光纤中的纤芯上。
在上述方案基础上优选，所述聚合物涂层为抗蚀剂AZ1512聚合物，优选的，所述聚合物涂层的厚度为15μm；所述SiO2涂覆层的厚度为500μm。
在上述方案基础上优选，所述硅片基座上设有呈V型的沟槽，所述的单模光纤中部的纤芯固定在所述沟槽内。
在上述方案基础上优选所述单模光纤与该硅片基座相结合的长度范围是23-24CM，且该段单模光纤的弯曲半径范围为14-16Cm。
在上述方案基础上优选，所述单模光纤粘黏在所述硅片基座上。
本发明还提供了一种制作侧抛型聚合物温度传感光纤的方法，其包括以下步骤：
S1.去除单模光纤中部的覆层，以使单模光纤中部的纤芯裸露；
S2.将单模光纤中部的纤芯固定在硅片基座上，对单模光纤的纤芯打磨，使单模光纤的纤芯表面与硅片基座表面平行；
S3.基于旋涂法在打磨后的单模光纤的纤芯表面涂覆聚合物；
S4.基于射频溅镀法在打磨后的单模光纤的纤芯表面涂覆SiO2。
在上述方案基础上优选，步骤S2进一步包括：
在硅片基座中部设置对称设置呈V型的沟槽，将单模光纤中部裸露的纤芯通过环氧树脂固定在沟槽内。
在上述方案基础上优选，步骤S2进一步包括：
顺序采用15μm的抛光粉和1.875μm的抛光粉对突出硅片基座表面的单模光纤的纤芯打磨，使单模光纤的纤芯中部距离硅片基座表面的最小间距为0.5～2.5μm。
本发明还提供了一种应用上述侧抛型聚合物温度传感光纤的光纤倏逝波传感器，其包括：高压电源、卤钨灯光源、光纤耦合器、微型光谱仪和控制器，所述高压电源通过卤钨灯光源与所述光纤耦合器相连，并将该光纤耦合器的输出端通过所述侧抛型聚合物温度传感光纤与所述微型光谱仪电性相连，所述微型光谱仪与所述控制器电性相连。
本申请提出一种侧抛型聚合物温度传感光纤，并利用该侧抛型聚合物温度传感光纤制作光纤倏逝波传感器，基于倏逝波耦合共振原理，利用单模光纤呈弧形的结构，使得特定入射光中横磁偏振光的部分波失更大程度上耦合到由聚合物涂层所形成的平面波导内部，从而形成倏逝波，平面波导SiO2涂覆层的折射率与单模光纤的覆层折射率相等，削弱了平面波导双折射结构的引起偏振依赖性。
本发明所制作的侧抛型聚合物温度光纤，其聚合物涂层所形成的平面波导采用抗蚀剂AZ1512聚合物涂层，聚合物涂层在1550nm处的光折射率为1.5700，随着外界环境温度变化，聚合物涂层所形成平面波导的光折射率亦发生变化，通过检测光纤输出端共振波峰的水平偏移量就可计算出温度信息；本发明所制作的光纤温度传感器，具有制备工艺简单快捷，稳定性好，重复性好，高灵敏度和低温输出等优点，同时克服了传统电化学温度传感器不耐腐蚀，不抗电辐射等缺点。
附图说明
图1为本发明的侧抛型聚合物温度传感光纤的正视结构示意图；
图2为本发明的侧抛型聚合物温度传感光纤的俯视结构示意图；
图3为本发明的侧抛型聚合物温度传感光纤的制作流程图；
图4为本发明的应用侧抛型聚合物温度传感光纤的光纤倏逝波传感器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
请参阅图1所示，本发明提供了一种侧抛型聚合物温度传感光纤，其包括硅片基座10、呈弧形的单模光纤20，其中，单模光纤20中部的纤芯21裸露在表面，并将单模光纤20中部通过其裸露在表面的纤芯21固定在硅片基座10上，并在该单模光纤20中部的纤芯21背离硅片基座10一侧设有聚合物涂层23和SiO2涂覆层2224，SiO2涂覆层2224通过聚合物涂层23固定在单模光纤20中的纤芯21上。
本发明的聚合物涂层23为抗蚀剂AZ1512聚合物，优选的，该聚合物涂层23的厚度为15μm；SiO2涂覆层2224的厚度为500μm。
为了进一步说明单模光纤20与硅片基座10之间的连接关系，请继续参阅图2所示，本发明的硅片基座10中部表面上设有呈V型的沟槽11，且该沟槽11对称布设在硅片基座10中部，本发明单模光纤20中部的纤芯21通过环氧树脂粘黏固定在沟槽11内。
为了确保其检测灵敏度，本发明的单模光纤与该硅片基座相结合的长度范围是23-24CM，且该段单模光纤的弯曲半径范围为14-16Cm。
请继续参阅图3所示，本发明还提供了一种制作侧抛型聚合物温度传感光纤100的方法，其包括以下步骤：
首先，取取具有纤芯21和外层覆层22的单模光纤20100cm，优选的，该纤芯21直径8.2μm，覆层22直径125μm，截止波长1234nm，将单模光纤20中间一段的覆层22通过化学腐蚀脱落，使该段纤芯21裸露，裸露长度为80mm。
然后，将单模光纤20中裸露在表面的纤芯21通过环氧树脂胶粘黏在硅片基座10上，并对突出硅片基座10表面部分的纤芯21通过15μm的抛光粉和1.875μm的抛光粉进行顺序抛光打磨，直至抛光后单模光纤20纤芯21与硅片基座10表面之间的最小距离S0为0.5～2.5μm。
在抛光打磨后的单模光纤20的纤芯21表面采用旋涂法，涂覆一层具有温敏效应的聚合物，涂覆聚合物的厚度d0优选为15μm，且该聚合物优选为抗蚀剂AZ1512聚合物；
最后，在该聚合物表面上使用射频溅镀法铺设一层SiO2涂覆层2224，其中，SiO2涂覆层2224的厚度d2优选为500μm。
进一步的，为了便于式硅片基座10与单模光纤20相互之间固定的稳定性，本发明的硅片基座10上还设有对称设置呈V型的沟槽11，单模光纤20中部裸露在外面的纤芯21通过环氧树脂固定在沟槽11内，以下将详细介绍该凹槽的制作方法。
取晶向(100)、厚度600μm且双面抛光的3英寸硅晶片一块作为硅片基座10，采用各向异性刻蚀技术沿硅晶片中线处表面刻蚀出晶向(111)面夹角75°，纵向梯度间距50μm，水平轴长6mm的9个”V”型对称沟槽11，以形成9个用于固定纤芯21的沟槽11。
请继续参阅图4所示，本发明还提供了一种应用上述侧抛型聚合物温度传感光纤100的光纤倏逝波传感器，其包括：高压电源200、卤钨灯光源300、光纤耦合器400、微型光谱仪500和控制器600，高压电源200通过卤钨灯光源300与光纤耦合器400相连，并将该光纤耦合器400的输出端通过侧抛型聚合物温度传感光纤100与微型光谱仪500电性相连，微型光谱仪500与控制器600电性相连，且侧抛型聚合物温度传感光纤100通过传输光纤700分别与光纤耦合器400和微信光谱仪相连，该传输光纤700为单模光纤20。
以下为了便于说明，将以HL-2000卤钨灯光源300、2×2光纤耦合器400作为示例予以说明。
高压电源200为HL-2000卤钨灯光源300提供电源，HL-2000卤钨灯光源300产生入射光，入射光经过2×2光纤耦合器400通过传输光纤700传递至侧抛型聚合物温度传感光纤100中，由于用于传输光纤700的全反射作用和侧抛型聚合物温度传感光纤100的弧形结构，使得入射光中特定波段横磁偏振光的部分波失更大程度上耦合到由聚合物涂层23所形成的平面波导内部，从而叠加形成倏逝波，当单模光纤20的覆层22与聚合物涂层23所形成的平面波导满足相位匹配条件，即两者的有效折射率ne0、nef相等时，其共振波长λm满足本征值方程(1)：
其中，m表示模阶数，d0表示聚合物涂层23所形成的平面波导厚度(15μm)，n0表示聚合物涂层23所形成的平面波导折射率，nef表示单模光纤20的纤芯21有效折射率。对上面的等式(1)利用微分法求得(2)：
公式中，常数Γ＝Δn0/ΔT，且Γ代表聚合物涂层23所形成平面波导的热光系数。
对公式(2)进行分析，可推出：随着外界环境温度的变化，聚合物涂层23所形成平面波导的光折射率n0也发生变化，最终导致微型光谱仪500从光纤耦合器400上获得的侧抛型聚合物温度传感光纤100透射共振光谱发生偏移，通过串口将透射共振光谱的温漂信息传递给控制器600进行分析和建模，从而表征出待测环境的温度信息。
本发明所述的一种侧抛型聚合物光纤温度测量装置，测量温度范围20～85℃，测量灵敏度0.71nm/℃。
需要说明的是本发明的抗蚀剂AZ1512聚合物选用的是德国Clariant GmbH公司生产的一种光刻胶，其又称为光致抗蚀剂，由感光树脂、增感剂和溶剂三种主要成分组成的对光敏感的混合液体。该抗蚀剂AZ1512聚合物的工作原理是，感光树脂经光照后在曝光区能很快地发生光固化反应，使得抗蚀剂AZ1512聚合物的物理性能，特别是溶解性、亲合性等发生明显变化。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种侧抛型聚合物温度传感光纤，其特征在于，其包括硅片基座、呈弧形的单模光纤，所述单模光纤中部通过其纤芯固定在所述硅片基座上，并在该单模光纤中部的纤芯背离所述硅片基座一侧设有聚合物涂层和SiO2涂覆层，所述SiO2涂覆层通过所述聚合物涂层固定在所述单模光纤中的纤芯上。
2.如权利要求1所述的一种侧抛型聚合物温度传感光纤，其特征在于，所述聚合物涂层为抗蚀剂AZ1512聚合物，优选的，所述聚合物涂层的厚度为15μm；所述SiO2涂覆层的厚度为500μm。
3.如权利要求1所述的一种侧抛型聚合物温度传感光纤，其特征在于，所述硅片基座上设有呈V型的沟槽，所述单模光纤中部的纤芯固定在所述沟槽内。
4.如权利要求1或3所述所述的一种侧抛型聚合物温度传感光纤，其特征在于，所述单模光纤粘黏在所述硅片基座上。
5.如权利要求1所述的一种侧抛型聚合物温度传感光纤，其特征在于，所述单模光纤与该硅片基座相结合的长度范围是23-24CM，且该段单模光纤的弯曲半径范围为14-16Cm。
6.一种制作如权利要求1所述的侧抛型聚合物温度传感光纤的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1.去除单模光纤中部的覆层，以使单模光纤中部的纤芯裸露；
S2.将单模光纤中部的纤芯固定在硅片基座上，对单模光纤的纤芯打磨，使单模光纤的纤芯表面与硅片基座表面平行；
S3.基于旋涂法在打磨后的单模光纤的纤芯表面涂覆聚合物；
S4.基于射频溅镀法在打磨后的单模光纤的纤芯表面涂覆SiO2。
7.如权利要求6所述制作侧抛型聚合物温度传感光纤的方法，其特征在于，步骤S2进一步包括：
在硅片基座中部设置对称设置呈V型的沟槽，将单模光纤中部裸露的纤芯通过环氧树脂固定在沟槽内。
8.如权利要求7所述制作侧抛型聚合物温度传感光纤的方法，其特征在于，步骤S2进一步包括：
顺序采用15μm的抛光粉和1.875μm的抛光粉对突出硅片基座表面的单模光纤的纤芯打磨，使单模光纤的纤芯中部距离硅片基座表面的最小间距为0.5～2.5μm。
9.一种包括如权利要求1-5任一项所述的侧抛型聚合物温度传感光纤的光纤倏逝波传感器，其特征在于，其包括：高压电源、卤钨灯光源、光纤耦合器、微型光谱仪和控制器，所述高压电源通过卤钨灯光源与所述光纤耦合器相连，并将该光纤耦合器的输出端通过所述侧抛型聚合物温度传感光纤与所述微型光谱仪电性相连，所述微型光谱仪与所述控制器电性相连。
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