专利名称：一种微型高灵敏度光纤化学传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微型高灵敏度光纤化学传感器，属于微型传感器技术领域。
技术背景
常用的光学谐振腔结构有盘、环、柱、球等，这些回转体谐振腔支持高品质因 素的回音廊模式(whispering gallery modes，简称WGMs)。WGMs是一种依赖于形貌 共振的光学谐振模式，这种模式的谐振频率(或波长)依赖于谐振腔的尺寸以及腔内外 的折射率分布。通过倏逝场激发谐振腔WGM的波导常用结构有光纤锥、棱镜、侧抛 光纤等(Ilchenko V S， et al.Optical Resonators With Whispering-Gallery Modes—Part II Applications.IEEE, Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 12(1) 15-32, 2006)。也有人提出用长周期光纤光栅(LPFG)来激发谐振腔WGM的，但与棱镜、侧抛 光纤方式一样存在激发效率太低的缺陷。光纤锥(直径几个微米)的耦合效率极高，最 高可达99.9%。
基于球/盘/环/柱等谐振腔的化学传感器，可以实现极低浓度的检测 (Hanumegowda N M, et al.Refractometric sensors based on microsphere resonators, Applied Physics Letters, 87(201107) 1-3，2005)，但是不能实现对特定大小分子的选择性检测。通过在谐振腔表面镀一层沸石膜可以实现特定大小分子的检测，所镀沸石薄膜是一 种结晶型的铝硅酸盐，晶体结构中有规整而均勻的孔道，孔径为分子直径的数量级(一 般小于1纳米)，只允许直径比孔径小的分子进入，因此能将混合物中的分子按大小加以 筛分。利用这一特性，可将沸石制备成厚度为微米级的薄膜分子筛，被检测物分子因大 小和形状被有选择性地吸附，导致沸石孔的光学结构和光学性质改变(例如，折射率发 生改变)。而谐振腔内回廊模式的谐振频率(或波长)对沸石薄膜折射率的改变非常敏 感，从而能够实现超高灵敏度的化学传感器。发明内容
本发明的目的是为解决使用光学谐振腔传感器对特定大小气体分子的检测问 题，提供一种具有选择性吸收的微型高灵敏度光纤化学传感器。
本发明的微型高灵敏度光纤化学传感器包括光纤锥、光纤谐振腔、顶盖和底座。
所述的光纤锥为单模光纤去除中间部分的涂覆层，在高温加热和两端拉力的作 用下光纤中部逐渐变细形成锥腰、锥腰与两端外光纤的过渡部分呈现锥状；其直径要求 使光纤锥内基模与谐振腔内回廊模的相位能够匹配；根据制作工艺和使用需求，最细 部分的较佳直径为1-2微米。光纤锥具有很高的耦合效率，能激发谐振腔的回音廊式 (WGMs)。光纤锥的一端为光源输入端；另一端为传感信号检测端，用于检测输出光的 变化情况。
所述的光纤谐振腔为中部镀有沸石薄膜的单模光纤(去掉涂覆层)，可有效的增强化学传感器的选择性吸附能力。沸石的微小毛孔使其具有很大的表面积/质量比， 这种性质使它能有效地从周围环境中吸附被检测物质的分子，并使其聚集浓缩在一起。 被检测物质的分子根据其大小和形状的不同而被有选择性地吸附在光纤谐振腔表面，此 外，沸石毛孔内被吸附的待检测物的分子被定向化和有秩序的排列，从而使得沸石毛孔 的光学结构和光学性质改变。
所述的顶盖的截面大小与底座的一样，其上设计制作了样品储存腔和安装孔。
所述的底座上设计了光纤锥槽、光纤谐振器槽、样品储存腔、流入通道、流出 通道和安装孔；其作用为固定光纤锥和光纤谐振腔，保证二者有良好的垂直度，并为被 测气体提供一个密闭的检测环境。其中，样品储存腔为底座中心的凹槽；光纤锥槽和光 纤谐振腔槽位于底座边沿，形状大小使得槽内壁分别与光纤锥的外光纤和光纤谐振腔的 圆形表面相切；安装孔与顶盖上的安装孔的个数和位置一致，用于固定顶盖和底座；流 入通道、流出通道分别位于底座边沿中的两侧，用于被测气体的流入、流出。
本发明的光纤化学传感器各部分的连接关系为光纤锥的锥腰和光纤谐振腔中 部的沸石薄膜相接触且垂直；光纤锥放置在底座的光纤锥槽上，光纤谐振腔放置在底座 的光纤谐振腔槽上；顶盖和底座用螺栓通过安装孔固定在一起。
本发明的光纤化学传感器的工作过程为将光纤锥的光源输入端连接外界光 源，传感信号检测端连接光强检测设备。一定波段的光入射到光纤后，其中某些波长的 光满足了光纤锥和光纤谐振腔传输模式的相位匹配后，在光纤锥与光纤谐振腔间发生共 振耦合，并从光纤锥传输到光纤谐振腔中，然后在其内部散射传输损失。当传感器处 于特定大小气体分子的环境中时，光纤谐振腔表面的沸石薄膜会起到吸附气体分子的作 用，光纤锥与光纤谐振腔的耦合模式也将随之改变，从而导致谐振波长发生变化。光强 检测设备测出中央谐振波长漂移值，将实验数据作整理分析和标定后，得到反馈外界因 素变化的参数，从而达到传感效果。
有益效果
本发明采用光纤锥作为激发波导来激发谐振腔的回音廊式(WGMs)，具有很高 的耦合效率。通过沸石涂层的选择吸收作用，可以实现对特定大小的气体分子的检测。 作为承载装置的底座和顶盖结构简单，仅需标准机械加工工艺制备。本发明的传感器， 可以实现高灵敏度、高精度检测；可用于检测环境中特定种类分子的存在及浓度(如炸 药蒸汽、坑道气体分子)；可广泛应用于环境控制、工业过程处理、矿山生产、公共安 全设施、国土安全等领域，灵敏度可达ppm甚至ppb量级。
图1为具体实施方式
中的光纤化学传感器的结构示意图2为具体实施方式
中的光纤锥和光纤谐振腔的结构和位置关系示意图3为具体实施方式
中的底座结构图4为具体实施方式
中的顶盖结构图5为具体实施方式
中检测时光谱变化示意图6为具体实施方式
中的谐振波长随折射率改变的理论模拟图7为具体实施方式
中的沸石折射率在氮气环境中随异丙醇气体浓度变化实验图。
标号说明
1-光纤锥，2-光纤谐振腔，3-顶盖，4-底座，5-沸石薄膜，6_光纤锥输入 端，7-光纤锥输出端，8-流入通道，9-流出通道，10-光纤锥槽，11-光纤谐振腔槽， 12-底座样品储存腔，13-顶盖样品储存腔，14-底座安装孔，15-顶盖安装孔，16-外光纤。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一 步说明。
本实施例的光纤化学传感器的总体结构如图1所示，包括光纤锥1、光纤谐振腔 2、顶盖3和底座4。
其中，光纤锥1和光纤谐振腔2选用Coming公司的单模光纤制作，如图2所7J\ ο
光纤锥1的制备将单模光纤放置在拉锥机中，设定参数后启动拉锥程序，拉 锥后的光纤成一定锥度状，锥腰处直径l_2um。
镀沸石薄膜5的光纤谐振腔2的制备取一根单模光纤，用剥离钳去除中间部分 的涂覆层，将6.56ml的TPAOH (四丙基氨氢氧化合物)溶液、15.3ml的TEOS (正硅酸乙 酯)溶液和30ml蒸馏水混合，在50°C下搅拌3小时。将处理过的光纤置于混合液中然 后放置到合成反应器中，置于混合液中的长度为12-15毫米。在烘箱中预热到180°C， 在180°C下水热12小时合成沸石薄膜。用蒸馏水清洗后，将已镀膜的光纤谐振腔进行5 分钟的超声波浴。之后将上述镀膜过程重复一遍以增加沸石薄膜5的厚度。最后将已镀 膜的光纤谐振腔2在烘箱中，80°C下烘干10小时后，在空气中500°C下(升降温速率为 2°C/Wn)焙烧3小时，最后得到了沸石分子筛镀膜的光纤谐振腔2，膜厚约为2.5 μ m。
顶盖3(如图4所示)和底座4(如图3所示)采用3cmX3cmX Icm的有机玻 璃进行加工。在四个顶角处钻出放置螺栓的通孔，在顶盖3和底座4中部分别加工出 IcmX IcmX 0.5cm的被测气体的样本储存腔(13和1 ，并在底座4两侧开凿出流入通道 8和流出通道9，最后用超精密铣刀在底座4加工出放置光纤锥1和光纤谐振腔2的U型 槽(光纤锥槽10和光纤谐振腔槽11)，横截面尺寸为150umX 150um。
光纤锥1与光纤谐振腔2在底座4上的定位组装首先将光纤锥1的外光纤16 部分落在光纤锥槽10内，光纤锥1的外光纤16表面圆形与槽内壁相切，在卡住的部分点 上紫外胶，在紫外灯下照射一定时间使其固化，固化后将光纤锥1的一端连接到可调谐 激光器，另一端与光强探测器相连。然后将沸石镀膜光纤谐振腔2的光纤部分落在光纤 谐振腔槽11内，并保证光纤锥1与沸石镀膜光纤谐振腔2相接触，光纤部分的外圆与槽 内壁相切，在卡住的部分点上紫外胶，在紫外灯下照射一定时间使其固化。放置好光纤 锥1与光纤谐振腔2后将顶盖和底座用螺栓通过安装孔(14和15)固定。
将本实例制作的传感器用于特定气体分子检测时，波长连续变化的入射光从光 纤锥1的入射端6进入到光纤谐振腔2与光纤锥锥腰的耦合区时，某些特定波长的光在 镀有沸石薄膜5的光纤谐振腔2内形成回音廊模式，输出端7输出光谱的“透射率-波长”曲线就会产生一系列共振吸收带(如图5所示)，这些共振带对应的波长对沸石镀 膜层的折射率变化非常敏感。当光纤谐振腔2吸附环境中的被检测气体分子，沸石薄膜 5的折射率发生改变，光纤谐振腔2内回音廊模式的谐振波长也发生了变化。根据谐振 波长移动的大小，可得到折射率的改变量(如图6所示)。图6为理论计算结果涂有 不同厚度(h)沸石涂层的光纤谐振腔2内波长在1550nm附近的回廊模，其谐振波长移 动(S λ )和沸石涂层折射率改变量(δ η)之间的关系。曲线的斜率即表示传感器的灵敏 度 S = δ λ/δη,单位是 nm/RIU(RIU Refractive Index Unit,表示折射率单位)。由 图6可以得出，沸石涂层能够极大地提高传感器的灵敏度，例如没有沸石涂层时Ch = Oym),传感器灵敏度Sa^.7nm/RIU ；当沸石涂层厚度超过3微米(h3 μ m)，传感器灵 敏度Sall36.3nm/RIU，提高了约43倍，远高于传统光学谐振腔传感器。同时，当沸石 涂层厚度超过3微米，传感器具有很好的线性特性，在实际应用中十分方便。在实际测 量中，折射率的改变与环境相应物质分子浓度相对应(如图7所示)，由此可以检测出特 定气体中所测化学分子的浓度。图7为沸石折射率(η)在氮气环境中随异丙醇气体分子 浓度(Cip)的变化曲线。当异丙醇气体分子浓度达到lOOOppm，沸石折射率由1.336增加 到1.396，S卩δ n = 0.06RIU，对于涂有厚度超过3微米沸石层的光纤谐振腔，其回音壁模 式的谐振波长将移动S λ = SX δη = 1136.3X0.0668nm。而目前可调谐激光器分辨率 远远小于lnm，因此，该传感器完全能够实现对异丙醇气体分子的ppm量级的检测，甚 至能够达到ppb量级。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细 说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于 限定本发明的保护范围。本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化。但是，凡在 本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。
权利要求
1.一种微型高灵敏度光纤化学传感器，其特征在于包括光纤锥、光纤谐振腔、顶 盖和底座；所述的光纤锥为单模光纤去除中间部分的涂覆层，在高温加热和两端拉力的作用下 光纤中部逐渐变细形成锥腰、锥腰与两端外光纤的过渡部分呈现锥状；其直径要求使光 纤锥内基模与谐振腔内回廊模的相位能够匹配；光纤锥具有很高的耦合效率，能激发谐 振腔的回音廊式；光纤锥的一端为光源输入端；另一端为传感信号检测端，用于检测输 出光的变化情况；所述的光纤谐振腔为中部镀有沸石薄膜并去掉涂覆层的单模光纤，可有效的增强化 学传感器的选择性吸附能力；沸石的微小毛孔使其具有很大的表面积/质量比，能有效 地从周围环境中吸附被检测物质的分子，并使其聚集浓缩在一起；被检测物质的分子根 据大小和形状的不同而被有选择性地吸附在光纤谐振腔表面，并被定向化和有秩序的排 列，使得沸石毛孔的光学结构和光学性质改变；所述的顶盖的截面大小与底座的一样，其上设计制作了样品储存腔和安装孔；所述的底座上设计了光纤锥槽、光纤谐振器槽、样品储存腔、流入通道、流出通道 和安装孔；用于固定光纤锥和光纤谐振腔，并为被测气体提供一个密闭的检测环境；上述各部分的连接关系为光纤锥的锥腰和光纤谐振腔中部的沸石薄膜相接触且垂 直；光纤锥放置在底座的光纤锥槽上，光纤谐振腔放置在底座的光纤谐振腔槽上；顶盖 和底座用螺栓通过安装孔固定在一起。
2.根据权利要求1所述的一种微型高灵敏度光纤化学传感器，其特征在于所述的 光纤锥最细部分的优选直径为1-2微米。
3.根据权利要求1所述的一种微型高灵敏度光纤化学传感器，其特征在于所述底 座的样品储存腔为底座中心的凹槽；光纤锥槽和光纤谐振腔槽位于底座边沿，形状大小 使得槽内壁分别与光纤锥的外光纤和光纤谐振腔的圆形表面相切；安装孔与顶盖上的安 装孔的个数和位置一致，用于固定顶盖和底座；流入通道、流出通道分别位于底座边沿 中的两侧，用于被测气体的流入、流出。
全文摘要
本发明涉及一种微型高灵敏度光纤化学传感器，属于微型传感器技术领域。具体包括光纤锥、光纤谐振腔、顶盖和底座。光纤谐振腔为中部镀有沸石薄膜的单模光纤(去掉涂覆层)，可有效的增强化学传感器的选择性吸附能力。本发明采用光纤锥作为激发波导来激发谐振腔的回音廊式，具有很高的耦合效率。通过沸石涂层的选择吸收作用，可以实现对特定大小的气体分子的检测。作为承载装置的底座和顶盖结构简单，仅需标准机械加工工艺制备。本发明的传感器，可以实现高灵敏度、高精度检测；可用于检测环境中特定种类分子的存在及浓度；可广泛应用于环境控制、工业过程处理、矿山生产、公共安全设施、国土安全等领域，灵敏度可达ppm甚至ppb量级。
文档编号G01D5/26GK102023029SQ20101055822
公开日2011年4月20日 申请日期2010年11月22日 优先权日2010年11月22日
发明者姜澜, 林奈, 王素梅, 肖海, 袁雷 申请人:北京理工大学