本发明涉及光学领域和微纳系统领域，具体为一种基于光学微球型谐振腔的湿度传感器。
技术背景
湿度作为较难检测又特别重要的环境参量之一，在气象预报、环境监测、农业生产、药品生产、半导体器件加工、食品储存、纺织、发电、航空航天、机车舰船等方面有着重要的应用。通常，湿度传感器应满足以下要求：快的响应速度、小的滞后；高可靠性、长寿命；较宽的温度范围、非常小的温度系数；互换性强、复性好；容易制作、价格低；能在具有腐蚀性的气体中工作等。然而，想要全面满足上述要求，实际上则非常困难。能准确、快速的测量湿度在人们的日常生活和工业生产中至关重要。
传统的湿度传感器主要为电容和电阻等类型，存在体积大、灵敏度低、响应时间长、需要湿度敏感材料的涂覆和易受到电磁干扰等缺点。整个传感器的灵敏度受限于涂覆材料的选取，寿命也依赖于涂覆材料的种类，限制了整个湿度传感器的发展。光学湿度传感器具有体积小、响应快、抗电磁干扰等优点。这些优点使光学湿度传感器应用在电学湿度传感器和声学湿度传感器不能应用或不适合应用的场合，如光纤传感器应用在微波炉内部，用来检测温度和湿度参数。由于光学传感器不需要电动力，因此可用来检测易燃的液体和气体，并且可在恶劣的环境下( 如腐蚀性物质中)使用。
近年来，人们对传感器微型化和集成度的要求越来越高，因此光学微型湿度传感器的研究成为了新的研究热点，以回音壁模式为基础的微谐振器件拥有超高的品质因数、低能量损耗和低廉的制作成本，使得其吸引了大量研究学者的关注。
技术实现要素：
本发明提出了一种基于光学微球型谐振腔和锥形光纤耦合的湿度传感器。应用光纤制作一种体积小、不受电磁干扰、抗腐蚀、具有非常高的灵敏度及测量精度、使用寿命长、稳定性好、响应速度快的湿度传感器，并且提供了光纤微球腔湿度传感器的制作方法。
本发明是采用如下的技术方案实现的：一种基于光学微球型谐振腔的湿度传感器，包括微球腔和锥形光纤，微球腔和锥形光纤耦合封装后形成湿度传感器。
该湿度传感器的原理为：光学微球腔由于其极高的品质因数(Q0>109)和极小的模式体积而受到日益广泛的关注, 微球腔的特性来源于其独特的回音壁模式:光波在微球内表面上不断进行全反射,从而被约束在球内并沿球的大圆绕行。为了直接在微球腔内激发起回音壁模式，从而获得较高的耦合效率，可以使用锥形光纤来激发微球腔中的谐振模式。当外界湿度发生变化时，相对湿度的变化使得微球腔与锥形光纤之间耦合区域的水分子的数量发生变化，导致了耦合区域的折射率发生变化，微球腔的谐振波长会由于折射率及尺寸的变化而产生偏移，从而可以通过对谐振波长漂移量的检测来确定外界环境的相对湿度。
上述的基于光学微球型谐振腔的湿度传感器，其制备方法包括以下步骤：
第一步：采用热熔融的办法制备微球腔；
第二步：采用熔拉法制备锥形光纤；
第三步：（1）微球腔通过残留的光纤柄固定在玻璃管上，锥形光纤通过石英片固定在玻璃片A上，玻璃管固定在三维平移台的联轴器上，玻璃片A设置在三维平移台上，（2）通过调整微球腔与锥形光纤的相对位置，获得期望的耦合状态；（3）将玻璃片B放置在玻璃片A下方，由磁铁将两玻璃片吸住，在玻璃片B的上表面滴涂光固胶；（4）将玻璃片B向前推动直到它与玻璃管接触，然后在二者接触区域滴涂光固胶，由于微球腔与锥形光纤是接触的，因此耦合非常稳定：（5）用灯光照射涂覆光固胶的区域，使其固化，照射时间要足够长以保证完全固化，否则，封装后的器件会由于胶的继续固化而使得微球腔与锥形光纤的相对位置产生变化，进而使得谐振谱发生变化，影响性能；（6）固化后将联轴器与玻璃管分离，玻璃片A与三维平移台分离，这样就得到了封装好的基于微球型谐振腔的湿度传感器。
上述的一种基于光学微球型谐振腔的湿度传感器，热熔融法制备微球腔具体包括以下步骤：（1）取一段光纤，用光纤剥线钳将光纤一端的有机涂覆层剥去；（2）用酒精浸湿的无尘纸将光纤芯擦拭干净，并将光纤固定在三维调整架上；（3）打开CO2激光器，功率调至仅能软化光纤的程度，此时在激光作用下，光纤受热会发出亮光；（4）通过三维调整架将光纤芯端部调整到焦点处，然后竖直向下移动一段距离L，通过控制L的大小可实现微球腔尺寸的控制，在忽略微小的材料挥发情况下，由材料体积不变性，微球半径可近似为：R=(2930L)1/3 um, L单位为um；（5）调高激光功率并打开CO2激光器,光纤芯在激光照射下受热熔融，聚焦点下面的光纤芯会向上收缩，最终由于表面张力作用自动形成一个微球。
上述的一种基于光学微球型谐振腔的湿度传感器，熔拉法制备锥形光纤包括以下步骤：（1）取一段光纤，将中间部分的有机涂覆层剥去并擦拭干净，通过两个光纤夹具将光纤固定在精密平移台上，精密平移台由两个步进电机控制；（2）将提供氢氧焰的火焰枪点火并移动至光纤芯区域，确保光纤芯处于火焰的外焰位置使受热区域的中间温度最高，预热10 s后驱动步进电机使两精密平移台背向移动，受热软化的光纤芯在拉伸作用下会逐渐变细，当锥腰直径达到需要的尺度时关闭火焰枪并停止平移台的移动。
改变谐振腔与锥形光纤耦合区的相对湿度，空气中的水分子数量变化引起耦合区域折射率的变化，从而导致谐振光谱发生漂移。本发明与传统的湿度传感器相比，应用光纤制作，具有体积小、不受电磁干扰、抗腐蚀、具有非常高的灵敏度及测量精度、使用寿命长、稳定性好、响应速度快等一系列特点。
附图说明
图1为微球腔制作原理图。
图2为锥形光纤的制作示意图。
图3为封装过程示意图。
图4为微球腔与锥形光纤的耦合示意图。
图中：1-玻璃片A，2-玻璃片B，3-磁铁，4-玻璃管，5-联轴器，6-石英片。
具体实施方式
本发明的微球腔湿度传感器主要由两部分组成,分别是微球腔跟锥形光纤。
一．微球腔的制备采用热熔融的办法:将单模光纤的涂覆层去除后,然后用CO2激光器对其光纤芯尖端进行灼烧,使其成为熔融状态,然后在表面张力的作用下形成较为标准的球形,球的直径约为80～500 um。
制作微球的具体步骤如下：（1）取一段光纤，用光纤剥线钳将有机涂覆层剥去；（2）用酒精浸湿的无尘纸将光纤芯擦拭干净，并将其固定在三维调整架上；（3）打开CO2激光器，功率调至仅能软化光纤的程度，此时在激光作用下，光纤芯受热会发出亮光，在侧面观察装置的监视下，可找到激光聚焦点，之后将观察装置的镜头定位在焦点处并关闭CO2激光器；（4）通过三维调整架将光纤芯端部调整到焦点处，然后竖直向下移动一段距离L,通过控制L的大小可实现微球腔尺寸的控制，在忽略微小的材料挥发情况下，由材料体积不变性，微球半径可近似为：R=(2930L)1/3 um, L单位为um；（5）调高激光功率并打开激光器,光纤芯在激光照射下受热熔融，聚焦点下面的光纤芯会向上收缩，最终由于表面张力作用自动形成一个微球，除了CO2激光器，还可以使用氢氧焰或者放电电弧来熔融光纤芯制作微球，原理类似。
二．锥形光纤的制备采用熔拉法:单模光纤去除涂覆层后通过光纤夹具固定在水平的位移台上,在氢火焰给光纤芯加热的同时,两个水平位移台以相同的速度拉伸光纤,从而使光纤在火焰部分形成锥形,此方法能够实现超低损耗(0.29 dB)的锥形光纤制备,锥区束腰直径约为2～10 um。
具体操作步骤如下：（1）取一段普通光纤，将中间部分（约15 mm）的有机涂覆层剥去并擦拭干净，通过两个光纤夹具将光纤固定在精密平移台上，精密平移台由两个步进电机控制；（2）将提供氢氧焰的火焰枪点火并移动至光纤区域，确保光纤芯处于火焰的外焰位置使受热区域的中间温度最高，预热10 s后驱动步进电机使两平移台背向移动，受热软化的光纤在拉伸作用下会逐渐变细，当锥腰直径达到需要的尺度时关闭火焰枪并停止平移台的移动，如图2所示；（3）锥形光纤制作出来后，由于锥腰太细特别容易损坏，因此需要将其固定在一个器件上方便移动与实验，固使用石英片来固定光纤，石英片放置在一个精密平移台上；（4）将石英片调整到合适的位置后，在光纤两端与其接触位置滴上紫外光固胶，并用紫外灯照射3～5分钟，待光固胶固化后，取下石英片，固定好的锥形光纤器件便制作出来了。
三．制作微球腔封装器件：微球腔通过残留的光纤柄固定在玻璃管上，锥形光纤固定在玻璃片A上，玻璃管固定在三维平移台的联轴器上，玻璃片A设置在三维平移台上，（1）通过精密调整微腔与锥形光纤的相对位置，获得期望的耦合状态；（2）将玻璃片B放置在A下方，由磁铁将两玻璃片吸住，用注射器在B的上表面滴涂光固胶；（3）慢慢将玻璃片B向前推动直到它与玻璃管轻微接触，然后在接触区域滴涂光固胶，由于微腔与锥形光纤是接触的，因此耦合非常稳定，操作带来的平台轻微振动对耦合现象几乎没有影响：（4）用365 nm波长的紫外灯照射涂覆光固胶的区域，使其固化，照射时间要足够长以保证完全固化，否则，封装后的器件会由于胶的继续固化而使得微腔与锥形光纤的相对位置产生变化，进而使得谐振谱发生变化，影响性能，大概30 min的光照时间可以满足要求；（5）固化后将连接着三维平移台的联轴器与玻璃管分离，玻璃片A与三维平移台分离，这样就得到了封装好的微球腔耦合器件,如图3（e）所示。