一种光纤湿度传感器的制作方法

本发明涉及一种湿度传感器，尤其涉及一种金属纳米颗粒和微纳光纤，属于光学器件领域。

背景技术：

湿度是电子工业、航空航天、食品、纺织、仓储和医药等领域一个至关重要的物理量，开发灵敏度高、响应速度快、成本低和尺寸小的湿度传感器是人们孜孜以求的目标。与传统电子传感器相比，光纤传感器具有高带宽、快速响应和抗电磁干扰等优异的性能。为了获得更小尺寸和更高灵敏度的光纤湿度传感器，直径接近光波长的微纳光纤引起了人们极大的兴趣，目前人们已经开发了多种基于微纳光纤的微型光学湿度传感器，其中微纳光纤形成的环腔由于其简单性和较高灵敏度成为研究最多的结构之一。但是，典型微纳光纤环腔的尺寸为数十微米到几毫米，这是受到微纳光纤弯曲损耗的限制，使得基于微纳光纤环腔的光学传感器进一步小型化变得异常困难。

为沿光纤分布的环境参数如湿度、温度、应力等进行连续测量，分布式光纤传感器应运而生，它传统上是利用光频域或时域反射原理，获得被测量参数随空间和时间变化的信息，已在桥梁、油库、隧道、高铁和海底电缆监测等领域已有广泛的应用。目前分布式光纤传感器的分辨率一般为几米，最新报道的分辨率已改善至几十厘米量级，其空间分辨率是由探测脉冲光的脉冲时间尺度决定，在提高空间分辨率时面临着系统信噪比变差和传感范围减小的难题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于金属纳米颗粒-微纳光纤回音壁腔耦合系统的光纤湿度传感器。

本发明的发明构思是：在聚合物微纳光纤的表面上布置有一个以上金属纳米颗粒；若金属纳米颗粒为两个以上时，各金属纳米颗粒则间隔分布。每个金属纳米颗粒的表面等离激元共振采用超连续光源暗场激发，使每个金属纳米颗粒都可以和聚合物微纳光纤的回音壁腔耦合形成独立的复合腔，若复合腔的散射光谱的自由光谱距离大于湿度变化引起的复合腔的散射峰的位移，则每个复合腔可作一个湿度传感器。特别是当金属纳米颗粒表面等离激元与聚合物微纳光纤的回音壁腔强耦合时，散射光谱上可只有一个线宽明显压缩的主峰。收集每个复合腔的散射光谱，获得每个金属纳米颗粒附近的湿度信息，进而实现一种空间分辨率在微米级的分布式光纤湿度传感器。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

本发明一种光纤湿度传感器是在聚合物微纳光纤的表面上置有一个以上金属纳米颗粒；若金属纳米颗粒为两个以上，则各金属纳米颗粒间隔分布；各所述金属纳米颗粒在超连续光的暗场激发下，能够分别与聚合物微纳光纤的回音壁腔耦合形成独立的复合腔，且复合腔的散射光谱的自由光谱距离大于湿度变化引起的复合腔的散射峰的位移。

进一步地，本发明中，相邻金属纳米颗粒的间距大于1μm。

进一步地，本发明所述聚合物微纳光纤为湿敏材料。

进一步地，本发明所述聚合物微纳光纤的材料为聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚氧化乙烯或全氟磺酸型聚合物。

进一步地，本发明所述聚合物微纳光纤的直径为1～5μm，所述金属纳米颗粒的尺寸小于200nm。

进一步地，本发明所述金属纳米颗粒的材料是金、银或铜。

进一步地，本发明所述超连续光的波长为400～850nm。

进一步地，本发明所述超连续光与聚合物微纳光纤的中心轴之间的夹角为15°～40°。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

本发明通过监测每个金属纳米颗粒与聚合物微纳光纤的回音壁腔耦合散射峰波长的变化，得到每个金属纳米颗粒所在位置的湿度信息。当金属纳米颗粒为两个以上时，由于在聚合物微纳光纤的表面上有一系列间隔分布的金属纳米颗粒，从而得到湿度沿光纤的空间分布信息。由于金属纳米颗粒-微纳光纤回音壁腔的耦合模式被限制在微米级腔内，本发明光纤湿度传感器的空间分辨率仅受相邻复合腔之间的相互作用和光学衍射极限的限制，因而可以实现微米级的空间分辨率。本发明光纤湿度传感器具有尺寸小、功耗低、灵敏度高和结构简单的特点，目前可检测15%-85%的相对湿度。

附图说明

图1为本发明光纤湿度传感器的激发和探测系统示意图。

图2为聚丙烯酰胺微纳光纤上转移单个金纳米棒的扫描电镜照片。

图3为聚丙烯酰胺微纳光纤上与单个金纳米棒强耦合形成的复合腔在不同湿度下的散射光谱。

图4为提高湿度和降低湿度时，复合腔的散射峰随湿度的变化和相应的线性拟合曲线。

图5为本发明光纤湿度传感器的结构示意图。

图6为应用本发明光纤湿度传感器测量聚丙烯酰胺微纳光纤的表面上轴向相隔1.5mm的三个点的湿度结果，并与电子湿度传感器的测量结果进行对比。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

图1为基于金属纳米颗粒-微纳光纤回音壁腔强耦合系统的光纤湿度传感器的激发和探测系统示意图。在聚合物溶液中（图1所示的实施例以质量分数为2%的聚丙烯酰胺为例）通过直接拉伸法制备直径为2.1μm的聚合物微纳光纤1。然后将金属纳米颗粒2（图1所示的实施例中以金纳米棒为例，从nanoseedz公司购得，平均直径为38nm，长度为110nm）转移至聚合物微纳光纤1的表面。具体转移过程为：将聚合物微纳光纤1的两端固定悬空于玻璃基底上，通过火焰加热拉伸普通氧化硅光纤得到拉锥光纤，然后将拉锥光纤浸入稀释的金纳米棒水溶液中几秒，在空气中晾干，金纳米棒就转移至拉锥光纤的表面；在光学显微镜下，通过三维微调架将吸附有金纳米棒的拉锥光纤轻触聚丙烯酰胺微纳光纤1的表面若干次，这样通过显微操作将水溶液中的单个金纳米棒2转移至聚丙烯酰胺微纳光纤1的表面（如图2所示）。

将表面上分布有单个金纳米棒2的聚丙烯酰胺微纳光纤1置于一个密封容器3中，容器里有温湿度表可监测容器内的环境变化，容器有进气口4和出气口5。用普通光纤6输出的超连续光7向聚丙烯酰胺微纳光纤上的金纳米棒2倾斜照射。由此，金属纳米颗粒可以和聚合物微纳光纤的回音壁腔强耦合形成复合腔。一般地，超连续光倾斜照射于金纳米棒2上，超连续光与聚合物微纳光纤的中心轴之间的夹角为15°～40°。在本实施例中，超连续光7与聚丙烯酰胺微纳光纤1的中心轴的夹角为30°。通过物镜8收集复合腔的散射光谱，如图3所示，相对湿度从14.7%提高到85.8%时，散射光谱上只有一个线宽明显压缩的主峰，说明金属纳米颗粒表面等离激元与聚合物微纳光纤的回音壁腔形成强耦合。通过监测散射光谱峰随湿度的变化，就可得到金纳米棒附近的湿度变化信息。从图4可看出在相对湿度为15%-85%范围时，提高或降低湿度，复合腔的散射峰随湿度变化呈较好的线性关系，进一步可得该光纤湿度传感器的灵敏度为0.51nm/%rh。

若金属棒2为两个以上，则重复将单个金纳米棒2转移至聚丙烯酰胺微纳光纤1表面的过程。如图5所示，在聚丙烯酰胺微纳光纤1的表面，每隔1.5mm将单个金纳米棒转移至上述直径为2.1μm聚合物微纳光纤的表面，可制作出分布式光纤湿度传感器。在本实施例中，将金纳米棒在聚丙烯酰胺微纳光纤表面上的分布间距选择为1.5mm，这是为了将该分布式光纤湿度传感器的结果与电子湿度传感器的结果进行对比。由于使用的电子湿度传感器的湿度敏感芯片的大小约为0.8mm，受其限制，该分布式光纤湿度传感器表面的金纳米棒的间距要大于0.8mm。图5所示的分布式光纤湿度传感器是在聚合物微纳光纤的表面上分布有三个金纳米棒ⅰ至ⅲ，相邻金纳米棒的间距为1.5mm。将不同水汽和氮气的混合气9通过一直径为0.5mm的毛细玻璃管垂直于聚合物微纳光纤进行喷射，毛细玻璃管指向最右边的金纳米棒ⅰ，这样在聚合物微纳光纤上的三个金纳米棒所在的点人为制造了湿度梯度，且湿度从金纳米棒ⅰ到金纳米棒ⅲ依次减小。用普通光纤输出的超连续光向聚丙烯酰胺微纳光纤上的金纳米棒2倾斜照射，超连续光与聚合物微纳光纤的中心轴之间的夹角为30°，每个金属纳米颗粒分别与聚合物微纳光纤的回音壁腔强耦合形成复合腔。通过物镜收集复合腔的散射光谱，监测散射峰波长的变化，根据测得的分布式光纤湿度传感器的灵敏度0.51nm/%rh，可反推各点在有水汽和氮气混合气下的湿度信息。如图6所示，将本发明分布式光纤湿度传感器测得的湿度与电子湿度传感器进行对比，两种传感器的测量结果符合得很好，从而证明本发明提供了一种基于金属纳米颗粒-微纳光纤回音壁腔耦合系统的光纤湿度传感器。

本发明中，一般地，超连续光的波长为400～850nm。金属纳米颗粒的材料通常为金、银或铜，金属纳米颗粒的形状通常为球形、棒形、立方体、双锥体、三角片等。优选地，若聚合物微纳光纤的直径为1～5μm，金属纳米颗粒的尺寸小于200nm，则每个金属纳米颗粒分别与聚合物微纳光纤的回音壁腔强耦合形成复合腔。聚合物微纳光纤的材料通常为聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚氧化乙烯、全氟磺酸型聚合物等对湿度敏感的材料。