[發明專利]在光纖傳感器端面沉積金屬膜層的方法

無效

• 申請號: 200710041504.8
• 申請日: 2007-05-31
• 公開（公告）號: CN101063624A
• 公開（公告）日: 2007-10-31
• 發明（設計）人: 蔡文斌;霍勝娟;王金意
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01D5/26
• 分類號: G01D5/26;G01D5/353
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于光纖傳感器技術領域，具體涉及以一種在光纖傳感器端面沉積金屬覆蓋層的方法。

背景技術

近幾年來，光纖傳感器與測量技術已發展成為儀器儀表領域新的發展方向，其原因在于光纖傳感器具有其它傳感器無法比擬的特點：

(1)優良的傳光性能，傳光損耗很小(目前損耗能達到≤0.2dB?km^-1的水平；

(2)頻帶寬，可進行超高速測量，靈敏度和線性度好；

(3)體積小，重量輕，能在惡劣環境下進行非接觸式、非破壞性以及遠距離測量。

此外，光纖傳輸還具有靈敏度高、可靠性好、原材料硅資源豐富、抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高壓、電絕緣性能好、可繞曲、防爆等特點。同時，它還便于與計算機相連，進而實現智能化和遠距離監控。這些都是對傳統傳感器功能和性能的擴展與提高，并借此完成前者很難完成甚至不能完成的任務。正是由于光纖傳感器所具有的獨特優勢，已就被廣泛應用于醫療、交通、電力、機械、石油化工、民用建筑以及航空航天等各個領域。

在光纖傳感器的研制中，需要在組成元素光纖的端面上沉積一層金屬薄膜形成反射鏡。從發射器發出的光束在端面發生鏡面反射，即返回接收器，接收和發射在同一個端口，這樣提高了靈敏度(如圖1所示)。通常，在光纖一端覆蓋反射率較高的金屬薄膜，利用它傳輸和收集激光信號，以實現遠距離及危險條件下的控制。但是，光纖作為傳感器的組成元素，表面積非常小(通常使用芯徑大約幾微米的單模光纖)，用現有的電子濺射、真空蒸鍍的方法在光纖局部涂覆金屬膜比較困難(示意圖如圖2所示)。其主要原因在于這兩種方法都需要在真空鍍室中、300℃左右的溫度下進行鍍膜。這樣，金屬原材料的浪費及操作耗時問題都很嚴重，當溫度超過300℃時，常規的光纖涂覆層由于不能耐高溫而容易發脆并斷裂；另外，由于光纖一般較長，又不宜彎曲，因此需盤成較大的一卷才能放入真空鍍室中，從而造成端面固定的困難。因此亟需研究一種能在常溫下進行并且操作簡便的涂覆金屬膜的方法。

金屬膜尤其是Au或Ag膜在可見光和紅外區域有良好的反射性能，尤其適用于反射激光。已有報道用直接化學鍍Ni的方法在光纖端面獲得鏡面反射層，光纖待鍍表面需經粗化、敏化、活化、還原后實行化學鍍。雖然鍍Ni層與光纖表面的附著力很強，但端面的外表面層發黑，光反射率較低，測定值為0.2～0.3，不能達到使用要求。另外可以在采用粗化后的光纖端面在60℃下化學鍍Ag作為反射面，雖然反射率較高，但鍍層的機械性能以及與附著力很差，容易脫落，不可直接使用。而對其熱處理后，機械性能提高但反射率降低，無法實現兩者的同步增加。

發明內容

針對目前光纖傳感器端面金屬鍍膜層反射率較低、機械性能不高，操作耗時，鍍膜隨環境變化較大等問題，本發明提供了一種在光纖傳感器端面沉積金屬膜層的新方法，以解決現有端面沉積技術中的難題，方便快捷，容易操作，機械性能也得到較大提高。

本發明解決以上問題所采用的技術方案是：先對清洗好的光纖傳感器的光纖端面進行自組裝表面改性，獲得一層均勻覆蓋的自組裝分子層，這層分子與硅表面分子存在鍵合作用，從而可以較牢固地附著在光纖端部表面，形成化學沉積過程所需的催化劑。自組裝分子層有朝向面外的氨基或巰基末端。將此光纖底端在常溫下浸泡于催化劑金屬納米溶膠或金屬離子鹽溶液中進行催化活化，溶膠內所含的納米金屬將與自組裝層的氨基或巰基末端通過靜電作用緊密地結合在一起，并形成化學鍍的催化中心。將經過自組裝修飾并活化后的光纖底端浸于化學鍍的鍍液中，由于納米粒子或金屬離子的催化作用，可以快速的引發化學鍍鍍液中金屬離子的還原，在光纖端面上得到均一光亮牢固的金屬鍍膜層。

本發明使用的自組裝分子可以是3-氨基丙基-三甲氧基硅烷(APTMS)或者3-巰基丙基甲基三甲氧基硅烷(MPTMS)等有機硅烷，自組裝所用溶劑可以使用水、乙醇或甲苯。催化劑金屬納米溶膠包括Au、Ag或Pd等貴金屬溶膠，金屬離子溶液可以是氯化鈀、氯鈀酸鈉等離子鹽溶液。溶膠粒徑范圍為1～100nm，具體根據催化反應類型控制，離子鹽溶液的濃度范圍為0.5～500mM。常溫浸泡進行催化活化，時間范圍1～10h。本發明方法可以適用于芯徑不同的單膜光纖或多模光纖。

本發明的有益效果：

1.使用“種子生長法”得到金屬的沉積層，方法簡單，成本低、利于規模加工。

2.該方法操作靈活，易于對光纖器件端面的固定，可以實現表面涂膜批處理，節約時間。