[發(fā)明專利]用于FP腔光纖聲學(xué)傳感器的內(nèi)嵌式雙層敏感膜及制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910305527.8
• 申請日: 2019-04-16
• 公開（公告）號: CN110057438B
• 公開（公告）日: 2023-08-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 江致興;劉滕;周俐娜
• 申請（專利權(quán)）人: 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00;G03F7/00;C23C14/18;C23C14/20;C23C14/30
• 代理公司: 武漢知產(chǎn)時代知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 42238
• 代理人: 孫麗麗

本發(fā)明涉及一種用于FP腔光纖聲學(xué)傳感器的內(nèi)嵌式雙層敏感膜及制備方法，屬于聲學(xué)傳感器技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的FP腔光纖聲學(xué)傳感器包括毛細玻璃管、單模光纖和敏感膜，其中作為FP腔體的毛細玻璃管的一個環(huán)形端面與單模光纖的橫截面連接，毛細玻璃管的另一個環(huán)形端面與將其覆蓋的內(nèi)嵌式雙層敏感膜固連；內(nèi)嵌式雙層敏感膜包括軟膜和內(nèi)嵌入軟膜內(nèi)表面的金屬硬膜，金屬硬膜與單模光纖的纖芯橫截面相對設(shè)置，金屬硬膜的直徑與單模光纖纖芯橫截面的直徑相等，軟膜的直徑與毛細玻璃管環(huán)形端面的外徑相等。本發(fā)明將彈性模量較大且反射率大的金屬硬膜鑲嵌在彈性模量小的軟膜內(nèi)，形成一內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)，制作出的敏感膜同時具有很好的形變能力和反射率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及聲學(xué)傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于FP腔光纖聲學(xué)傳感器的內(nèi)嵌式雙層敏感膜及制備方法。

背景技術(shù)

近年來，隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感器技術(shù)也獲得了長足的發(fā)展，形成多種光纖傳感器，如光纖振動傳感器、光纖聲學(xué)傳感器、光纖壓力傳感器、光纖溫度傳感器等；由于光纖傳感器采用光纖傳感技術(shù)，因而具有靈敏度高、抗電磁干擾等優(yōu)點，適合于復(fù)雜電磁環(huán)境和微弱信號的情況。這些光纖傳感器采用的原理也有多種，如反射強度式、光纖光柵式、Mickelson干涉儀式、MZ干涉儀式、Signac干涉儀式以及FP腔光纖傳感器。

在各種原理的光纖聲學(xué)傳感器中，F(xiàn)P腔光纖聲學(xué)傳感器因其結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、解調(diào)方法簡單而被廣泛研究，形成了各種結(jié)構(gòu)的FP腔光纖聲學(xué)傳感器。FP腔光纖聲學(xué)傳感器作為一種新型傳感器，和傳統(tǒng)電壓電容傳感器相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、不受電磁干擾并且易于集成化的特點，具有微型化、集成化的發(fā)展趨勢。

FP腔光纖聲學(xué)傳感器的敏感膜是其關(guān)鍵組件，基于不同材料制成不同結(jié)構(gòu)的敏感膜的FP腔光纖聲學(xué)傳感器已經(jīng)被多次報導(dǎo)：例如，(1)Dai等人使用單層石墨烯薄膜作為敏感膜，結(jié)合套著毛細管的單模光纖構(gòu)成FP腔，進而制成FP腔光纖聲學(xué)傳感器；其中使用單層石墨烯薄膜制成的敏感膜彈性模量低，但是折射率低、成本較高且容易損壞。(2)Majun等人使用多層石墨烯作為敏感膜，用多層石墨烯制成的敏感膜在0.2-22Khz間有高響應(yīng)，同時隨著石墨烯厚度增大，敏感膜的折射率提高但是其彈性模量增大。(3)使用光子晶體反射鏡作為敏感膜，在10-50Khz間有高響應(yīng)，光子晶體反射鏡制成的敏感膜具有高反射率和高彈性模量的特點。

現(xiàn)有的敏感膜只具有高反射率或低彈性模量中的單一特點，不能滿足實際FP腔光纖聲學(xué)傳感器的使用要求。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種用于FP腔光纖聲學(xué)傳感器的內(nèi)嵌式雙層敏感膜及制備方法，敏感膜為在彈性模量小的軟膜內(nèi)表面上內(nèi)嵌一層高反射率的金屬硬膜，同時具有彈性模小和高反射率的特點。

本發(fā)明提供了一種用于FP腔光纖聲學(xué)傳感器的內(nèi)嵌式雙層敏感膜，該FP腔光纖聲學(xué)傳感器由毛細玻璃管、單模光纖和敏感膜組成，其中作為FP腔體的毛細玻璃管的一個環(huán)形端面與單模光纖的橫截面連接，環(huán)形端面的外徑和單模光纖的直徑相等，該毛細玻璃管的另一個環(huán)形端面與將其覆蓋的敏感膜固連；單模光纖的橫截面中心和敏感膜的中心均在毛細玻璃管的軸線上，單模光纖的纖芯橫截面和敏感膜作為FP腔體的兩個腔鏡，與毛細玻璃管的軸向成90°，形成FP腔干涉結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明中的內(nèi)嵌式雙層敏感膜包括軟膜和內(nèi)嵌入軟膜表面的金屬硬膜，金屬硬膜與單模光纖的纖芯橫截面相對設(shè)置，金屬硬膜的直徑與單模光纖纖芯橫截面的直徑相等，軟膜的直徑與毛細玻璃管環(huán)形端面的外徑相等。

進一步的，所述軟膜為表面平整光潔的橡膠模或硅膠膜，軟膜優(yōu)選由PDMS制成。

進一步的，金屬硬膜由金或銀制成。

進一步的，所述內(nèi)嵌式雙層敏感膜的厚度為0.5-10μm，金屬硬膜的厚度為10-1000nm。

本發(fā)明還提供了一種上述內(nèi)嵌式雙層敏感膜的制備方法，包括以下步驟：