[發明專利]一種光纖氣體壓力傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 202010101071.6
• 申請日: 2020-02-19
• 公開（公告）號: CN111272330B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 魏翔宇;冉玲苓;楊九如;宋小康;沈中輝;李唱;侯靚濤;李昭軍
• 申請（專利權）人: 黑龍江大學
• 主分類號: G01L11/02
• 分類號: G01L11/02
• 代理公司: 哈爾濱市文洋專利代理事務所(普通合伙) 23210
• 代理人: 何強

一種光纖氣體壓力傳感器及其制備方法，涉及一種氣體壓力傳感器及其制備方法。本發明解決了現有FPI光纖氣體傳感器封堵用薄膜制備方法較難、結構強度弱，以及光纖自身以及封堵用薄膜材料都具有熱光系數和熱膨脹系數存在溫度串擾的問題。光纖氣體壓力傳感器為FPI光纖氣體傳感器；所述光纖氣體壓力傳感器由空芯光纖、單模光纖和薄膜構成，其中空芯光纖一端與單模光纖熔接，空芯光纖另一端用薄膜封堵；所述薄膜為聚二甲基硅氧烷薄膜。制備方法：一、制備初結構；二、蘸取PDMS液體；三、調節薄膜厚度；四、固化。

技術領域

本發明涉及一種氣體壓力傳感器及其制備方法。

背景技術

光纖傳感已經被實際應用到了生物醫學、健康監測、人工智能和環境監測等各個領域。其中，光纖傳感器的氣體壓力測量一直是人們關注的焦點，常見有光纖布拉格光柵(FBG)、馬赫-增德干涉(MZI)、法布里珀羅干涉(FPI)等。近年來，FPI傳感器以其抗電磁干擾、遙感能力強、分辨率高、響應速度快、體積小等優點備受人們的廣泛關注。

典型的FPI結構由兩個平行板和板間的光干涉組成。一般來說，FPI光纖氣體傳感器有兩種工作方式：一是通過改變腔內介質的折射率實現對壓強的測量；二是通過改變FPI微腔的長度實現對壓強的測量。然而不同形狀的微腔對氣體壓力的響應也不盡相同，因此微腔的形狀和反射薄膜的性質決定了傳感器的靈敏度。用具有一定反射率和彈性形變的薄膜代替FPI結構中的一個板制作氣體壓力傳感器可以提高靈敏度，如聚合物、石墨烯、硅或水膜。2014年王東寧等人報道的氣體壓力傳感器，利用空芯光纖一端熔接單模光纖另一端熔球，進而形成了一個封閉式的空氣微腔；此結構制作簡單，但是當探頭端面的壁厚達到320nm的時候靈敏度僅為1.036nm/Mpa。2017年Wang等人采用單模光纖和空芯光纖相熔接形成空氣腔，利用170nm的石英薄膜封堵，形成了一個矩形的封閉式空氣微腔，并且石英薄膜構成第二個反射面，形成FPI結構，獲得了高靈敏度341nm/Mpa；但該氣體壓力傳感器存在石英薄膜的制備較難，以及結構強度較低等缺點。2019年Cui等人采用剝落的超薄石墨烯原子層作為反射面，形成FPI結構，獲得了高靈敏度1.28nm/mmHg(9600.79nm/Mpa)；但此傳感器仍然存在石墨烯薄膜制備方法較為困難，以及結構強度較弱等缺點。

發明內容

本發明為了解決現有FPI光纖氣體傳感器封堵用薄膜制備方法較難、結構強度弱，以及光纖自身以及封堵用薄膜材料都具有熱光系數和熱膨脹系數存在溫度串擾的問題，而提供的一種光纖氣體壓力傳感器及其制備方法。

本發明光纖氣體壓力傳感器為FPI光纖氣體傳感器；

所述光纖氣體壓力傳感器由空芯光纖、單模光纖和薄膜構成，其中空芯光纖一端與單模光纖熔接，空芯光纖另一端用薄膜封堵；所述薄膜為聚二甲基硅氧烷薄膜。

上述光纖氣體壓力傳感器按以下步驟制備：

一、單模光纖與空芯光纖熔接，然后切割成所需長度，形成光纖氣體壓力傳感器初結構；

二、將光纖氣體壓力傳感器初結構的空芯光纖一端蘸取聚二甲基硅氧烷液體；

三、若初結構中蘸取的聚二甲基硅氧烷薄膜初始厚度大于預定薄膜厚度，則用干凈的單模光纖蘸取多余的聚二甲基硅氧烷液體；若初結構中蘸取的聚二甲基硅氧烷薄膜初始厚度小于預定薄膜厚度，則用粘有聚二甲基硅氧烷液體的光纖接觸初結構空芯光纖端，至初結構中聚二甲基硅氧烷薄膜厚度達到預定薄膜厚度；

四、固化聚二甲基硅氧烷薄膜，即得到光纖氣體壓力傳感器。

聚二甲基硅氧烷(PDMS)是由OSi(CH₃)₂基團重復單元的交聯結構構成的彈性體聚合物，具有成本低、附著力好、化學慣性好等優點。因其低楊氏模量造成具有高彈性、疏水性、制備工藝簡單等因素本發明選擇PDMS作為薄膜制備材料。