[發明專利]一種基于蜘蛛絲和微納光纖的濕度傳感器及其制作方法

在審

• 申請號: 202211209115.2
• 申請日: 2022-09-30
• 公開（公告）號: CN115436323A
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發明（設計）人: 張亞勛;趙丹妮;于津健;宋清浩;湯曉云;劉志海;張羽;苑立波
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45;G02B6/255
• 代理公司: 北京盛詢知識產權代理有限公司 11901
• 代理人: 相黎超

本發明提供了一種基于蜘蛛絲和微納光纖的濕度傳感器及其制作方法。蜘蛛絲與標準單模光纖拉錐成的微納光纖分別是Mach?Zehnder干涉儀的兩個干涉臂。本發明利用微納光纖的強倏逝場特性，實現蜘蛛絲內的光耦合，蜘蛛絲對濕度變化敏感，濕度增加，水分進入蜘蛛絲內部改變蜘蛛絲的折射率，輸出的干涉光譜隨之變化，可實現對外界相對濕度變化的高靈敏度測量。同時這種MZ干涉結構傳感器具有小質量、低成本、易實現、較環保、生物相容性好的特點，能夠為微結構集成光學傳感領域提供更好的平臺。

技術領域

本發明屬于光纖傳感技術領域，特別是涉及一種基于蜘蛛絲和微納光纖的濕度傳感器及其制作方法。

背景技術

光纖有其不受電磁干擾、絕緣性好、耐腐蝕、導光性優良等特點。童利民等提到的加熱二步拉伸法可制備出小直徑的微納光纖。微納光纖的直徑接近或小于傳輸光波長的波導，具有表面光滑、機械性能高、強倏逝場等特性。與其它種類的光波導(如硅基平面波導、金屬表面等離子體波導)相比，微納光纖具有較低的耦合損耗、較低粗糙度的波導表面、大百分比的倏逝場、質量小和靈活的色散特性等優點。這些特性使得微納光纖在光纖光學、近場光學、非線性光學和量子光學等基礎研究和微納尺度的光傳輸、耦合、調制、諧振、放大和傳感等器件方面都具有潛在的應用價值。目前，不斷發展的微納光纖已被廣泛應用于探測、醫療、通信等各個領域。微納光纖憑借體積小，與其他光電器件有良好的兼容性，與微納光纖結合的光纖傳感器也逐漸成為一種新興傳感平臺。

N.Huby等人提出了蜘蛛絲可以作為一種生物光纖。蛛絲蛋白由丙氨酸組成的β-折疊和富含脯氨酸的A-螺旋，及其緊密的二級結構使蜘蛛絲成為一種半結晶狀態的分子彈簧結構，決定了其具有強度高，韌性大等一些重要特點。蜘蛛絲還具有良好導熱率、超收縮性、光學特性、對濕度敏感有較好親水性等特點。蜘蛛絲納米量級的直徑可以產生強倏逝場。

盡管微納光纖的強倏逝場可以很好的與外界環境相互作用，但是由于玻璃光纖本身的材質限制，對外界的濕度變化響應并不明顯，靈敏度也不高，需要借助濕度敏感材料來測量，包括在微納光纖表面形成敏感膜層去對周圍環境濕度進行傳感響應，如現有的采用SnO₂、Al₂O₃、石墨烯、SiO₂等敏感材質的膜層對外界濕度變化的進行響應；利用涂覆聚乙烯醇親水性材料的環形微納光纖制成相對濕度傳感器；還有將微納光纖制作成諧振腔，并把瓊脂糖凝膠溶液在微納光纖諧振器的干涉臂上形成薄膜，在濕度越高的環境下對濕度變化的靈敏度越大；將蜘蛛包卵絲打成u形并將兩端分別嵌入單芯雙孔光纖的雙孔中形成FP腔，蜘蛛包卵絲吸水后折射率發生變化，引起光譜漂移，從而計算濕度變化。這些測量濕度的方法大多利用親水性材料涂敷微納光纖或對微納光纖先進行加工后再涂覆敏感材料來測量，加工程序復雜，成本高，此外將蜘蛛絲與特種光纖組合測量濕度的結構，會使加工成本變高，但還未有將微納光纖和蜘蛛絲組合在一起的濕度傳感器。

發明內容

為了克服現有測量儀器加工程序復雜，成本高等問題，本發明提出一種基于蜘蛛絲和微納光纖的濕度傳感器及其制作方法，該濕度傳感器通過微納光纖和蜘蛛絲，提高了測量靈敏度，大大減少了制作成本及復雜度。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：一種基于蜘蛛絲和微納光纖的濕度傳感器的制作方法，包括以下步驟：

取一段單模光纖，將單模光纖制作成微納光纖，將制作好的微納光纖固定在氟化鎂片上，并使光纖兩端伸出氟化鎂片；

將蜘蛛絲固定在所述微納光纖的一側，并把蜘蛛絲兩端彎向微納光纖，蜘蛛絲中間部分遠離微納光纖，組成MZ干涉結構；

將光源連接到所述微納光纖的一端，光電探測器固定在所述微納光纖的另一端，獲得濕度傳感器。

優選地，所述將單模光纖制作成微納光纖的方法包括：

剝除光纖外的涂覆層，對裸光纖區域進行加熱，將光纖加熱到熔融狀態時，拉伸加熱區兩端光纖，制得微納光纖。