一种基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器，包括：光纤，一端面上具有向内延伸的一腔室；平面结构的悬臂梁薄膜，设置于所述光纤具有所述腔室的端面上，且位于所述腔室前方。该光纤氢气传感器的悬臂梁薄膜厚度为纳米量级，从而对外界氢气浓度探测更加灵敏，且法布里珀罗干涉仪的腔室受外界的光照、温度等影响较小。本发明专利技术还提供上述氢气传感器的制备方法。法。法。

An optical fiber hydrogen sensor based on cantilever film and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及氢气传感器技术，尤其涉及一种基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]氢气是一种清洁能源，在空气中燃烧的产物只有水，可缓解与化石燃料消耗相关的全球变暖问题，此外氢气作为抗氧化气体已广泛用于医学和生物领域，用于预防癌症或治疗炎症。然而，当氢气的体积浓度达到4%的爆炸极限时，氢气在空气中具有极强的爆炸性，导致其在运输、储存和使用过程中均存在安全问题。因此，开发一种快速、灵敏的氢气传感器在许多能源、医学和生物应用中具有重要意义。
[0003]基于电阻的氢气传感器，包括电化学和微机电，虽然制备工艺成熟且成本可控制、较低，但仍然使用电信号进行解调，因此在电信号读出期间存在由电火花触发爆炸的潜在风险。而光纤氢气传感器由于能够有效避免电磁干扰而被广泛研究。
[0004]目前光纤氢气传感器主要分为倏逝场型和光纤光栅型，但是这两类光纤氢气传感器的应用前景不大，因为倏逝场型会暴露纤芯从而弱化传感头的强度，进而影响机械性能和氢气传感器的稳定性，而光纤光栅型则容易受到外界温度的干扰。
[0005]基于法布里珀罗干涉仪与敏感材料钯结合的光纤传感器，通过应力引起的腔长变化实现氢气测量，制作简单，成本低，同时，悬臂梁一端固定，另一段为自由端的结构，对施加其表面上的应力、温度、质量等物理量的变化极为敏感，因此具有极高的响应速度和灵敏度，故基于法布里珀罗干涉仪、敏感材料钯与悬臂梁三者相结合的光纤传感器在最近几年被广泛研究。/>[0006]专利号为CN201911294643.0的中国专利中公开了一种光纤端面微悬臂梁传感器及其制备方法。所述光纤端面微悬臂梁传感器包括：光纤，包括纤芯和包层；悬臂梁结构，通过飞秒激光双光子聚合技术聚合在所述光纤的一端面；所述悬臂梁结构为聚合物结构，悬臂梁结构包括支柱和微悬臂梁；所述支柱的第一端与光纤端面的包层结合；所述微悬臂梁的一端固定在支柱的第二端，所述微悬臂梁的另一端悬空在纤芯上方形成悬臂；所述微悬臂梁与光纤的端面平行；沿着垂直于光纤端面的方向，悬臂在光纤端面上的投影覆盖纤芯。当所述光纤端面微悬臂梁传感器为氢气传感器时，所述微悬臂梁表面具有氢敏感薄膜层钯膜。
[0007]上述光纤端面微悬臂梁传感器的制备方法，包括以下步骤：步骤S1、将光纤的一端切平，将光纤平放固定在载玻片上，在光纤两侧的载波片上设置支撑部以防止盖玻片挤压光纤，对光纤端面进行光刻胶滴入，使光纤端面浸没在光刻胶中，盖上盖玻片；步骤S2、利用3D光刻机，采用飞秒激光双光子聚合技术在光纤的端面形成聚合物悬臂梁结构，得到具有悬臂梁结构的光纤样品；步骤S3、进行显影：固化完成后取下盖玻片，将样品连带载玻片浸入在显影溶液中，未曝光的光刻胶在溶液中被溶解，固化后的聚合物悬臂梁结构被保留；步骤S4、利用磁控溅射镀膜仪对微悬臂梁表面镀氢敏感薄膜层钯膜。
[0008]上述专利中的悬臂梁结构是由支柱和微悬臂梁所构成的立体结构，所述支柱起支撑作用，以使所述微悬臂梁上的悬臂与所述光纤的纤芯之间形成一气隙，该气隙即为法布里珀罗干涉仪的腔室。立体结构的悬臂梁结构总体厚度较大，仅能做到微米级别，结构不够紧凑，影响了对氢气浓度探测的灵敏度，同时将法布里珀罗干涉仪的腔室完全置于所述纤芯外，测量精度容易受外界的光照、温度等影响。

技术实现思路

[0009]为了解决上述现有技术的不足，本专利技术提供一种基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器，其悬臂梁薄膜厚度小，且法布里珀罗干涉仪的腔室受外界的光照、温度等影响较小。
[0010]本专利技术还提供上述氢气传感器的制备方法。
[0011]本专利技术所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：一种基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器，包括：光纤，一端面上具有向内延伸的一腔室；平面结构的悬臂梁薄膜，设置于所述光纤具有所述腔室的端面上，且位于所述腔室前方。
[0012]进一步地，所述光纤包括纤芯和包层，所述腔室至少位于所述纤芯的端面上。
[0013]进一步地，所述悬臂梁薄膜包括位于同一平面上的薄膜外围和薄膜悬臂，所述薄膜外围固定在所述光纤端面的包层上，具有与所述腔室相对应的镂空区；所述薄膜悬臂位于所述薄膜外围的镂空区内，一端与所述薄膜外围固定，另一端悬浮于所述腔室前方且与所述光纤端面的纤芯相对应。
[0014]进一步地，所述薄膜悬臂在所述光纤端面上的投影位于所述腔室内，且覆盖所述光纤端面的纤芯。
[0015]进一步地，所述悬臂梁薄膜包括设置于所述光纤端面上的悬浮薄膜层、设置于所述悬浮薄膜层上的支撑薄膜层以及设置于所述支撑薄膜层上的氢敏感薄膜层。
[0016]进一步地，所述悬浮薄膜层为石墨烯薄膜，所述支撑薄膜层为金薄膜，所述氢敏感薄膜层为钯薄膜。
[0017]一种基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器制备方法，步骤如下：S1：在光纤的一端面上制作向内延伸的一腔室；S2：在所述光纤具有所述腔室的端面上制作平面结构的悬臂梁薄膜，所述悬臂梁薄膜位于所述腔室前方。
[0018]进一步地，步骤S1中，在光纤的一端面上制作向内延伸的一腔室的步骤如下：S1.1：将两根光纤的各自一端面切平；S1.2：将两根光纤中已切平的端面加热为圆弧形状；S1.3：在两根光纤中圆弧形状的端面上涂抹折射率匹配液；S1.4：将两根光纤中已涂抹所述折射率匹配液的端面加热熔接，同时使所述折射率匹配液汽化而在两根光纤的熔接处形成气泡腔；S1.5：从所述气泡腔中间将已熔接的两根光纤切断，得到一端面上具有所述腔室的两根光纤。
[0019]进一步地，步骤S1中，在光纤的一端面上制作向内延伸的一腔室的步骤如下：
S1.1：将一根光纤的一端面切平；S1.2：采用飞秒激光在所述光纤中已切平的端面上刻蚀出一小孔；S1.3：将所述光纤具有所述小孔的端面与另一根光纤中已切平的端面加热熔接，同时使所述小孔内的气体受热膨胀而是所述小孔在两根光纤的熔接处扩大形成气泡腔；S1.4：从所述气泡腔中间将已熔接的两根光纤切断，得到一端面上具有所述腔室的两根光纤。
[0020]进一步地，所述悬臂梁薄膜包括悬浮薄膜层、支撑薄膜层以及氢敏感薄膜层，步骤S2中，在所述光纤具有所述腔室的端面上制作平面结构的悬臂梁薄膜的步骤如下：S2.1：在所述光纤具有所述腔室的端面上制作一层悬浮薄膜层；S2.2：在所述悬浮薄膜层上制作一层支撑薄膜层；S2.3：根据所述悬臂梁薄膜的平面结构，对所述悬浮薄膜层和支撑薄膜层进行刻蚀；S2.4：在所述支撑薄膜层上制作一层氢敏感薄膜层。
[0021]进一步地，所述悬浮薄膜层为石墨烯薄膜，步骤S2.1中，在所述光纤具有所述腔室的端面上制作一层石墨烯薄膜的步骤如下：S2.1.1：通过化学气相沉积法在铜箔上生长石墨烯，得到铜基石墨烯；S2.2.2：在所述铜基石墨烯中剪切一小块置于FeCl3溶液中，等待所述FeCl3溶液将所述铜基石墨烯完全腐蚀，从而获得石墨烯薄膜；S2.2.3：重复使用去离子水过滤所述FeCl3溶液中的废液，使所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器，其特征在于，包括：光纤，一端面上具有向内延伸的一腔室；平面结构的悬臂梁薄膜，设置于所述光纤具有所述腔室的端面上，且位于所述腔室前方。2.根据权利要求1所述的基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器，其特征在于，所述光纤包括纤芯和包层，所述腔室至少位于所述纤芯的端面上。3.根据权利要求2所述的基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器，其特征在于，所述悬臂梁薄膜包括位于同一平面上的薄膜外围和薄膜悬臂，所述薄膜外围固定在所述光纤端面的包层上，具有与所述腔室相对应的镂空区；所述薄膜悬臂位于所述薄膜外围的镂空区内，一端与所述薄膜外围固定，另一端悬浮于所述腔室前方且与所述光纤端面的纤芯相对应。4.根据权利要求3所述的基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器，其特征在于，所述薄膜悬臂在所述光纤端面上的投影位于所述腔室内，且覆盖所述光纤端面的纤芯。5.根据权利要求1所述的基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器，其特征在于，所述悬臂梁薄膜包括设置于所述光纤端面上的悬浮薄膜层、设置于所述悬浮薄膜层上的支撑薄膜层以及设置于所述支撑薄膜层上的氢敏感薄膜层。6.根据权利要求5所述的基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器，其特征在于，所述悬浮薄膜层为石墨烯薄膜，所述支撑薄膜层为金薄膜，所述氢敏感薄膜层为钯薄膜。7.一种基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器制备方法，其特征在于，步骤如下：S1：在光纤的一端面上制作向内延伸的一腔室；S2：在所述光纤具有所述腔室的端面上制作平面结构的悬臂梁薄膜，所述悬臂梁薄膜位于所述腔室前方。8.根据权利要求7所述的基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器制备方法，其特征在于，步骤S1中，在光纤的一端面上制作向内延伸的一腔室的步骤如下：S1.1：将两根光纤的各自一端面切平；S1.2：将两根光纤中已切平的端面加热为圆弧形状；S1.3：在两根光纤中圆弧形状的端面上涂抹折射率匹配液；S1.4：将两根光纤中已涂抹所述折射率匹配液的端面加热熔接，同时使所述折射率匹配液汽化而在两根光纤的熔接处形成气泡腔；S1.5...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘申，陈培敬，王义平，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：