專利名稱：一種微型高靈敏度光纖化學傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微型高靈敏度光纖化學傳感器，屬于微型傳感器技術領域。
技術背景
常用的光學諧振腔結構有盤、環(huán)、柱、球等，這些回轉體諧振腔支持高品質因 素的回音廊模式(whispering gallery modes，簡稱WGMs)。WGMs是一種依賴于形貌 共振的光學諧振模式，這種模式的諧振頻率(或波長)依賴于諧振腔的尺寸以及腔內外 的折射率分布。通過倏逝場激發(fā)諧振腔WGM的波導常用結構有光纖錐、棱鏡、側拋 光纖等(Ilchenko V S， et al.Optical Resonators With Whispering-Gallery Modes—Part II Applications.IEEE, Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 12(1) 15-32, 2006)。也有人提出用長周期光纖光柵(LPFG)來激發(fā)諧振腔WGM的，但與棱鏡、側拋 光纖方式一樣存在激發(fā)效率太低的缺陷。光纖錐(直徑幾個微米)的耦合效率極高，最 高可達99.9%。
基于球/盤/環(huán)/柱等諧振腔的化學傳感器，可以實現極低濃度的檢測 (Hanumegowda N M, et al.Refractometric sensors based on microsphere resonators, Applied Physics Letters, 87(201107) 1-3，2005)，但是不能實現對特定大小分子的選擇性檢測。通過在諧振腔表面鍍一層沸石膜可以實現特定大小分子的檢測，所鍍沸石薄膜是一 種結晶型的鋁硅酸鹽，晶體結構中有規(guī)整而均勻的孔道，孔徑為分子直徑的數量級(一 般小于1納米)，只允許直徑比孔徑小的分子進入，因此能將混合物中的分子按大小加以 篩分。利用這一特性，可將沸石制備成厚度為微米級的薄膜分子篩，被檢測物分子因大 小和形狀被有選擇性地吸附，導致沸石孔的光學結構和光學性質改變(例如，折射率發(fā) 生改變)。而諧振腔內回廊模式的諧振頻率(或波長)對沸石薄膜折射率的改變非常敏 感，從而能夠實現超高靈敏度的化學傳感器。發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為解決使用光學諧振腔傳感器對特定大小氣體分子的檢測問 題，提供一種具有選擇性吸收的微型高靈敏度光纖化學傳感器。
本發(fā)明的微型高靈敏度光纖化學傳感器包括光纖錐、光纖諧振腔、頂蓋和底座。
所述的光纖錐為單模光纖去除中間部分的涂覆層，在高溫加熱和兩端拉力的作 用下光纖中部逐漸變細形成錐腰、錐腰與兩端外光纖的過渡部分呈現錐狀；其直徑要求 使光纖錐內基模與諧振腔內回廊模的相位能夠匹配；根據制作工藝和使用需求，最細 部分的較佳直徑為1-2微米。光纖錐具有很高的耦合效率，能激發(fā)諧振腔的回音廊式 (WGMs)。光纖錐的一端為光源輸入端；另一端為傳感信號檢測端，用于檢測輸出光的 變化情況。
所述的光纖諧振腔為中部鍍有沸石薄膜的單模光纖(去掉涂覆層)，可有效的增強化學傳感器的選擇性吸附能力。沸石的微小毛孔使其具有很大的表面積/質量比， 這種性質使它能有效地從周圍環(huán)境中吸附被檢測物質的分子，并使其聚集濃縮在一起。 被檢測物質的分子根據其大小和形狀的不同而被有選擇性地吸附在光纖諧振腔表面，此 外，沸石毛孔內被吸附的待檢測物的分子被定向化和有秩序的排列，從而使得沸石毛孔 的光學結構和光學性質改變。
所述的頂蓋的截面大小與底座的一樣，其上設計制作了樣品儲存腔和安裝孔。
所述的底座上設計了光纖錐槽、光纖諧振器槽、樣品儲存腔、流入通道、流出 通道和安裝孔；其作用為固定光纖錐和光纖諧振腔，保證二者有良好的垂直度，并為被 測氣體提供一個密閉的檢測環(huán)境。其中，樣品儲存腔為底座中心的凹槽；光纖錐槽和光 纖諧振腔槽位于底座邊沿，形狀大小使得槽內壁分別與光纖錐的外光纖和光纖諧振腔的 圓形表面相切；安裝孔與頂蓋上的安裝孔的個數和位置一致，用于固定頂蓋和底座；流 入通道、流出通道分別位于底座邊沿中的兩側，用于被測氣體的流入、流出。
本發(fā)明的光纖化學傳感器各部分的連接關系為光纖錐的錐腰和光纖諧振腔中 部的沸石薄膜相接觸且垂直；光纖錐放置在底座的光纖錐槽上，光纖諧振腔放置在底座 的光纖諧振腔槽上；頂蓋和底座用螺栓通過安裝孔固定在一起。
本發(fā)明的光纖化學傳感器的工作過程為將光纖錐的光源輸入端連接外界光 源，傳感信號檢測端連接光強檢測設備。一定波段的光入射到光纖后，其中某些波長的 光滿足了光纖錐和光纖諧振腔傳輸模式的相位匹配后，在光纖錐與光纖諧振腔間發(fā)生共 振耦合，并從光纖錐傳輸到光纖諧振腔中，然后在其內部散射傳輸損失。當傳感器處 于特定大小氣體分子的環(huán)境中時，光纖諧振腔表面的沸石薄膜會起到吸附氣體分子的作 用，光纖錐與光纖諧振腔的耦合模式也將隨之改變，從而導致諧振波長發(fā)生變化。光強 檢測設備測出中央諧振波長漂移值，將實驗數據作整理分析和標定后，得到反饋外界因 素變化的參數，從而達到傳感效果。
有益效果
本發(fā)明采用光纖錐作為激發(fā)波導來激發(fā)諧振腔的回音廊式(WGMs)，具有很高 的耦合效率。通過沸石涂層的選擇吸收作用，可以實現對特定大小的氣體分子的檢測。 作為承載裝置的底座和頂蓋結構簡單，僅需標準機械加工工藝制備。本發(fā)明的傳感器， 可以實現高靈敏度、高精度檢測；可用于檢測環(huán)境中特定種類分子的存在及濃度(如炸 藥蒸汽、坑道氣體分子)；可廣泛應用于環(huán)境控制、工業(yè)過程處理、礦山生產、公共安 全設施、國土安全等領域，靈敏度可達ppm甚至ppb量級。


圖1為具體實施方式
中的光纖化學傳感器的結構示意圖2為具體實施方式
中的光纖錐和光纖諧振腔的結構和位置關系示意圖3為具體實施方式
中的底座結構圖4為具體實施方式
中的頂蓋結構圖5為具體實施方式
中檢測時光譜變化示意圖6為具體實施方式
中的諧振波長隨折射率改變的理論模擬圖7為具體實施方式
中的沸石折射率在氮氣環(huán)境中隨異丙醇氣體濃度變化實驗圖。
標號說明
1-光纖錐，2-光纖諧振腔，3-頂蓋，4-底座，5-沸石薄膜，6_光纖錐輸入 端，7-光纖錐輸出端，8-流入通道，9-流出通道，10-光纖錐槽，11-光纖諧振腔槽， 12-底座樣品儲存腔，13-頂蓋樣品儲存腔，14-底座安裝孔，15-頂蓋安裝孔，16-外光纖。
具體實施方式
為了更好地說明本發(fā)明的目的和優(yōu)點，下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一 步說明。
本實施例的光纖化學傳感器的總體結構如圖1所示，包括光纖錐1、光纖諧振腔 2、頂蓋3和底座4。
其中，光纖錐1和光纖諧振腔2選用Coming公司的單模光纖制作，如圖2所7J\ ο
光纖錐1的制備將單模光纖放置在拉錐機中，設定參數后啟動拉錐程序，拉 錐后的光纖成一定錐度狀，錐腰處直徑l_2um。
鍍沸石薄膜5的光纖諧振腔2的制備取一根單模光纖，用剝離鉗去除中間部分 的涂覆層，將6.56ml的TPAOH (四丙基氨氫氧化合物)溶液、15.3ml的TEOS (正硅酸乙 酯)溶液和30ml蒸餾水混合，在50°C下攪拌3小時。將處理過的光纖置于混合液中然 后放置到合成反應器中，置于混合液中的長度為12-15毫米。在烘箱中預熱到180°C， 在180°C下水熱12小時合成沸石薄膜。用蒸餾水清洗后，將已鍍膜的光纖諧振腔進行5 分鐘的超聲波浴。之后將上述鍍膜過程重復一遍以增加沸石薄膜5的厚度。最后將已鍍 膜的光纖諧振腔2在烘箱中，80°C下烘干10小時后，在空氣中500°C下(升降溫速率為 2°C/Wn)焙燒3小時，最后得到了沸石分子篩鍍膜的光纖諧振腔2，膜厚約為2.5 μ m。
頂蓋3(如圖4所示)和底座4(如圖3所示)采用3cmX3cmX Icm的有機玻 璃進行加工。在四個頂角處鉆出放置螺栓的通孔，在頂蓋3和底座4中部分別加工出 IcmX IcmX 0.5cm的被測氣體的樣本儲存腔(13和1 ，并在底座4兩側開鑿出流入通道 8和流出通道9，最后用超精密銑刀在底座4加工出放置光纖錐1和光纖諧振腔2的U型 槽(光纖錐槽10和光纖諧振腔槽11)，橫截面尺寸為150umX 150um。
光纖錐1與光纖諧振腔2在底座4上的定位組裝首先將光纖錐1的外光纖16 部分落在光纖錐槽10內，光纖錐1的外光纖16表面圓形與槽內壁相切，在卡住的部分點 上紫外膠，在紫外燈下照射一定時間使其固化，固化后將光纖錐1的一端連接到可調諧 激光器，另一端與光強探測器相連。然后將沸石鍍膜光纖諧振腔2的光纖部分落在光纖 諧振腔槽11內，并保證光纖錐1與沸石鍍膜光纖諧振腔2相接觸，光纖部分的外圓與槽 內壁相切，在卡住的部分點上紫外膠，在紫外燈下照射一定時間使其固化。放置好光纖 錐1與光纖諧振腔2后將頂蓋和底座用螺栓通過安裝孔(14和15)固定。
將本實例制作的傳感器用于特定氣體分子檢測時，波長連續(xù)變化的入射光從光 纖錐1的入射端6進入到光纖諧振腔2與光纖錐錐腰的耦合區(qū)時，某些特定波長的光在 鍍有沸石薄膜5的光纖諧振腔2內形成回音廊模式，輸出端7輸出光譜的“透射率-波長”曲線就會產生一系列共振吸收帶(如圖5所示)，這些共振帶對應的波長對沸石鍍 膜層的折射率變化非常敏感。當光纖諧振腔2吸附環(huán)境中的被檢測氣體分子，沸石薄膜 5的折射率發(fā)生改變，光纖諧振腔2內回音廊模式的諧振波長也發(fā)生了變化。根據諧振 波長移動的大小，可得到折射率的改變量(如圖6所示)。圖6為理論計算結果涂有 不同厚度(h)沸石涂層的光纖諧振腔2內波長在1550nm附近的回廊模，其諧振波長移 動(S λ )和沸石涂層折射率改變量(δ η)之間的關系。曲線的斜率即表示傳感器的靈敏 度 S = δ λ/δη,單位是 nm/RIU(RIU Refractive Index Unit,表示折射率單位)。由 圖6可以得出，沸石涂層能夠極大地提高傳感器的靈敏度，例如沒有沸石涂層時Ch = Oym),傳感器靈敏度Sa^.7nm/RIU ；當沸石涂層厚度超過3微米(h3 μ m)，傳感器靈 敏度Sall36.3nm/RIU，提高了約43倍，遠高于傳統(tǒng)光學諧振腔傳感器。同時，當沸石 涂層厚度超過3微米，傳感器具有很好的線性特性，在實際應用中十分方便。在實際測 量中，折射率的改變與環(huán)境相應物質分子濃度相對應(如圖7所示)，由此可以檢測出特 定氣體中所測化學分子的濃度。圖7為沸石折射率(η)在氮氣環(huán)境中隨異丙醇氣體分子 濃度(Cip)的變化曲線。當異丙醇氣體分子濃度達到lOOOppm，沸石折射率由1.336增加 到1.396，S卩δ n = 0.06RIU，對于涂有厚度超過3微米沸石層的光纖諧振腔，其回音壁模 式的諧振波長將移動S λ = SX δη = 1136.3X0.0668nm。而目前可調諧激光器分辨率 遠遠小于lnm，因此，該傳感器完全能夠實現對異丙醇氣體分子的ppm量級的檢測，甚 至能夠達到ppb量級。
以上所述的具體描述，對發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細 說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例，用于解釋本發(fā)明，并不用于 限定本發(fā)明的保護范圍。本領域技術人員還可在本發(fā)明精神內做其他變化。但是，凡在 本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的 保護范圍之內。
權利要求
1.一種微型高靈敏度光纖化學傳感器，其特征在于包括光纖錐、光纖諧振腔、頂 蓋和底座；所述的光纖錐為單模光纖去除中間部分的涂覆層，在高溫加熱和兩端拉力的作用下 光纖中部逐漸變細形成錐腰、錐腰與兩端外光纖的過渡部分呈現錐狀；其直徑要求使光 纖錐內基模與諧振腔內回廊模的相位能夠匹配；光纖錐具有很高的耦合效率，能激發(fā)諧 振腔的回音廊式；光纖錐的一端為光源輸入端；另一端為傳感信號檢測端，用于檢測輸 出光的變化情況；所述的光纖諧振腔為中部鍍有沸石薄膜并去掉涂覆層的單模光纖，可有效的增強化 學傳感器的選擇性吸附能力；沸石的微小毛孔使其具有很大的表面積/質量比，能有效 地從周圍環(huán)境中吸附被檢測物質的分子，并使其聚集濃縮在一起；被檢測物質的分子根 據大小和形狀的不同而被有選擇性地吸附在光纖諧振腔表面，并被定向化和有秩序的排 列，使得沸石毛孔的光學結構和光學性質改變；所述的頂蓋的截面大小與底座的一樣，其上設計制作了樣品儲存腔和安裝孔；所述的底座上設計了光纖錐槽、光纖諧振器槽、樣品儲存腔、流入通道、流出通道 和安裝孔；用于固定光纖錐和光纖諧振腔，并為被測氣體提供一個密閉的檢測環(huán)境；上述各部分的連接關系為光纖錐的錐腰和光纖諧振腔中部的沸石薄膜相接觸且垂 直；光纖錐放置在底座的光纖錐槽上，光纖諧振腔放置在底座的光纖諧振腔槽上；頂蓋 和底座用螺栓通過安裝孔固定在一起。
2.根據權利要求1所述的一種微型高靈敏度光纖化學傳感器，其特征在于所述的 光纖錐最細部分的優(yōu)選直徑為1-2微米。
3.根據權利要求1所述的一種微型高靈敏度光纖化學傳感器，其特征在于所述底 座的樣品儲存腔為底座中心的凹槽；光纖錐槽和光纖諧振腔槽位于底座邊沿，形狀大小 使得槽內壁分別與光纖錐的外光纖和光纖諧振腔的圓形表面相切；安裝孔與頂蓋上的安 裝孔的個數和位置一致，用于固定頂蓋和底座；流入通道、流出通道分別位于底座邊沿 中的兩側，用于被測氣體的流入、流出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微型高靈敏度光纖化學傳感器，屬于微型傳感器技術領域。具體包括光纖錐、光纖諧振腔、頂蓋和底座。光纖諧振腔為中部鍍有沸石薄膜的單模光纖(去掉涂覆層)，可有效的增強化學傳感器的選擇性吸附能力。本發(fā)明采用光纖錐作為激發(fā)波導來激發(fā)諧振腔的回音廊式，具有很高的耦合效率。通過沸石涂層的選擇吸收作用，可以實現對特定大小的氣體分子的檢測。作為承載裝置的底座和頂蓋結構簡單，僅需標準機械加工工藝制備。本發(fā)明的傳感器，可以實現高靈敏度、高精度檢測；可用于檢測環(huán)境中特定種類分子的存在及濃度；可廣泛應用于環(huán)境控制、工業(yè)過程處理、礦山生產、公共安全設施、國土安全等領域，靈敏度可達ppm甚至ppb量級。
文檔編號G01D5/26GK102023029SQ20101055822
公開日2011年4月20日 申請日期2010年11月22日 優(yōu)先權日2010年11月22日
發(fā)明者姜瀾, 林奈, 王素梅, 肖海, 袁雷 申請人:北京理工大學