[发明专利]一种基于蜘蛛丝和微纳光纤的湿度传感器及其制作方法

说明书

本发明提供了一种基于蜘蛛丝和微纳光纤的湿度传感器及其制作方法。蜘蛛丝与标准单模光纤拉锥成的微纳光纤分别是Mach‑Zehnder干涉仪的两个干涉臂。本发明利用微纳光纤的强倏逝场特性，实现蜘蛛丝内的光耦合，蜘蛛丝对湿度变化敏感，湿度增加，水分进入蜘蛛丝内部改变蜘蛛丝的折射率，输出的干涉光谱随之变化，可实现对外界相对湿度变化的高灵敏度测量。同时这种MZ干涉结构传感器具有小质量、低成本、易实现、较环保、生物相容性好的特点，能够为微结构集成光学传感领域提供更好的平台。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别是涉及一种基于蜘蛛丝和微纳光纤的湿度传感器及其制作方法。

背景技术

光纤有其不受电磁干扰、绝缘性好、耐腐蚀、导光性优良等特点。童利民等提到的加热二步拉伸法可制备出小直径的微纳光纤。微纳光纤的直径接近或小于传输光波长的波导，具有表面光滑、机械性能高、强倏逝场等特性。与其它种类的光波导(如硅基平面波导、金属表面等离子体波导)相比，微纳光纤具有较低的耦合损耗、较低粗糙度的波导表面、大百分比的倏逝场、质量小和灵活的色散特性等优点。这些特性使得微纳光纤在光纤光学、近场光学、非线性光学和量子光学等基础研究和微纳尺度的光传输、耦合、调制、谐振、放大和传感等器件方面都具有潜在的应用价值。目前，不断发展的微纳光纤已被广泛应用于探测、医疗、通信等各个领域。微纳光纤凭借体积小，与其他光电器件有良好的兼容性，与微纳光纤结合的光纤传感器也逐渐成为一种新兴传感平台。

N.Huby等人提出了蜘蛛丝可以作为一种生物光纤。蛛丝蛋白由丙氨酸组成的β-折叠和富含脯氨酸的A-螺旋，及其紧密的二级结构使蜘蛛丝成为一种半结晶状态的分子弹簧结构，决定了其具有强度高，韧性大等一些重要特点。蜘蛛丝还具有良好导热率、超收缩性、光学特性、对湿度敏感有较好亲水性等特点。蜘蛛丝纳米量级的直径可以产生强倏逝场。

尽管微纳光纤的强倏逝场可以很好的与外界环境相互作用，但是由于玻璃光纤本身的材质限制，对外界的湿度变化响应并不明显，灵敏度也不高，需要借助湿度敏感材料来测量，包括在微纳光纤表面形成敏感膜层去对周围环境湿度进行传感响应，如现有的采用SnO₂、Al₂O₃、石墨烯、SiO₂等敏感材质的膜层对外界湿度变化的进行响应；利用涂覆聚乙烯醇亲水性材料的环形微纳光纤制成相对湿度传感器；还有将微纳光纤制作成谐振腔，并把琼脂糖凝胶溶液在微纳光纤谐振器的干涉臂上形成薄膜，在湿度越高的环境下对湿度变化的灵敏度越大；将蜘蛛包卵丝打成u形并将两端分别嵌入单芯双孔光纤的双孔中形成FP腔，蜘蛛包卵丝吸水后折射率发生变化，引起光谱漂移，从而计算湿度变化。这些测量湿度的方法大多利用亲水性材料涂敷微纳光纤或对微纳光纤先进行加工后再涂覆敏感材料来测量，加工程序复杂，成本高，此外将蜘蛛丝与特种光纤组合测量湿度的结构，会使加工成本变高，但还未有将微纳光纤和蜘蛛丝组合在一起的湿度传感器。

发明内容

为了克服现有测量仪器加工程序复杂，成本高等问题，本发明提出一种基于蜘蛛丝和微纳光纤的湿度传感器及其制作方法，该湿度传感器通过微纳光纤和蜘蛛丝，提高了测量灵敏度，大大减少了制作成本及复杂度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种基于蜘蛛丝和微纳光纤的湿度传感器的制作方法，包括以下步骤：

取一段单模光纤，将单模光纤制作成微纳光纤，将制作好的微纳光纤固定在氟化镁片上，并使光纤两端伸出氟化镁片；

将蜘蛛丝固定在所述微纳光纤的一侧，并把蜘蛛丝两端弯向微纳光纤，蜘蛛丝中间部分远离微纳光纤，组成MZ干涉结构；

将光源连接到所述微纳光纤的一端，光电探测器固定在所述微纳光纤的另一端，获得湿度传感器。

优选地，所述将单模光纤制作成微纳光纤的方法包括：

剥除光纤外的涂覆层，对裸光纤区域进行加热，将光纤加热到熔融状态时，拉伸加热区两端光纤，制得微纳光纤。