[发明专利]多层复合敏感膜光纤氢气传感探头及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤微加工技术、薄膜材料制备技术及光电检测技术的交叉领域，涉及光纤氢气传感器，具体涉及到多层复合敏感膜光纤氢气传感探头及其制备方法。

背景技术

氢气是一种清洁能源。氢气作为燃料具有资源丰富、燃烧发热量高和污染少的特点。氢气也是一种重要的化工原料，在航空航天、燃料电池汽车、金属冶炼和化工合成领域有着广泛的应用。由于氢气分子最小，很容易泄漏。当氢气在空气中达到一定的含量的时候，就很容易被点燃，进而导致爆炸事故。因此，对氢气的检测非常重要。传统的检测氢气传感器是基于电化学反应原理，由于化学反应的重复性和稳定性较差，信号的检测采用电信号，采用电信号容易产生电火花，电信号容易受电磁干扰，因而导致传统的氢气传感器的精确度、安全性都不能满足氢气检测的需要。因此，开发一种安全可靠的氢气传感器已成为迫切的需要。

光纤光栅传感器由于有极高的灵敏度和精度、固有的安全性、抗电磁干扰、高绝缘强度、耐高温、耐腐蚀、质轻柔韧、集传感与传输一体、能与数字通信系统兼容等优点，已经在石油化工、航空航天、桥梁监测等行业有广泛的应用。因此利用光纤光栅对氢气浓度进行检测具有重要意义。

金属Pd是理想的氢气敏感材料，对氢气具有很好的选择性和灵敏度。由于金属Pd的特殊原子结构，氢气分子能够在钯表面形成氢原子，并进入到Pd的原子间隙中，当氢气的浓度达到一定时能够形成稳定的结构，当氢气浓度降低的时候，氢原子能够从Pd中扩散出来，这时Pd能够恢复到原来的状态。Pd能够吸收的氢气是自身体积900倍，并且能够发生体积膨胀，因此金属Pd是理想的氢气敏感材料。

通常采用物理气相沉积的方法将Pd膜沉积在光纤上制备敏感探头，然而Pd膜是一种金属材料，其物理化学特性和基于SiO₂的光纤介质材料存在较大的差异，制备在光纤上的Pd膜的机械稳定性较差。

发明内容

本发明目的是为了更进一步提高传感探头的灵敏度和稳定性，提供一种多层复合敏感膜光纤氢气传感探头及其制作方法。将光纤光栅进行侧边抛磨形成D型光纤光栅，在溅射Pd膜前在D型光纤光栅上溅射一定厚度的SiO₂薄膜，然后将Pd与SiO₂共溅射形成一定厚度的Pd与SiO₂的过渡层，最后通过直流溅射将金属Pd溅射到D型光纤光栅上形成敏感探头。Pd薄膜吸氢后体积发生膨胀，从而对D型光纤光栅施加轴向的应力，改变D型光纤光栅的周期，导致D型光纤光栅的中心波长发生改变，通过检测D型光纤光栅中心波长的变化就可以得到氢气的浓度。将光纤光栅与氢气敏感材料Pd膜结合，通过测量D型光纤光栅反射中心波长得到氢气的浓度不仅可以避免光纤双折射效应和光纤中光强变化对测量精度的影响，而且由于采用波长解调，能够形成分布式测量，使检测的范围大大提高。通过磁控溅射将氢气敏感薄膜溅射到D型光纤光栅上，不仅可以大大减小传感器的体积，而且还可以提高传感器的灵敏度和测量范围。

本发明目的是通过下述技术方案来实现：

一种多层复合敏感膜光纤氢气传感探头，其特征在于，该探头由镀有氢气敏感薄膜的D型光纤光栅与具有同样中心波长、但没有镀膜的参考光栅对接熔接构成；所述的镀有氢气敏感薄膜的D型光纤光栅，由经过侧边抛磨处理的光纤光栅上采用磁控溅射镀SiO₂薄膜、再镀SiO₂和Pd的混合膜、然后再镀Pd薄膜构成；所述的SiO₂薄膜的厚度为1-100nm，所述的SiO₂和Pd的混合膜的厚度为1-100nm，所述的Pd薄膜的厚度为10nm-20μm。

本发明的一种多层复合敏感膜光纤氢气传感探头的制作方法，包括如下步骤：

1)、将经过侧边抛磨处理的D型光纤光栅在无水乙醇中超声清洗30-60分钟，然后在去离子水中超声清洗20-40分钟，用紫外灯烘烤干后备用；

2)、将经步骤1)处理过的D型光纤光栅放入镀膜机腔体中，采用高真空磁控溅射法依次磁控溅射SiO₂薄膜、SiO₂和Pd的混合膜、及Pd薄膜，其SiO₂薄膜的厚度为1-100nm，SiO₂和Pd的混合薄膜厚度为1-100nm，Pd薄膜的厚度为10nm-20μm；