[发明专利]一种基于二硫化钼纳米涂层的光纤呼吸传感器

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，特别涉及一种基于二硫化钼纳米涂层的光纤呼吸传感器。

背景技术

二硫化钼作为一种新型二维层状化合物，具有许多独特的优点，尤其是超高的电子迁移率，使其在多种微电子器件上均有广泛的应用，例如场效应晶体管和光电传感器等，已经成为研究热点之一。二硫化钼(分子式为MoS₂)纳米片具有二维层状结构，每个分子层含有上下两个六边形结构的S原子层，中间夹着一个Mo原子层，形成SMoS的三明治结构。分子层内S原子与Mo原子以共价键结合，分子层之间以较微弱的范德瓦尔斯力结合，因此，MoS₂纳米片易形成稳定的薄层结构。单层MoS₂具有极大的表面积与体积比，它的电荷载流子密度会受到环境湿度影响而发生变化，从而导致其复折射率变化，这就是MoS₂纳米片用于湿度传感的基础。

传统的基于光纤涂覆材料吸收水汽发生膨胀的光纤湿度传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小等优点，但是它对于湿度变化的响应时间约为几秒至几十分钟的量级，远远低于电子类传感器，难以用于呼吸传感。目前，呼吸传感器大多以人体在呼吸时胸腔或者腹腔的体积变化来检测呼吸的频率，以电学类压力传感器为主，如2010年王新安等公开了一种压电材料制成的呼吸传感器(王新安，沈劲鹏，冯晓星，黄锦锋，戴鹏，王金泊，一种呼吸传感器,中国发明专利，申请号：201010607762.X)。电学类呼吸传感器的一大优势就是响应速度快，但这类呼吸传感器存在两个明显的缺点：基于压力的呼吸传感器虽然具有灵敏度高的特点，但难以避免人体活动对监测结果的干扰。另外，电子类有源传感器采用电路传输信号，易受电磁干扰，特别是强电磁环境下对电磁干扰的屏蔽设计，将使传感器的体积和重量明显增加，影响其实际应用的范围。

发明内容

要解决的技术问题

为了解决当前光纤湿度传感器响应速度慢的问题，本发明提出一种响应速度高，同时还具有良好抗电磁干扰性能的基于二硫化钼纳米涂层的光纤呼吸传感器。

技术方案

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：一种基于二硫化钼纳米涂层的光纤呼吸传感器，其包括顺次连接的光源1、传感头3、光电探测器4和信号处理与显示系统5，其中，传感头3为设置有基于MoS₂纳米片31的光纤传感器。

所述MoS₂纳米片31涂覆于光纤传感器的倏逝波区域。

所述光纤传感器的倏逝波区域可以是通过腐蚀方法在光纤上设置包层均匀减薄的腐蚀区域；可以是通过拉锥方法在光纤上设置双锥形区域；可以是通过研磨方法在光纤包层上设置单侧分布的D形区域。

所述光源与传感头3之间还设置有隔离器。

所述光源为波长范围为400nm至1700nm的宽带光源或激光光源。

一种基于二硫化钼纳米涂层的光纤呼吸传感方法，光源1输出的光波进入所述基于二硫化钼纳米涂层的传感头3后；所述光波由基于二硫化钼纳米涂层的传感头3调制后携带呼吸变化的信息，再由光电探测器4将所述光信号转换为电信号，并由所述信号处理与显示系统5处理所述电信号，获得呼吸变化图，由所述呼吸变化图中可知道呼吸频率和强度的信息，达到监测呼吸的目的。

所述光波由基于二硫化钼纳米涂层的传感头3调制时，在基于二硫化钼纳米涂层的传感头的光纤倏逝波区域传输的光波，其光场能量进入所述光纤外涂覆的MoS₂纳米片31中，并被所述MoS₂纳米片31吸收；所述MoS₂纳米片31受到呼吸带来的湿度变化影响，使其折射率发生变化；所述光波在折射率发生变化的倏逝波区域中传输，透过功率发生变化，从而实现对所述光纤中传输光波的调制；通过监测所述传感头中光功率的变化就可以得到呼吸频率以及强度的信息。

所述光源1输出的光波，先经设置在传感头3与光源之间的隔离器2单向隔离后，再传输至传感头。

有益效果