[发明专利]一种光纤气体压力传感器及其制备方法

说明书

一种光纤气体压力传感器及其制备方法，涉及一种气体压力传感器及其制备方法。本发明解决了现有FPI光纤气体传感器封堵用薄膜制备方法较难、结构强度弱，以及光纤自身以及封堵用薄膜材料都具有热光系数和热膨胀系数存在温度串扰的问题。光纤气体压力传感器为FPI光纤气体传感器；所述光纤气体压力传感器由空芯光纤、单模光纤和薄膜构成，其中空芯光纤一端与单模光纤熔接，空芯光纤另一端用薄膜封堵；所述薄膜为聚二甲基硅氧烷薄膜。制备方法：一、制备初结构；二、蘸取PDMS液体；三、调节薄膜厚度；四、固化。

技术领域

本发明涉及一种气体压力传感器及其制备方法。

背景技术

光纤传感已经被实际应用到了生物医学、健康监测、人工智能和环境监测等各个领域。其中，光纤传感器的气体压力测量一直是人们关注的焦点，常见有光纤布拉格光栅(FBG)、马赫-增德干涉(MZI)、法布里珀罗干涉(FPI)等。近年来，FPI传感器以其抗电磁干扰、遥感能力强、分辨率高、响应速度快、体积小等优点备受人们的广泛关注。

典型的FPI结构由两个平行板和板间的光干涉组成。一般来说，FPI光纤气体传感器有两种工作方式：一是通过改变腔内介质的折射率实现对压强的测量；二是通过改变FPI微腔的长度实现对压强的测量。然而不同形状的微腔对气体压力的响应也不尽相同，因此微腔的形状和反射薄膜的性质决定了传感器的灵敏度。用具有一定反射率和弹性形变的薄膜代替FPI结构中的一个板制作气体压力传感器可以提高灵敏度，如聚合物、石墨烯、硅或水膜。2014年王东宁等人报道的气体压力传感器，利用空芯光纤一端熔接单模光纤另一端熔球，进而形成了一个封闭式的空气微腔；此结构制作简单，但是当探头端面的壁厚达到320nm的时候灵敏度仅为1.036nm/Mpa。2017年Wang等人采用单模光纤和空芯光纤相熔接形成空气腔，利用170nm的石英薄膜封堵，形成了一个矩形的封闭式空气微腔，并且石英薄膜构成第二个反射面，形成FPI结构，获得了高灵敏度341nm/Mpa；但该气体压力传感器存在石英薄膜的制备较难，以及结构强度较低等缺点。2019年Cui等人采用剥落的超薄石墨烯原子层作为反射面，形成FPI结构，获得了高灵敏度1.28nm/mmHg(9600.79nm/Mpa)；但此传感器仍然存在石墨烯薄膜制备方法较为困难，以及结构强度较弱等缺点。

发明内容

本发明为了解决现有FPI光纤气体传感器封堵用薄膜制备方法较难、结构强度弱，以及光纤自身以及封堵用薄膜材料都具有热光系数和热膨胀系数存在温度串扰的问题，而提供的一种光纤气体压力传感器及其制备方法。

本发明光纤气体压力传感器为FPI光纤气体传感器；

所述光纤气体压力传感器由空芯光纤、单模光纤和薄膜构成，其中空芯光纤一端与单模光纤熔接，空芯光纤另一端用薄膜封堵；所述薄膜为聚二甲基硅氧烷薄膜。

上述光纤气体压力传感器按以下步骤制备：

一、单模光纤与空芯光纤熔接，然后切割成所需长度，形成光纤气体压力传感器初结构；

二、将光纤气体压力传感器初结构的空芯光纤一端蘸取聚二甲基硅氧烷液体；

三、若初结构中蘸取的聚二甲基硅氧烷薄膜初始厚度大于预定薄膜厚度，则用干净的单模光纤蘸取多余的聚二甲基硅氧烷液体；若初结构中蘸取的聚二甲基硅氧烷薄膜初始厚度小于预定薄膜厚度，则用粘有聚二甲基硅氧烷液体的光纤接触初结构空芯光纤端，至初结构中聚二甲基硅氧烷薄膜厚度达到预定薄膜厚度；

四、固化聚二甲基硅氧烷薄膜，即得到光纤气体压力传感器。

聚二甲基硅氧烷(PDMS)是由OSi(CH₃)₂基团重复单元的交联结构构成的弹性体聚合物，具有成本低、附着力好、化学惯性好等优点。因其低杨氏模量造成具有高弹性、疏水性、制备工艺简单等因素本发明选择PDMS作为薄膜制备材料。