[发明专利]一种光纤湿度传感器及其制作方法

说明书

本发明提供一种光纤湿度传感器及其制作方法，涉及光纤生物传感技术领域，该光纤湿度传感器包括超连续谱光源，单模光纤，多模光纤，蜘蛛牵引丝，光谱仪组成，其中，多模光纤分别与输入单模和输出单模光纤熔接形成了单模‑多模‑单模型光纤结构。宽谱光源发射的光束经过传输光纤进入多模光纤，基模在多模光纤中激发多个高阶模，形成模式干涉。将蜘蛛牵引丝固定单多单结构两端，由于蜘蛛牵引丝在湿度条件下超收缩，导致多模光纤弯曲，多模干涉模式改变，光谱飘移，实现湿度传感。本发明结合单多单结构和蜘蛛牵引丝制备光纤湿度传感器，具有体积小，重量轻，结构简单，材料环保，灵敏度高，成本低廉的特点。

技术领域

本发明涉及一种湿度传感器，尤其涉及一种光纤湿度传感器及其制作方法。

背景技术

湿度测量和控制在食品加工，农业，卫生服务，新材料开发等许多领域都非常重要。传统的湿度传感器在高灵敏度，快速响应，小型化和远程监控方面面临挑战。因此，光纤湿度传感器由于其有着灵敏度高，响应时间短，紧凑，耐腐蚀以及具有远程监控能力而备受关注。目前的光纤湿度传感器主要结构有光纤光栅结构、光纤干涉仪结构、微纳光纤结构和光纤多模干涉结构。

其中，多模干涉结构可以通过光纤单多单结构来实现。单多单结构最早是由斯洛文尼亚科学家Denis Donlagi’c等在1997年正式提出的，当沿着输入单模光纤传播的光场进入多模光纤部分时，多模光纤的本征模被激发成多个模式，并且当光束沿着多模光纤传播时，不同模式之间光的相互作用，形成模式干涉，在多模光纤的末端只有特定的模式才能耦合到输出单模光纤中。将多模光纤作为传感区，当多模光纤弯曲度改变时，光纤中发生干涉的模式将发生变化，导致接收道德干涉光信号发生变化。

蜘蛛丝的光学性能与生物相容性、生物再吸收性、柔韧性和抗拉强度相结合，为生物介质和原始生物光子学的新应用铺平了道路。2004年潘志娟等人报导了蜘蛛丝的超收缩特性，当蜘蛛丝周围的环境湿度上升时，蜘蛛丝在轴向会发生超收缩。2017年，Kenny HeyTow等人评估了天然蛛丝的波导特性，并演示了一个开创性的概念验证实验，该实验使用原始蛛丝作为光纤来测量湿度，并且讨论了采用丝基光纤化学传感器的可行性。但是却并没有给出湿度传感的准确实例，没有对传感器的特性进行研究。

通常的光纤湿度传感器一般采用微处理技术来加工光纤表面，使用化学湿度敏感材料涂覆。常用的湿敏材料有氧化石墨烯、聚乙烯醇和甲基纤维素等，这些湿敏材料大多来自化工材料和聚合物，成本昂贵，制备繁琐且对环境有一定的危害。如申请号为201910600629.2的中国专利《基于石墨烯和侧抛单多单光纤湿度传感器及其制备方法》公开了基于石墨烯和侧抛单多单光纤的湿度传感器及制备方法。该湿度传感器利用了单模-多模-单模光纤结构：多模光纤的一个侧面的全部包层和部分纤芯被抛磨掉得到一个侧抛平面，侧抛平面覆盖有单层石墨烯薄膜；光源发出的光通过输入单模光纤进入到侧抛多模光纤部分，当外界环境的湿度发生变化时，基于多模干涉效应和倏逝场效应，侧抛多模光纤内的传输光场会发生相应的变化。虽然该专利有较高的兼容性和重复性，但是所用的工艺较为复杂并且使用了化工材料。

蜘蛛牵引丝相比于其他材料，其对环境无毒，具有很好的化学稳定性与生物相容性，是一种天然的生物材料。本发明利用蜘蛛牵引丝构建湿度传感器，加工工艺简单，不需要进行光纤侧抛和涂覆湿敏材料。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种光纤湿度传感器及其制作方法，是一种灵敏度高、响应速度快且工艺简便、材料环保的结合蜘蛛牵引丝的光纤湿度传感器。

本发明的目的是这样实现的：一种光纤湿度传感器，包括宽谱光源1、输入单模光纤2-1、输出单模光纤2-2、多模光纤3、蜘蛛牵引丝束4、光谱仪5，多模光纤3的两端分别通过输入单模光纤2-1和输出单模光纤2-2与宽谱光源1和光谱仪5连接；蜘蛛牵引丝束4的两端分别固定在输入单模光纤2-1和输出单模光纤2-2上，输入单模光纤2-1、多模光纤3、输出单模光纤2-2构成单多单结构。

本发明还包括这样一些结构特征：