基于PVA 涂覆的U 型超細(xì)光纖濕度傳感器

楊涵，謝康，陳廷闊，林乾法，朱毅濱，李瑞琪，夏宏燕

（廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006）

0 引言

濕度是傳感領(lǐng)域的重要參數(shù)之一，濕度的監(jiān)測與控制應(yīng)用于許多場合，如農(nóng)業(yè)［1］、電力［2］、環(huán)境安全［3］、醫(yī)藥工程［4］等。與傳統(tǒng)濕度傳感器相比，光纖濕度傳感器具有耐腐蝕、重量輕、可遠(yuǎn)程操作、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了廣泛研究。目前，根據(jù)加工方案的不同，已經(jīng)制備出了各種不同的光纖濕度傳感器，如：長周期光纖光柵［5］，Sagnac 環(huán)［6］，馬赫-曾德干涉儀［7］，布拉格光柵［8］，F(xiàn)abry-Perot 腔［9］、邁克爾遜干涉儀［10］等。

由于U 型超細(xì)光纖具有體積小、制作成本低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，受到各界廣泛關(guān)注。2020 年，XU Yue 等設(shè)計(jì)了一款快速響應(yīng)的U 型微光纖應(yīng)變傳感器［11］。該傳感器將U 形超細(xì)纖維嵌入聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）薄膜中來檢測微量流量。當(dāng)PDMS 薄膜浸入液體時(shí)，流動(dòng)的液體會(huì)導(dǎo)致嵌入的超細(xì)纖維的透光率發(fā)生變化，這種變化與液體的流速直接相關(guān)。該傳感器的分辨率為0.005 L/min，檢出限為0.05 L/min。2022 年，SUN Dandan 等設(shè)計(jì)了一種涂有二硫化鉬薄膜的U 型微光纖干涉儀［12］。當(dāng)外界環(huán)境中濕度和溫度變化時(shí)，光纖表面的二硫化鉬導(dǎo)致傳感器折射率發(fā)生變化，干涉儀的波長因此發(fā)生漂移。結(jié)果表明，該傳感器在51%RH～80%RH 下的相對(duì)濕度靈敏度0.116 nm/%RH。因?yàn)槌?xì)光纖本身對(duì)濕度不敏感，為達(dá)到檢測濕度的目的，大多數(shù)光纖濕度傳感器需要在光纖表面涂覆一層濕敏材料。常見的濕敏材料有：明膠［13］、聚乙烯醇［14］、氧化石墨烯［15］、聚酰亞胺［16］、有機(jī)金屬骨架［17］等。其中聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol，PVA）作為一種強(qiáng)親水性材料，吸水后體積會(huì)增大，其折射率會(huì)隨周圍濕度變化而變化，將PVA 均勻的涂覆在U 型超細(xì)光纖表面可以檢測濕度［18-19］。

本文對(duì)未涂覆PVA 的U 型傳感器（S-1）和涂覆PVA 的U 型傳感器（S-2）進(jìn)行了濕度測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于PVA 覆蓋層的存在，使得傳感器對(duì)周圍環(huán)境濕度的變化非常敏感。在室溫28 ℃下，該傳感器在34%RH～90%RH 的檢測范圍內(nèi)平均濕度靈敏度高達(dá)146.1 pm/%RH。該傳感器穩(wěn)定性良好，在濕度增減過程中具有較高的可逆性，溫度串?dāng)_影響較小，制備方法簡單、成本低、便于攜帶，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 傳感器制作及理論分析

1.1 傳感器傳感原理分析

PVA 是一種強(qiáng)親水性材料，其折射率隨周圍濕度變化而發(fā)生改變。由于PVA 在二氧化硅表面具有高附著力，因此可以較容易地涂覆在光纖表面。因?yàn)镻VA 的這些特殊性能，將PVA 與超細(xì)光纖結(jié)合，可以用來測量濕度。PVA 的厚度會(huì)對(duì)傳感器的光耦合損耗和相對(duì)濕度靈敏度等性能產(chǎn)生重要影響。增厚PVA 涂層，會(huì)同時(shí)增加傳感器的損耗和相對(duì)濕度靈敏度。因此，需要選擇合適的PVA 涂層來優(yōu)化濕度傳感器的性能。本文分別制作了三種涂層厚度的傳感器，來探索其對(duì)傳感器的影響。

當(dāng)光纖逐漸變細(xì)，使其腰徑接近或小于光的波長時(shí)，光纖就變成了一個(gè)帶有空氣包層的波導(dǎo)。因此，部分光可以在空氣包層中傳播，從而使周圍環(huán)境與光之間產(chǎn)生強(qiáng)烈而快速的近場相互作用［19］。當(dāng)光從光源進(jìn)入U(xiǎn) 型傳感器的彎曲過渡區(qū)時(shí)，高階模式(LP1n)被激活。高階模通過腰區(qū)后在過渡區(qū)與基模(LP01)結(jié)合，由于基模(LP01)與高階模(LP1n)的有效折射率不同，因此會(huì)產(chǎn)生干涉?；?LP01)和高階模(LP11)具有相似的方位角對(duì)稱性和最小的相位失配，因此耦合主要發(fā)生在基模(LP01)和高階模(LP11)之間［20］。為了方便計(jì)算，設(shè)LP01模式和LP11模式的有效折射率分別為和。因此，傳感器的透射強(qiáng)度（T）可以表述為

式中，T1表示LP01模式的功率，T2表示LP11模式的功率，δ?是兩種模式的累積相位差，表示為

式中，nair是周圍空氣的折射率，而是色散因子。由式（3）可知，傳感器的靈敏度主要由模態(tài)的有效折射率變化以及色散因子決定。由于超細(xì)光纖提供了強(qiáng)大的倏逝場，當(dāng)其與周圍環(huán)境相互作用時(shí)，隨著環(huán)境濕度的增加，nair也會(huì)增加，LP01和LP11模式的有效折射率也會(huì)增加。因?yàn)楦髂B(tài)的倏逝場能量占比不同，所以兩種模態(tài)的折射率增加程度不同。在本文設(shè)計(jì)的基于PVA 的U 型超細(xì)光纖傳感器中，當(dāng)外部環(huán)境濕度增高時(shí)，LP11模式的有效折射率增量大于LP01模式的有效折射率增量，可以得出，色散因子通常為負(fù)。因此，隨著環(huán)境中相對(duì)濕度的增加，傳感器的透射光譜會(huì)出現(xiàn)一定的紅移。由此可以看出，傳感器周圍環(huán)境的濕度變化會(huì)導(dǎo)致光譜偏移，因此可以通過觀察光譜的偏移來測量濕度。

1.2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制作

1.2.1 材料和試劑

本實(shí)驗(yàn)所使用的光纖均為單模光纖，由長飛公司生產(chǎn)，其纖芯直徑為9 μm，包層直徑125 μm。實(shí)驗(yàn)中用到的PVA 生產(chǎn)廠家是麥克林公司，醇解度99%。制作PVA 溶液的步驟非常簡單，具體過程為：取0.25 g PVA 倒入玻璃瓶內(nèi)，加入4.75 mL 超純水；設(shè)置磁力攪拌器溫度為80 ℃，攪拌速度800 轉(zhuǎn)/min，攪拌2 h；為了去除溶液中氣泡等因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，PVA 靜置一夜后使用。

1.2.2 制備超細(xì)纖維

超細(xì)光纖由山東凱普樂有限公司生產(chǎn)的光纖熔融拉錐機(jī)制作完成，具體步驟為：取1 m 長的單模光纖，將其對(duì)折找到中心點(diǎn)；在中心點(diǎn)處，用剝線鉗刮掉光纖涂覆層，長度約2 cm；用無塵紙和酒精清潔光纖表面，防止光纖碎屑對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。將光纖放置在拉錐機(jī)凹槽內(nèi)，通過移動(dòng)光纖，使去除涂覆層部分的單模光纖的中心位置對(duì)準(zhǔn)火焰噴頭，然后使用夾具固定；設(shè)置拉錐機(jī)參數(shù)后啟動(dòng)。具體拉錐過程如圖1 所示。

1.2.3 制備濕度傳感器

首先制備一個(gè)簡易的玻璃模具用來放置超細(xì)光纖，將模具固定在步進(jìn)電機(jī)上，通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)模具中的超細(xì)光纖。用支架上的燒杯夾夾緊一根滴管，用移液槍將配置好的PVA 液滴涂覆在滴管上，保證滴管上的液滴均勻、懸空。將PVA 液滴緩速穿過光纖，直至液滴包裹整根光纖。這里需要特別注意液滴擺放位置，它必須放置在距離中心點(diǎn)二分之一的地方，這樣做的目的是為了保證涂覆的對(duì)稱性及均勻性，這些因素會(huì)對(duì)傳感器的靈敏度、線性度產(chǎn)生很大影響。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)光纖，將PVA 均勻的涂覆在光纖表面。具體涂覆方法如圖2 所示。值得一提的是，改變電機(jī)移動(dòng)速度、涂覆次數(shù)等，可以改變涂層厚度，涂層厚度會(huì)影響傳感器的性能。將涂覆完成的超細(xì)光纖，穿過自制的模具，模具由三根毛細(xì)玻璃管制成，通過UV 光刻膠及紫外線燈，將超細(xì)光纖固定為U 型。將傳感器放置在真空干燥箱中，待光纖表面的PVA 溶液中的溶劑揮發(fā)完后，會(huì)留下一層PVA 薄膜。傳感器結(jié)構(gòu)如圖3 所示，其腰區(qū)最細(xì)部分為10.96 μm。為了觀察傳感器表面涂覆情況，將傳感器放在電鏡下觀察，結(jié)果如圖4 所示，可以發(fā)現(xiàn)在超細(xì)光纖表面有一層PVA 薄膜。圖5 是傳感器在34%RH 下的透射譜。其中，圖5（a）為不涂覆PVA 時(shí)的傳感器（S-1）透射譜，圖5（b）為涂覆后的傳感器（S-2）透射譜，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，涂覆PVA 前后兩種傳感器的輸出光譜略有不同。這與兩種傳感器的過渡區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及涂層結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖2 涂覆PVA 的過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of the process of coated PVA

圖3 U 型傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 U-shaped sensor structure illustration

圖4 U 型傳感器電鏡圖Fig.4 U-shaped sensor electron microscope diagram

圖5 傳感器在34%RH 的透射譜Fig.5 Transmittance spectrum of the sensor at 34% RH

2 傳感器濕度實(shí)驗(yàn)

圖6 是傳感器濕度實(shí)驗(yàn)的設(shè)備圖。該濕度傳感器的光譜由光源、日本橫河公司生產(chǎn)的光譜分析儀（YOKOGAWA，AQ6370D）、不同濕度的飽和鹽溶液、密封濕度瓶、以及可同時(shí)測量濕度和溫度的電子濕度傳感器（DT-625，濕度：0～20%RH，精度為±3.5%RH； 20%RH～80%RH，精度為±2.5%RH；80%RH～100%RH，精度為±3.5%RH，溫度：-30～100 ℃，精度為±0.5 ℃）獲得。在實(shí)驗(yàn)中，將U 型傳感器和濕度傳感器固定在密封的濕度箱里，通過電子濕度傳感器可以實(shí)時(shí)獲得箱內(nèi)濕度、溫度變化。由于不同的飽和鹽溶液濕度不同，通過選擇合適的飽和鹽溶液，可以獲得合理的濕度梯度，用于不同濕度環(huán)境下的濕度測量。

圖6 傳感器濕度實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖Fig.6 Sensor humidity experimental equipment diagram

實(shí)驗(yàn)過程中，使用單模光纖將U 型傳感器與光源、光譜儀相連。濕度測量在室溫28 ℃下進(jìn)行的，為盡量減小溫度、氣流等對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，所有實(shí)驗(yàn)均在超凈間完成。選用不同的飽和鹽溶液，設(shè)置了相對(duì)濕度為34%RH、46%RH、59%RH、73%RH 和90%RH 的密封室。首先，研究了不同涂層厚度下傳感器的濕度響應(yīng)能力。本文制作了三種涂層厚度的濕度傳感器，分別為：不涂覆PVA 的傳感器S-1、涂覆三次的傳感器S-2、涂覆五次的傳感器S-3。在濕度從低到高的過程中，當(dāng)特定濕度達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)，記錄傳感器的光譜圖。如圖7 所示，為S-1 傳感器濕度從34%RH 到90%RH 升高時(shí)，諧振峰在1 420～1 475 nm 處波長隨濕度變化的光譜圖與1 450～1 480 nm 處的擬合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著濕度的增加，傳感器S-1 對(duì)濕度不敏感。將涂覆三次的傳感器S-2 置于密封的濕度室內(nèi)，如圖8 所示，為傳感器S-2 在1 430～1 488 nm 處的諧振峰波長隨濕度變化的光譜圖與1 464～1 488 nm 處的擬合，發(fā)現(xiàn)光譜有明顯的紅移，通過計(jì)算，得到傳感器S-2 的濕度靈敏度為112.1 pm/%RH。圖9 是涂覆五次的傳感器S-3 在1 410～1 470 nm 處諧振峰波長隨濕度變化的光譜圖，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器S-3 的濕度響應(yīng)能力優(yōu)于其他兩根傳感器。如圖10 所示，為傳感器S-3 在1 440～1 470 nm 處的諧振峰波長隨濕度變化的擬合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，S-3 傳感器的中心波長隨環(huán)境濕度增加而增加，隨環(huán)境濕度降低而減小，它們的擬合程度R2分別為0.994 09 和0.991 54，擬合程度較高，上升和下降的擬合曲線幾乎一致，能夠滿足濕度測量需求。濕度增加時(shí)，傳感器的靈敏度約為146.1 pm/%RH，濕度下降時(shí)，傳感器的靈敏度約為140.9 pm/%RH。在濕度增加和減少的過程中，傳感器的靈敏度有輕微的不同。這可能是PVA 膜吸收的水分子沒有全部釋放到周圍環(huán)境中導(dǎo)致的，通過延長實(shí)驗(yàn)時(shí)間可以盡可能地減小該現(xiàn)象。因此，該傳感器S-3 具有較高的靈敏度及增減過程的可逆性，傳感器的最佳檢測范圍為34%RH～90%RH。通過對(duì)比三根傳感器，發(fā)現(xiàn)：增加涂層厚度，可以增加傳感器的靈敏度；但是涂層越厚，傳感器的損耗越大，且隨著涂層厚度的增加，會(huì)導(dǎo)致傳感器的制作時(shí)間變長，這會(huì)使滴管上的PVA 液滴揮發(fā)，從而影響涂覆的均勻性。因此，需要選擇合適的涂層厚度。

圖7 傳感器S-1 在1 420～1 475 nm 處的諧振峰波長隨濕度變化的光譜與1 450～1 480 nm 處的擬合Fig.7 Spectrogram of resonant peak wavelength at 1 420～1 475 with humidity for sensor S-1 with a fit at 1 450～1 480 nm

圖8 傳感器S-2 在1 430～1 488 nm 處的諧振峰波長隨濕度變化的光譜與1 464～1 488 nm 處的擬合Fig.8 Spectrogram of resonant peak wavelength at 1 430～1 488 with humidity for sensor S-2 with a fit at 1 464～1 488 nm

圖9 傳感器S-3 在1 410～1 470 處的諧振峰波長隨濕度變化的光譜Fig.9 Spectral diagram of the resonant peak wavelength of sensor S-3 at 1 410～1 470 nm as a function of humidity

圖10 傳感器S-3 在1 440～1 470 處的諧振峰波長隨濕度變化的擬合Fig.10 Fitting diagram of resonant peak wavelength variation with humidity of sensor S-3 at 1 440～1 470 nm

為了探究超細(xì)光纖腰區(qū)直徑對(duì)傳感器濕度靈敏度的影響，制作了腰區(qū)直徑12.41 μm 的傳感器S-4，其腰區(qū)直徑比傳感器S-3（腰區(qū)直徑：9.84 μm）更大。采用與傳感器S-3 同樣的方法，在傳感器S-4 表面涂覆5 次PVA。如圖11 所示，為傳感器S-4 在1 411～1 485 nm 處的諧振峰波長隨濕度變化的光譜與1 462～1 485 nm處的擬合，其濕度靈敏度為101.2 pm/%RH。與S-4 傳感器相比，S-3 傳感器明顯具有更高的靈敏度。這是因?yàn)檠鼜皆叫〉某?xì)光纖與外界環(huán)境耦合的倏逝場越強(qiáng)，從而加強(qiáng)了它們之間的相互作用，減少了色散［21］。為了更直觀的比較四種傳感器的性能，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成表格，如表1 所示。

表1 傳感器相關(guān)參數(shù)Table 1 Related parameters of the sensor

圖11 傳感器S-4 在1 411～1 485 nm 處的諧振峰波長隨濕度變化的光譜與1 462～1 485 nm 處的擬合Fig.11 Spectrogram of resonant peak wavelength at 1 411～1 485 nm with humidity for sensor S-4 with a fit at 1 462～1 485 nm

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)傳感器的穩(wěn)定性，將傳感器S-3 放置在密封的濕度室中，濕度分別為46%RH 和73%RH。每10 min 記錄一次濕度的光譜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12 所示，在60 min 內(nèi)，傳感器中心波1 456.4 nm、1 459.7 nm 處的峰值幾乎不發(fā)生漂移，這說明該傳感器具有良好的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的偏差可能是由濕度瓶內(nèi)的循環(huán)氣流和記錄時(shí)的機(jī)械振動(dòng)、誤差等引起的。

圖12 傳感器S-2 濕度穩(wěn)定性示意圖Fig.12 Diagram of sensor S-2 humidity stability

3 傳感器溫度實(shí)驗(yàn)

在濕度測量實(shí)驗(yàn)中，溫度的波動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定影響。這是因?yàn)闇囟葧?huì)改變PVA 薄膜和U 型超細(xì)光纖的理化性，如折射率和膨脹度的變化。因此，探究溫度對(duì)傳感器的串?dāng)_影響是十分必要的。

將樣品S-3 固定在恒溫加熱平臺(tái)（JF-956S）上，實(shí)驗(yàn)過程中保持環(huán)境濕度不變，控制加熱平臺(tái)溫度從40 ℃均勻上升到80 ℃，每隔10 ℃記錄一次傳感器的光譜圖。當(dāng)加熱臺(tái)的溫度到達(dá)測量點(diǎn)時(shí)，持續(xù)加熱一段時(shí)間，直至光譜完全穩(wěn)定，記錄該溫度下的光譜圖。如圖13 所示，為傳感器S-3 溫度與波長的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在40～80 ℃范圍內(nèi)，樣品S-3 的溫度靈敏度約為15.8/℃，遠(yuǎn)低于濕度靈敏度。為了更直觀地比較溫度靈敏度和濕度靈敏度的關(guān)系，根據(jù)參考文獻(xiàn)［21］定義的交叉靈敏度SC為SC=ST/SRH，式中ST為溫度靈敏度，SRH為濕度靈敏度。經(jīng)過計(jì)算，傳感器的交叉靈敏度為0.108%RH/℃，遠(yuǎn)低于濕度靈敏度。因此，本實(shí)驗(yàn)中，溫度對(duì)傳感器的串?dāng)_影響很小。

圖13 傳感器S-1 在1 450～1 480 處的諧振峰波長隨溫度變化的光譜圖及擬合Fig.13 Spectral diagram and fitting of resonant peak wavelength variation with temperature of sensor S-1 at 1 450～1 480 nm

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)制備了一種基于表面涂覆PVA 的U 型超細(xì)光纖濕度傳感器，并對(duì)未涂覆PVA 的U 型傳感器（S-1）和涂覆PVA 的U 型傳感器（S-2）進(jìn)行了濕度測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于PVA 覆蓋層的存在，傳感器對(duì)周圍環(huán)境濕度的變化非常敏感。在室溫28 ℃下，該傳感器在34%RH～90%RH 的檢測范圍內(nèi)平均濕度靈敏度高達(dá)146.1 pm/%RH。該傳感器穩(wěn)定性良好，在濕度增減過程中具有較高的可逆性，溫度串?dāng)_影響較小，制備方法簡單、成本低、便于攜帶，具有廣闊的應(yīng)用前景。