光纖氫氣傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種光纖氫氣傳感器，所述光纖氫氣傳感器包括入射光纖、反射光纖和氫敏感膜；所述入射光纖的其中一端作為光入射端，另外一端與所述反射光纖相互連接并且開設有氫氣收容腔，所述反射光纖的端面覆蓋所述氫氣收容腔的開口，并作為反射端面；所述氫氣收容腔的腔體的至少兩個相對的側壁分別形成有氣孔，且所述至少兩個相對的側壁的氣孔分別交錯設置；所述氫敏感膜設置在所述氫氣收容腔的內表面，并且所述氫敏感膜具有多個凹陷部，所述多個凹陷部分別與所述多個氣孔相對設置。
【專利說明】光纖氫氣傳感器
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及氫氣檢測技術，特別地，涉及一種光纖氫氣傳感器。
【背景技術】
[0002] 氫氣是一種重要的工業原料，在石油化工、電子工業、冶金工業、食品加工等方面 有著重要的應用；同時，氫氣作為一種新型能源，不僅清潔環保，并且具有豐富的來源，因此 氫氣在新能源領域的地位也日益重要。不過，氫氣容易發生泄露，且當空氣中的氫氣濃度達 到4%以上時遇到明火即可導致爆炸，因此，在氫氣的運輸、儲存和工業生產及使用過程中， 對環境的氫氣濃度檢測是一項非常重要且必要的工作。
[0003] 光纖氫氣傳感器由于可以具有安全和實時監測的優點，被廣泛地應用到氫氣濃度 檢測，在諸多類型的光纖氫氣傳感器中，基于法布里-珀羅（Fabry-P er〇t，F-P)干涉的干涉 型光纖氫氣傳感器的應用較為廣泛。傳統的干涉型光纖氫氣傳感器是將入射光纖和反射光 纖分別固定在玻璃套管的兩端形成F-P干涉腔，并在玻璃套管的表面鍍設鈀（Pd)膜。所述 Pd膜在吸收氫氣之后體積會發生變化從而改變干涉腔長度，因此通過分析干涉譜可以實現 對氫氣濃度的檢測。
[0004] 不過，由于上述干涉型光纖氫氣傳感器的氫敏感膜在直接鍍設在玻璃套管的外 部，外界污染可能降低所述氫敏感膜的品質，從而影響所述干涉型光纖氫氣傳感器的檢測 精確度。 實用新型內容
[0005] 有鑒于此，本實用新型提供一種能解決上述問題的光纖氫氣傳感器。
[0006] -種光纖氫氣傳感器，包括入射光纖、反射光纖和氫敏感膜；所述入射光纖的其中 一端與所述反射光纖相互連接并且開設有氫氣收容腔，所述反射光纖的端面覆蓋所述氫氣 收容腔的開口，并作為反射端面；所述氫氣收容腔的腔體的至少兩個相對的側壁分別形成 有氣孔，且所述至少兩個相對的側壁的氣孔分別交錯設置；所述氫敏感膜設置在所述氫氣 收容腔的內表面，并且所述氫敏感膜具有多個凹陷部，所述多個凹陷部分別與所述多個氣 孔相對設置。
[0007] 本實用新型提供的光纖氫氣傳感器在所述入射光纖的末端形成氫氣收容腔，可以 實現所述氫敏感膜設置所述入射光纖的內部。通過上述氫敏感膜內置的方式，可以有效避 免所述氫敏感膜受外界污染的影響而破壞其氫氣敏感特性，保證所述光纖氫氣傳感器的氫 氣濃度檢測結果的精確性。并且，所述光纖氫氣傳感器通過在所述氫氣收容腔的至少兩個 相對側壁形成氣孔，可以使得有足夠的氫氣進入所述氫氣收容腔內部，保證氫氣濃度檢測 的正常實現；另外，所述至少兩個相對的側壁的氣孔分別交錯設置，從而對氫氣進行一定的 阻擋，使得氫氣在所述氫氣收容腔可以停留足夠的時間，保證其可以被所述氫氣收容腔的 側壁內表面的氫敏感膜充分吸收，進一步提高所述光纖氫氣傳感器的氫氣濃度檢測的準確 性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008] 為了更清楚地說明本實用新型實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所使 用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例， 對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得 其它的附圖，其中：
[0009] 圖1是本實用新型提供的光纖氫氣傳感器一種實施例的結構示意圖；
[0010] 圖2是圖1所示的光纖氫氣傳感器的入射光纖的側面結構示意圖；
[0011] 圖3是用于制作圖1所示的光纖氫氣傳感器的制造方法的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0012] 下面將對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的 實施例僅是本實用新型的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施 例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于 本實用新型保護的范圍。
[0013] 本實用新型提供的光纖氫氣傳感器通過將氫敏感膜內置在入射光纖內部，來避免 氫敏感膜受外界污染氣體影響，提高所述光纖氫氣傳感器氫氣濃度檢測結果的準確性。
[0014] 請參閱圖1，其是本實用新型提供的光纖氫氣傳感器一種實施例的結構示意圖，所 述光纖氫氣傳感器10包括入射光纖11、反射光纖12和氫敏感膜13,其中，所述入射光纖11 和所述反射光纖12可以均為單模光纖或均為多模光纖，也可以其中一個為單模光纖而另 一個為多模光纖，并且所述入射光纖11和所述出射光纖相互對準并通過熔接工藝相互連 接。
[0015] 所述入射光纖11的兩端可以分別作為光入射端和連接端，其中所述光入射端可 以接收外界光源（比如激光二極管）提供的測試光，而所述連接端可以與所述反射光纖12 相互熔接。其中，所述入射光纖的連接端開設有微型腔體111，所述微型腔體111主要作為 用來收容待檢測氫氣的氫氣收容腔。所述微型腔體111可以通過激光微加工技術形成，其 沿所述入射光纖11的纖芯110延伸方向開設。在形成所述微型腔體111之后，所述入射光 纖11在所述微型腔體11所在區域的剩余光纖材料便可以作為所述微型腔體111的側壁。 其中，所述微型腔體111的內徑大于所述入射光纖11的纖芯110的直徑，即所述微型腔體 111內部的纖芯110被完全移除。
[0016] 在具體實施例中，所述微型腔體111的腔底可以形成半穿透半反射面101。所述半 穿透半反射面101便可以將所述入射光纖11的部分測試光進行反射而形成第一反射光，并 且將另一部分測試光作為透射光透射到所述微型腔體111內部。
[0017] 所述入射光纖11在所述微型腔體111所在區域的可以開設有多個氣孔14,所述氣 孔14可以從所述入射光纖11的表面延伸到所述微型腔體111內部，其主要用來給氫氣提 供進入所述微型腔體111的通道。
[0018] 具體地，由于所述氣孔14 一般比較小，為使得有足夠量的氫氣進入所述微型腔體 111，以保證所述光纖氫氣傳感器10可以進行氫氣濃度檢測，在本實用新型提供的光纖氫 氣傳感器10中，所述氣孔14至少開設在所述入射光纖11末端的相對兩側，即形成在所述 微型腔體111的兩個相對的側壁。應當理解，所述入射光纖11 一般具有圓形的橫截面，因 此所述微型腔體111為圓柱形腔體，相對應地，所述微型腔體111的側壁實際上是一個圓環 形側壁；因此，在本申請文件中，所述微型腔體111的兩個相對的側壁應當理解為所述圓環 形側壁的其中兩個相對的弧形部分，如圖2所示的第一弧形側壁部分112和第二弧形側壁 部分113。
[0019] 并且，為避免從所述入射光纖11 一側的氣孔14進入所述微型腔體111的氫氣從 所述入射光纖11的另一側穿出，在本實施例中，所述微型腔體111兩個相對的側壁分別開 設的氣孔14分別交錯設置，也即是說，所述微型腔體111的其中一個側壁開設的氣孔14不 與另一個側壁開設的氣孔14相對準，如圖1所示。通過采用上述結構從所述微型腔體111 的其中一個側壁的氣孔14進入到所述微型腔體111內部的氫氣可以被另一側側壁所阻擋， 從而使得氫氣在所述微型腔體111可以停留足夠的時間，保證其可以被所述微型腔體111 的側壁內表面的氫敏感膜13充分吸收。
[0020] 另一方面，所述微型腔體111的側壁內表面可以形成有氫敏感膜13,所述氫敏感 膜13可以具體為鈀（Pd)膜或者鈀合金（Pd Alloy)膜，其具有吸收氫氣而出現體積變化的 特性。具體地，所述氫敏感膜13可以在所述微型腔體111形成之后通過真空鍍膜方式形成 在所述微型腔體111的內側壁。
[0021] 由于所述微型腔體111是在所述入射光纖11末端形成的，其尺寸一般較小，因此 所述微型腔體111的內側壁的面積一般均比較小，并且由于所述微型腔體111的內側壁還 需要提供空間來形成所述氣孔14,因此在實際實現中，鍍設在所述微型腔體111的內側壁 表面的氫敏感膜13的表面積非常有限，可能會影響所述氫敏感膜13與氫氣吸收并發生反 應而出現體積變化的效果，從而造成所述光纖氫氣傳感器10的檢測效果不佳。
[0022] 針對上述問題，在本實用新型提供的光纖氫氣傳感器10中，所述氫敏感膜13在與 所述氣孔14正對的區域可以分別形成有多個凹陷部131。由于所述微型腔體111的兩個相 對的側壁的氣孔是分別交錯設置而非直接相對的，因此在所述微型腔體111的其中一個側 壁的任何一個氣孔14恰好正對著另一個側壁的氫敏感膜13所在的區域，此在工藝上為實 現所述凹陷部131提供了可能。具體地，在所述氣孔14形成之后，所述凹陷部131可以通 過激光微加工技術，將激光束通過所述氣孔14照射到另一側的側壁內表面的氫敏感膜13， 便可以使得所述氫敏感膜13在與所述多個氣孔14相對的區域分別形成多個凹陷部131，比 如圓形凹陷部，如圖1所示。
[0023] 所述反射光纖12的末端與所述入射光纖11的連接端相互對準并且通過熔接工藝 相互連接，因此其端面可以恰好蓋設在所述微型腔體111的開口。并且，所述反射光纖12 的端面可以作為反射端面102,將從所述入射光纖11的半穿透半反射面101透射到所述微 型腔體111的透射光進行反射，從而形成第二反射光。
[0024] 由此可以看出，在本實用新型提供的光纖氫氣傳感器10中，所述微型腔體111連 同所述入射光纖11的半穿透半反射面101和所述反射光纖12的反射端面102,形成一個用 來進行氫氣濃度檢測的法布里 -拍羅（Fabry-Perot，F_P)干涉腔。
[0025] 具體地，在進行氫氣濃度檢測時，外部光源提供的寬譜測試光入射到入射光纖11， 并在所述入射光纖11的半穿透半反射面101發生部分反射從而形成第一反射光，另外，還 有部分測試光從所述半穿透半反射面101進入所述微型腔體111，并穿過所述微型腔體111 在所述反射光纖12的反射端面102發生反射從而形成第二反射光。所述第二反射光與所 述第一反射光發生干涉，通過光譜儀可以采集到所述第一反射光和所述第二反射光的干涉 光譜。當氫氣濃度發生變化時，所述氫敏感膜13與通過所述氣孔14進入到所述微型腔體 111的氫氣發生反應，其體積也發生相應的變化。所述氫敏感膜13的體積變化會進一步造 成所述第一反射光和所述第二反射光的光程差發生改變，從而進一步造成二者的干涉光譜 發生改變。因此根據所述光譜儀獲得的干涉光譜便可以計算出氫氣濃度的變化情況。
[0026] 本實用新型提供的光纖氫氣傳感器在所述入射光纖的末端形成微型腔體，可以實 現所述氫敏感膜設置所述入射光纖的內部。通過上述氫敏感膜內置的方式，可以有效避免 所述氫敏感膜受外界污染的影響而破壞其氫氣敏感特性，保證所述光纖氫氣傳感器的氫氣 濃度檢測結果的精確性。
[0027] 圖1所示的光纖氫氣傳感器10可以通過圖3所示的光纖氫氣傳感器的制造方法 制作而成。具體地，所述制作方法包括：
[0028] 步驟S1，提供入射光纖，并在所述入射光纖的末端形成微型腔體；
[0029] 具體地，本步驟中，可以先提供一個單模光纖或者多磨光纖來作為所述入射光纖 11，并且，沿著所述入射光纖110的纖芯110的延伸方向，通過飛秒激光微加工技術或者深 紫外激光微加工技術在所述入射光纖11的末端加工出一個微型腔體111。所述微型腔體 111的尺寸可以略大于所述入射光纖11的纖芯110,也即是說，通過所述飛秒激光微加工技 術或者深紫外激光微加工技術，將所述入射光纖11的末端的纖芯110被完全移除，并且，所 述纖芯110周圍的光纖材料也被部分移除，從而形成一個具有側壁的微型腔體111。所述微 型腔體111的具體形狀和結構可以參閱以上實施例的具體描述。
[0030] 步驟S2,在所述微型腔體的側壁內表面形成氫敏感膜；
[0031] 在所述微型腔體111形成之后，可以采用磁控濺射或者真空鍍膜的薄膜工藝，在 所述微型腔體111的側壁的內表面沉積或者鍍設鈀（Pd)膜或者鈀合金膜，來作為所述氫敏 感膜130。
[0032] 步驟S3,在所述微型腔體的其中一個側壁形成第一氣孔陣列；
[0033] 在所述氫敏感膜130制作完成之后，可以采用飛秒激光微加工技術或者深紫外激 光微加工技術，在所述入射光纖11末端的微型腔體111的其中一個側壁，沿與所述入射光 纖11的纖芯111相垂直的方向加工出由多個第一氣孔14,形成第一氣孔陣列。
[0034] 在所述第一氣孔陣列的加工過程中，激光的強度以及照射時間需要嚴格控制，以 使得所述側壁的光纖材料恰好被移除，同時又不破壞所述微型腔體11的另一個側壁的光 纖材料，從而形成從所述入射光纖11末端的外表面延伸到所述微型腔體111內部的第一氣 孔14,以使得氫氣可以從所述側壁進入所述微型腔體111。
[0035] 步驟S4,在所述微型腔體的另一個側壁形成第二氣孔陣列，并且所述第二氣孔陣 列的每一個氣孔分別與所述第一氣孔陣列的氣孔交錯設置；
[0036] 具體地，在所述第一氣孔陣列制作完成之后，同樣可以采用飛秒激光微加工技術 或者深紫外激光微加工技術，在所述入射光纖11末端的微型腔體111的另一個側壁，沿與 所述入射光纖11的纖芯111相垂直的方向加工出由多個第二氣孔14,形成第二氣孔陣列。
[0037] 其中，在所述第二氣孔陣列的加工區域需要設計成與所述第一氣孔陣列的氣孔不 相正對，從而實現所述第二氣孔陣列和所述第一氣孔陣列的氣孔14分別交錯設置。另外， 相類似的，在本步驟中，用來進行氣孔加工的激光的強度以及其照射時間需要嚴格控制，來 避免破壞所述第一氣孔陣列所在的側壁的光纖材料。
[0038] 步驟S5,在所述微型腔體的內側壁表面的氫敏感膜與所述第一氣孔陣列和所述第 二氣孔陣列相正對的區域形成多個凹陷部；
[0039] 具體地，本步驟可以通過激光微加工技術來實現所述多個凹陷部的加工。具體地， 可以利用激光從所述微型腔體111其中一個側壁的第一氣孔陣列或所述第二氣孔陣列的 氣孔14照射到另一個側壁表面的氫敏感膜13,從而在所述氫敏感膜13與所述氣孔14相對 的區域形成所述凹陷部131。在本實施例中，所述激光的光斑尺寸應當小于所述氣孔14的 尺寸，且所述激光的照射時間必須精確控制，以免所述氫敏感膜13出現破壞。
[0040] 步驟S6,提供反射光纖，并將所述反射光纖與所述入射光纖的末端相互熔接；
[0041] 在本步驟中，可以提供另一個單模光纖或者多模光纖來作為所述反射光纖12,并 且將所述反射光纖12與所述入射光纖11相互對準。接著，采用熔接工藝將所述反射光纖 12熔接到所述入射光纖11，從而形成如圖1所述的光纖氫氣傳感器10。
[〇〇42] 以上所述僅為本實用新型的實施例，并非因此限制本實用新型的專利范圍，凡是 利用本實用新型說明書內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相 關的【技術領域】，均同理包括在本實用新型的專利保護范圍之內。
【權利要求】
1. 一種光纖氫氣傳感器，其特征在于，包括入射光纖、反射光纖和氫敏感膜；所述入射 光纖的其中一端與所述反射光纖相互連接并且開設有氫氣收容腔，所述反射光纖的端面覆 蓋所述氫氣收容腔的開口，并作為反射端面；所述氫氣收容腔的腔體的至少兩個相對的側 壁分別形成有氣孔，且所述至少兩個相對的側壁的氣孔分別交錯設置；所述氫敏感膜設置 在所述氫氣收容腔的內表面，并且所述氫敏感膜具有多個凹陷部，所述多個凹陷部分別與 所述多個氣孔相對設置。
2. 如權利要求1所述的光纖氫氣傳感器，其特征在于，所述氫氣收容腔為沿所述入射 光纖的纖芯的延伸方向開設的腔體。
3. 如權利要求2所述的光纖氫氣傳感器，其特征在于，所述氫氣收容腔的內徑大于所 述入射光纖的纖芯的直徑。
4. 如權利要求3所述的光纖氫氣傳感器，其特征在于，所述氫敏感膜為鈀膜或者鈀合 金膜。
5. 如權利要求1所述的光纖氫氣傳感器，其特征在于，所述氫氣收容腔的腔底設置有 半穿透半反射膜。
6. 如權利要求1所述的光纖氫氣傳感器，其特征在于，所述氫敏感膜的凹陷部為圓形 凹陷部。
7. 如權利要求1所述的光纖氫氣傳感器，其特征在于，所述入射光纖和所述反射光纖 均為單模光纖。
8. 如權利要求1所述的光纖氫氣傳感器，其特征在于，所述入射光纖為單模光纖，而所 述反射光纖為多模光纖。
9. 如權利要求1所述的光纖氫氣傳感器，其特征在于，所述入射光纖和所述反射光纖 均為多模光纖。
【文檔編號】G01N21/45GK203870020SQ201420312826
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月12日 優先權日:2014年6月12日
【發明者】潘國新 申請人:潘國新