一種超小體積光纖溫度傳感探頭及其制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種超小體積光纖溫度傳感探頭及其制備方法，屬于光纖傳感技術領域。該探頭包括單模光纖和超小體積長方體密封液體腔，所述長方體密封液體腔內裝有SU?8光刻膠溶液，長方體密封液體腔膠連在單模光纖末端面正中心，其有效傳感區域直徑小于50微米，長度小于30微米。通過光纖環形器將光纖溫度傳感探頭與寬光譜光源和光譜儀連接，在光譜儀上能夠觀測出法布里珀羅干涉光譜，通過監測光譜上干涉峰中心波長的移動解調出環境溫度，溫度傳感靈敏度高于800 pm/oC。其結構緊湊、簡單，穩定可靠，通過將溫敏液態材料集成到光纖溫度傳感探頭內，溫度傳感靈敏度大幅提高。是一種理想的超小體積光纖溫度傳感探頭及其制備方法，適于在溫度傳感探測領域使用。
【專利說明】
一種超小體積光纖溫度傳感探頭及其制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種光纖溫度傳感器及其制備方法，具體的說是一種超小體積光纖溫度傳感探頭及其制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著“信息化”時代物聯網的迅速發展，生活生產中對傳感器的需求量急速增長，同時也對傳感器技術與研發提出了更高的要求。光纖溫度傳感器屬于新型傳感器的一種，具有抗電磁干擾能力強、體積小、重量輕、功耗小、易于復用等獨特優勢，在電網、油井、煤礦溫度監測，海洋環境監測網絡組建，航空航天功能復合材料集成等領域具有廣泛的應用前景。根據調制方式不同，光纖溫度傳感器可以分為強度調制型、波長調制型、相位調制型等。其中，波長調制型和相位調制型光纖溫度傳感器均可利用寬光譜光源和光譜儀，對傳感器光譜中呈現出的諧振峰或干涉峰的中心波長進行監測，從而解調出環境溫度，使用過程中穩定性好、可靠性高。
[0003]但是，目前光纖溫度傳感器存在兩個問題:溫度傳感靈敏度低和探頭體積大。環境溫度對光纖溫度傳感探頭的調制作用根本上體現在探頭有效傳感區域處折射率與體積的變化，受到探頭材料熱光系數與熱膨脹系數兩個參數的影響。但是，由于普通光纖材料的熱光系數僅約為1X10—5 /°C，熱膨脹系數僅約為5X10—7 /°C，導致這些基于純光纖材料的溫度傳感探頭的靈敏度僅為50 pm/°C以下。即使將其他溫度敏感材料(例如金屬、有機聚合物等)與光纖溫度傳感探頭相結合，例如專利201010176299.8和201310070860.8，但是由于固體材料本身的局限，溫度傳感靈敏度的提升依然有限。為了突破這種限制，大幅提高傳感靈敏度成為光纖溫度傳感探頭研發的當務之急。另一方面，傳感探頭小型化是傳感器發展的趨勢，雖然光纖材料本身具有體積小、重量輕的優勢，但是目前光纖溫度傳感探頭的直徑依然在毫米量級以上，如何進一步縮小光纖溫度傳感探頭的體積成為一項技術難題。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是克服上述現有技術的不足，提供一種結構緊湊、簡單，穩定可靠，通過將溫敏液態材料集成到光纖溫度傳感探頭內，溫度傳感靈敏度大幅提高的超小體積光纖溫度傳感探頭及其制備方法。
[0005]本發明解決上述技術問題采用的技術方案是:一種超小體積光纖溫度傳感探頭，其特征在于:其包括單模光纖和超小體積長方體密封液體腔，所述長方體密封液體腔內裝有SU-8光刻膠溶液，長方體密封液體腔膠連在單模光纖末端面正中心，其有效傳感區域直徑小于50微米，長度小于30微米。
[0006]本發明所述單模光纖為通信單模光纖SMF_28e，光纖包層直徑125微米，光纖纖芯直徑8?9微米。
[0007]本發明所述SU-8光刻膠溶液由環氧樹脂與光引發劑混合而成。
[0008]本發明解決上述技術問題采用的技術方案還是:一種超小體積光纖溫度傳感探頭的制備方法，其特征在于:其包括以下步驟:
(1)將去除涂覆層且末端切平的單模光纖浸入SU-8光刻膠溶液中，然后以緩慢將浸入的單模光纖拉出，在單模光纖末端面形成半球狀液滴；
(2)將上述單模光纖固定在程控三維精密移動平臺上，單模光纖末端面與水平面平行，利用透鏡將飛秒激光種子光聚焦在半球狀液滴內；電腦編程控制三維精密移動平臺，使激光焦點在單模光纖末端面延鋸齒狀路徑逐層向上掃描，飛秒激光誘導掃描區域SU-8光刻膠雙光子聚合，在單模光纖末端半球狀液滴內形成一個長20?50_、厚4?ΙΟμπι和高10?20μπι的側壁;重復以上步驟，在單模光纖末端制備出四個彼此相連、鄰面相互垂直的相同側壁，最終在單模光纖末端中心位置形成一個超小體積開口長方體腔；
(3)將激光焦點在超小體積長方體腔的開口面處延鋸齒狀路徑掃描，在長方體腔的四個側壁的上方搭建一個水平壁，壁厚4?11M，對長方體腔進行封口，SU-8光刻膠溶液被密封在長方體腔內；
(4)將單模光纖末端面的超小體積長方體密封液體腔熱處理，使長方體密封液體腔外壁處的光刻膠交聯固化，然后，利用SU-8光刻膠顯影液去除長方體密封液體腔外部未交聯固化的SU-8光刻膠溶液，最后，在單模光纖端面的中心形成一個與光纖交聯的超小體積長方體密封液體腔，制備得到超小體積光纖溫度傳感探頭，其有效傳感區域直徑小于50微米，長度小于30微米。
[0009]本發明所述的飛秒激光種子光中心波長為800nm，寬度為飛秒量級，重復頻率60MHz以上，聚焦用透鏡為高倍顯微物鏡(50 X 0.8NA)。
[0010]本發明所述的三維精密移動平臺沿空間內三個相互垂直的方向精密移動，步進精度200微米，通過電腦編程能夠精確控制平臺的三維移動軌跡。
[0011]本發明采用上述技術方案，將溫敏液態材料集成到光纖溫度傳感探頭內，大幅提高溫度傳感靈敏度、縮小探頭體積。溫度傳感靈敏度高于800 pm/ 0C，探頭有效傳感區域直徑小于50微米，長度小于20微米。通過光纖環形器將光纖溫度傳感探頭與寬光譜光源和光譜儀連接，在光譜儀上能夠觀測出法布里珀羅干涉光譜，通過監測光譜上干涉峰中心波長解調出環境溫度，溫度傳感靈敏度高于800 pm/°C。其結構緊湊、簡單，穩定可靠，通過將溫敏液態材料集成到光纖溫度傳感探頭內，溫度傳感靈敏度大幅提高。是一種理想的超小體積光纖溫度傳感探頭及其制備方法。
【附圖說明】
[0012]下面結合附圖對本發明進一步說明。
[0013]圖1是本發明的組成結構示意圖。
[0014]圖中的標號是:1.單模光纖，11.單模光纖末端面，2.長方體密封液體腔，21.側壁，22.水平壁，3.SU-8光刻膠溶液。
【具體實施方式】
[0015]從圖1中可以看出，一種超小體積光纖溫度傳感探頭，其包括單模光纖I和超小體積長方體密封液體腔2，所述長方體密封液體腔2內裝有SU-8光刻膠溶液3，長方體密封液體腔2膠連在單模光纖末端面11正中心，其有效傳感區域直徑小于50微米，長度小于30微米。通過光纖環形器將光纖溫度傳感探頭與寬光譜光源和光譜儀連接，在光譜儀上能夠觀測出法布里珀羅干涉光譜，通過監測光譜上干涉峰中心波長解調出環境溫度，溫度傳感靈敏度高于800 pm/0C。
[0016]本發明所述單模光纖I為通信單模光纖SMF_28e，光纖包層直徑125微米，光纖纖芯直徑8?9微米。
[0017]本發明所述SU-8光刻膠溶液3由環氧樹脂與光引發劑混合而成。
[0018]本發明所述的超小體積光纖溫度傳感探頭的制備方法，具體步驟是:
(I)將去除涂覆層且末端切平的單模光纖I浸入SU-8光刻膠溶液中，然后以一定速度將浸入的單模光纖拉出，在單模光纖末端面11形成半球狀液滴。
[0019](2)將上述單模光纖I固定在程控三維精密移動平臺上，單模光纖末端面11與水平面平行，利用透鏡將飛秒激光種子光聚焦在半球狀液滴內。電腦編程控制三維精密移動平臺，使激光焦點在單模光纖末端面11延鋸齒狀路徑逐層向上掃描，飛秒激光誘導掃描區域SU-8光刻膠溶液產生雙光子聚合，在單模光纖末端面11半球狀液滴內形成一個長20?50μπι、厚4?ΙΟμπι和高10?20μηι的側壁21。重復此步驟，在單模光纖末端制備出四個彼此相連、鄰面相互垂直的相同側壁21。最終，在單模光纖末端中心位置形成一個超小體積開口長方體腔。
[0020](3)將激光焦點在超小體積長方體腔的開口面處延鋸齒狀路徑掃描，在長方體腔的四個側壁的上方搭建一個水平壁22，其壁厚4?11M，對長方體密封液體腔進行封口，SU-8光刻膠溶液3被密封在長方體密封液體腔2內。
[0021 ] (4)將單模光纖I末端的超小體積長方體密封液體腔2熱處理，使長方體密封液體腔2側壁21、水平壁22處的光刻膠交聯固化。然后，利用SU-8光刻膠顯影液去除長方體密封液體腔外部未交聯固化的SU-8光刻膠溶液。最后，在單模光纖端面11的中心形成一個與光纖交聯的超小體積長方體密封液體腔2，制備得到超小體積光纖溫度傳感探頭，其有效傳感區域直徑小于50微米，長度小于30微米。
[0022]本發明所述的飛秒激光種子光中心波長為800nm，寬度為飛秒量級，重復頻率60MHz以上，聚焦用透鏡為高倍顯微物鏡(50 X 0.8NA)。
[0023]本發明所述的SU-8光刻膠溶液為環氧樹脂與光引發劑的混合溶液。
[0024]本發明所述的三維精密移動平臺可沿空間內三個相互垂直的方向精密移動，步進精度200微米，通過電腦編程能夠精確控制平臺的三維移動軌跡。
[0025]本發明采用上述技術方案，將溫敏液態材料集成到光纖溫度傳感探頭內，大幅提高溫度傳感靈敏度、縮小探頭體積。溫度傳感靈敏度高于800 pm/ 0C，探頭有效傳感區域直徑小于50微米，長度小于20微米。通過光纖環形器將光纖溫度傳感探頭與寬光譜光源和光譜儀連接，在光譜儀上能夠觀測出法布里珀羅干涉光譜，通過監測光譜上干涉峰中心波長解調出環境溫度，溫度傳感靈敏度高于800 pm/°C。其結構緊湊、簡單，穩定可靠，通過將溫敏液態材料集成到光纖溫度傳感探頭內，溫度傳感靈敏度大幅提高。是一種理想的超小體積光纖溫度傳感探頭及其制備方法。
【主權項】
1.一種超小體積光纖溫度傳感探頭，其特征在于:其包括單模光纖和超小體積長方體密封液體腔，所述長方體密封液體腔內裝有SU-8光刻膠溶液，長方體密封液體腔膠連在單模光纖末端面正中心，其有效傳感區域直徑小于50微米，長度小于30微米。2.根據權利要求1所述的超小體積光纖溫度傳感探頭，其特征在于:所述單模光纖為通信單模光纖SMF-28e，光纖包層直徑125微米，光纖纖芯直徑8?9微米。3.根據權利要求1所述的超小體積光纖溫度傳感探頭，其特征在于:所述SU-8光刻膠溶液由環氧樹脂與光引發劑混合而成。4.一種權利要求1所述的超小體積光纖溫度傳感探頭的制備方法，其特征在于:其包括以下步驟: (1)將去除涂覆層且末端切平的單模光纖浸入SU-8光刻膠溶液中，然后以緩慢將浸入的單模光纖拉出，在單模光纖末端面形成半球狀液滴； (2)將上述單模光纖固定在程控三維精密移動平臺上，單模光纖末端面與水平面平行，利用透鏡將飛秒激光種子光聚焦在半球狀液滴內；電腦編程控制三維精密移動平臺，使激光焦點在單模光纖末端面延鋸齒狀路徑逐層向上掃描，飛秒激光誘導掃描區域SU-8光刻膠雙光子聚合，在單模光纖末端半球狀液滴內形成一個長20?50_、厚4?ΙΟμπι和高10?20μπι的側壁;重復以上步驟，在單模光纖末端制備出四個彼此相連、鄰面相互垂直的相同側壁，最終在單模光纖末端中心位置形成一個超小體積開口長方體腔； (3)將激光焦點在超小體積長方體腔的開口面處延鋸齒狀路徑掃描，在長方體腔的四個側壁的上方搭建一個水平壁，壁厚4?11M，對長方體腔進行封口，SU-8光刻膠溶液被密封在長方體腔內； (4)將單模光纖末端面的超小體積長方體密封液體腔熱處理，使長方體密封液體腔外壁處的光刻膠交聯固化，然后，利用SU-8光刻膠顯影液去除長方體密封液體腔外部未交聯固化的SU-8光刻膠溶液，最后，在單模光纖端面的中心形成一個與光纖交聯的超小體積長方體密封液體腔，制備得到超小體積光纖溫度傳感探頭，其有效傳感區域直徑小于50微米，長度小于30微米。5.根據權利要求4所述的超小體積光纖溫度傳感探頭的制備方法，其特征在于:所述的飛秒激光種子光中心波長為800nm，寬度為飛秒量級，重復頻率60MHz以上，聚焦用透鏡為高倍顯微物鏡(50X0.8NA)。6.根據權利要求4所述的超小體積光纖溫度傳感探頭的制備方法，其特征在于:所述的三維精密移動平臺沿空間內三個相互垂直的方向精密移動，步進精度200微米，通過電腦編程能夠精確控制平臺的三維移動軌跡。
【文檔編號】G01K11/32GK106052903SQ201610712813
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月24日
【發明人】曲士良, 劉, 劉一, 李敏, 紀圣華, 梁明明, 李民
【申請人】哈爾濱工業大學（威海）