張 勐， 趙學(xué)峰， 韻力宇， 文 豐， 張彥軍， 閆樹斌

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051;2.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)指揮學(xué)院，天津 300250)

0 引 言

適當(dāng)?shù)臐穸人接兄跍p少能耗且對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要[1～3]。近年來(lái),在傳統(tǒng)的濕度傳感器基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了以光學(xué)諧振腔為傳感元件的新一代濕度傳感器，成為濕度傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。光學(xué)諧振腔式濕度傳感器具有尺寸小，可以在高溫、高壓的環(huán)境下工作和抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，因此,能夠滿足工業(yè)過程中嚴(yán)苛的要求[4]。該種傳感器制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)感應(yīng)周圍介質(zhì)折射率的變化靈敏度高。

本文介紹了光學(xué)諧振腔式濕度傳感器的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)，分析并重點(diǎn)關(guān)注了新的光學(xué)結(jié)構(gòu)以及最新的研究結(jié)果。

1 濕度傳感器的分類

按制作原理可以將濕度傳感器分為3類：電子[5]、聲學(xué)和光學(xué)傳感器。光學(xué)濕度傳感器根據(jù)濕度的變化引起介質(zhì)層性質(zhì)的變化，從而使光傳播性質(zhì)變化而制作的傳感器，目前研究較多的是光纖濕度傳感器和干涉測(cè)量濕度傳感器。

2 諧振腔式濕度傳感器

諧振腔式濕度傳感器主要分為微環(huán)形諧振腔式濕度傳感器、微結(jié)形諧振腔式濕度傳感器和回音壁式諧振腔濕度傳感器。

2.1 微環(huán)和微結(jié)形諧振腔濕度傳感器

此類光學(xué)結(jié)構(gòu)所呈現(xiàn)出的特性可以滿足所有的光學(xué)傳感器，高的光學(xué)品質(zhì)因數(shù)Q可以使傳感器的濾波性能和分辨率獲得較大的提升。在微環(huán)和微結(jié)式諧振腔中，由于光纖的直徑小，很大一部分能量在光纖外以倏逝波形式傳播，環(huán)形光纖外的倏逝波可以和平行段的倏逝波自耦并行并引導(dǎo)光通過微環(huán)或微結(jié)[6～15]。

2013年，中國(guó)計(jì)量大學(xué)的Zheng Y Z等人[16]研制出一種微環(huán)形諧振腔式濕度傳感器。通過測(cè)量諧振波長(zhǎng)漂移量感應(yīng)相對(duì)濕度的變化，其自由光譜范圍為350 pm，靈敏度可以達(dá)到1.8 pm/%RH，不需要涂敷濕度敏感薄膜，但測(cè)量的濕度范圍過小，僅50 %～80 %RH。諧振腔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微型光纖環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)

2010年，中國(guó)電子與科技大學(xué)的吳宇等人[17]研制出兩種基于超細(xì)光纖結(jié)形諧振腔式全光濕度傳感器，其中，一種用硅(單模光纖)，另一種用聚甲基丙烯酸甲酯(poly-methylmethacrylate,PMMA)作為波導(dǎo)。應(yīng)用硅制作的諧振腔直徑為1.2 μm，品質(zhì)因數(shù)Q達(dá)到1.5×104，自由譜寬(free spectral range,FSR)為0.22 nm。應(yīng)用PMMA制作的諧振腔直徑為2.1 μm，靈敏度為8.8 pm/%RH(高于前者8倍)，分辨率達(dá)到0.23 %RH。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 超細(xì)光纖結(jié)諧振腔結(jié)構(gòu)

2011年，浙江大學(xué)的Wang P等人[18]制作了一種基于聚乙烯酰胺(polyvinylamide,PAM)的微結(jié)形諧振腔式高靈敏度相對(duì)濕度傳感器，其諧振腔直徑為2.7 μm，品質(zhì)因數(shù)Q為1.4×103，消光比為20 dB，其靈敏度可達(dá) 490 pm/%RH，測(cè)試范圍為5 %～71 %RH。如圖3所示，在相對(duì)濕度變化很小的情況下，仍然可以看出輸出波長(zhǎng)向右偏移，透射波谷變淺。

圖3 微結(jié)形諧振腔式高靈敏度相對(duì)濕度傳感器

2016年，吉隆坡馬來(lái)亞大學(xué)的Irawati N等人[19]研制了一種應(yīng)用PMMA制作微環(huán)形諧振腔涂敷ZnO敏感薄膜的濕度傳感器。其光纖環(huán)直徑為56 μm，應(yīng)用直徑為6 μm的光纖拉制而成，測(cè)量濕度范圍為20 %～80 %RH，涂敷ZnO的諧振腔結(jié)構(gòu)的輸出損耗功率從-9.57～-20.19 dBm近似線性變換，其靈敏度為0.174 6 dBm/%RH。如圖4所示。

圖4 ASE的輸出功率對(duì)ZnO納米結(jié)構(gòu)涂層PMLR隨相對(duì)濕度的變化

2016年，馬來(lái)亞大學(xué)光子研究中心的Faruki M J等人[20]研制出一種基于超細(xì)光纖結(jié)形諧振腔式全光濕度傳感器，并對(duì)此傳感器涂敷TiO2涂層的性能進(jìn)行研究。經(jīng)過試驗(yàn)表明未涂敷TiO2的諧振腔擁有對(duì)諧振波長(zhǎng)漂移量1.3 pm/%RH和對(duì)輸出損耗功率0.062 6 dBm/%RH的靈敏度，經(jīng)過涂敷TiO2敏感薄膜后，諧振腔擁有對(duì)波長(zhǎng)漂移量2.5 pm/%RH和對(duì)輸出損耗功率0.083 6 dBm/%RH的靈敏度。其諧振腔結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 光纖結(jié)振腔結(jié)構(gòu)示意

諧振腔未涂敷TiO2敏感薄膜時(shí)，透射譜線在相對(duì)濕度40 %～80 %RH的變化并不大，只能看出譜線向右偏移，波谷深度并未明顯改變，當(dāng)增加濕度到95 %RH時(shí)，透射譜線幾乎消失，超出了此測(cè)試結(jié)構(gòu)的測(cè)試敏感范圍，測(cè)試的諧振波長(zhǎng)漂移量和輸出光的損耗功率在40 %～90 %RH相對(duì)濕度變化下呈線性變化。如圖6所示。

圖6 未涂敷TiO2敏感薄膜時(shí)傳感器性能測(cè)試

圖7 增加TiO2涂層傳感器性能測(cè)試

在諧振腔涂敷TiO2敏感薄膜后，光學(xué)模式也更加接近單模，譜線更加平滑。當(dāng)相對(duì)濕度從40 %RH變化到80 %RH時(shí)，從透射譜線圖可以明顯看出譜線向右偏移，波谷變淺，諧振光波長(zhǎng)的漂移量和輸出損耗功率相比未增加敏感薄膜時(shí)變化斜率更大，敏感材料涂層對(duì)傳感器檢測(cè)相對(duì)濕度的性能有很大提高。如圖7所示。

由透射譜線可以看出，基于微結(jié)和微環(huán)形諧振腔式濕度傳感器光學(xué)耦合模式單一，譜線十分平滑，易于觀察譜線的變化情況。但由于其諧振腔的光學(xué)品質(zhì)因數(shù)Q較低，使得傳感器靈敏度較低，大部分此類傳感器需要增加濕度敏感薄膜提高傳感器的測(cè)試性能，但敏感薄膜的復(fù)用性差則嚴(yán)重限制了傳感器的使用壽命。

2.2 基于回音壁模式諧振腔濕度傳感器

基于回音壁模式諧振腔主要分為微球形諧振腔、微盤形諧振腔等，此模式由光波導(dǎo)和諧振腔兩部分光學(xué)結(jié)構(gòu)組成。諧振腔曲面內(nèi)部的反射傾角限制了光在諧振腔內(nèi)的能量，諧振腔的幾何形狀和材料等光學(xué)性質(zhì)決定了透射光譜，并為此類傳感器提供了高分辨率和測(cè)量低相對(duì)濕度的能力[21～33]。

2013年，南加州大學(xué)的Mehrabani S等人[34]研制出一種基于微盤形諧振腔式全光濕度傳感器，其品質(zhì)因數(shù)Q為2.5×105，在0 %～12 %RH范圍內(nèi)靈敏度可以達(dá)到12.98 pm/%RH,如圖8所示。應(yīng)用噪聲測(cè)量和耦合波長(zhǎng)漂移量反映諧振腔的相對(duì)濕度變化如圖9所示。

圖8 基于微盤形諧振腔式全光濕度傳感器

圖9 應(yīng)用噪聲測(cè)量和耦合波長(zhǎng)漂移量反映諧振腔的相對(duì)濕度變化

圖10 基于液體回音壁式諧振腔的光學(xué)濕度傳感器光學(xué)圖像

2016年，都柏林理工學(xué)院的Mallik A K等人[36]研制出一種基于涂敷瓊脂糖的微球形諧振腔式相對(duì)濕度傳感器。使用3.3 μm的錐形光纖與直徑為171 μm微球形諧振腔進(jìn)行耦合，微球腔品質(zhì)因數(shù)為1.076×105，對(duì)諧振波長(zhǎng)漂移的靈敏度為518 pm/%RH。

在諧振腔未涂敷瓊脂糖敏感薄膜時(shí)Q值較高，與光纖耦合的透射譜線較為平滑。增加敏感薄膜后，從透射譜線可以看出耦合模式十分復(fù)雜，譜線較為雜亂，難以觀察譜線變化，也使得光學(xué)品質(zhì)因數(shù)Q降低至1.56×104。如圖11所示。

圖11 涂敷瓊脂糖敏感薄膜對(duì)Q值的影響

當(dāng)提高相對(duì)濕度時(shí)，微球腔與拉錐光纖之間耦合區(qū)域的水分子增多，使諧振波長(zhǎng)發(fā)生漂移，光的損耗功率增加。從圖12(a)中可以看出，相對(duì)濕度由38.7 %～55 %RH變化時(shí)，透射譜線中波谷對(duì)應(yīng)的位置明顯右偏，但是波谷對(duì)應(yīng)的深度沒有明顯變化，當(dāng)相對(duì)濕度增加至65.7 %RH時(shí)，波長(zhǎng)漂移更加明顯，波谷明顯變淺，說(shuō)明諧振腔的光學(xué)品質(zhì)因數(shù)Q已大大降低，當(dāng)相對(duì)濕度增加至81 %RH時(shí)，透視譜線中波峰波谷已經(jīng)很難辨別，此時(shí)難以觀察波長(zhǎng)的漂移量。如圖12(b)所示，當(dāng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境保持在25 ℃時(shí)，相對(duì)濕度由35 %～65.7 %RH諧振波長(zhǎng)漂移量線性增長(zhǎng)，當(dāng)濕度環(huán)境大于65.7 %RH時(shí)，諧振波長(zhǎng)漂移更快。如圖12(c)所示，未涂敷濕度敏感薄膜的回音壁式諧振腔對(duì)相對(duì)濕度的變化反應(yīng)較小，可以看出透射波谷對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)量變化較小，損耗功率在相對(duì)濕度小于62 %RH時(shí)幾乎沒有變化。如圖12(d)所示，比較了涂敷3種濃度的瓊脂糖敏感薄膜的傳感器對(duì)相對(duì)濕度的敏感度，可以明顯看出涂敷濃度較高的瓊脂糖凝膠對(duì)傳感器性能有較大的提升。

圖12 25 ℃基于直徑為171 μm的微球腔涂敷濃度為2.25 %瓊脂糖凝膠對(duì)傳感器性能影響

基于回音壁式諧振腔光學(xué)濕度傳感器由于光波導(dǎo)和諧振腔是分開的兩部分，所以耦合狀態(tài)較不穩(wěn)定，耦合模式多導(dǎo)致透射譜線較為粗糙，觀察譜線變化較為困難，產(chǎn)品封裝難度較高。但高的光學(xué)品質(zhì)因數(shù)Q使得此類傳感器不需要涂敷敏感薄膜也可以獲得較高的靈敏度，因此,此類傳感器的復(fù)用性較高。

本文圍繞近年涉及基于諧振腔式光纖濕度傳感器的相關(guān)研究論文，并對(duì)用于測(cè)量相對(duì)濕度的主要光學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明。表1總結(jié)了一些最新的相關(guān)成果。

表1 2010～2016年的最新相關(guān)研究匯總

3 結(jié) 論

文中介紹了基于光學(xué)諧振腔式濕度傳感器及其應(yīng)用方向的研究進(jìn)展、雖然該領(lǐng)域近年來(lái)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但仍然有很多關(guān)鍵性技術(shù)需要更深入的研究探索，如微環(huán)和微結(jié)式諧振腔仍需要提高品質(zhì)因數(shù)Q，回音壁式諧振腔的穩(wěn)定耦合和應(yīng)用濕敏材料的復(fù)用性等。隨著對(duì)關(guān)鍵性技術(shù)的進(jìn)一步研究探索和相關(guān)工藝的逐漸成熟以及使用器件材料的價(jià)格進(jìn)一步降低，基于光學(xué)諧振腔式濕度傳感器將會(huì)在濕度測(cè)量傳感領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。