王一飛， 王夢夢， 文 豐， 楊嘯宇， 華爾天， 閆樹斌,

(1.中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室, 山西 太原 030051;2.浙江水利水電學(xué)院, 浙江 杭州 310018)

0 引 言

相對濕度檢測[1～4]在農(nóng)業(yè)、食品加工、生物醫(yī)學(xué)、氣象服務(wù)、半導(dǎo)體工業(yè)等領(lǐng)域都有著極為廣泛的應(yīng)用，這些測量對于提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本具有非常重要的意義。光纖濕度傳感器[5～8]與傳統(tǒng)的電子濕度傳感器相比具有體積小，質(zhì)量輕的特點，可以在易燃易爆、高溫高壓等極端惡劣環(huán)境中工作，同時還具有較強的抗電磁干擾能力和較高的靈敏度。因此，光纖濕度傳感器以其獨特的優(yōu)勢引起了研究者的廣泛關(guān)注。

Mach-Zehnder干涉(MZI)[8]是指由光源發(fā)出的兩個頻率相同、偏振方向一致、相位差恒定的光波，在相遇的空間區(qū)域會發(fā)生光強重新分配的現(xiàn)象，即雙光束干涉現(xiàn)象。MZI結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢包括制造工藝簡單，通過對光纖進行熔接或拉錐處理，即可形成穩(wěn)定的干涉結(jié)構(gòu)。它具有穩(wěn)定性強，受外界干擾小，結(jié)構(gòu)緊湊，易于制作等一系列突出的優(yōu)點，以MZI結(jié)構(gòu)為傳感單元的新一代濕度傳感器，成為濕度傳感領(lǐng)域的研究熱點。

本文介紹了基于MZI光纖濕度傳感器的原理及國內(nèi)外研究進展，對目前各種類型光纖干涉結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點進行了分析，并對未來基于MZI光纖濕度傳感器的發(fā)展趨勢進行了展望。

1 基于MZI光纖濕度傳感器的工作原理

傳感器的基本原理是利用光纖微制作技術(shù)，使光纖的芯徑發(fā)生改變，當(dāng)光在芯徑突變處傳播時會激發(fā)光纖的包層模，使包層模和纖芯模分別沿著光纖的方向傳播，在經(jīng)過下一個芯徑突變處時，包層模和纖芯模會重新匯合，從而形成了MZI。由于包層模的模場在傳播時會通過倏逝場的形式滲透到光纖外，當(dāng)外界濕度變化時，會影響到包層模的模場分布，進而可以觀測到干涉光譜的變化，實現(xiàn)對濕度的檢測。

2 基于MZI光纖濕度傳感器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。

光纖微加工技術(shù)的發(fā)展為基于MZI光纖濕度傳感器的研究帶來了極大的便利。根據(jù)制作原理的不同，傳感器大致可以分為兩類：錐型和纖芯失配型。

2.1 錐 型

錐型干涉[6]的制作原理是使用拉錐或熔融法，使得光纖的直徑發(fā)生突變(變細(xì)或變粗)，從而在傳播過程中激發(fā)光纖的包層模。

2013年，暨南大學(xué)Tan Y等人[9]將一根單模光纖(single mode fiber,SMF)通過拉錐形成兩個直徑為3.8 μm的錐區(qū)，其結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，兩個錐區(qū)分別起到了分束器和組合器的作用，實現(xiàn)了基模和包層模之間的能量轉(zhuǎn)移；該傳感器具有97.76 pm/%RH的濕度響應(yīng)，響應(yīng)時間為188 ms，同時溫度靈敏度僅為4.74 pm/℃。在不同濕度下的干涉光譜分布如圖2(a)所示，從圖中可以看出隨著相對濕度的增加諧振波長發(fā)生了明顯的漂移。2015年，南開大學(xué)Liu H等人[10]采用簡單的熔融法，將單模光纖制作為S錐形，并在S錐區(qū)上涂覆了SiO2納米薄膜，實驗結(jié)果表明，在83.8 %～95.2 %RH的高濕環(huán)境中，濕度靈敏度達(dá)到了1.171 8 nm/%RH，該結(jié)構(gòu)在涂覆薄膜后濕度靈敏度有了較大的提升。2016年，中國計量大學(xué)Wang Y等人[11]通過熔接SMF，在熔接處形成了兩個如圖1(b)所示的腰部放大的錐區(qū)，并在兩個錐區(qū)之間包覆了一層氧化石墨烯(graphene oxide,GO)/聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)復(fù)合膜，設(shè)計了一種基于強度檢測的MZI濕度傳感器，在25 %～80 %RH范圍內(nèi)，濕度靈敏度為0.193 dB/%RH,不同濕度下的干涉光譜分布如圖2(b)所示；從圖中可以看出隨著濕度增加，諧振波長的漂移量很小，而諧振波谷明顯的變淺。同年，Lokman A等人[12]利用類似的結(jié)構(gòu)在兩個錐區(qū)之間涂覆了一層ZnO納米薄膜，提出了一種基于波長漂移的濕度傳感器，濕度靈敏度達(dá)到了0.02 nm/%RH?；谏鲜鼋Y(jié)構(gòu)，2017年，中國計量大學(xué)Ni K等人[13]在兩個錐區(qū)之間沉積了一層殼聚糖(chitosan)薄膜，在10 %～90 %RH范圍內(nèi)，濕度靈敏度達(dá)到了119.6 pm/%RH，該傳感器具有較大的測量范圍和較高的靈敏度，但由于殼聚糖材料的溫敏特性，溫度靈敏度也達(dá)到了57.9 pm/℃，溫度變化對濕度檢測的干擾較大。錐型干涉具有結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低等優(yōu)點，使得這種類型的干涉更適合于實際應(yīng)用。此外，由于此類干涉具有快速響應(yīng)的傳感特性，可用于實時監(jiān)測濕度變化，但由于光纖的錐形傳感區(qū)結(jié)構(gòu)非常脆弱，容易受到光源波動，平臺震動等因素的干擾，同時較大的整體尺寸，也限制了其在微結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

圖1 錐形光纖傳感器結(jié)構(gòu)

圖2 不同濕度下干涉光譜分布

2.2 纖芯失配型

纖芯失配型的制作原理即為通過熔接不同芯徑的光纖，造成纖芯直徑不匹配去激發(fā)光纖的包層模，根據(jù)熔接光纖類型的不同，又可分為以下幾類。

2.2.1 光子晶體光纖

2013年，澳大利亞新南威爾士大學(xué)的Noor M Y M等人[14]利用光纖熔接機將SMF—光子晶體光纖(photonic crystal fiber,PCF)-SMF三段熔接，利用PCF和SMF的芯徑不同，形成如圖3(a)所示MZI結(jié)構(gòu)。在60 %～80 %RH范圍內(nèi)，濕度靈敏度為60.3 pm/%RH，在80 %～95 %RH范圍內(nèi)，濕度靈敏度為188.3 pm/%RH,傳感器響應(yīng)時間為1 s，該傳感器的溫度靈敏度僅為0.5 pm/℃。同年，都柏林理工學(xué)院Mathew J等人[15]首次提出了基于濕敏材料涂覆的干涉型PCF濕度傳感器。通過在PCF表面上涂覆了一層瓊脂糖薄膜聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA),實現(xiàn)了濕度的測量。在40 %～80 %RH范圍內(nèi)，濕度靈敏度為0.57 nm/%RH,在80 %～95 %RH范圍內(nèi)，濕度靈敏度為1.43 nm/%RH,響應(yīng)時間為86 ms,溫度靈敏度為0.27 nm/℃。涂覆濕敏薄膜后傳感器的靈敏度和量程范圍均有了較大的提升，但由于涂覆材料具有一定的溫敏特性，溫度對濕度測量的干擾也在增大。之后Mathew J等人[16]又研究了在不同涂覆層厚度下的濕度響應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)，通過選擇最佳的涂層厚度可以獲得最高的靈敏度；2017年，西班牙納瓦雷公立大學(xué)Lopez T D等人[17]通過在PCF上沉積了一層由烯丙基胺酸鹽(PAH)和丙烯酸(PAA)聚合物組成的納米薄膜，實現(xiàn)了濕度的測量，通過對涂覆工藝的改進，可以對納米膜的厚度進行精準(zhǔn)的控制以及重復(fù)的制作;此外，還利用快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)對濕度傳感器的響應(yīng)做了線性化處理，提出了通過檢測相位位移改變來檢測濕度變化，在20 %～95 %RH范圍內(nèi)，濕度靈敏度為0.86 mrad/%RH,響應(yīng)時間約為0.3 s，該傳感器克服了以往涂膜不均勻，響應(yīng)線性相關(guān)性差等不足，可實現(xiàn)傳感器的重復(fù)制作。2018年，西北大學(xué)張攀等人[18]通過將薄壁的柚子型光子晶體光纖(grapefruit PCF,G-PCF)與一段多模光纖(multi-mode fiber,MMF)熔接，同時利用飛秒激光去除G-PCF部分包層,形成如圖3(b)所示的MZI結(jié)構(gòu)，通過中間熔接的多模光纖可以增強高階模的激發(fā)，提高靈敏度。濕度和溫度靈敏度分別為-0.077 dB/%RH,為3.3 pm/℃,相對濕度的改變主要引起干涉光譜強度的變化，而溫度的改變主要引起干涉光譜波長的漂移，利用這種特性該傳感器可以實現(xiàn)對溫度和濕度的交叉測量。

圖3 基于PCF傳感器結(jié)構(gòu)

2.2.2 多模光纖

2014年，西北工業(yè)大學(xué)Shao M等人[19]在多模光纖(MMF)兩端熔接SMF形成如圖4所示的干涉結(jié)構(gòu)，通過MMF和SMF熔融產(chǎn)生的兩個擴大的腰錐增強了包層模式的激發(fā),在35 %～90 %RH范圍內(nèi)，濕度靈敏度為0.119 dB/%RH,溫度響應(yīng)僅為3 pm/℃,該傳感器具有良好的溫度不敏感特性。同年，中國計量大學(xué)An J等人[20]在MMF表面涂覆了一層PVA薄膜實現(xiàn)了濕度的測量，在35 %～85 %RH范圍內(nèi)，濕度靈敏度為0.233 nm/%RH。溫度響應(yīng)為80.2 pm/℃，涂覆薄膜后濕度靈敏度有了明顯的增加，但溫度對濕度測量的影響也在增大。2018年，陜西榆林學(xué)院Cheng J N等[21]將SMF和MMF橫向偏置熔接形成了MZI干涉，在35 %～95 %RH范圍內(nèi)，靈敏度為-0.048 7 dB/%RH。響應(yīng)時間為14.1 s。

圖4 基于MMF傳感器結(jié)構(gòu)

2.2.3 無芯光纖

2016年,中國計量大學(xué)Miao Y等人[22]在錐形方形無芯光纖(tapered square no-core fiber,TSNCF)兩端熔接SMF，形成如圖5所示的干涉結(jié)構(gòu)，并在TSNCF表面涂覆了一層對濕度敏感的SiO2納米薄膜，在83 %～96.6 %RH范圍內(nèi)，靈敏度達(dá)到了584.2 pm/%RH，溫度響應(yīng)僅為6 pm/℃,該傳感器在高濕環(huán)境中同樣具有很高的靈敏度，同時溫度變化對其測量的影響很小。2017年，天津大學(xué)Xu W等人[23]在無芯光纖表面包覆了一層PMMA薄膜，產(chǎn)生了多模干涉。在30 %～75 %RH范圍內(nèi)，靈敏度為-149 pm/%RH,響應(yīng)時間和恢復(fù)時間分別為4.8 s和7.1 s，響應(yīng)較慢。涂覆薄膜后在低濕環(huán)境中的濕度靈敏度有了很大的提高。

圖5 基于NCF傳感器結(jié)構(gòu)

2.2.4 其他光纖

2016年，西北大學(xué)Liu N等人[24]在兩個SMF之間熔接了一段長度為8 mm的空芯光纖，利用空芯光纖的纖芯直徑與SMF的纖芯直徑不同，光在熔接點處激發(fā)了包層模從而形成了干涉。通過實驗證實了當(dāng)外界環(huán)境濕度發(fā)生變化時，干涉譜線的透射強度也會發(fā)生改變，濕度靈敏度為0.005 42 dB/%RH，溫度靈敏度為5.5 pm/℃。2018年,華南師范大學(xué)Liu S等人[25]提出了一種基于SMF纖芯偏置的濕度傳感器，該傳感器由3個SMF組成，通過纖芯偏移拼接而成。在偏芯的SMF表面涂有氧化石墨烯(GO)薄膜，在30 %～60 %RH范圍內(nèi)，靈敏度為0.104 dB/%RH,響應(yīng)曲線具有良好的線性相關(guān)性。2019年，廈門大學(xué)Lei X Q等人[26]提出了一種基于雙模光纖(dual-mode fiber,DMF)的新型濕度傳感器，在DMF兩端熔接SMF并在其表面涂覆一層聚酰亞胺(polyimide,PI)薄膜，在30 %～98 %RH范圍內(nèi)，靈敏度為153.5 pm/%RH，響應(yīng)時間為105 s,響應(yīng)較慢。

纖芯失配型干涉即通過熔接不同芯徑的光纖可以形成穩(wěn)定的干涉，較錐形干涉相比具有較強的機械強度，同時熔接后的結(jié)構(gòu)具有較好的密封性，可以防止在傳感器制造后任何污染物進入光纖內(nèi)部對傳感器的測量造成影響。但由于熔接光纖類型的不同，部分類型的光纖成本較高，同時為了提高靈敏度往往需要涂覆濕敏薄膜，但涂覆薄膜使得傳感器需要額外的工藝，這是一個復(fù)雜且難以控制均勻性的過程，且對傳感器的響應(yīng)時間和壽命產(chǎn)生一定的影響；另一方面，涂層材料具有一定的溫敏特性，溫度會對使測量誤差增大，影響測量的精度。

本文圍繞近年來涉及基于MZI干涉光纖濕度傳感器的相關(guān)研究論文，對用于測量相對濕度的不同干涉結(jié)構(gòu)進行了簡要的說明。表1總結(jié)了這類濕度傳感器的傳感特性和結(jié)構(gòu)特點。

表1 基于MZI光纖濕度傳感器的性能比較

3 結(jié)束語

文中介紹了基于MZI光纖濕度傳感器的國內(nèi)外研究進展，雖然該領(lǐng)域近年來取得了長足的發(fā)展，但是仍然有很多關(guān)鍵性技術(shù)需要研究和探索，如錐形干涉測量的穩(wěn)定性；纖芯失配型仍需提高濕度靈敏度；涂覆濕敏薄膜后溫度對測量結(jié)果的影響以及濕敏材料的復(fù)用性等問題。隨著對關(guān)鍵技術(shù)的進一步研究探索和相關(guān)光纖微加工技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新型特種光纖將會被廣泛的應(yīng)用其中，同時使用熔接、拉錐或熔融、鍍膜等一種或多種工藝來不斷提高傳感器的性能參數(shù)?；贛ZI干涉光纖濕度傳感器必將在濕度測量傳感領(lǐng)域發(fā)揮出更大的作用。