光學諧振腔式濕度傳感器的研究進展*

張 勐， 趙學峰， 韻力宇， 文 豐， 張彥軍， 閆樹斌

(1.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051;2.中國人民武裝警察部隊指揮學院，天津 300250)

0 引 言

適當?shù)臐穸人接兄跍p少能耗且對產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要[1～3]。近年來,在傳統(tǒng)的濕度傳感器基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了以光學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。光學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，因此,能夠滿足工業(yè)過程中嚴苛的要求[4]。該種傳感器制作工藝相對簡單，對感應(yīng)周圍介質(zhì)折射率的變化靈敏度高。

本文介紹了光學諧振腔式濕度傳感器的研究進展及發(fā)展趨勢，分析并重點關(guān)注了新的光學結(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]、聲學和光學傳感器。光學濕度傳感器根據(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

此類光學結(jié)構(gòu)所呈現(xiàn)出的特性可以滿足所有的光學傳感器，高的光學品質(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，中國計量大學的Zheng Y Z等人[16]研制出一種微環(huán)形諧振腔式濕度傳感器。通過測量諧振波長漂移量感應(yīng)相對濕度的變化，其自由光譜范圍為350 pm，靈敏度可以達到1.8 pm/%RH，不需要涂敷濕度敏感薄膜，但測量的濕度范圍過小，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，中國電子與科技大學的吳宇等人[17]研制出兩種基于超細光纖結(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)，分辨率達到0.23 %RH。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 超細光纖結(jié)諧振腔結(jié)構(gòu)

2011年，浙江大學的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 490 pm/%RH，測試范圍為5 %～71 %RH。如圖3所示，在相對濕度變化很小的情況下，仍然可以看出輸出波長向右偏移，透射波谷變淺。

圖3 微結(jié)形諧振腔式高靈敏度相對濕度傳感器

2016年，吉隆坡馬來亞大學的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ZnO納米結(jié)構(gòu)涂層PMLR隨相對濕度的變化

2016年，馬來亞大學光子研究中心的Faruki M J等人[20]研制出一種基于超細光纖結(jié)形諧振腔式全光濕度傳感器，并對此傳感器涂敷TiO2涂層的性能進行研究。經(jīng)過試驗表明未涂敷TiO2的諧振腔擁有對諧振波長漂移量1.3 pm/%RH和對輸出損耗功率0.062 6 dBm/%RH的靈敏度，經(jīng)過涂敷TiO2敏感薄膜后，諧振腔擁有對波長漂移量2.5 pm/%RH和對輸出損耗功率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，透射譜線在相對濕度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，當增加濕度到95 %RH時，透射譜線幾乎消失，超出了此測試結(jié)構(gòu)的測試敏感范圍，測試的諧振波長漂移量和輸出光的損耗功率在40 %～90 %RH相對濕度變化下呈線性變化。如圖6所示。

圖6 未涂敷TiO2敏感薄膜時傳感器性能測試

圖7 增加TiO2涂層傳感器性能測試

在諧振腔涂敷TiO2敏感薄膜后，光學模式也更加接近單模，譜線更加平滑。當相對濕度從40 %RH變化到80 %RH時，從透射譜線圖可以明顯看出譜線向右偏移，波谷變淺，諧振光波長的漂移量和輸出損耗功率相比未增加敏感薄膜時變化斜率更大，敏感材料涂層對傳感器檢測相對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試性能，但敏感薄膜的復(fù)用性差則嚴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量低相對濕度的能力[21～33]。

2013年，南加州大學的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)靈敏度可以達到12.98 pm/%RH,如圖8所示。應(yīng)用噪聲測量和耦合波長漂移量反映諧振腔的相對濕度變化如圖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)用噪聲測量和耦合波長漂移量反映諧振腔的相對濕度變化

圖10 基于液體回音壁式諧振腔的光學濕度傳感器光學圖像

2016年，都柏林理工學院的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微球形諧振腔進行耦合，微球腔品質(zhì)因數(shù)為1.076×105，對諧振波長漂移的靈敏度為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Q值的影響

當提高相對濕度時，微球腔與拉錐光纖之間耦合區(qū)域的水分子增多，使諧振波長發(fā)生漂移，光的損耗功率增加。從圖12(a)中可以看出，相對濕度由38.7 %～55 %RH變化時，透射譜線中波谷對應(yīng)的位置明顯右偏，但是波谷對應(yīng)的深度沒有明顯變化，當相對濕度增加至65.7 %RH時，波長漂移更加明顯，波谷明顯變淺，說明諧振腔的光學品質(zhì)因數(shù)Q已大大降低，當相對濕度增加至81 %RH時，透視譜線中波峰波谷已經(jīng)很難辨別，此時難以觀察波長的漂移量。如圖12(b)所示，當實驗環(huán)境保持在25 ℃時，相對濕度由35 %～65.7 %RH諧振波長漂移量線性增長，當濕度環(huán)境大于65.7 %RH時，諧振波長漂移更快。如圖12(c)所示，未涂敷濕度敏感薄膜的回音壁式諧振腔對相對濕度的變化反應(yīng)較小，可以看出透射波谷對應(yīng)的波長量變化較小，損耗功率在相對濕度小于62 %RH時幾乎沒有變化。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相對濕度的敏感度，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 %瓊脂糖凝膠對傳感器性能影響

基于回音壁式諧振腔光學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，并對用于測量相對濕度的主要光學結(jié)構(gòu)進行了簡要說明。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諧振腔式濕度傳感器及其應(yīng)用方向的研究進展、雖然該領(lǐng)域近年來已經(jīng)取得了長足的進步，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。隨著對關(guān)鍵性技術(shù)的進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格進一步降低，基于光學諧振腔式濕度傳感器將會在濕度測量傳感領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。