改進(jìn)PDMS的高靈敏度C-LPFG丙酮氣體傳感器研究*

宋文超，牛萍娟，2，解 媛，石 嘉，孫 浩

（1.天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 大功率半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)教育部工程研究中心，天津 300387；3.天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，天津 300387）

0 引 言

丙酮（acetone）作為一種極性有機(jī)溶劑，已廣泛用于農(nóng)藥和醫(yī)療行業(yè)，當(dāng)人體處于的環(huán)境中丙酮體積分?jǐn)?shù)含量高于173 ×10-6時會出現(xiàn)頭痛、惡心等癥狀，經(jīng)常檢測特定場所中丙酮的含量對保證人體健康安全具有重要意義。檢測分析丙酮的方法主要有氧化物半導(dǎo)體傳感法［1］、熒光猝滅法［2］、液相色譜法［3］和生物法［4］等。郭照青等人［5］通過對自制金屬有機(jī)框架（metal organic framework，MOF）衍生In-ZnO敏感顆粒的研究，有效改善了在高溫環(huán)境下檢測丙酮的氣敏性能。近年來，光纖光柵傳感發(fā)展迅速，微結(jié)構(gòu)光纖MOF、光纖布拉格光柵（fiber Bragg grating，F(xiàn)BG）、細(xì)芯光纖（thin core fiber，TCF）［6］也廣泛應(yīng)用于傳感測量。

長周期光纖光柵（long-period fiber grating，LPFG）因包層模之間相互耦合很弱、插入損耗低、不受電磁干擾和無后向反射等特點，同時諧振波長對應(yīng)變、溫度、環(huán)境折射率等環(huán)境因素具有較高的敏感性［7］等諸多優(yōu)點而成為眾多學(xué)者關(guān)注的熱點。Dianov E M等人［8］提出在光纖上刻一個匹配的LPFG 形成與前一個LPFG 的馬赫—曾德爾（Mach-Zehnder，M-Z）干涉儀，稱之為級聯(lián)LPFG（cascaded LPFG，C-LPFG），C-LPFG作為LPFG的一種特殊的結(jié)構(gòu)形式，具備LPFG所有優(yōu)點。陳美娟等人［9］設(shè)計的一種LPFG-LPFG級聯(lián)溫度應(yīng)變傳感器，實現(xiàn)了增敏效果。在光纖表面涂敷相應(yīng)的增敏材料及添加對應(yīng)的摻雜劑［10］可提升光纖光柵傳感器的靈敏度和擴(kuò)大檢測限（limit of detection，LOD）范圍。當(dāng)檢測分析物時，隨著揮發(fā)性有機(jī)化合物（volatile organic compounds，VOCs）被聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）吸收，PDMS 折射率將靠近被分析物的折射率［11］，Barnes J等人便通過調(diào)整聚合物涂層中的成分比例，在相對狹窄的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)了PDMS的折射率［12］。PDMS本身與光柵的光學(xué)特性兼容并具有良好的化學(xué)選擇，2007 年，Lowder T L 等人［13］將PDMS 與表面浮雕式FBG 相結(jié)合制作了可測量揮發(fā)性有機(jī)化合物的化學(xué)傳感器。

本文基于聚合物敏感涂層PDMS，仿真分析了PDMS折射率變化對LPFG和C-LPFG傳感器檢測丙酮氣體靈敏度的影響，提出了基于改進(jìn)PDMS 高靈敏度C-LPFG 丙酮氣體傳感器，并對其進(jìn)行了表征，為研究高靈敏度C-LPFG丙酮氣體傳感器提供了理論基礎(chǔ)。

1 基于C-LPFG氣體測量原理

LPFG是一種透射型光纖光柵［14］，具有很好的傳輸譜特性，實驗中所用光纖一般是具有階躍折射率的單模光纖［15］，3層模型和光束傳播路徑如圖1所示。

圖1 模型和光束傳播路徑

圖1（a）中心的部分為纖芯，半徑a1＝4.15 μm；包層位于纖芯外圍，半徑a2＝62.5 μm；最外面是周圍環(huán)境的介質(zhì)層。n1，n2，n3分別為芯層、包層以及周圍環(huán)境的折射率，其中，n1，n2分別為1.468 1，1.462 8。據(jù)模式耦合理論方法，非傾斜的單模LPFG前向傳輸?shù)睦w芯芯層導(dǎo)模與同向傳輸?shù)?階v次包層模兩者之間的耦合所需要滿足的相位條件見式（1）

式中 Λ光柵周期；βco，，v）分別為芯層導(dǎo)模與包層模；包層模的傳播常數(shù)

式中 neff為模式的有效折射率，λ 為波長，由式（1）和式（2）兩者聯(lián)立求解

式中 λp為光纖光柵的耦合波長，只有滿足耦合模的相位匹配條件，才能確定特定的耦合波長。當(dāng)相應(yīng)的測量參數(shù)發(fā)生變化時，和的數(shù)值大小也會發(fā)生改變，諧振波波長發(fā)生一定偏移，接入的光譜分析儀將對輸入的參數(shù)進(jìn)行分析并顯示出相應(yīng)的波形圖。

C-LPFG兼具單LPFG 原有特性的同時還具備透射譜振幅大、干涉峰較窄和譜型多樣等諸多優(yōu)點，C-LPFG 由2個LPFGs（LPFG1和LPFG2）級聯(lián)組成，光源在C-LPFG中傳輸路徑如圖2（a）所示。當(dāng)輸入總光經(jīng)過LPFG1時，光纖纖芯基模的一部分能量耦合到包層中并向前傳輸一段距離d，向前傳輸?shù)倪^程中遇到LPFG2時，光纖包層中的光將重新耦合回纖芯中并繼續(xù)向前傳輸，不同參數(shù)條件會造成不同光程差

圖2 傳輸路徑和傳感器模型

式中 λ為光源波長，d 為LPFG1與LPFG2間隔距離，分別為纖芯基模與包層模的有效折射率。

本文研究設(shè)計的高靈敏度C-LPFG丙酮氣體傳感器模型如上圖2（b）所示，LPFG1和LPFG2參數(shù)相同，d 為兩光柵間距，Λ為光柵周期，優(yōu)化了折射率的PDMS 附著于CLPFG 包層外圍，周圍環(huán)境氣體中存在丙酮時，丙酮與PDMS相互反應(yīng)改變整體環(huán)境折射率，C-LPFG進(jìn)而實現(xiàn)對丙酮氣體的檢測。為了盡可能減少實際情況中環(huán)境溫度造成的誤差，本文在仿真分析中選取相對較小的周期，以提升傳感器的穩(wěn)定性能。

2 基于PDMS涂層C-LPFG丙酮氣體傳感器的仿真研究

本文采用耦合模法仿真分析了改變PDMS的折射率對LPFG、C-LPFG傳感器檢測丙酮氣體的影響，將二苯基硅氧烷、鈦交聯(lián)劑與PDMS結(jié)合，優(yōu)化PDMS折射率至1.423 7，仿真選用參數(shù)如圖1（a）考慮到實際檢測情況，n3取值范圍為1.33 ～1.43，光柵周期初始值420 μm，仿真結(jié)果與分析如圖3所示。

圖3 PDMS優(yōu)化的LPFG的仿真結(jié)果與分析

由圖3（a）可見，LPFG的周期數(shù)增大，諧振波波長隨之向長波方向發(fā)生“紅移”；圖3（b）中LPFG 長度增大，諧振峰峰值與帶寬呈反比，諧振波波長偏移量幾乎為零，這與李玉強(qiáng)等人［16］報道的結(jié)果一致。綜合考慮，本文選取了周期為480 μm、光柵長為40 mm，進(jìn)一步對C-LPFG 仿真分析。PDMS與丙酮發(fā)生反應(yīng)后整體的折射率數(shù)值會隨著丙酮體積分?jǐn)?shù)的增大而逐漸減小至接近丙酮的折射率［11］，由圖3（d）可得，本文優(yōu)化PDMS 使其折射率由1.41 增大到1.423 7，使得單LPFG傳感器測量氣體的檢測限擴(kuò)大了約32%。

綜上，基于優(yōu)化PDMS 的LPFG 傳感器效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的LPFG傳感器，在此基礎(chǔ)上，本文采用參數(shù)相同的LPFG進(jìn)行級聯(lián)仿真，兩光柵間距d取值10 cm，仿真結(jié)果如圖4所示。改變光柵長度對C-LPFG 進(jìn)行仿真，由圖4（b）可得C-LPFG光譜干涉條紋的個數(shù)與光柵本身的長度呈負(fù)相關(guān)；在光柵長度選取40 mm 時，由圖4（c）可以看出，CLPFG干涉峰的帶寬更窄，傳感分辨率高于LPFG，這也表明C-LPFG在提高傳感器靈敏度方面比單LPFG 具有更大的優(yōu)勢。圖4（d）表明隨著環(huán)境折射率的逐漸增大，C-LPFG的諧振波波長發(fā)生“藍(lán)移”，當(dāng)環(huán)境折射率由1.33 增大至1.45時，諧振波波長偏移量為-24 nm，這與前述的單LPFG的仿真結(jié)果趨勢一致，其諧振峰深度也有逐漸加深的趨勢。

圖4 參數(shù)相同的LPFG級聯(lián)仿真與分析

由圖5（a）可以看出，環(huán)境折射率增加時諧振波波長的偏移量及其偏移方向。環(huán)境折射率（n3）大于1.40 時諧振波長偏移量明顯大于n3較小時的偏移量，丙酮與PDMS發(fā)生反應(yīng)后折射率朝著被測丙酮氣體的折射率接近，這意味著丙酮體積分?jǐn)?shù)越低，n3越接近于光纖包層的折射率，n3改變量相同時，中心波長的偏移量就越大，丙酮氣體的檢測下限越低，靈敏度越高。圖5（b）為圖5（a）中圈框部分的局部放大，KL和KC兩曲線分別代表單LPFG和C-LPFG環(huán)境折射率與中心波長偏移量之間的對應(yīng)關(guān)系，以折射率1.41表示是否優(yōu)化PDMS的分界點，KL1、KC1與KL2、KC2分別代表優(yōu)化PDMS 前后LPFG 和C-LPFG 與諧振波波長偏移的關(guān)系。

圖5 波長偏移量與環(huán)境折射率的關(guān)系

分析表明，PDMS折射率改變對單LPFG與C-LPFG諧振波波長偏移量均有較大影響。如表1 所示，PDMS 折射率的改變時，單LPFG相對自身結(jié)構(gòu)而言，諧振波長的偏移量擴(kuò)大了約1.53 倍，C-LPFG 諧振波長的偏移量擴(kuò)大了近2倍；PDMS折射率為1.41 時，C-LPFG 的諧振波長偏移量和直線的斜率均是相同條件下LPFG 的4 倍左右，這表明C-LPFG相較于單LPFG 擁有更低的氣體體積分?jǐn)?shù)檢測下限，且靈敏度是其4 倍左右；在優(yōu)化PDMS，同條件下CLPFG的波長偏移量相對于單LPFG 擴(kuò)大了約5.26 倍，這表明改善PDMS 折射率的LPFG 和C-LPFG 在檢測氣體體積分?jǐn)?shù)初期有著更低的檢測下限。KC1與KC2的斜率比值表明，在優(yōu)化PDMS后，單LPFG提高了約4.6倍的靈敏度，而相同情況下的C-LPFG 靈敏度提高了將近6 倍，較低體積分?jǐn)?shù)的丙酮氣體會被及時捕捉并檢測出來。

表1 優(yōu)化設(shè)計PDMS前后表征的LPFG和C-LPFG的關(guān)系特性

3 結(jié) 論

本文針對聚合物敏感涂層PDMS折射率變化進(jìn)行了仿真分析，研究了LPFG和C-LPFG對丙酮氣體的靈敏度的影響，仿真了一種高靈敏度C-LPFG丙酮氣體傳感器，分別與傳統(tǒng)的LPFG和C-LPFG傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比分析。這種優(yōu)化PDMS折射率的C-LPFG丙酮氣體傳感器具有測量范圍寬、靈敏度高、更低的檢測下限等特點，可用于實現(xiàn)環(huán)境中丙酮氣體高靈敏度檢測。