技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本
發(fā)明涉及的是一種光纖端面
微懸臂梁傳感器及其制備方法，屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)
[0002] 光纖式傳感器能具有靈敏度高、
精度高、抗干擾能
力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍大、耐高壓、耐
腐蝕等突出優(yōu)點(diǎn)。
[0003] 現(xiàn)有的光纖式傳感器，一般通過以下方法制作而成：飛秒
激光燒蝕，采用飛秒激光超短脈沖對(duì)光纖端面直接進(jìn)行
減材制造，當(dāng)激光脈沖入射時(shí)，光纖材料吸收
光子所產(chǎn)生的
能量將在僅有幾個(gè)納米厚度的吸收層迅速積聚，在瞬間內(nèi)生成的
電子溫度值將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于材料的熔點(diǎn)，光纖
指定區(qū)域最終到達(dá)高
密度、超熱、高壓的
等離子體狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖的非熱熔性燒蝕。經(jīng)此種方法制作的氫氣傳感器，懸臂梁結(jié)構(gòu)是由光纖本身材料形成，
剛度較大，不利于懸臂梁形變；另外，此方法的工作量大，加工后的結(jié)構(gòu)表面粗糙，使得傳感器的
分辨率較低。
[0004] 聚焦離子束
銑削，采用由離子源發(fā)射的經(jīng)過
加速聚焦后的離子束作為入射束，光纖材料在高能量的離子與光纖表面
原子碰撞的過程中被濺射剝離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖端面指定區(qū)域的減材制造。經(jīng)此種方法制作的氫氣傳感器，懸臂梁結(jié)構(gòu)也是由光纖本身材料形成，剛度較大，不利于懸臂梁形變；且該制作方法的耗時(shí)長(zhǎng)，效率低下。
[0005]
硅懸臂梁粘黏法，利用紫外
固化膠在光纖端面直接粘黏商用硅懸臂梁，或?qū)⒐钁冶哿赫仇さ椒庋b管端面，再對(duì)光纖進(jìn)行封裝，這種粘黏的制作方法需要高精度微操作手，且易脫落，懸臂梁平直度難以控制，硅基材料剛度較大，不利于懸臂梁形變。
發(fā)明內(nèi)容
[0006] 為了克服
現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出一種光纖端面微懸臂梁傳感器的制備方法,所述制備方法包括以下步驟：步驟S1、將光纖的一端切平，將光纖平放固定在
載玻片上，在光纖兩側(cè)的載波片上設(shè)置
支撐部以防止蓋玻片
擠壓光纖，對(duì)光纖端面進(jìn)行
光刻膠滴入，使光纖端面浸沒在光刻膠中，蓋上蓋玻片；
步驟S2、利用3D
光刻機(jī)，采用飛秒激光雙光子聚合技術(shù)在光纖的端面形成
聚合物懸臂梁結(jié)構(gòu)，得到具有懸臂梁結(jié)構(gòu)的光纖樣品；
步驟S3、進(jìn)行顯影：固化完成后取下蓋玻片，將樣品連帶載玻片浸入在顯影溶液中，未曝光的光刻膠在溶液中被溶解，固化后的聚合物懸臂梁結(jié)構(gòu)被保留；
所述懸臂梁結(jié)構(gòu)包括支柱和微懸臂梁，所述支柱的第一端與光纖端面的包層結(jié)合；所述微懸臂梁與光纖的端面平行；所述微懸臂梁的一端固定在支柱的第二端，所述微懸臂梁的另一端懸空在纖芯上方形成懸臂。
[0007] 進(jìn)一步的，所述步驟S2中“采用飛秒激光雙光子聚合技術(shù)在光纖的端面形成聚合物懸臂梁結(jié)構(gòu)”的步驟包括：將樣品固定在三維精密位移平臺(tái)上；通過電腦控制三維精密位移平臺(tái)在X、Y、Z三個(gè)方向的移動(dòng)，使飛秒激光光束經(jīng)過加工光路系統(tǒng)后對(duì)光刻膠進(jìn)行寫入。
[0008] 進(jìn)一步的，所述“飛秒激光光束經(jīng)過加工光路系統(tǒng)后對(duì)光刻膠進(jìn)行寫入”的步驟包括：飛秒激光光束通過擴(kuò)束器擴(kuò)束后，通過
衰減器及功率計(jì)；經(jīng)反射鏡后，光束中的
近紅外波段光束經(jīng)雙色鏡反射進(jìn)入物鏡后聚焦到膠
水內(nèi)部進(jìn)行加工，光束中的可見光部分透過雙色鏡后再通過濾波片進(jìn)入CCD成像。
[0009] 進(jìn)一步的，在步驟S1中，所述支撐部的厚度為150-300μm；在步驟S3中，固化完成取下蓋玻片后，再除去支撐部。
[0010] 進(jìn)一步的，在步驟S3之后還包括以下步驟：步驟S4、利用
磁控濺射鍍膜儀對(duì)微懸臂梁表面鍍氫敏感膜。
[0011] 進(jìn)一步的，所述步驟S2中，將樣品固定在三維精密位移平臺(tái)上后，移動(dòng)三維精密位移平臺(tái)使樣品處于初始加工平面的初始加工點(diǎn)
位置，使飛秒激光光束的光斑聚合點(diǎn)位于初始加工點(diǎn)；通過控制快
門光闌的
開關(guān)并驅(qū)動(dòng)三維精密移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)，使激光光束從光纖端面開始側(cè)向聚合微懸臂梁。
[0012] 本發(fā)明還提供了一種光纖端面微懸臂梁傳感器，包括：光纖，包括纖芯和包層；
懸臂梁結(jié)構(gòu)，通過飛秒激光雙光子聚合技術(shù)聚合在所述光纖的一端面；
所述懸臂梁結(jié)構(gòu)為聚合物結(jié)構(gòu)，懸臂梁結(jié)構(gòu)包括支柱和微懸臂梁；
所述支柱的第一端與光纖端面的包層結(jié)合；所述微懸臂梁的一端固定在支柱的第二端，所述微懸臂梁的另一端懸空在纖芯上方形成懸臂；所述微懸臂梁與光纖的端面平行；沿著垂直于光纖端面的方向，懸臂在光纖端面上的投影
覆蓋纖芯；
所述光纖端面微懸臂梁傳感器通過上述任一項(xiàng)所述的制備方法制成。
[0013] 進(jìn)一步的，所述微懸臂梁的厚度為微米級(jí)，寬度為微米級(jí)；所述支柱的高度為微米級(jí)。
[0014] 進(jìn)一步的，所述光纖端面微懸臂梁傳感器為氫氣傳感器，所述微懸臂梁表面具有鈀膜，所述鈀膜的厚度小于1μm。
[0015] 進(jìn)一步的，所述鈀膜的厚度為50 150nm。~
[0016] 進(jìn)一步的，所述氫氣傳感器的微懸臂梁的厚度不大于10μm，寬度不大于100μm；所述支柱的高度不大于200μm。
[0017] 本發(fā)明的光纖端面微懸臂梁傳感器，通過飛秒激光雙光子聚合技術(shù)制備的光學(xué)端面微懸臂梁為聚合物材料，彈性比硅基材料大，可以在不增加反應(yīng)時(shí)間的情況下極大的增大探測(cè)靈敏度；制備方法屬于
增材制造，其實(shí)現(xiàn)光纖與懸臂梁的一體化，且結(jié)構(gòu)緊湊；對(duì)光纖本身不造成任何損傷或破壞，從而保護(hù)了光纖的完整性；同時(shí)大大節(jié)省了加工時(shí)間，且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加靈活，使制造方式更具靈活性、為滿足不同環(huán)境的需求提供了極大保障。
[0018] 本發(fā)明提出的用飛秒激光雙光子聚合技術(shù)固化出的光纖端面微懸臂梁具有小尺寸、高彈性的特點(diǎn)，其可應(yīng)用于多領(lǐng)域。
附圖說明
[0019] 圖1為本發(fā)明
實(shí)施例的光纖端面微懸臂梁氫氣傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的光纖端面微懸臂梁氫氣傳感器的掃描電鏡圖一；
圖3為本發(fā)明實(shí)施例的光纖端面微懸臂梁氫氣傳感器的掃描電鏡圖二；
圖4為本發(fā)明實(shí)施例中利用飛秒激光雙光子聚合技術(shù)制備光纖端面微懸臂梁氫氣傳感器的加工光路系統(tǒng)；
圖5為本發(fā)明實(shí)施例的氫氣傳感器的光纖端面微懸臂梁法布里珀羅干涉儀的反射
光譜；
圖6為本發(fā)明實(shí)施例的氫氣測(cè)試時(shí)，反射光譜隨氫氣濃度變化的光譜漂移；
圖7為本發(fā)明實(shí)施例的氫氣測(cè)試時(shí)，某一干涉谷值
波長(zhǎng)隨氫氣濃度漂移的指數(shù)關(guān)系曲線。
[0020] 附圖標(biāo)記：10-光纖、12-纖芯、11-包層、20-支柱、30-微懸臂梁。
[0021] 具體實(shí)施方式：下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0022] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例的光纖端面微懸臂梁傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 該光纖端面微懸臂梁傳感器，包括光纖10和懸臂梁結(jié)構(gòu)。其中，光纖10包括內(nèi)部的纖芯12和用于包覆纖芯12的包層11。本
申請(qǐng)的懸臂梁結(jié)構(gòu)，通過飛秒激光雙光子聚合技術(shù)形成在光纖10的端面。
[0024] 懸臂梁結(jié)構(gòu)包括支柱20和微懸臂梁30。其中，支柱20的第一端與光纖10的端面結(jié)合。微懸臂梁30的一端固定形成在支柱20的第二端，微懸臂梁30的另一端懸空形成懸臂。其中，微懸臂梁與光纖的端面平行。纖芯12和微懸臂梁30的懸臂之間形成了氣隙，該氣隙的距離為支柱20的高度。
[0025] 通過使用飛秒激光雙光子聚合技術(shù)，使得制造的微懸臂梁表面相對(duì)光滑,?與光纖端面有良好平行度，形成非本征法布里珀羅干涉儀。通過該飛秒激光雙光子聚合技術(shù)形成的懸臂梁為聚合物材料，聚合物比硅基材料彈性大，鍍上鈀膜后在不增加反應(yīng)時(shí)間的情況下極大的增大氫氣探測(cè)靈敏度。
[0026] 通過圖2、圖3所示的掃描電鏡圖，聚合物微懸臂梁30可以清晰地分辨出來，懸臂梁結(jié)構(gòu)與光纖10端面結(jié)合緊密。圖2的掃描電鏡圖，為了清楚地標(biāo)示纖芯12的位置，圖中用虛線將纖芯12的位置圈出。
[0027] 本發(fā)明實(shí)施例，支柱20避開了纖芯12的位置，支柱20結(jié)合在光纖端面的包層處，與纖芯12錯(cuò)開。微懸臂梁30的懸臂懸空在纖芯12上方（見圖2），所述懸臂在平行于端面的方向上覆蓋纖芯：沿著垂直于光纖端面的方向，懸臂在光纖端面上的投影可以覆蓋纖芯。
[0028] 本發(fā)明實(shí)施例，微懸臂梁的厚度為微米級(jí)，寬度為微米級(jí)；支柱的高度為微米級(jí)。作為優(yōu)選的方案，微懸臂梁30的厚度范圍小于10μm，寬度范圍小于100μm。微懸臂梁30的厚度、寬度尺寸影響到光纖端面微懸臂梁傳感器的性能和可靠性。
[0029] 非本征法布里珀羅干涉儀的腔長(zhǎng)為纖芯12和微懸臂梁30的懸臂之間的氣隙，該氣隙的距離為支柱20的高度。優(yōu)選的，支柱20的高度不大于200μm。
[0030] 微懸臂梁30的厚度、寬度尺寸，以及支柱20的高度尺寸，其具體尺寸根據(jù)光纖端面微懸臂梁傳感器的具體應(yīng)用領(lǐng)域而定。
[0031] 支柱用作支撐，在一個(gè)具體的實(shí)施例中，支柱20的長(zhǎng)度為5 50μm、寬度為5 100μm。~ ~
可以理解的，支柱的長(zhǎng)、寬尺寸并不以此為限。
[0032] 當(dāng)本實(shí)施例的光纖端面微懸臂梁傳感器應(yīng)用于氫氣傳感器時(shí)，微懸臂梁30的厚度不大于5μm，寬度范圍為5 30μm；支柱20的高度為20 80μm。作為一個(gè)優(yōu)選的方案，微懸臂梁~ ~30的厚度為3μm、寬度為20μm，支柱20的高度為60μm。與光纖10的端面緊密結(jié)合的支柱20的第一端其尺寸為：長(zhǎng)度為30μm、寬度為30μm。
[0033] 本發(fā)明實(shí)施例，光纖10可以為單?；蛘叨嗄９饫w，具體不作限制。在一個(gè)具體的實(shí)施例中，光纖10直徑為125μm，微懸臂梁30的懸臂長(zhǎng)度為30μm。
[0034] 當(dāng)本實(shí)施例的光纖端面微懸臂梁傳感器應(yīng)用于氫氣傳感器時(shí)，在微懸臂梁30表面還鍍有氫敏感膜。氫敏感膜的厚度不大于1μm。
[0035] 作為優(yōu)選，氫敏感膜為鈀膜。作為進(jìn)一步改善的方案，鈀膜的厚度為50 150nm。~
[0036] 本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種光纖端面微懸臂梁傳感器的制備方法，包括以下步驟：步驟S1、將光纖10的一端切平，將光纖10平放固定在載玻片上，對(duì)光纖10端面進(jìn)行光刻膠滴入，使光纖10端面浸沒在光刻膠中，蓋上蓋玻片。
[0037] 具體的，該步驟中，可采用光纖切割刀將單模光纖10切平；在將光纖10平放固定在載玻片上后，在光纖10兩側(cè)的載玻片上設(shè)置支撐部，支撐部支撐起蓋玻片，以防止蓋玻片擠壓光纖10。
[0038] 光纖10平放是指光纖10的軸線平行于載玻片。
[0039] 支撐部可以有多種形式，例如，可以在光纖10兩側(cè)的載波片上貼上或者墊上膠布，為了滿足支撐部的厚度要求，可以貼多層（兩層或以上）膠布；或者，還可以設(shè)置玻璃片或者塑材
塊用作支撐部。可以理解的，支撐部的具體形式并不以此為限。優(yōu)選的，支撐部的厚度為150-300μm，該設(shè)定可以使飛秒激光雙光子聚合時(shí)獲得更好的成型效果。
[0040] 步驟S2、利用3D光刻機(jī)，采用飛秒激光雙光子聚合技術(shù)在光纖10的端面形成聚合物懸臂梁結(jié)構(gòu)，得到具有懸臂梁結(jié)構(gòu)的光纖10樣品。
[0041] 該步驟中，“采用飛秒激光雙光子聚合技術(shù)在光纖10的端面形成聚合物懸臂梁結(jié)構(gòu)”的步驟包括：將載玻片固定使樣品被固定在三維精密位移平臺(tái)上；通過電腦控制三維精密位移平臺(tái)在X、Y、Z三個(gè)方向的移動(dòng)，使飛秒激光光束經(jīng)過加工光路系統(tǒng)后對(duì)光刻膠進(jìn)行寫入。
[0042] 圖4所示，為本發(fā)明所提出的飛秒激光雙光子聚合技術(shù)制備光纖10端面微懸臂梁30的加工光路系統(tǒng)。飛秒激光光束通過擴(kuò)束器擴(kuò)束，將激光光斑擴(kuò)大2-3倍，依次通過衰減器及功率計(jì)；衰減器用于調(diào)節(jié)激光功率值，功率計(jì)用于探測(cè)激光功率值；經(jīng)過反射鏡的多次反射后光束到達(dá)雙色鏡，光束中的近紅外波段光束經(jīng)雙色鏡反射進(jìn)入物鏡后聚焦到膠水內(nèi)部進(jìn)行加工，光束中的可見光部分透過雙色鏡后再通過濾波片進(jìn)入CCD成像以便實(shí)時(shí)觀察固化現(xiàn)象。
[0043] 該步驟中，可利用壓電移動(dòng)平臺(tái)的
真空吸附將載玻片固定，將樣品固定在三維精密位移平臺(tái)上后，移動(dòng)三維精密位移平臺(tái)使樣品處于初始加工平面的初始加工點(diǎn)位置，使飛秒激光光束的光斑聚合點(diǎn)位于初始加工點(diǎn)；控制快門光闌的開關(guān)并驅(qū)動(dòng)三維精密移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)，使激光光束從光纖10端面開始側(cè)向聚合微懸臂梁30；該步驟中，可通過CAD
軟件編程設(shè)計(jì)合適的懸臂梁結(jié)構(gòu)，并調(diào)整合理的移動(dòng)路徑，并將層間間距和線距優(yōu)
化成合適間距，根據(jù)設(shè)計(jì)好的路徑進(jìn)行聚合加工。
[0044] 在聚合過程中，若以精密移動(dòng)平臺(tái)為基準(zhǔn)，那么激光光束相對(duì)就是在進(jìn)行掃描?？筛鶕?jù)懸臂梁結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)移動(dòng)路徑，以便激光光束從光纖10端面開始
自下而上進(jìn)行平面分層掃描，在每層進(jìn)行光柵式掃描；為了減少加工時(shí)間，層內(nèi)的線掃描采用來回掃描的方式；根據(jù)所選物鏡的焦深，設(shè)置合適的層間間距為0.25 1μm，線距為0.25 1μm。
~ ~
[0045] 該步驟中，選用高倍物鏡作為加工的物鏡，例如選用50倍空氣物鏡；將1026nm波長(zhǎng)的飛秒激光功率設(shè)置成合適功率，并設(shè)置與所選物鏡相匹配的飛秒激光功率和位移速度。例如，本具體實(shí)施例中，飛秒激光功率為0.5 4mw，位移速度為0.05 1mm/s。
~ ~
[0046] 步驟S3、進(jìn)行顯影：固化完成后取下樣品上的蓋玻片，除去兩側(cè)膠布，將樣品連帶載玻片浸入在顯影溶液中，未曝光的光刻膠在溶液中被溶解，固化后的聚合物懸臂梁結(jié)構(gòu)被保留，至此得到固化后的光纖10端面的聚合物微懸臂梁30。
[0047] 該步驟中，顯影溶液為按一定比例混合（配比）的丙
酮和異丙醇的混合溶液，浸入該混合溶液中若干分鐘。
[0048] 通過以上方法，可以制備光纖端面微懸臂梁傳感器。
[0049] 通過飛秒激光光束對(duì)光刻膠聚合，形成的懸臂梁為聚合物材料，聚合物比硅基材料彈性大，可以極大的增大探測(cè)靈敏度。
[0050] 如果該光纖端面微懸臂梁傳感器是氫氣傳感器，在步驟S3之后還需要實(shí)施以下步驟：步驟S4、濺射鈀膜：將樣品置于磁控濺射鍍膜儀內(nèi)，利用磁控濺射鍍膜儀對(duì)微懸臂梁30表面鍍氫敏感膜，制備成氫氣傳感器。
[0051] 該步驟中，氫敏感膜為鈀膜。在鍍膜時(shí)，可使光纖10的端面朝向鈀靶材，轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)基片使膜層濺射更加均勻。通過控制濺射時(shí)間使微懸臂梁30表面得到不大于1μm厚度的鈀膜層。
[0052] 圖5為光纖端面微懸臂梁法布里珀羅干涉儀的反射光譜。在1550nm波長(zhǎng)附近，
自由光譜范圍約為20nm，干涉儀腔長(zhǎng)為60μm，符合自由光譜與腔長(zhǎng)的關(guān)系:?FSR=λ2/2nL。
[0053] 在制備得到光纖端面微懸臂梁氫氣傳感器后進(jìn)行氫氣測(cè)試，氫氣測(cè)試的方法包括：將光纖端面微懸臂梁傳感器插入含有氫氮混合氣體的微通道中，通過3dB
耦合器連接寬帶
光源與光譜儀來測(cè)量反射光譜；調(diào)節(jié)氫氮混合氣體中氫氣的濃度，使用光譜儀
跟蹤監(jiān)測(cè)反射光譜隨氫氣濃度的漂移情況。
[0054] 在氫氣測(cè)試中，可利用兩個(gè)流量
控制器來分別控制由氫氣發(fā)生器產(chǎn)生的純氫氣和氮?dú)馄酷尫诺募兊獨(dú)獾牧髁?，然后通過一個(gè)三口連接器來進(jìn)行氣體混合，最后混合氣體通過塑膠微通道輸出，塑膠微通道的尺寸例如為約500μm。測(cè)試時(shí)，可通過調(diào)節(jié)流量控制器來調(diào)節(jié)氫氮混合氣體中氫氣的濃度。圖6展示了器件反射光譜隨氫氣濃度變化的光譜漂移。隨著氫氣濃度的升高，光譜出現(xiàn)明顯的藍(lán)移。圖7總結(jié)了某一干涉谷值波長(zhǎng)隨氫氣濃度漂移的指數(shù)關(guān)系曲線。
[0055] 本發(fā)明的光纖端面微懸臂梁傳感器，通過飛秒激光雙光子聚合技術(shù)制備的光學(xué)端面微懸臂梁為聚合物材料，彈性比硅基材料大，可以在不增加反應(yīng)時(shí)間的情況下極大的增大探測(cè)靈敏度；制備方法屬于增材制造，實(shí)現(xiàn)光纖與懸臂梁的一體化，且結(jié)構(gòu)緊湊；在對(duì)光纖本身不造成任何損傷或破壞，從而保護(hù)了光纖的完整性；同時(shí)大大節(jié)省了加工時(shí)間，且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加靈活，使制造方式更具靈活性、為滿足不同環(huán)境的需求提供了極大保障。
[0056] 本發(fā)明提出的用飛秒激光雙光子聚合技術(shù)固化出的光纖端面微懸臂梁具有小尺寸、高彈性的特點(diǎn)，其可應(yīng)用于多領(lǐng)域：微懸臂梁鍍鈀后可用做氫氣傳感器；由于聚合物具有高熱光系數(shù)，可用作溫度傳感，是一種靈敏度較高的溫度傳感器；由于微懸臂梁與光纖端面之間的腔室是開放的，可用于折射率傳感；由于聚合物吸水膨脹，可用于濕度測(cè)量；根據(jù)微懸臂梁的振動(dòng)特性還可用于
聲波、振動(dòng)等振動(dòng)
信號(hào)的測(cè)量；通過更換
磁性光刻膠，可用作
磁場(chǎng)傳感器；通過
生物修飾微懸臂梁，可用于
生物傳感器。
[0057] 以上所述的具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，?所做的任何
修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
