PDMS封装的功能化单端超紧凑微泡Fabry-Pérot干涉仪，用于高灵敏度温度传感

《Optical Fiber Technology》：PDMS-encapsulated functionalized single-ended ultracompact microbubble Fabry-Pérot interferometer for highly sensitive temperature sensing

　　

潘萌|吕静薇|王建新|王伟强|刘伟|孔伟杰|刘强|Paul K Chu|刘超

摘要

本文设计并分析了一种基于法布里-珀罗（F-P）干涉仪的单端超紧凑型反射式复合腔温度传感器，该传感器通过将微气泡与聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂层制成的腔体集成而成。传感器探头采用对温度敏感的PDMS材料制成，形成一个机械强度高的聚合物盖层，平均直径仅为300微米，使得该设备在狭小空间内具有超紧凑的尺寸，适用于温度检测。在30℃至80℃的工作温度范围内，基于精细的光谱测量，该传感器的温度灵敏度达到7.18皮米/℃。此外，该设备在亚大气压下表现出可忽略的压力敏感性，有效消除了传统F-P温度传感器中存在的压力交叉敏感性问题。这种温度传感器在亚大气压环境中有广泛的应用潜力，包括医疗可穿戴设备、航空航天工程和生物制药行业。

引言

温度是一个基本的物理参数，在众多工业制造过程和日常生活中扮演着关键角色。因此，对具有优异传感性能的高性能温度传感器的需求正在迅速增长。在现有的热传感技术中，光学传感技术因其固有的安全性、抗化学腐蚀性、抗电磁干扰性和电气隔离性而受到广泛关注。已经开发了多种光学结构用于热传感，包括波导[1]、[2]、[3]、光子晶体光纤[4]、[5]和萨格纳克干涉仪[6]、[7]、[8]。然而，基于多波导的光学传感器的实际应用仍然具有挑战性，主要是因为解调难度大且解调精度低[9]。此外，主要传感特性（如温度灵敏度和响应速度）从根本上受到传感器尺寸的限制。

目前的光纤温度传感器主要基于具有热光效应和热膨胀效应的热敏材料[10]、[11]。基于法布里-珀罗干涉仪的光纤传感器因其优越的传感性能（如高灵敏度、线性响应和微型化尺寸）而受到关注。通过设计独特的光纤结构和热敏材料，这些传感器可以调节光场并响应环境温度的变化。例如，张等人通过在空心光纤表面依次沉积AuNPs和PDMS，开发了一种温度传感器，在40-60℃范围内的温度灵敏度为1.08纳米/℃[12]。林等人提出了一种基于尖端封装的微型法布里-珀罗传感器，在25–1000℃范围内的最大温度灵敏度为20.75皮米/℃[13]。为了提高传感元件在实际工程应用中的灵活性和强度，陈等人展示了一种PDMS涂层的光子晶体光纤干涉仪，其在35–60℃范围内的灵敏度为-0.17纳米/℃[14]。吴等人通过选择性化学蚀刻方法制备了一种PVA涂层的开腔法布里-珀罗传感器，在10-50℃范围内的温度灵敏度为-6.14皮米/℃[15]。何等人提出了一种用于环境温度测量的空心芯法布里-珀罗传感器，在25–70℃范围内的温度灵敏度为10.64皮米/℃[16]。通过电子束沉积、浸涂或旋涂技术在光纤尖端涂覆热敏材料，这些基于外部腔体FPI的传感器实现了超紧凑的设计，并具有端式探头配置和高灵敏度。例如，田等人开发了一种基于SMF-HCF-SMF-PDMS结构的混合结构法布里-珀罗干涉仪，用于温度和气压测量，在40-120℃范围内的温度灵敏度为5.49纳米/℃，在0–1.1 MPa范围内的气压灵敏度为22.97纳米/MPa[17]。郝等人通过在SMF端面涂覆PDMS形成聚合物盖层，制备了一种聚合物涂层温度传感器，在-30–85℃范围内的温度灵敏度为0.698纳米/℃[18]。尽管这些传感器体积小巧且能够在其功能测量范围内检测温度波动，但它们总是存在容易脱落和条纹消光比低的问题。

本文设计了一种带有PDMS腔体的单端光纤尖端微气泡，用于高灵敏度的温度监测。这种超紧凑型复合腔传感器在30℃至80℃的温度范围内表现出7.18皮米/℃的高温度灵敏度。它在亚大气压下表现出可忽略的压力敏感性，有效消除了传统F-P温度传感器中的压力交叉敏感性问题。总体而言，该温度传感器在亚大气压环境中能够实现高灵敏度的温度检测，并具有出色的耐用性。

章节摘录

传感器制造与原理

图1展示了基于微气泡的FPI传感器的具体配置，其中d表示空气微气泡的长度，L表示PDMS腔体的长度。从SMF传输的光波到达空气微气泡（r₁），此时空气的折射率低于纯硅的折射率，从而满足斯涅尔定律。当高折射率的硅腔（r₂）通过全内反射将光子限制在微气泡内时，其吸收损耗会持续影响传感性能

结果与讨论

图5展示了温度传感实验装置的示意图。一个放大自发辐射（ASE，450–2500纳米）装置通过3-dB一分二环耦合器与光纤尖端传感器连接，用于光传输，反射光被耦合到分辨率为0.02纳米的光谱仪中，以实现实时监测波长漂移。传感器尖端和K/T/J型热电偶温度计（HH11C/HH12C）放置在恒温加热平台上

结论

本文制备并研究了一种超紧凑且易于制造的光纤尖端温度传感器，该传感器采用微气泡/PDMS复合腔结构。准备了三个不同的样品以验证一致的热响应，通过高精度精细光谱解调实现了最大7.18皮米/℃的温度灵敏度。与类似的光纤温度传感器相比，这种光纤尖端探头具有超紧凑的尺寸、低成本和稳定的操作性能。

CRediT作者贡献声明

潘萌：研究工作。吕静薇：指导。王建新：方法论设计。王伟强：项目管理。刘伟：概念构思。孔伟杰：软件开发。刘强：验证测试。Paul K Chu：撰写、审稿与编辑。刘超：资金筹集。

资助

国家自然科学基金[12304480]；黑龙江省自然科学基金[JQ2023F001]；香港城市大学捐赠研究基金[DON-RMG 9229021和9220061]。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金[12304480]、黑龙江省自然科学基金[JQ2023F001]以及香港城市大学捐赠研究基金[DON-RMG 9229021和9220061]的共同支持。