[实用新型]一种光纤湿度传感器

说明书

本实用新型涉及湿度传感器技术领域，公开了一种光纤湿度传感器，包括介质衬底和微纳光纤；介质衬底：具有调制微纳光纤倏逝场耦合的下沉式耦合区域；微纳光纤：腰部悬空于下沉式耦合区域上方，与介质衬底的下沉式耦合区域之间形成倏逝场调制空间；信号光从微纳光纤一端输入，在其腰部外壁产生倏逝场后从另一端输出，倏逝场耦合入介质衬底上的下沉式耦合区域底部，使微纳光纤的输出信号光功率降低，当环境相对湿度增大时，由于分子间存在范德华力，较多的水分子会在微纳光纤腰部表面形成一层几十至几百纳米厚的水膜，因水的折射率大于空气，使得倏逝场范围进一步增大，导致更多能量耦合至介质衬底，进一步降低微纳光纤输出端光功率，从而实现湿度传感；具有灵敏度高、响应速度快、重复性和稳定性高的优点。

技术领域

本实用新型涉及湿度传感器技术领域，更具体地，涉及一种光纤湿度传感器。

背景技术

环境湿度的检测广泛应用于芯片制造、食品加工、制药、储存、人体健康、气象监测等领域。目前有多种传感技术方案可以用于湿度检测，如电阻式、电容式、导热式、重力式、光学式，其中光学式通常利用微纳光纤作为传感单元，当光纤直径低至微米甚至纳米量级时，光纤外部具有较强的倏逝场，倏逝场与物质接触会发生能量和动量交换，导致输出光功率变化，由于微纳光纤具有成本低、抗电磁干扰和腐蚀、能够在严峻的环境下进行检测的优点，其检测灵敏度高，响应时间快，近年来得到快速发展。

目前为止，光纤湿度传感器传感原理主要有以下几种，包括光纤光栅传感、倏逝场传感、干涉式传感等；一般的裸光纤对湿度的响应较低，需要加入活性材料来增加传感器的灵敏度；通过在光纤上附着特殊的增敏材料，例如石墨烯、还原石墨烯、氧化还原石墨烯、二硫化钼等，利用材料大的表面积或体积，增加材料和水分子的相互作用，实现高灵敏度的湿度传感；但此类传感器往往具有响应时间和恢复时间长的缺点，难以应用在有快速湿度检测需求的场合，另一方面器件重复性较差，使用寿命短，无法实现长期稳定检测。

实用新型内容

本实用新型旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种光纤湿度传感器，用于解决在光纤外壁需要附着增敏材料，制造成本高的技术问题。

本实用新型采取的技术方案是，一种光纤湿度传感器，包括介质衬底和微纳光纤；介质衬底：具有耦合倏逝场的下沉式耦合区域；微纳光纤：悬空于下沉式耦合区域上方，与衬底的下沉式耦合区域之间形成调制空间；信号光从微纳光纤一端输入，在其腰部外壁产生倏逝场后从另一端输出，倏逝场耦合入衬底上的下沉式耦合区域底部，使微纳光纤的输出信号光功率降低。

采用微纳光纤，主要是当光纤直径小至微米甚至纳米量级时，在光纤中传播的光会在外部产生较强的倏逝场并沿着其表面传播，其横向强度随着远离光纤而指数级降低，横向强度的衰减范围通常在几百纳米至几微米，与光纤直径及入射光波长有关。其次，由于倏逝场是电磁波，其传播路径对外部环境折射率变化较为敏感，当微纳光纤与下沉式耦合区域之间的间距在倏逝场范围内，且介质衬底的折射率大于悬空区域折射率时，倏逝场将与下沉式耦合区域的底部相互作用，一部分能量耦合至衬底，使得光纤输出端功率降低；当环境相对湿度增大时，由于分子间存在范德华力，较多的水分子会在微纳光纤外部形成一层几百纳米厚的水膜，因水的折射率大于空气，使得倏逝场范围进一步增大，导致更多能量耦合至衬底，进一步降低微纳光纤输出端光功率，从而实现湿度传感；这种方式不需要附着增敏材料，制造成本低。另一方面，环境湿度减小时，由于水膜的厚度在纳米量级，极易蒸发，湿度增大时，水膜又极易变厚，使本传感器具有极快的响应能力和极高的灵敏度。

进一步的，所述衬底上设置有下沉式耦合区域的微型槽，所述微型槽深度在纳米量级；微型槽的深度一方面与微纳光纤腰粗产生的倏势场范围相当，另一方面与水蒸气在光纤表面形成的水膜厚度相当；因此，这种微结构能够在环境湿度较低时，让倏逝场初步耦合至槽的底部，使光纤输出光功率轻微降低，在环境湿度较高时，使光纤输出光功率显著降低。