基于聚合物薄膜和聚合物微腔的光纤传感器的制作方法

1.本实用新型涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于聚合物薄膜和聚合物微腔的光纤传感器。


背景技术：

2.相比于电类超声传感器，光纤传感器具有很多优点，如不受电磁干扰、更高的灵敏度、体积较小、无源等，已经引起很多人的关注。
3.目前纯石英光纤的超声传感器，受制于石英本身杨氏模量大小的限制，尽管可以通过一些特殊结构设计提高其灵敏度如高阶模式干涉或者特殊薄膜微腔设计，但是对外界的超声灵敏度提高有限。


技术实现要素：

4.本实用新型的主要目的是提供一种具有较低的杨氏模量，对外界超声具有超高灵敏度的基于聚合物薄膜和聚合物微腔的光纤传感器。
5.为了实现上述主要目的，本实用新型提供的一种基于聚合物薄膜和聚合物微腔的光纤传感器，包括聚合物支架以及用于传输信号的石英光纤，所述聚合物支架具有空腔，所述聚合物支架的一端通过聚合物胶黏剂与所述石英光纤的一端连接，形成一个聚合物微腔，在所述聚合物微腔内靠近于所述聚合物支架的另一端设有聚合物薄膜；所述石英光纤的一个端面上镀有第一反射膜，所述聚合物薄膜表面镀有第二反射膜，所述第一反射膜与所述第二反射膜相对设置构成所述聚合物微腔的两个发射面。
6.进一步的方案中，所述聚合物薄膜通过聚合物粘合剂夹合于所述聚合物支架上。
7.更进一步的方案中，所述聚合物支架的厚度为大于1mm。
8.更进一步的方案中，所述聚合物薄膜的厚度为30
‑
80um。
9.更进一步的方案中，所述聚合物薄膜的厚度为50um。
10.更进一步的方案中，所述第一反射膜的反射率为4％
‑
50％。
11.更进一步的方案中，所述第二反射膜的反射率为大于70％，厚度为大于200nm。
12.更进一步的方案中，所述聚合物微腔的尺寸为长325um，内直径为1.25mm。
13.由此可见，本实用新型基于聚合物微腔融合聚合物薄膜的结构设计，由发射膜和石英光纤端面构成了微腔的两个反射面，当外界超声作用于微腔时，石英光纤和聚合物薄膜将同时对外界的振动响应，两者的共同响应会导致柱形微腔的直径和长度都会发生相应的变化，该变化将直接导致微腔腔长发生变化，从而导致微腔的发射光谱发生动态的漂移。
14.所以，本实用新型基于聚合物材料设计的薄膜和微腔，结合光纤传感器的独特优点，提出高灵敏度的聚合物型的光纤超声传感器，具有较小的杨氏模量，对外界的超声信号具有超高的灵敏度。
附图说明
15.图1是本实用新型一种基于聚合物薄膜和聚合物微腔的光纤传感器实施例的结构示意图。
16.以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。
具体实施方式
17.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
18.参见图1，本实用新型的一种基于聚合物薄膜和聚合物微腔的光纤传感器，其包括聚合物支架20以及用于传输信号的石英光纤10，聚合物支架20具有空腔，聚合物支架20的一端通过聚合物胶黏剂与石英光纤10的一端连接，形成一个聚合物微腔50，在聚合物微腔50内靠近于聚合物支架20的另一端设有聚合物薄膜30。
19.在本实施例中，石英光纤10的一个端面上镀有第一反射膜11，聚合物薄膜30表面镀有第二反射膜31，第一反射膜11与第二反射膜31相对设置构成聚合物微腔50的两个发射面。
20.在本实施例中，聚合物薄膜30通过聚合物粘合剂夹合于聚合物支架20上。其中，本实施例的聚合物粘合剂优选为环氧树脂或者聚丙酸酯。可见，聚合物薄膜30通过聚合物粘合的方式夹合与支架上，聚合物支架20起到拉近聚合物薄膜30的作用，同时作为腔体的有效支撑。
21.在本实施例中，聚合物支架20的厚度为大于1mm。其中，聚合物支架20的厚度大于1mm小于10mm，适用于圆柱形结构，其主要形成聚合物微腔50的支架。
22.在本实施例中，第一反射膜11的反射率为4％
‑
50％。
23.在本实施例中，聚合物薄膜30的厚度为30
‑
80um，其中，聚合物薄膜30的厚度为50um。
24.在本实施例中，第二反射膜31的反射率为大于70％小于90％，厚度为大于200nm。可见，聚合物薄膜30的厚度控制在50um左右，其表面镀有大于200nm小于500nm的发射膜，第一反射膜11、第二反射膜31的材料可以是铝、银或金。
25.在本实施例中，聚合物微腔50的尺寸为长325um，内直径为1.25mm。
26.具体的，该传感器的结构是基于聚合物支架20构成的微腔，聚合物薄膜30上镀有反射膜并通过聚合物支架20支撑拉紧，朝向石英光纤10端面的薄膜镀有大于70％的发射率的反射膜(材料可以是铝、银、金等)。聚合物支架20的厚度较厚用于支撑聚合物薄膜30，聚合物支架20和石英光纤10之间通过聚合物胶黏剂在一起。腔体的尺寸控制在130um左右，该类腔体的设计可以通过高精度3d的打印技术、飞秒激光刻写技术或离子束刻蚀技术实现。
27.本实用新型还提供一种基于聚合物薄膜30和聚合物微腔50的光纤传感器的制作方法，该光纤传感器是采用上述的光纤传感器，方法包括以下步骤：
28.在具有陶瓷插芯的光纤端面镀上第一反射膜11，控制其厚度小于200nm，作为聚合
物微腔50的第一个反射面；提供一个外直径为1.26
‑
1.30mm的聚合物支架20，提供一个厚度为30
‑
80um的聚合物薄膜30，在聚合物薄膜30表面镀上第二反射膜31，控制其厚度大于200nm，作为聚合物微腔50的第二个反射面；使用聚合物粘合剂将聚合物薄膜30夹合于聚合物支架20；将带有聚合物薄膜30的聚合物支架20套接在光纤上，通过聚合物粘合剂固定，即可得到基于聚合物薄膜30和聚合物微腔50的光纤传感器。
29.进一步的，利用光固化3d打印技术制作一个外直径为1.26
‑
1.30mm的聚合物支架20，聚合物支架20厚度为大于1mm，聚合物支架20内腔直径为1.25mm，对聚合物支架20上下两侧去除材料获得凹槽，将聚合物薄膜30嵌入聚合物支架20两侧凹槽，并使用聚合物粘合剂进行固定。
30.在实际应用中，在具有陶瓷插芯的光纤端面上先镀金属铝(银或者金)反射膜，控制厚度小于200nm，作为微腔的第一个反射面。
31.利用光固化3d打印技术制作一个1.26mm外直径的聚合物支架20，然后利用聚合物胶体(环氧树脂或者聚丙酸酯)将聚合物薄膜30固定拉近。
32.然后，将1.26mm内径的带有聚合物薄膜30的微腔直接套在光纤上，利用聚合物胶体(环氧树脂或者聚丙酸酯)固定微腔。
33.由此可见，本实用新型基于聚合物微腔50融合聚合物薄膜30的结构设计，由发射膜和石英光纤10端面构成了微腔的两个反射面，当外界超声作用于微腔时，石英光纤10和聚合物薄膜30将同时对外界的振动响应，两者的共同响应会导致柱形微腔的直径和长度都会发生相应的变化，该变化将直接导致微腔腔长发生变化，从而导致微腔的发射光谱发生动态的漂移。
34.所以，本实用新型基于聚合物材料设计的薄膜和微腔，结合光纤传感器的独特优点，提出高灵敏度的聚合物型的光纤超声传感器，具有较小的杨氏模量，对外界的超声信号具有超高的灵敏度。
35.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
36.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
37.需要说明的是，以上仅为本实用新型的优选实施例，但实用新型的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本实用新型做出的非实质性修改，也均落入本实用新型的保护范围之内。