串联双微环湿度传感器光谱特性研究

提出了一种基于串联双微环谐振器的新型聚酰亚胺(Polyimide,PI)湿度传感器,采用传输矩阵法和耦合模的理论计算微环谐振器的传递函数,并对比了传统单微环与串联不同半径的双微环的输出光谱特性。外界湿度变化使得聚酰亚胺SOI波导吸收水汽后折射率发生变化,从而引起微环输出光谱发生漂移,通过探测光谱漂移量来测湿度值,得到了串联双微环传感器的灵敏度和测量范围,并且分析了感湿部位不同时谐振器输出光谱特性。理论结果表明：串联不同半径的微环谐振器的自由光谱范围（FSR）要比单微环有所提高,而且串联双微环谐振器整体感湿比单个微环单独感湿的传感性能更优良,可作为最佳的湿敏元件。与传统的单微环传感器相比,串联不同半径的微环结构可提高系统的测量范围和灵敏度,半径为30和50 μm的串联微环谐振器的FSR可达到0.15 μm,传感器测量湿度范围为10%RH～80%RH,灵敏度可达到0.001 7 μm·(%RH)-1。因此串联不同半径的双微环谐振器为制备成本低、结构简单、高灵敏度、可集成的微型湿度传感器件提供一定理论基础。     

基于U型波导耦合单微环结构的高灵敏度湿度传感器

首次提出了一种基于U型波导耦合的新型单微环结构湿度传感器,该传感器以聚酰亚胺(polyimide,P1)作为感湿材料,当外界环境相对湿度变化时,引起感湿部位折射率的相应变化,导致传感器的输出光谱发生漂移。根据传输矩阵法推导U型波导耦合单微环结构的传递函数,重点讨论了不同感湿部位对输出光谱的影响,通过Matlab理论仿真,确定以U型波导耦合单微环结构整体作为最佳感湿部位。当U型波导的两个耦合点间的距离为微环周长的整数倍时,相比于传统的单微环结构,自由光谱范围(FSR)实现加倍。外界相对湿度从10%RH变化到100%RH时,传感器的输出光谱漂移量在0.027～0.191 μm之间变化,灵敏度高达0.001 8 μm/%RH,相比于具有高灵敏度的光纤光栅类湿度传感器,灵敏度提高了10~100倍,实现了在高灵敏度感湿的同时兼顾谐振峰两侧大范围的滤波选频。     

一种适用于湿度传感的表面等离子微环传感器

提出了一种适用于湿度传感的表面等离子微环传感器。该传感器纵向上采用表面等离子多层波导结构,横向上采用U型微环结构,以聚酰亚胺(polyimide,PI)为感湿材料。根据传输矩阵法推导表面等离子微环传感器结构的传递函数,外界环境的相对湿度变化引起聚酰亚胺的折射率变化,从而多层波导结构的有效折射率发生改变,导致传感器的输出光谱发生漂移。重点分析讨论了多层波导结构的传输特性以及感湿部位折射率的变化对输出光谱的影响。根据计算和仿真得出：当U型波导的两个耦合点间的距离为微环周长的整数倍时,传感器的输出光谱水平漂移量较大,自由光谱范围(FSR)加倍,达到128 nm,当外界环境相对湿度从10%RH变化到100%RH时,漂移量Δλ_m在0.005～0.038 μm之间变化,相比于其他湿度传感器,灵敏度提高了10～50倍,高达0.0005 μm/%RH,并且传输稳定。结果表明：设计的表面等离子微环传感器,灵敏度较好,性能稳定,可以应用于湿度测量,并且实现了在高灵敏度感湿的同时兼顾大范围的滤波选频,为微型光学器件的制备提供了理论基础。     

光湿敏元件及特性

介绍硅衬底的半导体陶瓷材料钛酸镧锶（Sr1-xLaxTiO3）光湿敏元件的工作原理及结构,MIS结构元件的光湿敏特性参数和曲线。利用光湿敏元件研制成光湿敏传感器和测量仪,智能光湿敏测量仪具有软件湿度补偿、智能判断声光报警等特性。     

温度测量范围加倍的单微环传感器

本文提出了一种基于U形波导耦合单微环结构的新型SOI(绝缘体上硅)温度传感器.温度变化引起感温部位有效折射率和长度变化,导致传感器的输出光谱发生漂移.根据传输矩阵法和耦合模理论,设计了新型传感器模型,并且分析了感温部位不同时系统输出光谱特性.结果表明:当U形波导耦合单微环整体结构感温时,输出光谱无伪模,消光比达到31 dB,可作为最佳感温元件.相比于传统的双直波导耦合单微环结构,当U形波导的两个耦合点间的距离为微环周长的整数倍数时,FSR(自由光谱范围)可加倍至56 nm,灵敏度提高到89.2 pm/?C,测量范围为298—720 K,实现了SOI微环谐振器的高温测量.     

碳湿敏膜的非线性感湿特性和导电机理

采用羟乙基纤维素（HEC）和导电炭黑并添加山梨醇增湿剂制备碳湿敏膜,研究了膜在偏离结露区的非线性感湿特性和导电机理.扫描电镜观测到,膜中炭黑粒子形成网链状的空间导电结构;2%炭黑含量使膜的导电通路处于渗流区,膜电阻在80%RH附近对湿度有较强的非线性特性.分析I-V曲线认为,是导电网链中炭黑粒子的间距使膜电阻对湿度变化和测量电压的变化都非常敏感,非线性感湿特性与导电机理密切相关.复阻抗谱表明,碳湿敏样品在33%RH时只出现与炭黑体电阻有关的半圆弧,在80%RH时出现与炭黑粒界电 关键词： 碳湿敏膜 逾渗阈值 I-V特性')" href="#">I-V特性 复阻抗谱     

光纤SPR湿敏传感器及其共振光谱特性研究

提出并研制了基于光纤SPR传感探针的新型湿敏传感器。首先研究了光纤SPR传感探针对环境湿度变化的敏感特性,在此基础上提出在光纤SPR传感探针表面增覆不同厚度且具有水分子吸附功能的PVA薄膜来实现环境相对湿度的监测。研究结果表明,增覆双层PVA薄膜的光纤SPR传感探针在高湿区具有较好监测效果,其共振强度对应的相对湿度测量灵敏度达到1.59%/%RH,较光纤SPR探针呈现显著提高。而增覆单层PVA薄膜的光纤SPR传感探针在高湿区共振波长对应的相对湿度监测灵敏度达到2.411nm/%RH。此外所提出的新型光纤SPR湿敏探针在PVA薄膜失效后经过特殊工艺处理仍可重复镀膜使用。     

一种可调谐的单微环三耦合点的SOI微环滤波器

依据耦合模和传输矩阵理论,设计了一个新型单微环三耦合点的可调谐微环滤波器模型,并模拟仿真了输出端口的光谱特性。模型结构中,采用热光性质稳定的绝缘硅材料,通过改变反馈波导的长度和温度实现对输出光谱的分析与调制。仿真结果表明,当耦合系数k=0.018时,模型结构的自由光谱范围可近似认为达到43.8nm,品质因子可达1.25×105,作为滤波器保持了很窄的带宽,很高的品质因子和较大的自由光谱范围,得出通过改变反馈波导的温度或长度可实现特定谐振波长处滤波效果显著改善的结论,最后给出了相应的光谱曲线。     

聚酰亚胺(PI)薄膜用于光纤布拉格光栅湿度传感器的特性分析

研究了湿敏聚合物--聚酰亚胺(PI)薄膜用于光纤布拉格光栅湿度传感器的原理及应用,并对其传感特性进行了分析与测量.实验表明:镀有聚酰亚胺(PI)薄膜的光纤布拉格光栅的反射峰位置漂移量与湿度呈线性关系,容易标定,实现了对湿度的高精度测量.用这种材料制作的湿度传感器比其他类型湿度传感器性能优越.     

光纤湿敏球腔传感采集校准组合装置的技术问题初探

本文研制了一种光纤耦合湿敏监测装置,此装置采用MEMS微位移传感器来进行湿敏微腔耦合位置的辅助校准,再用光强传感器对耦合输出的光波进行湿度感测和量化。这种基于MEMS位移传感器的耦合位置校准方法与现有的校准平台相比,无需外加太多繁琐、庞大的仪器装置,就可获得精准又便捷的校准效果。另外在传感系统后端可进行可编程控制程序开发,用加载的数据采集卡来实现湿度敏感单元敏感量的采集与显示。     

Enhanced-performance relative humidity sensor based on MOF-801 photonic crystals

We proposed an enhanced-performance relative humidity (%RH) nano-sensor based on MOF-801/TiO₂ one-dimensional photonic crystals (1DPC). The maximum reflectance-peak wavelength of it shifted obviously in the range of 20%-90% under varying %RH levels, due to the highly moisture-sensitive MOF-801 film in the 1DPC structure. It was demonstrated that the linear spectrum sensitivity of the MOF-801/TiO₂ %RH 1DPC sensor is exceeding 119 pm/%RH from 20%RH to 90% RH, and the sensitivity of reflection power variations exhibits 1.34 dB/%RH with the resolvable relative humidity variation less than 0.1%RH at 15°C. Meanwhile, the sensor shows a fast optical response time less than 100 ms with exceptional repeatability and reliability, which promises successful measurements of human respiration. Moreover, the sensor performance on the structure of 1DPC is investigated, representing a tradeoff between the sensing sensitivity and response time.     

光纤布拉格光栅嵌入SMS光纤结构的湿度传感器

提出了一种基于光纤布拉格光栅嵌入单模-多模纤芯-单模(single-mode-multimode fiber core-single mode, SMS)光纤结构的湿度传感器。当环境湿度变化时,SMS光纤结构的干涉光谱会发生漂移,而光纤布拉格光栅对湿度不敏感,其纤芯基模保持不变。因此利用SMS光纤结构对环境湿度的敏感性去调制光纤布拉格光栅纤芯基模,通过检测光纤布拉格光栅纤芯基模的反射能量变化就可以实现湿度测量。数值模拟了SMS光纤结构的内部光场分布规律,理论计算了不同环境折射率时,多模纤芯的长度、直径对SMS光纤结构输出能量耦合系数的影响。理论模拟表明,随着环境折射率变化,SMS光纤结构中传输的纤芯基模的输出能量耦合系数会发生变化。同时制作了传感器样品并对其进行了传感实验研究,实验结果表明多模纤芯长35 mm、纤芯直径为85 μm的传感器在45%～95%RH湿度变化范围内,湿度灵敏度为0.06 dBm·(%RH)-1。在20～80 ℃温度范围内,传感器的温度灵敏度为0.008 nm·℃-1,温度所带来的湿度测量误差为0.047%RH·℃-1。传感器具有制作简单、灵敏度高、反射式能量检测等优点,在湿度测量领域有一定的应用价值。     

基于倏逝波的锥形光纤马赫-曾德尔湿度传感器

提出了一种基于倏逝波原理的光纤马赫-曾德尔湿度传感器,传感器是在2个单模光纤粗锥的传感臂中心通过绝热火焰熔融拉锥处理而成。光由传感器输入端传入,经过第1个粗锥时,将激发出若干高阶模,各模式光传输经过细锥区进入第2个粗锥时被耦合进入传感器输出端。当外界湿度变化时,细锥区倏逝场随之变化,最终导致透射谱能量变化。通过测量透射谱能量变化,可以实现环境湿度传感测量。实验结果表明,在35%~85%RH的湿度变化范围内,透射谱的能量具有相同变化趋势,处于水蒸气吸收峰附近的干涉谷湿度响应灵敏度可达0.157 dBm/%RH,温度交叉灵敏度仅为0.014 %RH/ ℃。该传感器因其制作简单、灵敏度高,温度交叉敏感小等特点,具有很好的应用前景。     

基于光纤锥和纤芯失配的Mach-Zehnder干涉湿度传感器

介绍了一种简单且灵敏度较高的Mach-Zehnder干涉湿度传感器.将单模光纤和多模光纤渐变熔接光纤锥,色散补偿光纤被熔接在两个多模渐变光纤之间,形成了单模光纤-光纤锥-多模渐变光纤-色散补偿光纤-多模渐变光纤-光纤锥-单模光纤结构的传感器.光纤锥起到了增加包层模能量的作用,两个多模渐变光纤节点作为光耦合器,从而形成光纤Mach-Zehnder干涉仪.外界环境湿度的变化,将使得传感器透射谱能量发生变化,通过测量干涉谱波峰峰值能量实现对湿度的测量.实验结果表明干涉谱波峰峰值能量与环境湿度之间存在良好的线性关系.当环境湿度在35%RH—85%RH范围内变化,一段由20 mm色散补偿光纤组成的传感器,其灵敏度为-0.0668 dB/%RH,相关度为0.995.该传感器结构紧凑、尺寸小、制造工艺简单,这使其可以被广泛用于湿度测量.     

基于无芯光纤的多参数测量传感器

设计并制作了一种基于单模-无芯-单模-无芯-单模光纤结构的马赫-曾德尔传感器,可用来同时测量折射率和温度.该传感器中,两处无芯光纤充当输入、输出耦合器,中间单模光纤作为传感臂.利用有限元仿真和理论分析,确定耦合器和传感臂的最优长度为15 mm.在无芯光纤中激发出的高阶模进入单模光纤的包层传输,由于倏逝场的作用,受到环境折射率和温度的影响.选取透射谱不同干涉级次的波谷作为研究对象,实现了折射率和温度的同步测量.实验结果表明:1545 nm附近干涉谷的折射率和温度灵敏度分别为–153.89 nm/RIU(refractive index unit)和0.166 nm/℃;1570 nm附近干涉谷的折射率和温度灵敏度分别为–202.74 nm/RIU和0.183 nm/℃.该传感器在实现折射率和温度同步测量的同时,仍能保持较高灵敏度,在生物医疗等方面有着较好的应用前景.