专利名称：一种基于lb膜的微芯光纤气体传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及LB镀膜、157nm准分子激光加工和微纳光学技术领域，具体涉及一种 基于LB镀膜的微芯光纤气体传感器。
背景技术：
微芯光纤是一种新颖的光纤结构，它是由中心0. 5 3微米的二氧化硅微芯以及 微芯周围半径为5 20微米的空气圆孔构成，微芯的表面粗糙度可以低至原子量级，直径 非常均勻，光传输损耗远远小于其他类型的亚波长尺度光波导，该微芯表现出强光场约束、 大比例倏逝波、高非线性等特性，在微纳光子器件、光子传感、非线性光学和原子波导等方 面具有潜在的应用价值。相比于普通亚波长尺度光波导线，微芯光纤具有较强的机械强度 和稳定性，可应用于对微纳尺度下各种微小变化量的高灵敏度近场传感。Langmuir-Blogeet膜，简称LB膜，它是将具有亲水头和疏水尾的两亲分子分散在 水面(亚相)上，沿水平方向对水面施加压力，使分子在水面上紧密排列，形成一层排列有 序的不溶性单分子膜。LB膜技术就是将上述的气/液界面上的单分子膜转移到固体表面并 实现连续转移组装的技术。LB膜具有膜厚可准确控制，制膜过程不需要很高的条件，简单易 操作，膜中分子排列高度有序等特点，因此可实现在分子水平上的组装，在材料学、光学、电 化学和生物仿生学等领域都具有广泛的应用前景。近年来已开展了众多研究，涉及生物膜 仿生模拟、超薄膜制备、光学以及各种基于LB膜的传感器等方面。由于现有报道中，LB镀膜 工艺都是在玻璃基片上完成，因此在基片尺寸、形状和与光学系统的融合上都存在局限性。 本发明将微芯光纤与LB镀膜技术相结合，利用微芯光纤的大比例倏逝波传输特性，结合对 气体敏感的特定材料LB镀膜，可以构成一种具有高灵敏的气体传感器。157nm准分子激光的波长极短，聚焦光斑直径能达到微米量级，由于光子能量高， 聚焦光斑小，因此聚焦后的光斑功率密度可达108 lC^W/cm2。准分子激光加工是一种先进 的微加工方法，准分子激光能够直接打断材料的部分化学键而实现材料的剥离和刻蚀。本 发明中，利用157nm的准分子激光可以在微芯光纤端面加工出各种所需的微结构，用于LB 镀膜和气体传感。

发明内容
本发明所要解决的问题是如何提供一种基于LB膜的微芯光纤气体传感器及其 制备方法，这种基于LB膜的微芯光纤气体传感器在具有较好的机械稳定性和更高的传感 灵敏度，在有毒有害气体探测、易燃易爆气体探测以及微量气体的折射率探测领域有着较 大的应用潜力。本发明所提出的技术问题是这样解决的提供一种基于LB膜的微芯光纤气体传 感器，包括微芯光纤，其特征在于①所述微芯光纤的外径为125 160微米，处于正中心的内芯的直径为0. 5 3 微米，在内芯的周围设置有空气圆孔，该空气圆孔直径为4 20微米；
②在所述微芯光纤的一端面设置有一圆形微腔，该圆形微腔与内芯的圆心距为 30 40微米，直径50 70微米，深度大于或者等于30微米；③在设置有圆形微腔的一端的内芯表面沉积有LB膜，镀膜区域长60 100微米， LB膜的层数为1 200层，每层厚度为5 20纳米，形成复合结构的传感头；④所述微芯光纤的另一端与普通标准光线熔接，用于连接各种光学仪器。一种基于LB膜的微芯光纤气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤①选用的微芯光纤标准外径为125 160微米，处于正中心的内芯的直径为 0. 5 3微米，在内芯的周围设置有空气圆孔，该空气圆孔直径为4 20微米；②利用157nm准分子激光器在上述微芯光纤的一端面加工出一个直径为50 70 微米、深度> 30微米的圆形微腔，该圆形微腔与内芯的圆心距为30 40微米；③使亚相表面的LB膜分子构成紧密排列的单分子膜，将经过②处理的微芯光纤 从亚相液面沿垂直方向提出，在膜压的作用下，气/液界面表面连续转移到微芯光纤的内 芯表面，构成一层单分子LB膜，控制二氧化硅微光纤的提出速度使LB厚度为5 20纳米；④重复步骤③(N-1)次得到N层LB膜，其中1彡N彡200 ；⑤将步骤④所得到的微芯光纤的另一端通过熔接连接标准光纤，用于连接各种光 学仪器。本发明利用内径为0. 5 3微米的微芯光纤作为基底，通过LB镀膜技术在微芯光 纤内芯表面上沉积一层薄膜，膜厚度为5个纳米。光在微芯光纤的内芯中以大比例的倏逝 波形式传输，在其表面传输的倏逝波与气体敏感的LB膜分子相互作用，可应用于气体传感 领域。与普通的微纳光纤相比，此种基于LB膜的微芯光纤传感器具有更好的机械稳定性和 更高的传感灵敏度，在有毒有害气体探测、易燃易爆气体探测以及微量气体的折射率探测 等领域有着较大的应用潜力。本发明首次提出将LB镀膜技术与微芯光纤相结合，通过LB镀膜的方式将特定LB 膜材料的气体灵敏特性与微芯光纤优良的倏逝波传输特性相结合，获得一种基于LB膜的 微芯光纤高灵敏气体传感器，该传感器的体积小、集成度高、并且传感特性将得到很大的提 升。这种基于LB膜的微芯光纤传感器在有毒有害气体探测、易燃易爆气体探测以及微量气 体的折射率探测等领域有着较大的应用潜力。


图1是微芯光纤的显微镜照片；图2是微芯光纤的二氧化硅内芯结构图；图3是利用157nm准分子激光在微芯光纤端面加工了圆形微腔的结构图；图4是基于LB膜的微芯光纤传感头结构图；图5是微芯光纤的LB镀膜原理简图；图6是微芯光纤的LB镀膜装置简图；图7是基于LB膜的微芯光纤传感器的传感系统简图。其中，1、基于LB膜的微芯光纤传感器，2、微芯光纤包层，3、空气圆孔，4、内芯，5、 LB膜，6、通过157nm激光器加工出的圆形微腔，7、LB单分子膜层，8、亚相，9、栅，10、镀膜机 壁，11、LB膜单分子层及去离子水，12、光纤夹具。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述如图1 4所示，一种基于LB膜的微芯光纤气体传感器，包括微芯光纤，该微芯光 纤的外径为125 160微米，处于正中心的内芯的直径为0. 5 3微米，在内芯的周围设置 有空气圆孔，该空气圆孔直径为4 20微米，在所述微芯光纤的一端面设置有一圆形微腔， 该圆形微腔与内芯的圆心距为30 40微米，直径50 70微米，深度大于或者等于30微 米，在设置有圆形微腔的一端的内芯表面沉积有LB膜，镀膜区域长60 100微米，LB膜的 层数为1 200层，每层厚度为5 20纳米，形成复合结构的传感头，所述微芯光纤的另一 端与普通标准光线熔接，用于连接各种光学仪器。制备方法包括以下步骤①选用的微芯光纤标准外径为125 160微米，处于正中心的内芯的直径为 0. 5 3微米，在内芯的周围设置有空气圆孔，该空气圆孔直径为4 20微米；②利用157nm准分子激光器在上述微芯光纤的一端面加工出一个直径为50 70 微米、深度> 30微米的圆形微腔，该圆形微腔与内芯的圆心距为30 40微米；③使亚相表面的LB膜分子构成紧密排列的单分子膜，将经过②处理的微芯光纤 从亚相液面沿垂直方向提出，在膜压的作用下，气/液界面表面连续转移到微芯光纤的内 芯表面，构成一层单分子LB膜，控制二氧化硅微光纤的提出速度使LB厚度为5 20纳米；④重复步骤③(N-1)次得到N层LB膜，其中1彡N彡200 ；⑤将步骤④所得到的微芯光纤的另一端通过熔接连接标准光纤，用于连接各种光 学仪器。此种基于LB膜的微芯光纤气体传感器的参数如下包括微芯光纤内芯4和气体敏 感的LB膜5，将LB单分子膜沉积在微芯光纤中心的内芯表面，镀膜次数为100次，即在内 芯表面沉积100层气体敏感的单分子膜，厚度为500纳米，此段结构的长度应不短于60微 米。此种基于LB膜的微芯光纤气体传感器的另一端通过熔接与标准光纤连接，用于与各种 光学仪器相连。此种基于LB膜的微芯光纤气体传感器的制备原理如图5所示在一定的压力之 下，亚相表面的碳纳米管分子构成紧密排列的单分子膜层7，微芯光纤1以一定的速度从液 面沿垂直方向提出，在膜压的作用下，气/液界面表面连续转移到微芯光纤中心的微芯表 面，构成了一层单分子LB膜。如图6和图7所示，制备系统结构包括微芯光纤4、LB膜单分子层7、控制膜压的 栅9 (barrier)、去离子水(亚相)8、镀膜机壁10、光纤夹具12、LB膜单分子层及去离子水 (亚相)11。制备的基本过程为，微芯光纤以一定速度沿垂直方向运动，由于维持了 LB单分 子层的膜压恒定，故而在微芯光纤每次穿过液面的时候都会从气/液表面转移一层膜到微 芯的表面。设置软件参数，重复100次，即可获得此种LB膜微芯光纤气体传感器。此种基于LB膜的微芯光纤气体传感器的制备参数如下镀膜过程中所用亚相8为 二次去离子水(其中含有10_4Mol/L的氯化隔CdCl2)，电阻率为18. 25MQ/cm，温度恒定在 20摄氏度，PH值为6. 0。将160微升配置好的0. 19mg/ml的碳纳米管三氯甲烷溶液液逐滴 滴到亚相表面，扩散一个小时，形成气体敏感的LB膜单分子层6。通过157nm准分子激光器在微芯光纤表面加工出直径60微米，深度60微米的微孔。然后将加工好的微芯光纤放置 到LB镀膜系统的光纤夹具12上。设置膜压恒定在30mN，提拉速度为5mm/min，镀膜次数为 100 次。实施例1通过157nm准分子激光器在微芯光纤端面加工出直径60微米，深度60微米的微 孔。然后将加工好的微芯光纤放置到LB镀膜系统的光纤夹具上。将160微升0. 19mg/ml的 碳纳米管三氯甲烷溶液铺展在亚相(二次去离子水，含10_4Mol/L的氯化隔CdCl2)表面，待 挥发1小时后，控制亚相温度稳定在20°C、PH值稳定在6.0，即可开始镀膜。制备的基本过 程为，微芯光纤以一定速度沿垂直方向运动，由于维持了碳纳米管单分子层的膜压恒定，故 而在微芯光纤每次穿过液面的时候都会从气/液表面转移一层膜到微芯光纤内芯的表面。 设置软件参数，重复100次，即可获得此种LB膜微芯光纤氢气传感器。上述具体实施方法用来解释说明本发明装置，而不是对本发明进行限制，在本发 明的精神和权利说明书的保护范围内，对本发明的任何改变与变动，都落入本发明的保护 范围。
权利要求
一种基于LB膜的微芯光纤气体传感器，包括微芯光纤，其特征在于①所述微芯光纤的外径为125～160微米，处于正中心的内芯的直径为0.5～3微米，在内芯的周围设置有空气圆孔，该空气圆孔直径为4～20微米；②在所述微芯光纤的一端面设置有一圆形微腔，该圆形微腔与内芯的圆心距为30～40微米，直径50～70微米，深度大于或者等于30微米；③在设置有圆形微腔的一端的内芯表面沉积有LB膜，镀膜区域长60～100微米，LB膜的层数为1～200层，每层厚度为5～20纳米，形成复合结构的传感头；④所述微芯光纤的另一端与普通标准光线熔接，用于连接各种光学仪器。
2.一种基于LB膜的微芯光纤气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤①选用的微芯光纤标准为外径为125 160微米，内芯的直径为0.5 3微米，和内芯 同心的空气圆孔直径为4 20微米；②利用157nm准分子激光器在上述微芯光纤的一端面加工出一个直径为50 70微 米、深度大于或等于30微米的圆形微腔，该圆形微腔与内芯的圆心距为30 40微米；③使亚相表面的LB膜分子构成紧密排列的单分子膜，将经过②处理的微芯光纤从亚 相液面沿垂直方向提出，在膜压的作用下，气/液界面表面连续转移到微芯光纤的内芯表 面，构成一层单分子LB膜，控制二氧化硅微光纤的提出速度使LB厚度为5 20纳米；④重复步骤③(N-I)次得到N层LB膜，其中1彡N彡200；⑤将步骤④所得到的微芯光纤的另一端通过熔接连接标准光纤，用于连接各种光学仪ο
全文摘要
本发明公开了一种基于LB膜的微芯光纤气体传感器，包括微芯光纤，其特征在于①所述微芯光纤的外径为125～160微米，处于正中心的内芯的直径为0.5～3微米，在内芯的周围设置有空气圆孔，该空气圆孔直径为4～20微米；②在所述微芯光纤的一端面设置有一圆形微腔，该圆形微腔与内芯的圆心距为30～40微米，直径50～70微米，深度大于或者等于30微米；③在设置有圆形微腔的一端的内芯表面沉积有LB膜，镀膜区域长60～100微米，LB膜的层数为1～200层，每层厚度为5～20纳米，形成复合结构的传感头；④所述微芯光纤的另一端与普通标准光线熔接，用于连接各种光学仪器。
文档编号G01N21/17GK101852888SQ20101016862
公开日2010年10月6日 申请日期2010年5月11日 优先权日2010年5月11日
发明者吴宇, 杨飞亚, 饶云江 申请人:电子科技大学