專利名稱：一種基于lb膜的微芯光纖氣體傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及LB鍍膜、157nm準(zhǔn)分子激光加工和微納光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種 基于LB鍍膜的微芯光纖氣體傳感器。
背景技術(shù)：
微芯光纖是一種新穎的光纖結(jié)構(gòu)，它是由中心0. 5 3微米的二氧化硅微芯以及 微芯周圍半徑為5 20微米的空氣圓孔構(gòu)成，微芯的表面粗糙度可以低至原子量級，直徑 非常均勻，光傳輸損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他類型的亞波長尺度光波導(dǎo)，該微芯表現(xiàn)出強(qiáng)光場約束、 大比例倏逝波、高非線性等特性，在微納光子器件、光子傳感、非線性光學(xué)和原子波導(dǎo)等方 面具有潛在的應(yīng)用價值。相比于普通亞波長尺度光波導(dǎo)線，微芯光纖具有較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度 和穩(wěn)定性，可應(yīng)用于對微納尺度下各種微小變化量的高靈敏度近場傳感。Langmuir-Blogeet膜，簡稱LB膜，它是將具有親水頭和疏水尾的兩親分子分散在 水面(亞相)上，沿水平方向?qū)λ媸┘訅毫?，使分子在水面上緊密排列，形成一層排列有 序的不溶性單分子膜。LB膜技術(shù)就是將上述的氣/液界面上的單分子膜轉(zhuǎn)移到固體表面并 實現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)移組裝的技術(shù)。LB膜具有膜厚可準(zhǔn)確控制，制膜過程不需要很高的條件，簡單易 操作，膜中分子排列高度有序等特點，因此可實現(xiàn)在分子水平上的組裝，在材料學(xué)、光學(xué)、電 化學(xué)和生物仿生學(xué)等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來已開展了眾多研究，涉及生物膜 仿生模擬、超薄膜制備、光學(xué)以及各種基于LB膜的傳感器等方面。由于現(xiàn)有報道中，LB鍍膜 工藝都是在玻璃基片上完成，因此在基片尺寸、形狀和與光學(xué)系統(tǒng)的融合上都存在局限性。 本發(fā)明將微芯光纖與LB鍍膜技術(shù)相結(jié)合，利用微芯光纖的大比例倏逝波傳輸特性，結(jié)合對 氣體敏感的特定材料LB鍍膜，可以構(gòu)成一種具有高靈敏的氣體傳感器。157nm準(zhǔn)分子激光的波長極短，聚焦光斑直徑能達(dá)到微米量級，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達(dá)108 lC^W/cm2。準(zhǔn)分子激光加工是一種先進(jìn) 的微加工方法，準(zhǔn)分子激光能夠直接打斷材料的部分化學(xué)鍵而實現(xiàn)材料的剝離和刻蝕。本 發(fā)明中，利用157nm的準(zhǔn)分子激光可以在微芯光纖端面加工出各種所需的微結(jié)構(gòu)，用于LB 鍍膜和氣體傳感。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是如何提供一種基于LB膜的微芯光纖氣體傳感器及其 制備方法，這種基于LB膜的微芯光纖氣體傳感器在具有較好的機(jī)械穩(wěn)定性和更高的傳感 靈敏度，在有毒有害氣體探測、易燃易爆氣體探測以及微量氣體的折射率探測領(lǐng)域有著較 大的應(yīng)用潛力。本發(fā)明所提出的技術(shù)問題是這樣解決的提供一種基于LB膜的微芯光纖氣體傳 感器，包括微芯光纖，其特征在于①所述微芯光纖的外徑為125 160微米，處于正中心的內(nèi)芯的直徑為0. 5 3 微米，在內(nèi)芯的周圍設(shè)置有空氣圓孔，該空氣圓孔直徑為4 20微米；
②在所述微芯光纖的一端面設(shè)置有一圓形微腔，該圓形微腔與內(nèi)芯的圓心距為 30 40微米，直徑50 70微米，深度大于或者等于30微米；③在設(shè)置有圓形微腔的一端的內(nèi)芯表面沉積有LB膜，鍍膜區(qū)域長60 100微米， LB膜的層數(shù)為1 200層，每層厚度為5 20納米，形成復(fù)合結(jié)構(gòu)的傳感頭；④所述微芯光纖的另一端與普通標(biāo)準(zhǔn)光線熔接，用于連接各種光學(xué)儀器。一種基于LB膜的微芯光纖氣體傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟①選用的微芯光纖標(biāo)準(zhǔn)外徑為125 160微米，處于正中心的內(nèi)芯的直徑為 0. 5 3微米，在內(nèi)芯的周圍設(shè)置有空氣圓孔，該空氣圓孔直徑為4 20微米；②利用157nm準(zhǔn)分子激光器在上述微芯光纖的一端面加工出一個直徑為50 70 微米、深度> 30微米的圓形微腔，該圓形微腔與內(nèi)芯的圓心距為30 40微米；③使亞相表面的LB膜分子構(gòu)成緊密排列的單分子膜，將經(jīng)過②處理的微芯光纖 從亞相液面沿垂直方向提出，在膜壓的作用下，氣/液界面表面連續(xù)轉(zhuǎn)移到微芯光纖的內(nèi) 芯表面，構(gòu)成一層單分子LB膜，控制二氧化硅微光纖的提出速度使LB厚度為5 20納米；④重復(fù)步驟③(N-1)次得到N層LB膜，其中1彡N彡200 ；⑤將步驟④所得到的微芯光纖的另一端通過熔接連接標(biāo)準(zhǔn)光纖，用于連接各種光 學(xué)儀器。本發(fā)明利用內(nèi)徑為0. 5 3微米的微芯光纖作為基底，通過LB鍍膜技術(shù)在微芯光 纖內(nèi)芯表面上沉積一層薄膜，膜厚度為5個納米。光在微芯光纖的內(nèi)芯中以大比例的倏逝 波形式傳輸，在其表面?zhèn)鬏數(shù)馁渴挪ㄅc氣體敏感的LB膜分子相互作用，可應(yīng)用于氣體傳感 領(lǐng)域。與普通的微納光纖相比，此種基于LB膜的微芯光纖傳感器具有更好的機(jī)械穩(wěn)定性和 更高的傳感靈敏度，在有毒有害氣體探測、易燃易爆氣體探測以及微量氣體的折射率探測 等領(lǐng)域有著較大的應(yīng)用潛力。本發(fā)明首次提出將LB鍍膜技術(shù)與微芯光纖相結(jié)合，通過LB鍍膜的方式將特定LB 膜材料的氣體靈敏特性與微芯光纖優(yōu)良的倏逝波傳輸特性相結(jié)合，獲得一種基于LB膜的 微芯光纖高靈敏氣體傳感器，該傳感器的體積小、集成度高、并且傳感特性將得到很大的提 升。這種基于LB膜的微芯光纖傳感器在有毒有害氣體探測、易燃易爆氣體探測以及微量氣 體的折射率探測等領(lǐng)域有著較大的應(yīng)用潛力。


圖1是微芯光纖的顯微鏡照片；圖2是微芯光纖的二氧化硅內(nèi)芯結(jié)構(gòu)圖；圖3是利用157nm準(zhǔn)分子激光在微芯光纖端面加工了圓形微腔的結(jié)構(gòu)圖；圖4是基于LB膜的微芯光纖傳感頭結(jié)構(gòu)圖；圖5是微芯光纖的LB鍍膜原理簡圖；圖6是微芯光纖的LB鍍膜裝置簡圖；圖7是基于LB膜的微芯光纖傳感器的傳感系統(tǒng)簡圖。其中，1、基于LB膜的微芯光纖傳感器，2、微芯光纖包層，3、空氣圓孔，4、內(nèi)芯，5、 LB膜，6、通過157nm激光器加工出的圓形微腔，7、LB單分子膜層，8、亞相，9、柵，10、鍍膜機(jī) 壁，11、LB膜單分子層及去離子水，12、光纖夾具。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述如圖1 4所示，一種基于LB膜的微芯光纖氣體傳感器，包括微芯光纖，該微芯光 纖的外徑為125 160微米，處于正中心的內(nèi)芯的直徑為0. 5 3微米，在內(nèi)芯的周圍設(shè)置 有空氣圓孔，該空氣圓孔直徑為4 20微米，在所述微芯光纖的一端面設(shè)置有一圓形微腔， 該圓形微腔與內(nèi)芯的圓心距為30 40微米，直徑50 70微米，深度大于或者等于30微 米，在設(shè)置有圓形微腔的一端的內(nèi)芯表面沉積有LB膜，鍍膜區(qū)域長60 100微米，LB膜的 層數(shù)為1 200層，每層厚度為5 20納米，形成復(fù)合結(jié)構(gòu)的傳感頭，所述微芯光纖的另一 端與普通標(biāo)準(zhǔn)光線熔接，用于連接各種光學(xué)儀器。制備方法包括以下步驟①選用的微芯光纖標(biāo)準(zhǔn)外徑為125 160微米，處于正中心的內(nèi)芯的直徑為 0. 5 3微米，在內(nèi)芯的周圍設(shè)置有空氣圓孔，該空氣圓孔直徑為4 20微米；②利用157nm準(zhǔn)分子激光器在上述微芯光纖的一端面加工出一個直徑為50 70 微米、深度> 30微米的圓形微腔，該圓形微腔與內(nèi)芯的圓心距為30 40微米；③使亞相表面的LB膜分子構(gòu)成緊密排列的單分子膜，將經(jīng)過②處理的微芯光纖 從亞相液面沿垂直方向提出，在膜壓的作用下，氣/液界面表面連續(xù)轉(zhuǎn)移到微芯光纖的內(nèi) 芯表面，構(gòu)成一層單分子LB膜，控制二氧化硅微光纖的提出速度使LB厚度為5 20納米；④重復(fù)步驟③(N-1)次得到N層LB膜，其中1彡N彡200 ；⑤將步驟④所得到的微芯光纖的另一端通過熔接連接標(biāo)準(zhǔn)光纖，用于連接各種光 學(xué)儀器。此種基于LB膜的微芯光纖氣體傳感器的參數(shù)如下包括微芯光纖內(nèi)芯4和氣體敏 感的LB膜5，將LB單分子膜沉積在微芯光纖中心的內(nèi)芯表面，鍍膜次數(shù)為100次，即在內(nèi) 芯表面沉積100層氣體敏感的單分子膜，厚度為500納米，此段結(jié)構(gòu)的長度應(yīng)不短于60微 米。此種基于LB膜的微芯光纖氣體傳感器的另一端通過熔接與標(biāo)準(zhǔn)光纖連接，用于與各種 光學(xué)儀器相連。此種基于LB膜的微芯光纖氣體傳感器的制備原理如圖5所示在一定的壓力之 下，亞相表面的碳納米管分子構(gòu)成緊密排列的單分子膜層7，微芯光纖1以一定的速度從液 面沿垂直方向提出，在膜壓的作用下，氣/液界面表面連續(xù)轉(zhuǎn)移到微芯光纖中心的微芯表 面，構(gòu)成了一層單分子LB膜。如圖6和圖7所示，制備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括微芯光纖4、LB膜單分子層7、控制膜壓的 柵9 (barrier)、去離子水(亞相)8、鍍膜機(jī)壁10、光纖夾具12、LB膜單分子層及去離子水 (亞相)11。制備的基本過程為，微芯光纖以一定速度沿垂直方向運動，由于維持了 LB單分 子層的膜壓恒定，故而在微芯光纖每次穿過液面的時候都會從氣/液表面轉(zhuǎn)移一層膜到微 芯的表面。設(shè)置軟件參數(shù)，重復(fù)100次，即可獲得此種LB膜微芯光纖氣體傳感器。此種基于LB膜的微芯光纖氣體傳感器的制備參數(shù)如下鍍膜過程中所用亞相8為 二次去離子水(其中含有10_4Mol/L的氯化隔CdCl2)，電阻率為18. 25MQ/cm，溫度恒定在 20攝氏度，PH值為6. 0。將160微升配置好的0. 19mg/ml的碳納米管三氯甲烷溶液液逐滴 滴到亞相表面，擴(kuò)散一個小時，形成氣體敏感的LB膜單分子層6。通過157nm準(zhǔn)分子激光器在微芯光纖表面加工出直徑60微米，深度60微米的微孔。然后將加工好的微芯光纖放置 到LB鍍膜系統(tǒng)的光纖夾具12上。設(shè)置膜壓恒定在30mN，提拉速度為5mm/min，鍍膜次數(shù)為 100 次。實施例1通過157nm準(zhǔn)分子激光器在微芯光纖端面加工出直徑60微米，深度60微米的微 孔。然后將加工好的微芯光纖放置到LB鍍膜系統(tǒng)的光纖夾具上。將160微升0. 19mg/ml的 碳納米管三氯甲烷溶液鋪展在亞相(二次去離子水，含10_4Mol/L的氯化隔CdCl2)表面，待 揮發(fā)1小時后，控制亞相溫度穩(wěn)定在20°C、PH值穩(wěn)定在6.0，即可開始鍍膜。制備的基本過 程為，微芯光纖以一定速度沿垂直方向運動，由于維持了碳納米管單分子層的膜壓恒定，故 而在微芯光纖每次穿過液面的時候都會從氣/液表面轉(zhuǎn)移一層膜到微芯光纖內(nèi)芯的表面。 設(shè)置軟件參數(shù)，重復(fù)100次，即可獲得此種LB膜微芯光纖氫氣傳感器。上述具體實施方法用來解釋說明本發(fā)明裝置，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā) 明的精神和權(quán)利說明書的保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明的任何改變與變動，都落入本發(fā)明的保護(hù) 范圍。
權(quán)利要求
一種基于LB膜的微芯光纖氣體傳感器，包括微芯光纖，其特征在于①所述微芯光纖的外徑為125～160微米，處于正中心的內(nèi)芯的直徑為0.5～3微米，在內(nèi)芯的周圍設(shè)置有空氣圓孔，該空氣圓孔直徑為4～20微米；②在所述微芯光纖的一端面設(shè)置有一圓形微腔，該圓形微腔與內(nèi)芯的圓心距為30～40微米，直徑50～70微米，深度大于或者等于30微米；③在設(shè)置有圓形微腔的一端的內(nèi)芯表面沉積有LB膜，鍍膜區(qū)域長60～100微米，LB膜的層數(shù)為1～200層，每層厚度為5～20納米，形成復(fù)合結(jié)構(gòu)的傳感頭；④所述微芯光纖的另一端與普通標(biāo)準(zhǔn)光線熔接，用于連接各種光學(xué)儀器。
2.一種基于LB膜的微芯光纖氣體傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟①選用的微芯光纖標(biāo)準(zhǔn)為外徑為125 160微米，內(nèi)芯的直徑為0.5 3微米，和內(nèi)芯 同心的空氣圓孔直徑為4 20微米；②利用157nm準(zhǔn)分子激光器在上述微芯光纖的一端面加工出一個直徑為50 70微 米、深度大于或等于30微米的圓形微腔，該圓形微腔與內(nèi)芯的圓心距為30 40微米；③使亞相表面的LB膜分子構(gòu)成緊密排列的單分子膜，將經(jīng)過②處理的微芯光纖從亞 相液面沿垂直方向提出，在膜壓的作用下，氣/液界面表面連續(xù)轉(zhuǎn)移到微芯光纖的內(nèi)芯表 面，構(gòu)成一層單分子LB膜，控制二氧化硅微光纖的提出速度使LB厚度為5 20納米；④重復(fù)步驟③(N-I)次得到N層LB膜，其中1彡N彡200；⑤將步驟④所得到的微芯光纖的另一端通過熔接連接標(biāo)準(zhǔn)光纖，用于連接各種光學(xué)儀ο
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于LB膜的微芯光纖氣體傳感器，包括微芯光纖，其特征在于①所述微芯光纖的外徑為125～160微米，處于正中心的內(nèi)芯的直徑為0.5～3微米，在內(nèi)芯的周圍設(shè)置有空氣圓孔，該空氣圓孔直徑為4～20微米；②在所述微芯光纖的一端面設(shè)置有一圓形微腔，該圓形微腔與內(nèi)芯的圓心距為30～40微米，直徑50～70微米，深度大于或者等于30微米；③在設(shè)置有圓形微腔的一端的內(nèi)芯表面沉積有LB膜，鍍膜區(qū)域長60～100微米，LB膜的層數(shù)為1～200層，每層厚度為5～20納米，形成復(fù)合結(jié)構(gòu)的傳感頭；④所述微芯光纖的另一端與普通標(biāo)準(zhǔn)光線熔接，用于連接各種光學(xué)儀器。
文檔編號G01N21/17GK101852888SQ20101016862
公開日2010年10月6日 申請日期2010年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月11日
發(fā)明者吳宇, 楊飛亞, 饒云江 申請人:電子科技大學(xué)