光学谐振腔式湿度传感器的研究进展*

张 勐， 赵学峰， 韵力宇， 文 丰， 张彦军， 闫树斌

(1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051;2.中国人民武装警察部队指挥学院，天津 300250)

0 引 言

适当的湿度水平有助于减少能耗且对产品的质量至关重要[1～3]。近年来,在传统的湿度传感器基础上，出现了以光学谐振腔为传感元件的新一代湿度传感器，成为湿度传感领域的研究热点。光学谐振腔式湿度传感器具有尺寸小，可以在高温、高压的环境下工作和抗电磁干扰等优点，因此,能够满足工业过程中严苛的要求[4]。该种传感器制作工艺相对简单，对感应周围介质折射率的变化灵敏度高。

本文介绍了光学谐振腔式湿度传感器的研究进展及发展趋势，分析并重点关注了新的光学结构以及最新的研究结果。

1 湿度传感器的分类

按制作原理可以将湿度传感器分为3类：电子[5]、声学和光学传感器。光学湿度传感器根据湿度的变化引起介质层性质的变化，从而使光传播性质变化而制作的传感器，目前研究较多的是光纤湿度传感器和干涉测量湿度传感器。

2 谐振腔式湿度传感器

谐振腔式湿度传感器主要分为微环形谐振腔式湿度传感器、微结形谐振腔式湿度传感器和回音壁式谐振腔湿度传感器。

2.1 微环和微结形谐振腔湿度传感器

此类光学结构所呈现出的特性可以满足所有的光学传感器，高的光学品质因数Q可以使传感器的滤波性能和分辨率获得较大的提升。在微环和微结式谐振腔中，由于光纤的直径小，很大一部分能量在光纤外以倏逝波形式传播，环形光纤外的倏逝波可以和平行段的倏逝波自耦并行并引导光通过微环或微结[6～15]。

2013年，中国计量大学的Zheng Y Z等人[16]研制出一种微环形谐振腔式湿度传感器。通过测量谐振波长漂移量感应相对湿度的变化，其自由光谱范围为350 pm，灵敏度可以达到1.8 pm/%RH，不需要涂敷湿度敏感薄膜，但测量的湿度范围过小，仅50 %～80 %RH。谐振腔结构如图1所示。

图1 微型光纤环谐振腔结构

2010年，中国电子与科技大学的吴宇等人[17]研制出两种基于超细光纤结形谐振腔式全光湿度传感器，其中，一种用硅(单模光纤)，另一种用聚甲基丙烯酸甲酯(poly-methylmethacrylate,PMMA)作为波导。应用硅制作的谐振腔直径为1.2 μm，品质因数Q达到1.5×104，自由谱宽(free spectral range,FSR)为0.22 nm。应用PMMA制作的谐振腔直径为2.1 μm，灵敏度为8.8 pm/%RH(高于前者8倍)，分辨率达到0.23 %RH。其结构如图2所示。

图2 超细光纤结谐振腔结构

2011年，浙江大学的Wang P等人[18]制作了一种基于聚乙烯酰胺(polyvinylamide,PAM)的微结形谐振腔式高灵敏度相对湿度传感器，其谐振腔直径为2.7 μm，品质因数Q为1.4×103，消光比为20 dB，其灵敏度可达 490 pm/%RH，测试范围为5 %～71 %RH。如图3所示，在相对湿度变化很小的情况下，仍然可以看出输出波长向右偏移，透射波谷变浅。

图3 微结形谐振腔式高灵敏度相对湿度传感器

2016年，吉隆坡马来亚大学的Irawati N等人[19]研制了一种应用PMMA制作微环形谐振腔涂敷ZnO敏感薄膜的湿度传感器。其光纤环直径为56 μm，应用直径为6 μm的光纤拉制而成，测量湿度范围为20 %～80 %RH，涂敷ZnO的谐振腔结构的输出损耗功率从-9.57～-20.19 dBm近似线性变换，其灵敏度为0.174 6 dBm/%RH。如图4所示。

图4 ASE的输出功率对ZnO纳米结构涂层PMLR随相对湿度的变化

2016年，马来亚大学光子研究中心的Faruki M J等人[20]研制出一种基于超细光纤结形谐振腔式全光湿度传感器，并对此传感器涂敷TiO2涂层的性能进行研究。经过试验表明未涂敷TiO2的谐振腔拥有对谐振波长漂移量1.3 pm/%RH和对输出损耗功率0.062 6 dBm/%RH的灵敏度，经过涂敷TiO2敏感薄膜后，谐振腔拥有对波长漂移量2.5 pm/%RH和对输出损耗功率0.083 6 dBm/%RH的灵敏度。其谐振腔结构如图5所示。

图5 光纤结振腔结构示意

谐振腔未涂敷TiO2敏感薄膜时，透射谱线在相对湿度40 %～80 %RH的变化并不大，只能看出谱线向右偏移，波谷深度并未明显改变，当增加湿度到95 %RH时，透射谱线几乎消失，超出了此测试结构的测试敏感范围，测试的谐振波长漂移量和输出光的损耗功率在40 %～90 %RH相对湿度变化下呈线性变化。如图6所示。

图6 未涂敷TiO2敏感薄膜时传感器性能测试

图7 增加TiO2涂层传感器性能测试

在谐振腔涂敷TiO2敏感薄膜后，光学模式也更加接近单模，谱线更加平滑。当相对湿度从40 %RH变化到80 %RH时，从透射谱线图可以明显看出谱线向右偏移，波谷变浅，谐振光波长的漂移量和输出损耗功率相比未增加敏感薄膜时变化斜率更大，敏感材料涂层对传感器检测相对湿度的性能有很大提高。如图7所示。

由透射谱线可以看出，基于微结和微环形谐振腔式湿度传感器光学耦合模式单一，谱线十分平滑，易于观察谱线的变化情况。但由于其谐振腔的光学品质因数Q较低，使得传感器灵敏度较低，大部分此类传感器需要增加湿度敏感薄膜提高传感器的测试性能，但敏感薄膜的复用性差则严重限制了传感器的使用寿命。

2.2 基于回音壁模式谐振腔湿度传感器

基于回音壁模式谐振腔主要分为微球形谐振腔、微盘形谐振腔等，此模式由光波导和谐振腔两部分光学结构组成。谐振腔曲面内部的反射倾角限制了光在谐振腔内的能量，谐振腔的几何形状和材料等光学性质决定了透射光谱，并为此类传感器提供了高分辨率和测量低相对湿度的能力[21～33]。

2013年，南加州大学的Mehrabani S等人[34]研制出一种基于微盘形谐振腔式全光湿度传感器，其品质因数Q为2.5×105，在0 %～12 %RH范围内灵敏度可以达到12.98 pm/%RH,如图8所示。应用噪声测量和耦合波长漂移量反映谐振腔的相对湿度变化如图9所示。

图8 基于微盘形谐振腔式全光湿度传感器

图9 应用噪声测量和耦合波长漂移量反映谐振腔的相对湿度变化

图10 基于液体回音壁式谐振腔的光学湿度传感器光学图像

2016年，都柏林理工学院的Mallik A K等人[36]研制出一种基于涂敷琼脂糖的微球形谐振腔式相对湿度传感器。使用3.3 μm的锥形光纤与直径为171 μm微球形谐振腔进行耦合，微球腔品质因数为1.076×105，对谐振波长漂移的灵敏度为518 pm/%RH。

在谐振腔未涂敷琼脂糖敏感薄膜时Q值较高，与光纤耦合的透射谱线较为平滑。增加敏感薄膜后，从透射谱线可以看出耦合模式十分复杂，谱线较为杂乱，难以观察谱线变化，也使得光学品质因数Q降低至1.56×104。如图11所示。

图11 涂敷琼脂糖敏感薄膜对Q值的影响

当提高相对湿度时，微球腔与拉锥光纤之间耦合区域的水分子增多，使谐振波长发生漂移，光的损耗功率增加。从图12(a)中可以看出，相对湿度由38.7 %～55 %RH变化时，透射谱线中波谷对应的位置明显右偏，但是波谷对应的深度没有明显变化，当相对湿度增加至65.7 %RH时，波长漂移更加明显，波谷明显变浅，说明谐振腔的光学品质因数Q已大大降低，当相对湿度增加至81 %RH时，透视谱线中波峰波谷已经很难辨别，此时难以观察波长的漂移量。如图12(b)所示，当实验环境保持在25 ℃时，相对湿度由35 %～65.7 %RH谐振波长漂移量线性增长，当湿度环境大于65.7 %RH时，谐振波长漂移更快。如图12(c)所示，未涂敷湿度敏感薄膜的回音壁式谐振腔对相对湿度的变化反应较小，可以看出透射波谷对应的波长量变化较小，损耗功率在相对湿度小于62 %RH时几乎没有变化。如图12(d)所示，比较了涂敷3种浓度的琼脂糖敏感薄膜的传感器对相对湿度的敏感度，可以明显看出涂敷浓度较高的琼脂糖凝胶对传感器性能有较大的提升。

图12 25 ℃基于直径为171 μm的微球腔涂敷浓度为2.25 %琼脂糖凝胶对传感器性能影响

基于回音壁式谐振腔光学湿度传感器由于光波导和谐振腔是分开的两部分，所以耦合状态较不稳定，耦合模式多导致透射谱线较为粗糙，观察谱线变化较为困难，产品封装难度较高。但高的光学品质因数Q使得此类传感器不需要涂敷敏感薄膜也可以获得较高的灵敏度，因此,此类传感器的复用性较高。

本文围绕近年涉及基于谐振腔式光纤湿度传感器的相关研究论文，并对用于测量相对湿度的主要光学结构进行了简要说明。表1总结了一些最新的相关成果。

表1 2010～2016年的最新相关研究汇总

3 结 论

文中介绍了基于光学谐振腔式湿度传感器及其应用方向的研究进展、虽然该领域近年来已经取得了长足的进步，但仍然有很多关键性技术需要更深入的研究探索，如微环和微结式谐振腔仍需要提高品质因数Q，回音壁式谐振腔的稳定耦合和应用湿敏材料的复用性等。随着对关键性技术的进一步研究探索和相关工艺的逐渐成熟以及使用器件材料的价格进一步降低，基于光学谐振腔式湿度传感器将会在湿度测量传感领域发挥更大的作用。