改进PDMS的高灵敏度C-LPFG丙酮气体传感器研究*

宋文超，牛萍娟，2，解 媛，石 嘉，孙 浩

（1.天津工业大学 电子与信息工程学院，天津 300387；2.天津工业大学 大功率半导体照明应用系统教育部工程研究中心，天津 300387；3.天津工业大学 电气工程学院，天津 300387）

0 引 言

丙酮（acetone）作为一种极性有机溶剂，已广泛用于农药和医疗行业，当人体处于的环境中丙酮体积分数含量高于173 ×10-6时会出现头痛、恶心等症状，经常检测特定场所中丙酮的含量对保证人体健康安全具有重要意义。检测分析丙酮的方法主要有氧化物半导体传感法［1］、荧光猝灭法［2］、液相色谱法［3］和生物法［4］等。郭照青等人［5］通过对自制金属有机框架（metal organic framework，MOF）衍生In-ZnO敏感颗粒的研究，有效改善了在高温环境下检测丙酮的气敏性能。近年来，光纤光栅传感发展迅速，微结构光纤MOF、光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating，FBG）、细芯光纤（thin core fiber，TCF）［6］也广泛应用于传感测量。

长周期光纤光栅（long-period fiber grating，LPFG）因包层模之间相互耦合很弱、插入损耗低、不受电磁干扰和无后向反射等特点，同时谐振波长对应变、温度、环境折射率等环境因素具有较高的敏感性［7］等诸多优点而成为众多学者关注的热点。Dianov E M等人［8］提出在光纤上刻一个匹配的LPFG 形成与前一个LPFG 的马赫—曾德尔（Mach-Zehnder，M-Z）干涉仪，称之为级联LPFG（cascaded LPFG，C-LPFG），C-LPFG作为LPFG的一种特殊的结构形式，具备LPFG所有优点。陈美娟等人［9］设计的一种LPFG-LPFG级联温度应变传感器，实现了增敏效果。在光纤表面涂敷相应的增敏材料及添加对应的掺杂剂［10］可提升光纤光栅传感器的灵敏度和扩大检测限（limit of detection，LOD）范围。当检测分析物时，随着挥发性有机化合物（volatile organic compounds，VOCs）被聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）吸收，PDMS 折射率将靠近被分析物的折射率［11］，Barnes J等人便通过调整聚合物涂层中的成分比例，在相对狭窄的范围内调节了PDMS的折射率［12］。PDMS本身与光栅的光学特性兼容并具有良好的化学选择，2007 年，Lowder T L 等人［13］将PDMS 与表面浮雕式FBG 相结合制作了可测量挥发性有机化合物的化学传感器。

本文基于聚合物敏感涂层PDMS，仿真分析了PDMS折射率变化对LPFG和C-LPFG传感器检测丙酮气体灵敏度的影响，提出了基于改进PDMS 高灵敏度C-LPFG 丙酮气体传感器，并对其进行了表征，为研究高灵敏度C-LPFG丙酮气体传感器提供了理论基础。

1 基于C-LPFG气体测量原理

LPFG是一种透射型光纤光栅［14］，具有很好的传输谱特性，实验中所用光纤一般是具有阶跃折射率的单模光纤［15］，3层模型和光束传播路径如图1所示。

图1 模型和光束传播路径

图1（a）中心的部分为纤芯，半径a1＝4.15 μm；包层位于纤芯外围，半径a2＝62.5 μm；最外面是周围环境的介质层。n1，n2，n3分别为芯层、包层以及周围环境的折射率，其中，n1，n2分别为1.468 1，1.462 8。据模式耦合理论方法，非倾斜的单模LPFG前向传输的纤芯芯层导模与同向传输的1阶v次包层模两者之间的耦合所需要满足的相位条件见式（1）

式中 Λ光栅周期；βco，，v）分别为芯层导模与包层模；包层模的传播常数

式中 neff为模式的有效折射率，λ 为波长，由式（1）和式（2）两者联立求解

式中 λp为光纤光栅的耦合波长，只有满足耦合模的相位匹配条件，才能确定特定的耦合波长。当相应的测量参数发生变化时，和的数值大小也会发生改变，谐振波波长发生一定偏移，接入的光谱分析仪将对输入的参数进行分析并显示出相应的波形图。

C-LPFG兼具单LPFG 原有特性的同时还具备透射谱振幅大、干涉峰较窄和谱型多样等诸多优点，C-LPFG 由2个LPFGs（LPFG1和LPFG2）级联组成，光源在C-LPFG中传输路径如图2（a）所示。当输入总光经过LPFG1时，光纤纤芯基模的一部分能量耦合到包层中并向前传输一段距离d，向前传输的过程中遇到LPFG2时，光纤包层中的光将重新耦合回纤芯中并继续向前传输，不同参数条件会造成不同光程差

图2 传输路径和传感器模型

式中 λ为光源波长，d 为LPFG1与LPFG2间隔距离，分别为纤芯基模与包层模的有效折射率。

本文研究设计的高灵敏度C-LPFG丙酮气体传感器模型如上图2（b）所示，LPFG1和LPFG2参数相同，d 为两光栅间距，Λ为光栅周期，优化了折射率的PDMS 附着于CLPFG 包层外围，周围环境气体中存在丙酮时，丙酮与PDMS相互反应改变整体环境折射率，C-LPFG进而实现对丙酮气体的检测。为了尽可能减少实际情况中环境温度造成的误差，本文在仿真分析中选取相对较小的周期，以提升传感器的稳定性能。

2 基于PDMS涂层C-LPFG丙酮气体传感器的仿真研究

本文采用耦合模法仿真分析了改变PDMS的折射率对LPFG、C-LPFG传感器检测丙酮气体的影响，将二苯基硅氧烷、钛交联剂与PDMS结合，优化PDMS折射率至1.423 7，仿真选用参数如图1（a）考虑到实际检测情况，n3取值范围为1.33 ～1.43，光栅周期初始值420 μm，仿真结果与分析如图3所示。

图3 PDMS优化的LPFG的仿真结果与分析

由图3（a）可见，LPFG的周期数增大，谐振波波长随之向长波方向发生“红移”；图3（b）中LPFG 长度增大，谐振峰峰值与带宽呈反比，谐振波波长偏移量几乎为零，这与李玉强等人［16］报道的结果一致。综合考虑，本文选取了周期为480 μm、光栅长为40 mm，进一步对C-LPFG 仿真分析。PDMS与丙酮发生反应后整体的折射率数值会随着丙酮体积分数的增大而逐渐减小至接近丙酮的折射率［11］，由图3（d）可得，本文优化PDMS 使其折射率由1.41 增大到1.423 7，使得单LPFG传感器测量气体的检测限扩大了约32%。

综上，基于优化PDMS 的LPFG 传感器效果明显优于传统的LPFG传感器，在此基础上，本文采用参数相同的LPFG进行级联仿真，两光栅间距d取值10 cm，仿真结果如图4所示。改变光栅长度对C-LPFG 进行仿真，由图4（b）可得C-LPFG光谱干涉条纹的个数与光栅本身的长度呈负相关；在光栅长度选取40 mm 时，由图4（c）可以看出，CLPFG干涉峰的带宽更窄，传感分辨率高于LPFG，这也表明C-LPFG在提高传感器灵敏度方面比单LPFG 具有更大的优势。图4（d）表明随着环境折射率的逐渐增大，C-LPFG的谐振波波长发生“蓝移”，当环境折射率由1.33 增大至1.45时，谐振波波长偏移量为-24 nm，这与前述的单LPFG的仿真结果趋势一致，其谐振峰深度也有逐渐加深的趋势。

图4 参数相同的LPFG级联仿真与分析

由图5（a）可以看出，环境折射率增加时谐振波波长的偏移量及其偏移方向。环境折射率（n3）大于1.40 时谐振波长偏移量明显大于n3较小时的偏移量，丙酮与PDMS发生反应后折射率朝着被测丙酮气体的折射率接近，这意味着丙酮体积分数越低，n3越接近于光纤包层的折射率，n3改变量相同时，中心波长的偏移量就越大，丙酮气体的检测下限越低，灵敏度越高。图5（b）为图5（a）中圈框部分的局部放大，KL和KC两曲线分别代表单LPFG和C-LPFG环境折射率与中心波长偏移量之间的对应关系，以折射率1.41表示是否优化PDMS的分界点，KL1、KC1与KL2、KC2分别代表优化PDMS 前后LPFG 和C-LPFG 与谐振波波长偏移的关系。

图5 波长偏移量与环境折射率的关系

分析表明，PDMS折射率改变对单LPFG与C-LPFG谐振波波长偏移量均有较大影响。如表1 所示，PDMS 折射率的改变时，单LPFG相对自身结构而言，谐振波长的偏移量扩大了约1.53 倍，C-LPFG 谐振波长的偏移量扩大了近2倍；PDMS折射率为1.41 时，C-LPFG 的谐振波长偏移量和直线的斜率均是相同条件下LPFG 的4 倍左右，这表明C-LPFG相较于单LPFG 拥有更低的气体体积分数检测下限，且灵敏度是其4 倍左右；在优化PDMS，同条件下CLPFG的波长偏移量相对于单LPFG 扩大了约5.26 倍，这表明改善PDMS 折射率的LPFG 和C-LPFG 在检测气体体积分数初期有着更低的检测下限。KC1与KC2的斜率比值表明，在优化PDMS后，单LPFG提高了约4.6倍的灵敏度，而相同情况下的C-LPFG 灵敏度提高了将近6 倍，较低体积分数的丙酮气体会被及时捕捉并检测出来。

表1 优化设计PDMS前后表征的LPFG和C-LPFG的关系特性

3 结 论

本文针对聚合物敏感涂层PDMS折射率变化进行了仿真分析，研究了LPFG和C-LPFG对丙酮气体的灵敏度的影响，仿真了一种高灵敏度C-LPFG丙酮气体传感器，分别与传统的LPFG和C-LPFG传感器结构进行了对比分析。这种优化PDMS折射率的C-LPFG丙酮气体传感器具有测量范围宽、灵敏度高、更低的检测下限等特点，可用于实现环境中丙酮气体高灵敏度检测。