【正文】 基底的附著能力會有較大的差距。(2)金屬膜層的化學(xué)穩(wěn)定性較差。(3)金屬膜層大多比較軟，表明容易產(chǎn)生刻痕。(4)對于單層金屬薄膜如果薄膜的折射率為，那么其反射率可以表示為：光波在金屬薄膜中的傳播隨著厚度的增加其振幅程指數(shù)形式衰減即： （39）和分別為光入射點的電場振幅和厚度為d處的電場振幅，k為消光系數(shù)，因此可以同樣寫出光強的衰減公式 （310） 濕度敏感薄膜的選擇與設(shè)計濕度傳感器發(fā)展至今所使用的濕度敏感元件多種多樣，在早期的時候多是使用機械式的濕度計，在電子濕度計開始發(fā)展起來以后，濕度敏感材料才開始被研究使用和發(fā)展起來，而光纖濕度計更是離不開濕度敏感材料。電子式濕度敏感材料一般是利用其在吸收水分子以后的電容電阻等的參數(shù)改變來做程濕度敏感元件的，而在光纖濕度傳感器中則是利用濕度敏感材料在吸收水分子以后的光學(xué)性質(zhì)[27]的改變來確定濕度變化的，這其中的光學(xué)性質(zhì)有材料對光的透射率變化，反射率變化和折射率的變化等等。在可用的濕度敏感材料中也是多種多樣，有聚乙烯、聚酰亞胺、聚酯類、PVAC、環(huán)氧樹脂類、PVA、多孔硅、丙烯酸類、PMMA、醋酸纖維素、氯化鋰等都取得了不錯的濕度敏感效果。這其中多孔硅因為其獨特的表面形貌[28]，和優(yōu)秀的發(fā)光性能[29]而今年來備受關(guān)注。多孔硅的制備技術(shù)多孔硅材料的制備是對其研究非常重要的一環(huán)，在這幾十年來其制備手段也出現(xiàn)了許多種方法，但大多是基于一下三種方法的演變 （1）電化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕是傳統(tǒng)的制備多孔硅的工藝手段，也是現(xiàn)今用得比價多的方法，其基本裝置如圖34示，一般有恒壓源和恒流源兩種模式，圖37為恒流源模式，這種模式可以更好地控制多孔硅的厚度和孔隙度，而且重復(fù)性很好。對于電解槽中電極的設(shè)計也可以生成不同形貌的多孔硅，陰極材料多用鉑電極或者石墨電極。陽極用作腐蝕材料的硅為單晶硅片。使用雙電解槽，電解液接觸硅晶片背面，因此并不需要硅晶片金屬化，這種電解槽制備的多孔硅比背面蒸鋁硅表面金屬化歐姆接觸的單電極法制備的多孔硅所形成的表面孔徑要更加均勻，操作上也要更加簡單。 圖34 電化學(xué)法制備多孔硅多孔硅表面的形貌受制于硅片的參雜狀況，和陽極極化因素。在使用相同陽極的情況下，多孔硅在孔徑形貌隨參雜類型和濃度變化很大，中等參雜的p型單晶硅片上形成的多孔硅可以得到非常細微的表面孔徑大約（1nm~10nm）。在重參雜p型和n型單晶硅時（＞），其形成的孔徑在10nm~100nm；在輕參雜濃度n型硅情況下，形成的多孔硅表面孔徑形貌不一，有完全不同的兩個分布狀況，微米級的孔徑和納米級的孔徑同時存在，但是在大致的分布上來說n型硅是隨參雜濃度的增加多孔硅孔徑減小，在中等或重參雜時的p型硅上，孔徑大小與參雜濃度同時增長。在某些情況下，重參雜的n型硅和輕參雜的p型硅也可能形成大的孔徑。 另外陽極腐蝕的電流密度和氫氟酸的濃度也是影響多孔硅表面形貌的重要原因。多孔硅孔徑一般隨電位和電流密度的增大而增大，在同基底情況下，氫氟酸濃度增加，孔徑減小。本文中所使用的多孔硅為上海交大XX實驗室用電化學(xué)方法制備的，圖35是上海交大制備的多孔硅放大5500倍的SEM圖片。從這幅圖中可以大致看出多孔硅表面的多孔特征形貌。圖35電化學(xué)法制備多孔硅表面形貌SEM圖（2）光化學(xué)腐蝕法制備多孔硅光化學(xué)法制備[30]多孔硅更為簡潔，其示意圖如下所示，在這個過程中光照射硅基片為反應(yīng)中提供所需的空穴載流子，所以不需要外加電流源或電壓源，在這個過程中所用的光波段一般為可見光或者能量更大的紫外光，另外使用單色低強度的X射線也可以制備多孔硅，但是使用混合顏色高強度的X射線確會產(chǎn)生拋光現(xiàn)象。其中使用的腐蝕溶液除了氫氟酸溶液外還有加氧化劑的HF/HNOHF/H2OHF/FeCl3等，這些可以很大程度上縮短了反應(yīng)所需時間，從1小時縮短到10~30min。 圖36 光化學(xué)法制備多孔硅（2）水熱腐蝕法制備多孔硅水熱技術(shù)最早是用來模擬礦物的合成，后來人們發(fā)現(xiàn)在這一條件也適用于單晶的生長。水熱法制備多孔硅有下列幾個特點，a、水熱腐蝕無需加外加偏壓，避免了由于電流分布引起的不均勻腐蝕；b、由液體中壓強傳遞的各相同性原理，水熱技術(shù)可以提供一個非常平衡的反應(yīng)環(huán)境；c、反應(yīng)中，硅片處于高壓之下，反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣泡會被大大壓縮，可以保證硅片表面和腐蝕液最大限度的接觸，形成很均勻的腐蝕。這是一種高壓液相體系，制備過程是將單晶硅片固定于高壓水熱釜的內(nèi)襯里，在水熱釜內(nèi)加入氫氟酸腐蝕溶液，在一定的溫度下進行水熱反應(yīng)，通過控制腐蝕溶液的濃度和組成，可以制得紅光，藍光，和紫外光發(fā)射的多孔硅材料，山東大學(xué)晶體材料實驗室用氫氧化鉍取代氫氟酸溶液作為腐蝕劑，得到了納米豎直孔徑的多孔硅材料。水熱腐蝕的多孔硅存在發(fā)光強度衰減，和發(fā)光的峰值波長藍移等現(xiàn)象，為此張裕恒等提出鐵鈍化多孔硅概念，并解決了多孔硅發(fā)光衰減，峰值波長藍移的問題。多孔硅特性分析多孔硅是上實際五十年代的時候，美國貝爾實驗室在探索硅片點化學(xué)拋光工藝時，觀察到單晶硅在經(jīng)過電化學(xué)處理以后其表面的黑色薄膜[30]，當時其并未發(fā)現(xiàn)這種薄膜表面的多孔結(jié)構(gòu)。七十年代時，人們發(fā)現(xiàn)這種材料很容易做成高質(zhì)量的二氧化硅絕緣層，于是其開始被應(yīng)用與集成電路中使用，到上世紀末，英國科學(xué)家觀察到多孔硅在室溫下的光致發(fā)光現(xiàn)象，預(yù)言其在光電子學(xué)及集成電路技術(shù)中潛在無限的應(yīng)用前景，從此多孔硅引起了人們極大的關(guān)注，并引起越來越多的人開始對它進行研究[31]。多孔硅因為具有非常活躍的化學(xué)性質(zhì)[32]，因此其在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。在不同濃度的氮氧化物中多孔硅具有不同的導(dǎo)電性質(zhì)，以多孔硅為敏感介質(zhì)做成的氮氧化物氣體傳感器在干燥空氣中可以檢測No2氣體的體積分數(shù)為12109，在潮濕的空氣中其檢測的分辨率也達到了50109；多孔硅因為具有很大的表面積比，對于乙醇有很強的吸附作用，多孔硅在吸收了乙醇以后其折射率和導(dǎo)電性質(zhì)會發(fā)生很大改變，利用這個特性可以檢測濃度很低的乙醇氣體。另外也可以應(yīng)用于其它的可燃性氣體，和瓦斯氣體的檢測。其在不同的濕度環(huán)境中也會有不同的光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)，人們因此可以基于其電學(xué)性質(zhì)的改變做成基于多孔硅濕度敏感薄膜的電化學(xué)傳感器[33]，本文是利用其光學(xué)性質(zhì)的改變來做成的濕度傳感器。 光纖濕度傳感器探頭的制作光纖FP腔的制作工藝在該類型的傳感器系統(tǒng)開發(fā)過程中是一個十分重要的過程，也幾乎決定了整個系統(tǒng)開發(fā)的成敗，在近幾十年來世界上也一直有人在不斷地研究光纖FP腔的制作手法，但是在目前為止還是沒有一種可以非常有效地降低制作的成本和復(fù)雜過程手段，這也因此限制了光纖FP腔傳感器發(fā)展。但是目前世界上研究人員所研究的方法大概在以下幾個方向內(nèi)，第一個是基于光纖光柵的FP腔制作，第二個是基于光纖熔接的光纖FP腔制作，第3個是基于端面鍍膜的光纖FP腔制作[34]。（1）基于光纖光柵法的光纖FP腔制作由于光纖在經(jīng)過氫載以后具有對紫外光敏感的特點，紫外曝光區(qū)的折射率能夠發(fā)生永久性的改變。利用這一特點制作光纖光柵的技術(shù)發(fā)展得相當成熟了，現(xiàn)在很輕易就已經(jīng)能夠制作出反射率在90%以上的光纖Bragg光柵了，而且對于反射中心波長的控制也能做得很好，圖33就是通過光纖Bragg光柵制作成光纖FP腔的原理圖。圖37 光纖Bragg光柵式光纖FP腔示意圖FBG光纖FP腔的諧振條件為，式中為FBG在反射波長處的反射系數(shù)的相位因子，從FBG的光學(xué)特性我們知道，這種形式的光纖FP腔要求制作兩個參數(shù)幾乎完全相同F(xiàn)BG，這樣才能在它們共同的中心波長處形成光學(xué)諧振腔，另外也有FBG的反射光譜我們可以知道這種形式的光纖FP腔具有與其它形式的FP腔不同的光學(xué)特性[35]，也就是它們只在FBG的反射中心波長附近對光有很強的耦合作用，所以在FBG反射中心波長之外的光我們不能觀察到干涉譜，所以當我們希望FP單模運行的時候可以通過把兩個FBG的中心波長的反射帶寬做得很小來實現(xiàn)，原則上FBG的帶寬越小就越容易實現(xiàn)FP腔的單模運轉(zhuǎn)，但是FBG的帶寬越窄就越難做出兩個完全一樣的FBG出來。出于在應(yīng)用上的需要，和對于使制作上的難度降低，可以用光纖光柵芯區(qū)折射率沿光柵方向呈均勻變化的啁啾光纖光柵（Chirped Fiber Bragg Grating）來構(gòu)成光纖FP腔，這種光纖光柵的反射譜和制作的原理圖如下所示。 圖38啁啾式光纖FP腔 在圖中我們可以看出，CFBG的反射譜帶寬比較寬，這樣光柵的反射譜具有一定的帶寬，其形成的光纖FP腔對與寬帶光源的入射就相當于一個梳狀濾波器，而且因為光纖光柵的反射率很容易做得很高，所以這也很容易得到精細度很高的干涉條紋，此類光纖FP腔在光纖通信領(lǐng)域用得比較多。（2）基于光纖對接法制作的光纖FP腔采用熔接法制作光纖FP腔其中有很多種手法可用，有些是直接用光纖熔接機熔接的，而另外也有一些是把兩段光纖插入毛細石英管里面然后用膠粘或者是用焊接的方法把毛細石英管和光纖固定起來。直接用光纖熔接機制作光纖FP腔可以利用了不同種類的光纖其具有不同的折射率，當這兩種不同種類，不同折射率的光纖熔接在一起時，其接觸面會有折射率突變，然后利兩段光纖接觸面折射率突變產(chǎn)生的菲涅爾反射，即可形成一段光纖FP腔，這樣制作得到的光纖FP腔精細度都很低。一般我們在熔接之前需要把熔接處的接觸面拋光處理。下面介紹一種北京理工大學(xué)提出的一種使用毛細石英管制作光纖FP腔的方法，首先是在兩根光纖的端面鍍膜，然后在把已經(jīng)鍍膜了的光纖端面插入環(huán)氧膠溶液中，放置一段時間再拉出來，環(huán)氧膠是紫外固化膠，把光纖垂直放置，利用重力在光纖端面形成一個環(huán)氧膠的微透鏡，讓紫外光照射光纖端面，加速環(huán)氧膠的固化速度。然后把兩根經(jīng)過這樣工藝處理過的光纖同時插入石英毛細管，用光譜儀接其透射譜觀察，當兩根光纖調(diào)節(jié)到最佳位置時用同樣的環(huán)氧膠固定毛細石英管。下圖就是這種光纖FP腔的制作原理圖。 圖39 石英管制作光纖FP（3）采用端面鍍膜制作的光纖FP腔雖然前面的FP腔制作過程中也有提到要在光纖端面鍍膜[36]，但是這里說的采用端面鍍膜制作光纖FP腔是指直接在一段光纖的端面上鍍上多層薄膜構(gòu)成一個外腔式的光纖FP腔，此種光纖FP腔在制作時不用光束校準，制作的過程并不那么復(fù)雜，在這種FP腔制作中我們主要考慮的是需要鍍的三層膜的材料和膜的厚度[37]，一般中間層的材料需要根據(jù)該傳感器探頭的用途來決定，本文中所用光纖FP腔也就是用這種方法制備而來的，這里我不再做過多的敘述，因為接下來的幾節(jié)中將會詳細介紹其制作過程。本文中制作的光纖FP腔探頭是采用在光纖端面鍍膜制作的外腔式FP腔（EFPI），如果直接在光纖端面鍍膜而光纖端面直徑十分微小，單模光纖加上外面的涂覆層其直徑僅250μm，在去掉涂覆層以后直徑僅125μm，在如此微小的端面上鍍膜很難保證膜的均勻性和穩(wěn)定性，為了保證膜的均勻性和膜與光纖結(jié)合的牢固性，在鍍膜的時候把光纖插入陶瓷插芯中，在陶瓷插芯的端面鍍膜，這樣薄膜和基底有更大的接觸面積，增加了膜的牢固性。下圖就是把光纖插入陶瓷插芯中的照片。 圖310 插入陶瓷插芯中的光纖其制作過程為，首先裸光纖的一端去掉適當長度的涂敷層，在去掉涂敷層的光纖上涂敷EPOTEK 353ND是雙組分膠后插入陶瓷插芯中，等待膠干以后固定，用光纖切割刀切去側(cè)面多余的光纖。然后把陶瓷插芯用專門制作的鍍膜夾具固定好放入磁控濺射鍍膜機內(nèi)準備鍍膜。本文中選用的是銀材料作為靶材制作反射薄膜，銀是一種非常優(yōu)秀的金屬反射薄膜，從前面的討論知道，此類薄膜雖然可以制備得到比較高的反射率，但是金屬薄膜對光的吸收也是很高的，所以在制備第一層反射薄膜時需要考慮這一層薄膜對光的吸收，厚度應(yīng)該以多大厚度為宜，太厚了則光不能通過第一層銀膜因此也不能形成干涉，第二層銀薄膜因為需要有盡可能高的反射率，而且不需要透射，所以可以把這層薄膜做得比第一層厚，而對于兩次反射光能量的分配以其在產(chǎn)生干涉時兩束光的能量相近為宜。第一層膜制備的厚度大約為5nm這層銀膜是以武漢理工大學(xué)光纖中心的磁控濺射鍍膜機制備。第一層薄膜制備好以后將樣品郵寄到上海交大，多孔硅薄膜是該實驗室代為制備的。圖311在光纖端面制備了一層銀膜和多孔硅的SEM圖 圖312 制備好了的光纖FP腔表面500倍放大圖片圖311是在銀膜上制備好了多孔硅以后的SEM照片，在這種照片上可以看到圖片分為3層。最上面的一層比較厚看起來有疏松的多孔結(jié)構(gòu)的就是多孔硅，在多孔硅下面以薄層的黑色的是銀反射膜，銀膜下面的是陶瓷插芯和光纖端面多孔硅薄膜制備好以后再以磁控濺射制備第二層反射膜，這一層反射膜無需考慮透射所以制備了50nm厚。圖313為制備了第二層銀膜以后的500倍顯微鏡圖片。 圖314為制備好的光纖FP腔的反射光譜圖，從這個圖中可以看出其光學(xué)參數(shù)。自由光譜寬度FSR=，這么大的自由光譜寬度用來做濕度傳感器已經(jīng)足夠了。 圖314 制備好的光纖FP腔光譜圖本章小結(jié)光纖FP腔在理論上的研究證明其具有重大的應(yīng)用前景，但是真正限制其在傳感器領(lǐng)域應(yīng)用的卻是光纖FP腔的制作不能像光纖光柵的制作擁有一種十分有效的制作方法。本章中介紹了一些光纖FP腔的制作方法，并提出了新的制作方法將陶瓷插芯應(yīng)用與光纖FP腔的制作中，增加了與薄膜接觸的面積，從而增加膜與光纖結(jié)合的穩(wěn)定性，在濕度敏感薄膜的選擇中分析了多孔硅的特性，并討論了多孔硅的制作方法，最后將多孔硅作為濕度敏感薄膜應(yīng)用與光纖FP腔濕度傳感器的制作中制備出光纖FP腔濕度傳感器。第4章 傳感器濕度測試實驗4．1濕度環(huán)境的產(chǎn)生在光纖FP腔濕度傳感器做好以后需要一個濕度發(fā)生裝置用