0 引言
氢气在各种工业过程中的监测非常重要，例如石油开采，化工过程，冶炼，更重要的，在电力行业里。但是，大量氢气的运输、存储和使用便遇到了极大地安全问题，因为氢气的爆炸下限按体积比计算只有 4%，是极易爆炸的[1]。由于氢气具有溶解于金属，低粘度，质轻等特性使其易于泄露，因此，低浓度氢气含量的探测就显得尤为重要。一般说来，电子式传感器有潜在的放电的危险，这就增加了爆炸的危险。相比来说，光学传感器尤其是光纤传感器，具有很多优点，例如本质安全，高工作温度，抗电磁干扰[2-5]。目前已经开展了大量的工作来研发全光纤是氢气传感器，这里最多的采用铂金对光纤端面进行镀膜。而这种传感器有两个问题。其一是这种传感器的响应时间相对来说很长，一般来说在分钟量级，甚至更长。另一个问题是铂薄膜在暴露在高浓度氢气中时容易从基底上脱落。第一个问题影响传感器的性能，而第二个问题会导致传感器失效。
微米机械和纳米机械谐振器优于其具有尺寸小，高灵敏度引起了人们广泛的研究兴趣[6-8]。但是，尽管谐振器本身尺寸很小，整个的设备却是要建立在一个芯片上，并且需要大量的电子器件或者是光学器件来激发或者是探测谐振信号。因此，没有能够真正的实现设备的微型化。本文报道了一个全光纤式谐振器，其只坐在光纤探针上，直径只有 125um。除了小尺寸外，本文提出的全光纤是氢气传感器具有高灵敏度，低化学敏感，高响应度，低成本，低温度交叉敏感。
1 传感器制作
传感器的制作过程包括：1)将一根普通单模光纤(SMF, CorNIng SMF-28) 切好并同一个多模光纤(MMF, Thorlabs MMF 625) 熔接到一起。接下来将多模光纤切去，只留下 30um 长的部分。2)采用磁控溅射(使用 the Edward 305 rf sputtering system)的方法将光线探针端面上分别镀上 30nm 的铬和500nm 的金(基于镀膜时间估计)[9]。3)然后利用聚焦离子束(FIB, FEI Helios 600 NanoLab)在光线探针上刻出一个谐振器，包括振动臂和中心反射镜。然后两个臂用聚焦离子束化学气相沉积方法堵上一层铂金和碳按一比一配比的 500nm 的薄膜。4)将该光纤探针放入到氢氟酸中来腐蚀出一个谐振腔结构。这一步是基于多模光纤的纤芯的腐蚀速度要比包层要快[10]。腐蚀完成后，多模光纤的纤芯被完全去除，多模光纤的包层变形成了谐振器结构。制作过程的流程图如图1 所示。图2所示为谐振器的剖面图。图2 中的插图为光纤探针端面的扫描电镜放大图。
该机械式谐振器是用由导入光纤入射的调制激光来激发的。辐射压效应和光热效应的共同作用的效果便完成了光学-机械能量转换[7, 11]。谐振器的振动是用另一束不同波长的连续激光来探测的。探测光束是由光纤探针处反射回的两束光组成的。一束是单模光纤的端面反射回的，而另一束是由镀金反射膜(该反射膜固定在振动臂上)反射回的光束。而第一束光并没有相位调制，第二束光区由于反射面的震动引起的多普勒频移效应产生相位调制。当第二束光反射回光纤后与第一束光产生干涉，便产生与振动频率相同的强度调制信号，信号的强度与振动的幅度成正比。在接收端使用一个窄带滤波器将激发激光产生的无用的信号滤除，保留有用的信号。谐振器的支撑臂上度了一层亚微米厚的铂金属层，他在接触到氢气时会通过催化氧化过程产生热量[12]，然后由于温度的改变会产生谐振频率的移动。
2 实验装置及结果分析
系统原理图如图3 所示。系统中使用了两束激光。一束波长为 1548nm 的功率大约为 1mW 的激光作为激励激光(New Focus Inc. model 6300)，其强度有一个函数信号发生器进行正弦调制。激励光束的光功率又被一个掺铒光纤放大器放大到20dB。另一束激光(Scorpio Fiber Laser with 20mW output power at 1550.5 nm, NP Photonics Inc.)作为传感器的查询光源。两个激光器发出的激光通过一个 2×2 的 10:90 的耦合器偶喝道一个光纤中传输到反射镜中(图 2 中的中间圆盘)。反射信号通过一个中心波长 1550.5nm 的光纤滤波器后入射到铟镓砷探测器。然后又用示波器(LeCroy Inc.,WavePro 725Zi). 来显示和分析输出信号。
当函数信号发生器的输出频率有 50kHz 到2MHz，我们能够在快速傅里叶变换频谱仪上观测到一系列的时域信号峰值。我们观测到的最低谐振频率(基频)大约为 400kHz。在氢气探测试验中，我们选择具有更大的信号强度和频移的第三个谐振频率(大约为 1.7MHz)。该谐振器在空气中的品质因数为 170。由于氢气的存在，铂金属层的热催化反应释放出热量，升高的支撑臂的温度。
温度的上高将会在振动臂上产生轴向分布的内应力[13]，由此谐振频率将会发生移动。这可以利用两个连接到两个平行的弹簧(弹性常数分别为 k0和 kT)上的质量块的模型，前一个表示由于整体质量相关的弹性常数，后一个表示由于热诱导效应相关的弹性常数，其相对谐振频移可以表示为：
在测量实验中，传感器放置于一个密闭的容器中。在氢气注入前测量一下谐振器的谐振频率。为了进行测量，我们需要将函数信号发生器的输出频率以采样间隔 1kHz 和采样频率 20 点。计算和记录每一个频率的震动幅度;然后，利用高斯拟合所有的数据点来计算出谐振频率的精确位置。接下来，向密闭容器中注入一定量的氢气(本实验中，我们测试的氢气浓度为 1%，2%，3%，4%)，氢气注入后立即测量谐振频率。我们能够看到氢气注入后较明显的频移。然后将密闭容器打开释放到所有的氢气，在进行另一个谐振频率的测量。测量频率的恢复时间能够爱 1 分钟以内。
测量结果如图 4 所示，插图给出了气体浓度和频移之间的关系。测量的氢气浓度为 1%，2%，3%，4%是的频移分别为1170.4, 1809.8, 2060.2, 2187.0Hz。完成测量后，将密闭容器中的氢气完全释放出来。在图 4 中，标记“response without H2”的曲线对应每次氢气释放完后测量
的频率响应。他们完全重合表明传感器完全复位。根据对氢气浓度为 3% 和 4% 的测量，以及使用 100Hz 的信号解调方法。传感器的灵敏度高于 0.1%(1000 partsper million, ppm)，其文图相关度为-120Hz/℃，也即是 1025 ppm/℃。这也即是说该传感器对环境温度漂移不敏感，因此，对该传感器进行温度补偿也相对容易。
3 结论
本文实现了最小的光纤式氢气探测声音谐振器。谐振器的激励和探测完全采用光学方法。采用铂金属作为催化热反应器，证实了谐振器的谐振频率是氢气浓度的函数。该方法实现了氢气探测灵敏度为 1000ppm。
参考文献：
[1] Hydrogen material safety data sheet, https://www.airgas.com/documents/pdf/001026.pdf.
[2] A. Trouillet, E. Marin, and C. Veillas, Surface plasmonresonance hydrogen sensor using an optical fibre, Meas.Sci. Technol. 17, 1124 (2006).
[3] X. Bevenot, A. Trouillet, C. Veillas, H. Gagnaire, and M.Clement, Hydrogen leak detection using an optical fibresensor for aerosPACe applications, Meas. Sci. Technol. 13,118 (2002).
[4] X. Bevenot, A. Trouillet, C. Veillas, H. Gagnaire, andM. Clement, Suspended microchannel resonators forbiomolecular detection, Sens. Actuators B 67, 57 (2000).
[5] D. Iannuzzi, S. Deladi, M. Slaman, J. H. Rector, H.Schreuders, and M. C. Elwenspoek, adsorption-inducedsurface stress and its effects on resonance frequency ofmicrocantilevers, Sens. Actuators B 121, 706 (2007).
[6] B. J. Costello, S. W. Wenzel, and R. M. White, Science251, 1372 (1991).
作者简介：刘琨(1973-)，女，沈阳人，副教授，研究方向为电机与电器。
