Surface plasmon resonance (SPR)-based highly integrated optical fiber sensor for simultaneous detection of temperature, magnetic field, methane, relative humidity, voltage and hydrogen

技术摘要：用于六参数同时检测的高集成度 SPR 光纤传感器

问题陈述
工业安全生产，特别是在甲烷和氢气共存且物理条件复杂的环境中，需要对温度、磁场、湿度、电压和气体浓度等多个参数进行实时监测。由于传统的电化学或半导体传感器具有固有的电磁特性，在这些高风险环境中存在显著的爆炸风险。虽然光纤传感器因其不受电磁干扰影响且尺寸微小的特性而提供了更安全的替代方案，但现有的多参数传感器仍面临局限性。目前的解决方案通常依赖于级联纵向结构，这会导致高信号损耗和低灵敏度；或者采用横向结构，其难以实现高集成密度。因此，需要一种能够以高灵敏度和高稳定性同时检测六种不同物理量的单探头高集成度传感器。

研究方法
作者提出了一种基于表面等离子体共振（SPR）的新型光纤传感器，该传感器采用 12 孔光子晶体光纤（PCF）作为基底。传感器设计涉及三面抛光工艺，以将镀金的空气孔暴露于外部环境。

• 结构： 该传感器特征为 125 µm 的纤维直径，具有直径为 $d$ 且距离纤芯距离为 $l_1$ 的空气孔。金膜（厚度为 $h$）交替沉积在排列的空气孔中。
• 传感机制： 六个不同的空气孔分别填充了对特定参数具有响应能力的敏感材料，每种材料对应一个目标参数：
  • 温度 (T)： 聚二甲基硅氧烷 (PDMS)。
  • 磁场 (H)： 磁流体 (MF)。
  • 甲烷 (CH₄)： 隐烷类-A 与紫外固化氟硅氧烷复合物 (Crypt-A/UVCFS)。
  • 相对湿度 (RH)： 聚乙烯醇 (PVA)。
  • 电压 (U)： E7 型向列型液晶 (E7NLC)。
  • 氢气 (H₂)： 钯-氧化钨 (Pd-WO₃)。
• 仿真与优化： 利用有限元法 (FEM) 通过 COMSOL 软件对传感器性能进行了分析。研究重点在于基模 (FM) 及其与表面等离子体极化激元 (SPP) 模式的耦合。通过优化结构参数（$d$、$l_1$ 和 $h$），以最大化六个共振损耗峰的平均锐度 (AS)，同时最小化总传输损耗 (SL)。
• 解调： 构建了灵敏度矩阵以实现六个参数的解耦。系统通过六个不同共振波长（RW1–RW6）的变化来求解 T、H、CH₄、RH、U 和 H₂ 的变化。

核心贡献

1. 首创集成化： 本文声称这是首个在单个探头结构内实现六种物理量（T、H、RH、U、CH₄、H₂）同时集成检测的光纤传感器。
2. 优化的多通道设计： 通过利用填充有不同敏感材料的交替排列镀金 12 孔光纤，该设计实现了每个参数都有独特的共振峰，避免了级联传感器阵列带来的高损耗问题。
3. 鲁棒的矩阵求逆： 研究表明，该灵敏度矩阵具有良好的条件数（条件数 = 71.22），确保了用于解调六个参数的求逆过程是稳定且对测量噪声不敏感的。
4. 制造容差： 该设计表现出极强的鲁棒性，即使结构参数偏离设计值 ±3%，灵敏度波动仍保持在 6% 以下，表明了实际制造的可行性。

结果
数值模拟和理论分析在特定操作范围内得出了以下性能指标：

• 操作范围： 温度 (20–40°C)、磁场 (35–135 Oe)、甲烷 (0–2%)、相对湿度 (30–70%)、电压 (180–260 V) 和氢气 (0–3%)。
• 灵敏度： 优化后的传感器实现了以下平均灵敏度：
  • 温度：-4.9 nm/°C
  • 磁场：0.85 nm/Oe
  • 甲烷：-41.3 nm/%
  • 相对湿度：-4.85 nm/%RH
  • 电压：3.95 nm/V
  • 氢气：-60.05 nm/%
• 光谱特性： 在传输光谱中观察到六个不同的损耗峰。每个峰对应一个特定参数，当其他变量保持不变时，共振波长随目标变量的变化呈线性偏移。
• 对比： 与现有的多参数传感器（参考 [9], [11], [30], [31]）相比，本研究展示了更优的集成密度以及在相应参数上具有竞争性或更优的灵敏度水平。

意义
作者指出，这项研究在光纤传感领域的集成密度方面取得了突破。通过在单个紧凑型器件中成功实现六种不同物理和化学参数的同时检测，该传感器解决了复杂高风险工业环境监测的关键需求。论文强调了该传感器在环境监测、工业生产状态检测以及地质勘探等场景中的应用潜力，特别是在多种元素同时发生变化的安全性至关重要的场景下。这项工作为利用光子晶体光纤中的 SPR 原理进行高密度多参数传感建立了新的框架。