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基于丝素蛋白复合膜的锥形光纤湿度传感器及其特性研究

摘要

湿度是环境测量的一个重要物理量。近年来，研究者们提出了多种用于监测不同环

境下湿度的湿度传感器。与传统的湿度传感器相比，光纤湿度传感器因其抗电磁干扰能

力强、体积小、重量轻等优点受到了科研人员的广泛关注。由于石英光纤的亲水性较差，

导致了光纤对环境湿度的响应不灵敏。因此光纤湿度传感器一般需要引入湿敏材料来提

高光纤对湿度的响应。目前科研人员已经研制出许多基于湿敏材料的光纤湿度传感器，

其中大部分的湿敏材料都是人工合成的，造价高且不能被降解，容易对环境造成污染。

丝素蛋白（SilkFibroin，SF）是一种天然的蛋白质聚合物，具有生物相容性、生物可降

解性和环境友好性等特点。因此，SF在生物医学领域中得到了广泛的应用。

SF作为一种环保可再生材料，可以经过加工处理制成薄膜状。SF膜具有吸水特性，

在潮湿的环境中，SF膜中的氢键能够与环境中的水分子相互作用。然而SF膜的吸水性

并不强，掺杂LiBr可以提高SF膜的吸水性能。研究结果表明，当SF复合膜中LiBr掺

杂的比例达到18.91wt%时，SF复合膜的吸水性能最佳。

本文提出了一种基于SF复合膜的锥形光纤湿度传感器。SF复合膜作为该传感器的

湿敏涂层，将其涂覆在锥形光纤的腰锥区域来进行湿度传感。腰锥区域产生的倏逝场能

够检测外界折射率的改变，当外界湿度改变时，SF复合薄膜的折射率会发生改变，这导

致参与模式干涉的有效折射率差发生改变，进而引起了透射光谱的飘移，因此可以通过

测量透射光谱的波长飘移来监测环境中的湿度。本文先对锥形光纤的模式理论、倏逝波

的传播理论以及传感器的模式干涉原理进行了分析推导。然后在理论推导的基础上对传

感器的光谱进行了仿真，优化了该传感器的性能参数。利用优化后的参数对该传感器进

行了制备以及性能测试。测试结果表明，该传感器在29%~99%湿度范围内的平均湿度

灵敏度为-1.3nm/%RH，在20℃~80℃温度范围内的平均温度灵敏度不超过90pm/℃，

响应时间为900ms，并且具有良好的重复性和较低的迟滞性误差。

本课题通过涂覆的方式将SF复合膜与锥形光纤技术相结合，开阔了光纤湿度传感

器制造工艺的种类，为大规模生产光纤湿度传感器提供了可能。此外，该锥形光纤湿度

传感器由于结构简单、成本低、测量范围广、制作容易、灵敏度高、重复性好等诸多优

点，在生物医学、生物传感等各个领域都具有潜在的应用前景。

关键词：湿度传感器；锥形光纤；SF复合膜；倏逝场

基于丝素蛋白复合膜的锥形光纤湿度传感器及其特性研究

Abstract

Humidityisanimportantphysicalparameterofenvironmentalmeasurement.Inrecent

years,researchershaveproposedavarietyofhumiditysensorsformonitoringhumidityin

differentenvironments.Comparedwithtraditionalhumiditysensors,opticalfiberhumidity

sensorshaveattractedattentionfromresearchersbecauseofitsadvantagessuchasstronganti-

electromagneticinterference,smallsizeandlightweight.Duetothepoorhydrophilicityof

quartzfiber,theopticalfiberisinsensitivetoenvironmentalhumidity.Therefore,opticalfiber

humiditysensorsoftenn