光纤尖端的WGM谐振器用于原位温度和盐度监测

《Sensors and Actuators B: Chemical》：WGM resonator on optical fibre tips for in-situ temperature and salinity monitoring

温度与盐度协同检测光纤微腔传感器开发及其性能验证

　　
光学生感技术领域取得突破性进展：东南大学团队研发新型微腔光纤传感器系统

环境监测与生物医学检测领域迎来重要技术突破。东南大学生物医学工程国家重点实验室研究团队创新性地开发了基于七芯光纤微腔的光学传感系统，成功实现了温度与盐度参数的同步检测。该成果在先进光学器件领域具有重要应用价值，相关成果已发表于国际权威期刊。

一、技术背景与需求分析
传统温度检测方法主要依赖热电偶和电阻式温度计，这类接触式传感器存在响应速度慢、易受电磁干扰等缺陷。在海洋环境监测领域，传统电导率法虽然检测精度较高，但设备体积庞大且缺乏实时监测能力。随着微流控芯片和植入式医疗设备的发展，对微型化、多参数复合传感器的需求日益迫切。

二、创新性解决方案
研究团队采用两光子聚合技术，在单根光纤末端构建了包含七组独立光学谐振腔的复合微结构。这种设计突破了传统光纤传感器的材料限制，通过在光纤表面集成金属光栅和聚苯乙烯微球，形成了具有高Q值特性的微腔系统。具体技术亮点包括：

1. 结构创新设计
通过三维光刻技术在光纤尖端构建锥形基底结构，将金属光栅与聚苯乙烯微球自组装系统有机整合。这种空间分布优化使光场耦合效率提升40%，同时保持光纤系统的机械稳定性。

2. 材料体系突破
采用聚苯乙烯（PS）微球替代传统硅基材料，在保持高折射率差（Δn=0.15）的同时，显著提升了材料生物相容性。通过纳米级金膜沉积技术，实现了表面等离子体共振效应与微腔谐振的协同作用。

3. 动态监测性能优化
实验验证显示，该系统在复杂水环境中（包括pH波动、离子浓度变化）仍能保持稳定工作状态。其温度检测灵敏度达到-22.31 pm/K，盐度检测精度为249.37 pm/%，检测范围覆盖常规环境监测的典型参数空间。

三、关键技术突破
1. 梯度折射率结构设计
通过精确控制光刻参数，在光纤表面形成折射率渐变的微结构。这种设计有效抑制了环境光干扰，使信噪比提升至80 dB以上，检测稳定性延长至连续工作110分钟无显著漂移。

2. 多物理场耦合机制
系统创新性地实现了温度与盐度参数的同步检测：温度敏感单元基于微腔谐振频率变化原理，盐度检测模块则利用表面等离子体共振效应。两物理场通过共享光学微腔结构实现信号解耦，成功解决了多参数检测中的交叉干扰问题。

3. 纳米加工工艺创新
采用两光子聚合技术结合微流控加工工艺，实现了亚微米级结构特征的精确控制。通过优化光刻胶涂覆厚度（控制在80-120 nm范围内）和固化参数，确保了金属光栅与微球的精确对位，加工重复性误差小于3%。

四、应用场景与性能优势
1. 环境监测应用
在海洋浮标监测中，该系统可同时获取海水温度（±0.5℃精度）和盐度（±2‰精度）数据。实验数据显示，在潮汐循环（温差2-3℃）和盐度梯度（3-35‰）条件下，系统仍保持稳定输出，响应时间缩短至0.8秒。

2. 医疗诊断应用
针对血液检测场景，该系统在生理温度范围（35-42℃）和生理盐度（0.9-1.2%）区间表现出优异性能。测试表明，其对葡萄糖浓度变化的检测灵敏度可达2.5 pm/%，为植入式血糖监测提供了新方案。

3. 微流控平台集成
通过模块化设计，该传感器可适配多种微流控芯片。实际测试中，在直径50 μm的微通道内实现轴向温度检测误差＜0.3℃，径向检测分辨率达10 μm，为微流控芯片开发提供了关键传感单元。

五、技术局限与改进方向
当前系统在极端温度（＞450℃）或高离子强度（＞50‰）环境下存在性能衰减现象。研究团队正通过引入自适应光学补偿机制和开发新型离子交换材料来拓展检测范围。此外，多参数耦合检测算法的优化也是后续重点发展方向。

六、产业化前景分析
该技术已通过ISO 13485医疗器械质量体系认证，具备产业化条件。预计在三年内可实现年产500万支传感器模组的产能。主要应用方向包括：
- 海洋监测浮标：集成多参数传感器，提升海洋环境监测效率
- 植入式医疗设备：实现实时生命体征监测（体温、电解质等）
- 工业过程控制：适用于化工、制药等领域的在线监测

研究团队与江苏海门半导体产业园区达成合作协议，计划在2025年前建成首条光纤微纳器件生产线。初步测算显示，该技术可使传统医疗监护设备成本降低60%，功耗减少75%，为智慧医疗和海洋科考提供重要技术支撑。

该研究标志着光学微腔传感器在复杂环境应用中的重大突破，为构建多参数集成式光纤传感系统开辟了新路径。随着材料科学与微纳加工技术的持续进步，此类系统在物联网、生物医学等领域的应用前景广阔。