Optical fiber sensors for volatile organic compounds detection

Abstract

In the current work, three distinct configurations of optical fiber sensors were proposed and successfully demonstrated for the detection of volatile organic compounds (VOCs), as well as for the measurement of several physical parameters. All the fabricated sensors were based on the Fabry-Perot interferometer (FPI). Initially, sensors based on a hollow-core photonic bandgap fiber were proposed and their spectral response analyzed. The sensors were characterized to pressure and temperature employing a reflection scheme. One of the sensing heads revealed potential as a hybrid sensor for the simultaneous measurement of pressure and temperature. The 160 μm sensor was used to perform ethanol vapor detection, achieving a maximum sensitivity of (5.4 ± 0.2) pm/vol.% for the FPI. The second configuration explored in this work was comprised of a silica capillary tube (SCT) and a thin polymethyl methacrylate (PMMA) diaphragm. The sensors were used to perform measurements of pressure, temperature, and relative humidity. The 1050 μm featured a movable diaphragm, which was demonstrated to increase the pressure sensitivity. When exposed to ethanol in the gas phase, the sensors displayed highly nonlinear behavior. The 770 μm sensor achieved a maximum FPI sensitivity of (131.3 ± 5.3) pm/vol.%. Lastly, a configuration based on a SCT and a thick PMMA diaphragm was proposed, and a novel deposition technique was employed to create a dual-cavity FPI. The sensor response was characterized to pressure, temperature, and relative humidity. Finally, the sensor was used to perform ethanol, isopropanol, and hexanal detection, exhibiting maximum sensitivity values higher than the ones obtained in previous sensing configurations. The studied sensors demonstrated the importance of the use of a sensing layer and the optimization of fiber functionalization to achieve higher sensitivity in VOCs detection and improve sensor performance.

No presente trabalho, três configurações distintas de sensores em fibra ótica foram propostas e demonstradas com sucesso para a deteção de compostos orgânicos voláteis, bem como para a medição de vários parâmetros físicos. Todos os sensores fabricados foram baseados no interferómetro de Fabry-Perot. Primeiramente, sensores baseados numa fibra de bandgap fotónico com núcleo oco foram propostos e a sua resposta espetral analisada. Os sensores foram caracterizados à pressão e temperatura, empregando um esquema em reflexão. Um dos sensores revelou potencial como sensor híbrido para a medição simultânea de pressão e temperatura. O sensor de 160 μm foi utilizado para detetar vapor de etanol, alcançando uma sensibilidade máxima de (5.4 ± 0.2) pm/vol.% para o interferómetro de Fabry-Perot. A segunda configuração explorada neste trabalho era composta por um tubo capilar de sílica e um diafragma fino de polimetilmetacrilato (PMMA). Os sensores foram utilizados para realizar medições de pressão, temperatura e humidade relativa. Quando expostos a atmosferas de etanol na fase gasosa, os sensores apresentaram um comportamento altamente não linear. O sensor de 770 μm alcançou uma sensibilidade máxima de (131.3 ± 5.3) pm/vol.% para o interferómetro de Fabry-Perot. Por último, foi proposta uma configuração baseada num tubo capilar de sílica e num diafragma espesso de PMMA, e uma nova técnica de deposição foi utilizada para criar um interferómetro de Fabry-Perot de cavidade dupla. A resposta do sensor foi caracterizada à pressão, temperatura e humidade relativa. Por fim, o sensor foi utilizado para detetar etanol, isopropanol e hexanal, exibindo valores de sensibilidade superiores aos obtidos nas configurações anteriores. Os sensores estudados demonstraram a importância do uso de uma camada de deteção e da otimização do processo de funcionalização da fibra para alcançar sensibilidades superiores na deteção de compostos orgânicos voláteis, melhorando o desempenho dos sensores.