Plastic fiber optic humidity and gas sensor

Abstract

Bu çalısmada %13 ve % 95 bagıl nem aralıgında duyarlı olan basit ve ucuza maledilebilecek bir plastik fiber optik nem sensörü betimlenmistir. Bu nem sensörününduyarlılık mekanizması, kılıf tabakası kazınmıs olan fiber üzerine kaplanan polimer filminkırılma indisinin degismesi prensibine dayanmaktadır. Bagıl neme baglı olarak fiberinkırılma indisi degistigi zaman, fiber çıkıs voltajı da önemli ölçüde degisir. Fiber üzerinekaplanacak polimer olarak, yüksek oranda suyu-seven bir polimer olan Gammaisocyanatopropyltriethoxysilanepolyethylene glycol (PEG-Si) kullanılmıstır. Düsük nemseviyelerinde, PEG-Si yarıkristal bir yapıya sahiptir ve polimer tarafından emilen sumolekülleri miktarı arttıkça PEG-Si' nin kırılma indisi yavasça azalmaktadır. Bagıl nemin% 80'e ulastıgı noktada, fiber çıkıs voltajı artmaya baslar ve bir dönüm noktası olusur.Bunun nedeni % 80 bagıl nem degerinden sonra polimerin yarıkristal yapısının erimesi vekırılma indisinin aniden azalmasıdır. Bu kararsızlık probleminin üstesinden gelebilmekiçin, PEG-Si polimeri hidrojen ile zenginlestirilir. Hidrojene edilmis olan PEG-Si ilekaplanmıs olan fiberin çıkıs voltajında görülen dönüm noktası daha yüksek bagıl nemdegerlerine dogru kaymıstır ve böylece sensör çıkısının neme baglı duyarlılıgı lineer vetekrarlanabilir bir yapıya sahip olur. PEG-Si kaplanmıs olan fiberin aseton, metanol,heksan, toluen ve benzen olmak üzere çesitli gazlara olan etkisi de incelenmistir. Aseton,metanol ve heksan fiber çıkıs voltajını arttırırken, toluen ve benzen, halka moleküleryapısına sahip oldukları ve kırılma indisleri yüksek oldugu için, çıkıs voltajınıazaltmaktadır.

In this thesis, a simple and low cost plastic optical fiber (POF) sensor with ahumidity sensing range from 13 % to 95 % relative humidity (RH) is described. Thesensing mechanism of POF humidity sensor is based on the alterations of refractive indexof a polymeric thin film which is coated directly onto a polished segment of plastic opticalfiber as cladding layer. When the refractive index of the cladding layer of POF changes,due to the relative humidity, fiber output voltage changes significantly. Gammaisocyanatopropyltriethoxysilaneend-capped polyethylene glycol (PEG-Si), which is ahighly hydrophilic polymer, is used as the coated polymer film. At low humidity levels,PEG-Si has a semicrystalline form; therefore, its refractive index slowly decreases withrespect to increase in the amount of absorbed water molecules. As a result, the fiber outputvoltage decreases linearly up to 80 % RH; then, it shows a turning point and fiber outputvoltage starts to increase. Since PEG-Si melts from the semicrystalline form to a gel form,its refractive index shows a sudden decrease. To overcome this instability problem, PEG-Sipolymer layer is enriched with hydrogen. The turning point in the hydrogenated PEG-Sishifts to higher values of relative humidity and the sensor output gives a linear andrepeatable response to the humidity. The response of PEG-Si to various gases such asacetone, methanol, hexane, benzene, and toluene is also studied. It is observed that whenacetone, methanol, and hexane vapors are increased, the fiber output voltage increased;whereas toluene and benzene decreased the output voltage due to their ring structure andtheir high refractive index.