CN101598607A - 一种高灵敏温度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高灵敏温度传感器，其特征在于，包括氟化镁基底和氟化镁薄膜，在氟化镁基底上设置有利用聚合物微纳光纤构成的环状微谐振腔结构，该环状微谐振腔一端通过氧化硅微纳光纤的锥形过渡区连接标准光纤输入端，另一端同样通过一氧化硅微纳光纤的锥形过渡区连接标准光纤输出端，环状微谐振腔采用倏逝波耦合的方式实现光输入和输出，所述氟化镁薄膜覆盖上述部件并将其固定和封装在氟化镁基底上。该高灵敏温度传感器是一种基于亚波长直径聚合物微纳光纤环形谐振腔的温度传感器，克服了现有技术中所存在的缺陷，灵敏度高，响应速度快。

Description

一种高灵敏温度传感器
技术领域
本发明涉及温度传感器技术领域，具体涉及一种基于亚波长直径聚合物微纳光纤环形谐振腔的高灵敏温度传感器。
背景技术
温度传感器是一种利用已知可以探测的物理量去传感或间接测量温度变化的传感器件，它在航空航天、医学生物、工业制造以及矿产能量等领域都有着广泛的应用。目前有各种基于不同传感原理的温度传感器，近几年随着光学测量和光纤技术的不断进步，基于光纤光学的温度传感器也得到了迅速地发展，光纤温度传感器相比于常规的电阻型温度传感器具有集成度高、体积小、重量轻、功耗低、不受电磁干扰等显著优势，但目前大多数的光纤温度传感器存在着结构复杂、测量灵敏度较低、响应速度慢的缺点。为了能够提高光纤温度传感器的测量灵敏度和响应速度，并结合光学在精密测量领域有其独特的优势，因此采用新材料和新结构的光纤温度传感器成为了其中一个重要的发展方向。
在现有报道中，早期的光纤温度传感器多是采用光纤干涉仪的方式测量外界温度变化引起光强和相位变化的方法，然而光强和相位测量在抗干扰能力方面的不足制约了此类传感器在高精度、高灵敏温度传感领域的应用，为了解决光强测量抗干扰能力差的问题，出现了光纤布拉格光栅的温度传感器，这种光纤光栅结构的温度传感器以测量温度所引起的布拉格波长的改变取代了测量输出光强和相位，但是光纤光栅结构的温度传感器制备工艺难度较大，制作设备昂贵，并且光纤光栅的温度测量灵敏度不高和响应速度慢成了有待解决的问题；在国际上对光纤温度传感器的最新研究中，也有采用新结构的光子晶体纤作为光纤温度传感的新传感介质，这种基于光子晶体光纤的温度传感器在光纤制备成本、制备工艺和结构设计上都存在着相当大的难度，并且，相对于现有的光纤干涉仪和光纤光栅型温度传感器，基于光子晶体光纤温度传感器的测量灵敏度和响应速度也很难实现较大的突破。
发明内容
本发明所要解决的问题是：如何提供一种高灵敏温度传感器，它是一种基于亚波长直径聚合物微纳光纤环形谐振腔的温度传感器，克服了现有技术中所存在的缺陷，灵敏度高，响应速度快。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种高灵敏温度传感器，其特征在于，包括氟化镁基底和氟化镁薄膜，在氟化镁基底上设置有利用聚合物微纳光纤构成的环状微谐振腔结构，该环状微谐振腔一端通过氧化硅微纳光纤的锥形过渡区连接标准光纤输入端，另一端同样通过一氧化硅微纳光纤的锥形过渡区连接标准光纤输出端，环状微谐振腔采用倏逝波耦合的方式实现光输入和输出，所述氟化镁薄膜覆盖上述部件将其固定和封装在氟化镁基底上。
按照本发明所提供的高灵敏温度传感器，其特征在于，所述聚合物微纳光纤直径为0.1～5微米，所述环形微谐振腔的直径为50微米～800微米。
按照本发明所提供的高灵敏温度传感器，其特征在于，所述氟化镁薄膜厚度为1～5微米。
基于亚波长直径聚合物微纳光纤环形谐振腔的温度传感器传感方法：利用直径为0.1～5微米的聚合物微纳光纤作为传感器件，用聚合物微纳光纤环构成环形微谐振腔实现传感，光在聚合物微纳光纤中以大比列的倏逝波形式传输，在环形腔耦合区的两根聚合物微纳光纤在近场产生倏逝波耦合，形成微型的聚合物微纳光纤环形谐振腔，环形谐振腔传感结构被放置在一片氟化镁晶体的基底上，上表面镀有一层氟化镁薄膜对传感结构进行固定和封装。当周围传输介质的温度不变时，聚合物环形谐振腔输出稳定的光谱信号；与普通石英光纤相比，聚合物微纳光纤具有更高的热光系数和热膨胀系数，因此周围环境微小的温度变化都会引起环形谐振腔长度和传播常数等参数的变化，从而使聚合物微纳光纤环形谐振腔输出光谱的谐振峰以及输出光强随之发生变化；根据其输出光谱谐振峰和输出光强的变化传感周围温度的变化。
本发明的有益效果：
1)实现了利用亚波长直径聚合物微纳光纤环形谐振腔温度传感的方法；
2)实现了将聚合物微纳光纤环与镀膜封装工艺相结合的制作技术；
3)提高了光学温度传感器的测量灵敏度和响应速度；
4)实现了一种微纳结构的聚合物光纤高灵敏度温度传感器。
附图说明
图1是聚合物微纳光纤环形谐振腔的显微照片；
图2是利用氟化镁基底和氟化镁薄膜封装的聚合物微纳光纤环形谐振腔温度传感的示意图；
图3是基于聚合物微纳光纤环形谐振腔温度传感的测试系统示意图；
图4是聚合物微纳光纤环形谐振腔的典型输出光谱图；
图5是聚合物微纳光纤环形谐振腔的输出光谱的谐振峰温度响应图；
图6是聚合物微纳光纤环形谐振腔的输出光强的温度响应图。
其中，1、聚合物微纳光纤环状微谐振腔，2、氧化硅微纳光纤，3、锥形过渡区，4、标准光纤输入端，5、标准光纤输出端，6、氟化镁基底，7、氟化镁薄膜，8、宽谱光源，9、可控高频CO2激光器，10、光电探测器，11、光谱仪或示波器，12、聚合物微纳光纤环温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述：
由于现有的温度传感器普遍存在结构复杂，体积较大，测量精度低，响应速度慢等问题，为了能够实现高灵敏度、快速响应的测量，并且降低制作难度和成本，提出了采用聚合物微纳光纤环状微谐振腔1进行温度传感的测量方式，利用直径在亚波长量级的聚合物微纳光纤环构成环形谐振腔代替普通光纤干涉仪或者光纤光栅作为传感器件，该聚合物微纳光纤是利用液融态聚合物材料迅速提升拉制出的直径为0.1～5微米具有较高的直径均匀性和较表面粗糙度的细光纤，聚合物微纳光纤环状微谐振腔1利用倏逝波耦合构成环形谐振腔，无需腔内表面镀膜，工艺要求不高，光在环形腔中谐振加强，并且输出的谐振光谱特性稳定；通过测量聚合物微纳光纤环形腔的输出谐振谱线不仅能提高测量灵敏，而且有很强的抗干扰能力，采用具有较大热光系数和热膨胀系数的聚合物材料代替普通光纤作为温度传感介质，大大提高了传感的灵敏度和响应速度。
如图1所示，器件结构包括：聚合物微纳米光纤环状微谐振腔1，氧化硅微纳光纤、锥形过渡区3、标准光纤输入端4、标准光纤输出端5、氟化镁基底6、氟化镁薄膜7。其中聚合物微纳光纤(PMMA、PS、PI等材料)是采用迅速提升液融态聚合物的方式，拉制出直径0.1～5微米的细光纤，利用聚合物物微纳光纤构成直径为150微米具有较高的品质因数和较高精细度的环形谐振腔结构，标准光纤输入端4和标准光纤输出端5分别通过锥形过度区3与一段热熔拉伸的微纳光纤连接，聚合物微纳光纤与输入、输出端的微纳光纤通过倏逝波耦合的方式进行光传输，整个传感结构放置在一块氟化镁基底6上，上表面镀有一层1～2微米厚的氟化镁薄膜7对传感结构进行封装，光信号从输入端单模光纤输入，通过用聚合物环形谐振腔后形成谐振，再从接收端的单模光纤输出信号光。
如图2所示，聚合物微纳光纤环形谐振腔1放置在氟化镁基底6上，输入端和接收端的分别通过两根利用热熔法拉制成氧化硅微纳光纤进行光的倏逝波耦合传输，氧化硅微纳光纤是通过锥形过渡区与标准单模光纤连接，上表面镀有一层氟化镁材料的薄膜对传感结构进行固定和封装。标准光纤输入端4连接宽谱光源8，标准光纤输出端5连接光电探测器10，光电探测器10连接光谱仪或者示波器11，电脑控制高频CO2激光器9对封装好的环形谐振腔部分进行激光脉冲加热。
如图3所示，用电脑控制高频CO2激光器对封装好的环形谐振腔部分进行激光脉冲加热，将传感器的输入端通过标准光纤连接到宽带光源上，输出端连接在光纤光谱仪上，通过改变CO2激光的扫描功率可以得到不同输出谐振谱；此外，可将传感结构的输出端连接光电探测器，光电探测器连接到示波器上测量输出光强，通过改变CO2激光的扫描频率可以得到输出光强的响应；
如图4所示，利用光谱观察到聚合物微纳光纤环形谐振腔的典型输出谐振光谱信号。
如图5所示，利用电脑控制高频CO2激光器对封装好的环形谐振腔部分进行激光脉冲加热，将传感结构的输入端通过标准光纤连接到宽带光源上，输出端连接在光纤光谱仪上，通过改变CO2激光的扫描功率可以得到随温度响应输出光谱谐振峰的漂移。
如图6所示，将传感结构的输出端连接光电探测器，光电探测器连接到示波器上测量输出光强，通过改变CO2激光的扫描频率可以测得聚合物环形谐振腔输出光强的温度响应速度。
实施例
利用聚合物(PMMA、PS、PI等材料)微纳光纤制作好环形谐振腔后，将其放置于氟化镁基底上，利用氟化镁薄膜对整个传感结构进行固定和封装，用电脑控制高频CO2激光器对封装好的环形谐振腔部分进行激光脉冲加热(图3)，将传感结构的输入端通过标准光纤连接到宽带光源上，输出端连接在光纤光谱仪上，通过改变CO2激光的扫描功率可以得到不同输出谐振谱(图5)；此外，可将传感结构的输出端连接光电探测器，光电探测器连接到示波器上测量输出光强，通过改变CO2激光的扫描频率可以得到输出光强的响应图；如图6所示，实验测得的聚合物微纳光纤环的光强响应速度达到20ms。
上述具体实施方法用来解释说明本发明装置，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利说明书的保护范围内，对本发明的任何改变与变动，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1、一种高灵敏温度传感器，其特征在于，包括氟化镁基底和氟化镁薄膜，在氟化镁基底上设置有利用聚合物微纳光纤构成的环状微谐振腔结构，该环状微谐振腔一端通过氧化硅微纳光纤的锥形过渡区连接标准光纤输入端，另一端同样通过一氧化硅微纳光纤的锥形过渡区连接标准光纤输出端，环状微谐振腔采用倏逝波耦合的方式实现光输入和输出，所述氟化镁薄膜覆盖上述部件将其固定和封装在氟化镁基底上。
2、根据权利要求1所述的高灵敏温度传感器，其特征在于，所述聚合物微纳光纤直径为0.1～5微米，所述环形微谐振腔的直径为50微米～800微米。
3、根据权利要求1所述的高灵敏温度传感器，其特征在于，所述氟化镁薄膜厚度为1～5微米。
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