CN105371979A - 基于mems技术的光纤温度传感芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明首次涉及一种基于MEMS技术的光纤温度传感器芯片。本光纤温度传感器芯片包括一个底座，一个温度应变驱动臂，和一个MEMS微镜，所述MEMS微镜的工作面有高光反射率的材料构成，用于反射光线，温度应变驱动臂用来连接底座和MEMS微镜，初始状态时，微镜与底座平行，当环境温度变化时，由不同热膨胀系数的材料组和制作的温度应变驱动臂发生形变，从而驱动MEMS微镜偏转，使入射到MEMS微镜上的光线发生角度偏转，温度与MEMS微镜的偏转角度是一一对应的关系。本发明为全无源设计，体积微小，结构简单，灵敏度高，芯片制作采用成熟的半导体工艺，制造容易，易于大批量生产，成本低。
Description
技术领域
本发明述及一种基于MEMS技术的光纤温度传感芯片，属于光纤传感领域。
背景技术
温度是科学技术、日常生活、工业生产中最基本、最重要的物理量之一，温度的检测与控制，在国民经济各个部门和人们的日常生活中，起着十分重要的作用。光纤温度传感器以其具有抗电磁干扰、防燃、防爆、本征安全，尺寸小、对被测温度场影响小等优点，在军工装备、电力工业、机械工业、汽车工业、钢铁工业、石油化工、食品饲料等领域有着巨大的应用潜力。目前的光纤温度传感器种类很多，主要有光纤光栅温度传感器、光纤Fabry-Perot干涉式温度传感器、光纤荧光温度传感器、拉曼光纤温度传感器等。尽管以上这些光纤温度传感器因其良好的传感性能取得了较广泛的应用，但是它们仍然存在不足之处，例如光纤光栅温度传感器波长解调装置复杂，采样间距偏大，串接数量少，光纤Fabry-Perot干涉式温度传感器制作工艺相对复杂，光纤荧光温度传感器对探测装置要求很高，拉曼光纤温度传感器检测电路成本昂贵。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于MEMS技术的光纤温度传感芯片，该温度传感芯片具有结构简单，灵敏度高，灵敏度与测量范围可定制等特点，芯片制作采用成熟的半导体工艺，制造容易，易于大批量生产，成本低，可在军工装备温度监测、油库罐群温度监测、电力系统温度监测、矿井隧道火灾监测、温室粮仓温度监测、建筑物结构健康监测等多种工业、农业、日常生活、科研场合得到应用。
为了达到上述目的，本发明采用下述技术方案：基于MEMS技术设计制作的光纤温度传感器芯片。本光纤温度传感器芯片包括一个底座，一个温度应变驱动臂，和一个MEMS微镜，所述MEMS微镜的工作面有高光反射率的材料构成，用于反射光线，温度应变驱动臂用来连接底座和MEMS微镜，初始状态时，微镜与底座平行，当环境温度变化时，由不同热膨胀系数的材料组和制作的温度应变驱动臂发生形变，从而驱动MEMS微镜偏转，使入射到MEMS微镜上的光线发生角度偏转，温度与MEMS微镜的偏转角度是一一对应的关系，通过检测偏转角度得到温度信息。
上述的基于MEMS技术设计制作的光纤温度传感器芯片，其特征在于使用MEMS技术设计、加工、生产，是全无源器件，其特征在于该芯片包括一个底座（1），一个温度应变驱动臂（2）和一个MEMS微镜（3）。
上述的基于MEMS技术设计制作的光纤温度传感器芯片，其特征在于该MEMS微镜（3）的工作面由高光反射率的材料构成，用于反射光线，温度应变驱动臂（2）由不同热膨胀系数的材料组和制作，用来连接底座（1）和MEMS微镜（3）并提供温度变化时的驱动力。初始状态（4）时，MEMS微镜（3）与底座（1）平行，当环境温度变化时，温度应变驱动臂（2）发生形变，从而驱动MEMS微镜（3）偏转，使入射到MEMS微镜（3）上的光线发生角度偏转2θ，达到形变状态（5），温度与MEMS微镜的偏转角度θ是一一对应的关系。由不同热膨胀系数的材料组和制作的温度应变驱动臂（2）可以根据设计版图及工艺自由控制，通过改变臂长，臂厚，选取不同热膨胀系数的材料等手段，使其发生的形变可以按照要求设计，达到偏转角度按照要求实现任意定制。
本发明的工作原理：
当环境温度变化时，由不同热膨胀系数的材料组和制作的温度应变驱动臂发生形变，从而驱动MEMS微镜偏转，使入射到MEMS微镜上的光线发生角度偏转，温度与MEMS微镜的偏转角度是一一对应的关系，角度的变化导致入射反射的光线耦合产生插入损耗变化，通过检测插入损耗得到温度信息。
本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：1）本发明采用成熟的半导体工艺设计制作，体积微小，全无源；2）本发明结构简单，MEMS芯片制造容易，易于大批量生产，性能稳定，一致性好，成本低廉；3）本发明对光源、探测器没有特殊要求；4）本发明无需技术复杂、价格昂贵的波长解调设备，属于强度调制型传感器；5）配合成熟的光纤通信WDM技术非常易于实现准分布海量测试点实时监测。
具体实施方式
图1是本发明的优选实施例的结构示意图，说明如下，该芯片包括一个底座（1），一个温度应变驱动臂（2）和一个MEMS微镜（3）。该MEMS微镜（3）的工作面由高光反射率的材料构成，用于反射光线，温度应变驱动臂（2）由不同热膨胀系数的材料组和制作，用来连接底座（1）和MEMS微镜（3）并提供温度变化时的驱动力。初始状态（4）时，MEMS微镜（3）与底座（1）平行，当环境温度变化时，温度应变驱动臂（2）发生形变，从而驱动MEMS微镜（3）偏转，使入射到MEMS微镜（3）上的光线发生角度偏转2θ，达到形变状态（5），环境温度与MEMS微镜的偏转角度θ是一一对应的关系。
图2中示出温度与本MEMS技术的光纤温度传感芯片中的MEMS微镜偏转角度对应的关系曲线。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种光纤温度传感器芯片，其特征在于使用MEMS技术设计、加工、生产，该芯片为全无源器件，体积微小，结构简单，灵敏度高，芯片制作采用成熟的半导体工艺，制造容易，易于大批量生产，成本低。
2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于环境温度变化引起应变驱动臂形变，从而导致角度变化。
3.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于该芯片包括一个底座（1），一个温度应变驱动臂（2）和一个MEMS微镜（3）。
4.根据权利要求3所述的芯片，其特征在于该芯片该MEMS微镜（3）的工作面由高光反射率的材料构成，用于反射光线，温度应变驱动臂（2）由不同热膨胀系数的材料组和制作，用来连接底座（1）和MEMS微镜（3）并提供温度变化时的驱动力。
5.根据权利要求3所述的芯片，初始状态（4）时，MEMS微镜（3）与底座（1）平行，当环境温度变化时，温度应变驱动臂（2）发生形变，从而驱动MEMS微镜（3）偏转，使入射到MEMS微镜（3）上的光线发生角度偏转2θ，达到形变状态（5），温度与MEMS微镜的偏转角度θ是一一对应的关系。
6.根据权利要求3所述的芯片，由不同热膨胀系数的材料组和制作的温度应变驱动臂（2）可以根据设计版图及工艺自由控制，通过改变臂长，臂厚，选取不同热膨胀系数的材料等手段，使其发生的形变可以按照要求设计，达到偏转角度按照要求实现任意定制。
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