CN105445491A - 一种基于微谐振腔的热线式高灵敏度流速计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微谐振腔的热线式高灵敏度流速计。光信号从两个输入波导输入，两个输入波导分别连接着两个输出波导，两路光信号的输入波导和输出波导分别置于微谐振腔的两侧，两路光信号的输入波导相互平行，两路光信号的输出波导向内弯曲并与微谐振腔耦合，弯曲的弧度与微谐振腔圆弧弧度不相同使得光信号不从输出波导耦合到微谐振腔。两路光信号的输出波导上均镀有用于作热电极的金属层，被测流体从微谐振腔表面流过进行检测。本发明流速计紧凑简单，设计方便，仅需标准工艺制作；采用微谐振腔设计，可以实现非常尖锐的频谱响应，从而实现高精度、高灵敏度测试。

Description

一种基于微谐振腔的热线式高灵敏度流速计
技术领域
本发明涉及了一种流速计，尤其是涉及了一种基于微谐振腔的热线式高灵敏度流速计，属于光传感器件领域。
背景技术
以硅为主要材料的微谐振腔是一类非常重要的光学器件。微谐振腔具有较高的品质因素，由此能获得较高的灵敏度和较低的探测极限。同时，微谐振腔基于平面光波导集成制作工艺与当前的微电子工艺完全兼容，使其可以大批量的生产，降低成本。此外，它还具有结构简单、易于形成高集成度的阵列等优点。并且，当微谐振腔所处的外界环境变化时，会引起微谐振腔的折射率改变，从而引起微谐振腔的谐振波长漂移，因此通过测试此波长漂移即可测得外界环境的该变量。
目前已有多种基于微谐振腔实现的传感器，如基于微环的免标记生物蛋白传感(AdamL.Washburn,etal.Quantitative,Label-FreeDetectionofFiveProteinBiomarkersUsingMultiplexedArraysofSiliconPhotonicMicroringResonators.AnalyticalChemistry,Vol.82,No.1,January1,2010)、基于微环的乙醇蒸汽检测(NebiyuA.YeboAn,etal.integratedopticethanolvaporsensorbasedonasilicon-on-insulatormicroringresonatorcoatedwithaporousZnOfilm.OpticsExpress,Vol.18,No.11,24May,2010)、基于微环的对溶液浓度与温度的测量(Min-SukKwon，etal.Microringresonatorbasedsensormeasuringboththeconcentrationandtemperatureofasolution.OpticsExpress,Vol.16,No.13,23June2008)。目前现有的有超声波测量流速的方法，激光多普勒效应测量流速(Mobilefiber-opticlaserDoppleranemometer,Vol.31,No.21,Appl.Opt.31)，以及利用布拉格光纤光栅测量流速(All-opticalfiberanemometerbasedonlaserheatedfiberBragggratings.OpticsExpress,Vol.19,No.11,23May2011)。由此，现有的流速计无法做到全光，采用了复杂的电路，不利于大批制造和生产，尺寸较大成本高，或者是传感器响应速度慢，灵敏度低。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是一种基于微谐振腔的热线式高灵敏度流速计，用微谐振器然来实现流体流速的测量，相比传统的流速计能达到更高的测量精度。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括第一输入波导、第二输入波导、微谐振腔、金属、第二输入波导、第二输出波导和基底，光信号从第一输入波导和第二输入波导分别输入，一路光信号经第一输入波导连接第一输出波导，另一路光信号经第二输入波导连接第二输出波导，两路光信号的输入波导和输出波导分别置于微谐振腔的两侧，两路光信号的输入波导相互平行，两路光信号的输出波导向内弯曲，两路光信号的输出波导上均镀有用于作热电极的金属层，被测流体从微谐振腔表面流过进行检测。
所述第二输入波导和第二输出波导的弯曲弧度不同于微谐振腔圆弧弧度，使得光信号不会从输出波导耦合到微谐振腔。
所述的微谐振腔采用微环、微盘、微球或光子晶体微腔。
所述输出波导上的金属层采用光吸收系数较大的金属，优选的输出波导上的金属层采用金、铝、镍或者铬。
进一步地，基底上覆有用于加强热传导的热传导层，热传导层为采用良好导热材料的薄层。优选的热传导层采用热传导系数高的材料，比如硅或者石墨烯等。
所述的被测流体为液体或者气体。
本发明中，输入波导和输出波导分别与微谐振腔耦合，置于微谐振腔的两侧，输出波导是弯曲的，上面覆盖有金属。前端的输入波导为整个系统的光输入端，将复色宽谱光源输入输入波导，微谐振腔的反射光谱分量也从输出波导下载输出，透射光谱分量从后端的输出波导输出，被上层金属层吸收。金属层起热电极作用，将吸收的光转化为热，再将热传导给微谐振腔。
为了更好的实现热的传导，基底上可覆盖一层比基底(二氧化硅)导热更好的物质，例如硅或者石墨烯等。最后建立起外部流体流速和谐振波长之间的关系，通过检测谐振波长的漂移，得到流体流速的改变。
本发明有益的效果是：
本发明是利用微谐振腔的热光效应，即温度改变微谐振腔的折射率，来实现对流速的测量。相比现有的流速计，本发明可做到全光，即没有任何复杂的电路且传感器响应速度快；在尺寸上可以实现毫米级的超小尺寸；测量量是微谐振腔的谐振峰漂移，灵敏度相对较高；使用SOI(绝缘体上的硅)片制作微谐振腔，与CMOS工艺相兼容，利于大批制造和生产，且生产成本低。
本发明结构简单，设计方便，仅需标准工艺制作。采用微谐振腔设计，可以实现非常尖锐的频谱响应，从而实现高精度、高灵敏度流速测量。
附图说明
图1是本发明的结构立体示意图。
图2是本发明的结构俯视示意图。
图3是图2实线处的截面示意图。
图4是本发明实施例采用流体为水的时，仿真结果的流速和谐振波长漂移关系的示意图。
图中：1、第一输入波导，2、第二输入波导，3、微谐振腔，4、金属，5、第一输出波导，6、第二输出波导，7、基底，8、热传导层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参照图1和图2，本发明的流速计包括第一输入波导1、第二输入波导2、微谐振腔3和后端的镀有金属薄层的弯曲的输出波导5、6。第一输入波导1和第二输出波导2分别与微谐振腔耦合，置于微谐振腔3的两侧，输出波导4、5弯曲，与微谐振腔3之间等距大于光场能从输出波导耦合到谐振腔的距离。宽谱光源第一、第二输入波导1、2输入，在耦合区耦合到微谐振腔3，从第一输入波导1输入的宽谱信号在微谐振腔里得到的谐振信号从第二输入波导2下载输出，从第二输入波导2输入的宽谱信号在微谐振腔里得到的谐振信号从第一输入波导1下载输出。透射光谱分量从后端的输出波导5、6输出，被上层金属层4吸收。为了加强热的传导，如图3所示，可在基底上覆盖一层更好的热传导层8。
当被测流体的流速不同，带走的微谐振腔的热量就不同，从而使微谐振腔的所处的温度不同，最后导致微谐振腔的有效折射率不同，输出的谐振波长就会不同。通过测试谐振波长漂移或者某一固定波长功率的变化即可实现高精度、高灵敏度流速测量。
本发明的工作原理过程为：
宽谱光从第一、第二输入波导分别输入流速计，并且耦合到微谐振腔中。其中，满足谐振波长的光信号分量在微谐振腔发生谐振，被微谐振腔反射从另一侧的输入波导输出，被探测器接收。
不满足谐振波长的光信号分量经输出波导逐步被输出波导上镀的金属层吸收。金属吸收光并将其转化为热，再将热传给微谐振腔，加热微谐振腔使其达到一定的温度。此时如果没有外部流体作用于微谐振腔，则微谐振腔的温度不会变化，波导的有效折射率也不会发生变化，探测的谐振波长也不变；
当有一定流速的流体从微谐振腔表面流过，就会带走热量降低微谐振腔的温度，不同流速下带走的热量不同，微谐振腔的降低的温度就不同，对波导有效折射率的改变也就不同，谐振波长的漂移不同。通过测试谐振波长漂移或者某一固定波长功率的变化即可实现流速的高灵敏度测量。
本发明的实施例：微谐振腔采用微环结构，微环半径R＝5μm，流体采用水，用comsol软件进行仿真得到的谐振波长—流速的关系如图4所示。主要通过测试谐振波长漂移反应被测流速的变化，在输入功率定为1mw时，不同流速下有效折射率变化不同。当流速在1m/s以内时，其灵敏度是可达到4.8nm/(m/s)。由此可见，本发明能实现流速的测量，具有高精度、高灵敏度的特点，响应快、成本低，利于大批制造和生产，其技术效果显著突出。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于微谐振腔的热线式高灵敏度流速计，其特征在于：包括第一输入波导(1)、第二输入波导(2)、微谐振腔(3)、金属(4)、第二输入波导(5)、第二输出波导(6)和基底(7)，光信号从第一输入波导(1)和第二输入波导(2)分别输入，一路光信号经第一输入波导(1)连接第一输出波导(5)，另一路光信号经第二输入波导(2)连接第二输出波导(6)，两路光信号的输入波导和输出波导分别置于微谐振腔(3)的两侧，两路光信号的输入波导相互平行，两路光信号的输出波导向内弯曲，两路光信号的输出波导上均镀有用于作热电极的金属层(4)，被测流体从微谐振腔表面流过进行检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于微谐振腔的热线式高灵敏度流速计，其特征在于：所述第二输入波导(5)和第二输出波导(6)的弯曲弧度不同于微谐振腔(3)圆弧弧度，使得光信号不会从输出波导耦合到微谐振腔。
3.根据权利要求1所述的一种基于微谐振腔的热线式高灵敏度流速计，其特征在于：所述的微谐振腔(3)采用微环、微盘、微球或光子晶体微腔。
4.根据权利要求1所述的一种基于微谐振腔的热线式高灵敏度流速计，其特征是：所述输出波导上的金属层(4)采用光吸收系数较大的金属。
5.根据权利要求4所述的一种基于微谐振腔的热线式高灵敏度流速计，其特征是：所述输出波导上的金属层(4)采用金、铝、镍或者铬。
6.根据权利要求1所述的一种基于微谐振腔的热线式高灵敏度流速计，其特征是：所述的基底(8)上覆有用于加强热传导的热传导层(8)，热传导层(8)为采用良好导热材料的薄层。
7.根据权利要求1所述的一种基于微谐振腔的热线式高灵敏度流速计，其特征是：所述的被测流体为液体或者气体。
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