CN110243491A - 一种基于波导结构的温度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于波导结构的温度传感器，包括衬底、由贵金属‑介质‑贵金属构成的波导、谐振腔、热膨胀部、贵金属层构成，波导、谐振腔、热膨胀部、贵金属层位于衬底上，谐振腔为空腔，谐振腔外侧为贵金属材料，谐振腔位于波导一侧，并且与波导分离，热膨胀部位于谐振腔内，贵金属层包覆在热膨胀部外侧，形成了环形谐振腔，环形谐振腔的两侧为贵金属材料。当温度发生变化时，谐振腔的有效折射率发生变化，谐振腔的共振波长发生变化。通过探测共振波长的变化，实现对温度的探测。由于温度的改变导致了谐振腔宽度的变化，所以该发明具有灵敏度高等优点。

Description

一种基于波导结构的温度传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种基于波导结构的温度传感器。
背景技术
基于波导结构的温度传感器由于尺寸小、相应速度快、抗电磁干扰等优点被广泛关注。基于波导结构的温度传感器主要是基于光纤布拉格光栅、长周期光纤、法布里波罗干涉仪等原理。基于温度改变谐振腔原理的温度传感器具有谐振波长可调等优点。但是传统方案均是基于温度改变谐振腔长度的，从而改变谐振波长的，探测灵敏度较低。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种基于波导结构的温度传感器，该温度传感器包括衬底、由贵金属-介质-贵金属构成的波导、谐振腔、热膨胀部、贵金属层构成，波导、谐振腔、热膨胀部、贵金属层位于衬底上，谐振腔为空腔，谐振腔外侧为贵金属层，谐振腔位于波导一侧，并且与波导分离，热膨胀部位于谐振腔内，贵金属层包覆在热膨胀部外侧。
所述谐振腔为圆形，所述贵金属层由金材料制成。
所述热膨胀部为有机玻璃材料制成。
所述热膨胀部为圆形。
所述热膨胀部的外侧具有突出部。
所述热膨胀部内设有缝隙，缝隙两侧为贵金属材料。
所述缝隙具有两条，且两缝隙均沿直径方向，两缝隙相互垂直。
所述缝隙有多条，缝隙均沿半径方向，缝隙的长度小于半径。
所述缝隙为楔形，距离热膨胀部中心一端窄，远离热膨胀部中心一端宽。
本发明的有益效果：本发明提供一种基于波导结构的温度传感器，在谐振腔中设置热膨胀部，热膨胀部外侧设置贵金属层。当温度增加时，热膨胀部发生膨胀，使得圆环形谐振腔的厚度减小，圆环谐振腔的有效折射率发生变化，从而使得圆环谐振腔的共振波长发生变化，进而判断温度变化。因为热膨胀部的膨胀改变了圆环谐振腔的宽度，对有效折射率的影响大，所以该传感器具有灵敏度高的优点。另外，在热膨胀部中设置缝隙，缝隙中能够通过表面等离激元，所以表面等离激元在谐振腔中形成不同模式的耦合，形成对温度更敏感的共振模式，有助于进一步提高探测灵敏度。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是基于波导结构的温度传感器示意图一。
图2是基于波导结构的温度传感器示意图二。
图中：1、波导；2、谐振腔；3、热膨胀部； 4、贵金属层；5、缝隙。
具体实施方式
为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
实施例1
本发明提供了一种如图1所示的基于波导结构的温度传感器，该温度传感器包括衬底、由贵金属-介质-贵金属构成的波导1、谐振腔2、热膨胀部3、贵金属层4构成，波导1、谐振腔2、热膨胀部3、贵金属层4位于衬底上，谐振腔2为空腔，谐振腔2外侧为贵金属层4，谐振腔2位于波导1一侧，并且与波导1分离，热膨胀部3位于谐振腔2内，贵金属层4包覆在热膨胀部3外侧。谐振腔2为圆形，热膨胀部3也为圆形，从而形成圆环形谐振腔，圆环形谐振腔的两侧为贵金属材料。贵金属材料可以为金或银。衬底可以为硅材料。热膨胀部3为热膨胀系数大的材料制备而成，可以为有机玻璃材料。在应用时，电磁波或表面等离激元在波导1中传播，耦合到环形谐振腔后，在环形谐振腔内形成共振。当温度提高时，热膨胀部3膨胀，改变了环形谐振腔的宽度，从而改变环形谐振腔的共振波长。通过探测波导结构的透射光谱，实现对温度的检测。另外，热膨胀部3的外侧可以具有突出部，这样一来，环形谐振腔的宽度不一致，表面等离激元在环形谐振腔的电磁场模式分布不均匀。当热膨胀部3膨胀时，使得这种不均匀性增加，更严重地影响环形谐振腔2中的电磁场模式，不仅影响透射光谱的共振峰位置，而且影响峰值处的透射系数，从而更进一步地提高探测灵敏度。
实施例2
在实施例1的基础上，如图2所示，热膨胀部3内设有缝隙5，缝隙5两侧为贵金属材料。这样一来，缝隙5中能通过表面等离激元，在谐振腔2中形成不同模式的耦合，形成对温度更敏感的共振模式，有助于进一步提高探测灵敏度。缝隙5还可以为两条，两缝隙5沿直径方向，两缝隙5相互垂直。两缝隙5的方向不垂直或平行于波导时，两缝隙5破坏了谐振腔2中的电磁场对称分布，形成法诺共振模式。因为法诺共振模式对结构的变化更敏感，所以这样的传感器对温度变化更敏感，从而实现更高灵敏度的温度探测。缝隙5还可以为多条，缝隙沿半径方向，长度小于半径，并且缝隙5为楔形，距离热膨胀部3中心一端窄，远离热膨胀部3中心一端宽。这样一来，当温度上升时，缝隙中窄的部位将闭合，这将导致电磁场模式较大的变化，从而对透射光谱的影响更大。因此，具有多条缝隙5的结构具有更高检测灵敏度。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于波导结构的温度传感器，其特征在于：包括衬底、由贵金属-介质-贵金属构成的波导、谐振腔、热膨胀部、贵金属层构成，波导、谐振腔、热膨胀部、贵金属层位于衬底上，所述谐振腔为空腔，谐振腔外侧为贵金属层，谐振腔位于波导一侧，并且与波导分离，热膨胀部位于谐振腔内，贵金属层包覆在热膨胀部外侧。
2.如权利要求1所述的基于波导结构的温度传感器，其特征在于：所述谐振腔为圆形，所述贵金属层由金材料制成。
3.如权利要求2所述的基于波导结构的温度传感器，其特征在于：所述热膨胀部为有机玻璃材料制成。
4.如权利要求3所述的基于波导结构的温度传感器，其特征在于： 所述热膨胀部为圆形。
5.如权利要求4所述的基于波导结构的温度传感器，其特征在于：所述热膨胀部的外侧具有突出部。
6.如权利要求4所述的基于波导结构的温度传感器，其特征在于：所述热膨胀部内设有缝隙，缝隙两侧为贵金属材料。
7.如权利要求6所述的基于波导结构的温度传感器，其特征在于：所述缝隙具有两条，且两条缝隙均沿直径方向，两缝隙相互垂直。
8.如权利要求6所述的基于波导结构的温度传感器，其特征在于：所述缝隙有多条，所述缝隙均沿半径方向，所述缝隙的长度小于半径。
9.如权利要求8所述的基于波导结构的温度传感器，其特征在于：所述缝隙为楔形，距离热膨胀部中心一端窄，远离热膨胀部中心一端宽。
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