專利名稱：一種高靈敏溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及溫度傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于亞波長直徑聚合物微納 光纖環(huán)形諧振腔的高靈敏溫度傳感器。
背景技術(shù)：
溫度傳感器是一種利用已知可以探測(cè)的物理量去傳感或間接測(cè)量溫度變化 的傳感器件，它在航空航天、醫(yī)學(xué)生物、工業(yè)制造以及礦產(chǎn)能量等領(lǐng)域都有著 廣泛的應(yīng)用。目前有各種基于不同傳感原理的溫度傳感器，近幾年隨著光學(xué)測(cè) 量和光纖技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于光纖光學(xué)的溫度傳感器也得到了迅速地發(fā)展， 光纖溫度傳感器相比于常規(guī)的電阻型溫度傳感器具有集成度高、體積小、重量 輕、功耗低、不受電磁干擾等顯著優(yōu)勢(shì)，但目前大多數(shù)的光纖溫度傳感器存在 著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、測(cè)量靈敏度較低、響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)。為了能夠提高光纖溫度傳 感器的測(cè)量靈敏度和響應(yīng)速度，并結(jié)合光學(xué)在精密測(cè)量領(lǐng)域有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)， 因此采用新材料和新結(jié)構(gòu)的光纖溫度傳感器成為了其中一個(gè)重要的發(fā)展方向。
在現(xiàn)有報(bào)道中，早期的光纖溫度傳感器多是采用光纖干涉儀的方式測(cè)量外 界溫度變化？ 1起光強(qiáng)和相位變化的方法，然而光強(qiáng)和相位測(cè)量在抗干擾能力方 面的不足制約了此類傳感器在高精度、高靈敏溫度傳感領(lǐng)域的應(yīng)用，為了解決 光強(qiáng)測(cè)量抗干擾能力差的問題，出現(xiàn)了光纖布拉格光柵的溫度傳感器，這種光 纖光柵結(jié)構(gòu)的溫度傳感器以測(cè)量溫度所引起的布拉格波長的改變?nèi)〈藴y(cè)量輸 出光強(qiáng)和相位，但是光纖光柵結(jié)構(gòu)的溫度傳感器制備工藝難度較大，制作設(shè)備
昂貴，并且光纖光柵的溫度測(cè)量靈敏度不高和響應(yīng)速度慢成了有待解決的問題； 在國際上對(duì)光纖溫度傳感器的最新研究中，也有采用新結(jié)構(gòu)的光子晶體纖作為 光纖溫度傳感的新傳感介質(zhì)，這種基于光子晶體光纖的溫度傳感器在光纖制備 成本、制備工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上都存在著相當(dāng)大的難度，并且，相對(duì)于現(xiàn)有的光 纖干涉儀和光纖光柵型溫度傳感器，基于光子晶體光纖溫度傳感器的測(cè)量靈敏 度和響應(yīng)速度也很難實(shí)現(xiàn)較大的突破。本發(fā)明所要解決的問題是如何提供一種高靈敏溫度傳感器，它是一種基于 亞波長直徑聚合物微納光纖環(huán)形諧振腔的溫度傳感器，克服了現(xiàn)有技術(shù)中所存在 的缺陷，靈每文度高，響應(yīng)速度快。
本發(fā)明所提出的技術(shù)問題是這樣解決的提供一種高靈敏溫度傳感器，其 特征在于，包括氟化鎂基底和氟化鎂薄膜，在氟化鎂基底上設(shè)置有利用聚合物 微納光纖構(gòu)成的環(huán)狀微諧振腔結(jié)構(gòu)，該環(huán)狀^f毀諧振腔一端通過氧化硅;微納光纖 的錐形過渡區(qū)連接標(biāo)準(zhǔn)光纖輸入端，另 一端同樣通過一氧化硅微納光纖的錐形 過渡區(qū)連接標(biāo)準(zhǔn)光纖輸出端，環(huán)狀微諧振腔釆用倏逝波耦合的方式實(shí)現(xiàn)光輸入 和輸出，所述氟化鎂薄膜覆蓋上述部件將其固定和封裝在氟化鎂基底上。
按照本發(fā)明所提供的高靈敏溫度傳感器，其特征在于，所述聚合物微納光 纖直徑為0.1 5;敞米，所述環(huán)形樣t諧振腔的直徑為50樣t米 800樣i米。
按照本發(fā)明所提供的高靈敏溫度傳感器，其特征在于，所述氟化鎂薄膜厚度 為1~5孩t米。
直徑為0.1 5微米的聚合物微納光纖作為傳感器件，用聚合物微納光纖環(huán)構(gòu)成環(huán) 形微諧振腔實(shí)現(xiàn)傳感，光在聚合物微納光纖中以大比列的倏逝波形式傳輸，在 環(huán)形腔耦合區(qū)的兩根聚合物微納光纖在近場(chǎng)產(chǎn)生倏逝波耦合，形成微型的聚合 物微納光纖環(huán)形諧振腔，環(huán)形諧振腔傳感結(jié)構(gòu)被放置在一片氟化鎂晶體的基底 上，上表面鍍有一層氟化鎂薄膜對(duì)傳感結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定和封裝。當(dāng)周圍傳輸介質(zhì) 的溫度不變時(shí)，聚合物環(huán)形諧振腔輸出穩(wěn)定的光語信號(hào)；與普通石英光纖相比， 聚合物微納光纖具有更高的熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)，因此周圍環(huán)境微小的溫度 變化都會(huì)引起環(huán)形諧振腔長度和傳播常數(shù)等參數(shù)的變化，從而使聚合物微納光 纖環(huán)形諧振腔輸出光譜的諧振峰以及輸出光強(qiáng)隨之發(fā)生變化；根據(jù)其輸出光譜 諧振峰和輸出光強(qiáng)的變化傳感周圍溫度的變化。
本發(fā)明的有益效果
1) 實(shí)現(xiàn)了利用亞波長直徑聚合物微納光纖環(huán)形諧振腔溫度傳感的方法；
2) 實(shí)現(xiàn)了將聚合物微納光纖環(huán)與鍍膜封裝工藝相結(jié)合的制作技術(shù)；
43) 提高了光學(xué)溫度傳感器的測(cè)量靈敏度和響應(yīng)速度；
4) 實(shí)現(xiàn)了 一種微納結(jié)構(gòu)的聚合物光纖高靈敏度溫度傳感器。


圖1是聚合物微納光纖環(huán)形諧振腔的顯微照片；
圖2是利用氟化鎂基底和氟化鎂薄膜封裝的聚合物微納光纖環(huán)形諧振腔溫 度傳感的示意圖3是基于聚合物微納光纖環(huán)形諧振腔溫度傳感的測(cè)試系統(tǒng)示意圖4是聚合物微納光纖環(huán)形諧振腔的典型輸出光譜圖5是聚合物微納光纖環(huán)形諧振腔的輸出光譜的諧振峰溫度響應(yīng)圖6是聚合物微納光纖環(huán)形諧振腔的輸出光強(qiáng)的溫度響應(yīng)圖。
其中，1、聚合物微納光纖環(huán)狀微諧振腔，2、氧化硅微納光纖，3、錐形過
渡區(qū)，4、標(biāo)準(zhǔn)光纖輸入端，5、標(biāo)準(zhǔn)光纖輸出端，6、氟化鎂基底，7、氟化鎂
薄膜，8、寬譜光源，9、可控高頻C02激光器，10、光電探測(cè)器，11、光譜儀
或示波器，12、聚合物微納光纖環(huán)溫度傳感器。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述
由于現(xiàn)有的溫度傳感器普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，測(cè)量精度低，響應(yīng) 速度慢等問題，為了能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度、快速響應(yīng)的測(cè)量，并且降低制作難度 和成本，提出了采用聚合物微納光纖環(huán)狀微諧振腔1進(jìn)行溫度傳感的測(cè)量方式， 利用直徑在亞波長量級(jí)的聚合物微納光纖環(huán)構(gòu)成環(huán)形諧振腔代替普通光纖干涉 儀或者光纖光柵作為傳感器件，該聚合物微納光纖是利用液融態(tài)聚合物材料迅 速提升拉制出的直徑為0.1 ~ 5微米具有較高的直徑均勻性和較表面粗糙度的細(xì) 光纖，聚合物微納光纖環(huán)狀微諧振腔1利用倏逝波耦合構(gòu)成環(huán)形諧振腔，無需 腔內(nèi)表面鍍膜，工藝要求不高，光在環(huán)形腔中諧振加強(qiáng)，并且輸出的諧振光譜 特性穩(wěn)定；通過測(cè)量聚合物微納光纖環(huán)形腔的輸出諧振譜線不僅能提高測(cè)量靈 敏，而且有很強(qiáng)的抗干擾能力，采用具有較大熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)的聚合物 材料代替普通光纖作為溫度傳感介質(zhì)，大大提高了傳感的靈敏度和響應(yīng)速度。
如圖l所示，器件結(jié)構(gòu)包括聚合物微納米光纖環(huán)狀微諧振腔1,氧化珪微納光纖、錐形過渡區(qū)3、標(biāo)準(zhǔn)光纖輸入端4、標(biāo)準(zhǔn)光纖輸出端5、氟化4美基底6、 氟化鎂薄膜7。其中聚合物微納光纖(PMMA、 PS、 PI等材料)是采用迅速提 升液融態(tài)聚合物的方式，拉制出直徑0.1 5微米的細(xì)光纖，利用聚合物物微納 光纖構(gòu)成直徑為150微米具有較高的品質(zhì)因數(shù)和較高精細(xì)度的環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)， 標(biāo)準(zhǔn)光纖輸入端4和標(biāo)準(zhǔn)光纖輸出端5分別通過錐形過度區(qū)3與一段熱熔拉伸 的微納光纖連接，聚合物微納光纖與輸入、輸出端的微納光纖通過倏逝波耦合 的方式進(jìn)行光傳輸，整個(gè)傳感結(jié)構(gòu)放置在一塊氟化鎂基底6上，上表面鍍有一 層1 ~ 2微米厚的氟化鎂薄膜7對(duì)傳感結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝，光信號(hào)從輸入端單模光纖 輸入，通過用聚合物環(huán)形諧振腔后形成諧振，再從接收端的單模光纖輸出信號(hào) 光。
如圖2所示，聚合物微納光纖環(huán)形諧振腔1放置在氟化鎂基底6上，輸入 端和接收端的分別通過兩根利用熱熔法拉制成氧化硅微納光纖進(jìn)行光的倏逝波 耦合傳輸，氧化硅微納光纖是通過錐形過渡區(qū)與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖連接，上表面鍍 有一層氟化鎂材料的薄膜對(duì)傳感結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定和封裝。標(biāo)準(zhǔn)光纖輸入端4連接 寬譜光源8，標(biāo)準(zhǔn)光纖輸出端5連接光電探測(cè)器10,光電探測(cè)器10連接光譜儀 或者示波器11,電腦控制高頻C02激光器9對(duì)封裝好的環(huán)形諧振腔部分進(jìn)行激 光脈沖加熱。
如圖3所示，用電腦控制高頻C02激光器對(duì)封裝好的環(huán)形諧振腔部分進(jìn)行 激光脈沖加熱，將傳感器的輸入端通過標(biāo)準(zhǔn)光纖連接到寬帶光源上，輸出端連 接在光纖光譜儀上，通過改變C02激光的掃描功率可以得到不同輸出諧振譜； 此外，可將傳感結(jié)構(gòu)的輸出端連接光電探測(cè)器，光電探測(cè)器連接到示波器上測(cè) 量輸出光強(qiáng)，通過改變C02激光的掃描頻率可以得到輸出光強(qiáng)的響應(yīng)；
如圖4所示，利用光譜觀察到聚合物微納光纖環(huán)形諧振腔的典型輸出諧振 光譜信號(hào)。
如圖5所示，利用電腦控制高頻C02激光器對(duì)封裝好的環(huán)形諧振腔部分進(jìn) 行激光脈沖加熱，將傳感結(jié)構(gòu)的輸入端通過標(biāo)準(zhǔn)光纖連接到寬帶光源上，輸出
端連接在光纖光譜儀上，通過改變C02激光的掃描功率可以得到隨溫度響應(yīng)輸
出光譜諧振峰的漂移。如圖6所示，將傳感結(jié)構(gòu)的輸出端連接光電探測(cè)器，光電探測(cè)器連接到示 波器上測(cè)量輸出光強(qiáng)，通過改變C02激光的掃描頻率可以測(cè)得聚合物環(huán)形諧振
腔輸出光強(qiáng)的溫度響應(yīng)速度。 實(shí)施例
利用聚合物(PMMA、 PS、 PI等材料)樣t納光纖制作好環(huán)形諧振腔后，將 其放置于氟化鎂基底上，利用氟化鎂薄膜對(duì)整個(gè)傳感結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定和封裝，用 電腦控制高頻C02激光器對(duì)封裝好的環(huán)形諧振腔部分進(jìn)行激光脈沖加熱(圖3 )， 將傳感結(jié)構(gòu)的輸入端通過標(biāo)準(zhǔn)光纖連接到寬帶光源上，輸出端連接在光纖光i普 儀上，通過改變C02激光的掃描功率可以得到不同輸出諧振譜(圖5);此外， 可將傳感結(jié)構(gòu)的輸出端連接光電探測(cè)器，光電探測(cè)器連接到示波器上測(cè)量輸出 光強(qiáng)，通過改變C02激光的掃描頻率可以得到輸出光強(qiáng)的響應(yīng)圖；如圖6所示， 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的聚合物微納光纖環(huán)的光強(qiáng)響應(yīng)速度達(dá)到20ms。
上述具體實(shí)施方法用來解釋說明本發(fā)明裝置，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制， 在本發(fā)明的精神和權(quán)利說明書的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明的任何改變與變動(dòng)，都 落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種高靈敏溫度傳感器，其特征在于，包括氟化鎂基底和氟化鎂薄膜，在氟化鎂基底上設(shè)置有利用聚合物微納光纖構(gòu)成的環(huán)狀微諧振腔結(jié)構(gòu)，該環(huán)狀微諧振腔一端通過氧化硅微納光纖的錐形過渡區(qū)連接標(biāo)準(zhǔn)光纖輸入端，另一端同樣通過一氧化硅微納光纖的錐形過渡區(qū)連接標(biāo)準(zhǔn)光纖輸出端，環(huán)狀微諧振腔采用倏逝波耦合的方式實(shí)現(xiàn)光輸入和輸出，所述氟化鎂薄膜覆蓋上述部件將其固定和封裝在氟化鎂基底上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏溫度傳感器，其特征在于，所述聚合物微納光纖直徑為0.1 5微米，所述環(huán)形微諧振腔的直徑為50微米 800微米。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高靈敏溫度傳感器，其特征在于，所述氟化鎂薄膜厚度為1~5微米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高靈敏溫度傳感器，其特征在于，包括氟化鎂基底和氟化鎂薄膜，在氟化鎂基底上設(shè)置有利用聚合物微納光纖構(gòu)成的環(huán)狀微諧振腔結(jié)構(gòu)，該環(huán)狀微諧振腔一端通過氧化硅微納光纖的錐形過渡區(qū)連接標(biāo)準(zhǔn)光纖輸入端，另一端同樣通過一氧化硅微納光纖的錐形過渡區(qū)連接標(biāo)準(zhǔn)光纖輸出端，環(huán)狀微諧振腔采用倏逝波耦合的方式實(shí)現(xiàn)光輸入和輸出，所述氟化鎂薄膜覆蓋上述部件并將其固定和封裝在氟化鎂基底上。該高靈敏溫度傳感器是一種基于亞波長直徑聚合物微納光纖環(huán)形諧振腔的溫度傳感器，克服了現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷，靈敏度高，響應(yīng)速度快。
文檔編號(hào)G02B6/02GK101598607SQ20091005990
公開日2009年12月9日 申請(qǐng)日期2009年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月3日
發(fā)明者宇 吳, 陳一槐, 饒?jiān)平?申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)