專利名稱：新型光學(xué)功能膜傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬光學(xué)傳感器類，具體地說(shuō)是一種新型光學(xué)功能感器。
在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥、化工、食品等行業(yè)及人民日常生活中，經(jīng)常需要對(duì)一些叁量進(jìn)行檢測(cè)，例如環(huán)境、物質(zhì)的濕度，液體中離子的濃度(如鉀、鈉、鈣、氫離子)，易燃、易爆、有毒氣體的濃度(如一氧化碳、二氧化碳、氫氣、氯氣、硫在氫、烷類氣體)等迫切需要一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠、檢測(cè)靈敏、穩(wěn)定，易于工業(yè)化生產(chǎn)制作，工藝加工簡(jiǎn)便，成本低廉，使用壽命長(zhǎng)的新型功能傳感器。
然而，雖然已出現(xiàn)多種類型的離子敏傳感器，氣體濃度傳感器，濕度傳感器，生物傳感器，但迄今為止，尚沒有采用規(guī)范化光學(xué)結(jié)構(gòu)，利用光學(xué)折射測(cè)試原理，根據(jù)光學(xué)敏感面上附著的功能膜光學(xué)參數(shù)變化來(lái)進(jìn)行多功能多用途傳感撿測(cè)的光學(xué)功能膜傳感器出現(xiàn)。這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)規(guī)范，制作簡(jiǎn)便，功能完善，成本低廉之特點(diǎn)。對(duì)規(guī)范的光學(xué)結(jié)構(gòu)的專用光學(xué)傳感棱鏡表面，蒸鍍不用功能膜，則可形成不同的傳感器。改變和控制規(guī)范的光學(xué)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和功能膜的物理參數(shù)，即可有效地制作出寬范圍各種不同功能和性能的光學(xué)功能膜傳感器。
本實(shí)用新型由專用光學(xué)傳感棱鏡，功能敏感膜，光纖傳輸光發(fā)射器，光纖傳輸光接收器，傳感器裝架基座及傳感器外殼組成。其中專用光學(xué)傳感棱鏡采用光折射率η大于1.5的光學(xué)玻璃，人造寶石晶體等光學(xué)介質(zhì)材料制作成具有上、下兩個(gè)對(duì)稱平行面，左、右兩個(gè)對(duì)稱傾角α的梯形光學(xué)敏感面，其下沿四周具有略突出的周棱的特有形狀，其關(guān)鍵參數(shù)對(duì)稱傾角α通常在10°-75°之間選取。功能敏感膜根據(jù)傳感器所要檢測(cè)的參數(shù)不同，選取不同的敏感薄膜材料，采用蒸鍍，淀積，濺射及涂附的方式，使其以100A°-1000μm的厚度附著于具有兩個(gè)對(duì)稱傾角α的光學(xué)敏感面上或其中之一上或上對(duì)稱平行面上；敏感薄膜材料的敏感性是指該材料的等效光折射率可以隨環(huán)境、檢測(cè)參數(shù)的變化而變化。例如采用多孔性AL2O3材料附著，隨環(huán)境濕度的變化，其等效光折射率發(fā)生變化。采用摻雜稀有元素的Pd薄膜淀積，可實(shí)現(xiàn)其對(duì)氫氣濃度檢測(cè)的敏感性。光纖傳輸光發(fā)射器由微型固體光源，石英光纖或玻璃光纖束或塑料光纖傳輸線、平行光轉(zhuǎn)換器串聯(lián)構(gòu)成。微型固體光源可由可見光，紅外光固體發(fā)光器件加工組裝使出光面對(duì)準(zhǔn)光纖傳輸線尾端面形成；光纖傳輸線的直徑及長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際需要確定。平行光轉(zhuǎn)換器可由棒形光學(xué)玻璃自聚焦透鏡專門加工裝配于光纖傳輸線頭部而形成，也可采用光學(xué)玻璃或人造寶石球透鏡裝配在光纖傳輸線頭部形成。光纖傳輸接收器由微型固體光探測(cè)器，石英光纖或玻璃光纖束或塑料光纖傳輸線，聚光轉(zhuǎn)換器串聯(lián)構(gòu)成。微型固體光探測(cè)器由固體光探測(cè)器件加工組裝使其光接收面準(zhǔn)直于光纖傳輸線尾端構(gòu)成。光纖傳輸線的直徑和長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際需要確定。聚光轉(zhuǎn)換器可由棒形光學(xué)玻璃自聚焦透鏡串接于光纖傳輸線頭部而形成，也可采用光學(xué)玻璃或人造寶石球透鏡裝配固定在光纖傳輸線的頭部形成。傳感器裝架基座采用金屬或塑料或陶瓷材料制作成園柱形，其園柱形端面嚴(yán)格垂直于柱高。且有兩對(duì)稱孔嚴(yán)格垂直并穿通其兩端面。兩孔直徑和光發(fā)射器的平行光轉(zhuǎn)換器，光接收器的聚光轉(zhuǎn)換器外徑相匹配。傳感器外殼由金屬或塑料材料制作成園筒狀，分殼體和殼蓋兩部分，殼體的內(nèi)徑和傳感器裝架基座的外徑相匹配，殼蓋由螺紋與殼體耦合，起到對(duì)傳感器的密封，固定成一體的作用。


圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本實(shí)用新型附著功能敏感膜的專用光學(xué)傳感棱鏡的示意圖。
以下結(jié)合附圖對(duì)實(shí)用新型實(shí)例作進(jìn)一步描述。
新型光學(xué)功能膜傳感器實(shí)例由專用光學(xué)傳感棱鏡(1)，功能敏感膜(2)，光纖傳輸光發(fā)射器(3)(4)(5)，光纖傳輸光接收器(6)(7)(8)，傳感器裝架基座(9)，傳感器外殼(10)(11)組合為一體而成。通常功能敏感膜附著于專用光學(xué)傳感棱鏡的光學(xué)敏感面上。圖2為附著功能敏感膜的專用光學(xué)傳感棱鏡的放大示意圖(圖中標(biāo)號(hào)和圖1中標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng))。其專用光學(xué)傳感棱鏡(1)由光折射率η為大于1.5的人造寶石晶體園柱體材料研磨成具有上、下兩個(gè)對(duì)稱平行面，左、右兩個(gè)對(duì)稱傾角α的光學(xué)敏感面的梯形狀。其下平行面為光線入射面和出射面，可蒸鍍光透射膜。上平行面為全反射光路調(diào)整面或敏感功能光路調(diào)整面，在該表面可蒸鍍一金屬或介質(zhì)全反射膜，或附著敏功能膜而形成。由左右對(duì)稱傾角α決定的梯形側(cè)面為光學(xué)敏感面，根據(jù)要求傳感檢測(cè)的參數(shù)，或功能不同，選擇相應(yīng)的不同材質(zhì)，不同厚度的功能敏感物質(zhì)采用蒸鍍，淀積，濺射，涂附的方式附著于上，構(gòu)成功能敏感膜。功能敏感膜可以是對(duì)氣體濃度或液體中離子濃度或環(huán)境濕度或某些生物參數(shù)具有等效光折射率敏感變化的金屬膜或摻雜稀有元素的金屬氧化物膜或有機(jī)高分子膜或無(wú)機(jī)介質(zhì)膜或生物膜。同樣，根據(jù)要求傳感檢測(cè)某一參數(shù)或功能的有效量程范圍不同，決定對(duì)稱傾角α在10°-75°之中選擇一確定值。光纖傳輸光發(fā)射器由微型固體光源(3)，石英光纖傳輸線(4)，平行光轉(zhuǎn)換器(5)串聯(lián)組成，微型固體光源由GaAs/GaAlAs發(fā)光二管加工組裝使其出光面準(zhǔn)直于光纖傳輸線尾部形成。石英光纖傳輸線芯直徑為φ100μm-Φ200μm，長(zhǎng)度為1米-5米。平行光轉(zhuǎn)換器采用人造寶石球透鏡組裝固定于光纖傳輸線頭部形成。光纖傳輸光接收器由微型固體光探測(cè)器(6)，石英光纖傳輸線(7)，聚光轉(zhuǎn)換器(8)串聯(lián)而成。微型固體光探測(cè)器為硅PIN光電二極管加工組裝使其受光面垂直于光纖傳輸線尾部出光端形成。石英光纖傳輸線芯徑為φ100μm-φ200μm，長(zhǎng)度為1米-5米。聚光轉(zhuǎn)換器采用人造寶石球透鏡組裝固定于光纖傳輸線頭部形成。傳感器裝架基座(9)用鋁合金材料加工成園柱型，貫穿園柱體平行端面的兩個(gè)對(duì)稱園孔用來(lái)按裝固定光發(fā)射器的平行光轉(zhuǎn)換器和光接收器的聚光轉(zhuǎn)換器。傳感器外殼為殼體(10)和殼蓋(11)用不銹鋼材料制作面園筒形，其內(nèi)徑與傳感器裝架基座的外徑相匹配，殼蓋與殼體由螺紋旋動(dòng)連接并固定密封。
本實(shí)用新型的基本工作過(guò)程是，當(dāng)微型固體光發(fā)射器經(jīng)其光纖傳輸線，平行光轉(zhuǎn)換器發(fā)射出一平行紅外光，垂直入射專用光學(xué)棱鏡的下平行面，并以和一側(cè)向光學(xué)敏感面的法線呈α角度入射，又以同樣的α角度向上平行面反射，該反射光以和上平行面線呈α1角度入射至上平行面后又以同樣的角度α1反射向另一側(cè)向光學(xué)敏感面，該反射光以和該側(cè)向光學(xué)敏感面法線呈α角度入射到該側(cè)向光學(xué)敏感面后，又以同樣角度反射，垂直于下平行面出射，經(jīng)聚光轉(zhuǎn)換器，光纖傳輸線后，被固體光探測(cè)器接收。由于傳感器的兩側(cè)向光學(xué)敏感面均附有光學(xué)敏感功能膜，所以，當(dāng)傳感器所置的檢測(cè)環(huán)境的參數(shù)變化時(shí)，光學(xué)功能敏感膜的等效光折射率發(fā)生相應(yīng)的變化，導(dǎo)致經(jīng)過(guò)三次反射后饋入光接收器的光強(qiáng)發(fā)生相應(yīng)變化，從而達(dá)到檢測(cè)，監(jiān)控之目的。
權(quán)利要求1)由專用光學(xué)敏感棱鏡(1)，功能敏感膜(2)，光纖傳輸光發(fā)射器(3)(4)(5)，光纖傳輸光接收器(6)(7)(8)，傳感器裝架基座(9)，傳感器外殼(10)(11)組合為一體而成的新型光學(xué)功能膜傳感器，其特征在于具有上、下兩個(gè)對(duì)稱平行面，左右兩個(gè)對(duì)稱傾角為α的光學(xué)敏感面的專用光學(xué)傳感棱鏡，在其一光學(xué)敏感面或兩個(gè)光學(xué)敏感面或上對(duì)稱平行面直接物理或化學(xué)附著功能敏感膜。
2)如權(quán)利要求1所述的新型光學(xué)功能膜傳感器，其特征在于專用光學(xué)棱鏡采用光折射率η為大于1.5的光學(xué)介質(zhì)材料制作，其光學(xué)敏感面的傾角α(與下平行面的夾角)為18°-25°之間任一值。
3)如權(quán)利要求1所述的新型光學(xué)功能膜傳感器，其特征在于功能敏感膜是對(duì)氣體濃度或液體中離子濃度或環(huán)境濕度或生物參量具有等效光折射率敏感變化的金屬薄膜或摻雜稀有元素的金屬氧化物膜或有機(jī)高分子膜或無(wú)機(jī)介質(zhì)膜或生物膜，其厚度為100A°-1000μm之間任一值。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種新型光學(xué)功能膜傳感器，其要點(diǎn)在于由專用光學(xué)傳感鏡，功能敏感膜，光纖傳輸光發(fā)射器，光纖傳輸光接收器，傳感器裝架基座，傳感器外殼組合一體而成。其特征是在規(guī)范化設(shè)計(jì)的專用光學(xué)傳感棱鏡的光學(xué)敏感面上，根據(jù)不同的檢測(cè)，傳感要求，附著不同的功能敏感膜，由敏感膜的光學(xué)參數(shù)隨被檢測(cè)環(huán)境參量變化而變化，來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體濃度，液體離子濃度，環(huán)境濕度，生物參量等探測(cè)，傳感之目的。
文檔編號(hào)G01D5/26GK2058490SQ9021159
公開日1990年6月20日 申請(qǐng)日期1990年2月7日 優(yōu)先權(quán)日1990年2月7日
發(fā)明者楊淑雯, 朱明程 申請(qǐng)人:楊淑雯, 朱明程