[发明专利]一种高灵敏温度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及温度传感器技术领域，具体涉及一种基于亚波长直径聚合物微纳光纤环形谐振腔的高灵敏温度传感器。

背景技术

温度传感器是一种利用已知可以探测的物理量去传感或间接测量温度变化的传感器件，它在航空航天、医学生物、工业制造以及矿产能量等领域都有着广泛的应用。目前有各种基于不同传感原理的温度传感器，近几年随着光学测量和光纤技术的不断进步，基于光纤光学的温度传感器也得到了迅速地发展，光纤温度传感器相比于常规的电阻型温度传感器具有集成度高、体积小、重量轻、功耗低、不受电磁干扰等显著优势，但目前大多数的光纤温度传感器存在着结构复杂、测量灵敏度较低、响应速度慢的缺点。为了能够提高光纤温度传感器的测量灵敏度和响应速度，并结合光学在精密测量领域有其独特的优势，因此采用新材料和新结构的光纤温度传感器成为了其中一个重要的发展方向。

在现有报道中，早期的光纤温度传感器多是采用光纤干涉仪的方式测量外界温度变化引起光强和相位变化的方法，然而光强和相位测量在抗干扰能力方面的不足制约了此类传感器在高精度、高灵敏温度传感领域的应用，为了解决光强测量抗干扰能力差的问题，出现了光纤布拉格光栅的温度传感器，这种光纤光栅结构的温度传感器以测量温度所引起的布拉格波长的改变取代了测量输出光强和相位，但是光纤光栅结构的温度传感器制备工艺难度较大，制作设备昂贵，并且光纤光栅的温度测量灵敏度不高和响应速度慢成了有待解决的问题；在国际上对光纤温度传感器的最新研究中，也有采用新结构的光子晶体纤作为光纤温度传感的新传感介质，这种基于光子晶体光纤的温度传感器在光纤制备成本、制备工艺和结构设计上都存在着相当大的难度，并且，相对于现有的光纤干涉仪和光纤光栅型温度传感器，基于光子晶体光纤温度传感器的测量灵敏度和响应速度也很难实现较大的突破。

发明内容

本发明所要解决的问题是：如何提供一种高灵敏温度传感器，它是一种基于亚波长直径聚合物微纳光纤环形谐振腔的温度传感器，克服了现有技术中所存在的缺陷，灵敏度高，响应速度快。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种高灵敏温度传感器，其特征在于，包括氟化镁基底和氟化镁薄膜，在氟化镁基底上设置有利用聚合物微纳光纤构成的环状微谐振腔结构，该环状微谐振腔一端通过氧化硅微纳光纤的锥形过渡区连接标准光纤输入端，另一端同样通过一氧化硅微纳光纤的锥形过渡区连接标准光纤输出端，环状微谐振腔采用倏逝波耦合的方式实现光输入和输出，所述氟化镁薄膜覆盖上述部件将其固定和封装在氟化镁基底上。

按照本发明所提供的高灵敏温度传感器，其特征在于，所述聚合物微纳光纤直径为0.1～5微米，所述环形微谐振腔的直径为50微米～800微米。

按照本发明所提供的高灵敏温度传感器，其特征在于，所述氟化镁薄膜厚度为1～5微米。

基于亚波长直径聚合物微纳光纤环形谐振腔的温度传感器传感方法：利用直径为0.1～5微米的聚合物微纳光纤作为传感器件，用聚合物微纳光纤环构成环形微谐振腔实现传感，光在聚合物微纳光纤中以大比列的倏逝波形式传输，在环形腔耦合区的两根聚合物微纳光纤在近场产生倏逝波耦合，形成微型的聚合物微纳光纤环形谐振腔，环形谐振腔传感结构被放置在一片氟化镁晶体的基底上，上表面镀有一层氟化镁薄膜对传感结构进行固定和封装。当周围传输介质的温度不变时，聚合物环形谐振腔输出稳定的光谱信号；与普通石英光纤相比，聚合物微纳光纤具有更高的热光系数和热膨胀系数，因此周围环境微小的温度变化都会引起环形谐振腔长度和传播常数等参数的变化，从而使聚合物微纳光纤环形谐振腔输出光谱的谐振峰以及输出光强随之发生变化；根据其输出光谱谐振峰和输出光强的变化传感周围温度的变化。

本发明的有益效果：

1)实现了利用亚波长直径聚合物微纳光纤环形谐振腔温度传感的方法；

2)实现了将聚合物微纳光纤环与镀膜封装工艺相结合的制作技术；

3)提高了光学温度传感器的测量灵敏度和响应速度；

4)实现了一种微纳结构的聚合物光纤高灵敏度温度传感器。

附图说明

图1是聚合物微纳光纤环形谐振腔的显微照片；

图2是利用氟化镁基底和氟化镁薄膜封装的聚合物微纳光纤环形谐振腔温度传感的示意图；

图3是基于聚合物微纳光纤环形谐振腔温度传感的测试系统示意图；

图4是聚合物微纳光纤环形谐振腔的典型输出光谱图；

图5是聚合物微纳光纤环形谐振腔的输出光谱的谐振峰温度响应图；

图6是聚合物微纳光纤环形谐振腔的输出光强的温度响应图。