本發(fā)明涉及光纖傳感，具體涉及一種基于微型硅基法布里-珀羅干涉儀結(jié)構(gòu)的快速響應(yīng)光纖溫度傳感器及其制備方法。該傳感器具有亞毫秒量級(jí)的快速響應(yīng)能力，適用于瞬態(tài)溫度測量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
1、具有快速響應(yīng)能力的溫度傳感器，在電器設(shè)備監(jiān)測、渦輪機(jī)監(jiān)測、海水溫度測量、大氣邊界測量等領(lǐng)域中有重要的應(yīng)用。另有一些應(yīng)用場景，如核反應(yīng)堆、可控核聚變、超音速風(fēng)洞以及大型變壓器監(jiān)測等，在溫度瞬態(tài)變化的同時(shí)，測量環(huán)境還異常復(fù)雜，存在強(qiáng)電、強(qiáng)磁、強(qiáng)電磁干擾、核輻射等的影響。這些場景不僅需要溫度傳感器能夠準(zhǔn)確響應(yīng)溫度場變化，而且對(duì)傳感器的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性提出了極高的要求。
2、光纖溫度傳感器具有體積小、重量輕、抗電磁干擾、耐惡劣環(huán)境、遙感能力強(qiáng)、可進(jìn)行分布式或準(zhǔn)分布式測量等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于復(fù)雜電磁環(huán)境下的溫度測量。這些應(yīng)用場景通常伴隨瞬態(tài)溫度變化，需要光纖溫度傳感器的響應(yīng)時(shí)間達(dá)到毫秒級(jí)甚至亞毫秒級(jí)，以捕捉瞬間的溫度信息。目前已有不少使用光纖溫度傳感器進(jìn)行溫度的快速響應(yīng)測量實(shí)驗(yàn)研究。
3、已有較多的工作對(duì)通用的fbg光纖溫度傳感器快速響應(yīng)能力進(jìn)行了研究，將傳感器的響應(yīng)時(shí)間提升至數(shù)十毫秒到十毫秒(張登攀,王瑨,王永杰.光纖光柵海洋溫度傳感器的快速響應(yīng)特性[j].光電工程,2015,42(3):7.zhang?d,wang?j,wang?y,dai?x.a?fastresponse?temperature?sensor?based?on?fiber?bragg?grating[j].measurementscience?and?technology,2014,25(7).趙林,王紀(jì)強(qiáng),李振,等.一種高溫快速響應(yīng)的光纖溫度傳感器.cn115560876a.2022.王永杰,李芳,劉育梁,等.用于快速海洋測溫的光纖溫度傳感器.cn102494802a.2011.)。以上工作研制的光纖溫度傳感器的特點(diǎn)是使用光纖本身作為傳感單元，其響應(yīng)速度受到光纖所使用的二氧化硅材料相對(duì)較低的熱擴(kuò)散率的限制。
4、已有一些嘗試使用更大熱擴(kuò)散率的材料作為光纖溫度傳感器的感應(yīng)單元。例如，使用熱擴(kuò)散系數(shù)比二氧化硅高一個(gè)量級(jí)的硅來制作傳感頭，但是對(duì)硅在高速溫度傳感方面的潛力尚未得到充分挖掘(孟華,李海洋,曹占啟.一種用于海洋溫度快速測量的光纖法布里-珀羅溫度傳感器[j].中國激光,2018,45(12):5.)。2015年，來自密西根州立大學(xué)的韓明研究小組通過在單模光纖尖端附著硅柱來形成法布里-珀羅腔，制作基于硅法布里-珀羅腔的高分辨率、高速響應(yīng)光纖溫度傳感器(liu?g,han?m,hou?w.high-resolution?and?fast-response?fiber-optic?temperature?sensor?using?silicon?fabry-pérot?cavity[j].optics?express,2015,23(6).)。這些研究對(duì)于進(jìn)一步提高光纖溫度傳感器的響應(yīng)速度提供了新的思路。
5、雖然，硅基光纖法珀溫度傳感器能夠有效提高響應(yīng)速度，但是，目前快速響應(yīng)光纖法珀溫度傳感器系統(tǒng)中都需要使用昂貴的高速光譜分析儀或者光譜解調(diào)儀獲取光譜信號(hào)，并且還需要通過大量的光譜數(shù)據(jù)處理才能獲得溫度數(shù)值，不僅系統(tǒng)復(fù)雜成本太高，成為限制進(jìn)一步提高傳感器響應(yīng)速度的瓶頸，也導(dǎo)致該類傳感器的應(yīng)用前景受到限制。因此，需要重新設(shè)計(jì)光纖法珀溫度傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，擺脫傳感器對(duì)光譜解調(diào)分析部分的依賴，降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜程度，為提高響應(yīng)速度掃清障礙。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種快速響應(yīng)光纖溫度傳感器及其制備方法。
2、一種快速響應(yīng)光纖法珀溫度傳感器，包括激光器，所述激光器用于發(fā)射入射光，所述激光器與光纖環(huán)形器相連，所述光纖環(huán)形器同時(shí)連接溫度傳感頭和光電探測器，所述光電探測器與控制器連接；所述溫度傳感頭由光纖、微型硅片以及反射膜組成，所述光纖的端面與所述微型硅片的一面連接，所述光纖的端面與所述微型硅片間的界面為第一腔面，所述反射膜形成于所述微型硅片的另一面，所述反射膜與所述微型硅片間的界面為第二個(gè)腔面，所述入射光在所述第一腔面和第二腔面上不斷反射形成法布里-珀羅干涉，得到反射光。
3、可選地，所述微型硅片由soi晶片的器件層硅形成；所述光電探測器用于將所述反射光轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；所述控制器根據(jù)所述反射光通過強(qiáng)度解調(diào)法解調(diào)溫度；所述反射光強(qiáng)在溫度區(qū)間內(nèi)隨溫度單調(diào)增大；所述反射光的強(qiáng)度與法珀腔兩個(gè)腔鏡上的反射率r相關(guān)，也與光在腔內(nèi)的所經(jīng)歷的光程相關(guān)，反射光的光強(qiáng)ir可表示為
4、
5、其中ii為入射激光光強(qiáng)，δ為相鄰兩束反射光之間的相位差，其與腔長h的關(guān)系式為δ＝4πnh/λ；其中λ為入射光的波長，n為法珀腔的折射率。
6、一種光纖法珀溫度傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟a，在soi晶片器件層表面蒸鍍金屬反射膜；步驟b，對(duì)soi晶片襯底層和二氧化硅絕緣層進(jìn)行部分刻蝕，露出所述器件層；步驟c，利用激光對(duì)所述器件層進(jìn)行切割獲得帶有反射膜的微型硅片；步驟d，將所述微型硅片與光纖端面進(jìn)行耦合，從而獲得所述傳感頭。
7、可選地，所述反射膜為金屬膜，其厚度為100nm；所述步驟b中，首先采用紫外線對(duì)所述襯底進(jìn)行圖案化刻蝕，接著在所述圖案中注入反應(yīng)離子，以去除所述圖案中襯底的一部分，從而在所述襯底上形成沉孔，所述沉孔貫穿所述襯底，直達(dá)所述二氧化硅絕緣層，之后在所述沉孔內(nèi)注入氫氟酸溶液，使用氫氟酸溶液將所述沉孔中的二氧化硅絕緣層腐蝕掉，從而露出所述器件層；所述步驟d中，把切割光纖獲得潔凈光纖端面的光纖固定在耦合臺(tái)的一邊調(diào)節(jié)架上，并在光纖端面點(diǎn)上光固化膠，然后將激光切割下來的微型硅片轉(zhuǎn)移到耦合臺(tái)的另一個(gè)調(diào)節(jié)架上，通過調(diào)整調(diào)節(jié)架將微型硅片和光纖端面耦合到一起，用紫外燈照射將傳感頭上的光固化膠改性，從而獲得所述溫度傳感頭。
8、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有光纖法珀溫度傳感器響應(yīng)速度受限、系統(tǒng)復(fù)雜、自由光譜范圍小的問題，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)速度快、系統(tǒng)簡單的光纖法珀溫度傳感器及其制備方法。
1.一種快速響應(yīng)光纖法珀溫度傳感器，其特征在于，包括激光器，所述激光器用于發(fā)射入射光，所述激光器與光纖環(huán)形器相連，所述光纖環(huán)形器同時(shí)連接溫度傳感頭和光電探測器，所述光電探測器與控制器連接；所述溫度傳感頭由光纖、微型硅片以及反射膜組成，所述光纖的端面與所述微型硅片的一面連接，所述光纖的端面與所述微型硅片間的界面為第一腔面，所述反射膜形成于所述微型硅片的另一面，所述反射膜與所述微型硅片間的界面為第二個(gè)腔面，所述入射光在所述第一腔面和第二腔面上不斷反射形成法布里-珀羅干涉，得到反射光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度傳感器，其特征在于，所述微型硅片由soi晶片的器件層硅形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度傳感器，其特征在于，所述光電探測器用于將所述反射光轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的溫度傳感器，其特征在于，所述控制器根據(jù)所述反射光通過強(qiáng)度解調(diào)法解調(diào)溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的溫度傳感器，其特征在于，所述反射光強(qiáng)在溫度區(qū)間內(nèi)隨溫度單調(diào)增大。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的溫度傳感器，其特征在于，所述反射光的強(qiáng)度與法珀腔兩個(gè)腔鏡上的反射率r相關(guān)，也與光在腔內(nèi)的所經(jīng)歷的光程相關(guān)，反射光的光強(qiáng)ir可表示為
7.一種權(quán)利要求1至6任一所述光纖法珀溫度傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述反射膜為金屬鍍膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述步驟b中，首先采用紫外光刻對(duì)所述襯底進(jìn)行圖案化刻蝕，接著在所述圖案中注入反應(yīng)離子，以去除所述圖案中襯底的一部分，從而在所述襯底上形成沉孔，所述沉孔貫穿所述襯底，直達(dá)所述二氧化硅絕緣層，之后在所述沉孔內(nèi)注入氫氟酸溶液，使用氫氟酸溶液將所述沉孔中的二氧化硅絕緣層腐蝕掉，從而露出所述器件層。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述步驟d中，把切割光纖獲得潔凈光纖端面的光纖固定在耦合臺(tái)的一邊調(diào)節(jié)架上，并在光纖端面點(diǎn)上光固化膠，然后將激光切割下來的微型硅片轉(zhuǎn)移到耦合臺(tái)的另一個(gè)調(diào)節(jié)架上，通過調(diào)整調(diào)節(jié)架將微型硅片和光纖端面耦合到一起，用紫外燈照射將傳感頭上的光固化膠改性，從而獲得所述溫度傳感頭。