專利名稱：基于高q光學微腔的溫度傳感器及分布式溫度傳感網絡的制作方法
技術領域：
本發明屬于微傳感技術領域，主要涉及一種微型溫度傳感器及其分布式傳感網絡，特別是涉及一種基于高Q光學微腔的溫度傳感器及其分布式溫度傳感網絡。
背景技術：
物聯網技術近年來得到廣泛關注，小體積、低功耗、高靈敏的感知設備在物聯網技術中占有重要地位，也是阻礙物聯網技術進一步發展的瓶頸。近年來，隨著MEMS (光刻、腐蝕、刻蝕)加工工藝的發展和成熟，小型化，高分辨率的微型溫度傳感器在航天，電子和機械制造領域的工業控制與溫度測量中得到了很好的發展。并且隨著工業控制的快速發展，分布式溫度傳感網絡提出了小體積、低功耗、高精度的要求。
發明內容
本發明的目的是在上述應用需求的背景下，設計并提供一種結構簡單，測量分辨率高，體積小且適用范圍更廣泛的基于高Q光學微腔的溫度傳感器及其分布式其傳感網為實現上述的目的，本發明采取以下技術方案
基于高Q光學微腔的溫度測試方法，由光源1發出的激光作為信號源，經過分束器2后分成兩束，其中一束入射到參考微腔系統3中，另外一束入射到測量微腔系統5中，通過參考端光電探測器4和測試端光電探測器6接受到參考微腔系統的諧振譜13和測量微腔系統的諧振譜14 ；
首先校準記錄外界環境的溫度與參考微腔系統的溫度控制單元的溫度；接下來記錄參考微腔系統的諧振峰13的具體位置與測試微腔系統的諧振峰14的具體位置，并記錄兩者之間的間距；
當溫度發生變化的時，參考微腔系統周圍的溫度由溫度控制單元保持恒定；而測試微腔系統的溫度則隨著周圍溫度的改變而發生變化；周圍溫度的改變將會導致光學微腔的結構參數發生兩個核心變化
1)微腔折射率的變化，這是由于熱光效應而發生的變化；
2)微腔周長的變化，這是由于熱膨脹效應而發生的變化；
這兩個核心的變化將會導致測試微腔系統的諧振位置的線性地漂移，而參考微腔系統的溫度保持恒溫的狀態，其諧振峰的位置并不發生漂移；
通過測試參考微腔系統與測試微腔系統的兩個諧振峰的間距的變化，就可測到其微腔系統所處環境的實際溫度。基于高Q光學微腔的溫度傳感器，包括激光器或寬譜光源1、分束器2、參考微腔系統3、參考端光電探測器或者參考端光譜儀4、測試微腔系統5、測試端光電探測器或者測試端光譜儀6 ；其特點是所述的參考微腔系統3由耦合器7及光學微腔8構成，所述的參考微腔系統3用一個封裝結構9封裝起來；所述的封裝采用折射率較低的紫外膠或者聚合物完全封裝；所述的參考微腔系統3放置在一個溫度恒定的環境10之中，并采用溫度控制單元或冰水混合物控制該環境溫度為恒定溫度；所述的測試微腔系統5同樣由耦合器7及光學微腔8構成，所述的測試微腔系統5用一個封裝結構9封裝起來；所述的封裝采用折射率較低的紫外膠或者聚合物完全封裝。所述的耦合器7與光學微腔8兩者之間的距離范圍在200納米 2微米內。基于高Q光學微腔的溫度傳感器的分布式溫度傳感網絡，其特點是該傳感網絡通過光纖實現光路的布線，且各個基于光學微腔的溫度傳感器放置在不同的待測溫度位置；該傳感網絡構建有并聯式或串聯式連接光學微腔的溫度傳感器。所述的傳感網絡構建為并聯式連接光學微腔的溫度傳感器，是將光學微腔的溫度傳感器的若干個測試微腔系統之間并聯，且通過光纖布線實現各部件的連接。所述的傳感網絡構建為串聯式連接光學微腔的溫度傳感器，是將光學微腔的溫度傳感器的若干個測試微腔系統之間串聯，且通過光纖布線實現各部件的連接。本發明的實質性特點和顯著地有益效果如下
1. 采用高Q諧振腔作為溫度傳感的載體，提升了溫度傳感的分辨率。2. 采用光學微腔作為敏感核心器件，極大的降低了傳感器和傳感網絡的體積和功耗，擴展了該溫度傳感器件和分布式傳感網絡的應用范圍。3. 在傳感器和傳感網絡中加入了溫度參單元，通過對比測試單元與參考單元之間的差距實現絕對溫度的測量，提高了測試精度。4. 采用了封裝結構，實現了敏感單元和參考單元的健壯性，使得結構的抗干擾能力得到極大的提升。5. 采用串聯或者并聯的方式實現分布式的溫度傳感，可以根據待測的實際情況設計不同的傳感形式。6. 采用單模光纖作為該傳感體系的輸入輸出接口，使得體系與光纖系統兼容。本發明基于高Q光學微腔的溫度傳感器及其分布式其傳感網絡主要應用在溫度的測量上，可在復雜、干擾性的環境中實現為溫度的有效測量。
圖1是本發明中基于高Q光學微腔的溫度傳感器的結構圖； 圖2是本發明的溫度傳感器中參考微腔結構單元的結構圖3是本發明的分布式溫度傳感網絡并聯方式A方式中的測試微腔結構單元的結構圖。圖4是本發明的分布式溫度傳感網絡串聯方式B方式中的測試微腔結構單元的結構圖。圖5是本發明的分布式溫度傳感網絡并聯方式A的結構示意圖。圖6是本發明的分布式溫度傳感網絡串聯方式B的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖詳細說明本發明的實施例。本發明基于高Q光學微腔的溫度傳感器的結構
如圖1所示，基于高Q光學微腔的溫度傳感器。基于高Q光學微腔的溫度傳感器，包括可調諧激光器(或者寬譜光源)1、分束器2、參考微腔系統3、參考端光電探測器(或者光譜儀)4、測試微腔系統5、測試端光電探測器(或者光譜儀)6。所述的參考微腔系統3由耦合器7及光學微腔8構成，耦合器可為錐形光纖耦合器、側拋光纖耦合器、棱鏡耦合器和波導帶狀耦合器的任何一種，且耦合器7及光學微腔8兩者之間的距離控制在有效的耦合范圍內(200納米 2微米);所述的參考微腔系統用一個封裝結構9封裝起來，其封裝采用折射率較低的紫外膠或者聚合物完全封裝，并且封裝層得厚度不能小于20微米。其中參考微腔系統3和測試微腔系統5的光學微腔系統為“高Q光學微腔”。所述的參考微腔系統3放置在一個溫度恒定的環境10之中，采用溫控或冰水混合物等實現該環境的溫度恒定控制。所述的測試微腔系統也是由耦合器7及光學微腔8構成，同樣耦合器可為錐形光纖耦合器、側拋光纖耦合器、棱鏡耦合器和波導帶狀耦合器的任何一種，且耦合器7及光學微腔8兩者之間的距離控制在有效的耦合范圍內(200納米 2 微米)；所述的測試微腔系統5用一個封裝結構9封裝起來，其封裝采用折射率較低的紫外膠或者聚合物完全封裝，并且封裝層得厚度不能小于20微米。上述參考微腔系統3與測試微腔系統是相同的，都是由耦合器7及光學微腔8構成，是并聯方式微腔系統。本發明基于高Q光學微腔的分布式溫度傳感網絡-并聯方式A的結構
并聯方式A的結構包括激光器1、分束器2、參考微腔系統3、分布式傳感網絡12。所述的分布式傳感網絡由多個測試微腔系統5構成，各個測試微腔系統之間是并聯的關系。本發明基于高Q光學微腔的分布式溫度傳感網絡-串聯方式B的結構
串聯方式B的結構包括激光器1、分束器2、參考微腔系統3、分布式傳感網絡13。所述的所述的分布式傳感網絡由多個測試微腔系統6構成，各個測試微腔系統之間是串聯的關系。所述的測試微腔系統6由耦合器7、下載耦合器10以及光學微腔8構成，耦合器、下載耦合器以及光學微腔之間的耦合距離控制在有效的耦合范圍內(200納米 2微米)。所述的測試微腔系統6用一個封裝結構9封裝起來，封裝采用折射率較低的紫外膠或者聚合物完全封裝，并且封裝層得厚度不能小于20微米。實例
(1)激光器在本實例中激光器采用可調諧激光器，波段在1520nm 1570nm。激光器的頻率調制采用外部三角波的調制方式，調制頻率為50HZ，調制范圍為30GHZ。(2)參考微腔系統如圖2所示，本實例中選擇錐形光纖作為耦合器；光學微腔選擇直徑為200 600 μ m的玻璃微球諧振腔；耦合器與光學微腔兩者之間的耦合距離控制在20nm 1 μ m之間；封裝材料完全包裹耦合器與光學微腔，并構成封裝結構9，且封裝材料選用低折射率的紫外膠；溫度控制單元選用高精度的溫控單元，實現參考單元的溫度恒定。(3)測試微腔系統如圖3所示，本實例選擇錐形光纖作為耦合器；光學微腔選擇直徑為200 600 μ m的玻璃微球諧振腔；耦合器與光學微腔兩者之間的耦合距離控制在 20nm 1 μ m之間；封裝材料完全包裹耦合器與光學微腔，并構成封裝結構9，且封裝材料選用低折射率的紫外膠。(4)溫度傳感網絡B方式中的測試微腔系統如圖4所示，本實例選擇錐形光纖作為耦合器或下載耦合器；光學微腔選擇直徑為200 600 μ m的玻璃微球諧振腔；耦合器或下載耦合器與光學微腔之間的耦合距離控制在20nm 1 μ m之間；封裝材料完全包裹耦合器或下載耦合器與光學微腔，并構成封裝結構9，且封裝材料選用低折射率的紫外膠。(5)并聯式溫度傳感網絡如圖5所示，該并聯式溫度傳感網絡包括激光器1、分束器2、參考微腔系統3、分布式傳感網絡12 ；所述的分布式傳感網絡由多個測試微腔系統5 構成，各個測試微腔系統之間是并聯的關系。(6)串聯式溫度傳感網絡如圖6所示，該串聯式溫度傳感網絡包括激光器1，、分束器2、參考微腔系統3、分布式傳感網絡13 ；所述的分布式傳感網絡由多個測試微腔系統6 構成，各個測試微腔系統之間是串聯的關系。所述的測試微腔系統6由耦合器7、或下載耦合器10及光學微腔8構成，耦合器、 或下載耦合器與光學微腔之間的耦合距離控制在有效的耦合范圍內(200納米 2微米)。 所述的測試微腔系統6用一個封裝結構9封裝起來，采用折射率較低的紫外膠或者聚合物完全封裝，并且封裝層得厚度不能小于20微米。本發明基于高Q光學微腔的溫度傳感器的工作原理
如圖1所示，本發明提出的溫度傳感器采用可調激光器光源。由光源1發出的激光作為信號源，經過分束器2后分成兩束，其中一束入射到參考微腔系統3中，另外一束入射到測量微腔系統5中，參考微腔系統的諧振譜13和測量微腔系統的諧振譜14通過參考光電探測器4和測試端光電探測器6接受。在使用以前，首先校準該傳感器記錄外界環境的溫度與參考微腔系統的溫度控制單元的溫度；接下來記錄參考微腔系統的諧振峰13的具體位置與測試微腔系統的諧振峰14的具體位置，并記錄兩者之間的間距。當溫度發生變化的時候，參考微腔系統周圍的溫度由于溫度控制單元的存在而保持恒定。而測試微腔系統的溫度則隨著周圍溫度的改變而發生變化。周圍溫度的改變將會導致光學微腔的結構參數的兩個核心變化
1)微腔折射率的變化，這是由于熱光效應而發生的變化。2)微腔周長的變化，這是由于熱膨脹效應而發生的變化。這兩個核心的變化將會導致測試微腔系統的諧振位置的線性地漂移。而參考微腔系統的溫度由于被溫度控制單元控制在一個恒溫的狀態，其諧振峰的位置并不發生漂移。 因此，通過測試參考微腔系統與測試微腔系統的兩個諧振峰的間距的變化，就可測到其微腔系統所處環境的實際溫度。本發明基于高Q光學微腔的分布式溫度傳感網絡 (1)并聯方式A的工作原理
如圖5所示，本發明提出的并聯式分布式溫度傳感網絡采用可調激光器光源。由光源 1發出的激光作為信號源，經過分束器2后分成兩束，其中一束入射到參考微腔系統3中，另外一束入射到并聯式分布式傳感網絡12中。并經過分束器分束，分到各自的測量微腔系統 5中。每個測量微腔系統分別放置在不同的待測位置，并通過光纖布線實現系統的連接。在使用以前，首先校準該傳感器記錄各個分布的待測的外界環境的溫度與參考微腔系統的溫度控制單元的溫度；接下來記錄參考微腔系統的諧振峰的具體位置及各個測試微腔系統的諧振峰的具體位置，并記錄每個測試微腔系統與參考微腔系統諧振位置之間的間距。當溫度發生變化的時候，參考微腔系統的周圍溫度由于溫度控制單元的存在而保持恒定。而測試微腔系統的溫度則隨著周圍溫度的改變而發生變化。因此，通過測試參考微腔系統與每個分布得測試微腔系統的諧振峰的間距的變化，就可測到每個測試微腔系統所處環境的實際溫度。這樣通過合理的分布每個測試微腔系統的位置，便可實現分布式溫度傳感網絡。(2)串并聯方式B的工作原理
如圖6所示，本發明提出的串聯式分布式溫度傳感網絡采用可調激光器光源。由光源 1發出的激光作為信號源，經過分束器2后分成兩束，其中一束入射到參考微腔系統3中，另外一束入射到串聯式分布式傳感網絡13中。并通過串聯的方式，分到各自的測量微腔系統 6中。每個測量微腔系統分別放置在不同的待測位置，并通過光纖布線實現系統的連接。在使用以前，首先校準該傳感器記錄各個分布的待測的外界環境的溫度與參考微腔系統的溫度控制單元的溫度；接下來記錄參考微腔系統的諧振峰的具體位置及各個測試微腔系統的諧振峰的具體位置，并記錄每個測試微腔系統與參考微腔系統諧振位置之間的間距。當溫度發生變化的時候，參考微腔系統周圍的溫度由于溫度控制單元的存在而保持恒定。而測試微腔的溫度則隨著周圍溫度的改變而發生變化。因此，通過測試參考微腔系統與每個分布得測試微腔系統的諧振峰的間距的變化，就可測到每個測試微腔系統所處環境的實際溫度。這樣通過合理的分布每個測試微腔系統的位置，便可實現分布式溫度傳感網絡。
權利要求
1.一種基于高Q光學微腔的溫度測試方法，由光源(1)發出的激光作為信號源，經過分束器(2)后分成兩束，其中一束入射到參考微腔系統(3)中，另外一束入射到測量微腔系統 (5)中，通過參考端光電探測器(4)和測試端光電探測器(6)接受到參考微腔系統的諧振譜 (13)和測量微腔系統的諧振譜(14)；首先校準記錄外界環境的溫度與參考微腔系統的溫度控制單元的溫度；接下來記錄參考微腔系統的諧振峰(13)的具體位置與測試微腔系統的諧振峰(14)的具體位置，并記錄兩者之間的間距；當溫度發生變化的時，參考微腔系統周圍的溫度由溫度控制單元保持恒定；而測試微腔系統的溫度則隨著周圍溫度的改變而發生變化；周圍溫度的改變將會導致光學微腔的結構參數發生兩個核心變化1)微腔折射率的變化，這是由于熱光效應而發生的變化；2)微腔周長的變化，這是由于熱膨脹效應而發生的變化；這兩個核心的變化將會導致測試微腔系統的諧振位置的線性地漂移，而參考微腔系統的溫度保持恒溫的狀態，其諧振峰的位置并不發生漂移；通過測試參考微腔系統與測試微腔系統的兩個諧振峰的間距的變化，就可測到其微腔系統所處環境的實際溫度。
2.—種基于高Q光學微腔的溫度傳感器，包括激光器或寬譜光源(1)、分束器(2 )、參考微腔系統(3)、參考端光電探測器或者參考端光譜儀(4)、測試微腔系統(5)、測試端光電探測器或者測試端光譜儀(6)；其特點是所述的參考微腔系統(3)由耦合器(7)及光學微腔(8)構成，所述的參考微腔系統(3) 用一個封裝結構(9)封裝起來；所述的封裝采用折射率較低的紫外膠或者聚合物完全封裝；所述的參考微腔系統(3)放置在一個溫度恒定的環境(10)之中，并采用溫度控制單元或冰水混合物控制該環境溫度為恒定溫度；所述的測試微腔系統(5)同樣由耦合器(7)及光學微腔(8)構成，所述的測試微腔系統 (5)用一個封裝結構(9)封裝起來；所述的封裝采用折射率較低的紫外膠或者聚合物完全封裝。
3.根據權利要求1所述的基于高Q光學微腔的溫度傳感器，其特點是所述的耦合器 (7)與光學微腔(8)兩者之間的距離范圍在200納米 2微米內。
4.一種根據權利要求1所述的基于高Q光學微腔的溫度傳感器的分布式溫度傳感網絡，其特點是該傳感網絡通過光纖實現光路的布線，且各個基于光學微腔的溫度傳感器放置在不同的待測溫度位置；該傳感網絡構建有并聯式或串聯式連接光學微腔的溫度傳感ο
5.根據權利要求4所述的所述的基于高Q光學微腔的溫度傳感器的分布式溫度傳感網絡，其特征是所述的傳感網絡構建為并聯式連接光學微腔的溫度傳感器，是將光學微腔的溫度傳感器的若干個測試微腔系統之間并聯，且通過光纖布線實現各部件的連接。
6.根據權利要求4所述的所述的基于高Q光學微腔的溫度傳感器的分布式溫度傳感網絡，其特征是所述的傳感網絡構建為串聯式連接光學微腔的溫度傳感器，是將光學微腔的溫度傳感器的若干個測試微腔系統之間串聯，且通過光纖布線實現各部件的連接。
全文摘要
本發明基于高Q光學微腔的溫度傳感器及其分布式傳感網絡。傳感器包括激光光源、分束器、參考微腔測試系統、探測器、以及參考微腔測試系統；所述的參考微腔系統由耦合器及光學微腔構成，其特點是該系統被低折射率封裝起來，并通過溫度控制單元實現了該系統的溫度的恒定。所述的測試微腔由耦合器以及高Q光學微腔構成，其特點是該系統被低折射率封裝起來。本發明提出的傳感網絡有兩種并聯和串聯構建形式。本發明是利用光學微腔的高Q特性實現的溫度的高分辨測試，具有結構簡單，分辨率高、成本低等特點。
文檔編號G01K11/32GK102435348SQ201110363600
公開日2012年5月2日 申請日期2011年11月17日 優先權日2011年11月17日
發明者嚴英占, 劉俊, 孟祥然, 徐鵬飛, 朱平, 楊玉華, 熊繼軍, 薛晨陽, 閆樹斌 申請人:中北大學