专利名称：光纤薄膜光栅温度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及温度传感器，进一步是指光纤薄膜光栅温度传感器。
背景技术：
光纤光栅(FBG)利用掺锗光纤的紫外光敏性，通过紫外曝光(约240nm)导致纤芯折射率沿轴向周期性或非周期的永久性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。除了在通信领域Bragg光纤光栅有着广泛的应用外，还可用作温度、压力传感器。相对于其他基于光强测量的方法，其探测信息被调制在反射波长中，这种传感最大优点是波长是绝对不变的参量，仅受环境的压力和温度的影响。
由于FBG的制作采用紫外曝光，受到掩模模板曝光步距(＞0.1μm)的限制，其反射波长仅局限在红外波段。同时紫外曝光形成的光栅传感器存在两种局限性其一是温度范围有限，一般不能超过200℃，超过该温度后由紫外曝光损伤产生的折射率调制将消失；其次是目前宽带红外光源和红外光谱仪的价格远比可见光源和可见光谱仪昂贵。这些缺陷给该技术的普及应用带来了一定的局限性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷，提出一种光纤薄膜光栅温度传感器，它是将高、低折射率的介质多层膜交替沉积在光纤的端面上，实现无电接触型、反射中心波长在可见光波段的多层膜系光纤光栅微传感器，具有抗电磁干扰、动态范围大、灵敏度高和响应快的优点；由于无电接触，特别适合于检测易燃、易爆的气体，还可以实现远距离的遥测和在线实时监测，并且可以制成性价比高的小型化器件而适用于物体表面快速和小间隙场所的温度测量。
本发明的技术解决方案是，所述光纤薄膜光栅温度传感器由至少两层高折射率薄膜层和至少两层低折射率薄膜层交替沉积在光纤的端面上而组成。
以下对本发明做出进一步说明。
参见图1，本发明的光纤薄膜光栅温度传感器由至少两层高折射率薄膜层1和至少两层低折射率薄膜层2交替组成，即它由多层膜交替沉积在光纤的端面上而构成，所述高折射率薄膜层1可以是TiO2膜层或Ta2O3、ZrO2、CeO2等高折射率材料膜层，所述低折射率薄膜层2可以是SiO2膜层或TiO2+SiO2复合膜层、Al2O3、MgO2等低折射率材料膜层。所成温度传感器的工作原理如图2所示。
TiO2和SiO2是可见光区常用的膜料，通过考察TiO2/SiO2组成的滤光片的光学稳定性与温度间的关系，结果表明利用光学薄膜的中心波长随温度漂移进行温度的测量具有可行性。本发明的反射波长在可见光波段(约452nm)，TiO2/SiO2薄膜滤光片的温度传感系数为0.017nm/℃。
本发明是基于光纤多层膜系光栅的分析而提出的。
FBG由掺锗光纤经紫外曝光形成折射率呈周期性分布的光栅结构。光纤光栅的折射率分布如图3所示，其中a为光栅区，b为非曝光区，则光栅周期为p＝a+b。Ai，Ai*，ri，ti和ni分别表示第i个界面正相波入射振幅，出射振幅，反射系数，透射系数和界面i前介质的折射率。Si，Si*，ri*和ti*是相应的反向波参数。
由薄膜传输特性矩阵，可得AiSi=Tinterface-iTlayeri+1Ai+1Si+1]]>Tinterface-i为第i个界面的传输矩阵，Tlayeri+1称为第i+1层介质层的传输矩阵，则整个膜系的传输矩阵为T=Tinterface-0Tlayer1...TlayerNTinterface-N=T11T12T21T22]]>将光栅的一个周期分成厚度为Λ/m的m等分，则可以写出每个周期栅格的传输矩阵为TΛ=Tinterface(0)Tlayer(Λm)Tinterface(Λm)...Tinterface((m-1)Λm)Tlayer(Λ)]]>对于FBG，由于其周期是均匀的，所以可以按照多层膜模型得出一个周期的传输矩阵TΛ，整个光栅的传输矩阵就是T＝(TΛ)N。
温度对膜系的影响薄膜与基片的温度折射率系数和热膨胀系数等因素，均会使多层膜的反射中心波长发生漂移。不仅如此，由于基板的热膨胀系数与膜系的热膨胀系数不同，在受热情况下，膜系会受到基板应力的作用而发生弹性形变，也会导致中心波长的漂移。
我们对传感器的温度相应进行了实测。实验基本装置包括光源、光栅光谱仪、EH-3数字化热学实验仪等几个部分。系统的组成如图4所示。光谱分析使用的是WGD-8A型组合式多功能光栅光谱仪，其光栅密度为1200L/mm。待测膜系置于精密恒温热源表面，恒温样品台周围用隔热材料包覆以保温。EH-3数字化热学实验仪可分十档对热源温度进行精密控制(温度分辨率0.01℃，波动小于0.05℃)。变温样品台固定在导轨上的三维调节光具座上，光具座可方便地在导轨上移动以调节各元件间的距离和将光束对准光谱仪的狭缝。
实验结果表明，窄带滤光片的光学特性对温度变化比较敏感。对于具有正温度系数的材料，当温度上升时，波峰向长波方向移动。
表1给出了小范围温变内膜系反射峰强度随温度的变化值。其中波长随着温度的升高的移向长波，同时强度的变化也呈线性降低的趋势。
表1不同温度下薄膜的反射峰强度
由表一中的数据得其强度趋势图如图5。加热使得薄膜折射率变化，并且热膨胀效应导致膜厚的增加，这同时也会影响反射率的大小。
图6为光栅光谱仪所测得的反射谱线。当温度从室温变化至100℃左右时，反射峰波长和反射率都有一定的变化，表2是不同温度下薄膜的反射峰波长。温度升高，波长移向长波，反射率降低。由波长随温度的变化关系可得实验所用膜系的温度传感系数约为0.014nm/℃。
表2不同温度下薄膜的反射峰波长
利用Haruo Takashashi建立的计算模型用来分析由于温度的变化，热应力使得薄膜发生弹性形变这一过程。
T0温度下薄膜的平均折射率为n1＝N0P0+1-P0，其中P0为膜系的平均聚集密度，N0为等效折射率。
T温度下的平均聚集密度为PTPT＝P0(1+3β)/(1+3β+A)式中A＝2(α-β)(1-2s)(T-T0)/(1-s)，s为薄膜的泊松比。
由于薄膜的变形和热膨胀效应，可得T温度下薄膜的总物理厚度为dT＝d0(1-B+β)。其中，B＝2s(α-β)(T-T0)/(1-s)，d0为温度T0时的薄膜厚度。
令膜系等效折射率随温度变化后的值NT＝N0(1+δ)T-T0，可以得到温度为T时的平均折射率nT＝NTPT+1-PT。δ为折射率温度系数，由膜系本身所决定。最后可以推出温度变化引起的中心波长漂移为Δλ=λ·Δ(nd)n1d1=λ·(nTdTn1d0-1)]]>Takashashi模型分析导致温度上升所引起中心波长的漂移的主要原因就是材料的折射率温度系数和泊松比，基板的热膨胀效应，膜系的热膨胀及聚集密度等。由于薄膜的热膨胀系数β是个未知数，所以我们分别取不同的值1×10-6/℃，3×10-6/℃和5×10-6/℃。此外，取s＝0.1，P0＝0.1，δ＝0.83×10-6/℃，N0＝1.546，基体的热膨胀系数α＝7.4×10-6/℃。
图7为薄膜热膨胀系数与波长漂移量的关系图。同时还研究了不同等效折射率下波长漂移量的变化。膜系热膨胀系数越大，波长漂移量也就越大。等效折射率较大的膜系，其波长漂移反而较小。也就是说，如果采用窄带滤光片作温度传感，则应选用低折射率值的薄膜作间隔层。从图中可以看到，两条直线有交点(8.0×10-6/℃，0.0075)，它对应着薄膜的热膨胀系数与基地的热膨胀系数相等时的波长变化量，此时薄膜的温度传感系数为0.0075/℃。
根据布拉格光纤光栅的耦合模理论，λB＝2neffΛ式中neff为光栅的有效折射率，Λ为光栅周期。
若只考虑温度光栅反射波长的影响，dλλ=(α+1nξ)dT]]>其中，光栅的温度敏感系数为Kτ=α+1nξ]]>如果不考虑弹光效应和波导效应对FBG温度敏感系数的影响。在室温下熔融石英的热膨胀系数和热光系数分别为α≈0.5×10-6/℃，ξ≈6.8×10-6/℃，n＝1.456，可得光栅的传感系数约为0.008nm/℃。
对比光纤光栅的理论传感系数与多层薄膜的温漂可知，当薄膜与基片的热膨胀系数相等时，可以消除两者由于热膨胀导致的应力影响，在理想状态下，其可用作温度传感，且温度传感系数与FBG相当。
通过测量处于不同温度的反射谱线，得到了不同温度下的中心波长值，得出温度与波长间的关系曲线，如图8所示。
上述分析及测量可知(1)当薄膜与基体的热膨胀系数相同时，薄膜滤光片的温度传感系数与FBG的相当；(2)本发明所用薄膜对温度的传感系数为0.017nm/℃。并从理论上证明利用光学薄膜的中心波长随温度漂移进行温度的测量具有可行性。
本发明中，可通过控制所述高、低折射率薄膜的厚度周期，任意调节该传感器的反射中心波长值。高折射率薄膜层1的单层厚度的范围可以是30nm-100nm，低折射率薄膜层2的单层厚度的范围可以是50nm-150nm。还可通过控制高、低折射率薄膜的折射率之差(如调整TiO2+SiO2的比例控制低折射率膜层的折射率)，调节该传感器的反射中心波长波峰的半高宽以提高其峰值分辨率。
本发明传感器的温度传感系数为0.0Xnm/℃量级，可通过膜层材料的选择实现不同温度传感系数的传感器。
综上所述，本发明为一种光纤薄膜光栅温度传感器，它是无电接触型反射中心波长在可见光波段的多层膜系光纤光栅微传感器，具有抗电磁干扰、动态范围大、灵敏度高和相应快的优点；由于无电接触，特别适合于检测易燃、易爆的气体；将其与光纤技术结合，具有电绝缘性能好、传输信息容量大、能量损耗低、抗干扰性能好、环境适应性强、重量轻、柔软性能好、可以沿弯曲的路径传输光信号等特点，可以实现远距离的遥测和在线实时监测，并且可以制成性价比高的小型化器件而适用于物体表面快速和小间隙场所的温度测量。
图1是多层膜光纤光栅传感器的一种实施例结构示意图；图2是多层膜光纤光栅传感器的工作原理示意图；图3是FBG折射率分布及多层膜传输特性分布示意图；图4是实验装置图；图5是反射峰强度随温度的变化图；图6是薄膜的反射谱；图7是膜系热膨胀系数与波长漂移量的关系图；图8是温度与中心波长的标定曲线。
在图中1-高折射率薄膜层，2-低折射率薄膜层。
具体实施例方式
如图1所示，光纤体中，由十一层TiO2材料的高折射率薄膜层1和十一层SiO2材料的低折射率薄膜层2交替组成，且最外层为TiO2材料为所述多层膜光纤光栅传感器，膜层采用磁控溅射镀膜工艺形成，高折射率薄膜层1厚度为45.8nm，低折射率薄膜层2厚度为77.25nm。
目前医学中用的温度传感器多为电子传感器，它对许多内科手术和治疗是不适用的，尤其是在高功率微波辐射或射频场等的热疗中，由于电子传感器中的金属导体很容易受高频电磁场的感应干扰而引起传感头的热效应，这样会导致错误读数。近年来，使用高频电流、微波辐射等进行热疗以代替外科手术越来越受到医学界的关注。在这类治疗中对人体组织温度的连续在线监控是非常重要的，而且要求传感器有小的尺寸，因为小的尺寸对人体组织的伤害较小。光纤光栅传感器是目前为止能够做到的最好的传感器。本发明的光纤光栅传感器能够通过最小限度的侵害方式测量人体组织内部的温度、压力、声波场的精确局部信息。到目前为止，采用光纤光栅传感系统已经成功地检测了强微波场下病变组织的温度场分布。光纤薄膜光栅传感系统有望在这些领域中得到广泛应用。
另一个例子是工业生产和科学研究中，大功率微波被广泛应用在干燥、合成、烧结等工艺中。在这些过程中，对温度的连续在线检测有关键性的意义。当加热温度超过200摄氏度时，本发明将提供不可替代的高精度和宽温度范围的工作能力。
权利要求
1.一种光纤薄膜光栅温度传感器，其特征是，它由至少两层高折射率薄膜层1和至少两层低折射率薄膜层2交替沉积在光纤的端面上而组成。
2.根据权利要求1所述光纤薄膜光栅温度传感器，其特征是，所述高折射率薄膜层1为TiO2膜层或Ta2O3、ZrO2、CeO2膜层，所述低折射率薄膜层2为SiO2膜层或TiO2+SiO2复合膜层、Al2O3、MgO2膜层。
3.根据权利要求1所述光纤薄膜光栅温度传感器，其特征是，该传感器的反射波长可在可见光波段。
4.根据权利要求1所述光纤薄膜光栅温度传感器，其特征是，通过控制所述高、低折射率薄膜的厚度周期，任意调节该传感器的反射中心波长值。
5.根据权利要求1所述光纤薄膜光栅温度传感器，其特征是，通过控制高、低折射率薄膜的折射率之差，调节该传感器的反射中心波长波峰的半高宽以提高其峰值分辨率。
6.根据权利要求1所述光纤薄膜光栅温度传感器，其特征是，该传感器的温度传感系数为0.0X nm/℃量级，通过膜层材料的选择实现不同温度传感系数的传感器。
全文摘要
一种光纤薄膜光栅温度传感器，它由多层膜交替沉积在光纤的端面上而构成，膜系由至少两层高折射率薄膜层1和至少两层低折射率薄膜层2交替组成，薄膜层1可以是TiO
文档编号G01K11/32GK101063623SQ20061003157
公开日2007年10月31日 申请日期2006年4月25日 优先权日2006年4月25日
发明者谢中, 王秋艳, 王祝盈, 周艳明, 陈小林, 刘震宇 申请人:湖南大学