有刻蚀的金属膜)和一个水平传播的信号光200(波 导表面形成表面等离子激元)组成;信号光采用固定波长;液囊1和竖直波导3连接，液囊1为 界面正六边形的锥体，边长r采用0.1mm，该液囊1(温度敏感腔）内的物质为比热容较低，且 为高热膨胀系数的物质;所述高热膨胀系数的物质采用酒精或水银，最好采用酒精;银膜厚 度hi采用100nm以上取值范围，以100nm厚度为最佳；金属块2设置竖直波导3内，且可以移 动，移动金属块2长度m采用80nm-150nm取值范围，以125nm长度为最佳，可移动金属块2距离 水平波导5的距离s采用0nm-200nm距离范围，且由金属块2的位置确定，该金属块2为金或 银，最佳为银;竖直波导3和水平波导5连接;竖直波导3和水平波导5为MM结构的波导，即 Μ頂波导为金属-绝缘体-金属结构，绝缘体采用不导电透明物质；不导电透明物质为空气、 二氧化硅或硅;竖直波导3位于水平波导5的上端;竖直波导3的宽度b采用30nm-60nm取值范 围，以35nm宽度为最佳，竖直波导3的长度Μ采用200nm以上的值，以300nm长度为最佳;竖直 波导3的左边缘到金属膜6左边缘的距离a采用350nm-450nm取值范围，以400nm为最佳。水平 波导5宽度d采用30nm-100nm取值范围，以50nm宽度为最佳，水平波导5内的介质为空气;水 平波导5的下边缘距离金属膜6的边缘的距离c采用大于150nm的取值范围。
[0034] 本发明通过温度的变化来改变酒精的体积，使其膨胀推动可移动金属块3向水平 波导5移动来改变竖直波导4内空气段的长度，可移动金属块3向下移动使其到水平波导5距 离发生变化，信号光的透过率也就随之发生变化；由于可移动金属块3往下移动受温度的控 制，所以温度的变化影响信号光的透射率的变化，根据透射率的变化即可探测温度信息的 变化，透射率的特征可以与温度一一对应，即从透射率的特征即可知道温度的变化。当温度 又降回初始温度时，在外界大气压的作用下，金属块3又会回到初始压力平衡的位置，方便 下一次探测。
[0035]可移动金属块3往下移动，使其水平波导距离发生变化，信号光的透过率也就随之 发生变化。如图3所示是该结构在s的值不同时波长为700nm-1000nm的各个波长的光的透过 率。金属块的初始位置为初始温度(如20°C)时的位置，其值s = 160nm;利用仿真软件扫描可 以得到温度变化一定时，水平波导各个波长的透过率，然后再让相应波长的透过率值依次 相差，然后对其做绝对值平均。这样就可以得到每个波长的在单位温度间隔内透射率的变 化值，结果如图4所示。图中曲线代表扫描间隔为2.97X1(T9°C时各个波长透射率的间隔的 平均值。利用仿真软件扫描可以得到温度变化一定时，水平波导各个波长的透过率，然后再 让相应波长的透过率值依次相差然后绝对值求和取平均，这样就得到了温度间隔固定时各 个波长透射率的差的平均值。从图中可以得到波长为792nm时，透射率间隔最大值为 0.067207。所以水平波导的信号光为792nm的单一光源，温度的变化影响信号光的透射率的 变化，根据透射率的变化即可探测温度信息的变化。
[0036] 设探测器对于单一波长透射率的分辨率能力为2 %的透射率变化量，则用这种探 测方式设计的温度传感器的平均分辨率达到〇.99Xl(T9°C。温度传感器在增加液囊的体积 后，可移动金属块对温度更加敏感。同样对入射信号光为792nm的情况下，扫描其在不同温 度下的透射率，扫描温度间隔为1.189\10^€，扫描结果如图5中黑色点状曲线所示。792?! 信号光在不同温度下的透射率，以及对792nm信号光透射曲线进行微分求出dt/dT，即透射 率对温度的导数曲线图。根据曲线可以得到在s = 116nm的位置有最大的透射率变化率。根 据扫描间隔可以计算出温度传感器在该位置的温度分辨率为〇.595Xl(T9°C，此为固定温度 点该温度传感器的分辨率。然后对曲线进行微分求出dt/dT，即透射率对温度的导数。所求 曲线如图5中黑色不加点曲线所示。在处理图像时，将相应温度点对应可移动金属块的位置 也标注在横轴上，以便于查找透射率变化最大的位置。根据黑色不加点曲线可以得到在s = 116nm的位置有最大的透射率变化率。根据扫描间隔可以计算出温度传感器在该位置的温 度分辨率为0.595X1(T 9°C。在实际应用中针对某一个固定温度点附近进行测量，可以把可 移动金属块固定在116nm处，这样既可以实现固定温度点高灵敏度或高分辨率的测量。
[0037] 尽管本专利已介绍了一些具体的实例，只要不脱离本专利权利要求所规定的精 神，各种更改对本领域技术人员来说是显而易见的。
【主权项】
1. 一种基于外置液囊和固定波长的超高分辨率温度传感器，其特征在于：它由一个外 置液囊、金属块、一个竖直波导、一个水平波导、两个金属膜和一个水平传播的信号光组成； 所述液囊和所述竖直波导连接，所述金属块设置竖直波导内，且可以移动;所述竖直波导和 水平波导连接;所述信号光采用固定波长。2. 按照权利要求1所述的基于外置液囊和固定波长的超高分辨率温度传感器，所述液 囊内物质为高热膨胀系数的物质。3. 按照权利要求2所述的基于外置液囊和固定波长的高分辨率温度传感器，所述高膨 胀系数的物质为酒精或水银。4. 按照权利要求1所述的基于外置液囊和固定波长的超高分辨率温度传感器，所述液 囊的形状为立方体、球形、椭球形或不规则形状。5. 按照权利要求1所述的基于外置液囊和固定波长的高分辨率温度传感器，所述金属 为金或银。6. 按照权利要求5所述的基于外置液囊和固定波长的超高分辨率温度传感器，所述金 属为银。7. 按照权利要求1所述的基于外置液囊和固定波长的超高分辨率温度传感器，所述水 平波导和竖直波导为Μ頂结构的波导。8. 按照权利要求1所述的基于外置液囊和固定波长的高分辨率温度传感器，所述水平 波导内的介质为空气。9. 按照权利要求1所述的基于外置液囊和固定波长的超高分辨率温度传感器，所述信 号光为单一波长激光，其波长为792nm的激光。10. 按照权利要求1所述的基于外置液囊和固定波长的超高分辨率温度传感器，所述可 移动金属块的固定位置为116nm〇
【专利摘要】本发明公开了一种基于外置液囊和固定波长的超高分辨率温度传感器，它由一个外置液囊、金属块、一个竖直波导、一个水平波导、两个金属膜和一个水平传播的信号光组成；所述液囊和所述竖直波导连接，所述金属块设置竖直波导内，且可以移动；所述竖直波导和水平波导连接；所述信号光采用固定波长。本发明结构紧凑，体积小，非常便于集成，分辨率高，温度平均分辨率平均达到0.99×10-9℃，最高分辨率为0.595×10-9℃。
【IPC分类】G01K11/00
【公开号】CN105571742
【申请号】CN201610085877
【发明人】欧阳征标, 陈治良
【申请人】欧阳征标
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2016年2月15日