以ZnO薄膜為敏感元件的光纖溫度測量方法及其光纖溫度傳感器的製作方法

2023-07-25 17:08:51 3

專利名稱：以ZnO薄膜為敏感元件的光纖溫度測量方法及其光纖溫度傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光纖溫度測量方法及其光纖溫度傳感器。
背景技術：
光纖溫度傳感器在工業生產，航天等領域有著廣泛的應用前景。它採用探頭 和儀表分離，光纖做光路，增加了環境適應能力，因為光纖本身具有很多固有的 優點，如長距離低損耗、易彎曲、體積小、重量輕、成本低、防水、放火、耐腐 蝕、抗電磁幹擾等。目前已出現多種光纖溫度傳感器。例如輻射型光纖溫度傳感 器，其理論依據是普朗克輻射定律,它對高溫物體具有很高的靈敏度，但無法應用 於低溫區域；螢光測溫型光纖溫度傳感器，它是利用螢光壽命與溫度對應關係來 測量溫度，但只適用於低溫區；利用半導體晶體薄片(如砷化鎵等)吸收光譜的 溫變特性製成的吸收式溫度傳感器，而該種傳感器存在著結構複雜、製作成本較 高，且測溫範圍相對較窄的不足。

發明內容
為了克服已有的光纖溫度測量方法以及光纖溫度傳感器的測溫範圍較窄、不
能同時適用於高溫和低溫測試的不足，本發明提供一種能擴大測溫範圍、並同時
適用於高溫和低溫測試的以ZnO薄膜為敏感元件的光纖溫度測量方法及其光纖
溫度傳感器。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是
一種以ZnO薄膜為敏感元件的光纖溫度測量方法，利用電子束蒸發的方法， 在藍寶石光纖端面上生長一層結晶良好的ZnO薄膜，所述的ZnO薄膜作為溫度
3敏感元件，通過檢測透射光譜，觀察吸收邊移動實現溫度測量。 進一步，溫度測量的區間為10 1000K。
一種光纖溫度傳感器，所述光纖為藍寶石光纖，在所述藍寶石光纖端面上生 長一層結晶良好的ZnO薄膜，所述所述的ZnO薄膜作為溫度敏感元件。
本發明的技術構思為利用電子束蒸發的方法，在藍寶石光纖端面上生長一
層結晶良好的ZnO薄膜，作為敏感元件，製備光纖溫度傳感器。.
本發明實現大範圍測溫的原理如下
研究表明，在10 1000K溫度範圍內，ZnO的禁帶寬度能量Eg(7)與溫度r的 關係為-
A(r) = ^(o) + rr2/(r + 〃) (i)
上式(1)中Eg(7)和Eg(0)分別是溫度為7K和0K時半導體的禁帶寬度能量， 單位是eV; r和/ 是兩個與材料有關的常量，單位分別是eVK—、 K。半導體ZnO 材料的吸收光譜隨溫度的變化而發生改變， 一束光在通過ZnO材料時，材料會吸 收一部分能量，當光子能量超過半導體禁帶寬度^(r)時，所吸收光的波長如式 (2)所示
A(r) = ~^~ (2) 式中;ig(r)是半導體的吸收邊波長；/ 為普朗克常量；c為光速。由(1)和(2)
得. .
;i(7>-^- (3)
g ￡g(o) + rr2/(r + ") 半導體對光的吸收係數表示為
/ = /0exp(—一 (4)
式中/和/。分別為透射光強和入射光強；"為半導體材料厚度；ZnO的吸收係數"可表示為
a/zv = C(Av —￡&)1/2[/^>￡§] (5) 式中，c是與材料有關的常數；M;為光子能量，^為材料的禁帶寬度，隨溫度 而變。
在C軸取向的藍寶石光纖(熔點1799開爾文)端面生長ZnO薄膜(熔點 1702開爾文)，通過檢測透射光譜，觀察吸收邊移動實現溫度的測量。
本發明的有益效果為結構簡單、操作方便、成本較低，測溫範圍廣。同時， 相比以往的強度調製型半導體光纖溫度傳感器易受光學損耗和光源微擾的影響， 該傳感器結構還有助於提高測量的準確性和可靠性。


圖l是光纖溫度傳感器的探頭的結構圖。 圖2是光纖溫度傳感器測溫實驗裝置圖。
圖3是不同溫度下的透射譜線的示意圖，其中縱坐標Transmittance是透射率， 數值為百分數；橫坐標為波長，單位為納米。
具體實施方式
'
下面結合附圖對本發明作進一步描述。
實施例1
一種以ZnO薄膜為敏感元件的光纖溫度測量方法，利用電子束蒸發的方法， 在藍寶石光纖端面上生長一層結晶良好的ZnO薄膜，所述的ZnO薄膜作為溫度 敏感元件，通過檢測透射光譜，觀察吸收邊移動實現溫度測量。
溫度測量的區間為10~1000K。 圖2是傳感器測溫實驗裝置圖。在該測量裝置中，由於ZnO薄膜的吸收波 長主要是在360~380nm波段，所以光源201在紫外波段要有較強光強。光強太弱，就不能準確觀察吸收邊隨溫度變化情況。因此光源選擇氘燈，它的光譜輸出範圍 為260-卯0nm，可以提供從300nrn到450nm的連續光譜。其中心波長423nm，帶 寬為170nm，最佳激發波長在紫外波段。從紫外可見光源發出來的穩定光強經過 藍寶石光纖和一層高質量的ZnO薄膜202，被放置在後面的光纖光譜儀204探測 到，傳到計算機205對測量的數據進行處理。探頭端點是直接放在溫度可以加熱 到最高溫度為500攝氏度的可調節的加熱塊203中打好的孔內，通過記錄不同溫 度下所得到光譜圖，觀察吸收邊移動，並進一步得到透射光譜。考慮到溫度的變 化範圍較寬，溫度標定採用比較穩定的熱電偶測溫計(北京方圓傳感器公司，型 號:數顯XSM)，測溫範圍0-500攝氏度，基本誤差±0.02%，探頭選擇PT100型。 將熱電偶放在事先在加熱塊上打好的孔中，孔的位置儘量選擇離ZnO薄膜探頭較 近的位置，以保證標定溫度的可靠性。光纖光譜儀的選擇也要充分考慮到ZnO光 學吸收邊的波長，因此要採用在380nm附近波段有較高響應度的光纖光譜儀，從 而獲得較大的光強輸出。
圖3為蒸鍍在藍寶石光纖端面上的ZnO薄膜在不同溫度下的透射光譜，由 圖可看出ZnO薄膜具有陡峭的光學吸收邊，在紫外波段有較強的光吸收，對應於 ZnO禁帶寬度的本徵吸收。在其他測量參數(如壓力、電場和磁場等)保持不變 的情況下，隨著測量溫度的升高，ZnO薄膜吸收邊發生了紅移現象。隨著波長的 增加，ZnO薄膜的光學吸收迅速降低，在可見光波段具有較高的透射率，平均大 於70%，這一損耗產生的主要原因是測量光路中增加了光纖/ZnO界面，引入了一 部分反射損耗，但這些損耗對我們的測量結果影響可以忽略。
本領域的產業技術人員清楚，本發明的思想可一採用上面列舉的具體實施方 案以外的其它方式實現。 實施例2參照圖1 圖3， 一種光纖溫度傳感器，所述光纖為藍寶石光纖，在所述藍寶 石光纖端面上生長一層結晶良好的ZnO薄膜，所述所述的ZnO薄膜作為溫度敏 感元件。
圖1是光纖溫度傳感器的探頭。利用電子束蒸發的方法，在約長15mm,直徑 0.980mm (0001)藍寶石光纖101端面生長上一層結晶良好的ZnO薄膜102，作 為敏感元件，製備光纖溫度傳感器。樣品製備後，利用原子力顯微鏡和掠入射X 射線衍射儀對藍寶石光纖端面上ZnO薄膜樣品的表面形貌和結構進行了測量和 分析，其表面較為平整緻密，粗糙度較小，其最大粗糙度約為5.8nm。光滑的表 面形貌將使該薄膜在可見光區域具有較高的透射率。繼而將其構建成基於ZnO薄 膜溫變特性的光纖溫度傳感器。
權利要求
1、一種以ZnO薄膜為敏感元件的光纖溫度測量方法，其特徵在於利用電子束蒸發的方法，在藍寶石光纖端面上生長一層結晶良好的ZnO薄膜，所述的ZnO薄膜作為溫度敏感元件，通過檢測透射光譜，觀察吸收邊移動實現溫度測量。
2、 如權利要求1所述的以ZnO薄膜為敏感元件的光纖溫度測量方法，其特徵在 於溫度測量的區間為IO-IOOOK。
3、 一種用如權利要求1所述的以ZnO薄膜為敏感元件的光纖溫度測量方法實現 的光纖溫度傳感器，其特徵在於所述光纖為藍寶石光纖，在所述藍寶石光纖端 面上生長一層結晶良好的ZnO薄膜，所述所述的ZnO薄膜作為溫度敏感元件。
全文摘要
一種以ZnO薄膜為敏感元件的光纖溫度測量方法，利用電子束蒸發的方法，在藍寶石光纖端面上生長一層結晶良好的ZnO薄膜，所述的ZnO薄膜作為溫度敏感元件，通過檢測透射光譜，觀察吸收邊移動實現溫度測量。以及一種光纖溫度傳感器，所述光纖為藍寶石光纖，在所述藍寶石光纖端面上生長一層結晶良好的ZnO薄膜，所述所述的ZnO薄膜作為溫度敏感元件。本發明能擴大測溫範圍、並同時適用於高溫和低溫測試。
文檔編號G01K11/00GK101598609SQ200910100470
公開日2009年12月9日 申請日期2009年6月30日 優先權日2009年6月30日
發明者劉玉玲, 蔡萍根, 東 鄭, 隋成華 申請人:浙江工業大學