CN105628247A - 基于外置液囊和光谱谷点的超高分辨率温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于外置液囊和光谱谷点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信号光组成；所述信号光采用宽带光或扫频光；所述液囊和竖直波导连接，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。本发明结构紧凑、体积小、便于集成，温度传感器的灵敏度可以达到-2.3037×10⁹nm/℃。

Description

基于外置液囊和光谱谷点的超高分辨率温度传感器

技术领域

本发明涉及一种超高分辨率，纳米尺度的温度传感器，尤其涉及基于外置液囊结构和光谱谷点的超高分辨率温度传感器。

背景技术

温度传感器是实际应用中最广泛的传感器之一，从我们生活中的寒暑表，体温计到大型仪器以及集成电路上的温控设备，温度传感器无处不在。传统温度传感器如热电阻、铂电阻，双金属开关等虽然有着各自的优点，但在微型和高精度产品中却不再适用。半导体温度传感器灵敏度或分辨率高、体积小、功耗低、抗干扰能力强等优点使得其在半导体集成电路中应用非常广泛。

基于表面等离子激元的波导却能突破衍射极限的限制，实现纳米尺度的光信息处理和传输。表面等离子激元是当电磁波入射到金属与介质分界面时，电磁波和金属表面的自由电子耦合形成的一种在金属表面传播的表面电磁波。根据表面等离子激元的性质，人们已经提出了很多基于表面等离子体结构的器件，例如滤波器、环形器、逻辑门、光开关等。这些器件在结构上都比较简单，非常便于光路集成。

目前，根据表面等离子激元的性质人们提出的温度传感器为70pm/℃或-0.65nm/℃。虽然这些表面等离子激元的温度传感器体积很小，但是灵敏度或分辨率并不高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种便于集成的MIM结构的超高分辨率温度传感器。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

本发明基于外置液囊和光谱谷点的超高分辨率温度传感器由一个外置液囊、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信号光组成；所述信号光采用宽带光或扫频光；所述液囊和竖直波导连接，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。

所述液囊内物质为高热膨胀系数的物质。

所述高膨胀系数的物质为酒精或水银。

所述液囊的形状为立方体形、球形、椭球形、或不规则形状。

所述金属为金或银。

所述金属为银。

所述水平波导和竖直波导为MIM结构的波导。

所述水平波导内的介质为空气。

所述信号光波长范围为700nm-1000nm的频谱信号。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1.结构紧凑、体积小、非常便于集成。

2.温度传感器的灵敏度可以达到-2.3037×10⁹nm/℃，响应时间在微秒级别。

附图说明

图1是本发明温度传感器第一种实施例的二维结构示意图。

图中：外置液囊1金属块2竖直波导3金属膜4水平波导5金属膜6水平信号光200

图2是本发明温度传感器第二种实施例的二维结构示意图。

图中：外置液囊1金属块2竖直波导3金属膜4水平波导5金属膜6水平信号光200

图3是不同波长信号光的透射频谱图。

图4是透射频谱与温度之间的关系图。

图5是透射频谱波谷点的波长移动量与温度之间的关系图。

具体实施方式

本发明具体结构及其实施例结合附图说明如下。

图1所示温度传感器由一个外置液囊1、金属块2、一个竖直波导3、一个水平波导5、两个金属膜4、6(没有被刻蚀的金属膜)和一个水平信号光200(波导表面形成表面等离子激元)组成；信号光采用宽带光或扫频光；外置液囊1和竖直波导3连接，金属块2设置竖直波导内，且可以移动；竖直波导3和水平波导5连接；液囊为球形，其半径R采用0.1mm，该液囊1内的物质比热容比较低，且为高热膨胀系数的物质，液囊1(温度敏感腔)内物质为高热膨胀系数的物质，高热膨胀系数物质为酒精或水银，高膨胀系数物质最好为酒精；金属采用金或银，最佳为银，金属膜厚度(以下用h₁表示)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MIM结构的波导，即MIM波导为金属-绝缘体-金属结构，绝缘体采用不导电透明物质；不导电透明物质采用空气、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M采用200nm以上值，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内的介质采用空气；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取值范围；信号光波长范围采用700nm-1000nm频谱信号；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，从而改变信号光的透射率，根据透射频谱谷点的移动的信息即可得到温度变化的信息。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。

可移动金属块3向下移动会改变信号光的透过率，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频谱谷点的位置，根据透射频谱谷点的移动的信息即可得到温度变化的信息。

酒精体积膨胀系数为α_ethanol＝1.1×10^-3/℃，在室温(20℃)时密度为ρ＝0.789g/cm³。银的线膨胀系数为α_Ag＝19.5×10^-6℃。相比于酒精的膨胀系数，在相同温度变化下银的膨胀可以忽略不计。在本发明中即不再考虑温度变化对银的体积的影响。根据液囊的体积和可移动金属块的截面积可以计算出金属块的位置变化与温度的关系，由此定义一个比例系数σ表示单位温度的变化对应的金属块移动距离

$\mathrm{\σ}=\frac{V\×{\mathrm{\α}}_{ethanol}}{b\×h_1}=\frac{4\×\mathrm{\π}\×R^3\×{\mathrm{\α}}_{ethanol}}{3\×b\×h_1}---\left(1\right)$

此式也可以作为衡量该结构的温度敏感性。根据此式可以得出圆形吸收腔的截面积以及可移动金属块的宽度对金属块的位置变化影响比较大，综合考虑选择b＝35nm。σ＝1.32×10⁹nm/℃，此结果为所述金属块的移动量与温度的关系。

图2所示的实施例中，给出另一种温度传感器结构示意图，温度传感器由一个外置液囊1、金属块2、一个竖直波导3、一个水平波导5、两个金属膜4、6(没有被刻蚀的金属膜)和一个水平信号光200(波导表面形成表面等离子激元)组成；所述信号光采用宽带光或扫频光；外置液囊1和竖直波导3连接，金属块2设置竖直波导内，且可以移动；竖直波导3和水平波导5连接；液囊截面为正六边形的锥体，其边长r为0.1mm，该液囊1(温度敏感腔)内的物质比热容比较低，且高热膨胀系数的物质，液囊1内物质为高热膨胀系数的物质，所述高热膨胀系数物质为酒精或水银，所述高膨胀系数物质最好为酒精；金属采用金或银，最佳为银，金属膜厚度h₁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MIM结构的波导，即MIM波导为金属-绝缘体-金属结构，绝缘体采用不导电透明物质；不导电透明物质采用空气、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M采用200nm以上，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取值范围；信号光波长范围采用700nm-1000nm频谱信号；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，从而改变信号光的透射率，根据透射频谱谷点的移动的信息即可得到温度变化的信息。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。

可移动金属块3往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。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在初始温度(如20℃)时的位置，其值s＝160nm；从图中可以看出水平波导5的透过率的波谷点的的波长位置随着s的的减小而逐渐红后移。由于可移动金属块3的位置的改变是和温度有关的。酒精区域温度每升高dT＝1.189×10^-8℃，可移动金属块3的位置就会由于酒精受热膨胀而向下移动15.7nm。可移动金属块3往下移动就会改变水平波导5的长度，最后水平波导5的透过率也会随之改变。温度的单位变化量所引起的可移动金属块3的移动量与本文扫描的间隔是一致的，所以可移动金属块3位置的值s的变化所引起的水平波导5透过率的变化可以由温度变化来间接表达。则图3的结果中s的量可以用温度来代替，结果如图4所示。从图4中可以得到由温度T的变化导致的s的变化而引起的水平波导透过率的变化规律与图3的一致。另外，在图3中也可以看出温度每变化dT＝1.189×10^-8℃，水平波导透过率图的波谷点波长的移动量非常大。所以根据水平波导5输出光的频谱特性即可知道温度的信息。经过细扫得出每个温度点对应透过率波谷点的波长图，其关系图如图5所示。图中黑色带方形点的线为仿真模拟得出的数据点，黑色的线为根据仿真数据拟合后得到的曲线。温度传感器的灵敏度可以用dλ/dT来表示。根据图5仿真得到的数据温度传感器的灵敏度有大有小，处于一种波动的状态，这样不好表征该温度传感器的性能，所以对原始数据进行了插值拟合得到了一条直线。根据温度传感器的灵敏度的表达式可以得出本发明温度传感器的灵敏度即为黑色曲线斜率即：dλ/dT＝-2.3037×10⁹nm/℃。另外增加盛酒精腔的体积，相应的可移动金属块3对温度的敏感性就会升高，温度传感器的灵敏度也会相应的升高。

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。

Claims (9)

1.一种基于外置液囊和光谱谷点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信号光组成；所述信号光采用宽带光或扫频光；所述液囊和竖直波导连接，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。

2.按照权利要求1所述的基于外置液囊和光谱谷点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光谱谷点的超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光谱谷点的超高分辨率温度传感器，所述液囊的形状为立方体形、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光谱谷点的超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光谱谷点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光谱谷点的超高分辨率温度传感器，所述水平波导和竖直波导为MIM结构的波导。

8.按照权利要求1所述的基于外置液囊和光谱谷点的超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光谱谷点的超高分辨率温度传感器，所述信号光波长范围为700nm-1000nm的频谱信号。