基本信息
- 項目名稱：
- 面向煤礦生產安全監(jiān)測的光學微腔溫度傳感器
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本項目設計并實現(xiàn)一種面向煤礦安全生產檢測的光學微腔溫度傳感器，屬于新型微納傳感技術, 該系統(tǒng)在新型化工、空氣質量檢測以及構建煤礦安全生產監(jiān)測網絡等方面有巨大應用潛力，能推動我省相關行業(yè)和產業(yè)進步。其高靈敏性、低功耗和小體積的特點使此傳感器在構建傳感器網絡、分布式監(jiān)測系統(tǒng)以及物聯(lián)網上有重要應用。
- 詳細介紹：
- 基本思路是通過熱對微米納米結構的熱光效應以及熱膨脹效應實現(xiàn)了環(huán)境溫度的傳感。當環(huán)境中耦合系統(tǒng)周圍的環(huán)境發(fā)生改變時，光學微腔材料的表面折射率就會改變，從而耦合系統(tǒng)的透射光譜發(fā)生明顯的變化，不同溫度的環(huán)境對耦合系統(tǒng)的影響不同。由于該系統(tǒng)容易受到周圍環(huán)境溫度的影響因此具有探測靈敏度高、響應時間短、使用方便、體積小等優(yōu)點。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 創(chuàng)新點主要有：（1）利用錐形光纖與光學微腔的耦合透射光譜的變化來檢測溫度的變化，把低功耗、小型化的微光學結構用于溫度傳感；(2)此外本項目中提出的光學微腔的封裝方法屬于國際首創(chuàng)，已申請國家發(fā)明專利，其是本項目的另外一個鮮明的創(chuàng)新點。 主要技術指標有： 1、敏感單元封裝體積：≤2mm3； 2、探測器響應時間：≤500ns，放大倍數(shù):102—104；3、可探測溫度范圍: -100℃--200℃；4、溫度傳感響應時間：≤500ms；5、靈敏度：14pm/℃；6、分辨率：1.05×10-3℃。
科學性、先進性
- 該項目主要在于把低功耗、小型化的微光學結構用于溫度傳感。把微光學結構的良好光學特性與高靈敏快速溫度結合起來，實現(xiàn)高分辨力溫度場分析與傳感，為構建網絡化傳感打下基礎，也為構建煤礦預警中的生產礦井溫度分布構建基礎。其次，該溫度傳感器是基于微納結構倏逝波場的傳感機理。利用微納結構光學器件的強倏逝場特性提高了傳感和探測的靈敏性和分辨力。此外，本項目中提出了一種光學微腔的封裝方法，其是國際首創(chuàng)，目前的研究證明，該方法是推進光學微腔研究走向應用的重要一步。同現(xiàn)有的溫度傳感器對比發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)具有更快的響應速度，有更小的敏感頭、更低的損耗和更高的靈敏度，適合構建分布式在線溫度場監(jiān)測。并且，傳感核心單元采用微納結構光學器件，使得該系統(tǒng)更易于構建大空間分布式傳感系統(tǒng)，為進一步構建物聯(lián)網系統(tǒng)打下溫度傳感器件的基礎。
獲獎情況及鑒定結果
- （1）2010年10月13號獲得了一項發(fā)明專利的授權。 （2）2010年7月27號申請了三項發(fā)明專利，并拿到申請?zhí)枴? （3）2010年在第七屆太原市青少年發(fā)明創(chuàng)新競賽中榮獲一等獎。 （4）2011年獲得中北大學“劉鼎杯”大學生課外學術科技作品競賽中榮獲一等獎。
作品所處階段
- 中試階段
技術轉讓方式
- 未轉讓
作品可展示的形式
- 圖片 實物 現(xiàn)場演示
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 自行制造、封裝微納錐形光纖與光學微腔，并設計實現(xiàn)光學探測器以完成在溫度傳感的光學信號的采集與光電信號的轉換，通過信號處理模塊對探測器采集的信號進行分析處理，獲得微納結構所處環(huán)境的溫度等信息，有高靈敏性、低功耗、響應時間短、系統(tǒng)可擴展性強等優(yōu)點，在新型化工、空氣質量檢測以及構建煤礦安全生產監(jiān)測網絡等方面有巨大的應用潛力，能推動我省相關行業(yè)和產業(yè)的進步。 根據(jù)目前煤礦安全開采、物聯(lián)網技術研發(fā)等需求，其經濟效益十分可觀，具有重大的社會經濟意義。
同類課題研究水平概述
- 光學微腔具有超高的品質因數(shù)和較低的模式體積。在要求極細線寬、極高能量密度、極細微探測能力的場合中得到重要應用，國外的相關研究主要集中在美國。以加州理工大學Vahala1 領導的小組為代表，研制了基于微腔的生物蛋白傳感器。2002年，美國洛克菲勒大學生物物理研究中心Vollmer領導的小組利用微球腔和錐形光纖的耦合系統(tǒng)研制高靈敏度的生物傳感器，通過測試吸附在微腔表面的牛血清蛋白，測得了很好的靈敏度。并且對維生素H以及連鎖狀球菌有很好的檢測效果。他的實驗小組還對該傳感器的工作原理進行了理論分析。分析表明該裝置能探測到的生物分子量下限50，是以前的生物傳感器的1/3。即使是原子尺度的生物分子附著在微腔表面，耦合系統(tǒng)同樣會有反應。這一結果對生物醫(yī)學乃至整個生命科學有重要的意義。通過光學微腔與耦合器件的相對距離的改變可以用于研制高靈敏度加速度傳感器。腔體和耦合器件很小的距離變化（幾個nm）會直接影響輸出波形的相位和強度，這就意味著史無前例的靈敏度。根據(jù)不同的測試場合，可以通過調整光學微腔的直徑大小以及改變耦合方式來滿足需求。Lain等曾在實驗室環(huán)境下，通過檢測諧振振幅和線寬的改變實現(xiàn)了1mg的極高靈敏度的加速度探測。 光學微腔在工作的過程之中以熱傳導的方式與周圍的環(huán)境進行著熱量的交換，從而與外界溫度保持著一致。因此，當對光學微腔加熱時，就能夠引起平面環(huán)形微腔的諧振頻率的明顯變化。這一現(xiàn)象最初是由Rosenberger在做微球腔激光試驗的過程之中發(fā)現(xiàn)的，誤差僅為1%。因此對于已知材料的腔體根據(jù)微腔頻譜的變化就能夠測得其溫度的變化。整個溫度測量系統(tǒng)以其小體積、高靈敏度等優(yōu)點必將在生物醫(yī)學、工業(yè)特殊環(huán)境控制方面有廣闊的應用空間。 由此可見，根據(jù)引起微腔傳輸特性變化的原因多種多樣，以某一方面為切入點可以設計高靈敏度的微型探測器件。但是，器件的性能優(yōu)劣直接決定于微腔的品質因數(shù)、模式體積等特性參數(shù)。因此設計制造高性能的光學微腔的意義就顯得尤為重要。 國內起步較晚，但是由于光學微腔的高Q優(yōu)勢，在傳感性能上會有所提高。
