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基本信息
- 項目名稱：
- 面向煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)測的光學(xué)微腔溫度傳感器
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本項目設(shè)計并實現(xiàn)一種面向煤礦安全生產(chǎn)檢測的光學(xué)微腔溫度傳感器，屬于新型微納傳感技術(shù), 該系統(tǒng)在新型化工、空氣質(zhì)量檢測以及構(gòu)建煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)等方面有巨大應(yīng)用潛力，能推動我省相關(guān)行業(yè)和產(chǎn)業(yè)進(jìn)步。其高靈敏性、低功耗和小體積的特點使此傳感器在構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)、分布式監(jiān)測系統(tǒng)以及物聯(lián)網(wǎng)上有重要應(yīng)用。
- 詳細(xì)介紹：
- 基本思路是通過熱對微米納米結(jié)構(gòu)的熱光效應(yīng)以及熱膨脹效應(yīng)實現(xiàn)了環(huán)境溫度的傳感。當(dāng)環(huán)境中耦合系統(tǒng)周圍的環(huán)境發(fā)生改變時，光學(xué)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(yīng)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(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 創(chuàng)新點主要有：（1）利用錐形光纖與光學(xué)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(xué)結(jié)構(gòu)用于溫度傳感；(2)此外本項目中提出的光學(xué)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(shù)指標(biāo)有： 1、敏感單元封裝體積：≤2mm3； 2、探測器響應(yīng)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(yīng)時間：≤500ms；5、靈敏度：14pm/℃；6、分辨率：1.05×10-3℃。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 該項目主要在于把低功耗、小型化的微光學(xué)結(jié)構(gòu)用于溫度傳感。把微光學(xué)結(jié)構(gòu)的良好光學(xué)特性與高靈敏快速溫度結(jié)合起來，實現(xiàn)高分辨力溫度場分析與傳感，為構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化傳感打下基礎(chǔ)，也為構(gòu)建煤礦預(yù)警中的生產(chǎn)礦井溫度分布構(gòu)建基礎(chǔ)。其次，該溫度傳感器是基于微納結(jié)構(gòu)倏逝波場的傳感機理。利用微納結(jié)構(gòu)光學(xué)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(xué)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(jìn)光學(xué)微腔研究走向應(yīng)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(yīng)速度，有更小的敏感頭、更低的損耗和更高的靈敏度，適合構(gòu)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(jié)構(gòu)光學(xué)器件，使得該系統(tǒng)更易于構(gòu)建大空間分布式傳感系統(tǒng)，為進(jìn)一步構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)打下溫度傳感器件的基礎(chǔ)。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- （1）2010年10月13號獲得了一項發(fā)明專利的授權(quán)。 （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(xué)“劉鼎杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中榮獲一等獎。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 未轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 圖片 實物 現(xiàn)場演示
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 自行制造、封裝微納錐形光纖與光學(xué)微腔，并設(shè)計實現(xiàn)光學(xué)探測器以完成在溫度傳感的光學(xué)信號的采集與光電信號的轉(zhuǎn)換，通過信號處理模塊對探測器采集的信號進(jìn)行分析處理，獲得微納結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的溫度等信息，有高靈敏性、低功耗、響應(yīng)時間短、系統(tǒng)可擴(kuò)展性強等優(yōu)點，在新型化工、空氣質(zhì)量檢測以及構(gòu)建煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)等方面有巨大的應(yīng)用潛力，能推動我省相關(guān)行業(yè)和產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。 根據(jù)目前煤礦安全開采、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)等需求，其經(jīng)濟(jì)效益十分可觀，具有重大的社會經(jīng)濟(jì)意義。
同類課題研究水平概述
- 光學(xué)微腔具有超高的品質(zhì)因數(shù)和較低的模式體積。在要求極細(xì)線寬、極高能量密度、極細(xì)微探測能力的場合中得到重要應(yīng)用，國外的相關(guān)研究主要集中在美國。以加州理工大學(xué)Vahala1 領(lǐng)導(dǎo)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(xué)生物物理研究中心Vollmer領(lǐng)導(dǎo)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(jìn)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(yīng)。這一結(jié)果對生物醫(yī)學(xué)乃至整個生命科學(xué)有重要的意義。通過光學(xué)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(diào)整光學(xué)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(xué)微腔在工作的過程之中以熱傳導(dǎo)的方式與周圍的環(huán)境進(jìn)行著熱量的交換，從而與外界溫度保持著一致。因此，當(dāng)對光學(xué)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(xué)、工業(yè)特殊環(huán)境控制方面有廣闊的應(yīng)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(shè)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(zhì)因數(shù)、模式體積等特性參數(shù)。因此設(shè)計制造高性能的光學(xué)微腔的意義就顯得尤為重要。 國內(nèi)起步較晚，但是由于光學(xué)微腔的高Q優(yōu)勢，在傳感性能上會有所提高。
