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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 面向煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)測(cè)的光學(xué)微腔溫度傳感器
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本項(xiàng)目設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種面向煤礦安全生產(chǎn)檢測(cè)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(cè)以及構(gòu)建煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)等方面有巨大應(yīng)用潛力，能推動(dòng)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(diǎn)使此傳感器在構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)、分布式監(jiān)測(cè)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(duì)微米納米結(jié)構(gòu)的熱光效應(yīng)以及熱膨脹效應(yīng)實(shí)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(shí)，光學(xué)微腔材料的表面折射率就會(huì)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(duì)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(cè)靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、使用方便、體積小等優(yōu)點(diǎn)。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 創(chuàng)新點(diǎn)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(lái)檢測(cè)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(xiàng)目中提出的光學(xué)微腔的封裝方法屬于國(guó)際首創(chuàng)，已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利，其是本項(xiàng)目的另外一個(gè)鮮明的創(chuàng)新點(diǎn)。 主要技術(shù)指標(biāo)有： 1、敏感單元封裝體積：≤2mm3； 2、探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間：≤500ns，放大倍數(shù):102—104；3、可探測(cè)溫度范圍: -100℃--200℃；4、溫度傳感響應(yīng)時(shí)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(xiàng)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(lái)，實(shí)現(xiàn)高分辨力溫度場(chǎng)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(chǎng)的傳感機(jī)理。利用微納結(jié)構(gòu)光學(xué)器件的強(qiáng)倏逝場(chǎng)特性提高了傳感和探測(cè)的靈敏性和分辨力。此外，本項(xiàng)目中提出了一種光學(xué)微腔的封裝方法，其是國(guó)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(duì)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(chǎng)監(jiān)測(cè)。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(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- （1）2010年10月13號(hào)獲得了一項(xiàng)發(fā)明專利的授權(quán)。 （2）2010年7月27號(hào)申請(qǐng)了三項(xiàng)發(fā)明專利，并拿到申請(qǐng)?zhí)枴? （3）2010年在第七屆太原市青少年發(fā)明創(chuàng)新競(jìng)賽中榮獲一等獎(jiǎng)。 （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(jìng)賽中榮獲一等獎(jiǎng)。
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(shí)物 現(xiàn)場(chǎng)演示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 自行制造、封裝微納錐形光纖與光學(xué)微腔，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)光學(xué)探測(cè)器以完成在溫度傳感的光學(xué)信號(hào)的采集與光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，通過信號(hào)處理模塊對(duì)探測(cè)器采集的信號(hào)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(shí)間短、系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在新型化工、空氣質(zhì)量檢測(cè)以及構(gòu)建煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)等方面有巨大的應(yīng)用潛力，能推動(dòng)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(huì)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(cè)能力的場(chǎng)合中得到重要應(yīng)用，國(guó)外的相關(guān)研究主要集中在美國(guó)。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(guó)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(cè)試吸附在微腔表面的牛血清蛋白，測(cè)得了很好的靈敏度。并且對(duì)維生素H以及連鎖狀球菌有很好的檢測(cè)效果。他的實(shí)驗(yàn)小組還對(duì)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(cè)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(huì)有反應(yīng)。這一結(jié)果對(duì)生物醫(yī)學(xué)乃至整個(gè)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(duì)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(gè)nm）會(huì)直接影響輸出波形的相位和強(qiáng)度，這就意味著史無(wú)前例的靈敏度。根據(jù)不同的測(cè)試場(chǎng)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(lái)滿足需求。Lain等曾在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，通過檢測(cè)諧振振幅和線寬的改變實(shí)現(xiàn)了1mg的極高靈敏度的加速度探測(cè)。 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(duì)光學(xué)微腔加熱時(shí)，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(yàn)的過程之中發(fā)現(xiàn)的，誤差僅為1%。因此對(duì)于已知材料的腔體根據(jù)微腔頻譜的變化就能夠測(cè)得其溫度的變化。整個(gè)溫度測(cè)量系統(tǒng)以其小體積、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)可以設(shè)計(jì)高靈敏度的微型探測(cè)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(jì)制造高性能的光學(xué)微腔的意義就顯得尤為重要。 國(guó)內(nèi)起步較晚，但是由于光學(xué)微腔的高Q優(yōu)勢(shì)，在傳感性能上會(huì)有所提高。
