Термочувствительный спектральный преобразователь

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к основным компонентам оптических датчиков, устройств и измерительных систем, предназначенных для контроля температуры.

Техническим результатом является расширение арсенала технических средств измерения температуры и упрощение интеграции технологии изготовления термочувствительного спектрального преобразователя с технологией создания измерительных устройств, содержащих плоские оптические элементы.

Технический результат достигается тем, что в термочувствительном спектральном преобразователе, содержащем волновод, приемный и излучающий элементы, преобразователь выполнен в виде пластины, в которой сформирован волновод, приемный и излучающий элементы выполнены в виде дифракционных решеток, излучающая дифракционная решетка расположена вне зоны измерения температуры, волновод выполнен из кремния.

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к основным компонентам оптических датчиков, устройств и измерительных систем, предназначенных для контроля температуры.

Использование оптического излучения для передачи информационных сигналов и формирования измерительных каналов в устройствах преобразования физических величин имеет ряд существенных преимуществ перед использованием электрических линий передачи сигнала. К таким преимуществам относятся высокая точность, нечувствительность к электромагнитным наводкам, высокая термическая и радиационная стойкость оптических линий передачи сигнала, их пожаро- и взрывобезопасность, возможность осуществления дистанционных измерений. Для распространения оптического излучения служат волноводы. С целью наилучшей интеграции (объединения техпроцесса изготовления) оптических волноводов и конструкций устройств, содержащих оптически-прозрачные многослойные подложки, а также чувствительные элементы (как, например, в тензорезистивных датчиках), волноводы могут быть сформированы на базе существующих технологий фотолитографии и травления.

Известен волоконно-оптический термометр, содержащий волоконно-оптический датчик, выполненный из оптического волокна с расположенным на его конце термочувствительным элементом из кремния, соединенным с оптическим волокном через согласующий слой из окиси кремния. Патент Российской Федерации на полезную модель 47203, МПК: А61В 5/0215, G01K 11/12, 2005 г.

Недостатком аналога является сложная технология изготовления, хрупкость конструкции из-за использования оптического волокна.

Известен волоконно-оптический термометр, содержащий источник света, микроконтроллер, светораспределительную систему, оптический фильтр, волоконно-оптический переключатель, фотоприемники, волоконно- оптический щуп, выполненный в виде волоконно-оптической решетки Брэгга, одномодовые волоконные световоды, соединяющие основные компоненты устройства, опорный и измерительный каналы. Патент Российской Федерации 2491523, МПК: G01K 11/32, G02B 6/43, 2013 г.

Недостатком аналога является сложность технологии изготовления устройства. Волоконное исполнение налагает существенные ограничения на допустимые механические воздействия в процессе монтажа устройства, кроме того, использование волоконного световода затрудняет интеграцию технологии изготовления данного устройства с технологическими операциями создания устройств, имеющих плоские оптические элементы, например, чувствительные элементы в интегральных оптико-электронных схемах.

Известен волоконно-оптический датчик температуры, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде волоконно-оптического световода с полиамидным покрытием и с записанной в нем волоконно-оптической решеткой Брэгга, снабженный корпусом, представляющим собой электрокорундовый или шамотный тигель, внешняя стенка которого выполнена либо гладкой, либо со спиралевидным каналом, внутри которого по всей длине расположен световод, при этом в световоде записано не менее двух спектрально- и пространственно-разнесенных волоконно-оптических решеток Брэгга, а световод закреплен в спиралевидном канале или па внешней гладкой стенке корпуса в некоторых точках, которые определены местами расположения волоконно-оптических решеток Брэгга в световоде. Патент Российской Федерации на полезную модель 140576, МПК: G01K 11/32,2014 г.

Устройство имеет большие габариты и низкую чувствительность. Применение волоконного световода с полиамидным покрытием налагает существенные температурные ограничения на использование датчика в измерительных системах, поскольку полиамидные материалы обладают невысокой термостойкостью.

2

Известно устройство для осуществления контроля температуры и состояния лопастей с керамическим теплозащитным покрытием, применяемое в роторах газотурбинных двигателей, имеющее в своем составе детекторы и волоконные элементы передачи оптического сигнала (US 2004179575 А1, 16.09.2004). В данном техническом решении используются гибкие полые оптоволоконные волноводы и волокна, волновод выполнен из материала группы диоксида кремния и сапфира. Прототип.

Недостатком прототипа является сложность изготовления устройства, обусловленная многозвенностью конструкции, в состав которой входят самостоятельные элементы, а также необходимость выполнения точной юстировки взаимного расположения этих элементов, отсутствие интеграции техпроцесса изготовления устройства с существующим и хорошо освоенным техпроцессом изготовления интегральных тензопреобразователей и оптико-электронных схем, ввиду применения в данном устройстве гибких волоконных элементов и полых волноводов, что требует специального оборудования.

Задачей полезной модели является создание термочувствительного устройства, осуществляющего спектральное преобразование температуры в информационный оптический сигнал, изготовленного на базе плоских волноводов и позволяющего применять материалы, используемые при создании интегральных оптико-электронных схем и тензопреобразователей.

Техническим результатом является расширение арсенала технических средств измерения температуры и упрощение интеграции технологии изготовления термочувствительного спектрального преобразователя с технологией создания измерительных устройств, содержащих плоские оптические элементы.

Технический результат достигается тем, что в термочувствительном спектральном преобразователе, содержащем волновод, приемный и излучающий элементы, преобразователь выполнен в виде пластины, в которой сформирован волновод, приемный и излучающий элементы выполнены в виде дифракционных решеток, излучающая дифракционная

3

решетка расположена вне зоны измерения температуры, волновод выполнен из кремния.

Сущность полезной модели поясняется на фигурах 1-2.

На фиг. 1 схематично представлен термочувствительный спектральный преобразователь в виде пластины, где: 1 - излучатель, 2 - приемник излучения, 3 - волновод, 4 - основание волновода, 5 - изолятор.

На фиг. 2 схематично представлен вид устройства в направлении А, где: 6 - приемная дифракционная решетка, 7 - излучающая дифракционная решетка, 8 - зона измерения температуры.

Термочувствительный спектральный преобразователь содержит волновод 3 для обеспечения прохождения оптического сигнала от излучателя 1 к приемнику излучения 2. Волновод 3 содержит приемную дифракционную решетку 6, расположенную в зоне измерения температуры 8 на поверхности исследуемого объекта (на фигурах не изображен) и излучающую дифракционную решетку 7, для направления излучения к приемнику излучения 2. Волновод 3 выполнен в виде плоского слоя оптически-прозрачного материала, что позволяет осуществить интеграцию производства термочувствительного спектрального преобразователя с интегральными устройствами, и чувствительными элементами тензопреобразователей и оптико-электронных интегральных схем, поскольку изготовление данных элементов требует однотипных технологических процессов, широко применяемых в полупроводниковой технике. Волновод 3 может быть изготовлен из кремния, либо другого материала, обладающего оптическим показателем преломления большим, чем основание волновода 4 и изолятор 5, которые, в свою очередь, могут представлять собой слой кварца (диоксида кремния). Основание волновода 4 и изолятор 5 служат оболочкой для волновода 3 и изготавливаются одним из известных методов формирования изоляционных слоев в микроэлектронике. Из-за разницы в показателях преломления материалов, из которого изготовлены волновод 3, изолятор 5 и основание волновода 4, оптический сигнал распространяется но волноводу 3 за счет эффекта полного внутреннего отражения. Если в

4

качестве материала волновода 3 используется кремний, то, ввиду его оптического пропускания для длин волн излучения свыше 1,2 мкм, обеспечивается удобство согласования такого термочувствительного спектрального преобразователя с рабочими длинами волн большинства из существующих спектральных элементов микроэлектроники (в частности, излучателей и приемников излучения). Термочувствительная функция устройства обеспечена тем, что приемная дифракционная решетка 6 расположена в зоне измерения температуры 8. Эта зона находится на поверхности исследуемого объекта (на фигурах не изображен). Излучающая дифракционная решетка 7 расположена вне зоны измерения температуры, что позволяет исключить погрешность, возникающую из-за изменения спектральных свойств излучающей решетки под действием измеряемой температуры. При температурных деформациях материала приемной дифракционной решетки 6 происходит изменение ее геометрических параметров, что обеспечивает изменение спектра излучения, попавшего на эту решетку и направленного по волноводу 3 к излучающей дифракционной решетке 7. Приемная дифракционная решетка 6 и излучающая дифракционная решетка 7 представляют собой оптические элементы ввода и вывода излучения, соответственно (по отношению к волноводу 3). Данные дифракционные решетки изготовлены методом травления бороздок с рассчитанными геометрическими параметрами (в зависимости от конструктивных размеров волновода, расстояний от излучателя и от приемника излучения, используемой длины волны).

Благодаря использованию освоенных технологических процессов, применяемых при создании чувствительных элементов интегральных тензопреобразователей и оптико-электронных схем, изготовление термочувствительного спектрального преобразователя не требует разработки сложного оборудования.

Выбор материала волновода 3 определяется на этапе разработки каждого конкретного термочувствительного спектрального преобразователя исходя из схемы его включения в общем изделии, назначения и условий

5

эксплуатации. Простота конструкции термочувствительного спектрального преобразователя и отсутствие в ней подвижных частей и, вообще, отдельных самостоятельных элементов, точность взаимного позиционирования которых потребовала бы дополнительных метрологических операций, определяет повышенную надежность работы и долговечность.

Термочувствительный спектральный преобразователь работает следующим образом.

Изменение температуры в зоне 8, на поверхности исследуемого объекта, вызывает температурную деформацию приемной дифракционной решетки 6 и, таким образом, изменение спектральных свойств излучения, попавшего на эту решетку от излучателя 1 и направленного по волноводу 3 к излучающей дифракционной решетке 7. Излучающая дифракционная решетка 7 направляет излучение к приемнику излучения 2. Обработку оптического сигнала осуществляют в приемнике излучения 2.

Благодаря конструктивной завершенности термочувствительного спектрального преобразователя, простоте исполнения, в виде пластины, и отсутствию в нем подвижных или отдельных самостоятельных элементов, достигается повышенная жесткость и конструктивная прочность термочувствительного спектрального преобразователя. Это обуславливает его повышенную устойчивость к механическим воздействиям в процессе монтажа и увеличивает срок эксплуатации.

1. Термочувствительный спектральный преобразователь, содержащий волновод, приемный и излучающий элементы, отличающийся тем, что он выполнен в виде пластины, в которой сформирован волновод, а приемный и излучающий элементы выполнены в виде дифракционных решеток.

2. Термочувствительный спектральный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что излучающая дифракционная решетка расположена вне зоны измерения температуры.

3. Термочувствительный спектральный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что волновод выполнен из кремния.

РИСУНКИ