ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

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.