专利名称：非金属化陶瓷封装半导体吸收型光纤温度传感单元及其传感装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种温度传感器，尤其涉及一种非金属化陶瓷封装半导体吸收型
光纤温度传感单元及其传感装置。
背景技术：
从以往对半导体吸收型光纤温度传感器的产品开发设计来看，其结构中所存在的
最大问题是采用铜、铝等导热性能良好的金属材料封装，该封装主要存在两方面的问题[0003] 1、绝缘性 在电力输变电领域的高压、强电磁场等环境的应用中，用户单位质疑的焦点就是传感单元中的金属部件，在考虑爬行距离、绝缘等级之后，相关产品的应用受到极大的限制。 2、工艺结构方面 金属化封装沿用常规光纤跳线结构，比较容易实现，但是受通信产品规范限制，体积很难进一步减小，导致在狭小空间内不便于安置。

发明内容本实用新型的目的就在于克服现有吸收型半导体光纤温度测量技术存在的缺点和不足，提供一种低成本、不受电磁干扰的非金属化陶瓷封装半导体吸收型光纤温度传感单元及其传感装置。 本实用新型的目的是这样实现的 在保障测量范围和精度的前提下，利用半导体的长波吸收边随温度而漂移的规律，通过直接探测光信号经半导体材料吸收后的透射光功率I(T)，计算得到被测温度。[0010] I(T) = a (T)I。 式中，I。为输入光功率，a (T)为不同温度对应的吸收系数。 经过光电探测器后，再通过放大、滤波，最后经A/D转换后，输入微处理机计算并显示被测温度。 具体地说，半导体吸收型光纤温度传感单元(简称传感单元)包括固定套管、紧固
件、陶瓷套管、半导体晶片、导热硅脂、准直套管、输入光纤和输出光纤； 输入光纤、半导体晶片和输出光纤前后依次连接组成一种光通道； 以光通道为中心轴，从内向外，依次包裹有固定套管、准直套管、导热硅脂和陶瓷
套管组成传感单元的本体； 在本体的两端头分别连接有紧固件组成传感单元的总体。[0017] 其工作原理是 由于半导体晶片的吸收边会随着温度的变化而发生漂移，导致通过半导体晶片的光能量发生变化，在光能量和温度之间表现出一定的相关性。因此，通过测量出射光功率的
3变换量，就可以推算出半导体晶片的吸光的变化量，即可计算出温度的变化，从而达到测量温度的目的。
与其他类型的光纤温度传感器相比，本实用新型具有下列优点和积极效果 1、结构简单，体积小，安装方便，成本低廉； 2、非金属化陶瓷封装，不受电磁干扰； 3、系统易于补偿，测温分辨率高，适用范围广。
图1是本传感单元的结构示意图；[0025] 图2是本传感装置的结构方框图； 图3是本传感装置中功率控制单元的结构方框图。其中io-传感单元，11-固定套管，12-紧固件， 13-陶瓷套管，14-半导体晶片，15-导热硅脂， 16-准直套管，17-输入光纤，18-输出光纤；20-宽带光源；30-功率控制单元，31_模数转换器，32-单片机，33-数模转换器；40-光电探测器。50-后续处理电路；60-微处理器。英译汉 SLED :superl咖i體t light emitting diode，超辐射发光二极管；[0039] PIN :positive-intrinsic-negative， p型_本征型_n型；[0040] FWHM :full-width-half-maximum，峰值半宽。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明[0042] —J专感单元10[0043] 1、总体 如图l，本传感单元10包括固定套管11、紧固件12、陶瓷套管13、半导体晶片14、导热硅脂15、准直套管16、输入光纤17和输出光纤18 ;[0045] 其位置和连接关系是 输入光纤17、半导体晶片14和输出光纤18前后依次连接组成一种光通道；[0047] 以光通道为中心轴，从内向外，依次包裹有固定套管11、准直套管16、导热硅脂15和陶瓷套管13组成传感单元10的本体； 在本体的两端头分别连接有紧固件12组成传感单元10的总体。[0049] 其工作原理是 由于半导体晶片14的吸收边会随着温度的变化而发生漂移，导致通过半导体晶片14的光能量发生变化，在光能量和温度之间表现出一定的相关性。因此，通过测量出射光功率的变换量，就可以推算出半导体晶片14的吸光的变化量，即可计算出温度的变化，从而达到测量温度的目的。[0051] 2、功能块[0052] (l)固定套管ll 固定套管11是一种陶瓷芯；其功能是固定和保护光纤端部，与准直套管16形成紧密配合，保证输入光纤17和输出光纤18对准。[0054] (2)紧固件12 紧固件12是一种绝缘(塑料)端盖，内侧带限位槽，与陶瓷套管13的锥状凸起配合，起到对内部结构紧固的作用，保证输入光纤17、半导体晶片14和输出光纤18之间不会因热膨胀引起传输损耗；中心有光纤通孔。[0056] (3)陶瓷套管13 陶瓷套管13是一种导热陶瓷管，两端部外侧带有锥状凸起线。其功能是保护、紧固传感单元10内部结构，具有良好的热传导性。[0058] (4)半导体晶片14 半导体晶片14是由一种吸收边随温度变化而漂移的敏感材料(半导体单晶材料)构成的双面抛光片。目前市面上的该类型成品半导体单晶材料，主要用作激光器和探测器的基片材料，本半导体晶片14是对半导体单晶晶圆进行了进一步加工——双面抛光；其功能是产生吸收系数随温度的变化，是传感单元10的核心部件。
敏感材料的选择长波吸收边的漂移与温度有较好的相关性，同时，变化率尽可能大。这就要求敏感材料的吸收边在光源光谱覆盖范围内的单值区域。[0061] (5)导热硅脂15 导热硅脂15是一种常用电子器件导热胶，所有空隙都填充导热硅脂15以保证传感单元10快速的热响应。[0063] (6)准直套管16 准直套管16是一种常用件；其功能是固定并准直光经由输入光纤17-半导体晶片14-输出光纤18，保证使到达半导体晶片14的入射光功率尽可能完全进入输出光纤18中。[0065] (7)输入光纤17和输出光纤18 输入光纤17和输出光纤18是一种常用件；其功能是输入光纤17用于来自光源20的输入光传导，输出光纤18用于输出至探测器40的光传导。[0067] 二、传感装置[0068] 1、总体 如图2，本传感装置是一种基于本传感单元的温度传感装置，包括传感单元10、宽带光源20、功率控制单元30、光电探测器40、后续处理电路50和微处理器60 ;[0070] 宽带光源20和功率控制单元30连接； 宽带光源20的输出端与传感单元10的输入端连接；传感单元10的输出端与光电探测器40连接； 光电探测器40、后续处理电路50和微处理器60依次连接。[0073] 其工作原理是 宽带光源20发出光功率为I。的光，经过传感单元10中半导体晶片14的出射光功率L = a 1。，其中a为吸收系数。出射光经光纤传输到达光电探测器40的光功率I2 =al。。经后续处理电路50和微处理器60计算得到a的值，再由半导体晶片14的吸收系数a与温度的关系即可得到测量的温度值。[0075] 2、功能块[0076] (1)传感单元10 传感单元10是本实用新型所述的半导体吸收型光纤温度传感单元。[OO78] (2)宽带光源20 宽带光源20是一种宽带激光光源，本实用新型选用峰值波长为870nm， FWHM为26nm的SLED半导体激光器。宽带光源20中有内置光电探测器，内置光电探测器是一种通用光电二极管，完成光信号到电信号的转换，提供电输出引脚。[OOSO] (3)功率控制单元30 功率控制单元30是一种光功率反馈控制电路，根据光源20监测光功率的变化，实
时控制注入电流的大小，以确保光源20输出功率的稳定。 功率控制单元30为自制设备，放置在光源20控制板上。 如图3，功率控制单元30包括模数转换器(A/D)31、单片机32和数模转换器(D/A)33，和光源20组成反馈控制； 宽带光源20、模数转换器(A/D)31、单片机32、数模转换器(D/A) 33和宽带光源20前后依次闭环连接。 其工作原理是当宽带光源20由于温度等因素导致输出光功率变动时，首先经由宽带光源20中的内置光电探测器光电转换，再经由模数转换器(A/D)31模数转换，后被单片机32识别，并通过数模转换器(D/A)33数模转换，控制宽带光源20的供给电流来保持输
出光功率的稳定。 (1)模数转换器(A/D)31 模数转换器(A/D)31是一种将模拟信号转换为数字信号的通用器件；用于将光电转换来的电信号转换为单片机32需要的数字信号，供单片机32处理；[0088] 选用美国ADI公司的AD7708芯片。[0089] (2)单片机32 单片机32是一种通用可编程中央处理器；实现对宽带激光器功率变动的判断和控制； 选用ARM7系列440DX芯片。[0092] (3)数模转换器(D/A)33 数模转换器(D/A) 33是一种将数字信号转换为模拟信号的通用器件；用于将单片机33的输出控制命令转换为控制激光器20的模拟信号；[0094] 选用美国ADI公司的AD5663芯片。[0095] (4)光电探测器40 PIN光电二极管40是一种常用的光电转换器，本实用新型选用同轴尾纤型PIN光电二极管。 (5)后续处理电路50 后续处理电路50是一种常用的包括放大、滤波和模数转换的电路，本实用新型自[OO"] (6)微处理器60 ; 微处理器60是一种常用的微处理器，本实用新型选用以ARM7T匿I为内核的S3C44B0作为微处理器。
权利要求一种非金属化陶瓷封装半导体吸收型光纤温度传感单元，其特征在于本传感单元(10)包括固定套管(11)、紧固件(12)、陶瓷套管(13)、半导体晶片(14)、导热硅脂(15)、准直套管(16)、输入光纤(17)和输出光纤(18)；输入光纤(17)、半导体晶片(14)和输出光纤(18)前后依次连接组成一种光通道；以光通道为中心轴，从内向外，依次包裹有固定套管(11)、准直套管(16)、导热硅脂(15)和陶瓷套管(13)组成传感单元(10)的本体；在本体的两端头分别连接有紧固件(12)组成传感单元(10)的总体。
2. 按权利要求1所述的传感单元，其特征在于 固定套管(11)是一种陶瓷芯。
3. 按权利要求1所述的传感单元，其特征在于紧固件(12)是一种绝缘端盖，内侧带限位槽，中心有光纤通孔。
4. 按权利要求1所述的传感单元，其特征在于陶瓷套管(13)是一种导热陶瓷管，两端部外侧带有锥状凸起线。
5. 按权利要求l所述的传感单元，其特征在于半导体晶片(14)是由一种吸收边随温度变化而漂移的半导体单晶材料制成的双面抛光片，要求敏感材料的吸收边在光源光谱覆盖范围内的单值区域。
6. —种基于权利要求1所述传感单元的传感装置，其特征在于本传感装置包括传感单元(10)、宽带光源(20)、功率控制单元(30)、光电探测器(40)、 后续处理电路(50)和微处理器(60);宽带光源(20)和功率控制单元(30)连接；宽带光源(20)的输出端与传感单元(10)的输入端连接；传感单元(10)的输出端与光 电探测器(40)连接;光电探测器(40)、后续处理电路(50)和微处理器(60)依次连接。
7. 按权利要求6所述的传感装置，其特征在于宽带光源(20)是一种宽带激光光源，其中有内置光电探测器。
8. 按权利要求6所述的传感装置，其特征在于功率控制单元(30)包括模数转换器(31)、单片机(32)和数模转换器(33)，和宽带光 源(20)组成反馈控制电路；宽带光源(20)、模数转换器(31)、单片机(32)、数模转换器(33)和宽带光源(20)前后 依次闭环连接。
专利摘要本实用新型公开了一种非金属化陶瓷封装半导体吸收型光纤温度传感单元及其传感装置，涉及一种温度传感器。本传感单元的结构是输入光纤(17)、半导体晶片(14)和输出光纤(18)前后依次连接组成一种光通道；以光通道为中心轴，从内向外，依次包裹有固定套管(11)、准直套管(16)、导热硅脂(15)和陶瓷套管(13)组成传感单元(10)的本体；在本体的两端头分别连接有紧固件(12)组成传感单元(10)的总体。本实用新型结构简单，体积小，安装方便，成本低廉；非金属化陶瓷封装，不受电磁干扰；系统易于补偿，测温分辨率高，适用范围广。
文档编号G01K11/32GK201532266SQ20092008787
公开日2010年7月21日 申请日期2009年8月7日 优先权日2009年8月7日
发明者李玉林, 黎敏 申请人:武汉神州光电检测设备有限公司