專利名稱：非金屬化陶瓷封裝半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感單元及其傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種溫度傳感器，尤其涉及一種非金屬化陶瓷封裝半導(dǎo)體吸收型
光纖溫度傳感單元及其傳感裝置。
背景技術(shù)：
從以往對半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感器的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)來看，其結(jié)構(gòu)中所存在的
最大問題是采用銅、鋁等導(dǎo)熱性能良好的金屬材料封裝，該封裝主要存在兩方面的問題[0003] 1、絕緣性 在電力輸變電領(lǐng)域的高壓、強(qiáng)電磁場等環(huán)境的應(yīng)用中，用戶單位質(zhì)疑的焦點(diǎn)就是傳感單元中的金屬部件，在考慮爬行距離、絕緣等級之后，相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用受到極大的限制。 2、工藝結(jié)構(gòu)方面 金屬化封裝沿用常規(guī)光纖跳線結(jié)構(gòu)，比較容易實(shí)現(xiàn)，但是受通信產(chǎn)品規(guī)范限制，體積很難進(jìn)一步減小，導(dǎo)致在狹小空間內(nèi)不便于安置。

發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就在于克服現(xiàn)有吸收型半導(dǎo)體光纖溫度測量技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，提供一種低成本、不受電磁干擾的非金屬化陶瓷封裝半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感單元及其傳感裝置。 本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 在保障測量范圍和精度的前提下，利用半導(dǎo)體的長波吸收邊隨溫度而漂移的規(guī)律，通過直接探測光信號經(jīng)半導(dǎo)體材料吸收后的透射光功率I(T)，計(jì)算得到被測溫度。[0010] I(T) = a (T)I。 式中，I。為輸入光功率，a (T)為不同溫度對應(yīng)的吸收系數(shù)。 經(jīng)過光電探測器后，再通過放大、濾波，最后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，輸入微處理機(jī)計(jì)算并顯示被測溫度。 具體地說，半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感單元(簡稱傳感單元)包括固定套管、緊固
件、陶瓷套管、半導(dǎo)體晶片、導(dǎo)熱硅脂、準(zhǔn)直套管、輸入光纖和輸出光纖； 輸入光纖、半導(dǎo)體晶片和輸出光纖前后依次連接組成一種光通道； 以光通道為中心軸，從內(nèi)向外，依次包裹有固定套管、準(zhǔn)直套管、導(dǎo)熱硅脂和陶瓷
套管組成傳感單元的本體； 在本體的兩端頭分別連接有緊固件組成傳感單元的總體。[0017] 其工作原理是 由于半導(dǎo)體晶片的吸收邊會隨著溫度的變化而發(fā)生漂移，導(dǎo)致通過半導(dǎo)體晶片的光能量發(fā)生變化，在光能量和溫度之間表現(xiàn)出一定的相關(guān)性。因此，通過測量出射光功率的
3變換量，就可以推算出半導(dǎo)體晶片的吸光的變化量，即可計(jì)算出溫度的變化，從而達(dá)到測量溫度的目的。
與其他類型的光纖溫度傳感器相比，本實(shí)用新型具有下列優(yōu)點(diǎn)和積極效果 1、結(jié)構(gòu)簡單，體積小，安裝方便，成本低廉； 2、非金屬化陶瓷封裝，不受電磁干擾； 3、系統(tǒng)易于補(bǔ)償，測溫分辨率高，適用范圍廣。
圖1是本傳感單元的結(jié)構(gòu)示意圖；[0025] 圖2是本傳感裝置的結(jié)構(gòu)方框圖； 圖3是本傳感裝置中功率控制單元的結(jié)構(gòu)方框圖。其中io-傳感單元，11-固定套管，12-緊固件， 13-陶瓷套管，14-半導(dǎo)體晶片，15-導(dǎo)熱硅脂， 16-準(zhǔn)直套管，17-輸入光纖，18-輸出光纖；20-寬帶光源；30-功率控制單元，31_模數(shù)轉(zhuǎn)換器，32-單片機(jī)，33-數(shù)模轉(zhuǎn)換器；40-光電探測器。50-后續(xù)處理電路；60-微處理器。英譯漢 SLED :superl咖i體t light emitting diode，超輻射發(fā)光二極管；[0039] PIN :positive-intrinsic-negative， p型_本征型_n型；[0040] FWHM :full-width-half-maximum，峰值半寬。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明[0042] —J專感單元10[0043] 1、總體 如圖l，本傳感單元10包括固定套管11、緊固件12、陶瓷套管13、半導(dǎo)體晶片14、導(dǎo)熱硅脂15、準(zhǔn)直套管16、輸入光纖17和輸出光纖18 ;[0045] 其位置和連接關(guān)系是 輸入光纖17、半導(dǎo)體晶片14和輸出光纖18前后依次連接組成一種光通道；[0047] 以光通道為中心軸，從內(nèi)向外，依次包裹有固定套管11、準(zhǔn)直套管16、導(dǎo)熱硅脂15和陶瓷套管13組成傳感單元10的本體； 在本體的兩端頭分別連接有緊固件12組成傳感單元10的總體。[0049] 其工作原理是 由于半導(dǎo)體晶片14的吸收邊會隨著溫度的變化而發(fā)生漂移，導(dǎo)致通過半導(dǎo)體晶片14的光能量發(fā)生變化，在光能量和溫度之間表現(xiàn)出一定的相關(guān)性。因此，通過測量出射光功率的變換量，就可以推算出半導(dǎo)體晶片14的吸光的變化量，即可計(jì)算出溫度的變化，從而達(dá)到測量溫度的目的。[0051] 2、功能塊[0052] (l)固定套管ll 固定套管11是一種陶瓷芯；其功能是固定和保護(hù)光纖端部，與準(zhǔn)直套管16形成緊密配合，保證輸入光纖17和輸出光纖18對準(zhǔn)。[0054] (2)緊固件12 緊固件12是一種絕緣(塑料)端蓋，內(nèi)側(cè)帶限位槽，與陶瓷套管13的錐狀凸起配合，起到對內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊固的作用，保證輸入光纖17、半導(dǎo)體晶片14和輸出光纖18之間不會因熱膨脹引起傳輸損耗；中心有光纖通孔。[0056] (3)陶瓷套管13 陶瓷套管13是一種導(dǎo)熱陶瓷管，兩端部外側(cè)帶有錐狀凸起線。其功能是保護(hù)、緊固傳感單元10內(nèi)部結(jié)構(gòu)，具有良好的熱傳導(dǎo)性。[0058] (4)半導(dǎo)體晶片14 半導(dǎo)體晶片14是由一種吸收邊隨溫度變化而漂移的敏感材料(半導(dǎo)體單晶材料)構(gòu)成的雙面拋光片。目前市面上的該類型成品半導(dǎo)體單晶材料，主要用作激光器和探測器的基片材料，本半導(dǎo)體晶片14是對半導(dǎo)體單晶晶圓進(jìn)行了進(jìn)一步加工——雙面拋光；其功能是產(chǎn)生吸收系數(shù)隨溫度的變化，是傳感單元10的核心部件。
敏感材料的選擇長波吸收邊的漂移與溫度有較好的相關(guān)性，同時，變化率盡可能大。這就要求敏感材料的吸收邊在光源光譜覆蓋范圍內(nèi)的單值區(qū)域。[0061] (5)導(dǎo)熱硅脂15 導(dǎo)熱硅脂15是一種常用電子器件導(dǎo)熱膠，所有空隙都填充導(dǎo)熱硅脂15以保證傳感單元10快速的熱響應(yīng)。[0063] (6)準(zhǔn)直套管16 準(zhǔn)直套管16是一種常用件；其功能是固定并準(zhǔn)直光經(jīng)由輸入光纖17-半導(dǎo)體晶片14-輸出光纖18，保證使到達(dá)半導(dǎo)體晶片14的入射光功率盡可能完全進(jìn)入輸出光纖18中。[0065] (7)輸入光纖17和輸出光纖18 輸入光纖17和輸出光纖18是一種常用件；其功能是輸入光纖17用于來自光源20的輸入光傳導(dǎo)，輸出光纖18用于輸出至探測器40的光傳導(dǎo)。[0067] 二、傳感裝置[0068] 1、總體 如圖2，本傳感裝置是一種基于本傳感單元的溫度傳感裝置，包括傳感單元10、寬帶光源20、功率控制單元30、光電探測器40、后續(xù)處理電路50和微處理器60 ;[0070] 寬帶光源20和功率控制單元30連接； 寬帶光源20的輸出端與傳感單元10的輸入端連接；傳感單元10的輸出端與光電探測器40連接； 光電探測器40、后續(xù)處理電路50和微處理器60依次連接。[0073] 其工作原理是 寬帶光源20發(fā)出光功率為I。的光，經(jīng)過傳感單元10中半導(dǎo)體晶片14的出射光功率L = a 1。，其中a為吸收系數(shù)。出射光經(jīng)光纖傳輸?shù)竭_(dá)光電探測器40的光功率I2 =al。。經(jīng)后續(xù)處理電路50和微處理器60計(jì)算得到a的值，再由半導(dǎo)體晶片14的吸收系數(shù)a與溫度的關(guān)系即可得到測量的溫度值。[0075] 2、功能塊[0076] (1)傳感單元10 傳感單元10是本實(shí)用新型所述的半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感單元。[OO78] (2)寬帶光源20 寬帶光源20是一種寬帶激光光源，本實(shí)用新型選用峰值波長為870nm， FWHM為26nm的SLED半導(dǎo)體激光器。寬帶光源20中有內(nèi)置光電探測器，內(nèi)置光電探測器是一種通用光電二極管，完成光信號到電信號的轉(zhuǎn)換，提供電輸出引腳。[OOSO] (3)功率控制單元30 功率控制單元30是一種光功率反饋控制電路，根據(jù)光源20監(jiān)測光功率的變化，實(shí)
時控制注入電流的大小，以確保光源20輸出功率的穩(wěn)定。 功率控制單元30為自制設(shè)備，放置在光源20控制板上。 如圖3，功率控制單元30包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)31、單片機(jī)32和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)33，和光源20組成反饋控制； 寬帶光源20、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)31、單片機(jī)32、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A) 33和寬帶光源20前后依次閉環(huán)連接。 其工作原理是當(dāng)寬帶光源20由于溫度等因素導(dǎo)致輸出光功率變動時，首先經(jīng)由寬帶光源20中的內(nèi)置光電探測器光電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)31模數(shù)轉(zhuǎn)換，后被單片機(jī)32識別，并通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)33數(shù)模轉(zhuǎn)換，控制寬帶光源20的供給電流來保持輸
出光功率的穩(wěn)定。 (1)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)31 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)31是一種將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的通用器件；用于將光電轉(zhuǎn)換來的電信號轉(zhuǎn)換為單片機(jī)32需要的數(shù)字信號，供單片機(jī)32處理；[0088] 選用美國ADI公司的AD7708芯片。[0089] (2)單片機(jī)32 單片機(jī)32是一種通用可編程中央處理器；實(shí)現(xiàn)對寬帶激光器功率變動的判斷和控制； 選用ARM7系列440DX芯片。[0092] (3)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)33 數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A) 33是一種將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的通用器件；用于將單片機(jī)33的輸出控制命令轉(zhuǎn)換為控制激光器20的模擬信號；[0094] 選用美國ADI公司的AD5663芯片。[0095] (4)光電探測器40 PIN光電二極管40是一種常用的光電轉(zhuǎn)換器，本實(shí)用新型選用同軸尾纖型PIN光電二極管。 (5)后續(xù)處理電路50 后續(xù)處理電路50是一種常用的包括放大、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路，本實(shí)用新型自[OO"] (6)微處理器60 ; 微處理器60是一種常用的微處理器，本實(shí)用新型選用以ARM7T匿I為內(nèi)核的S3C44B0作為微處理器。
權(quán)利要求一種非金屬化陶瓷封裝半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感單元，其特征在于本傳感單元(10)包括固定套管(11)、緊固件(12)、陶瓷套管(13)、半導(dǎo)體晶片(14)、導(dǎo)熱硅脂(15)、準(zhǔn)直套管(16)、輸入光纖(17)和輸出光纖(18)；輸入光纖(17)、半導(dǎo)體晶片(14)和輸出光纖(18)前后依次連接組成一種光通道；以光通道為中心軸，從內(nèi)向外，依次包裹有固定套管(11)、準(zhǔn)直套管(16)、導(dǎo)熱硅脂(15)和陶瓷套管(13)組成傳感單元(10)的本體；在本體的兩端頭分別連接有緊固件(12)組成傳感單元(10)的總體。
2. 按權(quán)利要求1所述的傳感單元，其特征在于 固定套管(11)是一種陶瓷芯。
3. 按權(quán)利要求1所述的傳感單元，其特征在于緊固件(12)是一種絕緣端蓋，內(nèi)側(cè)帶限位槽，中心有光纖通孔。
4. 按權(quán)利要求1所述的傳感單元，其特征在于陶瓷套管(13)是一種導(dǎo)熱陶瓷管，兩端部外側(cè)帶有錐狀凸起線。
5. 按權(quán)利要求l所述的傳感單元，其特征在于半導(dǎo)體晶片(14)是由一種吸收邊隨溫度變化而漂移的半導(dǎo)體單晶材料制成的雙面拋光片，要求敏感材料的吸收邊在光源光譜覆蓋范圍內(nèi)的單值區(qū)域。
6. —種基于權(quán)利要求1所述傳感單元的傳感裝置，其特征在于本傳感裝置包括傳感單元(10)、寬帶光源(20)、功率控制單元(30)、光電探測器(40)、 后續(xù)處理電路(50)和微處理器(60);寬帶光源(20)和功率控制單元(30)連接；寬帶光源(20)的輸出端與傳感單元(10)的輸入端連接；傳感單元(10)的輸出端與光 電探測器(40)連接;光電探測器(40)、后續(xù)處理電路(50)和微處理器(60)依次連接。
7. 按權(quán)利要求6所述的傳感裝置，其特征在于寬帶光源(20)是一種寬帶激光光源，其中有內(nèi)置光電探測器。
8. 按權(quán)利要求6所述的傳感裝置，其特征在于功率控制單元(30)包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(31)、單片機(jī)(32)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(33)，和寬帶光 源(20)組成反饋控制電路；寬帶光源(20)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(31)、單片機(jī)(32)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(33)和寬帶光源(20)前后 依次閉環(huán)連接。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種非金屬化陶瓷封裝半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感單元及其傳感裝置，涉及一種溫度傳感器。本傳感單元的結(jié)構(gòu)是輸入光纖(17)、半導(dǎo)體晶片(14)和輸出光纖(18)前后依次連接組成一種光通道；以光通道為中心軸，從內(nèi)向外，依次包裹有固定套管(11)、準(zhǔn)直套管(16)、導(dǎo)熱硅脂(15)和陶瓷套管(13)組成傳感單元(10)的本體；在本體的兩端頭分別連接有緊固件(12)組成傳感單元(10)的總體。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，體積小，安裝方便，成本低廉；非金屬化陶瓷封裝，不受電磁干擾；系統(tǒng)易于補(bǔ)償，測溫分辨率高，適用范圍廣。
文檔編號G01K11/32GK201532266SQ20092008787
公開日2010年7月21日 申請日期2009年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月7日
發(fā)明者李玉林, 黎敏 申請人:武漢神州光電檢測設(shè)備有限公司