一种具有高分辨率和快速响应的硅尖光纤传感平台

该方法开发出一种创新且可适应的光纤传感平台。该平台的研发最初旨在为海洋水体湍流特性表征提供一种水下温度计。此平台的优势包括高灵敏度、快速响应和小型化，同时由于采用了成熟的MEMS制造技术，具有优异的可制造性。

它可用于多种与温度相关的测量，例如用于表征湍流的温度测量、液体和气体流动测量，以及某些聚变反应中高温等离子体的辐射测量。在配备光谱仪的实验台上制备该传感器。第一步是在硅晶圆上制备硅柱结构。

该晶圆具有可独立使用的微柱结构，可用于传感器。此示意图展示了微柱的整体布局。这些微柱采用标准的微机电系统制造工艺，由厚度为200 µm、双面抛光的硅晶圆加工而成。

每个柱子的顶部和基底上均有光刻胶。通过剥离光纤的塑料涂层来准备引入光纤。使用蘸有酒精的镜头纸清洁已剥离的区域。

将清洁后的光纤拿到光纤切割器上进行切割。接着，取适量紫外光固化胶和一片载玻片。在载玻片上滴加少量紫外光固化胶。

然后，手动晃动载玻片或使用旋涂法使胶水均匀分布，胶水将在表面形成一层薄层。取已解理的导入光纤，将其端面压在载玻片上，以转移胶水。

将光纤的另一端连接至传感器解调仪，以监测反射光谱。然后，对硅柱阵列和光纤的切割端进行操作。将带有硅柱的晶圆置于可在水平面内移动的平移台上。

将光纤固定在可垂直移动的线性位移平台上。调节位移平台，使光纤与其中一个微柱对准，同时以实时反射光谱作为反馈依据。此反射光谱即为表明对准效果良好的一个示例。

当光谱满意后，将光纤与柱体接触以实现连接。光纤与柱体连接后，在紫外灯下固化粘接部位。固化完成后，利用垂直平移台提起光纤，使光纤和硅柱整体从基底上脱离。

在显微镜下检查传感器头部以观察其几何结构。这是一个典型的成功制备的传感器。收集制备高精细度传感器所需的材料。

这包括双面抛光硅晶圆的碎片，其中一面溅射有金层，呈黄色；另一面则具有高反射率的介质镜镀层，呈蓝色。接下来，通过将一段短的渐变折射率多模光纤与单模光纤熔接，制备准直引光纤。

切割多模光纤。如示意图所示，通过将渐变折射率多模光纤切割至光轨迹周期的四分之一长度来制备光纤准直器。现在，在玻璃载片上滴加一滴紫外光固化胶。

通过手动晃动或旋涂载玻片使胶水变薄后，将渐变折射率多模光纤端面压在载玻片上以转移胶水。将光纤的另一端连接至传感器解调仪，用于监测反射光谱。接着，将一片晶圆碎片放置在水平平移台上。

将介电面朝上放置。将制备好的光纤置于垂直平移台上，并移动光纤使其靠近碎片，以连接两部分。与低精细度织物配对的红外融合传感器相比，高精细度传感器的制备对光纤与硅元件之间的光学对准提出了更为严格的要求。

将光纤及附着的晶片碎片置于紫外灯下固化。此图为固化完成后、准备进行后续步骤的组装示例。在继续操作前，将碎片抛光成圆盘状。

在显微镜下检查传感器探头，以确保其具有预期的形状。将完成的低精细度器件整合到解调系统中。该系统结构简单，仅包含少数几个元件。

一台光谱仪和一台计算机。这是该装置的示意图。包含一个宽带光源，其输出通过一根光纤。

光纤连接至光学循环器的第一端口。将循环器第二端口的光纤与低精细度传感器的引入光纤进行熔接。将循环器的第三端口连接至高速光谱仪。

使用连接到光谱仪的计算机进行数据存储。检查传感器的光谱，以确保系统正常工作。该光谱具有代表性。

使用高精细度传感器准备解调系统。该装置比低精细度解调系统仅稍复杂一些。尽管如此，该装置仍然仅包含少量元件。

使用一个连接到电流控制器的分布反馈激光器。通过光纤将激光器输出连接到光循环器的端口一。将光循环器端口二的光纤与高精细度传感器熔接。将光循环器的端口三连接到光电探测器。

来自光电探测器的数据被传送到数据采集设备，然后进入计算机。检查传感器的光谱，以确保系统正常工作并产生典型的光谱。一个低精细度系统传感器被设计用于测量开阔水体中的温跃层，其采集的野外测试数据以蓝色显示。

红色和黑色曲线是使用目前市场上现有的参考仪器测得的数据。仔细观察这些数据可以发现，低精细度传感器系统能够提供更详细的测量结果。红色数据来自一种低精细度传感器装置，该装置作为置于水箱中的流量传感器。

黑色数据来自一个参考商用流量传感器。两者总体上一致。然而，当水流平静时，低精细度传感器表现出更清晰的响应。

高精细度传感器作为一种坚固且高分辨率的热释电辐射计，在测量等离子体中光子发射方面具有广阔的应用前景。本结果将高精细度传感器与电阻式辐射计进行了比较。需要注意的是，由基础紫外胶制成的传感器不适用于超过100摄氏度的高温环境，因为环氧树脂在高温下稳定性会下降。

使用熔接技术将导光纤和酸性阻隔层连接，可制备出升温约1,000摄氏度的传感平台，从而实现在高温环境中的其他令人期待的应用。高温应用的示例包括大型加热器、红外发射器以及发电厂中数英寸深度的温度监测。使用紫外灯和激光器时，务必穿戴实验室外套和激光防护眼镜，以保护皮肤和眼睛。