Name: Uma plataforma de sensoriamento de fibra óptica com ponta de silicone com alta resolução e resposta rápida (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-01-07T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 3 s
Description: Aprenda a fabricar uma plataforma de sensoriamento de fibra óptica com ponta de silício para medições de alta resolução em oceanografia e energia de fusão. Este método utiliza técnicas MEMS para criar sensores versáteis com resposta rápida.

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Este trabalho foi apoiado pelo laboratório de pesquisa Naval dos Estados Unidos (n º s. N0017315P0376, N0017315P3755); Estados Unidos escritório de pesquisa Naval (n º s. N000141410139, N000141410456); Departamento de energia dos EUA (n º s. DE-SC0018273, DE-AC02-09CH11466, DE-AC05-00OR22725).

1. fabricação de sensores de baixo-Finesse
<ol><li>Fabrica os pilares de silício. Um pedaço de bolacha de silicone 200 µm de espessura duplo-lado-polido (DSP) de padrão em pilares de silício standalone (Figura 2a), usando a fabricação padrão sistema de micro-electro-mecânicas (MEMS) facilita. Nota: A bolacha padronizada é ligada em outra bolacha de silicone maior usando uma camada fina de fotorresiste. A força de ligação do fotorresiste é forte o suficiente para segurar os pilares na vertical, mas também é fraco o suficiente para desconectar-se de substrato para etapas posteriores.</li>
	<li>Prepare a fibra de lead-in. Descascar o revestimento plástico da extremidade distal de uma fibra óptica de modo único. Limpe a seção despojada usando um lenço embebido com álcool. Cleave a fibra limpada usando um cutelo de fibra óptica.</li>
	<li>Aplique uma camada fina de cola UV-curable na face final da fibra clivada lead-in (Figura 2b). Colocar uma pequena gota de cola UV-curable em um pedaço de lâmina de vidro. Fina camada de cola por rotação-revestimento ou balançando manualmente a lâmina de vidro. Transferi a camada de cola à extremidade da fibra, pressionando a cara da extremidade da fibra lead-in contra a lâmina de vidro.</li>
	<li>Anexe um pilar de silício à extremidade da fibra. Enquanto isso, monitorar o espectro de reflexão em tempo real do silício FPI usando um espectrômetro, alinhar a fibra de lead-in com um dos pilares do silicone. Use uma lâmpada UV para curar a cola, quando um espectro satisfatório é observado (Figura 2C). Nota: em geral, o processo de cura leva cerca de 10 a 15 minutos.</li>
	<li>Desconecte o sensor do substrato. Após o UV cola está totalmente curada, levante a fibra de lead-in junto com o pilar de silício extraído do substrato (Figura 2d). Nota: Alguns fotorresiste residual é permaneceu na superfície superior do pilar silício (Figura 2e). Para a maioria dos casos, o fotorresiste residual não afeta a função do sensor. Se necessário, a camada de fotorresiste pode ser removida pelo álcool.</li>
	<li>Examine a cabeça do sensor fabricados. Use um microscópio para examinar a geometria da cabeça do sensor fabricados. Uma imagem típica de um sensor com sucesso fabricado é vista na Figura 2f.</li>
</ol>2. fabricação de sensores de alta-Finesse
<ol><li>Casaco de ambos os lados de um wafer de silício com espelhos de alta refletividade. Casaco de um lado de uma bolacha de silício de 75 µm de espessura duplo-lado-polido com uma 150 nm ouro camada grossa usando uma máquina de revestimento de pulverização catódica e revestimento do outro lado com um espelho de dielétrico alta refletividade (HR). Nota: O revestimento dielétrico de HR foi feito por uma empresa externa; refletividade deste revestimento foi testada para ser nada menos que 98% pela empresa. No entanto, materiais detalhados e estrutura do revestimento são desconhecidas devido a proteção patenteada pela empresa, consulte a Tabela de materiais , para obter mais informações.</li>
	<li>Prepare a fibra colimada lead-in. Juntar uma pequena seção de índice graduado fibra multi-modo (GI-MMF) com uma fibra de modo único e em seguida, sob um microscópio óptico, cleave o GI-MMF com um quarto do período da trajetória do luz dentro do MMF à esquerda para formar um colimador de fibra (Figura 3a ). Nota: O GI-MMF é usado para expandir o diâmetro do campo modal para que um espectro com uma melhor visibilidade pode ser obtido de4,16. O comprimento da GI-MMF, que é em torno de 250 µm, neste trabalho, é exatamente um quarto do período da trajetória do raio.</li>
	<li>Anexe um fragmentado do dobro-lado do silicone revestido a fibra de lead-in. Monte um sensor de alta-fineza seguindo as etapas similares de anexar um pilar de silício à extremidade da fibra para a fabricação de sensores de baixo-fineza (passos 1.3-1.5). Nota: O lado com o revestimento dielétrico será anexado para o colimador para deixar entrar a luz vinda (Figura 3b, 3C). Neste caso, o pilar de silício anterior é substituído com um fragmento de silício, que não foi padronizado. No futuro, o wafer de silício padronizada será revestido com os espelhos de alta refletividade, para que os sensores são mais uniforme e mais fácil para a fabricação. A diferença entre as etapas de fabricação de 1.3-1.5 é que um entalhe de espectros de reflexão com visibilidade adequada deve ser obtido primeiramente antes que a cola foi transferida para a face final do colimador.</li>
	<li>Polir o fragmento de silicone irregulares em forma circular usando uma máquina de polimento de fibra.</li>
	<li>Examine a cabeça do sensor fabricados. Usar um microscópio para examinar a cabeça do sensor para certificar-se de uma forma circular desejável é alcançada (Figura 3d).</li>
</ol>3. sinal demodulação para baixo-Finesse Si-FOSP
Nota: O sistema utilizado para desmodularem, bem como o baixo-fineza Si-FOSP é mostrado na figura 4a. As etapas detalhadas a seguir ajudam a configurar o sistema e executar o processamento de dados.
<ol><li>Conecte uma fonte de banda larga de banda C para porta 1 de um circulador óptico.</li>
	<li>Splice porta 2 o circulador óptico com a fibra de lead-in de um sensor de baixo-fineza.</li>
	<li>Conecte a porta 3 do circulador óptico de um espectrômetro de alta velocidade que se comunica com um computador para armazenamento de dados.</li>
	<li>Verifique o espectro do sensor para certificar-se de que o sistema funcione apropriadamente. Ver o espectro típico, mostrado na figura 4b.</li>
</ol>4. sinal demodulação para alta-Finesse Si-FOSP
Nota: O sistema utilizado para desmodularem, bem como a alta-fineza Si-FOSP é mostrado na Figura 5a. As etapas detalhadas a seguir ajudam a configurar o sistema e fazer o pós-processamento de dados.
<ol><li>Varra um laser sintonizável de DFB usando um controlador de corrente. Nota: A tensão de pico a pico arrebatadora, que varia para diferentes lasers e controladores, deve ser grande o suficiente para cobrir o entalhe do espectro.</li>
	<li>Conecte a saída do laser sintonizável de porta 1 de um circulador óptico.</li>
	<li>Splice porta 2 o circulador óptico para um sensor de alta-fineza.</li>
	<li>Conecte a porta 3 do circulador óptico de um fotodetector.</li>
	<li>Use um dispositivo de aquisição de dados para ler a saída do fotodetector, que é armazenado por um computador.</li>
	<li>Verifique o espectro do sensor para certificar-se de que o sistema funcione apropriadamente. Ver um quadro típico de espectro mostrado na Figura 5b. Encontre a posição de vale, usando um encaixe de curva polinomial.</li>
</ol>

<ol><li>Lee, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Review+of+the+present+status+of+optical+fiber+sensors%5BTitle%5D)+AND+%22Optical+Fiber+Technology%22%5BJournal%5D)">Review of the present status of optical fiber sensors.</a> Optical Fiber Technology. 9, 57-79 (2003).</li>
<li>Liu, G., Han, M., Hou, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-resolution+and+fast-response+fiber-optic+temperature+sensor+using+silicon+Fabry-Perot+cavity%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">High-resolution and fast-response fiber-optic temperature sensor using silicon Fabry-Perot cavity.</a> Optics Express. 23, 7237-7247 (2015).</li>
<li>Hatta, A. M., Rajan, G., Semenova, Y., Farrell, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((SMS+fibre+structure+for+temperature+measurement+using+a+simple+intensity-based+interrogation+system%5BTitle%5D)+AND+%22Electronics+Letters%22%5BJournal%5D)">SMS fibre structure for temperature measurement using a simple intensity-based interrogation system.</a> Electronics Letters. 45, 1069(2009).</li>
<li>Sheng, Q., Liu, G., Reinke, M. L., Han, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+fiber-optic+bolometer+based+on+a+high-finesse+silicon+Fabry-Perot+interferometer%5BTitle%5D)+AND+%22Review+of+Scientific+Instruments%22%5BJournal%5D)">A fiber-optic bolometer based on a high-finesse silicon Fabry-Perot interferometer.</a> Review of Scientific Instruments. , 065002(2018).</li>
<li>Ding, M., Wang, P., Brambilla, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fast-response+high-temperature+microfiber+coupler+tip+thermometer%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Photonics+Technology+Letters%22%5BJournal%5D)">Fast-response high-temperature microfiber coupler tip thermometer.</a> IEEE Photonics Technology Letters. 24, 1209-1211 (2012).</li>
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<li>Liu, G., Hou, W., Qiao, W., Han, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fast-response+fiber-optic+anemometer+with+temperature+self-compensation%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Fast-response fiber-optic anemometer with temperature self-compensation.</a> Optics Express. 23, 13562-13570 (2015).</li>
<li>Liu, G., Sheng, Q., Hou, W., Han, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+fiber+vector+flow+sensor+based+on+a+silicon+Fabry-Perot+interferometer+array%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Optical fiber vector flow sensor based on a silicon Fabry-Perot interferometer array.</a> Optics Letters. 41, 4629-4632 (2016).</li>
<li>Liu, G., Sheng, Q., Geraldo, R. L. P., Hou, W., Han, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+fiber-optic+water+flow+sensor+based+on+laser-heated+silicon+Fabry-Perot+cavity%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+SPIE%22%5BJournal%5D)">A fiber-optic water flow sensor based on laser-heated silicon Fabry-Perot cavity.</a> Proceedings of SPIE. 9852, 98521B(2016).</li>
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</ol>

Foi emitida uma patente dos EUA (n. º 9995628 B1) para proteger as tecnologias relacionadas.

A escolha do tamanho (comprimento e diâmetro) do silício FPI é feita mediante a compensação entre os requisitos da resolução e velocidade. Em geral, um tamanho menor fornece uma velocidade maior, mas também reduz a resolução2. Um comprimento curto é vantajoso para a obtenção de uma maior velocidade, mas não é superior para a obtenção de uma alta resolução devido a FWHM expandida de entalhes da reflexão. Uso de revestimentos HR para reduzir a FWHM pode ajudar a melhorar a resolução, mas que vai lim...

Sensores de fibra óptica (FOSs) têm sido o foco de muitos pesquisadores, devido a suas propriedades únicas, tais como o seu pequeno tamanho, baixo custo, sua leveza e sua imunidade à interferência eletromagnética (EMI)1. Estes FOSs tem encontrado aplicações largas em muitas áreas como monitoramento ambiental, vigilância do oceano, exploração de petróleo e processos industriais, entre outros. Quando se trata do sensoriamento de temperatura-relacionada, o FOSs tradicional não são superiores em termos de resolução e velocidade para os casos onde a medição de minuto e variações de temperatura rápida é desejável. Estas limitações decorrem as propriedades ópticas e térmicas do material em que se baseiam muitos FOSs tradicional sílica fundida. Por um lado, o coeficiente thermo-óptica (TOC) e o coeficiente de expansão térmica (TEC) de sílica são 1.28x10-5 RIU / ° C e 5.5x10-7 m/(m·°C), respectivamente; esses valores levam a uma sensibilidade de temperatura de apenas cerca de 13 pm / ° C em torno do comprimento de onda de 1550 nm. Por outro lado, a difusividade térmica, que é uma medida da velocidade da temperatura muda em resposta a troca de energia térmica, é só 1.4x10-6 m2/s para sílica; Esse valor não é superior para melhorar a velocidade de FOSs baseada em sílica.
A plataforma de sensoriamento de fibra óptica (FOSP) relatada neste artigo rompe as limitações acima do FOSs baseada em sílica fundida. O novo FOSP utiliza silício cristalino como a chave de detecção de material, que forma um interferômetro de Fabry-Perot de alta qualidade (FPI) na extremidade da fibra, aqui referida como FOSP ponta de silício (Si-FOSP). A Figura 1 mostra o princípio esquemático e operacional da cabeça do sensor, que é o núcleo do Si-FOSP. A cabeça do sensor consiste, essencialmente, um silicone FPI, cujo espectro de reflexão apresenta uma série de franjas periódicas. Interferência destrutiva ocorre quando o OPL satisfaz 2nL = Nλ, onde n e L são o índice de refração e comprimento da cavidade de silício FP, respectivamente, e N é um número inteiro que é a ordem do entalhe franja. Portanto, posições de franjas de interferência são sensíveis para o OPL da cavidade de silício. Dependendo as aplicações específicas, o silício FPI pode ser feito em dois tipos: FPI fineza de baixa e alta-fineza FPI. Baixo-fineza FPI tem uma baixa refletividade para ambas as extremidades da cavidade de silício, enquanto alto-fineza FPI tem uma alta refletividade para ambas as extremidades da cavidade de silício. Os reflectivities de interfaces ar-silício e silício-fibra são aproximadamente 30% e 18%, assim o único silício FPI mostrado na Figura 1a é essencialmente um baixo-fineza FPI. Revestindo com uma camada fina de alta-refletividade (HR) em ambas as extremidades, um silicone de alta-fineza que FPI é formado (Figura 1b). Refletividade do revestimento HR (dielétrico ou ouro) pode ser tão elevada como 98%. Para ambos os tipos de Si-FOSP, n e L aumentam quando a temperatura aumenta. Assim, ao monitorar o deslocamento da franja, pode-se deduzir a variação de temperatura. Observe que para a mesma quantidade de mudança de comprimento de onda, alta-fineza FPI dá uma melhor discriminação devido o entalhe de franja mais estreito (Figura 1C). Enquanto a alta-fineza Si-FOSP tem melhor resolução, o baixo-fineza Si-FOSP tem uma maior gama dinâmica. Portanto, a escolha entre estas duas versões depende das exigências de uma aplicação específica. Além disso, devido à grande diferença de largura total no máximo meia (FWHM) do silício fineza de baixa e alta-finesse FPUs, seus métodos de demodulação do sinal são diferentes. Por exemplo, a FWHM teórica de 1.5 nm é reduzido por sobre 50 vezes para apenas 30 pm quando ambas as extremidades do silício única FPI são revestidas com uma camada de HR de 98%. Portanto, para o baixo-fineza Si-FOSP, um espectrômetro de alta velocidade seria suficiente para a coleta de dados e processamento, enquanto um escaneamento laser deve ser usado para demodular o alta-fineza Si-FOSP devido a FWHM muito mais estreita que não pode ser resolvido por bem o espectrômetro. Os dois métodos de demodulação serão explicados no protocolo.
O material de silicone escolhido aqui é superior para sensores de temperatura em termos de resolução. Como comparação, o TOC e TEC de silício são 1.5x10-4 RIU / ° C e 2.55x10-6 m/(m∙°C), respectivamente, levando a uma sensibilidade de temperatura de cerca de 84.6 pm / ° C, que é cerca de 6,5 vezes maior que a de todos baseados em sílica FOSs2.  Além desta muito maior sensibilidade, demonstrámos um comprimento de onda médio rastreamento método para reduzir o nível de ruído e assim melhorar a resolução de um sensor de baixo-fineza, levando a uma resolução de temperatura de 6 x 10-4 ° C 2, em comparação com a resolução de 0,2 ° C para uma todas baseadas em sílica FOS3. A resolução é melhorada para ser 1.2x10-4 ° C para uma versão de alta-fineza4.  O material de silicone também é superior para sensoriamento em termos de velocidade. A título de comparação, a difusividade térmica de silício 8.8x10-5 m/s2, que é mais de 60 vezes maior que a de silicone2.  Combinado com uma pegada pequena (por exemplo, 80 µm de diâmetro, 200 µm de espessura), o tempo de resposta de 0,51 ms para um silício que FOS tem sido demonstrado a2, em comparação com os ms 16 de um acoplador de microfibra de sílica ponta temperatura sensor5.  Embora algumas pesquisas trabalho relacionado à medição da temperatura usando a película muito fina de silício, como o sensoriamento material foi relatado por outros grupos6,7,8,9, nenhum deles possui o desempenho de nossos sensores em termos de velocidade ou de resolução. Por exemplo, o sensor com uma resolução de apenas 0,12 ° C e um tempo de resposta longo de 1 s foi relatado. 7 que uma melhor resolução de temperatura de 0,064 ° C tem sido relatado,10;  no entanto, a velocidade é limitada pela cabeça sensor relativamente volumosos. O que torna as mentiras de Si-FOSP exclusivas no novo método de fabricação e algoritmo de processamento de dados.
Além das vantagens acima para sensores de temperatura, o Si-FOSP também pode ser desenvolvido em uma série de sensores de temperatura-relacionada com o objetivo de medir parâmetros diferentes, tais como gás pressão11, ar ou água fluir12,13 ,14 e radiação4,15.  Este artigo apresenta uma descrição detalhada do sensor protocolos de demodulação de fabricação e sinal juntamente com três aplicações representativas e seus resultados.

<table><tbody>200 o diodo láser da borboleta <tr>da <td>loja</td><td>5MDD-ABS-FSCWDM</td> da fibra do<td>duplex CWDM</td><td></td>dos canais</tr> do <tr><td>álcool etílico</td><td>Koptec</td><td>V1001</td><td></td></tr> 5 da prova <tr><td>monta o diodo láser da borboleta</td><td>Tholabs</td><td>LM14S2</td><td></td></tr><tr><td>CastAway CTD</td><td>Yellow Springs Instrument</td><td></td><td></td></tr><tr><td>CTD</td><td>Seabird</td><td>SBE 19plus</td><td></td></tr><tr><td>medidor atual</td><td>Nortek</td><td>Dispositivo de Aquisição de Dados Vetoriais</td><td></td></tr><tr><td></td><td>National Instruments</td><td>NIUSB4366</td><td></td></tr><tr><td>Osciloscópio Digital</td><td>RIGOL</td><td>DS1204B</td><td>200 MHz 2 GSa/s</td></tr><tr><td>Diodo Laser</td><td>Thorlabs</td><td>LM9LP</td><td>Comprimento de onda: 632 nm</td></tr><tr><td>Kit de terminador BNC fixo</td><td>Thorlabs</td><td>FTK01</td><td></td></tr><tr><td>Gerador de Forma de Onda de Função&nbsp;</td><td>RIGOL</td><td>DG4162</td><td>160 MHz 500 GSa/s</td></tr><tr><td>Cutelo de Alta Precisão</td><td>Fujikura</td><td>CT-32</td><td></td></tr><tr><td>Revestimento Dielétrico de Alta Reflexão</td><td>Revestimento Evaporado INC (ECI)</td><td></td><td>Os materiais e a estrutura do revestimento são desconhecidos</td></tr><tr><td>Espectrômetro I-MON 512</td><td>Ibsen Ftonics</td><td>P/N: 1257110</td><td></td></tr><tr><td>InGaAs Detector Polarizado</td><td>Tholabs</td><td>DET01CFC</td><td>saída FC/PC:0-10V; Quantidade: 2</td></tr><tr><td>Diodo Laser</td><td>Qphotonic</td><td>QFLD-405-20S</td><td>Comprimento de onda: 405 nm</td></tr><tr><td>Controlador de Corrente de Diodo Laser</td><td>Tholabs</td><td>LDC 210C</td><td>1 A e faixa de 100 mA&nbsp;</td></tr><tr><td>Controlador de temperatura de diodo laser</td><td>Tholabs</td><td>TEC 200C</td><td>Quantidade: 2</td></tr><tr><td>Luvas de exame de látex</td><td>HCS</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Micro Slides</td><td>Corning Incorporated</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Narrow Linewidth DFB Laser</td><td>Eblana</td><td>EP1550-NLW-B06-100FM</td><td>Comprimento de onda: 1550 nm</td></tr><tr><td>Splicer de fusão de fibra óptica</td><td>Sumitomo electric industries, LTD</td><td>3822-2</td><td></td></tr><tr><td>Microscópio Óptico e Monitor</td><td>Ikegami Tsushinki Company</td><td>PM-127</td><td></td></tr><tr><td>Analisador de Espectro Óptico</td><td>Yokogawa AQ6370C</td><td></td><td>faixa de comprimento de onda: 600-1700 nm</td></tr><tr><td>Máquina Polonesa</td><td>ULTRA TEC</td><td>41076</td><td></td></tr><tr><td>Íris pós-montáveis</td><td>Thorlabs</td><td></td><td>Quantidade: 2</td></tr><tr><td>Bombas Laser</td><td>Gooch e Housego</td><td>0400-0974-SM</td><td>Comprimento de onda: 980 nm</td></tr><tr><td>Si Amplificado Photodetector</td><td>Thorlabs</td><td>PDA36A</td><td>Comprimento de onda: 350-1100 nm</td></tr><tr><td>Wafer</td><td>de silício Espessura do wafer</td><td></td> da universidade<td>: 10 &micro; m, 200 &micro; m, 75 e micro; m, 40 &micro; m</td></tr><tr><td>Fibra monomodo&nbsp;</td><td>Corning</td><td>SMF-28</td><td></td></tr><tr><td>Fusível de Modo Único&nbsp; Acoplador de Fibra</td><td>Thorlabs</td><td></td><td>Comprimento de onda: 1550 nm</td></tr><tr><td>SM 125 interogrator</td><td>Micron Optics</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Bomba de aquário submersível</td><td>Songlong</td><td>SL-403</td><td></td></tr><tr><td>Superluminscent LED</td><td>Denselight Semiconductors</td><td>DL-BP1-1501A faixa de</td><td>comprimento de onda: 1510-1590 nm</td></tr><tr><td>Bomba de seringa</td><td>Cole Parmer</td><td>74905-02</td><td></td></tr><tr><td>Viagem Estágio de tradução</td><td>Thorlabs</td><td>LT1</td><td></td></tr><tr><td>Cola curável UV</td> Tecnologia <td>epóxi</td><td>PB109077</td><td></td></tr><tr><td>UVGL-15 Compact UV Lmap</td><td>UVP</td><td>P / N: 95-0017-09</td><td>254/365 nm</td></tr><tr><td>Atenuadores ópticos variáveis</td><td>Tholabs</td><td>M-VA / 00016951 P / N: VOA50-APC</td><td></td></tr></tbody></table>

uma plataforma de sensoriamento de fibra óptica com ponta de silicone com alta resolução e resposta rápida

A Silicon-tipped Fiber-optic Sensing Platform with High Resolution and Fast Response

Neste artigo, apresentamos uma inovador e promissor praticamente fibra óptica sensoriamento plataforma (FOSP) que propôs e demonstrado recentemente. Este FOSP depende de um interferômetro de Fabry-Perot de silício (FPI) anexado à extremidade da fibra, referida como Si-FOSP neste trabalho. O Si-FOSP gera uma interferogramas determinada pelo comprimento do percurso óptico (OPL) da cavidade de silício. Mensuranda altera o OPL e, assim, desloca a interferogramas. Devido as propriedades únicas de ópticas e térmicas do material do silicone, este Si-FOSP apresenta um desempenho vantajoso em termos de sensibilidade e velocidade. Além disso, a indústria de fabricação de silício maduro dota a Si-FOSP com excelente reprodutibilidade e baixo custo para aplicações práticas. Dependendo as aplicações específicas, será utilizada uma versão fineza de baixa ou alta-fineza, e dois métodos de demodulação de dados diferentes serão adoptados em conformidade. Protocolos detalhados para fabricar as duas versões de Si-FOSP serão fornecidos. Três aplicações representativas e seus resultados de acordo serão mostrados. O primeiro que é um termômetro subaquática de protótipo para criação de perfil thermoclines o oceano, o segundo é um medidor de fluxo para medir a velocidade de fluxo no oceano, e o último é um Bolómetro para monitorar radiação escape de magnètica confinados plasma de alta temperatura.

Si-FOSP como um termômetro debaixo d'água para criação de perfil thermoclines do oceano Recente pesquisa oceanográfica demonstrou que o desfoque de imagem subaquática resulta não só de turbidez em águas contaminadas, mas também de microestruturas de temperatura no oceano limpo17,18. O último efeito tem sido o foco de muitos oceanógrafos, com o objetivo de encontrar uma forma eficaz de corrigir as imagens borrad...

Este trabalho relata uma ponta de silicone fibra óptica sensoriamento plataforma inovadora (Si-FOSP) para medição de alta resolução e resposta rápida de uma variedade de parâmetros físicos, como temperatura, fluxo e radiação. Aplicações deste Si-FOSP abrangem de investigação oceanográfica, indústria mecânica, a investigação sobre energia de fusão.

Uma plataforma de sensoriamento de fibra óptica com ponta de silicone com alta resolução e resposta rápida

In this article, we introduce an innovative and practically promising fiber-optic sensing platform (FOSP) that we proposed and demonstrated recently. This ...

Este método produz uma plataforma inovadora e adaptável de sensoriamento de fibra óptica. O desenvolvimento da plataforma foi originalmente impulsionado pelo des-ign para criar um termômetro subaquático para caracterização de turbulência das águas oceânicas. As vantagens desta plataforma incluem alta sensibilidade, resposta mais rápida e tamanho pequeno, juntamente com a excelente fabricação devido ao uso das técnicas de fabricação mems bem estabelecidas.Pode ser usado para muitas medidas relacionadas à temperatura, como medições de temperatura para caracterização de turbulência, medições de fluxo de líquido e gás, e a radiação do plasma de alta temperatura em alguma fusão. Forja o sensor em um banco com um espectrômetro. O primeiro passo é fabricar pilares de silício em uma bolacha de silício.Este wafer tem pilares autônomos prontos para uso em sensores. Uma visão geral dos pilares está neste esquema. Eles são padronizados a partir de um wafer de silício polido de 200 micrômetros, usando métodos padrão de fabricação de sistemas micro-eletromecânicos.Fotoresist está no topo de cada pilar e do substrato. Prepare a fibra de chumbo tirando o revestimento plástico da fibra óptica. Use um tecido de lente mergulhado em álcool para limpar a seção despojada.Leve a fibra limpa para um cutelo de fibra óptica para cutusá-la. Em seguida, adquira cola UV curável e um escorregador de vidro. Coloque uma pequena gota da cola UV curável no escorregador de vidro.Em seguida, balance manualmente ou gire o slide para distribuir a cola. A cola estará em uma camada fina na superfície. Pegue a fibra de chumbo e pressione sua face final contra o slide para transferir a cola.Conecte a extremidade oposta da fibra a um interrogador de sensores para monitorar o espectro de reflexão. Em seguida, trabalhe com os pilares de silício e a extremidade cortada da fibra. Tenha o wafer com os pilares em um palco de tradução que se move no plano horizontal.Fixar a fibra em um estágio linear que se move verticalmente. Ajuste os estágios para alinhar a fibra com um dos pilares, ao mesmo tempo em que utiliza o espectro de reflexão em tempo real como feedback. Esse espectro de reflexão é um exemplo de um que sugere que o alinhamento é satisfatório.Coloque a fibra em contato com o pilar para anexá-las, uma vez que o espectro seja satisfatório. Uma vez que o pilar e a fibra estejam presos, cure a ligação sob uma lâmpada UV. Quando a cura estiver completa, levante a fibra com o estágio de tradução vertical para desprender e o pilar de silício do substrato.Inspecione a cabeça do sensor sob um microscópio para examinar sua geometria. Este é um sensor típico fabricado com sucesso. Reúna os materiais para fabricar um sensor de alta finesse.Isso inclui fragmentos de um wafer de silício polido de dois lados, com uma camada de ouro sputtered de um lado, visto como amarelo. O outro lado tem uma alta reflexividade, revestimento de espelho dielétrico, visto como azul. Em seguida, prepare o chumbo colidido em fibra, emendando uma pequena seção de fibra multi-modo de índice classificado com uma fibra de modo único.Aperte a fibra multi-modo. Como descrito neste esquema, formar um collimador de fibras, cortando a fibra multi-modo de índice classificado para ser um quarto do período da trajetória da luz. Agora, em um escorregador de vidro, coloque uma pequena gota de cola UV curável.Depois de afinar a cola balançando manualmente ou girando o slide, pressione a extremidade de fibra multi-modo de índice de índice classificado contra o slide para transferir cola. Conecte a outra extremidade da fibra a um interrogador de sensores para monitorar o espectro de reflexão. Em seguida, posicione um fragmento do wafer no estágio de tradução horizontal.Tenha o lado dielétrico apontando para cima. Coloque a fibra preparada na etapa de tradução vertical e mova-a em direção ao fragmento para fixar as duas peças. Comparativo com o tecido de baixa finesse emparelhado sensores infravermelhos, fabricação de sensores de alta finesse, tem um requisito mais rigoroso como um alinhamento óptico da fibra líder com o elemento silício.Coloque a fibra e os fragmentos de wafer anexados, sob uma lâmpada UV para curar. Este é um exemplo da montagem após a cura, quando estiver pronta para os próximos passos. Antes de prosseguir, polir o fragmento em uma forma semelhante a um disco.Examine a cabeça do sensor sob um microscópio, para ter certeza de que ela tem a forma desejada. Incorpore o dispositivo de baixa finesse completo em um sistema de desmodulação. O sistema é direto, e envolve apenas alguns elementos.Um espectrômetro e um computador. Esta é a configuração, em forma esquemática. Há uma fonte de banda larga, com saída, através de uma fibra óptica.A fibra vai para a porta de um circulador óptico. A fibra óptica da porta dois do circulador, é emendada à fibra de chumbo,.do sensor de baixa finesse. Conecte a porta três do circulador, a um espectrômetro de alta velocidade.Use um computador conectado ao espectrômetro para armazenamento de dados. Verifique o espectro do sensor, para ter certeza de que o sistema funciona corretamente. Este espectro é típico.Prepare um sistema de demodulação com o sensor de alta finesse. A configuração é apenas um pouco mais complicada do que o sistema de demodulação de baixa finessed. Apesar disso, a configuração ainda envolve apenas alguns elementos.Use um laser de feedback distribuído, conectado a um controlador atual. Conecte a saída a laser via fibra óptica para portar um de um circulador óptico A fibra da porta dois do circulador, é emendada ao sensor de alta finesse. Conecte a porta três do circulador óptico a um detector de fotos.Dados do detector de fotos, vão para um dispositivo de aquisição de dados, e para um computador. Verifique o espectro do sensor, para ter certeza de que o sistema funciona corretamente, e produz um espectro típico. Um sensor de sistema de baixa finesse, projetado para medir termoclinas em águas abertas, coletou os dados de teste de campo em azul.As curvas vermelha e preta são medidas feitas com instrumentos de referência atualmente disponíveis no mercado. Uma olhada mais de perto nos dados sugere que um sistema de sensores de baixa finesse fornece mais detalhes. Os dados em vermelho são de uma configuração de sensor de baixa finesse, como um sensor de fluxo situado em um tanque de água.Os dados em preto são de um sensor de fluxo comercial de referência. Os dois geralmente concordam. No entanto, quando a água está calma, o sensor de baixa finesse exibe uma resposta muito mais clara.Um sensor de alta finesse é promissor como um bolometro robusto de alta resolução, para medir a emissão de fótons em plasmas. Estes resultados comparam o sensor de alta finesse, com um bolometro resistivo. Tenha em mente que um sensor feito de cola UV base não se destina a aplicações acima de 100 graus Celsius, devido à redução da epóxi em altas temperaturas.Anexar a fibra líder e im-pe-der ácido com emendas de fusão, pode levar a uma plataforma de sensores de elevação da temperatura de cerca de 1.000 graus Celsius;permitindo outras aplicações emocionantes em ambientes de alta temperatura. Exemplos de aplicações de alta temperatura incluem aquecedores macro, emissores infravermelhos e monitoramento de temperatura em polegadas nas usinas. Ao usar a lâmpada UV e os lasers, certifique-se de que você está usando um jaleco e um óculos de segurança laser para proteger sua pele e olhos.

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Research

JoVE Journal

Engineering

Engenharia

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