| 【中文题名】 | 基于FBG光纤光栅薄膜温度传感器的研究 |
| 【英文题名】 | Study of FBG Fiber Grating Thin Film Sensors |
| 【学科专业】 | 材料物理与化学 |
| 【论文级别】 | 硕士论文 |
| 【投稿时间】 | 2006-11-14 |
| 【中关键词】 | 光纤温度传感器,薄膜传感器,磁控溅射,TiO_2薄膜,SiO_2薄膜,温度测量 |
| 【英关键词】 | Fiber optical temperature sensor,Film temperature sensor,Magnetron sputtering,TiO_2 thin film,SiO_2 thin film,Temperature measurement, |
| 【分类导航】 | 工业技术>自动化技术、计算机技术>自动化技术及设备>自动化元件、部件>发送器（变换器）、传感器>物理传感器 |
| 【论文摘要】 | 论文采用薄膜的多层膜系分析方法建立了FBG光纤光栅薄膜传感器的理论模型。由于基板的热膨胀系数与膜系的热膨胀系数不同，在受热情况下，膜系会受到自身热膨胀及基板应力的作用而发生弹性形变，导致中心波长的漂移。利用这一现象，我们提出了一种通过检测薄膜滤光片反射峰波长来实现温度测量的方法。
论文在大量查阅相关文献的基础上，对比光纤光栅制作方法的局限性，基于光纤光栅多层膜理论，提出用光学薄膜替代光栅部分实现选择性反射可见光波段的温度传感。矢量法给出膜系的设计依据，选定高低折射率交替、各层厚度均为λ_0／4的多层膜，并选定ZiO_2和SiO_2为目标膜料。通过直流反应溅射制备TiO_2薄膜，总结磁控溅射各工艺参数对制备TiO_2薄膜的影响。用射频反应共溅射制备了ZiO_2／SiO_2薄膜，通过控制Ti靶的溅射电流大小可调节复合薄膜的折射率大小。随着TiO_2溅射电流的增加，复合薄膜的折射率相应减小，且近似成线性关系。最后进行ZiO_2／SiO_2薄膜滤光片的变温实验，计算表明，当薄膜与基片的热膨胀系数相同时，薄膜的温度传感系数与FBG的相当。实际测得所用膜系的温度传感系数为0.017 nm／℃。从理论与实验... |
| 【论文题纲】 |
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摘要 |
7-8 |
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Abstract |
8-9 |
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插图索引 |
9-10 |
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附表索引 |
10-11 |
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第1章 绪论 |
11-24 |
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1.1 光纤光栅传感技术 |
11-15 |
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1.2 薄膜温度传感器的应用 |
15-18 |
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1.3 光学薄膜的制备 |
18-21 |
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1.4 课题研究的意义 |
21-22 |
|
1.5 论文内容及研究技术路线 |
22-24 |
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第2章 多层高反射膜测温的理论基础 |
24-32 |
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2.1 FBG光纤光栅的传感机理及多层膜理论 |
24-28 |
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2.1.1 Bragg光栅(FBG)及其传感原理 |
24-26 |
|
2.1.2 光纤 Bragg光栅的理论模型 |
26-28 |
|
2.2 光学薄膜理论 |
28-32 |
|
2.2.1 麦克斯韦方程 |
28-30 |
|
2.2.2 多层介质高反射膜 |
30-32 |
|
第3章 膜系的设计 |
32-41 |
|
3.1 前言 |
32 |
|
3.2 矢量法 |
32-34 |
|
3.3 光学材料的基本要求 |
34-35 |
|
3.4 镀膜材料的选择 |
35-36 |
|
3.5 TFcalc软件的模拟 |
36-41 |
|
3.5.1 薄膜自动设计程序 |
36-37 |
|
3.5.2 TFcalc的模拟 |
37-41 |
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第4章 双室多功能磁控溅射仪 |
41-49 |
|
4.1 气体放电现象与等离子体 |
41-44 |
|
4.1.1 气体放电现象描述 |
41-43 |
|
4.1.2 辉光放电现象 |
43-44 |
|
4.2 溅射沉积装置 |
44-46 |
|
4.2.1 直流(DC)溅射 |
44-45 |
|
4.2.2 射频(RF)溅射 |
45 |
|
4.2.3 磁控溅射 |
45-46 |
|
4.2.4 反应溅射 |
46 |
|
4.3 多功能磁控溅射镀膜设备 |
46-49 |
|
4.3.1 设备的主要结构 |
47-48 |
|
4.3.2 设备的主要技术参数 |
48-49 |
|
第5章 直流反应溅射制备 TiO_2薄膜 |
49-53 |
|
5.1 前言 |
49 |
|
5.2 TiO_2薄膜的制备 |
49-50 |
|
5.3 薄膜样品性能的检测 |
50 |
|
5.4 溅射时间的影响 |
50-51 |
|
5.5 溅射功率的影响 |
51-53 |
|
第6章 射频磁控共溅射制备 TiO_2/SiO_2薄膜 |
53-56 |
|
6.1 前言 |
53 |
|
6.2 TiO_2/SiO_2薄膜的制备 |
53-54 |
|
6.3 TiO_2/SiO_2薄膜的光学性质 |
54-55 |
|
6.4 TiO_2/SiO_2薄膜的折射率调制曲线 |
55-56 |
|
第7章 磁控溅射工艺对 TiO_2光学性质的影响 |
56-66 |
|
7.1 靶基距对 TiO_2薄膜光学性质的影响 |
56-57 |
|
7.2 氧氩比对 TiO_2薄膜结构的影响 |
57 |
|
7.3 溅射气压的影响 |
57-58 |
|
7.3.1 工作气压对沉积速率的影响 |
57-58 |
|
7.3.2 溅射气压对 TiO_2薄膜结构的影响 |
58 |
|
7.4 沉积温度的影响 |
58-62 |
|
7.4.1 沉积温度对 TiO_2光学性质的影响 |
58-59 |
|
7.4.2 沉积温度对 TiO_2表面形貌的影响 |
59-62 |
|
7.5 热处理温度的影响 |
62-63 |
|
7.5.1 热处理温度对 TiO_2光学性质的影响 |
62-63 |
|
7.5.2 热处理温度对 TiO_2表面形貌的影响 |
63 |
|
7.6 退火气氛的影响 |
63-66 |
|
7.6.1 退火气氛对 TiO_2光学性质的影响 |
63-64 |
|
7.6.2 退火气氛对 TiO_2表面形貌的影响 |
64-66 |
|
第8章 TiO_2/SiO_2滤光片的温度传感器 |
66-72 |
|
8.1 Haruo Takashashi模型 |
66-67 |
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8.2 实验装置 |
67 |
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8.3 TiO_2/SiO_2滤光片的温度特性 |
67-69 |
|
8.3.1 TiO_2/SiO_2滤光片的制备 |
67 |
|
8.3.2 TiO_2/SiO_2滤光片反射峰强度的温度特性 |
67-68 |
|
8.3.3 TiO_2/SiO_2滤光片反射峰波长的温度特性 |
68-69 |
|
8.4 计算分析 |
69-71 |
|
8.4.1 Haruo Takashashi模型的计算分析 |
69-70 |
|
8.4.2 FBG耦合模理论的计算分析 |
70-71 |
|
8.5 TiO_2/SiO_2滤光片的温度标定曲线 |
71-72 |
|
总结 |
72-74 |
|
参考文献 |
74-80 |
|
致谢 |
80-81 |
|
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录 |
81-82 |
|
附录B 攻读学位期间所获专利数目录 |
82 |
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| 【DOI】 | LunWen.ID:2.2008.380354 |
