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基于ZnO薄膜吸收光谱温变特性的反射式光纤温度传感器

夏娟  
【摘要】:本文介绍了一种新型宽量程反射式光纤温度传感器,该传感器以镀于蓝宝石三棱镜面上的ZnO薄膜作为敏感元件,其工作原理是基于ZnO薄膜的吸收光谱所呈现的温变特性。 ZnO作为一种II-VI族宽带隙半导体敏感材料,具有熔点高(1975℃),激子束缚能大(60 meV),光电、压电性能优良,化学稳定性好等优点,在发光器件、紫外光探测器、显示器窗口材料、太阳能电池透明电极及半导体传感器等领域均有着重要的应用。本文利用真空电子束蒸发技术,将ZnO薄膜生长在蓝宝石三棱镜面(Al_2O_3 (0001))上,作为敏感元件。AFM(原子力显微镜)和XRD(X射线衍射仪)测试结果显示:薄膜表面平整光滑,颗粒均匀致密,具有良好的结晶质量和明显的c轴择优取向。 利用上述ZnO薄膜作为敏感元件,采用三棱镜、凸透镜和位于凸透镜焦点处的光纤端面相配合的结构以及相应的反射式光路,构建了一种反射式光纤温度传感系统。利用光谱分析法对所设计的传感器进行变温测试及重复性实验,发现ZnO薄膜光学吸收边随温度升高有红移现象,且禁带宽度和热力学温度之间满足 E_g (T) = 3.4205 - 5.2640×10~(-4)×T的线性关系。且理论测温范围可达10~1800 K。与其他传统温度传感器相比,该温度传感器具有结构简单、稳定性高和量程范围宽等优点,适用于各种环境场合中温度变化范围较宽的温度测量。


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