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砷化镓技术原理

砷化镓技术原理

用于测量高压温度的LumaSHIELD光纤温度传感器是基于GaAs(砷化镓)半导体对白光吸收/传输原理所开发的一款产品。温度变化对半导体的影响是众所周知并且可以预判的。随着半导体温度的升高,半导体的传输谱线(未被吸收的光线)跃迁成为更长的波长谱线。在任意给定的温度下,一个特定的传输波长谱线的跃迁范围可以从初始的0%到100%。这种跃迁被称作吸收跃变,发生吸收跃变的具体波长和温度之间有可预测的固定关系。

为什么会发生这种跃迁?半导体的带隙

可以在物理方面解释这种现象。这个“带隙”是指电子从物态到激发态(相对于松弛状态,恒稳状态)需要的能量。随着越来越多的能量进入半导体(随着温度的升高,能量以热量的形式进入半导体),这个带隙变得越来越窄——激发电子需要的额外能量也随之变少。实际上,是进入半导体的光子(光粒子)激发了电子。如果光子携带的能量足以使电子越过带隙,那么这个光子就会被吸收。如果光子携带的能量不足,那么该光子将会被透射。光子的波长越短,携带的能量越多。因为带隙随着半导体温度的升高而变窄,穿过带隙需要的能量也随之变少,“能量带”吸收的光子所需携带的能量也越来越少(波长可以越来越长)。这种效应就是让吸收移位到更长的光波。因此,通过测量吸收跃变的位置可以测得半导体的温度。需要注意的是:该技术的关键是波长而不是光的强度。


温度传感器

LumaSHIELD的温度传感器是建立在直接接触温度测量基础上的。该传感器和诸如热电偶及RTD(电阻温度装置)等传统温度传感器的工作原理相同。换句话说,半导体材料必须接触物体或浸入需要测量的液体或气体。接触越紧密,传感探头的热质量越小,半导体也会更快地对温度变化作出反应。我们需要通过传递光到半导体来测量

吸收的程度。这就是光纤的功能所在。

在打磨良好的光纤的一端连接微型GaAs半导体。在该半导体的一侧预埋有反射介电膜。介电意味着不具备导电性;所有的材料都具有该性质(“高介电强度”),这也是我们公司传感器技术超出诸如热电偶及RTD等传统温度传感器(使用电线传递电信号)的主要优点之一。

光纤上覆有保护套(由尼龙、聚亚胺或聚四氟乙烯制成),能适应运输和化学环境。然后整个端部组件(半导体和光纤端部)嵌入高温粘结剂,以保护传感器(即半导体)免遭化学腐蚀和机械损坏。

砷化镓技术中,吸收跃变的计算不取决于这种特定仪器的信号强度,主要取决于相关光线的波长。影响光纤衰减的各种因素(光纤长度、数量和连接质量、光纤直径和材料以及弯曲度)均不会严重限制我们系统的使用。LumaSHIELD方法提供了可靠的重复温度测量方法,同时不会因为连接器中的电力损失或者光纤弯曲而出错。




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