砷化镓光纤测温系统技术参数

砷化镓吸收式光纤温度传感技术特点：

1）传感材料为微型砷化镓芯片，芯片性能稳定、可靠性高，因此传感器可以长时间工作；

2）传感器体积小，亚毫米；

3）芯片材料一致性好，互换性好；

4）采用光谱分析方法，光源、传输效率、耦合程度、光纤弯折等强度相关参量的变化，不影响测量结果；

传感物质为绝缘性材料，性能稳定，可靠性高。基于光谱分析，不受光源劣化、光纤弯折等强度相关参量变化的影响。全介质，不受EMI干扰，普遍应用于强电场、强磁场坏境中。耐高电压，耐化学腐蚀，低损耗。传感器体积小，感温部分仅有 0.3mm，导体使用 62.5um 光纤，柔软，可靠，安装过程中不易受损。 砷化镓芯片基于微纳加工工艺，一致性高，同编号的传感器之间可互换，无需校准，无漂移，不受技术制约。传感器长度可达到500m以上。 光源寿命>30年，在线监测，稳定性超过30年。

电火工品电磁辐射敏感性测试；军舰设备、潜艇设备热点测温；水轮发电机、火电发电机、风电机组定子热点测温；超高压电气设备热点测温；高端机床热点测温；轨道交通设备、石油化工设备、生物医疗设备、工业微波设备、钢铁冶金设备、食品安全设备热点测温。

砷化镓晶体的价带最大值与导带最小值均在K空间上同一点，为直接带隙半导体，电子从价带跃迁至导带时不会对动量产生影响，电子吸收足够的能量即可直接跃迁；当光照射在半导体材料上，有一部分光被吸收，产生光衰减现象；半导体材料对光的吸收分为本征吸收和非本征吸收两种，当光子能量足够大时，价带电子吸收足够多的能量被激发到导带，这个过程称为本征吸收，砷化镓晶体是直接带隙半导体材料，对光子的吸收主要是本征吸收。光子能量超过禁带宽度时，吸收系数陡然上升，会对光产生强烈的吸收，在吸收光谱上就会出现明显的吸收边；在20K-973K范围内，砷化镓晶体的禁带宽度与温度间具有一定的函数关系，在任一温度下都对应一个不同的吸收边波长，建立砷化镓晶体吸收边波长与温度值的对应关系，即可根据特定的算法关系得到温度信息。

砷化镓半导体光纤测温在实际应用方面不如荧光光纤测温系统，荧光光纤测温可以实现在高压开关柜触头、进出线、母排等位置进行实时的温度测量，比砷化镓半导体光纤测温更便利，其性价比高，测温更精确，无需经常维护，解调仪体积小，安装方便。

用于测量高压温度的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

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。此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。

大多采用液相外延法或MOCVD技术制备。用GaAs作衬底的光电池效率高达29.5%（一般在19.5%左右），产品耐高温和辐射，但生产成本高，产量受限，主要作空间电源用。以硅片作衬底，用MOCVD技术异质外延方法制造GaAs电池是降低成本很有希望的方法。

GaAs（砷化镓）光电池大多采用液相外延法或MOCVD技术制备。用GaAs作衬底的光电池效率高达29.5%（一般在19.5%左右），产品耐高温和辐射，但生产成本高，产量受限，目前主要作空间电源用。以硅片作衬底，用MOCVD技术异质外延方法制造GaAs电池是降低成本很有希望的方法。

1、光电转化率：

砷化镓的禁带较硅为宽，使得它的光谱响应性和空间太阳光谱匹配能力较硅好。单结的砷化镓电池理论效率达到30%，而多结的砷化镓电池理论效率更超过50%。

2、耐温性

常规上，砷化镓电池的耐温性要好于硅光电池，有实验数据表明，砷化镓电池在250℃的条件下仍可以正常工作，但是硅光电池在200℃就已经无法正常运行。

3、机械强度和比重

砷化镓较硅质在物理性质上要更脆，这一点使得其加工时比容易碎裂，所以，常把其制成薄膜，并使用衬底（常为Ge[锗]），来对抗其在这一方面的不利，但是也增加了技术的复杂度。