Capteur de température a fibre optique a extrémité microstructuree chimiquement
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Université Sétif 1 - Ferhat ABBAS , Institut d'Optique et Mécanique de Précision
Abstract
This thesis presents a fibre-optic sensor that measures temperature and pressure. Its operating principleis based on the amplitude modulation caused by variation in the radius of a concave micromirror crafted into the end of an SMF optical fibre. In fact, a microcavity engraved into the end of the fibre by selective chemical etching is filled with a PDMS (Polydimethylsiloxane)-type polymer. Due to surface tension, the polymer micro-drop takes on a hemispheric shape characterised by a certain radius value.
After polymerisation in an oven at 100 °C for one hour, the hemispheric micro-drop is coated with a thin layer of gold using the vacuum evaporation technique. Typically, concave micro-mirrors can be obtained with bend radii of between 10μm and 30μm. Under the action of a temperature gradient or avariation in pressure, the thickness of the PDMS changes and causes a variation in the bend radius of the micromirror. As a result, the light intensity guided by the optical fibre and reflected by the micromirror is modulated by the variation in its bend radius. In this configuration, the sensor has athermo-sensitivity of – 0.08dB/°C with a resolution of 0.13 °C in the range 20 - 100 °C. It also has apressure sensitivity of 0.11dB/bar between 10 and 20 bars. The measurements are taken by areflectometer (OTDR). In addition, the experimental results have been validated by COMSOL simulation. This sensor is relatively simple to make and can be used in a wide range of applications, particularly in biomedical and industrial ones.
Description
Dans cette thèse, on a proposé un capteur à fibre optique destiné à la mesure de la température et de la pression. Le principe de fonctionnement est fondé sur la modulation d’amplitude causée par la variation du rayon de courbure d’un micro-miroir concave réalisé au bout d’une fibre optique SMF. Eneffet, une microcavité gravée à l’extrémité de la fibre, par attaque chimique sélective, est
remplie d’un polymère de type PDMS (Polydiméthyl-siloxane). En faveur des tensions de surface, la microgoutte de polymère prend une forme hémisphérique caractérisée par un certain rayon de courbure. Aprèspolymérisation à 100°C dans un four pendant 1 heure, la microgoutte hémisphérique est enrobée d’une couche mince d’or par la technique d’évaporation sous vide, la rendant ainsi réfléchissante.
Typiquement, on peut obtenir des micromiroirs concaves de rayon de courbure compris entre 10μm et30μm. Sous l’influence d’un gradient de température ou d’une variation de pression, l’épaisseur du PDMS varie et induit une variation du rayon de courbure du micromiroir. Par conséquent, l’intensité lumineuse guidée par la fibre optique et réfléchie par le micro-miroir se trouve modulée par la variation de son rayon de courbure. Dans cette configuration, le capteur présente une sensibilité à la température de - 0.08dB/°C avec une résolution égale à 0.13°C dans un domaine de températurecompris entre 20 et 100°C. Et, il présente une sensibilité à la pression de 0.11dB/bar entre 10 bar et 20 bar. Les mesures sont relevées par un réflectomètre (OTDR). Par ailleurs, les résultats expérimentauxont été validés par une simulation par COMSOL. Ce capteur est relativement simple à fabriquer et peuttrouver de nombreuses applications dans un large domaine, particulièrement dans les applications biomédicales et industrielles