CN110849442A - 一种基于压差的mems光纤法珀低温液位传感器及其测量*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压差的MEMS光纤法珀低温液位传感器及其测量***，传感测量***包括宽带光源(9)、光纤环形器(10)、低相干干涉解调器(11)及数据采集及处理***(12)；所述传感头的结构包括单晶硅片(1)、腐蚀圆柱型凹槽并底部镀膜的Pyrex玻璃片(2)、低熔点玻璃(3)、中心带通孔的圆柱形玻璃柱(4)和多模光纤(5)；其中：腐蚀圆柱型凹槽并底部镀膜后的Pyrex玻璃片(2)的镀膜端面作为F‑P腔的第一个反射面，所述单晶硅片(1)的内表面用作感压硅膜片(15)，同时构成法珀腔的第二个反射面。本发明制作方法简单，不对被测液体及其容器造成任何影响，不需要额外机械装置。
Description
技术领域
本发明涉及光纤法珀传感测量技术领域，特别是涉及一种MEMS光纤法珀低温液位传感器及其测量***。
背景技术
液位测量技术广泛应用在工业及日常生活中，具有冷却功能的液体，例如液氮、液氢、液氦等，因其自身极低的温度特性被广泛应用于航空航天、医学治疗和工业储存等领域。其自身温度的特殊性，对传感器的材料、制作工艺及装置的复杂度都有着更高的要求，因此，准确且便捷地对冷却液体液位进行测量也成为人们关注和研究的重点。
光纤液位传感器有着体积小、精度高、耐腐蚀和抗电磁干扰等特点，但传统的光纤液位传感器均为手工制作，无法实现较好的一致性。且通过将液位信息转换成光纤包层的折射率这一方法，测量液体容易受到折射率范围的限制，同时要求液位有很好的稳定性。
发明内容
针对这些限制因素，本发明提出了一种基于压差的MEMS光纤法珀低温液位传感器，利用MEMS技术下的光纤法珀传感器以及对应液位测量的***所设计出可用于冷却***中液体液位传感器及测量***。
本发明的一种基于压差的MEMS光纤法珀低温液位传感器，该传感器包括传感头和传感体，所述传感头的结构包括单晶硅片1、腐蚀圆柱型凹槽并底部镀膜的Pyrex玻璃片2、低熔点玻璃3、中心带通孔的圆柱形玻璃柱4和多模光纤5；其中：
所述单晶硅片1和所述腐蚀圆柱型凹槽并底部镀膜的Pyrex玻璃片2通过金-金键合的方式贴合在一起，所述中心带通孔的圆柱形玻璃柱4用所述低熔点玻璃3与所述腐蚀圆柱型凹槽并底部镀膜的Pyrex玻璃片2紧密固定；多模光纤5***至中心带通孔的圆柱形玻璃柱4中；腐蚀圆柱型凹槽并底部镀膜后的Pyrex玻璃片2的镀膜端面作为F-P腔的第一个反射面，所述单晶硅片1的内表面用作感压硅膜片15，同时构成法珀腔的第二个反射面；所述感压硅膜片15中心平整、周边波纹状，感受压力。
本发明的一种基于压差的MEMS光纤法珀低温液位传感测量***，该传感测量***包括宽带光源9、光纤环形器10、低相干干涉解调器11及数据采集及处理***12；其中：
所述宽带光源9发出的光通过光纤环行器10传输至该F-P腔传感器的第一个反射面发生部分反射，形成反射参考光7，另一部分光继续传输至该F-P腔传感器的第二个反射面发生部分反射，形成反射传感光8，反射参考光7与反射传感光8在光纤环行器10处进行干涉，传输至低相干干涉解调器11中，输出信号经数据采集及处理***12后，最终获得所测量的液位信息。
与现有技术相比，本发明制作方法简单，不对被测液体及其容器造成任何影响，不需要额外机械装置；采用MEMS技术对晶圆片制作传感器头阵列，便于批量制作传感器，有效提高生产效率和保证传感器的一致性，降低单支传感器成本。
附图说明
图1是本发明的一种基于压差的MEMS光纤法珀低温液位传感器中的传感头结构示意图，(a)传感头结构，(b)感压硅膜片结构；
图2是本发明中一种基于MEMS的光纤法珀低温液体液位传感测量***结构示意图；
图3是在液氮液位测量中的结果示意图。
附图标记：
1、单晶硅片，2、腐蚀圆柱型凹槽并底部镀膜的Pyrex玻璃片，3、低熔点玻璃，4、中心带通孔的圆柱形玻璃柱，5、多模光纤，6、紫外胶，7、反射参考光，8、反射传感光，9、宽带光源，10、光纤环形器，11、空间扫描型解调***，12、数据采集及处理***，13、感压硅膜片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述，但本发明技术方案并不限于以下内容，凡在本发明启示之下做出的形式变换，均落入本发明保护范围。
如图1所示，是本发明的一种基于MEMS的光纤法珀低温液体液位传感的传感头结构示意图。该传感头包括单晶硅片1、腐蚀圆柱型凹槽并底部镀膜的Pyrex玻璃片2、低熔点玻璃3、中心带通孔的圆柱形玻璃柱4、多模光纤5。单晶硅片1和腐蚀圆柱型凹槽并底部镀膜的Pyrex玻璃片2通过金-金键合的方式贴合在一起，中心带通孔的圆柱形玻璃柱4用低熔点玻璃3与Pyrex玻璃片2紧密固定。多模光纤5***至中心带通孔的圆柱形玻璃柱4中。腐蚀圆柱型凹槽并底部镀膜后的Pyrex玻璃片2的镀膜端面作为F-P腔的第一个反射面，单晶硅片1的内表面用作感压硅膜片15，同时构成法珀腔的第二个反射面。
所述感压硅膜片15中心平整、周边波纹状，感受压力，当液体从常温进入低温环境时，对腔内残余气压急剧收缩引起的硅片形变起到缓冲和保护作用，从而满足低温环境下的耐受性。
本发明的基于压差的MEMS光纤法珀低温自适应的液位传感头制作方法包括以下4个步骤：
第1，对第一片4英寸Pyrex玻璃晶圆片双面抛光减薄，并进行圆形阵列加工，使得每个圆形阵列硅片区域内，中心处平整，周围为波纹状，以便对形变起到缓冲和保护作用；第2，在Pyrex玻璃晶圆片腐蚀出圆柱形凹槽阵列，设置合适的直径和深度，该层玻璃及圆柱形凹槽用作传感头第一层，用于形成法珀空腔体和支撑单晶硅片；第3，将腐蚀出通孔阵列的Pyrex玻璃晶圆片中圆柱型凹槽底部镀上一层半投射半反射的膜，用于优化双光束干涉结构；第4，将双面抛光的4英寸单晶硅片清洗后采用金-金键合的方式键合在第二4英寸Pyrex玻璃晶圆片上；第5，采用Nd：YAG激光加工***对4英寸传感器头阵列晶圆片的第一层单晶硅片外表面进行毛化处理；第6、采用划片机将4英寸传感器头阵列晶圆片进行划片处理，切割成单个传感器头单元，中心带通孔的圆柱形玻璃柱用低熔点玻璃固定与法珀芯片的Pyrex玻璃晶片端，起到保护传感光纤的作用。将多模光纤***中心带通孔的圆柱形玻璃柱中，用紫外胶进行固定。
如图2所示，为本发明的一种基于MEMS的光纤法珀低温液体液位传感的传感器体结构示意图。用作传感器的支撑结构和传输光纤的容纳结构，其形状为圆柱形或是长方体形，传感器体的中间开有一个通孔，制作材料是Pyrex玻璃或其他玻璃材料。
如图2所示，为本发明的一种基于MEMS的光纤法珀低温液体液位传感测量***结构示意图。整个传感测量***包括5个部分：宽带光源9、光纤环形器10、低相干干涉解调器11及数据采集及处理***12。
宽带光源9发出的光通过光纤环行器10传输至该F-P腔传感器的第一个反射面(腐蚀圆柱型凹槽并底部镀膜后的Pyrex玻璃片2的镀膜端面)发生部分反射，形成反射参考光7，另一部分光继续传输至该F-P腔传感器的第二个反射面(单晶硅片1的内表面)发生部分反射，形成反射传感光8，反射参考光7与反射传感光8在光纤环行器10处进行干涉，传输至低相干干涉解调器11中，输出信号经数据采集及处理***12后，最终获得所测量的液位信息。
本发明的液位测量原理为：利用封闭腔体的体积与气压公式，构建硅膜片中心形变量与外界冷却***液体液位呈线性关系。当外界液位变化带来的液体压力变化致使硅片变形时，将改变光纤法珀腔的长度。宽带光源发出的光经过多模光纤的传输，在传感器处进行反射，携带腔长信息的干涉光信号重新耦合入多模光纤，通过空间扫描型解调***对光纤法珀压力传感器的低相干干涉条纹进行提取，并将光信号转换成电信号，最后由数据采集及处理***接收，通过绝对相位恢复算法，得到不同液位下不同腔长对应干涉信号的相位变化。从而建立绝对相位与液位的关系。这种腔长解调的方式避免了液体自身黏度、折射率等因素的影响。
通过MEMS技术批量制作出法珀腔芯片，保证了传感器的一致性。液体液位变化产生的压力变化将带来感压硅膜片的形变差别，从而对改变法珀腔的腔长。为了更好地在低温下应用，感压硅膜片采用中心平整，周边波纹状，用来起到缓冲和保护的作用。通过腔长解调的方法获得实时液位信息，巧妙避免了液体自身特性对液位测量带来的影响。法珀干涉结构又能大大提高传感器的测量精度。
Claims (2)
1.一种基于压差的MEMS光纤法珀低温液位传感器，其特征在于，该传感器包括传感头和传感体，所述传感头的结构包括单晶硅片(1)、腐蚀圆柱型凹槽并底部镀膜的Pyrex玻璃片(2)、低熔点玻璃(3)、中心带通孔的圆柱形玻璃柱(4)和多模光纤(5)；其中：
所述单晶硅片(1)和所述腐蚀圆柱型凹槽并底部镀膜的Pyrex玻璃片(2)通过金-金键合的方式贴合在一起，所述中心带通孔的圆柱形玻璃柱(4)用所述低熔点玻璃(3)与所述腐蚀圆柱型凹槽并底部镀膜的Pyrex玻璃片(2)紧密固定；多模光纤(5)***至中心带通孔的圆柱形玻璃柱(4)中；腐蚀圆柱型凹槽并底部镀膜后的Pyrex玻璃片(2)的镀膜端面作为F-P腔的第一个反射面，所述单晶硅片(1)的内表面用作感压硅膜片(15)，同时构成法珀腔的第二个反射面；
所述感压硅膜片(15)中心平整、周边波纹状，感受压力。
2.一种基于压差的MEMS光纤法珀低温液位传感测量***，其特征在于，该传感测量***包括宽带光源(9)、光纤环形器(10)、低相干干涉解调器(11)及数据采集及处理***(12)；其中：
所述宽带光源(9)发出的光通过光纤环行器(10)传输至该F-P腔传感器的第一个反射面发生部分反射，形成反射参考光(7)，另一部分光继续传输至该F-P腔传感器的第二个反射面发生部分反射，形成反射传感光(8)，反射参考光(7)与反射传感光(8)在光纤环行器(10)处进行干涉，传输至低相干干涉解调器(11)中，输出信号经数据采集及处理***(12)后，最终获得所测量的液位信息。
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