CN110631745B - 压力传感元件及压力传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种压力传感元件和压力传感系统，其中，压力传感元件包括：基底；加载波导，加载波导设置于基底上，两个耦合器与加载波导的两端相连，耦合器用于对激光器发出的光线进行传导，两个耦合器通过光纤分别与激光器和光谱分析仪相连；加载波导包括光栅和形变部，光栅与形变部相连，形变部上设置有一个通孔，通孔的轴线与基底相平行，通孔的轴线与两个耦合器之间的连线相垂直。本发明中的压力传感元件相比于相关技术加载波导的体积可以设置得更小，实现使压力传感元件的体积更小，并且基于形变部的形变量对折射率的影响进行压力检测，可以提高压力传感元件的稳定性，以及压力传感元件的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及压力检测技术领域，具体而言，涉及一种压力传感元件及一种压力传感系统。
背景技术
压力传感器主要包括电容式和压阻式：电容式压力传感器一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而发生形变时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化。通过测量电路，即可输出与压力成一定关系的电信号，薄膜压力传感器仅靠膜片承压稳定性差，抗过载能力差，当待测介质压力过载时，电容式压力传感器的膜片容易破裂，存在介质泄漏的风险。压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应而构成。采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路。压力发生变化，应变电阻产生与被测压力成正比的变化，压阻式压力传感器的缺点是灵敏度低、尺寸大。传统的基于PDMS的压力传感器，由于PDMS的折射率因弹光效应产生的变化较小，导致此类传感器灵敏度较低且尺寸较大。故在实际应用中，传统的基于PDMS的压力传感器得不到良好的推广，因此如何提高基于PDMS的压力传感器的灵敏度且降低基于PDMS的压力传感器的尺寸，成为亟需解决的问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
本发明的第一个方面提供了一种压力传感元件。
本发明的第二个方面提供了一种压力传感系统。
鉴于上述，根据本发明的第一个方面，提出了一种压力传感元件，用于压力传感系统，压力传感系统包括激光器、光纤、耦合器和光谱分析仪，包括：基底；加载波导，加载波导设置于基底上，两个耦合器与加载波导的两端相连，耦合器用于对激光器发出的光线进行传导，两个耦合器通过光纤分别与激光器和光谱分析仪相连；加载波导包括光栅和形变部，光栅与形变部相连，形变部上设置有一个通孔，通孔的轴线与基底相平行，通孔的轴线与两个耦合器之间的连线相垂直。
在该技术方案中，激光器发出光线经过光纤和耦合器射入压力传感元件中的加载波导，经过光栅后进入到形变部中，通过在形变部上设置通孔作为空气柱，使形变部受到压力可以产生形变而改变整体加载波导的折射率，通过采集经过加载波导的光线变化实现对施加在形变部的压力进行检测，光线经过耦合器和光纤传输到光谱分析仪，对穿过加载波导的光信号进行分析，由于本申请利用了加载波导的折射率根据形变部的形变而发生变化的原理，比于相关技术加载波导的体积可以设置得更小，实现使压力传感元件的体积更小，并且基于形变部的形变量对折射率的影响进行压力检测，可以提高压力传感元件的稳定性，以及压力传感元件的灵敏度。
可以理解的是，通孔的作用为加大形变部的形变量从而改变加载波导的整体折射率，并且通过采集经过折射后的光线进行确定压力的大小，两个耦合器分别设置在加载波导的输出端和输入端，用于输出和接收光线，将通孔的轴线与两个耦合器之间的连线相垂直，实现了通孔设置的方向不会与光线射入加载波导的方向相平行，使光线经过加载波导的形变部发生折射。通过将通孔的轴线与基底相平行设置，保证了形变部受到压力的所产生形变的稳定性。
其中，激光器为中心波长为1.55微米的半导体激光器，激光器发出光信号后经由光纤传输，利用耦合器将光信号耦合进入到压力传感元件，携带有传感信息的光信号在通过耦合器将光信号耦合进光纤，利用光谱分析技术获取传感信息。
具体地，整个加载波导可以为一体成型制造而成，并在加载波导上进行刻蚀形成光栅和形变部，刻蚀的深度与光栅的周期数有关，具体为设置的光栅的周期数越少则需要对加载波导进行刻蚀的深度越深，设置的光栅的周期数越多则需要对加载波导进行刻蚀的深度越浅。
另外，本发明提供的上述技术方案中的压力传感元件还可以具有如下附加技术特征：
在上述任一技术方案中，加载波导为脊波导。
在上述任一技术方案中，加载波导的材质为聚二甲基硅氧烷。
在该技术方案中，将加载波导选用脊波导，并且脊波导由PDMS(聚二甲基硅氧烷)制成，PDMS的有效折射率为1.43，PDMS制成的形变部可产生较大的形变，并且通过形变可直接改变谐振波长，PDMS的应力和应变量间不再是线性对应的关系，PDMS在较大形变时为超弹性材料。
在上述任一技术方案中，加载波导的中心谐振波长为1.55微米。
在该技术方案中，并且将加载波导的中心谐振波长设置为1.55微米，通过在加载波导的形变部设置了相应的通孔结构，在向加载波导射入中心波长为1.55微米的光信号时，存在一个反射尖槽，将中心波长为1.55微米的激光作为信号源，实现了光信号经过加载波导后被光谱分析仪接收的效果更好。
在上述任一技术方案中，光栅为两个，两个光栅分布在形变部相对的两侧。
在该技术方案中，光栅可以设置为两个，并且对称设置在形变部的两侧，需要保证形变部上的通孔的开放端不会对着光栅，使穿过光栅的光线经过形变部时不会发生直接穿过通孔的情况，加载波导包括形变部和对称设置在形变部两侧的光栅，两个光栅中的一个作为光线射入经过的光栅，另一个作为光线经过形变部后射出时经过的光栅。
可以理解的是，设置在形变部两侧的光栅应为所有参数完全相同的两个光栅，从而保证根据输出的光谱进行分析所得到的结果更加准确。
在上述任一技术方案中，压力传感元件还包括：传输部，两个传输部分别位于两个光栅远离形变部的一侧。
在该技术方案中，压力传感元件还包括传输部，传输部用于与耦合器相连接，用于将对光线的接收或者输出，将传输部设置在位于光栅远离形变部的一侧，即为将光栅设置在传输部和形变部之间，实现通过传输部作为接收和输出光线的作用，并且在接收到光线之后和输出光线之前可以经过光栅进行干涉和衍射。
在上述任一技术方案中，基底的材质为金或银。
在该技术方案中，基底的材料选择金或银，金或银为稳定性较好的金属，具有低损耗的特性，实现在长期使用过程中不会由于基底的损耗过大导致的压力传感元件无法使用。
在上述任一技术方案中，通孔的半径为0至1微米，形变部沿着通孔的轴线方向的长度为580至1320纳米。
在该技术方案中，将通孔的半径设置在0至1微米之间，则形变部沿着通孔轴线方向的长度相应的设置为580至1320纳米。
在上述任一技术方案中，光栅周期数为5至16个；光栅周期长度为635至670纳米。
在该技术方案中，根据通孔将通孔的半径设置在0至1微米之间，以及形变部沿着通孔轴线方向的长度设置为580至1320纳米，则将光栅周期数设置为5至16个，并且光栅周期长度设置为635至670纳米之间。
可以理解的是，当光栅为两个时，光栅周期数应设置为2N＝10-32，即两个光栅的周期总数为10到32个。
可以理解的是，通过在加载波导的形变部上设置通孔，并对加载波导上各个位置的几何参数进行限定，实现了相比于其他基于PDMS的光学压力传感器，本申请中的加载波导的尺寸更小。
其中，经过计算分析以及实验，确定将加载波导的宽度和高度均设置为1.5微米、通孔的半径设置为400纳米且光栅周期长度和形变部长度设置为640纳米和1260纳米可以使压力传感元件的灵敏度达到0.92MPa-1。相比于现有的光学压力传感器具有更高的灵敏度，可以测量出较小的压力变化，并且尺寸更小，重量更轻，实现了相比于现有的压力传感器更加便于安装且与微型仪器仪表的适配型更强的特点。
本发明的第二方面提供了一种压力传感系统，包括：激光器、光纤、耦合器、光谱分析仪和上述任一技术方案中的压力传感元件，因而具有上述任一技术方案中的压力传感元件的有益技术效果，在此不再进行一一赘述。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1示出了根据本发明一个实施例中的压力传感元件的结构示意图；
图2示出了根据本发明一个实施例中的压力传感元件的截面图；
图3示出了根据本发明一个实施例中形变部截面的二维归一化电场分布图；
图4示出了根据本发明一个实施例中的形变部的一维归一化电场分布图；
图5示出了根据本发明另一个实施例中的加载波导截面的电场分布图；
图6示出了根据本发明另一个实施例中的射入加载波导的光信号波长从1μm到2μm变化时接收到的反射光谱；
图7示出了根据本发明又一个实施例中的受到压力的形变部的截面的位移分布图；
图8示出了根据本发明又一个实施例中的受到压力的形变部的截面的等效应力分布图；
图9示出了根据本发明又一个实施例中的压力传感元件在不同压力下的反射光谱；
图10示出了根据本发明又一个实施例中的压力传感元件接收到的光信号的中心谐振波长与施加压力的函数关系；
图11示出了根据本发明一个实施例中的压力传感系统的结构示意图。
在图1、图2和图11中附图标记与部件名称之间的对应关系为：
100基底，200加载波导，210光栅，220形变部，230通孔，240传输部，300激光器，400光纤，500耦合器，600光谱分析仪。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。
下面参照图1至图11描述根据本发明一些实施例的脑电信号伪迹去除方法及计算机可读存储介质。
如图1和图2所示，本发明的实施例提供了一种压力传感元件，用于压力传感系统，压力传感系统包括激光器、光纤、耦合器和光谱分析仪，包括：基底100；加载波导200，加载波导200设置于基底100上，两个耦合器与加载波导200的两端相连，耦合器用于对激光器发出的光线进行传导，两个耦合器通过光纤分别与激光器和光谱分析仪相连；加载波导200包括光栅210和形变部220，光栅210与形变部220相连，形变部220上设置有一个通孔230，通孔230的轴线与基底100相平行，通孔230的轴线与两个耦合器之间的连线相垂直。
在该实施例中，激光器发出光线经过光纤和耦合器射入压力传感元件中的加载波导200，经过光栅210后进入到形变部220中，通过在形变部220上设置通孔230作为空气柱，使形变部220受到压力可以产生形变而改变整体加载波导200的折射率，通过采集经过加载波导200的光线变化实现对施加在形变部220的压力进行检测，光线经过耦合器和光纤传输到光谱分析仪，对穿过加载波导200的光信号进行分析，由于本申请利用了加载波导200的折射率根据形变部220的形变而发生变化的原理，相比于相关技术中通过设置较大的波导利用弹光效应来测量外界压力本申请中的波导的体积可以设置得更小，并且基于形变部220的形变量对折射率的影响进行压力检测，可以提高压力传感元件的稳定性，以及压力传感元件的灵敏度。
可以理解的是，通孔230的作用为加大形变部220的形变量从而改变加载波导200的整体折射率，并且通过采集经过折射后的光线进行确定压力的大小，两个耦合器分别设置在加载波导200的输出端和输入端，用于输出和接收光线，将通孔230的轴线与两个耦合器之间的连线相垂直，实现了通孔230设置的方向不会与光线射入加载波导200的方向相平行，使光线经过加载波导200的形变部220发生折射。通过将通孔230的轴线与基底100相平行设置，保证了形变部220受到压力的所产生形变的稳定性。
其中，激光器为中心波长为1.55微米的半导体激光器，激光器发出光信号后经由光纤传输，利用耦合器将光信号耦合进入到压力传感元件，携带有传感信息的光信号在通过耦合器将光信号耦合进光纤，利用光谱分析技术获取传感信息。
具体地，整个加载波导200可以为一体成型制造而成，并在加载波导200上进行刻蚀形成光栅210和形变部220，刻蚀的深度与光栅210的周期数有关，具体为设置的光栅210的周期数越少则需要对加载波导200进行刻蚀的深度越深，设置的光栅210的周期数越多则需要对加载波导200进行刻蚀的深度越浅。
在上述任一实施例中，加载波导200为脊波导。
在上述任一实施例中，加载波导200的材质为聚二甲基硅氧烷。
在该实施例中，将加载波导200选用脊波导，并且由脊波导由PDMS(聚二甲基硅氧烷)制成，PDMS的有效折射率为1.43，PDMS制成的形变部220可产生较大的形变，并且通过形变可直接改变谐振波长，PDMS的应力和应变量不再是先行对应的关系，故PDMS在较大形变时为超弹性材料。
在上述任一实施例中，加载波导200的中心谐振波长为1.55微米。
在该实施例中，并且将加载波导200的中心谐振波长设置为1.55微米，通过在加载波导200的形变部220设置了相应的通孔230结构，在向加载波导200射入中心波长为1.55微米的光信号时，存在一个反射尖槽，将中心波长为1.55微米的激光作为信号源，实现了光信号经过加载波导200后被光谱分析仪接收的效果更好。
可以理解的是，脊波导的宽度w和高度h的设置范围均为1-3微米。
在上述任一实施例中，光栅210为两个，两个光栅210分布在形变部220相对的两侧。
在该实施例中，光栅210可以设置为两个，并且对称设置在形变部220的两侧，需要保证形变部220上的通孔230的开放端不会对着光栅210，使穿过光栅210的光线经过形变部220时不会发生直接穿过通孔230的情况，加载波导200包括形变部220和对称设置在形变部220两侧的光栅210，两个光栅210中的一个作为光线射入经过的光栅210，另一个作为光线经过形变部220后射出时经过的光栅210。
可以理解的是，设置在形变部220两侧的光栅210应为所有参数完全相同的两个光栅210，从而保证根据输出的光谱进行分析所得到的结果更加准确。
在上述任一实施例中，压力传感元件还包括：传输部240，两个传输部240分别位于两个光栅210远离形变部220的一侧。
在该实施例中，压力传感元件还包括传输部240，传输部240用于与耦合器相连接，用于将对光线的接收或者输出，将传输部240设置在位于光栅210远离形变部220的一侧，即为将光栅210设置在传输部240和形变部220之间，实现通过传输部240作为接收和输出光线的作用，并且在接收到光线之后和输出光线之前可以经过光栅210进行干涉和衍射。
在上述任一实施例中，基底100的材质为金或银。
在该实施例中，基底100的材料选择金或银，金或银为稳定性较好的金属，具有低损耗的特性，实现在长期使用过程中不会由于基底100的损耗过大导致的压力传感元件无法使用。
在上述任一实施例中，通孔230的半径为0至1微米，形变部220沿着通孔230的轴线方向的长度为580至1320纳米。
在该实施例中，将通孔230的半径设置在0至1微米之间，则形变部220沿着通孔230轴线方向的长度相应的设置为580至1320纳米，通过将通孔230的半径和形变部220沿着通孔230轴线方向的长度进行相应的限定，可以保证压力传感元件具有更好的稳定性的同时，还具有更高的灵敏度。
在上述任一实施例中，光栅210周期数为5至16个；光栅210周期长度为635至670纳米。
在该实施例中，根据通孔230将通孔230的半径设置在0至1微米之间，以及形变部220沿着通孔230轴线方向的长度设置为580至1320纳米，则将光栅210周期数设置为5至16个，并且光栅210周期长度设置为635至670纳米之间。
可以理解的是，当光栅210为两个时，光栅210周期数应设置为2N＝10-32，即两个光栅210的周期总数为10到32个。
可以理解的是，通过在加载波导200的形变部220上设置通孔230，并对加载波导200上各个位置的几何参数进行限定，实现了相比于其他基于PDMS的光学压力传感器，本申请中的加载波导200的尺寸更小。
其中，经过计算分析以及实验，确定将加载波导200的宽度和高度均设置为1.5微米、通孔230的半径设置为400纳米且光栅210周期长度和形变部220长度设置为640纳米和1260纳米可以使压力传感元件的灵敏度达到0.92MPa-1。相比于现有的光学压力传感器具有更高的灵敏度，可以测量出较小的压力变化，并且尺寸更小，重量更轻，实现了相比于现有的压力传感器更加便于安装且与微型仪器仪表的适配型更强的特点。
如图1至图10所示，本发明的具体实施例中的压力传感元件，包括：
基底100，基底100的材质选用损耗较低的金材质；加载波导200，加载波导200设置于基底100上，加载波导200包括形变部220和对称分布在形变部220两侧的光栅210，形变部220上设置有半径为r的通孔230，根据公式确定光栅210的周期宽度Λ以及光栅210的刻蚀宽度c，c＝Λ/2，具体公式为：
其中，中λc为光栅210光谱响应的中心谐振波长，m是周期数，neff为光栅210的平均有效折射率。
在该实施例中，对压力传感元件的加载波导200的尺寸进行限定，并且加载波导200设置为脊波导，对作为压力传感元件中加载波导200的脊波导宽度w、高度h以及中心谐振波长λc进行限定，具体设置为w＝1.5μm、高度h＝1.5μm以及中心谐振波长λc设为1.55μm。
其中，加载波导200的材质为PDMS(聚二甲基硅氧烷)，PDMS的有效折射率设为1.43。
金基底100的介电常数可由Drude模式计算得：
其中，ωp是等离子体的频率，γ是电子阻尼系数，ε∞是高频介电常数。
并且，将ωp、γ和ε∞分别设置为1.398×1016rad/s、1.033×1014rad/s和5.398。根据上述设置的参数，确定当通孔230半径r＝400nm时，以及光栅210周期长度和形变部220的长度分别为640nm和1260nm，相比于现有的压力传感元件尺寸更小，重量更轻以及便于安装，与微型仪器仪表的适配性更好。
如图1所示，建立了相应的xyz坐标系，如图3所示，利用模拟软件分析该传感元件的光学特性可以得到加载波导200yz截面的二维归一化电场分布图。如图3所示，由于等离子体效应，入射光的能量在加载波导200和基底100的截面之间得到了加强，并且沿着截面方向逐渐衰落。
如图4所示，设定y方向为0，获取加载波导200z轴方向上的一维归一化电场分布图。电场能量被约束在加载波导200内，并且沿着z轴方向呈指数下降。
通过对加载波导200的几何参数进行限定，确定加载波导200的有效折射率为1.3723。
如图5所示，xz截面的归一化电场分布，同时对左右对称分布在形变部220两侧的光栅210的周期数进行限定，周期数N为2N＝16。大部分光信号的光学能量被反射掉或者被消耗，可以确定只有较少的光学能量通过了压力传感元件，但是电场在形变部220处被加强了。
如图6所示，进入压力传感元件的光线波长从1μm到2μm变化时，接收到的反射光谱的变化。从图6中可以看出，在入射波长为1.47μm到1.7μm范围内的光信号，大部分光能被反射掉。由于设有通孔230的形变部220的存在，在谐振波长为1.55μm时，存在一个反射尖槽，将中心波长为1.55微米的激光作为信号源，实现了光谱分析仪可以接收到较好的光信号。
如图5和图6所示的力学特性图，通过将通孔230沿着y方向开设在形变部220上，使形变部220的宽度和高度在外界压力的作用下会发生改变，且最大的位移量可以达到了20nm。在加载波导200的yz截面上，等效应力分布是沿中心轴对称的，这与位移量的变化相协调。在压力作用下，形变部220的高度和通孔230的半径发生了改变，实现了对形变部220的有效折射率的改变。在形变部220上施加压力的情况下，通过改变形变部220的有效折射率，会使经过压力传感元件的光信号的中心谐振波长发生变化。
可以理解的是，当压力传感元件被施加kPa(千帕)级别的压力，PDMS制成的形变部220可产生较大的形变，并且通过形变可直接改变谐振波长。因此，PDMS在较大形变时为超弹性材料。
如图6和图7所示，通过在模拟软件上对传感元件进行射频和固体力学模型的多物理场耦合仿真，从而确定了压力传感元件被施加外界压力的情况下，外界压力与通过该压力传感元件的光信号的中心谐振波长的关系。并由图7所示的外界压力与通过该压力传感元件的光信号的中心谐振波长的函数关系图可知，中心谐振波长随着施加压力的增加而线性增加。并且，当施加压力为0.0056MPa时，中心谐振波长的变化量为8nm。可根据公式计算得出传感元件的灵敏度，具体公式如下：
其中，Δλ为中心谐振波长在压力下的变化量，λc为没有压力下的中心谐振波长。
根据公式计算可得，压力传感元件的灵敏度可达0.92MPa-1。相比于现有的光学压力传感元件具有更高的灵敏度，可以测量出较小的压力变化。
如图11所示，本发明的第二方面的实施例提供了一种压力传感系统，包括：激光器300、光纤400、耦合器500、光谱分析仪600和上述任一实施例中的压力传感元件，因而具有上述任一实施例中的压力传感元件的有益技术效果，在此不再进行一一赘述。
在本发明中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种压力传感元件，用于压力传感系统，所述压力传感系统包括激光器、光纤、耦合器和光谱分析仪，其特征在于，包括：
基底；
加载波导，所述加载波导设置于所述基底上，两个所述耦合器与所述加载波导的两端相连，所述耦合器用于对所述激光器发出的光线进行传导，两个所述耦合器通过所述光纤分别与所述激光器和所述光谱分析仪相连；
所述加载波导包括光栅和形变部，所述光栅与所述形变部相连，所述形变部上设置有一个通孔，所述通孔的轴线与所述基底相平行，所述通孔的轴线与两个所述耦合器之间的连线相垂直；
所述加载波导为脊波导；
所述加载波导的材质为聚二甲基硅氧烷；
所述加载波导的中心谐振波长为1.55微米；
所述通孔的半径为0至1微米；
所述形变部沿着所述通孔的轴线方向的长度为580至1320纳米；
所述光栅周期数为5至16个；
所述光栅周期长度为635至670纳米。
2.根据权利要求1所述的压力传感元件，其特征在于，
所述光栅为两个，两个所述光栅分布在所述形变部相对的两侧。
3.根据权利要求2所述的压力传感元件，其特征在于，还包括：
传输部，两个所述传输部分别位于两个所述光栅远离所述形变部的一侧。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的压力传感元件，其特征在于，
所述基底的材质为金或银。
5.一种压力传感系统，其特征在于，包括：
激光器、光纤、耦合器、光谱分析仪和权利要求1至4中任一项所述的压力传感元件。
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