CN113091944B - 基于mems微型气室的原级温度计及其测量方法 - Google Patents

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CN113091944B CN202110355213.6A CN202110355213A CN113091944B CN 113091944 B CN113091944 B CN 113091944B CN 202110355213 A CN202110355213 A CN 202110355213A CN 113091944 B CN113091944 B CN 113091944B
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Abstract

本申请涉及一种基于MEMS微型气室的原级温度计及其测量方法。基于MEMS微型气室的原级温度计包括激光输出模块、微型气室、反射结构、光电探测模块以及温度计算模块。激光输出模块用于控制输出入射光。微型气室设置于入射光的光路上。硅结构设置于第一层玻璃与第二层玻璃之间。入射光入射至第一层玻璃，并经过通孔入射至第二层玻璃。反射结构设置于第二层玻璃远离硅结构的表面，用于将经第二层玻璃的入射光进行反射，形成反射光。光电探测模块设置于反射光的光路上，用于对反射光进行探测，并将反射光的光信号转换成电信号。温度计算模块与光电探测模块电连接，用于获取电信号，并根据电信号计算温度。

Description

基于MEMS微型气室的原级温度计及其测量方法
技术领域
本申请涉及温度传感与计量领域，特别是涉及一种基于MEMS微型气室的原级温度计及其测量方法。
背景技术
温度是国际单位制中七个基本物理量之一，是计量测试领域重要的测量参数。温度在工业、农业、医学等各个领域均有着重要的影响，高精确度和高准确度的温度测量是人类一直以来的目标。现行温度测量需要依据温度标准实现，温标包含固定点、内插仪器、内插方法。
当前的商用温度传感器均采用的90国际协议温标，长期使用过程中，由于存在漂移的问题，需要定期到计量测试机构分度校准。这一过程限制了温度传感器的应用场景，亟需实现长周期、免标定的温度传感器。
传统的温度计的测温原理均非原级传感方法。传统的温度计的温度传感基于协议温标，需要一定温度属性的测温介质。但是，该介质的温度特性会随环境和时间的变化产生漂移，导致传统的温度计需要定期重新标定和校准，使得测量准确度偏低，影响其长期在线使用能力。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种基于MEMS微型气室的原级温度计及其测量方法。
本申请提供一种基于MEMS微型气室的原级温度计。所述基于MEMS微型气室的原级温度计包括激光输出模块、微型气室、反射结构、光电探测模块以及温度计算模块。
所述激光输出模块用于控制输出入射光。所述微型气室设置于所述入射光的光路上。所述微型气室包括第一层玻璃、第二层玻璃以及具有通孔的硅结构。所述硅结构设置于所述第一层玻璃与所述第二层玻璃之间。所述入射光入射至所述第一层玻璃，并经过所述通孔入射至所述第二层玻璃。
所述反射结构设置于所述第二层玻璃远离所述硅结构的表面，用于将经所述第二层玻璃的所述入射光进行反射，形成反射光。所述光电探测模块设置于所述反射光的光路上，用于对所述反射光进行探测，并将所述反射光的光信号转换成电信号。所述温度计算模块与所述光电探测模块电连接，用于获取所述电信号，并根据所述电信号计算温度。
在一个实施例中，所述基于MEMS微型气室的原级温度计还包括准直模块。所述准直模块设置于所述入射光的光路上，用于将所述入射光转换成平行入射光。且所述准直模块设置于所述反射光的光路上，用于将所述反射光转换成平行反射光。
在一个实施例中，所述基于MEMS微型气室的原级温度计还包括环形器。所述环形器设置于所述入射光的光路上。所述激光输出模块控制输出的所述入射光经所述环形器后入射至所述准直模块。所述环形器设置于所述反射光的光路上，经所述准直模块后形成的所述平行反射光入射至所述环形器，并经所述环形器后入射至所述光电探测模块。
在一个实施例中，所述基于MEMS微型气室的原级温度计还包括保偏光纤。所述保偏光纤的一端与所述环形器连接。所述保偏光纤的另一端与所述准直模块连接。
在一个实施例中，所述激光输出模块包括激光光源与控制系统。所述控制系统与所述激光光源电连接，用于对所述激光光源进行电流或电压调制，并控制所述激光光源输出所述入射光。
在一个实施例中，所述激光光源为可见光输出波段的激光器。
在一个实施例中，所述准直模块为准直器。
在一个实施例中，所述光电探测模块为光电探测器。
在一个实施例中，所述反射结构为金属反射膜。
在一个实施例中，本申请提供一种基于MEMS微型气室的原级温度计的测量方法，采用上述实施例中任一项所述的基于MEMS微型气室的原级温度计进行测量。
上述基于MEMS微型气室的原级温度计中所述微型气室的整体结构为玻璃-硅-玻璃三层封闭结构。硅片通过光刻和腐蚀工艺获得具有通孔的硅结构。所述通孔中放置原子或者分子源。通过高温条件下的阳极键合方法将原子或分子密封于气室中。所述入射光通过所述第一层玻璃进入所述微型气室，并与所述通孔中的原子或者分子源产生相互作用。与所述通孔中的原子或者分子源相互作用后的所述入射光入射至所述第二层玻璃后，且经所述反射结构反射后返回至所述微型气室。所述入射光经所述反射结构反射后，形成所述反射光。所述反射光返回至所述微型气室，并与原子或者分子源相互作用后，通过所述第一层玻璃出射。
通过所述微型气室与所述反射结构，提高了光与原子或者分子源等物质作用的光程，实现了光程加倍，提高了信号强度。并且，通过所述微型气室与所述反射结构，降低了所述基于MEMS微型气室的原级温度计的整体体积，更有利于集成化。
所述光电探测模块接收所述反射光，并将所述反射光的光信号转换成电信号，并传输至所述温度计算模块。所述温度计算模块通过对光电信号的分析和拟合，获得所述微型气室中原子或者分子的吸收光谱信息，进而可以获得热力学温度。在不同温度条件下分子或原子的热运动水平不同，由此引起的吸收光谱中多普勒峰宽发生改变。其中，多普勒峰宽与温度存在以下固有关系：
Figure BDA0003003401100000041
上式中，kB是玻尔兹曼常数，v0是吸收光谱中心频率，m是分子或原子质量，c是光速，ΓD是多普勒峰的半高全宽。由于其他参数均为确定值，根据上述公式可知，热力学温度可由多普勒峰宽求得。
多普勒展宽测量(原子、分子)气体中微观粒子的宏观速度统计效应，统计学速度分布与气体内能存在解析关系，在新SI体系下，温度基本单位溯源至玻尔兹曼常量，而玻尔兹曼常量和热力学温度的乘积是内能，因此可作为原级温度计直接溯源至玻尔兹曼常量。光谱测量的准确度优于10-9。由于热力学统计特性，温度测量的准确度在10-6量级，因此，所述基于MEMS微型气室的原级温度计基于多普勒展宽测温理论进行测量，具有更高的准确度。
并且，所述基于MEMS微型气室的原级温度计中所述微型气室的气室材料主要由玻璃和硅组成，具有良好的导热性，更容易达到热均匀和平衡。因此，所述基于MEMS微型气室的原级温度计对于外部温度环境具有快速响应能力。
因此，所述基于MEMS微型气室的原级温度计可以通过所述微型气室中原子或分子的直接吸收光谱中多普勒展宽信息，获得待测温度。所述基于MEMS微型气室的原级温度计通过处理吸收光谱的多普勒峰宽获得精确的温度信息，可以进一步实现小型化、免标定的全光原级温度传感，不会随环境和时间的变化产生漂移，提高了测量准确度。相比于传统温度计，所述基于MEMS微型气室的原级温度计具有体积小、准确度高、测量响应快、可用于强电磁场环境的优势。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请提供的基于MEMS微型气室的原级温度计的结构示意图。
图2为本申请提供的激光输出模块的结构示意图。
附图标记说明：
基于MEMS微型气室的原级温度计100、激光输出模块10、微型气室50、反射结构540、光电探测模块60、温度计算模块70、第一层玻璃510、第二层玻璃520、硅结构530、准直模块40、环形器20、保偏光纤30、激光光源110、控制系统120。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
请参见图1，本申请提供一种基于MEMS微型气室的原级温度计100。所述基于MEMS微型气室的原级温度计100包括激光输出模块10、微型气室50、反射结构540、光电探测模块60以及温度计算模块70。
所述激光输出模块10用于控制输出入射光。所述微型气室50设置于所述入射光的光路上。所述微型气室50包括第一层玻璃510、第二层玻璃520以及具有通孔的硅结构530。所述硅结构530设置于所述第一层玻璃510与所述第二层玻璃520之间。所述入射光入射至所述第一层玻璃510，并经过所述通孔入射至所述第二层玻璃520。
所述反射结构540设置于所述第二层玻璃520远离所述硅结构530的表面，用于将经所述第二层玻璃520的所述入射光进行反射，形成反射光。所述光电探测模块60设置于所述反射光的光路上，用于对所述反射光进行探测，并将所述反射光的光信号转换成电信号。所述温度计算模块70与所述光电探测模块60电连接，用于获取所述电信号，并根据所述电信号计算温度。
所述微型气室50的整体结构为玻璃-硅-玻璃三层封闭结构。硅片通过光刻和腐蚀工艺获得具有通孔的硅结构530。所述通孔中放置原子或者分子源。通过高温条件下的阳极键合方法将原子或分子密封于气室中。所述入射光通过所述第一层玻璃510进入所述微型气室50，并与所述通孔中的原子或者分子源产生相互作用。与所述通孔中的原子或者分子源相互作用后的所述入射光入射至所述第二层玻璃520后，且经所述反射结构540反射后返回至所述微型气室50。所述入射光经所述反射结构540反射后，形成所述反射光。所述反射光返回至所述微型气室50，并与原子或者分子源相互作用后，通过所述第一层玻璃510出射。
通过所述微型气室50与所述反射结构540，提高了光与原子或者分子源等物质作用的光程，实现了光程加倍，提高了信号强度。并且，通过所述微型气室50与所述反射结构540，降低了所述基于MEMS微型气室的原级温度计100的整体体积，更有利于集成化。
所述光电探测模块60接收所述反射光，并将所述反射光的光信号转换成电信号，并传输至所述温度计算模块70。所述温度计算模块70通过对光电信号的分析和拟合，获得所述微型气室50中原子或者分子的吸收光谱信息，进而可以获得热力学温度。在不同温度条件下分子或原子的热运动水平不同，由此引起的吸收光谱中多普勒峰宽发生改变。其中，多普勒峰宽与温度存在以下固有关系：
Figure BDA0003003401100000071
上式中，kB是玻尔兹曼常数，v0是吸收光谱中心频率，m是分子或原子质量，c是光速，ΓD是多普勒峰的半高全宽。由于其他参数均为确定值，根据上述公式可知，热力学温度可由多普勒峰宽求得。
多普勒展宽测量(原子、分子)气体中微观粒子的宏观速度统计效应，统计学速度分布与气体内能存在解析关系，在新SI体系下，温度基本单位溯源至玻尔兹曼常量，而玻尔兹曼常量和热力学温度的乘积是内能，因此可作为原级温度计直接溯源至玻尔兹曼常量。光谱测量的准确度优于10-9。由于热力学统计特性，温度测量的准确度在10-6量级，因此，所述基于MEMS微型气室的原级温度计100基于多普勒展宽测温理论进行测量，具有更高的准确度。
并且，所述基于MEMS微型气室的原级温度计100中所述微型气室50的气室材料主要由玻璃和硅组成，具有良好的导热性，更容易达到热均匀和平衡。因此，所述基于MEMS微型气室的原级温度计100对于外部温度环境具有快速响应能力。
因此，所述基于MEMS微型气室的原级温度计100可以通过所述微型气室50中原子或分子的直接吸收光谱中多普勒展宽信息，获得待测温度。所述基于MEMS微型气室的原级温度计100通过处理吸收光谱的多普勒峰宽获得精确的温度信息，可以进一步实现小型化、免标定的全光原级温度传感，不会随环境和时间的变化产生漂移，提高了测量准确度。相比于传统温度计，所述基于MEMS微型气室的原级温度计100具有体积小、准确度高、测量响应快、可用于强电磁场环境的优势。
在一个实施例中，所述基于MEMS微型气室的原级温度计100以MEMS微型气室为核心的原级温度计使用热力学温标，无需校准，可直接溯源至SI。所述微型气室50为MEMS微型气室，具有体积小、质量轻以及测量响应时间短的优点。
所述微型气室50为MEMS微型气室，通过MEMS微纳米级半导体工艺制备，其微米级尺寸使得所述微型气室50具有体积小、质量轻的优点。
请参见图2，在一个实施例中，所述激光输出模块10包括激光光源110与控制系统120。所述控制系统120与所述激光光源110电连接，用于对所述激光光源110进行电流或电压调制，并控制所述激光光源110输出所述入射光。
所述控制系统120对所述激光光源110进行电流或电压调制，实现所述激光光源110的不同光频率可调谐输出和微型气室中分子或原子所需特征吸收频率扫描输出。
在一个实施例中，由计算机端通过通讯接口对所述激光光源110进行电流或电压调制。
在一个实施例中，所述基于MEMS微型气室的原级温度计100还包括准直模块40。所述准直模块40设置于所述入射光的光路上，用于将所述入射光转换成平行入射光。且所述准直模块40设置于所述反射光的光路上，用于将所述反射光转换成平行反射光。
所述准直模块40用于使发散光束变为平行光束。所述准直模块40设置于所述入射光的光路上，用于将所述入射光的发散光束转换为所述平行入射光，并垂直入射至所述微型气室50的所述第一层玻璃510的界面。所述准直模块40设置于所述反射光的光路上，用于将所述反射光的发散光束转换为所述平行反射光。
在一个实施例中，所述准直模块40为准直器。
在一个实施例中，所述基于MEMS微型气室的原级温度计100还包括保偏光纤30。所述保偏光纤30的一端与所述环形器20连接。所述保偏光纤30的另一端与所述准直模块40连接。
所述保偏光纤30与所述微型气室50相结合的全光探头，可抵御高电磁干扰。所述保偏光纤30将所述环形器20与所述准直模块40连接。所述入射光经所述准直模块40垂直入射至所述微型气室50。所述入射光通过所述保偏光纤30和所述准直模块40输入所述微型气室50，实现了全光型MEMS微型气室和光纤结构的组合。所述保偏光纤30与所述微型气室50相结合，可免除外部环境电磁辐射，实现温度的全光遥测，显著提高了抗电磁干扰能力，能够适用于强电磁场环境。相比于传统的温度计，所述基于MEMS微型气室的原级温度计100不会受到外部电磁场的影响。
并且，所述保偏光纤30与所述微型气室50体积小质量轻，均可工业大批量生产，显著降低所述基于MEMS微型气室的原级温度计100的制备成本。
在一个实施例中，所述微型气室50的外部均为玻璃。所述入射光经所述准直模块40后的出射光可穿过所述微型气室50，并与所述微型气室50中的分子或原子相互作用。
在一个实施例中，所述微型气室50的所述硅结构530的厚度约为1mm。所述微型气室50的光程较小，使得所述准直模块40接收的所述反射光的光损耗较小。所述保偏光纤30、所述准直模块40以及所述微型气室50组成的整体结构无需电学器件。进而，所述保偏光纤30和所述微型气室50集成的全光测量结构能够适用于强电磁场环境，促进所述基于MEMS微型气室的原级温度计100在极端环境下的高精度检测。
并且，所述保偏光纤30的光传输损耗低，所述激光光源110和所述光电探测模块60均可通过远端实现，进一步拓展了所述基于MEMS微型气室的原级温度计100的应用范围。
在一个实施例中，所述基于MEMS微型气室的原级温度计100还包括环形器20。所述环形器20设置于所述入射光的光路上。所述激光输出模块10控制输出的所述入射光经所述环形器20后入射至所述准直模块40。所述环形器20设置于所述反射光的光路上，经所述准直模块40后形成的所述平行反射光入射至所述环形器20，并经所述环形器20后入射至所述光电探测模块60。
所述入射光依次经所述环形器20、所述保偏光纤30以及所述准直模块40入射至所述微型气室50。经所述反射结构540反射后的所述反射光，依次经过所述准直模块40耦合至所述保偏光纤30，并进入所述环形器20。通过所述环形器20可以避免所述反射光反射回所述激光光源110，避免了影响所述激光光源110的性能。所述反射光通过所述环形器20后进入另一路光纤并进入所述光电探测模块60。所述光电探测模块60探测接收光电信号，并将电信号传输至所述温度计算模块70。所述温度计算模块70通过对光电信号的分析和拟合，获得所述微型气室50中原子或者分子的吸收光谱信息，进而可以获得热力学温度。
在一个实施例中，所述光电探测模块60为光电探测器。所述温度计算模块70包括但不限于中央处理器(Center Processor Unit，CPU)、嵌入式微控制器(Micro ControllerUnit，MCU)、嵌入式微处理器(Micro Processor Unit，MPU)、嵌入式片上系统(System onChip，SoC)等。
在一个实施例中，所述激光光源110为可见光输出波段的激光器。所述激光光源110适用于所有可见光输出波段的气体激光器、固体激光器以及半导体激光器。
在一个实施例中，所述反射结构540为金属反射膜。所述入射光通过所述微型气室50后，经过所述金属反射膜的反射重新进入所述微型气室50，实现光程加倍，提高了信号强度。
在一个实施例中，所述金属反射膜通过磁控溅射工艺溅射在所述第二层玻璃520远离所述硅结构530的表面。所述基于MEMS微型气室的原级温度计100采用光反射结构形式，使得所述反射光返回所述微型气室50并再次与物质相互作用后，通过所述第一层玻璃510出射，提高光与所述微型气室50中的物质作用的光程，且进一步降低了整体系统的体积。
在一个实施例中，本申请提供一种基于MEMS微型气室的原级温度计的测量方法，采用上述实施例中任一项所述的基于MEMS微型气室的原级温度计100进行测量。
所述基于MEMS微型气室的原级温度计100可以应用于工业、农业、医学等各个领域，不会受到环境因素的影响，进而实现对温度的高精度检测，可以长期在线使用。
在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本申请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描述不一定指的是相同的实施例或示例。
上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于MEMS微型气室的原级温度计，其特征在于，包括：
激光输出模块(10)，用于控制输出入射光；
微型气室(50)，设置于所述入射光的光路上，所述微型气室(50)包括第一层玻璃(510)、第二层玻璃(520)以及具有通孔的硅结构(530)，所述硅结构(530)设置于所述第一层玻璃(510)与所述第二层玻璃(520)之间，所述入射光入射至所述第一层玻璃(510)，并经过所述通孔入射至所述第二层玻璃(520)，所述通孔中放置原子或者分子源；
反射结构(540)，设置于所述第二层玻璃(520)远离所述硅结构(530)的表面，用于将经所述第二层玻璃(520)的所述入射光进行反射，形成反射光；
光电探测模块(60)，设置于所述反射光的光路上，用于对所述反射光进行探测，并将所述反射光的光信号转换成电信号；
温度计算模块(70)，与所述光电探测模块(60)电连接，用于获取所述电信号，并根据所述电信号计算温度。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS微型气室的原级温度计，其特征在于，所述基于MEMS微型气室的原级温度计还包括：
准直模块(40)，设置于所述入射光的光路上，用于将所述入射光转换成平行入射光；
且所述准直模块(40)设置于所述反射光的光路上，用于将所述反射光转换成平行反射光。
3.根据权利要求2所述的基于MEMS微型气室的原级温度计，其特征在于，所述基于MEMS微型气室的原级温度计还包括：
环形器(20)，设置于所述入射光的光路上，所述激光输出模块(10)控制输出的所述入射光经所述环形器(20)后入射至所述准直模块(40)；
所述环形器(20)设置于所述反射光的光路上，经所述准直模块(40)后形成的所述平行反射光入射至所述环形器(20)，并经所述环形器(20)后入射至所述光电探测模块(60)。
4.根据权利要求3所述的基于MEMS微型气室的原级温度计，其特征在于，所述基于MEMS微型气室的原级温度计还包括：
保偏光纤(30)，所述保偏光纤(30)的一端与所述环形器(20)连接，所述保偏光纤(30)的另一端与所述准直模块(40)连接。
5.根据权利要求1所述的基于MEMS微型气室的原级温度计，其特征在于，所述激光输出模块(10)包括：
激光光源(110)；
控制系统(120)，与所述激光光源(110)电连接，用于对所述激光光源(110)进行电流或电压调制，并控制所述激光光源(110)输出所述入射光。
6.根据权利要求5所述的基于MEMS微型气室的原级温度计，其特征在于，所述激光光源(110)为可见光输出波段的激光器。
7.根据权利要求2所述的基于MEMS微型气室的原级温度计，其特征在于，所述准直模块(40)为准直器。
8.根据权利要求1所述的基于MEMS微型气室的原级温度计，其特征在于，所述光电探测模块(60)为光电探测器。
9.根据权利要求1所述的基于MEMS微型气室的原级温度计，其特征在于，所述反射结构(540)为金属反射膜。
10.一种基于MEMS微型气室的原级温度计的测量方法，其特征在于，采用权利要求1至9中任一项所述的基于MEMS微型气室的原级温度计进行测量。
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