CN113720505B - 一种基于弹光效应的压力探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压力探测领域，具体提供了一种基于弹光效应的压力探测装置，包括基底层、第一透光部、第二透光部、第一半透膜、第二半透膜、弹光材料部、受力部，第一透光部、第二透光部设置在基底层上，第一透光部和第二透光部相对设置，第一半透膜和第二半透膜分别设置在第一透光部和第二透光部的内侧，所述弹光材料部填充第一半透膜和第二半透膜之间的空间，受力部设置在所述弹光材料部的顶部。应用时，在待测压力作用到受力部，通过测量出射光的强度或光谱，实现压力的测量。本发明压力探测的灵敏度高，符合传感器的微型化趋势。
Description
技术领域
本发明涉及压力探测领域，具体涉及一种基于弹光效应的压力探测装置。
背景技术
压力传感器是使用最为广泛的一种传感器。传统的压力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示压力，但这种压力传感器体积大、质量大，不能满足传感器微型化的需求。随着科学技术的发展，基于电学元件的半导体性压力传感器不断发展，压阻式压力传感器、扩散硅压力传感器、蓝宝石压力传感器、压电式压力传感器应用而生，这些压力传感器主要应用于：增压缸、增压器、气液增压缸、压力机、压缩机、空调制冷设备等领域。但是这些传感器基于电学芯片，在精密的仪器，以及隔绝电信号会带来不安全因素的环境中无法使用，另外基于半导体的压力传感系统的探测灵敏度低，不能满足高灵敏度压力的探测需求。
发明内容
为解决以上基于电信号的压力传感器在特定的环境中无法使用，以及压力传感系统探测的灵敏度低的问题，本发明提供了一种基于弹光效应的压力探测装置，包括基底层、第一透光部、第二透光部、第一半透膜、第二半透膜、弹光材料部、受力部，第一透光部、第二透光部设置在基底层上，第一透光部和第二透光部相对设置，第一半透膜和第二半透膜分别设置在第一透光部和第二透光部的内侧，所述弹光材料部填充第一半透膜和第二半透膜之间的空间，受力部设置在所述弹光材料部的顶部。
优选地，第一半透膜和第二半透膜为弧形，构成球面腔，弹光材料部置于球面腔内。
优选地，还包括贵金属颗粒，贵金属颗粒设置在弹光材料部内。
优选地，贵金属颗粒的形状为球形。
优选地，受力部覆盖整个弹光材料部的顶面。
优选地，基底层的材料为贵金属。
优选地，第一半透膜和所述第二半透膜之间的距离小于2微米。
优选地，受力部与所述基底层的距离小于1微米。
优选地，弹光材料部包括第一弹光材料部和第二弹光材料部，第二弹光材料部置于第一弹光材料部的顶部，第一弹光材料部和第二弹光材料部的弹光系数不同。
优选地，贵金属为金或银。
本发明的有益效果：本发明提供了一种基于弹光效应的压力探测装置，包括基底层、第一透光部、第二透光部、第一半透膜、第二半透膜、弹光材料部、受力部，第一透光部、第二透光部设置在基底层上，第一透光部和第二透光部相对设置，第一半透膜和第二半透膜分别设置在第一透光部和第二透光部的内侧，所述弹光材料部填充第一半透膜和第二半透膜之间的空间，受力部设置在所述弹光材料部的顶部。应用时，在待测压力作用到受力部，通过测量出射光的强度或光谱，实现压力的测量。在本发明中，第一半透膜和第二半透膜相对设置形成谐振腔，使得光线在弹光材料部内多次反射，聚集在弹光材料部内，增强了光与弹光材料部的作用，使得透射光发生更多的改变。具体地，第一半透膜和第二半透膜之间形成法布里－珀罗干涉腔。测量压力时，当入射光为连续谱时，通过测量透射光谱中的共振波长的改变，可以实现高灵敏度的压力探测。因为弹光材料部的折射率严重依赖于作用在其上压力，所以本发明压力探测的灵敏度高。本发明不是基于压阻等其他电学原理的，本发明是基于光学原理，不受外界电磁干扰，系统稳定性好，在强电磁干扰处具有重要的应用潜力。另外，本发明尺寸较小，符合传感器的微型化趋势。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是一种基于弹光效应的压力探测装置的示意图。
图2是又一种基于弹光效应的压力探测装置的示意图示意图。
图3是又一种基于弹光效应的压力探测装置的示意图示意图。
图中：1、基底层；2、第一透光部；3、第二透光部；4、第一半透膜；5、第二半透膜；6、弹光材料部；7、受力部；8、贵金属颗粒。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例，仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书以及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应当理解，这样描述的对象在适当情况下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
在本发明中，下文论述的附图以及用来描述本发明公开的原理的各实施例仅用于说明，而不应解释为限制本发明公开的范围。所属领域的技术人员将理解，本发明的原理可在任何适当布置的系统中实施。将详细说明示例性实施方式，在附图中示出了这些实施方式的实例。此外，将参考附图详细描述根据示例性实施例的终端。附图中的相同附图标号指代相同的元件。
本发明说明书中使用的术语仅用来描述特定实施方式，而并不意图显示本发明的概念。除非上下文中有明确不同的意义，否则，以单数形式使用的表达涵盖复数形式的表达。在本发明说明书中，应理解，诸如“包括”、“具有”以及“含有”等术语意图说明存在本发明说明书中揭示的特征、数字、步骤、动作或其组合的可能性，而并不意图排除可存在或可添加一个或多个其他特征、数字、步骤、动作或其组合的可能性。附图中的相同参考标号指代相同部分。
本发明的目的是提供一种基于弹光效应的压力探测装置，可以更准确、更灵敏地检测压力，适用范围广，安全系数高。
为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
实施例1
本发明提供了一种基于弹光效应的压力探测装置，如图1所示，包括括基底层1、第一透光部2、第二透光部3、第一半透膜4、第二半透膜5、弹光材料部6、受力部7。第一透光部2、第二透光部3设置在基底层1上，第一透光部2和第二透光部3相对设置，第一半透膜4和第二半透膜5分别设置在第一透光部2和第二透光部3的内侧，所述弹光材料部6填充第一半透膜4和第二半透膜5之间的空间，受力部7设置在所述弹光材料部6的顶部。第一透光部2和第二透光部3的材料为透明材料，允许光透过。具体地，第一透光部2和第二透光部3的材料为二氧化硅。第一半透膜4和第二半透膜5为半透光薄膜。也就是说，当光从图1的第一透光部2入射时，较强的光场被限制在第一半透膜4和第二半透膜5之间。具体地，第一半透膜4和第二半透膜5为较薄的银膜。一般来说，银膜的厚度小于50纳米。弹光材料部6的材料为弹光材料。具体地，弹光材料为锆钛酸铅镧。
应用时，在待测压力作用到受力部，在压力的作用下，受力部7压缩弹光材料部6，弹光材料部6在压力的作用下，由各向同性的材料变为各向异性的材料，材料的折射率发生改变；同时，光照射第一透光部2，光从第一透射部2、第一半透膜4进入弹光材料部6，再从第二半透膜5、第二透光部3出射，通过测量出射光的强度或光谱，实现压力的测量。在本发明中，第一半透膜4和第二半透膜5相对设置形成谐振腔，使得光线在弹光材料部6内多次反射，聚集在弹光材料部内，增强了光与弹光材料部6的作用，使得透射光发生更多的改变。具体地，第一半透膜4和第二半透膜5之间形成法布里－珀罗干涉腔。测量压力时，当入射光为连续谱时，通过测量透射光谱中的共振波长的改变，可以实现高灵敏度的压力探测。因为弹光材料部6的折射率严重依赖于作用在其上压力，所以本发明压力探测的灵敏度高。本发明不是基于压阻等其他电学原理的，本发明是基于光学原理，不受外界电磁干扰，系统稳定性好，在强电磁干扰处具有重要的应用潜力。另外，本发明尺寸较小，符合传感器的微型化趋势。
本发明中，弹光材料部的材料优先选择为锆钛酸铅镧。锆钛酸铅镧薄膜具有良好的介电、铁电和热释电等性能，在微电子、光电子等领域有着十分重要的应用。在本发明中，压力沿竖直方向，锆钛酸铅镧沿竖直方向的折射率发生变化。因此，入射光的偏振方向优先选择沿竖直方向。
本发明提到的谐振腔的工作原理相当于是法布里－珀罗干涉仪，当两块玻璃板间用固定长度的空心间隔物来间隔固定时，它也被称作法布里－珀罗标准具或直接简称为标准具。这一干涉仪的特性为，当入射光的频率满足其共振条件时，透射光的强度达到峰值，对应透射光谱中的透射峰。
本发明所指的弹光效应又叫光弹效应或光弹性效应。某些各向同性的透明介质，在加上机械应力后具有双折射的性质，又被称为机械双折射、应力双折射或光弹效应等。其有效光轴在应力方向上，且引起的双折射与应力成正比。
实施例2
在实施例1的基础上，如图2所示，第一半透膜4和第二半透膜5为弧形，构成球面腔，弹光材料部6置于球面腔内。球面腔可以实现光线的会聚，减少调节难度和提高系统稳定性，使得测量更加的容易。另外球面腔使得光从弹光材料部6中心穿过的光线更多。将受力部7设置在弹光材料部6中部的上侧，弹光材料部6折射率变化对透射光的改变更加的明显，所以测量结果的灵敏度更高。
实施例3
在实施例1的基础上，本实施例与上述实施例的区别仅在于，还包括贵金属颗粒8，贵金属颗粒8设置在弹光材料部6内。贵金属颗粒8的材料为金或银。在入射光的照射下，贵金属颗粒8发生表面等离激元共振，在透射光谱中出现透射谷。在透射光谱中，不仅产生了谐振腔的对应的透射峰，而且产生了与贵金属颗粒8表面等离激元共振对应的透射谷。这样一来，能够通过透射峰和透射谷之间的波长差，确定待测压力，数据处理方便。另外，在压力的作用下，不仅改变了弹光材料部6的折射率，而且改变了贵金属颗粒8之间的间距、排布，从而使得贵金属颗粒8的表面等离激元共振波长产生更多的移动，从而实现更高灵敏度的压力探测。
在本实施例中，贵金属颗粒8的形状为球形，一方面球形贵金属颗粒8可以采用溶胶凝胶发制备，制备方法简单，降低该基于弹光效应压力探测装置的成本；另一方面，球形的贵金属颗粒8更有利于入射光的散射，使得探测的透射光的差别更大，这样探测的灵敏度或精度更高。
实施例4
在实施例1的基础上，受力部7覆盖整个弹光材料部6的顶面，基底层1的材料为贵金属。这样一来，光被限制在了由基底层1、第一半透膜4、第二半透膜5、受力部7围成的空间，在该区间内形成更强的光场，增强了光与弹光材料部6的作用，从而使得透射光谱中的透射峰更强，半峰宽更小，提高了探测灵敏度。
更进一步地，受力部7的材料为贵金属，以便于在上述空间形成更强的光场，提高压力探测的灵敏度。
另外，受力部7覆盖弹光材料部全部的顶面，还有利于弹光材料部不受外界杂质或灰尘等影响，提高了本发明的寿命。
实施例5
在实施例1的基础上，第一半透膜4和第二半透膜5之间的距离小于2微米，受力部7与基底层1的距离小于1微米。这样一来，在第一半透膜4、第二半透膜6、受力部7、基底层1之间形成微米尺度的腔。该微米尺度的谐振腔与常规的法布里-玻罗腔不同，使用时，光场被限制在整个腔内。在受到压力时，腔的任何一个形貌参数变化均会对腔的共振波长造成更大的影响。因此，本实施例中的设置能够对透射光谱造成更大的改变，从而实现更高灵敏度的压力探测。另外一方面，此时弹光材料部6的厚度小，在压力作用下，应力分布在整个弹光材料部6内，应力更大，对弹光材料部6的折射率改变更多，从而能够更多地改变谐振腔的共振波长，从而实现更高灵敏度的压力探测。另外一方面，在压力作用下，弹光材料部6的厚度微量地减小，在常规法布里-玻罗腔时，该减小量对共振波长的影响非常小；但是，当该谐振腔成为微米腔时，厚度微小的改变即可改变谐振腔的共振波长。因此，本实施例的设置有助于提高共振波长对压力的灵敏性，从而提高压力探测的灵敏度。
实施例6
在实施例5的基础上，本实施例与上述实施例5的区别仅在于，弹光材料部6包括第一弹光材料部和第二弹光材料部，第二弹光材料部置于第一弹光材料部的顶部，第一弹光材料部和第二弹光材料部的弹光系数不同。由于第一弹光材料部和第二弹光材料部的弹光系数不同，受力部7收到压力后，第一弹光材料部和第二弹光材料部的折射率不同。这样一来，相当于原来的一个谐振腔被分割为两个谐振腔，两个谐振腔分布在不同的高度上。在压力的作用下，由第一弹光材料部构成的谐振腔和由第二弹光材料部构成的谐振腔的折射率变化不同，则会改变光场在第一弹光材料部和第二弹光材料部内的分布，从而更多地改变整个谐振腔对应的共振波长，从而实现更高灵敏度的压力探测。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于弹光效应的压力探测装置，其特征在于，包括基底层、第一透光部、第二透光部、第一半透膜、第二半透膜、弹光材料部、受力部，所述第一透光部、所述第二透光部设置在所述基底层上，所述第一透光部和所述第二透光部相对设置，所述第一半透膜和所述第二半透膜分别设置在所述第一透光部和所述第二透光部的内侧，所述第一半透膜和所述第二半透膜为半透光薄膜，所述第一半透膜和所述第二半透膜相对设置形成谐振腔，所述第一半透膜和所述第二半透膜为弧形，构成球面腔，所述弹光材料部填充所述第一半透膜和所述第二半透膜之间的空间，所述受力部设置在所述弹光材料部的顶部，所述弹光材料部置于所述球面腔内，所述第一透光部和所述第二透光部的材料为透明材料，允许光透过，当光从所述第一透光部入射时，较强的光场被限制在所述第一半透膜和所述第二半透膜之间；光从所述第一透光部、所述第一半透膜进入所述弹光材料部，再从所述第二半透膜、所述第二透光部出射，通过测量出射光的强度或光谱，实现压力的测量。
2.如权利要求1所述的基于弹光效应的压力探测装置，其特征在于：还包括贵金属颗粒，所述贵金属颗粒设置在所述弹光材料部内。
3.如权利要求2所述的基于弹光效应的压力探测装置，其特征在于：所述贵金属颗粒的形状为球形。
4.如权利要求1所述的基于弹光效应的压力探测装置，其特征在于：所述受力部覆盖整个弹光材料部的顶面。
5.如权利要求4所述的基于弹光效应的压力探测装置，其特征在于：所述基底层的材料为贵金属。
6.如权利要求5所述的基于弹光效应的压力探测装置，其特征在于：所述第一半透膜和所述第二半透膜之间的距离小于2微米。
7.如权利要求6所述的基于弹光效应的压力探测装置，其特征在于：所述受力部与所述基底层的距离小于1微米。
8.如权利要求7所述的基于弹光效应的压力探测装置，其特征在于：所述弹光材料部包括第一弹光材料部和第二弹光材料部，所述第二弹光材料部置于所述第一弹光材料部的顶部，所述第一弹光材料部和所述第二弹光材料部的弹光系数不同。
9.如权利要求2或3所述的基于弹光效应的压力探测装置，其特征在于：所述贵金属为金或银。
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