CN219319644U - 微压力传感器 - Google Patents
微压力传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN219319644U CN219319644U CN202320234486.XU CN202320234486U CN219319644U CN 219319644 U CN219319644 U CN 219319644U CN 202320234486 U CN202320234486 U CN 202320234486U CN 219319644 U CN219319644 U CN 219319644U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cavity
- superlens
- flexible film
- deflection
- opening
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 44
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 21
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 16
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 11
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 5
- 230000004308 accommodation Effects 0.000 claims 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 7
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 53
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 12
- 230000008859 change Effects 0.000 description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 9
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 8
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 3
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 3
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 3
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 3
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 3
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 3
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 239000005331 crown glasses (windows) Substances 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 239000010720 hydraulic oil Substances 0.000 description 2
- 239000002061 nanopillar Substances 0.000 description 2
- 229920000058 polyacrylate Polymers 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 2
- SDGKUVSVPIIUCF-UHFFFAOYSA-N 2,6-dimethylpiperidine Chemical compound CC1CCCC(C)N1 SDGKUVSVPIIUCF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- -1 Polydimethylsiloxane Polymers 0.000 description 1
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 description 1
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 1
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000013013 elastic material Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000005308 flint glass Substances 0.000 description 1
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000035772 mutation Effects 0.000 description 1
- 229950005630 nanofin Drugs 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/40—Engine management systems
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
本申请公开了一种微压力传感器，涉及压力传感器的技术领域，本申请通过受到压力作用而产生形变的薄膜对照射至其上的光束产生偏折，超透镜基于接收到的偏折光束的偏折角度，对该偏折光束进行调制，以放大该偏折光束的偏折角度，探测器基于接收到的光斑的位置和偏折角度确认对应待测物体的压力大小。
Description
技术领域
本申请涉及压力传感器的技术领域，具体地，本申请涉及一种微压力传感器。
背景技术
在石油化工、液压机械和汽车制造等领域需要时刻监控设备内部液压或气压的微小变化，通常需要使用微压力传感器。常见的微压力传感器采用半导体的压电效应将压力转换为电信号。随着科技的发展，微压力传感器应用于触觉传感在机器人无损抓取和交互输入设备中具有广泛的应用前景。
基于光学的微压力传感器具有灵敏度高、结构简单、抗干扰能力强的特点。现有技术中存在一种将压力转换为光信号的微压力传感器。这种微压力传感器基于液体透镜将压力转换为聚焦光斑，通过光敏元件测量光斑的光场强度实现触觉测量。其信号曲线在200～450g的量程内峰值不明显，灵敏度低。
实用新型内容
为了解决现有技术中的微压传感器变化效率不高，并且压力检测效果不明显的问题，本申请实施例提供了一种微压力传感器，其包括：壳体、传导件、光源、第一柔性薄膜、第二柔性薄膜、超透镜以及探测器；
其中，所述壳体内具有相连通的第一腔体和第二腔体，所述第一腔体的壁面上设置有第一开口和第二开口，所述第一腔体通过所述第一开口和所述第二开口分别与所述壳体的外部和所述第二腔体连通，并且所述第一腔体内填充有填充液体；
所述第一柔性薄膜与所述壳体设置有所述第一开口的内壁贴合，所述第一柔性薄膜用于防止所述填充液体从所述第一开口泄漏；
所述第二柔性薄膜与所述壳体设置有所述第二开口的内壁贴合，所述第二柔性薄膜用于防止所述填充液体从所述第二开口泄漏；
所述传导件设置在所述壳体上与所述第一开口处，所述传导件用于实现所述第一腔体与所述壳体外的压力传递；
所述光源设置在所述壳体上与所述第二开口相对的位置上，所述光源用于向所述第二腔体内发射光束；
沿所述光束射入所述第二腔体的方向，所述超透镜和所述探测器依次设置在所述第二腔体内；
所述光束经所述填充液体后产生第一偏折光束，所述第一偏折光束经所述超透镜调制后产生第二偏折光束，所述第二偏折光束照射在所述探测器上受光面的位置随所述传导件所受压力的变化而改变，并且所述第二偏折光束的出射角大于所述第一偏折光束的入射角。
通过采用上述技术方案，第二柔性薄膜形变后对光源的光束产生偏折，并且超透镜能够调制偏折后光束的出射方向，从而实现对准直光束的偏折方向的放大，增大压力变化是探测器上光斑位移距离的变化值，提高检测灵敏度。同时通过该超透镜的相位分布进一步减小探测器与第二柔性薄膜的间距，能够减小微压力传感器的体积。
在本申请的一个实施方式中，所述超透镜的相位分布参照所述第一偏折光束的偏折方向呈梯度式增加。借此，使第一偏折光束经超透镜后的偏折角度相较于普通超透镜实现更大的放大倍率。
在本申请的一个实施方式中，所述壳体上还设置有容置腔，所述容置腔与所述第二开口相对设置，所述容置腔用于容置所述光源。
在本申请的一个实施方式中，所述壳体内还设置有硬质薄膜，所述容置腔与所述第一腔体连通，并且所述硬质薄膜与所述壳体设置有所述容置腔的一侧的内壁贴合，用于防止填充液体泄漏，并且所述硬质薄膜的弹性模量不允许在所述微压力传感器的量程内产生形变。
在本申请的一个实施方式中，所述硬质薄膜的弹性模量大于所述第一柔性薄膜的弹性模量和所述第二柔性薄膜的弹性模量。
在本申请的一个实施方式中，所述第一柔性薄膜的弹性模量与所述第二柔性薄膜的弹性模量一致。
在其中一个实施例中，所述第一偏折光束与所述第二偏折光束满足：
其中，θi为第一偏折光束的入射角；θt为第二偏折光束的偏折角，k为波数，
为在第二偏折光束的偏折方向上的相位，y为第一偏折光束或第二偏折光束在垂直于所述超透镜的光轴的方向上的偏移量。
在可选的实施方式中，当所述超透镜的相位沿所述第一偏折光束的偏折方向呈梯度式增加时，第一偏折光束与第二偏折光束还满足：
y2＝y1+x2 tanθt；
其中，θi为第一偏折光束的入射角；θt为第二偏折光束的偏折角，k为波数，
为在第二偏折光束的偏折方向上的相位，y1和y2分别为第一偏折光束和第二偏折光束在垂直于所述超透镜的光轴的方向上的偏移量；x2为超透镜与探测器在沿平行于所述超透镜光轴方向上的距离。在本申请的一个实施方式中，位于所述第二腔体内的所述超透镜和所述探测器同轴设置。
在本申请的一个实施方式中，位于所述第二腔体内的所述超透镜和所述探测器偏心设置。
在本申请的一个实施方式中，所述传导件采用柔性材料，所述传导件与所述第一柔性薄膜刚性接触。
本申请的有益效果为：
1、第二柔性薄膜形变后使填充液体中出射的光束产生偏折角发生变化，并且超透镜能够调制偏折后光束的出射方向，从而实现对光束的偏折角度的放大，提高了光斑探测器上的位移距离对压力变化的响应；
2、超透镜的设置有利于减小探测器与第二柔性薄膜之间的间距，能够减小微压力传感器的体积；
3、通过采用超透镜或超透镜的组合，使得系统的整体结构更加简单、重量更轻、体积更小巧且成像速度更快。
附图说明
所包括的附图用于提供本申请的进一步理解，并且被并入本说明书中构成本说明书的一部分。附图示出了本申请的实施方式，连同下面的描述一起用于说明本申请的原理。
图1示出了本申请实施例提供的微压力传感器的结构示意图。
图2示出了本申请的超透镜的结构示意图。
图3示出了本申请实施例提供的传导件未受压力时的光路图。
图4示出了本申请实施例提供的传导件受到压力后的光路图。
图5示出了本申请实施例提供的超透镜的纳米结构单元的示意图。
图6示出了本申请实施例提供的传导件的形变图。
图7示出了本申请实施例提供的第二柔性薄膜的形变图。
图8示出了本申请实施例提供的第一偏折光束和第二偏折光束的关系图。
图9示出了本申请实施例提供的压力与光斑在探测器上位置的关系图。
图10示出了本申请的其中一个实施方式的纳米结构单元的结构示意图。
图11示出了本申请的另一实施方式的纳米结构单元的结构示意图。
图12示出了本申请的其中一个实施方式的超结构单元的结构示意图。
图中附图标记分别表示：
1、壳体；11、填充液体；2、传导件；3、光源；4、第一柔性薄膜；5、第二柔性薄膜；6、硬质薄膜；7、超透镜；71、基底；72、纳米结构；73、填充材料；8、探测器。
具体实施方式
现将在下文中参照附图更全面地描述本申请，在附图中示出了各实施方式。然而，本申请可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本申请将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本申请的范围。通篇相同的附图标记表示相同的部件。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。
本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个部件”的含义与“至少一个部件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。
除非另有限定，否则本文使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与本领域技术人员所通常理解的含义相同的含义。如共同使用的词典中限定的术语应被解释为具有与相关的技术上下文中的含义相同的含义，并且除非在说明书中明确限定，否则不在理想化的或者过于正式的意义上将这些术语解释为具有正式的含义。
“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合。
本文参照作为理想化的实施方式的截面图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。
现有的微压力传感器对200-450g的压力进行检测时，误差较大。例如200g的压力表征为220g，250g的压力表征为270g，300g的压力表征为320g，350g的压力表征为360g，400g的压力表征为420g，450g的压力表征为440g。这是因为，现有的微压力传感器灵敏度不高，对于较小量程(例如200g～450g)内的相近压力来说，相近压力的检测信号(即光斑强度)的峰值不明显，因此造成表征结果误差较大，不利于更精确的触觉测量或微压力测量。
在下文中，将参照附图描述根据本申请的示例性实施方式。
参见图1，本申请提出了一种微压力传感器，其包括：壳体1、第一柔性薄膜4、第二柔性薄膜5、传导件2、光源3、超透镜7以及探测器8。
其中，壳体1内设置有第一腔体以及第二腔体，第一腔体的容积大于第二腔体的容积，同时第一腔体的内壁上设置有第一开口和第二开口，并且第一腔体通过第一开口与壳体1外部连通，第一腔体通过第二开口与第二腔体连通，第一开口与第二开口无重叠部分。壳体1的第一腔体内承装有填充液体11，填充液体11用于实现第一柔性薄膜4和第二柔性薄膜5的压力传递。
第一柔性薄膜4和第二柔性薄膜5设置在壳体1的第一腔体内，第一柔性薄膜4与壳体1设置有第一开口的内壁贴合，通过第一柔性薄膜4能够防止第一腔体内的填充液体11由第一开口处泄漏。
第二柔性薄膜5与壳体1设置有第二开口的内壁贴合，通过第二柔性薄膜5能够防止第一腔体内的填充液体11由第二开口处泄漏。并且第一柔性薄膜4和第二柔性薄膜5共同密封第一腔体内的填充液体11。
传导件2设置在壳体1上，传导件2和第一柔性薄膜4处于第一开口的相对位置上，传导件2与第一柔性薄膜4连接，传导件2受到力的作用将与第一柔性薄膜4抵接，借此实现第一腔体与壳体1外的压力传递。应理解，传导件2与第一柔性薄膜4之间的接触可以为刚性接触，即在传导件2上没有压力暂存。光源3设置在壳体1上，并且光源3的位置与第二开口参照第一腔体相对设置，光源3用于向第二腔体内投射光束。填充液体11除了传递压力外还充当透镜的角色。当第一柔性薄膜4不受压力时，填充液体11处于初始状态，光束经填充液体11折射后以初始偏折角射入第二腔体。当填充液体11将第一柔性薄膜4所受的压力传递至第二柔性薄膜5时，第二柔性薄膜5发生形变，使填充液体11在第二开口处的曲率发生变化，进一步地使出射光束的偏折角发生改变。需要说明的是，本申请实施例提供的微压力传感器还可以用于测量负压。当第一腔体内的压力大于壳体1外的压力时，第一腔体内的压力通过传导件2传递到壳体1的外部，在这个压力传递过程中，第一腔体与第二腔体连通处的第一柔性薄膜4发生形变，从而引起出射光束的偏折。
第二腔体内设置有上述的超透镜7和探测器8，并且在光源3的光路上，光束依次经过填充液体11、超透镜7和探测器8，其中光束经填充液体11后产生第一偏折光束，超透镜7对第一偏折光束进行调制以产生第二偏折光束，第二偏折光束沿着第一偏折光束的偏折方向照射至探测器8上。
超透镜7上第二偏折光束的出射角大于第一偏折光束的入射角，并且第二偏折光束照射至探测器8上的位置随传导件2所受压力的变化而改变，探测器8根据所检测到的光斑位置变化输出表征传导件2所受的压力变化的电信号。
在本申请的微压力传感器的使用过程中，考虑到柔性材质的薄膜的寿命和疲劳损耗，可选地，在进行检测之前对微压力传感器进行校准，以确定初始零压力点。例如，调节超透镜7的位置，使得光束经损耗前后的第一柔性薄膜4后均能够照射至超透镜7的同一位置上，从而入射至该位置的第一偏折光束能够照射至探测器8的初始零压力点上。
传导件2上放置待测物体后，待测物体的重力通过传导件2传递至第一柔性薄膜4上，并且该重力进一步通过填充液体11传递至第二柔性薄膜5上，从而引起第二柔性薄膜5的形变，形变后的第二柔性薄膜5对来自光源3的光束产生一定的偏折效果，该偏折效果与第二柔性薄膜5的形变量具有对应关系。借此，传导件2受到压力后，第一偏折光束的大小和出射角度发生改变，进一步使得第二偏折光束照射至探测器8上的位置、偏折角度和光斑大小产生改变，通过第二偏折光束沿光束的偏折方向的偏移量(即位移)能够获取该待测物体的重量(也即传导件2所受压力的大小)。并且，当待测物体的压力呈现微小变化时，例如压力改变50g，探测器8所呈现的图像上仍能够清楚地辨识和探测。
在其中一个实施方式中，第一开口和第二开口分别设置在第一腔体的不同方位上，光源3的位置与第二开口相对。例如，在其中一个具体的实施方式中，第一腔体采用矩形结构，第一开口能够与第二开口处于矩形结构的同一边上，并且第一开口与第二开口之间具有间距，或者第一开口与第二开口处于相邻的边上，或者第一开口与第二开口处于矩形结构相对的边上，并且光源3与第一开口之间具有间距。可选地，第一开口设置在第一腔体的顶部，第二开口和光源3分设在第二腔体的两侧。
第一腔体中的填充液体11采用不可压缩或者难以压缩的液体，也即体积模量大的液体，借此能够将第一柔性薄膜4受到的压力等效地传递至第二柔性薄膜5上，其中填充液体11的可压缩性表征液体的体积模量(即液体体积压缩1％所需要的压强)。在其中一个可选地实施方式中，填充液体11例如采用水，水的体积模量为2.2GPa。或者在其中一个优选的实施方式中，填充液体11采用液压油，液压油的体积模量为1.4-2.0GPa，并且液压油具有粘度低和防氧化的特点。
第一柔性薄膜4和的弹性模量和第二柔性薄膜5的弹性模量一致，并且均采用弹性模量为0.1-10MPa的柔性材料，其中至少第二柔性薄膜5采用光源3的工作波段透明的材料。在其中一个具体地实施方式中，第一柔性薄膜4和第二柔性薄膜5分别采用不同的材料，例如第一柔性薄膜4采用聚丙烯酸酯，第二柔性薄膜5采用聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)。或者，在另一个具体的实施方式中，第一柔性薄膜4和第二柔性薄膜5采用相同的材料。
在其中一个具体的实施方式中，第一腔体和第二腔体均采用矩形结构，硬质薄膜6、第一柔性薄膜4和第二柔性薄膜5能够分别与第一腔体内对应边的内壁黏合，并且各薄膜的尺寸应当满足，薄膜产生形变后仍然能够密封填充液体11。
在其中一个可选的实施方式中，壳体1上还设置有容置腔，容置腔连通第一腔体和壳体1外部，光源3设置于容置腔内。相应地，第一腔体对应容置腔的内壁贴合有硬质薄膜6，硬质薄膜6能够避免填充液体11由容置腔处泄漏，并且硬质薄膜6、第一柔性薄膜4和第二柔性薄膜5共同密封填充液体11。
需要补充的是，处于密封状态的填充液体11受到的作用力会向四周传递，而填充液体11对硬质薄膜6的作用力极小，填充液体11的作用力会作用于第二柔性薄膜5上，借此可忽略填充液体11对硬质薄膜6的作用力，使得第一柔性薄膜4所受压力可与第二柔性薄膜5所受填充液体11的作用力一致。同时，第一开口的尺寸和第二开口的尺寸一致时，第一柔性薄膜4的形变量与第二柔性薄膜5的形变量一致。
需要说明的是，第一柔性薄膜4和第二柔性薄膜5受到作用力后，薄膜上各处均会产生形变，在本申请的实施方式中的形变分别指代的是第一柔性薄膜4对应第一开口位置的形变以及第二柔性薄膜5对应第二开口位置的形变，对于上述薄膜其他位置的形变，对光束的偏折无影响，可忽略。
在其中一个实施方式中，传导件2采用弹性材料，传导件2与第一柔性薄膜4直接连接，例如两者贴合，或者在另一实施方式中，传导件2与第一柔性薄膜4间接连接，例如，第一开口内设置弹性层，弹性层与第一柔性薄膜4贴合，相应地传导件2可采用硬质材料，并且优选地传导件2与第一开口的中心相对应，借此传导件2通过该弹性层与第一柔性薄膜4连接。
如图2中的左侧所示，本申请中的超透镜7配置为，参照光束的偏折方向，超透镜7的相位梯度式增加。或者在其中一个实施方式中，以光束的初始零压力点为基准，参照光束的偏折方向进行超透镜7的相位排布，其中可以定义光束的偏折方向为正。
在其中一个优选的实施方式中，根据压力传感器的使用习惯，本申请的微压力传感器水平地放置于任一平面上，光源3的方向为朝向第二腔体的几何中心。当传导件2上方未放置其他物体时(也即未接受到压力时)，光源3投射的光束依次经过硬质薄膜6、填充液体11、第二柔性薄膜5以及超透镜7后照射至探测器8上，在光源3的光路上，光束由一个介质传播至另一介质会产生角度的偏折，由此在本实施方式中，光束照射至超透镜7的位置与第二腔体的几何中心并非处于同一水平面内，光束通过第二柔性薄膜5形变作用，朝向重力的方向产生偏折，由此，光束照射至超透镜7的位置为第二腔体几何中心的下方。
或者，在另一个具体的实施方式中，如图3和图4所示，光源3对应第二腔体的几何中心的上方，从而增大光束的偏折空间，能够实现对更大的偏折角度的检测。
相应地，在本申请的实施方式中，光源3照射至超透镜7的位置可以为超透镜7的中心位置，或者为超透镜7上其他的偏心位置。前者更便于超透镜7的加工，后者更便于利用第二腔体内的空间，能够有效地扩大第二偏折光束的传播空间，实现对偏振光束的有效利用，即，借此可以有效增大该微压力传感器的量程。
同时，探测器8与超透镜7相应地可以为同轴设置或者偏心设置，其作用效果同上，因此不再进行赘述。
在本申请的一个具体的实施方式中，由于柔性薄膜受到作用力后会产生形变，并且对光束产生偏折，光束的偏折情况与对应的柔性薄膜的形变量相关。在其中一个具体的实施方式中，如图2所示，以第一柔性薄膜4为例进行说明，第二柔性薄膜5同第一柔性薄膜4。本实施方式中的第一开口或第二开口沿垂直于力传导方向截面为圆形、椭圆形或类圆形。
第一柔性薄膜4受作用力产生形变，形变部分的中心形变量w1可根据弹性薄板弯曲理论(Thin plate bending theory)的基础方程计算得出下式：
式中，t为第一柔性薄膜4的厚度，R1为第一开口的半径，q为表面均匀力(SurfaceUniform Force)，v为第一柔性薄膜4的材料的泊松比，E为第一柔性薄膜4的材料的弹性模量，r1为理论计算中微分单元的半径(可近似为第一柔性薄膜4形变部分的曲率半径)。
当第一柔性薄膜4的形变量较小时，其受力形变部分可形成一个球面，如图6所示，此时第一柔性薄膜4形变凸起的体积V可根据几何关系进行计算，如下式所示：
式中，各定义同上。
由于填充液体11将第一柔性薄膜4的受力传递至第二柔性薄膜5上，借此第一柔性薄膜4朝下方凸起部分的体积与第二柔性薄膜5的凸起部分的体积一致，由此可得：
上式进一步可得：
通过上式，便能够得出w2的具体数值。
如图7所示，进一步可得第二柔性薄膜5朝向第二腔体凸起部分的曲率半径为：
另外，在第二腔体内部为空气填充时，在上述曲率半径的情况下，第二柔性薄膜5形变部分所对应的焦距为：
其中，f为焦距，n为填充液体的折射率。
得出第二柔性薄膜5形变后对应的焦距，便能够通过该焦距计算得出第一偏折光束在垂直于超透镜7光轴方向的偏移量，可得：
参考图8以及上式，其中，h为探测器上的光斑与第二柔性薄膜5上的光斑的垂直距离，x1和x2分别为第二柔性薄膜5与超透镜7的水平距离以及超透镜7与探测器8的水平距离，y1和y2分别为第一偏折光束在垂直于超透镜7的光轴的方向上的偏移量和第二偏折光束5在垂直于超透镜7的光轴的方向上的偏移量。
如图2的右图所示，第一偏折光束以入射角为θi的角度入射至超透镜7上并以第二偏折光束射出，超透镜7对光束的偏折作用如下式：
其中，θt为折射角，即第二偏折光束的偏折角，k为波数(
n为空间介质折射率，λ为波长)，/>
为在第二偏折光束的偏折方向上的相位，y为第二偏折光束的光斑在探测器上偏移的距离。
上式进一步可得：
其中，
为积分常数相位，其他定义同上。
由此，随着超透镜的相位
的梯度增加，第二偏折光束的偏折角度(即折射角θt)同样梯度式增加。
当第一偏折光束经过超透镜7后，光束的传播方向受超透镜7相位梯度调制，借此，根据图2便能够通过第一偏折光束的入射角θi计算第二偏折光束的偏折角θt，如下式：
根据
以及/>
可进一步得出：
y2＝y1+x2 tanθt。
需要说明的是，在微小形变的情况下，第二柔性薄膜5朝向第二腔体凸出部分的曲率半径较大，此时传统透镜要实现对压力具有较高灵敏度的测量需要进一步增大透镜的光焦度、选用超高分辨率的传感器或增大第二柔性薄膜到传感器的距离，这些技术手段不可避免地增加了微压力传感器的设计难度和制造成本，也阻碍了微压力传感器的进一步小型化，但通过超透镜7对第一偏折光束偏折角度的放大足以实现通过常规的电荷耦合器件(Charge-coupled Device，CCD)等传感器就能实现高灵敏度测量。应理解，传感器的像素尺寸越小，本申请提供的微压力传感器的测量灵敏度和精度越高。
由此，探测器8上的光斑垂直偏移量与超透镜7的结构参数以及传导件2的受力情况存在确定关系，并且从上述各式中可知，y2可通过超透镜7的相位梯度进行放大，从而有效地减小光学仪器的体积。
同时根据图3右侧和图4右侧中的阴影部分位置对比可知，不同压力下，第二偏折光束的偏折角度和偏移量不同。
需要补充的是，对于本申请中的超透镜7，其包括基底71以及设置在基底71上的超结构单元，对超透镜7进行划分可得多个周期性排列的纳米结构单元，每个纳米结构单元均包括部分基底71以及该部分基底71上的纳米结构72。在其中一个实施例中，基底71采用熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅或者氢化非晶硅。
超透镜7是一种亚波长的人工纳米结构72膜，可通过其上设置的纳米结构单元来对入射光的振幅、相位和偏振进行调制。其中需要说明的是，纳米结构72可理解为包含全介质或电浆子的、能够导致相位突变的亚波长结构，而纳米结构单元为通过对超透镜7进行划分而得到以每个纳米结构72为中心的结构单元。
在超透镜7中纳米结构72周期性排布在基底71上，其中每个周期中的纳米结构72组成一个超结构单元，如图10所示。或者如图11所示，纳米结构72及其四周的填充材料73组成一个超结构单元，其中超结构单元为可密堆积图形，例如可以为正四边形，正六边形等等，每个周期中包含一组纳米结构72，并且超结构单元的顶点和/或中心例如可以设置有纳米结构72。在超结构单元为正六边形的情况下，正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构72。或者，在其为正方形的情况下，正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构72。理想状态下，超结构单元应为六边形顶点及中心排布的纳米结构72，或者为正方形顶点及中心排布的纳米结构72，应当理解，实际产品可能因超透镜7形状的限制，在超透镜7边缘有纳米结构72的缺失，使其不满足完整的六边形/正方形。具体的超结构单元由纳米结构72按照规律排布而成，若干个超结构单元成阵列排布形成超透镜结构。
如图12左部分示出的一个实施例，超结构单元包括一个中间的纳米结构72和环绕其的6个与其距离相等的周边的纳米结构72，各周边纳米结构72沿着环周均匀分布，组成正六边形，也可理解为多个纳米结构72组成的正三角形互相组合。
如图12中间部分示出的一个实施例，超结构单元包括一个中间的纳米结构72和环绕其的4个与其距离相等的周边的纳米结构72，组成正方形。
超结构单元及其密堆/阵列的形式也可以是圆周排列的扇形，如图12右部分示出的，包括两个弧形边的扇形，也可以是一个弧形边的扇形，如图12右部分中的左下角区域，在扇形的各边交点以及中心设置有纳米结构72。
需要说明的是，为简洁和清楚起见，实施例附图中只绘制了超结构单元中心设置的纳米结构72，应理解，在图中六边形、正方形、扇形的轮廓顶点、轮廓交点和/或中心位置处均可设置纳米结构72。
示例性地，本申请实施例提供的纳米结构72可以是偏振无关结构，此类结构对入射光施加一个相位变化。根据本申请的实施方式，纳米结构72可以是正结构，也可以是负结构。例如，纳米结构72的形状包括实心圆柱、中空圆柱、实心正方形棱柱、中空正方形棱柱等。图11中的左侧示出了纳米结构72为圆柱时的纳米结构单元的结构示意图。
示例性地，纳米结构72可以是偏振相关结构，此类结构对入射光施加一个相位变化。纳米结构72可以是正结构也可以是负结构。例如，纳米结构72可以是椭圆形柱、纳米鳍等结构。图11中的右侧示出了纳米结构72为纳米鳍时的纳米结构单元的结构示意图。根据本申请的实施方式，纳米结构72的特征尺寸大于或等于0.2λc，且小于或等于0.8λc；λc为入射辐射的中心波长。
根据本申请的实施方式，可选地，纳米结构72的排列周期大于或等于0.3λc，且小于或等于2λc；其中，λc为工作波段的中心波长。根据本申请的实施方式，可选地，纳米结构72的高度大于或等于0.3λc，且小于或等于5λc；其中，λc为工作波段的中心波长。根据本申请的实施方式，示例性地，纳米结构72的特征尺寸大于或等于0.2λc，且小于或等于0.8λc；λc为入射辐射的中心波长。
在又一些可选的实施方式中，本申请实施例提供的超透镜7还包括增透膜。增透膜被设置于基底71远离纳米结构72的一侧；或者，增透膜被设置纳米结构72与空气相邻的一侧。增透膜的作用是对入射的辐射起到增透减反的作用。
根据本申请的实施方式，超透镜7还包括填充材料73，填充材料73填充于纳米结构72之间，并且，填充材料73对工作波段的消光系数小于0.01。可选地，填充材料73包括空气或在工作波段透明或半透明的其他材料。根据本申请的实施方式，填充材料73的折射率与纳米结构72的折射率之间的差值的绝对值应大于或等于0.5。
需要注意的是，本申请实施例提供的超透镜可以通过半导体工艺加工，具有重量轻、厚度薄、结构及工艺简单、成本低及量产一致性高等优点。
实施例
如图3和图4所示，本实施例中的第一腔体和第二腔体呈矩形，光源3朝向第二腔体的几何中心的上方设置，超透镜7与探测器8同轴设置，超透镜7和探测器8参照第二腔体的竖直内壁的尺寸设置，超透镜7的相位分布为由上至下梯度式增加，例如，如图2的左侧所示，超透镜7的相位与偏折光束照射至超透镜7上的竖直位置的平方呈比例关系。
本实施例中，第二柔性薄膜5的材料采用聚丙烯酸酯，第二柔性薄膜5的材料采用PDMS，硬质薄膜6的材料采用冕牌玻璃，光源3采用940nm的激光器，探测器8采用CCD图像探测器8，超透镜7采用高度590nm、周期为525nm的硅纳米柱结构，超透镜7的相位分布随纳米柱的直径D的变化关系如图5所示，其中硅折射率为3.9，基底71为二氧化硅，折射率为1.45，纳米结构72的相位覆盖0-2π。
通过使用一定重量的重物对传导件2施加压力以检测探测器8的检测效果，并且得出探测器8中不同重物下探测器8上光斑的位置的对应关系，以此确认传导件2上的压力大小，本实施例中的压力大小与探测器上的探测位置的关系如图9所示。
综上所述，本申请实施例提供的微压力传感器，通过超透镜实现了将压力信号转换为光斑的位移，从而提高了微压力传感器的灵敏度。并且，通过超透镜促进了微压力传感器的进一步小型化，降低了微压力传感器的设计、加工成本，提高了良品率。
以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (11)
1.一种微压力传感器，其特征在于，包括：壳体(1)、传导件(2)、光源(3)、第一柔性薄膜(4)、第二柔性薄膜(5)、超透镜(7)以及探测器(8)；
其中，所述壳体(1)内具有相连通的第一腔体和第二腔体，所述第一腔体的壁面上设置有第一开口和第二开口，所述第一腔体通过所述第一开口和所述第二开口分别与所述壳体(1)的外部和所述第二腔体连通，并且所述第一腔体内填充有填充液体(11)；
所述第一柔性薄膜(4)与所述壳体(1)设置有所述第一开口的内壁贴合，所述第一柔性薄膜(4)用于防止所述填充液体(11)从所述第一开口泄漏；
所述第二柔性薄膜(5)与所述壳体(1)设置有所述第二开口的内壁贴合，所述第二柔性薄膜(5)用于防止所述填充液体(11)从所述第二开口泄漏；
所述传导件(2)设置在所述壳体(1)上所述第一开口所在的位置上，所述传导件(2)用于实现所述第一腔体与所述壳体(1)外的压力传递；
所述光源(3)设置在所述壳体(1)上与所述第二开口相对的位置上，所述光源(3)用于向所述第二腔体内发射光束；
沿所述光束射入所述第二腔体的方向，所述超透镜(7)和所述探测器(8)依次设置在所述第二腔体内；
所述光束经所述填充液体(11)后产生第一偏折光束，所述第一偏折光束经所述超透镜(7)调制后产生第二偏折光束，所述第二偏折光束照射在所述探测器(8)受光面上的位置随所述传导件(2)所受压力的变化而改变，并且所述第二偏折光束的出射角大于所述第一偏折光束的入射角。
2.根据权利要求1所述的微压力传感器，其特征在于，所述超透镜(7)的相位分布沿所述第一偏折光束的偏折方向呈梯度式增加。
3.根据权利要求1所述的微压力传感器，其特征在于，所述壳体(1)上还设置有容置腔，所述容置腔与所述第二开口相对设置，所述容置腔用于容置所述光源(3)。
4.根据权利要求3所述的微压力传感器，其特征在于，所述壳体(1)内还设置有硬质薄膜(6)，所述容置腔与所述第一腔体连通，并且所述硬质薄膜(6)与所述壳体(1)设置有所述容置腔的一侧的内壁贴合，用于防止填充液体泄漏，并且所述硬质薄膜(6)的弹性模量不允许在所述微压力传感器的量程内产生形变。
5.根据权利要求4所述的微压力传感器，其特征在于，所述硬质薄膜(6)的弹性模量大于所述第一柔性薄膜(4)的弹性模量和所述第二柔性薄膜(5)的弹性模量。
6.根据权利要求5所述的微压力传感器，其特征在于，所述第一柔性薄膜(4)的弹性模量与所述第二柔性薄膜(5)的弹性模量一致。
7.根据权利要求1所述的微压力传感器，其特征在于，所述第一偏折光束与所述第二偏折光束满足：
其中，θi为第一偏折光束的入射角；θt为第二偏折光束的偏折角，k为波数，
为在第二偏折光束的偏折方向上的相位，y为第一偏折光束或第二偏折光束在垂直于所述超透镜(7)的光轴的方向上的偏移量。
8.根据权利要求2所述的微压力传感器，其特征在于，当所述超透镜(7)的相位沿所述第一偏折光束的偏折方向呈梯度式增加时，第一偏折光束与第二偏折光束还满足：
y2＝y1+x2tanθt；
其中，θi为第一偏折光束的入射角；θt为第二偏折光束的偏折角，k为波数，
为在第二偏折光束的偏折方向上的相位，y1和y2分别为第一偏折光束和第二偏折光束在垂直于所述超透镜(7)的光轴的方向上的偏移量；x2为超透镜(7)与探测器(8)在沿平行于所述超透镜(7)光轴方向上的距离。
9.根据权利要求1所述的微压力传感器，其特征在于，位于所述第二腔体内的所述超透镜(7)和所述探测器(8)同轴设置。
10.根据权利要求1所述的微压力传感器，其特征在于，位于所述第二腔体内的所述超透镜(7)和所述探测器(8)偏心设置。
11.根据权利要求1所述的微压力传感器，其特征在于，所述传导件(2)采用柔性材料，所述传导件(2)与所述第一柔性薄膜(4)刚性接触。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202320234486.XU CN219319644U (zh) | 2023-01-18 | 2023-01-18 | 微压力传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202320234486.XU CN219319644U (zh) | 2023-01-18 | 2023-01-18 | 微压力传感器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN219319644U true CN219319644U (zh) | 2023-07-07 |
Family
ID=87029576
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202320234486.XU Active CN219319644U (zh) | 2023-01-18 | 2023-01-18 | 微压力传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN219319644U (zh) |
-
2023
- 2023-01-18 CN CN202320234486.XU patent/CN219319644U/zh active Active
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104040313B (zh) | 传感器装置 | |
| US4926696A (en) | Optical micropressure transducer | |
| US20070227252A1 (en) | Differential pressure transducer configurations including displacement sensor | |
| JP5428805B2 (ja) | 干渉フィルター、光センサー、および光モジュール | |
| TW201814273A (zh) | 強化玻璃的應力測定裝置、強化玻璃的應力測定方法、強化玻璃的製造方法、強化玻璃 | |
| CN114280704A (zh) | 超透镜阵列、波前探测系统 | |
| JP6740855B2 (ja) | 歪センサー及び歪量測定方法 | |
| CN101750183A (zh) | 光纤光栅压力传感器 | |
| CN101639485A (zh) | 一种光纤加速度传感器 | |
| CN114623960B (zh) | 压力传感器、压力分析仪及其制备方法 | |
| CN101482432B (zh) | 时间分辨的双光栅干涉仪 | |
| US9234991B2 (en) | Highly compliant resonant diffraction gratings, and methods and use thereof | |
| JP3902796B2 (ja) | 回折測距システム用可変ピッチ格子 | |
| CN219319644U (zh) | 微压力传感器 | |
| US6341526B1 (en) | Micromachined diffractive pressure sensor system | |
| CN201348549Y (zh) | 光纤光栅压力传感器 | |
| CN104204720A (zh) | 透明基板监测装置和透明基板监测方法 | |
| GB2102941A (en) | Differential pressure sensing | |
| CN106969844B (zh) | 基于子孔径波前振幅调制的斜率和曲率信号提取方法 | |
| CN108317959A (zh) | 一种基于劈尖干涉的垂直振动位移检测装置 | |
| Li et al. | Three-dimensional surface profile measurement of microlenses using the Shack–Hartmann wavefront sensor | |
| CN113030021B (zh) | 液体折射率原位传感器 | |
| KR20100076222A (ko) | 이미지 센서에서 마이크로 렌즈의 위치 변경 장치 및 방법 | |
| RU2615310C2 (ru) | Голографический способ измерения высоты подъёма над поверхностью объекта в пределах земной атмосферы | |
| RU2589946C1 (ru) | Амплитудный волоконно-оптический сенсор давления |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |