基于MEMS微型气室的原级温度计及其测量方法技术

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。信号计算温度。信号计算温度。

【技术实现步骤摘要】
基于MEMS微型气室的原级温度计及其测量方法


[0001]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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]在一个实施例中，所述准直模块为准直器。
[0015]在一个实施例中，所述光电探测模块为光电探测器。
[0016]在一个实施例中，所述反射结构为金属反射膜。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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：
[0021][0022]上式中，k
B
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，Γ
D
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。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]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
[0026]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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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)；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘奕捷，贾朔，蒋志远，刘小赤，屈继峰，
申请(专利权)人：中国计量科学研究院，
类型：发明
国别省市：