[发明专利]一种基于压差的MEMS光纤法珀低温液位传感器及其测量系统

说明书

本发明公开了一种基于压差的MEMS光纤法珀低温液位传感器及其测量系统，传感测量系统包括宽带光源(9)、光纤环形器(10)、低相干干涉解调器(11)及数据采集及处理系统(12)；所述传感头的结构包括单晶硅片(1)、腐蚀圆柱型凹槽并底部镀膜的Pyrex玻璃片(2)、低熔点玻璃(3)、中心带通孔的圆柱形玻璃柱(4)和多模光纤(5)；其中：腐蚀圆柱型凹槽并底部镀膜后的Pyrex玻璃片(2)的镀膜端面作为F‑P腔的第一个反射面，所述单晶硅片(1)的内表面用作感压硅膜片(15)，同时构成法珀腔的第二个反射面。本发明制作方法简单，不对被测液体及其容器造成任何影响，不需要额外机械装置。

技术领域

本发明涉及光纤法珀传感测量技术领域，特别是涉及一种MEMS光纤法珀低温液位传感器及其测量系统。

背景技术

液位测量技术广泛应用在工业及日常生活中，具有冷却功能的液体，例如液氮、液氢、液氦等，因其自身极低的温度特性被广泛应用于航空航天、医学治疗和工业储存等领域。其自身温度的特殊性，对传感器的材料、制作工艺及装置的复杂度都有着更高的要求，因此，准确且便捷地对冷却液体液位进行测量也成为人们关注和研究的重点。

光纤液位传感器有着体积小、精度高、耐腐蚀和抗电磁干扰等特点，但传统的光纤液位传感器均为手工制作，无法实现较好的一致性。且通过将液位信息转换成光纤包层的折射率这一方法，测量液体容易受到折射率范围的限制，同时要求液位有很好的稳定性。

发明内容

针对这些限制因素，本发明提出了一种基于压差的MEMS光纤法珀低温液位传感器，利用MEMS技术下的光纤法珀传感器以及对应液位测量的系统所设计出可用于冷却系统中液体液位传感器及测量系统。

本发明的一种基于压差的MEMS光纤法珀低温液位传感器，该传感器包括传感头和传感体，所述传感头的结构包括单晶硅片1、腐蚀圆柱型凹槽并底部镀膜的Pyrex玻璃片2、低熔点玻璃3、中心带通孔的圆柱形玻璃柱4和多模光纤5；其中：

所述单晶硅片1和所述腐蚀圆柱型凹槽并底部镀膜的Pyrex玻璃片2通过金-金键合的方式贴合在一起，所述中心带通孔的圆柱形玻璃柱4用所述低熔点玻璃3与所述腐蚀圆柱型凹槽并底部镀膜的Pyrex玻璃片2紧密固定；多模光纤5插入至中心带通孔的圆柱形玻璃柱4中；腐蚀圆柱型凹槽并底部镀膜后的Pyrex玻璃片2的镀膜端面作为F-P腔的第一个反射面，所述单晶硅片1的内表面用作感压硅膜片15，同时构成法珀腔的第二个反射面；所述感压硅膜片15中心平整、周边波纹状，感受压力。

本发明的一种基于压差的MEMS光纤法珀低温液位传感测量系统，该传感测量系统包括宽带光源9、光纤环形器10、低相干干涉解调器11及数据采集及处理系统12；其中：

所述宽带光源9发出的光通过光纤环行器10传输至该F-P腔传感器的第一个反射面发生部分反射，形成反射参考光7，另一部分光继续传输至该F-P腔传感器的第二个反射面发生部分反射，形成反射传感光8，反射参考光7与反射传感光8在光纤环行器10处进行干涉，传输至低相干干涉解调器11中，输出信号经数据采集及处理系统12后，最终获得所测量的液位信息。

与现有技术相比，本发明制作方法简单，不对被测液体及其容器造成任何影响，不需要额外机械装置；采用MEMS技术对晶圆片制作传感器头阵列，便于批量制作传感器，有效提高生产效率和保证传感器的一致性，降低单支传感器成本。

附图说明

图1是本发明的一种基于压差的MEMS光纤法珀低温液位传感器中的传感头结构示意图，(a)传感头结构，(b)感压硅膜片结构；

图2是本发明中一种基于MEMS的光纤法珀低温液体液位传感测量系统结构示意图；

图3是在液氮液位测量中的结果示意图。

附图标记：