基於嵌入式雙芯pcf的mems都卜勒測速裝置的製作方法

2023-05-17 15:54:51 2

專利名稱：基於嵌入式雙芯pcf的mems都卜勒測速裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於微流體速度測量技術領域，涉及一種基於雙芯光子晶體光纖的都卜勒測速裝置。
背景技術：
目前，雷射測速系統中有三種常見的檢測模式，分別為參考光模式、單光束-雙散射模式和雙光束-雙散射模式。雙光束-雙散射模式的測量結果不受接收方向的影響，因為被廣泛使用。通常，大多數雙光束-雙散射模式的測量裝置均為利用分光鏡分束和平面鏡反射而形成兩束光，滿足幹涉條件的兩束光產生幹涉現象。但幹涉場形成的難度較大，並且所測量物體很難剛好通過幹涉場，測量控制體的體積較小，測量區域受到一定的限制。根
據都卜勒測速原理可知,其中是待測速度在垂直於幹涉條紋方向的分量，
A為雷射器入射光波長，Sb為都卜勒頻移量，5為兩束幹涉光夾角的半角。因此通過測量
兩束幹涉光束的夾角和分析採集並處理後的頻譜信號Zo便能確定速度I由於採用分光鏡分束和全反鏡反射方式獲得兩束相干光，而且接收單元包括接收透鏡、孔徑光闌、針對光闌等調光器件，其光路調整相當複雜和繁瑣。而且需要保證兩束光在光電探測器上實現外差檢測，因此，整個系統複雜、裝置龐大、調試困難、難以獲得良好的相干條件和外差條件，從而難以滿足測量精度。為了簡化裝置，後來提出了光纖都卜勒測速系統。該系統採用光纖來傳輸雷射束，還可以使用多束光纖形成多路光，可以獲得更多的速度信息。但該系統仍然僅能用於宏觀流動流速的測試，難以滿足MEMS系統的測量要求。
發明內容為了克服現在雷射都卜勒測速裝置不易微型化、控制體較小及測量精度不高等缺點。本實用新型提出採用嵌入式雙芯光子晶體光纖實現MEMS微通道內微粒速度的測量。利用雙芯光子晶體光纖的兩個導光纖芯實現傳輸光路，可以獲得兩路相干光，完全可以取代傳統的兩路分離光束方式，使得測量探頭和裝置實現微型化。並且把雙芯光子晶體光纖嵌入到MEMS晶片中，去掉裝置不穩定和背景光的幹擾。由於光纖出射端面光束的發散角較大，因此可以獲得較大的幹涉控制體的體積，使測量區域獲得放大，提高測量空間範圍。本實用新型採用測量幹涉條紋間距的方法，同時採集和分析頻譜信號來獲得都卜勒頻移量，再通過簡單的計算，便能獲得微粒運動速度。本實用新型包括雷射光源、雷射驅動器、精密光纖耦合器、第一傳輸光纖、第一光纖適配器、雙芯光子晶體光纖、MEMS晶片、多模光纖、第二光纖適配器、第二傳輸光纖、光纖耦合器、透鏡、CCD檢測元件、光電探測器、圖像採集卡、數據採集卡和計算機。雷射光源在雷射驅動器的作用下發出的光依次經過精密光纖耦合器、第一傳輸光纖、第一光纖適配器進入雙芯光子晶體光纖。雙芯光子晶體光纖嵌入在MEMS晶片中，雙芯光子晶體光纖的出射端面與MEMS晶片中微通道壁面平齊；多模光纖布置在雙芯光子晶體光纖的微通道同側，用於接收微粒後向散射光；多模光纖與雙芯光子晶體光纖固定在一起，多模光纖入射端面與雙芯光子晶體光纖出射端面保持平齊。從多模光纖接收到的光經過第二光纖適配器、第二傳輸光纖和光纖耦合器分為兩路等強度的光；一路通過透鏡後進入CXD檢測元件和圖像採集卡，圖像採集卡連接至計算機；另一路通過光電探測器和數據採集卡，數據採集卡連接至計算機。本實用新型可以實現MEMS微通道內微粒速度測量，為微流量分析研究提供了必要手段。該裝置可應用於微觀的測量，包括機械、能源、化工、生物和醫藥等領域。而且，稍加改變可應用於宏觀的流場測試分析領域。與現有技術相比較，本實用新型提出的嵌入式雙芯光子晶體光纖的MEMS微通道都卜勒測速裝置，採用雙芯光子晶體光纖和後向散射測量方式，使得測量探頭微型化，易於嵌入至MEMS晶片中。不僅簡化了入射單元，而且也大大簡化了接收單元，大大提高了測量系統的簡易性，降低了系統成本，而且同時實現高精度的流速測量，應用於微米量級的系統測試。

圖1為本實用新型的結構示意框圖；圖2雙芯光子晶體光纖幹涉原理及多模光纖接收圖；圖3基於雙芯光子晶體光纖形成的幹涉條紋圖。
具體實施方式
以下結合附圖及最佳實施對本實用新型進行詳盡的描述。利用本實用新型進行測速的步驟如下:(I)把雙芯光子晶體光纖嵌入到MEMS中，使光子晶體光纖出射端面與MEMS中微通道的壁面平齊；(2)調節雙芯光子晶體光纖獲得相干光，使得雙芯光子晶體光纖的雙芯出射光相干，形成清晰的等間距的幹涉條紋；(3)調節雙芯光子晶體光纖使得形成的幹涉條紋方向垂直於微通道軸線方向；(4)通過對幹涉條紋成像，分析幹涉條紋圖像獲得隨條紋間距變化的光強分布圖；(5)利用標尺對條紋間距進行標定，獲得在接收位置處幹涉條紋的間距；(6)當運動微粒通過幹涉條紋時而散射，使入射光發生都卜勒頻移，利用光電探測器接收散射光信號，並進行信號處理和傅立葉變換獲得都卜勒頻移量。(7)通過獲得的在接收位置處幹涉條紋間距和都卜勒頻移量計算出垂直於幹涉條紋方向的速度，即微粒在微通道軸線方向的運動速度。如圖1所示，基於嵌入式雙芯光子晶體光纖的MEMS微通道都卜勒測速裝置，包括雷射光源1、雷射驅動器20、精密光纖稱合器3 (內含有透鏡2)、第一傳輸光纖4、第一光纖適配器5、雙芯光子晶體光纖6、MEMS晶片7、多模光纖10、第二光纖適配器11、第二傳輸光纖12、光纖耦合器13、透鏡14、CXD檢測元件15、光電探測器16、圖像採集卡17、數據採集卡18和計算機19。雷射光源I在驅動器20的作用下發出的光依次經過精密光纖耦合器、第一傳輸光纖4、第一光纖適配器5進入雙芯光子晶體光纖6 ;雙芯光子晶體光纖6嵌入到MEMS晶片7中，其光子晶體光纖6的出射端面保持與MEMS晶片7中的微通道9的壁面平齊；由於雙芯光子晶體光纖6的雙芯均具有導光作用，所以可以獲得相干的兩束光,在雙芯光子晶體光纖6出射端的一段空間範圍內，這兩束相干光發生幹涉，形成幹涉場而呈現明暗相間的幹涉條紋。當微粒8進入幹涉場的明暗條紋時，微粒8會散射入射光，該散射光呈現一定的亮暗頻率。多模光纖10布置在雙芯光子晶體光纖7的微通道9同側，並且緊貼著雙芯光子晶體光纖7，接收微粒8的後向散射光。從多模光纖10接收到的光經過第二光纖適配器11、第二傳輸光纖12和光纖耦合器13分為兩路等強度的光，一路通過透鏡14後進入CXD檢測元件15和圖像採集卡17，並把幹涉條紋圖像信號送入計算機19進行圖像處理、顯示和存儲。另一路通過光電探測器16和數據採集卡18，也把信號送入計算機19進行數據處理，獲得頻譜信號，並顯示和存儲。通過檢測標定幹涉條紋的間距和採集都卜勒頻譜信號，便能計算出微粒垂直於幹涉條紋方向的運動速度。本實用新型測速原理如下本實用新型的設計方法也為都卜勒雙光束-雙散射模式，其原理示意圖如圖2所/Jn。從同一雷射器發出的兩束光經分束後同時照射到運動的物體上，在某一方向上的散射光被光電探測器所接收。由於微粒很小，後向散射的光較強，因此多模光纖與光子晶體光纖固定在一起，接收接近180°方向上的後向散射光。由於光源與探測器固定，其入射光方向和接收光方向保持不變，當微粒發生運動時，會使入射光頻率發生都卜勒頻移，其頻移量
Sb為
其中；i為雷射波長， 為微通道內流體介質折射率I力微粒的運動速度，5為兩束相干光夾角的半角。因為微粒的瞬時運動速度為
&雙芯光子晶體光纖的幹涉原理可藉助於楊氏雙縫幹涉原理來解釋，即為雙芯光子晶體光纖的幹涉原理圖。因此幹涉條紋間距為At=--(3)將式(3)代入式(2)得V = JiyAT(4)因此，通過測量幹涉條紋間距和都卜勒頻移量便獲得微粒運動速度v。幹涉條紋間距u「可根據CXD拍攝並處理後的幹涉條紋圖像和CXD拍攝並處理後的標尺圖像進行比對，從而完成幹涉條紋間距的標定。本實用新型中的實施方案中所採用的雙芯光子晶體結構參數為兩纖芯直徑為3.8um,矽包層直徑為125 u m,空氣孔直徑為i為2.05 y m，孔間距A為3.67 y m,纖芯中心距為 7.33 Um0當入射光為632.8nm波長的相干光時，基於雙芯光子晶體光纖形成的幹涉條紋經採集並處理後的條紋圖見圖3。通過標定後，幹涉條紋的間距約為0.49mm。而後，通過光電探測器和數據採集卡採集時域數據送至計算機進行傅立葉變換分析，可獲得頻譜信號，從而測出都卜勒頻移漂移量。因此通過公式(4)計算出微粒運動速度，由於該速度方向垂直幹涉條紋方向，而幹涉條紋方向與微通道軸線方向垂直，因此計算出的速度即為微粒在微通道內沿軸向方向的運動速度。可見，本實用新型提出的嵌入式雙芯光子晶體光纖的MEMS微通道都卜勒測速裝置，採用雙芯光子晶體光纖和後向散射測量方式，使得測量探頭微型化，易於嵌入至MEMS晶片中。不僅簡化了入射單元，而且也大大簡化了接收單元，大大提高了測量系統的簡易性，降低了系統成本，而且同時實現高精度的流速測量，應用於微米量級的系統測試。
權利要求1.基於嵌入式雙芯PCF的MEMS都卜勒測速裝置，包括雷射光源、雷射驅動器、精密光纖率禹合器、第一傳輸光纖、第一光纖適配器、雙芯光子晶體光纖、MEMS晶片、多模光纖、第二光纖適配器、第二傳輸光纖、光纖耦合器、透鏡、CCD檢測元件、光電探測器、圖像採集卡、數據採集卡和計算機，其特徵在於: 雷射光源在雷射驅動器的作用下發出的光依次經過精密光纖耦合器、第一傳輸光纖、第一光纖適配器進入雙芯光子晶體光纖； 雙芯光子晶體光纖嵌入在MEMS晶片中，雙芯光子晶體光纖的出射端面與MEMS晶片中微通道壁面平齊；多模光纖布置在雙芯光子晶體光纖的微通道同側，用於接收微粒後向散射光；多模光纖與雙芯光子晶體光纖固定在一起，多模光纖入射端面與雙芯光子晶體光纖出射端面保持平齊； 從多模光纖接收到的光經過第二光纖適配器、第二傳輸光纖和光纖耦合器分為兩路等強度的光；一路通過透鏡後進入CXD檢測元件和圖像採集卡，圖像採集卡連接至計算機 』另一路通過光電探測器和數據採集卡， 數據採集卡連接至計算機。
專利摘要本實用新型涉及一種基於嵌入式雙芯PCF的MEMS都卜勒測速裝置。包括雷射光源、雷射驅動器、精密光纖耦合器、第一傳輸光纖、第一光纖適配器、雙芯光子晶體光纖、MEMS晶片、多模光纖、第二光纖適配器、第二傳輸光纖、光纖耦合器、透鏡、CCD檢測元件、光電探測器、圖像採集卡、數據採集卡和計算機；本實用新型提出採用嵌入式雙芯光子晶體光纖實現MEMS微通道內微粒速度的測量，並且把雙芯光子晶體光纖嵌入到MEMS晶片中，去掉裝置不穩定和背景光的幹擾。由於光纖出射端面光束的發散角較大，因此可以獲得較大的幹涉控制體的體積，使測量區域獲得放大，提高測量空間範圍。
文檔編號G01P5/26GK203025207SQ20132003650
公開日2013年6月26日 申請日期2013年1月23日 優先權日2013年1月23日
發明者黃雪峰, 李盛姬, 王關晴, 劉彥, 羅丹, 溫正城, 丁寧, 徐江榮 申請人:杭州電子科技大學