專利名稱：基于嵌入式雙芯pcf的mems多普勒測速裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于微流體速度測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于雙芯光子晶體光纖的多普勒測速裝置。
背景技術(shù)：
目前，激光測速系統(tǒng)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(jié)果不受接收方向的影響，因為被廣泛使用。通常，大多數(shù)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，滿足干涉條件的兩束光產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。但干涉場形成的難度較大，并且所測量物體很難剛好通過干涉場，測量控制體的體積較小，測量區(qū)域受到一定的限制。根
據(jù)多普勒測速原理可知,其中是待測速度在垂直于干涉條紋方向的分量，
A為激光器入射光波長，Sb為多普勒頻移量，5為兩束干涉光夾角的半角。因此通過測量
兩束干涉光束的夾角和分析采集并處理后的頻譜信號Zo便能確定速度I由于采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(diào)光器件，其光路調(diào)整相當(dāng)復(fù)雜和繁瑣。而且需要保證兩束光在光電探測器上實現(xiàn)外差檢測，因此，整個系統(tǒng)復(fù)雜、裝置龐大、調(diào)試?yán)щy、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，后來提出了光纖多普勒測速系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用光纖來傳輸激光束，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(tǒng)仍然僅能用于宏觀流動流速的測試，難以滿足MEMS系統(tǒng)的測量要求。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)在激光多普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。本實用新型提出采用嵌入式雙芯光子晶體光纖實現(xiàn)MEMS微通道內(nèi)微粒速度的測量。利用雙芯光子晶體光纖的兩個導(dǎo)光纖芯實現(xiàn)傳輸光路，可以獲得兩路相干光，完全可以取代傳統(tǒng)的兩路分離光束方式，使得測量探頭和裝置實現(xiàn)微型化。并且把雙芯光子晶體光纖嵌入到MEMS芯片中，去掉裝置不穩(wěn)定和背景光的干擾。由于光纖出射端面光束的發(fā)散角較大，因此可以獲得較大的干涉控制體的體積，使測量區(qū)域獲得放大，提高測量空間范圍。本實用新型采用測量干涉條紋間距的方法，同時采集和分析頻譜信號來獲得多普勒頻移量，再通過簡單的計算，便能獲得微粒運動速度。本實用新型包括激光光源、激光驅(qū)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芯片、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、圖像采集卡、數(shù)據(jù)采集卡和計算機。激光光源在激光驅(qū)動器的作用下發(fā)出的光依次經(jīng)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芯片中，雙芯光子晶體光纖的出射端面與MEMS芯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(cè)，用于接收微粒后向散射光；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(jīng)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；一路通過透鏡后進入CXD檢測元件和圖像采集卡，圖像采集卡連接至計算機；另一路通過光電探測器和數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡連接至計算機。本實用新型可以實現(xiàn)MEMS微通道內(nèi)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(yīng)用于微觀的測量，包括機械、能源、化工、生物和醫(yī)藥等領(lǐng)域。而且，稍加改變可應(yīng)用于宏觀的流場測試分析領(lǐng)域。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本實用新型提出的嵌入式雙芯光子晶體光纖的MEMS微通道多普勒測速裝置，采用雙芯光子晶體光纖和后向散射測量方式，使得測量探頭微型化，易于嵌入至MEMS芯片中。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(tǒng)的簡易性，降低了系統(tǒng)成本，而且同時實現(xiàn)高精度的流速測量，應(yīng)用于微米量級的系統(tǒng)測試。

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意框圖；圖2雙芯光子晶體光纖干涉原理及多模光纖接收圖；圖3基于雙芯光子晶體光纖形成的干涉條紋圖。
具體實施方式
以下結(jié)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(diào)節(jié)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干涉條紋；(3)調(diào)節(jié)雙芯光子晶體光纖使得形成的干涉條紋方向垂直于微通道軸線方向；(4)通過對干涉條紋成像，分析干涉條紋圖像獲得隨條紋間距變化的光強分布圖；(5)利用標(biāo)尺對條紋間距進行標(biāo)定，獲得在接收位置處干涉條紋的間距；(6)當(dāng)運動微粒通過干涉條紋時而散射，使入射光發(fā)生多普勒頻移，利用光電探測器接收散射光信號，并進行信號處理和傅里葉變換獲得多普勒頻移量。(7)通過獲得的在接收位置處干涉條紋間距和多普勒頻移量計算出垂直于干涉條紋方向的速度，即微粒在微通道軸線方向的運動速度。如圖1所示，基于嵌入式雙芯光子晶體光纖的MEMS微通道多普勒測速裝置，包括激光光源1、激光驅(qū)動器20、精密光纖稱合器3 (內(nèi)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芯片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、圖像采集卡17、數(shù)據(jù)采集卡18和計算機19。激光光源I在驅(qū)動器20的作用下發(fā)出的光依次經(jīng)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芯片7中，其光子晶體光纖6的出射端面保持與MEMS芯片7中的微通道9的壁面平齊；由于雙芯光子晶體光纖6的雙芯均具有導(dǎo)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出射端的一段空間范圍內(nèi)，這兩束相干光發(fā)生干涉，形成干涉場而呈現(xiàn)明暗相間的干涉條紋。當(dāng)微粒8進入干涉場的明暗條紋時，微粒8會散射入射光，該散射光呈現(xiàn)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(cè)，并且緊貼著雙芯光子晶體光纖7，接收微粒8的后向散射光。從多模光纖10接收到的光經(jīng)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后進入CXD檢測元件15和圖像采集卡17，并把干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(shù)據(jù)采集卡18，也把信號送入計算機19進行數(shù)據(jù)處理，獲得頻譜信號，并顯示和存儲。通過檢測標(biāo)定干涉條紋的間距和采集多普勒頻譜信號，便能計算出微粒垂直于干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(shè)計方法也為多普勒雙光束-雙散射模式，其原理示意圖如圖2所/Jn。從同一激光器發(fā)出的兩束光經(jīng)分束后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。由于微粒很小，后向散射的光較強，因此多模光纖與光子晶體光纖固定在一起，接收接近180°方向上的后向散射光。由于光源與探測器固定，其入射光方向和接收光方向保持不變，當(dāng)微粒發(fā)生運動時，會使入射光頻率發(fā)生多普勒頻移，其頻移量
Sb為
其中；i為激光波長， 為微通道內(nèi)流體介質(zhì)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干涉原理可借助于楊氏雙縫干涉原理來解釋，即為雙芯光子晶體光纖的干涉原理圖。因此干涉條紋間距為At=--(3)將式(3)代入式(2)得V = JiyAT(4)因此，通過測量干涉條紋間距和多普勒頻移量便獲得微粒運動速度v。干涉條紋間距u「可根據(jù)CXD拍攝并處理后的干涉條紋圖像和CXD拍攝并處理后的標(biāo)尺圖像進行比對，從而完成干涉條紋間距的標(biāo)定。本實用新型中的實施方案中所采用的雙芯光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)為兩纖芯直徑為3.8um,硅包層直徑為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(dāng)入射光為632.8nm波長的相干光時，基于雙芯光子晶體光纖形成的干涉條紋經(jīng)采集并處理后的條紋圖見圖3。通過標(biāo)定后，干涉條紋的間距約為0.49mm。而后，通過光電探測器和數(shù)據(jù)采集卡采集時域數(shù)據(jù)送至計算機進行傅里葉變換分析，可獲得頻譜信號，從而測出多普勒頻移漂移量。因此通過公式(4)計算出微粒運動速度，由于該速度方向垂直干涉條紋方向，而干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(nèi)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微通道多普勒測速裝置，采用雙芯光子晶體光纖和后向散射測量方式，使得測量探頭微型化，易于嵌入至MEMS芯片中。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(tǒng)的簡易性，降低了系統(tǒng)成本，而且同時實現(xiàn)高精度的流速測量，應(yīng)用于微米量級的系統(tǒng)測試。
權(quán)利要求1.基于嵌入式雙芯PCF的MEMS多普勒測速裝置，包括激光光源、激光驅(qū)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芯片、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、圖像采集卡、數(shù)據(jù)采集卡和計算機，其特征在于: 激光光源在激光驅(qū)動器的作用下發(fā)出的光依次經(jīng)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芯片中，雙芯光子晶體光纖的出射端面與MEMS芯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(cè)，用于接收微粒后向散射光；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(jīng)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；一路通過透鏡后進入CXD檢測元件和圖像采集卡，圖像采集卡連接至計算機 ’另一路通過光電探測器和數(shù)據(jù)采集卡， 數(shù)據(jù)采集卡連接至計算機。
專利摘要本實用新型涉及一種基于嵌入式雙芯PCF的MEMS多普勒測速裝置。包括激光光源、激光驅(qū)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芯片、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、圖像采集卡、數(shù)據(jù)采集卡和計算機；本實用新型提出采用嵌入式雙芯光子晶體光纖實現(xiàn)MEMS微通道內(nèi)微粒速度的測量，并且把雙芯光子晶體光纖嵌入到MEMS芯片中，去掉裝置不穩(wěn)定和背景光的干擾。由于光纖出射端面光束的發(fā)散角較大，因此可以獲得較大的干涉控制體的體積，使測量區(qū)域獲得放大，提高測量空間范圍。
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(yōu)先權(quán)日2013年1月23日
發(fā)明者黃雪峰, 李盛姬, 王關(guān)晴, 劉彥, 羅丹, 溫正城, 丁寧, 徐江榮 申請人:杭州電子科技大學(xué)