NIST与MKS携手开发颠覆压力测量的固定长度光学谐振腔
2019-03-02 20:27:16 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
据麦姆斯咨询报道，美国国家标准与技术研究院通过与业界公司合作，研发出了首个固定长度光学谐振腔（FLOC）的便携式原型，这是一种利用光以更高精度测量压力的装置，测量结果比大多数商业压力传感器更精确。
紧凑型FLOC谐振腔，长度仅约2.5cm，是新型便携式原型的核心部件。上图展示了该装置中用于压力测量的两条物理通道。当连接到FLOC系统其余部分时，一条通道保持真空状态，另一条通道由正在测量气压的气体填充。（图片来源：MKS）
据麦姆斯咨询报道，近日，美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，简称NIST；位于美国马里兰州盖瑟斯堡）的研究人员表示，通过与业界公司合作，研发出了首个固定长度光学谐振腔（Fixed-Length Optical Cavity，FLOC）的便携式原型，这是一种利用光以更高精度测量压力的装置，测量结果比大多数商业压力传感器更精确。NIST表示，这一最新版本将彻底颠覆压力测量的方式，未来有可能被多个行业采用，特别是半导体芯片和飞机制造业。
早在2017年，NIST就和美国万机仪器（MKS Instruments，简称MKS；位于美国马萨诸塞州安多弗）签署了一份合作研发协议（Cooperative Research and Development Agreement，CRADA），以实现实验室级的FLOC，并创建出更小、更坚固的原型，从而实现商业应用。Hendricks说，多亏了CRADA协议，来自NIST和MKS的联合研发团队现已成功地向大家展示了小到可以放进两个手提箱的原型。
“MKS能为该项目带来在压力测量、光学和激光领域超过50年的经验，我们很荣幸被NIST选中，与他们一起参与这项重大而颇具盛名的项目研发。”MKS压力和真空测量解决方案部首席技术官Phil Sullivan说道，“我们预计此项目将引领全新的宽量程、紧凑的压力测量标准。”
坚固的便携式FLOC传感器可能会降低半导体芯片（如智能手机中的芯片）的生产成本，也能降低航空成本。主要是因为芯片制造业和航空航天业都依赖于压力测量。
传统的压力传感器测量数据是精确的，但是它们的读数会随着时间的推移而产生偏差，这意味着它们必须定期停止使用才能对其进行校准。由于FLOC的压力测量是绝对的，因此不需要校准。所以，FLOC可用于实时检测工厂车间里传统压力传感器的偏差，降低停工时间。
传统的压力传感器也用于测量飞机飞行时的高度。测量数据更精确的压力传感器可以使飞行员更安全地控制飞机、节省燃料，并且还有可能降低飞行成本。
尽管此领域已超出了目前CRADA项目的研究范围，但NIST的科学家们预计FLOC仍会进一步缩小尺寸，直到降到芯片级仪器。
FLOC的工作原理是通过穿过两条物理通道（又称为光学谐振腔）的光的细微频率差异来测量压力：真空中的参考通道和被测气压的气体填充的测试通道。
为了测量压力，FLOC通过检测穿过两条通道的光线间的细微差异，一条通道充满气体，另一条通道处于真空状态。每条通道的两端都有一面半反射镜。激光通过一侧进入通道，并在反射镜之间来回反射，形成驻波。其中某些光会通过另一侧离开通道。顶部通道中气体的存在会导致波长缩短。当来自两个通道的光碰撞在一起时，就会产生波形，一种可以用来实时计算气体压力的信号。
NIST早在2014年就首次研发了实验室级的FLOC。它的设计灵敏且精确，足以成为主要的校准标准，可用于校准所有其它压力测量设备。
由气体和真空通道组成的光学谐振腔长约15cm，大约相当于旅行杯的大小。该装置还包括真空泵、用于提供光源的激光器和操纵它们的光学器件，以及用于处理信号的电子设备架。新的便携式版本更加紧凑。它的双通道谐振腔长约2.5cm，仅比邮票略长。谐振腔及其光学器件都包裹在盒子里，同时还包含一个较小的电子设备架和一个用于气体处理系统的泵。
在此次合作中，NIST和MKS的工作人员在该原型的核心部署了双通道谐振腔，而MKS则负责该系统小型化版本的工程设计。
“目前我们开发了FLOC的国家标准版本，旨在用于高精度实验室中。”Hendricks说，“但是，我们同时也专注于CRADA以外的行业研究，以加快小型化器件研发的速度，而这需要制造出坚固、稳定、便携、低功耗并且能够在各种不同环境中都可以工作的产品。”
研究人员还将光的波长从可见光（波长为633nm）改变为红外光（波长为1550nm），这是电信行业通常使用的波长，因此也是目前商业产品中广泛使用的波长。
从理论上讲，展示厅里人们脚步的振动可能会使测量值的精度产生偏差，但该装置的性能足够抵御噪音。其测量范围从真空的超低压力到大约2000Pa（相当于大气压的2%，或211kg/m2），均已得到证实，目前正在进行更高压力下的测试。
当然，该装置还有进一步小型化的空间。未来的版本可以定制为只包含设备所需的功能。与此同时，Hendricks的团队还将对比微型版本和标准FLOC的性能。未来还可能还会进行运输测试，即对设备进行测试、封装、运输到某个地方、带回、然后再次测试，看看它是否会再现相同的结果。
延伸阅读：
上一篇：汽车压力传感器的发展演进
下一篇：最后一页