【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及用于使用微机电装置和光学处理器测量电压值的装置。
技术介绍
1、微机电系统(mems)是可以包含移动部件以及处理或感测单元的微测量装置。mems可以用于从打印机中的油墨沉积到惯性测量(加速度计和陀螺仪)的各种应用。它们的微米级允许容易地与光学干涉测量组合安装和实施。
2、光学干涉测量是基于对发射和反射光的干涉图案的分析来确定诸如距离或粗糙度的量的技术。
3、石墨烯是由碳原子形成的层状材料，并且从石墨获得。其特性包括硬度、柔韧性、以及导热性和导电性。目前，它在技术上特别是在光子学上有许多应用。由于石墨烯由单原子厚的碳原子层(单层厚度)组成，因此它是在对应于可见光、近红外和紫外波长的光谱范围中具有高光学透明度的材料。例如，单层石墨烯在可见光范围中透射约为97.7％，并且因此是高度透明的。
4、不幸的是，用于测量电压的常规方法使用需要电力的有源电子部件，并且因此，通过生成火花、过热和短路造成火灾危险。因此，对于测量燃料电池中的电压，能够仅通过微机械和光学方法测量电压将大大提高安全性。
5、不幸的是，在多个点处测量电压的常规技术通常需要大量的电线，因为每个传感器必须是隔离电路的一部分。当测量点的数目增加时，例如，为了测量由多个电池单元组成的包括多个元件的电池中的每个元件的单独输出，电线的无序显著增加，增加了布线系统及其安装的复杂性、以及其重量、成本和维护。
6、因此，需要获得小规模应变仪，该小规模应变仪提供具有高精度水平的测量，安全、易于扩展，具有低制造成本，并且
7、本专利技术满足了该需求。
技术实现思路
1、本专利技术涉及一种用于测量与作为微机电装置的一部分的半透明材料元件例如石墨烯层的折射率n的变化δn(v)成比例的电压值的装置。半透明材料元件的折射率n的变化δn(v)可通过光学干涉测量来检测。该装置允许可扩展性，并且可以包括具有石墨烯的一个或更多个机电或微机电装置。
2、电压值通过分析受半透明材料元件的折射率n的变化δn(v)影响的光学信号的干涉测量图案来获得，该半透明材料元件的折射率n的变化δn(v)根据被测量的电压而改变。通过光学装置使用光学干涉测量确定了电压值或电压的变化。
3、因此，在第一方面中，本专利技术涉及一种用于测量电压值的装置，该装置包括至少一个微机电装置，所述至少一个微机电装置包括：具有折射率n的半透明材料元件例如石墨烯层、以及电连接至石墨烯层的第一电极。第一电极可以连接至电压源的阳极。该装置还包括电连接至石墨烯层并且可连接至电压源的阴极的第二电极。在每个电极与石墨烯层之间设置有al2o3膜，由于al2o3具有高电阻率而用作绝缘体，因此维持了两个电极之间的电绝缘。
4、在一个示例中，第一电极涂覆有第一电绝缘体层，并且第二电极涂覆有第二电绝缘体层。具体地，第一电绝缘体层和第二电绝缘体层包括氧化铝。
5、半透明材料元件被配置成接收来自电压源的电压，从而引起与该电压成比例的半透明材料元件的折射率n的变化δn(v)。该装置还包括光学装置，该光学装置被配置成使光学信号传输通过半透明材料元件，并通过光学装置检测由于与半透明材料元件的相互作用而引起的经修改的光学信号的幅度或相位调制。所述幅度或相位调制与折射率n的变化δn(v)成比例。
6、通过光学装置，可以基于经修改的光学信号的幅度或相位调制获得干涉图案，并且光学装置可以计算来自电压源的要测量的电压的值或者电压的变化。该值或电压的变化可以基于在光学装置中检测到的干涉图案来确定。
7、在一个示例中，微机电装置是这样的mems装置，该mems装置被配置成接收来自电压源的电压，从而引起与该电压成比例的石墨烯层的折射率n的变化δn(v)。光学装置包括光纤，光纤传输来自光源的光，接收光并将光返回至光学传感器例如光电检测器。光学装置可以检测与石墨烯层的折射率n的变化δn(v)成比例的经修改的光学信号的幅度和/或相位调制。通过光学装置，基于光学信号的幅度和/或相位调制获得干涉图案，并且光学装置计算来自电压源的要测量的电压的值(或电压的变化)。该电压基于在光学处理器中检测到的干涉图案来确定。
8、在第一替选方案中，该装置包括反射(或部分反射)板例如金属板，并且半透明材料元件包括石墨烯层。光学装置包括：光纤，该光纤的终端形成部分反射元件并且被配置成接收被石墨烯层修改的光学信号；激光器；和光学传感器。光学装置被配置成将激光器的光学信号投射通过光纤朝向石墨烯层。光学信号经历两次反射：一次反射是被石墨烯层修改的光学信号在金属板上的反射，另一次反射是在光纤-空气界面处的反射。这两个光学信号——在光纤-空气界面处反射的光学信号和在金属板上反射的光学信号——的共存引起光学干涉。该干涉图案取决于石墨烯层的折射率n，而该石墨烯层的折射率n又取决于施加到石墨烯层上的电压。石墨烯层的折射率n的变化δn(v)生成光学信号的反射的幅度和相位的改变，从而产生取决于石墨烯层的折射率n的干涉图案。
9、来自用作干涉仪的光学装置的光学信号可以经由光纤从电压测量装置远程传输。因此，干涉仪的光学信号的电处理也可以远程地执行，其中在电压源的存储区域中不存在安全要求，所述电压源例如可以是氢燃料电池(感兴趣的是，在燃料电池的位置中不存在在可能短路的情况下可能引起爆炸的电力装置)。
10、有利地，由光学装置执行的光学干涉测量在测量点处不需要电力，从而使由于火花产生、过热和短路的火灾风险最小化。这在涉及诸如氢(氢燃料电池)的高可燃物质的应用中或者在存在爆炸或火灾风险的任何其他环境中是关键的。
11、在第二替选方案中，光学装置包括光纤、激光器和光学传感器。光纤包括两个分支：第一分支和平行于第一分支的第二分支。在该实施方式中，半透明石墨烯板被定位在光纤的被划分成两个部段的第一分支之间，并且光纤的第二分支被大气(空气)中断。光学装置被配置成使用激光器发送通过第一分支和第二分支两者的光学信号。在第一分支中，光学信号受与石墨烯层的折射率n的变化δn(v)成比例的相位和/或幅度变化的影响。利用两个光学信号——穿过石墨烯层的一个光学信号和穿过空气的另一光学信号，获得了干涉图案。这些干涉图案由通过第一分支的光学信号的相位和幅度的变化以及通过第二分支的光学信号的相位(参考相位)产生。
12、在另一示例中，第二分支被具有与半透明材料元件(石墨烯)等同的几何形状的第二半透明材料元件中断。在另一示例中，第二分支是连续的。第一分支和第二分支可以处于相同的环境条件下：湿度、温度和/或大气类型。
13、中断第二分支，在第二分支的中断部分中放置与置于第一分支中的半透明材料元件相同的半透明材料元件——而不向置于第二分支中的半透明材料元件施加电压——以及/或者确保第一分支和第二分支处于相同的环境条件下允许根据本专利技术的装置的增加的灵敏度。
14、在第二替选方案中，光学装置可以对与参考相位相比的通过光纤传输的光学信号本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种电压测量装置(1000)，包括：
2.根据权利要求1所述的电压测量装置(1000)，还包括反射板(160)、激光器(140a)和光学传感器(140b)，其中，所述光学装置(140)被配置成：
3.根据权利要求2所述的装置(1000)，其中，所述光学装置(140)包括光纤(130)，所述光纤(130)被配置成传输来自所述激光器(140a)的所述光学信号，并且
4.根据权利要求2或3所述的装置(1000)，其中，所述反射板(160)是金属板。
5.根据权利要求1所述的装置(1000)，其中，所述光学装置(140)包括激光器(140a)、光学传感器(140b)和光纤(130)，所述光纤(130)包括第一分支(130b)和平行于所述第一分支(130b)的第二分支(130c)，其中，所述半透明材料元件(150)置于所述第一分支(130b)的第一部分与所述第一分支(130b)的第二部分之间，其中，所述光学装置(140)被配置成：
6.根据权利要求5所述的装置(1000)，其中，所述第二分支(130c)被以下中断：
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