MKS压力计 NIST与MKS携手开发颠覆压力测量的固定长度光学谐振腔

紧凑型FLOUT谐振器，长度只有2.5厘米左右，是新的便携式原型的核心组件。上图显示了设备中用于压力测量的两个物理通道。当连接到絮状物系统的其余部分时，一个通道保持真实空，另一个通道填充有正在测量压力的气体。(资料来源:马来西亚统计局)

据迷因咨询，最近，国家标准与技术研究所(NIST；);美国马里兰州盖瑟斯堡(gaithersburg)的研究人员表示，通过与行业公司的合作，已经开发出了第一款便携式定长光学腔(Figure-Length Optical Cavity，FLOC)原型，这是一种利用光来测量压力的精度更高的设备，测量结果比大多数商用压力传感器更精确。NIST表示，这一最新版本将彻底颠覆压力测量的方式，未来可能会被许多行业采用，尤其是半导体芯片和飞机制造。

早在2017年，NIST和MKS仪器(简称MKS)；美国马萨诸塞州的安多弗签署了一项合作研究和开发协议(CRADA)，以实现实验室级絮凝物，并为商业应用创建一个更小更强的原型。亨德里克斯说，多亏了CRADA，来自NIST和MKS的R&D联合团队成功地展示了可以放入两个行李箱的原型。

“MKS可以为这个项目带来压力测量、光学和激光领域超过50年的经验。我们很荣幸被NIST选中，与他们一起参与这个重大而有声望的项目的研发。”MKS压力和真空测量解决方案部首席技术官菲尔·沙利文(Phil Sullivan)表示:“我们预计该项目将引领一个新的广泛而紧凑的压力测量标准。”

坚固耐用的便携式FLOC传感器可以降低半导体芯片(如智能手机中的芯片)的生产成本，还可以降低航空空的成本。主要是因为芯片制造业和航空空航天工业都是靠压力测量。

传统压力传感器的测量数据是准确的，但其读数会随着时间的推移而偏离，这意味着必须定期停止使用，才能进行校准。由于絮状物的压力测量是绝对的，因此不需要校准。因此，FLOC可以实时检测工厂和车间传统压力传感器的偏差，减少停机时间。

传统的压力传感器也用于测量飞行中飞机的高度。测量数据更准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，并可能降低飞行成本。

虽然这个领域目前不在CRADA项目的研究范围内，但NIST科学家预计FLOC的尺寸将进一步缩小，直到缩小到芯片级仪器。

FLOC的工作原理是通过光通过两个物理通道(也称为光学谐振腔)的微小频率差来测量压力:真空中的参考通道和充满被测压力气体的测试通道。

为了测量压力，FLOC检测通过两个通道的光线的细微差别，一个通道充满气体，另一个通道处于true 空状态。每个通道的两端都有一个半反射镜。激光从一侧进入通道，在镜子之间来回反射，形成驻波。一些光将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，会产生一个波形，可以用来实时计算气体压力。

早在2014年，NIST就首次开发了实验室级絮凝物。它的设计足够灵敏和精确，可作为主要的校准标准，并可用于校准所有其他压力测量设备。

由气体和真空通道组成的光学谐振腔长约15cm，约为旅行杯大小。该装置还包括一个真空泵，一个提供光源的激光器和操作它们的光学装置，以及一个处理信号的电子设备架。新的便携式版本更紧凑。它的双通道谐振腔长约2.5厘米，只比邮票略长。谐振腔及其光学元件都包裹在一个盒子里，盒子里还包含一个较小的电子设备支架和一个用于气体处理系统的泵。

在这次合作中，NIST和MKS的工作人员在原型的核心部署了双通道谐振器，而MKS负责系统小型化版本的工程设计。

“目前，我们已经开发出了FLOC的国家标准版本，设计用于高精度实验室。”亨德里克斯说:“然而，我们也专注于CRADA以外的行业研究，以加快小型化设备的研发，这需要制造出强大、稳定、便携、低功耗、可在各种环境下工作的产品。”

研究人员还将光的波长从可见光(波长633nm)改为红外光(波长1550nm)，这是电信行业常用的波长，因此目前也广泛应用于商业产品中。

从理论上讲，人的脚步在展厅内的振动可能会导致测量值的准确度出现偏差，但该装置的性能足以抗噪声。测量范围是从真空的超低压力到2000Pa左右(相当于大气压力的2%，或者211kg/m2)，已经确认，目前正在较高压力下测试。

当然，器件还有空的进一步小型化。未来的版本可以定制为只包括设备所需的功能。同时，亨德里克斯的团队还将对比微版和标准FLOC的性能。未来可能会有运输测试，就是对设备进行测试，包装，运输到某个地方，带回，然后再进行测试，看是否会重现同样的结果。