CN108896232A - 一种具有温度补偿功能的光纤式超高温压力传感器 - Google Patents

一种具有温度补偿功能的光纤式超高温压力传感器 Download PDF

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Abstract

一种具有温度补偿功能的光纤式超高温压力传感器，包括传感器芯片，传感器芯片信号输出和耐高温光纤连接，传感器芯片安装在传感器探头内，耐高温光纤穿过封装板及光纤套管，光纤套管连接在封装板上，封装板和传感器探头连接实现传感器芯片、耐高温光纤的封装；所述的传感器芯片包括通过热压键合的方式结合在一起的压力敏感薄膜和传感器芯片基底，在传感器芯片基底的中央有一个圆形凹腔，压力敏感薄膜的前面通过毛化处理制作成非光洁表面，压力敏感薄膜的后面正对圆形凹腔的区域制作有一层光线反射薄膜；本发明能够耐受1000℃的环境温度并且具有温度补偿功能，有效消除由于环境温度变化对压力测量精度的影响，具有体积小、耐腐蚀和精度高的特点。

Description

一种具有温度补偿功能的光纤式超高温压力传感器
技术领域
本发明涉及压力传感器技术领域，特别涉及一种具有温度补偿功能的光纤式超高温压力传感器。
背景技术
压力传感器是开展航空航天、海洋探测、石油化工等行业研究与应用所不可或缺的一种传感器。随着研究与应用的不断深入，具有耐受恶劣环境能力的特种压力传感器日益受到重视，例如抗高过载压力传感器、耐高温压力传感器、耐腐蚀压力传感器等。近年来，在航空航天以及石油化工等领域对耐高温压力传感器的需求日益迫切，高性能、微型化耐高温压力传感器成为当前国际研究的热点之一。
随着微加工技术的发展，国内外高校和企业不断开展基于半导体材料的耐高温压力传感器研究，分别研制了基于半导体多晶硅、单晶硅、绝缘体上硅、蓝宝石上硅、硅上金刚石薄膜等各类型材料的耐高温压力传感器，但是由于高温漏电、不同材料热应力不匹配、元素扩散、材料软化等原因导致所研制的各类压力传感器在高于600℃的环境中失效或损坏，难以满足在更高温度环境中的应用需求。为了满足深海钻探、燃烧稳定性监测等特殊环境中的压力测量，需要研究和开发能够耐受1000℃以上高温环境的高性能压力传感器。美国Virginia理工大学、英国Oxsensis公司等国外高校和企业纷纷开展耐更高温度的压力传感器研究，并分别研制了基于光学干涉原理的无源式耐高温压力传感器，其工作温度达到1000℃以上，但是相关产品售价昂贵，且高精尖技术对外封锁。国内电子科技大学、中北大学等高校近几年也开展了超高温压力传感器的研究，但是目前国内还没有形成成熟的产品。因此，研究和开发结构简单可靠、性能稳定的微型化超高温压力传感器具有重要的应用价值。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有温度补偿功能的光纤式超高温压力传感器，能够耐受1000℃的环境温度并且具有温度补偿功能，有效消除由于环境温度变化对压力测量精度的影响，具有体积小、耐腐蚀、抗干扰和精度高的特点。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种具有温度补偿功能的光纤式超高温压力传感器1，包括传感器芯片3，传感器芯片3信号输出和耐高温光纤4连接，传感器芯片3安装在传感器探头2内，耐高温光纤4穿过封装板5及光纤套管6，光纤套管6连接在封装板5上，封装板5和传感器探头2连接实现传感器芯片3、耐高温光纤4的封装；
所述的传感器探头2呈圆柱形，传感器探头2的前端面和内部分别有引压孔7和传感器芯片安装槽8，传感器探头2的前端面和侧面连接处设有倒圆角结构9，传感器探头2选择具有耐高温特性的AlN陶瓷烧结而成；
所述的封装板5的前端面涂敷有一层耐高温陶瓷胶10，其后端面与侧面设有倒圆角结构9，封装板5的中心有一个通孔11用于安装光纤套管6，封装板5和光纤套管6均采用AlN陶瓷烧结而成。
所述的传感器芯片3包括通过热压键合的方式结合在一起的压力敏感薄膜12和传感器芯片基底13，在传感器芯片基底13的中央有一个圆形凹腔14，压力敏感薄膜12的前面通过毛化处理制作成非光洁表面16，压力敏感薄膜12的后面正对圆形凹腔14的区域制作有一层光线反射薄膜15；所述的非光洁表面16采用湿法腐蚀或者激光加工的方法制作，圆形凹腔14采用干法刻蚀或机械加工的方法制作，光线反射薄膜15的材料选择二氧化硅、石墨烯等具有高反射率的材料并通过气相沉积的方法进行加工。
所述的传感器芯片3通过耐高温陶瓷胶10安装在传感器探头2内部的芯片安装槽8中，外界压力P通过引压孔7作用在压力敏感薄膜12的非光洁表面16上，耐高温光纤4安装在光纤套管6中，并且耐高温光纤4和光纤套管6与压力传感器芯片基底13紧密相连，光纤套管6穿过封装板5，封装板5与传感器探头2之间通过耐高温陶瓷胶10实现密封粘结。
所述的耐高温光线4选择蓝宝石光纤。
所述的具有温度补偿功能的光纤式超高温压力传感器分别设置有长度为L1的第一珐珀腔和长度为L2的第二珐珀腔，其中第一珐珀腔为真空结构，第二珐珀腔为传感器芯片基底材料，入射光束经过光纤射入传感器芯片3后会在第二珐珀腔、第一珐珀腔的表面发生反射和折射，这些反射或折射光具有相同的频率并发生多光束干涉，相邻的反射或折射光之间具有稳定的光程差和相位差，其光程差和相位差与珐珀腔长度呈线性关系；当外界压力P作用于压力敏感薄膜12上，压力敏感薄膜12会发生弯曲变形导致第一珐珀腔长度L1发生变化，继而影响第一珐珀腔内多光束干涉的结果；解调经过多光束干涉并反射回耐高温光纤4的光信号，得到第一珐珀腔长度L1变化的信息，继而得到外界压力P的信息由于传感器芯片3处于超高温环境中，压力敏感薄膜12在受热情况下会发生线性热膨胀，造成第一珐珀腔长度L1发生变化，因此实际情况中解调反射光信号得到的第一珐珀腔长度L1变化的信息里包含了由热膨胀原因引起的珐珀腔长度变化的那一部分，通过解调反射光获得影响第二珐珀腔长度L2的温度信息，据此对第一珐珀腔解调后的信号进行温度补偿计算，最终获得真实的外界压力值P。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明传感器具有耐腐蚀和耐超高温的优点。传感器芯片材料、封装外壳材料以及耐高温陶瓷胶在高于1000℃的环境中均具有良好的机械性能，并且具有良好的化学稳定性，耐酸碱腐蚀能力强；传感器芯片压力敏感薄膜与传感器基底之间采用热压直接键合的方式，具有键合强度高、稳定性好的特点，保证了传感器在超高温环境中的安全性，避免了引入键合介质导致高温热应力不匹配对芯片可靠性的不利影响。
2、采用光纤式测量方案和温度补偿技术，抗干扰能力强、测量精度高。光纤材料本身具有耐高温和耐腐蚀的特点，采用多光束干涉的无源式测量方案能够有效避免外界电磁场对测量准确性的不利影响，具有精度高、分辨力强的优点；通过设置具有温度测量功能的第二珐珀腔实现环境温度测量，并通过温度补偿技术对第一珐珀腔干涉信号解调结果进行处理，排除环境温度变化对测量结果的干扰，进一步提高了传感器测量精度。
3、传感器结构简单、体积小，响应快，能够进行绝对压力测量。本发明传感器体积小、刚度大、重量轻，具有很高的固有频率和快速响应能力，便于安装而不影响被测环境的正常状态，使用范围广；传感器芯片中第一珐珀腔为真空腔，可实现绝对压力的准确测量，相比于传统压阻式压力传感器芯片需要经过特殊结构设计和封装才能进行绝压测量的情况，本发明具有结构简单、便于批量化制造和封装的优点，能够有效降低传感器生产成本。
附图说明
图1是本发明的外形示意图。
图2是本发明的结构示意图。
图3是传感器芯片的结构示意图。
图4是传感器芯片中压力敏感薄膜和基底的结构示意图。
图5是传感器芯片加工工艺流程图。
图6是本发明的封装示意图。
图7是本发明的工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
参照图1和图2，一种具有温度补偿功能的光纤式超高温压力传感器1，包括传感器芯片3，传感器芯片3信号输出和耐高温光纤4连接，传感器芯片3安装在传感器探头2内，耐高温光纤4穿过封装板5及光纤套管6，光纤套管6连接在封装板5上，封装板5和传感器探头2连接实现传感器芯片3、耐高温光纤4的封装。
所述的传感器探头2呈圆柱形，传感器探头2的前端面和内部分别有引压孔7和传感器芯片安装槽8，传感器探头2的前端面和侧面连接处设有倒圆角结构9，传感器探头2选择具有耐高温特性的AlN陶瓷烧结而成。
所述的耐高温光线4选择蓝宝石光纤。
所述的封装板5的前端面涂敷有一层耐高温陶瓷胶10，其后端面与侧面设有倒圆角结构9，封装板5的中心有一个通孔11用于安装光纤套管6，封装板5和光纤套管6均采用AlN陶瓷烧结而成，耐高温陶瓷胶10采用无机纳米材料经缩聚反应制成，属于耐高温无机纳米复合粘结剂，耐高温陶瓷胶10是PH值为中性的悬浮分散体系，粘结力强且对传感器芯片无腐蚀性，可在1800℃的高温下保持良好的粘接性能和抗腐蚀性，使用寿命长。
参照图3，所述的传感器芯片3包括通过热压键合的方式结合在一起的压力敏感薄膜12和传感器芯片基底13，在传感器芯片基底13的中央有一个圆形凹腔14，压力敏感薄膜12的前面通过毛化处理制作成非光洁表面16，压力敏感薄膜12的后面正对圆形凹腔14的区域制作有一层光线反射薄膜15；所述的非光洁表面16采用湿法腐蚀或者激光加工的方法制作，圆形凹腔14采用干法刻蚀或机械加工的方法制作，光线反射薄膜15的材料选择二氧化硅、石墨烯等具有高反射率的材料并通过气相沉积的方法进行加工。
参照图4和图3，所述的传感器芯片3的制作工艺包括：①通过机械加工方法获得厚度和表面光洁度符合要求的压力敏感薄膜12和传感器芯片基底13；②采用干法刻蚀工艺在传感器芯片基底13中央制作圆形凹腔14；③通过金属溅射或者化学气相沉积的方法在压力敏感薄膜12的一面制作一层光线反射薄膜15；④通过热压键合工艺实现压力敏感薄膜12和传感器芯片基底13的键合并使圆形凹腔14成为真空状态；⑤通过激光加工技术对压力敏感薄膜12的另外一面进行毛化处理获得非光洁表面16；⑥将耐高温光线4固定在传感器芯片基底13上，完成传感器芯片3的制作。
参照图2、图3和图4，所述的传感器芯片3通过耐高温陶瓷胶10安装在传感器探头2内部的芯片安装槽8中，外界压力P通过引压孔7作用在压力敏感薄膜12的非光洁表面16上，耐高温光纤4安装在光纤套管6中，并且耐高温光纤4和光纤套管6与压力传感器芯片基底13紧密相连，光纤套管6穿过封装板5，封装板5与传感器探头2之间通过耐高温陶瓷胶10实现密封粘结。
参照图3、图5、图6和图7，一种具有温度补偿功能的光纤式超高温压力传感器，分别设置有长度为L1的第一珐珀腔和长度为L2的第二珐珀腔，其中第一珐珀腔为真空结构，第二珐珀腔为传感器芯片基底材料，入射光束经过光纤射入传感器芯片3后会在第二珐珀腔、第一珐珀腔的表面17、18和光线反射薄膜15上发生反射和折射，其中表面17代表耐高温光纤4与传感器芯片基底13之间的接触界面，表面18代表圆形凹腔14与传感器芯片基底13之间的界面，这些反射或折射光具有相同的频率并发生多光束干涉，相邻的反射或折射光之间具有稳定的光程差和相位差，其光程差和相位差与珐珀腔长度呈线性关系；当外界压力P作用于压力敏感薄膜12上，压力敏感薄膜12会发生弯曲变形导致第一珐珀腔长度L1发生变化，继而影响第一珐珀腔内多光束干涉的结果；解调经过多光束干涉并反射回耐高温光纤4的光信号，得到第一珐珀腔长度L1变化的信息，继而得到外界压力P的信息由于传感器芯片3处于超高温环境中，压力敏感薄膜12在受热情况下会发生线性热膨胀，造成第一珐珀腔长度L1发生变化，因此实际情况中解调反射光信号得到的第一珐珀腔长度L1变化的信息里包含了由热膨胀原因引起的珐珀腔长度变化的那一部分，为了消除由于热膨胀引起的测量误差，设计了只受温度影响的第二珐珀腔，通过解调反射光获得影响第二珐珀腔长度L2的温度信息，据此对第一珐珀腔解调后的信号进行温度补偿计算，最终获得真实的外界压力值P。

Claims (5)

1.一种具有温度补偿功能的光纤式超高温压力传感器(1)，包括传感器芯片(3)，其特征在于：传感器芯片(3)信号输出和耐高温光纤(4)连接，传感器芯片(3)安装在传感器探头(2)内，耐高温光纤(4)穿过封装板(5)及光纤套管(6)，光纤套管(6)连接在封装板(5)上，封装板(5)和传感器探头(2)连接实现传感器芯片(3)、耐高温光纤(4)的封装；
所述的传感器探头(2)呈圆柱形，传感器探头(2)的前端面和内部分别有引压孔(7)和传感器芯片安装槽(8)，传感器探头(2)的前端面和侧面连接处设有倒圆角结构(9)，传感器探头(2)选择具有耐高温特性的AlN陶瓷烧结而成；
所述的封装板(5)的前端面涂敷有一层耐高温陶瓷胶(10)，其后端面与侧面设有倒圆角结构(9)，封装板(5)的中心有一个通孔(11)用于安装光纤套管(6)，封装板(5)和光纤套管(6)均采用AlN陶瓷烧结而成。
2.根据权利要求1所述的一种具有温度补偿功能的光纤式超高温压力传感器(1)，其特征在于：所述的传感器芯片(3)包括通过热压键合的方式结合在一起的压力敏感薄膜(12)和传感器芯片基底(13)，在传感器芯片基底(13)的中央有一个圆形凹腔(14)，压力敏感薄膜(12)的前面通过毛化处理制作成非光洁表面(16)，压力敏感薄膜(12)的后面正对圆形凹腔(14)的区域制作有一层光线反射薄膜(15)；所述的非光洁表面(16)采用湿法腐蚀或者激光加工的方法制作，圆形凹腔(14)采用干法刻蚀或机械加工的方法制作，光线反射薄膜(15)的材料选择二氧化硅、石墨烯等具有高反射率的材料并通过气相沉积的方法进行加工。
3.根据权利要求1所述的一种具有温度补偿功能的光纤式超高温压力传感器，其特征在于：所述的传感器芯片(3)通过耐高温陶瓷胶(10)安装在传感器探头(2)内部的芯片安装槽(8)中，外界压力P通过引压孔(7)作用在压力敏感薄膜(12)的非光洁表面(16)上，耐高温光纤(4)安装在光纤套管(6)中，并且耐高温光纤(4)和光纤套管(6)与压力传感器芯片基底(13)紧密相连，光纤套管(6)穿过封装板(5)，封装板(5)与传感器探头(2)之间通过耐高温陶瓷胶(10)实现密封粘结。
4.根据权利要求1所述的一种具有温度补偿功能的光纤式超高温压力传感器，其特征在于：所述的耐高温光线(4)选择蓝宝石光纤。
5.根据权利要求1所述的一种具有温度补偿功能的光纤式超高温压力传感器，其特征在于：所述的具有温度补偿功能的光纤式超高温压力传感器分别设置有长度为L1的第一珐珀腔和长度为L2的第二珐珀腔，其中第一珐珀腔为真空结构，第二珐珀腔为传感器芯片基底材料，入射光束经过光纤射入传感器芯片(3)后会在第二珐珀腔、第一珐珀腔的表面发生反射和折射，这些反射或折射光具有相同的频率并发生多光束干涉，相邻的反射或折射光之间具有稳定的光程差和相位差，其光程差和相位差与珐珀腔长度呈线性关系；当外界压力P作用于压力敏感薄膜(12)上，压力敏感薄膜(12)会发生弯曲变形导致第一珐珀腔长度L1发生变化，继而影响第一珐珀腔内多光束干涉的结果；解调经过多光束干涉并反射回耐高温光纤(4)的光信号，得到第一珐珀腔长度L1变化的信息，继而得到外界压力P的信息由于传感器芯片(3)处于超高温环境中，压力敏感薄膜(12)在受热情况下会发生线性热膨胀，造成第一珐珀腔长度L1发生变化，因此实际情况中解调反射光信号得到的第一珐珀腔长度L1变化的信息里包含了由热膨胀原因引起的珐珀腔长度变化的那一部分，通过解调反射光获得影响第二珐珀腔长度L2的温度信息，据此对第一珐珀腔解调后的信号进行温度补偿计算，最终获得真实的外界压力值P。
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