CN220170398U - 一种法珀腔式压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种法珀腔式压力传感器，包括压力敏感芯体、光纤和固定套管，所述压力敏感芯体包括外径相同且为蓝宝石材质的受力晶片、环形晶片和基底晶片，环形晶片的中间通孔形成空气腔；所述受力晶片、环形晶片、基底晶片层叠固定在一起，并同轴设置，且环形晶片位于受力晶片和基底晶片之间；所述光纤穿设于固定套管，固定套管的一端固定于基底晶片背对环形晶片的表面，且固定套管与基底晶片同轴设置，所述固定套管的另一端与光纤固定连接；所述光纤的出光面与受力晶片面向环形晶体的表面平行。本实用新型相较于石英材质的压力敏感芯体，可适用于恶劣环境，具体，本实用新型可在1600℃下承受10MPa的压力，保障了传感器的结构强度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种法珀腔式传感器，特别是涉及一种适用于高温环境的法珀腔式压力传感器。
背景技术
高温环境下物理参量传感技术在航空、安防、军事、工业及环境监测等领域有着极其广泛的应用，随着先进技术的发展，在高温恶劣环境下实现对压力进行稳定、实时及准确地传感具有重大意义。
对于高温环境下的压力测量，现有技术有直接法和间接法。间接法是利用引压管将待测高温压力介质引出并降温，再通过常温压力传感器实现压力测量。该方法简单易实现，但是具有迟滞性，且测量精度低。直接法是将高温压力传感器直接置于高温环境中进行压力测量，响应快、测量精度高。高温压力传感器可分为压阻式、压电式、电容式以及光纤式。压阻式高温压力传感器利用半导体材料的压阻效应研制而成，然而由于高温环境下漏电流增大，材料热膨胀系数不匹配等问题导致传感器性能恶化，且工作温度大多在600℃以下。压电式高温压力传感器利用新型耐高温的压电材料研制而成，但高温环境下晶体会出现相变、热稳定性变差等情况，且传感器工作温度通常在700℃以下。电容式高温压力传感器利用耐高温材料构造电容腔，可以用无线无源的方式实现信号传输，但温度升高导致无线信号耦合效率降低，适用于600℃以下工作。基于法珀干涉仪的光纤压力传感器与上述压阻式、压电式、电容式的压力传感器相比，具有耐高温、体积小、质量轻、抗电磁干扰、本征安全等优点，因此广泛应用于航空航天、工业、医疗等领域。
目前，现有技术的基于法珀干涉仪的光纤压力传感器的压力敏感芯体普遍采用石英材质，其耐高温和耐压性能存在局限性，无法适用于恶劣环境。
实用新型内容
本实用新型针对现有技术存在的技术问题，提供了一种法珀腔式压力传感器，其能够大大提高压力敏感芯体的耐温和耐压性能。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种法珀腔式压力传感器，包括压力敏感芯体、光纤和固定套管，所述压力敏感芯体包括外径相同且为蓝宝石材质的受力晶片、环形晶片和基底晶片，环形晶片的中间通孔形成空气腔；所述受力晶片、环形晶片、基底晶片层叠固定在一起，并同轴设置，且环形晶片位于受力晶片和基底晶片之间；所述光纤穿设于固定套管，固定套管的一端固定于基底晶片背对环形晶片的表面，且固定套管与基底晶片同轴设置，所述固定套管的另一端与光纤固定连接；所述光纤的出光面与受力晶片面向环形晶体的表面平行。
进一步的，所述基底晶片的厚度为所述空气腔的深度的1.5-2.5倍。
进一步的，所述基底晶片的厚度为所述空气腔的深度的2.1倍。
进一步的，所述受力晶片、环形晶片和基底晶片热压键合在一起。
进一步的，所述固定套管的内径与所述光纤的外径相匹配，所述固定套管的另一端采用高温胶与所述光纤固定连接。
进一步的，所述固定套管的另一端外周采用高温胶与所述基底晶片固定连接。
进一步的，所述高温胶为氧化铝胶。
进一步的，所述固定套管为氧化锆套管。
进一步的，所述光纤位于所述固定套管内的一端与所述固定套管的一端平齐，并与所述基底晶片接触。
进一步的，所述光纤为蓝宝石光纤。
相较于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：
1、由于所述压力敏感芯体包括外径相同且为蓝宝石材质的受力晶片、环形晶片和基底晶片，环形晶片的中间通孔形成空气腔，所述受力晶片、环形晶片、基底晶片层叠固定在一起，并同轴设置，使得本实用新型相较于石英材质的压力敏感芯体，其工作温度量程高，可适用于恶劣环境，具体，本实用新型可在1600℃下承受10MPa的压力，保障了传感器的结构强度。
2、所述基底晶片的厚度为所述空气腔的深度采用相匹配的比例设置，使光学信号的包络提取难度降低，同时提升了所提取信号的质量，从而提高传感器精度。
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步详细说明；但本实用新型的一种法珀腔式压力传感器不局限于实施例。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
其中，1、受力晶片，2、环形晶片，21、空气腔，3、基底晶片，4、固定套管，5、光纤，6/7、锥形连接结构。
具体实施方式
请参见图1所示，本实用新型的一种法珀腔式压力传感器，包括压力敏感芯体、光纤5和固定套管4，所述压力敏感芯体包括外径相同且为蓝宝石材质的受力晶片1、环形晶片2和基底晶片，环形晶片2的中间通孔形成空气腔21；所述受力晶片1、环形晶片2、基底晶片3层叠固定在一起，并同轴设置，且环形晶片2位于受力晶片1和基底晶片3之间。具体，所述受力晶片1、环形晶片2和基底晶片3采用热压键合的方式固定在一起，使彼此形成紧密接触。
所述光纤5穿设于固定套管4，具体，光纤5的一端伸入固定套管4内，光纤5的另一端则位于固定套管4外，并向其长度方向延伸。所述固定套管4的内径与所述光纤5的外径相匹配，具体，固定套管4的内径略大于光纤5的外径，使得光纤5在固定套管4中不会径向发生偏移，而只能沿着固定套管4的长度方向延伸。固定套管4的一端固定于基底晶片3背对环形晶片2的表面，且固定套管4与基底晶片3同轴设置，所述固定套管4的另一端与光纤5固定连接，以达到固定光纤5的目的。光纤5的出光面与受力晶片1面向环形晶体的表面平行，以构成法珀腔，具体，所述位于固定套管4内的一端与固定套管4的一端平齐，并与基底晶片3接触。将光纤5与固定套管4采用单端对齐，另一端固定的方式，可以避免微型空气腔产生，且最大程度减小了对光路的干扰。
所述基底晶片3的厚度为所述空气腔21的深度的1.5-2.5倍。具体，作为一优选，所述基底晶片3的厚度为所述空气腔21的深度的2.1倍。如此，能够使光学信号的包络提取难度降低，同时提升了所提取信号的质量，从而提高传感器精度。
所述固定套管4的另一端采用高温胶与所述光纤5固定连接，且高温胶固化后形成锥形连接结构6。所述高温胶为氧化铝胶。所述固定套管4的另一端也采用高温胶与所述基底晶片3固定连接，具体，在固定套管4另一端与基底晶片3接触处外侧环形区域涂高温胶，固化形成锥形连接结构7。所述高温胶具体为氧化铝胶。
所述固定套管4为氧化锆套管，所述光纤5为蓝宝石光纤。
本实用新型的一种法珀腔式压力传感器，其制造方法包括以下步骤：
将圆形蓝宝石晶片采用激光切割成环形晶片2，该环形晶片2的中间通孔形成空气腔21；
将所述环形晶片2作为中间层叠置在与其等外径的两片蓝宝石晶片之间，且三片蓝宝石晶片同轴设置，并采用热压键合的方式固定为一个整体，构成压力敏感芯体；所述两片蓝宝石晶片一片作为受力晶片1，另一片作为基底晶片3；
将光纤5的一端伸入一固定套管4内，确保光纤5一端与固定套管4的一端平齐，并使固定套管4的另一端与光纤5交界处涂氧化铝高温胶，并对高温胶进行加热定型；
调整固定套管4与上述压力敏感芯体相对位置，使两圆心处于同一中心轴线上，且固定套管4垂直于基底晶片3，在确定并固定套管4位置后，固定套管4另一端与基底晶片3接触处外侧环形区域涂氧化铝高温胶，并对高温胶进行加热定型。
利用本实用新型进行测量时，光源输出信号先经过耦合器，再经由光纤5输入进入法珀腔。法珀腔上下层晶片(即受力晶片1和基底晶片3)为平行的透光片结构，光信号通过时会产生干涉现象，并反射回到光纤5光路。压力作用在受力晶片1时，空气腔21受到压缩，对光信号的包络周期产生影响。通过对光学信号的包络提取，解算出对应的空气腔21长度，从而推算出作用在传感器上的压力大小。
本实用新型采用蓝宝石、氧化锆材料与高温氧化铝胶制作，工作温度量程高，适用于恶劣环境。直接受力端为由三层蓝宝石晶片热压键合形成柱状结构，可在1600℃下承受10MPa的压力，保障了传感器的结构强度。并且基底晶片3和空气腔21选用相匹配比例，使光学信号的包络提取难度降低，同时提升了所提取信号的质量，从而将提高传感器精度。
本实用新型所涉及的法珀腔式压力传感器具有制造方式简单、结构稳定、信号提取方便、解调精度高等诸多优点，在航空航天参数监控、石油勘采、军事装备、工业化工等领域都有迫切需求，具有良好的应用和推广前景。
本实用新型的一种法珀腔式压力传感器，未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
上述实施例仅用来进一步说明本实用新型的一种法珀腔式压力传感器，但本实用新型并不局限于实施例，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本实用新型技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种法珀腔式压力传感器，包括压力敏感芯体、光纤和固定套管，其特征在于：所述压力敏感芯体包括外径相同且为蓝宝石材质的受力晶片、环形晶片和基底晶片，环形晶片的中间通孔形成空气腔；所述受力晶片、环形晶片、基底晶片层叠固定在一起，并同轴设置，且环形晶片位于受力晶片和基底晶片之间；所述光纤穿设于固定套管，固定套管的一端固定于基底晶片背对环形晶片的表面，且固定套管与基底晶片同轴设置，所述固定套管的另一端与光纤固定连接；所述光纤的出光面与受力晶片面向环形晶体的表面平行。
2.根据权利要求1所述的法珀腔式压力传感器，其特征在于：所述基底晶片的厚度为所述空气腔的深度的1.5-2.5倍。
3.根据权利要求2所述的法珀腔式压力传感器，其特征在于：所述基底晶片的厚度为所述空气腔的深度的2.1倍。
4.根据权利要求3所述的法珀腔式压力传感器，其特征在于：所述受力晶片、环形晶片和基底晶片热压键合在一起。
5.根据权利要求1所述的法珀腔式压力传感器，其特征在于：所述固定套管的内径与所述光纤的外径相匹配，所述固定套管的另一端采用高温胶与所述光纤固定连接。
6.根据权利要求1所述的法珀腔式压力传感器，其特征在于：所述固定套管的另一端外周采用高温胶与所述基底晶片固定连接。
7.根据权利要求5或6所述的法珀腔式压力传感器，其特征在于：所述高温胶为氧化铝胶。
8.根据权利要求1或5或6所述的法珀腔式压力传感器，其特征在于：所述固定套管为氧化锆套管。
9.根据权利要求1所述的法珀腔式压力传感器，其特征在于：所述光纤位于所述固定套管内的一端与所述固定套管的一端平齐，并与所述基底晶片接触。
10.根据权利要求1或8所述的法珀腔式压力传感器，其特征在于：所述光纤为蓝宝石光纤。
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