TW201003054A - Optical interferometric pressure sensor - Google Patents

Description

201003054 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種在寬壓力範圍中用來測量高真空壓 力的膜片度量計。 【先前技術】 已知壓力或壓力差可藉由施加壓力到薄膜並測量其偏 斜度來測量。用來測量偏斜度的已知與適當方法係爲設計 薄膜排列作爲可變的電性電容，在此，與壓力改變相關的 電容改變係由用已知方法的測量電子來評估。該電容係藉 由排列薄、彈性薄膜非常靠近另一表面，並藉由將導電膜 沈積在兩互相相對表面上或藉由從導電材料製造它們來產 生。當將壓力施加到薄膜時’該偏斜則會改變兩電極之間 的距離，其係導致該排列之可分析電容的改變。此型態的 感應器係從矽大量製造。平坦的基體與薄膜經常完成地包 含矽。亦有由譬如具有玻璃基板之矽之混合材料所製成的 版本。該等感應器可非常經濟地產生。不過，在真空應用 中，此型態的壓力感應器正常下僅可使用於在大約ίο·1毫 巴至數巴範圍中的較高壓力。壓力低於10·1毫巴的高解析 度不再可用矽來得到。這個的其中一因素係爲矽表面與減 少敏感性感應器特徵的環境反應。已經形成部分正常大氣 空氣的水蒸氣會導致表面上的相應反應。當感應器使用於 化學侵略性大氣’並且尤其具有多達攝氏數百度之高溫 時，問題甚至會變得更嚴重。爲了此因素’可嘗試藉由鈍 201003054 化該些表面來保護此些矽感應器免於受到外部影響。亦可 嘗試沈積保護性塗層於表面上，以便改善耐久性與對於化 學侵略性環境的抗性，如在美國專利案第5,3 18，928號所 述。此些測量昂貴，且在譬如薄膜的機械可變形部件的情 形中，僅僅具有有限的成功，特別在具高度侵犯性的媒介 中’譬如氟、溴酸與它們基本上使用於真空蝕刻製程中的 混合物。 爲了此因素，可完全地從譬如Al2〇3之抗蝕刻材料來嘗 試建立真空測量單元。此型態的已知材料係揭露於美國專 利案第6,591，687號，其係在此以引用的方式倂入文中。 本電容真空測量單元（CDG)完全地由陶磁製成，特 別是A!2〇3。這會導致高抗蝕性與長期可複製性。假如在沒 有添加外部材料之下，氧化鋁沒熔化的話，那麼則僅僅在 需要密封或者提供饋給穿過的區域中，會使用不同於氧化 鋁的小數量材料。真空測量單元由第一面板形狀的罩體所 ί 組成，在該罩體以上，延其邊緣密封的薄膜會排列成能夠 密封參考真空室。在指向遠離參考真空室的邊側上會有第 二罩體’其係亦延其邊緣來密封，以致於測量真空室能夠 形成於那裡。此測量真空室的特徵係爲用來連接欲測量之 媒介的口部。形成參考真空室之第一罩體與薄膜的表面會 塗以導電膜，例如金，其係並且組成該電容測量單元的電 極。該些電極例如會經過第一罩體或經過邊緣地帶中的密 封區域予以導出。實質平行的電極表面會相隔2微米至50 201003054 微米。在該邊緣地帶中薄膜對著兩罩體密封，其係較佳地 經由接合’例如雷射接合來得到。高度合適與簡單的使用 亦爲抗腐鈾的玻璃黃銅材料。獲得密封接合的另一種可能 性係爲例如在綠體狀態中散佈性地連接罩部，其中其目的 係爲完全地避免不同於八12〇3的材料。 此測量單元排列實質上允許對稱、較佳地平碟型設 計’其係避免在該罩子中的所有應力。這會特別重要，以 便得到結合高精確性與可複製性的高測量敏感度。它亦允 許非常薄陶瓷薄膜的應用，其係實質用來藉由電容性、所 有陶瓷測量單元而可靠地測量低於100毫巴、特別低於10 毫巴的真空壓力。爲了此目的，需要10微米至250微米的 薄膜厚度，在此10微米至120微米的薄膜厚度較佳，以便 得到非常良好的解析度。基本薄膜厚度例如爲： • 1000托耳：薄膜厚度760微米±10微米 • 100托耳：薄膜厚度345微米±10微米 • 10托耳：薄膜厚度150微米±1〇微米 • 1托耳：薄膜厚度100微米±10微米 .0.1托耳：薄膜厚度60微米±10微米 • 0.01托耳：薄膜厚度40微米±10微米 進—步希望的技術領域係爲施加感應器，以用來高壓測 量，例如達到1〇〇〇巴與在數個100°C的高溫，以用於做爲 液體與氣體施加的腐蝕劑流體。此液體與氣體施加的實例 係爲在油井下洞或鑽洞應用中的抗腐飽壓力與真空感應 201003054 器。就高壓應用而言’薄膜厚度甚至超過760微米’例如 多達數毫米。已知電容薄膜真空測量單元係以最大200°C的 溫度來工作。 讀出此薄膜測量單元的進一步方法係爲使用光學讀出 技術，以用來測量代替電容原理的薄膜偏斜，如在waichii 等人所提出的美國專利案第7,305,8 88 B2號中所描述，其係 在此引用的方式倂入本文。光學膜片計量器（ODG )設計 刪除CDG設計的一些缺點。膜片的壓力從屬偏斜係藉由在 感應器中的光學系統所測量’且欲測量信號會藉由光纖傳 送到光學信號調節器單元，其係隨後將光學訊號轉換成電 訊號。此訊號可長距離（甚至公里）傳送而沒有訊號降級， 並且不會受到環境干擾、主要電磁噪音、振動與周圍溫度 變化所影響。 此一真空測量單元具有第一罩體與薄膜，兩者係爲 AhCh陶瓷或藍寶石。該薄膜係爲一平面，其具有藉由第一 密封接合到第一罩體以形成參考真空室的周圍邊緣。相對 於薄膜之Ah〇3陶瓷或藍寶石的第二罩體，其係藉由第二密 封接合到薄膜的周圍邊緣，以形成測量真空室。口部將真 空測量單元連接到欲測量的媒介。至少在第一罩體的中央 區域中，光學透明窗口會形成且至少薄膜的中央區域具有 光學反射表面。在參考真空室外面，相反並距窗口 一段距 離’一光纖係排列用於將光線饋送入與出到薄膜表面上。 在彈性薄膜兩不同側之間的壓力差會造成薄膜彎曲， 201003054 且藉由如此進行，可相應地改變光學腔洞長度。光線可經 由藍寶石罩子或窗口分別地聚焦在薄膜半反射表面上，自 此，在經由兩鏡子之間的多重反射而經歷干涉現象以後， 其係可使用數個有用方法（例如斐佐干涉計（華碩公司）、 白光偏振干涉計（歐普森司（OPSENS )公司）、邁克森干 涉計、分光計…）的其中一個來校正與分析，以揭露光學 腔洞長度以及因此整個膜片的壓力差。單元排列因此係爲 部分的布里-泊羅干涉計檢測或分析排列。連同其自由直徑 與所希望最大彎曲的薄膜厚度會定義欲使用的壓力範圍。 薄膜直徑例如爲大約11釐米，且其厚度爲3 00微米。薄膜 直徑的較佳範圍位於5.0釐米至80釐米的範圍中，較佳地 是5.0至40釐米，且薄膜厚度範圍是10微米至10釐米， 較佳地範圍從10微米至100微米，尤其用於真空應用，且 較佳地範圍係從600微米至9釐米，用於高壓應用。 上述具有單晶藍寶石窗口的感應器單元或單晶藍寶石 體’連同藍寶石膜片，致使藉由例如球透鏡的外部光學輸 出。光纖隨後可使用來將出自該位置的信號傳送到讀出單 元。在感應器單元中單獨使用藍寶石的缺點係爲其價格一 機械性單晶藍寶石非常昂貴。第二，具有藍寶石與陶瓷 Al2〇3的組合’其係會引進熱擴散係數（CTE)的微小不匹 配’其係會造成在例如溫度漂流行爲中的問題。爲了減少 此效果需要適當晶向、昂貴且耗時的製程。第三，假如 使用附著到陶瓷體之藍寶石窗口的話，可增加機械容忍度 201003054 條件，以用於光學腔洞平行度。 先前的先前技藝實施使用外部光學，譬如將光線聚焦 在薄膜上的球透鏡。由於使用材料的不同溫度擴散係數， 可能會有移動薄膜上測量點或傾斜光束的可能性。結果， 該系統可壓迫一些不穩定的行爲。此外還需要很多元件， 其係可使此一感應器單元的製造昂貴。 本發明之一目的係爲避免先前技藝干涉計薄膜壓力測 量單元的上述缺點。 本發明之一目的係爲提供具有高準確性與高穩定性的 光纖薄膜壓力測量單元，其係可靠並可經濟性地生產。 【發明內容】 能夠在高溫測量高壓的本發明感應器係依據waichii 等人所提出之美國專利案第7,3〇5,8 8 8 B2號的光學膜片計 量結構。 在本發明中，用來測量壓力的光學膜片計量感應器 (ODG-感應器）大部分從陶瓷材料製造，其係並且具有直 接附著到第一罩體的光纖。纖維對陶瓷的附著、陶瓷對陶 瓷接合以及適當光學布里·泊羅腔洞的形成’其係藉由特別 黏合密封製程所進行。在結果所產生的測量單元中，顯示 壓力的膜片移動’係藉由白光或低同調-干涉計（WLI )所 測量。 該壓力測量單元包括： 第一罩體，由陶瓷材料製成； 201003054 薄膜’由陶瓷材料製成，並鄰近該第一罩體地排列， 該薄膜實質爲平面，並具有周圍邊緣，該薄膜的周圍邊緣 係以參考壓力室產生於該第一罩體與該薄膜之間、該薄膜 具有第一與第二相對表面、該薄膜的第一表面面對該第一 罩體且該第一罩體具有面對該薄膜之表面的此種方式，藉 由第一邊緣密封材料地接合到該第一罩體； 第二罩體’陶瓷材料所製成並放在該薄膜對面，該第 二罩體藉由第二邊緣密封材料地接合到該薄膜的周圍邊 緣’該第二罩體連同該薄膜地形成測量壓力室，該第二罩 體包括用來連接壓力測量單元到欲測量媒介的口部； 該第一罩體、該第二罩體與該薄膜係沿著該薄膜的周 圍邊緣牢固地連接；且至少在第一罩體中央區域中，形成 一洞，延伸經過該第一罩體，且至少在該薄膜的中央區域 中與該洞的對面，形成薄膜表面，以作爲第一光學反射區 域；以及 光纖係排列在該第一罩體的洞內，且以纖維密封構件 牢固地固定在該洞內，以用於將光線聩送入與出到薄膜的 表面上，然而纖維端較佳地延伸到第一罩體的至少該表 面’且此纖維端會形成當作第二反射性光學區域，以該纖 維端與薄膜反射區域間存在光學腔洞之排列的此種方式光 學連接到薄膜的該表面，其係形成用來決定該薄膜偏斜程 度的測量部分，並且爲部分的布里-泊羅干涉計檢測排列。 同樣可能將超過一個的光纖排列在第一罩體上，以讀 -10- 201003054 出從薄膜反射的光學訊號。 高溫光纖，由例如熔融矽石或藍寶石製成並塗以譬如 金或銅的保護性塗層，其係以纖維端貫穿結構的此種方式 藉由上釉或陶瓷附著劑而附著到陶瓷（較佳爲Al2〇3 )金屬 圈，或直接到感應器單元之陶瓷體的洞中。假如使用金屬 圈的話，那麼它將以類似的方式在纖維附著以後地附著到 在陶瓷體的洞中。在陶瓷附著劑或附著劑玻璃焊料分別硬 化以後，該纖維端會予以硏磨與/或磨光，以形成欲測量之 光學腔洞的其他部分反射鏡子。此磨光纖維端不會具有光 學塗層，或者它可較佳地以單層的介質材料來塗層，譬如 氧化钽，以改善光學反射性。 在該陶瓷中所需要的洞可藉由機械鑽孔、雷射鑽孔、 超音鑽孔來形成，或者它可以陶瓷體的模相來形成。 相較於外部光學的排列，直接耦合的排列，其機械性 非常穩定’並且比具有外部光學的排列，更少因爲溫度膨 脹變形而受損。全部數目部件的減少會導致成本降低。ODG 製造成本變得可與CDG相比，且就線性、可重複性與相關 解析度而言，性能較佳。 起因於纖維特徵的大型數値孔徑，會減輕光學腔洞的 傾斜條件，而不需要外部光學的任何更多空間，但同時卻 由於WLI-技術的分析限制而限制最大可測量間距爲大約 1 00-200微米’以及實際的最小値爲大約5微米。 在超過大約攝氏350度的溫度，玻璃焊料開始軟化， 201003054 並因此假如非對稱力施加於感應器的話，薄膜的位置會開 始改變。此問題可以替代玻璃焊料的溶液來解決，其係藉 由禁得起溫度達到攝氏600度或甚至攝氏1000度或甚至更 多而不會喪失其機械穩定性的黏附劑，較佳地是具有相等 於陶瓷AhCh體之CTE之熱擴散係數（CTE)的陶瓷附著劑。 爲了得到必要的真空緊密度，該連接較佳地可以標準高溫 的玻璃焊料沿著感應器單元的外側牆並較佳地亦在沿著纖 ，維密封構件的陶瓷體外面額外地密封。 本發明的重要特徵係爲藉由適當網印技術與製程而形 成鏡子在陶瓷膜片表面上。這使得能夠使用便宜與良好建 造的鋁部件，其係假定作爲例如藍寶石。藉由附著劑將額 外的鏡子附著到膜片上係爲累贅，且例如環氧樹脂在溫度 上無法達到攝氏600度。爲了能夠使用上釉劑當作鏡子， 其最終的表面粗糙度應該不會超過50奈米。陶瓷基板太粗 糙與多粒，以致於無法在沒有任何後續處理下簡單地在表 V 面上得到像鏡子的拋光。基板的表面粗糙度係爲在平均25 微米x25微米區域上從40奈米到300奈米，其係取決於所 使用的材料與製造方法。藉由網印在薄膜中央的小面板（例 如直徑1-3毫米）玻璃糊狀物，可產生平滑的光學表面。 玻璃糊狀物首先會予以燒結，隨後會在大約攝氏750 - 800 度起火。玻璃糊狀物會以液體形式回流，以自動產生具有 平滑表面的延伸點，並再度冷卻以形成固態鏡子，其僅僅 會稍微改變表面。結果產生的鏡子厚度較佳地是在1一 6微 -12- 201003054 米之間。原子力顯微測量顯示出該鏡子表面真的平滑，其 具有大約5— 10奈米的平均粗糙度。假如想要進一步改善 鏡子表面品質的話，此上釉面板亦可現在輕易磨光。用來 改善反射度的光學塗層可予以施加，但非必須。使用物理 氣相沈積或化學氣相沈積方法來塗層鏡子是昂貴的，且藉 由直接在陶瓷薄膜上之蒸發或比較方法所產生的塗層並不 會由於陶瓷的粗糙基板表面結構而產生良好的鏡子。 , 在現在形成平滑鏡子之下亦會有具有非平滑基板表面 的正效果。當鏡子形成時，由於釉的黏度，其係難以使鏡 子非常薄。釉的折射係數大約爲1.7，其意指例如6微米厚 的鏡子會產生另一光學間距，除了相關的真實間距以外， 其係在所計算白光干涉計中之平滑基板的情形中會引進清 楚的干擾。假如具有‘多粒’基板的話，亦即，在鏡子下 面的光學擴散表面，那麼那效果將會最小化。 不過，假如基板儘可能做成非散佈性的話（亦即平 ί 滑），且該鏡子的厚度適當到足以使該上釉鏡子層所產生 的干擾信號無法干擾壓力感應腔洞所產生之干涉計的話， 則可藉由測量鏡子的厚度來測量該感應器單元的溫度（不 會對壓力，但僅僅對溫度起反應）。同時，指示壓力的間 距改變將會予以測量。例如，具有厚度1 7微米且間距解析 度測量0.1奈米，可得到大約攝氏0.4度的溫度。此一感應 器可僅僅單獨最佳化爲溫度感應器。從玻璃糊狀物來製造 鏡子，其係會給予我們從其表面僅僅大約反射7% (大槪 -13- 201003054 與從纖維一樣）。在許多寬頻光線無法在短時間（數微秒） 時距得到的快速應用中，鏡子的表面可予以光學地塗層（較 佳地爲單層介質材料，譬如Ta2〇5 )以增強反射度。 _h述問題的結合得以藉由眾所皆知的製造製程而從陶 瓷製造光學膜片度量感應器（ODG-感應器），以增加材料 與製造成本並明顯地減輕機械容忍度條件。既使它不是較 佳的解答’但纖維安裝與上釉方法亦可與藍寶石成分製成 f 的感應器一起工作。 爲本發明特徵的種種新穎性特色係以附加到並形成本 揭露一部份之申請專利範圍的特殊性所指出。爲了更加理 解本發明’藉由最佳理解本發明，它的操作優點與藉由它 的使用而得到之特定目的，可參考其中說明本發明較佳實 施例的附圖與說明。 【實施方式】 相對於薄膜2具有結構實質對稱、由Al2〇3製成之ODG ί (光學膜片測量單元）測量單元之較佳發明排列係藉由第 1圖的截面所顯示。第一罩體1包含Α12〇3製成的陶瓷面 板，延其邊緣，其係以相關於陶瓷薄膜2之5微米至80微 米的距離牢固地接合，且其封住較佳爲真空室的。兩表面 之間的距離通常可藉由放置在薄膜邊緣與罩子之間的密封 材料3、3’而於裝配期間內予以直接建立。以此方式，可 使用完全平面的罩子面板1。以相同的方式’測量壓力室 26會形成在相對薄膜側上的第二罩體4中；此壓力室易經 -14- 201003054 由通過罩子4之開口的連接口部5而接近欲測量的媒介。 該單元排列特別適合用來測量具有高壓的氣體媒介壓力， 尤其是真空。 在薄膜2兩側上的密封3、3’如上述地定義兩罩子1 與4的距離。此密封例如包含，較佳地爲玻璃糊狀物，其 係可輕易地握持並可例如藉由網印來施加。此玻璃糊狀物 之事先熔化或燒結溫度的較佳範圍是630°C至800°C該密封 = 溫度的較佳範圍是150T：至630X：。 在具有外部直徑38 (較佳範圍是5-80，尤其較佳是 5-40)毫米與自由內部薄膜直徑30毫米（較佳範圍4-75 毫米）的典型測量單元中，薄膜2到第一罩體1的距離30 大約5至200微米，較佳爲5至80微米或者甚至較佳的範 圍是10至25微米。在本較佳實例中，第一罩體1具有2 至10毫米的厚度’第二罩體4例如是在相同的厚度範圍。 \ 第一罩體1與第二罩體4必須由具有與使用膜片材料相同 擴散係數的材料製成。非常合適的組合係爲高純度的礬土 陶瓷（純度> 96 ’較佳地> 99·5% )、沙氟陶瓷（具有純 度在99.9%以上的礬土）以及藍寶石（單晶高純度的礬土、 人工剛玉）。 第二罩體4的內區域較佳地以內凹處來設計，例如大 約0.5毫米深’如第丨圖所示，以便擴大測量壓力室26。 第一光學反射區域係形成在薄膜2表面上的參考壓力 -15- 201003054 側上，較佳地至少在薄膜2的中央區域中。此區域可予以 形成當作具有反射膜的塗層，以形成鏡子塗層10。有兩種 方法來塗層膜片與第一罩子的窗口，以產生布里-泊羅千涉 計。可使用於布里-泊羅之塗層的原理構想係充分地說明於 文獻中（見Vanghan JM、布里-泊羅干涉計、Adam Hilger Bristol與Philadel-phia，2002)。在本參考的第9圖中，槪 要地顯示兩個主要方式。你可選擇主要的金屬或介質系 統。該金屬塗層可藉由介質塗層來保護，以更輕易地進一 步處理。金屬鏡子較佳地予以設計爲完全反射膜。此膜10 例如可在其上予以繪製、印刷、噴灑、或藉由真空製程來 沈積。較佳地，此膜主要包含金並藉由印刷來沈積且其厚 度範圍是0.1微米至1.0微米。 較佳地安排玻璃糊狀物點在此區域上以代替塗層，並 可在範圍是攝氏700至800度的高溫烘烤，以產生上釉的 表面以作爲反射區域，以形成希望的鏡子。藉由玻璃點來 形成鏡子的此設計特別有利，其係因爲在沒有如此形成鏡 子表面之所需要高反射特性的任何敗壞之下，能輕易地產 生並經得起高溫。 尤其使用設計該測量單元排列以做爲真空測量單元’ 添加與參考真空室25溝通之吸收劑室13以確保長壽命測 量單元的良好真空品質是有利的。疏散線14引導通過第一 罩子面板1，並且連接參考真空室25與吸收劑室13，其中 吸收劑的位置並沒有顯示於第1圖中。吸收劑室1 3係例如 -16- 201003054 藉由作爲烘烤玻璃糊狀物的密封材料9’以蓋子8來覆蓋 與關閉。該室亦以作爲烘烤玻璃糊狀物的密封構件9可密 封地固定在第一罩體1。 光纖1 5係至少排列在通過該罩體1之第一罩體1的中 央區域中，該纖維端係延伸到參考壓力室25。爲了此目的， 安裝洞7係形成在延伸通過該第一罩體1的罩體中，其係 相對於至少在薄膜2之中央區域中，薄膜2之表面1〇形成 … 作爲第一光學反射區域1 〇之處。該光纖1 5係排列在該第 一罩體1之洞7內，並且以纖維密封構件6牢固地固定在 該洞7內。纖維15將光線饋送入與出到薄膜2的表面1〇 上’然而纖維1 5端則延伸到至少第一罩體1的該表面且此 纖維端16係形成作爲第二反射光學區域丨6，以該纖維端 16與薄膜2的反射區域1〇之間存在光學腔洞30的此種方 式來光學連接到薄膜2的該表面，其形成用來決定薄膜2 偏斜程度的測量部分且其係爲部分的布里-泊羅干涉計檢 測排列。 爲了將纖維15安裝在洞裡，使其端延伸入參考壓力室 25是有利的，其較佳地具有從第一罩體1內表面起十分之 幾毫米的距離。此距離必須足夠遠，以便可能以在纖維1 5 全直徑上平坦端表面可予以延伸的方式來硏磨與/或向下 磨光該纖維15端，其係形成第二反射光學區域16。此區域 充當半透明鏡子。較佳地，纖維15會予以向下拋光到第一 罩體1之內表面的相同程度。纖維15端之此第二反射區域 -17- 201003054 16與薄膜上第一反射區域之間的距離範圍是5至200微 米’較佳地是5至80微米，其包括腔洞30。此排列允許將 布里-泊羅干涉計耦合到移動薄膜的反射表面，以便能夠依 據欲測量的壓力來測量薄膜2的偏斜。進入的光線係藉由 至少一光纖15而連接到測量單元，且所產生的反射光信號 係藉由至少一光纖15來聚集。亦可能可在參考壓力室25 裡面纖維15的端表面16塗層以部分透明膜，較佳地爲半 r 透明膜。當以安裝程序如之前所描述地將測量單元安裝與 支撐在一起時，此塗層必須禁得起攝氏數百度的支撐溫度。 亦可能可使用藍寶石以作爲第一罩體1。不過，此材 料會比Al2〇3陶瓷更貴。 當將纖維15安裝在第一罩體1之安裝洞7的同時，纖 維15的位置係已經相關於薄膜2上的第一反射區域10來 事先決定。纖維15之平滑端面16會以高準確度平行薄膜 上的該第一反射區域10來對準，其係爲重要的問題。與平 i :: 行偏離的斜角應該不超過1.0毫拉德。 不同的玻璃糊狀物係高度適合當作用來安裝薄膜2與 罩體1，4以及安裝纖維15的密封材料3、3’、6。可依據操 作測量單元的施加溫度來選擇不同的類型。操作該單元的 一種較佳範圍係在150°C以上並且達到350°C。進一步較佳 的範圍是從1 5 0 °C到6 0 0。(：》 替代玻璃糊狀物之進一步非常合適的密封材料係爲使 用陶瓷附著劑，其禁得起至少達到650°C的溫度，或較佳地 -18- 201003054 至少達到600°C。例如，此陶瓷附著劑係由Aremco Pr〇ductse 公司，Valley Cottage，紐約州1 〇 9 8 9所製造。 以罩體來接合與密封薄膜2的進一步適當方法係爲銘 接合’然而’小膜或薄片鋁可使用於該些部件之間，並且 以發生擴散且使鋁氧化成氧化鋁的上升溫度而擠壓在一 起。 所有上述方法皆可使用於組合以及不同的密封位置。 爲了提高密封構件3、3’、6、9、9的穩固性，可提供 額外的保護性密封，以在如第2圖所示之測量單元外面的 表面上覆蓋該密封構件。爲了形成此保護性密封，較佳地 可提供玻璃糊狀物，其係在烘烤糊狀物以後形成上釉的保 護密封11、12。它可在連接到罩體1、4之薄膜2的周邊邊 緣上覆蓋纖維的密封構件6或密封構件3、3’或者它可施加 在兩密封構件排列上。假如陶瓷附著劑應用作爲密封構件 3、3 ’、6的話，保護密封1 1、12則可較佳地使用。此額外 的保護密封1 1、1 2較佳地使用於真空測量感應器單元的應 用。 本發明性測量單元可全部被加熱器排列所圍繞。以此 加熱器排列，該單元可予以加熱到特別以真空製程中之測 量真空壓力來測量之製程之有關物質的凝結溫度。該單元 的溫度較佳地設定在凝結溫度以上至少1 0。(3。有利的實際 溫度範圍是100°C至600 t。使用於此些製程的化學物質經 常非常具侵略性，且加熱係爲使其遠離測量單元之感應部 -19- 201003054 件的有效測量。這些測量確保在長期執行製程期間內，該 單元能以高準確性與高複製性來工作。 此一壓力測量單元的較佳實施例包括： 第一罩體1，由陶瓷材料製成； 薄膜2’由陶瓷材料製成，並且鄰近該第一罩體1地 排列’該薄膜實質上係爲平面且具有周圍邊緣，該薄膜2 的周圍邊緣係以參考壓力室25產生於該第一罩體1與該薄 / 膜2之間的此種方式藉由第一邊緣密封材料3接合到該第 一罩體1’該薄膜具有第一與第二相對表面，該薄膜2的 第一表面面對該第一罩體1，且該第一罩體i具有面對該 薄膜2的表面； 第二罩體4，由陶瓷材料製成，並且與該薄膜2相對 地放置’該第二罩體4係藉由第二邊緣密封材料3，來接 合到該薄膜的周圍邊緣，該第二罩體4連同該薄膜2形成 測量壓力室26’該第二罩體包括用來連接壓力測量單元到 、 欲測量媒介的口部5 ; 該第一罩體1、該第二罩體4與該薄膜2係沿著該薄膜 2的周圍邊緣牢固地連接；且至少在第一罩體1的中間區 域中’洞7係形成延伸經過該第—罩體丨，且至少在薄膜2 的中央區域中並相對於洞7，薄膜2的表面係形成爲第一 光學反射區域1〇;以及 光纖15係排列在該第一罩體1的洞7內，並且以纖維 密封構件6牢固地固定在該洞7內，以用來將光線饋送入 -20- 201003054 與出到薄膜2的表面10上’然而纖維15端會延伸到至少 第一罩體1的該表面，且此纖維端16係形成作爲第二反射 光學區域16，以該纖維端16與薄膜2之反射區域1〇間存 在光學腔洞30之排列的此種方式來光學連接到薄膜2的該 表面’其係形成用來決定薄膜2偏斜程度的測量部分，且 爲部分的法布里-泊羅干涉計檢測排列。 該罩體1，4與/或該薄膜2之至少其中一個係至少 部分地從礬土陶瓷Al2〇3製成。在一些情形中，有利的 是’該罩體1，4與/或該薄膜2之至少其中一個係至少部分 地從該型態藍寶石的礬土陶瓷A h 0 3製成。在一些情形中， 假如只有薄膜2從至少部分來自該型態藍寶石之礬土陶瓷 A 12〇3製成的話，其係是有利的。 爲了產生達到350°C之單元應用的較佳壓力測量單元 排列，提供以下步驟： 1. 直徑例如300微米的穿孔7係予以鑽孔成碟型平面 Al2〇3第一罩體1，其係較佳地使用高功率脈衝二氧化碳雷 射。 2. 高溫上釉糊狀物6係添加到洞7內，以致於它將完 全地塡滿。 3 .適當長度的光纖1 5，例如大約1 0公分的塗金熔化矽 土纖維（例如，漸進式多模型態，62.5微米核心）或藍寶 石光纖15係予以切割並插入穿過洞7。纖維15較佳地延伸 超過與引入纖維側相對之罩子側的表面。 -21- 201003054 4. 罩子纖維組合係以基本上在700-800°C之間的著火溫 度而在火爐中燒/烘烤與接合在一起。這會產生纖維到罩子 的固態接合，該接合係同時爲密封的氦漏氣。 5. 從罩子1的前側，纖維15連同硬化上釉劑6會予以 向下磨光到罩子1之前表面側的程度，結果導致在纖維端 上的光學品質表面16。 6. 可選擇：纖維端16可予以光學性塗層，例如，使 用PVD/CVD薄膜沈積技術，其具有單層（譬如氧化钽）或 多層介質塗層或半透明金屬塗層。 7. 高溫上釉糊狀物10係例如在陶瓷氧化鋁膜片/薄膜 2上網印，較佳地在中央區域，以產生1.0至10微米厚的 延伸上釉點並產生例如1.0 — 10.0微米厚的低反射度鏡子 10 ° 8. 可選擇：具有高溫玻璃糊狀物1 0的薄膜會在個別 步驟中在爐中燒/烘烤，以產生例如1.0至6.0微米厚的低 反射度鏡子1 0。 9. 可選擇：鏡子表面10可予以磨光，以提供足夠厚 到充當作硬基板的膜片2。 10. 可選擇：纖維端16與/或鏡子表面10可予以光學 塗層，以具有例如單一或多層介質塗層或半透明的金屬塗 層。 11. 不同部件係予以安裝在一起，並以它不影響鏡子 10以及纖維附著物6的此種方式而在溫度低於亦即基本上 -22- 201003054 在550-650 °C之高溫上釉之熔融溫度的真空熔爐中燒。 1 2.用來上釉的中間溫度糊狀物係沿著罩子的輪廓以 及/或者在膜片2上予以添加，且假如例如藉由網印而施加 在吸收劑室部件1 3、8、9上之Al2〇3以來安裝並密封此吸 收劑室1 3的話。 13·可選擇假如使用吸收劑室的話：低溫上釉劑9’可 例如藉由網印而添加到該吸收劑室部件。 14.標準CDG疏散製程係在ODG感應器上進行。 1 5 ·作爲連接部件5之適當金屬配管的焊接係以傳統 方式來進行。 16. 接著，將進行到周圍感應器結構的安裝，以放置 感應器到絕緣與加熱盒內。它包括在該絕緣中的小洞以及 用於光纖饋穿之盒子的牆壁。 17. 最後，用於纖維的標準連接可以基本上已知的 FP/PC或SC/PC連接器來提供。 V- 爲了產生達到600t之單元施加的較佳壓力測量單元 排列，可提供以下步驟： 1. 直徑例如300微米的穿洞7係予以鑽孔成碟型平面 Ah〇3罩體1 ’其係較佳地使用高功率脈衝二氧化碳雷射。 2. 陶瓷附著劑6，例如Aremco503VFG係添加到洞7 內，以致於它將完全地塡滿。 3 .適當長度的光纖1 5，例如大約1 〇公分的塗金熔化 砂土纖維（例如，漸進式多模型態，62.5微米核心）或藍 -23- 201003054 寶石光纖1 5係予以切割並插入穿過洞7。纖維1 5較佳地延 伸超過與引入纖維側相對之罩子側的表面。 4 .陶瓷附著劑6會根據其規格來固化，例如在9 3 °C、 260°C 與 372 °C 。 5. 高溫上釉糊狀物12會予以添加在罩子的後側上， 以密封陶瓷接合6。 6. 上釉糊狀物1 1係以基本上在700-800°C之間的著火 溫度而在火爐中燒/烘烤。這會產生纖維15到第一罩體1 的固態接合，該接合形成密封氦漏氣的保護密封11。 7. 從罩子1的前側，纖維15連同硬化陶瓷附著劑予 以向下磨光到前側的程度，結果導致在纖維端上的光學品 質表面。 8. 高溫上釉糊狀物1〇係例如在陶瓷氧化鋁膜片/薄膜 2上網印，較佳地在中央區域，以產生延伸上釉點並產生 例如1 . 0 — 6 · 0微米厚的低反射度鏡子1 0。 ί 9.可選擇：鏡子表面1〇可予以磨光，以提供足夠厚 到充當作硬基板的膜片2。 10. 可選擇：纖維端16與/或鏡子表面1〇可予以光學 塗層，以具有例如單一或多層介質塗層或半透明的金屬塗 層。 11. 陶瓷附著劑的環狀區域係予以添加到罩子與/或 在膜片2上。 12_不同部件係予以安裝在—起，且陶瓷附著劑會根 -24- .201003054 據其規格來固化，例如在93°C、260°C與372°C。 13. 中間溫度上釉1 2係添加在接合線上罩子1,4的外 面，以覆蓋與密封陶瓷接合3，3’。 14. 可選擇假如使用吸收劑室的話：低溫上釉9,9’可 例如藉由網印而添加到該吸收劑室部件。 1 5 .上釉係在低於高溫上釉劑之熔融溫度的溫度上在 爐中燒/烘烤，亦即基本上在550-65(TC，此方式不會影響 , 鏡子與纖維附著 4 16. 標準CDG疏散製程係在ODG感應器上進行，且同 樣地，作爲連接部件5之適當金屬配管的焊接係以傳統方 式來進行。 17. 接著，將進行到周圍感應器結構的安裝，以放置 感應器到絕緣與加熱盒中。它包括在該絕緣中的小洞以及 用於光纖饋穿之盒子的牆壁。

18. 最後，用於纖維的標準連接可以典型已知的FP/PC ί 或SC/PC連接器來提供。 替代性地產生多達600°C之單元應用的較佳壓力測量 單元排列，提供以下步驟： 1 ·直徑例如3 0 0微米的穿洞7係予以鑽孔成碟型平面 氧化鋁第一罩體1，其係較佳地使用高功率脈衝二氧化碳 雷射。 2.非常高溫的上釉糊狀物6，係添加到洞7內’以致 於它將完全地塡滿。 -25- 201003054 3. 適當長度的光纖15，例如大約10公分的藍寶石光 纖係予以切割並插入穿過洞7。纖維較佳地延伸超過與引 入纖維側相對之罩子側的表面。 4. 罩子-纖維組合係以基本上在大約1 300°C的著火溫 度而在火爐中燒/烘烤並接合在一起。這會產生纖維15到 第一罩體1的固態接合，該接合同時爲密封的氦漏氣。 5. 從罩子1的前側，纖維15連同硬化上釉劑6予以 向下磨光到前側的程度，結果導致在纖維端上的光學品質 表面1 6。 6. 可選擇：纖維端16可予以光學性塗層，例如，使 用物理蒸汽沈積/化學蒸汽沈積（PVD/CVD)薄膜沈積技術， 其具有單層（譬如Ta2〇5 )或多層介質塗層或半透明金屬塗 層。 7. 非常高溫的上釉劑係例如在陶瓷AhCh膜片/薄膜2 上網印，較佳地在中央區域，以產生延伸上釉點並產生例 如1.0 — 6.0微米厚的低反射度鏡子1 〇。 8. 可選擇：鏡子表面10可予以磨光，以提供足夠厚 到充當作硬基板的膜片2。 9. 可選擇：纖維端16與/或鏡子表面1〇可予以光學 塗層，以具有例如單一或多層介質塗層或半透明的金屬塗 層。 1 0.非常高溫的上釉糊狀物係沿著罩子的輪廓以及/ 或者在膜片2上予以添加，且假如例如藉由網印而施加在 -26- 201003054 吸收劑室部件13、8、9上之Al2〇3以來安裝並 劑室1 3的話。 11. 不同部件係予以安裝在一起，並在大 在爐子中燒。由於上釉材料的低黏著性，在製程 已經磨光的纖維1 5不會明顯地自其最初位置卷 12. 可選擇假如使用吸收劑室的話：低溫 例如藉由網印而添加到該吸收劑室部件。 1 3 .標準CDG疏散製程係僅僅使用高溫上 感應器上進行，且同樣地，作爲連接部件5之 管的焊接係以傳統方式來進行。 14. 接著，將進行到周圍感應器結構的安 感應器到絕緣與加熱盒中。它包括在該絕緣中 用於光纖饋通之盒子的牆壁。 15. 最後’用於纖維的標準連接可以典型£ 或SC/PC連接器來提供。 隨後，一些數目與數値會予以產生作爲較 係有助於定義該架構與產生方法，除了目前的 測量單元以外。以下設計數値係產生作爲用於 架構與/或生產方法的實例。 1. 光纖15的選擇： • 62.5/125微米漸進式矽土多模光纖 •核心直徑：62.5微米±3微米 •殼直徑：125微米±3微米 密封此吸收 灼 1 3 00。(：上 :的期間內， •動。 上釉9,9’可 釉而在ODG 適當金屬配 裝，以放置 的小洞以及 :知的FP/PC 佳實例，其 發明性壓力 適當與較佳 -27- 201003054 •在直徑以外的塗層：金155微米±15微米 •溫度限制：攝氏700度 2. 硏磨與/或磨光之特性的定義，其係相關於最小 必要的輸出信號（取決於所選分析器技術的數目）： a) 以干涉計爲主的系統： •需要較佳30% 、最小15%對比的干涉計。對比係定 義爲（最大-最小）/平均値。 •爲了得到此些數目，纖維磨光必須滿足以下規格： 一在纖維中心以上/以下的核心邊緣：<=50奈米 —纖維端平面16的傾角：< = lmrad 一纖維端平面的粗糙度<=10奈米（rms) b) 以光譜儀爲主的系統： •需要較佳5% 、最小1 %對比的干涉計 •此些數目係可根據標準連接器規格以標準或者甚至 更糟的磨光規格來得到： V 一在中心以上/以下的核心邊緣：<=250奈米 —纖維端平面16的傾角：< = 2mrad 一纖維端平面的粗糙度< =50奈米（rms ) 3. 排列在薄膜2上之延伸玻璃點10定義爲鏡子 10、各別主動光學區域、平區域、反射比、表面特性、直 徑、厚度： •主動區域（玻璃點）的最小厚度：在小於或等於6.0 微米的反射薄膜上，擴散薄膜表面沒有任何限制 -28- .201003054 •藉由網印之主動區域的適當厚度（未磨光）：丨.0— 10.0微米 .玻璃型態：高溫（700至800°C ) •主動、平區域的最小直徑：100微米 •主動、平區域、具有製造（中央）容忍度的最小直 徑：1毫米 •與整個區域（玻璃點直徑）相關之典型可用區域部 , 分（直徑）：50%最小 •例如：點直徑3.8毫米’主動區域直徑1 · 9毫米 •較佳玻璃點外直徑：3 — 4毫米 •折射率：1·723(@405 奈米）至 1.653(@1551 奈米） •真空中的反射（功率）：7% (@405奈米）至6% (@ 155 1 奈米） •最佳反射率：當纖維端16與玻璃點10具有大約30 %的相等反射率時（藉由添加光學塗層所得到） I ·最小反射率：大約6% •表面特性： 粗糙度< =50奈米（RMS )，刮痕-坑洞指定至少60 — 40 4. 傾角，作爲自纖維端16之兩光學反射表面/區域 與玻璃點10之表面的平行度偏離的角度（該數目取決於所 選的分析器技術）： a)以干涉計爲主的系統 -29- 201003054 •需要較佳3 0 % 、最小1 5 %對比 •爲了得到此些數目，最大傾角不會超過Imrad b)以光譜儀爲主的系統： •需要較佳5 % 、最小1 %對比 •爲了得到此些數目，最大傾角不會超過2mrad 5 . 在纖維端1 6與玻璃點1 〇 (腔洞）表面之間的光 學距離30 : - •距離的操作範圍：5至200微米、較佳爲5至80微 米（在範圍10至25微米的一些排列中可得到具有高訊號 輸出的特別好結果）。 雖然本發明的特定實施利已經予以顯示與詳細說明， 以闡明本發明原理的應用，但是將令人理解的是，本發明 可以別的方式實施而不會背離此些原理。 【圖式簡單說明】 在下文，本發明將藉由實例並槪要性地結合圖式來進 一步詳細解釋。該些圖式說明： 第1圖槪要地說明根據本發明所設計之光學膜片度量 計的截面圖，其具有整體安裝在該單元之第一罩體洞中的 纖維； 第2圖槪要地說明根據第1圖之光學膜片度量計的截 面，其具有覆蓋在薄膜周圍邊緣之密封構件與纖維之密封 構件的保護性密封。 【主要元件符號說明】 -30- 201003054 1 第一罩體 2 薄膜 3 密封構件 3， 密封構件 4 第二罩體 5 口部 6 密封構件 7 洞 8 蓋子 9 密封構件 9， 密封材料 10 鏡子 11 保護密封 12 保護密封 13 吸收劑室 14 疏散線 15 纖維 16 纖維端 25 參考壓力室 26 測量壓力室 30 腔洞 38 外部直徑 -31-

Claims (1)

1. 201003054 七、申請專利範圍·· 1. 一種壓力測量單元，包含： 第一罩體（1)，由陶瓷材料製成； 薄膜（2) ’由陶瓷材料製成，並且鄰近該第—罩體 地排列’該薄膜實質上係爲平面且具有周圍邊緣，該薄 膜（2)的周圍邊緣係以參考壓力室（25)產生於該第一 罩體（1)與該薄膜（2)之間的此種方式藉由第一邊緣 密封材料（3)來接合到該第一罩體（！），該薄膜具有 第一與第二相對表面’該薄膜（2)的第一表面面對該第 一罩體（1) ’且該第一罩體（1)具有面對該薄膜（2) 的表面； 第二罩體（4) ’由陶瓷材料製成，並且與該薄膜（2) 相對地放置’該第二罩體（4)係藉由第二邊緣密封材料 (3’）來接合到該薄膜的周圍邊緣，該第二罩體連 同該薄膜（2)形成測量壓力室（26)，該第二罩體包括 用來連接壓力測量單元到欲測量媒介的口部（5 ); 該第一罩體（1)、該第二罩體（4)與該薄膜（2)係 沿著該薄膜（2)的周圍邊緣牢固地連接；且至少在第一 罩體（1 )的中間區域中，洞（7 )係形成延伸經過該第 一罩體（1) ’且至少在薄膜（2)的中央區域中並相對 於洞（7) ’薄膜（2)的表面係形成爲第一光學反射性 區域（10 );以及 光纖（15)係排列在該第一罩體（1)的洞內， 並且以纖維密封構件（6)牢固地固定在該洞（7)內， -32- 201003054 以用來將光線饋送入與出到薄膜（2)的表面上，然而纖 維（15)端會延伸到至少第一罩體（1)的該表面，且此 纖維端（1 6 )係形成作爲第二反射光學區域（1 6 )，以 該纖維端（16)與薄膜（2)之反射區域（10)間存在光 學腔洞（3 0 )之排列的此種方式來光學連接到薄膜（2 ) 的該表面’其係形成用來決定薄膜（2 )偏斜程度的測量 部分，且爲部分的法布里-泊羅干涉計檢測排列。 2_如申請專利範圍第1項之測量單元，其中該罩體（1，4 ) 與該薄膜（2 )的至少其中一個係至少部分地從氧化鋁陶 瓷氧化鋁製成。 3 .如申請專利範圍第2項之測量單元，其中該罩體（1，4 ) 的至少其中一個與該薄膜（2)係至少部分地從包含藍寶 石的氧化鋁陶瓷氧化鋁製成。 4 ·如申請專利範圍第2項之測量單元，其中該薄膜（2 )係 從至少部分爲藍寶石的氧化鋁陶瓷AhCh製成。 5 .如申請專利範圍第1項之測量單元，其中具有第二反射 光學區域（16)的纖維端表面對應該第—罩體（1)之該 內表面的平面。 6 .如申請專利範圍第1項之測量單元，其中至少在相對於 洞（7)之區域中的薄膜（2)表面係由表面形成第一光 學反射區域（10)的延伸平玻璃點所：胃蓋。 7.如申請專利範圍第1項之測量單元，其中第一邊緣密封 材料（3)與第二邊緣密封材料（3’）的至少其中一個係 •33- 201003054 爲經得起溫度至少達到35〇t的玻瑪焊料。 8 .如申請專利範圍桌1項之測量單元，其中第一邊緣密封 材料（3)與第二邊緣密封材料（3，）的至少其中一個係 爲經得起溫度至少達到600。(：的玻璃焊料。 9·如申請專利範圍第1項之測量單元，其中第一邊緣密封 材料（3)與桌一邊緣密封材料（3’）的至少其中一個係 爲氧化成氧化鋁的鋁接合。 1 0.如申請專利範圍第1項之測量單元，其中第一邊緣密封 材料（3)與第一邊緣密封材料（3’）的至少其中一個係 爲經得起溫度至少達到600°c的陶瓷黏合劑。 1 1.如申請專利範圍第1項之測量單元，其中纖維密封構件 (6 )係爲經得起溫度至少達到3 5 〇 的玻璃接合物。 1 2.如申請專利範圍第1項之測量單元，其中纖維密封構件 (6 )係爲經得起溫度至少達到6 〇 〇 °c的陶瓷黏合劑。 1 3 ·如申請專利範圍第1 0項之測量單元，其中第一邊緣密 封材料（3)與第二邊緣密封材料（3’）的至少其中一個 與纖維密封構件（6 )係覆蓋在具有玻璃接合劑材料之額 外保護密封之測量單元排列的外面。 1 4 ·如申請專利範圍第1項之測量單元，其中薄膜塗層係施 加到該等纖維端表面（16)的至少其中之—表面與薄膜 (2)的該反射區域（1〇)。 1 5 _如申ira專利範圍桌1項之測量單元，其中薄膜（2 )的 厚度範圍是10微米至250微米。 -34- 201003054 1 6 .如申§靑專利範圍第1項之測量單元，其中測量單元排列 包括第一罩體（1)、第二罩體（4)與形成直徑範圍5 至80毫米之碟形排列的薄膜（2 )。 i 7 •如申請專利範圍第丨項之測量單元，其中該測量單元排 列係形成作爲真空測量單元排列，其中該參考壓力室 (25 )係爲真空室且該測量壓力室（26 )係形成作爲測 量真空室。 ,... 1 8 . —種製造壓力測量單元的方法，包含： 提供由陶瓷材料製成的第一罩體（1); 提供由陶瓷材料製成並緊鄰該第一罩體（1)來排列 的實質平面薄膜（2) ’且該薄膜（2)具有周圍邊緣， 該薄膜（2)的周圍邊緣將藉由第—邊緣密封材料（3) 接合到該第一罩體（1): 體 罩 1 第 該 在 膜 薄 該 與 間 之 室 面 表 對 相二 第 與1 第 有 具 膜 薄 該 力 2 壓 C 考膜 參薄 生該 產 第 該 對 面 面 表 一 第 的 膜 薄 該 對 面 有 具 體 罩i 第 該 且 \)y 11 體面 , 的 膜 薄 該 於 對 相 並 成 製 料 材 瓷’ 陶4) 由 C 供體 提罩二 4 /V 體 罩 二 第 該 第 由 藉 係 第材 的封 置密 放緣 >邊 緣 邊 圍 周 的 膜 薄 該 到 > > 合 2 接( }膜 ’3 薄 C 該 料同 第 該 室 力 壓 量 測 成 形 該 □ 的4) 介 C 媒體 量罩 測二 所第 到該 元 、 1 ) 量 1 測^ 力體 壓罩 接一 連第 來該 用 第部 連括 ) 包 4 mm ( 骨 體罩 罩-- 膜 薄 該 與 -35- .201003054 係沿著該薄膜（2)的周圍邊緣牢固地連接； 至少在第一罩體（1)的中央區域提供延伸經過該第 —罩體（1 )的洞（7 ); 藉由形成作爲第一光學反射區域（1〇)，至少在薄膜 (2)中央區域中並且相對於洞（7)處提供薄膜（2)的 表面區域（1 0 ):以及 提供排列在該第一罩體（1 )之洞（7 )內，並且以纖 , 維密封構件（6 )將它牢固地固定在該洞（7 )內的光纖 (15)，以用來將光線饋送入與出到薄膜（2)的表面（1〇) 上，然而該纖維（1 5 )端係予以放置延伸到第一罩體（1 ) 的至少該表面並且形成此纖維端（16)以作爲第二反射 光學區域（16)，用以光學連接到薄膜（2)的該表面（10)， 其係以該纖維端（1 6 )與薄膜（2 )反射區域（1 〇 )之間 包括光學腔洞（30)的排列方式形成用來決定薄膜（2) 偏斜程度之測量部分’且其爲部分法布里-泊羅干涉計檢 測排列。 -36-