光纤珐珀高温压力传感器的设计与性能测试

㊀2021年㊀第4期
仪表技术与传感器
Instrument㊀Technique㊀and㊀Sensor
2021㊀No.4㊀
基金项目:2014年河南省科技厅科技攻关项目(142102210599)收稿日期:2020-04-22
光纤珐珀高温压力传感器的设计与性能测试
赤㊀娜,张㊀瑶
(郑州工业应用技术学院,河南郑州㊀451100)
㊀㊀摘要:为了提高传感器在高温恶劣环境下的测试性能,结合单晶蓝宝石优异的特性,研究了一种能在高温恶劣环境下长期稳定工作的全蓝宝石光纤珐珀高温压力传感器,并对其设计㊁制造工艺及性能测试进行了详细的分析说明㊂首先,利用光纤珐珀干涉原理及斐索干涉仪的信号解调原理,对传感器进行
溶角蛋白酶了结构的设计;其次,采用蓝宝石刻蚀工艺㊁激光加工工艺及对蓝宝石三层结构的直接键合工艺完成了对传感器的工艺加工;最后,对制造的传感器进行了常温环境下的密封性测试及高温环境下的性能测试,测试结果表明:制造的高温压力传感器具备良好的密封性,且在高温环境下具有良好的线性响应,且温度在900ħ时传感器的灵敏度可达3.035nm/kPa,可以长期在高温环境下稳定工作㊂关键词:高温压力;蓝宝石;光纤珐珀
中图分类号:TP212㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1002-1841(2021)04-0008-06
DesignandPerformanceTestofFiberFabryPerot
HighTemperaturePressureSensor
CHINa,ZHANGYao
(ZhengzhouUniversityofIndustrialTechnology,Zhengzhou451100,China)
Abstract:Inordertoimprovethetestingperformanceofthesensorinhightemperatureandharshenviro
nment,combinedwiththeexcellentcharacteristicsofsinglecrystalsapphire,akindofallsapphirefiberFabryPerothightemperaturepressuresensorwhichcanworkstablyinhightemperatureandharshenvironmentforalongtimewasstudied,anditsdesign,manufacturingprocessandperformancetestwereanalyzedindetail.Firstly,thestructureofthesensorwasdesignedbyusingthefiberFabryPerotinterfer⁃enceprincipleandthesignaldemodulationprincipleoftheFizeauinterferometer.Secondly,thesapphireetchingtechnology,laserprocessingtechnologyandthedirectbondingtechnologyofthesapphirethree⁃layerstructurewereusedtocompletetheprocessingof
thesensor.Finally,thesealingtestunderthenormaltemperatureenvironmentandhigh⁃temperaturepe
rformancetestofthesensorwerecarriedoutThetestresultsshowthatthehightemperaturepressuresensorhasgoodsealingperformanceandgoodlinearre⁃sponseinhightemperatureenvironment,andthesensitivityofthesensorcanreach3.035nm/kPawhenthetemperatureis900ħ,
andcanworkstablyinhightemperatureenvironmentforalongtime.Keywords:hightemperaturepressure;sapphire;fiberFabryPerot
0㊀引言
无论是以前的煤炭挖掘㊁石油开采等方面的能源采集,还是现如今的航空航天㊁无人机监测等领域,压力参数在高温恶劣环境下的原位测试都有着非常广泛的应用[1-5]㊂比如飞机发动机㊁飞速运行的火箭及飞船发动机的动力装备长期在高温㊁高压及强腐蚀性的恶劣环境下工作㊂这些恶劣的环境很难保障常规的压力传感器长时间工作㊂但是高温压力传感器的出现对发动机在恶劣环境下的压力参数的原位监测㊁提高发动机燃料的燃烧性能及对飞行器的飞行状态进行实时的健康监测有着重大意义[6-10]㊂
随着现代社会的不断发展和进步,新一代飞行器的发动机对高温升㊁高热容提出了更高的要求,其燃烧室的燃烧温度甚至超过了1700ħ㊂飞行器飞行过程造成的喘振㊁通气道发生变形及其他部件的相互摩擦等都会成为发动机燃烧的不稳定因素,从而导致发动机燃烧室的室壁出现共振,缩短使用寿命,甚至造成灾难性事故[11-12]㊂因此,实时监测发动机燃烧室的压力参数对延长发动机的使用寿命㊁提高发动机性能㊁增强发动机运行过程中的安全系数有着非常重要的意义㊂
针对常规压力传感器无法应用于实际工作的超高温环境中,目前的压力检测方法主要有以下两种:一是使用水冷或气冷压力传感器,这种传感器的工作
互联网情报
㊀㊀㊀㊀㊀第4期赤娜等:光纤珐珀高温压力传感器的设计与性能测试9㊀㊀
温度可达1300ħ,但是这两种传感器的测量系统比
较复杂且精度也不高;二是将长引压管应用于压力传
感器的测量过程中,用其传递压力的功能将压力从高
温区引到常温区进行测试,但这样难以做到准确性和
实时性㊂综上所述,研究一款可在超高温环境下进行
压力参数原位测试的压力传感器显得十分重要㊂
综上所述,针对当前超高温恶劣环境下对压力参
数测试的强烈需求,本文利用单晶蓝宝石的耐高温特
性㊁优异的电绝缘特性及光学特性,结合光纤珐珀干
涉原理及斐索干涉仪的信号解调原理,对全蓝宝石光
纤珐珀高温压力传感器进行了结构的设计;然后通过
蓝宝石刻蚀工艺㊁激光加工工艺及直接键合工艺对全
蓝宝石光纤珐珀高温压力传感器进行了制造;最后构
建高温-压力复合测试系统,完成了对压力传感器在
高温环境下的性能测试,测试结果表明设计制备的光
纤珐珀高温压力传感器具有非常优异的性能㊂
1㊀全蓝宝石光纤珐珀高温压力传感器的原理及设计
1.1㊀光纤珐珀干涉原理
珐珀干涉仪是以2个平行玻璃板为光学模型进行
的干涉㊂假设2个玻璃板之间的距离为d,介质折射
率和环境介质的折射率分别为n和n0㊂当一束光从
玻璃板上表面以θ1的角度入射时被分解成反射光和透
射光,当透射光经过玻璃板下表面时继续被分解成反射
光和透射光㊂这束光经过反复的折射与反射形成了许
多彼此不相干的反射光和透射光,具有相同频率和光程
差的任意两束相干光均能产生等倾干涉条纹[13]㊂
2根光纤用中空玻璃管密封,其距离为L的2个
端面形成珐珀腔,这个L就代表光纤珐珀腔的腔长㊂
依据干涉原理,光纤珐珀结构中的反射光强IR可用式
(1)表示为
IR=2R(1-cosϕ)
1+R2-2RcosϕI0(1)
式中:I0和R分别为入射光光强和光纤端面反射率;ϕ
为光束相位变化㊂
用式(2)表示如下:
ϕ=4πλn0L(2)
将式(2)代入式(1)可得反射光强IR为
IR=2R(1-cos4πλn0L)
1+R2-2Rcos4πλn0L
I0(3)
1.2㊀基于斐索干涉仪的信号解调原理
一般地,光纤珐珀干涉信号包含强度解调和相位解调,本文利用相位解调中的非扫描式相关解调方法㊂其采用精度更高的光楔代替扫描式的可调谐珐珀传感器㊂如图1所示为斐索干涉仪的信号解调系统,其可以实现腔长为9 22μm的解调,主要包括超辐射发光二极管(SLD)宽带光源㊁2ˑ1光纤耦合器㊁光纤珐珀传感器㊁斐索干涉仪㊁柱面镜及CCD阵列㊂解调原理为:由SLD发出的光经过耦合器进入到光纤珐珀传感器产生的信号再通过柱面透镜准直后照射于斐索干涉仪上
图1㊀基于斐索干涉仪的光纤珐珀结构解调原理1.3㊀全蓝宝石光纤珐珀高温压力传感器结构设计图2为本文设计的全蓝宝石光纤珐珀压力传感器的结构,主要包含由敏感膜片和蓝宝石刻蚀槽构成的珐珀腔㊁内插光纤的石英套管及蓝宝石基座
图2㊀蓝宝石光纤珐珀压力传感器结构
将蓝宝石敏感膜片㊁带有刻蚀槽的蓝宝石晶片及带通孔的蓝宝石基座3层结构从上至下通过键合的方式形成全蓝宝石敏感头㊂将用石英套管固定好的多模光纤(芯径和包层直径分别为62.5μm和125μm)插入到第3层带通孔的蓝宝石基座中,连接处用高温单组份氧化铝陶瓷胶固定好㊂光纤珐珀干涉仪的2个反射面由蓝宝石刻蚀浅槽的底面和敏感膜片的内表面构成㊂当光通过光纤进入珐珀压力传感器进行干涉产生的带有腔长信息的光谱即可确定珐珀腔的腔长值㊂当有外界压力作用时,敏感膜片发生形变导致珐珀腔的腔长发生改变,腔长的改变会使输出光信号发生变化,结合腔长与干涉信号的变化关系即可求解出外界压力的大小㊂
圆形膜片的中心挠度变化可根据其变形理论得出,如式(4)所示:
㊀㊀
㊀10
㊀InstrumentTechniqueandSensor
Apr.2021㊀
ωmax=
3pr4(1-ν2)
16EH3
光端机箱(4)
式中:r和H分别为圆膜片的半径和厚度;ν和E分别为材料的泊松比和杨氏模量;p为外界施加的压力㊂
为了使微型的传感器具备较高的灵敏度,选择的圆形膜片应遵循线性原则㊁抗过载能力原则㊁灵敏度原则,因此本文选择周边固支形式的敏感膜片㊂设计的传感器敏感单元总体尺寸为10mmˑ10mm,敏感膜片的半径和厚度分别为3mm和220μm,光纤珐珀腔的腔长为18μm左右㊂
2㊀全蓝宝石光纤珐珀高温压力传感器的工艺设计与制备
设计的全蓝宝石光纤珐珀高温压力传感器的工艺如图3所示
图3㊀全蓝宝石光纤珐珀高温压力传感器制备工艺流程图
首先,在硅片上用紫外激光打孔技术打上圆形通孔,将其作为硬掩模对蓝宝石进行圆形浅槽的ICP刻蚀㊂同时准备好具有指定厚度的蓝宝石敏感膜片及蓝宝石基座结构㊂然后利用直接键合法完成高温压力敏感头的制备㊂为了降低键合难度,将3层晶片均切割成10mmˑ10mm的大小后进行直接键合,完成后连接上插有多模光纤的空石英套管就形成了全蓝宝石光纤珐珀高温压力传感器㊂
2.1㊀蓝宝石刻蚀工艺
重钙粉生产设备首先在大小为2英寸㊁厚度为400μm的双抛硅片上利用纳秒紫外激光器造出间距为10mm,直径分别为5mm和6mm的通孔作为蓝宝石的刻蚀图形㊂其次用高温蜡将硅片粘结固定于2英寸蓝宝石晶片上(厚度为430μm,粗糙度为0.45nm)一起放入ICP系统中进行刻蚀,刻蚀时间为130min㊂最后经过测试得蓝宝石上的腔深度为16 18μm,粗糙度小于0.5nm,非常光滑平整㊂
2.2㊀蓝宝石基座激光加工工艺
本文利用超短脉冲激光器发射的高能量紫外激光束完成蓝宝石基座的加工,这种激光束可彻底破坏材料表面原子间的连接键,将材料清除干净㊂激光器发出的光束能量集中,对周围基本不形成热影响,
对高熔点㊁硬脆性材料非常适合㊂通过激光器加工的蓝宝石基座尺寸单元大小为10mmˑ10mm,通孔半径为
0.5mm㊂
2.3㊀蓝宝石三层结构直接键合工艺
将减薄的蓝宝石敏感膜片㊁带有圆柱形浅槽的蓝宝石晶片及带通孔的蓝宝石基座3层结构从上至下通过键合的方式形成全蓝宝石敏感头㊂键合过程中不但要确保压力腔的真空密封,而且还要保证连接处平整以保证信号的有效传输㊂因此,本文首先对3层结构进行彻底的表面杂质清除,然后再利用高温进行键合,键合的温度为1200ħ,压力为4MPa,时间为120min,键合后的全蓝宝石高温压力敏感头如图4所示
图4㊀键合形成的全蓝宝石压力敏感头
为了对键合后的蓝宝石结构进行有效的评估,用
SEM对3层结构的截面进行了表征,表征结果如图5
所示㊂从图5(a)中我们可以看到制备的蓝宝石基座上下孔径大小一样,具有非常好的垂直度,完全能够满足内套光纤的石英套管插入基座时对垂直度的要求㊂我们从图5(b)㊁图5(c)中还可明显看到通过键合方式形成的2个键合界面,且键合界面相对紧密㊂
首先放大观察第1个键合界面,如图5(d)所示,我们可以清楚地看到键合空腔完整垂直,对其高度进行了测量,大约为16.23μm㊂然后对第2个键合界面进行了放大观察,如图5(e)㊁图5(f)所示,可以明显看到第2个键合界面出现了高度为20nm的微小孔洞,这是由于表面存在的颗粒引起的,但是我们对第2个键合界面的密封性不做要求㊂从SEM的表征结果我们可以发现蓝宝石3层结构的直接键合可同时满足压力腔的密封性与基座的垂直紧密连接,完全满足全蓝宝石压力传感器光学信号传输㊂
3㊀全蓝宝石光纤珐珀高温压力传感器的性能测试与分析
3.1㊀常温下密封性能测试
测试系统的原理及实物图如图6所示,常温下搭
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㊀第4期赤娜等:光纤珐珀高温压力传感器的设计与性能测试
11㊀
石油测井仪器
图5㊀3层蓝宝石结构直接键合界面SEM表征
建的光谱测试系统如图6(b)所示,将制造的全蓝宝石光纤珐珀高温压力传感器放置密闭压力罐内,将光纤用转接头㊁法兰盘与光纤耦合器的一端连接,耦合器的另一端与光源和光谱仪连接㊂测试系统以卤素灯为光源,当点亮光源后发出的光信号经过光纤耦合器传输到传感器中,由传感器产生的干涉信号通过光纤及耦合器返回到海洋光谱仪中㊂当气压泵改变密封罐中的气压时,如果珐珀腔的密封性是否良好,就会导致传感器的敏感膜片发生变形,从而引起干涉光谱发生偏移㊂不同气压下传感器产生的干涉光谱如图7所示㊂干涉光谱随压力的逐渐增大向左发生偏移,这就说明传感器的腔长发生了变化,根据这个原理我们就可以判断制造的传感器珐珀腔的密封性良好㊂随后将保持传感器在0.4MPa压力下600min,可以发现干涉光谱非常稳定,没有发生任何偏移,进一步验证了本文制造传感器具有良好的气密性㊂3.2㊀高温性能测试
经过密封性能测试后,我们将制造的压力传感器放置于搭建的高温-压力复合测试系统对其进行高温性能的测试,搭建的测试系统如图8所示㊂放置传感器于加热陶瓷盘上,密封性由密封连接件及密封圈保证㊂传感器由光纤转接头与斐索解调仪连接,采集的解调仪数据传输给PC机处理
(a)测试系统原理
(b)测试系统实物图
频率控制字
图6㊀
压力传感器常温测试系统原理与实物图
图7㊀
制造的传感器在不同压力下的光谱偏移
(a)测试系统原理
(b)测试系统实物图图8㊀压力传感器高温测试系统
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㊀12㊀InstrumentTechniqueandSensor
Apr.2021㊀
本文从制造的一批传感器中随机拿出2支分别标
记为A和B,现对这2个传感器进行温度范围为200
800ħ的测试,传感器A和传感器B的压力响应特性如图9所示㊂其中传感器A最高的工作温度为800ħ,
传感器B的最高工作温度为900ħ㊂从2个图可以较为明显地看出,2个传感器的腔长与压力成线性变化,证明制造的传感器具备非常好的线性度㊂同时也可看到在不同的温度下,初始腔长和灵敏度发生了零点漂移和灵敏度漂移
(a)传感器
(b)传感器B
图9㊀全蓝宝石高温压力传感器测试结果
对传感器各温度下的初始值进行提取并拟合,得到的腔长与温度的关系如图10所示,当温度从25ħ上升至800ħ时,传感器A的初始腔长从17346nm增大至18314nm,总共变化了968nm㊂当温度从25ħ上升至900ħ时,传感器B初始腔长从16185nm增大至16880nm,总共变化了695nm㊂从图10中可看出相同温度下,传感器B的初始腔长变化比传感器A小,
这是由传感器制备过程中放置在加热陶瓷盘上的位置不同造成的㊂无论是传感器A还是传感器B,其零点温度漂移都近似成线性变化,且初始腔长与温度成正比关系,这是因为随着温度的逐渐升高,材料的热膨胀越明显,后期的温度补偿可有效解决传感器的零点温度漂移㊂经过详细的计算可得传感器A的零点漂移温度系数及温度引起的压力测量误差分别为
1.35nm/ħ和0.52kPa/ħ,传感器B的零点漂移温度系数及温度引起的压力测量误差分别为0.79nm/ħ和0.276kPa/ħ
(a)传感器A
(b)传感器B
图10㊀传感器初始腔长与温度的关系
对2个传感器在压力响应曲线中各温度点对应的灵敏度进行拟合,并对其灵敏度漂移进行计算,经过分析后的结果如图11所示㊂当温度从25ħ上升至
800ħ时,传感器A的灵敏度从2.569nm/kPa增大到
2.762nm/kPa,计算得到的灵敏度漂移温度系数为0.00025nm/(kPa㊃ħ),变化较小㊂当温度从25ħ上升至900ħ时,传感器B的灵敏度从2.86nm/kPa变化至3.035nm/kPa,计算得到的灵敏度漂移温度系数为0.002nm/(kPa㊃ħ)㊂传感器灵敏度之所以会发生微小的变化,是由于越来越高的温度导致蓝宝石的杨氏模量和泊松比发生了变化,蓝宝石的杨氏模量与温度成反比关系,当同样的外力作用于敏感膜片上时,形变越大则灵敏度越高,这是无法避免的㊂结合零点温度漂移分析,温度会对传感器的压力测量带来了微小的误差,可忽略不计㊂
我们对传感器A进行了常温与800ħ温度下的正反行程测试,压力响应曲线如图12所示㊂从图1
2可以明显地看出,制造的传感器在升压和降压2个过

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