高溫光纖法珀壓力傳感器研究進展

高紅春，唐才杰，藍 天，王學鋒

(1.北京航天控制儀器研究所，北京 100854；2.北京光纖傳感系統(tǒng)工程技術研究中心，北京 100094)

0 引言

航空航天、石油電力、化工冶煉等高溫環(huán)境下的壓力測量需求越來越大。例如，在飛行器飛行過程中，表面溫度高于1 000 ℃，表面壓力的測量可用于姿態(tài)控制分析；各類大型發(fā)動機的管路、燃燒室溫度高于600 ℃，其壓力是分析發(fā)動機推力的重要參數(shù)；石油煉制過程中，反應裝置的溫度高于500 ℃，其壓力的測量可用于結構健康監(jiān)測，避免發(fā)生災難。

對于高溫環(huán)境下的壓力測量，可以采用直接法和間接法。間接法是利用引壓管將待測高溫壓力介質引出并降溫，再通過常溫壓力傳感器實現(xiàn)壓力測量。該方法簡單易實現(xiàn)，但是具有遲滯性，且測量精度低。直接法是將高溫壓力傳感器直接置于高溫環(huán)境中進行壓力測量，響應快、測量精度高。高溫壓力傳感器可分為壓阻式、壓電式、電容式以及光纖式。壓阻式高溫壓力傳感器利用半導體材料(如絕緣體上單晶硅、藍寶石上硅、碳化硅等)的壓阻效應研制而成，然而由于高溫環(huán)境下漏電流增大，材料熱膨脹系數(shù)不匹配等問題導致傳感器性能惡化，工作溫度大多在600 ℃以下[1-3]。壓電式高溫壓力傳感器利用新型耐高溫的壓電材料(如鈣鋁硅酸鹽壓電晶體等)研制而成，但高溫環(huán)境下晶體會出現(xiàn)相變、熱穩(wěn)定性變差等，傳感器工作溫度適宜在700 ℃以下[4]。上述兩類傳感器的壓力敏感芯體與放大電路之間、內(nèi)部引線孔內(nèi)都需要填充隔熱材料，當溫度過高時還需添加水冷散熱裝置等，使放大電路能夠正常工作。電容式高溫壓力傳感器利用耐高溫材料(如單晶硅、碳化硅和耐高溫陶瓷等)構造電容腔，可以用無線無源的方式實現(xiàn)信號傳輸，但溫度升高導致無線信號耦合效率降低，適用于600 ℃以下工作[5-6]?；诜ㄧ旮缮鎯x(Fabry-Perot interferometer，F(xiàn)PI)的光纖壓力傳感器具有耐高溫、體積小、質量輕、抗電磁干擾、本征安全等優(yōu)點，廣泛應用于航空航天、工業(yè)、醫(yī)療等領域[7-9]。高溫光纖法珀壓力傳感器的最高工作溫度可達1 000 ℃[10]，有望解決高溫環(huán)境下壓力測量難的問題。

高溫惡劣應用環(huán)境對光纖壓力傳感器的設計、材料和封裝都提出了很大的挑戰(zhàn)。本文將從工作原理、FPI探頭材料及制作、傳感器封裝3個方面對國內(nèi)外報道的高溫光纖法珀壓力傳感器的研究進行分析與總結。

1 光纖FPI壓力傳感器的工作原理

光纖FPI可以分為無膜開腔式FPI[11]和膜片式FPI[12-15]兩類，分別如圖1(a)和圖1(b)所示。SMF為單模光纖，HCF為空芯光纖，CF為無芯光纖。FPI的光學腔長由腔內(nèi)折射率和腔體長度共同決定。無膜開腔式FPI是利用腔內(nèi)折射率隨壓力發(fā)生變化，F(xiàn)PI的光學腔長隨之發(fā)生變化，實現(xiàn)壓力傳感。然而，腔內(nèi)折射率受到壓力、溫度、氣體成分等因素綜合影響，不適于高溫復雜惡劣環(huán)境的測量。膜片式FPI是利用感壓膜片在外界壓力作用下發(fā)生形變，F(xiàn)PI的光學腔長隨之發(fā)生變化，實現(xiàn)壓力傳感，如圖1(c)所示。膜片式FPI可以用于測量氣體，也可以用于測量液體，可應用于航空航天發(fā)動機、燃氣輪機等高溫高壓、氣液混合的復雜惡劣環(huán)境中。

圖1 光纖FPI壓力傳感器結構及工作原理圖

膜片式FPI的壓力靈敏度Sp由感壓膜片的尺寸、楊氏模量和泊松比共同決定，可以表示為[13]

(1)

式中：ΔY為壓力變化Δp時感壓膜片中心的形變量；R和h分別為感壓膜片的有效半徑和厚度；E和υ分別為感壓膜片的楊氏模量和泊松比。

由小撓度彎曲理論得出，為了保證感壓膜片形變的線性，膜片形變量要求為其厚度的20%以內(nèi)[16]，即要求：

ΔY=ΔpSp≤0.2h

(2)

因此，壓力量程的最大值pmax為

(3)

對于光纖法珀壓力傳感器，希望有較大的壓力靈敏度和測量量程、較寬的工作溫度范圍。由式(3)可以看出，壓力靈敏度與壓力量程成反比。因此，需要合理設計膜片尺寸，以同時滿足壓力靈敏度和量程的需求。在確定的壓力量程范圍內(nèi)，光纖法珀壓力傳感器的工作溫度由FPI探頭及其封裝結構共同決定。高溫環(huán)境下，感壓膜片機械性能會變差，探頭元件之間及封裝結構的固定連接會出現(xiàn)松脫等問題，導致傳感器性能變差，甚至損壞。因此，研究人員對不同材料的FPI探頭及其制作工藝、傳感器的封裝進行了大量的研究。

2 FPI壓力探頭材料及制作

在傳感器的研制中，F(xiàn)PI探頭材料的選擇是非常重要的，材料的熔點或軟化點、機械強度等對傳感器的性能有很大的影響。耐高溫FPI探頭的材料有熔融石英、硅、藍寶石、碳化硅，其性能參數(shù)[17]如表1所示。傳統(tǒng)的光纖壓力傳感器采用腐蝕方式制作探頭元件，膠粘方式連接探頭元件及尾纖，這影響了傳感器的結構強度，限制了傳感器的工作溫度。近年來，飛秒激光微納加工技術[18-20]、微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical systems，MEMS)加工技術[21-23]、鍵合技術[24-26]、激光焊接技術等不斷發(fā)展，為光纖法珀壓力傳感器的研制提供了重要的技術支撐。

表1 高溫FPI探頭材料的性能參數(shù)

2.1 石英FPI壓力探頭

目前，基于石英FPI的光纖壓力傳感器的研究已經(jīng)相對成熟，美國的Virginia理工大學、美國MOI公司、加拿大FISO公司，以及國內(nèi)的北京理工大學、武漢理工大學都對其開展了廣泛的研究。石英FPI有全光纖FPI和全石英FPI兩種，如圖2所示。圖2(a)是由SMF和多模光纖(multi-mode fiber，MMF)構成的全光纖FPI，法珀空腔及膜片由氫氟酸腐蝕MMF形成[14]。圖2(b)是由SMF、HCF和CF構成的全光纖FPI的剖面圖，法珀空腔由HCF形成，膜片厚度由光纖研磨機和飛秒激光控制，膜片端面經(jīng)飛秒激光粗糙化處理[15]。圖2(c)是由SMF、毛細石英管和MMF構成的全石英FPI，法珀空腔由毛細石英管形成，膜片厚度由光纖研磨機控制[27]。石英FPI采用切割刀剪切光纖與石英管，直接利用HCF或石英管的空腔，氫氟酸腐蝕形成空腔，光纖熔接機拼接、研磨機減薄膜片等方法制作而成，制作過程相對簡單易實現(xiàn)。

圖2 石英FPI

SMF、HCF、CF、MMF和毛細石英管都是熔融石英，是二氧化硅的非晶態(tài)，軟化點在1 600 ℃左右。但是，熔融石英在較低的溫度下就開始發(fā)生蠕變，從而限制了石英FPI壓力傳感器在高溫下的性能。研究結果表明，石英光纖法珀壓力傳感器在550 ℃左右連續(xù)工作時開始發(fā)生蠕變，可靠性變差[14]。

2.2 硅-玻璃FPI壓力探頭

圖3(a)為硅-玻璃FPI，單晶硅片作為感壓膜片，硅片與Pyrex玻璃通過陽極鍵合的方法固定。圖3(b)為北京理工大學張韜杰等研制的高精細度光纖壓力傳感器，傳輸光纖通過紫外固化膠(UV膠)與Pyrex玻璃固定[28]，工作溫度較低。天津大學江俊峰等研制的光纖壓力傳感器利用CO2激光器熔接傳輸光纖與玻璃通孔[29]，形成無膠固定的光纖壓力傳感器，可提高光纖壓力傳感器的工作溫度。硅-玻璃FPI多利用MEMS、陽極鍵合、激光焊接等技術研制而成，制作工藝成熟。MEMS技術便于批量制作，已廣泛應用于單晶硅等薄膜制作和微型空腔制作。硅-玻璃的陽極鍵合是將相對面已經(jīng)研磨拋光的玻璃片與硅片相疊放置，再加熱并向玻璃施加幾百伏的負電壓，則玻璃片與硅片因靜電引力的作用在界面處產(chǎn)生共價鍵合。陽極鍵合技術在1969年由G. Wallis和D. Pomerantz提出[30]，至今已經(jīng)相當成熟。光纖與玻璃屬同種材料，其激光焊接技術也已成熟。

圖3 硅-玻璃FPI

基于硅-玻璃FPI的壓力傳感器的工作溫度受限于Pyrex玻璃，不能超過300 ℃[31]。此外，硅材料在500 ～600 ℃時會發(fā)生塑性變形，因而不適宜在較高溫度和惡劣環(huán)境下工作。

2.3 藍寶石FPI壓力探頭

藍寶石是Al2O3的晶體結構，熔點達到2 040 ℃，在1 500 ℃時機械性能良好，是制備高溫傳感器的理想材料。隨著藍寶石微納加工技術和MEMS工藝的成熟，基于藍寶石FPI的光纖傳感器已成為高溫傳感器的一個重要研究方向[32-37]。美國Virginia理工大學王安波等研制的藍寶石FPI如圖4所示，利用等離子刻蝕技術在藍寶石基底上刻蝕出圓柱空腔，然后與藍寶石感壓膜片鍵合[32]。藍寶石光纖只有芯層，無包層和涂覆層，利用藍寶石材料與空氣的折射率差實現(xiàn)光束在光纖中的傳播。藍寶石光纖以藍寶石晶體作為基本材質，既具有藍寶石晶體的優(yōu)良特性又具有傳光性能，在光纖高溫傳感等領域具有良好的應用前景。藍寶石FPI利用MEMS、等離子刻蝕、鍵合等技術研制而成。藍寶石晶圓制作及其刻蝕技術已經(jīng)成熟，可實現(xiàn)批量生產(chǎn)。常規(guī)鍵合方法是通過使用中間材料層將兩片晶圓固定在一起，但熱膨脹系數(shù)不匹配會使藍寶石FPI在高溫環(huán)境下失效。美國Virginia理工大學通過親水預處理、預鍵合、高溫鍵合等工藝方法實現(xiàn)了藍寶石晶圓的直接鍵合[32]；國內(nèi)中國電子科技集團公司第四十九所研究利用稀硫酸預處理藍寶石晶圓形成成羥基層，并在超高溫(1 150～1 350 ℃)下持續(xù)加熱實現(xiàn)了直接鍵合[37]。藍寶石晶圓的直接鍵合難度大，仍有待進一步研究，以提高鍵合成功率。

圖4 藍寶石FPI

英國的Oxsensis公司、美國Virginia理工大學、美國Luna Innovation公司、歐洲航空局等研究機構都開展了基于藍寶石FPI的超高溫傳感器的研究。英國Oxsensis公司發(fā)布的基于藍寶石FPI的高溫光纖壓力傳感器的長期工作溫度達到650 ℃，短期工作溫度可達1 000 ℃，代表了高溫光纖壓力傳感器產(chǎn)品的最高水平[10]。國內(nèi)關于藍寶石壓力傳感器的研究還只是原理樣機的研究，基于藍寶石FPI的高溫光纖壓力傳感器產(chǎn)品未見報道。

2.4 碳化硅FPI壓力探頭

SiC的熔點達到2 700 ℃，在1 600 ℃時仍能保持良好的機械強度，在制備高溫傳感器方面有廣闊的應用前景。隨著SiC材料MEMS加工工藝的日趨成熟，SiC開始應用于極端傳感器制造領域，基于碳化硅FPI的高溫光纖壓力傳感器成為新的研究熱點。碳化硅FPI的結構如圖5(a)所示，SiC感壓膜和基底構成Fabry-Perot腔，然后利用藍寶石光纖形成光路[38]。鍵合技術是研制碳化硅FPI的關鍵技術，常規(guī)鍵合方法是通過使用中間材料層將兩片SiC固定在一起。美國佛羅里達大學利用NaOH和SiO2的混合溶液經(jīng)18 h實現(xiàn)鍵合[39]；加州大學伯克利分校利用超高溫(1 100 ℃)和等離子體增強化學氣相沉積法在SiC上生成SiO2厚層，然后經(jīng)氫氟酸輔助實現(xiàn)鍵合[40]；英國格拉斯哥大學利用超高溫(1 100 ℃)在SiC上生成SiO2薄層，然后經(jīng)氫氧催化作用實現(xiàn)鍵合[41]。美國Luna公司研制的基于碳化硅FPI的高溫光纖壓力傳感器如圖5(b)所示，該傳感器可在900 ℃高溫環(huán)境下工作。

圖5 碳化硅FPI

北京航空航天大學張德遠等分別利用高性能陶瓷膠、旋涂玻璃和金屬鎳等3種材料作為鍵合層，研究了SiC-SiC鍵合工藝，并采用鎳擴散技術制作了SiC高溫光纖壓力傳感器樣機，如圖6(a)所示，但未進行高溫環(huán)境下的測試[42-44]。中北大學李奇思等采用濕法清洗、等離子體激活、熱壓鍵合等步驟實現(xiàn)了SiC-SiC的直接鍵合，研制的SiC高溫光纖壓力傳感器如圖6(b)所示，在室溫至500 ℃范圍內(nèi)具有良好的響應[45]。但當溫度超過500 ℃后，無法檢測到腔長信號，可能由高溫下用于光纖縱向集成的高溫無機膠松動引起。

圖6 碳化硅FPI傳感器

綜上所述，熔融石英和單晶硅在高溫(500～600 ℃)下會發(fā)生蠕變，藍寶石和碳化硅在超高溫(1 500～1 600 ℃)下仍能保持良好的機械性能，是制備高溫光纖法珀壓力傳感器的理想材料。部分光纖壓力傳感器采用膠粘方式連接單晶硅、玻璃、光纖、碳化硅等探頭元件，這對傳感器的耐溫上限、測量精度、溫濕度等特性不利。采用感壓膜片與基底直接鍵合形成FPI、激光焊接FPI與尾纖等探頭元件集成方式可提高光纖壓力傳感器的耐溫能力。

3 光纖FPI壓力傳感器的封裝

傳感器的工作溫度不僅受敏感探頭的影響，還與其封裝結構有關。封裝方案的選擇將直接影響傳感器的性能，特別是在高溫高壓惡劣環(huán)境下。優(yōu)良的封裝將為傳感器的內(nèi)部元件提供機械保護，減小外界沖擊或應力，并且尺寸小，易于操作和安裝在標準端口上，否則傳感器將無法正常工作，甚至無法在工作環(huán)境中生存。國內(nèi)外研究人員主要從封裝材料及結構固定方式兩方面對高溫光纖壓力傳感器的封裝進行了的相關研究，用以解決高溫環(huán)境下封裝結構抗沖擊能力變差及出現(xiàn)松脫等問題。

美國Virginia理工大學研制的基于全石英FPI的高溫光纖壓力傳感器的封裝結構如圖7所示[26]。金屬卡套和不銹鋼管從兩端插入不銹鋼外殼中，玻璃套管插入金屬卡套中，并用陶瓷粘合劑粘合，該結構可安裝在發(fā)動機的標準端口中，可與商用Kulite傳感器相媲美。測試結果表明，感壓膜片在600 ℃以內(nèi)性能穩(wěn)定可靠，在更高溫度下發(fā)生蠕變，封裝結構可用于900 ℃的高溫環(huán)境。該傳感器不僅可以用于渦輪發(fā)動機的壓力測量，還可以滿足其它高溫環(huán)境的壓力測量。

圖7 全石英FPI高溫光纖壓力傳感器封裝結構

英國Oxsensis公司發(fā)布的基于藍寶石FPI的高溫光纖壓力傳感器的封裝結構如圖8所示，光學組件包括藍寶石FPI、藍寶石管、透鏡和傳輸光纖[46]。藍寶石管將帶尾纖的透鏡與藍寶石FPI拉開一段距離，使得透鏡與傳輸光纖離開超高溫區(qū)，提高了壓力傳感器的耐溫能力。帶有C型彈簧圈的耐高溫合金外殼為光學組件提供機械保護，減小外界沖擊或應力。該傳感器可安裝在燃氣輪機中，藍寶石FPI位于燃燒區(qū)，溫度最高，透鏡和光纖通過藍寶石管遠離燃燒區(qū)，溫度降低。該傳感器的長期工作溫度達到650 ℃，短期工作溫度可達1 000 ℃。

圖8 藍寶石FPI高溫光纖壓力傳感器封裝結構

北京長城計量測試技術研究所研制的耐高溫光纖壓力傳感器的封裝結構如圖9所示[31]，主要由定位殼帽和轉接柱體(耐高溫陶瓷材料)2部分構成。定位殼帽中心開有感壓孔，內(nèi)表面加工有定位槽，內(nèi)壁上有內(nèi)螺紋。轉接柱體的外表面有外螺紋，與定位殼帽的內(nèi)螺紋匹配。該結構利用耐高溫陶瓷材料結合螺紋緊固和激光焊接實現(xiàn)對壓力傳感器的無膠封裝。據(jù)報道，該結構可用于超800 ℃的高溫環(huán)境的壓力測量。

圖9 高溫光纖壓力傳感器封裝結構示意圖

綜上分析，高溫光纖法珀壓力傳感器的封裝結構需使用耐高溫的合金、陶瓷等材料，利用耐高溫陶瓷黏合劑黏合或激光焊接等方式固定方式，以保障傳感器的耐高溫性能。同時，傳感器外殼還需具有一定的抗沖擊能力，使傳感器不僅能夠在高溫惡劣的環(huán)境中生存，還保持良好性能。

4 展望

在航空航天、油井探測、引擎檢測、工業(yè)過程控制等高溫壓力測量領域，傳統(tǒng)的電學傳感器件受限于材料本身在高溫下的機械和電學特性，已不能滿足測量需求，高溫光纖法珀壓力傳感器將發(fā)揮重要作用。藍寶石和碳化硅以其優(yōu)良的高溫機械特性成為制備高溫光纖壓力傳感器的理想材料。目前，我國已經(jīng)實現(xiàn)了藍寶石晶片和碳化硅晶片的國產(chǎn)化，積累了MEMS技術、鍵合技術、激光焊接技術等，具備了原理樣機的研制基礎，但相關產(chǎn)品未見報道。高溫光纖法珀壓力傳感器的研究方向將集中在探頭元件集成技術以及傳感器封裝技術。SiC高溫光纖壓力傳感器的研究方向還將集中在利用MEMS技術與光纖技術相結合，實現(xiàn)以SiC探頭、SiC光纖以及SiC陶瓷封裝構成的全SiC高溫光纖壓力傳感器，實現(xiàn)超高溫(>800 ℃)環(huán)境下的壓力測量。

目前，市場上的光纖法珀壓力傳感器主要由美國micron optics(luna innovations)、英國Oxsensis、加拿大FISO等提供，國產(chǎn)光纖法珀壓力傳感器的工作溫度、量程、精度等性能與世界先進水平相比還具有一定的差距。進一步的研究有利于實現(xiàn)高溫光纖法珀壓力傳感器的產(chǎn)品化，縮小國產(chǎn)光纖壓力傳感器與世界先進傳感器的差距。

此外，火箭發(fā)動機、航空發(fā)動機等動力設備的狀態(tài)監(jiān)測需要對溫度、壓力、應變、振動等多種參量同時監(jiān)測，多參數(shù)復合傳感技術也是光纖壓力傳感系統(tǒng)的研究方向。光纖傳感系統(tǒng)與設備控制系統(tǒng)結合，形成控制閉環(huán)測控系統(tǒng)，也是光纖傳感系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

5 結束語

高溫光纖法珀壓力傳感器具有耐高溫、體積小、質量輕、抗電磁干擾、本征安全等優(yōu)勢，可應用于高溫惡劣環(huán)境中。本文從工作原理、探頭材料及制作、傳感器封裝3個方面對高溫光纖法珀壓力傳感器的研究進行了分析總結。藍寶石和碳化硅在1 500～1 600 ℃的超高溫環(huán)境下仍然具有優(yōu)良的機械性能，是制備高溫光纖法珀壓力傳感器的理想材料?；谒{寶石和碳化硅的高溫光纖法珀壓力傳感器的研究有望解決飛行器、大型發(fā)動機、石油冶煉等高溫環(huán)境下的壓力測量難的問題，有助于推動我國經(jīng)濟和國防事業(yè)的快速發(fā)展。