高紅春，唐才杰，藍(lán) 天，王學(xué)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(shù)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(jī)的管路、燃燒室溫度高于600 ℃，其壓力是分析發(fā)動機(jī)推力的重要參數(shù)；石油煉制過程中，反應(yīng)裝置的溫度高于500 ℃，其壓力的測量可用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，避免發(fā)生災(zāi)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(zhì)引出并降溫，再通過常溫壓力傳感器實(shí)現(xiàn)壓力測量。該方法簡單易實(shí)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(jìn)行壓力測量，響應(yīng)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(dǎo)體材料(如絕緣體上單晶硅、藍(lán)寶石上硅、碳化硅等)的壓阻效應(yīng)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(dǎo)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(dāng)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(gòu)造電容腔，可以用無線無源的方式實(shí)現(xiàn)信號傳輸，但溫度升高導(dǎo)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(zhì)量輕、抗電磁干擾、本征安全等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域[7-9]。高溫光纖法珀壓力傳感器的最高工作溫度可達(dá)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(yīng)用環(huán)境對光纖壓力傳感器的設(shè)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(jìn)行分析與總結(jié)。

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(xué)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(xué)腔長隨之發(fā)生變化，實(shí)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(fù)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(xué)腔長隨之發(fā)生變化，實(shí)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(yīng)用于航空航天發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等高溫高壓、氣液混合的復(fù)雜惡劣環(huán)境中。

圖1 光纖FPI壓力傳感器結(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)共同決定。高溫環(huán)境下，感壓膜片機(jī)械性能會變差，探頭元件之間及封裝結(jié)構(gòu)的固定連接會出現(xiàn)松脫等問題，導(dǎo)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(jìn)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(diǎn)或軟化點(diǎn)、機(jī)械強(qiáng)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(lán)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(jié)構(gòu)強(qiáng)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(shù)[18-20]、微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical systems，MEMS)加工技術(shù)[21-23]、鍵合技術(shù)[24-26]、激光焊接技術(shù)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(shù)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(xué)、美國MOI公司、加拿大FISO公司，以及國內(nèi)的北京理工大學(xué)、武漢理工大學(xué)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(gòu)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(gòu)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(jī)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(xì)石英管和MMF構(gòu)成的全石英FPI，法珀空腔由毛細(xì)石英管形成，膜片厚度由光纖研磨機(jī)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(jī)拼接、研磨機(jī)減薄膜片等方法制作而成，制作過程相對簡單易實(shí)現(xiàn)。

圖2 石英FPI

SMF、HCF、CF、MMF和毛細(xì)石英管都是熔融石英，是二氧化硅的非晶態(tài)，軟化點(diǎn)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(jié)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(xué)張韜杰等研制的高精細(xì)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(xué)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(shù)研制而成，制作工藝成熟。MEMS技術(shù)便于批量制作，已廣泛應(yīng)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(fù)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(shù)在1969年由G. Wallis和D. Pomerantz提出[30]，至今已經(jīng)相當(dāng)成熟。光纖與玻璃屬同種材料，其激光焊接技術(shù)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(lán)寶石FPI壓力探頭

藍(lán)寶石是Al2O3的晶體結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)達(dá)到2 040 ℃，在1 500 ℃時機(jī)械性能良好，是制備高溫傳感器的理想材料。隨著藍(lán)寶石微納加工技術(shù)和MEMS工藝的成熟，基于藍(lán)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(xué)王安波等研制的藍(lán)寶石FPI如圖4所示，利用等離子刻蝕技術(shù)在藍(lán)寶石基底上刻蝕出圓柱空腔，然后與藍(lán)寶石感壓膜片鍵合[32]。藍(lán)寶石光纖只有芯層，無包層和涂覆層，利用藍(lán)寶石材料與空氣的折射率差實(shí)現(xiàn)光束在光纖中的傳播。藍(lán)寶石光纖以藍(lán)寶石晶體作為基本材質(zhì)，既具有藍(lán)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(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。藍(lán)寶石FPI利用MEMS、等離子刻蝕、鍵合等技術(shù)研制而成。藍(lán)寶石晶圓制作及其刻蝕技術(shù)已經(jīng)成熟，可實(shí)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(lán)寶石FPI在高溫環(huán)境下失效。美國Virginia理工大學(xué)通過親水預(yù)處理、預(yù)鍵合、高溫鍵合等工藝方法實(shí)現(xiàn)了藍(lán)寶石晶圓的直接鍵合[32]；國內(nèi)中國電子科技集團(tuán)公司第四十九所研究利用稀硫酸預(yù)處理藍(lán)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(shí)現(xiàn)了直接鍵合[37]。藍(lán)寶石晶圓的直接鍵合難度大，仍有待進(jìn)一步研究，以提高鍵合成功率。

圖4 藍(lán)寶石FPI

英國的Oxsensis公司、美國Virginia理工大學(xué)、美國Luna Innovation公司、歐洲航空局等研究機(jī)構(gòu)都開展了基于藍(lán)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(lán)寶石FPI的高溫光纖壓力傳感器的長期工作溫度達(dá)到650 ℃，短期工作溫度可達(dá)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(guān)于藍(lán)寶石壓力傳感器的研究還只是原理樣機(jī)的研究，基于藍(lán)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(diǎn)達(dá)到2 700 ℃，在1 600 ℃時仍能保持良好的機(jī)械強(qiáng)度，在制備高溫傳感器方面有廣闊的應(yīng)用前景。隨著SiC材料MEMS加工工藝的日趨成熟，SiC開始應(yīng)用于極端傳感器制造領(lǐng)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(diǎn)。碳化硅FPI的結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示，SiC感壓膜和基底構(gòu)成Fabry-Perot腔，然后利用藍(lán)寶石光纖形成光路[38]。鍵合技術(shù)是研制碳化硅FPI的關(guān)鍵技術(shù)，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(dá)大學(xué)利用NaOH和SiO2的混合溶液經(jīng)18 h實(shí)現(xiàn)鍵合[39]；加州大學(xué)伯克利分校利用超高溫(1 100 ℃)和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法在SiC上生成SiO2厚層，然后經(jīng)氫氟酸輔助實(shí)現(xiàn)鍵合[40]；英國格拉斯哥大學(xué)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(shí)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(xué)張德遠(yuǎn)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(kuò)散技術(shù)制作了SiC高溫光纖壓力傳感器樣機(jī)，如圖6(a)所示，但未進(jìn)行高溫環(huán)境下的測試[42-44]。中北大學(xué)李奇思等采用濕法清洗、等離子體激活、熱壓鍵合等步驟實(shí)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(yīng)[45]。但當(dāng)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?zé)o機(jī)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(lán)寶石和碳化硅在超高溫(1 500～1 600 ℃)下仍能保持良好的機(jī)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(jié)構(gòu)有關(guān)。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(jī)械保護(hù)，減小外界沖擊或應(yīng)力，并且尺寸小，易于操作和安裝在標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)固定方式兩方面對高溫光纖壓力傳感器的封裝進(jìn)行了的相關(guān)研究，用以解決高溫環(huán)境下封裝結(jié)構(gòu)抗沖擊能力變差及出現(xiàn)松脫等問題。

美國Virginia理工大學(xué)研制的基于全石英FPI的高溫光纖壓力傳感器的封裝結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)可安裝在發(fā)動機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)端口中，可與商用Kulite傳感器相媲美。測試結(jié)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(jié)構(gòu)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(jī)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(jié)構(gòu)

英國Oxsensis公司發(fā)布的基于藍(lán)寶石FPI的高溫光纖壓力傳感器的封裝結(jié)構(gòu)如圖8所示，光學(xué)組件包括藍(lán)寶石FPI、藍(lán)寶石管、透鏡和傳輸光纖[46]。藍(lán)寶石管將帶尾纖的透鏡與藍(lán)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(xué)組件提供機(jī)械保護(hù)，減小外界沖擊或應(yīng)力。該傳感器可安裝在燃?xì)廨啓C(jī)中，藍(lán)寶石FPI位于燃燒區(qū)，溫度最高，透鏡和光纖通過藍(lán)寶石管遠(yuǎn)離燃燒區(qū)，溫度降低。該傳感器的長期工作溫度達(dá)到650 ℃，短期工作溫度可達(dá)1 000 ℃。

圖8 藍(lán)寶石FPI高溫光纖壓力傳感器封裝結(jié)構(gòu)

北京長城計量測試技術(shù)研究所研制的耐高溫光纖壓力傳感器的封裝結(jié)構(gòu)如圖9所示[31]，主要由定位殼帽和轉(zhuǎn)接柱體(耐高溫陶瓷材料)2部分構(gòu)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)利用耐高溫陶瓷材料結(jié)合螺紋緊固和激光焊接實(shí)現(xiàn)對壓力傳感器的無膠封裝。據(jù)報道，該結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖

綜上分析，高溫光纖法珀壓力傳感器的封裝結(jié)構(gòu)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(lǐng)域，傳統(tǒng)的電學(xué)傳感器件受限于材料本身在高溫下的機(jī)械和電學(xué)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(lán)寶石和碳化硅以其優(yōu)良的高溫機(jī)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(shí)現(xiàn)了藍(lán)寶石晶片和碳化硅晶片的國產(chǎn)化，積累了MEMS技術(shù)、鍵合技術(shù)、激光焊接技術(shù)等，具備了原理樣機(jī)的研制基礎(chǔ)，但相關(guān)產(chǎn)品未見報道。高溫光纖法珀壓力傳感器的研究方向?qū)⒓性谔筋^元件集成技術(shù)以及傳感器封裝技術(shù)。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(shù)與光纖技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)以SiC探頭、SiC光纖以及SiC陶瓷封裝構(gòu)成的全SiC高溫光纖壓力傳感器，實(shí)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(jìn)水平相比還具有一定的差距。進(jìn)一步的研究有利于實(shí)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(jìn)傳感器的差距。

此外，火箭發(fā)動機(jī)、航空發(fā)動機(jī)等動力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測需要對溫度、壓力、應(yīng)變、振動等多種參量同時監(jiān)測，多參數(shù)復(fù)合傳感技術(shù)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(shè)備控制系統(tǒng)結(jié)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(jié)束語

高溫光纖法珀壓力傳感器具有耐高溫、體積小、質(zhì)量輕、抗電磁干擾、本征安全等優(yōu)勢，可應(yīng)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(jìn)行了分析總結(jié)。藍(lán)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(jī)械性能，是制備高溫光纖法珀壓力傳感器的理想材料?；谒{(lán)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(jī)、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(jì)和國防事業(yè)的快速發(fā)展。