溫度弱敏感光纖高溫壓力傳感器

王偉 李金洋 毛國培 楊艷 高志強 馬驄 鐘翔雨 史青

(北京遙測技術研究所,北京 100076)

1 引言

在航空航天、石油化工、燃氣輪機等高溫惡劣環境中,對壓力的精準測量一直都是亟待解決的難題[1–4].現有的電學高溫壓力傳感器在高溫環境下存在壓阻系數急劇減小、元器件失效、材料蠕變等問題,難以在高溫環境下長期使用[5–8].近年來,隨著光纖傳感技術的發展,光纖傳感器電絕緣性好,能耐受電磁干擾,被廣泛用于高壓,高溫或危險環境中.由于具有重量輕,分辨率高和尺寸小等優點,使光纖傳感器非常適合監測機器中的小裂縫或微機電系統中的納米位移[9,10].光纖式傳感器的前端敏感頭不包含電學部件,工作溫度由敏感元件和封裝結構的材料工作溫度決定,因此其具有工作溫度高、測量精度高、抗電磁干擾、易于組網、易多參量復合等優勢.利用微機械電子(MEMS)技術制作光學敏感芯片、實現傳感器封裝,又使得傳感器具有一致性高、靈敏度高、體積小、易于工程化等優點,可以滿足極端環境下對壓力的測量需求[11–14].

英國Oxsensis 公司早在2005年就開始研究基于藍寶石單晶光纖的非本征光纖法布里-珀羅干涉(extrisic Fabry-Pérot interference,EFPI)高溫壓力傳感器,其敏感芯片采用MEMS 工藝結合藍寶石燒結工藝制備,信號解調方面采用強度解調和光譜解調相結合的方式實現多EFPI 腔的高速高精度解調[15–17].但該傳感器的諧振頻率較低(僅5 kHz 左右),針對特殊環境的高頻要求仍有差距.2014年Yi 等[18–20]研制了MEMS 全藍寶石光纖EFPI 壓力傳感器,后續對芯片制備工藝和封裝方法進行了優化,但采用的藍寶石光纖存在模式數量巨大、高階導模色散嚴重及傳輸損耗大等問題,信號解調難度極大,傳感器的信噪比較低,經降噪處理后的動態范圍也僅有約50 dB.2022年Tomboza等[21]利用飛秒激光,在光纖內部制備空腔和光纖光柵,實現的壓力/溫度復合傳感器,最高工作溫度可達900 ℃,適用于大壓力量程應用(9×106Pa).2009年饒云江[22]在微加工系統中使用157 nm 激光器研制出基于空氣腔的自封閉光纖法珀傳感器,使得傳感器可在 800 ℃的高溫環境下正常工作.2018年張碩和江毅[23]采用氫氧火焰加工光纖毛細管與玻璃套管,用耐高溫玻璃膠加工玻璃套管與玻璃片,制作的法珀干涉型壓力傳感器,短時間工作溫度為300 ℃,壓力靈敏度為23.158 μm/MPa.2022年Zhang 等[24]通過在光纖一端用飛秒激光刻蝕微孔,用無芯光纖與其拼接形成封閉法珀腔,光纖端面打磨消除反射,在低溫–196 ℃,0—7 MPa壓力范圍呈線性關系.2022年盛天宇等[25]報道的光纖法珀式SiC 耐高溫壓力傳感器,能夠實現600 ℃高溫環境下0—4 MPa 范圍內的壓力測量.還有技術途徑借鑒國外方案,采用MEMS 技術和光纖傳感技術相結合.其中Li 等[2]研制傳感器的短時工作溫度可達到800 ℃以上,郭雪濤[26]研制的傳感器經測試可耐800 ℃高溫.陳青青等[27]實現了三層小片藍寶石的直接鍵合;李奇思[28]在芯片制備過程中,采用濕法清洗、等離子體激活、熱壓鍵合等步驟實現了SiC—SiC 的直接鍵合.解調方面顏維海[29]采用相位解調中互相關解調法,利用腔長匹配原理,通過傳感器輸出信號與模板函數進行互相關運算,可以實現對法珀腔腔長的解調.Li 等[30]采用CO2激光熔接封裝技術,形成全硅壓力傳感器,該全硅壓力傳感器可在室溫至800 ℃范圍內實現1 MPa 壓力測量.

但需要指出的是,上述技術路線需要實現多個EFPI 腔體的交疊干涉光譜測量及后續數據變換,高度依賴寬帶光源光譜分析模塊或掃描激光器,一方面顯著提高了光纖動態壓力傳感器的應用成本,限制了其推廣應用;另一方面也由于大規模光譜數據測量、傳輸、處理,影響了傳感器在高頻信號測量方面的能力.可以看出,高溫工況下的溫度補償問題,已成為限制光纖壓力傳感器技術應用、推廣的重要瓶頸[31].基于此,本文從傳感器設計根源出發,研制了一種全石英封裝的低溫度系數光纖MEMS 壓力傳感器,通過采用微腔絕壓芯片配合激光熔接工藝,有效降低了EFPI 腔腔長的溫度響應,進而避免了復雜溫度補償體系.同時,研究人員基于白光干涉快速響應技術,搭建了光纖動態壓力傳感器及解調終端樣機,在高溫壓力測試環境下驗證了方案的有效性和可行性.

2 傳感器理論模型

氣密封裝是保證壓力測量準確性的基本前提.考慮傳感器氣密性要求和內部氣體熱膨脹影響,采用絕壓MEMS 敏感芯片進行壓力感知.在此基礎上,采用敏感芯片與測量光路分離的指導思想,通過引入測量光路,對芯片變化進行無損、無接觸測量.

基于上述思想,設計的光纖壓力傳感器如圖1所示,主要由機械外殼、MEMS 敏感芯片、光纖、支撐結構這四部分構成.機械外殼為耐高溫合金,用于防護傳感器并提供安裝接口;MEMS 敏感芯片用于感受壓力信息;光纖用于傳輸和接收光信息;支撐結構用于固定光纖和機械外殼,使MEMS 敏感芯片、光纖的相對位置保持固定.在該結構中,光源發出信號光通過接口耦合到尾纖,經過光纖傳輸后入射到MEMS 敏感芯片,遇到反射面依次被反射并原路返回到光纖中,最后經過光環形器將信號傳輸到接收端.

圖1 光纖壓力傳感器模型Fig.1.Fiber optic pressure sensor model.

圖2 壓力敏感芯片結構模型Fig.2.Structural model of the pressure-sensitive chip.

芯片內部保持真空,在內外壓力差作用下,膜片向芯片內部凹陷,此時膜片中心的位移L,即真空腔腔長的變化量為

其中,P為外界施加壓力,μ為泊松比,E為彈性模量,h為膜片的有效厚度,r為膜片有效半徑.

當光信號入射芯片時,芯片基底底部、凹槽上表面、膜片下表面、膜片上表面分別對光信號進行反射,如圖3 所示.其中,凹槽上表面、膜片下表面構成真空EFPI 腔,隨著外界壓力變化,膜片受壓變形,進而導致該EFPI 腔腔長變化,通過測量EFPI腔長變化獲得壓力信息.

圖3 壓力敏感芯片中光路傳播示意圖Fig.3.Diagram of light path propagation in pressure sensitive chip.

為提高傳感器耐溫能力,光纖選用耐高溫鍍金光纖,可耐受700 ℃工況[32].同時,為避免光纖端面反射光信號參與干涉,將光纖端面研磨8°.將膜片上表面打磨,使其發生漫反射,這樣可忽略反射光E4,同時減少一次干涉.因此,對于上述雙EFPI腔結構,其反射光信號E1,E2,E3分別可寫為

輸出反射干涉光信號強度I可表示為

其中,R1,R2,R3分別為E1,E2,E3三路光信號的電場強度衰減系數;I0,E0,?0分別為入射光信號強度、電場強度和相位;L0和L1分別為真空EFPI腔長和基底厚度(固體EFPI 腔腔長);n0和n1分別為真空折射率和石英折射率;λ 為入射光信號波長.

定義d0=n0L0,d1=n1L1分別為真空EFPI腔、固體EFPI 腔光學腔長,為方便描述,(5)式可寫為

由于傳感器結構參數固定,C0,C1,C2,C3均為常數項.可以看出,反射干涉光信號由直流信號和3 個不同頻率的余弦信號疊加而成,前兩個余弦函數成分的頻率分別與真空、固體EFPI 光學腔長直接相關.因此,通過獲取對應余弦函數的頻率成分,即可得到目標腔長.可以看出,除了反映壓力信息的真空EFPI 腔干涉成分外,反射光信號中仍存在大量干涉量,并隨溫度導致的材料熱膨脹等因素變化.為避免該情況,采用白光干涉技術進行芯片信息讀取.該技術基于強度測量方案,運算速度快且支持高頻響應.

土壤改良措施：采用物理、化學、生物的方法對土地備耕后的種植條溝、表土與深層土壤進行基質改良，改良深度為20cm，撒施酸堿中和劑、土壤改良復合基質、微生物菌劑等土壤改良物質，實施土壤改良過程前期酸化預測與土壤改良過程中的全過程酸化控制，全過程營造有益微生物生長的適宜環境，切斷產酸微生物的生長繁育途徑，引入與培育有益微生物，通過有益微生物的作用持續改良土壤。一般而言，對于土壤pH值在2.5～3.5之間的情況，改良材料的用量如下：酸堿中和劑80t/萬m2，土壤改良復合基質160t/萬m2，微生物菌劑2g/m2，無機肥10t/萬m2。

白光干涉技術解調方案如圖4 所示.該方案采用寬帶光源,對寬帶光信號反射干涉強度進行測量.寬帶光源信號經1∶99 光纖耦合器分為兩路,1/100 強度光信號用于進行寬帶光源強度監測及修正,99/100 強度光信號經光纖環形器后入射傳感器.傳感器反射光信號經光纖環形器進入光電探測器進行模數轉換,在探測器的電壓端口加入電容進行濾波處理,為了提高信號的精度,消除共有的誤差干擾,采用差分放大電路對光電探測器輸出的電信號進行放大處理.解調采用傅里葉變換及相關增強算法,實現頻率成分提取,進而實現EFPI 腔頻率定位和EFPI 腔光學腔長精確解調.由于寬帶光信號的有效干涉長度Lc較短,即僅當兩路光信號光程差ΔL小于Lc時,能夠發生干涉.通過設計芯片膜片、基座和真空腔厚度,可僅使E2和E3光信號形成干涉.

圖4 光纖解調系統Fig.4.Fiber optic demodulation system.

絕壓敏感芯片主要通過真空腔腔長來感知芯片受力變化,腔長的改變會影響干涉信號變化,這樣便可通過對發射光信號的解調測量壓力的變化.但相應地,任何能引起芯片腔長的微小變化都會給傳感器的壓力測量帶來干擾.在高溫狀態下,不可避免地會出現熱膨脹及熱應力等問題.其中,石英的熱膨脹系數較低,約為 5.5×10-7℃–1,根據熱膨脹系數公式:

可知腔長越小,熱膨脹變化越小,因此,采用小腔長來感知外界壓力.而MEMS 芯片與光路結合部位也會帶來熱應力問題.在結合部位采用耐高溫陶瓷膠固定,通過數值仿真軟件對其進行熱應力仿真,仿真結果如圖5 所示.由圖5 可知,400 ℃環境下由于熱應力的影響,導致結合部位有較大位移(約為0.056 μm),對壓力測量產生干擾.因此,采用激光熔接的方式,避免了在高溫環境下不同材料之間熱膨脹系數不匹配產生的傳感器不穩定問題,從而可進行壓力精確測量.

圖5 熱應力影響Fig.5.Influence of thermal stress.

3 芯片設計與實現

絕壓敏感芯片的主要機理源于薄板小撓度變形理論,當施加的壓力均勻到薄板中心表面時,為保證薄板的線性形變,薄板發生的最大撓度變化小于薄板厚度的1/5,即可通過外界施加壓力使芯片產生形變,導致光學干涉強度發生變化,從而解調得到壓力變化[33].

3.1 芯片敏感特性仿真分析

通過理論計算與數值仿真,對敏感芯片的結構尺寸進行優化,具體結構參數在表1 列出.采用數值仿真軟件對芯片的敏感特性進行分析.根據表1的結構設計方案進行建模,如圖6 所示.可以得出,優化后感壓膜在100 kPa 壓力下,中心位置向真空腔處凹陷,形變產生的位移為0.23 μm,而真空腔體長度為2 μm,滿足薄板小撓度變形理論,因此,敏感芯片性能滿足壓力監測需求,芯片結構設計合理.

表1 敏感芯片的結構參數Table 1.Structural parameters of the chip.

圖6 敏感芯片受力位移模型Fig.6.Force displacement model of pressure sensitive chip.

3.2 芯片工藝實現

敏感芯片主體為通過MEMS 微加工工藝得到,工藝流程圖如圖7 所示,主要工藝包括光刻技術、濕法腐蝕、真空鍵合、減薄拋光、研磨劃片等工藝.在制備過程中,由于真空腔腔體較小,且石英膜片較薄,因此在工藝流程中需進行多次激光劃片來制備驗證.

圖7 敏感芯片制備工藝流程圖Fig.7.Chip preparation process steps.

對石英元件進行濕法刻蝕,可以獲得具有高閾值的低粗糙度光學元件表面.圖8 為絕壓敏感芯片實物圖,可以看到芯片表面較為光滑,內部則存在真空腔腔體.

圖8 絕壓敏感芯片Fig.8.Absolute pressure sensitive chip.

4 傳感器制備

在傳感器制備方面,采用CO2激光熔接平臺對傳感器各部位進行熔接固定.首先,將絕壓敏感芯片放置于熔接平臺位移調節架上,同時用夾具將玻璃管固定在位移調節架另一側,通過內置CCD相機將該部位放大顯示在電腦一體機屏幕上,從而進行熔接.然后將鍍金光纖插入石英插芯中,通入激光使插芯受熱進而使光纖與插芯熔接.最后將帶有熔接芯片的玻璃管放置于位移調節臺上,另一端將帶有鍍金光纖的插芯插入玻璃管中并固定位置,通入激光將玻璃管與石英插芯熔接.

圖9 為傳感器實物元件熔接工藝照片,其中圖9(a)為敏感芯片與玻璃管熔接部位;圖9(b)為插芯與玻璃管熔接部位.圖10 為傳感器實物封裝結構.傳感器采用金屬結構將其封裝,尾端則使用金屬波紋管對光纖進行保護.

圖9 傳感器熔接元件 (a) 敏感芯片與玻璃管熔接部位;(b) 插芯與玻璃管熔接部位Fig.9.Sensor welding element: (a) Welding position of sensitive chip and glass tube;(b) core and glass tube welding position.

圖10 傳感器實物封裝結構Fig.10.Sensor package structure.

5 實驗測試

為了檢驗傳感器的實際測量能力,分別對傳感器做了壓力和高溫測試.實驗測試設備如圖11 所示,其中圖11(a)為壓力箱,圖11(b)為管式爐.通過壓力箱與管式爐來搭建測試系統,對傳感器進行后續測試.

圖11 實驗測試設備 (a) 壓力箱;(b) 管式爐Fig.11.Sensor test equipment: (a) Pressure chamber;(b) tubular furnace.

5.1 壓力測試

首先在常溫(20 ℃)下對傳感器進行壓力測試.測試系統采用亞克力真空密封壓力箱,如圖11(a)所示,壓力箱有兩個氣閥,一個與真空抽氣泵連接,另一個通過放氣改變箱內壓力.將傳感器放入壓力箱中,通過箱壁一側密封光纖將其接入解調儀,改變箱內壓力來引起敏感芯片真空腔腔長改變.最后通過計算機顯示并記錄傳感器光譜以及光強信號變化等數據.在實際壓力測試過程中,采取壓力變化范圍為0—100 kPa,得到的測試數據如圖12 所示.可以看到,在氣壓改變后,反射光譜波形會發生明顯改變,這是因為敏感芯片感受到壓力變化后,真空腔會發生形變,從而導致干涉光譜發生變化.

圖12 20 ℃下,傳感器壓力變化反射光譜 (a) 100 kPa;(b) 0 kPa;(c) 100 kPaFig.12.Sensor pressure change reflection spectrum at 20 ℃:(a) 100 kPa;(b) 0 kPa;(c) 100 kPa.

壓力從100 kPa 到0 kPa 再到100 kPa時,傳感器光信號相對強度的實時變化如圖13 所示.在降壓階段,壓力箱接近真空時排氣速率下降,因此出現強度從陡降到緩降的過程;在升壓階段,進氣速率均勻,出現強度勻速上升的變化.

圖13 傳感器光譜強度隨壓力實時變化Fig.13.Sensor spectral intensity varies with pressure in real time.

圖14 為傳感器光譜強度隨壓力變化關系圖,在0—100 kPa 的升壓過程與100—0 kPa 的降壓過程中,整體上光譜強度與壓力呈線性關系,即傳感器可通過測量壓力得到的相對光譜強度便可得出此時的壓力值.

圖14 傳感器光譜強度隨壓力變化關系Fig.14.Sensor spectral intensity varies with the pressure.

5.2 高溫測試

在常壓(100 kPa)環境下對傳感器進行高溫測試,采用高溫管式爐進行溫度測試.將傳感器放入管式爐內,另一端通過光纖接入解調儀,同樣通過計算機顯示記錄傳感器數據.將傳感器放入管式爐中,設置目標溫度為400 ℃.管式爐升溫速率為10 ℃/min,從常溫20 ℃開始對傳感器進行溫度測試.圖15 記錄了傳感器在20 ℃升溫到400 ℃然后降溫到20 ℃時產生的干涉光譜.由圖可知,在400 ℃時傳感器干涉光譜并未產生較大的變化,表明此溫度下傳感器仍能進行工作.

圖15 常壓100 kPa 下,傳感器溫度變化反射光譜 (a) 20 ℃;(b) 400 ℃;(c) 20 ℃Fig.15.Sensor temperature change reflection spectrum at normal pressure of 100 kPa: (a) 20 ℃;(b) 400 ℃;(c) 20 ℃.

圖16 為傳感器信號隨溫度變化示意圖,其中溫度從20 ℃升溫到400 ℃然后降溫到20 ℃.由于石英熱膨脹原因,會導致真空腔腔長產生微小變化,從而使干涉光譜發生變化,進而導致光強產生微弱波動.綜上,常溫下傳感器的壓力變化范圍為0—100 kPa,其強度最大值為6.23,最小值為2.12;常壓下傳感器的溫度變化范圍為20—400 ℃,其強度在5.87—6.02 之間波動.由溫度變化引入測量誤差約為3.6%.相比于壓力響應測試,380 ℃的溫度變化引起的光信號強度變化可以忽略.

圖16 傳感器相對強度隨溫度變化關系Fig.16.Sensor strength varies with the temperature.

6 結論

本文提出了一種溫度弱敏感的MEMS 壓力傳感器技術,采用MEMS 芯片壓力敏感膜片對干涉光信號進行被動調制,進而實現壓力信號測量.在此基礎上結合亞微米級白光干涉響應技術和低熱應力封裝工藝,研制了高溫壓力傳感器樣機.實驗測試結果表明,在20—400 ℃范圍內,可滿足0—100 kPa 壓力測量,由溫度變化引入測量誤差低于4%.相對傳統壓力傳感器,具有尺寸小、損耗低、靈敏度高、可多點分布測量、工作溫度高等優點.適用于燃氣輪機、航空、航天發動機等高溫惡劣環境,用于實現對其運行狀態的監控和健康評估,為極端環境下壓力測量提供了新的研究思路.