温度弱敏感光纤高温压力传感器

王伟 李金洋 毛国培 杨艳 高志强 马骢 钟翔雨 史青

(北京遥测技术研究所,北京 100076)

1 引言

在航空航天、石油化工、燃气轮机等高温恶劣环境中,对压力的精准测量一直都是亟待解决的难题[1–4].现有的电学高温压力传感器在高温环境下存在压阻系数急剧减小、元器件失效、材料蠕变等问题,难以在高温环境下长期使用[5–8].近年来,随着光纤传感技术的发展,光纤传感器电绝缘性好,能耐受电磁干扰,被广泛用于高压,高温或危险环境中.由于具有重量轻,分辨率高和尺寸小等优点,使光纤传感器非常适合监测机器中的小裂缝或微机电系统中的纳米位移[9,10].光纤式传感器的前端敏感头不包含电学部件,工作温度由敏感元件和封装结构的材料工作温度决定,因此其具有工作温度高、测量精度高、抗电磁干扰、易于组网、易多参量复合等优势.利用微机械电子(MEMS)技术制作光学敏感芯片、实现传感器封装,又使得传感器具有一致性高、灵敏度高、体积小、易于工程化等优点,可以满足极端环境下对压力的测量需求[11–14].

英国Oxsensis 公司早在2005年就开始研究基于蓝宝石单晶光纤的非本征光纤法布里-珀罗干涉(extrisic Fabry-Pérot interference,EFPI)高温压力传感器,其敏感芯片采用MEMS 工艺结合蓝宝石烧结工艺制备,信号解调方面采用强度解调和光谱解调相结合的方式实现多EFPI 腔的高速高精度解调[15–17].但该传感器的谐振频率较低(仅5 kHz 左右),针对特殊环境的高频要求仍有差距.2014年Yi 等[18–20]研制了MEMS 全蓝宝石光纤EFPI 压力传感器,后续对芯片制备工艺和封装方法进行了优化,但采用的蓝宝石光纤存在模式数量巨大、高阶导模色散严重及传输损耗大等问题,信号解调难度极大,传感器的信噪比较低,经降噪处理后的动态范围也仅有约50 dB.2022年Tomboza等[21]利用飞秒激光,在光纤内部制备空腔和光纤光栅,实现的压力/温度复合传感器,最高工作温度可达900 ℃,适用于大压力量程应用(9×106Pa).2009年饶云江[22]在微加工系统中使用157 nm 激光器研制出基于空气腔的自封闭光纤法珀传感器,使得传感器可在 800 ℃的高温环境下正常工作.2018年张硕和江毅[23]采用氢氧火焰加工光纤毛细管与玻璃套管,用耐高温玻璃胶加工玻璃套管与玻璃片,制作的法珀干涉型压力传感器,短时间工作温度为300 ℃,压力灵敏度为23.158 μm/MPa.2022年Zhang 等[24]通过在光纤一端用飞秒激光刻蚀微孔,用无芯光纤与其拼接形成封闭法珀腔,光纤端面打磨消除反射,在低温–196 ℃,0—7 MPa压力范围呈线性关系.2022年盛天宇等[25]报道的光纤法珀式SiC 耐高温压力传感器,能够实现600 ℃高温环境下0—4 MPa 范围内的压力测量.还有技术途径借鉴国外方案,采用MEMS 技术和光纤传感技术相结合.其中Li 等[2]研制传感器的短时工作温度可达到800 ℃以上,郭雪涛[26]研制的传感器经测试可耐800 ℃高温.陈青青等[27]实现了三层小片蓝宝石的直接键合;李奇思[28]在芯片制备过程中,采用湿法清洗、等离子体激活、热压键合等步骤实现了SiC—SiC 的直接键合.解调方面颜维海[29]采用相位解调中互相关解调法,利用腔长匹配原理,通过传感器输出信号与模板函数进行互相关运算,可以实现对法珀腔腔长的解调.Li 等[30]采用CO2激光熔接封装技术,形成全硅压力传感器,该全硅压力传感器可在室温至800 ℃范围内实现1 MPa 压力测量.

但需要指出的是,上述技术路线需要实现多个EFPI 腔体的交叠干涉光谱测量及后续数据变换,高度依赖宽带光源光谱分析模块或扫描激光器,一方面显著提高了光纤动态压力传感器的应用成本,限制了其推广应用;另一方面也由于大规模光谱数据测量、传输、处理,影响了传感器在高频信号测量方面的能力.可以看出,高温工况下的温度补偿问题,已成为限制光纤压力传感器技术应用、推广的重要瓶颈[31].基于此,本文从传感器设计根源出发,研制了一种全石英封装的低温度系数光纤MEMS 压力传感器,通过采用微腔绝压芯片配合激光熔接工艺,有效降低了EFPI 腔腔长的温度响应,进而避免了复杂温度补偿体系.同时,研究人员基于白光干涉快速响应技术,搭建了光纤动态压力传感器及解调终端样机,在高温压力测试环境下验证了方案的有效性和可行性.

2 传感器理论模型

气密封装是保证压力测量准确性的基本前提.考虑传感器气密性要求和内部气体热膨胀影响,采用绝压MEMS 敏感芯片进行压力感知.在此基础上,采用敏感芯片与测量光路分离的指导思想,通过引入测量光路,对芯片变化进行无损、无接触测量.

基于上述思想,设计的光纤压力传感器如图1所示,主要由机械外壳、MEMS 敏感芯片、光纤、支撑结构这四部分构成.机械外壳为耐高温合金,用于防护传感器并提供安装接口;MEMS 敏感芯片用于感受压力信息;光纤用于传输和接收光信息;支撑结构用于固定光纤和机械外壳,使MEMS 敏感芯片、光纤的相对位置保持固定.在该结构中,光源发出信号光通过接口耦合到尾纤,经过光纤传输后入射到MEMS 敏感芯片,遇到反射面依次被反射并原路返回到光纤中,最后经过光环形器将信号传输到接收端.

图1 光纤压力传感器模型Fig.1.Fiber optic pressure sensor model.

图2 压力敏感芯片结构模型Fig.2.Structural model of the pressure-sensitive chip.

芯片内部保持真空,在内外压力差作用下,膜片向芯片内部凹陷,此时膜片中心的位移L,即真空腔腔长的变化量为

其中,P为外界施加压力,µ为泊松比,E为弹性模量,h为膜片的有效厚度,r为膜片有效半径.

当光信号入射芯片时,芯片基底底部、凹槽上表面、膜片下表面、膜片上表面分别对光信号进行反射,如图3 所示.其中,凹槽上表面、膜片下表面构成真空EFPI 腔,随着外界压力变化,膜片受压变形,进而导致该EFPI 腔腔长变化,通过测量EFPI腔长变化获得压力信息.

图3 压力敏感芯片中光路传播示意图Fig.3.Diagram of light path propagation in pressure sensitive chip.

为提高传感器耐温能力,光纤选用耐高温镀金光纤,可耐受700 ℃工况[32].同时,为避免光纤端面反射光信号参与干涉,将光纤端面研磨8°.将膜片上表面打磨,使其发生漫反射,这样可忽略反射光E4,同时减少一次干涉.因此,对于上述双EFPI腔结构,其反射光信号E1,E2,E3分别可写为

输出反射干涉光信号强度I可表示为

其中,R1,R2,R3分别为E1,E2,E3三路光信号的电场强度衰减系数;I0,E0,ϕ0分别为入射光信号强度、电场强度和相位;L0和L1分别为真空EFPI腔长和基底厚度(固体EFPI 腔腔长);n0和n1分别为真空折射率和石英折射率;λ 为入射光信号波长.

定义d0=n0L0,d1=n1L1分别为真空EFPI腔、固体EFPI 腔光学腔长,为方便描述,(5)式可写为

由于传感器结构参数固定,C0,C1,C2,C3均为常数项.可以看出,反射干涉光信号由直流信号和3 个不同频率的余弦信号叠加而成,前两个余弦函数成分的频率分别与真空、固体EFPI 光学腔长直接相关.因此,通过获取对应余弦函数的频率成分,即可得到目标腔长.可以看出,除了反映压力信息的真空EFPI 腔干涉成分外,反射光信号中仍存在大量干涉量,并随温度导致的材料热膨胀等因素变化.为避免该情况,采用白光干涉技术进行芯片信息读取.该技术基于强度测量方案,运算速度快且支持高频响应.

土壤改良措施：采用物理、化学、生物的方法对土地备耕后的种植条沟、表土与深层土壤进行基质改良，改良深度为20cm，撒施酸碱中和剂、土壤改良复合基质、微生物菌剂等土壤改良物质，实施土壤改良过程前期酸化预测与土壤改良过程中的全过程酸化控制，全过程营造有益微生物生长的适宜环境，切断产酸微生物的生长繁育途径，引入与培育有益微生物，通过有益微生物的作用持续改良土壤。一般而言，对于土壤pH值在2.5～3.5之间的情况，改良材料的用量如下：酸碱中和剂80t/万m2，土壤改良复合基质160t/万m2，微生物菌剂2g/m2，无机肥10t/万m2。

白光干涉技术解调方案如图4 所示.该方案采用宽带光源,对宽带光信号反射干涉强度进行测量.宽带光源信号经1∶99 光纤耦合器分为两路,1/100 强度光信号用于进行宽带光源强度监测及修正,99/100 强度光信号经光纤环形器后入射传感器.传感器反射光信号经光纤环形器进入光电探测器进行模数转换,在探测器的电压端口加入电容进行滤波处理,为了提高信号的精度,消除共有的误差干扰,采用差分放大电路对光电探测器输出的电信号进行放大处理.解调采用傅里叶变换及相关增强算法,实现频率成分提取,进而实现EFPI 腔频率定位和EFPI 腔光学腔长精确解调.由于宽带光信号的有效干涉长度Lc较短,即仅当两路光信号光程差ΔL小于Lc时,能够发生干涉.通过设计芯片膜片、基座和真空腔厚度,可仅使E2和E3光信号形成干涉.

图4 光纤解调系统Fig.4.Fiber optic demodulation system.

绝压敏感芯片主要通过真空腔腔长来感知芯片受力变化,腔长的改变会影响干涉信号变化,这样便可通过对发射光信号的解调测量压力的变化.但相应地,任何能引起芯片腔长的微小变化都会给传感器的压力测量带来干扰.在高温状态下,不可避免地会出现热膨胀及热应力等问题.其中,石英的热膨胀系数较低,约为 5.5×10-7℃–1,根据热膨胀系数公式:

可知腔长越小,热膨胀变化越小,因此,采用小腔长来感知外界压力.而MEMS 芯片与光路结合部位也会带来热应力问题.在结合部位采用耐高温陶瓷胶固定,通过数值仿真软件对其进行热应力仿真,仿真结果如图5 所示.由图5 可知,400 ℃环境下由于热应力的影响,导致结合部位有较大位移(约为0.056 μm),对压力测量产生干扰.因此,采用激光熔接的方式,避免了在高温环境下不同材料之间热膨胀系数不匹配产生的传感器不稳定问题,从而可进行压力精确测量.

图5 热应力影响Fig.5.Influence of thermal stress.

3 芯片设计与实现

绝压敏感芯片的主要机理源于薄板小挠度变形理论,当施加的压力均匀到薄板中心表面时,为保证薄板的线性形变,薄板发生的最大挠度变化小于薄板厚度的1/5,即可通过外界施加压力使芯片产生形变,导致光学干涉强度发生变化,从而解调得到压力变化[33].

3.1 芯片敏感特性仿真分析

通过理论计算与数值仿真,对敏感芯片的结构尺寸进行优化,具体结构参数在表1 列出.采用数值仿真软件对芯片的敏感特性进行分析.根据表1的结构设计方案进行建模,如图6 所示.可以得出,优化后感压膜在100 kPa 压力下,中心位置向真空腔处凹陷,形变产生的位移为0.23 μm,而真空腔体长度为2 μm,满足薄板小挠度变形理论,因此,敏感芯片性能满足压力监测需求,芯片结构设计合理.

表1 敏感芯片的结构参数Table 1.Structural parameters of the chip.

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

3.2 芯片工艺实现

敏感芯片主体为通过MEMS 微加工工艺得到,工艺流程图如图7 所示,主要工艺包括光刻技术、湿法腐蚀、真空键合、减薄抛光、研磨划片等工艺.在制备过程中,由于真空腔腔体较小,且石英膜片较薄,因此在工艺流程中需进行多次激光划片来制备验证.

图7 敏感芯片制备工艺流程图Fig.7.Chip preparation process steps.

对石英元件进行湿法刻蚀,可以获得具有高阈值的低粗糙度光学元件表面.图8 为绝压敏感芯片实物图,可以看到芯片表面较为光滑,内部则存在真空腔腔体.

图8 绝压敏感芯片Fig.8.Absolute pressure sensitive chip.

4 传感器制备

在传感器制备方面,采用CO2激光熔接平台对传感器各部位进行熔接固定.首先,将绝压敏感芯片放置于熔接平台位移调节架上,同时用夹具将玻璃管固定在位移调节架另一侧,通过内置CCD相机将该部位放大显示在电脑一体机屏幕上,从而进行熔接.然后将镀金光纤插入石英插芯中,通入激光使插芯受热进而使光纤与插芯熔接.最后将带有熔接芯片的玻璃管放置于位移调节台上,另一端将带有镀金光纤的插芯插入玻璃管中并固定位置,通入激光将玻璃管与石英插芯熔接.

图9 为传感器实物元件熔接工艺照片,其中图9(a)为敏感芯片与玻璃管熔接部位;图9(b)为插芯与玻璃管熔接部位.图10 为传感器实物封装结构.传感器采用金属结构将其封装,尾端则使用金属波纹管对光纤进行保护.

图9 传感器熔接元件 (a) 敏感芯片与玻璃管熔接部位;(b) 插芯与玻璃管熔接部位Fig.9.Sensor welding element: (a) Welding position of sensitive chip and glass tube;(b) core and glass tube welding position.

图10 传感器实物封装结构Fig.10.Sensor package structure.

5 实验测试

为了检验传感器的实际测量能力,分别对传感器做了压力和高温测试.实验测试设备如图11 所示,其中图11(a)为压力箱,图11(b)为管式炉.通过压力箱与管式炉来搭建测试系统,对传感器进行后续测试.

图11 实验测试设备 (a) 压力箱;(b) 管式炉Fig.11.Sensor test equipment: (a) Pressure chamber;(b) tubular furnace.

5.1 压力测试

首先在常温(20 ℃)下对传感器进行压力测试.测试系统采用亚克力真空密封压力箱,如图11(a)所示,压力箱有两个气阀,一个与真空抽气泵连接,另一个通过放气改变箱内压力.将传感器放入压力箱中,通过箱壁一侧密封光纤将其接入解调仪,改变箱内压力来引起敏感芯片真空腔腔长改变.最后通过计算机显示并记录传感器光谱以及光强信号变化等数据.在实际压力测试过程中,采取压力变化范围为0—100 kPa,得到的测试数据如图12 所示.可以看到,在气压改变后,反射光谱波形会发生明显改变,这是因为敏感芯片感受到压力变化后,真空腔会发生形变,从而导致干涉光谱发生变化.

图12 20 ℃下,传感器压力变化反射光谱 (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.

压力从100 kPa 到0 kPa 再到100 kPa时,传感器光信号相对强度的实时变化如图13 所示.在降压阶段,压力箱接近真空时排气速率下降,因此出现强度从陡降到缓降的过程;在升压阶段,进气速率均匀,出现强度匀速上升的变化.

图13 传感器光谱强度随压力实时变化Fig.13.Sensor spectral intensity varies with pressure in real time.

图14 为传感器光谱强度随压力变化关系图,在0—100 kPa 的升压过程与100—0 kPa 的降压过程中,整体上光谱强度与压力呈线性关系,即传感器可通过测量压力得到的相对光谱强度便可得出此时的压力值.

图14 传感器光谱强度随压力变化关系Fig.14.Sensor spectral intensity varies with the pressure.

5.2 高温测试

在常压(100 kPa)环境下对传感器进行高温测试,采用高温管式炉进行温度测试.将传感器放入管式炉内,另一端通过光纤接入解调仪,同样通过计算机显示记录传感器数据.将传感器放入管式炉中,设置目标温度为400 ℃.管式炉升温速率为10 ℃/min,从常温20 ℃开始对传感器进行温度测试.图15 记录了传感器在20 ℃升温到400 ℃然后降温到20 ℃时产生的干涉光谱.由图可知,在400 ℃时传感器干涉光谱并未产生较大的变化,表明此温度下传感器仍能进行工作.

图15 常压100 kPa 下,传感器温度变化反射光谱 (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 ℃.

图16 为传感器信号随温度变化示意图,其中温度从20 ℃升温到400 ℃然后降温到20 ℃.由于石英热膨胀原因,会导致真空腔腔长产生微小变化,从而使干涉光谱发生变化,进而导致光强产生微弱波动.综上,常温下传感器的压力变化范围为0—100 kPa,其强度最大值为6.23,最小值为2.12;常压下传感器的温度变化范围为20—400 ℃,其强度在5.87—6.02 之间波动.由温度变化引入测量误差约为3.6%.相比于压力响应测试,380 ℃的温度变化引起的光信号强度变化可以忽略.

图16 传感器相对强度随温度变化关系Fig.16.Sensor strength varies with the temperature.

6 结论

本文提出了一种温度弱敏感的MEMS 压力传感器技术,采用MEMS 芯片压力敏感膜片对干涉光信号进行被动调制,进而实现压力信号测量.在此基础上结合亚微米级白光干涉响应技术和低热应力封装工艺,研制了高温压力传感器样机.实验测试结果表明,在20—400 ℃范围内,可满足0—100 kPa 压力测量,由温度变化引入测量误差低于4%.相对传统压力传感器,具有尺寸小、损耗低、灵敏度高、可多点分布测量、工作温度高等优点.适用于燃气轮机、航空、航天发动机等高温恶劣环境,用于实现对其运行状态的监控和健康评估,为极端环境下压力测量提供了新的研究思路.