高溫極端環(huán)境下的壓力原位直接測(cè)量在航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)、石油油井環(huán)境探測(cè)等高溫高壓領(lǐng)域存在迫切需求，耐高溫壓力傳感器技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前的重要研究方向。

光纖法珀式壓力傳感器由于無(wú)需引入金屬等其他材料，能夠最大限度地發(fā)揮傳感膜片等基體所用材料的耐高溫特性，可滿足高溫極端環(huán)境下的壓力測(cè)量要求。碳化硅（SiC）作為第三代半導(dǎo)體材料，與現(xiàn)有MEMS加工技術(shù)具有良好的相容性，且具備優(yōu)異的耐高溫特性，因此成為制備光纖法珀式耐高溫壓力傳感器的理想材料選擇。然而，受限于SiC材料極佳的化學(xué)穩(wěn)定性以及硬脆性，基于SiC材料的耐高溫壓力傳感器加工制備仍存在技術(shù)難題，如SiC傳感膜片的微加工和傳感器真空法珀腔體的氣密鍵合等。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，針對(duì)高溫環(huán)境下壓力參數(shù)的原位測(cè)試需求，北京航空航天大學(xué)仿生與微納系統(tǒng)研究所蔣永剛教授團(tuán)隊(duì)提出一種基于超聲微銑磨（UVMG）加工與直接鍵合方法的光纖法珀式SiC耐高溫壓力傳感器。該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)600℃高溫環(huán)境下0~4 MPa范圍內(nèi)的壓力測(cè)量；600℃下傳感器的壓力靈敏度達(dá)到104.42 nm/MPa，具有較高的線性度，R2＞0.99。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《中國(guó)機(jī)械工程》期刊。

該項(xiàng)工作中，研究人員基于SiC材料優(yōu)異的耐高溫特性，研制了一種光纖法珀式全SiC結(jié)構(gòu)耐高溫壓力傳感器。該傳感器采用全SiC真空法珀腔的傳感頭芯體結(jié)構(gòu)，利用超聲銑磨加工技術(shù)，加工出粗糙度Ra小于12 nm的SiC傳感膜片。通過(guò)SiC晶片氫氟酸輔助直接鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)真空法珀腔的高強(qiáng)度氣密性可靠鍵合，并完成了基于SiC材料的光纖法珀式耐高溫壓力傳感器制備。

光纖法珀式SiC耐高溫壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

光纖法珀式SiC耐高溫壓力傳感頭法珀腔體的截面圖

為了檢驗(yàn)該傳感器的實(shí)際測(cè)量能力，研究人員搭建了耐高溫壓力傳感器綜合測(cè)試平臺(tái)，對(duì)其進(jìn)行了高溫環(huán)境下的性能測(cè)試。結(jié)果表明，室溫和600℃高溫環(huán)境下，真空法珀腔腔長(zhǎng)隨壓力呈線性變化，R2均大于0.99。室溫下，傳感器壓力靈敏度為93.31 nm/MPa。在600℃下，傳感器的壓力靈敏度為104.42 nm/MPa，溫度壓力交叉靈敏度為5.28×10?? MPa/℃。可見(jiàn)該傳感器樣機(jī)的溫度交叉靈敏度較大，針對(duì)該問(wèn)題，研究人員指出后續(xù)可以從兩個(gè)方面解決：一是優(yōu)化傳感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)基于結(jié)構(gòu)的溫度補(bǔ)償；二是基于本傳感結(jié)構(gòu)中SiC基板厚度引起的干涉光譜，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的直接解調(diào)，從而進(jìn)行已知溫度條件下的補(bǔ)償。

光纖法珀式SiC耐高溫壓力傳感器測(cè)試系統(tǒng)示意圖

真空法珀腔長(zhǎng)隨壓力的變化曲線

初始法珀腔腔長(zhǎng)隨溫度的變化曲線

研究人員稱，通過(guò)與國(guó)內(nèi)外高溫壓力傳感器研究現(xiàn)狀進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該傳感器的耐溫性能處于國(guó)內(nèi)外較高水平。受限于所搭建測(cè)試平臺(tái)的耐溫性能，該傳感器僅測(cè)試至600℃，600℃時(shí)傳感器干涉光譜未發(fā)生明顯惡化，因此該傳感器有通過(guò)更高溫度測(cè)試的可能。此外，利用藍(lán)寶石光纖替換石英光纖，未來(lái)有望進(jìn)一步提高傳感器的工作溫度。

論文鏈接：
https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.15.006

審核編輯 ：李倩