一種高溫壓力傳感器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種高溫壓力傳感器，包括傳感頭、光纖、玻璃管，所述傳感頭包括玻璃基底、單拋硅片和硅膜片，玻璃基底底面設(shè)有一空腔，單拋硅片安裝在空腔內(nèi)，且底面與硅膜片的上頂面相連，硅膜片下端設(shè)有一深腔，所述傳感頭為方形，所述玻璃基底頂面中部設(shè)有一圓形凸臺(tái)，所述圓形凸臺(tái)的中心處設(shè)有一通孔，所述玻璃管套接在光纖外，且玻璃管的一端插入通孔與傳感器、光纖實(shí)現(xiàn)固接，確保腔體處于密封真空環(huán)境。本實(shí)用新型耐高溫、成本低廉，結(jié)構(gòu)微小，并具有光纖琺珀傳感器精度高，抗電磁干擾等的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
一種高溫壓力傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及壓力傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種高溫壓力傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]作為各類控制裝置及系統(tǒng)信息獲取與傳輸?shù)暮诵钠骷瑝毫鞲衅骷捌湎嚓P(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，使得各個(gè)領(lǐng)域的自動(dòng)化程度越來越高。與傳統(tǒng)的電學(xué)壓力傳感器相比，光纖壓力傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)測試范圍寬、高分辨率、體積小且易于多路復(fù)用或分路感應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，因而在航空、航天、電子等領(lǐng)域中都得到了廣泛使用。同時(shí)，隨著以微電子、微機(jī)械加工與封裝技術(shù)巧妙結(jié)合的MEMS技術(shù)不斷發(fā)展，利用MEMS技術(shù)制造的光纖壓力傳感器以其重量輕、功能強(qiáng)，具有頻帶寬和靈敏度高的特性，并且與集成電路工藝兼容能夠批量生產(chǎn)，更是成為了當(dāng)下研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。其中，光纖法珀傳感器具備結(jié)構(gòu)簡單緊湊、受環(huán)境波動(dòng)影響不大、對感應(yīng)信號(hào)衰落不敏感、分辨率高和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各種物理、化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)參數(shù)的檢測及對于壓力、溫度、流速等的實(shí)時(shí)系統(tǒng)監(jiān)測。
[0003]高溫壓力的測量在航空航天、汽車、石油等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。例如實(shí)時(shí)監(jiān)測航天器發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中的壓力，可以幫助分析發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能，及時(shí)避免發(fā)動(dòng)機(jī)喘振等不良問題。目前，多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)溫度在300°C-1000°C，甚至高于1000°C，這對壓力傳感器提出了更高的溫度要求。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]為解決上述問題，本實(shí)用新型提供了一種高溫壓力傳感器，成本低廉，結(jié)構(gòu)微小，并具有光纖琺珀傳感器精度高，抗電磁干擾等的優(yōu)點(diǎn)。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案為:
[0006]—種高溫壓力傳感器，包括傳感頭、光纖、玻璃管，所述傳感頭包括玻璃基底、單拋硅片和硅膜片，玻璃基底底面設(shè)有一空腔，單拋硅片安裝在空腔內(nèi)，且底面與硅膜片的上頂面相連，硅膜片下端設(shè)有一深腔，所述傳感頭為方形，所述玻璃基底頂面中部設(shè)有一圓形凸臺(tái)，所述圓形凸臺(tái)的中心處設(shè)有一通孔，所述玻璃管套接在光纖外，且玻璃管的一端插入通孔與傳感器、光纖實(shí)現(xiàn)固接，確保腔體處于密封真空環(huán)境。
[0007]其中，所用光纖為單模光纖或多模光纖。
[0008]其中，光纖可由帶有布拉格光柵的單模光纖代替，光纖布拉格光柵段固定
[0009]在玻璃管內(nèi)。
[0010]其中，所述玻璃基底(5)上帶有小孔。
[0011]其中，玻璃管與傳感器之間，玻璃管與光纖的之間采用激光或電極焊接的方法實(shí)現(xiàn)固接。
[0012]其中，所述玻璃管和玻璃基底為Pyrex玻璃材料。
[0013]其中，所述高溫壓力傳感器為全玻璃結(jié)構(gòu)。
[0014]其中，所述單拋硅片上表面可鍍高反膜。
[0015]本實(shí)用新型具有以下有益效果:
[0016]整體的全玻璃材料可以保證傳感器在高溫環(huán)境下的正常工作，相同材料特性有助于實(shí)現(xiàn)傳感器的密封性、可靠性，并保證了傳感器的敏感度和精度，單模光纖中的布拉格光柵結(jié)構(gòu)，可使傳感器在測量環(huán)境中，同時(shí)進(jìn)行溫度的測量，進(jìn)而可以減小傳感器在高溫環(huán)境下溫度其對壓力測量準(zhǔn)確度的影響。
【附圖說明】
[0017]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例一種高溫壓力傳感器一個(gè)具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例一種高溫壓力傳感器另一個(gè)具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例一種高溫壓力傳感器中傳感頭的制備流程圖；
[0020]圖中，(a)為一次光刻；(b)濺射；(C)剝離；(d)二次光刻；(e)刻蝕；(f)去膠；(g)陽極鍵合;(h)銑凸臺(tái)；1-硅片;2-光刻膠;3-多層金屬;4-玻璃基底。
[0021]圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例一種高溫壓力傳感另一個(gè)具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖
[0022]圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例一種高溫壓力傳感的光譜圖。
[0023]圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例一種高溫壓力傳感360°C下的壓力響應(yīng)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]為了使本實(shí)用新型的目的及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0025]實(shí)施例1
[0026]如圖1所示，本實(shí)用新型實(shí)施例公開了一種高溫壓力傳感器，包括傳感頭、光纖1、玻璃管2，所述傳感頭包括玻璃基底5、單拋硅片6和硅膜片7，玻璃基底5底面設(shè)有一空腔，單拋硅片6安裝在空腔內(nèi)，且底面與硅膜片7的上頂面相連，硅膜片7下端設(shè)有一深腔，所述傳感頭為方形，所述玻璃基底5頂面中部設(shè)有一圓形凸臺(tái)4，所述圓形凸臺(tái)4的中心處設(shè)有一通孔，所述玻璃管2套接在光纖I外，且玻璃管2的一端插入通孔與傳感器、光纖實(shí)現(xiàn)固接，確保腔體處于密封真空環(huán)境。
[0027]所述玻璃基底5上帶有小孔，玻璃管與傳感器之間，玻璃管與光纖的之間采用激光或電極焊接的方法實(shí)現(xiàn)固接，所述玻璃管和玻璃基底為Pyrex玻璃材料，所述高溫壓力傳感器為全玻璃結(jié)構(gòu)。
[0028]所用光纖類型可為單模光纖或多模光纖。
[0029]實(shí)施例2
[0030]如圖2所示，所述高溫壓力傳感，光纖I由帶有布拉格光柵3的單模光纖代替，光纖布拉格光柵段固定在玻璃管內(nèi)，固接點(diǎn)的位置在凸臺(tái)的上部以及玻璃管的上端面附近并遠(yuǎn)離布拉格光柵結(jié)構(gòu)的位置。
[0031]如圖3所示，所述傳感頭通過以下步驟制備所得:
[0032]S1、將硅片經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)的RCA清洗流程后，表面涂覆光刻膠作為掩膜，進(jìn)行第一次光刻，形成正面圖形；
[0033]S2、在硅片表面濺射金屬膜層，并剝離與光刻膠粘連的多余金屬；
[0034]S3、在所得硅片背面涂光刻膠，進(jìn)行二次光刻，形成圓腔圖案；
[0035]S4、干法刻蝕未被光刻膠保護(hù)的硅片并達(dá)到所需的膜片厚度，在硅片背面形成深腔，去I父，得娃膜片；
[0036]S5、玻璃基座和凸臺(tái)采用機(jī)械加工方法實(shí)現(xiàn)；
[0037]S6、將所得硅膜片與玻璃基座進(jìn)行陽極鍵合
[0038]硅膜片的靈敏度與膜片的半徑成正比關(guān)系，而與膜片厚度成反比關(guān)系，即若要取得較高的膜片靈敏度，應(yīng)適當(dāng)?shù)脑黾幽て霃剑瑫r(shí)減小膜片厚度，只有設(shè)計(jì)出合適的尺寸并確定恰當(dāng)?shù)膮?shù)，才能得到良好的傳感器性能。最終得到所需硅膜片，并在玻璃基底中部銑出一個(gè)圓形凸臺(tái)，并在圓形凸臺(tái)加工一個(gè)通孔，最后利用劃片機(jī)進(jìn)行劃片處理，分成單個(gè)的敏感單元。
[0039]傳感器頭結(jié)構(gòu)的凸臺(tái)部分是玻璃管與傳感器頭固接的重要結(jié)構(gòu)，通過激光或電極的方法加熱凸臺(tái)部分使其融化與玻璃管實(shí)現(xiàn)熔接，由于材料相同，熱膨脹系數(shù)相差不多，對于兩種結(jié)構(gòu)的熔接影響最小，保證了壓力傳感器在高溫環(huán)境下的整體性、密封性、敏感性和精度。
[0040]光源發(fā)出的入射光通過光纖耦合進(jìn)入傳感器內(nèi)，其中，硅膜片表面涂覆的金屬層作為法珀腔的一個(gè)反射面，玻璃管中內(nèi)插光纖的端面作為另一個(gè)反射面，光線在F-P腔體的上下表面來回反射，形成多光束干涉，部分反射光沿著原路返回，相遇后再次發(fā)生干涉。干涉信號(hào)與腔長L有關(guān)，當(dāng)膜片受到外界壓力時(shí)會(huì)沿著軸向產(chǎn)生形變，導(dǎo)致法珀腔腔長變化，從而引起干涉信號(hào)發(fā)生變化。通過測量干涉信號(hào)的變化則可推導(dǎo)出腔長變化，最終進(jìn)行解調(diào)得到壓力信息變化數(shù)值，實(shí)現(xiàn)壓力傳感。
[0041 ] 實(shí)施例3
[0042]如圖3所示，本實(shí)用新型實(shí)施例公開了一種高溫壓力傳感器，包括傳感頭、光纖1、玻璃管2，所述傳感頭包括玻璃基底5、單拋硅片6和硅膜片7，玻璃基底5底面設(shè)有一空腔，單拋硅片6安裝在空腔內(nèi)，且底面與硅膜片7的上頂面相連，硅膜片7下端設(shè)有一深腔，所述傳感頭為方形，所述玻璃基底5頂面中部設(shè)有一圓形凸臺(tái)4，所述圓形凸臺(tái)4的中心處設(shè)有一通孔，所述玻璃管2套接在單模光纖或多模光纖I外，且玻璃管2的一端插入通孔，將玻璃管與傳感器以及玻璃管與光纖實(shí)現(xiàn)固接，并在玻璃基底打有一個(gè)小孔8，使整個(gè)傳感器內(nèi)部處在差壓環(huán)境下。
[0043]所述高溫壓力傳感，光纖可由帶有布拉格光柵3的單模光纖代替，并將布拉格光柵外固定在玻璃管內(nèi)，固接點(diǎn)的位置在凸臺(tái)的上部以及玻璃管的上端面附近并遠(yuǎn)離布拉格光柵結(jié)構(gòu)的位置。
[0044]所述高溫壓力傳感器，所用光纖類型可為單模光纖或多模光纖。
[0045]所述通過激光或電極的方法將玻璃管與傳感器以及玻璃管與單模光纖進(jìn)行固接。
[0046]所述玻璃管和玻璃基底可以為Pyrex玻璃等材料。
[0047]所述高溫壓力傳感器為全玻璃結(jié)構(gòu)。
[0048]所述單拋硅片6，可以在其上表面鍍高反膜
[0049 ] 如圖2所示，所述傳感頭通過以下步驟制備所得:
[0050] S1、將硅片經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)的RCA清洗流程后，表面涂覆光刻膠作為掩膜，進(jìn)行第一次光刻，形成正面圖形；
[0051]S2、在硅片表面濺射金屬膜層，并剝離與光刻膠粘連的多余金屬；
[0052]S3、在所得硅片背面涂光刻膠，進(jìn)行二次光刻，形成圓腔圖案；
[0053]S4、干法刻蝕未被光刻膠保護(hù)的硅片并達(dá)到所需的膜片厚度，在硅片背面形成深腔，去I父，得娃膜片；
[0054]S5、將所得硅膜片與玻璃基座進(jìn)行陽極鍵合后，銑出凸臺(tái)。
[0055]硅膜片的靈敏度與膜片的半徑成正比關(guān)系，而與膜片厚度成反比關(guān)系，即若要取得較高的膜片靈敏度，應(yīng)適當(dāng)?shù)脑黾幽て霃?，同時(shí)減小膜片厚度，只有設(shè)計(jì)出合適的尺寸并確定恰當(dāng)?shù)膮?shù)，才能得到良好的傳感器性能。最終得到所需硅膜片，并在玻璃基底中部銑出一個(gè)圓形凸臺(tái)，并在圓形凸臺(tái)加工一個(gè)通孔，最后利用劃片機(jī)進(jìn)行劃片處理，分成單個(gè)的敏感單元。
[0056]傳感器頭結(jié)構(gòu)的凸臺(tái)部分是玻璃管與傳感器頭固接的重要結(jié)構(gòu)，通過激光或電極的方法加熱凸臺(tái)部分使其融化與玻璃管實(shí)現(xiàn)熔接，由于材料相同，熱膨脹系數(shù)相差不多，對于兩種結(jié)構(gòu)的熔接影響最小，保證了壓力傳感器在高溫環(huán)境下的整體性、密封性、敏感性和精度。
[0057]光源發(fā)出的入射光通過光纖耦合進(jìn)入傳感器內(nèi)，其中，硅膜片表面涂覆的金屬層作為法珀腔的一個(gè)反射面，玻璃管中內(nèi)插光纖的端面作為另一個(gè)反射面，光線在F-P腔體的上下表面來回反射，形成多光束干涉，部分反射光沿著原路返回，相遇后再次發(fā)生干涉。干涉信號(hào)與腔長L有關(guān)，當(dāng)膜片受到外界壓力時(shí)會(huì)沿著軸向產(chǎn)生形變，導(dǎo)致法珀腔腔長變化，從而引起干涉信號(hào)發(fā)生變化。通過測量干涉信號(hào)的變化則可推導(dǎo)出腔長變化，最終進(jìn)行解調(diào)得到壓力信息變化數(shù)值，實(shí)現(xiàn)壓力傳感。
[0058]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:常溫下，本實(shí)施例所得傳感器在壓力測量范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)曲線的線性度良好，其靈敏度較高，溫度敏感系數(shù)較低，測量分辨率較高，同時(shí)，該傳感器在高溫環(huán)境下對壓力也有良好的線性響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了高溫壓力傳感器的小型化而且成本低廉，在高溫壓力測試領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用潛力和競爭力。經(jīng)檢測所得高溫壓力傳感器的光譜圖如圖5所示，所得高溫壓力傳感器360°C下的壓力響應(yīng)示意圖如圖6所示。
[0059]以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高溫壓力傳感器，其特征在于，包括傳感頭、光纖(I)、玻璃管(2)，所述傳感頭包括玻璃基底(5)、單拋硅片(6)和硅膜片(7)，玻璃基底(5)底面設(shè)有一空腔，單拋硅片(6)安裝在空腔內(nèi)，且底面與硅膜片(7)的上頂面相連，硅膜片(7)下端設(shè)有一深腔，所述傳感頭為方形，所述玻璃基底(5)頂面中部設(shè)有一圓形凸臺(tái)(4)，所述圓形凸臺(tái)(4)的中心處設(shè)有一通孔，所述玻璃管(2)套接在光纖(I)外，且玻璃管(2)的一端插入通孔與傳感器、光纖實(shí)現(xiàn)固接。2.如權(quán)利要求1所述的一種高溫壓力傳感器，其特征在于，所用光纖(I)為單模光纖或多模光纖。3.如權(quán)利要求1所述的一種高溫壓力傳感器，其特征在于，光纖(I)可由帶有布拉格光柵(3)的單模光纖代替，光纖布拉格光柵段固定在玻璃管內(nèi)。4.如權(quán)利要求1所述的一種高溫壓力傳感器，其特征在于，所述玻璃基底(5)上帶有小孔。5.如權(quán)利要求1所述的一種高溫壓力傳感器，其特征在于，玻璃管與傳感器之間，玻璃管與光纖的之間采用激光或電極焊接的方法實(shí)現(xiàn)固接。6.如權(quán)利要求1所述的一種高溫壓力傳感器，其特征在于，所述玻璃管和玻璃基底為Pyr ex玻璃材料。7.如權(quán)利要求1所述的一種高溫壓力傳感器，其特征在于，所述高溫壓力傳感器為全玻璃結(jié)構(gòu)。8.如權(quán)利要求1所述的一種高溫壓力傳感器，其特征在于，所述單拋硅片(6)上表面可鍍高反膜。
【文檔編號(hào)】G01L11/02GK205664972SQ201620436519
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月16日
【發(fā)明人】賈平崗, 房國成, 梁昊, 曹群, 熊繼軍
【申請人】中北大學(xué)