一種高溫壓力傳感器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)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(zhuān)利說(shuō)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(lèi)控制裝置及系統(tǒng)信息獲取與傳輸?shù)暮诵钠骷?，壓力傳感器及其相關(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(lái)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(cè)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(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。其中，光纖法珀傳感器具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、受環(huán)境波動(dòng)影響不大、對(duì)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(cè)及對(duì)于壓力、溫度、流速等的實(shí)時(shí)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。
[0003]高溫壓力的測(cè)量在航空航天、汽車(chē)、石油等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。例如實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(wèn)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(duì)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(wèn)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(cè)量環(huán)境中，同時(shí)進(jìn)行溫度的測(cè)量，進(jìn)而可以減小傳感器在高溫環(huán)境下溫度其對(duì)壓力測(cè)量準(zhǔn)確度的影響。
【附圖說(shuō)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(yáng)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(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)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(kāi)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(lèi)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(guò)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(yáng)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?，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。
[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(guò)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(duì)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(guò)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(xiàn)在F-P腔體的上下表面來(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)變化，從而引起干涉信號(hào)發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)量干涉信號(hào)的變化則可推導(dǎo)出腔長(zhǎng)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(kāi)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(lèi)型可為單模光纖或多模光纖。
[0045]所述通過(guò)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(guò)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(yáng)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(guò)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(duì)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(guò)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(xiàn)在F-P腔體的上下表面來(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)變化，從而引起干涉信號(hào)發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)量干涉信號(hào)的變化則可推導(dǎo)出腔長(zhǎng)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(cè)量范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)的線(xiàn)性度良好，其靈敏度較高，溫度敏感系數(shù)較低，測(cè)量分辨率較高，同時(shí)，該傳感器在高溫環(huán)境下對(duì)壓力也有良好的線(xiàn)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(cè)試領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用潛力和競(jìng)爭(zhēng)力。經(jīng)檢測(cè)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(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，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(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)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(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月16日
【發(fā)明人】賈平崗, 房國(guó)成, 梁昊, 曹群, 熊繼軍
【申請(qǐng)人】中北大學(xué)