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藍寶石高溫壓力傳感器的工作原理與優點

發布時間:2020-9-11??????發布人:澤天傳感??????點擊:

藍寶石是Al?O3的晶體結構,熔點達到2040℃,具有良好的光學特性、絕緣性,在1500℃時機械性能良好,是制備高溫傳感器的理想材料。目前基于藍寶石的高溫傳感器主要有兩大類,下面分類介紹。

1、基于SOS(Silicon on Sapphire)結構的應變式壓力傳感器

藍寶石高溫壓力傳感器是一種應變電阻式工作原理,采用硅-藍寶石作為半導體壓力敏感元件,具有較好的的計量特性。藍寶石是由單晶體絕緣體元素組成,一般不會發生滯后、疲勞和蠕變現象;藍寶石比硅要堅固,硬度更高,不怕形變;藍寶石有著非常好的彈性和絕緣特性(1000℃以內),因此,利用硅-藍寶石制造的半導體壓力敏感元件,對溫度變化不敏感,即使在高溫條件下,壓力傳感器也有著很好的工作特性;藍寶石的抗輻射特性比較好;另外,硅-藍寶石半導體壓力敏感元件,無p-n漂移,因此,從根本上簡化了制造工藝,提高了重復性,確保了高成品率。

用硅-藍寶石半導體敏感元件制造的高溫壓力傳感器,可在最惡劣的工作條件下正常工作,并且可靠性高、精度好、溫度誤差極小、但是一般性價比不高。要特別指出的是,這種高溫壓力傳感器一般需要從俄羅斯獨家進口,在售后服務上面臨一定的風險。

藍寶石表壓壓力傳感器由雙膜片構成:鈦合金測量膜片和鈦合金接收膜片。印刷有異質外延性應變靈敏電橋電路的藍寶石薄片,被焊接在鈦合金測量膜片上。被測壓力傳送到接收膜片上(接收膜片與測量膜片之間用拉桿堅固的連接在一起)。在壓力的作用下,鈦合金接收膜片產生形變,該形變被硅-藍寶石敏感元件感知后,其電橋輸出會發生變化,變化的幅度與被測壓力成正比。

藍寶石高溫壓力傳感器的電路能夠保證應變電橋電路的供電,并將應變電橋的失衡信號轉換為工業標準的電信號輸出(例如4-20mA信號)。在絕壓壓力傳感器和變送器中,藍寶石薄片,與陶瓷基極玻璃焊料連接在一起,起到了彈性元件的作用,將被測壓力轉換為應變片形變,從而達到壓力測量的目的。

2、藍寶石光纖式高溫壓力傳感器

光纖式傳感器具有測量精度高、抗電磁干擾、抗輻射、工作溫度高、易組網、可實現多參量測量等優點,適合應用于燃氣輪機、航空/航天發動機等高溫惡劣環境,目前已成為高溫壓力傳感器的熱門研究方向,歐美國家在二十年前已開始研究高溫惡劣環境下的光纖壓力傳感技術,主要有光棚光纖式和法布里-珀羅(Fabri-Perot)干涉光纖式兩種實現方式。光棚光纖式壓力傳感器靈敏度較低,適用于公路鐵路安全監測、橋梁隧道安全監測、石油化工等高壓測量領域。F-P干涉光纖式高溫壓力傳感器如圖1所示。F-P干涉測壓原理如圖所示,激光在通過F-P腔時形成多條反射光,利用反射光干涉特性反演得到腔長,再通過腔長與壓力的關系實現壓力測量,通過調整感壓膜厚度能制備不同量程的壓力傳感器。

藍寶石光纖式高溫壓力傳感器

隨著藍寶石微加工技術的豐富和成熟,基于全藍寶石F-P腔的光纖傳感器已成為高溫傳感器的一個重要研究方向。位于英國牛津郡的Oxsensis公司從2005年開始研制基于法-珀腔干涉原理的光纖式高溫壓力傳感器(如圖(b)所示),已從單一測壓傳感器產品發展到現在多參數測量系統,可同時測量壓力、溫度、振動、流量等參數。該公司的溫度、壓力、振動產品的工作溫度均達到1000℃,與阿爾斯通、西門子、斯奈克瑪等燃氣輪機廠商合作廣泛。2015年Oxsensis還聯合GE公司提出了基于超高溫光纖傳感器的壓縮機主動穩定管理系統的研制計劃,該系統包含若干傳感器及微執行器,打破了傳統測量系統只進行被動監測的局面。美國Virginia理工大學的Wang Anbo等人利用藍寶石的ICP干法刻蝕及藍寶石的熱壓鍵合工藝,制作了全藍寶石結構的F-P腔,如圖(c)所示,封裝完成的壓力傳感器如圖(d)所示,該傳感器的最高使用溫度達到1500℃。另外,Florida大學Sheplak Mark課題組、美國Luna Innovation公司、歐洲航空局等研究機構都開展了基于藍寶石F-P腔超高溫傳感器的研究,研究內容集中于F-P腔的制備新方法、傳感器的低應力封裝以及進一步提高傳感器工作溫度的方法。國內關于藍寶石光纖壓力傳感器的研究還較少,電子科技大學的饒云江課題組研制了傳感器樣機,但僅進行了常溫壓力測試,高溫壓力傳感器樣機尚未見報道。本文源自澤天傳感,轉載請保留。

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