Ltcc光纤法珀高温压力传感器及传感系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型为一种LTCC光纤法珀高温压力传感器及传感系统，该传感器主要由基座、压力敏感膜片、光纤、插芯及尾柄组成。本实用新型采用LTCC技术一体化制造直接接触高温的压力敏感膜片和基座，用高温胶水将光纤固定在尾柄及插芯内，采用陶瓷烧结技术或高温胶水将插芯与基座连接，使光纤端面与压力敏感膜片平行放置构成法珀腔，通过光纤传感技术测量压力导致的膜片挠度变化，从而进行压力测量。本实用新型解决了高温下热应力不匹配导致的传感器失效问题。另外，采用光纤传输可以隔绝高温，消除高温对信号处理电路的影响。在超高温环境下，所制作的压力传感器可以实现宽频带的原位压力测量。
【专利说明】
LTCC光纤法珀高温压力传感器及传感系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及光纤传感技术领域，具体是一种LTCC光纤法珀高温压力传感器及 传感系统。
【背景技术】
[0002] 航天航空发动机的工作温度一般高于1300°C，火箭推动器的工作温度高达3000 °C，而常用的压力传感器包括压阻传感器、电阻传感器、压电传感器、石英光纤传感器等，其 长时间工作温度最高不超过900°C，远低于发动机的工作温度，限制了压力传感器在航天航 空飞行器中的应用。因此，超高温压力传感器在航天航空飞行器的健康状态监测、飞行控制 和设计优化方面有迫切的需求。
[0003] 目前，为了解决超高温压力传感器的需求和压力传感器耐温低之间的矛盾，在实 际应用中主要采用以下两种替代方法:一是采用水冷或者气冷的压力传感器，其工作温度 可以达到1000 °c。二是长引压管结合常温压力传感器的测量方法，温度范围更高。这两种方 法都具有着明显的缺点：水冷式或气冷系统比较复杂，将导致重量大大增加以及水冷或气 冷产生的安全问题，限制了该类型传感器在航天航空发动机中的应用;在引压管结合常温 压力传感器的测量方法中，引压管起着传递压力和隔离热量传递的功能，这样不但会导致 非原位测量准确度不高，而且引压会降低测量的动态特性，不能满足实时反馈控制的需求。 因此，原位超高温环境下的压力测量是目前测量技术的一个瓶颈。
[0004] 综上所述，超高温环境中的压力参数原位测量具有迫切的需求和极大的挑战，急 需进一步研究。
【发明内容】
[0005] 本实用新型的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种LTCC光纤 法珀高温压力传感器及传感系统。
[0006] 本实用新型是通过如下技术方案实现的：
[0007] -种LTCC光纤法珀高温压力传感器，包括陶瓷基座、陶瓷插芯、尾柄和光纤；陶瓷 基座内设有内腔，内腔与陶瓷基座底面之间形成陶瓷压力敏感膜片，陶瓷基座、内腔及陶瓷 压力敏感膜片采用LTCC(低温共烧陶瓷)技术一体化制造而成；陶瓷插芯固定于陶瓷基座 上，且陶瓷插芯的底部伸至内腔中；尾柄固定于陶瓷插芯的顶部，光纤固定于陶瓷插芯及 尾柄中；陶瓷插芯及光纤的出光面与陶瓷压力敏感膜片平行放置构成法珀腔;陶瓷基座、内 腔、陶瓷压力敏感膜片、陶瓷插芯、尾柄和光纤都位于同一轴线上。
[0008] 所述的陶瓷插芯和光纤的出光面都经过研磨处理，以保证出射光纤端面光的反射 率。
[0009] 所述的陶瓷压力敏感膜片的反射光一面（即陶瓷压力敏感膜片的内表面)镀有反 射膜(如通过溅射技术），以保证光纤透射光的反射率。
[0010] 进一步的，本实用新型所述的LTCC光纤法珀高温压力传感器的制备方法，包括如 下步骤：
[0011] 1)陶瓷基座制备：陶瓷基座及其内腔、陶瓷压力敏感膜片是采用LTCC技术一体化 制造而成的，具体为，a)通过打孔机形成生瓷片的定位孔、过孔以及内孔结构;b)通过定位 孔将多层100μπι厚的生瓷片进行叠片，并保证过孔及内孔的垂直度;c)将叠片完成后的整体 结构真空封装后置于层压机中进行层压;d)将层压后的整体结构在烧结炉中进行烧结即 可;其中，由下而上计，第一层生瓷片作为陶瓷压力敏感膜片，陶瓷压力敏感膜片的厚度通 过第一层生瓷片厚度的设计来实现;第二层生瓷片到第六层生瓷片上开设内孔，五个内孔 叠压形成陶瓷基座的内腔，内孔直径决定陶瓷压力敏感膜片的有效直径，陶瓷压力敏感膜 片的有效直径通过内孔直径的设计来实现;第七层生瓷片到第N层生瓷片上开设过孔，若干 过孔叠压形成用于固定陶瓷插芯的孔结构，陶瓷插芯固定于陶瓷基座内的深度通过若干过 孔总深度(即:N-6片生瓷片的总厚度)的设计来实现；
[0012] 2)陶瓷基座与陶瓷插芯固定:将陶瓷插芯的底部通过陶瓷高温烧结技术或高温胶 水固定于陶瓷基座上的过孔内，保证陶瓷插芯与陶瓷基座垂直固定；
[0013] 3)陶瓷插芯与尾柄固定:将陶瓷插芯的顶部通过压接机压接在尾柄内。
[0014] 4)光纤与陶瓷插芯、尾柄固定:光纤通过高温胶水胶结固化于陶瓷插芯及尾柄中， 高温胶水的热膨胀系数与光纤、陶瓷插芯的接近，具体为，将高温胶水注入尾柄及陶瓷插芯 的插孔内，然后将光纤插入尾柄及陶瓷插芯的插孔中，最后加热使高温胶水凝固即可。
[0015] 本实用新型所述的LTCC光纤法珀高温压力传感器，利用陶瓷、光纤、热膨胀系数接 近的高温胶水等耐高温材料，并采用LTCC(低温共烧陶瓷)技术一体化加工陶瓷基座及其 内腔、陶瓷压力敏感膜片，同时利用光纤传感高灵敏度、抗电磁干扰、结构紧凑等优点，解决 了高温压力传感器主要存在的3大问题:一、高温下敏感材料或机理失效;二、不同材料热膨 胀系数不同导致的热应力不匹配，进而导致高温下传感头损坏;三、高温沿信号热线传导对 信号处理电路的影响，实现了超高温环境下压力信号的测量。同时，上述结构的LTCC光纤法 珀高温压力传感器还具有结构简单、加工工艺简单、便于制造的优点。
[0016] 进一步的，本实用新型还公开了一种基于本实用新型所述LTCC光纤法珀高温压力 传感器的传感系统，该系统是基于本实用新型所述的LTCC光纤法珀高温压力传感器上设计 而成的，该系统包括LTCC光纤法珀高温压力传感器和信号解调系统；
[0017] 信号解调系统包括SLD光源、第一光纤親合器、第二光纤親合器、第一滤波器、第二 滤波器、第一光电探测器、第二光电探测器、正交信号处理单元和接口模块，其中，第一光纤 親合器分别与SLD光源和第二光纤親合器连接，第二光纤親合器又分别与第一滤波器和第 二滤波器连接，第一滤波器又与第一光电探测器连接，第二滤波器又与第二光电探测器连 接，第一光电探测器和第二光电探测器又同时与正交信号处理单元连接，正交信号处理单 元又与接口模块连接；
[0018] LTCC光纤法珀高温压力传感器的光纤通过石英单模光纤与信号解调系统的第一 光纤耦合器连接。
[0019] 本系统中，SLD光源的输出光通过第一光纤耦合器进入LTCC光纤法珀高温压力传 感器;LTCC光纤法珀高温压力传感器返回的干涉信号再次通过第一光纤耦合器后，被第二 光纤耦合器分成相同的两束光;这两束光分别经第一滤波器和第二滤波器滤波后分别到达 第一光电探测器和第二光电探测器，进而被转化为电信号输出；两路电信号进入正交信号 处理器进行运算，得到法珀腔的腔长变化量，实现压力传感。
[0020] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
[0021] 本实用新型采用低温共烧陶瓷的方法（即所述LTCC技术)一体化制造直接接触高 温的传感器关键部件（陶瓷基座和陶瓷压力敏感膜片），可以解决高温下由于热应力不匹配 导致的传感器损坏问题;本实用新型中将光纤端面与陶瓷压力敏感膜片平行放置构成法珀 腔进行压力测量。由于光纤和陶瓷均属于耐高温材料，解决了高温环境下敏感材料或机理 失效问题;本实用新型通过光纤传感方法实现压力信号测量，同时可以解决高温对信号处 理电路的影响问题。采用光纤传输可以隔绝高温，消除高温对信号处理电路的影响。在超高 温环境下，本实用新型传感器可以实现宽频带的原位压力测量。此外，本实用新型的LTCC光 纤法珀高温压力传感器的结构十分简单，这大大降低了加工和调试难度。
【附图说明】
[0022] 图1为本实用新型LTCC光纤法珀高温压力传感器的结构示意图。
[0023] 图2为基于本实用新型所述LTCC光纤法珀高温压力传感器的传感系统的结构示意 图。
[0024] 图中：1-陶瓷基座、2-陶瓷插芯、3-尾柄、4-光纤、5-内腔、6-陶瓷压力敏感膜片、7-法珀腔、8-反射膜；
[0025] 102-SLD光源、103-第一光纤耦合器、104-第二光纤耦合器、105-第一滤波器、106- 第二滤波器、107-第一光电探测器、108-第二光电探测器、109-正交信号处理单元、110-接 口模块、111-石英单模光纤。
【具体实施方式】
[0026] 以下结合附图对本实用新型作进一步地描述：
[0027] 如图1所示，一种LTCC光纤法珀高温压力传感器，包括陶瓷基座1、陶瓷插芯2、尾柄 3和光纤4;陶瓷基座1内设有内腔5,内腔5与陶瓷基座1底面之间形成陶瓷压力敏感膜片6， 陶瓷基座1、内腔5及陶瓷压力敏感膜片6采用LTCC技术一体化制造而成；陶瓷插芯2固定于 陶瓷基座1上，且陶瓷插芯2的底部伸至内腔5中；尾柄3固定于陶瓷插芯2的顶部，光纤4固定 于陶瓷插芯2及尾柄3中；陶瓷插芯2及光纤4的出光面与陶瓷压力敏感膜片6平行放置构成 法珀腔7;陶瓷基座1、内腔5、陶瓷压力敏感膜片6、陶瓷插芯2、尾柄3和光纤4都位于同一轴 线上。
[0028] 具体实施时，所述的陶瓷插芯2和光纤4的出光面都经过研磨处理。所述的陶瓷压 力敏感膜片6的反射光一面镀有反射膜8。
[0029] 本实用新型所述的LTCC光纤法珀高温压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
[0030] 1)陶瓷基座1制备：陶瓷基座1及其内腔5、陶瓷压力敏感膜片6是采用LTCC技术一 体化制造而成的，具体为，a通过打孔机形成生瓷片的定位孔、过孔以及内孔结构；b通过定 位孔将多层100μπι厚的生瓷片进行叠片，并保证过孔及内孔的垂直度;c将叠片完成后的整 体结构真空封装后置于层压机中进行层压;d将层压后的生瓷片结构在烧结炉中进行烧结 即可;其中，由下而上计，第一层生瓷片作为陶瓷压力敏感膜片6,陶瓷压力敏感膜片6的厚 度通过第一层生瓷片厚度的设计来实现;第二层生瓷片到第六层生瓷片上开设内孔，五个 内孔叠压形成陶瓷基座1的内腔5,内孔直径决定陶瓷压力敏感膜片6的有效直径，陶瓷压力 敏感膜片6的有效直径通过内孔直径的设计来实现;第七层生瓷片到第N层生瓷片上开设过 孔，若干过孔叠压形成用于固定陶瓷插芯2的孔结构，陶瓷插芯2固定于陶瓷基座1内的深度 通过若干过孔的总深度的设计来实现；
[0031] 2)陶瓷基座1与陶瓷插芯2固定:将陶瓷插芯2的底部通过陶瓷高温烧结技术或高 温胶水固定于陶瓷基座1上的过孔内，保证陶瓷插芯2与陶瓷基座1垂直固定；
[0032] 3)陶瓷插芯2与尾柄3固定:将陶瓷插芯2的顶部通过压接机压接在尾柄3内。
[0033] 4)光纤4与陶瓷插芯2、尾柄4固定:光纤4通过高温胶水胶结固化于陶瓷插芯2及尾 柄3中，具体为，将高温胶水注入尾柄3及陶瓷插芯2的插孔内，然后将光纤4插入尾柄4及陶 瓷插芯2的插孔中，最后加热使高温胶水凝固即可。
[0034] -种基于本实用新型所述LTCC光纤法珀高温压力传感器的传感系统，包括LTCC光 纤法珀高温压力传感器和信号解调系统；
[0035] 信号解调系统包括SLD光源102、第一光纤耦合器103、第二光纤耦合器104、第一滤 波器105、第二滤波器106、第一光电探测器107、第二光电探测器108、正交信号处理单元109 和接口模块110，其中，第一光纤耦合器103分别与SLD光源102和第二光纤耦合器104连接， 第二光纤親合器104又分别与第一滤波器105和第二滤波器106连接，第一滤波器105又与第 一光电探测器107连接，第二滤波器106又与第二光电探测器108连接，第一光电探测器107 和第二光电探测器108又同时与正交信号处理单元109连接，正交信号处理单元109又与接 口模块110连接；
[0036] LTCC光纤法珀高温压力传感器的光纤4通过石英单模光纤111与信号解调系统的 第一光纤親合器103连接。
[0037] SLD光源102输出的光经过第一光纤耦合器103、石英单模光纤111、光纤4入射到 LTCC光纤法珀高温压力传感器内部由光纤4端面和陶瓷压力敏感膜片6平行放置构成的法 珀腔7中，并在光纤4端面和陶瓷压力敏感膜片6之间进行多次反射和折射。当LTCC光纤法珀 高温压力传感器处于温度/压力复合罐100施加的沿陶瓷压力敏感膜片6轴向的压力或者高 温环境下时，陶瓷压力敏感膜片6的中心挠度使得法珀腔7的腔长发生变化，通过多光束干 涉将陶瓷压力敏感膜片6的挠度转化为传感器输出的干涉信号的相位改变。LTCC光纤法珀 高温压力传感器返回的干涉信号再次通过第一光纤耦合器103后，被第二光纤耦合器104分 成相同的两束光，其中一束光经第一滤波器105滤波后被第一光电探测器107探测，进而被 转化为电信号输出。同时，另一束光经第二滤波器106滤波后被第二光电探测器108探测，进 而被转化为电信号输出。第一光电探测器107和第二光电探测器108输出的两路电信号均进 入正交信号处理单元109进行运算，得到法珀腔7的腔长变化量，实现高温环境下压力的传 感。
[0038] 进一步，针对高频压力测量的需要，本实用新型研究面向实用化的基于宽带光双 波长解调系统，以及产生正交相位的方法。对基于双波长解调原理的宽频带高精度信号解 调系统进行说明：
[0039] 通过调节第一路中第一滤波器105的中心波长，使该中心波长和另一路中第二滤 波器106的中心波长匹配设置，产生两路正交信号。在初步实验中，采用光纤布拉格光栅来 代替滤波器，其中一个光栅固定在压电陶瓷上，通过控制压电陶瓷实现中心波长的移动控 制。两路产生的正交信号可以表示为
[0040] /丨=，isin〇/9"(7)) (1)
[0041 ] /； = Acosi^Jj}) (Z)
[0042]当A = B时，根据式(1)和⑵，可得
(3)
[0044] 根据式(3)，如果
，计算得到的相位A(t)将不等于％(〇4Ut)在$(0 为π/2整数倍时从+π/2跳变到-π/2,或者从-π/2跳变至Ι」+π/2。考虑到相位跳变的情况，我们 检测Φι(?)两个相邻采样点的相位，在突变点减去跳变值+Jiradian或一Jiradian，并通过累 加器求和即可得到被测相位? L(t)。根据式(3)，可以看出当获得的正交信号幅值不相等或 者信号的相位差不是V2时，计算得到的相位将不准确，传感器的测量精度将受到影响。本 实用新型采用自动增益控制实现正交信号幅值的归一化，采用正交信号的利萨如图形对相 位差进行检测与校正。
[0045] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参 照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本 实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范 围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 一种LTCC光纤法珀高温压力传感器，其特征在于:包括陶瓷基座（1)、陶瓷插芯（2)、 尾柄(3)和光纤(4);陶瓷基座（1)内设有内腔(5)，内腔(5)与陶瓷基座（1)底面之间形成陶 瓷压力敏感膜片（6);陶瓷插芯（2)固定于陶瓷基座（1)上，且陶瓷插芯（2)的底部伸至内腔 (5)中；尾柄(3)固定于陶瓷插芯(2)的顶部，光纤(4)固定于陶瓷插芯(2)及尾柄(3)中；陶瓷 插芯（2)及光纤(4)的出光面与陶瓷压力敏感膜片（6)平行放置构成法珀腔(7);陶瓷基座 (1) 、内腔(5)、陶瓷压力敏感膜片(6)、陶瓷插芯(2)、尾柄(3)和光纤(4)都位于同一轴线上。2. 根据权利要求1所述的LTCC光纤法珀高温压力传感器，其特征在于:所述的陶瓷插芯 (2) 和光纤(4)的出光面都经过研磨处理。3. 根据权利要求1或2所述的LTCC光纤法珀高温压力传感器，其特征在于:所述的陶瓷 压力敏感膜片(6)的反射光一面镀有反射膜(8)。4. 一种基于权利要求1所述LTCC光纤法珀高温压力传感器的传感系统，其特征在于:包 括LTCC光纤法珀高温压力传感器和信号解调系统； 信号解调系统包括SLD光源（102)、第一光纤親合器（103)、第二光纤親合器（104)、第一 滤波器（105)、第二滤波器（106)、第一光电探测器（107)、第二光电探测器（108)、正交信号 处理单元（109)和接口模块（110)，其中，第一光纤耦合器（103)分别与SLD光源（102)和第二 光纤耦合器（104)连接，第二光纤耦合器（104)又分别与第一滤波器（105)和第二滤波器 (106)连接，第一滤波器（105)又与第一光电探测器（107)连接，第二滤波器（106)又与第二 光电探测器（108)连接，第一光电探测器（107)和第二光电探测器（108)又同时与正交信号 处理单元(109)连接，正交信号处理单元(109)又与接口模块(110)连接； LTCC光纤法珀高温压力传感器的光纤(4)通过石英单模光纤（111)与信号解调系统的 第一光纤親合器(103)连接。
【文档编号】G01L1/24GK205679342SQ201620450511
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月17日 公开号201620450511.8, CN 201620450511, CN 205679342 U, CN 205679342U, CN-U-205679342, CN201620450511, CN201620450511.8, CN205679342 U, CN205679342U
【发明人】贾平岗, 熊继军, 田晓丹, 刘佳, 李哲
【申请人】中北大学