一种光纤高温压力传感器及封装方法与流程

本发明涉及测量测试，具体涉及一种光纤高温压力传感器及封装方法。

背景技术：

1、在航空航天、石油化工、燃气轮机等高温恶劣环境中，对压力的精准测量一直都是亟待解决的难题。随着光纤传感技术的发展，光纤传感器电绝缘性好，能耐受电磁干扰，被广泛用于高压、高温或危险环境中。光纤式传感器的前端敏感头不包含电学部件，具有工作温度高、测量精度高、抗电磁干扰等优势，可以满足极端环境下对压力的测量需求。在高温环境下实现压力参数的精确测量对前沿科技的发展具有重要的意义。

2、光纤压力传感器基于非本征光纤法布里-珀罗干涉(extrisic fabry-perotinterference，efpi)模型，采用压力敏感芯片，用于感知外界压力信息，压力敏感芯片在压力变化下，使感压膜片发生变形。通过采用光纤引入光信号，对膜片形变位移进行测量，即可实现压力感知。但在极端高温工况下，材料会受到热应力以及自身热膨胀影响，导致光信号发生变化从而给传感器的压力测量带来干扰。因此，芯片材料的选择以及如何低应力封装仍是高温领域传感器发展存在的瓶颈。

3、因此，需要一种可适应高温的光纤压力传感器。

技术实现思路

1、本发明是为了解决光纤传感器在高温工作环境的压力测量问题，提供一种光纤高温压力传感器及封装方法，采用基于mems技术的压力敏感芯片对干涉光信号进行被动调制，进而实现压力信号测量。其中，通过采用非镀膜透镜来增强光路准直效果，一方面使得信号接收端能够更有效地接收光信号，提高了传感器反射信号接收效率，另一方面非镀膜透镜可耐高温，能够适应高温环境。此外，通过采用无胶化封装技术，有效减小材料之间热应力及自身热膨胀对光信号的影响，能够在高温环境下进行压力精准测量。本发明光纤压力传感器适用于燃气轮机、航空发动机等高温恶劣环境，用于实现对其运行状态的监控和健康评估。

2、本发明提供一种光纤高温压力传感器，包括相对设置的压力敏感芯片、非镀膜透镜，设置在压力敏感芯片底部、非镀膜透镜外部的石英管，插入石英管内部的插芯，插入插芯中的镀金光纤，固定在石英管外部的高温合金探头，与高温合金探头的底部连接的高温合金基座，连接在镀金光纤外部的柔性铠装管，连接在柔性铠装管外部的金属套管，连接在柔性铠装管一端的fc/apc接口，插入fc/apc接口中的光纤跳线和连接压力敏感芯片与石英管、非镀膜透镜与石英管、插芯与石英管的石英粉；

3、压力敏感芯片包括绝压真空腔、连接在绝压真空腔外部的基底和连接在绝压真空腔、基底上部的感压膜，，基底连接在石英管的顶部；

4、压力敏感芯片、非镀膜透镜和插芯从上到下依次设置且两两之间均设置间隙，镀金光纤穿过插芯后露出的端面与面向插芯的非镀膜透镜端面平行，柔性铠装管包括两段、一段连接在镀金光纤的外部、另一段连接在光纤跳线外部、两段之间通过金属套管压接固定，镀金光纤的尾部与光纤跳线尾部熔融连接、金属套管连接在熔接处外部；

5、高温合金探头靠近压力敏感芯片一侧设置通压孔，高温合金基座与高温合金探头的底部卡槽固定；

6、石英粉在蓝光激光器的作用下熔融将压力敏感芯片、非镀膜透镜、插芯与石英管固定。

7、本发明所述的一种光纤高温压力传感器，作为优选方式，非镀膜透镜为平凸玻璃透镜、凸面面向基底的底部、平面面向插芯；

8、压力敏感芯片、非镀膜透镜、插芯和镀金光纤的中心轴在同一条直线上；

9、高温合金探头内部设置将石英管固定的卡槽。

10、本发明所述的一种光纤高温压力传感器，作为优选方式，绝压真空腔在与感压膜相连之前为连接在基底顶部的凹槽，感压膜为外径与基底外径相同的圆形感压膜，感压膜通过mems键合的方法连接在凹槽和基底的顶部并密封形成绝压真空腔；

11、绝压真空腔和基底均为圆柱形，基底的外径与石英管的外径相同。

12、本发明所述的一种光纤高温压力传感器，作为优选方式，镀金光纤与插芯之间也通过石英粉熔融固定；

13、压力敏感芯片、非镀膜透镜、石英管和插芯均为石英材料；

14、高温合金探头的卡槽与高温合金基座通过等离子体放电焊接方式进行固定；

15、镀金光纤与光纤跳线通过光纤熔接机熔接；

16、柔性铠装管与fc/apc接口的底部通过硅橡胶粘接，柔性铠装管与高温合金基座通过等离子体放电焊接固定，fc/apc接口与光纤跳线通过353d胶固定。

17、本发明所述的一种光纤高温压力传感器，作为优选方式，非镀膜透镜为bk7平凸玻璃透镜，

18、本发明所述的一种光纤高温压力传感器，作为优选方式，高温合金探头与高温合金基座材质均为gh7169或gh2747；

19、石英粉的目数为800～1000目；

20、通压孔数量大于5个、且对称分布；

21、光纤高温压力传感器工作温度范围为0℃～800℃。

22、本发明所述的一种光纤高温压力传感器，作为优选方式，光纤高温压力传感器的探测方法为：

23、压力敏感芯片的感压膜与基底间通过mems工艺加工有凹槽结构，凹槽结构可使感压膜受压发生变形；

24、当光信号入射压力敏感芯片时，基底底部、基底上表面、感压膜下表面分别通过非镀膜透镜对光信号进行反射，基底上表面、感压膜下表面构成真空efpi腔，随着外界压力变化，感压膜受压变形而导致efpi腔腔长变化，通过测量efpi腔的腔长变化来进行压力测量。

25、本发明提供一种光纤高温压力传感器的封装方法，包括以下步骤：

26、s1、将石英管水平放置在光学平台的三维调节架上，通过三维调节架将压力敏感芯片与石英管的中心轴调至同一水平线上，将石英粉均匀涂抹在石英管切面一侧，并移动三维调节架使石英管贴近压力敏感芯片，开启蓝光激光器，将光斑聚焦在石英管和压力敏感芯片缝隙，石英粉受到激光照射后熔融将石英管和压力敏感芯片固定得到固定压力敏感芯片的石英管；

27、s2、将固定压力敏感芯片的石英管再放置在三维调节架上，在非镀膜透镜周围涂抹石英粉，并用镊子将非镀膜透镜从压力敏感芯片相对一侧插入石英管中并使非镀膜透镜和压力敏感芯片之间达到设计距离，开启蓝光激光器，将光斑聚焦在石英管和非镀膜透镜缝隙，石英粉受到激光照射后熔融将石英管和非镀膜透镜固定得到固定压力敏感芯片和非镀膜透镜的石英管；

28、s3、将固定压力敏感芯片和非镀膜透镜的石英管放置在三维调节架上，用镊子将插芯从非镀膜透镜一侧插入石英管中并使非镀膜透镜和插芯之间达到设计距离，在接触面涂有石英粉后，开启蓝光激光器，将光斑聚焦在石英管和插芯的缝隙，石英粉受到激光照射后熔融将石英管和插芯固定得到固定压力敏感芯片、非镀膜透镜和插芯的石英管；

29、s4、将固定压力敏感芯片、非镀膜透镜和插芯的石英管放置在三维调节架上，将镀金光纤沿着石英管的长方向插入插芯中，同时缓慢调整镀金光纤以保持端面与非镀膜透镜平面平行并与非镀膜透镜的端面达到设计距离，将镀金光纤与插芯固定，得到固定压力敏感芯片、非镀膜透镜、插芯和镀金光纤的石英管；

30、s5、在固定压力敏感芯片、非镀膜透镜、插芯和镀金光纤的石英管中位于石英管外部的插芯外部封装锥形金属管，光纤高温压力传感器的封装完成得到封装光纤高温压力传感器；

31、s6、将封装光纤高温压力传感器与高温合金探头、高温合金基座、柔性铠装管、金属套管、fc/apc接口、光纤跳线连接，得到光纤高温压力传感器。

32、本发明所述的一种光纤高温压力传感器的封装方法，作为优选方式，步骤s1中，压力敏感芯片和石英管的外径相同；

33、步骤s2中，非镀膜透镜为平凸透镜、凸面朝向压力敏感芯片、平面朝向石英管外侧；

34、步骤s4中，在镀金光纤与插芯接触面涂抹石英粉，开启蓝光激光器，将光斑聚焦在镀金光纤和插芯的接触面，石英粉受到激光照射后熔融将镀金光纤和插芯固定得到固定压力敏感芯片、非镀膜透镜、插芯和镀金光纤的石英管；

35、步骤s5中、将固定压力敏感芯片、非镀膜透镜、插芯和镀金光纤的石英管放置在三维调节架上，将锥形金属管套入镀金光纤外侧并将其移动到插芯外侧，在接触面涂抹石英粉，开启蓝光激光器，将光斑聚焦在插芯和锥形金属管接触面，石英粉受到激光照射后熔融将插芯和锥形金属管固定；

36、压力敏感芯片、非镀膜透镜、石英管、插芯和镀金光纤的轴线均在同一条直线上。

37、本发明所述的一种光纤高温压力传感器的封装方法，作为优选方式，步骤s6中，高温合金探头通过卡槽将石英管固定在内部，高温合金基座位于高温合金探头的底部外侧；组装高温合金探头和高温合金基座后，锥形金属管位于高温合金探头和高温合金基座的内部；光纤跳线插入fc/apc接口中，fc/apc接口连接在柔性铠装管一端，柔性铠装管包括两段、一段连接在镀金光纤的外部、另一段连接在光纤跳线外部、两段之间通过金属套管压接固定；

38、步骤s6中，高温合金探头通过涂抹陶瓷胶将石英管固定，高温合金探头与高温合金基座通过等离子体放电焊接方式进行固定，镀金光纤与光纤跳线通过光纤熔接机熔接，柔性铠装管与高温合金基座通过等离子体放电焊接固定，柔性铠装管与fc/apc接口的底部通过硅橡胶粘接，fc/apc接口与光纤跳线通过353d胶固定。

39、步骤s1～s5中，蓝光激光器的波长为400nm～500nm且光源呈蓝色。

40、本发明提供一种光纤高温压力传感器及其封装方法，采用基于mems技术的压力敏感芯片对干涉光信号进行被动调制，进而实现压力信号测量。其中，通过采用非镀膜透镜来增强光路准直效果，一方面使得信号接收端能够更有效地接收光信号，提高了传感器反射信号接收效率，另一方面非镀膜透镜可耐高温，能够适应高温环境。此外，通过采用无胶化封装技术，有效减小材料之间热应力及自身热膨胀对光信号的影响，能够在高温环境下进行压力精准测量。本发明光纤压力传感器适用于燃气轮机、航空发动机等高温恶劣环境，用于实现对其运行状态的监控和健康评估。

41、本发明提供一种光纤高温压力传感器及其封装方法，压力测量方法为：压力敏感芯片采用mems键合工艺加工而成，压力敏感芯片是传感器的核心元器件，采用全固态真空绝压设计，压力敏感芯片内部保持真空，在内外压力差作用下，压力敏感芯片膜片向压力敏感芯片内部凹陷，真空efpi腔随着外界压力变化，压力敏感芯片膜片受压变形，进而导致该真空efpi腔腔长变化，通过测量真空efpi腔长变化即可获得压力信息。

42、本发明提供一种光纤高温压力传感器及其封装方法，具体封装方法为：将压力敏感芯片基底一侧与石英管一侧通过涂抹石英粉，再利用蓝光激光器将石英粉熔融固定；非镀膜透镜为bk7平凸玻璃透镜，一端为凸面，一端为平面，将非镀膜透镜插入石英管中，非镀膜透镜凸面端更靠近压力敏感芯片基底一侧，通过蓝光激光器出射激光熔融石英粉将非镀膜透镜固定在石英管中；将插芯插入石英管内，通过蓝光激光器出射激光熔融石英粉将插芯固定在石英管中；将镀金光纤插入已固定在石英管中的插芯中，使镀金光纤端面与非镀膜透镜端面保持平行，通过蓝光激光器出射激光熔融石英粉将插芯与镀金光纤固定；将熔接好的石英管插入高温合金探头中，通过涂抹陶瓷胶将石英管与高温合金探头内部固定；将高温合金基座与高温合金探头底部卡槽固定，并在接触位置通过等离子体放电进行焊接；尾部镀金光纤通过熔接机与光纤跳线熔接，并将柔性铠装管套入镀金光纤与光纤跳线中，利用金属套管将熔接部位进行压接保护；柔性铠装管一端与高温合金基座通过等离子体放电焊接固定，一端通过硅橡胶与fc/apc接口固定；最后将fc/apc接口与光纤跳线通过353d胶固定。

43、工作原理:压力敏感芯片是本传感器的核心元器件，采用全固态真空绝压设计。芯片膜片与基底间通过mems工艺加工有凹槽结构，用于使膜片受压发生变形。当光信号入射芯片时，芯片基底底部、基底上表面、膜片下表面分别对光信号进行反射。其中，芯片基底上表面、膜片下表面构成真空efpi腔。随着外界压力变化，膜片受压变形，进而导致该efpi腔腔长变化。通过测量efpi腔长变化，即可实现压力测量。

44、耐高温:传感器前端结构整体采用石英材料，石英材料能够耐1200摄氏度以上高温，同时，在连接处采用石英粉熔融方式，降低热应力影响，此外，镀金光纤也能够耐受800度高温工况。

45、压力响应：通过对芯片结构仿真设计，研制出具有合理结构的压力敏感芯片，能够对压力做出响应。

46、频率响应：石英本身具有高频震荡的性质，这种特性是由其内部原子排列构造决定的。作为压力传感器的元器件材料，可以快速地对压力变化作出响应。

47、本发明具有以下优点：

48、(1)压力敏感芯片耐高温、压力响应大、频率响应快；

49、(2)非镀膜透镜bk7平凸玻璃透镜可耐高温，且基于准直器隔离封装方式，将光纤远离高温区域，避免了高温高压环境下光纤容易断裂损坏，可靠性比较差的问题；

50、(3)石英粉激光熔接方式，低应力封装，避免不同材料热膨胀导致efpi腔腔长变化，影响压力测量精度。