超高温环境下的光纤法珀压力传感器关键技术研究

High temperature pressure sensors are urgently needed in health monitoring, flight controlling and design optimization of the aerospace aircrafts. For example, in-situ real-time pressure monitoring of engine under operating conditions can avoid the problem of high cycle fatigue, combustion instability or compressor surge, which can effectively improve the control performance and operation safety. Since the temperature of combustion chamber is up to 1500 ℃, the common type pressure sensors will all fail or damage in high temperature, and the commonly used alternative method has obvious drawbacks. We will use the high-temperature zirconia ceramic sintering technology or the SiC micromachining technology for manufacturing integrated sensitive diaphragm and base of the fiber optic pressure sensor. The end face of the sapphire fiber is placed in parallel with the zirconia ceramic or SiC diaphragm to constitute a Fabry-Perot cavity for pressure measurement. The ceramic sintering technology and SiC micro-machining technology used in the sensor manufacturing will resolve the failure problem of sensor caused by stress mismatch. The optical fiber sensing technology is used to measure the diaphragm deflection induced by applied pressure. At the same time, the optical fiber transmission can isolate the heat and eliminate the effects of temperature on the signal processing circuit. Finally, the manufactured pressure sensors will be experimentally demonstrated in ultra temperature environment (>1000 ℃) to realize the in-situ wideband (<100 kHz) pressure measurements.

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。例如，对发动机运行条件下的压力原位实时监测，可以避免高循环疲劳，燃烧不稳定或者压缩机喘振问题，能有效提高控制效果和运行安全系数。由于燃烧室温度高达1500 ℃，常用的压力传感器在高温下将全部失效或损坏，现在采用的替代方法具有明显的缺点。本项目拟采用氧化锆陶瓷高温烧结方法或SiC微机械加工方法一体化制造直接接触高温的传感器关键部件（敏感膜片和基座），将蓝宝石光纤端面与氧化锆陶瓷或者SiC膜片平行放置构成法珀腔进行压力测量。通过一体化制造传感器关键部件可以解决高温下应力不匹配导致的传感器失效问题。通过光纤传感技术测量压力导致的膜片挠度，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。最后，在超高温环境（>1000 ℃）下对所制作的压力传感器进行实验验证，实现宽频带（<100 kHz）的原位压力测量。

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。本项目(1)完成并优化了基于LTCC陶瓷、单晶硅、SiC 和石英玻璃材料的敏感膜片结构参数的设计，建立了高温环境下温度对敏感膜片灵敏度的影响模型。（2）研究了LTCC陶瓷烧结方法、硅MEMS加工方法、SiC 和石英玻璃材料的一体化制造方法加工直接接触高温的传感器关键部件（敏感膜片和基座），解决了高温下由于热应力不匹配导致的传感器失效问题。（3）采用二氧化碳激光熔接技术实现了在不引入其他材料的情况下的全石英传感器无胶化密封，降低了传感器的温度漂移，保证了传感器密封的可靠性，提高了传感器的性能。(4)提出了一种基于热膨胀系数差异的温度补偿方案并进行了实验验证，极大降低了传感器的温度漂移，优化了传感器性能。(5)实现了基于双波长解调原理的宽频带信号解调系统，以及产生正交相位的方法，并采用FPGA建立解调单元，实现了高频信号解调。(6)设计并加工了传感器的耐高温封装结构，在高温/压力复合校准平台进行了初步实验验证。.课题组研究的全石英光纤法珀高温压力传感器采用全石英结构，石英材料具有极低的热膨胀系数，可最大程度上降低温度对传感器零点漂移的影响，温度系数可以小于1 nm/℃。研究结果表明，全石英压力传感器可以长时间工作在900℃高温环境下，短时间内可工作在1100℃的高温环境中，而且传感器具有良好的压力线性响应和重复性。全石英光纤法珀高温压力传感器具有明显的优势，为传感器的工程应用奠定了良好的基础。