[發明專利]光纖法珀壓力傳感器及其敏感單元的高一致性制備方法

在審

• 申請號: 202110769703.0
• 申請日: 2021-07-07
• 公開（公告）號: CN113340491A
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 賈平崗;熊繼軍;李加順;劉佳;安國文;梁庭
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24;G01L11/02
• 代理公司: 深圳舍穆專利代理事務所(特殊普通合伙) 44398
• 代理人: 黃賢炬

本公開描述一種光纖法珀壓力傳感器及其敏感單元的高一致性制備方法，其包括以下步驟：準備第一石英片、第二石英片、以及第三石英片；對第一石英片的上表面進行拋光，對第二石英片的上表面和下表面進行拋光，并且對第三石英片的上表面進行拋光；以預定分布方式在第一石英片的上表面或第二石英片的上表面制作多個凹槽；以預定分布方式在第三石英片制作多個通孔；以覆蓋多個凹槽的方式將第一石英片的上表面與第二石英片的上表面結合，并且將第三石英片的上表面與第二石英片的下表面結合，形成各個凹槽與各個通孔分別共軸的層疊體；并且對多個凹槽進行切割以獲得多個敏感單元。根據本公開，能夠提高光纖法珀壓力傳感器的敏感單元的一致性。

技術領域

本公開涉及一種光纖法珀壓力傳感器及其敏感單元的高一致性制備方法。

背景技術

近些年來，隨著航空航天、化工和能源等領域的迅速發展，對壓力傳感器在高溫環境下的可靠性提出了越來越高的要求，傳統的壓阻式或壓電式壓力傳感器由于例如制作材料不耐高溫以及信號線熱傳導對解調系統的不良影響等問題，難以被應用在上述領域中進行高精度地壓力測量。

光纖式壓力傳感器例如光纖法珀式壓力傳感器通常由敏感單元基于光學原理對壓力進行感測，而且具有體積小，靈敏度高，耐腐蝕，抗電磁干擾等優點。其中，敏感單元可選用耐高溫的材料進行制作并且高溫不易對上述光學原理的應用產生影響，因此光纖法珀式壓力傳感器適用于上述高溫環境下的壓力測量。近年來，用于制造光纖法珀壓力傳感器的技術主要由MEMS技術、化學腐蝕技術、電弧放電技術和激光加工技術等。然而，利用化學腐蝕技術，電弧放電技術和激光加工技術制造的傳感器其一致性相對較差，例如由于不同敏感單元其敏感膜片的厚度和有效半徑不一致從而造成各敏感單元的一致性較低，并且難以實現傳感器的低成本批量化制造。

相反，利用MEMS技術制造的傳感器具有敏感單元一致性高及批量化制造的優點。目前已經報道國一種壓力傳感器，其利用Pyrex玻璃圓片和硅片實現光纖法珀壓力傳感器的批量化制造且該種傳感器能在350℃高溫環境下進行壓力測量，然而由于材料自身特性的限制，使得該種傳感器難以實現更高溫度環境下的壓力測試。而且，由于使用了兩種不同熱膨脹系數的材料進行傳感器制作，當傳感器在高溫環境下工作時由于不同材料間的熱膨脹系數不匹配將會影響傳感器的使用性能，這也是限制該種傳感器在高溫下應用的原因之一。并且在光纖與敏感單元連接方法上，目前比較常用的方法是利用紫外環氧樹脂或耐高溫粘接劑，在需要工作于高溫環境的傳感器中引入粘結材料將會進一步影響傳感器在高溫下的穩定性及使用壽命。

熔融石英玻璃材料其軟化點高達1730℃左右，且耐酸堿腐蝕，相比于目前常用的用于制造光纖法珀壓力傳感器的材料，例如金屬、Pyrex玻璃、硅、藍寶石、SiC等來說，石英材料具有更低的熱膨脹系數，這使其成為制造高溫壓力傳感器的良好材料。在本發明中，我們利用高溫熱壓鍵合技術及微機械加工技術制造并驗證了一種可批量化制造的全石英光纖法珀壓力傳感器，且利用CO₂激光熔接技術實現了傳感器全石英敏感單元與信號傳輸光纖的無膠化密封集成，使得該種傳感器能在高溫環境下穩定工作。

發明內容

本公開是有鑒于上述現有技術的狀況而提出的，其目的在于提供一種能夠提高光纖法珀壓力傳感器的一致性的光纖法珀壓力傳感器的敏感單元的高一致性制備方法。

為此，本公開第一方面提供一種光纖法珀壓力傳感器的敏感單元的高一致性制備方法，其包括以下步驟：準備具有相對的上表面和下表面的第一石英片、具有相對的上表面和下表面的第二石英片、以及具有相對的上表面和下表面的第三石英片；對所述第一石英片的上表面進行拋光，對所述第二石英片的上表面和下表面進行拋光，并且對所述第三石英片的上表面進行拋光；以預定分布方式在所述第一石英片的上表面或所述第二石英片的上表面制作多個凹槽；以所述預定分布方式在所述第三石英片制作多個通孔；以覆蓋所述多個凹槽的方式將所述第一石英片的上表面與所述第二石英片的上表面結合，并且將所述第三石英片的上表面與所述第二石英片的下表面結合，形成各個凹槽與各個通孔分別共軸的層疊體；并且對所述多個凹槽進行切割以獲得多個敏感單元。