蓝宝石高温压力传感器的工作原理与优点

蓝宝石是Al₂O₃的晶体结构，熔点达到2040℃，具有良好的光学特性、绝缘性，在1500℃时机械性能良好，是制备高温传感器的理想材料。目前基于蓝宝石的高温传感器主要有两大类，下面分类介绍。

1、基于SOS（Silicon on Sapphire）结构的应变式压力传感器

蓝宝石高温压力传感器是一种应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体压力敏感元件，具有较好的的计量特性。蓝宝石是由单晶体绝缘体元素组成，一般不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000℃以内），因此，利用硅-蓝宝石制造的半导体压力敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，压力传感器也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性比较好；另外，硅-蓝宝石半导体压力敏感元件，无p-n漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。

用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的高温压力传感器，可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、但是一般性价比不高。要特别指出的是，这种高温压力传感器一般需要从俄罗斯独家进口，在售后服务上面临一定的风险。

蓝宝石表压压力传感器由双膜片构成：钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片，被焊接在钛合金测量膜片上。被测压力传送到接收膜片上（接收膜片与测量膜片之间用拉杆坚固的连接在一起）。在压力的作用下，钛合金接收膜片产生形变，该形变被硅-蓝宝石敏感元件感知后，其电桥输出会发生变化，变化的幅度与被测压力成正比。

蓝宝石高温压力传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信号转换为工业标准的电信号输出（例如4-20mA信号）。在绝压压力传感器和变送器中，蓝宝石薄片，与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起，起到了弹性元件的作用，将被测压力转换为应变片形变，从而达到压力测量的目的。

2、蓝宝石光纤式高温压力传感器

光纤式传感器具有测量精度高、抗电磁干扰、抗辐射、工作温度高、易组网、可实现多参量测量等优点，适合应用于燃气轮机、航空/航天发动机等高温恶劣环境，目前已成为高温压力传感器的热门研究方向，欧美国家在二十年前已开始研究高温恶劣环境下的光纤压力传感技术，主要有光棚光纤式和法布里-珀罗（Fabri-Perot）干涉光纤式两种实现方式。光棚光纤式压力传感器灵敏度较低，适用于公路铁路安全监测、桥梁隧道安全监测、石油化工等高压测量领域。F-P干涉光纤式高温压力传感器如图1所示。F-P干涉测压原理如图所示，激光在通过F-P腔时形成多条反射光，利用反射光干涉特性反演得到腔长，再通过腔长与压力的关系实现压力测量，通过调整感压膜厚度能制备不同量程的压力传感器。

随着蓝宝石微加工技术的丰富和成熟，基于全蓝宝石F-P腔的光纤传感器已成为高温传感器的一个重要研究方向。位于英国牛津郡的Oxsensis公司从2005年开始研制基于法-珀腔干涉原理的光纤式高温压力传感器（如图（b）所示），已从单一测压传感器产品发展到现在多参数测量系统，可同时测量压力、温度、振动、流量等参数。该公司的温度、压力、振动产品的工作温度均达到1000℃，与阿尔斯通、西门子、斯奈克玛等燃气轮机厂商合作广泛。2015年Oxsensis还联合GE公司提出了基于超高温光纤传感器的压缩机主动稳定管理系统的研制计划，该系统包含若干传感器及微执行器，打破了传统测量系统只进行被动监测的局面。美国Virginia理工大学的Wang Anbo等人利用蓝宝石的ICP干法刻蚀及蓝宝石的热压键合工艺，制作了全蓝宝石结构的F-P腔，如图（c）所示，封装完成的压力传感器如图（d）所示，该传感器的最高使用温度达到1500℃。另外，Florida大学Sheplak Mark课题组、美国Luna Innovation公司、欧洲航空局等研究机构都开展了基于蓝宝石F-P腔超高温传感器的研究，研究内容集中于F-P腔的制备新方法、传感器的低应力封装以及进一步提高传感器工作温度的方法。国内关于蓝宝石光纤压力传感器的研究还较少，电子科技大学的饶云江课题组研制了传感器样机，但仅进行了常温压力测试，高温压力传感器样机尚未见报道。本文源自泽天传感，转载请保留。