高溫極端環境下的壓力原位直接測量在航空發動機工作狀態監測、石油油井環境探測等高溫高壓領域存在迫切需求，耐高溫壓力傳感器技術已經成為當前的重要研究方向。

光纖法珀式壓力傳感器由于無需引入金屬等其他材料，能夠最大限度地發揮傳感膜片等基體所用材料的耐高溫特性，可滿足高溫極端環境下的壓力測量要求。碳化硅（SiC）作為第三代半導體材料，與現有MEMS加工技術具有良好的相容性，且具備優異的耐高溫特性，因此成為制備光纖法珀式耐高溫壓力傳感器的理想材料選擇。然而，受限于SiC材料極佳的化學穩定性以及硬脆性，基于SiC材料的耐高溫壓力傳感器加工制備仍存在技術難題，如SiC傳感膜片的微加工和傳感器真空法珀腔體的氣密鍵合等。

據麥姆斯咨詢報道，針對高溫環境下壓力參數的原位測試需求，北京航空航天大學仿生與微納系統研究所蔣永剛教授團隊提出一種基于超聲微銑磨（UVMG）加工與直接鍵合方法的光纖法珀式SiC耐高溫壓力傳感器。該傳感器能夠實現600℃高溫環境下0~4 MPa范圍內的壓力測量；600℃下傳感器的壓力靈敏度達到104.42 nm/MPa，具有較高的線性度，R2＞0.99。相關研究成果已發表于《中國機械工程》期刊。

該項工作中，研究人員基于SiC材料優異的耐高溫特性，研制了一種光纖法珀式全SiC結構耐高溫壓力傳感器。該傳感器采用全SiC真空法珀腔的傳感頭芯體結構，利用超聲銑磨加工技術，加工出粗糙度Ra小于12 nm的SiC傳感膜片。通過SiC晶片氫氟酸輔助直接鍵合技術實現真空法珀腔的高強度氣密性可靠鍵合，并完成了基于SiC材料的光纖法珀式耐高溫壓力傳感器制備。

光纖法珀式SiC耐高溫壓力傳感器的結構示意圖

光纖法珀式SiC耐高溫壓力傳感頭法珀腔體的截面圖

為了檢驗該傳感器的實際測量能力，研究人員搭建了耐高溫壓力傳感器綜合測試平臺，對其進行了高溫環境下的性能測試。結果表明，室溫和600℃高溫環境下，真空法珀腔腔長隨壓力呈線性變化，R2均大于0.99。室溫下，傳感器壓力靈敏度為93.31 nm/MPa。在600℃下，傳感器的壓力靈敏度為104.42 nm/MPa，溫度壓力交叉靈敏度為5.28×10?? MPa/℃。可見該傳感器樣機的溫度交叉靈敏度較大，針對該問題，研究人員指出后續可以從兩個方面解決：一是優化傳感結構設計，實現基于結構的溫度補償；二是基于本傳感結構中SiC基板厚度引起的干涉光譜，可以實現對溫度的直接解調，從而進行已知溫度條件下的補償。

光纖法珀式SiC耐高溫壓力傳感器測試系統示意圖

真空法珀腔長隨壓力的變化曲線

初始法珀腔腔長隨溫度的變化曲線

研究人員稱，通過與國內外高溫壓力傳感器研究現狀進行對比，驗證了該傳感器的耐溫性能處于國內外較高水平。受限于所搭建測試平臺的耐溫性能，該傳感器僅測試至600℃，600℃時傳感器干涉光譜未發生明顯惡化，因此該傳感器有通過更高溫度測試的可能。此外，利用藍寶石光纖替換石英光纖，未來有望進一步提高傳感器的工作溫度。

論文鏈接：
https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.15.006

審核編輯 ：李倩