光纤法珀式SiC耐高温压力传感器的制造与测试

高温极端环境下的压力原位直接测量在航空发动机工作状态监测、石油油井环境探测等高温高压领域存在迫切需求，耐高温压力传感器技术已经成为当前的重要研究方向。

光纤法珀式压力传感器由于无需引入金属等其他材料，能够最大限度地发挥传感膜片等基体所用材料的耐高温特性，可满足高温极端环境下的压力测量要求。碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料，与现有MEMS加工技术具有良好的相容性，且具备优异的耐高温特性，因此成为制备光纤法珀式耐高温压力传感器的理想材料选择。然而，受限于SiC材料极佳的化学稳定性以及硬脆性，基于SiC材料的耐高温压力传感器加工制备仍存在技术难题，如SiC传感膜片的微加工和传感器真空法珀腔体的气密键合等。

据麦姆斯咨询报道，针对高温环境下压力参数的原位测试需求，北京航空航天大学仿生与微纳系统研究所蒋永刚教授团队提出一种基于超声微铣磨（UVMG）加工与直接键合方法的光纤法珀式SiC耐高温压力传感器。该传感器能够实现600℃高温环境下0~4 MPa范围内的压力测量；600℃下传感器的压力灵敏度达到104.42 nm/MPa，具有较高的线性度，R²＞0.99。相关研究成果已发表于《中国机械工程》期刊。

该项工作中，研究人员基于SiC材料优异的耐高温特性，研制了一种光纤法珀式全SiC结构耐高温压力传感器。该传感器采用全SiC真空法珀腔的传感头芯体结构，利用超声铣磨加工技术，加工出粗糙度Ra小于12 nm的SiC传感膜片。通过SiC晶片氢氟酸辅助直接键合技术实现真空法珀腔的高强度气密性可靠键合，并完成了基于SiC材料的光纤法珀式耐高温压力传感器制备。

光纤法珀式SiC耐高温压力传感器的结构示意图

光纤法珀式SiC耐高温压力传感头法珀腔体的截面图

为了检验该传感器的实际测量能力，研究人员搭建了耐高温压力传感器综合测试平台，对其进行了高温环境下的性能测试。结果表明，室温和600℃高温环境下，真空法珀腔腔长随压力呈线性变化，R²均大于0.99。室温下，传感器压力灵敏度为93.31 nm/MPa。在600℃下，传感器的压力灵敏度为104.42 nm/MPa，温度压力交叉灵敏度为5.28×10⁻⁴ MPa/℃。可见该传感器样机的温度交叉灵敏度较大，针对该问题，研究人员指出后续可以从两个方面解决：一是优化传感结构设计，实现基于结构的温度补偿；二是基于本传感结构中SiC基板厚度引起的干涉光谱，可以实现对温度的直接解调，从而进行已知温度条件下的补偿。

光纤法珀式SiC耐高温压力传感器测试系统示意图

真空法珀腔长随压力的变化曲线

初始法珀腔腔长随温度的变化曲线

研究人员称，通过与国内外高温压力传感器研究现状进行对比，验证了该传感器的耐温性能处于国内外较高水平。受限于所搭建测试平台的耐温性能，该传感器仅测试至600℃，600℃时传感器干涉光谱未发生明显恶化，因此该传感器有通过更高温度测试的可能。此外，利用蓝宝石光纤替换石英光纤，未来有望进一步提高传感器的工作温度。

论文链接：
https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.15.006

来源：MEMS