一种温-压动态测量的蓝宝石MEMS高温动态压力传感器

本发明涉及光纤传感，具体涉及一种能实现温-压双参数动态测量的蓝宝石mems高温动态压力传感器。

背景技术：

1、mems光纤传感器由于抗电磁干扰能力强、绝缘性好、传输损耗小、结构简单,频率响应范围宽、成本低和灵敏度高等优点被广泛应用于各种场合。然而，对于部分复杂与恶劣环境，例如高温环境与复杂流场中，通常需要安装多个传感器相互配合完成环境参数的监测。传统多参数电学传感器在多参数测量方面技术相对成熟，使用压阻原理制备，并结合有温度补偿原位测量技术，但是这类传感器在高温下易发生电学元件失效导致温度补偿失效，同时由于电学元器件的设计在传感面上无法实现平滑，不可避免地会引起待测流场流动从而影响测量结果的准确性。

2、传统光纤传感器在膜片上刻蚀凹腔，并与基底进行键合，解决了传感面表面平滑的问题，但是现有的光纤传感器材料如硅、碳化硅、氧化镁、石英等工作温度均小于800℃，难以实现高温环境中的参数测量。并且光纤传感器双参数测量领域，无论是efbg-fpi复合腔结构还是串联f-p腔结构，都存在诸如温-压交叉敏感问题，温-压解耦困难问题，并且本质上仍是温度与压力测量元件分开测量。

3、因此，现有光纤传感器难以实现高温环境中的多参数测量。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决高温环境与复杂流场等恶劣环境下传感器多参数实时测量问题，而提供的一种温-压双参数动态测量的蓝宝石mems高温动态压力传感器。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种温-压动态测量的蓝宝石mems高温动态压力传感器，所述传感器包括单模光纤、空腔和蓝宝石膜片；

4、所述蓝宝石膜片上刻蚀有二维光子晶体阵列微结构，用于实现gmr反射镜；

5、所述单模光纤用于将光线通过所述空腔射入所述二维光子晶体阵列微结构上；

6、所述二维光子晶体阵列微结构用于将光线反射。

7、进一步，还有一种优选实施例，上述空腔可以采用单空腔实现。

8、进一步，还有一种优选实施例，上述单空腔实现方法为：

9、所述第一蓝宝石支撑层、第二蓝宝石支撑层和蓝宝石膜片键合封装形成一个开口压力腔；

10、所述单模光纤插入所述开口压力腔中，形成单f-p腔。

11、进一步，还有一种优选实施例，上述空腔还可以采用复合空腔实现。

12、进一步，还有一种优选实施例，上述复合空腔的实现方法为：

13、所述第一蓝宝石支撑层和第二蓝宝石支撑层上均刻蚀有抛物线截面纳米结构，形成第一个f-p腔；

14、所述第一蓝宝石支撑层、第二蓝宝石支撑层和蓝宝石膜片键合封装形成一个闭口f-p腔。

15、进一步，还有一种优选实施例，上述第一蓝宝石支撑层和第二蓝宝石支撑层均通过icp刻蚀技术获得。

16、进一步，还有一种优选实施例，采用湿法腐蚀工艺对上述蓝宝石膜片实施减薄。

17、进一步，还有一种优选实施例，采用微纳加工技术刻蚀上述抛物线截面纳米结构。

18、进一步，还有一种优选实施例，采用icp深刻蚀完成上述蓝宝石膜片上的二维光子晶体阵列微结构加工。

19、本发明还提供温-压双参数动态测量方法，所述方法基于上述任意一项所述的一种温-压动态测量的蓝宝石mems高温动态压力传感器实现，所述方法为：

20、s1、采用宽带光强度探测方法监测光子晶体阵列微结构的反射信号；

21、s2、采用基于多波长被动正交解调技术和椭圆拟合或位补偿原理消除f-p腔初始腔长受温度变化漂移影响，完成对f-p腔动态变化的高速解调。

22、本发明的有益效果为：

23、1、本发明提供的一种温-压双参数动态测量的蓝宝石mems高温动态压力传感器，通过在蓝宝石支撑层上微纳加工抛物线截面纳米结构以增强光透射率，在蓝宝石膜片上刻蚀二维光子晶体阵列微结构，即蓝宝石gmr光栅，基于其导模共振效应，结合多波长正交解调算法，使解调出的反射光谱拥有一个温度敏感倒峰以及一段压力敏感的高反区，从而实现恶劣环境下温-压双参数的实时原位测量。

24、2、现有传统的光纤传感器，无论是efbg-fpi复合腔结构还是串联f-p腔结构，都存在诸如温-压交叉敏感问题，温-压解耦困难问题，并且本质上仍是温度与压力测量元件分开测量。本发明提供一种温-压动态测量的蓝宝石mems高温动态压力传感器，通过在蓝宝石膜片上刻蚀有二维光子晶体阵列微结构，使得从物理结构上形成gmr反射镜，提高了膜片端面反射率，维持了膜片测量面表面平滑不会干扰流场的同时使得温度敏感单元与压力敏感单元尽可能同时接近测量面，提高了测量灵敏度与准确度，实现了温度-压力的同时测量。通过采用单空腔结构，使得当蓝宝石膜片表面压力改变时，单空腔的腔长随之改变，影响反射谱高反区波形产生位移，再基于多波长被动正交解调技术实现双参数信号的实时解调，实现温度和压力的同时测量。

25、3、本发明提供一种温-压动态测量的蓝宝石mems高温动态压力传感器，采用复合空腔结构，在蓝宝石支撑层上刻蚀有抛物线截面纳米结构，用作第二个反射面，使得增强第二个反射面的光透过率，降低复合空腔信号解调的复杂度。

26、本发明适用于高温复杂流体的物理量监测。

技术特征：

1.一种温-压动态测量的蓝宝石mems高温动态压力传感器，其特征在于，所述传感器包括单模光纤(1)、空腔和蓝宝石膜片(3)；

2.根据权利要求1所述的一种温-压动态测量的蓝宝石mems高温动态压力传感器，其特征在于，所述空腔可以采用单空腔实现。

3.根据权利要求2所述的一种温-压动态测量的蓝宝石mems高温动态压力传感器，其特征在于，所述单空腔实现方法为：

4.根据权利要求1所述的一种温-压动态测量的蓝宝石mems高温动态压力传感器，其特征在于，所述空腔还可以采用复合空腔实现。

5.根据权利要求4所述的一种温-压动态测量的蓝宝石mems高温动态压力传感器，其特征在于，所述复合空腔的实现方法为：

6.根据权利要求3或5所述的一种温-压动态测量的蓝宝石mems高温动态压力传感器，其特征在于，所述第一蓝宝石支撑层(2)和第二蓝宝石支撑层(6)均通过icp刻蚀技术获得。

7.根据权利要求3或5所述的一种温-压动态测量的蓝宝石mems高温动态压力传感器，其特征在于，采用湿法腐蚀工艺对所述蓝宝石膜片(3)实施减薄。

8.根据权利要求5所述的一种温-压动态测量的蓝宝石mems高温动态压力传感器，其特征在于，采用微纳加工技术刻蚀抛物线截面纳米结构(7)。

9.根据权利要求1所述的一种温-压动态测量的蓝宝石mems高温动态压力传感器，其特征在于，采用icp深刻蚀完成蓝宝石膜片(3)上的二维光子晶体阵列微结构(4)加工。

10.温-压双参数动态测量方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1-9任意一项所述的一种温-压动态测量的蓝宝石mems高温动态压力传感器实现，所述方法为：

技术总结一种温‑压动态测量的蓝宝石MEMS高温动态压力传感器，涉及光纤传感技术领域，解决高温环境与复杂流场等恶劣环境下传感器多参数实时测量问题，而提供的一种温‑压双参数动态测量的蓝宝石MEMS高温动态压力传感器。传感器包括单模光纤、空腔和蓝宝石膜片；所述蓝宝石膜片上刻蚀有二维光子晶体阵列微结构，用于实现GMR反射镜；所述单模光纤用于将光线通过所述空腔射入所述二维光子晶体阵列微结构上；所述二维光子晶体阵列微结构用于将光线反射。本发明适用于高温复杂流体的物理量监测。技术研发人员：刘彬,王昊琦,邵志强,刘磊,单明广,钟志,于蕾受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学技术研发日：技术公布日：2024/8/1