无引线封装高温压力传感器

研究的压力敏感芯片利用单晶硅的压阻效应原理制成;采用绝缘层上硅(SOI)材料取消了敏感电阻之间的pn结,有效减小了漏电,提高了传感器的稳定性;用多层复合电极替代传统的铝电极,并应用高掺杂点电极技术,提高了传感器使用温度。封装时,将硅敏感芯片的正面与硼硅玻璃进行对准气密静电键合;在硼硅玻璃的相应位置加工引线孔,将芯片电极和管壳管脚用烧结的方法实现电连接,形成无引线封装结构。采用无油封装方法,避免了含油封装中硅油耐温能力差的问题。对高温压力敏感芯体结构进行了热应力分析,并对无引线封装方法进行了研究。对研制的无引线封装高温压力传感器进行了性能测试,测试结果与设计相符,其中传感器的测量范围为0~0.7 MPa,非线性优于0.2%FS,工作温度上限可达450℃。     

光纤光栅温度传感器增敏封装特性研究

通过利用聚酰亚胺涂覆裸光纤光栅的方法研制了一种增敏型光纤光栅温度传感器,其反射波长的温度敏感系数由曾敏前的10pm/℃提升至40pm/℃。在-40~200℃测试环境中,开展了传感器标定和温度精度测量试验。试验结果表明:利用光纤光栅增敏封装,在高低温环境中采用低精度光纤光栅解调仪,传感器的测温精度由±0.4℃提升至±0.1℃。上述结果显示,采用增敏封装结构能够提升光纤光栅温度传感器的测量精度,减低制作成本。     

基于桥臂电阻补偿的宽温区压力传感器优化设计

针对航空领域中使用温区宽、测量介质和工作环境温差大、全温区精度要求高等特殊应用要求,通过压力芯片中桥臂电阻在不同温度下的阻值变化实现介质温度测量,并将该温度作为传感器后端调理芯片补偿的温度输入,从而消除了后端调理芯片和前端微电子机械系统(MEMS)芯片之间的温度差。同时,采用国产数字调理芯片,通过多温度、多压力点校准,实现宽温区高精度压力测量。结果表明,在-55～125℃范围内,极限180℃的温度梯度条件下,测量精度达到0.42%FS。该补偿方法不仅提高了传感器全温区精度,而且简化了电路结构、提升了产品整体可靠性,具有较好的工程化应用前景。     

井下油套环空级联式光纤光栅压力传感器的研制

为了实现对油水井下油套环空中狭小空间大量程压力的监测,研制一种级联式的光纤光栅压力传感器。首先,根据实际工况,设计一种基于平膜片和等强度梁相结合的光纤光栅压力传感器封装结构;采用级联式的方法,在未改变原有光纤光栅性能指标的前提下,扩大传感器的测量范围,解决压力测量范围和灵敏度之间的矛盾;通过力学分析验证研制的传感器结构的合理性与可行性,同时阐明其温度补偿的方法。实验结果表明:本文传感器的测压范围为0～30MPa,灵敏度为329.5pm/MPa,线性度达到98%以上。并且传感器结构简单,尺寸小巧,易于实现,装配到油管后的实际厚度仅为17mm,能够满足油水井下油套环空中压力的监测要求。     

基于逆传播神经网络的光纤布拉格光栅触觉传感

为实现机械手指的复合式触觉传感,以光纤布拉格光栅(FBG)为传感元件,将压力传感器和温度传感器封装在同一聚合物传感单元中。分析了压力传感器受目标物体温度扰动的特性,同时利用逆传播神经网络对FBG触觉传感信号进行处理,实现了对传感单元表面正向压力的准确识别。仿真与实验结果表明,该方法进一步消除了目标物体温度对应变传感器的影响,减小了应变传感器的不确定性误差,提高了压力测量结果的稳定性和测量精度,补偿后压力传感器的温度漂移率仅为1.2×10-4 nm/℃。将补偿研究应用于机械手指FBG触觉传感阵列,可以有效抑制温度对应变传感的干扰,使得柔性机械手指触滑测量系统具有更加广阔的应用前景。     

应用在油气管线的光纤光栅温度压力传感系统

为了提高光纤光栅的温度和压力灵敏度系数以满足实用化对灵敏度精度的要求,对光纤光栅进行封装设计。得到封装后的光纤光栅温度和压力灵敏度系数分别为0.052nm/℃和0.8208nm/MPa,分别为裸光栅的5倍和273倍,且传感器的温度和压力响应与光栅反射波长成良好的线性关系。通过半个月的油气管线现场实验,测得光纤光栅温度压力传感器与油气管线的电类传感器的测量值符合得特别好,该温度和压力传感系统满足了温度和压力的实时测量。     

布里渊温度和压力传感器增敏设计

设计了一种基于分布式传感技术的薄壁圆筒型液体温度和压力传感器.选取具有耐腐蚀、弹性性能好以及热膨胀系数大的不锈钢316L和铍青铜C17200分别对传感器进行封装.利用有限元仿真软件ANSYS Workbench对封装的传感器压力和温度特性进行仿真分析,得到器件的径向应变量,分析其布里渊频移随压力和温度的变化关系.仿真实验表明,使用铍青铜C17200封装的传感器压力灵敏度和温度灵敏度更高,在0～12 MPa、-5～40℃范围内压力灵敏度达11.1 MHz/MPa,温度灵敏度达2.56 MHz/℃,相较于普通单模光纤分别提升7.4倍和1.7倍.     

SOI高温压阻式压力传感器的设计与制备北大核心

设计并制备了一种基于绝缘体上硅（SOI）材料、量程为5Pa～1．8MPa的压阻式压力传感器。在设计方面,通过有限元分析软件和经典理论相结合分析敏感膜片的力学性能和电学性能,得到敏感膜片的尺寸和表面电势的分布;在工艺方面,设计了基于标准微电子机械系统（MEMS）工艺的制作流程;在芯片的封装方面,为保证敏感芯片与外界的电气互连,采用了引线键合工艺,同时装配温度补偿电路和信号调理电路降低了传感器的温漂,保证传感器的输出。制备后的压力传感器在温度压力复合平台进行标定和温度测试,结果显示传感器在设计量程范围内具有较好的精度并且可在-50-205℃内稳定工作。     

金属基底增敏的干涉型高温光纤传感器

为了实现对井下潜油电泵机组温度的实时监测,设计了一种由粗锥型单模--多模--单模(Coarse Cone Singlemode-Multimode-Singlemode, CCSMS)构成的马赫--曾德尔干涉(Mach-Zehnder Interferometer, MZI)型高温光纤传感器。该结构采用直接熔接的方法将单模光纤与多模光纤相熔接;接着通过调整熔接机的熔接参数,在单模光纤上制作出粗锥结构;最后将制备的结构嵌入铜基板的U型槽中,实现传感器的增敏封装。对封装后的传感器的温度响应特性进行了测试。实验结果表明,在40～250℃的温度范围内,该传感器实现了灵敏度为124.9 pm/℃的温度传感。对其稳定性和重复性进行了测试。结果表明,传感器的稳定性最大误差约为0.44%,重复性最大误差约为2.29 pm/℃。该传感器具有灵敏度高、重复性和稳定性好的特点,有望用于油气井下潜油电泵机组的温度监测。     

结构简单的熔接式全石英光纤EFPI高静压传感器

介绍了一种结构简单的熔接式全石英光纤非本征型法布里-珀罗干涉仪(EFPI)高静压传感器,对传感器的压力效应进行了理论分析,给出了传感器的设计结构和制作过程。和传统EFPI传感器相比,该传感器具有长腔长、结构简单、制作工艺简易、应用灵活方便等优点,可以用于较高静态压力的测量。建立了传感解调系统,对压力进行了测试,测量精确度高,稳定性好。同时进行了温度敏感度测量实验,温度敏感系数约为0.72nm/℃,传感器的腔长温度线性度好,结果显示传感器温度交叉敏感度低。在0~20 MPa压力测量范围内,该传感器的压力腔长灵敏度可以达到21nm/MPa,连续10h动态测量条件下,测量偏差为0.2%FS。     

一种新型金属封装的光纤法珀温度传感器

设计制作了一种金属封装的光纤法珀温度传感器,该传感器采用不锈钢毛细金属管代替传统的空心光纤对光纤法珀腔进行封装,毛细金属管在作为法珀腔腔体的同时也是温度敏感元件。采用该结构简化了光纤法珀温度传感器的封装工艺,理论分析和实验的结果表明,该金属封装结构使得传感器的灵敏度易于控制,对于腔长为10mm的温度传感器其精度达到±0.5℃。     

数字输出型多功能传感器研究

基于混合集成技术,设计并制作了具有RS232标准接口输出的压力-温度多功能传感器.该传感器由压力-温度复合敏感单元、R/V转换及前置放大、A/D转换、可编程RS232接口单元等构成.此外开发了传感器的数据采集与处理软件,通过软件对原传感器的误差进行软补偿,传感器的测量综合精度有所提高,在室温至80℃的测量范围内零位温漂由4.4%/℃降至0.2%/℃.     

一种新型金属封装的光纤法珀温度传感器

设计制作了一种金属封装的光纤法珀温度传感器，该传感器采用不锈钢毛细金属管代替传统的空心光纤对光纤法珀腔进行封装，毛细金属管在作为法珀腔腔体的同时也是温度敏感元件。采用该结构简化了光纤法珀温度传感器的封装工艺，理论分析和实验的结果表明，该金属封装结构使得传感器的灵敏度易于控制，对于腔长为10mm的温度传感器其精度达到±0.5℃。     

纳米多晶硅薄膜压力传感器制作及特性

给出一种纳米多晶硅薄膜压力传感器,采用LPCVD法在衬底温度620℃时制备纳米多晶硅薄膜,基于MEMS技术在方形硅膜不同位置制作由4个薄膜厚度为63.0nm的掺硼纳米多晶硅薄膜电阻构成惠斯通电桥结构,实现对外加压力的检测. 实验结果表明,当硅膜厚度75μm时,纳米多晶硅薄膜压力传感器在恒压源5.0V供电时,满量程（160kPa）输出为24.235mV,灵敏度为0.151mV/kPa,精度为0.59%F.S,零点温度系数和灵敏度温度系数分别为-0.124%/℃和-0.108%/℃.     

基于玻璃烧结技术的轨压传感器开发

当前硅压力传感器的设计和应用,一般采用正面受压技术,例如成本较高的正面充油隔离封装技术,或者对硅表面电路保护不彻底的正面封胶封装技术。本文介绍基于玻璃烧结技术的高量程轨压传感器的研究开发,高端量程可达200MPa,实现轨压传感器的国内自主供货问题。     

纳米多晶硅薄膜压力传感器制作及特性

给出一种纳米多品硅薄膜压力传感器,采用LPCVD法在衬底温度620℃时制备纳米多晶硅薄膜,基于MEMS技术在方形硅膜不同位置制作由4个薄膜厚度为63.0nm的掺硼纳米多晶硅薄膜电阻构成惠斯通电桥结构,实现对外加压力的检测.实验结果表明.当硅膜厚度75μm时,纳米多晶硅薄膜压力传感器在恒压源5.0V供电时,满量程(160kPa)输出为24.235mV,灵敏度为0.151mV/kPa,精度为0.59%F.S,零点温度系数和灵敏度温度系数分别为-0.124%/℃和-0.108%/℃.     

用于石化反应器的光纤F-P温/压复合传感器

为了实时监测石化反应器内部高温、高压环境下压力和温度变化, 严格控制原料的反应过程, 采用法布里-珀罗(F-P)多腔干涉理论, 设计并制备了一种光纤F-P温度、压力复合传感器。该传感器由石英玻璃和蓝宝石玻璃构成, 石英与蓝宝石之间的空气腔为压力腔, 温度腔则为蓝宝石本身。通过理论计算和仿真验证, 分析了压力腔和温度腔不同参数对传感器性能的影响, 从而取得了最佳的传感器结构参数数据。结果表明, 该传感器制作工艺简单且性能可靠, 能够实现0MPa~5MPa和-20℃~300℃范围内压力和温度的同时测量; 该传感器在压力0.1MPa~5MPa和温度20℃~180℃环境下有良好压力温度线性响应关系, 压力灵敏度为796nm/MPa, 温度灵敏度为3.864nm/℃。该传感器适用于石化反应器内部高温高压环境下压力和温度的同时监测。     

石墨烯压力传感器Au-Si共晶键合的气密性封装

针对石墨烯压力传感器的高气密性封装要求，设计了一种应用于石墨烯压力传感器的Au-Si键合工艺。采用Au-Si键合工艺只需要在传感器的密封基板表面生长一层100 nm的SiO₂,并在生长的SiO₂表面溅射金属密封环，密封环金属采用50 nm/300 nm的Ti/Au。使用倒装焊机在380℃以及16 kN的压力环境下保持20 min完成传感器芯片与基板的键合，实现石墨烯压力传感器的气密性封装。键合完成后对键合指标进行表征测试，平均剪切力可达19.596 MPa,平均泄露率为4.589×10^-4 Pa·cm³/s。通过对键合前后石墨烯传感器芯片电阻检测，电阻输出平均值变化了3.36%,键合前后电阻输出相对稳定。对传感器进行静态压力检测，其灵敏度>0.3 kΩ/MPa,非线性<1%FS。实验结果表明，石墨烯压力传感器采用Au-Si键合工艺进行气密封装不仅工艺简单，且强度高。     

一种改进型的管状光纤光栅温度补偿封装实验

本文提出一种改进型的管状小型化光纤光栅温度补偿封装技术,这种方法是基于双金属结构来实现无源温度补偿功能。与其他双金属结构相比,其优势在于可以实现封装结构的管状小型化,尺寸可小于Φ5mm×50mm(D×L)。在0℃-75℃范围内,该封装结构的光栅温度系数小于1pm/℃,完全达到实用化指标性能。     

基于光纤传感的工业生产线智能装配系统

工业生产线的智能装配技术是提高生产线工作效率,保证产品统一性的关键手段。日趋复杂的工业产品结构对智能装配控制精度的要求也越来越高,其中,基于实时在线测量的反馈校正技术成为了研究热点。为了实现工业生产线智能装配过程的柔性测量,提出了基于光纤传感的反馈式装配控制方法。该系统采用多FBG传感器获取装配结构实时应变,由不同封装FBG传感器完成温度应变解耦。最终通过神经网络学习的方式完成对位置偏移程度进行换算,实现装配位置实时校正。采用Matlab对螺钉结构装配过程进行仿真,模拟了不同长度和施力大小的螺钉应力分布,结果显示螺钉长度越长,相同作用力下应变越大。并且螺钉的主要应变集中在螺孔边缘位置。实验分别采用悬臂梁应变标定实验获取不同封装状态的拟合曲线,采用温度标定实验消除应变测试数据中的温漂效应,采用位置偏移实验获取校正参数。结果显示,对于长度为15.0 mm的螺钉,系统平均解算精度约为0.012 3 mm/N,对于长度为20.0 mm的螺钉,系统平均解算精度约为0.022 1 mm/N,并且具有很好的线性度。