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什么是耐高温压力传感器

    高温压力传感器广泛应用于火箭发动机、航空发动机、重型燃气轮机、燃煤燃气锅炉等动力设备燃烧室内的压力监测。经过二十多年的研究,高温压力传感技术领域成果丰富。以敏感芯片的主体材料分类,对高温压力传感器的研究现状进行论述,重点分析基于SOI、SiC、蓝宝石、共烧陶瓷、压电晶体、SiCN陶瓷等材料的高温压力传感器的特点与局限以及国内外发展现状。蕞后展望高温压力传感器的发展趋势,并对国内高温压力传感器的发展方向提出建议。

引言

    火箭发动机、航空发动机、重型燃气轮机、燃煤燃气锅炉等动力设备的主要部件处在高温恶劣环境,燃烧室温度甚至超过2000℃。利用高温传感器可对喷嘴燃烧室、压气机、叶片等关键部位的压力、温度等参量进行实时监测,提高燃烧性能和推进效率,并对部件健康状态进行评估。

    液体火箭发动机的推力室主要由推进剂喷嘴、燃烧室、喷管组件等装置组成。当喷嘴处的压力足够高时,就会形成喷嘴阻流和超音速射流,大部分的热能就可转换成动能,对喷嘴处压力的实时监测有助于优化发动机燃烧室收缩比设计,可提高火箭发动机的推进效率。燃烧室点火延迟数毫秒都会导致过量液体进入,引起灾难性后果,通过燃烧室压力监测可精确控制点火时间,避免燃烧室“硬启动”。燃烧室的间歇性燃烧、振荡燃烧会导致燃烧室隔热边界层变薄、运载器受损等后果。获取燃烧室内部、推进剂喷嘴处的实时压力,评估压力的低频振动,估算室压响应时间,对减少间歇燃烧、振荡燃烧,提高燃料的燃烧率,增强火箭的安全性具有重要意义。重型燃气轮机是发电机组、大型船舰的动力

    来源,其结构复杂、参数多,工况多变。随着G、H级燃气轮机的普及,对燃气轮机的稳定性要求也越来越高。对涡轮、压气机、燃烧室、轴承的温度、压力、振动等参量的监控,可降低燃气轮机的故障率,减少15%~20%的维护成本。另外,监测初气温度及燃烧室的压力,对提高煤气转化效率,减少CO2、CO、SO2、NO、等气体的排放具有重要意义-习。高温压力传感器在航天、航空、国防建设、能源开发等领域有着广阔的应用需求。常温MEMS压力传感器主要以硅(Si)基压力传感器为主,在100℃工作温度范围内,商业化的Si压力传感器工艺成熟、体积小、性能好,但是当其在超过120℃环境使用时,内部PN结会出现漏电,传感器性能下降甚至失效。另外,Si材料在大于500℃时还会发生塑性变形,不能满足高温环境下压力测量的需求。为此,国内外学者将目光投向其他材料,研究耐高温材料制备高温传感器的可行性。 
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