详情
聚焦前沿 自主创新 研发特种传感器——中北大学仪器与电子学院谭秋林教授
2021-04-08
中北大学谭秋林教授长期致力于极端环境下特种传感器技术及测量仪器的研究和教学工作，依托中北大学电子测试技术国防科技重点实验室和仪器科学与动态测试重点实验室平台，打造一流科研团队，围绕我国特种装备研制与发展重大战略需求和高精尖装备技术测试科技前沿，通过自主创新与产学研相结合方式，开展原创性的特色方向学术研究和关键共性技术研究，研制出多款特种传感器与测量仪器，为多家航天院所提供测试样机，并着力推动其科研成果的转化和产业化应用。
1 高灵敏红外光学气体传感器及集成系统
针对煤矿生产及危化品运输过程中有害气体难以实时有效、准确监测难题，提出了纳米森林黑硅吸收增强方法及椭球折叠反射光路气室结构，研究开发了高灵敏、长寿命、函数浓度计算法自修正的微型光学气体传感器及其集成系统（图1）。相关成果“面向危化气体监测的红外光学气体传感器及其系统研制”获得2013年山西省科学技术发明奖一等奖，并收录进专著《红外光学气体传感器及检测系统》。该集成系统通过了国家防爆认证和检测，专家鉴定“微型红外气体传感器具有低成本、微型化、高灵敏、长寿命、无需定期校准等特点，在同类研究中达到国际先进水平”。目前，红外光学气体传感器的研究已在相关领域实现成果转化，在流程工业、危化品储运车、安全生产车间、化工品生产厂房等方面得到应用。
2 C-MEMS陶瓷高温传感器
长时间高温、高旋工况恶劣环境下的压力、振动、温度、热流等多种参数的原位测试在航空航天、环境能源、采矿冶金、生物医学等领域存在着广泛需求，尤其是先进发动机、高超声速飞行器表面以及工业装备检测等研究领域。然而在极端环境下，参数测试都伴随着高温、大热流等对测量器件敏感特性以及数据采集传输系统的可靠性的制约，使得目前常规技术无法正常获取有效信息。针对该问题，开发出基于HTCC陶瓷微组装工艺与厚膜集成工艺结合的电容敏感结构及电感的集成制造技术，形成了标准工艺，为器件产品化提供技术规范，成功应用于耐高温陶瓷传感器件加工设计中；提出陶瓷基片材料的力（热）-电-波转换结构及电磁谐振耦合无源信号获取方法，建立了电磁谐振耦合解算模型，为高温及旋转环境下的温度、压力参数原位、实时测量和信号获取提供了新思路和新方案；以铂-铂铑作为敏感电极，采用丝网印刷技术，研制了大量程薄膜型高温热流传感器（见图2）。提高了传感器的成品率和灵敏度，大幅提升了各类敏感结构耐高温工作极限和高温存活能力。
基于HTCC技术的集成高温压力传感器及热流传感器具有微型化、使用寿命长、工作温度高等特点，实现了25℃～1 100℃高温环境中温度、压力参数的原位获取以及25℃～1 000℃热流参数测试，克服了传统传感器工作温度低、经常更换、使用空间环境受限等问题，可以广泛地应用于航空、航天、工业生产等极端恶劣环境中多个参数的原位动态监测，有望解决航空发动机、飞行器表面温度、压力、热流等参数“测不到、测不准”的难题。
3 LGS-SAW高温无线传感器
面向航天飞行器各关键部件控制与健康状态监测的需求，研制了基于硅酸镓镧（LGS）压电材料的声表面波无线远距离传感器。针对LGS等耐高温硬脆性材料加工制造难题，开发了一整套微纳制造工艺。解决了以硬脆性材料为基底制备高温压力传感器的绝压腔体难题，为高温压力传感器的研制提供了有效的方法（图3）。采用湿法腐蚀工艺，精准控制刻蚀速率与结构；采用高温热压直接键合工艺实现密封空腔微结构；开发了线宽为4μm的标准化电极制造工艺，并由激光脉冲沉积系统沉积氮化铝作为电极防护层，解决高温环境下由电极软化导致的Q值降低的难题。最终研制出能够在900℃、20 kPa～500 kPa环境下稳定工作的温压集成式硅酸镓镧的SAW高温无线无源传感器，实现温度、压力等参数的远距离测试。
4 曲面共形薄膜应变传感器及其测量仪器
针对我国航空发动机叶片等旋转部件高温应变测试需求，开发了发动机涡轮叶片应变、温度敏感薄膜材料的制备工艺和图形化技术，开展了传感器信号采集及数据编码和无源遥测等全链条、国产化、自主可控技术的研究。突破薄膜传感器失效机理及多层复合模型解析、结构功能一体化优化设计及曲面叶片基底表面敏感元件集成制造、高温高旋状态传感器无线信号准确获取等关键技术；研制出无线遥测系统工程样机（如图4），为我国航空发动机等重大技术装备的性能提升提供有效监测手段。
近年来，谭秋林研究团队针对我国航空、航天、采矿、冶金及医学等领域对高温、高旋、密闭等恶劣环境下特殊参数信息的原位测试需求，紧密追踪材料科学、信息科学以及微传感器技术的发展前沿，重点开展基于耐高温材料的超高温下稳定工作的微传感器件与系统应用的关键技术研究，并着力推动相关科研成果在航空、航天、化工、危险品储运等行业的转化应用，产生了显著的经济效益和社会效益。
