Система датчика давления для высоких температур полностью на основе сапфира с встроенной температурной компенсацией: инновационный дизайн полости, изготовление и алгоритм APSC-FFT

Измерение давления там, где выживают лишь немногие датчики

Внутри ядерных реакторов и авиационных двигателей температуры поднимаются настолько высоко, что металлы размягчаются, а электроника выходит из строя, тем не менее инженерам необходимо точно знать давление, чтобы обеспечить безопасность и эффективность этих машин. В этой статье представлен новый тип датчика давления, изготовленный почти полностью из сапфирового кристалла, который способен надежно работать в таких жестких условиях, одновременно измеряя температуру и давление и оставаясь стабильным даже после нагрева до 1500 °C.

Почему экстремальные установки требуют лучших «чувств»

Современные энергетические и аэрокосмические системы испытывают материалы на пределе возможностей. В газоохлаждаемых ядерных реакторах охлаждающий газ может достигать около 800 °C при давлениях порядка 1 мегапаскаля, а в камерах сгорания авиационных двигателей температуры могут превышать 1300 °C. Обычные электрические датчики давления здесь испытывают трудности: их электронные характеристики дрейфуют, а электромагнитные помехи могут искажать показания. Даже температурные методы, такие как термопары и инфракрасные измерения, теряют точность по всему диапазону. Описанная в статье работа решает эту задачу оптическим подходом, который по своей природе не чувствителен к электрическим помехам и лучше подходит для агрессивных, коррозионных и очень горячих сред.

Сапфировый чип, который читает свет вместо напряжения

Сердцем устройства является крошечный чип, вырезанный из цельного куска сапфира и соединённый с сапфировой диафрагмой, которая прогибается при изменении давления. Свет от широкополосного источника проходит по оптическому волокну, через небольшую линзу и попадает в этот чип. Внутри он отражается между тщательно выдержанными, зеркально гладкими сапфировыми поверхностями, образуя то, что физики называют полостями Фабри–Перо — по сути микроскопические оптические эхо, расстояние между которыми определяет, какие длины волн усиливаются конструктивной интерференцией. Анализируя отражённый спектр, система может определить точные расстояния между поверхностями внутри чипа, что в свою очередь раскрывает и температуру, и давление.

Чтобы разделить эти две величины, исследователи сконструировали составную структуру полостей. Одна полость полностью сформирована в жёстком слое сапфира и почти не реагирует на давление, но расширяется с ростом температуры, выполняя роль встроенного термометра. Вторая полость простирается через воздушный зазор между жёстким сапфиром и гибкой диафрагмой, поэтому её длина изменяется как под действием давления, так и температуры. Калибруя, как каждая длина полости реагирует на известные условия, система способна разделить оба влияния и автоматически компенсировать показания давления с учётом температуры.

Умная диафрагма для чище оптических сигналов

Ключевое механическое новшество — форма чувствительной к давлению диафрагмы. Многие датчики давления используют плоскую мембрану, которая сильно выгибается под нагрузкой. Хотя это повышает чувствительность, мембрана изгибается неравномерно в зоне освещения, что размывает интерференционный узор и ухудшает точность измерений. В этой работе команда ввела центральный пьедестал — небольшой возвышенный участок на диафрагме, в который фокусируется свет. Диафрагма по‑прежнему достаточно деформируется, оставаясь чувствительной, но сам пьедестал практически не меняет форму. Моделирование показывает, что такая конструкция удерживает вариации воздушного зазора в зоне светового пятна малыми, сохраняя высокий контраст в спектре и улучшая точность извлечения длин полостей.

Точное вырезание и соединение при экстремальном нагреве

Создать такую структуру в сапфире — задача далеко не тривиальная. Исследователи усовершенствовали процесс мокрого химического травления, который позволяет вырезать полости и пьедестал в кристалле при сохранении чрезвычайно гладкой поверхности; шероховатость порядка всего 13 нанометров помогает внутренним поверхностям выступать в роли хороших оптических зеркал. Они травили сапфир в три тщательно контролируемых этапа, чтобы задать область, чувствительную к давлению, опорную полость и пьедестал. Затем они напрямую спаяли (bonded) вытравленную диафрагму с сапфировой подложкой при очень высокой температуре и давлении: сначала формировались временные водородные связи при 200 °C, а затем детали «запирались» прочными ковалентными связями выше 1000 °C. Испытания показали, что получившиеся чипы оставались целыми и оптически стабильными после выдержки при 1500 °C в течение суток и последующего охлаждения.

Более умная обработка сигнала для высокой детализации

Даже с отличным чипом извлечение малых изменений длины полости из отражённого спектра требует аккуратной математической обработки. Авторы разработали адаптивный алгоритм коррекции сдвига пиков на основе быстрого преобразования Фурье — стандартного инструмента для преобразования спектра в форму, где длины полостей проявляются в виде пиков. Поскольку реальные измерения конечны и дискретно дискретизованы, эти пики имеют тенденцию расширяться и искажаться, что может смещать оценку длины полости на многие нанометры. Новый алгоритм многократно уточняет способ переразрядки спектра в пространстве волновых чисел так, чтобы пики Фурье становились симметричными. Этот шаг самокоррекции приводит предполагаемые длины полостей в почти точное соответствие с их истинными значениями, снижая типичные ошибки примерно на два порядка величины и сохраняя обработку достаточно быстрой для работы в реальном времени.

Доказательство работоспособности в жёстких условиях

Готовый датчик, упакованный в металлический корпус с волокном, покрытым золотом, и кварцевой линзой, был протестирован при температурах от 28 до 800 °C и давлениях от 0 до 1,2 МПа. После калибровки система достигла погрешностей измерения температуры ниже 0,13% от полного диапазона и погрешностей давления ниже 0,18% шкалы, с отличной повторяемостью и долгосрочной стабильностью в тестах продолжительностью 120 часов как при низкой, так и при высокой температуре. Важно, что даже после отжига при высокой температуре (1500 °C) длины полостей и оптические сигналы возвращались по существу к тем же значениям, что показывает, что сам сапфировый чип способен выдерживать температуры значительно выше тех, что встречаются в обычных реакторах или двигателях.

Что это значит для будущих двигателей и реакторов

Для неспециалистов основная мысль такова: авторы создали крошечное кристаллическое «окно», которое может наблюдать за давлением и температурой глубоко внутри одних из самых горячих частей энергетических и аэрокосмических систем, не разрушаясь и не теряя точности. Сочетание прочной сапфировой механики, продуманной конструкции полостей и отточенного алгоритма обработки данных позволяет датчику давать точные показания там, где традиционные приборы терпят неудачу. По мере того как материалы для упаковки и волокон будут соответствовать термостойкости чипа, эта технология может стать ключевым инструментом для повышения безопасности, эффективности и удобства мониторинга реакторов и авиационных двигателей следующего поколения в реальном времени.

Цитирование: Tan, J., Qin, F., Wang, N. et al. All-sapphire-based high-temperature pressure sensor system with in situ temperature compensation: innovative cavity design, fabrication, and APSC-FFT algorithm. Microsyst Nanoeng 12, 159 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01290-5

Ключевые слова: датчик давления для высоких температур, оптический датчик из сапфира, полость Фабри–Перо, мониторинг в экстремальных условиях, мокрое травление MEMS