基于全蓝宝石的高温压力传感系统及原位温度补偿：创新腔体设计、制备与APSC-FFT算法

在少有传感器能存活的地方测量压力

在核反应堆和喷气发动机内部，温度高到足以使金属软化并损坏电子器件，但工程师仍然需要精确掌握压力变化以保证这些装置的安全与效率。本文提出了一种几乎完全由蓝宝石晶体制成的新型压力传感器，能够在这种恶劣环境中可靠工作，同时测量温度和压力，并在加热到1500 °C后仍保持稳定。

为什么极端设备需要更灵敏的感知

现代能源与航空航天系统把材料推到极限。在气冷核反应堆中，冷却气体温度可达约800 °C、压力接近1兆帕；而在航空发动机燃烧室内，温度可超过1300 °C。传统的电气压力传感器在这些条件下表现不佳：其电学特性漂移，并且电磁噪声会干扰读数。即便是热电偶和红外测温等温度传感方法，在整个量程下也会失准。本文的工作采用光学方法来应对这一挑战——光学传感天然抗电干扰，更适合于高温、腐蚀和苛刻的环境。

用光读数而非电压的蓝宝石芯片

器件的核心是一片从单晶蓝宝石雕刻而成的小芯片，与一个受压力致弯曲的蓝宝石膜片键合。来自宽带光源的光通过光纤传输，经小透镜注入芯片。在内部，光在精确间隔的镜面般蓝宝石表面间往返形成物理学上所称的法布里–珀罗腔——本质上是微观的光学回声，其间距决定哪些波长的光会发生构建性干涉。通过分析反射光谱，系统可以推断出芯片内部表面之间的精确距离，从而同时揭示温度和压力。

为了解析这两个量，研究者设计了复合腔结构。一个腔体完全位于刚性蓝宝石层内，对压力几乎不敏感但随温度膨胀，可作为原位温度计。第二个腔体跨越刚性蓝宝石与可弯曲膜片之间的空气间隙，其长度随压力和温度共同变化。通过标定每个腔体长度对已知条件的响应，系统能够区分两种影响并自动对压力读数进行温度补偿。

用于更清晰光学信号的智能膜片

一个关键的机械创新是受压膜片的形状。许多压力传感器依赖于平膜片，受载时会显著弯曲。虽然这提高了灵敏度，但也导致被照射区域不均匀弯曲，模糊干涉图样并降低测量精度。在此工作中，团队在膜片中央引入了一个台肩——一个光聚焦处的小凸起平台。膜片仍然有足够的柔性以保持灵敏性，但台肩本身几乎不变形。仿真表明，该设计能使光斑区域内空气间隙的变化很小，保持光谱对比度高，从而提高腔体长度提取的精度。

在极高温度下精确雕刻与键合

在蓝宝石中构建这种结构并非易事。研究者优化了一种湿法化学刻蚀工艺，能够在保持表面极其光滑的同时雕刻出腔体和台肩；约13纳米量级的粗糙度有助于内部表面作为良好的光学镜面。他们通过三步精确控制的刻蚀来定义受压区域、参考腔和台肩。随后在极高的温度与压力下将刻蚀后的膜片直接与蓝宝石基底键合，先在200 °C形成临时的氢键，再在1000 °C以上通过强共价键把零件锁合在一起。测试表明，制得的芯片在1500 °C下保温一天并冷却后仍保持完整且光学稳定。

更智能的信号处理以获取更细微信息

即便有出色的芯片，要从反射光谱中提取纳米级的腔长变化仍需精确的数学方法。作者开发了一种基于快速傅里叶变换的自适应峰位校正算法；快速傅里叶变换是将光谱转换为能让腔长以峰值形式出现的常用工具。由于实际测量是有限并离散采样的，这些峰通常会展宽和畸变，从而使估计的腔长偏移数十纳米。新算法反复微调光谱在“波数”空间的重采样方式，使傅里叶峰对称化。这一步自我校正将推断出的腔长与真实值几乎对齐，把典型误差降低约两个数量级，同时保持足够快的处理速度以支持实时感测。

在恶劣条件下验证其可行性

将芯片封装于带金涂层光纤和石英透镜的金属外壳后，传感器在28至800 °C、0至1.2 MPa 的条件下进行了测试。校准后，系统实现了温度测量误差低于量程的0.13% 和压力误差低于量程的0.18%，在重复性和长期稳定性方面表现良好，并在高低温的120小时测试中保持稳定。重要的是，即便经受1500 °C 的高温退火，腔长和光学信号基本回到原值，表明蓝宝石芯片本身能耐受远超典型反应堆或发动机遇到的温度。

这对未来发动机与反应堆意味着什么

对非专业读者而言，核心信息是：作者们构建了一个微小的晶体“之眼”，能够在能源与航空航天系统最炽热的部位内部监测压力与温度，而不会崩溃或丧失准确性。通过将坚固的蓝宝石力学结构、巧妙的腔体设计与精炼的数据处理算法相结合，该传感器能在传统设备失效的环境中提供精确读数。随着封装和光纤材料逐步匹配芯片固有的耐热能力，这项技术有望成为下一代反应堆与喷气发动机实现更安全、更高效并便于实时监控的关键工具。

引用: 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

关键词: 高温压力传感器, 蓝宝石光学传感器, 法布里–珀罗腔, 极端环境监测, MEMS 湿法刻蚀