Радиационно-стойкий преобразователь деформации

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к основным компонентам оптических датчиков, устройств и измерительных систем, предназначенных для преобразования физических величин в условиях повышенных температур и радиационных воздействий. Техническим результатом является упрощение технологии изготовления, повышение надежности, расширение области применения и арсенала технических средств преобразования деформаций. Технический результат достигается тем, что радиационно-стойкий преобразователь деформации содержит упругую пластину, выполненную в виде четырехслойного компонента, в основании которого находится кремниевая подложка, а последующие слои - нижний изолирующий слой, фоточувствительный слой и верхний изолирующий слой, представляют собой диоксид кремния, в фоточувствительном слое сформирован волновод с чувствительным элементом в виде решетки Брэгга, при этом фоточувствительный слой легирован азотом. В зоне упругой пластины, не восприимчивой к измеряемой деформации, в фоточувствительном слое, расположен дополнительный чувствительный элемент в виде решетки Брэгга. 1 с.п.ф. 1 з.п.ф. 3 илл.

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к основным компонентам оптических датчиков, устройств и измерительных систем, предназначенных для преобразования физических величин в условиях повышенных температур и радиационных воздействий.

Известен волоконно-оптический датчик температуры, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде волоконно-оптического световода с полиамидным покрытием и с записанной в нем волоконно-оптической решеткой Брэгга, снабженный корпусом, представляющим собой электрокорундовый или шамотный тигель, внешняя стенка которого выполнена либо гладкой, либо со спиралевидным каналом, внутри которого по всей длине расположен световод, при этом в световоде записано не менее двух спектрально - и пространственно-разнесенных волоконно-оптических решеток Брэгга, а световод закреплен в спиралевидном канале или на внешней гладкой стенке корпуса в некоторых точках, которые определены местами расположения волоконно-оптических решеток Брэгга в световоде. Патент Российской Федерации на полезную модель 140576, МПК: G01K 11/32, 2014 г., аналог.

Недостатком аналога являются большие габариты и сравнительно низкая чувствительность из-за эффектов гистерезиса, возникающих при соединении разнородных по физическим свойствам материалов. Кроме того, применение волоконного световода с полиамидным покрытием налагает существенные радиационные и температурные ограничения на использование датчика в измерительных системах, поскольку полиамидные материалы обладают невысокой термостойкостью и разрушаются под действием радиационного облучения.

Известен волоконно-оптический преобразователь деформации, содержащий, по крайней мере одну волоконную решетку Брэгга, в котором оптическое волокно закреплено на упругом элементе в виде пластинки из монокристалла сапфира, или кремния, или кварца. Патент Российской Федерации на полезную модель 135119, МПК: G01D 5/353, 2013 г., аналог.

Недостатком аналога является сложность изготовления преобразователя деформации. В местах расположения измерительных волоконных решеток Брэгга, оптическое волокно, с целью соответствия коэффициентов температурного расширения соединяемых элементов, должно быть закреплено на упругой пластинке посредством стеклокристаллического материала (стеклоприпоя). Технология закрепления волоконных решеток Брэгга на неметаллических подложках, с использованием стеклокристаллических материалов, имеет трудности в реализации техпроцесса. Ввиду значительной усадки стеклокристаллического материала после его остывания из расплавленного состояния, требуется осуществление предварительных технологических натяжений оптического волокна с решеткой Брэгга (перед его закреплением на упругом элементе). Величина такого натяжения, ввиду малого диапазона допустимых рабочих деформаций волоконной решетки Брэгга, должна тщательно контролироваться, и зависеть от количества используемого стеклокристаллического материала, его физических свойств, структуры и площади закрепления.

Задачей полезной модели является создание преобразователя деформации для высокоточных измерителей и датчиков физических величин, предназначенных для работы в условиях повышенных температур и радиационного воздействия.

Техническим результатом является упрощение технологии изготовления, повышение надежности, расширение области применения и арсенала технических средств преобразования деформаций.

Технический результат достигается тем, что радиационно-стойкий преобразователь деформации содержит упругую пластину, выполненную в виде четырехслойного компонента, в основании которого находится кремниевая подложка, а последующие слои - нижний изолирующий слой, фоточувствительный слой и верхний изолирующий слой, представляют собой диоксид кремния, в фоточувствительном слое сформирован волновод с чувствительным элементом в виде решетки Брэгга, при этом фоточувствительный слой легирован азотом. В зоне упругой пластины, не восприимчивой к измеряемой деформации, в фоточувствительном слое, расположен дополнительный чувствительный элемент в виде решетки Брэгга.

Сущность полезной модели поясняется на фигурах 1-3.

На фиг. 1 показан радиационно-стойкий преобразователь деформации, где: 1 - упругая пластина, 2 - чувствительный элемент в виде решетки Брэгга, 3 - опорный элемент.

На фиг. 2 представлен поперечный разрез упругой пластины 1, включающей кремниевую подложку 4, нижний изолирующий слой 5, фоточувствительный слой 6, верхний изолирующий слой 7 и волновод 8.

На фиг. 3 упругая пластина 1 с чувствительным элементом 2 представлена в изометрии.

Радиационно-стойкий преобразователь деформации содержит упругую пластину 1, выполненную в виде четырехслойного компонента, в основании которого находится кремниевая подложка 4, а последующие слои - нижний изолирующий слой 5, фоточувствительный слой 6 и верхний изолирующий слой 7, представляют собой диоксид кремния (кварц), причем свойства фоточувствительного слоя 6 обеспечены наличием азота, как легирующего элемента в кварцевом материале. Кроме того, благодаря своим физическим свойствам, азот позволяет создать в фоточувствительном слое 6 периодическую структуру увеличенного показателя преломления материала, в виде решетки Брэгга, стойкую к радиационному воздействию (т.е. радиационная стойкость создаваемой структуры в фоточувствительном слое 6 обусловлена физическими свойствами азота). Волновод 8 сформирован в фоточувствительном слое 6 (и представляет собой одно целое с ним) направленным облучением последнего интенсивным когерентным УФ излучением. Такое облучение увеличивает показатель преломления материала фоточувствительного слоя 6 в зоне облучающего воздействия. Благодаря этому, возникает разница в показателях преломления волновода 8 и материала фоточувствительного слоя 6, не подвергавшегося облучению, которая является необходимым условием распространения оптического сигнала внутри упругой пластины 1 (оптический сигнал распространяется за счет эффекта полного внутреннего отражения). Таким образом, и волновод 8 и чувствительный элемент 2, в виде решетки Брэгга, сформированы в фоточувствительном слое 6 посредством когерентного УФ излучения, облучающего этот слой с различными режимами облучения (импульсный для формирования решетки Брэгга и непрерывный для формирования волновода). Функция преобразования деформации, под действием силы F (фиг. 1), обеспечена тем, что в зоне воздействия деформирующей силы, упругая пластина 1 содержит чувствительный элемент 2 в виде решетки Брэгга. Концы упругой пластины 1 закреплены в опорном элементе 3.

При деформациях упругой пластины 1 происходит изменение геометрических параметров решетки Брэгга, сформированной в волноводе 8, что обеспечивает изменение спектра излучения, проходящего через волновод 8 (излучатель и приемник излучения на фигурах не показаны).

Нижний изолирующий слой 5, фоточувствительный слой 6 и верхний изолирующий слой 7 могут быть изготовлены, например, гидролизным осаждением материала на кремниевую подложку 4.

Радиационно-стойкий преобразователь деформации работает следующим образом.

Действие внешней силы F вызывает малые деформации упругой пластины 1 в зоне расположения чувствительного элемента 2. Деформации чувствительного элемента 2 сопровождаются изменением геометрических параметров решетки Брэгга и, таким образом, изменением спектральных свойств излучения, прошедшего через волновод 8 от излучателя к приемнику излучения (излучатель и приемник излучения на фигурах не показаны). Обработку оптического сигнала осуществляют в приемнике излучения.

Полезная модель обладает высокой радиационной стойкостью и повышенной надежностью за счет формирования чувствительного элемента 2 в радиационно-стойком фоточувствительном слое 6 и расположения его внутри объема упругой пластины 1, а также благодаря применению кремний-кварцевых материалов при создании упругой пластины 1.

Кроме того, отсутствие адгезионных (клеевых, паяных, стеклообразных) закрепляющих материалов в зоне расположения чувствительного элемента 2, обеспечивает повышение точности измерений в условиях высоких температурных воздействий (эффекты нелинейности преобразования и гистерезиса минимальны).

Использование упругой пластины 1 в виде четырехслойного кремний-кварцевого компонента значительно упрощает интеграцию данного устройства с элементами вычислительной микроэлектроники и радиоэлектронными компонентами, как на стадии изготовления (благодаря широко применяемым в микроэлектронике методам формирования изоляционных слоев, технология изготовления устройства существенно упрощена), так и в при совместном использовании в специальной технике.

Для учета температурных воздействий, в полезной модели допускается использование дополнительного чувствительного элемента, который представляет собой решетку Брэгга, сформированную (аналогичным образом) в фоточувствительном слое 6 и, таким образом, расположенную внутри объема упругой пластины 1. Дополнительный чувствительный элемент формируют в зоне упругой пластины 1, не восприимчивой к измеряемой деформации. Таким образом, изменение спектральных свойств излучения от дополнительного чувствительного элемента будет соответствовать температурным деформациям (при растяжении или сжатии) волновода 8 упругой пластины 1. Каждая из решеток Брэгга, при этом, имеет индивидуальную рабочую длину волны. Учет температурных воздействий осуществляют путем обработки оптического сигнала.

1. Радиационно стойкий преобразователь деформации, содержащий упругую пластину, выполненную в виде четырехслойного компонента, в основании которого находится кремниевая подложка, а последующие слои - нижний изолирующий слой, фоточувствительный слой и верхний изолирующий слой, представляют собой диоксид кремния, в фоточувствительном слое сформирован волновод с чувствительным элементом в виде решетки Брэгга, при этом фоточувствительный слой легирован азотом.

2. Радиационно стойкий преобразователь деформации по п. 1, отличающийся тем, что в зоне упругой пластины, не восприимчивой к измеряемой деформации, в фоточувствительном слое расположен дополнительный чувствительный элемент в виде решетки Брэгга.