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.
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.