耐高温压力传感器研究现状与发展_张晓莉

　2011年第30卷第2期 传感器与微系统(T r a n s d u c e r a n dM i c r o s y s t e mT e c h n o l o g i e s)

综述与评论

耐高温压力传感器研究现状与发展

张晓莉1,陈水金2

(1.江西理工大学机电工程学院,江西赣州341000;

2.华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州510640)

摘　要:现有商业化压力传感器绝大多数工作在常温条件下,工作温度高于200℃者尚不多见,远不能满

足高温下的压力测量要求,因此对高温压力传感器的研究成为必然。论述了国内外几类高温压力传感器

的研究进展、关键技术及应用情况,并探讨了主要存在的问题和未来的发展趋势。

关键词:高温压力传感器;多晶硅;碳化硅;声表面波;光纤

中图分类号:T H7 文献标识码:A 文章编号:1000—9787(2011)02—0001—04

R e s e a r c h s t a t u s a n dp r o g r e s s o f h i g h-t e m p e r a t u r e r e s i s t a n c e

p r e s s u r e s e n s o r s

Z H A N GX i a o-l i1,C H E NS h u i-j i n2

(1.S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n dE l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g,J i a n g x i U n i v e r s i t yo f S c i e n c e＆T e c h n o l o g y,G a n z h o u341000,C h i n a;

2.S c h o o l o f Me c h a n i c a l＆A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g,S o u t hC h i n aU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y,G u a n g z h o u510640,C h i n a)

A b s t r a c t:A t p r e s e n t,m o s t p r e s s u r es e n s o r sw o r ka t n o r m a l t e m p e r a t u r e,a n ds e l d o m p r e s s u r es e n s o r w o r ka t

t e m p e r a t u r e a b o v e200℃.I t i s f a r f r o mm e e t i n g t h e n e e d o f m e a s u r e m e n t r e q u i r e m e n t s o ns p e c i a l b a c k g r o u n d.S o

t h e r e s e a r c ho f h i g h-t e m p e r a t u r er e s i s t a n c ep r e s s u r e s e n s o r i sn e c e s s a r y.S e v e r a l m a i nh i g h-t e m p e r a t u r e p r e s s u r e

s e n s o r i nw o r l d w i d ei sd i s c u s s e df r o m r e s e a r c hp r o g r e s s,k e yt e c h n o l o g ya n d a p p l i c a t i o n s.T h em a i np r o b l e m

e x i s t i n g a n d t h e

f u t u r ed e v e l o p m e n t t r e n da r e a n a l y z e d.

K e yw o r d s:h i g h-t e m p e r a t u r ep r e s s u r es e n s o r;p o l ys i l i c o n;s i l i c o nc a r b o n;s u r f a c ea c o u s t i cw a v e(S A W);

o p t i c a l f i b e r

0　引　言

高温压力传感器以其优良的高温工作能力在压力传感器中一直受到高度重视,是传感器研究的重要领域之一,也是各国政府努力掌握的高科技技术之一。

高温压力传感器是指在高于125℃环境下能正常工作的压力传感器。其在石油、化工、冶金、汽车、航空航天、工业过程控制、兵器工业甚至食品工业中都有着广阔的应用前景,例如:高温油井内的压力测量、各种发动机腔体内的压力测量、宇宙飞船和航天飞行器的姿态控制、高速飞行器或远程超高速导弹的飞行控制、喷气发动机、火箭、导弹、卫星等耐热腔体和表面各部分的压力测量。尤其在武器系统中高温压力传感器是动力系统所不可缺少的。因此,对高温压力传感器的研究与开发具有重要意义。

1　国内外研究现状

1.1　S O I单晶硅高温压力传感器

S O I(s i l i c o no n i n s u l a t o r)是新兴的半导体材料,最早应收稿日期:2010—05—13用于大功率半导体器件,S O I材料的特殊结构使之成为制作新型压力传感器的理想材料,也是国内外研究新型压力传感器的研究重点。国外已有研制成功的S O I单晶硅压力传感器,如,美国K u l i t e公司采用B E S O I技术开发出超高温的压力传感器X T E H—10L A C—190(M)系列,工作温度为-55～480℃;法国L E T I研究所目前也正在开发工作温度达400℃的S O I高温压力传感器。国内的研究也取得一些成绩,如西安交通大学采用先进的S I M O X技术成功研制出S O I耐高温微压力传感器,能在-30～250℃环境下完成1000M P a以下任意量程范围的压力测量,能承受2000℃瞬时高温冲击;天津大学也研制出了温度达300℃的S O I高温压力传感器。

S O I器件由于采用绝缘介质隔离,器件与衬底之间不存在电流通道,消除了体硅电路中常见的门锁效应,提高了电路的可靠性。其材料的特殊结构使它克服了传统体硅材料的不足,具有良好的抗辐射特性即抗软失效能力,并可以

1

传感器与微系统 第30卷抑制或消除体硅器件因特征尺寸减小而产生的各种不良效应,更充分地挖掘了硅集成技术与硅技术的潜力,是研究和开发高速、低功耗、高集成度、高可靠性超大规模集成电路和高性能的基础材料。S O I 单晶硅压力传感器工艺是标准的集成电路平面工艺,这样就可以实现工作于恶劣环境的单片智能测压系统,成为高温压力传感器的主要研究方向之一[1]。

1.2　S i C 高温压力传感器

S i C 是当前最有潜力的宽带隙半导体材料,是第三代直接跃迁型宽禁带的半导体材料。它的宽禁带结构、高击穿电压和较高热导率等特点使其具有优良的抗辐射性能和高温稳定性,且具有良好的机械性能,优异的化学稳定性以及较大的压阻系数,这些优异的特性使其成为制造高温压力传感器的理想材料。用S i C 高温器件制作压力传感器也是国内外一个非常热门研究领域。国外如美国国家宇航局N A S A 的G a l e n n 研究中心已经研制出S i C 高温肖特基二极管和工作温度可达500℃的高温压力传感器[2];德国柏林技术大学采用U N I B O N D S O I 基片经I C P 刻蚀开发了3C —S i C 高温压力传感器,工作温度可达400℃[3]。国内西安电子科技大学利用A P C V D 系统采用选择生长法成功的生长了3C —S i C 单晶薄膜与多晶薄膜,并开发了3C —S i C 高温压力传感器,具有良好的性能指标。

1.3　S 0S 结构高温压力传感器

S 0S (s i l i c o n o ns a p p h i r e )结构高温压力传感器又称硅—

蓝宝石压力传感器,是在20世纪80年代早期提出的一种应变式压力传感器结构。它是以蓝宝石(单晶A l 2O 3)做绝缘衬底,在其上外延一层薄单晶硅。此外延属异质外延,工艺方法有化学气相沉积(c h e m i c a l v a p o rd e p o s i t i o n ,C V D )法,分子束外延法和固相外延法。S 0S 结构的优点是隔离漏电小,抗辐射等,它的局限性是:1)来自衬底的A l 掺杂对外延层电性能有影响,形成硅化铝界面;2)外延层缺陷密度高;3)蓝宝石的热膨胀系数接近硅的2倍;4)宝石衬底又硬又脆且具有高度化学惰性,膜片加工困难,传感器价格昂贵。因此,S O S 压力传感器虽然出现较早,但进展缓慢。目前,中国电子科技集团公司第四十九研究所研制出量程分别为60M P a 和100M P a 的S O S 压力传感器,工作温度范围为-50～350℃。此外,日本B u r n s 公司和上海仪表晶体元件厂也有S O S 压力传感器的报道。

1.4　多晶硅(P o l y —S i )高温压力传感器

多晶硅最早是作为自对准绝缘栅场效应晶体管的栅极材料,由B o w e r RW 和D i l l H G 于1966年在美国华盛顿特区举行的国际电子器件会议上提出的。接下来的发展是极为迅速的,到1984年,1M 位的双层和三层多晶硅M O S 随机存储器己开发出来。在集成电路中应用多年后,20世纪

80年代中期,开始在传感器领域成为人们关注的焦点[5]。近几年,由于多晶硅成为M E M S 中主要结构材料,人们对其特性的研究还在不断深入,例如:用单晶—多晶混合技术(H A R P S S )制造多晶硅振动陀螺,掺杂多晶硅层的热导率,高纵横比多晶硅微机械加工技术,用高温快速退火释放多晶硅薄膜中残余应力等。目前,多晶硅薄膜的生长是采用低压化学汽相淀积(l o wp r e s s u r ec h e m i c a l v a p o r d e p o s i t i o n ,L P C V D )法。

目前,国际上只有两家公司有同类传感器产品,这两家公司是仪表巨头P h i l i p s 和F o x b o r o 。F o x b o r o 公司的多晶硅压力传感器在1999年才有产品报道。国内有天津大学、中国电子科技集团公司第四十九所、哈尔滨工业大学等。天津大学微电子技术研究室研制出工作温度为-40～200℃,量程0～1M P a ,0～2.5M P a ,0～6M P a 和0～10M P a 4个系列的多晶硅高温压力传感器。哈尔滨工业大学研制的多晶硅高温压力传感器,在0～6M P a 压力范围内,室温输出灵敏度为8.39m V /k P a ,输出非线性小于1.38%,迟滞优于0.098%;在室温至400℃范围内,电阻温度系数为8.9×10-4/℃,灵敏度温度系数为-1.2×10-3/℃[6,7]。

1.5　溅射薄膜压力传感器

溅射薄膜压力传感器以硅片为弹性片,敏感材料为N i -C r 合金,利用溅射合金薄膜压力敏感元件和先进的加工工艺技术制作而成。N i -C r 合金电阻与温度有良好的线性关系,传感器的所有薄膜都是在高真空之下以分子形式结合在一起的,避免了高温时p -n 结隔离失效问题,从而可以在高温300℃下工作,但由于金属的电阻率小,压阻系数又很低,溅射薄膜压力传感器的灵敏度很小,同时输入阻抗小,功耗大。且采用合金膜片也增加了封装难度。因此,研究应用也不是很广泛[8]。

1.6　光纤高温压力传感器

光纤传感器(F O S )有一系列独特的优点。它可以在强电磁干扰、高温高压、原子辐射、易爆、化学腐蚀等恶劣条件下使用,高灵敏度及低损耗的优点使其用途广泛[9]。

光纤压力传感器主要是利用光的调制原理,其基本原理是当外界因素作用于光纤后,使光纤内传输的调制光的相位、强度、频率等发生变化。利用基本的干涉原理和光信号检测、变换系统,可以测出相位、强度、频率等的变化与外界作用因素强度之间的关系。由于光纤本身耐高温,在裸光纤上涂敷耐高温的保护层后,可将光纤光栅传感器应用范围扩大到检测高温。目前,国内外也有相关产品的报道,如P u l l i a mWa d e 等开发了基于碳化硅—蓝宝石波导的光纤压力传感器,可在1000℃的环境中工作;大连理工大学于清旭等开发了用于高温蒸汽注入式油井测量的光纤温度和压力传感器系统,在0～20M P a 的压力变化范围内,对温度

2

第2期 张晓莉,等:耐高温压力传感器研究现状与发展

测量的影响小于0.2%,在20～300℃范围内,对压力测量的影响小于1%。电子科技大学饶云江等提出一种基于激光脉冲制作的长周期光纤光栅/法布里—珀罗(L P F G/F—P)温度—应变组合光纤传感器,能承受500℃高温环境下实现应变的精确测量,可望用于诸如发动机、宇航器、复合材料生产过程的健康监测[10]。

虽然光纤传感器性能优越,但它的应用比较复杂,需要有光源、光的调制和检出手段以及光传输中必要的透镜。它的多元性特征又使它易受其他非测量物理量的影响。另外,光纤和包敷材料间存在热膨胀系数的不匹配,会影响测试精度。

1.7　金刚石薄膜高温压力传感器

金刚石薄膜压力传感器是用硼掺杂金刚石薄膜制作的半导体器件,科学家研究发现其具有良好的压阻效应,又由于金刚石薄膜的破坏应力高于硅3个数量级,而且,金刚石的性能系数超过所有其他的半导体,因此,金刚石薄膜最适合制成耐热、耐冲击、耐腐蚀、抗辐射、灵敏度高的压力传感器件[11]。压阻式金刚石压力传感器就是利用金刚石敏感膜片上的力敏电阻条在膜片受力变形时电阻率发生变化的测量机制而制成的。目前,国际上在半导体金刚石薄膜器件的应用基础方面,已付出了巨大的努力,国外美国在研制金刚石膜传感器方面投入了大量的人力和物力,也取得了一定的成绩,从美国航天局的互联网上,查到了金刚石膜压力传感器在航天飞机、导弹上试用的报道,由于军事上的巨大应用前景,所以,美国有关的文献很少。从应用基础研究角度看,德国相关的文献较多。德国U L M大学We r n e r M 等人[12]研制了金刚石膜压力传感器样件,可在300℃环境下工作,并在研究金刚石薄膜压阻效应时,提出:1)硼掺杂金刚石晶粒较大时,可获得较高的K值,2)硼掺杂金刚石掺杂浓度低时,可获得较高的K值。在该领域日本很活跃的东京M a t s u s h a t a电子工业公司中心实验室M a k o t oK i t a-b a t a k e等研制了金刚石膜压力传感器样件,在200℃环境下,硼掺杂金刚石压阻灵敏度因子达到700[13]。国内金刚石膜的研究工作已经历了15年,工具级、电学级、光学级金刚石膜沉积研究以有相当水平,如,北京人工晶体研究所、上海交通大学工具级金刚石膜,吉林大学金刚石膜热沉,北京科技大学光学级金刚石膜研究水平是很高的。我国金刚石薄膜传感器起步较晚,这方面应用研究的报道也较少,近几年来国内开始跟踪这一领域的研究,如,成都电子科技大学、重庆大学、河北工业大学等[14]。

1.8　S A W高温压力传感器

1965年,美国的Wh i t eRM和V o l t m o v FW在压电基片表面上蒸发出叉指换能器,这种换能器能够直接激励并高效地发送和接收声表面波(S A W),完成电能—声能的相互转换。叉指换能器的发明,使得S A W应用技术取得了关键性的突破,大大加速了S A W技术的发展和推广。S A W 传感器是适应市场和技术发展趋势的一种新型传感器[15],

一经出现便以其微型、无源无线、高精度等特性引起广泛关注,成为高水平传感器的一个重要发展方向。近十年来,美、日、德、奥、俄等国投入大量的人力、物力进行开发,使S A W传感技术取得长足进步,部分器件已经实用化,目前国际上已经成功研制出采用石英晶体为基片的可无源无线工作的声表面波压力传感器。但由于α

—

石英在573℃会产生相变,其工作温度在-20～100℃[16]。以硅酸镓镧

(L a

3

G a

5.5

N b

0.5

O

14

L G N)为代表的镓镧系列材料[17]作为近年开发的新型高温材料,因其低声速、零温度切向和良好的高温稳定性备受关注,机电耦合系数比石英高2～3倍,在双旋转切向上存在温度不敏感晶面切向,且从室温到熔点(1470℃)之间没有任何相变,但目前还没有该产品的相关报道。

1.9　陶瓷厚膜高温压力传感器

厚膜(t h i c k-f i l m)传感器是自20世纪70年代发展起来的一类新型固态传感器,由于它具有耐高温、耐腐蚀性、集成化程度高、适于批量生产和造价低等特点,已经用于温

度、压力(力)和许多气体参量(例如:C O,O

2

)的测量中。压力传感器是其中发展较快的一支。陶瓷厚膜压力传感器是利用丝网漏印原理将制成浆料的电子材料印烧到陶瓷等绝缘基片上,形成具有一定功能的微电子技术,再利用厚膜传感技术研制变间隙电容式感压元件,通过厚膜混合集成技术将信号处理电路集成在感压元件上.而研制成的一种压力传感器。该集成传感器具有受分布电容、寄生电容影响小、抗干扰能力强、稳定性好、精度高、抗过载、耐腐蚀、适用范围广等特点。其工作温度一般可达到150℃,但由于丝网印刷工艺精度和浆料均匀性的限制,这类传感器的应变电阻一般需要进行激光修正才能达到较好的一致性。另外,厚膜压力传感器的灵敏度相对较低,且功耗大。目前,虽然瑞士K i s t l e r公司已有相关产品,但其研究应用还有一定的局限性[18]。

2　发展趋势

1)发现和利用新效应:发现新现象与新效应是发展高温压力传感器的重要工作,是研制新型高温压力传感器的重要基础。

2)开发新材料:除单晶硅、多晶硅、石英半导体以外,碳化硅、蓝宝石、金刚石等材料的应用使高温压力传感器呈现多元化。开发新型耐高温材料用于高温压力传感器也将是今后发展的重点。

3)加工工艺多样化:除目前较为成熟的集成电路加工工艺外,氧离子注入隔离、多孔硅氧化全隔离、硅—硅直接

3

传感器与微系统 第30卷

键合技术等新的制备工艺的研制和各制备方法的相互渗透与结合成为制备技术发展的两大趋势。

4)集成化和多功能化:固态功能材料—半导体、电介质、强磁体的进一步开发和集成技术的不断发展,为高温压力传感器集成化和多功能化开辟了广阔的前景。

5)智能化:智能高温压力传感器是测量技术、半导体技术、计算技术、信息处理技术、微电子学和材料科学互相结合的综合密集型技术。与一般传感器相比具有自补偿能力、自校准功能、自诊断功能、数值处理功能、双向通信功能、信息存储、记忆和数字量输出功能。它将利用人工神经网、人工智能和信息处理技术(如传感器信息融合技术、模糊理论等),使传感器具有更高级的智能,具有分析、判断、自适应、自学习的功能,可以完成图像识别、特征检测、多维检测等复杂任务。

6)网络化:网络化是传感器领域发展的一项新兴技术,网络化是利用T C P/I P协议,使现场测控数据就近登临网络,并与网络上有通信能力的节点直接进行通信,实现数据的实时发布和共享。由于高温压力传感器的自动化、智能化水平的提高,多台传感器联网已推广应用,虚拟仪器、三维多媒体等新技术开始实用化,因此,通过I n t e r n e t网,传感器与用户之间可异地交换信息和浏览,厂商能直接与异地用户交流,能及时完成如传感器故障诊断、指导用户维修或交换新仪器改进的数据、软件升级等工作,传感器操作过程更加简化,功能更换和扩张更加方便。网络化的目标是采用标准的网络协议,同时采用模块化结构将传感器和网络技术有机地结合起来。

7)研究方法多样化:从历次M E M S国际会议论文发表看,高温压力传感器研究方法日益多样化。国内外学者尝试采用不同的半导体材料研制不同结构的耐高温压力传感器,除研究最多也相对成熟的压阻、电容、压电等测量方式外,微光机电压力传感器的研究正受到高度重视,将是下一步的研究热点。利用M E M S和微光学技术,压力传感器将由一维测量发展到三维测量,出现基于机器视觉的固体成像压力传感器阵列。南京航空航天大学黄金泉等提出一种基于单针短探针型离子电流机理的高温压力传感器,用于航空航天系统脉冲爆震发动机高温压力的测量。

3　结　论

1)目前商业化的压力传感器不能满足高温油井生产、喷气发动机、航空航天飞行器等特殊背景下的压力测量要求,对高温压力传感器的研究成为必然。

2)从研究进展、关键技术及应用情况等几方面对国内外具有主导影响的几类高温压力传感器进行论述比较,探讨了主要存在的问题。

3)随着科学技术的不断发展,高温压力传感器将朝着敏感材料多元化、加工工艺多样化、多功能集成化、智能化、研究方法多样化的方向发展。

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作者简介:

张晓莉(1978-),女,山西永济人,博士研究生,讲师,研究方向为测控技术、工业机器人。

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