MEMS壓力傳感器現(xiàn)狀及其在彈藥上的應(yīng)用

姜 波，齊杏林，趙志寧，呂 靜

(軍械工程學(xué)院，河北 石家莊050003)

0 引言

MEMS技術(shù)是伴隨著硅材料及其加工技術(shù)、IC技術(shù)的成熟而發(fā)展起來(lái)的，它的運(yùn)用帶來(lái)了傳感器性能的大幅度提升，其特點(diǎn)主要包括:1)質(zhì)量和尺寸的減少;2)標(biāo)準(zhǔn)的電路避免了復(fù)雜的線(xiàn)路和外圍結(jié)構(gòu);3)可以形成傳感器陣列，獲取陣列信號(hào);4)易于處理和長(zhǎng)的壽命;5)低的生產(chǎn)成本，這包括低的能源消耗，較少的用材;6)可以避免或者少用貴重的和對(duì)環(huán)境有損害的材料［1］。大量采用MEMS器件以改進(jìn)武器性能，已成為世界各國(guó)發(fā)展新型高科技武器裝備的方向。隨著近年彈藥智能化的改進(jìn)，其對(duì)以MEMS傳感器為主的電子產(chǎn)品需求劇增。壓力傳感器是影響最為深遠(yuǎn)且應(yīng)用最為廣泛的MEMS傳感器。MEMS壓力傳感器在彈藥中的應(yīng)用為彈藥節(jié)省出空間，可使傳感器陣列和更多小型微型電子器件應(yīng)用于彈藥，使其向智能化發(fā)展，也可使同等威力彈藥向小型化發(fā)展。梳理出MEMS壓力傳感器現(xiàn)狀及其在彈藥中的應(yīng)用方式對(duì)研究彈藥智能化、小型化改進(jìn)具有重要意義。

1 MEMS壓力傳感器分類(lèi)

20世紀(jì)60年代初興起的壓力微傳感器是第一種用微加工技術(shù)制造的硅傳感器，也是目前最成熟的MEMS器件之一。壓力微傳感器從信號(hào)檢測(cè)方式可劃分為壓阻式、電容式和諧振式等，其特點(diǎn)如下:

1)壓阻式:通過(guò)測(cè)量材料應(yīng)力來(lái)測(cè)量壓力大小，它具有體積小、全動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍的高線(xiàn)性度、較高的靈敏度、相對(duì)較小的滯后和蠕變的特點(diǎn)，此類(lèi)型傳感器多采用惠斯通電橋來(lái)消除溫度影響。

2)電容式:通過(guò)測(cè)量電容變化來(lái)測(cè)量壓力大小，相比較壓阻式的傳感器，它具有很高的靈敏度、低溫度敏感系數(shù)、沒(méi)有滯后、更高的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，但同時(shí)它也有更高的非線(xiàn)性度、更大的體積，需要更復(fù)雜的檢測(cè)電路和更高的生產(chǎn)成本。

3)諧振式:通過(guò)測(cè)量頻率或頻率的微分變化來(lái)測(cè)量壓力大小，它可以通過(guò)諸如熱、電磁和靜電效應(yīng)來(lái)改變膜片頻率，并且可以通過(guò)真空封裝來(lái)提高傳感器精度。

此外，還有光纖壓力傳感器、多維力傳感器等，但它們大多造價(jià)高昂或有技術(shù)局限，應(yīng)用范圍不如以上3種廣泛。

2 MEMS壓力傳感器現(xiàn)狀

硅壓力傳感器主要是硅擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器，其工藝成熟，尺寸較小，且性能優(yōu)異，性?xún)r(jià)比較高。2010年12月，意法半導(dǎo)體公司采用創(chuàng)新的MEMS制造技術(shù)開(kāi)發(fā)出壓阻式MEMS壓力傳感器LPSOOl WP 0，LPS001WP通過(guò)覆蓋在氣腔上的柔性硅薄膜檢測(cè)壓力變化，該薄膜包括電阻值隨著外部壓力改變的微型力敏電阻器，壓力檢測(cè)量程為3×104～1.1×105Pa，可檢測(cè)到最小6.5Pa的氣壓變化。2009年3月舉行的慕尼黑上海電子展上，愛(ài)普科斯公司推出了業(yè)界封裝較小的用于測(cè)量大氣壓力的壓阻式MEMS傳感器T5000/ABS1200E，尺寸僅為1.7 mm×1.7 mm×0.9 mm，可用于便攜式電子產(chǎn)品測(cè)量氣壓和海拔高度［2］。

硅壓阻式壓力傳感器受p-n結(jié)耐溫限制，超過(guò)120℃時(shí)，傳感器的性能會(huì)嚴(yán)重退化甚至失效;在600℃時(shí)會(huì)發(fā)生塑性變形和電流泄漏，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足航空航天和石油化工等領(lǐng)域高溫環(huán)境下的壓力測(cè)量。為滿(mǎn)足對(duì)極端環(huán)境下壓力測(cè)量的迫切要求，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了惡劣環(huán)境用壓力傳感器的研究。各研究機(jī)構(gòu)的研究材料各不相同，其中SiC材料、SoI材料、金剛石和光纖等新型壓力傳感器已成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。

美國(guó)Ku1ite傳感器公司采用6H-SiC材料制作了壓阻式壓力傳感器，可工作于600℃的高溫，輸入電壓為5 V［3］。該公司還采用BESOI技術(shù)開(kāi)發(fā)出超高溫壓力傳感器XTEH-10LAC-190(M)系列，工作溫度為 -55～482℃［4］。Werner M R等人［5］研制的金剛石膜壓力傳感器樣件，可在300℃環(huán)境下工作。

Hezarjaribi Y等人［6］于2009年采用SiC材料制作出了一種接觸式MEMS電容式壓力傳感器，其膜片的直徑為150～360μm，板間的間隙深度為 0.5～6μm，當(dāng)壓力為0.05～10 MPa時(shí)該傳感器具有良好的線(xiàn)性度。由于SiC具有優(yōu)良的電穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，故該傳感器可用于汽車(chē)工業(yè)、航天、石油鉆探及核電站等惡劣環(huán)境。利用光纖傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫度、壓力多參數(shù)組合測(cè)量是MEMS傳感器發(fā)展的重要方向之一。

Opsens有限公司于2009年推出了生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)器件業(yè)內(nèi)較小的MEMS光纖壓力傳感器OPPM25，導(dǎo)管外直徑僅為0.25 mm，可對(duì)心臟血管的壓力進(jìn)行精確而可靠的測(cè)量，并可用于其他微小型化應(yīng)用領(lǐng)域［7］。

廈門(mén)大學(xué)的馮勇建［8］設(shè)計(jì)了一種用SoI硅片和硅—硅鍵合MEMS技術(shù)制作的高溫接觸式電容壓力傳感器，并給出了詳細(xì)的工藝制作流程。在對(duì)測(cè)試裝置、測(cè)試電路進(jìn)行了詳細(xì)地介紹和深入分析后，用此測(cè)試電路對(duì)制作的傳感器器件進(jìn)行了高溫測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明:傳感器在小于250 kPa的室溫條件下工作，傳感器的靈敏度為0.54 mV/kPa;而在400℃條件下工作，傳感器的靈敏度為0.41 mV/kPa，傳感器的零點(diǎn)漂移為0.1 mV/℃?？梢?jiàn)這種微傳感器可在低于450℃的條件下正常工作，且具有很大的線(xiàn)性工作范圍、良好的穩(wěn)定性和較高的靈敏度。

中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所的龐程等人［9］利用ANSYS軟件模擬接觸式電容壓力傳感器的工作狀態(tài)，得到硅膜的形變和應(yīng)力分布狀況。采用簡(jiǎn)單標(biāo)準(zhǔn)的工藝:利用KOH各向異性腐蝕進(jìn)行硅片大面積、大深度腐蝕減薄，分析了其濃度配比對(duì)硅面平整度特性的影響，采用陽(yáng)極鍵合形成真空腔，試驗(yàn)反應(yīng)離子深瓤蝕形成硅膜的效果。芯片測(cè)試結(jié)果表明方案可行。

廈門(mén)大學(xué)的呂浩杰等人［10］設(shè)計(jì)了一種高性能雙凹槽結(jié)構(gòu)的接觸式電容壓力傳感器，并對(duì)該傳感器在高溫環(huán)境中的總體性能進(jìn)行了分析。推導(dǎo)了熱傳導(dǎo)和熱彈性理論，并對(duì)影響傳感器熱分析的各個(gè)因素與溫度的依賴(lài)關(guān)系進(jìn)行了描述;在整個(gè)分析過(guò)程中，使用ANSYS軟件并結(jié)合有限元方法，對(duì)全尺寸傳感器的熱效應(yīng)進(jìn)行模擬。結(jié)果表明:在接觸工作狀態(tài)雙凹槽接觸式電容壓力傳感器的溫度對(duì)輸入(壓力)—輸出(電容)特性的影響是線(xiàn)性的，且線(xiàn)性范圍內(nèi)初始?jí)毫﹄S溫度的升高而降低;當(dāng)溫度載荷為550 K時(shí)，雙凹槽結(jié)構(gòu)的靈敏度為1.21×10-6pF/Pa，比傳統(tǒng)單凹槽的0.8×10-6pF/Pa高出50%，表明該壓力傳感器有著非常優(yōu)異的高溫特性。

中北大學(xué)的李永紅等人［11］研究了機(jī)載壓阻式壓力傳感器，介紹了這種壓阻式壓力傳感器的設(shè)計(jì)原理和加工技術(shù)，設(shè)計(jì)出了敏感電路和硅膜結(jié)構(gòu)，根據(jù)所設(shè)計(jì)壓力傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和國(guó)內(nèi)現(xiàn)有加工設(shè)備，采用了體硅加工技術(shù)和表面加工技術(shù)相結(jié)合的加工方法進(jìn)行加工研究并給出了加工模型。

天津大學(xué)的郭源生［12］運(yùn)用MEMS工藝技術(shù)制作的敏感元件和介質(zhì)隔離特殊封裝工藝，研制出壓力傳感器。在腔體內(nèi)置填充架、充油位置、波紋膜結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新，使產(chǎn)品的過(guò)濾脈沖壓力、抗過(guò)載和溫度系數(shù)具有一定的提高，并就創(chuàng)新點(diǎn)對(duì)參數(shù)影響等特征進(jìn)行相關(guān)論述。

中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所的于留波等人［13］中從金屬應(yīng)變式壓力傳感器的基本理論出發(fā)，以硅彈性膜鉑應(yīng)變電阻壓力傳感器為原型，推導(dǎo)了圓形和方形彈性膜片上電阻的變化率公式。通過(guò)比較，選用方形彈性膜為壓力承壓膜，以?xún)?yōu)化承壓膜的寬厚比為出發(fā)點(diǎn)，用有限元方法對(duì)不同厚度方形膜片(寬度為2 mm)進(jìn)行應(yīng)力分析。由硅材料的屈服應(yīng)力與最大位移的限制，確定了最優(yōu)的膜厚范圍;根據(jù)有限元仿真的結(jié)果，對(duì)壓力傳感器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)所做壓力傳感囂芯片進(jìn)行測(cè)試，在6.00×104～1.06×105Pa的范圍內(nèi)，其精度優(yōu)于50 Pa。

3 MEMS壓力傳感器在彈藥中的應(yīng)用

3.1 在引信安全系統(tǒng)中的應(yīng)用

2001年的美軍引信年會(huì)，美海軍水面武器中心的印第安分部已經(jīng)利用微機(jī)電技術(shù)開(kāi)發(fā)出用于魚(yú)雷引信的微小型起爆裝置［14］，該起爆裝置含有慣性測(cè)量單元、氣流和沖擊傳感器、沖擊雷管和發(fā)火裝置，體積僅為 115 cm3，是533 mmMK48魚(yú)雷使用的MK21起爆裝置的1/17，造價(jià)是其1/4。2002年引信年會(huì)，該機(jī)構(gòu)展示了這種基于LIGA技術(shù)的MEMS安保系統(tǒng)，如圖1所示［15］。圖2為MEMS差壓傳感器。

圖1 基于LIGA技術(shù)的MEMS安保系統(tǒng)Fig 1 MEMS safety and arming system based on LIGA technology

圖2 MEMS差壓傳感器Fig 2 MEMSdifferential pressure sensor

2003年，Deeds M發(fā)表文章，文中系統(tǒng)分析了這種基于流量壓力傳感器的引信安保系統(tǒng)［16］。圖3為該傳感器組件圖。2004年，引信年會(huì)文獻(xiàn)展示了這種安全保險(xiǎn)系統(tǒng)升級(jí)版本。它采用了深反應(yīng)離子刻蝕工藝［17］。與前一版本相比價(jià)格更便宜，體積更小，作用更可靠，精度更高。

圖3 傳感器組件圖Fig 3 Assembly diagram of sensor

3.2 在確定彈底壓力中的應(yīng)用

美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室基于MEMS技術(shù)制造出了炮彈用高壓力傳感器用于確定彈底壓力。這種高壓力傳感器使用0.5μm厚的鋯鈦酸鉛(PZT)薄膜來(lái)產(chǎn)生與壓力呈正比的電荷。在炮彈內(nèi)加裝傳感器所面臨的主要問(wèn)題是空間問(wèn)題。除了炮彈尾部追蹤器腔內(nèi)的空間外，沒(méi)有多余的空間來(lái)安裝傳感器。而如果對(duì)炮彈進(jìn)行改動(dòng)會(huì)對(duì)彈道產(chǎn)生不利影響。傳統(tǒng)的壓力傳感器依靠的是膜片變形的電容傳感器。然而，在炮彈發(fā)射時(shí)，極大的變形或位移會(huì)使傳感器的恢復(fù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)(達(dá)到幾秒)而無(wú)法使用。有一種電氣石晶體傳感器的電容會(huì)隨著壓力發(fā)生線(xiàn)性變化。利用壓電薄膜替換電氣石晶體可以使這種傳感器實(shí)現(xiàn)小型化并提高性能，使其有可能用于測(cè)定炮彈發(fā)射時(shí)的壓力［18］。

這種傳感器在承受壓力時(shí)壓電薄膜會(huì)發(fā)生變形，通過(guò)直接的壓電作用產(chǎn)生表面電荷。利用微制造技術(shù)還可以使這種傳感器實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室目前正在為美國(guó)國(guó)防部提供智能傳感器和射頻裝置，以滿(mǎn)足未來(lái)戰(zhàn)斗系統(tǒng)(FCS)的需要。為了制造出新型的高性能裝置，美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室對(duì)MEMS加工和制造技術(shù)研究提供大力支持。其MEMS實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)門(mén)配備了先進(jìn)的加工和制造設(shè)備，可以沉積半導(dǎo)體和陶瓷氧化物(特別是PZT)薄膜、構(gòu)建圖案結(jié)構(gòu)、對(duì)材料進(jìn)行干蝕刻和表征。MEMS實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出了一種獨(dú)特的工藝，可以制造出亞微米尺寸的Si，PZT和Pt薄膜。利用這種工藝，美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室制造出了PZT薄膜壓力傳感器，并獲得了這種傳感器承受很高壓力時(shí)的性能。

3.3 在彈道修正引信中的應(yīng)用

在北京理工大學(xué)一維彈道修正引信的研究中，他們根據(jù)“通過(guò)確定彈道上最小速度點(diǎn)的速度值及其出現(xiàn)時(shí)間即可完全而唯一的確定該條彈道”的結(jié)論，以單片機(jī)為彈道敏感測(cè)試系統(tǒng)的核心，采用MEMS壓力傳感器測(cè)量飛行彈丸軸向的迎面動(dòng)壓力，進(jìn)而換算成彈丸的軸向速度，用單片機(jī)的內(nèi)部定時(shí)器精確定時(shí)，從而解算出實(shí)際彈道參數(shù)，為一維彈道修正引信的控制系統(tǒng)提供控制信號(hào)。通過(guò)幾種馬赫數(shù)下的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了測(cè)試系統(tǒng)的原理與實(shí)現(xiàn)的可行性［19］。

這種彈道特征敏感測(cè)試系統(tǒng)采用彈載單片機(jī)作為測(cè)量核心，最小速度的測(cè)量采用MEMS壓力傳感器，以敏感炮彈軸向的迎面壓力，進(jìn)而換算成炮彈軸向速度，彈載單片機(jī)隨時(shí)檢測(cè)速度，并判斷其最小值。最小值的出現(xiàn)時(shí)間可由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器精確定時(shí)，在傳感器輸出信號(hào)達(dá)到最小值時(shí)測(cè)得。由最小速度與其出現(xiàn)時(shí)間可解算出實(shí)際彈道參數(shù)，為一維彈道修正引信的控制系統(tǒng)提供控制信號(hào)。測(cè)試系統(tǒng)主要有測(cè)速用空氣動(dòng)壓力傳感器、儀表放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、彈載單片機(jī)及其接口等部分組成。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著微機(jī)械加工技術(shù)、集成電路技術(shù)、加工工藝和材料制備與特性研究工作的進(jìn)展，必將使得MEMS壓力傳感器的批量生產(chǎn)、在彈藥中的大量應(yīng)用成為可能，并且其在彈藥中的應(yīng)用呈小型化、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、廣泛化、標(biāo)準(zhǔn)化趨勢(shì)，也使得MEMS壓力傳感器在整個(gè)國(guó)防工業(yè)中有著更廣泛的應(yīng)用前景。

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