淺析高溫壓力傳感器的發(fā)展

于藝+于佳+井彬

摘 要：壓力傳感器的發(fā)展對測控工作起著重要的指引作用。常見壓力傳感器的測量溫度都在200 ℃以下，無法精準(zhǔn)測量高溫下的壓力。因此，國內(nèi)外有很多學(xué)者致力于高溫壓力傳感器的研究。主要探討了高溫壓力傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀、存在的問題及未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：高溫壓力傳感器；半導(dǎo)體材料；多晶硅；光纖技術(shù)

中圖分類號：TP212.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.17.042

在現(xiàn)代化科技生產(chǎn)、科研等領(lǐng)域，傳感器測量技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個監(jiān)測環(huán)節(jié)，對整個運行系統(tǒng)發(fā)揮著不可替代的作用，特別是在惡劣的環(huán)境下，比如發(fā)動機、航天飛行器、高速導(dǎo)彈及衛(wèi)星等耐熱腔體和表面各部分的壓力測量中，對壓力傳感器的要求更高。為此，研究高溫下能夠正常工作的壓力傳感器具有非常重要的意義。

1 高溫壓力傳感器的研究現(xiàn)狀

1.1 SOI高溫壓力傳感器

SOI（Silicon On Insulator）高溫壓力傳感器是由新型半導(dǎo)體材料（SOI）制成而成。作為一種半導(dǎo)體材料，SOI具有半導(dǎo)體的優(yōu)良性能，比如耐高溫、可靠性高等。這些特點也正符合高溫壓力傳感器的設(shè)計要求。

目前，美國Kulite公司已采用BESOI技術(shù)研發(fā)出XTEH-10LAC-190（M）系列超高溫壓力傳感器，最高測量溫度可以達(dá)到480 ℃；法國的LET1研究所目前也正在研發(fā)測量溫度能達(dá)到400 ℃的SOI高溫壓力傳感器；我國西安交通大學(xué)已運用先進(jìn)的SIMOX技術(shù)成功研發(fā)出能在250 ℃下正常工作的微壓力傳感器。這雖然不及外國的研究成果，但在國內(nèi)也算是一個突破。

1.2 SiC高溫壓力傳感器

SiC（Silicon Carbide（Black））高溫壓力傳感器以新型半導(dǎo)體材料（SiC）為膜片的壓阻式力傳感器。1997年，Ziermann、Rene、Von Berg和Jochen最早發(fā)現(xiàn)了SiC材料并將其應(yīng)用于單晶n型β-SiC壓力傳感器的制作中。當(dāng)時，由這種材料制成的高溫壓力傳感器可承受300 ℃的溫度。SiC材料的發(fā)現(xiàn)為之后SiC高溫壓力傳感器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。而NASA（美國國家宇航局）的Galenn研究中心也曾研發(fā)出SiC高溫肖特基二極管和最高測量溫度可達(dá)500 ℃的高溫壓力傳感器。我國西安電子科技大學(xué)曾利用APCVD系統(tǒng)成功研發(fā)出3C-SiC高溫壓力傳感器。該傳感器綜合了單晶硅和多晶硅的優(yōu)點，各項性能指標(biāo)良好。

1.3 SOS高溫壓力傳感器

SOS（Silicon On Sapphire）高溫壓力傳感器最出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代，又被稱為硅-藍(lán)寶石壓力傳感器。與硅相比，SOS可以克服溫度特性和化學(xué)特性，具有良好的機械性能和化學(xué)惰性，且不產(chǎn)生滯后效應(yīng)，是一種非常理想的壓力敏感元件。SOS高溫壓力傳感器采用的制造材料——藍(lán)寶石是一種單晶體氧化物，是氧化物晶體中最硬的，具有很好的耐溫性、化學(xué)惰性、電敏感性、光學(xué)性和絕緣性。但是，由于藍(lán)寶石單晶片的成本是硅片的10倍以上，且藍(lán)寶石材料的硬度高、耐腐蝕性強，加工時有一定的難度，因此，SOS高溫壓力傳感器的生產(chǎn)和推廣具有一定的局限性。

1.4 多晶硅高溫壓力傳感器

多晶硅是半導(dǎo)體集成電路中應(yīng)用廣泛的一種薄膜材料，最早于1966年由Bower R W和Dill H G在美國華盛頓特區(qū)舉行的國電子器件會議上提出。多晶硅材料的薄膜結(jié)構(gòu)在很大程度上影響著其物理性能，而其化學(xué)性能通常取決于所摻雜的物質(zhì)類型和濃度。但是直到20世紀(jì)80年代中后期，人們才提出利用這種具有較大壓阻系數(shù)和良好溫度特性的多晶硅來制作高溫壓力傳感器。

目前，天津大學(xué)的微電子技術(shù)研究室已經(jīng)研發(fā)出工作溫度為-40～200 ℃、最大量程達(dá)10 MPa的多晶硅高溫壓力傳感器；哈爾濱工業(yè)大學(xué)所研制的多晶硅高溫壓力傳感器的最大壓力能達(dá)到6 MPa；而美國Foxboro公司已經(jīng)實現(xiàn)多晶硅高溫壓力傳感器的產(chǎn)品化。

1.5 光纖高溫壓力傳感器

光纖高溫壓力傳感器是利用光的調(diào)劑原理制作而成。這種傳感器本身具有耐高溫的特性，如果在其外層涂上耐高溫保護層，可以提高其承受的最大溫度。光纖技術(shù)自20世紀(jì)70年代出現(xiàn)以來，在通訊領(lǐng)域運用得較多。由于該技術(shù)抗干擾能力強、儲存信息量大，因此被應(yīng)用于傳感器的制備中。但是，光纖技術(shù)也有自身的缺點——光纖所涉及到的系統(tǒng)比較復(fù)雜，需要有光源、光的調(diào)劑、檢出手段及光傳輸中必要的透鏡，再加上光纖自身的多元特性不穩(wěn)定，會對測量精度造成一定的影響，因此，光纖技術(shù)在高溫壓力傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用還不夠成熟。

1.6 陶瓷厚膜高溫壓力傳感器

陶瓷厚膜高溫壓力傳感器是20世紀(jì)70年代被發(fā)掘的一種新的傳感器，發(fā)展速度十分迅猛。此種傳感器除了具有耐高溫、耐腐蝕、集成化程度高的特點外，成本還特別低。陶瓷厚膜高溫壓力傳感器是借助絲網(wǎng)印刷技術(shù)和厚膜傳感技術(shù)研制而成的，它的工作溫度一般可達(dá)150 ℃，但由于印刷均勻性對傳感器的影響較大，因此一般需要用激光修正。除此之外，陶瓷厚膜高溫壓力傳感器也有一定的缺陷——靈敏度較差。目前，只有瑞士Kistler公司擁有此類產(chǎn)品，其研究范圍相對來說較小。

2 高溫壓力傳感器的發(fā)展趨勢

高溫壓力傳感器的發(fā)展水平直接影響到高溫核心裝備的工作效果。現(xiàn)階段，高溫壓力傳感器的研究機制仍存在諸多弊端。為了使傳感器獲得更好的發(fā)展，還需要從以下幾個方面加以完善：①研發(fā)新材料。目前制備高溫壓力傳感器所使用的材料都有一定的缺陷，因此，研發(fā)新材料以解決現(xiàn)存問題刻不容緩。②完善加工工藝。加工工藝對產(chǎn)品的效能有著直接的影響，現(xiàn)在除了集成化加工工藝較成熟外，其他工藝效果都不太理想，因此需要新的制備工藝來完善傳感器的研制。③研究方法多樣化。雖然目前高溫壓力傳感器的種類很多，但是真正實用的卻很少。鑒于目前的研究狀況，相關(guān)人員需要另尋新的研究方法，以全新的思路來彌補當(dāng)前研究中的種種不足。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：劉曉芳〕