新型高溫壓力傳感器的設計與性能測試

蘇 燕，梁 武

(北海職業(yè)學院電子信息工程系，廣西北海 536000)

0 引言

壓力參數(shù)在高溫惡劣環(huán)境下的原位測試中有著非常廣泛的應用[1-5]，惡劣的環(huán)境很難保障常規(guī)的壓力傳感器長時間工作，高溫壓力傳感器的出現(xiàn)對發(fā)動機在惡劣環(huán)境下的壓力參數(shù)的原位監(jiān)測、提高發(fā)動機燃料的燃燒性能及對飛行器的飛行狀態(tài)進行實時的健康監(jiān)測有著重要的意義[6-10]。

隨著現(xiàn)代社會的不斷發(fā)展和進步，新一代飛行器的發(fā)動機對高溫升、高熱容提出了更高的要求，其燃燒室的燃燒溫度甚至超過了1 700 ℃。飛行器飛行過程造成的喘振、通氣道發(fā)生變形及其他部件的相互摩擦等都會成為發(fā)動機燃燒的不穩(wěn)定因素，從而導致發(fā)動機燃燒室的室壁出現(xiàn)共振，縮短使用壽命，甚至造成事故[11-12]。因此，實時監(jiān)測發(fā)動機燃燒室的壓力參數(shù)對延長發(fā)動機的使用壽命、提高發(fā)動機性能、增強發(fā)動機運行過程中的安全系數(shù)有著非常重要的意義。

針對常規(guī)壓力傳感器無法應用于實際工作的超高溫環(huán)境中，目前的壓力檢測方法主要有兩種，第一種是使用水冷或氣冷壓力傳感器，這種傳感器的工作溫度可達1 300 ℃，但是這兩種傳感器的測量系統(tǒng)比較復雜且精度不高；第二種是將長引壓管應用于壓力傳感器的測量過程中，用其傳遞壓力的功能將壓力從高溫區(qū)引到常溫區(qū)進行測試，但這樣難以做到準確性和實時性。綜上所述，研究一款可在超高溫環(huán)境下進行壓力參數(shù)原位測試的壓力傳感器顯得極為緊迫。

針對上述對高溫惡劣環(huán)境下發(fā)動機燃燒室的壓力測試需求，本文利用單晶藍寶石的耐高溫特性、優(yōu)異的電絕緣特性及光學特性，結合其壓力敏感原理及信號拾取方法，設計了LC諧振式的無線無源藍寶石高溫壓力傳感器，然后結合刻蝕、減薄、直接鍵合3種工藝實現(xiàn)對藍寶石壓力腔的制造加工。最后搭建一個高溫-壓力復合測試系統(tǒng)，完成對壓力傳感器性能的測試，測試結果表明設計制備的藍寶石高溫壓力傳感器具有非常優(yōu)異的性能。

1 無線無源藍寶石高溫壓力傳感器的原理及設計

1.1 壓力敏感原理

本文傳感器敏感膜片是基于圓形膜片的小撓度理論模型設計的，其壓力敏感模型如圖1所示。圖1(a)為膜片變形示意圖，當膜片受到外界壓力作用時，依據(jù)小撓度變形理論，撓度?(r)在極坐標系下的平衡微分方程可用式(1)表示：

(1)

式中：?為半徑為r任意位置的撓度；p為施加的均勻載荷；r為半徑；φ為轉角；E和ν分別為材料的楊氏模量和泊松比；H為敏感膜片厚度。

藍寶石高溫壓力傳感器主要包含電感線圈、有壓力腔的藍寶石基底及由金屬極板構成的可變電容，如圖1(b)所示。LC諧振壓力敏感單元的諧振頻率可用式(2)表示：

(2)

式中：Ls為傳感器的電感；Cs為傳感器的電容。

當外界壓力使膜片發(fā)生形變時，致使電容的極板距離產生變化，從而導致電容的大小發(fā)生改變，最終引起傳感器的諧振頻率的改變。

1.2 無線無源LC傳感器信號拾取原理

本文設計的傳感器的電路模型及實際測試模型如圖2(a)和2(b)所示。LC諧振電路是通過將電感線圈和電容極板用漿料絲網印刷的方式形成的，壓力參數(shù)的測量主要通過諧振頻率獲取。根據(jù)基爾霍夫電壓定律，LC串聯(lián)諧振電路中輸入阻抗Zin可表示為[13]：

圖2 無線無源壓力傳感器的信號提取原理

(3)

式中：M為電感之間的互感；fs為網絡分析儀的掃頻頻率；Ra、La分別為掃頻天線回路中的電阻和電感；Rs、Ls、Cs分別為敏感單元回路中的等效電阻、電感和電容。

1.3 無線無源藍寶石高溫壓力傳感器敏感膜片仿真分析

由壓力敏感膜片及圓形膜片的撓度變化理論公式可知對結構影響較大的參數(shù)為膜片厚度和半徑，現(xiàn)對其進行仿真確定最優(yōu)尺寸。敏感膜片撓度變化仿真結果如圖3所示，藍寶石的楊氏模量和泊松比分別為：E=380 GPa，v=0.27，將兩者代入式(3)中，當壓強為10 MPa時，分析不同的圓膜片半徑和厚度對撓度變化的影響。從圖3(a)中可以看出，傳感器的撓度的變化及靈敏度與半徑成正比。從圖3(b)中可以看出，當半徑固定為2 mm時，撓度變化與敏感膜片厚度成反比。

實驗室中的高溫壓力罐中的最大氣壓為1 MPa，實際測量過程中，為了確保實驗的安全和可靠，通常加壓210 kPa時進行壓力測試。壓力為210 kPa時不同敏感膜半徑下膜厚對撓度的變化影響如圖4所示，從圖中可看出，撓度發(fā)生較大變化的區(qū)域發(fā)生于膜片厚度在80～150 μm之間，通過綜合考慮膜厚與尺寸的因素及減薄拋光工藝的成熟度，本文最后確定的膜片厚度及半徑分別為150 μm和3 mm，每個傳感器敏感單元的大小為10 mm×10 mm，以實現(xiàn)傳感器的小型化。

圖4 不同敏感膜半徑下膜厚對撓度的變化影響

1.4 無線無源藍寶石高溫壓力傳感器結構參數(shù)設計

如圖5所示為無線無源藍寶石壓力傳感器的結構設計圖，可以看出，傳感器由2層基底通過鍵合的方式形成空腔，上層為膜片，下層為具有圓形刻蝕槽的藍寶石片。電容極板通過在上下極板上涂覆鉑漿料形成，然后通過電感線圈和側壁連接形成串聯(lián)回路。

圖5 無線無源藍寶石壓力傳感器的結構設計

通過前面的理論計算和仿真可得傳感器的靈敏度與其半徑成正比，與膜片的厚度成反比。因此，為了突出傳感器的靈敏度，在外尺寸確定的前提下，本文選擇刻蝕半徑為3 mm的壓力腔和厚度為150 μm的膜片。除此之外，平面螺旋電感的內外徑、線寬、線間距都會對傳感器的性能造成一定的影響。例如，線間距太窄會增加傳感器磁場的損耗，導致信號傳輸及耦合能力變弱，線間距太寬會減小線圈之間寄生電容，導致傳感器靈敏度降低。傳感器與天線之間的耦合距離雖然能通過增加電感線圈外徑增強，但這樣會和傳感器的小型化相矛盾。因此，為了制造既小型緊湊又具有高靈敏度的藍寶石高溫壓力傳感器，文中對傳感器的結構參數(shù)設計進行了綜合考慮，各參數(shù)分別表示如下：電感線圈內徑(din)為7.5 mm，電感線圈線寬(lw)為0.5 mm，電感線圈線間距(ls)為0.5 mm，電感線圈厚度(ts)為20 μm，電感線圈圈數(shù)(n)為1.25，電容極板直徑(d1)為6.2 mm，密封腔直徑(c)為6 mm，密封腔高度(tg)為18 μm，敏感膜厚度(tm)為150 μm，下基底厚度(td)為410 μm，基底邊長(a)為10 mm。

2 無線無源藍寶石高溫壓力傳感器的工藝設計與制備

為了確保傳感器制備時藍寶石晶片能很好地鍵合，本文利用雙面EPI拋光藍寶石直接鍵合技術實現(xiàn)無線無源藍寶石高溫壓力傳感器的制備，主要包括藍寶石刻蝕、藍寶石減薄及藍寶石直接鍵合3個關鍵工藝。

2.1 藍寶石刻蝕工藝

本文將硅晶片作為藍寶石刻蝕工藝的掩膜版，具體工藝步驟為：首先在4英寸硅片上利用紫外激光器打出CAD畫出的刻蝕圖形，然后在硅片上制備直徑為4～7 mm的通孔，最后將制備的掩膜版與4英寸藍寶石晶片通過邊緣涂高溫蠟的方式放入ICP中進行刻蝕，刻蝕的時間為145 min，刻蝕的深度可達16～19 μm左右。

2.2 藍寶石減薄工藝

本文將結合CMP(化學機械研磨拋光)、化學腐蝕及機械磨削的方法對藍寶石晶片進行減薄及平坦化。實驗中采用LP50研磨拋光機，具體工藝為粘片、研磨、拋光3個步驟。拋光后的藍寶石晶片如圖6(a)所示，可以看出晶片表面非常干凈光滑，為了更清楚地觀察表面粗糙度，我們采用原子力顯微鏡(AFM)對其表面進行了觀察，如圖6(b)所示，從圖中可看出藍寶石晶片表面粗糙度的均方根在1 nm左右。

圖6 藍寶石拋光后表面粗糙度測試

2.3 藍寶石直接鍵合工藝

為了確保密封腔有足夠的高度容納鍵合后的變形敏感膜片，我們選擇的藍寶石刻蝕片的尺寸單元為10 mm×10 mm，直徑為6 mm，深度為18 μm，通過表面清洗、等離子體處理、預鍵合及高溫鍵合4個步驟完成藍寶石的刻蝕片與敏感膜片的直接鍵合，鍵合溫度為1 000 ℃，壓力為4 MPa，時間為2 h。

鍵合完成后為了檢測密封腔是否完好，對樣品的表面進行了SEM截面測試，測試結果如圖7所示。從圖中可以看出密封腔的刻蝕邊緣與鍵合界面有較好的垂直度，且密封腔的上下表面平行且完整，完全滿足壓力傳感器的制造條件。

圖7 密封腔鍵合后的截面SEM圖

鍵合完成后，本文采用分辨率為320目的絲網印刷模板和鉑漿料對藍寶石基底進行電感與電容電極的印刷和燒結。首先利用刮刀對放置于絲網上的藍寶石樣品進行鉑漿料地印刷。然后放置于200 ℃的烘烤爐烘烤15 min，烘烤結束后連接電容和電感側壁的導線。最后，在馬弗爐中對藍寶石樣品進行高溫燒結，以排出鉑漿料中的粘接劑及雜質，使得由鉑漿形成的鉑導體粘附于基板上。圖8(a)和圖8(b)為鉑漿料的燒結溫度變化曲線與形成的鉑導體。最終通過各種工藝加工制造的無線無源藍寶石高溫壓力傳感器實物如圖9所示。

(a)高溫燒結變化曲線 (b)形成的鉑導體

圖9 無線無源藍寶石高溫壓力傳感器

3 無線無源藍寶石高溫壓力傳感器的性能測試與分析

3.1 無線無源藍寶石高溫壓力傳感器測試系統(tǒng)的搭建

制備的高溫壓力傳感器需通過高溫-壓力復合測試系統(tǒng)對其進行高溫下的性能測試，測試系統(tǒng)的原理如圖10(a)所示，搭建的測試平臺如圖10(b)所示。

(a)測試系統(tǒng)及原理

測試系統(tǒng)主要包括高溫-壓力復合測試平臺、Agilent E5061B網絡分析儀及由銅絲繞制的正方形天線。其中高溫-壓力復合測試平臺包含主控屏、溫控系統(tǒng)、壓控系統(tǒng)、降溫系統(tǒng)及真空系統(tǒng)。使用時需經過抽真空、沖氬氣加壓，然后再用溫控系統(tǒng)加熱。圖11為制備的無線無源藍寶石壓力傳感器實物圖，5 cm正方形天線垂直放置于傳感器上方5 mm處以完成無線電磁耦合測試，天線的末端通過電纜與網絡分析儀連接。性能測試時的掃描功率和頻率范圍分別為0 dBm和370～420 MHz。

圖11 制備的傳感器實物放置圖

3.2 無線無源藍寶石高溫壓力傳感器高溫性能測試

本文分別在溫度為50～800 ℃、壓力為60～210 kPa情況下對藍寶石壓力傳感器進行了響應測試，測試結果如圖12所示。測試時的溫度以20 ℃/min上升，分別測試了溫度為50 ℃，100 ℃，200 ℃，300 ℃，400 ℃，500 ℃，600 ℃，700 ℃和800 ℃時傳感器的響應，壓力以120 kPa的步進進行氬氣加壓。

(a)50 ℃時的壓力響應曲線

圖12(a)顯示溫度為50 ℃時，傳感器的回波損耗隨壓力變化(變化范圍為60～210 kPa)的響應曲線。從圖中可以看出，壓力傳感器的諧振頻率對應于每個壓力的最低信號電平。敏感膜片隨壓力的增大變形越明顯，從而導致電容值增大，這樣將影響諧振頻率向減小方向漂移。當溫度為50 ℃時，傳感器的諧振頻率從205 MHz降至199 MHz，對應的靈敏度為10.07 kHz/kPa。另外，如圖12(b)所示，不同壓力下，溫度為800 ℃?zhèn)鞲衅鞯捻憫€與50 ℃類似，其諧振頻率從189 MHz降低到183 MHz，對應的靈敏度為10.377 kHz/kPa。相比之下，靈敏度雖然稍有增大，但變化值很小。

圖12(c)和圖12(d)分別為壓力為60 kPa和210 kPa時，傳感器的回波損耗在不同溫度下變化曲線?？梢钥吹絺鞲衅鞯闹C振頻率隨著溫度的變化具有顯著的變化，當溫度升高時，傳感器的諧振頻率從右向左漂移而降低，這是由空腔由于熱膨脹導致的間距變形引起的。傳感器的信號強度隨溫度的升高而衰減，這是由高溫導致線圈電阻值增加引起的。

本文對壓力為60 kPa時，傳感器的諧振頻率在不同溫度下的曲線進行了擬合，如圖12(e)所示?；撞牧系慕殡姵?shù)和物理性能隨溫度的升高而改變，引起了傳感器的溫漂，溫度系數(shù)為0.029 6 MHz/℃。根據(jù)藍寶石材料介電常數(shù)隨溫度的變化趨勢，對傳感器理論模型的共振頻率和溫度的關系進行了計算，并與圖12(e)中的實驗結果進行了對比。從對比結果可以看出，介電常數(shù)的改變引起的諧振頻率的變化與實驗結果變化趨勢一樣。傳感器諧振頻率與壓力在不同溫度下的關系如圖12(f)所示，從圖中我們可以看出，不同溫度下，諧振頻率隨壓力的變化呈線性變化，線性度分別為99.7%、98.6%、99.8%、99.8%、99.5%、99.9%、99.9%。當溫度為100 ℃時，傳感器的線性度明顯比其他溫度時的線性度低，造成的原因是溫度升高時，用于固定傳感器與天線的膠帶還未穩(wěn)定，從而影響傳感器與天線的相對位置，最終出現(xiàn)耦合效果發(fā)生改變，導致測試結果發(fā)生線性度偏差。當溫度繼續(xù)升高后，傳感器與天線的位置趨于穩(wěn)定，因此線性度誤差也趨于穩(wěn)定。除此此外，還可從圖中得到，當溫度在50～800 ℃變化時，傳感器的靈敏度基本保持不變，始終保持10 kHz/kPa。這表明制作的藍寶石壓力傳感器可以在高溫下對壓力進行準確的測量而不發(fā)生較大的變化。

傳感器分別在溫度50 ℃和600 ℃下的加載和卸載壓力下的共振頻率響應如圖12(g)所示，正反行程下傳感器曲線能很好地吻合，表明制造的藍寶石壓力傳感器具有良好的可恢復性。但600 ℃的傳感器相對常溫時有較小的遲滯。傳感器在不同溫度下的靈敏度如圖12(h)所示，從圖中可知，傳感器的靈敏度漂移很小，基本保持不變。最后，將傳感器在600 ℃固定壓力值下保持30 min，其諧振頻率幾乎保持不變，說明傳感器能夠在高溫下保持良好的穩(wěn)定性。

4 結論

本文在超高溫環(huán)境下壓力參數(shù)的原位測試的需求下，利用藍寶石材料具有的耐高溫性及優(yōu)異的電絕緣光學性，通過藍寶石刻蝕、藍寶石減薄及藍寶石直接鍵合3個關鍵工藝制備出了適用于超高溫環(huán)境下的無線無源藍寶石高溫壓力傳感器，并搭建了高溫-壓力復合測試平臺對制造的傳感器進行了高溫環(huán)境下的性能測試，測試結果表明：本文制造的高溫壓力傳感器可以實現(xiàn)50～800 ℃高溫下的壓力測試，當溫度為800 ℃時，傳感器的靈敏度與零點溫度漂移系數(shù)可達10.377 kHz/kPa和0.029 6 MHz/℃，對高溫壓力傳感測試領域的發(fā)展具有重要的價值。