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高温压力传感器有哪些?发展前景如何?

作者:上海默伟科技本文关键字:高温压力传感器 发布时间:2020-09-29 09:01浏览次数:

    高温大压力传感器研究现状与发展趋势

    高温下大压力测量在工业、航空航天、冶金、石油勘探等领域具有广阔的应用前景。例如在航空航天领域,高温压力传感器可用于火箭发动机、航空发动机、重型燃气汽轮等高温高压的恶劣环境,用于实现对其运行状态的监控和健康评估。在石油化工领域,可用于地下石油温度、压力的监测,进而为石油开采提供数据支持。

    一般地,当压力范围在10~100MPa之间时,称之为大压力,大于100MPa的压力为超大压力。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[1]。

    近年来,随着MEMS技术的发展,微机械压力传感器由于其具有体积小、功耗低、成本低等优势,而得到了广泛的应用[1,2]。然而,该类传感器在超过120℃环境下使用时,会由于内部PN结出现漏电而导致传感器性能急剧下降,进而导致失效[3,4,5,6]。因此,如何把MEMS技术的优势和现有的技术相结合,通过改进工艺、选择新型的耐高温材料,进而克服MEMS传感器的上述缺点,成为目前国内外研究的重中之重。该研究目前也取得了巨大进展,多种类型材料组合形成的新型敏感元件纷纷问世。

    以传感器敏感元件材料为分类目标,针对目前常用的几类高温大压力传感器(包括多晶硅高温压力传感器、SOI(Silicon-on-Insulator,单晶硅)压力传感器、SOS(SilicononSapphire,硅-蓝宝石)高温压力传感器、SiC(SiliconCarbide(Black))高温压力传感器以及光纤高温压力传感器)的工作原理、国内外研究现状等进行了阐述。

    1高温大压力传感器研究现状

    1.1多晶硅高温压力传感器

    多晶硅高温压力传感器主要采用SiO2作为介质薄膜来代替PN结,进而实现电隔离,该传感器结构原理图如图1所示[7,8,9,10,11]。该传感器工作原理与硅压阻式压力传感器类似,都是以单晶硅膜片作为敏感元件,把压力值转换为膜片的应力变化,通过压敏电阻把变化量转化为电压信号,实现对压力的测量。由于单晶硅本身的性质受温度影响较大,因此基于单晶硅的扩散硅压阻式压力传感器使用温度范围受到了很大的限制。而多晶硅薄膜作为压阻敏感材料可使传感器使用温度范围极大拓宽。传感器在制作中采用LPCVD(LowPressureChemicalVaporDeposition,低压气相淀积)工艺在SiO2上制作多晶硅膜,再通过扩散工艺制作基于多晶硅材料的压敏电阻。由于以SiO2介质隔离代替了PN结隔离,减少了器件在高温下的漏电,从而提高了传感器工作温度。

    目前,国外仅有荷兰的Philips公司和美国的Foxboro公司研制出了多晶硅高温压力传感器产品。国内北京大学于2003年研制出了工作温度范围为-40~180℃的多晶硅高温压力传感器,并通过实验证明该传感器的零点温漂小于传统的压力传感器[12]。天津大学于2001年研制出耐温达220℃的高温多晶硅压力传感器,测试结果表明,该多晶硅压力传感器综合精度达0.1%FS~0.2%FS,灵敏度温度系数绝对值小于3×10-4/℃[13]。

    多晶硅压力传感器具有工艺简单、IC兼容、芯片易于批量制作等优点。但由于多晶硅高温压力传感器压敏电阻与应力膜片为复合膜结构,会因不同材料的热膨胀系数不匹配引起附加应力,影响传感器的高温特性。如何选择合适的材料及工艺进行优化,是未来该传感器重要发展方向。

    1.2SOI压力传感器

    SOI压力传感器主要利用了SOI材料制作工艺高、键合过程中附加应力小(衬底硅和SiO2直接键合,没有其他过渡层,避免了附加应力产生)的特点,故将其作为敏感材料。其工作原理如图2所示。该传感器工作原理与硅压阻压力传感也比较类似。由于SOI材料具有自隔离、抗电磁辐射、稳定性好、耐高温等特点[14,15,16,17],克服了传统硅压阻压力传感器难以适应高温环境的缺点。目前,国外一些公司已经研制出SOI高温压力传感器产品。例如,美国科莱特半导体产品有限公司采用硅片键合和反面腐蚀技术开发出一种超高温压力传感器(如图3所示),其工作温度为-65~750℃;法国硅技术器件研究中心开发出多款SOI高温压力传感器产品,最高温度达到500℃[18]。

    国内对SOI高温压力传感器的研究目前还停留在实验阶段。2001年,复旦大学黄宜平[19]等人采用改进的加工工艺制备出SOI材料(Smart-Cut法),并将这一材料应用于双岛-梁-膜结构的压力传感器,工作温度可达300℃,实验表明该传感器灵敏度可到达63mV。河北工业大学张玉书[20]等人于2006年制作的SOI高温压力传感器在0~1MPa条件下,工作温度可到达220℃。中北大学[21]和中国电子科技集团公司第十三研究所也分别利用MEMS相关技术,研制出了可用于多领域的高温压力传感器。

    相比于其他类型的传感器,SOI压力传感器具有易于与CMOS工艺兼容、集成化程度高、测试范围宽等特点(可达1000MPa)。但SOI传感器对制作工艺要求较高,导致其加工相对困难,一定程度上限制了该传感器的发展,但这也是该类传感器的主要发展方向。

    1.3SOS高温压力传感器

    SOS高温压力传感器通常是将在作为弹性体的蓝宝石上异质外延生长单晶硅薄膜作为敏感膜片,为双膜片结构。该传感器具有非线性小、耐高温、耐腐蚀、量程大的特点。其工作原理简图如图4所示[2,7]。为克服高温对传感器的影响,该传感器核心敏感元件为双膜片结构:钛合金膜片和蓝宝石膜片。蓝宝石膜片通过熔焊工艺固定在钛合金膜片上。在蓝宝石衬底上,通过异质外延工艺生长出一层单晶硅薄膜,再利用半导体扩散工艺在硅薄膜上加工出硅应变电阻,由硅电阻组成电阻桥[21]。蓝宝石由单晶绝缘体元素组成,不会发生滞后、疲劳和蠕变现象;同时具有非常好的弹性和绝缘特性(1000℃以内),对温度变化不敏感,即使在高温条件下也有很好工作特性[22],因此可应用于各种恶劣高温的环境。

    在该类传感器研究方面,美国目前占据主导地位。美国SENSONETICS的SOS压力传感器测量范围为0~0.5PSI至0~50000PSI,工作温度范围为-40~350℃,精度达到0.25%。英国ESI公司生产的GS4200系列钛/硅-蓝宝石压力变送器测量范围在0~0.5bar到0~400bar之间,工作温度范围为-50~125℃,综合精度优于0.25%FS,-20~70℃误差小于1.5%;俄罗斯国家热工仪表所研制出量程在0~0.1MPa到0~250MPa[23]的SOS压力传感器,工作温度范围为-50~350℃,精度达到0.25%。

    国内方面,中国电子科技集团公司第十九研究所[23]通过引进俄罗斯相关技术和后期自主创新,于2017年研制出量程分别为60MPa和100MPa的SOS压力传感器,工作温度范围为-50~350℃,满量程输出≥100mV,精度优于0.1%,迟滞与重复性均优于0.05%FS;2011年,采用双膜片结构,研制出量程为0.6MPa的SOS压力传感器[2],工作温度范围为-55~200℃。

    SOS压力传感器虽然具有良好的机械特性,但由于应变薄膜制备的成品率很低,很大程度上限制了该传感器的批量生产。同时,由于外延单晶硅薄膜与蓝宝石间存在晶格失配问题,导致其长期稳定性较差。如何克服上述问题,对该类传感器未来的发展至关重要。

    1.4SiC高温压力传感器

    SiC高温压力传感器采用SiC材料作为敏感元件,该传感器具有宽禁带结构、高击穿电压较高热导率、抗辐射性能好、漏电少以及高温稳定性的特点[24]。该类传感器初始报道是1997年由Ziermann等人完成[25]。其简单结构如图5所示。由于该传感器采用6H-SiC作为基底材料,使得温度效应对其影响大大减小,提高了传感器高温下的测试性能。

    美国西储大学于2004年制作出工作温度达400℃的SiC压阻式压力传感器[26];2008年,同校的ChenLi利用LTO作为绝缘层,设计了一种全新的SiC结构,将工作温度提升至574℃[27];目前,美国NASA(美国国家航空航天局)和美国科莱特半导体产品有限公司采用6H-SiC材料开发出耐温达到500℃的高温压力传感器产品;马来西亚国民大学于2015年研制出3C-SiC高温压力传感器,工作温度达到500℃,压力量程为5MPa[28];中国电子科技集团公司第十三研究所于2017年研制了SiC高温压力传感器芯片,并加工出MEMS压阻式SiC压力传感器,实验表明,在工作温度为550℃、量程700kPa的工作条件下,传感器非线性指标达到1.054%,灵敏度达到0.005mV/(kPa·V)[27]。北京长城航空测控技术研究所和北京航空航天大学合作开展了基于法珀腔的SiC高温压力传感器研究,最高耐温达到1200℃。

    1.5光纤高温压力传感器

    光纤压力传感器最初于20世纪70年代用于测量血管压力;至20世纪90年代研究光纤法珀压力传感器后才被应用于高温领域[29]。由于光纤材料本身的耐高温特性,使得该类传感器能够在高温环境下工作,具有体积小、重量轻、抗电磁干扰和电绝缘的特点。其工作原理如图6所示,该类传感器是通过光纤把敏感膜片的位移转换成光纤内传输的调制光的频率、强度、相位的变化,通过检测这些信号的变化反算出压力的大小。由于光纤材料本身耐高温的特点,光纤压力传感器能够适应高温的工作环境。该类传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、电绝缘等优点,使其可应用于一些环境较恶劣的特定场合[30]。目前,该类传感器已有相关产品问世。美国压电有限公司、恩德福克公司、德国HBM公司都已经生产出相应的产品。大连理工大学于2006年设计出针对高温油井测量的光纤高温压力传感器系统,该传感器测量分辨率达0.02%。在量程为0~20MPa压力范围内,对温度测量的影响小于0.2%,在20~300℃温度范围内,对压力测量影响小于1%[31];2014年,北京理工大学提出一种基于飞秒激光加工技术制作的微纳全光纤法珀干涉型压力传感器,成功进行了从室温到1100℃温度范围的压力温度试验[29]。

    光纤高温压力传感器具有测量范围宽的特点,但由于存在制作难度大、成本高、测量精度低的问题,限制了该类传感器的应用,这也是该类传感器未来重要的研究方向。

    2高温大压力传感器温度补偿方法

    温度效应对压力传感器测试精度存在较大的影响。国内外相关研究除了采用高性能材料以及从设计方法上避免该影响外,温度补偿[32,33]同样也是一项重要的研究内容。

    目前,提高该传感器测试性能的方法主要有3种:(1)敏感元件材料的选择及结构优化设计,通过选择性能良好的材料敏感元件并采用理论分析及有限元仿真技术等方法,对结构进行优化设计;(2)通过选择高性能元器件并通过设计性能良好、抗噪声能力强的元器件等,制作相关的测试电路,来实现高性能传感器;(3)主要针对传感器高温的工作环境下性能随温度变化较大的问题,通过设计相应的温度补偿结构及算法,来提高传感器的测试性能。本节主要针对温度补偿算法研究现状进行阐述。

    2.1国外研究现状

    2015年,德黑兰大学Aryafar[34]等人研究了被动式补偿方法。该方法通过在压敏电阻的膜外植入具有负温度系数的多晶硅电阻实现。该方法使得其温漂由补偿前的(0~60℃)7mV提高到偿后的1mV。美国马里兰大学Bae[35]等人于2012年研制出十字轴和同轴的F-P(Fabry-Perot,法布里-珀罗)压力传感器(如图7所示),通过传感器内部的光纤光栅实现温度测量功能,结合温度控制器实现温度补偿功能。实验表明,该传感器在24~48℃的温度范围内,温度漂移误差减小了95%。2010年,印度贾达普大学Futane[36]等人采用人工神经网络方法对硅压阻式压力传感器进行温度补偿,实验表明,传感器在0~70℃的温度范围内,满量程误差由补偿前的9%FS提高到补偿后的0.1%FS。同年,加拿大不列颠哥伦比亚大学Mohammadi[37]等人将压力传和高精度铂热电阻集成到一起,通过高精度温度传感器测量膜片温度,并结合实验数据对压力值进行标定的方法,实现了25~170℃范围内的温度补偿,补偿后传感器最大误差为1.74%FS。

    2.2国内研究现状

    国内也对温度补偿方法进行了研究。2014年,西安交通大学的机械制造系统工程国家重点实验室[38]采用数字方式实现了压力传感器温度漂移的补偿,使得传感器的精度、线性度、零温度系数和灵敏度温度系数分别从补偿前的2.57%FS、2.49%FS、8.1×10-5/℃和29.5×10-5/℃,提高到补偿后的0.13%FS、0.15%FS、1.17×10-5/℃和2.1×10-5/℃。苏州大学Xu[39]等人于2013年选用高阶温度补偿模型对压阻式压力传感器进行补偿,补偿后的传感器最大误差为0.313%FS。2016年,中国科学院上海高等研究院丁苗高[40]等人设计了面向桥式传感器的温度补偿系统,在20~70℃温度范围内,传感器最大满量程误差由补偿前的14.63%FS下降到补偿后的0.334%FS。2017年,北京长城航空测控技术研究所和北京航空航天大学合作[41],对28MPa量程的大量程硅蓝宝石压力传感器温度补偿进行了研究。在-20~120℃温度范围内,传感器测量精度由补偿前2.25%提高到补偿后的0.1%;在120~250℃温度范围内,传感器测量精度由补偿前8.44%FS提高到补偿后的0.34%FS,极大提高了传感器在高温条件下的测量精度。

    3结论及展望

    3.1结论

    (1)在高温大压力等极端恶劣环境下,常用的传感器敏感元件的材料已不能满足测试要求。基于此,许多新型的传感器材料(例如多晶硅、SOI材料、蓝宝石、光纤材料等)被应用到传感器,极大提高了传感器的耐高温性能。

    (2)目前,高温大量程压力传感器压力测量范围可到达1000MPa,温度测量范围可到达1200℃。温度效应仍然是影响其测量精度的主要原因,目前主要还是采用温度补偿的方法来提高其测试精度。

    3.2展望

    (1)工艺条件的改进。

    制作工艺是目前困扰高温大压力传感器发展的重要因素之一。目前,制约传感器发展的因素,除了敏感元件材料外,制作工艺也是主要的影响因素,不断改进传感器制作工艺,提高传感器的性能,一直是未来高温大压力传感器发展的重要因素。

    (2)基于非接触法的高温压力测量。

    由于非接触高温测量法(例如热辐射法、光电检测等方法)具有非接触的特点,未来也将成为高温高压测量的方向之一。

    (3)基于新型结构的高温大压力传感器温度补偿技术。

    目前对高温大压力传感器研究主要侧重于材料选择和温度补偿方法方面,与此同时,如何从结构设计方面出发,通过巧妙的结构设计来提高传感器测试精度,减少温度效应对其影响,也将是该类传感器的重要研究方向之一。

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