合金薄膜高溫壓力傳感器研究進展

李 偉，陳懷禮

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

0 引言

隨著現代科技的飛速發展，越來越多的工業生產和自動控制領域，如運載火箭燃燒室的壓力測量、石油工業的井下壓力測量以及柴油機、燃氣輪機氣缸壓力監控等，都需要能在高溫、腐蝕、振動等惡劣環境下工作的壓力傳感器。SOI、多晶硅等半導體壓力傳感器應用廣泛，適于批量制作、成本較低廉，但并不適用于超高溫環境的壓力測量。以現代半導體平面工藝技術為核心、新材料為基礎的合金薄膜壓力傳感器在惡劣環境中擁有其它傳感器無可比擬的優勢，具有廣闊的應用前景。

1 合金薄膜壓力傳感器工作原理

合金薄膜壓力傳感器一般采用濺射、蒸鍍等方法把合金淀積在彈性膜片上，薄膜應變層通過感受膜片的應變而產生相應電阻變化，從而完成非電量到電量的轉換。其一般結構如圖1所示。

合金薄膜壓力傳感器的優點是結構緊湊，散熱良好，尤其突出的是利用薄膜沉積代替了傳統粘貼式應變片的膠接，從而克服了應變靈敏系數低及滯后、蠕變，穩定性差等缺點，能滿足惡劣環境下壓力測量的要求。

2 合金薄膜高溫壓力傳感器研究現狀

目前對高溫壓力傳感器的研究主要包括：多晶硅、單晶硅、SOS（藍寶石上硅）、SiC等半導體高溫壓力傳感器，金剛石薄膜、合金濺射薄膜高溫壓力傳感器，光纖高溫壓力傳感器等。半導體傳感器靈敏度高，芯片易于批量制作、成本低廉，其缺點是溫度特性較差，最高使用溫度一般為200～350℃；且半導體傳感器一般采用單晶硅作為襯底，超過500℃后，其熱可塑性問題無法解決——這些都限制了半導體壓力傳感器在更高溫環境如火箭發動機燃燒室壓力測量（＞600℃）中的使用。金剛石的某些特殊性質（如化學上的惰性）以及極大的壓阻效應、在高溫下仍具有良好的壓阻特性使其成為制作高溫壓阻型壓力傳感器的極佳材料，但目前對金剛石薄膜的理論研究與實際應用尚存在較大差距，如高溫有氧環境下金剛石易表面石墨化，金剛石與金屬間難以形成理想的歐姆接觸等。光纖本身耐高溫，制作光纖高溫壓力傳感器是可行的，但其應用較為復雜、且對測量環境的要求較高。

相對于其它傳感器，合金薄膜傳感器雖然應變系數較低，但具有精度高、穩定性好、耐腐蝕、溫度特性較好且應用溫度范圍較寬等一系列優點，這些優點能夠保證合金薄膜壓力傳感器在高溫燃氣的惡劣環境中進行測量。

2.1 鎳鉻系合金薄膜壓力傳感器

鎳鉻系合金應用廣泛、技術成熟，是目前制作中、低溫應變計最優敏感材料之一。鎳鉻系合金典型代表有鎳鉻合金（鎳鉻V），鎳鉻改良型合金（卡瑪、伊文）等，主要性能參數如表1所示。

表1 鎳鉻系合金性能參數Tab.1 Basic parameters of NiCr alloy

鎳鉻系合金具有較高的電阻率、較低的電阻溫度系數、較高的應變靈敏系數，且改良型合金的應變靈敏系數隨溫度的升高而降低從而可對彈性體彈性模量進行溫度自補償等優點。但該系合金在高溫下會發生有序-無序的變化（如圖2），即K狀態，導致電阻不穩定，所以靜態應用溫度范圍一般為-269～+350℃，適用于中、低溫環境下的壓力測量。

目前國內外合金薄膜壓力傳感器主要生產廠家如英國Senstronics公司、美國Bell Howell公司、湯姆遜公司及北京航天遙測遙控研究所、北京威斯特中航機電公司等所用敏感材料均為鎳鉻系合金，產品應用溫度范圍多為-50/60～+200℃，另外國內亦有超低溫 (-200℃)鎳鉻薄膜壓力傳感器的報道。

NASA的Lewis研究中心對合金薄膜高溫應變計的研究居世界前列。1983年Grant等人研制的鎳鉻薄膜應變計，雖然受引線疲勞壽命所限而導致可靠性較差，但仍能滿足高溫 (600℃)燃氣環境中渦輪葉扇的動態應變測量要求。

2.2 鉑鎢合金薄膜壓力傳感器

鉑鎢合金的研究始于上世紀60年代，研究的目的即是解決高溫 (600～1000℃)應變測量問題。高溫下的主要問題是電氧化引起敏感材料的不穩定，以及由此引起的漂移。鉑鎢合金具有適中的電阻率，耐酸堿、抗腐蝕，特別是高溫(700～800℃)下仍具有很好的抗氧化性，電阻溫度系數與溫度呈線性關系（如圖2），且應變靈敏系數較高，最高使用溫度為靜態800℃，動態1000℃。鉑鎢合金主要性能參數如表2所示，其缺點主要是電阻溫度系數大，一般在200 ppm/℃左右，實際使用中溫度補償較為困難。

表2 鉑鎢合金性能參數Tab.2 Basic parameters of PtW alloy

彭士元等人利用藍寶石作為彈性膜片研制的Pt92W8薄膜高溫壓力傳感器主要性能指標如下：量程0.2～10 MPa；精度0.5%F·S；應用溫度范圍-10～400℃；零點溫度飄移及靈敏度溫度漂移均較小 (10-4量級)，具有較好的長期穩定性。

2.3 鈀鉻合金薄膜應變計

為滿足新一代航天器研制的需求，近二十幾年來Lewis研究中心一直致力于合金薄膜高溫應變計的研究。1987年開始，C.O.Hulse和H.P.Grant等人開始研制基于一種新合金鈀鉻(13%鉻)的應變計。1997年Jih-Fen Lei等人利用鈀鉻合金作為薄膜應變材料，在室溫至1100℃的燃氣環境中對渦輪葉扇的動態應變進行了測量；在相同的環境條件下，利用鉑電阻作溫度補償，對靜態應變也成功地進行了測量。

研究表明，鈀鉻合金在1000℃范圍內組織結構穩定，無相變，并且在空氣中自身能形成一層堅實的Cr2O3抗氧化層。鈀鉻合金的這些特性，使得其電阻溫度特性的穩定性、重復性好，并且與升、降溫速率關系不大。鈀、鉻及鈀鉻合金主要性能參數如表3所示。

鈀鉻合金的電阻溫度特性、靈敏度溫度特性均與溫度成良好線性關系（圖3、圖4），且耐千度以上高溫，其制成的傳感器可以應用于高溫壓力測量。但就Lewis研究中心研制的鈀鉻薄膜應變計而言，存在的問題主要是：設計使用壽命較短，僅50小時；高溫會使絕緣層絕緣性能急劇下降，從而導致應變計完全失效（圖5）。

表3 鈀、鉻及鈀鉻合金主要性能參數Tab.3 Basic parameters of Pd,Cr and PdCr alloy

3 結論

本文主要對鎳鉻系、鉑鎢及鈀鉻薄膜高溫壓力傳感器的主要性能進行了比較，并分析了其研究現狀。鎳鉻薄膜傳感器適用于中、低溫壓力測量，而鉑鎢、鈀鉻薄膜傳感器/應變計適用于更高溫（>500℃）壓力測量。相比而言，鈀鉻薄膜應變計的耐高溫性能更加卓越，電阻與靈敏度溫度特性良好，如果其封裝技術得以解決，必將擁有廣闊的應用前景。

[1]張為,姚素英.高溫壓力傳感器現狀與展望[J].儀表技術與傳感器.2002(4):6-8.

[2]韓小亮,朱作云,李躍進.高溫半導體壓力傳感器技術[J].西安電子科技大學學報:自然科學版,2001,28(1):120-124.

[3]莘海維,張志明,沈荷生,等.高溫壓力傳感器的新進展:金剛石微壓力傳感器[J].化學世界,2000(增刊):107-111.

[4]尹福炎.電阻應變計敏感材料的發展（上）[J].傳感器世界,1998(9):9-13.

[5]尹福炎.電阻應變計敏感材料的發展（下）[J].傳感器世界,1998(10):1-9.

[6]何迎輝,張修如.超低溫薄膜壓力傳感器的研制[J].傳感器世界,2004(9):21-23.

[7]GRANT H P,PRZYBYSZEWSKI J S,ANDERSON W L,et al.Thin film strain gage development program.NASA CR-174707[R].USA:NASA,1983.

[8]彭士元,歐陽左群.能耐高溫的合金薄膜壓力傳感器和變送器[J].測控技術,1993,12(4):28-30.

[9]LEI J F,MARTIN L C,WILL H A.Advances in thin film sensor technologies for engine applications.NASA 107418[R].USA:NASA,1997.

[10]LEI J F,WILL H A,MARTIN L C.Thin film for minimally-intrusive measurements in harsh high temperature environments.AIAA-98-3610[R].USA:AIAA,1998.

[11]LEI J F.Palladium-chromium static strain gages for high temperature.NASA 93-12371[R].USA:NASA,1993.

[12]HULSE C O,BALLEY R S,GRANT H P,et al.High temperarure static strain gage development.NASA CR-189044[R].USA:NASA,1990.