基于微溶技術(shù)的高溫壓力傳感器

摘 要：本文主要以綜述的方式簡(jiǎn)單的介紹了一種用微溶玻璃技術(shù)制作新一代壓力傳感器的原理、結(jié)構(gòu)以及補(bǔ)償電路，最后總結(jié)了微溶壓力傳感器的特點(diǎn)及優(yōu)越性，可剔除了用傳統(tǒng)工藝方法生產(chǎn)傳感器帶來的弊端，理論上可以完全替代陶瓷、應(yīng)變片、濺射薄膜及充油芯體等技術(shù)。

關(guān)鍵詞：微溶技術(shù)；壓力傳感器；應(yīng)變片；芯體

Abstract：This article mainly reviews the way of simple introduced a slightly soluble glass technology principle， structure for a new generation of sensors and compensation circuit， and finally summarizes the characteristics and advantages of slightly soluble pressure sensor， can be eliminated with the disadvantages of traditional process method sensors， could theoretically be entirely replace ceramics， strain gauge， sputtering thin film and the oil filled core body and other technology.

Key words：slightly soluble technology；Pressure sensor；Strain gauge；Core body

隨著我國(guó)民用工業(yè)和國(guó)防工業(yè)以及航空航天工業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)傳感器的需要也越來越多。傳感器的種類各式各樣，按其工作原理分，可分為壓電式傳感器、壓阻式傳感器、電容式傳感器、電磁式傳感器等，如果按其被測(cè)參數(shù)分，可分為溫度、壓力、位移、速度傳感器等，型號(hào)可到上十萬(wàn)種。但是，目前在民用上可用于化工反應(yīng)釜和冶煉塔內(nèi)的壓力、高溫油井和各種發(fā)動(dòng)機(jī)腔體內(nèi)的壓力測(cè)量；在軍事上可用于宇宙飛船和航天飛行器的姿態(tài)控制、高速飛行器或遠(yuǎn)程超高速導(dǎo)彈的飛行控制、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等耐熱腔體和表面各部分的壓力測(cè)量的傳感器幾乎全靠進(jìn)口來填補(bǔ)空白，而這種用于航空和國(guó)防建設(shè)的產(chǎn)品都會(huì)受到國(guó)外的出口限制政策，這將是阻礙我國(guó)國(guó)防事業(yè)的發(fā)展，所以，我們必須要研發(fā)自己的耐高溫芯體，擺脫依靠國(guó)外技術(shù)的現(xiàn)狀。

目前，國(guó)內(nèi)使用的壓力傳感器主要是硅擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器，其工藝成熟且性能優(yōu)異，但它受P-N結(jié)耐溫限制，只能在125℃以下進(jìn)行壓力測(cè)量，高過125℃時(shí)，傳感器的性能會(huì)嚴(yán)重惡化以至失效，在600℃時(shí)會(huì)發(fā)生塑性變形和電流泄漏，導(dǎo)致信號(hào)處理系統(tǒng)和電路的極度失調(diào)，遠(yuǎn)不能滿足航空航天、石油化工、汽車電子等領(lǐng)域高溫環(huán)境下的壓力測(cè)量。因此，近年來，傳感器領(lǐng)域中的許多學(xué)者對(duì)耐高溫壓力傳感器做了大量工作， 并涌現(xiàn)出不少研究成果， 以期滿足當(dāng)前對(duì)高溫極端環(huán)境下壓力測(cè)量的迫切要求。本文提出以微溶技術(shù)為支撐，研究一項(xiàng)可以在400℃高溫下穩(wěn)定工作，并且有可達(dá)100倍的過載能力的新一代傳感器，可去除用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)出傳感器的弊端，可替代陶瓷、應(yīng)變片、濺射薄膜及充油芯體等技術(shù)。

1 原理概述

微溶傳感器是基于MEMS工藝技術(shù)制作的高溫低漂移0.5×1.5㎜SOI芯片為敏感元件，采用熱膨脹系數(shù)與派勒克斯玻璃、硅最接近、彈性模量較高、壓阻系數(shù)較高的17-4PH不銹鋼材料作彈性膜。它是建立在微米/納米基礎(chǔ)上，在單晶硅片上刻融制作惠斯登電橋（Wheatstone bridge）組成的硅應(yīng)變計(jì)。在彈性膜正面采用微熔技術(shù)把高溫低漂移SOI芯片與不銹鋼彈性膜熔為一體，當(dāng)彈性膜背面受到力或壓力作用時(shí)，正面組成惠斯頓電橋的SOI芯片就會(huì)輸出與壓力成線性關(guān)系的電信號(hào)。用此工藝制作的傳感器，在0～0.7......250MPa量程范圍內(nèi)優(yōu)越的諸項(xiàng)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了同類型的產(chǎn)品。剔除了用傳統(tǒng)工藝方法生產(chǎn)傳感器帶來的弊端。

經(jīng)500℃以上高溫熔化玻璃，將硅應(yīng)變片燒結(jié)在17-4PH不銹鋼傳感彈性體上，彈性體受壓變形后產(chǎn)生電信號(hào)，由帶微處理器的數(shù)字補(bǔ)償放大電路進(jìn)行放大，經(jīng)數(shù)字軟件進(jìn)行全智能溫度補(bǔ)償，輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。在標(biāo)準(zhǔn)凈化生產(chǎn)過程中，參數(shù)嚴(yán)格受控，避免了溫度、濕度及機(jī)械疲勞的影響，具有頻響高、工作溫度寬等特點(diǎn)，保證了傳感器在工業(yè)惡劣環(huán)境中使用的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

2 外形工藝

傳統(tǒng)的高溫壓力傳感器基本上都是通過高溫膠將應(yīng)變片粘與彈性材料上，而我們采用的微溶技術(shù)是在承載件上涂印用于固定硅應(yīng)變片的固定膠，將應(yīng)變片對(duì)正放置于固定膠上，將固定膠經(jīng)500℃以上高溫熔化，應(yīng)變片沉入熔化的固定膠至設(shè)定的深度，待固定膠冷卻后，應(yīng)變片就永久地固定燒結(jié)在17-4PH不銹鋼傳感彈性體上，并且在單晶硅片上刻融制作惠斯登電橋，形成半開環(huán)電路。其結(jié)構(gòu)分裝圖如圖1所示，芯體外形如圖2所示。

3 補(bǔ)償電阻

補(bǔ)償電路一般可分為溫漂補(bǔ)償、零位補(bǔ)償和滿度補(bǔ)償。作補(bǔ)償電路時(shí)，需要進(jìn)行補(bǔ)償電阻的計(jì)算，溫度補(bǔ)償電阻計(jì)算公式如下：

式中Rb就是要溫漂補(bǔ)償?shù)碾娮璐笮?，零位補(bǔ)償通常通過電位器調(diào)節(jié)電阻的大小，然后在數(shù)字萬(wàn)用表上讀數(shù)，使得零位輸出值盡量的接近±0.1mV；滿度補(bǔ)償一般與零位補(bǔ)償方法一樣，通過調(diào)節(jié)電位器，使得滿量程輸出達(dá)到客戶或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

溫漂補(bǔ)償電路通常一次補(bǔ)償肯定是不夠的，需在上次補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上再次計(jì)算要補(bǔ)償?shù)碾娮柚担缓笕∷麄兊牟⒙?lián)值，這樣依次下去直到達(dá)到要求為止。一般來說沒補(bǔ)到的，電阻向小換，補(bǔ)過的向大換。

4 總結(jié)

[參考文獻(xiàn)]

[1]龐天照，等.碳化硅高溫壓力傳感器的研究進(jìn)展與展望[J].噪聲與振動(dòng)控制，2010.5.

[2]張冬至，等.MEMS高溫壓力傳感器的研究與進(jìn)展[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009.

[3]趙立波，等.倒杯水耐高溫高頻響壓阻式壓力傳感器[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010.7.

[4]張曉麗，等.耐高溫壓力傳感器研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011.

[5]M rosk JW，Berger L.Materials issu es of SAW sensors for higher temperature app licat ion s[J].IEEE Trans Industrial E lectron ics，2003.

[6]蔣莊德，等.特種微機(jī)電系統(tǒng)壓力傳感器[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013.