淺析高溫壓力傳感器的發展

于藝+于佳+井彬

摘 要：壓力傳感器的發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，無法精準測量高溫下的壓力。因此，國內外有很多學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展現狀、存在的問題及未來的發展趨勢。

關鍵詞：高溫壓力傳感器；半導體材料；多晶硅；光纖技術

中圖分類號：TP212.1 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.17.042

在現代化科技生產、科研等領域，傳感器測量技術被廣泛應用于各個監測環節，對整個運行系統發揮著不可替代的作用，特別是在惡劣的環境下，比如發動機、航天飛行器、高速導彈及衛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體材料（SOI）制成而成。作為一種半導體材料，SOI具有半導體的優良性能，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計要求。

目前，美國Kulite公司已采用BESOI技術研發出XTEH-10LAC-190（M）系列超高溫壓力傳感器，最高測量溫度可以達到480 ℃；法國的LET1研究所目前也正在研發測量溫度能達到400 ℃的SOI高溫壓力傳感器；我國西安交通大學已運用先進的SIMOX技術成功研發出能在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最早發現了SiC材料并將其應用于單晶n型β-SiC壓力傳感器的制作中。當時，由這種材料制成的高溫壓力傳感器可承受300 ℃的溫度。SiC材料的發現為之后SiC高溫壓力傳感器的發展奠定了基礎。而NASA（美國國家宇航局）的Galenn研究中心也曾研發出SiC高溫肖特基二極管和最高測量溫度可達500 ℃的高溫壓力傳感器。我國西安電子科技大學曾利用APCVD系統成功研發出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點，各項性能指標良好。

1.3 SOS高溫壓力傳感器

SOS（Silicon On Sapphire）高溫壓力傳感器最出現于20世紀80年代，又被稱為硅-藍寶石壓力傳感器。與硅相比，SOS可以克服溫度特性和化學特性，具有良好的機械性能和化學惰性，且不產生滯后效應，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、化學惰性、電敏感性、光學性和絕緣性。但是，由于藍寶石單晶片的成本是硅片的10倍以上，且藍寶石材料的硬度高、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

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

目前，天津大學的微電子技術研究室已經研發出工作溫度為-40～200 ℃、最大量程達10 MPa的多晶硅高溫壓力傳感器；哈爾濱工業大學所研制的多晶硅高溫壓力傳感器的最大壓力能達到6 MPa；而美國Foxboro公司已經實現多晶硅高溫壓力傳感器的產品化。

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。光纖技術自20世紀70年代出現以來，在通訊領域運用得較多。由于該技術抗干擾能力強、儲存信息量大，因此被應用于傳感器的制備中。但是，光纖技術也有自身的缺點——光纖所涉及到的系統比較復雜，需要有光源、光的調劑、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定，會對測量精度造成一定的影響，因此，光纖技術在高溫壓力傳感器領域的應用還不夠成熟。

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70年代被發掘的一種新的傳感器，發展速度十分迅猛。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印刷技術和厚膜傳感技術研制而成的，它的工作溫度一般可達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公司擁有此類產品，其研究范圍相對來說較小。

2 高溫壓力傳感器的發展趨勢

高溫壓力傳感器的發展水平直接影響到高溫核心裝備的工作效果。現階段，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展，還需要從以下幾個方面加以完善：①研發新材料。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，研發新材料以解決現存問題刻不容緩。②完善加工工藝。加工工藝對產品的效能有著直接的影響，現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，相關人員需要另尋新的研究方法，以全新的思路來彌補當前研究中的種種不足。

參考文獻

[1]張玉書，張維連，張生才，等.SOl高溫壓力傳感器的研究現狀[J].河北工業大學學報，2005，34（2）：14-19.

[2]顏鷹.MEMS高溫壓力傳感器若干關鍵技術的研究[D].武漢：華中科技大學，2005.

〔編輯：劉曉芳〕