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高溫大壓力傳感器研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)高溫下大壓力測(cè)量在工業(yè)、航空航天、冶金、石油 勘探等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。例如在航空航天領(lǐng) 域，高溫壓力傳感器可用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、 重型燃?xì)馄喌雀邷馗邏旱膼毫迎h(huán)境，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其 運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和健康評(píng)估。在石油化工領(lǐng)域，可用 于地下石油溫度、壓力的監(jiān)測(cè)，進(jìn)而為石油開(kāi)采提供數(shù) 據(jù)支持。 一般地，當(dāng)壓力范圍在10～100ＭＰa之間時(shí)，稱之為大壓力，大于100ＭＰa的壓力為超大壓力。高溫壓 力傳感器是指在高于125℃環(huán)境下能正常工作的壓力傳感器。 近年來(lái)，隨著ＭＥＭＳ 技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)械壓力感器由于其具有體積小、功耗低、成本低等優(yōu)勢(shì)，而得到了廣泛的應(yīng)用。然而，該類傳感器在超過(guò)１２０℃環(huán)境下使用時(shí)，會(huì)由于內(nèi)部ＰＮ結(jié)出現(xiàn)漏電而導(dǎo)致傳感器性能急劇下降，進(jìn)而導(dǎo)致失效。因此，如何把ＭＥＭＳ技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和現(xiàn)有的技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)改進(jìn)工藝、選擇新型的耐高溫材料，進(jìn)而克服ＭＥＭＳ 傳感器的上述缺點(diǎn)，成為目前國(guó)內(nèi)外研究的重中之重。該研究目前也取得了巨大進(jìn)展，多種類型材料組合形成的新型敏感元件紛紛問(wèn)世。 以傳感器敏感元件材料為分類目標(biāo)，針對(duì)目前常用的幾類高溫大壓力傳感器（包括多晶硅高溫壓力傳感器、ＳＯＩ（單晶硅）壓力傳感器、ＳＯＳ（硅藍(lán)寶石）高溫壓力傳感器、ＳｉＣ高溫壓力傳感器以及光纖高溫壓力傳感器）的工作原理、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀等進(jìn)行了闡述。 １.１ 多晶硅高溫壓力傳感 多晶硅高溫壓力傳感器主要采用ＳｉＯ２ 作為介質(zhì)薄膜來(lái)代替ＰＮ結(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電隔離，該傳感器結(jié)構(gòu)原理圖如圖１ 所示。該傳感器工作原理與硅壓阻式壓力傳感器類似，都是以單晶硅膜片作為敏感元件，把壓力值轉(zhuǎn)換為膜片的應(yīng)力變化，通過(guò)壓敏電阻把變化量轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的測(cè)量。由于單晶硅本身的性質(zhì)受溫度影響較大，因此基于單晶硅的擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器使用溫度范圍受到了很大的限制。而多晶硅薄膜作為壓阻敏感材料可使傳感器使用溫度范圍極大拓寬。傳感器在制作中采用ＬＰＣＶＤ（低壓氣相淀積）工藝在ＳｉＯ２ 上制作多晶硅膜，再通過(guò)擴(kuò)散工藝制作基于多晶硅材料的壓敏電阻。由于以ＳｉＯ２ 介質(zhì)隔離代替了ＰＮ結(jié)隔離，減少了器件在高溫下的漏電，從而提高了傳感器工作溫度。
圖１ 多晶硅ＭＥＭＳ大壓力傳感器工作原理 目前，國(guó)外僅有荷蘭的Ｐhilips公司和美國(guó)的Ｆox-boro公司研制出了多晶硅高溫壓力傳感器產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)北京大學(xué)于2003年研制出了工作溫度范圍為－40～180℃的多晶硅高溫壓力傳感器，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該傳感器的零點(diǎn)溫漂小于傳統(tǒng)的壓力傳感器。天大學(xué)于2001年研制出耐溫達(dá)220 ℃的高溫多晶硅壓力傳感器，測(cè)試結(jié)果表明，該多晶硅壓力傳感器綜合精度達(dá)0.1％Fs~0.2％Fs，靈敏度溫度系數(shù)絕對(duì)值小于３ × １０－ ４ ／ ℃ 多晶硅壓力傳感器具有工藝簡(jiǎn)單、ＩＣ 兼容、芯片易于批量制作等優(yōu)點(diǎn)。但由于多晶硅高溫壓力傳感器壓敏電阻與應(yīng)力膜片為復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，會(huì)因不同材料的熱膨脹系數(shù)不匹配引起附加應(yīng)力，影響傳感器的高溫特性。如何選擇合適的材料及工藝進(jìn)行優(yōu)化，是未來(lái)該傳感器重要發(fā)展方向。 １.２ ＳＯＩ壓力傳感 ＳＯＩ壓力傳感器主要利用了ＳＯＩ材料制作工藝高、鍵合過(guò)程中附加應(yīng)力�。ㄒr底硅和ＳｉＯ２ 直接鍵合，沒(méi)有其他過(guò)渡層，避免了附加應(yīng)力產(chǎn)生）的特點(diǎn)，故將其作為敏感材料。其工作原理如圖２所示。該傳感器工作原理與硅壓阻壓力傳感也比較類似。由于ＳＯＩ材料具有自隔離、抗電磁輻射、穩(wěn)定性好、耐高溫等特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)硅壓阻壓力傳感器難以適應(yīng)高溫環(huán)境的缺點(diǎn)。目前，國(guó)外一些公司已經(jīng)研制出ＳＯＩ高溫壓力傳感器產(chǎn)品。例如，美國(guó)科萊特半導(dǎo)體產(chǎn)品有限公司采用硅片鍵合和反面腐蝕技術(shù)開(kāi)發(fā)出一種超高溫壓力傳感器（如圖３所示），其工作溫度為－65～750℃；法國(guó)硅技術(shù)器件研究中心開(kāi)發(fā)出多款ＳＯＩ高溫壓力傳感器產(chǎn)品，最高溫度達(dá)到500℃。
圖２ ＳＯＩ壓力傳感器工作原理 圖３ 美國(guó)科萊特半導(dǎo)體產(chǎn)品有限公司的ＳＯＩ高溫壓力傳感 國(guó)內(nèi)對(duì)ＳＯＩ高溫壓力傳感器的研究目前還停留在實(shí)驗(yàn)階段。2001年，復(fù)旦大學(xué)黃宜平等人采用改進(jìn)的加工工藝制備出ＳＯＩ材料，并將這一材料應(yīng)用于雙島－梁－膜結(jié)構(gòu)的壓力傳感器，工作溫度可達(dá)300℃，實(shí)驗(yàn)表明該傳感器靈敏度可到達(dá)63ｍＶ。河北工業(yè)大學(xué)張玉書(shū)等人于2006年制作ＳＯＩ高溫壓力傳感器在0～ １ＭＰa條件下，工作溫度可到達(dá)220℃。中北大學(xué)［２１］和中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所也分別利用ＭＥＭＳ相關(guān)技術(shù)，研制出了可用于多領(lǐng)域的高溫壓力傳感器。 相比于其他類型的傳感器，ＳＯＩ壓力傳感器具有易于與ＣＭＯＳ工藝兼容、集成化程度高、測(cè)試范圍寬等特點(diǎn)（可達(dá)1000ＭＰａ）。但ＳＯＩ傳感器對(duì)制作工藝要求較高，導(dǎo)致其加工相對(duì)困難，一定程度上限制了該傳感器的發(fā)展，但這也是該類傳感器的主要發(fā)展方向。 １.３ ＳＯＳ高溫壓力傳感 ＳＯＳ高溫壓力傳感器通常是將在作為彈性體的藍(lán)寶石上異質(zhì)外延生長(zhǎng)單晶硅薄膜作為敏感膜片，為雙膜片結(jié)構(gòu)。該傳感器具有非線性小、耐高溫、耐腐蝕、量程大的特點(diǎn)。其工作原理簡(jiǎn)圖如圖４所示。為克服高溫對(duì)傳感器的影響，該傳感器核心敏感元件為雙膜片結(jié)構(gòu)：鈦合金膜片和藍(lán)寶石膜片。藍(lán)寶石膜片通過(guò)熔焊工藝固定在鈦合金膜片上。在藍(lán)寶石襯底上，通過(guò)異質(zhì)外延工藝生長(zhǎng)出一層單晶硅薄膜，再利用半導(dǎo)體擴(kuò)散工藝在硅薄膜上加工出硅應(yīng)變電阻，由硅電阻組成電阻橋。藍(lán)寶石由單晶絕緣體元素組成，不會(huì)發(fā)生滯后、疲勞和蠕變現(xiàn)象；同時(shí)具有非常好的彈性和絕緣特性（1000 ℃以內(nèi)），對(duì)溫度變化不敏感，即使在高溫條件下也有很好工作特性，因此可應(yīng)用于各種惡劣高溫的環(huán)境。 圖４ ＳＯＳ高溫壓力傳感器工作原理 在該類傳感器研究方面，美國(guó)目前占據(jù)主導(dǎo)地位。美國(guó)ＳENSONETICS的SOS壓力傳感器測(cè)量范圍為０~0.5PSI至０~５0000PSI，工作溫度范圍為－40～350℃，精度達(dá)到０.25％。英國(guó)ESI公司生產(chǎn)的ＧＳ４２００系列鈦／硅－藍(lán)寶石壓力變送器測(cè)量范圍在０～ 0.5ｂａｒ到０～ 400bar之間，工作溫度范圍為－ 50～125℃，綜合精度優(yōu)于０.25％ ＦＳ，－20～ 70℃誤差小于１.５％；俄羅斯國(guó)家熱工儀表所研制出量程在０～０.１ ＭＰａ到０~250ＭＰａ的SOS壓力傳感器，工作溫度范圍為－50～350℃，精度達(dá)到０.25％。 國(guó)內(nèi)方面，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十九研究所通過(guò)引進(jìn)俄羅斯相關(guān)技術(shù)和后期自主創(chuàng)新，于2017年研制出量程分別為60ＭＰａ和100ＭＰａ的ＳＯＳ壓力傳感器，工作溫度范圍為－50～ 350 ℃，滿量程輸出≥100ｍＶ，精度優(yōu)于0.1％，遲滯與重復(fù)性均優(yōu)于0.05％ ＦＳ；2011年，采用雙膜片結(jié)構(gòu)，研制出量程為0.6 ＭＰａ的ＳＯＳ壓力傳感器，工作溫度范圍為－55～200℃。 ＳＯＳ壓力傳感器雖然具有良好的機(jī)械特性，但由于應(yīng)變薄膜制備的成品率很低，很大程度上限制了該傳感器的批量生產(chǎn)。同時(shí)，由于外延單晶硅薄膜與藍(lán)寶石間存在晶格失配問(wèn)題，導(dǎo)致其長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差。如何克服上述問(wèn)題，對(duì)該類傳感器未來(lái)的發(fā)展至關(guān)重要。 １.４ ＳｉＣ高溫壓力傳感 ＳｉＣ高溫壓力傳感器采用ＳｉＣ材料作為敏感元件，該傳感器具有寬禁帶結(jié)構(gòu)、高擊穿電壓較高熱導(dǎo)率、抗輻射性能好、漏電少以及高溫穩(wěn)定性的特點(diǎn)。該類傳感器初始報(bào)道是1997年由Ｚiermann等人完成。其簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)如圖５所示。由于該傳感器采用６Ｈ-ＳｉＣ作為基底材料，使得溫度效應(yīng)對(duì)其影響大大減小，提高了傳感器高溫下的測(cè)試性能。美國(guó)西儲(chǔ)大學(xué)于2004年制作出工作溫度達(dá)400℃的ＳｉＣ壓阻式壓力傳感器；2008年，同校的ＣhenLi利用ＬTO作為絕緣層，設(shè)計(jì)了一種全新的ＳｉＣ 結(jié)構(gòu)，將工作溫度提升至574℃；目前，美國(guó)ＮＡＳＡ（美國(guó)國(guó)家航空航天局）和美國(guó)科萊特半導(dǎo)體產(chǎn)品有限公司采用６Ｈ- ＳｉＣ材料開(kāi)發(fā)出耐溫達(dá)到５００ ℃的高溫壓力傳感器產(chǎn)品；馬來(lái)西亞國(guó)民大學(xué)于２０１５年研制出３Ｃ-ＳｉＣ高溫壓力傳感器，工作溫度達(dá)到５００ ℃，壓力量程為５ ＭＰａ；中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所于２０１７年研制了ＳｉＣ高溫壓力傳感器芯片，并加工出ＭＥＭＳ壓阻式ＳｉＣ壓力傳感器，實(shí)驗(yàn)表明，在工作溫度為550℃、量程700kPa的工作條件下，傳感器非線性指標(biāo)達(dá)到1.054％，靈敏度達(dá)到0.005 ｍＶ ／（ｋＰａ·Ｖ）。北京長(zhǎng)城航空測(cè)控技術(shù)研究所和北京航空航天大學(xué)合作開(kāi)展了基于法珀腔的ＳｉＣ高溫壓力傳感器研究，最高耐溫達(dá)到1200℃。
圖５ ＳｉＣ高溫壓力傳感 １.５ 光纖高溫壓力傳感 光纖壓力傳感器最初于20世紀(jì)70年代用于測(cè)量血管壓力；至20世紀(jì)90年代研究光纖法珀壓力傳感器后才被應(yīng)用于高溫領(lǐng)域。由于光纖材料本身的耐高溫特性，使得該類傳感器能夠在高溫環(huán)境下工作，具有體積小、重量輕、抗電磁干擾和電絕緣的特點(diǎn)。其工作原理如圖６所示，該類傳感器是通過(guò)光纖把敏感膜片的位移轉(zhuǎn)換成光纖內(nèi)傳輸?shù)恼{(diào)制光的頻率、強(qiáng)度、相位的變化，通過(guò)檢測(cè)這些信號(hào)的變化反算出壓力的大小。由于光纖材料本身耐高溫的特點(diǎn)，光纖壓力傳感器能夠適應(yīng)高溫的工作環(huán)境。該類傳感器具有體積小、重量輕、抗電磁干擾、電絕緣等優(yōu)點(diǎn)，使其可應(yīng)用于一些環(huán)境較惡劣的特定場(chǎng)合目前，該類傳感器已有相關(guān)產(chǎn)品問(wèn)世。美國(guó)壓電有限公司、恩德�？斯�、德國(guó)ＨＢＭ公司都已經(jīng)生產(chǎn)出相應(yīng)的產(chǎn)品。大連理工大學(xué)于２００６年設(shè)計(jì)出針對(duì)高溫油井測(cè)量的光纖高溫壓力傳感器系統(tǒng)，該傳感器測(cè)量分辨率達(dá)0.002％。在量程為０~20ＭＰａ壓力范圍內(nèi)，對(duì)溫度測(cè)量的影響小于0.2％，在20～300℃溫度范圍內(nèi)，對(duì)壓力測(cè)量影響小于１％ ；2014年，北京理工大學(xué)提出一種基于飛秒激光加工技術(shù)制作的微納全光纖法珀干涉型壓力傳感器，成功進(jìn)行了從室溫到1100℃溫度范圍的壓力溫度試驗(yàn)。
圖６ 光纖壓力傳感器工作原理 光纖高溫壓力傳感器具有測(cè)量范圍寬的特點(diǎn)，但由于存在制作難度大、成本高、測(cè)量精度低的問(wèn)題，限制了該類傳感器的應(yīng)用，這也是該類傳感器未來(lái)重要的研究方向。 ２ 高溫大壓力傳感器溫度補(bǔ)償方法 溫度效應(yīng)對(duì)壓力傳感器測(cè)試精度存在較大的影響。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究除了采用高性能材料以及從設(shè)計(jì)方法上避免該影響外，溫度補(bǔ)償同樣也是一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。 目前，提高該傳感器測(cè)試性能的方法主要有３種：① 敏感元件材料的選擇及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)選擇性能良好的材料敏感元件并采用理論分析及有限元仿真技術(shù)等方法，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；② 通過(guò)選擇高能元器件并通過(guò)設(shè)計(jì)性能良好、抗噪聲能力強(qiáng)的元器件等，制作相關(guān)的測(cè)試電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能傳感器；③主要針對(duì)傳感器高溫的工作環(huán)境下性能隨溫度變化較大的問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)及算法，來(lái)提高傳感器的測(cè)試性能。本節(jié)主要針對(duì)溫度補(bǔ)償算法研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。 ２.１ 國(guó)外研究現(xiàn)狀 2015年，德黑蘭大學(xué)Ａryafar等人研究了被動(dòng)式補(bǔ)償方法。該方法通過(guò)在壓敏電阻的膜外植入具有負(fù)溫度系數(shù)的多晶硅電阻實(shí)現(xiàn)。該方法使得其溫漂由補(bǔ)償前的（０ ～ ６０ ℃）７ ｍＶ提高到償后的１ ｍＶ。美國(guó)馬里蘭大學(xué)Ｂａｅ［３５］等人于2012年研制出十字軸和同軸的Ｆ-Ｐ（法布里－珀羅）壓力傳感器（如圖７所示），通過(guò)傳感器內(nèi)部的光纖光柵實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量功能，結(jié)合溫度控制器實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償功能。實(shí)驗(yàn)表明，該傳感器在24～48 ℃的溫度范圍內(nèi)，溫度漂移誤差減小了95％。2010年，印度賈達(dá)普大學(xué)等人采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)硅壓阻式壓力傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，實(shí)驗(yàn)表明，傳感器在０~70℃的溫度范圍內(nèi)，滿量程誤差由補(bǔ)償前的９％ ＦＳ 提高到補(bǔ)償后的０ １％ ＦＳ。同年，加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)Ｍｏｈａｍｍａｄｉ［３７］等人將壓力傳和高精度鉑熱電阻集成到一起，通過(guò)高精度溫度傳感器測(cè)量膜片溫度，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù) 圖７ 具有溫度補(bǔ)償功能的ＦＰ壓力傳感器原理簡(jiǎn) ２.２ 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn) 國(guó)內(nèi)也對(duì)溫度補(bǔ)償方法進(jìn)行了研究。2014年，西安交通大學(xué)的機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)了壓力傳感器溫度漂移的補(bǔ)償，使得傳感器的精度、線性度、零溫度系數(shù)和靈敏度溫度系數(shù)分別從補(bǔ)償前的2.57％FS、2.49％FS、８.１ ×１０ － ５ ／ ℃和２９.5 × １０－ ５ ／ ℃，提高到補(bǔ)償后的0.13％ＦＳ、0.15％ ＦＳ、1.17× １０ － ５ ／ ℃和2.1× １０ － ５ ／ ℃。蘇州大學(xué)等人于2013 年選用高階溫度補(bǔ)償模型對(duì)壓阻式壓力傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后的傳感器最大誤差為0.313％ ＦＳ。2.16年，中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院丁苗高等人設(shè)計(jì)了面向橋式傳感器的溫度補(bǔ)系統(tǒng)，在20～70℃溫度范圍內(nèi)，傳感器最大滿量程誤差由補(bǔ)償前的14.63％ ＦＳ 下降到補(bǔ)償后的0.334％ＦＳ。2017年，北京長(zhǎng)城航空測(cè)控技術(shù)研究所和北京航空航天大學(xué)合作，對(duì)28ＭＰａ 量程的大量程硅藍(lán)寶石壓力傳感器溫度補(bǔ)償進(jìn)行了研究。在-20～120℃溫度范圍內(nèi)，傳感器測(cè)量精度由補(bǔ)償前2.25％提高到補(bǔ)償后的0.1％；在120～250℃溫度范圍內(nèi)，傳感器測(cè)量精度由補(bǔ)償前8.44％ ＦＳ提高到補(bǔ)償后的0.34％ＦＳ，極大提高了傳感器在高溫條件下的測(cè)量精度。 ３ 結(jié)論及展望 ３.１ 結(jié)論 ３.２ 展望 目前對(duì)高溫大壓力傳感器研究主要側(cè)重于材料選擇和溫度補(bǔ)償方法方面，與此同時(shí)，如何從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面出發(fā)，通過(guò)巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)提高傳感器測(cè)試精度，減少溫度效應(yīng)對(duì)其影響，也將是該類傳感器的重要研究方向之一 參考文獻(xiàn)： ［４］ 王勁松，遲曉珠．特種傳感器發(fā)展及趨勢(shì)［Ｊ］．計(jì)測(cè)技術(shù)，２０１９，３９（４）：５９ － ６２． |
