浅析高温压力传感器的发展

于艺+于佳+井彬

摘 要：压力传感器的发展对测控工作起着重要的指引作用。常见压力传感器的测量温度都在200 ℃以下，无法精准测量高温下的压力。因此，国内外有很多学者致力于高温压力传感器的研究。主要探讨了高温压力传感器的发展现状、存在的问题及未来的发展趋势。

关键词：高温压力传感器；半导体材料；多晶硅；光纤技术

中图分类号：TP212.1 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.17.042

在现代化科技生产、科研等领域，传感器测量技术被广泛应用于各个监测环节，对整个运行系统发挥着不可替代的作用，特别是在恶劣的环境下，比如发动机、航天飞行器、高速导弹及卫星等耐热腔体和表面各部分的压力测量中，对压力传感器的要求更高。为此，研究高温下能够正常工作的压力传感器具有非常重要的意义。

1 高温压力传感器的研究现状

1.1 SOI高温压力传感器

SOI（Silicon On Insulator）高温压力传感器是由新型半导体材料（SOI）制成而成。作为一种半导体材料，SOI具有半导体的优良性能，比如耐高温、可靠性高等。这些特点也正符合高温压力传感器的设计要求。

目前，美国Kulite公司已采用BESOI技术研发出XTEH-10LAC-190（M）系列超高温压力传感器，最高测量温度可以达到480 ℃；法国的LET1研究所目前也正在研发测量温度能达到400 ℃的SOI高温压力传感器；我国西安交通大学已运用先进的SIMOX技术成功研发出能在250 ℃下正常工作的微压力传感器。这虽然不及外国的研究成果，但在国内也算是一个突破。

1.2 SiC高温压力传感器

SiC（Silicon Carbide（Black））高温压力传感器以新型半导体材料（SiC）为膜片的压阻式力传感器。1997年，Ziermann、Rene、Von Berg和Jochen最早发现了SiC材料并将其应用于单晶n型β-SiC压力传感器的制作中。当时，由这种材料制成的高温压力传感器可承受300 ℃的温度。SiC材料的发现为之后SiC高温压力传感器的发展奠定了基础。而NASA（美国国家宇航局）的Galenn研究中心也曾研发出SiC高温肖特基二极管和最高测量温度可达500 ℃的高温压力传感器。我国西安电子科技大学曾利用APCVD系统成功研发出3C-SiC高温压力传感器。该传感器综合了单晶硅和多晶硅的优点，各项性能指标良好。

1.3 SOS高温压力传感器

SOS（Silicon On Sapphire）高温压力传感器最出现于20世纪80年代，又被称为硅-蓝宝石压力传感器。与硅相比，SOS可以克服温度特性和化学特性，具有良好的机械性能和化学惰性，且不产生滞后效应，是一种非常理想的压力敏感元件。SOS高温压力传感器采用的制造材料——蓝宝石是一种单晶体氧化物，是氧化物晶体中最硬的，具有很好的耐温性、化学惰性、电敏感性、光学性和绝缘性。但是，由于蓝宝石单晶片的成本是硅片的10倍以上，且蓝宝石材料的硬度高、耐腐蚀性强，加工时有一定的难度，因此，SOS高温压力传感器的生产和推广具有一定的局限性。

1.4 多晶硅高温压力传感器

多晶硅是半导体集成电路中应用广泛的一种薄膜材料，最早于1966年由Bower R W和Dill H G在美国华盛顿特区举行的国电子器件会议上提出。多晶硅材料的薄膜结构在很大程度上影响着其物理性能，而其化学性能通常取决于所掺杂的物质类型和浓度。但是直到20世纪80年代中后期，人们才提出利用这种具有较大压阻系数和良好温度特性的多晶硅来制作高温压力传感器。

目前，天津大学的微电子技术研究室已经研发出工作温度为-40～200 ℃、最大量程达10 MPa的多晶硅高温压力传感器；哈尔滨工业大学所研制的多晶硅高温压力传感器的最大压力能达到6 MPa；而美国Foxboro公司已经实现多晶硅高温压力传感器的产品化。

1.5 光纤高温压力传感器

光纤高温压力传感器是利用光的调剂原理制作而成。这种传感器本身具有耐高温的特性，如果在其外层涂上耐高温保护层，可以提高其承受的最大温度。光纤技术自20世纪70年代出现以来，在通讯领域运用得较多。由于该技术抗干扰能力强、储存信息量大，因此被应用于传感器的制备中。但是，光纤技术也有自身的缺点——光纤所涉及到的系统比较复杂，需要有光源、光的调剂、检出手段及光传输中必要的透镜，再加上光纤自身的多元特性不稳定，会对测量精度造成一定的影响，因此，光纤技术在高温压力传感器领域的应用还不够成熟。

1.6 陶瓷厚膜高温压力传感器

陶瓷厚膜高温压力传感器是20世纪70年代被发掘的一种新的传感器，发展速度十分迅猛。此种传感器除了具有耐高温、耐腐蚀、集成化程度高的特点外，成本还特别低。陶瓷厚膜高温压力传感器是借助丝网印刷技术和厚膜传感技术研制而成的，它的工作温度一般可达150 ℃，但由于印刷均匀性对传感器的影响较大，因此一般需要用激光修正。除此之外，陶瓷厚膜高温压力传感器也有一定的缺陷——灵敏度较差。目前，只有瑞士Kistler公司拥有此类产品，其研究范围相对来说较小。

2 高温压力传感器的发展趋势

高温压力传感器的发展水平直接影响到高温核心装备的工作效果。现阶段，高温压力传感器的研究机制仍存在诸多弊端。为了使传感器获得更好的发展，还需要从以下几个方面加以完善：①研发新材料。目前制备高温压力传感器所使用的材料都有一定的缺陷，因此，研发新材料以解决现存问题刻不容缓。②完善加工工艺。加工工艺对产品的效能有着直接的影响，现在除了集成化加工工艺较成熟外，其他工艺效果都不太理想，因此需要新的制备工艺来完善传感器的研制。③研究方法多样化。虽然目前高温压力传感器的种类很多，但是真正实用的却很少。鉴于目前的研究状况，相关人员需要另寻新的研究方法，以全新的思路来弥补当前研究中的种种不足。

参考文献

[1]张玉书，张维连，张生才，等.SOl高温压力传感器的研究现状[J].河北工业大学学报，2005，34（2）：14-19.

[2]颜鹰.MEMS高温压力传感器若干关键技术的研究[D].武汉：华中科技大学，2005.

〔编辑：刘晓芳〕