宽温区工作压力传感器热力学研究

姚东媛， 谢胜秋， 王俊巍， 吴佐飞

(中国电子科技集团公司 第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

宽温区工作压力传感器热力学研究

姚东媛， 谢胜秋， 王俊巍， 吴佐飞

(中国电子科技集团公司 第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

介绍了硅—蓝宝石压力传感器的钛合金—蓝宝石复合弹性膜片在宽温区工作时温度变化材料不匹配引起的结构热应力，对弹性膜片的受热情况进行了分析，对不同结构形式传感器热稳定性影响程度进行了对比，利用P型掺杂硅温度特性减少结构热应力影响、降低传感器的热零点漂移。通过膜片结构选择和设计、材料选择、工艺优化和控制等可以使硅—蓝宝石压力传感器在-55～350 ℃宽温度范围内工作时热漂移不大于0.015 %FS/℃，提高了宽温区工作时传感器的热稳定性。

硅—蓝宝石； 压力传感器； 弹性膜片； 热特性

0 引 言

随着工业自动化水平不断增强，市场对测量与控制系统相应地提出了更高的需求，这就要求其测量元件(传感器)具有更高的精度和更强的适应能力。以往在系统中许多高低温压力测量由于传感器材料不耐高低温而多采用散热管等方法进行间接测量，无法直接反映真实的工况情况。采用耐高低温的压力传感器能够解决这一方面的问题，满足系统实时、准确的测量要求。普通工业级压力传感器的工作温度范围通常为-40～85 ℃，无法满足一些特殊温度下压力信号的直接测量。目前，用于温度低于-55℃和高于125 ℃介质压力直接测量的压力传感器主要有：溅射薄膜，SOI，SiC和硅—蓝宝石压力传感器等。其中，硅—蓝宝石压力传感器采用Al2O3介质隔离，可在-55～350 ℃温度范围内长期工作，具有制造工艺简单、质量轻、测量压力大、工作温度范围宽、耐高低温、耐腐蚀、抗辐射等特点，能在最恶劣条件下可靠工作。硅—蓝宝石压力传感器属高端产品，主要用于航空航天等军事领域，鉴于其良好的耐高低温和耐腐蚀特性，产品也广泛用于舰船、石油、化工、发电场、核电站等行业的高低温压力测量[1～3]。

压力传感器在宽温区工作时，由于不同材料热特性的影响，温度变化使钛合金—蓝宝石复合弹性膜片上产生结构热应力，影响到传感器的热稳定性。热稳定性是衡量传感器质量的重要指标参数，为了提高压力传感器在宽温区工作的热稳定性，需要降低结构热应力的影响。

1 传感器的结构

硅—蓝宝石压力传感器依据硅压阻效应原理，采用蓝宝石介质绝缘材料隔离。蓝宝石材料脆性大、易碎裂，若直接用于测量会在失效时造成系统泄漏，为了提高传感器的可靠性，弹性结构由金属膜片—蓝宝石复合而成，即传感器的压力敏感组件由金属膜片和压力敏感芯片组成，两者之间采用钎焊工艺构成刚性周边固支弹性圆形平膜片结构，典型传感器压力敏感组件结构示意图如图1所示。金属—蓝宝石弹性膜片在均匀压力作用下产生形变，硅—蓝宝石压力敏感芯片上的惠斯登电桥压敏电阻将弹性膜片的形变转换为电压信号。

图1 传感器压力敏感组件的结构示意图

2 热分析

2.1 压力敏感材料选择

蓝宝石(Al2O3)为电阻率大于1 011 Ω·cm以上的单晶绝缘体，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象，有良好的弹性和绝缘性，低温可达到-270 ℃、高温可达1 000 ℃以上，是一种良好耐高低温的衬底绝缘材料[4，5]。在蓝宝石上外延与其晶格匹配的掺杂单晶硅，利用硅压阻效应和平面工艺可加工成硅—蓝宝石压力敏感芯片。

钛在高温能保持较高的比强度，钛合金TC11为一种耐高温材料，工业纯钛及钛合金的机械特性如表1，同时在低温条件下工业纯钛抗拉伸变形能力有明显提高、延伸率降低，决定其合金在低温下也能保持良好的韧性，适于弹性结构设计和制作。另外钛合金密度小、耐腐蚀，可用于重量要求轻、直接接触腐蚀性的液体和气体的环境[6，7]。

表1 钛及钛合金不同温度下的机械性能

2.2 钛合金—蓝宝石结构热特性分析

利用弹性元件力学特性，平膜片除图1所示的典型E型膜片结构外还有C型，以及E型双膜片，通过选择结构形式和设计膜片厚度、半径等参数，使膜片保持弹性形变、实现不同量程压力—应变线性转换[8，9]。

根据钎焊原理选用银—铜焊料进行钛合金和蓝宝石的钎焊，钛合金—蓝宝石结构所用材料的性能参数如表2，不同材料机械性能和热特性存在一定差别，因此,钛合金、蓝宝石和银铜焊料组成的多层结构在温度变化时将产生热应力。使用ANSYS有限元软件进行热力学仿真。

分析在钛合金—蓝宝石结构钎焊工艺过程中硅—蓝宝石界面上产生的热应力分布情况，图2给出了工艺过程中温度由810 ℃降到室温时典型E型膜片的蓝宝石—银铜焊料—钛合金多层结构的仿真结果，分析表明：钎焊降温过程中膜片结构在蓝宝石表面压敏电阻条分布区域内产生压应力。通过控制钎焊工艺降温方式和速率能够降低一部分结构热应力，但无法完全消除。

表2 不同材料的性能参数

图2 钎焊工艺过程膜片热应力分布情况

分析在钛合金—蓝宝石结构使用过程中硅—蓝宝石界面上产生的热应力分布情况，图3给出了温度由-55 ℃变到150 ℃时C型膜片,E型膜片,E型双膜片三种蓝宝石—银铜焊料—钛合金多层结构的仿真结果。

图3 使用过程中膜片热应变分布情况

分析表明:

1)温度变化205 ℃时，三种结构膜片(C型膜片,E型膜片,E型双膜片)在蓝宝石表面压敏电阻条分布区域内分别产生20，90，185 MPa左右热应力，均为拉应力。

2)三种结构膜片热应力产生的形变由小到大的顺序依次为C型膜片,E型膜片,E型双膜片，分别为1.0×10-4，2.4×10-4，4.5×10-4MPa。

3)热形变对蓝宝石上的压敏电阻电桥零点输出影响达到了满量程输出设计值的25 %～100 %。

在宽温区工作时不同材料构成的复合结构之间产生的热应力受温度变化影响较大，可导致传感器的热稳定性指标下降，故减少结构热应力影响方法的研究是十分重要的。

减少热应力常用方法是选择热胀系数相近的材料，蓝宝石和钛合金是耐高温结构，钎焊需使用硬钎焊料，常用的硬钎焊料有银基、铜基、镍基、金基等，这些焊料的热胀系数也都达到蓝宝石材料的1.5～2倍，因此焊料引起的结构热应力是不可消除的；钛合金—蓝宝石弹性膜片是固支刚性结构，不能通过设计结构间隙、减少固支边厚度、应力释放槽等方法减少或消除结构热应力；通过以上分析，设计上无法消除钛合金—蓝宝石结构上的热应力。

2.3 硅的热特性分析

由半导体压阻效应原理可知，硅的电阻相对变化率是压阻系数π和应力σ的乘积，即ΔR/R=Δρ/ρ=πσ。恒流源供电模式下惠斯通电桥输出电压是电流I和电阻变化ΔR的乘积，即U=IΔR。因此,应力变化会使电桥输出电压产生变化。

硅压力传感器零点输出是不施加压力载荷时的输出信号，理论设计时要求惠斯通电桥4个桥臂完全一致、传感器的零点输出为零，而实际材料和工艺决定了桥臂电阻不会完全一致，即其零点输出不为零。常温时零点输出是由惠斯通电桥桥臂电阻阻值不对称引起的；当温度变化时传感器零点输出产生的热漂移包含有：电桥桥臂电阻阻值不相等、电阻温度系数不相等、膜片结构热应力引起的电桥输出变化。

根据压阻式压力传感器的工作原理，在蓝宝石上外延(100)面的单晶P-Si、在平膜片周边沿(110)向设置压敏电阻条，硅的压阻系数是各向异性的，此时压阻系数π44大，可以提高传感器灵敏度[10]。不同掺杂浓度硅的压阻系数π44温度特性是不同的[6]，图4给出了P型硅掺杂浓度、压阻系数与温度的关系，结合电阻相对变化率、压阻系数和应力之间的关系，利用这些关系可以选择压阻系数随温度升高而降低的掺杂硅，制成压力敏感电阻，与结构应力引起的热零点漂移方向相反，可以减少部分结构热应力的影响。

图4 压阻系数与温度的关系

硅压力传感器掺杂浓度NS一般在3×1018～3×1020cm-3范围内选取，这个掺杂浓度范围可以提高传感器的灵敏度，同时对恒流源压敏电桥热灵敏度温漂有补偿作用。所选范围内P型硅掺杂浓度越高压阻系数π44随温度变化越小、对温漂影响越小，但灵敏度会降低，综合考虑灵敏度、压阻系数温度特性、多层结构热应力影响等方面，另外实验验证硅—蓝宝石的输出相对变化率随温度变化最小的硅掺杂浓度为8×1019cm-3，因此,选用该掺杂浓度的P型硅设计硅—蓝宝石压力敏感芯片[7]。

3 实验与分析

使用掺杂浓度为1×1020，8×1019cm-3的硅—蓝宝石原片制作压力敏感芯片，测试芯片在-55 ℃，室温及150 ℃温度下的零点输出，对每批芯片的测试数据进行统计。表3给出了几个典型测试数据，由测试结果可知，受金属膜片结构、可加工性限制硅—蓝宝石芯片和压敏电阻条尺寸设计较大、工艺离散性等原因会造成其零点输出偏大、且数据离散，因此，在芯片的非应变区域内设计了零点输出可调整电阻，将芯片的零点输出调整控制在一定范围内[11]。由于硅掺杂迁移和fm能级效应的影响使蓝宝石压力敏感芯片的压敏电阻存在温度漂移，包含了电阻阻值和温度系数的影响，比较两种掺杂浓度芯片的测试数据，掺杂浓度为1×1020cm-3的硅—蓝宝石原片制作压力敏感芯片热零点漂移要比8×1019cm-3的小，验证了设计选择的正确性。

表3 压力芯片热零点漂移测试数据

用表3的压力敏感芯片制作成E型双膜片压力传感器，选用掺杂浓度为1×1020cm-3的同批次压力敏感芯片制作成E型和C型膜片压力传感器，测试这些传感器在-55 ℃、室温和150 ℃温度下的零点输出见表4和表5，实验和测试结果表明：

1)钎焊工艺过程中钛合金、焊料和蓝宝石三种材料之间的热胀系数不同使蓝宝石上表面在电阻分布区域内受到压应力，使敏感芯片与金属膜片钎焊后传感器的室温零点输出均减少。

2)多层膜片结构使用过程温度升高使芯片的热零点漂移增大、增量小于热应力带来的影响，说明硅压阻系数随温度的变化抵消了一部分热应力的影响。

3)三种膜片中结构引起热零点漂移由小到大的顺序依次为C型膜片，E型膜片，E型双膜片，与热应力仿真分析结果相符；只要量程允许，分析不同形式膜片受热影响程度，选择热应力影响小的结构形式，再设计和优化膜片和芯片的尺寸参数，满足压力—应变线性转换、抗过载等指标要求，同时又可以使结构热应力对热零点漂移影响降低。

4)氧化工艺会使硅的掺杂浓度降低，测试氧化后1×1020cm-3变为8×1019cm-3；8×1019cm-3变为5×1019cm-3。由于8×1019cm-3蓝宝石上掺杂浓度P型硅的压阻系数π44随温度变化大，使得掺杂浓度为1×1020cm-3原片制作的传感器要比8×1019cm-3的热零点漂移小，因此，硅—蓝宝石传感器产品设计和制造时使用1×1020cm-3的原片。另外，氧化工艺对掺杂浓度影响较大，影响传感器的热零点漂移，因此，需要严格控制氧化工艺过程。

表5 E型和C型膜片压力传感器热零点漂移测试数据

将压力芯片调零后封装成传感器，采用并联电阻分流的方法进行温度补偿，测试-55～350 ℃温度范围内热零点漂移和热灵敏度漂移达到0.015 %FS/℃以内，传感器的温漂小、热稳定性高，因此，硅—蓝宝石压力传感器能够满足高低温的宽温区工作的要求。

4 结束语

采用钛合金和蓝宝石耐高、低温材料和结构的硅—蓝宝石压力传感器，在宽温度区工作时材料之间不匹配产生的结构热应力使硅—蓝宝石芯片热漂移增大，不同结构形式的膜片所受的影响程度是不同的，选择适合的膜片结构形式，通过设计膜片和芯片的尺寸参数，可以使结构热应力对热零点漂移影响降低，再利用硅压阻温度特性、设计选择适合的掺杂浓度可以消除一部分热应力的影响，可以提高传感器的热稳定性，使产品在-55～350 ℃工作温度范围的热漂移不大于0.015 %FS/℃,热稳定性高，适用于高、低温宽温区压力的直接测量。

[1] 张晓莉,陈水金.耐高温压力传感器研究现状与发展[J].传感器与微系统,2011,30(2):1-4.

[2] 何文涛,李艳华，邹江波，等.高温压力传感器的研究现状与发展趋势[J].遥测遥控,2016,37(6):61-71.

[3] 段 磊.新型宽温区压力传感器技术[J].仪表技术与传感器,2009(12):17-18.

[4] Toshiyuki Nakamura,Hideaki Matsuhashi.Silicon on sapphire(SOS)device technology[J].Oki Technical Review,2004,71(4):67-69.

[5] Nagatomo Y,Reedy R E.Latest trends of SOS(silicon on sapphire)technology[J].Denshi Zairgo,2003,42(5)A:1-8.

[6] 张喜燕,赵永庆，白晨光，等.钛合金及应用[M].北京:化学工业出版社，2004:22-23.

[7] 庞彥召.大塑性变形工业纯钛力学性能的研究[D].昆明:昆明理工大学,2016:16-17.

[8] 谢胜秋,姚东媛，张丽新，等.有限元仿真在硅—蓝宝石高温压力传感器双膜片设计上的应用[J].计量与测试技术,2010,37(4):29-32.

[9] 闻 化.张爱平，张 枫，等.硅—蓝宝石高温大量程压力传感器设计[J].传感器与微系统,2007,26(12):97-99.

[10] 李科杰.新编传感器技术手册[M].北京:国防工业出版，2002:490-496.

[11] 姚东媛,文 彬，谢胜秋，等.硅—蓝宝石压力传感器芯片调整电阻的设计[J].传感器技术,2004,23(9):40-41.

Study on thermodynamics of pressure sensor in wide temperature range

YAO Dong-yuan， XIE Sheng-qiu， WANG Jun-wei， WU Zuo-fei

(The 49th Research Institute，China Electionics Technology Group Corporation，Harbin 150001，China)

When a silicon-on-sapphire(SOS)pressure sensor is used in a wide temperature working range, structure thermal stress will be caused by the material mismatch,since the elastic membrane is composed of titanium alloy and SOS.The thermal process of elastic membrane is analyzed,influence on thermal stability of different structure sensor is compared,to reduce the influence of structure thermal stress,by temperature characteristics of P type doped silicon,and reduce thermal zero point drift is decreased.Through membrane structure selection and design, material selection, process optimization and control,zero point thermal drift of SOS pressure sensor operated at -55～350 ℃ temperature range not more than 0.015 %FS/℃.Meanwhile,the thermal stability of the sensor is enhanced in a wide temperature range.

silicon-on-sapphire(SOS); pressure sensor; elastic membrane; thermal performance

2017—04—10

10.13873/J.1000—9787(2017)06—0028—04

TP 212

A

1000—9787(2017)06—0028—04

姚东媛(1971-)，女，高级工程师，主要从事压力传感器研究工作。