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什么是耐高温压力传感器以及发展现状

2018-06-21 14:10:23  

摘要:高温压力传感器广泛应用于火箭发动机、航空发动机、重型燃气轮机、燃煤燃气锅炉等动力设备燃烧室内的压力监测。经过二十多年的研究,高温压力传感技术领域成果丰富。以敏感芯片的主体材料分类,对高温压力传感器的研究现状进行论述,重点分析基于SOI、SiC、蓝宝石、共烧陶瓷、压电晶体、SiCN陶瓷等材料的高温压力传感器的特点与局限以及国内外发展现状。最后展望高温压力传感器的发展趋势,并对国内高温压力传感器的发展方向提出建议。

引言

火箭发动机、航空发动机、重型燃气轮机、燃煤燃气锅炉等动力设备的主要部件处在高温恶劣环境,燃烧室温度甚至超过2000℃。利用高温传感器可对喷嘴燃烧室、压气机、叶片等关键部位的压力、温度等参量进行实时监测,提高燃烧性能和推进效率,并对部件健康状态进行评估。

液体火箭发动机的推力室主要由推进剂喷嘴、燃烧室、喷管组件等装置组成。当喷嘴处的压力足够高时,就会形成喷嘴阻流和超音速射流,大部分的热能就可转换成动能,对喷嘴处压力的实时监测有助于优化发动机燃烧室收缩比设计,可提高火箭发动机的推进效率。燃烧室点火延迟数毫秒都会导致过量液体进入,引起灾难性后果,通过燃烧室压力监测可精确控制点火时间,避免燃烧室“硬启动”。燃烧室的间歇性燃烧、振荡燃烧会导致燃烧室隔热边界层变薄、运载器受损等后果。获取燃烧室内部、推进剂喷嘴处的实时压力,评估压力的低频振动,估算室压响应时间,对减少间歇燃烧、振荡燃烧,提高燃料的燃烧率,增强火箭的安全性具有重要意义。重型燃气轮机是发电机组、大型船舰的动力

来源,其结构复杂、参数多,工况多变。随着G、H级燃气轮机的普及,对燃气轮机的稳定性要求也越来越高。对涡轮、压气机、燃烧室、轴承的温度、压力、振动等参量的监控,可降低燃气轮机的故障率,减少15%~20%的维护成本。另外,监测初气温度及燃烧室的压力,对提高煤气转化效率,减少CO2、CO、SO2、NO、等气体的排放具有重要意义-习。高温压力传感器在航天、航空、国防建设、能源开发等领域有着广阔的应用需求。常温MEMS压力传感器主要以硅(Si)基压力传感器为主,在100℃工作温度范围内,商业化的Si压力传感器工艺成熟、体积小、性能好,但是当其在超过120℃环境使用时,内部PN结会出现漏电,传感器性能下降甚至失效。另外,Si材料在大于500℃时还会发生塑性变形,不能满足高温环境下压力测量的需求。为此,国内外学者将目光投向其他材料,研究耐高温材料制备高温传感器的可行性。

通过二十余年的研究,高温压力传感技术领域的研究成果丰富。本文论述几种典型高温压力传感器的研究进展,对比分析各自的优缺点,介绍国内外研究现状,并展望高温极端压力传感器的发展趋势。

1高温压力传感器的发展现状

压力传感器的分类方法有很多,可按照压力敏感原理分,也可按敏感芯片的构成材料分。高温传感器实际上是伴随高温材料发展而发展的,传感器的使用温度与传感器压力敏感单元主体材料的高温特性相关,因此本文将根据敏感芯片的构成材料对现有高温传感器的发展现状进行概述。

1.1基于SOI的高温压力传感器

SOI(Silicon On Insulator)高温压力传感器从原理上说是一种硅压阻式压力传感器。利用sOI的单晶硅膜制备的压敏电阻条,其灵敏度较多晶硅电阻条高,且在高温下仍具有较好的压阻效应;在相同尺寸下,SOI结构的漏电流比硅PN结低3个数量级,因此SOI材料适合研制高温压力传感器。

目前,美国Kulite公司采用BESOI(Back-etching SOI)技术研发了XTEH-10LAC-190(M)系列高温表压传感器,实现了无引线封装,可在480℃下长期稳定工作,代表了目前SOl压力传感器的最高水平(1。2009年,马里兰大学-巴尔迪默分校的Guo Shuwen 等人研制了基于极薄重掺杂压阻膜的 SOI

高温压力传感器,在将压阻膜厚度减小到0.34um、载流子浓度提高到2×l018cm3时,传感器短时间最高工作温度达到600℃;传感器在500℃高温下连续工作50个小时后,满量程输出偏离小于0.19%。

除此以外,意大利Gefan公司和法国的LET1研究所研制的SOI 高温压力传感器均能在400℃下稳定工作。国内西安交通大学采用SIMOX(Separation by Implantation of Oxygen)技术成功研发出能在250℃下工作的压力传感器产品,天津大学、中北大学也进行了相关的研究,目前仍处于原理样机阶段,主要指标及长期稳定性较Kulite的产品仍有较大差距, 高温压力传感器制备工艺相对成熟,也是目前市场上最常见的一种高温压力产品。但受高温下硅压阻系数退化、高温漏电流增大以及硅高温蠕变等因素的限制,传感器难以在500℃或更高温度的环境下长期工作。

1.2基于蓝宝石的高温压力传感器

蓝宝石是Al₂O;的晶体结构,熔点达到2040℃,具有良好的光学特性、绝缘性,在1500℃时机械性能良好,是制备高温传感器的理想材料。目前基于蓝宝石的高温传感器主要有两大类:①基于sOS(Silicon on Sapphire)结构的应变式压力传感器;②基于蓝宝石的光纤式压力传感器。

1.2.1SOS高温压力传感器

SOS 高温压力传感器是在二十世纪八十年代提出的一种薄膜应变式压力传感器,它通过在蓝宝石晶体上异质外延生长单晶硅薄膜,并利用干法刻蚀制作硅压阻结构。SOS高温压力传感器具有频带宽、耐腐蚀、抗辐射等优点,它在国外已成为一种常规传感器产品,Omega等公司产品的工作温度达到350℃,国内中电四十九所研制了量程分别为60MPa和100MPa的SOS压力传感器,精度优于0.1%,迟滞与重复性均优于0.05%FS。由于难以形成真空绝压腔,SOS 高温压力传感器多为大量程的表压传感器,而外延单晶硅薄膜与蓝宝石间的晶格失配大,存在较大的失配应力,限制了这种传感器的使用温度。

1.2.2蓝宝石光纤式高温压力传感器

光纤式传感器具有测量精度高、抗电磁干扰、抗辐射、工作温度高、易组网、可实现多参量测量等优点,适合应用于燃气轮机、航空/航天发动机等高温恶劣环境,目前已成为高温压力传感器的热门研究方向,欧美国家在二十年前已开始研究高温恶劣环境下的光纤压力传感技术,主要有光棚光纤式和法布里-珀罗(Fabri-Perot)干涉光纤式两种实现方式。光棚光纤式压力传感器灵敏度较低,适用于公路铁路安全监测、桥梁隧道安全监测、石油化工等高压测量领域。F-P干涉光纤式高温压力传感器如图1所示。F-P干涉测压原理如图1(a)所示,激光在通过F-P腔时形成多条反射光,利用反射光干涉特性反演得到腔长,再通过腔长与压力的关系实现压力测量,通过调整感压膜厚度能制备不同量程的压力传感器。

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随着蓝宝石微加工技术的丰富和成熟,基于全蓝宝石F-P腔的光纤传感器已成为高温传感器的一个重要研究方向。位于英国牛津郡的Oxsensis 公司从2005年开始研制基于法-珀腔干涉原理的光纤式高温压力传感器(如图1(b)所示),已从单一测压传感器产品发展到现在多参数测量系统,可同时测量压力、温度、振动、流量等参数。该公司的温度、压力、振动产品的工作温度均达到1000℃,与阿尔斯通、西门子、斯奈克玛等燃气轮机厂商合作广泛。2015年Oxsensis 还联合GE公司提出了基于超高温光纤传感器的压缩机主动稳定管理系统的研制计划,该系统包含若干传感器及微执行器,打破了传统测量系统只进行被动监测的局面。美国Virginia理工大学的Wang Anbo等人利用蓝宝石的ICP

干法刻蚀及蓝宝石的热压键合工艺,制作了全蓝宝石结构的F-P腔,如图1(c)所示,封装完成的压力传感器如图l(d)所示,该传感器的最高使用温度达到1500℃。另外,Florida 大学Sheplak Mark

课题组、美国Luna Innovation公司、欧洲航空局等研究机构都开展了基于蓝宝石F-P腔超高温传感器的研究,研究内容集中于F-P腔的制备新方法、传感器的低应力封装以及进一步提高传感器工作温度的方法9201。国内关于蓝宝石光纤压力传感器的研究还较少,电子科技大学的饶云江课题组研制了传感器样机,但仅进行了常温压力测试,高温压力传感器样机尚未见报道。

1.3基于SiC(Silicon Carbide)的高温压力传感器碳化硅作为第三代直接跃迁型宽禁带半导体材料具有优良的抗辐照特性、热学性能、抗腐蚀性。

Sic晶体形态较多,常用于研制高温压力传感器,包括a型的3C-SiC和B型的4H、6H-SiC,其中B-SiC

在1600℃时仍能保持良好的机械强度,在制备高温传感器方面有广阔的应用前景。目前,SiC的干法刻蚀、欧姆接触制备、SiC-SiC圆片级键合等微加工技术已基本成熟,基于SiC的高温传感器已成为高温传感器的热门研究方向。基于SiC的高温压力传感器主要包括压阻式、电容式两大类,基于全SiC

材料和F-P腔原理的光纤式高温压力传感器目前还在研制中。

1.3.1SiC压阻式高温压力传感器

压阻式压力传感器灵敏度较高,工艺较为简单,可靠性高,是目前SiC压力传感器研究的热点,也是成果最多的一种方案。1997年,德国柏林工业大学的Zeirmann 等人在SOI结构上生长了一层3C-SiC 薄膜,并利用RIE刻蚀出压敏电阻实现压力测量,工作温度达到450℃。NASAGlenn研究中心在压阻式压力传感器方面的研究开展得比较深入,该中心率先实现了全SiC结构的压敏芯片,结构示意图如图2(a)所示。压力敏感结构以6H-SiC作为基底,利用同质外延掺杂、干法刻蚀技术形成PN

结和压阻结构,再使用Ti/TaSi/Pt 膜系实现欧姆接触。传感器的样机如图2(b)所示,最高工作温度能达到750℃。国内中电十三所、清华大学、中北大学等研究单位也进行了相关研究,但目前还停留于SiC微加工技术的研究。限制SiC压阻高温传感器工作温度的因素有两个:①高温下外延6H-SiC薄膜的压阻效应退化,Glenn中心的数据表明,6H-SiC薄膜在室温下的压阻系数为30,而在600℃时降为10-15;②SiC欧姆接触的使用温度限制,Ti/TaSi/Pt、Ta/Ni/Pt 等欧姆接触膜系的长期使用温度均不高于800℃。

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1.3.2SiC电容式压力传感器

电容结构的压力传感器具有灵敏度高、动态响应快、温度稳定性高的特点。美国西储大学对电容式高温压力传感器进行了深入的研究,2004年该校的Young Darrin J等人利用APCVD在硅衬底上沉积3C-SiC 薄膜制备了压力传感器,压力敏感单元结构如图3(a)所示,由于感压膜较薄,该传感器工作时,膜的中心与底部接触。这种传感器的最高工作温度可达到400℃,该温度下的灵敏度为7.7fF/torr。2008年该校的Chen Li又提出一种全SiC结构的电容式压力传感器。在该方案中Chen利用低温氧化物LTO(Low-temperature Oxidation)作为牺牲层和密封材料,该种传感器的最高工作温度为574℃2】。另外,法国LETI研究所也开展了SiC电容式高温压力传感器的研究,主要技术指标:工作温度高于600℃,量程65kPa-145kPa,灵敏度1pF/100kPa,非线性<1%FS,精度<1%FS25】。国内北京遥测技术研究所的尹玉刚等人工作较为突出,研制了基于4H-SiC的全SiC电容式高温微压传感器(如图3(b)所示),工作温度可达到600℃,实现了0~3kPa的微压测量,全温区精度达到3%,达到国内领先水平。与压阻式高温压力传感器类似,电容式高温压力传感器的工作温度同样受限于SiC欧姆接触的工作温度,另外高温下绝缘层漏电流的增大会降低电容测量精度。

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1.3.3SiC法-珀腔光纤式高温压力传感器除压阻式和电容式压力传感器外,利用高阻SiC光阻较小的特点,研制基于全SiC的F-P腔光纤式高温压力传感器成为新的研究热点。这种传感器的原理如图4(a)所示,首先利用SiC构成F-P腔,然后利用蓝宝石光纤形成光路。美国Luna公司、NASA格林研究中心、Central Florida大学等机构都开展了SiC光学高温传感器的研究,研究方向集中在利用SiC-MEMS技术与光纤技术相结合,实现全

SiC结构的敏感头(如图4(b)所示)。其中,Central Florida大学实现了SiC敏感头的1600℃光纤温度传感器,这间接证明了SiC 材料可用于光纤传感器的研制。近年来NASA正在研究应用于高温环境的SiC光纤,目前已可在1300℃下工作【503】。虽然目前还没有基于SiC的F-P腔光纤高温压力传感器样机的相关报道,但可以预见以SiC 敏感头、SiC光纤以及SiC陶瓷封装构成的全SiC 高温传感器,将以其耐高温、低热应力、高可靠性的特点成为解决高温参数测量的有效手段。

除对SiC压力传感器的研究外,NASA格林研究中心与加州大学伯克利分校的Pisano 课题组早在2009年就合作研究基于SiC的高温多参数集成无线测量系统,并在该领域取得了一系列的研制成果。该中心开发的一种在涡轮叶片上使用的多参数无线检测系统,包含基于AIN的能量收集模块(电源)Sic 高温电路、SiC单片多物理量敏感集成模块和RF射频模块,实现了恶劣环境下无源、无线、多参数复合测量【32】。2015年NASA在高温电路上的研究已取得突破性进展,电路模块可在500℃下长期工作。SiC单片多参数集成高温传感器配合高温电路使用,可以完全摒弃电路的隔热装置,对降低飞行器非必要载荷、提高安全性具有重要意义。

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1.4基于共烧陶瓷的LC谐振、高温压电材料的声表面波无线高温压力传感器无线测压可实现电性连接、调理电路与高温热源的物理隔离,有助于大幅度提高传感器的可靠性。

无线式压力传感器主要有以下几种:基于LC谐振的压力传感器、基于声表面波SAW(Surface Acoustic Wave)的压力传感器以及基于微波反向散射的压力传感器】,目前对微波反向散射式压力传感器的研究还比较少,本节主要对前两种无线传感器的研究进展进行分析。

1.4.1基于共烧陶瓷的LC谐振式高温压力传感器这种传感器的敏感芯片通常内含LC谐振结构,如图5(a)所示,利用LC谐振频率与压力的关系,并通过电感耦合读取阻抗谐振频率实现压力的测量。现有的LC 谐振式压力传感器主要通过共烧陶瓷工艺制备。相比半导体材料,共烧陶瓷具有绝缘性好、分布电容小、工艺难度较低等优点。根据烧结温度不同,共烧陶瓷可分为低温共烧陶瓷LTCC(Low Temperature Co-fire Ceramic)和高温共烧陶瓷HTCC(High Temperature Co-fire Ceramic)两种。1998年Georgia 理工学院的Allen MarkG等人首次研制了基于LTCC材料的LC谐振型无源高温压力传感器,可稳定工作于450℃,2009年他们又利用HTCC材料将传感器的工作温度提高到600℃【334】。瑞典Uppsala 大学的Stureson P等人利用

HTCC 材料和后烧铂浆料制作感压结构和电感线圈,将传感器的温度进一步提高到1000℃,但1000℃

时传感器的Q值降低到3以下,谐振点检测难度大,图5(b)为传感器在1000℃下的工作情况【】。国内中北大学的熊继军课题组在共烧陶瓷领域研究较为深入,2014年该课题组研制了基于HTCC的传感器,工作温度达到800℃,测压上限为2Bar,线性度为0.93,处于国内领先水平。

这类高温压力传感器的研究已有近二十年,但目前仍未见相关产品的报道。限制此类传感器发展的最大瓶颈是无线测压的距离,由于电感有效耦合距离与线圈的外径相当,使得传感器面临着小型化与可靠性的矛盾。另外,耐高温高Q值电感结构的制备、丝网印刷的精度、敏感芯片制备的一致性等技术难题都制约了这种传感器的进一步发展。

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1.4.2基于压电材料的声表面波无源无线高温压力传感器声表面波传感器是一种利用压电材料的压电效应与逆压电效应形成并利用SAW工作的电子器件。

SAW的本质是沿基片表面传播的声波,其能量集中,使得SAW对压电结构表面扰动的物理、化学等参量相当敏感,可以制作各种具有高灵敏度的传感器。集成天线后SAW传感器可实现无源无线测量,适合在高温、辐射、易爆易燃等极端恶劣环境下工作。SAW传感器还具有体积小、精度高、工作温度高、易组网、耦合距离远的优点,是一种非常有发展前景的新型压电式传感器。SAW传感器的性能受压电材料性能影响较大,目前可用于高温环境的压电材料包括LGX(LasGasSiO14)、YCOB

(YCaiO(BO3)3)AlN、ZnO等,其中LGX和AIN 在高温传感器研制方面应用最为广泛【38】。美国缅因大学研制了一种能工作到850℃的延迟线型无源SAW温度传感器,随后美国 Environetix公司在此基础上,开发出了能工作到925℃的温度传感器39】;卡耐基梅隆大学研制了基于LGS/ZnO基底的无源氧气传感器,能工作到650℃【40,目前SAW压力传感器的研究成果还较少,Environetix等多家公司正在研制基于LGS的SAW 高温压力传感器,但还没有公开的直接资料。缅因大学利用LGS(0°,138.5°,26.7°)切型制备的高温压力传感器,工作温度达到500℃,但由于资料较少,目前还没有该传感器的具体性能指标,从仅有的数据可知该切型制作的压力传感器线性度较差,温度和压力耦合较严重】。限制LGS在高温SAW压力传感器上应用的主要因素有:①在真空或氧分压较低的环境中,当温度高于700℃时,LGS晶体中的氧、原子向电极扩散,导致电极的氧化或变性;②温度压力解耦难度大;③封装结构的耐温特性及热应力有待改善。德国莱布尼兹固态与材料研究所的Gayatri利用新型压电材料CTGS(CasTaGasSizO14)与W电极结合的方式制作了SAW器件,并与LGS、P/Rh 方案进行了比较,实验结果证实CTGS能在800℃真空环境下长期稳定工作,为SAW高温压力传感器的研究提供了新的方向【42】。

国内中科院声学所、重庆大学、电子科技大学、浙江大学、上海交通大学等单位在从事 SAW传感器研究方面取得了一定的成果,但目前多集中于常温压力或温度传感器的研究,高温压力领域仍为空白43】。山东大学研究了BazTiSizOs晶体机电耦合性能的稳定性,结果表明在25℃~700℃内压电系数

dis和d3s”的变化率分别为6%和4.5%,Z-轴在600℃下的电阻率仍大于3.6×10°Qcm,且容易得到高质量大尺寸单晶,在高温传感技术领域的应用极具前景【】。

总的来说,目前SAW高温压力传感器的研究仍都处于实验室阶段,相关产品还未见报道,但随着新型压电材料的发展及新性能的发现,SAW压力传感器将成为高温传感领域的热门研究方向。

1.5基于SiCN(Silicon Carbide Nitride)陶瓷的高温压力传感器

SiCN是一种新型的聚合转化非晶陶瓷,具有低密度、耐高温、抗氧化、热稳定性好等优点,在1800℃时仍处于非晶常态,1500℃下能长期保持良好的机械性能,其电学特征优异,通过不同的掺杂可具备低电阻率或高压阻系数特征,在高温领域具有广阔的应用前景。目前对SiCN陶瓷的研究主要集中在材料特性的研究,在高温传感器领域的应用还较少。美国Sporian Microsystems公司研发了一种前驱体紫外敏感的SiBCN材料,大大提升了这种材料的可加工性,而硼掺杂又使得该材料具有较好的压阻特性。利用该材料,Sporian公司为美国空军研制了一种发动机用高温压力传感器,测压上限达6.8MPa,可在1400℃下长期工作,并在1800℃下进行了短时间测试。图6为该传感器的制备方法及样机【45】。除压阻式外,Cheng Haitao等人还利用电阻率较低的SiAICN陶瓷制作了基于LC谐振的压力传感器,传感器的谐振频率约12GHz,可实现1050℃下压力的测量。与电感耦合不同,该传感器自带

RF天线,感应距离较大【4】。

SiCN材料的高温特性非常优异,国内厦门大学、湖南科技大学也开展了该种材料的特性研究,但基于该材料的传感器在高温方面的应用还未见报道。目前这种材料的加工手段还非常有限,难以制作复杂精细结构。随着微加工技术的拓展,基于SiCN的高温传感器将有更广阔的应用前景。

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2发展趋势

高温压力传感技术的发展可谓日新月异,各种原理的实现方法层出不穷,归结起来,高温压力传感器的发展趋势包括以下几点:

①基于SiC的高温传感器正逐步成为高温传感器领域的主流研究方向经过二十多年的发展,SiC以其优良的高温机械特性、易加工性以及半导体材料自身的优点,已广泛应用于高温传感器的研制。不同原理的基于SiC的高温压力传感器不断涌现,传感器的性能也不断提高,可满足超高温以内(<800℃)大部分高温环境下的测压需求。随着欧姆接触使用温度不断提高,SiC光纤性能的不断改善,SiC在超高温环境下的测量也具有广阔的应用前景。

②无线式高温传感器将成为研究热点

无线测压可实现传感器调理电路与高温热源的物理隔离,减小热防护设备引入的载荷,在航天航空领域有广泛的应用需求。虽然现有的无线高温传感器还存在较多问题,没有成熟的产品,但随着基于SAW等原理的高温无线压力传感器精度及工作温度的进一步提高,多通道无线数据传输、组网技术的突破,无线高温压力传感器必将引领高温测量技术的变革。

③多参数复合微传感器系统是未来的发展方向随着火箭、发动机等动力设备发展,无论是发动机健康状态监测还是推进效率提高,都需要对压力、振动、应变、温度等多种参量进行同时监测。多参数集成测量,并与微执行器结合,形成控制闭环测控系统,是高温传感器的发展趋势。与无线传感网技术、人工智能技术结合,使传感器构成分布式测量网络,并具有自适应、自学习的能力,将是高温传感器未来的发展方向。

3结束语

高温环境下的压力测量已成为国防军工、工业控制领域必须突破和掌握的基础关键技术之一。近年来,新材料的发现,MEMS工艺加工、封装工艺和传感器结构设计上的突破,促进了高温压力传感器的研究工作。国外在高温压力传感器的研究方面已取得了较大进展,形成了多种类型的产品。相比国外,国内高温压力传感器的研究起步较晚,虽然十二五期间在基于SiC的高温压力传感器的研究方面取得了一定进展,但要实现传感器真正意义上的工程化、产业化还需投入更多的精力。针对欧美对我国实施技术封锁的实际情况,以及国内高温压力传感器的发展现状,笔者提出两点建议:①加强自主高温压力传感器的研究,特别是具有潜力的基于SiC的高温压力传感器、SAW无线高温压力传感器的研究;②紧跟国外最新研究进展,着手开展多参数集成高温传感器系统、高温电路的研制。最终,我国要完成传感器的工程化、产业化,形成系列产品,提升技术整体水平与国际竞争力,为重型火箭发动机、航空发动机、高超发动机等先进动力设备的研制提供技术支撑。


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