李 偉，陳懷禮

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

0 引言

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，越來越多的工業(yè)生產(chǎn)和自動控制領(lǐng)域，如運載火箭燃燒室的壓力測量、石油工業(yè)的井下壓力測量以及柴油機、燃氣輪機氣缸壓力監(jiān)控等，都需要能在高溫、腐蝕、振動等惡劣環(huán)境下工作的壓力傳感器。SOI、多晶硅等半導(dǎo)體壓力傳感器應(yīng)用廣泛，適于批量制作、成本較低廉，但并不適用于超高溫環(huán)境的壓力測量。以現(xiàn)代半導(dǎo)體平面工藝技術(shù)為核心、新材料為基礎(chǔ)的合金薄膜壓力傳感器在惡劣環(huán)境中擁有其它傳感器無可比擬的優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 合金薄膜壓力傳感器工作原理

合金薄膜壓力傳感器一般采用濺射、蒸鍍等方法把合金淀積在彈性膜片上，薄膜應(yīng)變層通過感受膜片的應(yīng)變而產(chǎn)生相應(yīng)電阻變化，從而完成非電量到電量的轉(zhuǎn)換。其一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。

合金薄膜壓力傳感器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，散熱良好，尤其突出的是利用薄膜沉積代替了傳統(tǒng)粘貼式應(yīng)變片的膠接，從而克服了應(yīng)變靈敏系數(shù)低及滯后、蠕變，穩(wěn)定性差等缺點，能滿足惡劣環(huán)境下壓力測量的要求。

2 合金薄膜高溫壓力傳感器研究現(xiàn)狀

目前對高溫壓力傳感器的研究主要包括：多晶硅、單晶硅、SOS（藍寶石上硅）、SiC等半導(dǎo)體高溫壓力傳感器，金剛石薄膜、合金濺射薄膜高溫壓力傳感器，光纖高溫壓力傳感器等。半導(dǎo)體傳感器靈敏度高，芯片易于批量制作、成本低廉，其缺點是溫度特性較差，最高使用溫度一般為200～350℃；且半導(dǎo)體傳感器一般采用單晶硅作為襯底，超過500℃后，其熱可塑性問題無法解決——這些都限制了半導(dǎo)體壓力傳感器在更高溫環(huán)境如火箭發(fā)動機燃燒室壓力測量（＞600℃）中的使用。金剛石的某些特殊性質(zhì)（如化學(xué)上的惰性）以及極大的壓阻效應(yīng)、在高溫下仍具有良好的壓阻特性使其成為制作高溫壓阻型壓力傳感器的極佳材料，但目前對金剛石薄膜的理論研究與實際應(yīng)用尚存在較大差距，如高溫有氧環(huán)境下金剛石易表面石墨化，金剛石與金屬間難以形成理想的歐姆接觸等。光纖本身耐高溫，制作光纖高溫壓力傳感器是可行的，但其應(yīng)用較為復(fù)雜、且對測量環(huán)境的要求較高。

相對于其它傳感器，合金薄膜傳感器雖然應(yīng)變系數(shù)較低，但具有精度高、穩(wěn)定性好、耐腐蝕、溫度特性較好且應(yīng)用溫度范圍較寬等一系列優(yōu)點，這些優(yōu)點能夠保證合金薄膜壓力傳感器在高溫燃氣的惡劣環(huán)境中進行測量。

2.1 鎳鉻系合金薄膜壓力傳感器

鎳鉻系合金應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟，是目前制作中、低溫應(yīng)變計最優(yōu)敏感材料之一。鎳鉻系合金典型代表有鎳鉻合金（鎳鉻V），鎳鉻改良型合金（卡瑪、伊文）等，主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 鎳鉻系合金性能參數(shù)Tab.1 Basic parameters of NiCr alloy

鎳鉻系合金具有較高的電阻率、較低的電阻溫度系數(shù)、較高的應(yīng)變靈敏系數(shù)，且改良型合金的應(yīng)變靈敏系數(shù)隨溫度的升高而降低從而可對彈性體彈性模量進行溫度自補償?shù)葍?yōu)點。但該系合金在高溫下會發(fā)生有序-無序的變化（如圖2），即K狀態(tài)，導(dǎo)致電阻不穩(wěn)定，所以靜態(tài)應(yīng)用溫度范圍一般為-269～+350℃，適用于中、低溫環(huán)境下的壓力測量。

目前國內(nèi)外合金薄膜壓力傳感器主要生產(chǎn)廠家如英國Senstronics公司、美國Bell Howell公司、湯姆遜公司及北京航天遙測遙控研究所、北京威斯特中航機電公司等所用敏感材料均為鎳鉻系合金，產(chǎn)品應(yīng)用溫度范圍多為-50/60～+200℃，另外國內(nèi)亦有超低溫 (-200℃)鎳鉻薄膜壓力傳感器的報道。

NASA的Lewis研究中心對合金薄膜高溫應(yīng)變計的研究居世界前列。1983年Grant等人研制的鎳鉻薄膜應(yīng)變計，雖然受引線疲勞壽命所限而導(dǎo)致可靠性較差，但仍能滿足高溫 (600℃)燃氣環(huán)境中渦輪葉扇的動態(tài)應(yīng)變測量要求。

2.2 鉑鎢合金薄膜壓力傳感器

鉑鎢合金的研究始于上世紀(jì)60年代，研究的目的即是解決高溫 (600～1000℃)應(yīng)變測量問題。高溫下的主要問題是電氧化引起敏感材料的不穩(wěn)定，以及由此引起的漂移。鉑鎢合金具有適中的電阻率，耐酸堿、抗腐蝕，特別是高溫(700～800℃)下仍具有很好的抗氧化性，電阻溫度系數(shù)與溫度呈線性關(guān)系（如圖2），且應(yīng)變靈敏系數(shù)較高，最高使用溫度為靜態(tài)800℃，動態(tài)1000℃。鉑鎢合金主要性能參數(shù)如表2所示，其缺點主要是電阻溫度系數(shù)大，一般在200 ppm/℃左右，實際使用中溫度補償較為困難。

表2 鉑鎢合金性能參數(shù)Tab.2 Basic parameters of PtW alloy

彭士元等人利用藍寶石作為彈性膜片研制的Pt92W8薄膜高溫壓力傳感器主要性能指標(biāo)如下：量程0.2～10 MPa；精度0.5%F·S；應(yīng)用溫度范圍-10～400℃；零點溫度飄移及靈敏度溫度漂移均較小 (10-4量級)，具有較好的長期穩(wěn)定性。

2.3 鈀鉻合金薄膜應(yīng)變計

為滿足新一代航天器研制的需求，近二十幾年來Lewis研究中心一直致力于合金薄膜高溫應(yīng)變計的研究。1987年開始，C.O.Hulse和H.P.Grant等人開始研制基于一種新合金鈀鉻(13%鉻)的應(yīng)變計。1997年Jih-Fen Lei等人利用鈀鉻合金作為薄膜應(yīng)變材料，在室溫至1100℃的燃氣環(huán)境中對渦輪葉扇的動態(tài)應(yīng)變進行了測量；在相同的環(huán)境條件下，利用鉑電阻作溫度補償，對靜態(tài)應(yīng)變也成功地進行了測量。

研究表明，鈀鉻合金在1000℃范圍內(nèi)組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無相變，并且在空氣中自身能形成一層堅實的Cr2O3抗氧化層。鈀鉻合金的這些特性，使得其電阻溫度特性的穩(wěn)定性、重復(fù)性好，并且與升、降溫速率關(guān)系不大。鈀、鉻及鈀鉻合金主要性能參數(shù)如表3所示。

鈀鉻合金的電阻溫度特性、靈敏度溫度特性均與溫度成良好線性關(guān)系（圖3、圖4），且耐千度以上高溫，其制成的傳感器可以應(yīng)用于高溫壓力測量。但就Lewis研究中心研制的鈀鉻薄膜應(yīng)變計而言，存在的問題主要是：設(shè)計使用壽命較短，僅50小時；高溫會使絕緣層絕緣性能急劇下降，從而導(dǎo)致應(yīng)變計完全失效（圖5）。

表3 鈀、鉻及鈀鉻合金主要性能參數(shù)Tab.3 Basic parameters of Pd,Cr and PdCr alloy

3 結(jié)論

本文主要對鎳鉻系、鉑鎢及鈀鉻薄膜高溫壓力傳感器的主要性能進行了比較，并分析了其研究現(xiàn)狀。鎳鉻薄膜傳感器適用于中、低溫壓力測量，而鉑鎢、鈀鉻薄膜傳感器/應(yīng)變計適用于更高溫（>500℃）壓力測量。相比而言，鈀鉻薄膜應(yīng)變計的耐高溫性能更加卓越，電阻與靈敏度溫度特性良好，如果其封裝技術(shù)得以解決，必將擁有廣闊的應(yīng)用前景。

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