陳　勇，郭方方，白曉弘，衛(wèi)亞明，程小莉 ，趙玉龍

(1．長慶油田油氣工藝研究院，陜西西安　710018；2．低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西西安　710018；3．西安交通大學機械學院，機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，陜西西安　710049)

0　引言

為了滿足石油化工、航空航天等高溫惡劣工況條件下的壓力測試要求，基于硅隔離SOI(Silicon on Insulator)技術(shù)的耐高溫壓力傳感器得到了廣泛的應用[1]。目前我國油氣田領(lǐng)域高性能傳感器主要依賴進口，嚴重制約了我國石化行業(yè)的發(fā)展。

針對油氣田等特殊領(lǐng)域壓力測量問題，文中所提出的高溫壓力傳感器采用MEMS工藝，基于先進的高能氧離子注入SIMOX技術(shù)，制作了全硅結(jié)構(gòu)的壓阻力敏芯片，解決了傳統(tǒng)擴散硅壓阻式壓力傳感器難于在120 ℃以上高溫下工作的問題，并通過波紋膜片進行介質(zhì)隔離，提高了傳感器芯片的熱穩(wěn)定性和可靠性，研制的高溫壓力傳感器可以在0～200 ℃的條件下工作，具有工作溫度高、體積小、靈敏度高等優(yōu)點，能夠滿足石油化工等自動化領(lǐng)域中的壓力測量要求。

1　高溫壓力傳感器力敏芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計

壓阻式壓力傳感器的基本原理是利用硅的壓阻效應將被測壓力的變化轉(zhuǎn)換成敏感元件電阻值的變化，然后通過轉(zhuǎn)換電路將電阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓輸出。當材料受到應力作用時，其電阻或電阻率發(fā)生明顯變化的現(xiàn)象就叫做壓阻效應[2]。半導體硅、鍺材料中的壓阻效應比金屬材料中的壓阻效應要大得多。當應力作用在半導體晶體上時，電阻的變化主要由電阻率的變化引起。在正交坐標系中，當坐標軸與晶軸一致時，電阻的相對變化ΔR/R與應力之間的關(guān)系滿足：

(1)

式中：σl和σt為沿電阻縱向與橫向的應力；πl(wèi)和πt為沿縱向和橫向壓阻系數(shù)。

根據(jù)硅壓阻效應的原理，利用硅平面離子注入工藝或平面擴散工藝把待摻雜的元素注入擴散到硅片內(nèi)，形成構(gòu)成惠斯登電橋的敏感電阻，并利用惠斯登電橋完成電信號轉(zhuǎn)換。這樣就制成了可以將壓力信號轉(zhuǎn)換為電壓信號的硅壓阻式壓力傳感器。

根據(jù)薄膜變形理論和傳感器的性能要求，對壓力傳感器力敏芯片結(jié)構(gòu)模型進行理論分析，提出的力敏芯片結(jié)構(gòu)為周邊固支方膜結(jié)構(gòu)。為了使傳感器具有良好的線性度，膜厚h的設(shè)計必須滿足中心最大撓度要小于膜厚的要求，規(guī)定中心撓度要小于膜厚的1/5。同時，壓力傳感器的抗過載能力，就是傳感器在承受150 MPa的載荷時能夠保持高的靈敏度及穩(wěn)定的工作性能。

在壓力p作用下，方形膜的最大應力發(fā)生在各邊中心：

(2)

最大撓度發(fā)生在平板中心：

(3)

式中：p為均布壓力；a為方膜邊長；h為方膜厚度；E為楊氏模量；μ為泊松比。

采用有限元數(shù)值法分析其應力應變分布，通過ANSYS有限元分析，得到壓力傳感器力敏芯片應力應變模擬結(jié)果如圖1所示，與理論計算相符?；趬鹤栊牧γ粜酒辛γ綦娮钘l應布置在最大應力點處，以充分利用最大應變，提高傳感器靈敏度。圖2為方膜壓阻力敏芯片結(jié)構(gòu)圖。

圖1　方膜力敏芯片應力應變分布

圖2　方膜力敏芯片結(jié)構(gòu)圖

2　高溫壓力傳感器力敏芯片制作工藝

油氣井環(huán)境的高溫高壓特點對壓力傳感器提出了較高的熱穩(wěn)定性要求。傳統(tǒng)壓阻式壓力傳感器由于其力敏電阻與硅基底是P-N結(jié)隔離，在使用溫度大于120 ℃時，因P-N結(jié)產(chǎn)生漏電流而使傳感器的性能惡化甚至失效。因而，傳統(tǒng)壓阻式壓力傳感器難以解決高溫120 ℃以上的壓力測量問題。針對石油化工、航空航天等領(lǐng)域壓力監(jiān)測環(huán)境的高溫高壓要求，在傳感器的加工工藝中采用了硅隔離(SOI)芯片制造技術(shù)[4]。用SOI材料研制耐高溫壓阻力敏芯片的目的就是通過SiO2絕緣層將力敏芯片的檢測電路層與硅基底隔離開，避免了高溫下檢測電路與基底之間的漏電流產(chǎn)生，提高力敏芯片的耐高溫特性。

采用MEMS(Micro Electro Mechanical systems，微機電系統(tǒng))技術(shù)和SIMOX(separation by implantation of oxygen，注氧隔離)技術(shù)制作浮雕式硅壓阻力敏芯片，由SIMOX技術(shù)制作的SiO2層將芯片內(nèi)的測量電路層與硅基底隔離開來，實現(xiàn)在200 ℃以上高溫環(huán)境下的壓力測量。同時，通過低溫靜電硅玻鍵合封裝技術(shù)將SOI硅壓阻力敏芯片與耐高溫PYREX7740玻璃片在真空環(huán)境下封裝結(jié)合，形成壓力傳感器的彈性敏感單元[5]。由于半導體硅的良好的機械特性，同時作為傳感器轉(zhuǎn)換電路的壓阻惠斯登測量電橋集成制造在全硅結(jié)構(gòu)正方形平膜結(jié)構(gòu)上，傳感器的彈性和敏感元件與轉(zhuǎn)化電路之間集成為一體。這種結(jié)構(gòu)可以顯著降低壓力傳感器在測量過程中的遲滯、重復性誤差，從而提高傳感器的測量精度。具體高溫壓力傳感器芯片的加工工藝流程如圖3所示。

圖3　高溫高壓傳感器芯片加工工藝流程

3　高溫壓力傳感器力敏芯片封裝工藝

為了保證油氣田等領(lǐng)域壓力傳感器在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性和耐腐蝕性，設(shè)計了可靠的鍵合引線工藝和隔離封裝工藝。高溫壓力傳感器引線鍵合采用具有深腔焊功能的引線鍵合設(shè)備來完成，以保證引線鍵合的質(zhì)量和提高傳感器應用的可靠性。

高溫壓力傳感器在封裝結(jié)構(gòu)上采用薄膜隔離式充硅油結(jié)構(gòu)，其基本原理是利用硅油的不可壓縮性能與膜片良好的線性位移特性，外界壓力直接作用于波紋膜片，并通過膜片傳遞到硅油，最后由硅油將壓力傳遞給力敏芯片。通過采用隔離式結(jié)構(gòu)，避免了被測介質(zhì)與敏感元件的直接接觸，在提高傳感器的穩(wěn)定性的同時提升其適應能力[6]。圖4為傳感器封裝結(jié)構(gòu)原理圖。圖5為壓力傳感器芯片封裝圖。

1—電極；2—玻璃絕緣子；3—銷釘孔；4—基座；5—壓環(huán)；6—PYREX7740玻璃；7—波紋膜片；8—金絲；9—全硅SOI壓力芯片；10—O型密封圈；11—絕緣套；12—補償板；13—高溫硅油；14—引線

圖5　高溫壓力傳感器封裝結(jié)構(gòu)圖

4　高溫壓力傳感器測試試驗

高溫壓力傳感器的測試試驗是在室溫條件下，通過活塞式壓力計加載壓力進行的。為了測試壓力傳感器的高壓性能，加載壓力范圍為0～150 MPa．采用5 V直流穩(wěn)壓源為壓力傳感器施加激勵。試驗測得壓力傳感器輸出特性曲線如圖6所示，表1為具體試驗數(shù)據(jù)。由曲線圖可以得出，傳感器的靜態(tài)特性參數(shù)分別為：非線性0.28%FS，遲滯0.39%FS，精度0.56%FS。因此，設(shè)計的高溫壓力傳感器具有較好的性能。

圖6　壓力傳感器測試結(jié)果

表1　壓力傳感器測試數(shù)據(jù)

5　結(jié)束語

文中設(shè)計的高溫壓力傳感器具有耐高溫、量程大、精度高和微型化的特點，且能保持長期工作的穩(wěn)定性。研究開發(fā)的基于SOI力敏芯片的耐高溫壓力傳感器的工作溫度為0～200 ℃，量程達150 MPa，因此適用于石油化工等高溫高壓環(huán)境下的壓力測量。

參考文獻：

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[2]TIAN B，ZHAO Y L，JIANG Z D．Fabrication and structural design of micro pressure sensors for tire pressure measurement systems (TPMS)．Sensors，2009(9)：1382-1393．

[3]TIMOSHENKO S，WOINOWSKY-KRIEGER S．Theory of Plates and Shells．New York：McGraw-Hill，1959．

[4]趙玉龍，趙立波，蔣莊德．基于硅隔離技術(shù)的耐高溫壓力傳感器．西安交通大學學報，2002(11)：1156-1158．

[5]顏鷹．MEMS高溫壓力傳感器若干關(guān)鍵技術(shù)的研究：[學位論文]．武漢：華中科技大學，2005．

[6]趙玉龍，牛喆，周冠武，等．油氣田監(jiān)測高性能微傳感器及數(shù)字化系統(tǒng)．中國工程科學．2013，15(1)：99-105．