熱合曼·艾比布力, 王鴻雁, 薛方正, 黃琳雅, 皇咪咪, 于明智, 趙立波

(1. 新疆交通職業(yè)技術學院 汽車與機電工程學院, 烏魯木齊 831401; 2. 陜西省計量科學研究院, 西安 710065; 3.西北核技術研究所, 西安 710024; 4. 西安交通大學 機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室, 微納制造與測試技術國際合作聯(lián)合實驗室, 蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心, 西安 710049)

耐高溫動態(tài)壓力傳感器與實驗分析研究

熱合曼·艾比布力1, 王鴻雁2，*, 薛方正3, 黃琳雅4, 皇咪咪4, 于明智4, 趙立波4

(1. 新疆交通職業(yè)技術學院 汽車與機電工程學院, 烏魯木齊 831401; 2. 陜西省計量科學研究院, 西安 710065; 3.西北核技術研究所, 西安 710024; 4. 西安交通大學 機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室, 微納制造與測試技術國際合作聯(lián)合實驗室, 蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心, 西安 710049)

采用微機械電子系統(tǒng)(Micro Electro-Mechanical Systems，MEMS)和硅隔離(Silicon on Insulator，SOI)技術制作出了量程為25MPa的倒杯式耐高溫壓阻力敏芯片，敏感電阻條與硅基底之間采用二氧化硅隔離，解決了在大于120℃高溫下力敏芯片工作穩(wěn)定性和可靠性的難題。設計了齊平式機械封裝結構，避免了管腔效應影響，提高了傳感器的動態(tài)響應頻率。對研制出的耐高溫動態(tài)壓力傳感器進行了靜態(tài)性能和動態(tài)性能的標定實驗，靜態(tài)實驗溫度為250℃，得到了傳感器基本性能參數(shù)，分析了傳感器的不確定度，得出該傳感器的基本誤差為±0.114%FS(Full Scale，全量程)，不確定度為0.01794mV，計算得到了傳感器的熱零點漂移和熱靈敏度漂移指標，由動態(tài)性能實驗得到傳感器的響應頻率為555.6kHz，實驗表明所研制的MEMS壓力傳感器在高溫下具有良好的精度和固有頻率。

MEMS；SOI倒杯式力敏芯片；齊平式；高頻響；不確定度

0 引 言

傳感器技術作為代表當今科學技術發(fā)展水平的重要標志，與計算機技術、通信技術一起構成了現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱[1]。在眾多信號測量中，對壓力信號進行可靠、穩(wěn)定、準確地測量具有十分廣泛的需求和重要的意義。目前在諸如常溫、低頻壓力信號等一般工況下工作的壓力傳感器已得到充分發(fā)展并較容易獲得。

隨著科學技術與現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，廣泛存在高溫、高頻等極端條件下的壓力測量需求，特別是在航空航天、軍工、石油化工和汽車電子等領域，對于火箭、導彈及衛(wèi)星等耐熱腔體、發(fā)動機腔體以及火炮炮管等條件下的壓力測量，經(jīng)常要面對超過200℃的高溫環(huán)境與超過1000℃ 的瞬時高溫沖擊，常規(guī)非耐高溫傳感器的性能會嚴重惡化甚至失效[2]，遠不能滿足壓力測量要求。目前，基于電阻效應原理的高溫壓力傳感器主要有基于SOI(Silicon on Insulator，硅隔離)、SOS(Silicon on Sapphire，硅-蘭寶石)和濺射膜技術3種，但是由于基于SOS和濺射膜技術的高溫壓力傳感器，其彈性元件通常由金屬材料制成，傳感器的穩(wěn)定性會隨使用時間而大大下降，原因在于金屬材料所具有的蠕變特性，以及彈性元件和敏感元件各具不同的熱膨脹系數(shù)。而對于如爆炸實驗技術研究等領域需要捕捉在起爆、爆炸和沖擊等快速反應過程的高頻動態(tài)壓力信息，動態(tài)壓力信號的上升時間僅為毫秒至納秒級，還需考慮基波、一次諧波和高次諧波等對測試結果的影響[3]，這就要求傳感器具有優(yōu)良的動態(tài)響應特性，而且這些信號頻譜十分復雜，有時甚至會激發(fā)傳感器發(fā)生諧振，造成信號輸出的極大誤差。

以美國Kulite和Endevco以及瑞士Kistler公司為代表的國外公司已經(jīng)研發(fā)出了性能優(yōu)良的耐高溫高頻響壓力傳感器。如Kulite的XTL-76A-312(M)系列中采用SOI技術和無引線封裝技術研制的小型IS?壓力傳感器[4]，該傳感器外徑為10.9 mm，最大量程為21MPa，最高使用溫度為204℃，固有頻率可達1.6MHz。又如，Endevco公司型號為Model 8540-500的壓阻式傳感器的外徑僅為9.52mm，其最高使用溫度為260℃，最大量程為3.5MPa，固有頻率典型值為900kHz[4]。國內(nèi)壓阻式動態(tài)壓力傳感器研究始于20世紀80年代，經(jīng)過30多年發(fā)展，目前較成熟的產(chǎn)品如CYG401，其最大量程可達100MPa，激波標定固有頻率為400～800kHz，上升時間0.2～0.5μs，精度為0.2%～0.5%FS，可耐1000℃以上瞬態(tài)高溫，持續(xù)時間達100～200ms[5]。昆山雙橋傳感器測控技術有限公司研發(fā)的高溫高頻傳感器量程為0～60MPa，溫度上限為200℃，固有頻率為0～800kHz，上升時間達0.2μs[6]。 由于耐高溫動態(tài)壓力傳感器的應用場合大多和航空航天、軍工等國防領域相關，國外相關文獻和技術資料對國內(nèi)不公開。因而，自主研發(fā)耐高溫動態(tài)壓力傳感器具有十分重大的科研價值和國防意義。針對以上應用需求，本文對倒杯式耐高溫動態(tài)壓力傳感器進行研究，壓力傳感器的芯片采用SOI與MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems，微機械電子系統(tǒng))工藝進行設計制造，其量程為25MPa，并對該傳感器性能進行實驗與不確定度分析。

1 SOI倒杯式耐高溫壓阻力敏芯片

根據(jù)單晶硅壓阻效應的基本原理可知，當被測壓力p作用在傳感器力敏芯片上時，就會產(chǎn)生相應的應力應變，基于壓阻效應，4個壓敏電阻條的阻值變化率可由下列公式計算得到[10-11]：

式中：πl(wèi)、πt分別代表縱向和橫向壓阻系數(shù)；π44為剪切壓阻系數(shù)；σl、σt分別代表力敏芯片上壓敏電阻條處的縱向和橫向壓力，它們與壓力p成比例。當電橋采用值為i的恒流源進行激勵時，則電橋的輸出電壓為：

式中：R為4個壓敏電阻條的初始阻值。

SOI倒杯式耐高溫壓阻力敏芯片的主要制作工藝流程[12-15]如圖3所示。

力敏芯片的主要制作流程簡述如下：

(1)力敏芯片的原始材料是采用SIMOX(Separation by Implantation of Oxygen，氧離子注入隔離)技術制成的n型(100)雙面拋光單晶SOI硅材料，其頂部為200nm厚的Si層以及400nm厚的埋層SiO2層，為滿足壓敏效應的要求，頂層Si經(jīng)外延至3～5μm厚度，如圖3(a)和(b)所示。

(2) 為抑制離子注入產(chǎn)生的溝道效應并提高離子注入的均勻性，用熱氧化工藝制作50nm厚氧化硅。由于p型硅的壓阻系數(shù)高，且其壓阻系數(shù)的溫度系數(shù)低，因而為制造p型壓敏電阻，需從B2O3恒定源向頂部Si層注入并擴散B，得到頂層硅硼離子濃度為2×1020/cm3，然后在氮氣、1100℃ 溫度下進行退火處理30min，目的是消除一些晶格缺陷并改善頂層硅的導電能力，如圖3(c)所示。

(3) 利用RIE(Reactive Ion Etching，等離子刻蝕)工藝制造出4個力敏電阻條。4個壓阻力敏電阻條均采用三折結構，電阻條寬度為12.5mm，有效總長為750mm，方塊電阻為20Ω/□。壓敏電阻條制造為浮雕型，并通過埋層SiO2層與硅基底隔離，從而使該傳感器芯片在250℃ 以上可靠工作，且不會有漏電流產(chǎn)生而惡化傳感器的穩(wěn)定性，如圖3(d)所示。

(4) 在1100℃、O2環(huán)境下氧化30min，在頂部Si層上形成SiO2層，再采用LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，低壓氣相沉積)技術在SiO2上形成Si3N4層，目的是減小因熱膨脹系數(shù)差異而產(chǎn)生的熱應力失配。SiO2層和Si3N4層也作為刻蝕阻擋層，如圖3(e)所示。

(5) 光刻形成引線孔后，為使力敏芯片可以在溫度超過250℃ 的環(huán)境下正常工作，采用濺射技術依次制作Ti-Pt-Au多金屬引線層，經(jīng)光刻和刻蝕工藝，形成梁式引線將4個壓敏電阻條連接成半開環(huán)惠斯通全橋。在550℃ 下的真空環(huán)境中保持30min進行歐姆連接和金屬化的熱處理，以形成良好的歐姆接觸，如圖3(f)和(g)所示。

(6) 最后，根據(jù)力敏芯片的設計量程，對整個晶圓進行減薄、拋光，如圖3(h)所示，再劃片形成單個力敏芯片，圖4為壓阻力敏芯片的SEM照片。

Fig.4 Cross section and surface topography of the pressure sensitive chip

2 傳感器的機械封裝結構設計

圖5為耐高溫動態(tài)壓阻式壓力傳感器的機械封裝結構示意圖。SOI倒杯式耐高溫壓阻力敏芯片6通過靜電鍵合工藝封裝到玻璃環(huán)5上，再通過如玻璃粉燒結等高溫封裝工藝裝配到齊平式基座3上[16]。該種機械封裝結構使被測介質與力敏芯片6直接接觸，減少管腔效應的影響，從而提高傳感器的動態(tài)特性，保證傳感器的固有頻率接近于力敏芯片6的本征固有頻率。金絲7通過熱壓焊工藝將力敏芯片6的焊盤與聚乙烯轉接板4進行焊接，之后從轉接板4上引出高溫電纜線8，并用鎖線帽將其固定。傳感器實物照片如圖6所示。

1-鎖線帽；2-外殼；3-基座；4-轉接板；5-玻璃環(huán)； 6-力敏芯片；7-金絲；8-高溫電纜線

圖5 傳感器結構示意圖

Fig.5 Mechanical schematic of the sensor structure

3 性能標定實驗與數(shù)據(jù)分析

3.1 靜態(tài)性能

對所研制的耐高溫動態(tài)壓阻式壓力傳感器進行靜態(tài)標定實驗，得到傳感器的靜態(tài)性能指標。首先，將傳感器安裝到一根引壓管上，安裝有傳感器的引壓管一端通過測試口伸入到無錫錦華試驗設備有限公司生產(chǎn)的GDJ-225型高低溫實驗箱內(nèi)腔中，為傳感器提供250℃ 高溫環(huán)境，引壓管的另一端安裝到陜西創(chuàng)威科技有限公司的CW-600T型活塞壓力計上，測量范圍為1～60MPa，準確度等級為0.02級。根據(jù)JJG 860-2015《壓力傳感器(靜態(tài))檢驗規(guī)程》進行校準，由KEITHLEY 2612A 精密源表給傳感器提供5mA的恒定電流，由Fluke45數(shù)字萬用表記錄傳感器的輸出電壓信號，如表1所示，經(jīng)最小二乘擬合得到如圖7所示的靜態(tài)性能[1]輸入輸出曲線。

表1 傳感器標定數(shù)據(jù)Table 1 Calibration data of sensor

計算得到傳感器在高溫下的線性誤差δL=0.081%FS(Full Scale，滿量程)，重復性誤差δR=0.03%FS，遲滯誤差δH=0.03%FS，基本誤差δ=±0.114%FS。

根據(jù)JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》，對所研制的耐高溫動態(tài)壓力傳感器進行不確定分析[17-18]:

(1) 測量重復性引入的不確定度分量u1

按規(guī)程要求，測量點不少于6個，每個測量點均有6個讀數(shù)，根據(jù)貝塞爾公式計算出平均值的標準差，則測量重復性引入的不確定度分量u1由公式 (3) 進行計算。

經(jīng)計算求得在壓力為20MPa時，引入的最大不確定分量u(V1)為0.004 014mV，且屬于A類不確定度，可信度為90%，其自由度ν1=50。

(2) 活塞式壓力計引入的不確定度分量u2

活塞式壓力計的測量范圍為1～60MPa，擴展不確定度U=0.02%，k=2，則由活塞式壓力計引入的不確定度u2為：

(3) 標準和被檢測參考位置高度差引入的不確定度分量u3

其中，檢定時傳壓介質為葵二酸二異辛酯，其密度為 913kg/m3。

(4) 數(shù)字多用表示值誤差引入的不確定度分量u4數(shù)字多用表(直流電壓檔200mV)最大允許誤差為±0.002%FS，按均勻分布處理，則u4為：

(5) 供電電源穩(wěn)定度引入的不確定度分量u5

精密源表在10mA內(nèi)的穩(wěn)定度為6μA，實際給傳感器供電為5mA，傳感器內(nèi)阻約為1.2kΩ，按均勻分布處理，則u5為：

(6) 環(huán)境偏離參考溫度引入的不確定度分量u6

數(shù)字多用表、穩(wěn)壓電源均在(20±1)℃范圍內(nèi)進行了溫度補償和修正，因此，環(huán)境溫度影響可忽略。由環(huán)境偏離參考溫度引入的不確定度u6為：

以上u2～u6都屬于B類不確定度，可信度均為100%，故其自由度均為∞。

各不確定度分量彼此獨立，其合成標準不確定度uc為：

合成標準不確定度的自由度ν為：

根據(jù)置信概率P=95%，查t分布表得t0.95(50)=2.01。

k取2.01，得到擴展不確定度U：

不確定度報告：傳感器在重復性相對最差的檢定點20MPa處，得到擴展不確定度U=0.017 94mV，是由合成標準不確定度uc=0.008 925mV及包含因子2.01確定，對應的置信概率P=95%，自由度為50。

3.2 零點漂移、熱零點漂移和熱靈敏度漂移

零點漂移是指在規(guī)定的溫度和時間內(nèi)，在標準電源供電條件下，傳感器零點輸出的變化情況，零點漂移D的計算公式為：

采用恒流源5mA供電，對傳感器在高溫250℃條件下的零點漂移特性進行測量，測量時間間隔為30min，共測量3個小時，零點輸出分布曲線如圖8所示。

由于力敏電阻條的摻雜濃度不一致，導致力敏電阻條的溫度系數(shù)也不一致，因此傳感器的零點輸出與溫度密切相關。當溫度在傳感器許用使用溫度范圍內(nèi)變化時，傳感器的零點輸出也發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為熱零點漂移。熱零點漂移k0是衡量壓力傳感器質量的一個重要的性能指標，其計算公式為：

℃

式中：VFS(T1)為室溫下的滿量程輸時出電壓；V0(T2)為溫度T2下的零點輸出電壓；V0(T1)為室溫T1下的零點輸出電壓。

對25MPa的耐高溫動態(tài)壓力傳感器進行熱零點漂移的試驗，在恒流源5mA供電下，記錄經(jīng)過補償?shù)膫鞲衅髟谑覝豑1=22℃時的零點和滿量程輸出分別為：V0(T1)=-1.1516mV，VFS(T1)=61.682mV，根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可知傳感器在溫度T2=250℃時的零點和滿量程輸出分別為：V0(T2)=0.585mV，VFS(T2)=63.8733mV，再根據(jù)式(13)計算得：k0=0.012%FS/℃。 壓力靈敏度S和滿量程輸出VFS都隨著溫度的變化而變化。這是因為壓力靈敏度與壓阻系數(shù)成正比，壓阻系數(shù)隨著溫度變化而變化。此外，力敏電阻條與表面SiO2、鈍化層Si3N4熱膨脹系數(shù)的差別等造成熱應力以及封裝產(chǎn)生的熱應力，也會產(chǎn)生附加的壓阻效應。因此，熱靈敏度漂移ks也是衡量壓力傳感器穩(wěn)定性的一個重要指標，計算公式如下：

因此，根據(jù)式(14)計算得出熱靈敏度漂移ks=0.016%FS/℃。

3.3 動態(tài)性能

為了獲得傳感器的動態(tài)性能，首要問題是要有頻帶能充分覆蓋被校壓力傳感器模態(tài)的動態(tài)激勵信號發(fā)生器，將被校傳感器系統(tǒng)的主要模態(tài)激發(fā)出來。在階躍壓力發(fā)生器中，激波管能產(chǎn)生一個前沿非常陡的階躍壓力，其上升沿小于 0.1μs、平臺保持時間大于5ms，是壓力傳感器動態(tài)校準的理想激勵信號。用激波管標定壓力傳感器的動態(tài)性能是目前最常用的方法。它具有3大特點：(1) 壓力幅度范圍寬，便于改變壓力值；(2) 頻率范圍廣(2kHz～2.5MHz)；(3) 便于分析研究和數(shù)據(jù)處理。此外，激波管結構簡單，使用方法可靠。因此，采用激波管方式對耐高溫動態(tài)壓力傳感器進行了動態(tài)性能分析[1]。被測傳感器安裝在激波管低壓腔端面的法蘭盤上，用真空硅脂填滿傳感器端面與法蘭盤的縫隙，以免影響激波波形的質量。激波管的破膜沖擊壓力為2～5MPa，傳感器輸出信號經(jīng)IWATSU DA-2B型高增益放大器放大后，由TDS5054型數(shù)字示波器記錄得到如圖9所示的動態(tài)響應曲線，從圖中計算出傳感器的響應時間約為800ns，響應頻率約為555.6kHz。

4 結 論

本文采用MEMS技術制作出了耐高溫動態(tài)壓力傳感器，其敏感元件為SOI倒杯式耐高溫壓阻力敏芯片，在機械封裝結構上采用了齊平式設計，避免了管腔效應對傳感器動態(tài)性能的衰減。實驗分析了傳感器在250℃ 高溫下的靜態(tài)特性和頻響特性。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到傳感器的靜態(tài)基本誤差為±0.114%FS，不確定度為0.01794mV，熱零點漂移和熱靈敏度漂移分別為0.012%FS/℃和0.016%FS/℃，傳感器的動態(tài)響應頻率為555.6kHz，響應時間約為800ns，實驗結果表明所研制的耐高溫動態(tài)壓力傳感器能夠滿足航天航空、石油化工和軍工等領域的動態(tài)壓力測量需求。

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(編輯：楊 娟)

High temperature dynamic pressure sensor and experimental analysis

Rahman·Hebibul1, Wang Hongyan2,*, Xue Fangzheng3, Huang Linya4, Huang Mimi4, Yu Mingzhi4, Zhao Libo4

(1. School of Automotive, Mechanical and Electrical Engineering, Xinjiang Vocational & Technical College of Communications, Urumqi 831401, China; 2. Shaanxi Institute of Metrology Science, Xi’an 710065, China; 3. Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an 710024, China; 4. State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, International Joint Laboratory for Micro/Nano Manufacturing and Measurement Technologies, Collaborative Innovation Center of Suzhou Nano Science and Technology, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

The inverted cup-type high-temperature piezoresistive pressure sensitive chip with the range of 25MPa was developed by the Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS) and Silicon on Insulator (SOI) technology. The sensitive piezoresistors are isolated from the silicon substrate by the silicon dioxide, and thus the stability and reliability problems of the pressure sensitive chip are solved at high temperatures beyond 120℃. The flush-type mechanical packaging structure was designed to avoid the channeling effect and improve the dynamic response frequency of the sensor. For the fabricated high temperature dynamic pressure sensor, the static and dynamic performance experiments were carried out to obtain the sensor’s fundamental performance and analyze its uncertainty at the static experimental temperature of 250℃. The results show that the sensor accuracy is ±0.114%FS and the uncertainty is 0.017 94mV. The thermal zero drift and thermal sensitivity drift were calculated. The dynamic response frequency was calculated as 555.6 kHz through dynamic performance experiment. Therefore, the developed MEMS pressure sensor has fine accuracy and high natural frequency at high temperatures.

MEMS;SOI inverted cup-type sensitive chip;flush-type;high frequency;uncertainty

2016-12-20;

2017-02-25

國家自然科學基金(51375378)；國家重點研發(fā)計劃(2016YFB1200103-04)；2016年度留學人員科技活動擇優(yōu)資助項目

Rahman·Hebibul,WangHY,XueFZ,etal.Hightemperaturedynamicpressuresensorandexperimentalanalysis.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2017, 31(2): 44-50. 熱合曼·艾比布力, 王鴻雁, 薛方正, 等. 耐高溫動態(tài)壓力傳感器與實驗分析研究. 實驗流體力學, 2017, 31(2): 44-50.

1672-9897(2017)02-0044-06

10.11729/syltlx20170028

TP212

A

熱合曼·艾比布力(1963-)，男，新疆烏魯木齊人，講師。研究方向：汽車運用工程。通信地址：新疆交通職業(yè)技術學院汽車與機電工程學院(831401)。E-mail：rahman1963@163.com

*通信作者 E-mail: xinnya@126.com