“耐高温压力传感器”在西安研制成功

列入国家高技术研究发展计划(863计划)的“耐高温压力传感器”经过4年攻关，最近在西安交大研制成功。中广网报道称，中国高温压力传感器产品长期依赖进口的局面从此将彻底改变。

“耐高温压力传感器”

列入国家高技术研究发展计划(863计划)的“耐高温压力传感器”经过四年艰苦攻关，2004年6月中旬在西安交大研制成功。我国高温压力传感器产品长期依赖进口的局面从此将彻底改变。

基于高温压力传感器的耐高温金属体系

从制约高温压力传感器发展的耐高温金属体系研究出发,采用钨/氮化钽/铂(W/TaN/Pt)作为金属布线的电传导层,开发出适用于500 ℃高温环境下稳定工作的金属薄膜,实现电信号稳定传输,有效避免相邻金属层之间相互扩散或合金导致的电性能失效。对500 ℃高温前后的压力传感器进行带电测试,并对非线性、迟滞性、灵敏度、重复性等8项指标做了测试对比,高温压力传感器性能稳定,各性能指标均满足使用要求,证明该金属体系的可行性。

MEMS高温压力传感器耐高温引线结构优化

绝缘体上硅(SOI)高温压力传感器可在高温(高于125℃)下工作。通常情况下构成惠斯通电桥的电阻单独处于压力敏感区,以提高其灵敏度,但在其工作期间压力传感器器件区电阻重掺区与金属引线连接处存在一定高度差,在加压加电高温环境下此处热应力变大,金属引线因过热而出现金属引线断裂或失效,无法满足高温需求。在此基础上研究了一种硅引线技术,使其与压敏电阻处于同一高度层,金属引线平铺在硅引线上端,经退火后形成良好的欧姆接触。实验测试表明,该方案能使压力传感器在300℃高温环境下正常工作,金属引线与电阻区连接完好,传感器敏感区应力降低接近50%,且优化后传感器灵敏度符合设计要求。

一种耐瞬时高温燃气冲击的压力传感器

针对瞬时高温燃气冲击的压力传感器在高温1000℃燃气压力冲击的环境下产生的破坏性的问题,设计了一种有效的引压方法,对引压管结构进行设计,在内部增加阻尼管,通过引入阻尼管,可以使与芯片接触的燃气温度降低至300℃以下,使传感器可靠工作。另外,通过引压系统内部的阻尼设计,可以使传感器能够承受较大瞬时燃气压力的冲击。通过试验验证及热力学仿真分析可以得出,该传感器引压系统的结构设计,可以使传感器能够满足瞬时高温燃气压力冲击的环境要求,达到精准测量的目的。

高灵敏度SiC动态高温压力传感器仿真研究

为了提高碳化硅(SiC)动态高温压力传感器的灵敏度,采用p型SiC材料,同时对传感器的敏感单元的不同结构———方膜和圆膜,利用Ansys软件进行了静力学仿真与分析,并完成了敏感芯片的尺寸设计。仿真结果表明:优化后的传感器输出灵敏度为14.2μV/(V·kPa)。在100~600℃内非线性误差小于1.53%。动态仿真表明:传感器的固有频率为481kHz,传感器可以在160kHz高频环境中安全工作,该结果为进一步制备SiC高温压力传感器奠定了理论支撑。

无引线封装的SOI高温压力传感器设计

为解决高温环境下的压力监测问题,对无引线封装压力传感器进行了研究。首先,对高温压力敏感芯片进行设计,使用绝缘体上硅(SOI)材料提高了敏感芯片的高温稳定性;使用Ti⁃Pt⁃Au复合电极提高了金属电极与硅引线之间欧姆接触的可靠性。使用导电银浆实现敏感芯片电极和基座引脚的电连接,使用玻璃浆料实现芯片与基座的耐高温封装。利用同步热分析仪对导电银浆和玻璃浆料进行了DSC⁃TG同步分析,并借助扫描电镜对其微观形貌进行对比观察,确定其最佳烧结工艺曲线。对封装后的压力传感器进行测试,结果表明:传感器在25~300℃范围内具备优异的性能,综合精度可达0.25%FS。

一种耐高温的柔性压电/热释电双功能传感器

提高压电聚合物的耐温性,且构建压电特异结构提高电学输出特性,成为柔性耐高温压电/热释电双功能传感器制造的关键.本文采用静电纺丝法制备了聚丙烯腈(PAN)纳米纤维薄膜,通过程序控温对PAN纳米纤维膜进行热处理得到了耐高温的柔性纤维薄膜.研究结果表明,PAN耐高温柔性纤维薄膜纳米传感器可以在高温环境(>500℃)中使用,其输出性能随热处理温度的升高先增大(<260℃)后基本保持不变(260—450℃),最后输出性能减小(>450℃),当热处理温度达到260℃时,输出电压可达10.08 V,输出电流达到2.89μA,与未进行热处理的PAN膜相比,其输出电压和电流分别提高了3.54倍和2.83倍.同时,该传感器在高温环境下的输出不发生变化.发现热处理的PAN具有热释电效应,且热释电输出随着温度梯度的增大而变大.在5000次的敲击循环测试中,经过热处理的PAN纳米纤维薄膜传感器具有稳定的输出,这表明该传感器有望应用在消防安全、航空航天等高温环境中.

基于硅隔离技术的耐高温压力传感器研究

采用硅隔离SoI(SilicononInsulator)技术 ,应用高能氧离子的注入方法 ,在单晶硅材料中形成埋层二氧化硅 ,用以隔离作为测量电路的顶部硅层与体硅之间因温度升高而造成的漏电流 .采用梁膜结合的压力传递机构 ,将被测压力与SoI敏感元件隔离开来 ,因此避免了被测压力的瞬时高温冲击 .给出了传感器的结构模型和实验数据 ,测试结果表明 ,这种新型结构的耐高压力传感器 ,具有较好的动静态特性 .

MEMS耐高温压力传感器封装工艺

MEMS耐高温压力传感器在封装结构上采用薄膜隔离式结构,在油腔与波纹片所形成的密闭容腔里面填充高温硅油。由于传感器的工作温度达250℃,硅油、壳体基座及波纹片将会产生不同程度的热膨胀,最终将给压阻力敏芯片形成一定附加压力,严重影响传感器的精度。文中主要就硅油、壳体基座及波纹片在250℃工作时由于不同的热膨胀系数而导致的膨胀不一致情况进行ANSYS仿真分析,研究了平膜膜片及波纹状膜片情况下的硅油热膨胀问题,最后相应地得到了硅油相对于壳体和波纹片的热膨胀率,同时分析得出了合理设计波纹片结构可以有效减小硅油热膨胀时所产生的附加压力,提高传感器的工作灵敏度与稳定性。

耐高温压阻式压力传感器研究与进展

传统的硅扩散压阻式压力传感器用重掺杂4个 P 型硅应变电阻构成惠斯顿电桥的力敏检测模式,采用 PN 结隔离,高温压阻式压力传感器取消了 PN 结隔离,与半导体集成电路平面工艺兼容,符合传感器的发展方向。根据力敏材料的分类,分别介绍了多晶硅中高温压力传感器、SiC 高温压力传感器和单晶硅 SOI(silicon on insulator)高温压力传感器的基本工作原理和国内外的发展现状,重点论述了 BESOI(bonding and etch-back SOI)、SMARTCUT 和 SIMOX(separation by implanted oxygen)技术的 SOI 晶片加工工艺,以及由此晶片微机械加工成的芯片封装的高温微型压力传感器部分特性,对此领域的发展作了展望。

耐高温压力传感器研究现状与发展

现有商业化压力传感器绝大多数工作在常温条件下,工作温度高于200℃者尚不多见,远不能满足高温下的压力测量要求,因此对高温压力传感器的研究成为必然。论述了国内外几类高温压力传感器的研究进展、关键技术及应用情况,并探讨了主要存在的问题和未来的发展趋势。

通用型耐高温微型压力传感器封装工艺研究

针对通用型高温微型压力传感器的测量要求,采用SIMOX(separationbyimplantedoxygen)技术SOI(silicononinsulator)晶片4层结构Pt5Si2-Ti-Pt-Au合金化引线系统,解决了高温压力传感器引线的难点。制作了静电键合实验装置,完成了硅/玻璃环静电键合,制作了压焊工作台,选用退火后的金丝,金金连接完成内引线键合。自制了耐高温覆铜传引板,定制了含Ag的高温焊锡丝,选用了耐高温导线作为外导线,完成了耐高温封装的关键部分。研制了高精度、稳定性的压阻式压力传感器。

用于恶劣环境的耐高温压力传感器(英文)

为了解决如高温200℃等恶劣环境下的压力测量问题,基于微机电系统(MEMS)和高能氧离子注入(SIMOX)技术,研制了一种量程为0～120kPa的压阻式压力传感器。该传感器芯片由硅基底、薄层二氧化硅、惠斯登电桥结构的硼离子注入层、氮化硅应力匹配层、钛-铂-金梁式引线层和由湿法刻蚀形成的空腔组成。在氧剂量1.4×1018/cm2和注入能量200keV条件下,由高能氧离子注入技术形成厚度为367nm的埋层二氧化硅层,从而将上部测量电路层和硅基底隔离开,解决了漏电流问题,使得传感器芯片可以在高温200 ℃以上的环境下使用。为了提高传感器在宽温度范围内的稳定性,对温度补偿工艺进行了研究,补偿后的传感器灵敏度温度系数和零位温度系数很容易控制在1×10-4/℃.FS。实验标定结果表明:在200 ℃下,研发的耐高温压力传感器具有很好的工作性能,其线性度误差达0.12%FS、重复性误差为0.1%FS、迟滞误差为0.12%FS,精度达0.197%FS,满足油井、风洞、汽车和石化工业等现代工业的应用需求。

SiC高温压力传感器动态性能研究

面向航空发动机测试等恶劣复杂测试环境中动态压力测试需求,本文从芯片及封装结构设计、性能模拟仿真、器件制作工艺及传感器动态性能测试方面对碳化硅(SiC)高温压力传感器动态性能进行了系统研究。仿真结果表明:传感器频响为32.4kHz,上升时间为40μs。测试结果表明:传感器的频响不低于5kHz,上升时间为93μs。此传感器具有动态响应频率高、冲击信号响应速度快特点,为航空发动机内脉动压力测量提供了技术支持。

基于共晶焊技术的高温压力传感器无引线封装技术研究

针对MEMS高温压力传感器在高温特种环境下存在引线电学失效的不可靠性因素,制备了基于共晶焊技术的无引线封装SOI高温压阻式压力传感器。利用金锗合金焊料共晶焊接技术完成芯片与陶瓷基板的焊盘之间的连接。推力测试结果表明:其焊接强度最大值可达28.30 MPa,均值约为26.47 MPa。完成300℃环境下的老化后,其300℃高温环境下零点漂移为0.216%,时漂约为7.64μV/h。老化后常温静态压力测试线性度为0.126%,迟滞为0.136%,重复性为0.197%,均小于2‰,基本误差为0.433%。研究结果验证了金锗焊料共晶焊接制备无引线封装压力传感器的技术路线可行性。

基于SIMOX的耐高温压力传感器芯片制作

针对石油化工等领域中高温下较高压力测量的要求，设计了压阻式压力传感器敏感芯片，采用SIMOX技术的SOI晶片，在微加工平台上通过低压化学气相淀积法（LPCVD）均相外延硅测量层、浓硼离子注入、热氧化、光刻、电感耦合等离子体（ICP）深刻蚀、多层合金化等工艺流程制作了该芯片，将其封装后，研制出了高精度稳定性佳的耐高温压阻式压力传感器．封装工艺进一步改善后，该芯片工作温区有望拓宽到300～350℃．

耐高温压力传感器的设计研究

借助弹性力学和板壳力学理论,建立了双岛型耐高温压力传感器应变膜的简化力学模型,得到近似应力分布的数学模型。利用有限元分析方法,借助ANSYS仿真软件,对应变膜进行一系列的计算机模拟,探讨了简化应力模型的合理性以及温度对应力差分布的影响,为力敏电阻在应变膜上的布置、研发新颖的高温压力传感器芯片提供有力的依据。

耐高温合金薄膜压力传感器的设计及仿真分析

研制高温恶劣环境适用的压力传感器具有重要的工程实际意义。文中设计了以蓝宝石为弹性膜片,溅射合金薄膜为应变电阻的耐高温压力传感器。通过有限元软件计算分析了弹性膜片的应力应变分布,并对膜片厚度进行了优化设计。