壓力傳感器是一種能夠把壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為可測(cè)量電信號(hào)的器件。按照工作原理不同，壓力傳感器可分為壓阻式、壓電式、應(yīng)變式、電容式、諧振式、電磁式、光纖式等類型。其中，壓阻式壓力傳感器憑借結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、靈敏度高和響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。隨著工業(yè)制造不斷向極端工況延伸，微壓、高壓、高溫等特殊場(chǎng)景對(duì)壓力傳感器的精度、環(huán)境適應(yīng)性與長(zhǎng)期穩(wěn)定性提出了更高要求。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，針對(duì)該領(lǐng)域研究，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所馮飛研究員團(tuán)隊(duì)在《微納電子技術(shù)》期刊上發(fā)表了題為“壓阻式壓力傳感器研究進(jìn)展”的綜述文章，系統(tǒng)梳理了壓阻式壓力傳感器的工作原理與器件結(jié)構(gòu)，剖析了敏感元件設(shè)計(jì)制造以及信號(hào)補(bǔ)償?shù)群诵年P(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)梳理了微壓、高壓、高靜壓下微差壓及高溫等極端環(huán)境下壓阻式壓力傳感器的研究進(jìn)展、應(yīng)用需求與技術(shù)挑戰(zhàn)，并對(duì)該領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。
壓阻式壓力傳感器基本原理與結(jié)構(gòu)
壓阻式壓力傳感器主要基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)工作。當(dāng)外部壓力作用于壓敏薄膜時(shí)，薄膜發(fā)生形變，位于薄膜應(yīng)力集中區(qū)域的壓敏電阻阻值隨之變化，從而打破惠斯通電橋的平衡，進(jìn)而輸出與壓力相關(guān)的電信號(hào)。壓阻式壓力敏感元件通常以單晶硅為基礎(chǔ)材料，由壓敏薄膜、硅杯、襯底和壓敏電阻等部分組成。完整的壓阻式壓力傳感器一般還包括封裝金屬殼體和信號(hào)處理電路。其中，壓力敏感元件是決定傳感器量程、靈敏度、線性度、抗過(guò)載能力和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的核心部件。
圖1 中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研制的壓阻式壓力傳感器
壓阻式壓力傳感器關(guān)鍵技術(shù)
隨著MEMS工藝的發(fā)展，壓阻式壓力傳感器的制造精度和性能進(jìn)一步提升，其性能主要取決于壓力敏感元件的設(shè)計(jì)制造水平與信號(hào)補(bǔ)償精度。
（1）敏感元件的設(shè)計(jì)制造
壓阻式壓力敏感元件制造中面臨三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：壓敏電阻形狀優(yōu)化、壓敏薄膜厚度控制以及壓力敏感元件結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在壓敏電阻設(shè)計(jì)方面，傳統(tǒng)長(zhǎng)條形電阻兩端可能存在應(yīng)力分布不均勻的問(wèn)題，進(jìn)而引起非線性輸出，為了提高器件靈敏度和線性度，可以采用折線形等電阻結(jié)構(gòu)，并將壓敏電阻布置在薄膜應(yīng)力較為集中的區(qū)域。壓敏薄膜厚度則直接影響傳感器的量程、靈敏度和抗過(guò)載能力，目前主要有無(wú)自停止層直接腐蝕、基于絕緣體上硅（SOI）埋氧層的自停止腐蝕以及薄膜下體硅三類制造方法。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，單純減小壓敏薄膜厚度雖然能夠提高靈敏度，卻會(huì)降低器件的線性度和承壓能力，因此，可以通過(guò)在平整硅膜上設(shè)計(jì)梁、島等結(jié)構(gòu)形成應(yīng)力集中區(qū)域，在靈敏度、剛度和抗過(guò)載能力之間取得平衡。
圖2 一種壓敏電阻的形狀及分布位置優(yōu)化結(jié)構(gòu)
圖3 采用無(wú)自停止層的濕法腐蝕工藝制造的壓敏薄膜
圖4 基于SOI埋氧層的自停止腐蝕工藝制造的壓阻式壓力敏感元件
圖5 基于薄膜下體硅工藝制造的壓阻式壓力敏感元件
圖6 一種梁膜雙島復(fù)合結(jié)構(gòu)的壓力敏感元件
（2）補(bǔ)償技術(shù)
在信號(hào)補(bǔ)償與校準(zhǔn)方面，由于電橋橋臂電阻特性不完全一致以及壓敏電阻對(duì)溫度高度敏感，傳感器往往會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)誤差及溫度漂移。目前，壓阻式壓力傳感器主要采用硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償兩類方案。硬件補(bǔ)償包括橋內(nèi)補(bǔ)償、橋外補(bǔ)償和雙敏感器件補(bǔ)償?shù)?。隨著計(jì)算能力提高，軟件和數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)逐漸受到重視。這類方法可對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理和數(shù)值分析，通過(guò)標(biāo)定模型或算法完成溫度補(bǔ)償，減少?gòu)?fù)雜的硬件調(diào)試過(guò)程，例如基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的高精度數(shù)字化補(bǔ)償。通過(guò)軟硬件協(xié)同優(yōu)化，傳感器在復(fù)雜溫度環(huán)境下的測(cè)量精度得到了顯著增強(qiáng)。
極端環(huán)境壓阻式壓力傳感器
與普通壓阻式壓力傳感器不同的是，由于近年來(lái)工業(yè)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，微壓、高壓、高靜壓下微差壓、高溫等極端工況下的壓阻式壓力傳感器需求日益凸顯。提前在這些細(xì)分領(lǐng)域布局研發(fā)的機(jī)構(gòu)與企業(yè)，可憑借專屬技術(shù)積累與定制化解決方案，滿足極端場(chǎng)景的特殊測(cè)量要求，在趨于飽和的傳統(tǒng)壓力傳感器市場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)差異化突圍。
（1）壓阻式微壓壓力傳感器
壓阻式微壓傳感器的量程通常覆蓋5 ~ 100 kPa，可滿足血壓、呼吸、輸液壓力、顱內(nèi)壓力、工業(yè)流體管道、飛行器氣壓和高度以及消費(fèi)電子氣壓計(jì)等場(chǎng)景測(cè)量需求。由于檢測(cè)壓力較小，微壓傳感器對(duì)壓敏薄膜厚度和一致性的要求非常高。以量程100 kPa、壓敏薄膜邊長(zhǎng)1 mm的器件為例，其薄膜厚度通常需要控制在15 μm左右。目前，壓阻式微壓壓力傳感器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，例如All sensors DLHR-F50D、杜威智能DWSCD等產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)± 100 ~ 125 Pa的微差壓測(cè)量，綜合精度最高可達(dá)± 0.25%FS。
圖7 一種壓阻式微壓壓力敏感元件
（2）壓阻式高壓壓力傳感器
壓阻式高壓壓力傳感器主要用于大量程壓力測(cè)量，量程可達(dá)到70 MPa甚至更高，應(yīng)用覆蓋工業(yè)高壓流體控制、汽車制動(dòng)系統(tǒng)、深海探測(cè)等領(lǐng)域。與微壓傳感器不同，高壓壓力傳感器通常需要通過(guò)增加薄膜厚度提高承壓能力，但為了維持薄板結(jié)構(gòu)，壓敏薄膜面積也需要相應(yīng)增加。這會(huì)減少單片晶圓能夠制造的芯片數(shù)量，推高器件成本。通過(guò)優(yōu)化壓敏電阻布局、采用高楊氏模量的碳化硅材料，以及運(yùn)用玻璃微熔和回流焊等先進(jìn)封裝技術(shù)，可有效提升壓力傳感器的線性度、可靠性與環(huán)境適應(yīng)性。目前，壓阻式高壓壓力傳感器同樣已經(jīng)商業(yè)化。例如Keller 7LHP、麥克傳感MPM281產(chǎn)品量程分別達(dá)到200 MPa和100 MPa，綜合精度分別為± 0.5%FS和± 0.72%FS，長(zhǎng)期穩(wěn)定性分別為0.25%FS/年和0.1%FS/年。
圖8 一種壓阻式高壓壓力敏感元件
（3）高靜壓下的壓阻式微差壓壓力傳感器
在高靜壓下的微差壓測(cè)量場(chǎng)景中，低壓端與高壓端均承受巨大壓力，高靜壓極易導(dǎo)致敏感元件形變并引發(fā)零點(diǎn)漂移。為獲得準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)果，當(dāng)前主要方案是將靜壓、差壓和溫度敏感元件集成于多參數(shù)傳感器中，利用實(shí)時(shí)采集的靜壓和溫度數(shù)據(jù)對(duì)差壓信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，再配合膜盒、法蘭、導(dǎo)壓管和顯示表頭等部件構(gòu)成多參數(shù)壓力變送器。目前，國(guó)外多參數(shù)壓力變送器技術(shù)相對(duì)成熟，例如霍尼韋爾SW800、橫河川儀EJX910A/930A多參數(shù)壓力變送器的差壓測(cè)量精度分別可達(dá)到± 0.0375%和± 0.04%，最大差壓量程分別為1.25 ~ 500 kPa和2.5 ~ 500 kPa。相比之下，國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品在精度、溫度范圍及長(zhǎng)期穩(wěn)定性上仍存在一定差距，相關(guān)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)正在開展聯(lián)合攻關(guān)。
（4）壓阻式高溫壓力傳感器
在極端高溫環(huán)境下（例如石油井下、航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室等），傳統(tǒng)硅基壓力傳感器易出現(xiàn)漏電及熱零點(diǎn)漂移問(wèn)題。SOI材料可利用埋氧層的電氣絕緣特性，將器件工作溫度提升至約200℃。碳化硅（SiC）作為寬禁帶半導(dǎo)體，在高溫下具有較為穩(wěn)定的電學(xué)和機(jī)械性能，可用于溫度更高、環(huán)境更加惡劣的壓力測(cè)量。高溫壓力傳感器不僅需要滿足工作溫度指標(biāo)，還要綜合解決材料熱膨脹、溫度漂移、封裝失效、化學(xué)腐蝕、長(zhǎng)期老化和機(jī)械耐久性等問(wèn)題。這些相互關(guān)聯(lián)的材料、工藝和封裝難題，是高溫壓力傳感器實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)業(yè)應(yīng)用所面臨的主要挑戰(zhàn)。目前，已經(jīng)商業(yè)化的部分產(chǎn)品，例如Kistler 6025B、中星測(cè)控MCS19壓阻式高溫壓力傳感器的最高工作溫度分別達(dá)到700℃和175℃，量程分別為10 MPa和50 MPa。
圖9 一種壓阻式高溫壓力傳感器
研究總結(jié)
綜上所述，隨著敏感元件設(shè)計(jì)、MEMS制造、封裝和測(cè)試技術(shù)不斷進(jìn)步，壓阻式壓力傳感器的測(cè)量范圍將持續(xù)拓寬，測(cè)量精度、可靠性和性價(jià)比也將進(jìn)一步提升，從而滿足更多極端環(huán)境下的壓力監(jiān)測(cè)需求。
未來(lái)，壓阻式壓力傳感器將重點(diǎn)向低功耗智能化、多功能集成化和低成本標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。通過(guò)與微處理器及信號(hào)處理電路集成，傳感器可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償、通信、自診斷、邏輯判斷和低功耗待機(jī)等功能，成為傳感網(wǎng)絡(luò)中的智能感知節(jié)點(diǎn)；通過(guò)與溫度、濕度和慣性傳感器集成，可在同一測(cè)量點(diǎn)提供更多維度的數(shù)據(jù)；與此同時(shí)，設(shè)計(jì)、制造、封裝和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的逐步完善，也將為降低成本和擴(kuò)大應(yīng)用規(guī)模創(chuàng)造條件。
論文信息：
DOI: 10.13250/j.cnki.wndz.26080103
