寬溫區(qū)工作壓力傳感器熱力學研究

姚東媛， 謝勝秋， 王俊巍， 吳佐飛

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

寬溫區(qū)工作壓力傳感器熱力學研究

姚東媛， 謝勝秋， 王俊巍， 吳佐飛

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

介紹了硅—藍寶石壓力傳感器的鈦合金—藍寶石復合彈性膜片在寬溫區(qū)工作時溫度變化材料不匹配引起的結(jié)構(gòu)熱應力，對彈性膜片的受熱情況進行了分析，對不同結(jié)構(gòu)形式傳感器熱穩(wěn)定性影響程度進行了對比，利用P型摻雜硅溫度特性減少結(jié)構(gòu)熱應力影響、降低傳感器的熱零點漂移。通過膜片結(jié)構(gòu)選擇和設(shè)計、材料選擇、工藝優(yōu)化和控制等可以使硅—藍寶石壓力傳感器在-55～350 ℃寬溫度范圍內(nèi)工作時熱漂移不大于0.015 %FS/℃，提高了寬溫區(qū)工作時傳感器的熱穩(wěn)定性。

硅—藍寶石； 壓力傳感器； 彈性膜片； 熱特性

0 引 言

隨著工業(yè)自動化水平不斷增強，市場對測量與控制系統(tǒng)相應地提出了更高的需求，這就要求其測量元件(傳感器)具有更高的精度和更強的適應能力。以往在系統(tǒng)中許多高低溫壓力測量由于傳感器材料不耐高低溫而多采用散熱管等方法進行間接測量，無法直接反映真實的工況情況。采用耐高低溫的壓力傳感器能夠解決這一方面的問題，滿足系統(tǒng)實時、準確的測量要求。普通工業(yè)級壓力傳感器的工作溫度范圍通常為-40～85 ℃，無法滿足一些特殊溫度下壓力信號的直接測量。目前，用于溫度低于-55℃和高于125 ℃介質(zhì)壓力直接測量的壓力傳感器主要有：濺射薄膜，SOI，SiC和硅—藍寶石壓力傳感器等。其中，硅—藍寶石壓力傳感器采用Al2O3介質(zhì)隔離，可在-55～350 ℃溫度范圍內(nèi)長期工作，具有制造工藝簡單、質(zhì)量輕、測量壓力大、工作溫度范圍寬、耐高低溫、耐腐蝕、抗輻射等特點，能在最惡劣條件下可靠工作。硅—藍寶石壓力傳感器屬高端產(chǎn)品，主要用于航空航天等軍事領(lǐng)域，鑒于其良好的耐高低溫和耐腐蝕特性，產(chǎn)品也廣泛用于艦船、石油、化工、發(fā)電場、核電站等行業(yè)的高低溫壓力測量[1～3]。

壓力傳感器在寬溫區(qū)工作時，由于不同材料熱特性的影響，溫度變化使鈦合金—藍寶石復合彈性膜片上產(chǎn)生結(jié)構(gòu)熱應力，影響到傳感器的熱穩(wěn)定性。熱穩(wěn)定性是衡量傳感器質(zhì)量的重要指標參數(shù)，為了提高壓力傳感器在寬溫區(qū)工作的熱穩(wěn)定性，需要降低結(jié)構(gòu)熱應力的影響。

1 傳感器的結(jié)構(gòu)

硅—藍寶石壓力傳感器依據(jù)硅壓阻效應原理，采用藍寶石介質(zhì)絕緣材料隔離。藍寶石材料脆性大、易碎裂，若直接用于測量會在失效時造成系統(tǒng)泄漏，為了提高傳感器的可靠性，彈性結(jié)構(gòu)由金屬膜片—藍寶石復合而成，即傳感器的壓力敏感組件由金屬膜片和壓力敏感芯片組成，兩者之間采用釬焊工藝構(gòu)成剛性周邊固支彈性圓形平膜片結(jié)構(gòu)，典型傳感器壓力敏感組件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。金屬—藍寶石彈性膜片在均勻壓力作用下產(chǎn)生形變，硅—藍寶石壓力敏感芯片上的惠斯登電橋壓敏電阻將彈性膜片的形變轉(zhuǎn)換為電壓信號。

圖1 傳感器壓力敏感組件的結(jié)構(gòu)示意圖

2 熱分析

2.1 壓力敏感材料選擇

藍寶石(Al2O3)為電阻率大于1 011 Ω·cm以上的單晶絕緣體，不會發(fā)生滯后、疲勞和蠕變現(xiàn)象，有良好的彈性和絕緣性，低溫可達到-270 ℃、高溫可達1 000 ℃以上，是一種良好耐高低溫的襯底絕緣材料[4，5]。在藍寶石上外延與其晶格匹配的摻雜單晶硅，利用硅壓阻效應和平面工藝可加工成硅—藍寶石壓力敏感芯片。

鈦在高溫能保持較高的比強度，鈦合金TC11為一種耐高溫材料，工業(yè)純鈦及鈦合金的機械特性如表1，同時在低溫條件下工業(yè)純鈦抗拉伸變形能力有明顯提高、延伸率降低，決定其合金在低溫下也能保持良好的韌性，適于彈性結(jié)構(gòu)設(shè)計和制作。另外鈦合金密度小、耐腐蝕，可用于重量要求輕、直接接觸腐蝕性的液體和氣體的環(huán)境[6，7]。

表1 鈦及鈦合金不同溫度下的機械性能

2.2 鈦合金—藍寶石結(jié)構(gòu)熱特性分析

利用彈性元件力學特性，平膜片除圖1所示的典型E型膜片結(jié)構(gòu)外還有C型，以及E型雙膜片，通過選擇結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計膜片厚度、半徑等參數(shù)，使膜片保持彈性形變、實現(xiàn)不同量程壓力—應變線性轉(zhuǎn)換[8，9]。

根據(jù)釬焊原理選用銀—銅焊料進行鈦合金和藍寶石的釬焊，鈦合金—藍寶石結(jié)構(gòu)所用材料的性能參數(shù)如表2，不同材料機械性能和熱特性存在一定差別，因此,鈦合金、藍寶石和銀銅焊料組成的多層結(jié)構(gòu)在溫度變化時將產(chǎn)生熱應力。使用ANSYS有限元軟件進行熱力學仿真。

分析在鈦合金—藍寶石結(jié)構(gòu)釬焊工藝過程中硅—藍寶石界面上產(chǎn)生的熱應力分布情況，圖2給出了工藝過程中溫度由810 ℃降到室溫時典型E型膜片的藍寶石—銀銅焊料—鈦合金多層結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果，分析表明：釬焊降溫過程中膜片結(jié)構(gòu)在藍寶石表面壓敏電阻條分布區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生壓應力。通過控制釬焊工藝降溫方式和速率能夠降低一部分結(jié)構(gòu)熱應力，但無法完全消除。

表2 不同材料的性能參數(shù)

圖2 釬焊工藝過程膜片熱應力分布情況

分析在鈦合金—藍寶石結(jié)構(gòu)使用過程中硅—藍寶石界面上產(chǎn)生的熱應力分布情況，圖3給出了溫度由-55 ℃變到150 ℃時C型膜片,E型膜片,E型雙膜片三種藍寶石—銀銅焊料—鈦合金多層結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果。

圖3 使用過程中膜片熱應變分布情況

分析表明:

1)溫度變化205 ℃時，三種結(jié)構(gòu)膜片(C型膜片,E型膜片,E型雙膜片)在藍寶石表面壓敏電阻條分布區(qū)域內(nèi)分別產(chǎn)生20，90，185 MPa左右熱應力，均為拉應力。

2)三種結(jié)構(gòu)膜片熱應力產(chǎn)生的形變由小到大的順序依次為C型膜片,E型膜片,E型雙膜片，分別為1.0×10-4，2.4×10-4，4.5×10-4MPa。

3)熱形變對藍寶石上的壓敏電阻電橋零點輸出影響達到了滿量程輸出設(shè)計值的25 %～100 %。

在寬溫區(qū)工作時不同材料構(gòu)成的復合結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生的熱應力受溫度變化影響較大，可導致傳感器的熱穩(wěn)定性指標下降，故減少結(jié)構(gòu)熱應力影響方法的研究是十分重要的。

減少熱應力常用方法是選擇熱脹系數(shù)相近的材料，藍寶石和鈦合金是耐高溫結(jié)構(gòu)，釬焊需使用硬釬焊料，常用的硬釬焊料有銀基、銅基、鎳基、金基等，這些焊料的熱脹系數(shù)也都達到藍寶石材料的1.5～2倍，因此焊料引起的結(jié)構(gòu)熱應力是不可消除的；鈦合金—藍寶石彈性膜片是固支剛性結(jié)構(gòu)，不能通過設(shè)計結(jié)構(gòu)間隙、減少固支邊厚度、應力釋放槽等方法減少或消除結(jié)構(gòu)熱應力；通過以上分析，設(shè)計上無法消除鈦合金—藍寶石結(jié)構(gòu)上的熱應力。

2.3 硅的熱特性分析

由半導體壓阻效應原理可知，硅的電阻相對變化率是壓阻系數(shù)π和應力σ的乘積，即ΔR/R=Δρ/ρ=πσ。恒流源供電模式下惠斯通電橋輸出電壓是電流I和電阻變化ΔR的乘積，即U=IΔR。因此,應力變化會使電橋輸出電壓產(chǎn)生變化。

硅壓力傳感器零點輸出是不施加壓力載荷時的輸出信號，理論設(shè)計時要求惠斯通電橋4個橋臂完全一致、傳感器的零點輸出為零，而實際材料和工藝決定了橋臂電阻不會完全一致，即其零點輸出不為零。常溫時零點輸出是由惠斯通電橋橋臂電阻阻值不對稱引起的；當溫度變化時傳感器零點輸出產(chǎn)生的熱漂移包含有：電橋橋臂電阻阻值不相等、電阻溫度系數(shù)不相等、膜片結(jié)構(gòu)熱應力引起的電橋輸出變化。

根據(jù)壓阻式壓力傳感器的工作原理，在藍寶石上外延(100)面的單晶P-Si、在平膜片周邊沿(110)向設(shè)置壓敏電阻條，硅的壓阻系數(shù)是各向異性的，此時壓阻系數(shù)π44大，可以提高傳感器靈敏度[10]。不同摻雜濃度硅的壓阻系數(shù)π44溫度特性是不同的[6]，圖4給出了P型硅摻雜濃度、壓阻系數(shù)與溫度的關(guān)系，結(jié)合電阻相對變化率、壓阻系數(shù)和應力之間的關(guān)系，利用這些關(guān)系可以選擇壓阻系數(shù)隨溫度升高而降低的摻雜硅，制成壓力敏感電阻，與結(jié)構(gòu)應力引起的熱零點漂移方向相反，可以減少部分結(jié)構(gòu)熱應力的影響。

圖4 壓阻系數(shù)與溫度的關(guān)系

硅壓力傳感器摻雜濃度NS一般在3×1018～3×1020cm-3范圍內(nèi)選取，這個摻雜濃度范圍可以提高傳感器的靈敏度，同時對恒流源壓敏電橋熱靈敏度溫漂有補償作用。所選范圍內(nèi)P型硅摻雜濃度越高壓阻系數(shù)π44隨溫度變化越小、對溫漂影響越小，但靈敏度會降低，綜合考慮靈敏度、壓阻系數(shù)溫度特性、多層結(jié)構(gòu)熱應力影響等方面，另外實驗驗證硅—藍寶石的輸出相對變化率隨溫度變化最小的硅摻雜濃度為8×1019cm-3，因此,選用該摻雜濃度的P型硅設(shè)計硅—藍寶石壓力敏感芯片[7]。

3 實驗與分析

使用摻雜濃度為1×1020，8×1019cm-3的硅—藍寶石原片制作壓力敏感芯片，測試芯片在-55 ℃，室溫及150 ℃溫度下的零點輸出，對每批芯片的測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。表3給出了幾個典型測試數(shù)據(jù)，由測試結(jié)果可知，受金屬膜片結(jié)構(gòu)、可加工性限制硅—藍寶石芯片和壓敏電阻條尺寸設(shè)計較大、工藝離散性等原因會造成其零點輸出偏大、且數(shù)據(jù)離散，因此，在芯片的非應變區(qū)域內(nèi)設(shè)計了零點輸出可調(diào)整電阻，將芯片的零點輸出調(diào)整控制在一定范圍內(nèi)[11]。由于硅摻雜遷移和fm能級效應的影響使藍寶石壓力敏感芯片的壓敏電阻存在溫度漂移，包含了電阻阻值和溫度系數(shù)的影響，比較兩種摻雜濃度芯片的測試數(shù)據(jù)，摻雜濃度為1×1020cm-3的硅—藍寶石原片制作壓力敏感芯片熱零點漂移要比8×1019cm-3的小，驗證了設(shè)計選擇的正確性。

表3 壓力芯片熱零點漂移測試數(shù)據(jù)

用表3的壓力敏感芯片制作成E型雙膜片壓力傳感器，選用摻雜濃度為1×1020cm-3的同批次壓力敏感芯片制作成E型和C型膜片壓力傳感器，測試這些傳感器在-55 ℃、室溫和150 ℃溫度下的零點輸出見表4和表5，實驗和測試結(jié)果表明：

1)釬焊工藝過程中鈦合金、焊料和藍寶石三種材料之間的熱脹系數(shù)不同使藍寶石上表面在電阻分布區(qū)域內(nèi)受到壓應力，使敏感芯片與金屬膜片釬焊后傳感器的室溫零點輸出均減少。

2)多層膜片結(jié)構(gòu)使用過程溫度升高使芯片的熱零點漂移增大、增量小于熱應力帶來的影響，說明硅壓阻系數(shù)隨溫度的變化抵消了一部分熱應力的影響。

3)三種膜片中結(jié)構(gòu)引起熱零點漂移由小到大的順序依次為C型膜片，E型膜片，E型雙膜片，與熱應力仿真分析結(jié)果相符；只要量程允許，分析不同形式膜片受熱影響程度，選擇熱應力影響小的結(jié)構(gòu)形式，再設(shè)計和優(yōu)化膜片和芯片的尺寸參數(shù)，滿足壓力—應變線性轉(zhuǎn)換、抗過載等指標要求，同時又可以使結(jié)構(gòu)熱應力對熱零點漂移影響降低。

4)氧化工藝會使硅的摻雜濃度降低，測試氧化后1×1020cm-3變?yōu)?×1019cm-3；8×1019cm-3變?yōu)?×1019cm-3。由于8×1019cm-3藍寶石上摻雜濃度P型硅的壓阻系數(shù)π44隨溫度變化大，使得摻雜濃度為1×1020cm-3原片制作的傳感器要比8×1019cm-3的熱零點漂移小，因此，硅—藍寶石傳感器產(chǎn)品設(shè)計和制造時使用1×1020cm-3的原片。另外，氧化工藝對摻雜濃度影響較大，影響傳感器的熱零點漂移，因此，需要嚴格控制氧化工藝過程。

表5 E型和C型膜片壓力傳感器熱零點漂移測試數(shù)據(jù)

將壓力芯片調(diào)零后封裝成傳感器，采用并聯(lián)電阻分流的方法進行溫度補償，測試-55～350 ℃溫度范圍內(nèi)熱零點漂移和熱靈敏度漂移達到0.015 %FS/℃以內(nèi)，傳感器的溫漂小、熱穩(wěn)定性高，因此，硅—藍寶石壓力傳感器能夠滿足高低溫的寬溫區(qū)工作的要求。

4 結(jié)束語

采用鈦合金和藍寶石耐高、低溫材料和結(jié)構(gòu)的硅—藍寶石壓力傳感器，在寬溫度區(qū)工作時材料之間不匹配產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)熱應力使硅—藍寶石芯片熱漂移增大，不同結(jié)構(gòu)形式的膜片所受的影響程度是不同的，選擇適合的膜片結(jié)構(gòu)形式，通過設(shè)計膜片和芯片的尺寸參數(shù)，可以使結(jié)構(gòu)熱應力對熱零點漂移影響降低，再利用硅壓阻溫度特性、設(shè)計選擇適合的摻雜濃度可以消除一部分熱應力的影響，可以提高傳感器的熱穩(wěn)定性，使產(chǎn)品在-55～350 ℃工作溫度范圍的熱漂移不大于0.015 %FS/℃,熱穩(wěn)定性高，適用于高、低溫寬溫區(qū)壓力的直接測量。

[1] 張曉莉,陳水金.耐高溫壓力傳感器研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30(2):1-4.

[2] 何文濤,李艷華，鄒江波，等.高溫壓力傳感器的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].遙測遙控,2016,37(6):61-71.

[3] 段 磊.新型寬溫區(qū)壓力傳感器技術(shù)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2009(12):17-18.

[4] Toshiyuki Nakamura,Hideaki Matsuhashi.Silicon on sapphire(SOS)device technology[J].Oki Technical Review,2004,71(4):67-69.

[5] Nagatomo Y,Reedy R E.Latest trends of SOS(silicon on sapphire)technology[J].Denshi Zairgo,2003,42(5)A:1-8.

[6] 張喜燕,趙永慶，白晨光，等.鈦合金及應用[M].北京:化學工業(yè)出版社，2004:22-23.

[7] 龐彥召.大塑性變形工業(yè)純鈦力學性能的研究[D].昆明:昆明理工大學,2016:16-17.

[8] 謝勝秋,姚東媛，張麗新，等.有限元仿真在硅—藍寶石高溫壓力傳感器雙膜片設(shè)計上的應用[J].計量與測試技術(shù),2010,37(4):29-32.

[9] 聞 化.張愛平，張 楓，等.硅—藍寶石高溫大量程壓力傳感器設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2007,26(12):97-99.

[10] 李科杰.新編傳感器技術(shù)手冊[M].北京:國防工業(yè)出版，2002:490-496.

[11] 姚東媛,文 彬，謝勝秋，等.硅—藍寶石壓力傳感器芯片調(diào)整電阻的設(shè)計[J].傳感器技術(shù),2004,23(9):40-41.

Study on thermodynamics of pressure sensor in wide temperature range

YAO Dong-yuan， XIE Sheng-qiu， WANG Jun-wei， WU Zuo-fei

(The 49th Research Institute，China Electionics Technology Group Corporation，Harbin 150001，China)

When a silicon-on-sapphire(SOS)pressure sensor is used in a wide temperature working range, structure thermal stress will be caused by the material mismatch,since the elastic membrane is composed of titanium alloy and SOS.The thermal process of elastic membrane is analyzed,influence on thermal stability of different structure sensor is compared,to reduce the influence of structure thermal stress,by temperature characteristics of P type doped silicon,and reduce thermal zero point drift is decreased.Through membrane structure selection and design, material selection, process optimization and control,zero point thermal drift of SOS pressure sensor operated at -55～350 ℃ temperature range not more than 0.015 %FS/℃.Meanwhile,the thermal stability of the sensor is enhanced in a wide temperature range.

silicon-on-sapphire(SOS); pressure sensor; elastic membrane; thermal performance

2017—04—10

10.13873/J.1000—9787(2017)06—0028—04

TP 212

A

1000—9787(2017)06—0028—04

姚東媛(1971-)，女，高級工程師，主要從事壓力傳感器研究工作。