姚東媛， 謝勝秋， 王俊巍， 吳佐飛

(中國電子科技集團(tuán)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(xué)研究

姚東媛， 謝勝秋， 王俊巍， 吳佐飛

(中國電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

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

硅—藍(lán)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(qiáng)，市場對測量與控制系統(tǒng)相應(yīng)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(qiáng)的適應(yīng)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(jìn)行間接測量，無法直接反映真實(shí)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(shí)時(shí)、準(zhǔn)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(lán)寶石壓力傳感器等。其中，硅—藍(lán)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(diǎn)，能在最惡劣條件下可靠工作。硅—藍(lán)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(shí)，由于不同材料熱特性的影響，溫度變化使鈦合金—藍(lán)寶石復(fù)合彈性膜片上產(chǎn)生結(jié)構(gòu)熱應(yīng)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(biāo)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(yīng)力的影響。

1 傳感器的結(jié)構(gòu)

硅—藍(lán)寶石壓力傳感器依據(jù)硅壓阻效應(yīng)原理，采用藍(lán)寶石介質(zhì)絕緣材料隔離。藍(lán)寶石材料脆性大、易碎裂，若直接用于測量會在失效時(shí)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(lán)寶石復(fù)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(lán)寶石彈性膜片在均勻壓力作用下產(chǎn)生形變，硅—藍(lán)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(lán)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(dá)到-270 ℃、高溫可達(dá)1 000 ℃以上，是一種良好耐高低溫的襯底絕緣材料[4，5]。在藍(lán)寶石上外延與其晶格匹配的摻雜單晶硅，利用硅壓阻效應(yīng)和平面工藝可加工成硅—藍(lán)寶石壓力敏感芯片。

鈦在高溫能保持較高的比強(qiáng)度，鈦合金TC11為一種耐高溫材料，工業(yè)純鈦及鈦合金的機(jī)械特性如表1，同時(shí)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(jì)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(jī)械性能

2.2 鈦合金—藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)熱特性分析

利用彈性元件力學(xué)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(jì)膜片厚度、半徑等參數(shù)，使膜片保持彈性形變、實(shí)現(xiàn)不同量程壓力—應(yīng)變線性轉(zhuǎn)換[8，9]。

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

分析在鈦合金—藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)釬焊工藝過程中硅—藍(lán)寶石界面上產(chǎn)生的熱應(yīng)力分布情況，圖2給出了工藝過程中溫度由810 ℃降到室溫時(shí)典型E型膜片的藍(lán)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(lán)寶石表面壓敏電阻條分布區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)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(yīng)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(yīng)力分布情況

分析在鈦合金—藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)使用過程中硅—藍(lán)寶石界面上產(chǎn)生的熱應(yīng)力分布情況，圖3給出了溫度由-55 ℃變到150 ℃時(shí)C型膜片,E型膜片,E型雙膜片三種藍(lán)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(yīng)變分布情況

分析表明:

1)溫度變化205 ℃時(shí)，三種結(jié)構(gòu)膜片(C型膜片,E型膜片,E型雙膜片)在藍(lán)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(yīng)力，均為拉應(yīng)力。

2)三種結(jié)構(gòu)膜片熱應(yīng)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(lán)寶石上的壓敏電阻電橋零點(diǎn)輸出影響達(dá)到了滿量程輸出設(shè)計(jì)值的25 %～100 %。

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

減少熱應(yīng)力常用方法是選擇熱脹系數(shù)相近的材料，藍(lán)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(dá)到藍(lán)寶石材料的1.5～2倍，因此焊料引起的結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力是不可消除的；鈦合金—藍(lán)寶石彈性膜片是固支剛性結(jié)構(gòu)，不能通過設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)間隙、減少固支邊厚度、應(yīng)力釋放槽等方法減少或消除結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力；通過以上分析，設(shè)計(jì)上無法消除鈦合金—藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)上的熱應(yīng)力。

2.3 硅的熱特性分析

由半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)原理可知，硅的電阻相對變化率是壓阻系數(shù)π和應(yīng)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(yīng)力變化會使電橋輸出電壓產(chǎn)生變化。

硅壓力傳感器零點(diǎn)輸出是不施加壓力載荷時(shí)的輸出信號，理論設(shè)計(jì)時(shí)要求惠斯通電橋4個(gè)橋臂完全一致、傳感器的零點(diǎn)輸出為零，而實(shí)際材料和工藝決定了橋臂電阻不會完全一致，即其零點(diǎn)輸出不為零。常溫時(shí)零點(diǎn)輸出是由惠斯通電橋橋臂電阻阻值不對稱引起的；當(dāng)溫度變化時(shí)傳感器零點(diǎn)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(yīng)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(lán)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(shí)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(yīng)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(yīng)力引起的熱零點(diǎn)漂移方向相反，可以減少部分結(jié)構(gòu)熱應(yīng)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(gè)摻雜濃度范圍可以提高傳感器的靈敏度，同時(shí)對恒流源壓敏電橋熱靈敏度溫漂有補(bǔ)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(yīng)力影響等方面，另外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證硅—藍(lán)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(jì)硅—藍(lán)寶石壓力敏感芯片[7]。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

使用摻雜濃度為1×1020，8×1019cm-3的硅—藍(lán)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(diǎn)輸出，對每批芯片的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。表3給出了幾個(gè)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(lán)寶石芯片和壓敏電阻條尺寸設(shè)計(jì)較大、工藝離散性等原因會造成其零點(diǎn)輸出偏大、且數(shù)據(jù)離散，因此，在芯片的非應(yīng)變區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)了零點(diǎn)輸出可調(diào)整電阻，將芯片的零點(diǎn)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(yīng)的影響使藍(lán)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(lán)寶石原片制作壓力敏感芯片熱零點(diǎn)漂移要比8×1019cm-3的小，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)選擇的正確性。

表3 壓力芯片熱零點(diǎn)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(diǎn)輸出見表4和表5，實(shí)驗(yàn)和測試結(jié)果表明：

1)釬焊工藝過程中鈦合金、焊料和藍(lán)寶石三種材料之間的熱脹系數(shù)不同使藍(lán)寶石上表面在電阻分布區(qū)域內(nèi)受到壓應(yīng)力，使敏感芯片與金屬膜片釬焊后傳感器的室溫零點(diǎn)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(diǎn)漂移增大、增量小于熱應(yīng)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(yīng)力的影響。

3)三種膜片中結(jié)構(gòu)引起熱零點(diǎn)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(yīng)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(yīng)力影響小的結(jié)構(gòu)形式，再設(shè)計(jì)和優(yōu)化膜片和芯片的尺寸參數(shù)，滿足壓力—應(yīng)變線性轉(zhuǎn)換、抗過載等指標(biāo)要求，同時(shí)又可以使結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力對熱零點(diǎn)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(lán)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(diǎn)漂移小，因此，硅—藍(lán)寶石傳感器產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造時(shí)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(diǎn)漂移，因此，需要嚴(yán)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(diǎn)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(jìn)行溫度補(bǔ)償，測試-55～350 ℃溫度范圍內(nèi)熱零點(diǎn)漂移和熱靈敏度漂移達(dá)到0.015 %FS/℃以內(nèi)，傳感器的溫漂小、熱穩(wěn)定性高，因此，硅—藍(lán)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(lán)寶石耐高、低溫材料和結(jié)構(gòu)的硅—藍(lán)寶石壓力傳感器，在寬溫度區(qū)工作時(shí)材料之間不匹配產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力使硅—藍(lán)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(jì)膜片和芯片的尺寸參數(shù)，可以使結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力對熱零點(diǎn)漂移影響降低，再利用硅壓阻溫度特性、設(shè)計(jì)選擇適合的摻雜濃度可以消除一部分熱應(yīng)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。

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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。