【《压力传感器的发展研究国内外文献综述》6700字】

压力传感器的发展研究国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u20535压力传感器的发展研究国内外文献综述 195891.1国外研究现状 1188401.2国内研究现状 7263151.3国内外发展简析 1121196参考文献 121.1国外研究现状国际上对于硅压力差传感器的研究比较早，所研究的范围和深度也相对较广泛和深入。国外的研究机构主要包含有公司和高等科研院所，下面我们将会详细的介绍一下。目前常用的基于硅材料的压力传感器有SOI单晶硅压力传感器、基于蓝宝石的压力传感器以及基于SiC碳化硅材料的压力传感器[14-16]。1.1.1SOI单晶硅压力传感器对于公司来说，国外有美国精良、NOVA、Honeywell等几家专业从事传感器技术领域的公司。设计研制的基于单晶硅和蓝宝石以及碳化硅等基体的压力传感器在国外具有很大的市场，型号种类也很丰富，但是这些型号产品在国内却很少有销售，国内市场中基本没有这些公司的基于SOI单晶硅的压力/差传感器产品[17]。除了上述公司之外，国外还有美国Kulite公司研制的无引线封装的型号为XTEH-10LAC-190（M）系列的高温压力传感器，该压力传感器的量程为1.7bar~210bar，可实现-55℃~480℃温度范围内长期稳定工作，是目前为止基于SOI单晶硅的高温压力传感器的最高水平[18-20]。此外，美国Goodrich公司研制的基于SOI单晶硅的高温压力传感器压力测量范围为16psi~600psi，可长时间工作于500℃高温环境中，测量精度达到了0.25%FS，且传感器短时间最高工作温度达到了600℃，这是迄今为止文献中报道的硅薄膜压力传感器可承受的最高临界温度点[21]。除了商用公司之外，2014年，意大利Gefan公司和德国柏林科技大学联合研制了基于浮动式和倒装焊两种封装方式的SOI单晶硅高温压阻式压力传感器，其中浮动式封装的传感器能够在400℃环境下稳定工作，输出精度为0.25%FS[22]。2009年，马里兰大学-巴尔迪默分校的GuoShuwen等人研制出了基于极薄重掺杂压阻式薄膜的SOI单晶硅高温压力传感器，在将压阻膜厚度减小到0.34um、载流子浓度提高到2×l018cm3时，传感器短时间最高工作温度达到600℃；传感器在500℃高温下连续工作50个小时后，满量程输出偏离小于0.19%[23-25]。上述的几种传感器如图1-3所示。（a）Kulite公司XTEH-10L-190高温压力传感器（b）Goodrich公司SOI高温压力传感器图1-3国外公司SOI单晶硅高温压力传感器1.1.2基于蓝宝石材料的压力传感器除了应用最为广泛的硅压阻式压力传感器外，比较常见的还有基于硅-蓝宝石的高温压力传感器，简称蓝宝石压力传感器。下面个我们会对这基于这两衬底的压力传感器进行简单的介绍。蓝宝石就是俗称的氧化铝，其晶体结构式为Al₂O3，熔点能够达到2040℃，具有较好的电学特性和绝缘特性，因为其高温特性也是制备高温传感器的理想材料。目前基于蓝宝石的高温传感器主要有两大类：（1）基于SOS（SilicononSapphire）结构的应变式压力传感器；（2）基于蓝宝石的光纤式压力传感器[26-28]。（1）基于SOS的高温压力传感器的发展情况SOS高温压力传感器是在上个世纪六十年代中期研制出的一种薄膜应变式压力传感器，它是通过在蓝宝石AL2O3晶体为衬底上采用异质外延生长方法产生的单晶硅薄膜，并利用干法刻蚀制作硅压阻结构而成的一种压力传感器。SOS结构的出现立即引起了半导体材料专家和集成电路（IC）设计者的关注，因为蓝宝石是一种良好的绝缘体，SOS结构被视为提高CMOS电路速度的一种方法，并被希望还可以构成抗辐射性高的集成电路。这些设想促进了对SOS结构传感器的生成、结构和电气特性的广泛研究。尽管如此，对体硅工艺的进一步研究带给CMOS电路速度巨大的发展，并使其成本远低于SOS结构。结果，SOS结构电路只是主要用在了对抗辐射性要求较高的一些领域。在这些领域，它们基本没有任何真正的竞争者。随后SOS技术被另一个领域应用，即高温压阻式压力传感器。这种应用最初始于苏联的NIITeplopribor测试技术研究所（莫斯科），此后在多家公司和科研机构中得到了发展。基于SOS的高温压力传感器具有频带宽、耐腐蚀性好、抗辐射性强等优点，它在国外已成为一种常规传感器产品，Omega、MIDA等公司生产的高温压力传感器的工作温度达到350℃，并可长期工作；此外，MIDA公司已研制成功可长期耐受500℃高温的SOS压力传感器，并已在油井探测领域成功应用[29]。（2）基于蓝宝石光纤式的高温压力传感器的发展情况光纤式传感器具有测量精度高、抗电磁干扰、抗辐射、工作温度高、等优点，适合应用于燃气轮机、航空/航天发动机等高温恶劣环境，目前已成为高温压力传感器的热门研究方向。欧美国家在20世纪90年代就已经开始了研究高温恶劣环境下的光纤压力传感技术，主要有光棚光纤式和法布里-珀罗（Fabri-Perot，简称F-P）干涉光纤式两种实现方式。光棚光纤式压力传感器灵敏度较低，适用于公路铁路安全监测、桥梁隧道安全监测、石油化工等高压测量领域。F-P干涉光纤式高温压力传感器如图1-4所示。图1-4F-P干涉法测压原理图1-4所示为F-P干涉法测量压力原理，右侧激光在通过F-P腔时会形成多条反射光1、2、3，利用反射光干涉特性反演计算得到F-P腔长度，再通过腔长与压力的关系实现压力测量，通过调整感压膜厚度和材质就能够制备不同量程的压力传感器[30]。随着蓝宝石微加工技术的丰富和成熟，基于蓝宝石感压膜的F-P腔的光纤传感器已成为高温压力传感器的一个重要研究方向。位于英国牛津的OxsensisLtd公司从2005年开始研制基于F-P腔干涉原理的光纤式高温压力传感器，已从单一测压传感器产品发展到现在多参数测量系统，可同时测量压力、温度、振动、流量等参数[31]。该公司的温度、压力、振动产品的工作温度均可达到最高1000℃，并在工业领域应用广泛。2015年Oxsensis还联合GE（通用）公司提出了基于超高温光纤传感器的压缩机主动稳定管理系统的研制计划，该系统包含若干传感器及微执行器，打破了传统测量系统只能进行被动监测的局面[32]。该公司研制的蓝宝石光纤式压力传感器如图1-5所示。图1-5OxsensisLtd公司研制的蓝宝石光纤式压力传感器在高等科研院所中，对于蓝宝石光纤压力传感器的研究也很广泛。美国Virginia（弗吉尼亚）理工大学的WangAnbo等人利用蓝宝石的ICP干法刻蚀及蓝宝石的热压键合工艺，制作了全蓝宝石结构的F-P腔，封装完成的压力传感器最高使用温度可以达到1500℃。另外，佛罗里达（Florida）大学的SheplakMark课题组、美国LunaInnovation公司、欧洲航空局等研究机构都开展了基于蓝宝石F-P腔光纤超高温传感器的研究，研究内容主要集中于F-P腔的制备新方法、传感器的低应力封装以及进一步提高传感器工作温度的方法[33-35]。Virginia（弗吉尼亚）理工大学研制的蓝宝石光纤式压力传感器如图1-6所示。图1-6Virginia（弗吉尼亚）理工大学研制的蓝宝石光纤式压力传感器1.1.3SiC压力传感器目前美国NASA（美国国家航空航天局）的Glenn研究中心在压阻式高温压力传感器方面的研究开展比较深入，该中心率先实现了全SiC（碳化硅）结构的压敏芯片，结构示意图如图1-7所示。压力敏感结构以6H-SiC作为基底，利用同质外延掺杂、干法刻蚀技术形成PN结和压阻结构，再使用Ti/TaSi/Pt膜系实现欧姆接触。传感器的样机如图1-8所示，最高工作温度能够达到750℃[36]。

图1-7全SiC结构的压敏芯片结构示意图图1-8全SiC结构的压力传感器样机示意图1.1.4溅射薄膜高温压力传感器除了上述三种比较常见的压力传感器研究方向外，现在又兴起了一种溅射薄膜式高温压力传感器。溅射薄膜压力传感器也是一种应变式压力传感器。它是一种金属/合金-SiO2-金属/合金结构。先在作为衬底的金属或合金薄膜上溅射（淀积）一层SiO2；然后利用磁控溅射技术，在SiO2上溅射一定厚度的合金薄膜，通过光刻技术进行刻蚀，使该层合金薄膜组成应变电桥；最后淀积Au（金）电极，形成传感器芯片结构[37-38]。目前溅射薄膜压力传感器的最高工作温度可达200℃，但压力芯体灵敏度较低，后续放大电路的放大倍数较大，产品精度不易保证。目前国际上对于溅射薄膜式压力传感器研究较为先进的有英国胜思特公司，该公司生产的溅射薄膜压力传感器，可达到国际领先水平，长期工作稳定性好，抗过载能力强，能够承受5倍过载压力[39]。1.2国内研究现状下面将会介绍一下国内对于基于硅材料的压力传感器的研究发展现状。1.2.1SOI单晶硅压力传感器目前，国内常见的有沈阳仪表科学研究院和中国电子科技集团公司第四十九研究所等科研院所，能够利用SOI材料研制压阻式压力敏感芯片，在压力敏感芯片制备技术方面有独特优势，形成了压力敏感芯片级的产品，技术水平在国内传感器行业中属于前列。其中沈阳仪表科学研究院使用了独特的加工技术在SOI晶圆表面的250nm厚可加工材料层上制作出孤立的“岛”状硅敏感电阻阵列，用绝缘膜电隔离技术替代了传统的PN结电隔离技术，由于SOI芯片避免了PN隔离问题，相比于常规的扩散硅压力传感器，具有更好的稳定性，可以实现更高温度下的压力测量。其产品如图1-9所示。图1-9沈阳仪表科学研究院研制的SOI压力传感器在民营公司里，昆山双桥传感器测控技术有限公司，作为中科院昆山高科技产业园、国家火炬计划昆山传感器产业基地核心骨干企业，能够利用压阻式压力芯片，研制和生产各种压力传感器。其技术水平在国内传感器行业中处于民营企业中的较高水平[40]。生产的型号包括CYG-XXX系列压力传感器，具有不同的应用场景，其产品如图1-10所示。（a）CYG1601系列中高温压力传感器（b）CYG1101系列通用压力传感器（c）CYG1220系列压差变送器图1-10昆山双桥传感器测控技术有限公司研制的压力传感器此外，在高等学府中，西安交通大学、中北大学、沈阳工业大学等也先后开展了SOI高温压力传感器的研制。西安交通大学采用注氧隔离（SIMOX）技术成功研制了能在250℃下工作的SOI高温压力传感器，传感器样机经过外部封装处理后，可以经受1000℃高温环境小于500毫秒的瞬时高温冲击。2012年，沈阳工业大学研制的SOI高温压力传感器可在300℃高温环境下可靠地工作，该传感器灵敏度大约为30mV/（mAMPa），非线性度小于1.5%FS，重复性误差小于0.3%FS[41]。2015年，中北大学研制的SOI高温压阻式压力传感器可在-50℃~220℃温度范围中稳定工作，常温下综合精度小于±0.5%FS，全温区补偿精度小于±1.5%FS[42]。其中，沈阳工业大学设计研制压力传感器所使用的SOI压力敏感芯片如图1-11所示。图1-11沈阳工业大学设计研制的SOI压力敏感芯片通过上述的介绍，我们可以对比一下国内外SOI单晶硅压力传感器的性能和参数，因为这是本课题研究工作的主要研究方向。表1-1所示为国内外常见的厂家的压力传感器产品对比，通过对比我们大致可以知道国内外关于压力传感器的主要参数。

表1-1国内外SOI压力传感器参数比较主要技术指标昆山双桥美国Kulite某研究所西安交通大学温度范围(℃)-25～85-55～480-45～125-45～125温度补偿范围(℃)-10～60-30～85-45～125-40～85静态精度（%FS）80.1热零点漂移（%FS/℃）±0.03±0.03±0.015±0.03热灵敏度漂移（%FS/℃）±0.03±0.03±0.015±0.03长期稳定性（%FS）±0.2±0.2±0.19±基于蓝宝石材料的压力传感器目前国内能够生产基于蓝宝石压力芯片传感器的只有中国电子科技第49研究所，该所研制的高温压力传感器量程可从1MPa到100MPa，可正常测量的工作温度在-55～350℃，全温区精度能够达到3%FS。由于SOS蓝宝石高温压力传感器存在温度拐点，在中温段温度漂移较大，所以需要后端电路进行温度补偿。目前该所的SOS蓝宝石高温压力传感器虽有较大进步，但与国外技术上仍有差距，后面将不断研究和改进，缩小与国外的差距。并且蓝宝石单晶片的成本是SOI单晶硅硅芯片的10倍以上，价格昂贵，所以发展空间不如SOI高温压力传感器。但就国内高温压力传感器成熟度而言，SOS蓝宝石高温压力传感器仍具有较大优势。1.2.3SiC压力传感器目前国内中国电子科技集团第13所、清华大学、中北大学以及中国船舶重工集团公司第704所等科研单位也进行了相关研究，但目前还停留在SiC碳化硅微加工技术的研究。其中中国船舶重工集团公司第704研究所已研制完成原理样机，但目前只能进行介质温度在500℃下的压力测量，无法实现稳定长期工作。1.2.4溅射薄膜高温压力传感器目前国能够内生产溅射薄膜压力传感器的厂家主要有中国电科48所、长沙钛合电子公司等研究单位，但所制作的芯体长期稳定性较国外仍有较大差距，生产的产品型号也较少。1.3国内外发展简析通过上述国内外研究发展现状的介绍，我们可以发现，国内外主流的硅介质高温压力传感器研究方向还是SOI单晶硅高温压力传感器。相比较于其他的硅介质高温压力传感器而言，基于SOI单晶硅的高温压力传感器具有制作简单、价格便宜、稳定性高的特定，因此应用范围最为广泛。而基于蓝宝石介质的高温压力传感器虽然有着更好的特性和发展潜力，但是在现阶段而言，价格过高是制约其发展最大的问题，同时也是本次课题研究工作不选择该设计方向的原因。SiC压力传感器和溅射薄膜高温压力传感器则具有设计开发难度较大的问题，在国内外的研究介绍都较少，可参照的资料也并不丰富，因此也不适合作为本次课题研究工作的研究方向。同时，国内外的现成产品能够直接在本课题要求中使用的很少，基本没有。因此需要在国内外现有的研究成果上，设计使用于本课题中要求的基于单晶硅的压力差传感器。综上，本次论文研究主要是研究基于SOI单晶硅压力传感器的设计，并基于此扩展其他功能和特性。该传感器是根据单晶硅的压阻效应原理，利用SOI材料对压力敏感芯片进行正向设计。在研制该传感器过程中，本着先进性、实用性、可靠性的基本思想，在完成一种新型的SOI压阻式压力敏感元件的同时，也同时完成对该压力芯片封装结构的研制，获得体积小、高精度和高可靠的压力敏感元件用于该传感器的设计中，使该传感器具有自身体积小、灵敏度高、精度高、动态特性好、可靠性高，从技术水平比较与国外的同类产品相当，有些技术指标要优于同类产品[43]。同时本毕设掌握了SOI压力传感器的设计技术和制造技术、半导体平面工艺的集成化技术、微机械加工技术、MEMS技术的融合，对促使传感器向多功能化、高精度、数字化、智能化、小型轻量化和高可靠方向发展，进而得到一个相对较为完善和理想的测控系统，起到了积极的推动作用。解决了国外压力敏感元件封装结构的油封孔一般在低压区域，在高压力作用下油封孔容易渗油带来的失效风险。在传感器结构上首次采用波导管屏蔽技术，研制成功微型波导管屏蔽件，解决该传感器电磁兼容性问题[44]。通过对该传感器的研制，掌握了SOI压力传感器的设计技术和制造技术、半导体平面工艺的集成化技术，掌握了上述技术与微机械加工技术、MEMS技术的融合性技术，对促使传感器向多功能化、高精度、数字化、智能化、小型轻量化和高可靠方向发展，进而得到一个相对较为完善和理想的生产平台，起到了积极的推动作用[45]。并且具有良好的重复性和批量生产性。解决了压力敏感元件封装结构的油封孔在低压区域，在高压力作用下油封孔容易渗油带来的失效风险；并在传感器结构上首次采用波导管屏蔽技术，研制成功微型波导管屏蔽件，解决了该传感器产品电磁兼容性问题。综合该传感器的性能指标比较，达到国际先进水平。将针对实现高速数据采集传输、提升抗干扰能力、提高通用性和可扩展性几个方面的关键技术开展研究[46]。参考文献[1] 何文涛，李艳华，邹江波等.高温压力传感器的研究现状与发展趋势[J].遥测遥控,2016,37(6):62-70.[2] PulliamWJ,RusslerPM,FielderRS.High-temperaturehigh-bandwidthfiberopticMEMSpressure-sensortechnologyforturbine-enginecomponenttesting[J].ProceedingsofSPIE–TheInternationalSocietyforOpticalEngineering,2002,4578:229-238[3] YoleDevelopmentSA.MEMStechnology:world’ssmallestbarometricpressuresensor[J].Micronews,2009,78:1.[4] PatrikMelvas,EdvardKalvesten,GoranStemme.Atemperaturecompensateddualbeampressuresensor[J].SensorsandActuators2002,100(1):46-53.[5] 于江涛;孙雷;肖瑶,等.压阻式柔性压力传感器的研究进展[J].电子元件与材料,2019,38(6):2-10.[6] HopcroftMA，NixWD，KennyTW．WhatistheYoung＇smodulusofsilicon[J]．Micro-Electro-MechanicalSystem，2010，19(2):229-238．[7] LIX,LIUQ,PANGSX,etal.High-temperaturepiezore-sistivepressuresensorbasedonimplantationofoxygenintosiliconwafer[J].SensorsandActuators:A,2012,179(6):277-282.[8] XIONGJJ,LIY,HONGYP,etal.WirelessLTCC-basedcapacitivepressuresensorforharshenvironment[J].SensorsandActuators:A,2013,197(1):30-37.[9] 张书玉,张维连,索开南等.SOI高温压力传感器的研究[J].传感技术学报,2006,19(4):1004-1699.[10] SeneskyDG,JamshidiB,ChengKB,etal.Harshenvironmentsiliconcarbidesensorsforhealthandperformancemonitoringofaerospacesystems:Areview[J].IEEESensorsJournal，2009,9(11):1472-1478.[11]BannikoppaS,KatageriAC,BalavaladKB,etal.DesignofPiezoresistivepressuresensorforenhancedsensitivity[C]/IntemationalConferenceonEnergyEfiBcientTechnologiesforSustmnability.2016:706-710.[12]李旺旺.蓝宝石高温压力传感器关键技术研究[D].中北大学.2019.[13] 黄漫国，邹兴，郭占社,等.高温大压力传感器研究现状与发展趋势[J].测控技术,2020,(3):12–14.[14] FRAGIACOMOG,RECKK,LORENZENL,etal.NoveldesignsforapplicationspecificMEMSpressuresensors[J].Sensors,2010,10(11):9541-9563.[15] ZHAOYL，ZHAOLB，JIANGZD．AnovelhightemperaturepressuresensoronthebasisofSOIlayers［J］．SensorsandActuatorsA，2003，108(1):108－111．[16] 严子林.碳化硅高温压力传感器设计与工艺实验研究[D].清华大学,2011.[17] 李旺旺,梁庭,张迪雅等.SOI压阻式压力传感器敏感结构的优化设计[J].仪表技术与传感器,2016(6):15-18.[18] 李丹丹,梁庭,李赛男等.基于MEMS工艺的