CN105067184A - 一种高温压力传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种高温压力传感器，包括压力敏感芯体、高温烧结层、连接杆，所述的压力敏感芯体通过高温烧结层与连接杆相连，所述的连接杆的头部安装有铂-铑铂热电偶，用于测量温度并补偿热灵敏度漂移和热零点漂移，所述的连接杆的中部以卡套的形式与高温合金钢固定件连接，所述的高温合金钢固定件与被测结构连接，所述的连接杆尾部安装信号处理电路，所述的连接杆的内部安装有蓝宝石光纤，所述的敏感芯体通过连接杆内部的蓝宝石光纤与信号处理电路相连。本发明的目的是提供一种可以在1200℃的环境温度下测量气体压力，从而可以不通过引压管直接测量飞机或火箭喷气式发动机喷出的高温气体压强，进而实时测量喷气发动机的推力的高温压力传感器。

Description

一种高温压力传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种高温压力传感器及其制造方法。

背景技术

传统的压力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示压力，这种结构尺寸大、质量重，不能提供电学输出。随着半导体技术与MEMS技术的发展，人们以硅作为主要材料，采取电容、压阻等多种形式，开发了硅微压力传感器，其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。

随着应用与研究范围的扩展，人们又开始重视开发能够直接工作在恶劣环境下的微压力传感器。所谓“恶劣环境”，是指高温、强辐射、高振动或具有氧化和腐蚀性特点的环境，其中以高温环境最为常见，例如在航天航空、核能技术、石油化工、地热勘探以及汽车电子学等领域压力测量经常需要在350℃甚至更高时进行。高温压力传感器市场前景非常广阔，预计其需求将以每年10%～32%的速率递增。研制高温压力传感器目的就是能够在高温环境下对各种气液的压力进行测量。它的应用范围极为广泛，在民用方面，可用于测量锅炉、管道、高温反应容器内的压力、油井压力和各种发动机腔体内的压力，在军事方面，可用于喷气发动机、坦克发动机、舰船发动机、风洞、航天器外壳等的压力测量。

当下半导体压力传感器以扩散硅压力传感器为主，但以下几点原因限制了以硅材料为主的传感器在高温恶劣条件下的应用：1、由于硅禁带宽度窄，所以其耐高温和抗辐射性能比较差；2、硅容易与介质发生化学反应，被氧化或者被腐蚀；3、在高温条件下硅的机械性能退化。

对于扩散硅压力传感器，它的应变电桥采用p型扩散电阻，应变膜为n型硅基座，两者之间是自然的pn结隔离，一旦工作温度超过120℃，应变电阻与基座间的pn结漏电加剧，就会使传感器特性严重恶化乃至失效。

在没有出现真正耐高温的压力传感器前，为了解决高温压力测量的需要，人们普遍采用以下几种方式来提高硅微压力传感器的耐温性能。在对压力变化频率不高的情况下，优先使用“引压管”。所谓“引压管”就是引导高温被测介质到达压力感应芯片用的管子，可以起到隔热和散热的效果。在被测介质温度不是很高时，可以使用散热片作为传感器的外封装结构。而在测量介质温度较高，同时对压力响应也有较高要求时，如发动机燃烧室内压力的测量，最常用的方法就是对压力传感器加上水冷套进行水冷。

由于高温下硅材料的局限性，人们把目光投向新材料、新工艺，提出了多种新的高温压力传感器结构。目前已经研制出多晶硅压力传感器、绝缘体上硅（SOI，SilicononInsulator）压力传感器、蓝宝石上硅（SOS,SilicononSapphire）压力传感器、金刚石压力传感器和碳化硅压力传感器等。

多晶硅与SOI压力传感器最高工作温度较低，一般在200℃左右。SOI材料是在Si材料基础上用SiO2嵌入层以提高电绝缘性。

碳化硅由于其独特的物理性质与电学特性，逐渐为人们所重视。它是第三代宽禁带半导体材料的代表，具有优良的抗辐射性能和高温稳定性，是制作高温器件的理想材料，一般都能在300℃工作。常温下，对6H-SiC，当掺杂浓度低时，其纵向应变系数大约为-25，高掺杂时大约为-20，适合用来制作压阻式压力传感器。这些特性使得碳化硅成为高温压力传感器领域最有发展前景的材料。西安电子科技大学于2001年利用在硅基座上外延3C-SIC膜制作了高温压力传感器，由于碳化硅敏感电阻是在兼作弹性膜片的硅基座外延而成，使用温度只能达到200℃，又由于上述的设计不是采用完全的SiC材料，Si与3C-SiC之间存在高温热膨胀系数不匹配的问题，容易带来噪声，同时增加了失效的可能性。2011年，清华大学对碳化硅压阻式传感器芯片工艺做了一定程度的研究，未涉及封装结构研究，未制成完整的压力传感器也无法测量传感器的性能。2013年，厦门大学发表了碳化硅电容式压力敏感元件的研究成果，采用了更为非真空键合技术，由于未对敏感电阻上的金属化电极进行真空防氧化保护，不能长期、可靠工作，而且仅限于敏感元件的研究，没有涉及难度更高的信号引出和封装，未制成完整的压力传感器也无法测量传感器的性能。2013年公开的《一种在高温环境下具有高稳定性的压力传感器微纳结构》发明专利（专利申请号201310151676.6），将碳化硅膜片以二氧化硅膜为过渡层键合到碳化硅基座上。在此结构中，二氧化硅膜是弹性膜片的固支边，其软化点约1200℃，实际上在温度达到800℃时弹性模量已大幅下降，不足以起到固支边的作用。又由于该结构采用的是平膜片形式，二氧化硅膜承受的主要是剪切力，而抗剪切强度远小于抗压强度，严重的制约了使用温度的上限，不能突破800℃。由于采用平膜片，与光纤相对的反射层位于膜片的中心，在压力作用下会形成曲面，不仅反射效率降低，反射距离形成一定范围的分散，尤其当膜片中心与光纤中心由于装配误差而不同心时，造成的测量误差更大。

发明内容

本发明旨在提供一种高温压力传感器，这种传感器克服现有传感器的缺点，可以在1200℃的高温下可靠稳定的工作。

本发明提供高温压力传感器，采用了如下的技术方案：

一种高温压力传感器，其特征在于：包括压力敏感芯体、高温烧结层、连接杆，所述的压力敏感芯体通过高温烧结层与连接杆相连，所述的连接杆的头部安装有铂-铑铂热电偶，用于测量温度并补偿热灵敏度漂移和热零点漂移，所述的连接杆的中部以卡套的形式与高温合金钢固定件连接，所述的高温合金钢固定件与被测结构连接，所述的连接杆尾部安装信号处理电路，所述的连接杆的内部安装有蓝宝石光纤，所述的敏感芯体通过连接杆内部的蓝宝石光纤与信号处理电路相连。

优选的，所述的压力敏感芯体包括一体化弹性元件、基座、高温烧结层，所述的一体化弹性元件通过高温烧结层与基座连接，所述的基座上设有一个通气孔和两个蓝宝石光纤通孔，所述的蓝宝石光纤端面有半透膜，所述的一体化弹性元件上与半透膜相对的位置安装有反射膜，所述的蓝宝石光纤通过高温烧结层与基座相连。

优选的，所述的高温烧结层为以三氧化二铝纳米粉为主要成分的浆料高温烧结后制成。

优选的，所述的一体化弹性元件为E型件，其具有两个固支边、一个中心硬芯、一个弹性膜片。

优选的，所述的一体化弹性元件以蓝宝石单晶片、氧化锆、碳化硅、氧化铝陶瓷材料的任意一种制成。

优选的，所述的基座以蓝宝石单晶片、氧化锆、碳化硅、氧化铝陶瓷材料的任意一种制成。

一种高温压力传感器制造方法如下：

第一步：制作一体化弹性元件：首先在钻床上用端部有缺口的管状磨头和莫氏硬度大于9的磨料，在双面抛光的蓝宝石单晶（或氧化锆、氧化铝陶瓷）片上磨出环形槽，制成包括固支边、弹性膜片和中心硬芯的一体化弹性元件；第二步：制作反射膜：用溅射工艺在中心硬芯端面形成金属氧化物或氮化物薄膜作为反射膜；第三步：制作压力敏感芯体：以三氧化二铝粉（粒径小于0.5微米）为主要原料，辅以溶剂、树脂、增塑剂、分散剂和其他有机添加剂制成浆料。用丝网印刷机将此浆料涂覆在基座与固支边对应区域，浆料干燥、脱胶。在基座的光纤过孔中，穿入蓝宝石光纤，光纤与基座的结合部涂前述浆料，干燥、脱胶。将基座与压力敏感元件对准扣合，施加一定的重压，高温烧结（1400℃至1600℃），形成压力敏感芯体；第四步：将所述步骤三制备的压力敏感芯体与氧化铝陶瓷连接杆烧结：具体如下：在氧化铝陶瓷连接杆端面涂覆前述浆料，干燥、脱胶，将压力敏感芯体与氧化铝陶瓷连接杆对准扣合，高温烧结（1400℃至1600℃）；第五步：将第四步所述的氧化铝陶瓷连接杆内的孔中穿入铂-铑铂热电偶。在氧化铝陶瓷连接杆中部以卡套的形式与高温合金钢固定件连接，连接杆尾部安装信号处理电路。

本发明的有益效果在于：本发明的目的是提供一种可以在1200℃的环境温度下测量气体压力，从而可以不通过引压管直接测量飞机或火箭喷气式发动机喷出的高温气体压强，进而实时测量喷气发动机的推力的高温压力传感器。该高温压力传感器的压力敏感元件采用具有固支边、弹性膜片和中心硬芯的一体化弹性元件，即E型杯，其优点在于：（1）固支边厚度超过敏感膜厚度30倍，可以有效缓冲高温烧结层与敏感元件线胀系数不同引起的热应力，（2）如果用平膜片，受到压力作用时烧结层受到的主要是剪切力，而E型杯固支边对烧结层施加的主要是压应力。材料的剪切强度远小于压强度。在高温条件下材料强度和粘接强度下降很多，因此，与平膜片相比，E型杯具有明显的优势，（3）E型杯中心硬芯的端面始终保持为平面，且直径远大于光纤的直径，可以有效的克服平膜片的缺点。2、双光纤零点温漂的补偿：采用2条光纤，对应的反射膜分别位于中心硬芯端面和固支边端面，构成的2个光学干涉仪的解调信号比较输出，可有效补偿由材料热胀冷缩引起的零点温漂。3、以三氧化二铝纳米粉为粘接材料，用高温（超过1400℃）烧结工艺，将用蓝宝石单晶片（或氧化锆、碳化硅、氧化铝陶瓷）制成的弹性元件和基座、蓝宝石光纤及氧化铝陶瓷连接杆结合在一起，使制成的压力传感器的使用温度达到1200℃。

附图说明

图1为本发明的优选的实施例的整体结构示意图。

图2为本发明的优选实施例的压力敏感芯体的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做具体的说明。

实施例1

如图1所示，将蓝宝石单晶片（或氧化锆、碳化硅、氧化铝陶瓷）研磨加工成具有固支边11、弹性膜片14和中心柱12的一体化弹性元件1，即E型杯，反射膜,4和半透膜5是以溅射或反应溅射工艺形成的金属氧化物或氮化物，另一个蓝宝石单晶片（或氧化锆、碳化硅、氧化铝陶瓷）作为基座2，两个蓝宝石光纤6穿过其上的孔并用以三氧化二铝纳米粉为主要成分的高温烧结层3固定在基座2上，基座2上还有一个通气孔21，基座2与一体化弹性元件1的固支,3用以三氧化二铝纳米粉为主要成分的高温烧结层3在一起形成压力敏感芯体7。

如图2所示，压力敏感芯体7用以三氧化二铝纳米粉为主要成分的高温烧结层3到烧结到氧化铝陶瓷连接杆8上，氧化铝陶瓷连接杆8头部有铂-铑铂热电偶81，用于测量温度并补偿热灵敏度漂移和热零点漂移，氧化铝陶瓷连接杆8中部以卡套的形式与高温合金钢（工作温度：-60～500℃）固定件01连接，高温合金钢固定件01与被测结构连接。氧化铝陶瓷连接杆8尾部安装信号处理电路10。

实施例2

一种高温压力传感器的制造方法如下：

第一、在钻床上用端部有缺口的管状磨头和莫氏硬度大于9的磨料，在双面抛光的蓝宝石单晶（或氧化锆、氧化铝陶瓷）片上磨出环形槽，制成包括固支边11、弹性膜片14和中心硬芯12的一体化弹性元件1；

第二、用溅射工艺在中心硬芯端面形成金属氧化物或氮化物薄膜作为反射膜4；

第三、以三氧化二铝粉（粒径小于0.5微米）为主要原料，辅以溶剂、树脂、增塑剂、分散剂和其他有机添加剂制成浆料。用丝网印刷机将此浆料涂覆在基座2与固支边11对应区域，浆料干燥、脱胶。在基座2的光纤过孔中，穿入蓝宝石光纤6，蓝宝石光纤6与基座2的结合部涂前述浆料，干燥、脱胶得到高温烧结层3。将基座2与一体化弹性元件1对准扣合，施加一定的重压，高温烧结（1400℃至1600℃），形成压力敏感芯体7；

第四、在氧化铝陶瓷连接杆8端面涂覆前述浆料，干燥、脱胶，将压力敏感芯体7与氧化铝陶瓷连接杆8对准扣合，高温烧结（1400℃至1600℃）；

第五、在氧化铝陶瓷连接杆8内的孔中穿入铂-铑铂热电偶81，在氧化铝陶瓷连接杆8中部以卡套的形式与高温合金钢固定件01连接，氧化铝陶瓷连接杆8尾部安装信号处理电路10。

本发明提供的高温压力传感器的测试原理如下：中心硬芯端面的反射膜与对应的光纤构成法布利-比洛特(FP)型光学干涉仪。干涉仪的两面镜子分别是中心硬芯端面的反射膜和对应的光纤端面。当流体压力作用于敏感元件时弹性膜片产生挠度变化，进而使中心硬芯端面产生位移，此位移又直接转换成了FP干涉仪空腔长度的变化。

为得到薄膜偏移和所施加的压力间的线性关系，传感器的形状和材料都经严格选择。其关系可表示为：

Lcav(P)=L₀+(P-P₀S)

其中：P是施加到薄膜外表面上的压力；

P₀是FP空腔内的压力；

Lcav是由信号解调器所测得的空腔长度(单位nm)；

L₀是处于零点初始状态的空腔长度(单位nm)，通常定义为P=P₀；

S是传感器的灵敏度(单位nm)。

信号解调器是根据干涉技术制成的。信号解调器(FTI-100i,FTI-10，等)将来自传感器的光信号转换成空腔长度。一旦测得空腔长度Lcav，解调器就会计算出相应的压力值。

与现有技术相比：本发明提供的高温压力传感器的压力敏感元件采用具有固支边、弹性膜片和中心硬芯的一体化弹性元件，即E型杯，其优点在于：（1）固支边厚度超过敏感膜厚度30倍，可以有效缓冲高温烧结层与敏感元件线胀系数不同引起的热应力，（2）如果用平膜片，受到压力作用时烧结层受到的主要是剪切力，而E型杯固支边对烧结层施加的主要是压应力。材料的剪切强度远小于压强度。在高温条件下材料强度和粘接强度下降很多，因此，与平膜片相比，E型杯具有明显的优势，（3）E型杯中心硬芯的端面始终保持为平面，且直径远大于光纤的直径，可以有效的克服平膜片的缺点。2、双光纤零点温漂的补偿：采用2条光纤，对应的反射膜分别位于中心硬芯端面和固支边端面，构成的2个光学干涉仪的解调信号比较输出，可有效补偿由材料热胀冷缩引起的零点温漂。3、以三氧化二铝纳米粉为粘接材料，用高温（超过1400℃）烧结工艺，将用蓝宝石单晶片（或氧化锆、碳化硅、氧化铝陶瓷）制成的弹性元件和基座、蓝宝石光纤及氧化铝陶瓷连接杆结合在一起，使制成的压力传感器的使用温度达到1200℃。

Claims (7)

1.一种高温压力传感器，其特征在于：包括压力敏感芯体、高温烧结层、连接杆，所述的压力敏感芯体通过高温烧结层与连接杆相连，所述的连接杆的头部安装有铂-铑铂热电偶，用于测量温度并补偿热灵敏度漂移和热零点漂移，所述的连接杆的中部以卡套的形式与高温合金钢固定件连接，所述的高温合金钢固定件与被测结构连接，所述的连接杆尾部安装信号处理电路，所述的连接杆的内部安装有蓝宝石光纤，所述的敏感芯体通过连接杆内部的蓝宝石光纤与信号处理电路相连。

2.根据权利要求1所述的一种高温压力传感器，其特征在于：所述的压力敏感芯体包括一体化弹性元件、基座、高温烧结层，所述的一体化弹性元件通过高温烧结层与基座连接，所述的基座上设有一个通气孔和两个蓝宝石光纤通孔，所述的蓝宝石光纤通孔的出口安有半透膜，所述的一体化弹性元件上与半透膜相对的位置安装有反射膜，所述的蓝宝石光纤通过高温烧结层与基座相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种高温压力传感器，其特征在于：所述的高温烧结层为以三氧化二铝纳米粉为主要成分的浆料高温烧结后制成。

4.根据权利要求2所述的一种高温压力传感器，其特征在于：所述的一体化弹性元件为E型件，其具有两个固支边、一个中心硬芯、一个弹性膜片。

5.根据权利要求2或4所述的一种高温压力传感器，其特征在于：所述的一体化弹性元件以蓝宝石单晶片、氧化锆、碳化硅、氧化铝陶瓷材料的任意一种制成。

6.根据权利要求2或4所述的一种高温压力传感器，其特征在于：所述的基座以蓝宝石单晶片、氧化锆、碳化硅、氧化铝陶瓷材料的任意一种制成。

7.一种高温压力传感器制造方法，其特征在于：

第一步：制作一体化弹性元件4：首先在钻床上用端部有缺口的管状磨头和莫氏硬度大于9的磨料，在双面抛光的蓝宝石单晶（或氧化锆、氧化铝陶瓷）片上磨出环形槽，制成包括固支边、弹性膜片和中心硬芯的一体化弹性元件；

第二步：制作反射膜：用溅射工艺在中心硬芯端面形成金属氧化物或氮化物薄膜作为反射膜；

第三步：制作压力敏感芯体：以三氧化二铝粉（粒径小于0.5微米）为主要原料，辅以溶剂、树脂、增塑剂、分散剂和其他有机添加剂制成浆料，用丝网印刷机将此浆料涂覆在基座与固支边对应区域，浆料干燥、脱胶，在基座的光纤过孔中，穿入蓝宝石光纤，光纤与基座的结合部涂前述浆料，干燥、脱胶；将基座与压力敏感元件对准扣合，施加一定的重压，高温烧结（1400℃至1600℃），形成压力敏感芯体；

第四步：将所述步骤三制备的压力敏感芯体与氧化铝陶瓷连接杆烧结：具体如下：在氧化铝陶瓷连接杆端面涂覆前述浆料，干燥、脱胶，将压力敏感芯体与氧化铝陶瓷连接杆对准扣合，高温烧结（1400℃至1600℃）；

第五步：将第四步所述的氧化铝陶瓷连接杆内的孔中穿入铂-铑铂热电偶，在氧化铝陶瓷连接杆中部以卡套的形式与高温合金钢固定件连接，连接杆尾部安装信号处理电路。