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壓力傳感器廠家

高溫壓力傳感器

超高壓力傳感器在高溫環境下的性能測試


發布日期:[2018-08-22]    作者:昊明壓力傳感器


超高壓力的測量具有重要的在各個領域的應用,如高壓合成的新材料及超高壓容器監測。本文提出了一種新型的超高壓力傳感器相結合的一個圓臺結構和絕緣體上硅(SOI)測量的壓力高達1.6 GPA壓阻元件。圓臺結構衰減測量壓力水平可以通過SOI壓阻元件檢測。四壓敏電阻的壓阻元件放置的SOI沿著特定的晶體取向和配置為一個惠斯通電橋獲得電壓信號。該傳感器具有耐高溫的優點,在壓阻元件的結構可以避免在高溫和圓臺結構與熱環境的壓阻元件的漏電流。此外,該圓臺結構的上表面直徑為2mm的小規模的應用。靜態標定結果表明,該傳感器具有滯后和重復性良好的性能。溫度實驗表明,傳感器可以穩定地工作在高溫。本研究將具有更大的范圍和規模較小的超高壓力傳感器的研究提供更好的洞察力。


1 .一.導言

超高壓力傳感器是在許多特殊的民事和軍事應用的重視,比如新材料的高壓合成金剛石對頂砧壓校準,沖擊波,爆炸,和高速沖擊。迄今為止,眾多的超高壓力傳感器基于各種傳感原理包括壓阻式、電容式、壓電和光學纖維已經被開發。壓電式壓力傳感器必須結合電荷放大器由于其高輸出阻抗,它只能測量動態壓力。電容式傳感器具有較大的非線性,對意義的原則限制。光纖光柵傳感器的結構是復雜的,這使得輸出信號調理復雜的傳感器封裝困難。壓阻式傳感器主要是用來測量超高壓力,低輸出阻抗,輸出信號大,優良的精度和良好的動態特性。在文學作品中,有許多文章提出許多超高壓壓阻式壓力傳感器結構不同。這些結構的設計理念主要可以分為兩大類,如所測得的壓力直接作用于敏感元件;和敏感元件是從所測量的壓力通過彈性元件分離。對于第一類,壓阻材料包括碳、鐿、和錳銅制成敏感膜,可以受到超高壓均勻沒有任何激烈的應力集中。然而,碳的壓力計壓阻曲線是非線性的。鐿是一種物質的相變會在高壓下發生。這限制了測量鐿傳感器[范圍]。錳銅計提供了一種低壓阻系數的精度是由橫向拉伸應變效應[影響]。第二類,設計有不同的材料的彈性元件結構。在這些傳感器,敏感元件和傳感器彈性元件集成在一起,讓他們進行靈敏度和精密度高,如硅壓阻式壓力傳感器。然而,由于硅結構力量薄弱,其測量范圍通常不超過300 MPa。因此,使用高強度的材料作為彈性元件,可以有效提高傳感器的測量范圍。我認為,采用高強度合金薄膜作為初始敏感元件來承受被測壓力和硅油轉化為壓阻敏感元件的壓阻式壓力傳感器。它的測量范圍為–MPa。探索超高壓力傳感器基于自增強圓筒結構制成的彈簧鋼60Si2CrVA和硅倒杯式平板芯片。其測量范圍是0–1 GPa。研究結合圓柱形彈性體由17-4PH不銹鋼和絕緣體上硅微超高壓力傳感器(SOI)固態壓阻芯片。其測量范圍是0–2 GPa。所有這些傳感器以上為大范圍和更好的精度超高壓力傳感器研究的基礎。
一般來說,超高壓環境通常伴隨著很高的溫度,如炸藥爆轟,新材料的高壓合成,和超高壓容器。高溫會影響傳感器的測量精度。然而,許多研究者把更多的注意力放在測量范圍比在傳感器耐高溫。本研究提出了一種結合圓臺結構SOI壓阻元件的超高壓力傳感器。它具有測量范圍寬達1.6 GPa,耐高溫,體積小,和良好的靜態性能。傳感器的報道有利于提高測量范圍和進一步提高超高壓力傳感器耐高溫性能的研究。

2。材料與方法

2.1。該傳感器結構

如圖所示圖1一、超高壓力傳感器是由彈性體、SOI壓阻元件,兩塊板。彈性體有兩個部分:一個叫做圓臺段和柱截面。截錐部分旨在減少超壓到可由SOI壓阻元件檢測價值。SOI壓阻元件和貼片板連接的圓筒部分的同一側。
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圖1傳感器的原理圖:(一該傳感器結構;()B)的絕緣體上硅(SOI)壓阻元件布局。
在SOI晶片的埋入SiO制備壓敏電阻元件二層可避免高溫[漏電流]。四壓敏電阻與等效10Ω/□方塊電阻分布在(100)晶面有一個小的液晶取向偏差。為了獲得最大等效壓阻系數,讓我們能平行定位的微機電系統(MEMS)技術,為圖1B顯示。的焊盤的梁式引線法解決高溫壓阻元件之間的內部和外部的連接問題。鈦的選擇來形成歐姆接觸P型硅由于其較低的接觸電阻率(SCR)。一個好的理論的接觸電阻約為8.89米Ω,有利于壓阻元件的工作穩定性。Aurum被選為梁的第三層導致的與外部導線接觸。鉑作為光束二層導致防止鈦金金屬間化合物的形成。貼片板連接的焊盤通過金絲。一種廣泛使用的MEMS傳感器全惠斯通電橋的形成在外部電路產生的信號讀出壓敏電阻]

2.2。該傳感器的工作原理

超高壓力傳感器是基于在彈性極限范圍內的一個力等效傳遞和硅的壓阻效應的發展。其工作原理如下。
如圖所示圖2,當超高壓力施加在錐段的上表面,圓筒部分產生的應變。根據力的等效傳遞在彈性極限范圍內,我們有方程
ε1=P?A0A1?E1
(一)
哪里e一是的應變敏感元件連接的地方,P應用于錐段上表面的超高壓力,一零和一一在地區上表面的錐段和橫截面積的地方,敏感元件連接,分別,E一指的是彈性體的彈性模量。
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圖2該壓力傳感器
對壓敏電阻的壓阻元件,沿電阻條電阻率相對變化率可寫為
(Δρρ0)l=τlσl+τtσt
(2)
哪里Tl和在l縱向壓阻系數和縱向應力沿平行于電阻條的方向,分別,TT和在T表示橫向壓阻系數和橫向應力沿垂直于電阻條的方向,分別。
在本研究中,等效能被安排在(100)晶面沿[ 110 ]和[ 11ˉ0】晶體取向。根據方程(2),相對變化率R一和R四可以表示為
ΔR1R1=ΔR4R4=?12π44σ2
(3)
在減號表示電阻R一和R四減少時,只有一個主應力沿[ 11ˉ0】晶體取向,問四十四剪切壓阻系數P型硅,在二表示主應力沿[ 11ˉ0】晶體取向。同樣,我們可以得到相對變化率R二和R三
ΔR2R2=ΔR3R3=+12π44σ2
(4)
在加號表示電阻R二和R三增加時,只有一個主應力沿[11ˉ晶體定位方向
根據惠斯通電橋原理,橋的輸出電壓可以寫為
V=ΔRR?V0
(5)
哪里v零是恒定電壓源的電壓。用方程(4)代入方程(5)和解決在二,
σ2=2VV0?π44
(6)
然后我們有
ε2=2VV0?π44?E2
(7)
哪里e二在[ 1主應變1ˉ晶體定位方向E二表示硅的彈性模量
在這項研究中,壓阻元件被連接到多進制610 [ 1彈性體1ˉ0】晶體取向的壓阻元件平行于軸向的彈性體。假設
ε1=ε2
(8)
在上述情況。用方程(1)和(7)代入方程(8)和解決P,
P=2π44?A1?E1?VA0?E2?V0
(9)
它可以從方程(9)指出,所測得的壓力是惠斯通電橋的輸出電壓成比例。也就是說,只要我們知道惠斯通電橋的輸出電壓,我們可以計算出被測壓力。然而,在實際應用中,我們計算出被測壓力通過傳感器的校準曲線。

2.3。設計細節的傳感器

我們知道,硅具有0.003 [應變極限]。使用此限制條件,如方程的假設(8),該壓力傳感器的測量范圍是有限的,下面的不等式
P≤(r1r0)2?E1?εmk
(10)
哪里R零和R一在錐段的上、下表面的半徑,分別,eM硅的應變極限,K是的應變極限安全系數??梢杂^察到傳感器的測量范圍取決于上、下錐段和彈性體的彈性模量表面的半徑比。此外,傳感器必須在彈性范圍內工作。因此,需要滿足以下不等式
P≤σs
(11)
哪里在S是彈性體的屈服強度。只有當方程(10)、(11)同時滿足能傳感器正常工作。換句話說,傳感器的測量范圍取決于上、下錐段和彈性模量和屈服強度的彈性體表面的半徑比。
鎢合金是用來制造彈性體。作為上市表1],它提供了高的楊氏模量和屈服強度,這有助于提高傳感器的測量范圍。此外,鎢合金還具有高的熔點和低的熱膨脹系數(CTE),可以在高溫度傳感器工作的幫助。
表1鎢合金材料參數
Table
應綜合考慮多種因素來設計傳感器的尺寸。根據我們的處理能力和實際應用中的最小值R零可以設置為1毫米。為了充分利用彈性體的高屈服強度,我們認為
σs≤(r1r0)2?E1?εmk
(12)
鑒于K= 5, we obtain
r1≥2.78 mm
(13)
為了獲得小尺寸的傳感器,我們讓R一等于3毫米。其余的傳感器尺寸顯示在圖3。在上述條件下,傳感器提出本研究測量高達1.6 GPa范圍。
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圖3彈性體的三視圖:(一前視圖;()B前視圖;()C)左視圖

2.4。耐高溫的分析

該傳感器耐高溫可歸結為以下兩個方面。首先,利用MEMS技術的SOI晶圓制造的壓阻元件。其次,對被測環境溫度高是由彈性體大多消退。
SOI技術介紹氧化埋層上硅和硅襯底之間。壓敏電阻的壓阻元件與硅襯底上的氧化層,避免高溫壓敏電阻和硅襯底之間的泄漏電流,從而提高了壓阻元件耐高溫。此外,高溫實驗表明,壓敏電阻器的電阻值可以保持相對穩定在250°C [兩小時]
彈性體的熱傳導是由ANSYS 15分析(ANSYS,Inc.,卡農斯堡,PA,美國)。熱負荷的800°C應用于彈性體的上表面,并在彈性體的穩態溫度分布圖4。特別是,溫度的地方,壓阻元件連接約250°C.該實驗結果表明,該傳感器的工作溫度高達約800°C(彈性體的上表面接觸測量環境)。
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圖4彈性體的穩態熱分析
上述的設計不僅可以增加傳感器的工作溫度,同時也減少了溫度對傳感器精度的影響。

2.5。該傳感器的制作

利用MEMS技術制備SOI壓阻元件。說明是它的制作工藝圖5:(1)用稀氫氟酸溶液去除原生氧化清潔SOI晶圓的;(2)采用低壓化學氣相沉積增加頂部硅層的厚度(LPCVD)確保壓阻元件的靈敏度;(3)摻雜硼離子注入退火處理,使頂部硅層形成P型硅壓阻效應提供了高、耐溫性好;(4)形成SiO二層通過熱氧化提高測量電路層的穩定性和生產硅三N四層為應力匹配層的低壓化學氣相沉積;(5)壓敏電阻的刻蝕反應離子刻蝕(RIE);(6)暴露的接觸孔刻蝕P型硅;(7)濺射鈦、鉑、金先后;(8)腐蝕的額外金屬層形成電極;(9)保持30分鐘,在550°C在Ti之間良好的歐姆接觸的真空P型硅。最后,經過切割一塊壓阻元件。圖6節目制作的SOI壓阻元件的尺寸為1.8×1.6×0.2毫米的掃描電鏡照片三。有兩組測量電路與1 K和2 KΩΩ,電阻分別對每個SOI壓阻元件。在這項研究中,2 KΩ電阻被用來形成一個惠斯通電橋。
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圖5在SOI壓阻元件的制造工藝。
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圖6在SOI壓阻元件的掃描電鏡照片。
93鎢合金通過機械加工方法制備的彈性體。其外形尺寸進行圖3。對切割面在彈性體兩側的粗糙度要求在3.2μM更好的附加壓阻元件。
SOI壓阻元件被連接在610進制和[ 1切割面1ˉ0】晶體取向平行于軸向的彈性體。然后,兩塊板對稱布置在兩側的壓阻元件。2 KΩ對壓阻元件測量電路是通過黃金線與貼片板近端連接?;菟沟请姌驈馁N片板的另一側通過導線形成。SOI壓阻元件,黃金線,焊接點涂有耐高溫膠。圖7闡述了該傳感器的照片。
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圖7該傳感器的照片

2.6。靜態標定

確定傳感器的靜態特性靜態標定試驗。在這項研究中,傳感器的測量范圍是0–1.6 GPa。因此,施加的力在彈性體上表面應為0–5 kN。靜態標定試驗是一個機電萬能試驗機可以申請一定時間的標準力操作。在測試過程中,彈性體的上表面施加0 N 500 N和5千牛每間隔將保持30 s,測量電路采用5V直流輸出信號激勵和區間進行高精度、高分辨率的精密數字萬用表的記錄。圖一所示的實驗裝置,在圖8
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圖8靜態標定實驗裝置

2.7。溫度試驗

溫度實驗表明該壓力傳感器的耐高溫的重要。由于實驗條件的限制,我們初步測試壓力傳感器的溫度特性無負載條件下。根據穩態熱分析表明圖4,的壓阻元件的工作溫度約為250°C當傳感器在其工作溫度上限(需要強調的是,只有在彈性體上表面暴露于被測環境時,傳感器處于工作狀態)。然后,我們測試了該傳感器的溫度特性,在200°C對實驗條件的基礎上。
如圖所示圖9,傳感器被放置在高溫度環境可提供標準的溫度從0到200°C一定時間。測量電路采用5V直流,輸出信號激發的數字萬用表的記錄。
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圖9溫度實驗的實驗裝置

三.結果與討論

3.1。靜態標定

進行了5次是壓力傳感器傳感器的靜態標定試驗,平均產量數據被記錄在表2。作為圖10一個顯示,傳感器的理論工作線是由這些數據的最小二乘法求解。它采取的形式
V(mV)=8.933+7.955P(GPa)
(14)
哪里P應用于錐段上表面的超高壓力,和v是數字萬用表的輸出電壓。
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圖10傳感器的靜態特性:(一理論工作線;()B)滯回特性曲線
表2平均輸出數據
Table
為了評估傳感器的靜態特性,四個指標是基于理論工作線了。
遲滯誤差可以計算如下
H=Δymax(ymax?ymin)×100%
(15)
哪里H代表滯后誤差,ΔY最大值是壓力傳感器的最大輸出偏差的裝載和卸載過程中一系列的輸入值之間,Y最大值和Ymin最大和最小的傳感器輸出值。將實驗數據表3在方程(15),我們得到H= 1.45%. The hysteresis characteristic curves of the sensor are shown in圖10B.
表3平均輸出數據
Table
重復性可以通過方程(16)和(17)
Si=∑j=1n(yij?yiˉˉˉ)2n?1?????????????
(16)
R=3Smaxymax?ymin×100%
(17)
作為一個特定的測試周期,假設測量點的數目是M,并為每個測點的輸出值進行了N次。因此,SI表示各測量點的標準偏差,Yij是的JTH(J= 1 ?N)的測量值ITH(I= 1 ?M)測量點,yˉI是測量值的平均值I日測點R代表性誤差,S最大值代表最大的標準之間的偏差SI。在計算R,R= 0.28%.
線性度可以表示為
L=Δmaxymax?ymin×100%
(18)
在Δ最大值是壓力傳感器的理論工作和實際線之間的最大偏差值,l表示線性誤差。經過計算,我們有l= 3.44%.
傳感器的精度是一個綜合性指標,反映了傳感器的靜態特性。結合上述的計算值,我們得到
A=H2+R2+L2???????????√=3.74%
(19)

3.2。溫度試驗

熱零點漂移進行測試,在25 C和200 C°°一小時,分別。零輸出讀出每15分鐘。輸出數據被記錄在表4
表4在25 C和200 C°°零輸出
Table
熱零點漂移可以表示為
γ=|yˉ0(T2)?yˉ0(T1)|YFS(T1)(T2?T1)×100%
(20)
哪里yˉ零(TI)(I= 1, 2) is zero average output in one hour at temperatureTIYFS(T一全量表)denotes輸出的溫度傳感器T一。讓T一= 25 °C andT二= 200 °C in Equation (20). It can be observed from表2在溫度25°C傳感器的滿量程輸出為21.388 mV。然后我們有c= 0.015%°C?1
零溫度系數反映了零輸出隨溫度的變化。它可以表示為]
α=ΔyomYFS?ΔT×100%
(21)
在ΔYOM在一定溫度范圍內,零輸出的最大變化,YFS是傳感器滿量程輸出,ΔT是指溫度范圍。零輸出的壓力傳感器傳感器在不同溫度下進行表5。在計算a,a= 0.016% °C?1
表5在不同溫度下的零輸出。
Table
在一定溫度下零漂移可以初步描述了傳感器的工作穩定性,溫度。從表4200,在°C零時間漂移計算為
Dt=ymax?yminΔt=0.039 mV/h
(22)
哪里DT是時間零點漂移,Y最大值和Ymin在一定的時間范圍內的最大值和最小值零輸出在200°C,分別ΔTdenotes范圍時間。

4。結論

本文提出了一個圓臺段和與測量0–1.6 GPa范圍超高壓力傳感器SOI壓阻元件相結合的新型結構。結構設計、工作原理、特性分析等進行了詳細介紹。分析結果表明,該傳感器可在高溫達800°C在理論上達到超高壓力的測量。通過標定,得到傳感器如3.44%滿量程的線性度性能指標(FS),0.28% FS的可重復性,1.45% FS遲滯,和FS的3.74%精度。這些性能指標基本能滿足超高壓測量的一般要求。此外,我們進行了零溫度試驗初步表明,該傳感器可以穩定地工作在高溫度。本文的研究具有積極的參考價值和較高的范圍和規模較小的超高壓力傳感器研究。在今后的工作中,我們將繼續研究該傳感器耐高溫。此外,我們將設計一個利用應力集中是集成壓阻元件的高精度測量超高壓原理的新型微結構。




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