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溅射薄膜式压力变送器可靠性研究现状

2018-07-18 13:39:55  

目前,英、美、日等发达国家经过约30年的发展,溅射薄膜式压力传感器无论从技术上,还是制作工艺上,都已非常成熟。这类产品的敏感芯片基底普遍使用17-4PH不锈钢材料,量程从5bar(0.5MPa)到2200bar(220Mpa)的产品都已完全实用化,其产品能经受10°次的连续压力周期;使用薄膜压力的敏感元件制成的产品,在温度环境下的精度优于0.005%/C;传感器系列和变送器系列产品全部按照EN61000-2和EN61000-3标准,经受至少100v/m的电磁考验;能提供0-5V、0-10V、1-6V、0.5-4.5V、0.25-4.75V、4-20mA的一路或两路(两路压力输出或压力和温度)模拟输出,并且能够提供数字信号输出、开关量输出等多种输出方式。

与发达国家相比,溅射薄膜技术在我国压力传感器领域的应用起步相对较晚。但随着我国改革开放不断深入,引进消化吸收的创新模式为我们赶超世界先进技术水平创造了非常有利的条件。中国电子科技集团公司第48研究所等单位在溅射薄膜式压力传感器的设计、工艺设备、制造、应用等方面开展了系统的工作。尤其在近十年时间,随着国家投入的增大,我国溅射薄膜式压力传感器技术水平提高很快,不断朝小型化、高精度、高稳定性方向迅速迈进,应用范围也越来越广泛,几乎覆盖了海、陆、空、天所有领域。通过几代人的不懈努力,我国的溅射薄膜式压力传感器技术与国际先进水平的差距迅速缩短。

与其它类型传感器一样,溅射薄膜式传感器特性分为静态特性和动态特性。静态特性是指对静态的输入信号,传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。所谓动态特性,是指传感器在输入变化时,它的输出的特性,常用阶跃和正弦两种输入信号。一般来说,溅射薄膜式传感器的性能指标包括基本参数指标、环境参数指标、可靠性指标、其它指标等四个方面,如表1.1所示。对于某种具体的传感器,并不要求全部指标都必需,只要根据自己的实际需要保证主要的参数。从表1.1可以看出,可靠性指标通常包括工作寿命、平均无故障工作时间、保险期等。随着溅射薄膜式压力传感器应用领域的扩展,例如我国“神七”、“神八”和“天宫”等,其可靠性日益成为研制与应用中的重大基础问题。

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随着我国大规模、超大规模集成电路工艺制作水平的快速提高,溅射薄膜式压力传感器的工艺制作水平也有了新的突破。通过应用先进的工艺和材料,采用离子束溅射工艺,制造大规模集成电路的光刻工艺,采用真空封装等种种先进的微细加工工艺,使我国传感器的精度和稳定性迈上了一个新的台阶。但是,从规模化、实用化、产业化的角度来讲,我国的传感器产业与发达国家和地区相比,差距确实较大,至少要落后上十年。除了在尖端科学应用领域和批量不大的军事领域,在巨大的中高档民品市场中,很少能看到我国自主研制生产的溅射薄膜式压力传感器的身影。在国内的众多传感器企业中,尤其是薄膜压力传感器生产企业和销售机构中,代理公司占的比例较大,自主研制的很少,用自主研制的敏感芯片制作薄膜压力传感器的就更少了。

国产溅射薄膜式压力传感器不能得到规模化的应用,关键在于敏感芯片制作工艺没有得到有效突破:批产品质量一致性差,环境适应能力不强,可靠性没有得到严格的考验,与国外先进水平还存有较大差距,对时间稳定性还缺乏科学系统的考核标准,GJB5243-2004《应变式压力传感器通用规范》和相应详细规范除规定环境适应能力以外,对可靠性要求只提出了高温500h通电寿命和104次压力循环寿命,这些要求与方法不足以评价传感器的可靠性水平。

现代传感器的性能随时间的缓慢变化,不仅是可靠性考核的一个盲区,也是分析、改进产品质量的一个最令人头痛的问题,每得到一个结果,往往就需要花上几个月以上的时间。“十五”期间,我国的传感器技术得到了高速发展,其性能指标已达到较高的水平,但传感器可靠性不高、环境适应能力较差、稳定性不好一直是摆在我们面前的一个普遍存在的问题。表1.2列举了在航天领域有广泛应用需求的、国内外低压力量程(0.05MPa~0.5MPa)溅射薄膜式压力传感器的主要参数技术指标和可靠性水平。

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表1.2的数据表明,国内传感器的灵敏度、分辨率、非线性、迟滞性、重复性、精度等静态性能指标已接近国际先进水平,目前差距集中体现在绝缘阻值、可靠性和环境适应性等性能指标上。因此,对溅射薄膜式压力传感器的可靠性开展深入研究,特别是探讨如何通过设计、分析、试验手段提高我国溅射薄膜式压力传感器的可靠性水平,具有重要意义。


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