合金薄膜高温压力传感器研究进展

李 伟，陈怀礼

（西安航天动力研究所，陕西西安710100）

0 引言

随着现代科技的飞速发展，越来越多的工业生产和自动控制领域，如运载火箭燃烧室的压力测量、石油工业的井下压力测量以及柴油机、燃气轮机气缸压力监控等，都需要能在高温、腐蚀、振动等恶劣环境下工作的压力传感器。SOI、多晶硅等半导体压力传感器应用广泛，适于批量制作、成本较低廉，但并不适用于超高温环境的压力测量。以现代半导体平面工艺技术为核心、新材料为基础的合金薄膜压力传感器在恶劣环境中拥有其它传感器无可比拟的优势，具有广阔的应用前景。

1 合金薄膜压力传感器工作原理

合金薄膜压力传感器一般采用溅射、蒸镀等方法把合金淀积在弹性膜片上，薄膜应变层通过感受膜片的应变而产生相应电阻变化，从而完成非电量到电量的转换。其一般结构如图1所示。

合金薄膜压力传感器的优点是结构紧凑，散热良好，尤其突出的是利用薄膜沉积代替了传统粘贴式应变片的胶接，从而克服了应变灵敏系数低及滞后、蠕变，稳定性差等缺点，能满足恶劣环境下压力测量的要求。

2 合金薄膜高温压力传感器研究现状

目前对高温压力传感器的研究主要包括：多晶硅、单晶硅、SOS（蓝宝石上硅）、SiC等半导体高温压力传感器，金刚石薄膜、合金溅射薄膜高温压力传感器，光纤高温压力传感器等。半导体传感器灵敏度高，芯片易于批量制作、成本低廉，其缺点是温度特性较差，最高使用温度一般为200～350℃；且半导体传感器一般采用单晶硅作为衬底，超过500℃后，其热可塑性问题无法解决——这些都限制了半导体压力传感器在更高温环境如火箭发动机燃烧室压力测量（＞600℃）中的使用。金刚石的某些特殊性质（如化学上的惰性）以及极大的压阻效应、在高温下仍具有良好的压阻特性使其成为制作高温压阻型压力传感器的极佳材料，但目前对金刚石薄膜的理论研究与实际应用尚存在较大差距，如高温有氧环境下金刚石易表面石墨化，金刚石与金属间难以形成理想的欧姆接触等。光纤本身耐高温，制作光纤高温压力传感器是可行的，但其应用较为复杂、且对测量环境的要求较高。

相对于其它传感器，合金薄膜传感器虽然应变系数较低，但具有精度高、稳定性好、耐腐蚀、温度特性较好且应用温度范围较宽等一系列优点，这些优点能够保证合金薄膜压力传感器在高温燃气的恶劣环境中进行测量。

2.1 镍铬系合金薄膜压力传感器

镍铬系合金应用广泛、技术成熟，是目前制作中、低温应变计最优敏感材料之一。镍铬系合金典型代表有镍铬合金（镍铬V），镍铬改良型合金（卡玛、伊文）等，主要性能参数如表1所示。

表1 镍铬系合金性能参数Tab.1 Basic parameters of NiCr alloy

镍铬系合金具有较高的电阻率、较低的电阻温度系数、较高的应变灵敏系数，且改良型合金的应变灵敏系数随温度的升高而降低从而可对弹性体弹性模量进行温度自补偿等优点。但该系合金在高温下会发生有序-无序的变化（如图2），即K状态，导致电阻不稳定，所以静态应用温度范围一般为-269～+350℃，适用于中、低温环境下的压力测量。

目前国内外合金薄膜压力传感器主要生产厂家如英国Senstronics公司、美国Bell Howell公司、汤姆逊公司及北京航天遥测遥控研究所、北京威斯特中航机电公司等所用敏感材料均为镍铬系合金，产品应用温度范围多为-50/60～+200℃，另外国内亦有超低温 (-200℃)镍铬薄膜压力传感器的报道。

NASA的Lewis研究中心对合金薄膜高温应变计的研究居世界前列。1983年Grant等人研制的镍铬薄膜应变计，虽然受引线疲劳寿命所限而导致可靠性较差，但仍能满足高温 (600℃)燃气环境中涡轮叶扇的动态应变测量要求。

2.2 铂钨合金薄膜压力传感器

铂钨合金的研究始于上世纪60年代，研究的目的即是解决高温 (600～1000℃)应变测量问题。高温下的主要问题是电氧化引起敏感材料的不稳定，以及由此引起的漂移。铂钨合金具有适中的电阻率，耐酸碱、抗腐蚀，特别是高温(700～800℃)下仍具有很好的抗氧化性，电阻温度系数与温度呈线性关系（如图2），且应变灵敏系数较高，最高使用温度为静态800℃，动态1000℃。铂钨合金主要性能参数如表2所示，其缺点主要是电阻温度系数大，一般在200 ppm/℃左右，实际使用中温度补偿较为困难。

表2 铂钨合金性能参数Tab.2 Basic parameters of PtW alloy

彭士元等人利用蓝宝石作为弹性膜片研制的Pt92W8薄膜高温压力传感器主要性能指标如下：量程0.2～10 MPa；精度0.5%F·S；应用温度范围-10～400℃；零点温度飘移及灵敏度温度漂移均较小 (10-4量级)，具有较好的长期稳定性。

2.3 钯铬合金薄膜应变计

为满足新一代航天器研制的需求，近二十几年来Lewis研究中心一直致力于合金薄膜高温应变计的研究。1987年开始，C.O.Hulse和H.P.Grant等人开始研制基于一种新合金钯铬(13%铬)的应变计。1997年Jih-Fen Lei等人利用钯铬合金作为薄膜应变材料，在室温至1100℃的燃气环境中对涡轮叶扇的动态应变进行了测量；在相同的环境条件下，利用铂电阻作温度补偿，对静态应变也成功地进行了测量。

研究表明，钯铬合金在1000℃范围内组织结构稳定，无相变，并且在空气中自身能形成一层坚实的Cr2O3抗氧化层。钯铬合金的这些特性，使得其电阻温度特性的稳定性、重复性好，并且与升、降温速率关系不大。钯、铬及钯铬合金主要性能参数如表3所示。

钯铬合金的电阻温度特性、灵敏度温度特性均与温度成良好线性关系（图3、图4），且耐千度以上高温，其制成的传感器可以应用于高温压力测量。但就Lewis研究中心研制的钯铬薄膜应变计而言，存在的问题主要是：设计使用寿命较短，仅50小时；高温会使绝缘层绝缘性能急剧下降，从而导致应变计完全失效（图5）。

表3 钯、铬及钯铬合金主要性能参数Tab.3 Basic parameters of Pd,Cr and PdCr alloy

3 结论

本文主要对镍铬系、铂钨及钯铬薄膜高温压力传感器的主要性能进行了比较，并分析了其研究现状。镍铬薄膜传感器适用于中、低温压力测量，而铂钨、钯铬薄膜传感器/应变计适用于更高温（>500℃）压力测量。相比而言，钯铬薄膜应变计的耐高温性能更加卓越，电阻与灵敏度温度特性良好，如果其封装技术得以解决，必将拥有广阔的应用前景。

[1]张为,姚素英.高温压力传感器现状与展望[J].仪表技术与传感器.2002(4):6-8.

[2]韩小亮,朱作云,李跃进.高温半导体压力传感器技术[J].西安电子科技大学学报:自然科学版,2001,28(1):120-124.

[3]莘海维,张志明,沈荷生,等.高温压力传感器的新进展:金刚石微压力传感器[J].化学世界,2000(增刊):107-111.

[4]尹福炎.电阻应变计敏感材料的发展（上）[J].传感器世界,1998(9):9-13.

[5]尹福炎.电阻应变计敏感材料的发展（下）[J].传感器世界,1998(10):1-9.

[6]何迎辉,张修如.超低温薄膜压力传感器的研制[J].传感器世界,2004(9):21-23.

[7]GRANT H P,PRZYBYSZEWSKI J S,ANDERSON W L,et al.Thin film strain gage development program.NASA CR-174707[R].USA:NASA,1983.

[8]彭士元,欧阳左群.能耐高温的合金薄膜压力传感器和变送器[J].测控技术,1993,12(4):28-30.

[9]LEI J F,MARTIN L C,WILL H A.Advances in thin film sensor technologies for engine applications.NASA 107418[R].USA:NASA,1997.

[10]LEI J F,WILL H A,MARTIN L C.Thin film for minimally-intrusive measurements in harsh high temperature environments.AIAA-98-3610[R].USA:AIAA,1998.

[11]LEI J F.Palladium-chromium static strain gages for high temperature.NASA 93-12371[R].USA:NASA,1993.

[12]HULSE C O,BALLEY R S,GRANT H P,et al.High temperarure static strain gage development.NASA CR-189044[R].USA:NASA,1990.