特种传感器现状趋势及对能力建设需求

李庆剑, 王 野, 车 静, 陈信琦

(1.中国电子科技集团有限公司,北京100846；2.中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引 言

传感器已广泛用来扩展人类受制的感知能力和赋予无生命物体人造感知能力。为了满足用户对传感器这种能力扩展和赋予范围极限不断升级的需求,解决苛刻、严酷等极端环境适应性和可靠性问题,是特种传感器普及应用首当其冲的技术难题和挑战。具有标志性的极端环境集中在航天航空、大气和海洋气象、核装置等特殊应用领域。典型的特种环境涉及高/低温、冲击振动、辐射/照、毒化、侵蚀等现象。为了不断突破和延伸应用环境限制和制约极限,这些传感器往往在设计、制造工艺技术以及功能材料等方面,与适用一般环境的传感器对比,具有明显的独到之处。从核心敏感材料到制造工艺都提出了更为苛刻的要求。本文着重介绍在上述极端环境中稳定、可靠工作的特种传感器技术发展现状、趋势以及对传感器研制生产能力建设的需要[1]。

1 特种传感器

1.1 耐高温传感器

温度是任何传感器应用中绕不开的环境条件。从功能上讲,无论是制造者或使用者,初衷都希望传感器敏感功能具有完美的唯一性。现实中,除温度传感器是直接正比利用对温度敏感机理外,其它任何种类的传感器都避不开温度环境附加的干扰和劣化。先天的或附加的温度敏感效应轻者造成传感器输出值与被测量真值的误差,降低传感器关键性能指标精度。重者会造成传感器误测误报,甚至传感器功能失效。温度环境适应性和可靠性已成为传感器质量首要应对的技术挑战和品质风险。目前,解决工业级及以下的常温范围内的传感器温度附加影响,信号补偿后处理技术相当成熟。但从源头突破温度环境对传感器应用的制约上限,机理、材料、结构的设计和加工工艺独特技术的针对性、时效性更强,成本更经济。相比温度范围和难易程度而言,解决高温环境适应性和可靠性比低温环境面临的问题更复杂和棘手。

先以航空飞机、航天火箭、导弹发动机等领域用压力传感器为例。种类和量程覆盖范围最宽的常规压阻式压力传感器,如图1所示,其敏感电阻的电隔离的方式是通过反偏PN结来实现,最适宜的工作温度上限为125 ℃。超过150 ℃,反偏PN电隔离会产生较大的漏电流,器件面临功能失效的风险。不仅是敏感元件,常用的集成传感器使用的片上电路在高温下也存在失效现象。更高的工作温度,还会造成器件电互连引线和接触电阻的功能故障或损毁。为了克服温度的附加影响,传统的传感器不得不加入一些热绝缘设计方案,甚至附加散热或水冷结构来保护传感器,如图2[2～4]。

图1 PN结隔离的压阻敏感芯片结构

图2 带散热片硅压阻式压力传感器

美国库力特半导体公司是最先全面解决压阻式压力传感器高温适应性的公司,采用单晶硅表面与二氧化硅直接键合方式,实现敏感电阻、浓扩散硅互连线和焊盘与硅感压膜片间的电绝缘,设计无可动引线的高温倒装封装结构,隔离敏感芯片正面免受环境介质污染和侵蚀。这些新方法组合利用,敏感芯片长时间工作温度提升至550 ℃,MTBF超过百万小时(图3)。当SOI单晶硅圆片制造技术商业化后,硅直接键合工艺瓶颈完全突破,多家传感器公司能够批量生产SOI压阻式压力敏感芯片,不同型号的高温压阻式压力传感器不断上市。但限于耐高温封装技术制约,传感器长期工作温度上限几乎都小于300 ℃。

图3 工作温度550 ℃的压阻式压力传感器(源自Kulite公司)

在更高温度下,单晶硅不再适合作为传感器的敏感材料,因为硅在600 ℃以上温度使用时会产生塑性形变。可用碳化硅替代单晶硅敏感材料,延续扩展压阻式压力传感器工作温度上限。蓝宝石(SOS)技术是成熟应用的另一种高温压阻式压力传感器技术,这种技术利用蓝宝石优良绝缘属性,蓝宝石薄片作为衬底,在其上通过外延生长制作相互分立的硅压阻敏感电阻。敏感芯片无PN结结构,消除高温下敏感芯片漏电现象。蓝宝石与金属感压膜片刚性熔接或键合,保证敏感器件在400 ℃乃至更高的温度下正常工作和承受极高的过载压力(图4)。因微型化和动态性能优势,在相同适用高温环境下,SOI压阻压力传感器替代SOS压阻压力传感器应用的范围越来越广。

图4 SOS高温压力传感器(源自中国电科49所)

目前,还没有发现纯粹的非接触式压力测量技术。对于超高温环境下压力测量,结构型传感器适应性和可靠性明显更胜一筹。敏感器件结构采用石英、蓝宝石等功能材料,这些材料具有较大的杨氏模量,即使在1 400 ℃的温度下依然可以保持足够的刚度,这对于在高温下需要一定结构强度的敏感元件非常重要。与上述采用电学信号输出的传感器不同,敏感元件工作原理为光学式,功能结构类似于一个随被测压力变形的法布里—泊罗腔或反射光镜片，可将压力被测量产生的敏感元件结构形变通过光学信号进行转换。2012年,英国Oxsensis公司发布全世界首款在1 000 ℃以上动态压力、绝对压力和温度进行测量的传感器,法布里—泊罗腔由蓝宝石薄膜微加工形成,检测光源通过标准石英光纤进行传输(图5)。

图5 工作温度1 000 ℃以上的压力传感器(源自Oxsensis公司)

压电材料振动、噪声、加速度、过载等传感器的工作温度范围受到材料居里温度的严格限制,因为一旦超过温度,材料将失去压电特性,传感器失效。但大部分压电式传感器的工作环境温度都在120 ℃以下,超音速飞行器、导弹等某些特定环境温度能达到300 ℃以上,如图6(a)。160～510 ℃的温度范围内,最常用的压电材料PZT可以正常工作不受影响。在超过该温度后,通常会用钛酸铋(居里温度820 ℃)作为替代材料。钛酸铋在650 ℃以上就不再适合作为压电传感器的敏感元件。在更高的温度下,需要使用天然的压电材料电气石或是人工合成物,如铌酸锂(居里温度1 100 ℃)作为替代材料,传感器的工作温度可高达760 ℃,如图6(b)。为使传感器能够适应高温和超高温环境,居里温度点并非唯一的限制,仅仅更换敏感材料往往是不够的,器件的封装需玻璃密封接口,点焊以及奥式体镍铬合金。而且,需要考虑热释电效应附加误差的补偿。该效应是指温度变化会改变压电材料中的极化强度。与压电效应类似,该效应也会在敏感元件中产生一个电压从而导致输出干扰信号。

在没有突破敏感信号无线远距离传输技术瓶颈前,仅应对温度环境适应性,结构型传感器往往是耐高温环境传感器首选解决方案。工作温度高达数百度的高温位移敏感器件采用涡流、线性变换差动变压器(LVDT)、电容等测量方式。涡流式位移传感器位移检测下限不超过3 μm,温度上限高达538 ℃如图6(c)。LVDT结构的位移传感器能在550 ℃下保持长期稳定性,短时间内耐受650 ℃的高温如图6(d)。Capacitec 公司制造的电容式位移传感器可在1 000 ℃的高温下工作。

图6 耐高温传感器

温度传感器技术就是追求更宽、更高温度测量范围和精度,现实需求中,温度传感器工作温度上限已远高于其它用途传感器。1 500 ℃以下基于热电阻、热偶的等温度敏感传统技术日趋成熟。在黑体等非接触测量技术小型化成熟前,突破2 000 ℃以上超高温测量上限技术热点,聚焦在热偶材料替代上,如铱合金等。图7为中国电科49所利用新型的热偶丝材开发工作温度2 700℃的温度传感器。

图7 超高温温度传感器(源自中国电科49所)

1.2 耐冲击振动环境传感器

发动机尤其是飞行器发动机运行或高爆瞬间,就会出现与高温伴生的强烈、持久、高频的冲击、振动、高速离心力的恶劣环境。在这种环境作用下,一般固有频率低、有可动部件、充液或软封接的静态传感器功能因结构受损、甚至解体实效。尽管许多刚度高、体量轻和没有可动部件等动态传感器的功能结构,因自身重力和动量减小至几乎可忽略不计,降低了振动冲击产生的损伤势能,一般不会发生受损,导致功能失效。然而,敏感器件的性能指标不可避免受到上述场景干扰和劣化影响,需要采取特定的复合技术抵消和补偿附加和寄生的性能误差。

美国库力特半导体公司开发多款发动机压力参数和复合参数原位或近原位测量的专用传感器。敏感器件功能结构采用前面提到无可动引线的微型、固态倒装技术,固有频率240～1 650 kHz。感压膜在强振动环境下会产生变形,为了消除由此效应产生零点漂移和动态响应误差。在同一芯片上制作2块感压膜,在每块感压膜上都有2个惠斯通压阻半桥,4个电阻连接后形成完整的惠斯通电桥。两块感压膜受到惯性力的影响产生相同变形,但只有一块感压膜承受检测目标介质的压力。这样,因检测压力而产生的真实输出信号得以保留的同时，由惯性力产生的干扰信号会被抵消,加速度灵敏度低于5×10-4%FS/gn，如图8。

图8 超高温耐冲击压力传感器(源自Kulite)

石英或压电陶瓷制成的压力传感器可测量准静态和动态、瞬态压力,高冲击、强振动环境会造成敏感器件产生干扰信号。解决方案是在接触不到被检测介质的位置,增加一个加速度敏感补偿元件。该元件会对振动产生一个反向的极性信号从而抵消干扰信号的影响。该类型产品的代表是Kistler 6031型补偿式石英压力传感器,加速度灵敏度下限低于0.000 1 bar/gn。

为了加速度计在强冲击振动环境下长期稳定和可靠工作,通常会在传感器敏感元件中刻蚀出过载保护结构,这样的设计使一些商用的基于MEMS技术的加速度计可耐受高达10万gn的冲击(1gn为9.8 m/s2)。代表性产品是PCB Piezotronics公司出品的3501A1260 kG如图9(a),可测量±60 000gn的加速度,并可耐受±100 000gn的过载。

1.3 耐核辐射传感器

核辐射会改变金属和半导体的机械和电学特性。压电式加速度计在超高温和强辐射环境中均有应用,但更常用于强辐射环境中。在极高的辐射强度下,中子辐射甚至会改变敏感元件材料的分子结构。辐射导致的副反应可能减小压电材料的输出信号并引起材料的退化。一般而言,耐高温的压电材料也对强辐射具有很强的耐受能力。 抗辐射压电加速计一般需要注明可耐受的辐射量级,如Endevco 2273 A 系列可耐受高达6.2×1010rad (辐射吸收剂量) 的伽马射线和强度达到3.7×1018n/cm2中子流。

很多在核工业领域使用的传感器都是基于非常传统的技术。因为基于新技术的器件,如半导体器件,易于受到辐射影响而失效,另外因核工业安全的特殊性要求其必须采用非常成熟的,经过长久时间验证的技术方案。核工业中使用的压力传感器是基于传统的金属应变计和薄膜驱动式 LVDTs，可耐受强辐射,如LVDT压力传感器可在106rad 的辐射环境下稳定工作, 部分型号甚至可耐受1012rad的超强辐射环境。在接触检测模式下,部分LVDTs 能耐受强度高达 3×1020n/cm2中子流和强度达 1012rad 的伽马射线。代表性的产品是 Measurement Specialties 公司生产的XS—ZTR系列产品如图9(b), 其可应用于检测反应器阀门位置。

图9 耐核辐射传感器

1.4 气象环境监测传感器

大气气象探测传感器是湿度、温度和气压(高度)三参量敏感元件一体化(PTU)的复合传感器,面对的干扰环境主要是高湿、冰冻和辐照。湿度和温度敏感元件完全暴露在大气中,短时间的高湿度或100 %RH湿度条件和结冰覆盖现象,会造成湿度敏感元件“中毒”,引发测量功能“休克”,随湿度变化的输出值异常。避免和消除的新方法是采用敏感元件疏水仿生修饰和自除湿再生技术,前者会带来工艺成本增加,后者会增大功耗。湿度也与温度密切相关,阳光等射线辐照作用会影响温度测量精度及响应速度。利用敏感元件周围的辐照反射面,能够有效减少辐照影响。几十年来,芬兰Vaisala是大气气象探测技术的全球领先者,经典的如图10所示,湿度范围0 %～100 %RH,误差2 %,低温下限-90 ℃,大气压精度优于0.02 %FS,升空速度6 m/S。

图10 PTU器件和大气探空仪(源自Vaisala)

1.5 海洋环境监测传感器

海洋环境对于传感器的不利影响主要包括2个方面：一是海洋中的各种无机化学物质对传感器材料的侵蚀作用往往会缩短器件寿命,最常见是盐腐蚀；二是海洋中的有机生物容易附着在传感器开口或窗口上,阻挡被测介质与敏感结构直接作用,对传感器性能造成严重干扰。

传统的解决办法是在传感器上增加耐腐蚀和防有机生物吸附或寄生的机械隔离装置,这对可密闭封装的传感器防有效(图11),对开口或带窗口的传感器难以适用。在传感器表面构建屏蔽或不利于生物吸附的功能化涂层,是根本解决上述海洋环境影响的更为切实有效的选择。这种涂层应具备长期的化学稳定性或脱落,在抗腐蚀和抗生物吸附的过程中无自身化学物质消耗,对海洋生物没有毒性和对海水中的化学物质保持惰性(图12)。

图11 耐腐蚀浮标深度传感器(源自中国电科49所)

图12 修饰有机功能涂层的传感器材料表面生物粘附性对照试验 (左：未经修饰；右：修饰后)(源自Department of Organic Chemistry,Universidad Complutense de Madrid)

2 特种传感器对研制生产能力建设的需要

美国在传感器技术领域处于世界领先水平,20世纪80年代初成立了国家技术小组(BGT),帮助政府组织和领导各大公司与国家企事业部门的传感器技术开发工作。在美国政府划分的影响美国国家长期安全和经济繁荣至关重要的22项技术中有6项与传感器技术直接相关。美国空军2000年举出的15项有助于提高21世纪空军能力关键技术中,传感器技术名列第2。

在特种传感器技术领域,美国更是遥遥领先世界其他国家,无论是传感器的工作温度、耐冲击能力、精度等指标远远优于其他国家,在传感器寿命、可靠性等指标方面也处于领先地位。美国特种传感器技术发展具有明显的特点,正是这些特点使得其能够始终保持在特种传感器领域的优势地位。

重视传感器功能材料研究；重视传感器技术开发；重视工艺研究。以上三点是美国保证其特种传感器技术处于世界领先地位的关键。美国知名传感器厂家均对传感器使用的核心关键功能材料进行自主开发,针对性地研制所需的特种功能材料,以满足传感器要求。传感器技术中最为核心的是工艺技术,认为“传感器”不是一般的工业产品,而是一种完美的工艺品之佳作。

上述三点,无论是特种功能材料的研制,还是传感器技术开发与工艺技术研究,均对能力有着更高的需求,对仪器设备,特别是工艺设备能力要求极高。美国霍尼威尔公司的固态传感器发展中心每年用于设备投资就有5 000万美元,不仅建成了包括计算机辅助设计、单晶生长、加工、图形发生器,对步重复照像在内的传感器设计能力,还建成了完整的包括自动涂胶、自动光刻、等离子刻蚀、溅射、扩散、外延、蒸镀、离子注入、化学气相沉积等核心器件制备工艺能力平台,还建成了整条封装工艺平台及性能测试考核能力,并且大约每3年左右就要更新其中大部分仪器设备,从而实现其保证特种传感器技术世界领先水平。

通过美国传感器技术发展的路线可以看出,传感器作为高技术产品,核心敏感材料、核心工艺技术均是制约传感器技术水平发展的关键因素,而能力建设能够为传感器技术发展提供必要及关键的工艺设备,保证传感器工艺技术实现,因此,对于我国传感器技术发展,特别是特种传感器技术发展来说,能力建设是十分必要的,也是推动我国特种传感器技术快速发展的必要手段之一。

3 结 论

适用极端环境的特种传感器已经成为传感技术发展的热点主题之一。相信在人类突破自我能力极限无止境的预期驱动下,未来对于极端环境的定义会更加苛刻复杂,特种传感器技术发展面临诸多未知的挑战难度和风险。期待传感器研究人员和制造商发现和开发新颖或独到的传感器原理、材料、结构、加工和封装技术,不断推进极端环境下功能更可靠和鲁棒、性能更长期稳定的特种传感器应运而生。