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耐高温压力传感器发展历程

文章出处:人气:0发表时间:2019-3-6 15:53:47

导读:高温压力传感器广泛应用于火箭发动机、航空发动机、重型燃气轮机、燃煤燃气锅炉等动力设备燃烧室内的压力监测。经过二十多年的研究,高温压力传感技术领域成果丰富。以敏感芯片的主体材料分类,对高温压力传感器的研究现状进行论述,重点分析基于SOI、SiC、蓝宝石、共烧陶瓷、压电晶体、SiCN陶瓷等材料的高温压力传感器的特点与局限以及国内外发展现状。最后展望高温压力传感器的发展趋势,并对国内高温压力传感器的发展方向提出建议。

火箭发动机、航空发动机、重型燃气轮机、燃煤燃气锅炉等动力设备的主要部件处在高温恶劣环境,燃烧室温度甚至超过2000℃。利用高温传感器可对喷嘴燃烧室、压气机、叶片等关键部位的压力、温度等参量进行实时监测,提高燃烧性能和推进效率,并对部件健康状态进行评估。

液体火箭发动机的推力室主要由推进剂喷嘴、燃烧室、喷管组件等装置组成。当喷嘴处的压力足够高时,就会形成喷嘴阻流和超音速射流,大部分的热能就可转换成动能,对喷嘴处压力的实时监测有助于优化发动机燃烧室收缩比设计,可提高火箭发动机的推进效率。燃烧室点火延迟数毫秒都会导致过量液体进入,引起灾难性后果,通过燃烧室压力监测可精确控制点火时间,避免燃烧室“硬启动”。燃烧室的间歇性燃烧、振荡燃烧会导致燃烧室隔热边界层变薄、运载器受损等后果。获取燃烧室内部、推进剂喷嘴处的实时压力,评估压力的低频振动,估算室压响应时间,对减少间歇燃烧、振荡燃烧,提高燃料的燃烧率,增强火箭的安全性具有重要意义。重型燃气轮机是发电机组、大型船舰的动力


来源,其结构复杂、参数多,工况多变。随着G、H级燃气轮机的普及,对燃气轮机的稳定性要求也越来越高。对涡轮、压气机、燃烧室、轴承的温度、压力、振动等参量的监控,可降低燃气轮机的故障率,减少15%~20%的维护成本。另外,监测初气温度及燃烧室的压力,对提高煤气转化效率,减少CO2、CO、SO2、NO、等气体的排放具有重要意义-习。高温压力传感器在航天、航空、国防建设、能源开发等领域有着广阔的应用需求。常温MEMS压力传感器主要以硅(Si)基压力传感器为主,在100℃工作温度范围内,商业化的Si压力传感器工艺成熟、体积小、性能好,但是当其在超过120℃环境使用时,内部PN结会出现漏电,传感器性能下降甚至失效。另外,Si材料在大于500℃时还会发生塑性变形,不能满足高温环境下压力测量的需求。为此,国内外学者将目光投向其他材料,研究耐高温材料制备高温传感器的可行性。

通过二十余年的研究,高温压力传感技术领域的研究成果丰富。本文论述几种典型高温压力传感器的研究进展,对比分析各自的优缺点,介绍国内外研究现状,并展望高温极端压力传感器的发展趋势。

1高温压力传感器的发展现状

压力传感器的分类方法有很多,可按照压力敏感原理分,也可按敏感芯片的构成材料分。高温传感器实际上是伴随高温材料发展而发展的,传感器的使用温度与传感器压力敏感单元主体材料的高温特性相关,因此本文将根据敏感芯片的构成材料对现有高温传感器的发展现状进行概述。

1.1基于SOI的高温压力传感器

SOI(Silicon On Insulator)高温压力传感器从原理上说是一种硅压阻式压力传感器。利用sOI的单晶硅膜制备的压敏电阻条,其灵敏度较多晶硅电阻条高,且在高温下仍具有较好的压阻效应;在相同尺寸下,SOI结构的漏电流比硅PN结低3个数量级,因此SOI材料适合研制高温压力传感器。

目前,美国Kulite公司采用BESOI(Back-etching SOI)技术研发了XTEH-10LAC-190(M)系列高温表压传感器,实现了无引线封装,可在480℃下长期稳定工作,代表了目前SOl压力传感器的最高水平(1。2009年,马里兰大学-巴尔迪默分校的Guo Shuwen 等人研制了基于极薄重掺杂压阻膜的 SOI

高温压力传感器,在将压阻膜厚度减小到0.34um、载流子浓度提高到2×l018cm3时,传感器短时间最高工作温度达到600℃;传感器在500℃高温下连续工作50个小时后,满量程输出偏离小于0.19%。

除此以外,意大利Gefan公司和法国的LET1研究所研制的SOI 高温压力传感器均能在400℃下稳定工作。国内西安交通大学采用SIMOX(Separation by Implantation of Oxygen)技术成功研发出能在250℃下工作的压力传感器产品,天津大学、中北大学也进行了相关的研究,目前仍处于原理样机阶段,主要指标及长期稳定性较Kulite的产品仍有较大差距, 高温压力传感器制备工艺相对成熟,也是目前市场上最常见的一种高温压力产品。但受高温下硅压阻系数退化、高温漏电流增大以及硅高温蠕变等因素的限制,传感器难以在500℃或更高温度的环境下长期工作。

1.2基于蓝宝石的高温压力传感器

蓝宝石是Al?O;的晶体结构,熔点达到2040℃,具有良好的光学特性、绝缘性,在1500℃时机械性能良好,是制备高温传感器的理想材料。目前基于蓝宝石的高温传感器主要有两大类:①基于sOS(Silicon on Sapphire)结构的应变式压力传感器;②基于蓝宝石的光纤式压力传感器。

1.2.1SOS高温压力传感器

SOS 高温压力传感器是在二十世纪八十年代提出的一种薄膜应变式压力传感器,它通过在蓝宝石晶体上异质外延生长单晶硅薄膜,并利用干法刻蚀制作硅压阻结构。SOS高温压力传感器具有频带宽、耐腐蚀、抗辐射等优点,它在国外已成为一种常规传感器产品,Omega等公司产品的工作温度达到350℃,国内中电四十九所研制了量程分别为60MPa和100MPa的SOS压力传感器,精度优于0.1%,迟滞与重复性均优于0.05%FS。由于难以形成真空绝压腔,SOS 高温压力传感器多为大量程的表压传感器,而外延单晶硅薄膜与蓝宝石间的晶格失配大,存在较大的失配应力,限制了这种传感器的使用温度。

1.2.2蓝宝石光纤式高温压力传感器

光纤式传感器具有测量精度高、抗电磁干扰、抗辐射、工作温度高、易组网、可实现多参量测量等优点,适合应用于燃气轮机、航空/航天发动机等高温恶劣环境,目前已成为高温压力传感器的热门研究方向,欧美国家在二十年前已开始研究高温恶劣环境下的光纤压力传感技术,主要有光棚光纤式和法布里-珀罗(Fabri-Perot)干涉光纤式两种实现方式。光棚光纤式压力传感器灵敏度较低,适用于公路铁路安全监测、桥梁隧道安全监测、石油化工等高压测量领域。F-P干涉光纤式高温压力传感器如图1所示。激光在通过F-P腔时形成多条反射光,利用反射光干涉特性反演得到腔长,再通过腔长与压力的关系实现压力测量,通过调整感压膜厚度能制备不同量程的压力传感器。



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