高温大压力传感器研究现状与发展趋势

特点（可达１０００
）。但 ＭＰａ
ＳＯＩ
传感器对制作工艺要
出≥１００ ｍＶ，精度优于０ １％ ，迟滞与重复性均优于
求较高，导致其加工相对困难，一定程度上限制了该传 ０ ０５％ ； ＦＳ ２０１１ 年，采用双膜片结构，研制出量程为
感器的发展，但这也是该类传感器的主要发展方向。 ０ ６ ＭＰａ 的ＳＯＳ 压力传感器［２］，工作温度范围为－ ５５
１． ３ ＳＯＳ 高温压力传感器 ＳＯＳ 高温压力传感器通常是将在作为弹性体的蓝
宝石上异质外延生长单晶硅薄膜作为敏感膜片，为双
。 ～ ２００ ℃ ＳＯＳ 压力传感器虽然具有良好的机械特性，但由
于应变薄膜制备的成品率很低，很大程度上限制了该
膜片结构。该传感器具有非线性小、耐高温、耐腐蚀、 传感器的批量生产。同时，由于外延单晶硅薄膜与蓝
摘要：高温环境下大量程压力测量技术在工业、航空航天、石油勘探等领域具有广阔的应用前景。高温
大压力传感器是目前研究的热点。对目前几种常用的高温大压力传感器包括多晶硅高温压力传感器、
单晶硅（ＳＯＩ）压力传感器、硅蓝宝石（ＳＯＳ）高温压力传感器、ＳｉＣ 高温压力传感器、光纤高温压力传感器
的工作原理、国内外研究现状以及应用特点进行了阐述。最后，对高温大压力传感技术未来的发展趋势
·２·
《测控技术》２０２０ 年第３９ 卷第４ 期
感器由于其具有体积小、功耗低、成本低等优势，而得 大学于２００１ 年研制出耐温达２２０ ℃ 的高温多晶硅压
到了广泛的应用［１－２］。然而，该类传感器在超过１２０ 力传感器，测试结果表明，该多晶硅压力传感器综合精
℃环境下使用时，会由于内部ＰＮ 结出现漏电而导致 度达０ １％ ＦＳ ～０ ２％ ＦＳ，灵敏度温度系数绝对值小于
进行了展望。
关键词：高温大压力传感器；单晶硅；多晶硅；硅－ 蓝宝石；碳化硅；光纤
： ： ： （ ） 中图分类号 文献标识码 文章编号 ＴＰ２１２
Ａ
１０００ － ８８２９ ２０２０ ０４ － ０００１ － ０５
： ｄｏｉ １０． １９７０８ ／ ｊ． ｃｋｊｓ． ２０２０． ０４． ００１
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｔｒｅｎｄ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒ
ＨＵＡＮＧ Ｍａｎｇｕｏ１牞 ２ 牞 ＺＯＵ Ｘｉｎｇ３ 牞 ＧＵＯ Ｚｈａｎｓｈｅ３ 牞 ＬＩＵ Ｄｅｆｅｎｇ１牞 ２ 牞 ＬＩ Ｘｉｎ１牞 ２
牗 １． ＡＶＩＣ Ｂｅｉｊｉｎｇ ＣｈａｎｇｃｈLeabharlann Baiduｎｇ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ牞 Ｂｅｉｊｉｎｇ １０１１１１牞 Ｃｈｉｎａ牷 ２． Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｎ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ牞 Ｂｅｉｊｉｎｇ １０１１１１牞 Ｃｈｉｎａ牷
传感器性能急剧下降，进而导致失效［３ －６］。因此，如何 。 ３ × １０ －４ ／ ℃ ［１３］
把ＭＥＭＳ 技术的优势和现有的技术相结合，通过改进 工艺、选择新型的耐高温材料，进而克服ＭＥＭＳ 传感
多晶硅压力传感器具有工艺简单、ＩＣ 兼容、芯片 易于批量制作等优点。但由于多晶硅高温压力传感器
器的上述缺点，成为目前国内外研究的重中之重。该 压敏电阻与应力膜片为复合膜结构，会因不同材料的
可用于多领域的高温压力传感器。
所［２３］通过引进俄罗斯相关技术和后期自主创新，于
相比于其他类型的传感器，ＳＯＩ 压力传感器具有 ２０１７ 年研制出量程分别为６０ ＭＰａ 和１００ ＭＰａ 的ＳＯＳ
易于与ＣＭＯＳ 工艺兼容、集成化程度高、测试范围宽等 压力传感器，工作温度范围为－５０ ～３５０ ℃，满量程输
研究目前也取得了巨大进展，多种类型材料组合形成 热膨胀系数不匹配引起附加应力，影响传感器的高温
的新型敏感元件纷纷问世。 以传感器敏感元件材料为分类目标，针对目前常
用的几类高温大压力传感器（包括多晶硅高温压力传 感器、ＳＯＩ （ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ，单晶硅）压力传感器、 （ ＳＯＳ Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｓａｐｐｈｉｒｅ，硅蓝宝石）高温压力传感器、 （ ＳｉＣ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ （Ｂｌａｃｋ））高温压力传感器以及光 纤高温压力传感器）的工作原理、国内外研究现状等 进行了阐述。
： 收稿日期２０１９ － ０９ － ０９ 作者简介：黄漫国（１９８１—），女，博士，高级工程师，主要从事航空先进传感器技术方面的研究。
引用格式：黄漫国，邹兴，郭占社，等． 高温大压力传感器研究现状与发展趋势［Ｊ］． 测控技术，２０２０，３９（４）：１ －５． ， ， ， ［］ ＨＵＡＮＧ Ｍ Ｇ ＺＯＵ Ｘ ＧＵＯ Ｚ Ｓ ｅｔ ａｌ． Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｔｒｅｎｄ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒ Ｊ ． Ｍｅａｓ ， ， （）： ｕｒｅｍｅｎｔ ＆ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２０２０ ３９ ４ １ － ５．
高温下大压力测量在工业、航空航天、冶金、石油 据支持。 勘探等领域具有广阔的应用前景。例如在航空航天领 一般地，当压力范围在１０ ～１００ ＭＰａ 之间时，称之 域，高温压力传感器可用于火箭发动机、航空发动机、 为大压力，大于１００ ＭＰａ 的压力为超大压力。高温压 重型燃气汽轮等高温高压的恶劣环境，用于实现对其 力传感器是指在高于１２５ ℃环境下能正常工作的压力 运行状态的监控和健康评估。在石油化工领域，可用 传感器［１］。 于地下石油温度、压力的监测，进而为石油开采提供数 近年来，随着ＭＥＭＳ 技术的发展，微机械压力传
综述
测控技术
２０２０ 年第３９ 卷第４ 期
·１·
高温大压力传感器研究现状与发展趋势
黄漫国１，２，邹 兴３，郭占社３，刘德峰１，２，李 欣１，２
（１． 航空工业北京长城航空测控技术研究所，北京 １０１１１１；２． 状态监测特种传感技术航空科技重点实验室，北京 １０１１１１； ３． 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 １００１９１）
３． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＯｐｔｏＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ牞 Ｂｅｉｈａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ牞 Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９１牞 Ｃｈｉｎａ牘
Ａｂｓｔｒａｃｔ牶 Ｌａｒｇｅ ｒａｎｇｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｈａｓ ｗｉｄｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｉｎ ｍａｎｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｉｅｌｄｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｉｎｄｕｓｔｒｙ牞 ａｅｒｏｓｐａｃｅ ａｎｄ ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ． Ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｒｅ ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ ｔｈｅ ｆｏｃｕｓ ｏｆ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｌｌ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ． Ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ牞 ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｅｖｅｒａｌ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｕｓｅｄ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｒｅ ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ牞 ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ牞 ＳＯＩ 牗 ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ牘 ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ牞 ＳＯＳ 牗 Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｓａｐｐｈｉｒｅ牘 ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ牞 ＳｉＣ 牗 Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ 牗 Ｂｌａｃｋ牘 牘 ｈｉｇｈ ｔｅｍ ｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ． Ｆｉｎａｌｌｙ牞 ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｌａｒｇｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ牶 ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ牷 ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ牷 ｓｉｌｉｃｏｎｏｎｉｎｓｕｌａｔｏｒ牷 ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｓａｐｐｈｉｒｅ牷 ＳｉＣ牷 ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ
高温大压力传感器研究现状与发展趋势
·３·
ＳＯＩ 高温压力传感器在０ ～ １ ＭＰａ 条件下，工作温度可 到 的 压力传感器，工作温 ０ １ ＭＰａ ０ ～ ２５０ ＭＰａ［２３］ ＳＯＳ
到达２２０ ℃。中北大学［２１］和中国电子科技集团公司 度范围为－５０ ～３５０ ℃，精度达到０ ２５％ 。
第十三研究所也分别利用ＭＥＭＳ 相关技术，研制出了 国内方面，中国电子科技集团公司第十九研究
硅本身的性质受温度影响较大，因此基于单晶硅的扩
散硅压阻式压力传感器使用温度范围受到了很大的限
制。而多晶硅薄膜作为压阻敏感材料可使传感器使用
温度范围极大拓宽。传感器在制作中采用ＬＰＣＶＤ
（ ，低压气相淀 Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ
积离作）代基工替于艺了多在晶ＰＮＳ硅ｉＯ结材２ 隔上料离制的，作压减多少敏晶了电硅器阻膜件。，在由再高于通温以过下Ｓ扩ｉ的Ｏ散２漏介工电质艺，隔制从
图２ ＳＯＩ 压力传感器工作原理图
而提高了传感器工作温度。
图３ 美国科莱特半导体产品有限公司的ＳＯＩ 高温压力传感器
图１ 多晶硅ＭＥＭＳ 大压力传感器工作原理图
国内对ＳＯＩ 高温压力传感器的研究目前还停留在
目前，国外仅有荷兰的Ｐｈｉｌｉｐｓ 公司和美国的Ｆｏｘ 实验阶段。２００１ 年，复旦大学黄宜平［１９］等人采用改 ｂｏｒｏ 公司研制出了多晶硅高温压力传感器产品。国内 进的加工工艺制备出ＳＯＩ 材料（ＳｍａｒｔＣｕｔ 法），并将这
料具有自隔离、抗电磁辐射、稳定性好、耐高温等特 点［１４ － １７］，克服了传统硅压阻压力传感器难以适应高温 环境的缺点。目前，国外一些公司已经研制出ＳＯＩ 高 温压力传感器产品。例如，美国科莱特半导体产品有 限公司采用硅片键合和反面腐蚀技术开发出一种超高 温压力传感器（如图３ 所示），其工作温度为－ ６５ ～ ７５０ ℃；法国硅技术器件研究中心开发出多款ＳＯＩ 高 温压力传感器产品，最高温度达到５００ ℃ 。 ［１８］
北京大学于２００３ 年研制出了工作温度范围为－ ４０ ～ 一材料应用于双岛－ 梁－ 膜结构的压力传感器，工作
１８０ ℃的多晶硅高温压力传感器，并通过实验证明该 温度可达３００ ℃，实验表明该传感器灵敏度可到达６３
传感器的零点温漂小于传统的压力传感器［１２］。天津 ｍＶ。河北工业大学张玉书［２０］等人于２００６ 年制作的
１ 高温大压力传感器研究现状
１． １ 多晶硅高温压力传感器 薄膜多来晶代替硅高ＰＮ温结压，力进而传实感现器电主隔要离采，用该Ｓ传ｉＯ感２ 作器为结介构质原 理图如图１ 所示［７－１１］。该传感器工作原理与硅压阻 式压力传感器类似，都是以单晶硅膜片作为敏感元件， 把压力值转换为膜片的应力变化，通过压敏电阻把变 化量转化为电压信号，实现对压力的测量。由于单晶
特性。如何选择合适的材料及工艺进行优化，是未来 该传感器重要发展方向。 １． ２ ＳＯＩ 压力传感器
ＳＯＩ 压力传感器主要利用了ＳＯＩ 材料制作工艺 高没、有键其合他过过程渡中层附，加避应免力了小附（加衬应底力硅产和生Ｓ）ｉＯ的２ 特直点接，键故合将， 其作为敏感材料。其工作原理如图２ 所示。该传感器 工作原理与硅压阻压力传感也比较类似。由于ＳＯＩ 材