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Endevco技术论文—TP281—可在300℃下使用的微型压力传感器L. Bruce Whiner摘要文中介绍了一组微型压力传感器，在这种传感器中应用二氧化硅将硅应变片粘接到已成形的硅膜片上。在制造应变片时采用了渗高浓度杂质的技术，以使敏感元件性能优良，可以用于300℃的高温。与尺寸相同的刻蚀成形扩散型敏感元件的性能进行了比较。传感器中所用的整体聚四氟乙烯电缆和有机树脂决定了300℃的使用温度限。引言整体扩散硅压力传感器是最常用的，其性能优良，特别适用于空气动力学研究。然而它们受温度的限制。在大约160℃的温度上，通过扩散节的漏电现象变得严重并带来一定噪声。为使在高温下压阻应变片与受力膜片绝缘采用了各种方法（1.2.3）。我们所用的方法使我们有可能在制造应变片和膜片时都使用单晶硅，这种材料制造出的传感器性能优良，其使用温度已超过我们所关心的范围。硅敏感元件的温度限决定于我们所使用的铝导线，它远远超过传感器的其它温度限。除了敏感元件之外，一个完整的传感器中还包括一块补偿电路板，、一个不锈钢外壳和一根整体聚四氟乙烯电缆。这些元件与它们之间的密封件决定了传感器的实际温度限。硅敏感元件现有的扩散型应变片敏感元件上在应变片处采用刻蚀成形的办法产生应力集中，这是本文所讨论的研新传感器的出发点。在受力膜片上按照一定的图形刻蚀出沟槽和小岛，从而将压力引起的应变集中在膜片中间和边缘的沟槽的底部。向这些沟槽的底部进行杂质扩散以形成横向应变片（图1）。在应变片处产生应力集中会提高灵敏度与共振频率的乘积和承受大过载的能力。使用横向应变片使我们有可能控制传感器的线性度。图1 刻蚀成形扩散型压力传感器可用的以介电绝缘代替应变片二极管绝缘的方法是多种多样的。一种最老式的办法是用焊接玻璃把应变片粘接到膜片上（1、2）。另一种改进了的办法是用静电粘接的办法把一层玻璃膜片先粘接到膜片上，然后再用同样的工艺过程把应变片粘接到玻璃膜片上（6）。另一种方法是应用介电膜片，将在看宝石上外延生长出的硅制成性能非常好的应变片。当然要将蓝宝石加工成各种形状是很困难的，但做成膜片却很容易。另外两种最佳方案是现在硅晶体上培养出一层绝缘的氧化层，然后再培养出一层多晶硅。单晶可以用来制造膜片，但这种膜片只限于简单的形状，它可以被刻蚀成精致的图形。多晶材料可以用于制造应变片，但这种应变片的应变系数较低（7）。在我们研制的传感器中在介电绝缘层的两边都是采用的单晶硅，这样既可以得到高质量的应变片，又可将膜片精确地刻蚀成一定的图形，。介电绝缘是近似于纯的二氧化硅，它同时也是应变片与膜片的机械连接体，它具有强度高、性能稳定、热胀系数低等优点。我们所采用的技术称之为氧化物扩散连接法，首先是将低熔点的氧化物薄层放在两片状夹层的介面中间，然后使其在极高温下溶解并扩散到二氧化硅的厚膜中，所余下的便是高温玻璃连接体。承压膜片层被刻蚀成一定的形状。被加工成应变片的膜片具有渗入高浓度杂质磞的表面，用氧化物扩散连接的办法把应变片粘接到承压膜片上。然后用化学的办法把除具有一微米厚的高浓度掺杂层以外的所有其它部分去掉。然后再用光刻的办法把应变片层在承压膜片高应力区的部分加工成一般折线状应变片，并焊上铝线。最后得到的便是非常类似于一个整体扩散硅敏感元件（见图2）。图2 用氧化物连接后的两张照片从显微放大的图片上我们可以看到氧化物连接的应变片与扩散型应变片有很大的不同（图3）。扩散型应变片与片基在机械连接上是连续的，而氧化物连接的应变片是位于片基上面的一层低弹性介质层上。这种几何结构形状大大地降低了横向应变从片基向应变片的传递，这时使用纵向应变片就变得较为有利了。在应变的方向上应变片部位的应变场很短，在与应变垂直的方向上应变片所占的范围却很宽。变场并伸向外面。这种应变片是在[111]方向上高浓度掺杂的P型硅。高浓度渗杂使应变系数下降，但也降低了传感器对温度的响应，下降到只有0.12%℃。补偿灵敏度补偿电阻与零点平衡电阻装在传感器之内。在这种使用场合下厚膜电阻最合适。增益补偿电阻器直接印在传感器的陶瓷基座上，而且将其调整到各种固定的电阻值上。零点平衡电阻器是分离元件，用胶将它粘到一定的位置并用金属丝固定到基座上。图3 氧化物连接的应变片外壳与电缆这种传感器被封装在类似于10-32螺钉的外壳中（图4）。所用的电缆是非常普通的仪器电缆，中间有4股导线，外面有屏蔽层和保护层。导线镀镍，以保证可以在高温下使用。绝缘层为聚四氟乙烯，它的防水性能很好，且质地坚硬，但它决定了传感器的温度极限，这种材料在316℃熔化。因为聚四氟乙烯较难密封，所以只在传感器外面使用这种材料。在传感器内部只有裸露的导线，在接口处密封以保证传感器内部的压力不变。传感器外壳为17-4PH不锈钢，它是一种常用的高强度防氧化防腐蚀不锈钢。但不幸的是这种材料的热