基于微溶技术的高温压力传感器.pdf
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设计分析基于微溶技术的高温压力传感器杨岩肖忠祥张铭存马喜昌(西安石油大学,陕西西安710065)摘要:
本文主要以综述的方式简单的介绍了一种用微溶玻璃技术制作新一代压力传感器的原理、结构以及补偿电路,最后总结了微溶压力传感器的特点及优越性,可剔除了用传统工艺方法生产传感器带来的弊端,理论上可以完全替代陶瓷、应变片、溅射薄膜及充油芯体等技术。
关键词:
微溶技术;压力传感器;应变片;芯体Abstract:
Thisarticlemainlyreviewsthewayofsimpleintroducedaslightlysolubleglasstechnologyprinciple,structureforanewgenerationofsensorsandcompensationcircuit,andfinallysummarizesthecharacteristicsandadvantagesofslightlysolublepressuresensor,canbeeliminatedwiththedisadvantagesoftraditionalprocessmethodsensors,couldthe0reticallybeentirelyreplaceceramics,straingauge,sputteringthinfilmandtheoilfilledcorebodyandothertechnologyKeywords:
slightlysolubletechnology;Pressuresensor;Straingauge;Corebody随着我国民用工业和国防工业以及航空航天工业的飞速发展,对传感器的需要也越来越多。
传感器的种类各式各样,按其工作原理分,可分为压电式传感器、压阻式传感器、电容式传感器、电磁式传感器等,如果按其被测参数分,可分为温度、压力、位移、速度传感器等,型号可到上十万种。
但是,目前在民用上可用于化工反应釜和冶炼塔内的压力、高温油井和各种发动机腔体内的压力测量;在军事上可用于宇宙飞船和航天飞行器的姿态控制、高速飞行器或远程超高速导弹的飞行控制、喷气发动机、火箭、导弹、卫星等耐热腔体和表面各部分的压力测量的传感器几乎全靠进口来填补空白,而这种用于航空和国防建设的产品都会受到国外的出口限制政策,这将是阻碍我国国防事业的发展,所以,我们必须要研发自己的耐高温芯体,摆脱依靠国外技术的现状。
目前,国内使用的压力传感器主要是硅扩散型压阻式压力传感器,其工艺成熟且l生能优异,但它受PN结耐温限制,只能在125以下进行压力测量,高过125C时,传感器的性能会严重恶化以至失效,在600C时会发生塑性变形和电流泄漏,导致信号处理系统和电路的极度失调,远不能满足航空航天、石油化工、汽车电子等领域高温环境下的压力测量。
因此,近年来,传感器领域中的许多学者对耐高温压力传感器做了大量工作,并涌现出不少研究成果,以期满足当前对高温极端环境下压力测量的迫切要求。
本文提出以微溶技术为支撑,研究一项可以在400C高温下稳定工作,并且有可达i00倍的过载能力的新一代传感器,可去除用传统工艺生产出传感器的弊端,可替代陶瓷、应变片、溅射薄膜及充油芯体等技术。
1原理概述微溶传感器是基于MEMS工艺技术制作的高温低漂移05X15nSOI芯片为敏感元件,采用热膨胀系数与派勒克斯玻璃、硅最接近、弹性模量较高、压阻系数较高的174PH不锈钢材料作弹性膜。
它是建立在微米纳米基础上,在单晶硅片上刻融制作惠斯登电桥(Wheatstonebridge)组成的硅应变计。
在弹性膜正面采用微熔技术把高温低漂移SOI芯片与不锈钢弹性膜熔为一体,当弹性膜背面受到力或压力作用时,正面组成惠斯顿电桥的SOI芯片就会输出与压力成线性关系的电信号。
用此工艺制作的传感器,在007250MPa量程范围内优越的诸项性能远远超越了同类型的产品。
剔除了用传统工艺方法生产传感器带来的弊端。
经500C以上高温熔化玻璃,将硅应变片烧结在174PH不锈钢传感弹性体上,弹性体受压变形后产生电信号,由带微处理器的数字补偿放大电路进行放大,经数字软件进行全智能温度补偿,输出标准信号。
在标准净化生产过程中,参数严格受控,避免了温度、湿度及机械疲劳的影响,具有频响高、工作温度宽等特点,保证了传感器在工业恶劣环境中使用的长期稳定性。
2外形工艺传统的高温压力传感器基本上都是通过高温胶将应变片粘与弹性材料上,而我们采用的微溶技术是在承载件上涂印用于固定硅应变片的固定胶,将应变片对正放置于固定胶上,将固定胶经500C以上高温熔化,应变片沉入熔化的固定胶至设定的深度,待固定胶冷却后,应变片就永久地固定烧结在174PH不锈钢传感弹性体上,并且在单晶硅片上刻融制作惠斯登电桥,形成半开环电路。
其结构分装图如图1所示,芯体外形如图2所示。
应变片固定胶图1芯体结构图图2芯体外形图3补偿电阻补偿电路一般可分为温漂补偿、零位补偿和满度补偿。
作补偿电路时,需要进行补偿电阻的计算,温度补偿电阻计算公式如下:
壁星,R:
内阻一一网阻式中R就是要温漂补偿的电阻大小,零位补偿通常通过电位器调节电阻的大小,然后在数字万用表上读数,使得零位输出值尽量的接近0imV;满度补偿一般与零位补偿方法一样,通过调节电位器,使得满量程输出达到客户或者行业标准要求。
(下转第171页)(ClusertbasedPrivateDataAggregation)数据隐私保护方法,这两种方法只支持操作并依赖相邻节点间的合作对原始数据进行隐蔽。
SMART方法将源节点原始数据粒化、加密后通过不同信道传送,在目标节点重组,而敌手在中间节点获取的数据是不完整的,从而实现数据隐私保护。
(2)位置隐私保护:
为了避免敌手通过窃取数据方向推断出源节点和中心节点的位置信息,Ganesan等利用改进洪泛路由和单路径路由协议的方法对节点位置进行保护,采用的方法为随机转发:
数据从源节点发出后,随机跳转若干跳。
依概率转发:
使用洪泛路由或者单路径路由协议对随机转发数据包进行路由分配,每个中间节点均以一定概率转发。
因此对手无法获取源到目的节点集,从而保护源节点位置隐私,Ganesan的方法存在一定的隐患,当数据经过若干步随机转发后,数据包依然在源节点附近,从而泄露源节点位置隐私,xi等对此提出了双路贪婪随机转发的改进方案。
(3)时间隐私保护:
时间隐私指节点采集到数据的时间、中间节点中转的时间和基站收到的时间。
敌手通过俘获时间戳可推断出源节点大概的方位及WSN规模等信息,Pandurang提出一种可控数率的自适应时间隐似保护方案,在该方案中,每个中间节点收到数据并不直接转发,而停顿一个随机时间t,因此,每个节点的传输时延不同,有效地避免了时间隐私泄露。
4结论实验研究
(1)在安全路由协议方面,现有方案均是对以确认被俘获点进行处理,敌手若未利用节点对网络进行攻击,只是监听,窃取数据,目前安全方案无法察觉,如何第一时间察觉节点被俘获是一个难点。
(2)如何平衡安全协议对WSN造成的系统开销和安全保障的关系。
参考文献(上接第160页)温漂补偿电路通常一次补偿肯定是不够的,需在上次补偿的基础上再次计算要补偿的电阻值,然后取他们的并联值,这样依次下去直到达到要求为止。
一般来说没补到的,电阻向小换,补过的向大换。
4总结用此工艺生产的传感器,其压力弹性膜背面是一个平面,直接与介质接触,不存在任何腔体,而弹性膜厚度仅lmm左右,因此,理论上其工作频率可达到无穷大,故它具有高频性特点;芯体封装上使用激光焊接技术将与不锈钢外壳焊接在一起,形成全封闭结构,只要焊接不泄漏,则传感器可受高压力而不被穿;由于硅应变片直接溶于固定胶内,SOI是绝缘层隔离且是玻璃微溶技术制作,无胶粘层,其工作温度范围可达到一6O400;芯片是05m15咖直径可做到18lOre,可制作微型传感器。
所以用微溶技术制作的压力传感器几乎融合了所有传感器的特点,可谓是新一代传感器技术的母平台。
参考文献1庞天照,等碳化硅高温压力传感器的研究进展与展望J噪声与振动控制,201052张冬至,等MEMS高温压力传感器的研究与进展J仪表技术与传感器20093赵立波,等倒杯水耐高温高频响压阻式压力传感器J西安交通大学学报,201074张晓丽,等耐高温压力传感器研究现状与发展J传感器与微系统,20115MroskJW,BergerLMaterialsissuasofSAWsensorsforhighertemperatureapplicationSJIEEETransIndustrialElectronics,20036蒋庄德,等特种微机电系统压力传感器J机械工程学报,2013一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一
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