摘要：高溫壓力傳感器廣泛應(yīng)用于火箭發(fā)動機(jī)、航空發(fā)動機(jī)、重型燃?xì)廨啓C(jī)、燃煤燃?xì)忮仩t等動力設(shè)備燃燒室內(nèi)的壓力監(jiān)測。經(jīng)過二十多年的研究，高溫壓力傳感技術(shù)領(lǐng)域成果豐富。以敏感芯片的主體材料分類，對高溫壓力傳感器的研究現(xiàn)狀進(jìn)行論述，重點(diǎn)分析基于SOI、SiC、藍(lán)寶石、共燒陶瓷、壓電晶體、SiCN陶瓷等材料的高溫壓力傳感器的特點(diǎn)與局限以及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。最后展望高溫壓力傳感器的發(fā)展趨勢，并對國內(nèi)高溫壓力傳感器的發(fā)展方向提出建議。
引言
火箭發(fā)動機(jī)、航空發(fā)動機(jī)、重型燃?xì)廨啓C(jī)、燃煤燃?xì)忮仩t等動力設(shè)備的主要部件處在高溫惡劣環(huán)境，燃燒室溫度甚至超過2000℃。利用高溫傳感器可對噴嘴燃燒室、壓氣機(jī)、葉片等關(guān)鍵部位的壓力、溫度等參量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，提高燃燒性能和推進(jìn)效率，并對部件健康狀態(tài)進(jìn)行評估。
液體火箭發(fā)動機(jī)的推力室主要由推進(jìn)劑噴嘴、燃燒室、噴管組件等裝置組成。當(dāng)噴嘴處的壓力足夠高時，就會形成噴嘴阻流和超音速射流，大部分的熱能就可轉(zhuǎn)換成動能，對噴嘴處壓力的實(shí)時監(jiān)測有助于優(yōu)化發(fā)動機(jī)燃燒室收縮比設(shè)計(jì)，可提高火箭發(fā)動機(jī)的推進(jìn)效率。燃燒室點(diǎn)火延遲數(shù)毫秒都會導(dǎo)致過量液體進(jìn)入，引起災(zāi)難性后果，通過燃燒室壓力監(jiān)測可精確控制點(diǎn)火時間，避免燃燒室“硬啟動”。燃燒室的間歇性燃燒、振蕩燃燒會導(dǎo)致燃燒室隔熱邊界層變薄、運(yùn)載器受損等后果。獲取燃燒室內(nèi)部、推進(jìn)劑噴嘴處的實(shí)時壓力，評估壓力的低頻振動，估算室壓響應(yīng)時間，對減少間歇燃燒、振蕩燃燒，提高燃料的燃燒率，增強(qiáng)火箭的安全性具有重要意義。重型燃?xì)廨啓C(jī)是發(fā)電機(jī)組、大型船艦的動力
來源，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參數(shù)多，工況多變。隨著G、H級燃?xì)廨啓C(jī)的普及，對燃?xì)廨啓C(jī)的穩(wěn)定性要求也越來越高。對渦輪、壓氣機(jī)、燃燒室、軸承的溫度、壓力、振動等參量的監(jiān)控，可降低燃?xì)廨啓C(jī)的故障率，減少15%~20%的維護(hù)成本。另外，監(jiān)測初氣溫度及燃燒室的壓力，對提高煤氣轉(zhuǎn)化效率，減少CO2、CO、SO2、NO、等氣體的排放具有重要意義-習(xí)。高溫壓力傳感器在航天、航空、國防建設(shè)、能源開發(fā)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用需求。常溫MEMS壓力傳感器主要以硅（Si）基壓力傳感器為主，在100℃工作溫度范圍內(nèi)，商業(yè)化的Si壓力傳感器工藝成熟、體積小、性能好，但是當(dāng)其在超過120℃環(huán)境使用時，內(nèi)部PN結(jié)會出現(xiàn)漏電，傳感器性能下降甚至失效。另外，Si材料在大于500℃時還會發(fā)生塑性變形，不能滿足高溫環(huán)境下壓力測量的需求。為此，國內(nèi)外學(xué)者將目光投向其他材料，研究耐高溫材料制備高溫傳感器的可行性。
通過二十余年的研究，高溫壓力傳感技術(shù)領(lǐng)域的研究成果豐富。本文論述幾種典型高溫壓力傳感器的研究進(jìn)展，對比分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并展望高溫極端壓力傳感器的發(fā)展趨勢。
1高溫壓力傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀
壓力傳感器的分類方法有很多，可按照壓力敏感原理分，也可按敏感芯片的構(gòu)成材料分。高溫傳感器實(shí)際上是伴隨高溫材料發(fā)展而發(fā)展的，傳感器的使用溫度與傳感器壓力敏感單元主體材料的高溫特性相關(guān)，因此本文將根據(jù)敏感芯片的構(gòu)成材料對現(xiàn)有高溫傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行概述。
1.1基于SOI的高溫壓力傳感器
SOI（Silicon On Insulator）高溫壓力傳感器從原理上說是一種硅壓阻式壓力傳感器。利用sOI的單晶硅膜制備的壓敏電阻條，其靈敏度較多晶硅電阻條高，且在高溫下仍具有較好的壓阻效應(yīng)；在相同尺寸下，SOI結(jié)構(gòu)的漏電流比硅PN結(jié)低3個數(shù)量級，因此SOI材料適合研制高溫壓力傳感器。
目前，美國Kulite公司采用BESOI（Back-etching SOI）技術(shù)研發(fā)了XTEH-10LAC-190（M）系列高溫表壓傳感器，實(shí)現(xiàn)了無引線封裝，可在480℃下長期穩(wěn)定工作，代表了目前SOl壓力傳感器的最高水平（1。2009年，馬里蘭大學(xué)-巴爾迪默分校的Guo Shuwen 等人研制了基于極薄重?fù)诫s壓阻膜的 SOI
高溫壓力傳感器，在將壓阻膜厚度減小到0.34um、載流子濃度提高到2×l018cm3時，傳感器短時間最高工作溫度達(dá)到600℃；傳感器在500℃高溫下連續(xù)工作50個小時后，滿量程輸出偏離小于0.19%。
除此以外，意大利Gefan公司和法國的LET1研究所研制的SOI 高溫壓力傳感器均能在400℃下穩(wěn)定工作。國內(nèi)西安交通大學(xué)采用SIMOX（Separation by Implantation of Oxygen）技術(shù)成功研發(fā)出能在250℃下工作的壓力傳感器產(chǎn)品，天津大學(xué)、中北大學(xué)也進(jìn)行了相關(guān)的研究，目前仍處于原理樣機(jī)階段，主要指標(biāo)及長期穩(wěn)定性較Kulite的產(chǎn)品仍有較大差距， 高溫壓力傳感器制備工藝相對成熟，也是目前市場上最常見的一種高溫壓力產(chǎn)品。但受高溫下硅壓阻系數(shù)退化、高溫漏電流增大以及硅高溫蠕變等因素的限制，傳感器難以在500℃或更高溫度的環(huán)境下長期工作。
1.2基于藍(lán)寶石的高溫壓力傳感器
藍(lán)寶石是Al?O；的晶體結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)達(dá)到2040℃，具有良好的光學(xué)特性、絕緣性，在1500℃時機(jī)械性能良好，是制備高溫傳感器的理想材料。目前基于藍(lán)寶石的高溫傳感器主要有兩大類：①基于sOS（Silicon on Sapphire）結(jié)構(gòu)的應(yīng)變式壓力傳感器；②基于藍(lán)寶石的光纖式壓力傳感器。
1.2.1SOS高溫壓力傳感器
SOS 高溫壓力傳感器是在二十世紀(jì)八十年代提出的一種薄膜應(yīng)變式壓力傳感器，它通過在藍(lán)寶石晶體上異質(zhì)外延生長單晶硅薄膜，并利用干法刻蝕制作硅壓阻結(jié)構(gòu)。SOS高溫壓力傳感器具有頻帶寬、耐腐蝕、抗輻射等優(yōu)點(diǎn)，它在國外已成為一種常規(guī)傳感器產(chǎn)品，Omega等公司產(chǎn)品的工作溫度達(dá)到350℃，國內(nèi)中電四十九所研制了量程分別為60MPa和100MPa的SOS壓力傳感器，精度優(yōu)于0.1%，遲滯與重復(fù)性均優(yōu)于0.05%FS。由于難以形成真空絕壓腔，SOS 高溫壓力傳感器多為大量程的表壓傳感器，而外延單晶硅薄膜與藍(lán)寶石間的晶格失配大，存在較大的失配應(yīng)力，限制了這種傳感器的使用溫度。
1.2.2藍(lán)寶石光纖式高溫壓力傳感器
光纖式傳感器具有測量精度高、抗電磁干擾、抗輻射、工作溫度高、易組網(wǎng)、可實(shí)現(xiàn)多參量測量等優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)、航空/航天發(fā)動機(jī)等高溫惡劣環(huán)境，目前已成為高溫壓力傳感器的熱門研究方向，歐美國家在二十年前已開始研究高溫惡劣環(huán)境下的光纖壓力傳感技術(shù)，主要有光棚光纖式和法布里-珀羅（Fabri-Perot）干涉光纖式兩種實(shí)現(xiàn)方式。光棚光纖式壓力傳感器靈敏度較低，適用于公路鐵路安全監(jiān)測、橋梁隧道安全監(jiān)測、石油化工等高壓測量領(lǐng)域。F-P干涉光纖式高溫壓力傳感器如圖1所示。F-P干涉測壓原理如圖1（a）所示，激光在通過F-P腔時形成多條反射光，利用反射光干涉特性反演得到腔長，再通過腔長與壓力的關(guān)系實(shí)現(xiàn)壓力測量，通過調(diào)整感壓膜厚度能制備不同量程的壓力傳感器。
隨著藍(lán)寶石微加工技術(shù)的豐富和成熟，基于全藍(lán)寶石F-P腔的光纖傳感器已成為高溫傳感器的一個重要研究方向。位于英國牛津郡的Oxsensis 公司從2005年開始研制基于法-珀腔干涉原理的光纖式高溫壓力傳感器（如圖1（b）所示），已從單一測壓傳感器產(chǎn)品發(fā)展到現(xiàn)在多參數(shù)測量系統(tǒng)，可同時測量壓力、溫度、振動、流量等參數(shù)。該公司的溫度、壓力、振動產(chǎn)品的工作溫度均達(dá)到1000℃，與阿爾斯通、西門子、斯奈克瑪?shù)热細(xì)廨啓C(jī)廠商合作廣泛。2015年Oxsensis 還聯(lián)合GE公司提出了基于超高溫光纖傳感器的壓縮機(jī)主動穩(wěn)定管理系統(tǒng)的研制計(jì)劃，該系統(tǒng)包含若干傳感器及微執(zhí)行器，打破了傳統(tǒng)測量系統(tǒng)只進(jìn)行被動監(jiān)測的局面。美國Virginia理工大學(xué)的Wang Anbo等人利用藍(lán)寶石的ICP
干法刻蝕及藍(lán)寶石的熱壓鍵合工藝，制作了全藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)的F-P腔，如圖1（c）所示，封裝完成的壓力傳感器如圖l（d）所示，該傳感器的最高使用溫度達(dá)到1500℃。另外，F(xiàn)lorida 大學(xué)Sheplak Mark
課題組、美國Luna Innovation公司、歐洲航空局等研究機(jī)構(gòu)都開展了基于藍(lán)寶石F-P腔超高溫傳感器的研究，研究內(nèi)容集中于F-P腔的制備新方法、傳感器的低應(yīng)力封裝以及進(jìn)一步提高傳感器工作溫度的方法9201。國內(nèi)關(guān)于藍(lán)寶石光纖壓力傳感器的研究還較少，電子科技大學(xué)的饒?jiān)平n題組研制了傳感器樣機(jī)，但僅進(jìn)行了常溫壓力測試，高溫壓力傳感器樣機(jī)尚未見報道。
1.3基于SiC（Silicon Carbide）的高溫壓力傳感器碳化硅作為第三代直接躍遷型寬禁帶半導(dǎo)體材料具有優(yōu)良的抗輻照特性、熱學(xué)性能、抗腐蝕性。
Sic晶體形態(tài)較多，常用于研制高溫壓力傳感器，包括a型的3C-SiC和B型的4H、6H-SiC，其中B-SiC
在1600℃時仍能保持良好的機(jī)械強(qiáng)度，在制備高溫傳感器方面有廣闊的應(yīng)用前景。目前，SiC的干法刻蝕、歐姆接觸制備、SiC-SiC圓片級鍵合等微加工技術(shù)已基本成熟，基于SiC的高溫傳感器已成為高溫傳感器的熱門研究方向?；赟iC的高溫壓力傳感器主要包括壓阻式、電容式兩大類，基于全SiC
材料和F-P腔原理的光纖式高溫壓力傳感器目前還在研制中。
1.3.1SiC壓阻式高溫壓力傳感器
壓阻式壓力傳感器靈敏度較高，工藝較為簡單，可靠性高，是目前SiC壓力傳感器研究的熱點(diǎn)，也是成果最多的一種方案。1997年，德國柏林工業(yè)大學(xué)的Zeirmann 等人在SOI結(jié)構(gòu)上生長了一層3C-SiC 薄膜，并利用RIE刻蝕出壓敏電阻實(shí)現(xiàn)壓力測量，工作溫度達(dá)到450℃。NASAGlenn研究中心在壓阻式壓力傳感器方面的研究開展得比較深入，該中心率先實(shí)現(xiàn)了全SiC結(jié)構(gòu)的壓敏芯片，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2（a）所示。壓力敏感結(jié)構(gòu)以6H-SiC作為基底，利用同質(zhì)外延摻雜、干法刻蝕技術(shù)形成PN
結(jié)和壓阻結(jié)構(gòu)，再使用Ti/TaSi/Pt 膜系實(shí)現(xiàn)歐姆接觸。傳感器的樣機(jī)如圖2（b）所示，最高工作溫度能達(dá)到750℃。國內(nèi)中電十三所、清華大學(xué)、中北大學(xué)等研究單位也進(jìn)行了相關(guān)研究，但目前還停留于SiC微加工技術(shù)的研究。限制SiC壓阻高溫傳感器工作溫度的因素有兩個：①高溫下外延6H-SiC薄膜的壓阻效應(yīng)退化，Glenn中心的數(shù)據(jù)表明，6H-SiC薄膜在室溫下的壓阻系數(shù)為30，而在600℃時降為10-15；②SiC歐姆接觸的使用溫度限制，Ti/TaSi/Pt、Ta/Ni/Pt 等歐姆接觸膜系的長期使用溫度均不高于800℃。
1.3.2SiC電容式壓力傳感器
電容結(jié)構(gòu)的壓力傳感器具有靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)快、溫度穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。美國西儲大學(xué)對電容式高溫壓力傳感器進(jìn)行了深入的研究，2004年該校的Young Darrin J等人利用APCVD在硅襯底上沉積3C-SiC 薄膜制備了壓力傳感器，壓力敏感單元結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示，由于感壓膜較薄，該傳感器工作時，膜的中心與底部接觸。這種傳感器的最高工作溫度可達(dá)到400℃，該溫度下的靈敏度為7.7fF/torr。2008年該校的Chen Li又提出一種全SiC結(jié)構(gòu)的電容式壓力傳感器。在該方案中Chen利用低溫氧化物L(fēng)TO（Low-temperature Oxidation）作為犧牲層和密封材料，該種傳感器的最高工作溫度為574℃2】。另外，法國LETI研究所也開展了SiC電容式高溫壓力傳感器的研究，主要技術(shù)指標(biāo)：工作溫度高于600℃，量程65kPa-145kPa，靈敏度1pF/100kPa，非線性<1%FS，精度<1%FS25】。國內(nèi)北京遙測技術(shù)研究所的尹玉剛等人工作較為突出，研制了基于4H-SiC的全SiC電容式高溫微壓傳感器（如圖3（b）所示），工作溫度可達(dá)到600℃，實(shí)現(xiàn)了0~3kPa的微壓測量，全溫區(qū)精度達(dá)到3%，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。與壓阻式高溫壓力傳感器類似，電容式高溫壓力傳感器的工作溫度同樣受限于SiC歐姆接觸的工作溫度，另外高溫下絕緣層漏電流的增大會降低電容測量精度。
1.3.3SiC法-珀腔光纖式高溫壓力傳感器除壓阻式和電容式壓力傳感器外，利用高阻SiC光阻較小的特點(diǎn)，研制基于全SiC的F-P腔光纖式高溫壓力傳感器成為新的研究熱點(diǎn)。這種傳感器的原理如圖4（a）所示，首先利用SiC構(gòu)成F-P腔，然后利用藍(lán)寶石光纖形成光路。美國Luna公司、NASA格林研究中心、Central Florida大學(xué)等機(jī)構(gòu)都開展了SiC光學(xué)高溫傳感器的研究，研究方向集中在利用SiC-MEMS技術(shù)與光纖技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全
SiC結(jié)構(gòu)的敏感頭（如圖4（b）所示）。其中，Central Florida大學(xué)實(shí)現(xiàn)了SiC敏感頭的1600℃光纖溫度傳感器，這間接證明了SiC 材料可用于光纖傳感器的研制。近年來NASA正在研究應(yīng)用于高溫環(huán)境的SiC光纖，目前已可在1300℃下工作【503】。雖然目前還沒有基于SiC的F-P腔光纖高溫壓力傳感器樣機(jī)的相關(guān)報道，但可以預(yù)見以SiC 敏感頭、SiC光纖以及SiC陶瓷封裝構(gòu)成的全SiC 高溫傳感器，將以其耐高溫、低熱應(yīng)力、高可靠性的特點(diǎn)成為解決高溫參數(shù)測量的有效手段。
除對SiC壓力傳感器的研究外，NASA格林研究中心與加州大學(xué)伯克利分校的Pisano 課題組早在2009年就合作研究基于SiC的高溫多參數(shù)集成無線測量系統(tǒng)，并在該領(lǐng)域取得了一系列的研制成果。該中心開發(fā)的一種在渦輪葉片上使用的多參數(shù)無線檢測系統(tǒng)，包含基于AIN的能量收集模塊（電源）Sic 高溫電路、SiC單片多物理量敏感集成模塊和RF射頻模塊，實(shí)現(xiàn)了惡劣環(huán)境下無源、無線、多參數(shù)復(fù)合測量【32】。2015年NASA在高溫電路上的研究已取得突破性進(jìn)展，電路模塊可在500℃下長期工作。SiC單片多參數(shù)集成高溫傳感器配合高溫電路使用，可以完全摒棄電路的隔熱裝置，對降低飛行器非必要載荷、提高安全性具有重要意義。
1.4基于共燒陶瓷的LC諧振、高溫壓電材料的聲表面波無線高溫壓力傳感器無線測壓可實(shí)現(xiàn)電性連接、調(diào)理電路與高溫?zé)嵩吹奈锢砀綦x，有助于大幅度提高傳感器的可靠性。
無線式壓力傳感器主要有以下幾種：基于LC諧振的壓力傳感器、基于聲表面波SAW（Surface Acoustic Wave）的壓力傳感器以及基于微波反向散射的壓力傳感器】，目前對微波反向散射式壓力傳感器的研究還比較少，本節(jié)主要對前兩種無線傳感器的研究進(jìn)展進(jìn)行分析。
1.4.1基于共燒陶瓷的LC諧振式高溫壓力傳感器這種傳感器的敏感芯片通常內(nèi)含LC諧振結(jié)構(gòu)，如圖5（a）所示，利用LC諧振頻率與壓力的關(guān)系，并通過電感耦合讀取阻抗諧振頻率實(shí)現(xiàn)壓力的測量。現(xiàn)有的LC 諧振式壓力傳感器主要通過共燒陶瓷工藝制備。相比半導(dǎo)體材料，共燒陶瓷具有絕緣性好、分布電容小、工藝難度較低等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)燒結(jié)溫度不同，共燒陶瓷可分為低溫共燒陶瓷LTCC（Low Temperature Co-fire Ceramic）和高溫共燒陶瓷HTCC（High Temperature Co-fire Ceramic）兩種。1998年Georgia 理工學(xué)院的Allen MarkG等人首次研制了基于LTCC材料的LC諧振型無源高溫壓力傳感器，可穩(wěn)定工作于450℃，2009年他們又利用HTCC材料將傳感器的工作溫度提高到600℃【334】。瑞典Uppsala 大學(xué)的Stureson P等人利用
HTCC 材料和后燒鉑漿料制作感壓結(jié)構(gòu)和電感線圈，將傳感器的溫度進(jìn)一步提高到1000℃，但1000℃
時傳感器的Q值降低到3以下，諧振點(diǎn)檢測難度大，圖5（b）為傳感器在1000℃下的工作情況【】。國內(nèi)中北大學(xué)的熊繼軍課題組在共燒陶瓷領(lǐng)域研究較為深入，2014年該課題組研制了基于HTCC的傳感器，工作溫度達(dá)到800℃，測壓上限為2Bar，線性度為0.93，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。
這類高溫壓力傳感器的研究已有近二十年，但目前仍未見相關(guān)產(chǎn)品的報道。限制此類傳感器發(fā)展的最大瓶頸是無線測壓的距離，由于電感有效耦合距離與線圈的外徑相當(dāng)，使得傳感器面臨著小型化與可靠性的矛盾。另外，耐高溫高Q值電感結(jié)構(gòu)的制備、絲網(wǎng)印刷的精度、敏感芯片制備的一致性等技術(shù)難題都制約了這種傳感器的進(jìn)一步發(fā)展。
1.4.2基于壓電材料的聲表面波無源無線高溫壓力傳感器聲表面波傳感器是一種利用壓電材料的壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)形成并利用SAW工作的電子器件。
SAW的本質(zhì)是沿基片表面?zhèn)鞑サ穆暡?，其能量集中，使得SAW對壓電結(jié)構(gòu)表面擾動的物理、化學(xué)等參量相當(dāng)敏感，可以制作各種具有高靈敏度的傳感器。集成天線后SAW傳感器可實(shí)現(xiàn)無源無線測量，適合在高溫、輻射、易爆易燃等極端惡劣環(huán)境下工作。SAW傳感器還具有體積小、精度高、工作溫度高、易組網(wǎng)、耦合距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，是一種非常有發(fā)展前景的新型壓電式傳感器。SAW傳感器的性能受壓電材料性能影響較大，目前可用于高溫環(huán)境的壓電材料包括LGX（LasGasSiO14）、YCOB
（YCaiO（BO3）3）AlN、ZnO等，其中LGX和AIN 在高溫傳感器研制方面應(yīng)用最為廣泛【38】。美國緬因大學(xué)研制了一種能工作到850℃的延遲線型無源SAW溫度傳感器，隨后美國 Environetix公司在此基礎(chǔ)上，開發(fā)出了能工作到925℃的溫度傳感器39】；卡耐基梅隆大學(xué)研制了基于LGS/ZnO基底的無源氧氣傳感器，能工作到650℃【40，目前SAW壓力傳感器的研究成果還較少，Environetix等多家公司正在研制基于LGS的SAW 高溫壓力傳感器，但還沒有公開的直接資料。緬因大學(xué)利用LGS（0°，138.5°，26.7°）切型制備的高溫壓力傳感器，工作溫度達(dá)到500℃，但由于資料較少，目前還沒有該傳感器的具體性能指標(biāo)，從僅有的數(shù)據(jù)可知該切型制作的壓力傳感器線性度較差，溫度和壓力耦合較嚴(yán)重】。限制LGS在高溫SAW壓力傳感器上應(yīng)用的主要因素有：①在真空或氧分壓較低的環(huán)境中，當(dāng)溫度高于700℃時，LGS晶體中的氧、原子向電極擴(kuò)散，導(dǎo)致電極的氧化或變性；②溫度壓力解耦難度大；③封裝結(jié)構(gòu)的耐溫特性及熱應(yīng)力有待改善。德國萊布尼茲固態(tài)與材料研究所的Gayatri利用新型壓電材料CTGS（CasTaGasSizO14）與W電極結(jié)合的方式制作了SAW器件，并與LGS、P/Rh 方案進(jìn)行了比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)CTGS能在800℃真空環(huán)境下長期穩(wěn)定工作，為SAW高溫壓力傳感器的研究提供了新的方向【42】。
國內(nèi)中科院聲學(xué)所、重慶大學(xué)、電子科技大學(xué)、浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位在從事 SAW傳感器研究方面取得了一定的成果，但目前多集中于常溫壓力或溫度傳感器的研究，高溫壓力領(lǐng)域仍為空白43】。山東大學(xué)研究了BazTiSizOs晶體機(jī)電耦合性能的穩(wěn)定性，結(jié)果表明在25℃~700℃內(nèi)壓電系數(shù)
dis和d3s”的變化率分別為6%和4.5%，Z-軸在600℃下的電阻率仍大于3.6×10°Qcm，且容易得到高質(zhì)量大尺寸單晶，在高溫傳感技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用極具前景【】。
總的來說，目前SAW高溫壓力傳感器的研究仍都處于實(shí)驗(yàn)室階段，相關(guān)產(chǎn)品還未見報道，但隨著新型壓電材料的發(fā)展及新性能的發(fā)現(xiàn)，SAW壓力傳感器將成為高溫傳感領(lǐng)域的熱門研究方向。
1.5基于SiCN（Silicon Carbide Nitride）陶瓷的高溫壓力傳感器
SiCN是一種新型的聚合轉(zhuǎn)化非晶陶瓷，具有低密度、耐高溫、抗氧化、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在1800℃時仍處于非晶常態(tài)，1500℃下能長期保持良好的機(jī)械性能，其電學(xué)特征優(yōu)異，通過不同的摻雜可具備低電阻率或高壓阻系數(shù)特征，在高溫領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前對SiCN陶瓷的研究主要集中在材料特性的研究，在高溫傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用還較少。美國Sporian Microsystems公司研發(fā)了一種前驅(qū)體紫外敏感的SiBCN材料，大大提升了這種材料的可加工性，而硼摻雜又使得該材料具有較好的壓阻特性。利用該材料，Sporian公司為美國空軍研制了一種發(fā)動機(jī)用高溫壓力傳感器，測壓上限達(dá)6.8MPa，可在1400℃下長期工作，并在1800℃下進(jìn)行了短時間測試。圖6為該傳感器的制備方法及樣機(jī)【45】。除壓阻式外，Cheng Haitao等人還利用電阻率較低的SiAICN陶瓷制作了基于LC諧振的壓力傳感器，傳感器的諧振頻率約12GHz，可實(shí)現(xiàn)1050℃下壓力的測量。與電感耦合不同，該傳感器自帶
RF天線，感應(yīng)距離較大【4】。
SiCN材料的高溫特性非常優(yōu)異，國內(nèi)廈門大學(xué)、湖南科技大學(xué)也開展了該種材料的特性研究，但基于該材料的傳感器在高溫方面的應(yīng)用還未見報道。目前這種材料的加工手段還非常有限，難以制作復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)。隨著微加工技術(shù)的拓展，基于SiCN的高溫傳感器將有更廣闊的應(yīng)用前景。
2發(fā)展趨勢
高溫壓力傳感技術(shù)的發(fā)展可謂日新月異，各種原理的實(shí)現(xiàn)方法層出不窮，歸結(jié)起來，高溫壓力傳感器的發(fā)展趨勢包括以下幾點(diǎn)：
①基于SiC的高溫傳感器正逐步成為高溫傳感器領(lǐng)域的主流研究方向經(jīng)過二十多年的發(fā)展，SiC以其優(yōu)良的高溫機(jī)械特性、易加工性以及半導(dǎo)體材料自身的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于高溫傳感器的研制。不同原理的基于SiC的高溫壓力傳感器不斷涌現(xiàn)，傳感器的性能也不斷提高，可滿足超高溫以內(nèi)（<800℃）大部分高溫環(huán)境下的測壓需求。隨著歐姆接觸使用溫度不斷提高，SiC光纖性能的不斷改善，SiC在超高溫環(huán)境下的測量也具有廣闊的應(yīng)用前景。
②無線式高溫傳感器將成為研究熱點(diǎn)
無線測壓可實(shí)現(xiàn)傳感器調(diào)理電路與高溫?zé)嵩吹奈锢砀綦x，減小熱防護(hù)設(shè)備引入的載荷，在航天航空領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用需求。雖然現(xiàn)有的無線高溫傳感器還存在較多問題，沒有成熟的產(chǎn)品，但隨著基于SAW等原理的高溫?zé)o線壓力傳感器精度及工作溫度的進(jìn)一步提高，多通道無線數(shù)據(jù)傳輸、組網(wǎng)技術(shù)的突破，無線高溫壓力傳感器必將引領(lǐng)高溫測量技術(shù)的變革。
③多參數(shù)復(fù)合微傳感器系統(tǒng)是未來的發(fā)展方向隨著火箭、發(fā)動機(jī)等動力設(shè)備發(fā)展，無論是發(fā)動機(jī)健康狀態(tài)監(jiān)測還是推進(jìn)效率提高，都需要對壓力、振動、應(yīng)變、溫度等多種參量進(jìn)行同時監(jiān)測。多參數(shù)集成測量，并與微執(zhí)行器結(jié)合，形成控制閉環(huán)測控系統(tǒng)，是高溫傳感器的發(fā)展趨勢。與無線傳感網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)結(jié)合，使傳感器構(gòu)成分布式測量網(wǎng)絡(luò)，并具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的能力，將是高溫傳感器未來的發(fā)展方向。
3結(jié)束語
高溫環(huán)境下的壓力測量已成為國防軍工、工業(yè)控制領(lǐng)域必須突破和掌握的基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)之一。近年來，新材料的發(fā)現(xiàn)，MEMS工藝加工、封裝工藝和傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的突破，促進(jìn)了高溫壓力傳感器的研究工作。國外在高溫壓力傳感器的研究方面已取得了較大進(jìn)展，形成了多種類型的產(chǎn)品。相比國外，國內(nèi)高溫壓力傳感器的研究起步較晚，雖然十二五期間在基于SiC的高溫壓力傳感器的研究方面取得了一定進(jìn)展，但要實(shí)現(xiàn)傳感器真正意義上的工程化、產(chǎn)業(yè)化還需投入更多的精力。針對歐美對我國實(shí)施技術(shù)封鎖的實(shí)際情況，以及國內(nèi)高溫壓力傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀，筆者提出兩點(diǎn)建議：①加強(qiáng)自主高溫壓力傳感器的研究，特別是具有潛力的基于SiC的高溫壓力傳感器、SAW無線高溫壓力傳感器的研究；②緊跟國外最新研究進(jìn)展，著手開展多參數(shù)集成高溫傳感器系統(tǒng)、高溫電路的研制。最終，我國要完成傳感器的工程化、產(chǎn)業(yè)化，形成系列產(chǎn)品，提升技術(shù)整體水平與國際競爭力，為重型火箭發(fā)動機(jī)、航空發(fā)動機(jī)、高超發(fā)動機(jī)等先進(jìn)動力設(shè)備的研制提供技術(shù)支撐。
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