目前,英、美、日等發(fā)達國家經(jīng)過約30年的發(fā)展,濺射薄膜式壓力傳感器無論從技術(shù)上,還是制作工藝上,都已非常成熟。這類產(chǎn)品的敏感芯片基底普遍使用17-4PH不銹鋼材料,量程從5bar(0.5MPa)到2200bar(220Mpa)的產(chǎn)品都已完全實用化,其產(chǎn)品能經(jīng)受10°次的連續(xù)壓力周期;使用薄膜壓力的敏感元件制成的產(chǎn)品,在溫度環(huán)境下的精度優(yōu)于0.005%/C;傳感器系列和變送器系列產(chǎn)品全部按照EN61000-2和EN61000-3標準,經(jīng)受至少100v/m的電磁考驗;能提供0-5V、0-10V、1-6V、0.5-4.5V、0.25-4.75V、4-20mA的一路或兩路(兩路壓力輸出或壓力和溫度)模擬輸出,并且能夠提供數(shù)字信號輸出、開關(guān)量輸出等多種輸出方式。
與發(fā)達國家相比,濺射薄膜技術(shù)在我國壓力傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用起步相對較晚。但隨著我國改革開放不斷深入,引進消化吸收的創(chuàng)新模式為我們趕超世界先進技術(shù)水平創(chuàng)造了非常有利的條件。中國電子科技集團公司第48研究所等單位在濺射薄膜式壓力傳感器的設(shè)計、工藝設(shè)備、制造、應(yīng)用等方面開展了系統(tǒng)的工作。尤其在近十年時間,隨著國家投入的增大,我國濺射薄膜式壓力傳感器技術(shù)水平提高很快,不斷朝小型化、高精度、高穩(wěn)定性方向迅速邁進,應(yīng)用范圍也越來越廣泛,幾乎覆蓋了海、陸、空、天所有領(lǐng)域。通過幾代人的不懈努力,我國的濺射薄膜式壓力傳感器技術(shù)與國際先進水平的差距迅速縮短。
與其它類型傳感器一樣,濺射薄膜式傳感器特性分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性。靜態(tài)特性是指對靜態(tài)的輸入信號,傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。所謂動態(tài)特性,是指傳感器在輸入變化時,它的輸出的特性,常用階躍和正弦兩種輸入信號。一般來說,濺射薄膜式傳感器的性能指標包括基本參數(shù)指標、環(huán)境參數(shù)指標、可靠性指標、其它指標等四個方面,如表1.1所示。對于某種具體的傳感器,并不要求全部指標都必需,只要根據(jù)自己的實際需要保證主要的參數(shù)。從表1.1可以看出,可靠性指標通常包括工作壽命、平均無故障工作時間、保險期等。隨著濺射薄膜式壓力傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的擴展,例如我國“神七”、“神八”和“天宮”等,其可靠性日益成為研制與應(yīng)用中的重大基礎(chǔ)問題。
隨著我國大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路工藝制作水平的快速提高,濺射薄膜式壓力傳感器的工藝制作水平也有了新的突破。通過應(yīng)用先進的工藝和材料,采用離子束濺射工藝,制造大規(guī)模集成電路的光刻工藝,采用真空封裝等種種先進的微細加工工藝,使我國傳感器的精度和穩(wěn)定性邁上了一個新的臺階。但是,從規(guī)?;?、實用化、產(chǎn)業(yè)化的角度來講,我國的傳感器產(chǎn)業(yè)與發(fā)達國家和地區(qū)相比,差距確實較大,至少要落后上十年。除了在尖端科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域和批量不大的軍事領(lǐng)域,在巨大的中高檔民品市場中,很少能看到我國自主研制生產(chǎn)的濺射薄膜式壓力傳感器的身影。在國內(nèi)的眾多傳感器企業(yè)中,尤其是薄膜壓力傳感器生產(chǎn)企業(yè)和銷售機構(gòu)中,代理公司占的比例較大,自主研制的很少,用自主研制的敏感芯片制作薄膜壓力傳感器的就更少了。
國產(chǎn)濺射薄膜式壓力傳感器不能得到規(guī)模化的應(yīng)用,關(guān)鍵在于敏感芯片制作工藝沒有得到有效突破:批產(chǎn)品質(zhì)量一致性差,環(huán)境適應(yīng)能力不強,可靠性沒有得到嚴格的考驗,與國外先進水平還存有較大差距,對時間穩(wěn)定性還缺乏科學(xué)系統(tǒng)的考核標準,GJB5243-2004《應(yīng)變式壓力傳感器通用規(guī)范》和相應(yīng)詳細規(guī)范除規(guī)定環(huán)境適應(yīng)能力以外,對可靠性要求只提出了高溫500h通電壽命和104次壓力循環(huán)壽命,這些要求與方法不足以評價傳感器的可靠性水平。
現(xiàn)代傳感器的性能隨時間的緩慢變化,不僅是可靠性考核的一個盲區(qū),也是分析、改進產(chǎn)品質(zhì)量的一個最令人頭痛的問題,每得到一個結(jié)果,往往就需要花上幾個月以上的時間。“十五”期間,我國的傳感器技術(shù)得到了高速發(fā)展,其性能指標已達到較高的水平,但傳感器可靠性不高、環(huán)境適應(yīng)能力較差、穩(wěn)定性不好一直是擺在我們面前的一個普遍存在的問題。表1.2列舉了在航天領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用需求的、國內(nèi)外低壓力量程(0.05MPa~0.5MPa)濺射薄膜式壓力傳感器的主要參數(shù)技術(shù)指標和可靠性水平。
表1.2的數(shù)據(jù)表明,國內(nèi)傳感器的靈敏度、分辨率、非線性、遲滯性、重復(fù)性、精度等靜態(tài)性能指標已接近國際先進水平,目前差距集中體現(xiàn)在絕緣阻值、可靠性和環(huán)境適應(yīng)性等性能指標上。因此,對濺射薄膜式壓力傳感器的可靠性開展深入研究,特別是探討如何通過設(shè)計、分析、試驗手段提高我國濺射薄膜式壓力傳感器的可靠性水平,具有重要意義。
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