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超高凤凰平台注册在高温环境下的性能测试


发布日期:[2018-08-22]    作者:凤凰平台凤凰平台注册


超高压力的测量具有重要的在各个领域的应用,如高压合成的新材料及超高压容器监测。本文提出了一种新型的超高凤凰平台注册相结合的一个圆台结构和绝缘体上硅(SOI)测量的压力高达1.6 GPA压阻元件。圆台结构衰减测量压力水平可以通过SOI压阻元件检测。四压敏电阻的压阻元件放置的SOI沿着特定的晶体取向和配置为一个惠斯通电桥获得电压信号。该传感器具有耐高温的优点,在压阻元件的结构可以避免在高温和圆台结构与热环境的压阻元件的漏电流。此外,该圆台结构的上表面直径为2mm的小规模的应用。静态标定结果表明,该传感器具有滞后和重复性良好的性能。温度实验表明,传感器可以稳定地工作在高温。本研究将具有更大的范围和规模较小的超高凤凰平台注册的研究提供更好的洞察力。


1 .一.导言

超高凤凰平台注册是在许多特殊的民事和军事应用的重视,比如新材料的高压合成金刚石对顶砧压校准,冲击波,爆炸,和高速冲击。迄今为止,众多的超高凤凰平台注册基于各种传感原理包括压阻式、电容式、压电和光学纤维已经被开发。压电式凤凰平台注册必须结合电荷放大器由于其高输出阻抗,它只能测量动态压力。电容式传感器具有较大的非线性,对意义的原则限制。光纤光栅传感器的结构是复杂的,这使得输出信号调理复杂的传感器封装困难。压阻式传感器主要是用来测量超高压力,低输出阻抗,输出信号大,优良的精度和良好的动态特性。在文学作品中,有许多文章提出许多超高压压阻式凤凰平台注册结构不同。这些结构的设计理念主要可以分为两大类,如所测得的压力直接作用于敏感元件;和敏感元件是从所测量的压力通过弹性元件分离。对于第一类,压阻材料包括碳、镱、和锰铜制成敏感膜,可以受到超高压均匀没有任何激烈的应力集中。然而,碳的压力计压阻曲线是非线性的。镱是一种物质的相变会在高压下发生。这限制了测量镱传感器[范围]。锰铜计提供了一种低压阻系数的精度是由横向拉伸应变效应[影响]。第二类,设计有不同的材料的弹性元件结构。在这些传感器,敏感元件和传感器弹性元件集成在一起,让他们进行灵敏度和精密度高,如硅压阻式凤凰平台注册。然而,由于硅结构力量薄弱,其测量范围通常不超过300 MPa。因此,使用高强度的材料作为弹性元件,可以有效提高传感器的测量范围。我认为,采用高强度合金薄膜作为初始敏感元件来承受被测压力和硅油转化为压阻敏感元件的压阻式凤凰平台注册。它的测量范围为–MPa。探索超高凤凰平台注册基于自增强圆筒结构制成的弹簧钢60Si2CrVA和硅倒杯式平板芯片。其测量范围是0–1 GPa。研究结合圆柱形弹性体由17-4PH不锈钢和绝缘体上硅微超高凤凰平台注册(SOI)固态压阻芯片。其测量范围是0–2 GPa。所有这些传感器以上为大范围和更好的精度超高凤凰平台注册研究的基础。
一般来说,超高压环境通常伴随着很高的温度,如炸药爆轰,新材料的高压合成,和超高压容器。高温会影响传感器的测量精度。然而,许多研究者把更多的注意力放在测量范围比在传感器耐高温。本研究提出了一种结合圆台结构SOI压阻元件的超高凤凰平台注册。它具有测量范围宽达1.6 GPa,耐高温,体积小,和良好的静态性能。传感器的报道有利于提高测量范围和进一步提高超高凤凰平台注册耐高温性能的研究。

2。材料与方法

2.1。该传感器结构

如图所示图1一、超高凤凰平台注册是由弹性体、SOI压阻元件,两块板。弹性体有两个部分:一个叫做圆台段和柱截面。截锥部分旨在减少超压到可由SOI压阻元件检测价值。SOI压阻元件和贴片板连接的圆筒部分的同一侧。
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图1传感器的原理图:(一该传感器结构;()B)的绝缘体上硅(SOI)压阻元件布局。
在SOI晶片的埋入SiO制备压敏电阻元件二层可避免高温[漏电流]。四压敏电阻与等效10Ω/□方块电阻分布在(100)晶面有一个小的液晶取向偏差。为了获得最大等效压阻系数,让凤凰平台能平行定位的微机电系统(MEMS)技术,为图1B显示。的焊盘的梁式引线法解决高温压阻元件之间的内部和外部的连接问题。钛的选择来形成欧姆接触P型硅由于其较低的接触电阻率(SCR)。一个好的理论的接触电阻约为8.89米Ω,有利于压阻元件的工作稳定性。Aurum被选为梁的第三层导致的与外部导线接触。铂作为光束二层导致防止钛金金属间化合物的形成。贴片板连接的焊盘通过金丝。一种广泛使用的MEMS传感器全惠斯通电桥的形成在外部电路产生的信号读出压敏电阻]

2.2。该传感器的工作原理

超高凤凰平台注册是基于在弹性极限范围内的一个力等效传递和硅的压阻效应的发展。其工作原理如下。
如图所示图2,当超高压力施加在锥段的上表面,圆筒部分产生的应变。根据力的等效传递在弹性极限范围内,凤凰平台有方程
ε1=P⋅A0A1⋅E1
(一)
哪里e一是的应变敏感元件连接的地方,P应用于锥段上表面的超高压力,一零和一一在地区上表面的锥段和横截面积的地方,敏感元件连接,分别,E一指的是弹性体的弹性模量。
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图2该凤凰平台注册
对压敏电阻的压阻元件,沿电阻条电阻率相对变化率可写为
(Δρρ0)l=τlσl+τtσt
(2)
哪里Tl和在l纵向压阻系数和纵向应力沿平行于电阻条的方向,分别,TT和在T表示横向压阻系数和横向应力沿垂直于电阻条的方向,分别。
在本研究中,等效能被安排在(100)晶面沿[ 110 ]和[ 11¯0】晶体取向。根据方程(2),相对变化率R一和R四可以表示为
ΔR1R1=ΔR4R4=−12π44σ2
(3)
在减号表示电阻R一和R四减少时,只有一个主应力沿[ 11¯0】晶体取向,问四十四剪切压阻系数P型硅,在二表示主应力沿[ 11¯0】晶体取向。同样,凤凰平台可以得到相对变化率R二和R三
ΔR2R2=ΔR3R3=+12π44σ2
(4)
在加号表示电阻R二和R三增加时,只有一个主应力沿[11¯晶体定位方向
根据惠斯通电桥原理,桥的输出电压可以写为
V=ΔRR⋅V0
(5)
哪里v零是恒定电压源的电压。用方程(4)代入方程(5)和解决在二,
σ2=2VV0⋅π44
(6)
然后凤凰平台有
ε2=2VV0⋅π44⋅E2
(7)
哪里e二在[ 1主应变1¯晶体定位方向E二表示硅的弹性模量
在这项研究中,压阻元件被连接到多进制610 [ 1弹性体1¯0】晶体取向的压阻元件平行于轴向的弹性体。假设
ε1=ε2
(8)
在上述情况。用方程(1)和(7)代入方程(8)和解决P,
P=2π44⋅A1⋅E1⋅VA0⋅E2⋅V0
(9)
它可以从方程(9)指出,所测得的压力是惠斯通电桥的输出电压成比例。也就是说,只要凤凰平台知道惠斯通电桥的输出电压,凤凰平台可以计算出被测压力。然而,在实际应用中,凤凰平台计算出被测压力通过传感器的校准曲线。

2.3。设计细节的传感器

凤凰平台知道,硅具有0.003 [应变极限]。使用此限制条件,如方程的假设(8),该凤凰平台注册的测量范围是有限的,下面的不等式
P≤(r1r0)2⋅E1⋅εmk
(10)
哪里R零和R一在锥段的上、下表面的半径,分别,eM硅的应变极限,K是的应变极限安全系数。可以观察到传感器的测量范围取决于上、下锥段和弹性体的弹性模量表面的半径比。此外,传感器必须在弹性范围内工作。因此,需要满足以下不等式
P≤σs
(11)
哪里在S是弹性体的屈服强度。只有当方程(10)、(11)同时满足能传感器正常工作。换句话说,传感器的测量范围取决于上、下锥段和弹性模量和屈服强度的弹性体表面的半径比。
钨合金是用来制造弹性体。作为上市表1],它提供了高的杨氏模量和屈服强度,这有助于提高传感器的测量范围。此外,钨合金还具有高的熔点和低的热膨胀系数(CTE),可以在高温度传感器工作的帮助。
表1钨合金材料参数
Table
应综合考虑多种因素来设计传感器的尺寸。根据凤凰平台的处理能力和实际应用中的最小值R零可以设置为1毫米。为了充分利用弹性体的高屈服强度,凤凰平台认为
σs≤(r1r0)2⋅E1⋅εmk
(12)
鉴于K= 5, we obtain
r1≥2.78 mm
(13)
为了获得小尺寸的传感器,凤凰平台让R一等于3毫米。其余的传感器尺寸显示在图3。在上述条件下,传感器提出本研究测量高达1.6 GPa范围。
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图3弹性体的三视图:(一前视图;()B前视图;()C)左视图

2.4。耐高温的分析

该传感器耐高温可归结为以下两个方面。首先,利用MEMS技术的SOI晶圆制造的压阻元件。其次,对被测环境温度高是由弹性体大多消退。
SOI技术介绍氧化埋层上硅和硅衬底之间。压敏电阻的压阻元件与硅衬底上的氧化层,避免高温压敏电阻和硅衬底之间的泄漏电流,从而提高了压阻元件耐高温。此外,高温实验表明,压敏电阻器的电阻值可以保持相对稳定在250°C [两小时]
弹性体的热传导是由ANSYS 15分析(ANSYS,Inc.,卡农斯堡,PA,美国)。热负荷的800°C应用于弹性体的上表面,并在弹性体的稳态温度分布图4。特别是,温度的地方,压阻元件连接约250°C.该实验结果表明,该传感器的工作温度高达约800°C(弹性体的上表面接触测量环境)。
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图4弹性体的稳态热分析
上述的设计不仅可以增加传感器的工作温度,同时也减少了温度对传感器精度的影响。

2.5。该传感器的制作

利用MEMS技术制备SOI压阻元件。说明是它的制作工艺图5:(1)用稀氢氟酸溶液去除原生氧化清洁SOI晶圆的;(2)采用低压化学气相沉积增加顶部硅层的厚度(LPCVD)确保压阻元件的灵敏度;(3)掺杂硼离子注入退火处理,使顶部硅层形成P型硅压阻效应提供了高、耐温性好;(4)形成SiO二层通过热氧化提高测量电路层的稳定性和生产硅三N四层为应力匹配层的低压化学气相沉积;(5)压敏电阻的刻蚀反应离子刻蚀(RIE);(6)暴露的接触孔刻蚀P型硅;(7)溅射钛、铂、金先后;(8)腐蚀的额外金属层形成电极;(9)保持30分钟,在550°C在Ti之间良好的欧姆接触的真空P型硅。最后,经过切割一块压阻元件。图6节目制作的SOI压阻元件的尺寸为1.8×1.6×0.2毫米的扫描电镜照片三。有两组测量电路与1 K和2 KΩΩ,电阻分别对每个SOI压阻元件。在这项研究中,2 KΩ电阻被用来形成一个惠斯通电桥。
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图5在SOI压阻元件的制造工艺。
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图6在SOI压阻元件的扫描电镜照片。
93钨合金通过机械加工方法制备的弹性体。其外形尺寸进行图3。对切割面在弹性体两侧的粗糙度要求在3.2μM更好的附加压阻元件。
SOI压阻元件被连接在610进制和[ 1切割面1¯0】晶体取向平行于轴向的弹性体。然后,两块板对称布置在两侧的压阻元件。2 KΩ对压阻元件测量电路是通过黄金线与贴片板近端连接。惠斯登电桥从贴片板的另一侧通过导线形成。SOI压阻元件,黄金线,焊接点涂有耐高温胶。图7阐述了该传感器的照片。
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图7该传感器的照片

2.6。静态标定

确定传感器的静态特性静态标定试验。在这项研究中,传感器的测量范围是0–1.6 GPa。因此,施加的力在弹性体上表面应为0–5 kN。静态标定试验是一个机电万能试验机可以申请一定时间的标准力操作。在测试过程中,弹性体的上表面施加0 N 500 N和5千牛每间隔将保持30 s,测量电路采用5V直流输出信号激励和区间进行高精度、高分辨率的精密数字万用表的记录。图一所示的实验装置,在图8
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图8静态标定实验装置

2.7。温度试验

温度实验表明该凤凰平台注册的耐高温的重要。由于实验条件的限制,凤凰平台初步测试凤凰平台注册的温度特性无负载条件下。根据稳态热分析表明图4,的压阻元件的工作温度约为250°C当传感器在其工作温度上限(需要强调的是,只有在弹性体上表面暴露于被测环境时,传感器处于工作状态)。然后,凤凰平台测试了该传感器的温度特性,在200°C对实验条件的基础上。
如图所示图9,传感器被放置在高温度环境可提供标准的温度从0到200°C一定时间。测量电路采用5V直流,输出信号激发的数字万用表的记录。
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图9温度实验的实验装置

三.结果与讨论

3.1。静态标定

进行了5次是凤凰平台注册传感器的静态标定试验,平均产量数据被记录在表2。作为图10一个显示,传感器的理论工作线是由这些数据的最小二乘法求解。它采取的形式
V(mV)=8.933+7.955P(GPa)
(14)
哪里P应用于锥段上表面的超高压力,和v是数字万用表的输出电压。
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图10传感器的静态特性:(一理论工作线;()B)滞回特性曲线
表2平均输出数据
Table
为了评估传感器的静态特性,四个指标是基于理论工作线了。
迟滞误差可以计算如下
H=Δymax(ymax−ymin)×100%
(15)
哪里H代表滞后误差,ΔY最大值是凤凰平台注册的最大输出偏差的装载和卸载过程中一系列的输入值之间,Y最大值和Ymin最大和最小的传感器输出值。将实验数据表3在方程(15),凤凰平台得到H= 1.45%. The hysteresis characteristic curves of the sensor are shown in图10B.
表3平均输出数据
Table
重复性可以通过方程(16)和(17)
Si=∑j=1n(yij−yi¯¯¯)2n−1−−−−−−−−−−−−⎷
(16)
R=3Smaxymax−ymin×100%
(17)
作为一个特定的测试周期,假设测量点的数目是M,并为每个测点的输出值进行了N次。因此,SI表示各测量点的标准偏差,Yij是的JTH(J= 1 −N)的测量值ITH(I= 1 −M)测量点,y¯I是测量值的平均值I日测点R代表性误差,S最大值代表最大的标准之间的偏差SI。在计算R,R= 0.28%.
线性度可以表示为
L=Δmaxymax−ymin×100%
(18)
在Δ最大值是凤凰平台注册的理论工作和实际线之间的最大偏差值,l表示线性误差。经过计算,凤凰平台有l= 3.44%.
传感器的精度是一个综合性指标,反映了传感器的静态特性。结合上述的计算值,凤凰平台得到
A=H2+R2+L2−−−−−−−−−−−√=3.74%
(19)

3.2。温度试验

热零点漂移进行测试,在25 C和200 C°°一小时,分别。零输出读出每15分钟。输出数据被记录在表4
表4在25 C和200 C°°零输出
Table
热零点漂移可以表示为
γ=|y¯0(T2)−y¯0(T1)|YFS(T1)(T2−T1)×100%
(20)
哪里y¯零(TI)(I= 1, 2) is zero average output in one hour at temperatureTIYFS(T一全量表)denotes输出的温度传感器T一。让T一= 25 °C andT二= 200 °C in Equation (20). It can be observed from表2在温度25°C传感器的满量程输出为21.388 mV。然后凤凰平台有c= 0.015%°C−1
零温度系数反映了零输出随温度的变化。它可以表示为]
α=ΔyomYFS⋅ΔT×100%
(21)
在ΔYOM在一定温度范围内,零输出的最大变化,YFS是传感器满量程输出,ΔT是指温度范围。零输出的凤凰平台注册传感器在不同温度下进行表5。在计算a,a= 0.016% °C−1
表5在不同温度下的零输出。
Table
在一定温度下零漂移可以初步描述了传感器的工作稳定性,温度。从表4200,在°C零时间漂移计算为
Dt=ymax−yminΔt=0.039 mV/h
(22)
哪里DT是时间零点漂移,Y最大值和Ymin在一定的时间范围内的最大值和最小值零输出在200°C,分别ΔTdenotes范围时间。

4。结论

本文提出了一个圆台段和与测量0–1.6 GPa范围超高凤凰平台注册SOI压阻元件相结合的新型结构。结构设计、工作原理、特性分析等进行了详细介绍。分析结果表明,该传感器可在高温达800°C在理论上达到超高压力的测量。通过标定,得到传感器如3.44%满量程的线性度性能指标(FS),0.28% FS的可重复性,1.45% FS迟滞,和FS的3.74%精度。这些性能指标基本能满足超高压测量的一般要求。此外,凤凰平台进行了零温度试验初步表明,该传感器可以稳定地工作在高温度。本文的研究具有积极的参考价值和较高的范围和规模较小的超高凤凰平台注册研究。在今后的工作中,凤凰平台将继续研究该传感器耐高温。此外,凤凰平台将设计一个利用应力集中是集成压阻元件的高精度测量超高压原理的新型微结构。