厚膜传感器原理

    厚膜技术不只是指膜层厚度，更重要的是指采用丝网掩模以接触式或非接触式方法在厚膜基片上漏印厚膜电子浆料，经干燥和烧结成膜的工艺技术。采用厚膜技术制作的厚膜电子材料大都用作信号传输的载体，称为“电子取向” (electronic oriented)电子材料，简称EO。EO已广泛应用于混合微电子技术领域。此外，还有些厚膜电子材料,它们具有传感、识别等功能，可将物理量等信息转变为电子信号，称为“传感取向” (sensor oriented)电子材料，简称SO。SO通常分为压阻效应、磁阻效应、温度效应、压电效应、离子效应等材料^〔1〕。
　　1973年，Holmes通过对封装厚膜电阻的研究，发现了厚膜材料具有压阻效应^〔2〕。80年代初，意大利人利用这种原理推出厚膜压力传感器。它具有工艺设备简单、易于大批量生产、产品一致性良好、成本低廉等优点。美、英、德、法、日本、俄罗斯、印度等十多个国家也先后开展了这方面的研究工作。80年代的主要成果为厚膜压力传感器、厚膜应变片等，90年代开发出了力传感器、加速度传感器等，而且少数国家已完成了产品的系列化、商品化，正向集成化发展。80年代中期，*合肥智能所开始了这方面的研究。1986年以来，先后研制出应变式厚膜压力传感器、应变式厚膜力传感器和厚膜集成压力传感器。

1　厚膜压阻效应及力敏材料
1.1　厚膜电阻的压阻效应
　　压阻效应是指电阻在应力作用下，产生阻值变化。大多数金属、合金和半导体材料的阻值变化都与所受应力成比例，厚膜电阻也如此。通常，厚膜应变电阻的阻值R_S用下式表示：
　　　　　　　　　　　
式中：ρ为厚膜应变电阻的电阻率；l、w和t分别为厚膜应变电阻的长度、宽度和厚度。
　　我们将厚膜应变电阻的应变系数GF定义为：
　　　　　　　　　　
式中：ε为微应变。
　　由式（1）的微分可得：
　　　　　　　　
式中： 为泊松比（通常为0.2～0.3）。上式整理后得：
　　　　　　　　
　　式（4）表明：在应力作用下，R_S的变化主要是由ρ和几何尺寸的变化引起的。
1.2　钌基厚膜力敏材料及特性
　　钌基厚膜电阻是目前厚膜微电子技术中使用zui为普遍的厚膜电阻，常用于厚膜混合集成电路（EO材料）。它用于厚膜力敏传感器中作应变电阻（SO材料）时，具有电阻性能稳定、GF大、耐高温、温度系数小、耐腐蚀、与弹性体材料95%Al₂O₃相匹配等特点。它的制作工艺如下：以RuO₂、Bi₂Ru₂O₇、Pb₂Ru₂O_7－x为导电相，以硼硅酸铅为玻璃相，掺少量改性剂，加上有机载体（常采用乙基纤维素、松油醇或丁基卡吡醇等），混合轧浆，印刷，烧成。R_S、电阻温度系数α_R、GF及稳定性对传感器的性能优劣起作用。为确保厚膜力敏传感器的信号输出幅度及稳定性，GF应大而稳定。
　　钌基厚膜应变电阻的力敏特性和浆料的物化特性密切相关。导电相和玻璃相的粒径、导电相颗粒的配比、导电相和玻璃相的掺杂改性、印刷工艺及烧成工艺和气氛等均对GF、α_R、R_S和稳定性有重大影响。
　　用于厚膜力敏传感器的应变电阻浆料的阻值通常为10～30 kΩ，α_R控制在50×10^－6．℃^－1，GF为10～13。
1.3　导电机理
　　常用的厚膜电阻导电机理有隧道阻挡层导电链模型、渗透模型、类半导体模型等。限于篇幅，这里仅介绍G.E.Pike等提出的隧道阻挡层导电模型^〔3〕。
　　Pike等认为，在厚膜电阻中，金属氧化物颗粒形成长链，但厚膜电阻的导电粒子相互之间并不直接接触，而是被一层薄薄的纳米级玻璃相阻挡层隔开。电荷传输通过上述有阻挡层和导电粒子组成的多条长链及网络进行。厚膜电阻的阻值R_S由导电相和阻挡层的厚度(t_b)及位垒高度(φ)决定。R_S、t_b和φ由导电相与玻璃相的粒径、形状和配比决定。厚膜电阻的烧成气氛和工艺直接影响其微结构和性能。式(4)中的(dρ／ρ)／ε主要取决于t_b和φ，而且一般情况下t_b和φ对R_S的影响大，且远大于(1+2ν)。通常，R_S和GF随着t_b和φ的增大而增大。
　　在应力作用下，t_b和φ发生变化。当t_b增加，φ升高时，R_S增大，GF上升。导电相比例越大，相应导电链的通道越多，R_S越小，导电相对R_S的影响越大。t_b越小，φ降低，变化量也越小，GF也越小。反之，GF越大。
　　当温度变化时，导电相的温度系数为正，玻璃相的温度系数一般为负。温度上升，载流子浓度降低，R_S上升；t_b一般不变，φ由于隧道效应而有所下降，R_S下降。若导电相变化量占主导地位，α_R为正值；反之，玻璃相变化量占主导地位，α_R呈负值。

2　厚膜力敏传感器现状
2.1　压力传感器
　　厚膜压力传感器与其他应变式压力传感器工作原理大致相似。主要差别在于它一般采用Ru基厚膜应变电阻和Al₂O₃陶瓷弹性体。应变电阻直接印烧在陶瓷弹性体上，和弹性体牢固地结成一体，避免了常用应变式传感器因胶粘贴应变电阻所引起的蠕变和迟滞(见图1)。同常见的扩散硅、箔式金属应变计力敏传感器相比，厚膜压力传感器具有耐腐蚀、工作温度范围宽、蠕变小、性能稳定、性能/价格比高等优点。利用上述厚膜电阻的压阻效应，还可制作厚膜应变片、厚膜应变式力传感器、厚膜加速度传感器等。

图1　厚膜压力传感器结构示意

　　Maria. Prudenziati(意大利) 研制了一种厚膜应变式压力传感器。他们将厚膜电阻印烧在陶瓷圆形周边固支的膜片上，形成压力传感器。厚膜电阻R₁和R₃放在陶瓷弹性体膜片中心，R₂和R₄放在边缘，并连成全桥。加载时，R₁和R₃阻值增大，R₂和R₄阻值减小，通过全桥输出变化，把压力转化成电信号。加速度传感器则为悬臂梁一侧固定，另一侧固定一质量块，悬臂梁zui大应变区正反两面各印烧厚膜应变电阻。弹性体材料可为Al₂O₃，ZrO₂、YSZ。
　　Gunther.Stecher的厚膜压力传感器^〔4〕，采用96% Al₂O₃基片，应变电阻和膜片间覆盖一层非晶玻璃，厚100 μm，与芯片间的间隙60 μm。B.Pures(比利时)研制的三种结构也颇具新意^〔5〕，分别为桥式、线式和点式。 桥式结构分为基底和上盖板，R₁～R₄四个应变电阻印烧在上盖板上，基底上印烧R₅和R₆调零电阻，表面印刷了三层导电膜和一层介质膜，并由四个可调整的悬臂梁支撑，上下间距30～40 μm，起过载保护作用。线式结构则基本相同，不过基底中心有两个线状电阻，两侧电阻同时起支撑作用。点式结构电阻则位于基底中心，四角各有导电支柱支撑上盖板，实现了微型化。
　　尤金^.斯库拉多伏斯克(美国)等发明的压力传感器则利用纵向方向上的GF，在电阻长度方向上垂直压力产生高输出，即可计算纵向GF，也可计算横向GF^〔6〕。
　　美国DJ公司生产PT-30、PT-18厚膜压力传感器和PT-18 CH 02型变送器。其中，PT-18、PT-30的量程0～40 MPa；非线性、滞后、重复性为0.2%～0.5%，工作电压可到30 V；桥阻15±3 kΩ；工作温度-55～+125℃；零点温度漂移±2μV^.(V^.℃)^－1,弹性体为96%Al₂O₃。瑞士Kristal公司近年来也推出类似产品。
　　R^.莱特(英国)等发明的力传感器为三明治结构，金属-电阻-金属（MRM）结构模式。厚膜电阻的电流从所加力方向流过传感元件，Al₂O₃ 或金属涂层衬底。加速度传感器除悬臂梁结构外，zui近新型双基模型日益在力敏传感器中得到关注，并同样也运用于厚膜传感器的结构设计中。
　　*合肥智能机械研究所的应变式厚膜压力传感器采用一体化的周边固支弹性体，印烧四个应变电阻，上盖板用作零点补偿和温度补偿。该产品体积小、耐腐蚀、性能稳定、工作温度宽、价格低廉、性能/价格比高，具有90年代*水平。可用于石油、化工、冶金、机械、动力、国防、科研等部门，尤其是工作温度要求较高的场合（60～110℃）作气体或液体压力测量用。产品已系列化,含数十个品种^〔7〕。主要性能技术指标为：量程，0～25 kPa～25 MPa；工作温度范围，－40～+110℃；精度，0.2%，0.5%。
　　微压传感器则采用流延法制作超薄膜片，控制上盖板凹槽厚度和粘接间距，起过载保护。量程：1 kPa、5 kPa、10 kPa；精度：0.2%～0.5%；工作温度：-40～+120℃。
　　厚膜压力传感器主要用于变送器、液位计、智能流量仪和远传压力表。
2.2　力传感器
　　笔者研制的应变式厚膜力传感器采用了厚膜应变电阻及陶瓷弹性体，属国内外*。利用其压阻效应，研制的新型应变式厚膜力传感器^〔8〕。该产品蠕变小、耐高温、性能稳定，在采用陶瓷弹性体和厚膜应变电阻研制力传感器，以及厚膜一体化技术方面有较大创新和突破，为应变式力传感器的新品种。主要性能技术指标：量程，30，60，90，150，500 N；工作温度，-40～+120℃；精度，0.05%; 满量程输出，>40 mV。
　　力传感器可用于电子秤、小型配料秤、歼击机杆力-杆位移检测仪等。据国外报道，力传感器已用于车辆刹车系统，急刹车时，通过尾灯向后行车辆发出警示信号。

3　提高传感器性能的途径
3.1　改善厚膜应变电阻的性能
　　我们发现纳米材料掺杂改性可改善厚膜应变电阻的GF和稳定性^〔9〕。纳米材料的小尺寸效应、界面效应、量子效应、波谱学特征和微结构，对厚膜力敏材料的微结构和压阻特性有重要影响。对厚膜应变电阻材料进行掺杂改性，添加部分金属、金属氧化物、金属盐，优化烧成气氛和工艺，可提高厚膜应变式力敏传感器的精度、满量程输出、温度特性以及稳定性^{〔10～11〕}。
3.2　新型传感器结构
　　为改善传感器的工作温度、量程、精度以及稳定性，应对弹性体结构设计、厚膜应变电阻的设计、封装、键合技术等作进一步的研究。
3.3　新型弹性体
　　常用的弹性体是Al₂O₃，国外也用ZrO₂、YSZ、BeO、AlN、釉化不锈钢、釉化陶瓷、不锈钢混合基片和酚醛树脂基板。意大利Micro公司通常采用Al₂O₃基片。YSZ基片的压力传感器温度范围为-55～+150℃，0～4 Mpa，zui薄的YSZ基片为30～40 μm。西门子公司采用了新技术，Al₂O₃可达到25 μm。目前国内高铝瓷生产厂家常以装置瓷为主，在材料性能，尤其是力学特性及加工方面难以满足力敏传感器要求，气孔率高，断裂强度低，尚待进一步提高。
3.4　新型厚膜应变电阻
　　性能稳定的铑酸盐、铱酸盐厚膜电阻及材料受到人们关注。据报道，铑酸盐（铑酸铅、铑酸锶等）α_R小，而且α_R呈线性。铱酸铋电阻膜层比钌酸铋膜层更为稳定，热存放阻值变化极小。尽管铑、铱价格较昂贵。但有望成为高温、高性能厚膜力敏传感器中的新型厚膜力敏材料，对其应变特性及其在厚膜力敏材料中的应用仍需进一步研究。聚合物厚膜电阻可直接印刷在氧化铝基片或酚醛树脂基板上，经流平、干燥固化即可^〔12〕。聚合物厚膜电阻的GF较大，有利于提高传感器的输出及精度，并且可采用环氧树脂基板或FR-4酚醛树脂基板，降低成本，实现工业用廉价力敏传感器的大批量生产，但耐腐蚀性能及工作温度范围尚不够理想。

4　发展趋势
　　传感器技术正向集成化方向发展。集成传感器的优点在于：
　　(1)传感器与补偿、信号处理电路集成为一体，性能大大改善；(2)降低了对二次仪表的要求，可直接和显示仪表相连接，使用方便；(3)性能可靠，一致性好；(4)组装密度高，体积小；(5)适合批量生产，性能／价格比高。
　　美国D.J公司的PT18 CH02厚膜混合集成压力传感器由厚膜压力传感器芯片和信号放大处理电路两部分组成，量程0.1～40 MPa；输出4～20 mA，精度为0.2%，工作电压可到12～30 V；工作温度-25～＋80℃；零点温度漂移:＜1% FS／℃(-10～+40℃)。
　　笔者研制的全厚膜化集成压力传感器则由传感器芯片、底座、外壳等组成。采用厚膜传感器技术和厚膜微电子技术，利用其兼容特性，将厚膜力敏全桥及信号处理调节电路、补偿电路全部集成在同一芯片上，不用二次仪表，即可直接测量压力。量程0～2 MPa，输出0～5 V，精度为0.1%，工作电压12 V,工作温度-40～＋125℃；零点温度漂移:＜0.015% FS／℃^〔13〕。
　　*合肥智能机械研究所研制的厚膜三维力加速度传感器则在一微型陶瓷膜片上完成，经计算机模拟计算和补偿，现已用于机器人手爪中的触觉传感器上。
　　多传感器的集成也是传感技术发展方向。特别是采用厚膜技术制备的气体传感器、温度传感器、湿度传感器和压力传感器。由于它们在制作工艺上的共性和匹配性，易于实现多传感器集成。可通过厚膜工艺技术及MCM技术将上述厚膜传感器印烧，组装在同一传感器芯片上，这样可在同一基片上实现多种传感器集成，以便更有效地实现复杂环境的实时、多参数检测。
　　厚膜传感器的智能化研究已开始，但目前还处于实验数据库的建立阶段，只能进行简单的运算和逻辑判断。采用人工智能技术中的神经网络分析、专家系统、有限元分析进行信号处理，完成SMART功能。此外，采用厚膜技术进行的智能材料结构研究，在国外已开始起步。