试论高温高压压力传感器的设计

王 蕾 河南省新乡市质量技术监督检验测试中心 453000

【文章摘要】

我们知道，压力传感器中主要使用的压电材料主要是比较固定的，有些材料在一定的温度范围之内是比较稳定的，但是超过一定的温度值以后这些材料的压力性质就完全改变了。本文针对石油化工等领域中高温下较高压力测量的要求，提出了高温高压压力传感器系统，设计出了高精度稳定性佳的耐高温高压压力传感器，希望通过本人的设计能够对于压力传感器的发展起到进步作用。

【关键词】

高温高压；压力传感器；设计在石油开采、化工领域的压力测量中，对压力传感器提出了耐高温、微型化、抗腐蚀等要求，传统的硅扩散压力传感器当温度在100℃以上时，器件就无法工作。因此设计制作高温压力传感器是非常有必要的。

1 压力传感器相关知识简述

1.1 压力传感器定义概括

所谓的传感器就是能够感受到被测量的并且按照一定规定的转换规律，然后转换成可以运用到实际工作中的输出信号的一种工作器件或工作装置。从下面图示1-1 我们来了解一下传感器的主要组成结构：

通用型耐高温压力传感器主要应用于电力能源、加速度、石油化工等领域高温环境下，应用中要求压力传感器具有耐高温、微型化、抗腐蚀等特点。因此，在传感器技术中，设计制作高温压阻式压力传感器有其必要性。

1.2 压力传感器的分类

按工作原理来分类，可以分为：电容式、压阻式、电感式、智能式、压电式等。当然，我们也可以采用压力传感器所使用的材料对其进行不同的归类，按材料分类压力传感器可分为：金属压力式、氧化物压力式、半导体压力式、余属压力式、光学压力式传感器等。

2 相关压力传感器与性能简述

2.1 光纤光栅(FBG) 传感器

FBG 已成为目前最具有发展前景和影响力的光测新技术，但其适用范围仍被局限于低温、低压领域。很多国家针对FBG 高温高压传感器进行了研究，但温度指标均未超过300 度。当然，光纤光栅在用于高温、高压以及油气井等环境下的作业环境中就受到了一定的限制。

2.2 蓝宝石压力传感器

这种传感器是利用应变电阻式的方式，采用硅- 蓝宝石作为主要组成元件，有这种原件组成的压力传感器具有很好的性能。因为蓝宝石有着很强的绝缘特性和弹性，并且，它比硅还要坚固很多，硬度也更高，在实际应用中还不怕形变，因为蓝宝石系主要由单晶体的绝缘成分组成。因此，利用硅- 蓝宝石制造的压力传感器元件，可在最恶劣的工作条件下正常工作，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；温度误差极小、性价比高。

2.3 压阻式压力传感器

这种传感器是应用最广泛的压力传感器之一，是获得广泛应用，而且是发展迅速的一种新的物性型传感器；它具有灵敏度高、准确度高、动态响应好、易于微型化等特点。它很容易适用于批量的生产，并且能够方便地实现运用系统的可操作性与稳定性。所以，它具有代表性的成为受到人们重点开发并普遍重视的新型传感器。

3 高温高压压力传感器的设计探析本文对于高温高压压力传感器的设计是基于以上几款压力传感器的基础上，通过本人在工作的实际过程中，建设性的提出了个人的设计思路，主要做法有以下几点。

3.1 制备材料与设计

制备材料的两种主流技术是注氧隔离技术和键合技术，注氧隔离技术是指工艺中大剂量的氧离子被注入到起始硅片中，然后进行高温退火处理形成高温高压结构材料；键合技术工艺较复杂，成本控制较难，其高温特性测到180℃ ；有关研究者利用BESOI 技术制作了高温压力传感器，其耐温到220℃ ；本文针对高温、高压、高频测量的要求，设计了圆平膜硅芯片，完成了耐高温封装工艺，测验显示这种传感器耐高温稳定性佳。

3.2 压力传感器温度原理及实现

由于传感器其独特的工作环境温度变化而引起的附加误差，是可以通过压力传感器软件的改进与设计方法来调整好的。其主要做法是：在其内部靠近对工作主要敏感环境部件处，另外安装一个专门的测温元件；通过这个测温元件测得的数据与其他信号一起送入到CPU，根据温度误差的数学模型去补偿被测信号，这样问题就解决了。传感器在采用软件补偿方法来解决压力传感器内部温度误差时，通常的测温元件大多采用热电阻，因此必须增加相应的热电阻。

3.3 芯片设计

针对高温高压的要求，高温高压压力传感器可以选用圆平膜设计，在晶向上的电阻顺着晶向排列，在晶向上的电阻垂直于晶向排列，四个电阻互相平行。主要做法见图2 ：

3.4 传感器研制

将敏感芯片封装后，在-20 ～ 200℃补偿温区内，选用了2mA 恒流源激励，温度漂移补偿后，热零点漂移TCO 和热灵敏度漂移TCS 的值小于110×10-4/℃ •FS，不重复性和迟滞误差均小于0、05%FS，在220 ℃ 时灵敏度为0、37 ～ 0、8mV/(V•MPa)，并且实现了低成本化，具有较高的性能价格比。

4 结论

传感器技术是一门综合性的技术基础学科，必须要有很好的综合理论知识掌握情况。针对油气井、矿业开采等高温高压的特殊环境要求下，通过借鉴前人的经验与研究成果，设计与创新性的提出了这款具有耐高温高压新型压力传感器。通过本人的实验证明，如果封装工艺再进一步改善，材料选择与做工进一步细致、精化的话，该芯片工作耐高温区域有望达到250 ～ 300℃。希望通过本人对于高温高压压力传感器的设计能够给社会带来一定的借鉴意义。

【参考文献】

[1] 孟范成，基于SHS/QP 的高温、高压的陶瓷致密化机理与技术研究，武汉理工大学2008 年。

[2] 崔淑琴，智能压力传感器的研究与设计，[ 学位论文] 哈尔滨理工大学2005 年。__