一体化陶瓷压力传感器技术探讨与中国压力传感器市场分析
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作者:jxwsdcom
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发布时间: 2018-09-21
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访无锡市海贝微电子研究所总工程师徐兴才先生
无锡市海贝微电子研究所位于美丽的太湖之滨,是无锡市科技局下属微电子组装高科技研究所。主要从事微电子组装技术设计开发和产品研制。研究所开发的压阻式一体化陶瓷压力传感器在技术上与德国合作,具有先进水平,并向压力变送器厂家提供技术支持。产品广泛应用于工业自动化控制、汽车、 石油、 化工、 医药等领域。自研制的电子软启动模块和为电动工具配套的恒功率电子调速模块的电性能和可靠性具有国际领先水平。
近日, 传感器资讯网 有幸采访了无锡市海贝微电子研究所总工程师徐兴才先生,徐总就海贝所目前的陶瓷压力传感器技术研发相关问题、国内压力传感器市场格局及促成因素,以及国内传感器业发展存在的问题,作了深入的探讨。
《 传感器资讯网 》: 无锡市海贝微电子研究所在去年推出了具有独立知识产权,自主研发的一体化厚膜压力传感器HB2018,较之以往的产品,您能具体介绍一下这种工艺吗?一体化厚膜压力传感器具有哪些优势?市场如何?
徐总: 首先我们有必要了解一下陶瓷压力传感器:
陶瓷压力传感器分为电容式陶瓷压力传感器和压阻式陶瓷压力传感器二种,这二种传感器都采用厚膜技术(Thick Film Technology)制造的。
电容式陶瓷压力传感器:极薄的弹性体背面印刷烧结一园形电极,而弹性体承载体(基座)亦采用厚膜技术印刷烧结相应的电极,并在两电极表面印刷烧结极薄的绝缘层,当弹性体受压后会产生微量位置变化,它与基座另一电极之间电容会产生变化,而组装在传感器上面ASIC电路中振荡回路即引起振荡频率变化,再由ASIC电路的"频率-电压"转换电路转换成电压变化或再转换成电流变化。从而实现压力/电信号物理量转换。
压阻式陶瓷压力传感器:采用自主研发专利电子浆料, 将四个厚膜电阻印刷-烧结在传感器弹性体上形成惠斯顿电桥回路并采用激光修调系统将电桥修调成平衡状态。当传感器弹性体微量形变便形成电桥不平衡,当桥路相对两端施加直流激励电压,而桥路另两端便有毫伏级的电压输出。其桥路输出电压与压力大小完全精密线性相关,在信号调理电路中可不用线性补偿便可得到很高的线性精度和低温度漂移。
厚膜工艺是指采用Hybrid Integrated Technology技术。是在二次世界大战以后发展起来的二次集成工艺,它开始是直接应用于军事领域,后来发展到通信和计算机领域。
一体化厚膜陶瓷压力传感器是国际上近三年来才开始出现第三代高性能压力传感器。它的特点是传感器弹性体与瓷环在陶瓷制造过程中直接做成一体,与以往的同类产品相比,一体化厚膜陶瓷压力传感器弹性体和瓷环从设计和工艺技术上实现一体化,较目前国际上第一代和第二代陶瓷压力传感器弹性体和瓷环需要用有机粘结剂粘合大大提高了陶瓷压力传感器的机械特性、电特性和可靠性。特别是提高了传感器过载压力、灵敏度、重复性、迟滞性和稳定性等性能。第三代高性能陶瓷压力传感器是我研究所设计并在国外加工的。
《 传感器资讯网 》: 任何新技术的开发和突破都应经历过一个艰辛的过程。贵所在开发一体化厚膜压力传感器之前,大概经历了什么样的孵化过程?
徐总: 我们开发一体化陶瓷压力传感器,经过了四年的技术孵化。从笫一代陶瓷压力传感器到一体化陶瓷压力传感器,是一个漫长的探索过程。虽然,目前国际上绝大多数是第二代产品,但发展一体化陶瓷压力传感器是必然趋势。
2000年2月,无锡市海鹰传感器公司与无锡市海贝微电子研究所签订试制厚膜压力传感器的协议书,经过一年的努力,笫一代厚膜压力传感器HB2012试制成功。HB2012于2001年二季度转入量产,并通过一汽、二汽检测部门认定。HB2012主要用于柴油车电子式油压表,以替代当时的电位器式柴油油压表。笫一代HB2012厚膜压力传感器是一种初级产品,存在不少缺憾:传感器桥路零位无法进行激光修调,传感器结构也不合理等等。
为了进一步提高传感器性能和可靠性,从2002年6月起, HB2012停产。研究所投入笫二代HB2015带激光修调电阻的厚膜压力传感器的研制。废弃了环氧树脂粘结工艺,而采用芯片和瓷环表面金属化工艺、Sn-Pb烧结。HB2015第二代陶瓷压力传感器,虽然解决了桥路零位激光修调,但和第一代产品一样,同样存在接触可靠性问题。要从根本上解决陶瓷压力传感器可靠性、环境适应性和电气、机械性能,第一代和二代陶瓷压力传感器向一体化结构发展势在必行。之后,我们进入第三代产品的研制, 2004年,一体化陶瓷压力传感器HB2018开发成功,第二代产品的性能缺陷得到较完美的修正。
目前我公司巳批量接受美国、德国、意大利和台湾订单,其中我们开发的2005汽车机油压力传感器批量很大,我们深感压力大,主要存在问题是变送器外壳供应较慢,在浙江加工质量参差不齐。
《 传感器资讯网 》: 贵所一直致力于研发陶瓷压力传感器,你们选择这个科研方向的初衷是什么?是基于市场考虑吗?
徐总: HB2018 压阻式一体化陶瓷压力传感器开发是基于市场的考虑。虽然,目前国际上大多数是第二代产品,但基于生产需要及产品各项性能考虑,发展一体化陶瓷压力传感器是必然趋势。
《 传感器资讯网 》: 在科研的同时,是否具备相应的生产能力,将科研成果尽快地转化为生产力,这也是能否顺利发展的主要因素,在这一点上,海贝所有哪些优势?
徐总: 在科研方面,无锡海贝微电子研究所具备强大的科研力量。都是行业内各领域退休高级工程师、大学教授和多年从事微电子设计制造方面的专家。传感技术生产方面,海贝所和从事军用微电路公司合作,全套引进了目前世界上最先进的厚膜生产设备和净化生产线及现代化动力系统,包括日本DEK-J半自动印刷机,英国的激光膜厚检测仪,美国的BTU八温区可控气氛烧结炉,美国ESI公司4990激光修调系统,美国惠普HP34401A、英国施伦伯杰公司(Solartron)7060高精度仪表等设备,具备了年产40-50万陶瓷传感器的生产能力。
在ASIC电路(压力变送器信号调理电路)生产方面,分别与美国德州半导体公司、德国两家公司合作,成功开发了变送器计算机全自动调试系统,建成了全自动的变送器生产线,改变了目前大多数变送器生产厂作坊式手工调试的现状,具备了3万只/月的大批量生产的力。 与此同时,最近还研发成功了在HB2018直径为18mm的传感器上面将ASIC芯片直接组装到超小型PCB板,并利用变送器计算机全自动调试系统,实现宽电压范围(5 - 36V/DC)、多输出方式(0.5V - 4.5V、0 - 5 V电压输出,4 - 20mA电流输出和PWM信号输出)并实现高可靠联接方式直接与各种接插件互联,使变送器抗EMS能力和可靠性大大提高,从而实现变送器小型化、智能化和装配自动化。
本着诚信原则,我们愿意和业界传感器和变送器厂家合作, 愿意贴牌生产,或购买我们的专利,共同为我国传感器事业发展作出贡献。
《 传感器资讯网 》: 目前,国内的传感器技术水平,较之国际,还有一定的差距。你对这种现象什么看法?你认为中国传感器业发展滞后的主要阻力是什么?
徐总: 目前国内的传感器技术水平从行业整体来讲,较之国际水平,确实还有一定的差距。以压力传感器而言,我认为国内业界理论水准,跟国际水平并无多大差距,但基础技术,包括材料技术、制造设备、测试技术和可靠性研究等,与国际水平还是有一定差距。
从生产设备来讲,所有厚膜工艺设备(包括自动丝网印刷机、膜厚非接触式测试设备、烧结炉、激光修调系统等)都必须从美国、英国、日本等国家进口,这些都是国际一流设备,国内不具备生产能力。另外,传感器是敏感元件,对生产环境要求极高,生产线必须具备净化厂房。而这一点,国内的生产线亦无法达到要求。以前,我们曾尝试,将自己设计的一体化陶瓷环、高压阻系数电子浆料,配方研制完成后,在国内生产,但生产出的产品性能始终无法达到要求。所以,只能到国外委托加工。以设备来讲,国内生产线加工的传感器存在的最大的问题就是时漂和温漂大。
《 传感器资讯网 》: 国内传感器行业生产份额最大的是压力传感器,您能对国内压力传感器市场作一简要分析吗?促成这种格局的原因主要是什么?它将来会有怎样的发展?
徐总: 我国压力传感器市场主要是工业自动化控制领域,和汽车领域。在工控领域里目前我国绝大部份采用扩散硅压力传感器、应变片式压力传感器和溅射薄膜压力传感器,而国内厂家生产面广量大的就是扩散硅压力传感器。在国内,西安市是我国笫二个五年计划里重点发展压力系列传感器的重要城市,陕西宝鸡市在省会城市西安的带动下,由原秦岭晶体管厂进行技术改造,和美国霍尼伟尔公司合作成立麦克传感器公司,为我国扩散硅压力传感器生产开创了先河。但MEMS技术和前道硅片制造技术仍控制在外国厂家手里。
进入九十年代,国际上MEMS技术有了长足的发展,硅片定向微机电加工精度和成品率不断提高,加上离子注入技术的发展使扩散硅压力传感器从技术上有了可靠保证,成本也有所下降。在许多应用领域里,扩散硅压力传感器还必须与充油蕊体配套,这又使它的售价大幅度上升。这些原因无疑在一定程度上促进了国内压力传感器市场的兴盛。
近几年,由昆山市人民政府和中科院,在昆山双桥成立了国家火炬计划昆山传感器产业基地,使拥有自主知识产权的微纳米MEMS技术硅压阻式传感器和变送器形成了产业链。合肥智能化所在陶瓷压力传感器方面在研发和制造技术方面也有了可喜的发展。这些进展都在一步步推进着国内市场的发展。
在国外,压阻式陶瓷压力传感器以其高可靠性,抗腐蚀、优良的线性精度和低成本开始逐渐替代扩散硅压力传感器,这也将是必然的发展趋势。国家科技部马颂德副部长在2005年底视察无锡时,对此作了充分肯定。
我国从事各种压力变送器生产的厂家有1700多家,作为压力变送器的核心部件-压力传感器实现国产化的时代巳经到来!
《 传感器资讯网 》: 目前国际陶瓷压力传感器做得最好的是哪个厂家,他们的成功对贵所有无借鉴作用?
徐总: 瑞士Metallux公司,此外德国WIKA公司和韩国Greensensor公司也生产陶瓷压力传感器,他们都看好中国市常在具体的传感器设计理念双方的立场有不同的地方,不过我认为这是正常现象,因为理论始终有待于实践提升。
《 传感器资讯网 》: 您怎样看待企业品牌形象的树立?如果,您是消费者,在国外品牌和国产品牌之间,你会怎样选择?
徐总: 企业品牌形象的树立,首先要确保你的产品质量是一流的。从原材料到产品设计、生产制造、检测筛癣售前售后服务每一个环节务求一丝不苟。
如果我是消费者,实话说,在传感器方面我可能优先选择国外品牌。但我也可能试用国产品牌,并经过现埸测试分析,对比彼此的性能,考虑最适宜的性价比,确定最终的选择。
在确认国产品牌与国外品牌的性能与参数差距前提下,我会将这些信息反馈给国内制造商,请他们提出分析意见和改进措施。对于生产厂商提高改进产品性能,如瓷环弹性体表面粗糙度通过和日本京瓷和德国陶瓷制造厂商沟通,在他们努力下产品质量水平大大提高,因此,客户的使用反馈意见无疑是很有益的,针对客户的具体需要,提出灵活的解决方案,惟有做到这点,产品才能真正的满足客户需求,企业品牌才能深入人心。
徐兴才先生简历:
徐兴才先生毕业于西南无线电器材学院,高级工程师,中国电子学会高级会员,中国电子质量管理协会会员、《电子质量》编委。长期从事军用混合微电子技术研究,为我国(东五)洲际导弹自动引爆系统微电路设计,特别是电子引信研发作出了贡献。在压阻式陶瓷压力传感器研发方面在国内外有重要影响,被日本、德国业界誉为CHINA XU。在中国电子学会多次学术年会上发表了“半导体器件接触可靠和高温应力筛驯、“高频浅结器件hFE雪崩衰退机理”等十余篇学术论文。