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一體化陶瓷壓力傳感器技術探討與中國壓力傳感器市場分析
來源: | 作者:jxwsdcom | 發布時間: 2018-09-21 | 711 次瀏覽 | 分享到:
訪無錫市海貝微電子研究所總工程師徐興才先生
無錫市海貝微電子研究所位于美麗的太湖之濱,是無錫市科技局下屬微電子組裝高科技研究所。主要從事微電子組裝技術設計開發和產品研制。研究所開發的壓阻式一體化陶瓷壓力傳感器在技術上與德國合作,具有先進水平,并向壓力變送器廠家提供技術支持。產品廣泛應用于工業自動化控制、汽車、 石油、 化工、 醫藥等領域。自研制的電子軟啟動模塊和為電動工具配套的恒功率電子調速模塊的電性能和可靠性具有國際領先水平。
     近日, 傳感器資訊網 有幸采訪了無錫市海貝微電子研究所總工程師徐興才先生,徐總就海貝所目前的陶瓷壓力傳感器技術研發相關問題、國內壓力傳感器市場格局及促成因素,以及國內傳感器業發展存在的問題,作了深入的探討。
    
     《 傳感器資訊網 》: 無錫市海貝微電子研究所在去年推出了具有獨立知識產權,自主研發的一體化厚膜壓力傳感器HB2018,較之以往的產品,您能具體介紹一下這種工藝嗎?一體化厚膜壓力傳感器具有哪些優勢?市場如何?
    
     徐總: 首先我們有必要了解一下陶瓷壓力傳感器:
     陶瓷壓力傳感器分為電容式陶瓷壓力傳感器和壓阻式陶瓷壓力傳感器二種,這二種傳感器都采用厚膜技術(Thick Film Technology)制造的。
    
     電容式陶瓷壓力傳感器:極薄的彈性體背面印刷燒結一園形電極,而彈性體承載體(基座)亦采用厚膜技術印刷燒結相應的電極,并在兩電極表面印刷燒結極薄的絕緣層,當彈性體受壓后會產生微量位置變化,它與基座另一電極之間電容會產生變化,而組裝在傳感器上面ASIC電路中振蕩回路即引起振蕩頻率變化,再由ASIC電路的"頻率-電壓"轉換電路轉換成電壓變化或再轉換成電流變化。從而實現壓力/電信號物理量轉換。
    
     壓阻式陶瓷壓力傳感器:采用自主研發專利電子漿料, 將四個厚膜電阻印刷-燒結在傳感器彈性體上形成惠斯頓電橋回路并采用激光修調系統將電橋修調成平衡狀態。當傳感器彈性體微量形變便形成電橋不平衡,當橋路相對兩端施加直流激勵電壓,而橋路另兩端便有毫伏級的電壓輸出。其橋路輸出電壓與壓力大小完全精密線性相關,在信號調理電路中可不用線性補償便可得到很高的線性精度和低溫度漂移。
     厚膜工藝是指采用Hybrid Integrated Technology技術。是在二次世界大戰以后發展起來的二次集成工藝,它開始是直接應用于軍事領域,后來發展到通信和計算機領域。
     一體化厚膜陶瓷壓力傳感器是國際上近三年來才開始出現第三代高性能壓力傳感器。它的特點是傳感器彈性體與瓷環在陶瓷制造過程中直接做成一體,與以往的同類產品相比,一體化厚膜陶瓷壓力傳感器彈性體和瓷環從設計和工藝技術上實現一體化,較目前國際上第一代和第二代陶瓷壓力傳感器彈性體和瓷環需要用有機粘結劑粘合大大提高了陶瓷壓力傳感器的機械特性、電特性和可靠性。特別是提高了傳感器過載壓力、靈敏度、重復性、遲滯性和穩定性等性能。第三代高性能陶瓷壓力傳感器是我研究所設計并在國外加工的。
    
     《 傳感器資訊網 》: 任何新技術的開發和突破都應經歷過一個艱辛的過程。貴所在開發一體化厚膜壓力傳感器之前,大概經歷了什么樣的孵化過程?
    
     徐總: 我們開發一體化陶瓷壓力傳感器,經過了四年的技術孵化。從笫一代陶瓷壓力傳感器到一體化陶瓷壓力傳感器,是一個漫長的探索過程。雖然,目前國際上絕大多數是第二代產品,但發展一體化陶瓷壓力傳感器是必然趨勢。
     2000年2月,無錫市海鷹傳感器公司與無錫市海貝微電子研究所簽訂試制厚膜壓力傳感器的協議書,經過一年的努力,笫一代厚膜壓力傳感器HB2012試制成功。HB2012于2001年二季度轉入量產,并通過一汽、二汽檢測部門認定。HB2012主要用于柴油車電子式油壓表,以替代當時的電位器式柴油油壓表。笫一代HB2012厚膜壓力傳感器是一種初級產品,存在不少缺憾:傳感器橋路零位無法進行激光修調,傳感器結構也不合理等等。
     為了進一步提高傳感器性能和可靠性,從2002年6月起, HB2012停產。研究所投入笫二代HB2015帶激光修調電阻的厚膜壓力傳感器的研制。廢棄了環氧樹脂粘結工藝,而采用芯片和瓷環表面金屬化工藝、Sn-Pb燒結。HB2015第二代陶瓷壓力傳感器,雖然解決了橋路零位激光修調,但和第一代產品一樣,同樣存在接觸可靠性問題。要從根本上解決陶瓷壓力傳感器可靠性、環境適應性和電氣、機械性能,第一代和二代陶瓷壓力傳感器向一體化結構發展勢在必行。之后,我們進入第三代產品的研制, 2004年,一體化陶瓷壓力傳感器HB2018開發成功,第二代產品的性能缺陷得到較完美的修正。
     目前我公司巳批量接受美國、德國、意大利和臺灣訂單,其中我們開發的2005汽車機油壓力傳感器批量很大,我們深感壓力大,主要存在問題是變送器外殼供應較慢,在浙江加工質量參差不齊。
    
     《 傳感器資訊網 》: 貴所一直致力于研發陶瓷壓力傳感器,你們選擇這個科研方向的初衷是什么?是基于市場考慮嗎?
    
     徐總: HB2018 壓阻式一體化陶瓷壓力傳感器開發是基于市場的考慮。雖然,目前國際上大多數是第二代產品,但基于生產需要及產品各項性能考慮,發展一體化陶瓷壓力傳感器是必然趨勢。
    
     《 傳感器資訊網 》: 在科研的同時,是否具備相應的生產能力,將科研成果盡快地轉化為生產力,這也是能否順利發展的主要因素,在這一點上,海貝所有哪些優勢?
    
     徐總: 在科研方面,無錫海貝微電子研究所具備強大的科研力量。都是行業內各領域退休高級工程師、大學教授和多年從事微電子設計制造方面的專家。傳感技術生產方面,海貝所和從事軍用微電路公司合作,全套引進了目前世界上最先進的厚膜生產設備和凈化生產線及現代化動力系統,包括日本DEK-J半自動印刷機,英國的激光膜厚檢測儀,美國的BTU八溫區可控氣氛燒結爐,美國ESI公司4990激光修調系統,美國惠普HP34401A、英國施倫伯杰公司(Solartron)7060高精度儀表等設備,具備了年產40-50萬陶瓷傳感器的生產能力。
     在ASIC電路(壓力變送器信號調理電路)生產方面,分別與美國德州半導體公司、德國兩家公司合作,成功開發了變送器計算機全自動調試系統,建成了全自動的變送器生產線,改變了目前大多數變送器生產廠作坊式手工調試的現狀,具備了3萬只/月的大批量生產的力。 與此同時,最近還研發成功了在HB2018直徑為18mm的傳感器上面將ASIC芯片直接組裝到超小型PCB板,并利用變送器計算機全自動調試系統,實現寬電壓范圍(5 - 36V/DC)、多輸出方式(0.5V - 4.5V、0 - 5 V電壓輸出,4 - 20mA電流輸出和PWM信號輸出)并實現高可靠聯接方式直接與各種接插件互聯,使變送器抗EMS能力和可靠性大大提高,從而實現變送器小型化、智能化和裝配自動化。
     本著誠信原則,我們愿意和業界傳感器和變送器廠家合作, 愿意貼牌生產,或購買我們的專利,共同為我國傳感器事業發展作出貢獻。
    
    
     《 傳感器資訊網 》: 目前,國內的傳感器技術水平,較之國際,還有一定的差距。你對這種現象什么看法?你認為中國傳感器業發展滯后的主要阻力是什么?
    
     徐總: 目前國內的傳感器技術水平從行業整體來講,較之國際水平,確實還有一定的差距。以壓力傳感器而言,我認為國內業界理論水準,跟國際水平并無多大差距,但基礎技術,包括材料技術、制造設備、測試技術和可靠性研究等,與國際水平還是有一定差距。
     從生產設備來講,所有厚膜工藝設備(包括自動絲網印刷機、膜厚非接觸式測試設備、燒結爐、激光修調系統等)都必須從美國、英國、日本等國家進口,這些都是國際一流設備,國內不具備生產能力。另外,傳感器是敏感元件,對生產環境要求極高,生產線必須具備凈化廠房。而這一點,國內的生產線亦無法達到要求。以前,我們曾嘗試,將自己設計的一體化陶瓷環、高壓阻系數電子漿料,配方研制完成后,在國內生產,但生產出的產品性能始終無法達到要求。所以,只能到國外委托加工。以設備來講,國內生產線加工的傳感器存在的最大的問題就是時漂和溫漂大。
    
     《 傳感器資訊網 》: 國內傳感器行業生產份額最大的是壓力傳感器,您能對國內壓力傳感器市場作一簡要分析嗎?促成這種格局的原因主要是什么?它將來會有怎樣的發展?
    
     徐總: 我國壓力傳感器市場主要是工業自動化控制領域,和汽車領域。在工控領域里目前我國絕大部份采用擴散硅壓力傳感器、應變片式壓力傳感器和濺射薄膜壓力傳感器,而國內廠家生產面廣量大的就是擴散硅壓力傳感器。在國內,西安市是我國笫二個五年計劃里重點發展壓力系列傳感器的重要城市,陜西寶雞市在省會城市西安的帶動下,由原秦嶺晶體管廠進行技術改造,和美國霍尼偉爾公司合作成立麥克傳感器公司,為我國擴散硅壓力傳感器生產開創了先河。但MEMS技術和前道硅片制造技術仍控制在外國廠家手里。
     進入九十年代,國際上MEMS技術有了長足的發展,硅片定向微機電加工精度和成品率不斷提高,加上離子注入技術的發展使擴散硅壓力傳感器從技術上有了可靠保證,成本也有所下降。在許多應用領域里,擴散硅壓力傳感器還必須與充油蕊體配套,這又使它的售價大幅度上升。這些原因無疑在一定程度上促進了國內壓力傳感器市場的興盛。
     近幾年,由昆山市人民政府和中科院,在昆山雙橋成立了國家火炬計劃昆山傳感器產業基地,使擁有自主知識產權的微納米MEMS技術硅壓阻式傳感器和變送器形成了產業鏈。合肥智能化所在陶瓷壓力傳感器方面在研發和制造技術方面也有了可喜的發展。這些進展都在一步步推進著國內市場的發展。
     在國外,壓阻式陶瓷壓力傳感器以其高可靠性,抗腐蝕、優良的線性精度和低成本開始逐漸替代擴散硅壓力傳感器,這也將是必然的發展趨勢。國家科技部馬頌德副部長在2005年底視察無錫時,對此作了充分肯定。
     我國從事各種壓力變送器生產的廠家有1700多家,作為壓力變送器的核心部件-壓力傳感器實現國產化的時代巳經到來!
    
     《 傳感器資訊網 》: 目前國際陶瓷壓力傳感器做得最好的是哪個廠家,他們的成功對貴所有無借鑒作用?
    
     徐總: 瑞士Metallux公司,此外德國WIKA公司和韓國Greensensor公司也生產陶瓷壓力傳感器,他們都看好中國市常在具體的傳感器設計理念雙方的立場有不同的地方,不過我認為這是正?,F象,因為理論始終有待于實踐提升。
    
     《 傳感器資訊網 》: 您怎樣看待企業品牌形象的樹立?如果,您是消費者,在國外品牌和國產品牌之間,你會怎樣選擇?
    
     徐總: 企業品牌形象的樹立,首先要確保你的產品質量是一流的。從原材料到產品設計、生產制造、檢測篩癬售前售后服務每一個環節務求一絲不茍。
    如果我是消費者,實話說,在傳感器方面我可能優先選擇國外品牌。但我也可能試用國產品牌,并經過現埸測試分析,對比彼此的性能,考慮最適宜的性價比,確定最終的選擇。
     在確認國產品牌與國外品牌的性能與參數差距前提下,我會將這些信息反饋給國內制造商,請他們提出分析意見和改進措施。對于生產廠商提高改進產品性能,如瓷環彈性體表面粗糙度通過和日本京瓷和德國陶瓷制造廠商溝通,在他們努力下產品質量水平大大提高,因此,客戶的使用反饋意見無疑是很有益的,針對客戶的具體需要,提出靈活的解決方案,惟有做到這點,產品才能真正的滿足客戶需求,企業品牌才能深入人心。
    
     徐興才先生簡歷: 
    
     徐興才先生畢業于西南無線電器材學院,高級工程師,中國電子學會高級會員,中國電子質量管理協會會員、《電子質量》編委。長期從事軍用混合微電子技術研究,為我國(東五)洲際導彈自動引爆系統微電路設計,特別是電子引信研發作出了貢獻。在壓阻式陶瓷壓力傳感器研發方面在國內外有重要影響,被日本、德國業界譽為CHINA XU。在中國電子學會多次學術年會上發表了“半導體器件接觸可靠和高溫應力篩馴、“高頻淺結器件hFE雪崩衰退機理”等十余篇學術論文。
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