壓力感測器在各種環境中的應用

       在以往數十年，限於現場條件的極端環境下，如輻射，溫度和震動，壓力測量只會使用壓力開關技術。這些機電結構的開關不需要電源和電子元件來實現這種機械式開關。一般而言，當壓力產生時需要有一個金屬推杆或彈簧作為導電接觸。

為了提供足夠動力來驅動開關，薄膜需要有0.02到0.075英寸的移動，過大的移動會導致金屬疲勞。長時間的壓力循環會引致金屬開關點從最初設定點漂移，從而導致系統發生故障或失效。因為壓力開關只提供一個“開/關”狀態，無法監控電路閉式系統裡的狀態趨勢。

為了克服這些問題，新一代的壓力感測技術可以提供一個在關鍵系統裡具有可靠的線性及精確的訊號輸出。其中包括，但不限於替代能源，核電引擎控制和制動系統等領域上。微處理器和控制器在過往30年快速發展，使電子壓力感測器的成長超過了傳統壓力開關。

圖1:典型工廠設定的壓力開關具有一對開關觸點.

    在過去的60年裡，電子壓力感測器不斷產生巨大的演進。早期的壓力感測器，使用金屬膜壓力應變感應元件，電感和電容作為感測應用原理來提供與壓力相應的輸出信號。這種裝置體積大，笨重，價格昂貴。即使這種設備的提供比只有“開/關”狀態的壓力開關有更好的性能，但由於材料特性也影響了長期穩定性。

    到了70年代末期，作為感測材料矽的出現，開始對工商業應用的壓力測量產生了巨大的影響。這些以矽基礎的感測器及MEMS(微機電系統)技術，被快速應用在汽車及健康醫療環境中。

    MEMS感測器具有尺寸小，成本低，產量大的特點。還有一些其他的技術，如薄膜，厚膜和陶瓷電容都在同一時期發展。MEMS技術是最受歡迎的技術，斷定其可成為新興市場應用的驅動者，如替代能源和其他極端棘手環境中的應用。

替代能源的壓力感測

    在過去120年中世界經濟發展只有完全依靠化石燃料，這種趨勢隨著世界的需求可能會再持續100年。全世界的國家都在努力發掘對環境有利的再生能源，氫將是最常見的一種清潔型燃料。同重量的氫，比任何燃料能源含量都高(比汽油多3倍). 氫是一種能源載體，可以由其它物質產生亦能從多種資源(水，化石燃料，生物能)或其他化學反應過程中得到。

    氫不像電力，它可以很容易被大量儲存， 在需要的時候可以被轉移，以供將來使用。圖2顯示了用在汽車和公車上的儲氫罐。氫也可以用在沒有電力供應的地方。在交通運輸上，如公車，轎車，客車，和輕型卡車上已經開始使用乾淨無污染的氫取代汽油和柴油。

 
圖2:車輛使用的高壓氫氣儲罐

    雖然氫是最輕的元素，但它卻會形成壓力感測器的腐蝕，形成兩個主要問題。很多時候壓力感測器生產廠和使用者都會忽略這兩個問題。就是金屬脆化和滲透，如果設計不正確或使用不正確都會導致壓力感測器故障。長期暴露於氫氣中會導致金屬脆化從而降低金屬的機械性能。高強度具大顆粒分子晶體的硬鋼材，無論在室溫和高溫下，都不能使用在含量多的氫氣和硫化氫環境中。

圖3:中國典型的氫氣動力巴士。巴士的屋頂上安裝的儲氫罐。

    歐洲整合氫能計畫(EIHP) ， www.eihp.org，已經定義了設計和研發壓力感測器在氫動力車和氫儲罐系統中如何使用。為符合歐洲EIHP標準，壓力感測器必須經過極端條件的測試，例如150，000次滿壓力循環，使用純氫氣，在1.2倍額定壓力下作2，000次壓力循環，化學測試和-40℃到185℃的其他環境測試。在一個純粹以氫為主的能源系統，儲罐裡的氫被調到一個低壓狀態，然後與氧混合產生電力.這就是燃料電池的產能過程，排出來是純水，沒有廢氣。燃料電池的輸出，即電流被用在各樣的電力設備上。燃料電池產生功率為100W到150KW範圍，比傳統的汽油和柴油發動機更有效益。典型的氫氣驅動系統可以通過以下應用來定義壓力範圍。

l +15Psi 至 -15Psi (+1bar 至 -1bar) 作為氫/氧燃料比的差壓感測器。

l0 到36PSIG (2.5BAR)燃料冷卻去離子水

l0到300PSIG(20BAR)減壓輸出氫供給燃料電池

l0到6500Psi(448bar) 叉車，轎車，輕型卡車和公共汽車的儲氫罐

l0到10，000psi (700bar)加氣系統，加氣站

l0到13，000psi(900bar)新型轎車

    讓我們再回顧總結一下過去25年裡多為人知的壓力感測器如何面對氫滲透和脆化問題以及新出現的感測器技術。

充油矽芯MEMS壓力感測器:

    充油矽芯MEMS技術已經發展超過25年，並且被廣泛地用於低壓(15Psi)至中壓(3000Psi)的工業上。MEMS敏感元件是在一個N型矽敏感膜片上，加上P型擴散矽應變敏感電阻，使用薄金屬波狀膜片，使矽油和介質是隔離的。如圖4(a) 所示，金屬膜片厚度的變化量是從0.001”(0.025mm)作為低壓到0.002”(0.050mm)作為中壓。因為金屬膜片很薄並且是不銹鋼做的，它會遭受氫滲透。因為氫原子分裂成氫離子(二個H+原子)，如圖4(b)所示.在純淨和非純淨氫應用中都會產生氫滲透。氫離子會透過膜片進入填充液體中，並產生氫氣泡。這些氣泡會引起回零和滿量程讀數的改變，降低感測器的性能。長時間後，內部氫氣會引起隔離膜片向外膨脹和腐蝕，填充液體的流失造成隔離膜片爆裂而導致故障。當溫度和PH值改變是，會加速造成膜片的爆裂。

圖4(a):充油壓力感測器的横剖面

圖4(b):穿過金屬薄膜的氫滲透過程

多晶矽MEMS壓力感測器

   作為替代金屬薄膜的感測技術，多晶矽技術已經有了20年的歷史。感測元件設計成一個小杯形狀，由硬化不銹鋼如17-4PH以及通過化學氣相沉積過程的多晶矽應變片。感測元件和壓力介面燒焊成一體，作為最終的應用。這種設計會遭受氫脆化，就是氫原子通過敏感膜片的分子晶體結構，如”白蟻”一樣的遷徙，這樣就降低了材料的抗拉性能及造成失效。氫脆化會在所有溫度範圍內產生，然而當溫度由25℃增加到85℃，如圖(5)氫脆化就會加速。圖(5)顯示了運用常規生產的具有半導體特性的多晶矽壓力元件的頂視圖。

圖5:以多晶矽為基礎的壓力感測元件焊接壓力端口

   “Krystal Bond”技術是於10年前出現，主要用於惡劣的條件下，能滿足當前和新興的市場需求。它利用精確攙雜製程製造成具半導體特性的壓力元件，使用獨特的無機結晶技術，把壓力元件固定在金屬極板上，這種特別的攙雜可以使矽應變計給一個穩定的高輸出，並且在很寬的工作溫度範圍提供一個很大的可補償範圍，這種無機結晶技术可以與多種的金屬和不銹鋼靈活地相匹配。

    受惠于矽應變計產生的高輸出和靈活的焊接過程，使得敏感元件可以做得厚些，並且是整片式。316L不銹鋼由於顆粒極其細小，而不產生氫滲透和催化。這種技術也符合EIHP的安全性和可靠性的要求。在全球已廣泛地被用，從車輛到固定氫系統的應用，工作壓力為15到13000Psi(1到900bar)，圖6所示krystal bond技術的壓力感測器。

圖6:krystal bond技術的壓力感測器的横截面

    除在氫氣上應用，與傳統技術相比，如金屬膜應變計，帶O-ring的陶瓷膜片，薄膜技術，充油芯感測器，Krystal Bond技術越來越多地運用在惡劣條件下，如輕度輻射，海水，地下洞穴，柴油燃燒差壓測量，航空科技，超高壓環境等.僅此技術可以提供-65℉到275℉(55℃到150℃)的大範圍補償，傳遞壓力從15Psi到60，000Psi(1到4，000bar)的特性。