基于压阻效应的厚膜力敏材料及传感器
    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〕。文章转自《中国传动网》

　　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率先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，中国科学院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。文章转自《中国传动网》

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RS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：文章转自《中国传动网》

　　　　　　　　　　
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，RS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最为普遍的厚膜电阻，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、Pb2Ru2O7－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。RS、电阻温度系数αR、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。文章转自《中国传动网》

　　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、αR、RS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，αR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RS由导电相和阻挡层的厚度(tb)及位垒高度(φ)决定。RS、tb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tb和φ，而且一般情况下tb和φ对RS的影响大，且远大于(1+2ν)。通常，RS和GF随着tb和φ的增大而增大。
　　在应力作用下，tb和φ发生变化。当tb增加，φ升高时，RS增大，GF上升。导电相比例越大，相应导电链的通道越多，RS越小，导电相对RS的影响越大。tb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，RS上升；tb一般不变，φ由于隧道效应而有所下降，RS下降。若导电相变化量占主导地位，αR为正值；反之，玻璃相变化量占主导地位，αR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。
　　Maria. Prudenziati(意大利) 率先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，悬臂梁最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。文章转自《中国传动网》

　　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〕。