厚膜技術(shù)不只是指膜層厚度，更重要的是指采用絲網(wǎng)掩模以接觸式或非接觸式方法在厚膜基片上漏印厚膜電子漿料，經(jīng)干燥和燒結(jié)成膜的工藝技術(shù)。采用厚膜技術(shù)制作的厚膜電子材料大都用作信號傳輸?shù)妮d體，稱為“電子取向” (electronic oriented)電子材料，簡稱EO。EO已廣泛應(yīng)用于混合微電子技術(shù)領(lǐng)域。此外，還有些厚膜電子材料,它們具有傳感、識別等功能，可將物理量等信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有盘枺Q為“傳感取向” (sensor oriented)電子材料，簡稱SO。SO通常分為壓阻效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、溫度效應(yīng)、壓電效應(yīng)、離子效應(yīng)等材料^〔1〕。
　　1973年，Holmes通過對封裝厚膜電阻的研究，發(fā)現(xiàn)了厚膜材料具有壓阻效應(yīng)^〔2〕。80年代初，意大利人利用這種原理推出厚膜壓力傳感器。它具有工藝設(shè)備簡單、易于大批量生產(chǎn)、產(chǎn)品一致性良好、成本低廉等優(yōu)點。美、英、德、法、日本、俄羅斯、印度等十多個國家也先后開展了這方面的研究工作。80年代的主要成果為厚膜壓力傳感器、厚膜應(yīng)變片等，90年代開發(fā)出了力傳感器、加速度傳感器等，而且少數(shù)國家已完成了產(chǎn)品的系列化、商品化，正向集成化發(fā)展。80年代中期，*合肥智能所開始了這方面的研究。1986年以來，先后研制出應(yīng)變式厚膜壓力傳感器、應(yīng)變式厚膜力傳感器和厚膜集成壓力傳感器。

1　厚膜壓阻效應(yīng)及力敏材料
1.1　厚膜電阻的壓阻效應(yīng)
　　壓阻效應(yīng)是指電阻在應(yīng)力作用下，產(chǎn)生阻值變化。大多數(shù)金屬、合金和半導體材料的阻值變化都與所受應(yīng)力成比例，厚膜電阻也如此。通常，厚膜應(yīng)變電阻的阻值R_S用下式表示：
　　　　　　　　　　　
式中：ρ為厚膜應(yīng)變電阻的電阻率；l、w和t分別為厚膜應(yīng)變電阻的長度、寬度和厚度。
　　我們將厚膜應(yīng)變電阻的應(yīng)變系數(shù)GF定義為：
　　　　　　　　　　
式中：ε為微應(yīng)變。
　　由式（1）的微分可得：
　　　　　　　　
式中： 為泊松比（通常為0.2～0.3）。上式整理后得：
　　　　　　　　
　　式（4）表明：在應(yīng)力作用下，R_S的變化主要是由ρ和幾何尺寸的變化引起的。
1.2　釕基厚膜力敏材料及特性
　　釕基厚膜電阻是目前厚膜微電子技術(shù)中使用zui為普遍的厚膜電阻，常用于厚膜混合集成電路（EO材料）。它用于厚膜力敏傳感器中作應(yīng)變電阻（SO材料）時，具有電阻性能穩(wěn)定、GF大、耐高溫、溫度系數(shù)小、耐腐蝕、與彈性體材料95%Al₂O₃相匹配等特點。它的制作工藝如下：以RuO₂、Bi₂Ru₂O₇、Pb₂Ru₂O_7－x為導電相，以硼硅酸鉛為玻璃相，摻少量改性劑，加上有機載體（常采用乙基纖維素、松油醇或丁基卡吡醇等），混合軋漿，印刷，燒成。R_S、電阻溫度系數(shù)α_R、GF及穩(wěn)定性對傳感器的性能優(yōu)劣起作用。為確保厚膜力敏傳感器的信號輸出幅度及穩(wěn)定性，GF應(yīng)大而穩(wěn)定。
　　釕基厚膜應(yīng)變電阻的力敏特性和漿料的物化特性密切相關(guān)。導電相和玻璃相的粒徑、導電相顆粒的配比、導電相和玻璃相的摻雜改性、印刷工藝及燒成工藝和氣氛等均對GF、α_R、R_S和穩(wěn)定性有重大影響。
　　用于厚膜力敏傳感器的應(yīng)變電阻漿料的阻值通常為10～30 kΩ，α_R控制在50×10^－6．℃^－1，GF為10～13。
1.3　導電機理
　　常用的厚膜電阻導電機理有隧道阻擋層導電鏈模型、滲透模型、類半導體模型等。限于篇幅，這里僅介紹G.E.Pike等提出的隧道阻擋層導電模型^〔3〕。
　　Pike等認為，在厚膜電阻中，金屬氧化物顆粒形成長鏈，但厚膜電阻的導電粒子相互之間并不直接接觸，而是被一層薄薄的納米級玻璃相阻擋層隔開。電荷傳輸通過上述有阻擋層和導電粒子組成的多條長鏈及網(wǎng)絡(luò)進行。厚膜電阻的阻值R_S由導電相和阻擋層的厚度(t_b)及位壘高度(φ)決定。R_S、t_b和φ由導電相與玻璃相的粒徑、形狀和配比決定。厚膜電阻的燒成氣氛和工藝直接影響其微結(jié)構(gòu)和性能。式(4)中的(dρ／ρ)／ε主要取決于t_b和φ，而且一般情況下t_b和φ對R_S的影響大，且遠大于(1+2ν)。通常，R_S和GF隨著t_b和φ的增大而增大。
　　在應(yīng)力作用下，t_b和φ發(fā)生變化。當t_b增加，φ升高時，R_S增大，GF上升。導電相比例越大，相應(yīng)導電鏈的通道越多，R_S越小，導電相對R_S的影響越大。t_b越小，φ降低，變化量也越小，GF也越小。反之，GF越大。
　　當溫度變化時，導電相的溫度系數(shù)為正，玻璃相的溫度系數(shù)一般為負。溫度上升，載流子濃度降低，R_S上升；t_b一般不變，φ由于隧道效應(yīng)而有所下降，R_S下降。若導電相變化量占主導地位，α_R為正值；反之，玻璃相變化量占主導地位，α_R呈負值。

2　厚膜力敏傳感器現(xiàn)狀
2.1　壓力傳感器
　　厚膜壓力傳感器與其他應(yīng)變式壓力傳感器工作原理大致相似。主要差別在于它一般采用Ru基厚膜應(yīng)變電阻和Al₂O₃陶瓷彈性體。應(yīng)變電阻直接印燒在陶瓷彈性體上，和彈性體牢固地結(jié)成一體，避免了常用應(yīng)變式傳感器因膠粘貼應(yīng)變電阻所引起的蠕變和遲滯(見圖1)。同常見的擴散硅、箔式金屬應(yīng)變計力敏傳感器相比，厚膜壓力傳感器具有耐腐蝕、工作溫度范圍寬、蠕變小、性能穩(wěn)定、性能/價格比高等優(yōu)點。利用上述厚膜電阻的壓阻效應(yīng)，還可制作厚膜應(yīng)變片、厚膜應(yīng)變式力傳感器、厚膜加速度傳感器等。

圖1　厚膜壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意

　　Maria. Prudenziati(意大利) 研制了一種厚膜應(yīng)變式壓力傳感器。他們將厚膜電阻印燒在陶瓷圓形周邊固支的膜片上，形成壓力傳感器。厚膜電阻R₁和R₃放在陶瓷彈性體膜片中心，R₂和R₄放在邊緣，并連成全橋。加載時，R₁和R₃阻值增大，R₂和R₄阻值減小，通過全橋輸出變化，把壓力轉(zhuǎn)化成電信號。加速度傳感器則為懸臂梁一側(cè)固定，另一側(cè)固定一質(zhì)量塊，懸臂梁zui大應(yīng)變區(qū)正反兩面各印燒厚膜應(yīng)變電阻。彈性體材料可為Al₂O₃，ZrO₂、YSZ。
　　Gunther.Stecher的厚膜壓力傳感器^〔4〕，采用96% Al₂O₃基片，應(yīng)變電阻和膜片間覆蓋一層非晶玻璃，厚100 μm，與芯片間的間隙60 μm。B.Pures(比利時)研制的三種結(jié)構(gòu)也頗具新意^〔5〕，分別為橋式、線式和點式。 橋式結(jié)構(gòu)分為基底和上蓋板，R₁～R₄四個應(yīng)變電阻印燒在上蓋板上，基底上印燒R₅和R₆調(diào)零電阻，表面印刷了三層導電膜和一層介質(zhì)膜，并由四個可調(diào)整的懸臂梁支撐，上下間距30～40 μm，起過載保護作用。線式結(jié)構(gòu)則基本相同，不過基底中心有兩個線狀電阻，兩側(cè)電阻同時起支撐作用。點式結(jié)構(gòu)電阻則位于基底中心，四角各有導電支柱支撐上蓋板，實現(xiàn)了微型化。
　　尤金^.斯庫拉多伏斯克(美國)等發(fā)明的壓力傳感器則利用縱向方向上的GF，在電阻長度方向上垂直壓力產(chǎn)生高輸出，即可計算縱向GF，也可計算橫向GF^〔6〕。
　　美國DJ公司生產(chǎn)PT-30、PT-18厚膜壓力傳感器和PT-18 CH 02型變送器。其中，PT-18、PT-30的量程0～40 MPa；非線性、滯后、重復性為0.2%～0.5%，工作電壓可到30 V；橋阻15±3 kΩ；工作溫度-55～+125℃；零點溫度漂移±2μV^.(V^.℃)^－1,彈性體為96%Al₂O₃。瑞士Kristal公司近年來也推出類似產(chǎn)品。
　　R^.萊特(英國)等發(fā)明的力傳感器為三明治結(jié)構(gòu)，金屬-電阻-金屬（MRM）結(jié)構(gòu)模式。厚膜電阻的電流從所加力方向流過傳感元件，Al₂O₃ 或金屬涂層襯底。加速度傳感器除懸臂梁結(jié)構(gòu)外，zui近新型雙基模型日益在力敏傳感器中得到關(guān)注，并同樣也運用于厚膜傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計中。
　　*合肥智能機械研究所的應(yīng)變式厚膜壓力傳感器采用一體化的周邊固支彈性體，印燒四個應(yīng)變電阻，上蓋板用作零點補償和溫度補償。該產(chǎn)品體積小、耐腐蝕、性能穩(wěn)定、工作溫度寬、價格低廉、性能/價格比高，具有90年代*水平?？捎糜谑?、化工、冶金、機械、動力、國防、科研等部門，尤其是工作溫度要求較高的場合（60～110℃）作氣體或液體壓力測量用。產(chǎn)品已系列化,含數(shù)十個品種^〔7〕。主要性能技術(shù)指標為：量程，0～25 kPa～25 MPa；工作溫度范圍，－40～+110℃；精度，0.2%，0.5%。
　　微壓傳感器則采用流延法制作超薄膜片，控制上蓋板凹槽厚度和粘接間距，起過載保護。量程：1 kPa、5 kPa、10 kPa；精度：0.2%～0.5%；工作溫度：-40～+120℃。
　　厚膜壓力傳感器主要用于變送器、液位計、智能流量儀和遠傳壓力表。
2.2　力傳感器
　　筆者研制的應(yīng)變式厚膜力傳感器采用了厚膜應(yīng)變電阻及陶瓷彈性體，屬國內(nèi)外*。利用其壓阻效應(yīng)，研制的新型應(yīng)變式厚膜力傳感器^〔8〕。該產(chǎn)品蠕變小、耐高溫、性能穩(wěn)定，在采用陶瓷彈性體和厚膜應(yīng)變電阻研制力傳感器，以及厚膜一體化技術(shù)方面有較大創(chuàng)新和突破，為應(yīng)變式力傳感器的新品種。主要性能技術(shù)指標：量程，30，60，90，150，500 N；工作溫度，-40～+120℃；精度，0.05%; 滿量程輸出，>40 mV。
　　力傳感器可用于電子秤、小型配料秤、殲擊機桿力-桿位移檢測儀等。據(jù)國外報道，力傳感器已用于車輛剎車系統(tǒng)，急剎車時，通過尾燈向后行車輛發(fā)出警示信號。

3　提高傳感器性能的途徑
3.1　改善厚膜應(yīng)變電阻的性能
　　我們發(fā)現(xiàn)納米材料摻雜改性可改善厚膜應(yīng)變電阻的GF和穩(wěn)定性^〔9〕。納米材料的小尺寸效應(yīng)、界面效應(yīng)、量子效應(yīng)、波譜學特征和微結(jié)構(gòu)，對厚膜力敏材料的微結(jié)構(gòu)和壓阻特性有重要影響。對厚膜應(yīng)變電阻材料進行摻雜改性，添加部分金屬、金屬氧化物、金屬鹽，優(yōu)化燒成氣氛和工藝，可提高厚膜應(yīng)變式力敏傳感器的精度、滿量程輸出、溫度特性以及穩(wěn)定性^{〔10～11〕}。
3.2　新型傳感器結(jié)構(gòu)
　　為改善傳感器的工作溫度、量程、精度以及穩(wěn)定性，應(yīng)對彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計、厚膜應(yīng)變電阻的設(shè)計、封裝、鍵合技術(shù)等作進一步的研究。
3.3　新型彈性體
　　常用的彈性體是Al₂O₃，國外也用ZrO₂、YSZ、BeO、AlN、釉化不銹鋼、釉化陶瓷、不銹鋼混合基片和酚醛樹脂基板。意大利Micro公司通常采用Al₂O₃基片。YSZ基片的壓力傳感器溫度范圍為-55～+150℃，0～4 Mpa，zui薄的YSZ基片為30～40 μm。西門子公司采用了新技術(shù)，Al₂O₃可達到25 μm。目前國內(nèi)高鋁瓷生產(chǎn)廠家常以裝置瓷為主，在材料性能，尤其是力學特性及加工方面難以滿足力敏傳感器要求，氣孔率高，斷裂強度低，尚待進一步提高。
3.4　新型厚膜應(yīng)變電阻
　　性能穩(wěn)定的銠酸鹽、銥酸鹽厚膜電阻及材料受到人們關(guān)注。據(jù)報道，銠酸鹽（銠酸鉛、銠酸鍶等）α_R小，而且α_R呈線性。銥酸鉍電阻膜層比釕酸鉍膜層更為穩(wěn)定，熱存放阻值變化極小。盡管銠、銥價格較昂貴。但有望成為高溫、高性能厚膜力敏傳感器中的新型厚膜力敏材料，對其應(yīng)變特性及其在厚膜力敏材料中的應(yīng)用仍需進一步研究。聚合物厚膜電阻可直接印刷在氧化鋁基片或酚醛樹脂基板上，經(jīng)流平、干燥固化即可^〔12〕。聚合物厚膜電阻的GF較大，有利于提高傳感器的輸出及精度，并且可采用環(huán)氧樹脂基板或FR-4酚醛樹脂基板，降低成本，實現(xiàn)工業(yè)用廉價力敏傳感器的大批量生產(chǎn)，但耐腐蝕性能及工作溫度范圍尚不夠理想。

4　發(fā)展趨勢
　　傳感器技術(shù)正向集成化方向發(fā)展。集成傳感器的優(yōu)點在于：
　　(1)傳感器與補償、信號處理電路集成為一體，性能大大改善；(2)降低了對二次儀表的要求，可直接和顯示儀表相連接，使用方便；(3)性能可靠，一致性好；(4)組裝密度高，體積?。?5)適合批量生產(chǎn)，性能／價格比高。
　　美國D.J公司的PT18 CH02厚膜混合集成壓力傳感器由厚膜壓力傳感器芯片和信號放大處理電路兩部分組成，量程0.1～40 MPa；輸出4～20 mA，精度為0.2%，工作電壓可到12～30 V；工作溫度-25～＋80℃；零點溫度漂移:＜1% FS／℃(-10～+40℃)。
　　筆者研制的全厚膜化集成壓力傳感器則由傳感器芯片、底座、外殼等組成。采用厚膜傳感器技術(shù)和厚膜微電子技術(shù)，利用其兼容特性，將厚膜力敏全橋及信號處理調(diào)節(jié)電路、補償電路全部集成在同一芯片上，不用二次儀表，即可直接測量壓力。量程0～2 MPa，輸出0～5 V，精度為0.1%，工作電壓12 V,工作溫度-40～＋125℃；零點溫度漂移:＜0.015% FS／℃^〔13〕。
　　*合肥智能機械研究所研制的厚膜三維力加速度傳感器則在一微型陶瓷膜片上完成，經(jīng)計算機模擬計算和補償，現(xiàn)已用于機器人手爪中的觸覺傳感器上。
　　多傳感器的集成也是傳感技術(shù)發(fā)展方向。特別是采用厚膜技術(shù)制備的氣體傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器和壓力傳感器。由于它們在制作工藝上的共性和匹配性，易于實現(xiàn)多傳感器集成?？赏ㄟ^厚膜工藝技術(shù)及MCM技術(shù)將上述厚膜傳感器印燒，組裝在同一傳感器芯片上，這樣可在同一基片上實現(xiàn)多種傳感器集成，以便更有效地實現(xiàn)復雜環(huán)境的實時、多參數(shù)檢測。
　　厚膜傳感器的智能化研究已開始，但目前還處于實驗數(shù)據(jù)庫的建立階段，只能進行簡單的運算和邏輯判斷。采用人工智能技術(shù)中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析、專家系統(tǒng)、有限元分析進行信號處理，完成SMART功能。此外，采用厚膜技術(shù)進行的智能材料結(jié)構(gòu)研究，在國外已開始起步。