基于宽禁带半导体的高温无线传感系统关键技术的研究

Sensing systems that are operable under extreme temperatures have great potentials in aerospace, down-hole, power generation, nuclear and other industries. However, the temperature limit of the current silicon electronics is only 150oC, far below the desired operating temperature of modern sensors. To address this bottleneck of the embedded sensor electronics, a novel approach is proposed in this research project by utilizing the high-temperature property of wide band-gap, especially Silicon Carbide (SiC), devices to replace the traditional silicon electronics. In this project, key enabling technologies, including structural design and high temperature optimization of Silicon Carbide field-effect transistors, high-temperature SPICE modeling of SiC devices and other passive components, and temperature compensation based circuit design theory will be studied in detail, while 450oC capable sensor signal processing and wireless transmission modules will be developed by applying these key technologies. Furthermore, the feasibility of the highly integrated, extreme environment wireless sensing solutions will be demonstrated. The proposed SiC wireless sensing system will significantly improve the temperature capability and flexibility of the current sensor technologies, and will revolutionize the real-time, in-situ health monitoring of high temperature systems with complex structures, such as aircraft and power turbines.

航空航天、石油钻探、火力发电和核能等行业都需要在高温环境下工作的传感系统，而当前基于硅半导体的电子元件最高工作温度只有150摄氏度。为解决传感器电子单元的高温瓶颈，本项目创造性地采用碳化硅宽禁带半导体器件取代传统的硅半导体器件，对宽禁带半导体场效应管等器件的结构设计、高温性能的优化、建模以及基于温度补偿的高温电路设计理论等关键理论和技术进行研究，以此为基础构建工作温度高达450摄氏度以上的用于传感信号处理的高温电子模块，并进一步探索具有可承受恶劣工况的、高集成度和无线传输能力的高性能传感方案。这种基于宽禁带半导体的无线传感系统极大扩展了传感器的温度范围和适用性，对燃气轮机和飞机涡扇发动机等具有复杂结构的高温机械系统运转过程的实时监测具有革命性的意义。

本项目所探索的是基于宽禁带半导体的可在高温等极限工况下正常工作的传感器电子组件，并针对燃气涡轮发电机和飞机涡轮发动机的工作参数和内部关键零件的实时检测研发工作温度超过 450 ℃、具有无线传输能力的高性能传感系统。在本项目中研究团队进行了SiC JFET和二极管热力学模型、高温优化结构设计以及高温特性的模拟研究和不同金属材料欧姆接触的高温老化可靠性分析；根据GaN HEMT在500 ℃高温下性能测定和电气特性模型的研究，建立了25℃至500℃范围内GaN HEMT的全温度大信号和小信号模型；并以此为基础设计并实现了带补偿机制高温无线传感电路模块；通过高温电子封装技术与SiC MEMS高温压力传感单元集成构建了高温无线传感系统并完成了高温无线传感原型系统的制作加工；搭建了测试平台对原型系统进行了高温测试，在450 ℃的环境温度下可以成功通过频谱分析仪接受到高温无线传感器原型发射的射频信号并解调出压力值，测试结果基本与设计预期相符。此外项目组还对应用于极限环境传感系统的高温直接甲醇燃料电池展开了研究，为下一步高温集成供电单元的研制打下了基础。本项目研究的高温无线传感系统可以有效地减少在传统的传感控制系统中所用引线和连接器的数量以降低系统的复杂成度，能够通过实时优化系统操作提高效率，也能够通过由定期维护变为按需维护来减少系统的操作成本，更重要的是通过实时监控来最大限度地降低系统发生灾难性失效的可能，在航空航天，石油钻探，火力发电，核能等基础性行业有极为广泛的应用前景。