“国内压力传感器最新研究动态”

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传感器技术是现代测量和自动化系统的关键技术之一。 从宇宙的迅速发展到海底的探索，从生产过程的控制到现代文明的生活，大部分技术都离不开传感器。 因此，很多国家都非常重视传感器技术的迅速发展。 例如，在日本，传感器技术被列举为6个核心技术之一(计算机、通信、激光、半导体、超导体、传感器)。 在各种传感器中，压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定可靠、价格低、易于集成等优点，可广泛应用于压力、高度、加速度、液体流量、流量、液位和压力的测量与控制。 另外，还广泛应用于水利、地质、气象、化工、医疗卫生等行业。 由于该技术是平面技术与三维加工的结合，易于集成，可用于血压计、风速计、水速表、压力计、电子秤和自动报警装置的制作。 压力传感器已成为各种传感器中技术最成熟、性能最稳定、性价比最高的传感器。 因此，从事现代测量和自动控制的技术人员必须了解和熟悉国内外压力传感器的研究现状和快速发展趋势。

现代压力传感器以半导体传感器的发明为标志，半导体传感器的迅速发展可分为四个阶段[1] :

(1)发明阶段( 1945-1960 ) :该阶段以1947年双极晶体管的发明为首要指标。 在国内压力传感器的最新研究动态之后，半导体材料的这一特点得到了广泛的应用。 研究表明，smith ( )和1945年硅和锗的压电电阻效应[2]，即外力作用于半导体材料时，其电阻发生明显变化。 基于这一原理，压力传感器通过将应变电阻(即力信号)转换为电信号并测量金属薄膜来制作。 这个阶段的最小尺寸约为1厘米。

(2)技术快速发展阶段( 1960-1970 ) :随着硅扩散技术的快速发展，技术人员通过选择合适的晶体取向，使应变电阻直接扩散到硅的( 001 )或( 110 )晶面，然后在背面加工成凹形变薄， 该硅杯传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定性高、价格低廉、易于集成等优点。 实现了金属硅共晶，为商业化的迅速发展提供了可能。

(3)商业集成加工阶段( 1970-1980 ) :基于硅杯扩散理论应用硅的各向异性蚀刻技术，扩散硅传感器的加工技术主要是硅的各向异性蚀刻技术，是能够快速自动控制硅膜厚的各向异性加工技术[4] 由于腐蚀可以在多个表面进行，可以生产数千种硅压力膜，实现工厂一体化加工模式，进一步降低价值成本。

(4)精细加工阶段( 1980年至今)纳米技术出现于上世纪末，使精细加工技术成为可能。

微细加工工艺表明，结构压力传感器可以通过计算机控制制造，其线性度可以控制在微米范围内。 利用该技术，可以加工微米级的沟槽、条纹、薄膜进行蚀刻，使压力传感器处于微米级阶段。

世界压力传感器的迅速发展趋势主要包括以下方向。

. 1光纤压力传感器[5]

虽然是研究成果很多的传感器，但实用化的传感器不多。 其原理利用了传感器在压力下的变形与反射光强度有关的特征。 在由硅框架和金铬膜构成的膜片结构之间夹有硅光纤挡板。 在压力下，光的强度在通过挡板的过程中发生变化。 通过检测

e·h公司的静电电容式压力传感器由1块基板和厚度0.8 ~ (-1 )的氧化铝()构成，用自熔环进行钎焊。 该环具有隔离功能，不需要温度补偿，可以保持长时间测量的可靠性和持续的准确性。 测量方法使用电容原理。 基板上的一个电容cp位于位移最大的膜片中心，另一个参照电容cr位于膜片的端部。 由于边缘不易位移，电容值不变，cp的一些变化与施加压力的变化有关。 膜片的位移和压力的关系是线性的。 过载时，附着在基板上的膜片不会破损，无负载时，立即返回原来的位置，没有迟滞。 过载量可以达到100%，损坏也不会泄漏任何污染介质。 因此，有广阔的应用前景。

新半导体材料碳化硅( sic )的出现使单晶高温传感器的制造成为可能。 报告了用500进行测试的( 6h )碳化硅压力传感器。 实验结果表明，在输入电压5v、测量压力0.17%的条件下，下满量程输出为~、满量程直线性为%、磁滞为0.17%。 运行50010小时后，性能基本没有变化，100和500的应变温度系数( tcgf )分别为20.19%/和-0.11%/。 该传感器的第一个优点是pn结漏电流小，不存在热匹配问题，不存在温度上升引起的塑性变形，可以批量生产。 ziermann、rene报告称，由单晶n型-sic制作的压力传感器在573k下工作，耐辐射。 在室温下，该压力传感器的灵敏度为20.2毫伏/伏kpa。

2.4硅微机械传感器

随着微细加工技术的进步，硅微机械传感器在汽车工业中的应用越来越多。 随着微机械传感器的尺寸变小，线性度

为了降低调试和运行价格，dirkdebruyker等人报告了具有自测试功能的压阻、电容双元件传感器。 其自身测试功能是基于热驱动原理进行的，该传感器的尺寸为1.2mm3mm0.5mm，适合生物医学行业[7]。

. 6多维力传感器

六维力传感器的研究和应用是多维力传感器研究的热点，目前国际上只有美、日等少数国家可以生产。 我国北京理工大学在跟踪国外快速发展的基础上，独创开发了压电层相结合的柔软光学阵列触觉，阵列密度为2438tactels/cm2，力量灵敏，结构灵活，可抓握识别鸡蛋和钢球，目前用于机器人分拣物品

目前，世界各国的压力传感器研究行业非常广泛，几乎渗透到各个行业，但总结起来主要有以下趋势。

(1)小型化目前市场上对小型压力传感器的诉求越来越大，这种小型传感器能够在极端恶劣的环境下工作，同时只需要少量的保养和维护，对周围环境的影响也很小，按人体的重要器官收集数据，人的正常 例如，美国entran企业制造的量程为2~500psi的传感器，直径为1.27mm毫米，可以在不严重影响血液流通的情况下放置在人体血管中。

(2)集成化压力传感器与其他测量用传感器集成，形成测量控制系统。 集成系统在过程控制和工厂自动化中可以提高操作速度和效率。

(3)智能化由于集成化的出现，可以在集成电路中增加微解决方案，使传感器具有自动补偿、通信、自诊断、逻辑评估等功能。

(4)使压力传感器广泛化的另一个快速发展趋势是从机械领域向其他行业扩展，如汽车零部件、医疗器械、能源环境控制系统等。

(5)标准化传感器的设计和制造已经形成了一定的领域标准。 例如iso国际质量体系美国的ansi、astm标准、俄罗斯的oct、日本的jis标准。

4结束语

随着硅、微机械加工技术、超大型集成电路技术和材料的制造和特点研究的进展，压力传感器可以批量生产光纤传感器，高温硅压电电阻和压电键合传感器的应用，在生物医学、微机械等行业，压力传感器有着广泛的应用前景。

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意大利半导体用先进的技术将压力传感器带入新性能的境界

mems传感器的研究现状

1 .微机械压力传感器

微机械压力传感器是最早开发的微机械产品，也是微机械技术中最成熟、工业化程度最高的产品。 从信号检测方法的角度看，微机械压力传感器分为压阻式和静电容式两种，分别基于体积微细加工技术和牺牲层技术制造。 从敏感膜结构的角度来看，有圆形、四边形、矩形、e形等各种结构。 压阻式压力传感器精度为0.05% ~ 0.01%，年稳定度为0.1%/f.s，温度误差为%，耐压为数百兆帕，过电压保护范围为传感器范围的20倍以上，进行了大范围全温度补偿。 目前，微机械压力传感器的第一个快速发展方向如下。

(1)将传感器与信号解决、校准、补偿、微控制器集成，开发智能压力传感器。

(2)进一步提高压力传感器的灵敏度，实现量程小的微压传感器。

(4)开发谐振式压力传感器

2 .微加速度传感器

硅微加速度传感器是继微压传感器之后第二个进入市场的微机械传感器。 其第一种类型是压阻式、静电电容式、力平衡式、共振式。 最吸引人的是力平衡加速度计，其典型产品是1994年别人报道的。 我国在微加速度计的迅速发展方面从事了西安电子科技大学开发的压阻式微加速度计和清华大学微电子开发的共振式微加速度计等多项工作。 后者是采用电阻热激励和压阻桥检测的方法，其敏感结构是高度对称的四角支承质量形式。 在质量体的4个侧面和支撑框架之间形成4个谐振光束，用于信号检测。

角速度一般用陀螺仪测量。 一直以来流传的陀螺仪利用物体高速旋转的角动量特征测量角速度。 该陀螺仪精度高，但结构多复杂，采用寿命短，价格高。 通常只用于导航，但不太适用于普通的运动控制系统。 事实上，如果不受限价，角速度传感器可以广泛应用于汽车牵引力控制系统、相机稳定系统、医疗器械、军事器械、运动机械、计算机惯性鼠标、军事等行业。 常用的微机械角速度传感器有双平衡环结构、悬臂梁结构、音叉结构、振动环结构等。 但是，微机械陀螺仪的精度小于10/h，与惯性导航系统相差甚远。

4 .微流量传感器的微流量传感器不仅体积小，还能达到较低的测量水平，死区容量小，响应时间短，适合微流体的准确测量和控制。 根据工作原理，国内外研究的微流量传感器分为热传导型(包括热传导型和热飞行时间型)、机械型和谐振型三种。 清华大学精密仪器系统设计的阀板微流量传感器通过阀板将流量转换为梁表面的弯曲应力，通过集成在阀板上的压敏桥检测流量信号。 传感器的芯片尺寸为10ml的气体流量，直线性在5%以上。

微气体传感器可以根据材料分为硅类气体传感器和硅微气体传感器。 其中，前者以硅为基板，感应层使用非硅材料，是目前微气体传感器的主流。 微型气体传感器可以满足人们对气体传感器集成化、智能化、多功能化的要求。 例如，多个气体传感器的敏感性能与工作温度密切相关。 这是因为为了监视温度，需要制作加热元件和温度检测元件。 微机电系统技术可以方便地组合气体传感器和温度检测器，确保气体传感器的优良性能。

谐振式气体传感器不需要加热器件，输出信号为频率，是硅微气体传感器重要的快速发展方向之一。 北京大学微电子研究所提出的微结构气体传感器由硅束、振动激励元件、振动测量元件和气体感应膜组成。 硅束置于被测气体中后，表面的感应膜吸收气体分子，光束质量增加，光束谐振频率下降。 这样，通过测量硅束的谐振频率可以得到气体浓度。 no2浓度检测实验表明，在0~110范围内线性良好，浓度检出限达到110。 就业频率为0时，灵敏度为0。 德国等人在sinx悬臂梁表面涂布聚合物pdms，检测出己烷气体，得到了- 0.099hz/10的灵敏度。

与以往的传感器相比，小型轻量，具有固有热容量为10 j/k ~ 10 j/k的温度测量无法比拟的特征的微机械传感器。 我开发了硅/二氧化硅双层微悬臂梁温度传感器。 硅和二氧化硅的热膨胀系数不同，导致梁在温度下的挠曲不同，其变形可以通过梁根部的压敏桥检测出来。 非线性误差为0.9%，滞后误差为0.45%，重复误差为1.63%，精度为1.9%。

7 .其他微机械传感器

其他传感器可以通过瑞士查尔莫斯大学petere等人设计的谐振式流体密度传感器、浙江大学开发的力平衡微机械真空传感器、中国科学院合肥智能研究所开发的振动梁微机械力传感器等微加工技术实现。

微机电系统技术基于成熟的微电子技术、集成电路技术及其加工技术。 与迄今为止流传的集成电路工艺有很多相似之处。 例如，光刻、薄膜沉积、掺杂、蚀刻、化学机械研磨等。 但是，有些多而复杂的微结构在集成电路工艺中不容易实现，必须用微细加工技术制造。 微细加工技术有本体微细加工技术、表面微细加工技术、特殊微细加工技术。 整体加工技术是指沿硅基板的厚度方向蚀刻硅基板的工艺，包括湿蚀刻和干蚀刻，实现三维

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