微压力传感器_1.docx

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1、微压力传感器微压传感器是工业实践中最为常用的一种压力传感器，它的工作原理是压力直接作用在传感器的膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻发生变化，用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这个压力的标准信号。微传感器主要有下面几点特点：(l)尺寸和体积微小。敏感元件的尺寸是微米级、亚微米级乃至纳米量级。体积只要传统传感器的几特别之一甚至是几百分之一，重量从千克下降到几十克乃至几克，使得制作工艺简单。(2)微传感器和传统传感器有类似的地方，但也有其十分之处，其理论基础、构造和工艺、设计方法等都有很多本身特有的现象和规律。(3)微传感器是微机械和微电子集合一体的功能器件，响应快

2、、功耗低。(4)先进的微传感器是将多种功能例如数字接口、自校、自检、数字补偿和总线等功能的兼容。微传感器总体尺寸小，表明了对被测参数的干扰减小，测量精度提高，合适于流动场中的分布参数的测量。并且由于尺寸小、质量轻，能够节省空间、原材料和能源。微压力传感器的应用：(l)在医疗、生物领域的应用用微纳米技术制成的传感器诊断、监测和治疗各种早期疾病，使得病人能够提早进行治疗。(2)在微电子及信息技术领域的应用(3)在国防科技上的应用美国己经研制出了一种带有纳米传感器的纳米军装，空气中生化指标的变化能够由此纳米传感器感应到并产生保护功能。假如碰到有毒有害物质指标升高，为了起到预防保护作用，军装会马上关闭

3、头盔和含有通气部分的透气孔，同时释放解毒剂。(4)在汽车行业的应用微传感器已经取代了多种传统传感器，如气囊加速度计、多路绝对压力传感器。并且它还应用在冷却系统压力、轮速测量和刹车压力测量等方面。国内外科学界和产业界都将传感器视为信息技术领域的重要器件。传感器对生产生活中所包含的各种信息进行检测，再将这些信息进行的加工处理，才能做出正确的判定、控制及显示。现今对微传感器的开发远大于其它器件，在微机械技术中占有很大比重。1962年，世界上第一个微压力传感器问世，从此研究微传感器技术的人越来越多，根据其原理能够分为压阻式、电容式、谐振式三种形式，我国对MEMS技术的研究领域主要有基础理论、测试、微加

4、工工艺、封装等，我国还对微压力传感器、微流体传感器和微惯性传感器进行了重点研究，我国的微机械加工技术与世界先进水平相比拟，还存在着较大的差距，能够讲在此方面的研究还处于初级阶段。我国应该学习国外先进的、成熟的工艺和制造技术。我国研制的微传感器主要应用在下面几方面：在军事上，单元器件和微惯性测量组合单元的应用；神州系列飞船测控系统应用的大量微传感器；应用于民用产品的多种传感元件;以及开场应用于临床的血液生化检测系统、生物芯片、智能内窥镜和智能药丸等。国外已研制成的产品主要有:阀门、弹簧、齿轮、散热器、马达和各种类型的传感器等MEMs微机械构造器件，获得很大进展。其中已经市场化和有一定竞争力的产品

5、是:微压力传感器、微加速度计和微阀门。半导体技术的研究和开发是一个高利润的科学领域,。传感器技术作为半导体技术的一个重要分支,自然也得到世人的关注。传感器为什么会得到高速发展，原因有下面几点：其一是当代科学技术迅猛发展的需要；其二,是传感器市场在世界经济市场中占有重要地位。由于压力传感器具有广泛的应用前景,因此压力传感器的竞争也特别剧烈。世界传感器技术的发展趋势，国外发展传感器技术主要有两条不同的途径,一是以美国为代表的先军工后民用,先提高后普及的高精尖路子。这种途径的主要特点是:能在较长的时间里保持传感器技术研究的世界领先地位,保持军事科技的领先水平。但资金投入宏大,经济效益回收比拟慢,是不

6、发达国家和发展中国家不可采用的方法。二是以日本为代表的先普及后提高,由仿制到自行设计和创新的路子。这一途径的主要特点是:能把有效的资金投入到跟踪国际先进技术上,少走弯路。并且能在较短的时间里构成大规模生产,迅速占领市场,较快地收到经济效益。正是这样,日本的传感器技术发展很快,迅速进入世界前列。这是诸多国家应采取的有效途径。我们国家也需要走日本的道路。目前传感器发展主要归为下面五个方面:小型化、重量轻、体积小,分辨率高,便于安装在很小的地方;对周围器件影响小,也利于微型仪器、仪表的配套使用。集成化能够利用现有的生产工艺和成熟的集成技术,把电路与传感器制作在一起。减少工艺流程以降低成本。智能化由于

7、集成化的出现,在集成电路部分制作一些微处理机,使其具有“记忆、“思维、“处理等能力。目前智能化产品发展很快,它将成为将来传感器市场的主流。系列化单一化产品在市场上没有大的竞争力和长的生命力。市场风云突变,一旦失去市场,发展则停滞不前,经济效益差,资金浪费大,产品成本高。标准化传感器技术已构成标准化。如IEC、ISO国际标准;美国ANSIC、ANSC、MILT和ASTME标准;日本JIS标准;法国DIN标准;原苏联TOCT及YTO标准。1)发现和利用新效应：发现新现象与新效应是发展高温压力传感器的重要工作，是研制新型高温压力传感器的重要基础。开发新材料：除单晶硅、多晶硅、石英半导体以外，碳化硅、

8、蓝宝石、金刚石等材料的应用使高温压力传感器呈现多元化。开发新型耐高温材料用于高温压力传感器也将是今后发展的重点。3)加工工艺多样化：除目前较为成熟的集成电路加工工艺外，氧离子注入隔离、多孔硅氧化全隔离、硅一硅直接键合技术等新的制备工艺的研制和各制备方法的互相浸透与结合成为制备技术发展的两大趋势。4)集成化和多功能化：固态功能材料一半导体、电介质、强磁体的进一步开发和集成技术的不断发展，为高温压力传感器集成化和多功能化开拓了广阔的前景。5)智能化：智能高温压力传感器是测量技术、半导体技术、计算技术、信息处理技术、微电子学和材料科学相互结合的综合密集型技术。与一般传感器相比具有自补偿能力、自校准功

9、能、自诊断功能、数值处理功能、双向通信功能、信息存储、记忆和数字量输出功能。它将利用人工神经网、人工智能和信息处理技术(如传感器信息融合技术、模糊理论等)，使传感器具有更高级的智能，具有分析、判定、自适应、自学习的功能，能够完成图像识别、特征检测、多维检测等复杂任务。6)6)网络化：网络化是传感器领域发展的一项新兴技术，网络化是利用TCPIP协议，使现场测控数据就近登临网络，并与网络上有通信能力的节点直接进行通信，实现数据的实时发布和分享。由于高温压力传感器的自动化、智能化水平的提高，多台传感器联网已推广应用，虚拟仪器、三维多媒体等新技术开场实用化，因而，通过Intemet网，传感器与用户之间

10、可异地交换信息和阅读，厂商能直接与异地用户沟通，能及时完成如传感器故障诊断、指导用户维修或交换新仪器改良的数据、软件升级等工作，传感器操作经过愈加简化，功能更换和扩张愈加方便。网络化的目的是采用标准的网络协议，同时采用模块化构造将传感器和网络技术有机地结合起来。7)研究方法多样化：从历次MEMS国际会议论文发表看，高温压力传感器研究方法日益多样化。国内外学者尝试采用不同的半导体材料研制不同构造的耐高温压力传感器，除研究最多也相对成熟的压阻、电容、压电等测量方式外，微光机电压力传感器的研究正遭到高度重视，将是下一步的研究热门。利用MEMS和微光学技术，压力传感器将由一维测量发展到三维测量，出现基

11、于机器视觉的固体成像压力传感器阵列。南京航空航天大学黄金泉等提出一种基于单针短探针型离子电流机理的高温压力传感器，用于航空航天系统脉冲爆震发动机高温压力的测量。世界压力传感器市场的竞争特别剧烈,促使各传感器生产厂家在提高传感器性能上下功夫。半导体压力传感器生产中普遍采用了CAD、CAM、CAT技术,微机械技术和成熟的集成化技术,使得压力传感器的性能到达了较高的水平。潜在功能比拟大,既能够代替人类五官感觉的功能,也能检测人类五官不能感觉的信息。应用范围广泛,适用面广。压力传感器技术已经发展到比拟高的水平,并且更新换代的速度特别惊人。而我国在传感器研究和产品开发方面与世界先进水平相比有较大差距。目

12、前我国正在处于经济腾飞的年代,对传感器的需求量越来越大,因此,需要更多的人投入到传感器的研究中去,尽最大的努力赶超世界先进水平。下面对耐高温微压力传感器做一定的介绍，高温压力传感器以其优良的高温工作能力在压力传感器中一直遭到高度重视，是传感器研究的重要领域之一，高温压力传感器是指在高于125环境下能正常工作的压力传感器。其在石油、化工、冶金、汽车、航空航天、工业经过控制、兵器工业甚至食品工业中都有着广阔的应用前景，例如：高温油井内的压力测量、各种发动机腔体内的压力测量、宇宙飞船和航天飞行器的姿态控制、高速飞行器或远程超高速导弹的飞行控制、喷气发动机、火箭、导弹、卫星等耐热腔体和外表各部分的压力

13、测量。尤其在武器系统中高温压力传感器是动力系统所不可缺少的。SOl单晶硅高温压力传感器，由于自动化生产程度越来越高，对新型传感器的研究己经迫在眉睫，集成化、智能化是新一代微传感器的迈进方向。新材料的开发应用,工业上的某些场合要求压力传感器能够在高温、高辐射以及恶劣的环境下正常工作。金刚石的某些特殊性质以及极大的压阻效应使其成为制作压阻型压力传感器的极佳材料,。这种传感器适用于勘探、航空航天以及汽车工业。硅材料被广泛用于压阻型微压力传感器的制造。然而,利用这些材料制造的传感器件都不合适于在高温、高辐射以及恶劣环境下工作。金刚石具有卓越的物理、化学性能，大面积金刚石薄膜气相合成技术的出现极大地拓展

14、了金刚石的应用范围,进而开拓了金刚石材料在电子器件上应用的可能性。金刚石薄膜掺硼后具有显著的压阻效应,利用金刚石薄膜制造耐高温的微传感器件便成为可能。随着微电子技术、集成电路技术和加工工艺的发展，MEMS传感器凭借体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成以及耐恶劣工作环境等优势，极大地促进了传感器的微型化、智能化、多功能化和网络化发展。MEMS传感器正逐步占据传感器市场，并逐步取代传统机械传感器的主导地位，已得到消费电子产品、汽车工业、航空航天、机械、化工及医药等各领域的青睐。MEMS传感器的发展以20世纪60年代霍尼韦尔研究中心和贝尔实验室研制出首个硅隔膜压力传感器和应变计为开端

15、。压力传感器是影响最为深远且应用最广泛的MEMS传感器其性能由测量范围、测量精度、非线性和工作温度决定。从信号检测方式划分，MEMS压力传感器可分为压阻式、电容式和谐振式等；从敏感膜构造划分，可分为圆形、方形、矩形和E形等。硅压力传感器主要是硅扩散型压阻式压力传感器，其工艺成熟，尺寸较小，且性能优异，性价比拟高。极端环境下的压力测量是石化生产、航空航天和汽车电子等领域必须突破和把握的基础科学技术之一。恶劣环境通常包括热侵蚀，主要指高温环境；机械侵蚀，主要指高负载、振动和冲击等；化学侵蚀，主要指有腐蚀媒介的环境等。硅压阻式压力传感器受pn结耐温限制，超过120时，传感器的性能会严重退化甚至失效；

16、在600时会发生塑性变形和电流泄漏，远不能知足航空航天和石油化工等领域高温环境下的压力测量。为知足对极端环境下压力测量的迫切要求，国内外开展了恶劣环境用压力传感器的研究。各研究机构的研究材料各不一样，其中SiC材料、SOI材料、金刚石和光纤等新型压力传感器已成为国内外研究的重点。利用光纤传感技术实现温度、压力多参数组合测量是MEMS传感器发展的重要方向之一。0psens有限公司于2020年推出了生命科学和医学器件业内较小的MEMS光纤压力传感器oPPM25，导管外直径仅为025mm，可对心脏血管的压力进行准确而可靠的测量，并可用于其他微小型化应用领域8。随着新型半导体材料和MEMS加工工艺、敏感元件集成设计和传感器构造设计的不断突破，新型MEMS压力传感器不断推出。开发新型材料用于制作恶劣环境下的MEMS压力传感器是今后的重要研究内容。MEMS压力传感器可用于汽车工业、生物医学及工业控制等领域。汽车工业采用各种压力传感器测量气囊压力、燃油压力、发动机机油压力、进气管道压力及轮胎压力。在生物和医学领域，压力传感器可用于诊断和检测系统以及颅内压力检测系统等。在航天领域，MEMS压力传感器可用于宇宙飞船和航天飞行器的姿态控制、高速飞行器、喷气发动机、火箭、卫星等耐热腔体和外表各部分压力的测量。