合金薄膜压力传感器的应用(共17页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上传感器原理及工程应用（论文）合金薄膜压力传感器的应用学生姓名：指导教师： 所在学院： 专 业： 学 号：2011 年 12 月专心-专注-专业目录前言 咨询公司INTECHNO CONSULTING的传感器市场报告显示，2008年全球传感器市场容量为506亿美元，预计2010年全球传感器市场可达600亿美元以上。调查显示，东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区，而美国、德国、日本依旧是传感器市场分布最大的地区。就世界范围而言，传感器市场上增长最快的依旧是汽车市场，占第二位的是过程控制市场，看好通讯市场前景,一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器

2、、水平传感器已表现出成熟市场的特征。流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大，分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%。传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统）传感器、生物传感器等新兴传感器。其中，无线传感器在2007-2010年复合年增长率预计会超过25%。目前，全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场，比如无线传感

3、器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。1 合金薄膜压力传感器工作原理合金薄膜压力传感器一般采用溅射、蒸镀等方法把合金淀积在弹性膜片上，薄膜应变层通过感受膜片的应变而产生相应电阻变化，从而完成非电量到电量的转换。其一般结构如图 1 所示。 图1合金薄膜压力传感器的优点是结构紧凑，散热良好，尤其突出的是利用薄膜沉积代替了传统粘贴式应变片的胶接，从而克服了应变灵敏系数低及滞后、蠕变，稳定性差等缺点，能满足恶劣环境下压力测量的要求。2 合金薄膜高温压力传感器研究现状目前对高温压力传感器的研究主要包括：多晶硅、单晶硅、SOS （蓝宝石上硅）、SiC 等半导体高温压

4、力传感器，金刚石薄膜、合金溅射薄膜高温压力传感器，光纤高温压力传感器等。半导体传感器灵敏度高，芯片易于批量制作、成本低廉，其缺点是温度特性较差，最高使用温度一般为200350 ；且半导体传感器一般采用单晶硅作为衬底，超过 500 后，其热可塑性问题无法解决这些都限制了半导体压力传感器在更高温环境如火箭发动机燃烧室压力测量 （600 ）中的使用。金刚石的某些特殊性质 （如化学上的惰性） 以及极大的压阻效应、在高温下仍具有良好的压阻特性使其成为制作高温压阻型压力传感器的极佳材料，但目前对金刚石薄膜的理论研究与实际应用尚存在较大差距，如高温有氧环境下金刚石易表面石墨化，金刚石与金属间难以形成理想的欧

5、姆接触等。光纤本身耐高温，制作光纤高温压力传感器是可行的，但其应用较为复杂、且对测量环境的要求较高。相对于其它传感器，合金薄膜传感器虽然应变系数较低，但具有精度高、稳定性好、耐腐蚀、温度特性较好且应用温度范围较宽等一系列优点，这些优点能够保证合金薄膜压力传感器在高温燃气的恶劣环境中进行测量。2.1 镍铬系合金薄膜压力传感器镍铬系合金应用广泛、技术成熟，是目前制作中、低温应变计最优敏感材料之一。镍铬系合金典型代表有镍铬合金 （镍铬 V），镍铬改良型合金 （卡玛、伊文） 等，主要性能参数如表 1 所示。表 1镍铬系合金具有较高的电阻率、较低的电阻温度系数、较高的应变灵敏系数，且改良型合金的应变灵敏

6、系数随温度的升高而降低从而可对弹性体弹性模量进行温度自补偿等优点。但该系合金在高温下会发生有序-无序的变化 （如图 2），即 K 状态，导致电阻不稳定，所以静态应用温度范围一般为-269 +350 ，适用于中、低温环境下的压力测量。目前国内外合金薄膜压力传感器主要生产厂家如英国 Senstronics 公司、美国 Bell Howell 公司、汤姆逊公司及北京航天遥测遥控研究所、北京威斯特中航机电公司等所用敏感材料均为镍铬系合金，产品应用温度范围多为-50/60+200 ，另外国内亦有超低温 (-200 ) 镍铬薄膜压力传感器的报道。NASA的 Lewis 研究中心对合金薄膜高温应变计的研究居

7、世界前列。1983年 Grant 等人研制的镍铬薄膜应变计，虽然受引线疲劳寿命所限而导致可靠性较差，但仍能满足高温(600 ) 燃气环境中涡轮叶扇的动态应变测量要求。图22.2 铂钨合金薄膜压力传感器铂钨合金的研究始于上世纪 60 年代，研究的目的即是解决高温(600-1000 )应变测量问题。高温下的主要问题是电氧化引起敏感材料的不稳定，以及由此引起的漂移。铂钨合金具有适中的电阻率，耐酸碱、抗腐蚀，特别是高温(700-800) 下仍具有很好的抗氧化性，电阻温度系数与温度呈线性关系 （如图2），且应变灵敏系数较高，最高使用温度为静态800，动态1000。铂钨合金主要性能参数如表 2 所示，其缺

8、点主要是电阻温度系数大，一般在200 ppm/左右，实际使用中温度补偿较为困难。表2 铂钨合金性能参数表 2彭士元等人利用蓝宝石作为弹性膜片研制的Pt92W8薄膜高温压力传感器主要性能指标如下：量程0.210 MPa；精度 0.5% FS；应用温度范围-10400 ；零点温度飘移及灵敏度温度漂移均较小(10-4量级)，具有较好的长期稳定性。2.3 钯铬合金薄膜应变计为满足新一代航天器研制的需求，近二十几年来Lewis研究中心一直致力于合金薄膜高温应变计的研究。1987年开始，C.O.Hulse 和 H.P.Grant 等人开始研制基于一种新合金钯铬(13%铬)的应变计。1997 年 Jih-F

9、en Lei 等人利用钯铬合金作为薄膜应变材料，在室温至 1100 的燃气环境中对涡轮叶扇的动态应变进行了测量；在相同的环境条件下，利用铂电阻作温度补偿，对静态应变也成功地进行了测量。研究表明，钯铬合金在 1000 范围内组织结构稳定，无相变，并且在空气中自身能形成一层坚实的 Cr2O3 抗氧化层。钯铬合金的这些特性，使得其电阻温度特性的稳定性、重复性好，并且与升、降温速率关系不大。钯、铬及钯铬合金主要性能参数如表3 所示。钯铬合金的电阻温度特性、灵敏度温度特性均与温度成良好线性关系 （图 3、图 4），且耐千度以上高温，其制成的传感器可以应用于高温压力测量。但就 Lewis 研究中心研制的钯

10、铬薄膜应变计而言，存在的问题主要是：设计使用寿命较短，仅 50 小时；高温会使绝缘层绝缘性能急剧下降，从而导致应变计完全失效 （图5）。图3表 3图4图53 多功能传感器（Multifunction） 如前所述，通常情况下一个传感器只能用来探测一种物理量，但在许多应用领域中，为了能够完美而准确地反映客观事物和环境，往往需要同时测量大量的物理量。由若干种敏感元件组成的多功能传感器则是一种体积小巧而多种功能兼备的新一代探测系统，它可以借助于敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其各不相同的表征方式，用单独一个传感器系统来同时实现多种传感器的功能。随着传感器技术和微机技术的飞速发展，目前已经可以生产出

11、来将若干种敏感元件综装在同一种材料或单独一块芯片上的一体化多功能传感器。3.1 多功能传感器的执行规则和结构模式 概括来讲，多功能传感器系统主要的执行规则和结构模式包括： （1） 多功能传感器系统由若干种各不相同的敏感元件组成，可以用来同时测量多种参数。譬如，可以将一个温度探测器和一个湿度探测器配置在一起（即将热敏元件和湿敏元件分别配置在同一个传感器承载体上）制造成一种新的传感器，这样，这种新的传感器就能够同时测量温度和湿度。 （2） 将若干种不同的敏感元件精巧地制作在单独的一块硅片中，从而构成一种高度综合化和小型化的多功能传感器。由于这些敏感元件是被综装在同一块硅片中的，它们无论何时都工作在

12、同一种条件下，所以很容易对系统误差进行补偿和校正。 （3）借助于同一个传感器的不同效应可以获得不同的信息。以线圈为例，它所表现出来的电容和电感是各不相同的。 （4）在不同的激励条件下，同一个敏感元件将表现出来不同的特征。而在电压、电流或温度等激励条件均不相同的情况下，由若干种敏感元件组成的一个多功能传感器的特征可想而知将会是多么的千差万别！有时候简直就相当于是若干个不同的传感器一样，其多功能特征可谓名副其实。3.2 多功能传感器的研制与应用现状多功能传感器无疑是当前传感器技术发展中一个全新的研究方向，日前有许多学者正在积极从事于该领域的研究工作。如将某些类型的传感器进行适当组合而使之成为新的传

13、感器，如用来测量流体压力和互异压力的组合传感器。又如，为了能够以较高的灵敏度和较小的粒度同时探测多种信号，微型数字式三端口传感器可以同时采用热敏元件、光敏元件和磁敏元件；这种组配方式的传感器不但能够输出模拟信号，而且还能够输出频率信号和数字信号. 从目前的发展现状来看，最热门的研究领域也许是各种类型的仿生传感器了，而且在感触、刺激以及视听辨别等方面已有最新研究成果问世。从实用的角度考虑，多功能传感器中应用较多的是各种类型的多功能触觉传感器，譬如人造皮肤触觉传感器就是其中之一，这种传感器系统由PVDF材料、无触点皮肤敏感系统以及具有压力敏感传导功能的橡胶触觉传感器等组成。据悉，美国MERRITT

14、公司研制开发的无触点皮肤敏感系统获得了较大的成功，其无触点超声波传感器、红外辐射引导传感器、薄膜式电容传感器、以及温度、气体传感器等在美国本土应用甚广。与其它方面的研究成果相比，目前在人工嗅觉方面的研究还似乎远远不尽人意。由于嗅觉元件接收到的判别信号是非常复杂的，其中总是混合着成千上万种化学物质，这就使得嗅觉系统处理起这些信号来异常错综复杂。人工嗅觉传感系统的典型产品是功能各异的Electronic nose（电子鼻），近10多年来，该技术的发展很快，目前已有数种商品化的产品在国际市场流通，美、法、德、英等国家均有比较先进的电子鼻产品问世。“电子鼻”系统通常由一个交叉选择式气体传感器阵列和相关

15、的数据处理技术组成，并配以恰当的模式识别系统，具有识别简单和复杂气味的能力，主要用来解决一般情况下的气味探测问题。根据应用对象的不同，“电子鼻”系统传感器阵列中传感器的构成材料及配置数量亦有所不同，其中，构成材料包括金属氧化物半导体、导电聚合物、石英晶振等，配置数量则从几个到数十个不等。总之，“电子鼻”系统是气体传感器技术和信息处理技术进行有效结合的高科技产物，其气体传感器的体积很小，功耗也很低，能够方便地捕获并处理气味信号。气流经过气体传感器阵列进入到“电子鼻”系统的信号预处理元件中，最后由阵列响应模式来确定其所测气体的特征。阵列响应模式采用关联法、最小二乘法、群集法以及主要元素分析法等方法

16、对所测气体进行定性和定量鉴别。美国Cyranosciences公司生产的Cyranose 320电子鼻是目前技术较为先进、适用范围也比较广的嗅觉传感系统之一，该系统主要由传感器阵列和数据分析算法两部分组成，其基本技术是将若干个独特的薄膜式碳-黑聚合物复合材料化学电阻器配置成一个传感器阵列，然后采用标准的数据分析技术，通过分析由此传感器阵列所收集到的输出值的办法来识别未知分析物。据称，Cyranose 320电子鼻的适用范围包括食品与饮料的生产与保鲜、环境保护、化学品分析与鉴定、疾病诊断与医药分析以及工业生产过程控制与消费品的监控与管理等。监测领域已经有很多的实例。这些应用实例包括：对海岛鸟类生

17、活规律的观测；气象现象的观测和天气预报；森林火警；生物群落的微观观测等洪灾的预警：通过在水坝、山区中关键地点合理地布置一些水压、土壤湿度等传感器，可以在洪灾到来之前发布预警信息，从而及时排除险情或者减少损失。农田管理：通过在农田部署一定密度的空气温度、土壤湿度、土壤肥料含量、光照强度、风速等传感器，可以更好地对农田管理微观调控，促进农作物生长。 （3）家庭应用建筑及城市管理各种无线传感器可以灵活方便地布置于建筑物内，获取室内环境参数，从而为居室环境控制和危险报警提供依据。智能家居：通过布置于房间内的温度、湿度、光照、空气成分等无线传感器，感知居室不同部分的微观状况，从而对空调、门窗以及其他家电

18、进行自动控制，提供给人们智能、舒适的居住环境16。建筑安全：通过布置于建筑物内的图像、声音、气体检测、温度、压力、辐射等传感器，发现异常事件及时报警，自动启动应急措施。智能交通：通过布置于道路上的速度、识别传感器，监测交通流量等信息，为出行者提供信息服务，发现违章能及时报警和记录17。反恐和公共安全通过特殊用途的传感器，特别是生物化学传感器监测有害物、危险物的信息，最大限度地减少其对人民群众生命安全造成的伤害。4 无线网络化（wireless networked）无线网络对我们来说并不陌生，比如手机，无线上网，电视机。传感器对我们来说也不陌生，比如温度传感器、压力传感器，还有比较新颖的气味传感

19、器。但是，把二者结合在起来，提出无线传感器网络（Wireless Sensor Networks）这个概念，却是近几年才发生的事情。 这个网络的主要组成部分就是一个个可爱的传感器节点。说它们可爱，是因为它们的体积都非常小巧。这些节点可以感受温度的高低、湿度的变化、压力的增减、噪声的升降。更让人感兴趣的是，每一个节点都是一个可以进行快速运算的微型计算机，它们将传感器收集到的信息转化成为数字信号，进行编码，然后通过节点与节点之间自行建立的无线网络发送给具有更大处理能力的服务器4.1 传感器网络传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。传感器网络综合了传感器技术、嵌入

20、式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。从而真正实现“无处不在的计算”理念。传感器网络的研究采用系统发展模式，因而必须将现代的先进微电子技术、微细加工技术、系统SOC（system-on-chip）芯片设计技术、纳米材料与技术、现代信息通讯技术、计算机网络技术等融合，以实现其微型化、集成化、多功能化及系统化、网络化，特别是实现传感器网络特有的超低功耗系统设计。传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军

21、事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和巨大实用价值，已经引起了世界许多国家军界、学术界和工业界的高度重视，并成为进入2000 年以来公认的新兴前沿热点研究领域，被认为是将对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一。4.2 传感器网络研究热点问题和关键技术 传感器网络以应用为目标，其构建是一个庞大的系统工程，涉及到的研究工作和需要解决的问题在每一个层面上都很多。对无线传感器网络系统结构及界面接口技术的研究意义重大。如果我们把传感器网络按其功能抽象成五个层次的话，将会包括基础层（传感器集合）、网络层（通信网络）、中间件层、数据处理

22、和管理层以及应用开发层。其中，基础层以研究新型传感器和传感系统为核心，包括应用新的传感原理、使用新的材料以及采用新的结构设计等，以降低能耗、提高敏感性、选择性、响应速度、动态范围、准确度、稳定性以及在恶劣环境条件下工作的能力。 4.3 传感器网络的应用研究传感器网络有着巨大的应用前景，被认为是将对21 世纪产生巨大影响力的技术之一。已有和潜在的传感器应用领域包括：军事侦察、环境监测、医疗、建筑物监测等等。随着传感器技术、无线通信技术、计算技术的不断发展和完善，各种传感器网络将遍布我们生活环境，从而真正实现“无处不在的计算”。 以下简要介绍传感器网络的一些应用。（1）军事应用传感器网络研究最早起

23、源于军事领域，实验系统有海洋声纳监测的大规模传感器网络，也有监测地面物体的小型传感器网络。现代传感器网络应用中，通过飞机撒播、特种炮弹发射等手段，可以将大量便宜的传感器密集地撒布于人员不便于到达的观察区域如敌方阵地内，收集到有用的微观数据；在一部分传感器因为遭破坏等原因失效时，传感器网络作为整传感器网络体仍能完成观察任务。传感器网络的上述特点使得它具有重大军事价值，可以应用于如下一些场景中：监测人员、装备等情况以及单兵系统：通过在人员、装备上附带各种传感器，可以让各级指挥员比较准确、及时地掌握己方的保存状态。通过在敌方阵地部署各种传感器，可以了解敌方武器部署情况，为己方确定进攻目标和进攻路线提

24、供依据。监测敌军进攻：在敌军驻地和可能的进攻路线上部署大量传感器，从而及时发现敌军的进攻行动、争取宝贵的应对时间。并可根据战况快速调整和部署新的传感器网络。评估战果：在进攻前后，在攻击目标附近部署传感器网络，从而收集目标被破坏程度的数据。核能、生物、化学攻击的侦察：借助于传感器网络可以及早发现己方阵地上的生、化污染，提供快速反应时间从而减少损失。不派人员就可以获取一些核、生、化爆炸现场的详细数据。 （2）环境应用应用于环境监测的传感器网络，一般具有部署简单、便宜、长期不需更换电池、无需派人现场维护的优点。通过密集的节点布置，可以观察到微观的环境因素，为环境研究和环境监测提供了崭新的途径传感器网

25、络研究在环境监测领域已经有很多的实例。这些应用实例包括：对海岛鸟类生活规律的观测；气象现象的观测和天气预报；森林火警；生物群落的微观观测等洪灾的预警：通过在水坝、山区中关键地点合理地布置一些水压、土壤湿度等传感器，可以在洪灾到来之前发布预警信息，从而及时排除险情或者减少损失。农田管理：通过在农田部署一定密度的空气温度、土壤湿度、土壤肥料含量、光照强度、风速等传感器，可以更好地对农田管理微观调控，促进农作物生长。 （3）家庭应用建筑及城市管理各种无线传感器可以灵活方便地布置于建筑物内，获取室内环境参数，从而为居室环境控制和危险报警提供依据。智能家居：通过布置于房间内的温度、湿度、光照、空气成分等

26、无线传感器，感知居室不同部分的微观状况，从而对空调、门窗以及其他家电进行自动控制，提供给人们智能、舒适的居住环境16。建筑安全：通过布置于建筑物内的图像、声音、气体检测、温度、压力、辐射等传感器，发现异常事件及时报警，自动启动应急措施。智能交通：通过布置于道路上的速度、识别传感器，监测交通流量等信息，为出行者提供信息服务，发现违章能及时报警和记录17。反恐和公共安全通过特殊用途的传感器，特别是生物化学传感器监测有害物、危险物的信息，最大限度地减少其对人民群众生命安全造成的伤害。结论本文主要对镍铬系、铂钨及钯铬薄膜高温压力传感器的主要性能进行了比较，并分析了其研究现状。镍铬薄膜传感器适用于中、低

27、温压力测量，而铂钨、钯铬薄膜传感器/应变计适用于更高温 （500 ） 压力测量。相比而言，钯铬薄膜应变计的耐高温性能更加卓越，电阻与灵敏度温度特性良好，如果其封装技术得以解决，必将拥有广阔的应用前景。参考文献1张为， 姚素英，高温压力传感器现状与展望J. 仪表技术与传感器.2002 (4): 6-8.2韩小亮, 朱作云, 李跃进. 高温半导体压力传感器技术J.西安电子科技大学学报: 自然科学版, 2001, 28(1): 120-124.3莘海维, 张志明, 沈荷生, 等. 高温压力传感器的新进展:金刚石微压力传感器J. 化学世界, 2000 (增刊): 107-111.4 尹福炎. 电阻应变

28、计敏感材料的发展（上）J. 传感器世界, 1998 (9): 9-13.5尹福炎 电阻应变计敏感材料的发展（下）J.传感器世界, 1998 (10): 1-9.6何迎辉, 张修如. 超低温薄膜压力传感器的研制J. 传感器世界, 2004 (9): 21-23.7 GRANT H P, PRZYBYSZEWSKI J S, ANDERSON W L,et al. Thin film strain gage development program. NASACR- R. USA: NASA, 1983.8彭士元, 欧阳左群. 能耐高温的合金薄膜压力传感器和变送器J. 测控技术, 1993, 12(

29、4): 28-30.9 LEI J F, MARTIN L C, WILL H A. Advances in thin film sensor technologies for engine applications. NASA R. USA: NASA, 1997.10 LEI J F, WILL H A, MARTIN L C. Thin film for mini-mally-intrusive measurements in harsh high temperature environments. AIAA-98-3610R. USA: AIAA, 1998.11 LEI J F. P

30、alladium-chromium static strain gages for high temperature. NASA 93-12371R. USA: NASA, 1993. 12 HULSE C O, BALLEY R S, GRANT H P, et al. High temperarure static strain gage development. NASA CR - R. USA: NASA, 1990.黑龙江八一农垦大学传感器原理及工程应用（设计）成绩单院系信息技术学院专 业电气工程及其自动化入学时间20099学号学生姓名张志强班 级2009级电气一班周数2起止日期2011.12.6指导教师任爽职称讲师论文（设计）题目合金薄膜压力传感器的应用指导教师评语指导教师签名年 月 日评阅人评语评阅人签名年 月 日答辩小组评语答辩小组负责人签名 年 月 日评分指导教师评阅人答辩小组平均分五级制等级