压力传感器的最新发展

压力传感器的最新发展

摘要：近年来，随着化工过程自动化程度的不断提高，压力传感器得到了快速发展。本文论述了压力传感器的研究现状与发展趋势，具体介绍了光纤压力传感器、厚膜电容式压力传感器、碳纳米管压力传感器、SiC高温传感器等最新技术的工作原理、应用情况、发展趋势等，为从事压力传感器研究的科技工作者提供了一些参考。

关键词：压力传感器、光纤式传感器、电容式传感器、碳纳米管传感器、高温传感器

传感器技术是现代科学技术水平发展的重要标志，它与通讯技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱。在众多微传感器中，压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定可靠、成本低、便于集成化的优点，可广泛用于压力、高度、加速度、液体的流量、流速、液位、压强的测量与控制[1, 2]。除此以外，还广泛应用于水利、地质、气象、化工、医疗卫生等方面。由于该技术是平面工艺与立体加工相结合，又便于集成化，所以可用来制成血压计、风速计、水速计、压力表、电子称以及自动报警装置等。然而，随着人类研究和应用范围的扩展，压力传感器又开始面临更多的挑战，经常需要能够直接工作在高温、腐蚀、强辐射等一些恶劣条件下。近年来，随着国内外研究人员的不懈努力，压力传感器技术得到了飞速发展，压力传感器已成为各类传感器技术最成熟、性能比最高的一类传感器[3-6]。 1 压力传感器的研究概况

1.1 新型光纤压力传感器

光纤传感器技术是在20世纪70年代开始进入研究领域的，并且伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来，它是以光为载体，光纤为媒质的感知和传输外界信号的新型传感技术[7]。由于光纤传感器具有诸多独特优点，比如稳定性好、可靠性高、精度高、抗电磁干扰、结构简单、便于与光纤传输系统形成遥测网络等等，使其成为现代传感器的重要发展方向之一[8-10]。

在众多光纤传感器中，干涉型传感器应用范围广泛且精度最高，其中光纤法布里-珀罗 (Fabry-Perot)腔干涉仪结构简单，除了具有一般传感器的特性外，还具有测量精度高、线性度好、灵敏度高等优点，因而得到广泛的研究和应用[11]。近年来学者提出了一种基于非本征法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉腔的新型光纤压力传感器及解调方案。该压力传感器采用石英毛细管和端面镀膜的光纤制作F-P传感器，光源经过腔长受压力调制的F-P传感器选频后，用平面光栅和线阵CCD实现光波波长的解调。图1为光纤F-P传感器的结构图。

图1 光纤压力传感器结构图

1.2 厚膜电容式压力传感器

厚膜电容式压力传感器于80年代末问世，是一种为测量流体压力的传感器，它是采用陶瓷材料经特殊工艺制备而成，具有工作温度范围宽、抗过载能力强、蠕变和迟滞小、可直接接触腐蚀性液体等优点，可广泛地应用于石油、化工、食品动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。

相关文献[12]介绍了一种厚膜电容式压力传感器，它以陶瓷弹性体和盖板为电容的电极，电极材料为钯银导体，传感器包括压力敏感芯片和电容—电压转换电路，该芯片是由两块能牢固键合成一体的基板组成，基板材料为96% Al2O3陶瓷。传感器量程为0～200kPa，电容值20 pF，非线性0.3%，工作温度-20～+85℃，零点温漂小于200ppm/℃。图2 为厚膜电容式压力传感器结构图。

图2 厚膜电容式压力传感器结构图

1.3 碳纳米管压力传感器

碳纳米管(carbonnanotube , CNT)是一种非常有潜力的新型纳米功能材料。从1991年日本电子显微镜专家饭岛发现碳纳米管以来，碳纳米管因其独特而优异的电学、力学、热学、化学及电子特性等在很多领域上展现应用的潜力，主要包括纳米电子学、量子线互连、场发射器件、复合材料、化学传感器、生物传感器、检测器等领域[13]。目前，碳纳米管压力传感器主要基于碳纳米管的三个特性：一是压阻特性；二是场发射特性；三是温敏特性。

目前，压阻式碳纳米管压力传感器是碳纳米管压力传感器研究的主流模式。压阻式压力传感器研究基于其卓越的压阻特性，即受到力的作用导致其发生形变，进而电阻发生改变。压阻式碳纳米管压力传感器结构主要由两部分组成：一部分是悬空膜腔体；另一部分为碳纳米管压阻器。悬空膜用于将压力转变成形变。它通常由微加工工艺制成，大多数以硅作为四周支撑体，悬空膜则由绝缘材料构成。碳纳米管压阻器由单个碳纳米管及其电极构成，制作于悬空膜上，用于将膜的形变转换为电阻变化。

场发射式碳纳米管压力传感器是基于其场发射特性，即当碳纳米管阵列相对的悬空电极受力弯曲时，造成间距改变,导致碳纳米管场发射电流发生改变。场发射式碳纳米管压力传感器结构主要也有两部分：一部分是碳纳米管阵列；另一部分是膜封盖电极。

温敏式碳纳米管压力传感器基于其电阻温敏特性，即给碳纳米管以恒定的电流或电压加热，随着气压不同，气体热传导特性不同，其恒定温度不同，从而导致电阻随气压而改变。

1.4 SiC高温压力传感器

SiC材料作为第三代直接跃迁型宽禁带的半导体材料，具有宽禁带结构、高击穿电压和较高热导率等特点，以及优良的抗辐射性能和高温稳定性，这些特性使它在制造高温器件中具有明显的优势[14]。

目前SiC高温器件和传感器的研究是一个非常热门的领域。第一代产品是3C-SiC，新一代产品是美国Kulite传感器公司的6H-SiC高温压力传感器[15]，可工作于500℃，主要技术指

标：输入5 V，室温700kPa压力下，输出40.66 mV，400 ℃下输出20.86 mV，满量程非线性和迟滞分别为-0.17%和0.17%。德国柏林技术大学Zappe.S等采用UNIBONDSO I基片经ICP刻蚀开发了3C-SiC压力传感器，量程p=10bar，最大工作温度Tmax > 400℃，灵敏度S=0.5mV /( V.bar)，适合于涡轮机控制应用。Zierimann等在多晶硅芯片上制作SiC-on-SO I(SiCOI)压阻式耐高温压力传感器，温度在400℃时电隔离可靠，室温灵敏度S=2.0mV /(V.bar)， 九五期间国内对SiC高温压力传感器进行了研究，但因未能解决封装问题做到200℃样机而停止。

1.5 硅微机械加工传感器

在微机械加工技术逐渐完善的今天，硅微机械传感器在汽车工业中的应用越来越多。而随着微机械传感器的体积越来越小，线度可以达到1~ 2mm，可以放置在人体的重要器官中进行数据的采集。Hachol，Andrzej，dziuban，Jan Boche nek报导了一种可以用于测量眼球的眼压计，其膜片直径为1mm。在内眼压为60mmHg时，静态输出为40mV，灵敏度系数比较高。

1.6 具有自测试功能的压力传感器

为了降低调试与运行成本，Dirk De Bruyker等人报导了一种具有自测试功能的压阻、电容双元件传感器，它的自测试功能是根据热驱动原理进行的，该传感器尺寸为1.2mm×3mm×0.5mm，适用于生物医学领域。

2 压力传感器的发展趋势

当今世界各国压力传感器的研究领域十分广泛，几乎渗透到了各个行业，归纳起来主要有以下几个趋势：

（1）小型化 目前市场对小型压力传感器的需求越来越大，这种小型传感器可以工作在极端恶劣的环境下，并且只需要很少的保养和维护，对周围的环境影响也很小，可以放置在人体的各个重要器官中收集资料，不影响人的正常生活。如美国Entran公司生产的量程为2~ 500PSI的传感器，直径仅为1.27mm，可以放置在人体的血管中而不会对血液的流通产生大的影响。

（2）集成化 压力传感器已经越来越多的与其它测量用传感器集成以形成测量和控制系统。集成系统在过程控制和工厂自动化中可提高操作速度和效率。

（3）智能化 由于集成化的出现，在集成电路中可添加一些微处理器，使得传感器具有自动补偿、通讯、自诊断、逻辑判断等功能。

（4）广泛化 压力传感器的另一个发展趋势是正从机械行业向其它领域扩展，例如：汽车元件、医疗仪器和能源环境控制系统。

（5）标准化 传感器的设计与制造已经形成了一定的行业标准。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。

3 结语

1.目前商业化的压力传感器不能满足高温油井生产、喷气发动机、航空航天飞行器等特殊背景下的压力测量要求，特种压力传感器的研究成为必然。

2.对几类最新发展的压力传感器进行了介绍，探讨了主要发展的方向。

3.随着科学技术的不断发展，压力传感器将朝着敏感材料多元化、加工工艺多样化、多功能集成化、智能化、研究方法多样化的方向发展。

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