压力传感器的现状与发展

技术探讨TECHNICALEXPLORATION72CHINAINSTRUMENTATION2009年第5期感器技术都十分重视。我国早在20世纪60年代就开始涉足传感器制造业，取得了较大的成绩。在“科学技术就是第一生产力”的思想的指导下，各项科学技术取得了突飞猛进的发展，传感器技术也越来越受到各方面的重视。在各类传感器中，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。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。2国外传感器的发展现状传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋。美、日、英、法、德和独联体等国都把传感器技术列为国家重点开发关键技术之一。美国长期安全和经济繁荣至关重要的22项技术中就有６项与传感器信息处理技术直接相关。关于保护美国武器系统质量优势至关重要的关键技术，其中８项为无源传感器。美国空军2000年举出15项有助于提高21世纪空军能力关键技术，传感器技术名列第二。日本科学技术厅制定的90年代重点科研项目中有70个重点课题，其中有18项是与传感器技术密切相关的。美国早在80年代初就成立了国家技术小组（BTG），帮助政府组织和领导各大公司参与国家企事业部门的传感器技术开发工作。正是由于世界各国普遍重视和投入开发，传感器发展十分迅速。3我国传感器的发展现状目前，我国传感器行业规模较小，应用范围较窄。郭冰王冲中国石油兰州石化公司（兰州730060）摘要：叙述压力传感器的发展历程，对其在国内外发展的趋势做了简要介绍，列举了典型的压力传感器及一些新型的压力传感器。关键词：压力传感器Abstract：Thedevelopmentofpressuresensordiscussedanditstrendofdevelopmentatdomesticandabroad,sometypicalpressuresensorsandanumberofnewtypesofpressuresensorsaregiveninthepaper.Keywords：PressureSensor压力传感器的现状与发展CurrentStatusandDevelopmentofPressureSensors1前言传感器技术是当今世界令人瞩目且发展迅猛的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志。无论是在工业生产领域，还是在日常的生活当中，每一项技术都离不开传感器。美国早在80年代就声称世界已进入传感器时代，日本则把传感器技术列为六大核心技术（计算机、通信、激光、半导体、超导和传感器）之一。日本工商界人士声称“支配了传感器技术就能够支配新时代”。世界技术发达国家对开发传TECHNICALEXPLORATION技术探讨73中国仪器仪表CHINAINSTRUMENTATION2009年第5期为此，我们亟须转变观念，将传感器的研发由单一型传感器的研发，转化为高度集成的新型传感器研发。新型传感器的开发和应用已成为现代系统的核心和关键，它将成为21世纪信息产业新的经济增长点。改革开放30年来，我国传感器技术及其产业取得了长足进步，主要表现在：建立了传感技术国家重点实验室、微米/纳米国家重点实验室、国家传感技术工程中心等研究开发基地；MEMS、MOEMS（微光机电系统）等研究项目列入了国家高新技术发展重点；在“九五”国家重点科技攻关项目中，传感器技术研究取得了51个品种86个规格新产品的成绩，初步建立了敏感元件与传感器产业；2007年传感器业总产量达到20.93亿只，品种规格已有近6000种，并已在国民经济各部门和国防建设中得到一定的应用。我国在20世纪80年代末就将传感器列入国家高新技术发展的重点，经过“八五”、“九五”和“十五”的攻关和产业化建设，目前全国已有2000多家企事业单位从事传感器的研制、生产和应用。由于经济发展水平和生产研发资金的限制，我国传感器行业总体技术水平还是相对比较落后的，规模和应用领域都较小。今天活跃在国际市场上的仍然是德国、日本、美国、俄国等老牌工业国家的企业。在这些国家里，传感器的应用范围很广，许多厂家的生产都实现了规模化，有些企业的年生产能力达到几千万只甚至几亿只。相比之下，中国传感器的应用范围较窄，更多的应用仍然停留在工业测量与控制等基础应用领域。4压力传感器的发展历程1945年史密斯发现了硅与锗的压阻效应，即当有外力作用于半导体材料时，其电阻将明显发生变化。依据此原理制成的压力传感器是把应变电阻片粘在金属薄膜上，即将力信号转化成电信号进行测量。此阶段最小尺寸大约为1cm。随着材料技术、微机械加工技术和微电子技术的发展，国际上压力传感器技术方面开展了许多探索性的研究工作，并将研究成果积极投入到商业领域中去，研究中沿用传统的作用原理和某些新效应，优先使用晶体材料（硅、石英、陶瓷等），采用微机械加工技术和微电子技术，从传统的结构设计转向微机械加工工艺的微结构设计，取得了举世瞩目的成就，压力传感器技术取得了长足的发展。下面着重对几种有代表意义的压力传感器的工作原理、性能特点及其新型传感器技术进行介绍，其中，电容式压力传感器是目前使用范围最广的一种传感器。4.1应变式压力传感器应变式压力传感器是利用金属应变片的阻值随应力变形的原理进行工作的。早期的应变片采用金属材料制造，应变片粘贴在压力膜片上感应压力变化。应变式压力传感器的优点是结构简单，体积小，成本低廉，缺点是输出灵敏度低，迟滞等指标较差。应变片通常用胶粘贴在弹性体上，但随着时间的推移，胶的老化会对传感器的性能产生不可忽视的影响，因此没有得到广泛的应用。4.2硅压阻压力传感器半导体材料同金属材料相比，灵敏度要高出数十倍，这是由半导体材料的压阻特性决定的。半导体材料的压阻特性还取决于掺杂浓度和晶体的排列方向。硅材料具有极好的强度和机械特性，具有过压能力强、迟滞小等优点，采用硅膜片可显著提高传感器的动态响应性能，并能降低对加速度的敏感性。硅压阻压力传感器已经克服了应变式压力传感器的很多缺点，在压力传感器的技术上，人类科学史上又迈进了一大步。带不锈钢隔膜的硅压阻压力传感器是一种新型的硅压阻压力传感器。它的压力应变膜片是硅应变膜片，其制造工艺是集成电路及微机械加工工艺。将不锈钢隔膜、灌充液及硅应变膜片有机地结合起来，使传感器的精度高、可靠性好、稳定性好及动态性能好，不但用于普通气体及液体的压力测量，还可用于腐蚀性介质的压力测量。4.3陶瓷压力传感器抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥技术探讨TECHNICALEXPLORATION74CHINAINSTRUMENTATION2009年第5期产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0/3.0/3.3mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性、低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，经过2年的研究，无锡盛迈克（SENMIC）传感技术有限公司成功研制出具有国际先进水平的HB2018一体化压阻式陶瓷压力传感器。HB2018采用高铝瓷作为应变元件弹性体并和专利高铝瓷连成一体，使传感器的过载压力由国外的1.5~2倍提高到3~5倍。产品经上海、深圳和德国检测和比利时BCM公司试用，HB2018无论灵敏度、线性、零点温漂和时漂、满意输出稳定性，都达到和超过国外同类产品指标，为我国填补了空白。4.4电容式压力传感器电容式压力传感器的工作原理是：电容极板的相对位置会随着压力的变化而改变，从而引起电容的改变，通过检测电路对电容的测量，实现压力的测量。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。（1）单电容式压力传感器它由圆形薄膜与固定电极构成。薄膜在压力的作用下变形，从而改变电容器的容量，其灵敏度大致与薄膜的面积和压力成正比而与薄膜的张力和薄膜到固定电极的距离成反比。这种型式可减小膜片的直接受压面积，以便采用较薄的膜片提高灵敏度。它还与各种补偿和保护部件以及放大电路整体封装在一起，以便提高抗干扰能力。这种传感器适于测量动态高压和对飞行器进行遥测。（2）差动电容式压力传感器它的受压膜片电极位于两个固定电极之间,构成两个电容器。在压力的作用下一个电容器的容量增大而另一个则相应减小，它的固定电极是在凹曲的玻璃表面上镀金属层而制成。过载时膜片受到凹面的保护而不致破裂。差动电容式压力传感器比单电容式的灵敏度高、线性度好。早期的电容式压力传感器以金属敏感元件作为活动极板，体积大、成本高。近几十年来，随着微机械加工技术和集成电路技术的发展，出现了代表先进技术的微型硅电容式集成传感器，现在，它已经广泛用于化工、石油、医药、农业等各大行业。（3）电容式真空压力传感器E+H公司的电容式压力传感器是由一块基片和厚度为0.8~2.8的氧化铝（Al2O3）构成，其间用一个自熔焊接圆环焊在一起。该环具有隔离作用，不需要温度补偿，可以保持长期测量的可靠性和持久精度。测量方法采用电容原理,基片上一电容CP位于位移最大的膜片的中央,而另一参考电容CR位于膜片的边缘,由于边缘很难产生位移,电容值不发生变化,CP的变化则与施加的压力变化有关,膜片的位移和压力之间的关系是线性的。遇到过载时,膜片贴在基片上不会被破坏,无负载时会立刻返回原位无任何滞后,过载量可以达到100%,即使是破坏也不会泄漏任何污染介质。因此具有广泛的应用前景。（4）新型接触式电容压力传感器接触式压力传感器（TMCPS）有较好的线性、高灵敏度和大过载保护能力等优点，为了达到更好的性能，设计并开发了一种新型的接触式电容压力传感器（DTMCPS）,这种新型的结构是在传统的TMCPS的底部电极上刻蚀了一个浅槽，可以更好地实现线性和更大的线性范围。（5）MEMS硅膜电容式气象压力传感器薄膜材料选择单晶硅，采用接触式结构，利用阳极键合形成真空腔，最后由KOH各向异性腐蚀和深刻蚀形成硅薄膜，是一种高性能、低成本的微型电容气象压力传感器，可以较准确地测量气象相关数据。目前，兰州石化公司新上项目（60万吨/年大乙烯和8万吨丙烯酸及11万吨丙烯酸酯装置）的压力测量仪表大多都使用了电容式压力传感器。大乙烯碳四抽TECHNICALEXPLORATION技术探讨75中国仪器仪表CHINAINSTRUMENTATION2009年第5期提丁二烯和汽油加氢装置所有压力测量仪表均选用罗斯蒙特的电容式压力变送器，如3051系列；大乙烯的聚丙烯装置所有单元的压力测量仪表选用的是横河电容式压力传感器如EJA110/430系列；丙烯酸100#氧化单元的压力测量仪表均选用西门子的电容式压力传感器，如7MF4033/4433系列，上述电容式压力变送器的精度都能达到±0.075%，稳定性12个月为最大量程的±0.1%，而一般的压力变送器的精度也就在±0.2%，稳定性12个月为最大量程的±0.2%，这种电容式压力变送器的线性度好，功耗低，寿命也较长。电容式压力传感器的使用范围非常广，受环境温度、介质等因素影响小，这也是其在化工领域使用较多的原因之一，而且也都能满足设计要求，在一定程度上也保证了性价比高的要求，节省了项目成本。此外，还有很多新型的压力传感器，这些压力传感器不仅在技术参数上取得了很大的进步，并且它们的出现使得压力传感器的应用范围更加广泛。例如，光纤压