传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一。从宇宙的发展到海底的探索，从生产过程控制到现代文明生活，几乎每一项技术都离不开传感器。因此，许多国家都非常重视传感器技术的发展。例如，日本将传感器技术列为六大核心技术之一(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、成本低、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、液位和压力的测量和控制。此外，它还广泛应用于水利、地质、气象、化工、医疗卫生等领域。由于这项技术是平面技术和三维加工的结合，便于集成，可用于制作血压计、风速计、水速度计、压力表、电子秤和自动报警装置。压力传感器已经成为各种传感器中技术最成熟、性能最稳定、性价比最高的一种传感器。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发展趋势。

1压力传感器的发展

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

(1)发明阶段(1945-1960) :这一阶段主要以1947年双极晶体管的发明为标志。国内压力传感器最新研究动态此后，半导体材料的这一特性得到了广泛的应用。Smith()和1945年发现了硅和锗的压阻效应[2]，即当一个外力作用在半导体材料上时，其电阻会发生明显的变化。根据这个原理，压力传感器是通过在金属薄膜上粘贴应变电阻，即将力信号转换成电信号进行测量而制成的。这个阶段的最小尺寸约为1cm。

(2)技术发展阶段(1960-1970) :随着硅扩散技术的发展，技术人员通过选择合适的晶体取向，将应变电阻直接扩散到硅的(001)或(110)晶面上，然后在背面加工成凹形，形成一种薄的硅弹性膜，称为硅杯[3]。这种硅杯传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定性好、成本低、易于集成等优点。实现了金属硅共晶，为商业化发展提供了可能。

(3)商业集成加工阶段(1970-1980) :在硅杯扩散理论的基础上应用了硅的各向异性刻蚀技术，扩散硅传感器的加工技术主要是硅的各向异性刻蚀技术，发展成为可以自动控制硅膜厚度的硅的各向异性加工技术[4]，主要包括V型槽法、浓硼自动停止法、阳极氧化自动停止法和微机控制自动停止法。由于腐蚀可以同时在多个表面进行，因此可以同时生产数千种硅压力膜，实现工厂一体化加工模式，进一步降低成本。

(4)微加工阶段(1980年至今)纳米技术出现在上世纪末，使微加工技术成为可能。

通过微加工工艺，结构压力传感器可以由计算机控制制造，其线性度可以控制在微米范围内。利用这种技术，可以加工和刻蚀微米级的凹槽、条带和薄膜，使压力传感器进入微米级阶段。

国内外压力传感器的研究现状

世界压力传感器的发展趋势主要包括以下几个方向。

2.1光纤压力传感器[5]

这是一种研究成果很多的传感器，但投入实际应用的传感器并不多。其工作原理是利用敏感元件在压力下的变形与反射光强度有关的特性。硅纤维挡板夹在由硅框架和金铬膜组成的膜片结构之间。在压力下，光的强度在通过挡板的过程中会发生变化。通过检测

E H公司的电容式压力传感器是由一个基片和厚度为0.8 ~ (-1)的氧化铝()组成，用自熔焊环钎焊在一起。该环具有隔离功能，不需要温度补偿，可以保持长期测量的可靠性和持久的准确性。测量方法采用电容原理。基板上的一个电容CP位于位移最大的膜片中心，另一个参考电容CR位于膜片边缘。因为边缘不易位移，电容值不变，CP的变化与外加压力的变化有关。隔膜的位移和压力之间的关系是线性的。在过载的情况下，附着在基板上的膜片不会被损坏，在没有负载的情况下，它会立即返回到其原始位置，没有任何滞后。过载量可以达到100%，即使损坏也不会泄漏任何污染介质。因此，具有广阔的应用前景。

2.3耐高温压力传感器

一种新的半导体材料碳化硅(SiC)的出现使得制造单晶高温传感器成为可能。本文报道了一种在500下测试的(6H)碳化硅压力传感器。实验结果表明，在输入电压为5V、测量压力为0.17%的条件下，下的满量程输出为~，满量程线性度为%，迟滞为0.17%。500运行10小时后，性能基本不变，100和500的应变温度系数(TCGF)分别为20.19%/和-0.11%/。这种传感器的主要优点是PN结漏电流很小，没有热匹配问题，温升不产生塑性变形，可以批量加工。Ziermann，Rene报道了用单晶N型-SiC制成的压力传感器，可以在573K下工作，抗辐射。在室温下，该压力传感器的灵敏度为20.2毫伏/伏千帕。

2.4硅微机械传感器

随着微加工技术的进步，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越来越小，线性度可以

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,JanBochenek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。

2.5具有自测试功能的压力传感器

为了降低调试与运行成本,DirkDeBruyker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1.2mm3mm0.5mm,适用于生物医学领域[7]。

2.6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,现在国际上只有美、日等少数国家可以生产。在我国北京理工大学在跟踪国外发展的基础上,又开创性的研制出组合有压电层的柔软光学阵列触觉,阵列密度为2438tactels/cm2,力灵敏1g,结构柔性很好,能抓握和识别鸡蛋和钢球,现已用于机器人分选物品[8]。

3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,几乎渗透到了各行各业,但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。

4结束语

随着硅、微机械加工技术、超大集成电路技术和材料制备与特性研究工作的进展,使得压力传感器在光纤传感器的批量生产、高温硅压阻及压电结传感器的应用成为可能,在生物医学、微型机械等领域,压力传感器有着广泛的应用前景。

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mems传感器和cmos传感器 传感器的发展与应用现状

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来看，微机械压力传感器分为压阻式和电容式两种，分别基于体微加工技术和牺牲层技术制造。从敏感膜结构的角度来看，有多种结构，如圆形、方形、矩形和E形。压阻式压力传感器的精度为0.05% ~ 0.01%，年稳定度为0.1%/F.S，温度误差为%，耐压几百兆帕，过压保护范围为传感器范围的20倍以上，大范围全温度补偿。目前，微机械压力传感器的主要发展方向如下。

(1)将敏感元件与信号处理、校准、补偿和微控制器集成，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。

(3)提高工作温度，研制高低温压力传感器。

(4)研制谐振式压力传感器。

2.微型加速度传感器

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。其主要类型有压阻式、电容式、力平衡式和谐振式。最吸引人的是力平衡加速度计，它的典型产品是1994年别人报道的那种。我国在微加速度计的发展方面做了大量的工作，如西安电子科技大学研制的压阻式微加速度计和清华大学微电子所研制的谐振式微加速度计。后者采用电阻热激励和压阻电桥检测的方式，其敏感结构为高度对称的四角支撑质量形式。在质量块的四个侧面和支撑框架之间形成四个共振梁，用于信号检测。

3.微机械陀螺仪

角速度通常用陀螺仪测量。传统陀螺仪利用物体保持高速旋转的角动量的特性来测量角速度。这种陀螺仪精度高，但结构复杂，使用寿命短，成本高。它一般只用于导航，但很难应用于一般的运动控制系统。事实上，如果不受成本限制，角速度传感器可以广泛应用于汽车牵引力控制系统、摄像机稳定系统、医疗仪器、军事仪器、运动机械、计算机惯性鼠标、军事等领域。常见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。但微机械陀螺仪的精度低于10/h，与惯性导航系统相差甚远。

4.微流量传感器微流量传感器不仅体积小，可以达到很低的测量水平，而且死区容量小，响应时间短，适用于微流体的精确测量和控制。根据工作原理，国内外研究的微流量传感器可分为三种类型：热型(包括热传导型和热飞行时间型)、机械型和谐振型。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成梁表面的弯曲应力，然后集成在阀板上的压敏电桥检测流量信号。传感器的芯片尺寸是在10ml的气体流量下线性度好于5% ~。

5.微型气体传感器

根据材料的不同，微气体传感器可以分为硅基气体传感器和硅微气体传感器。其中，前者以硅为衬底，敏感层采用非硅材料，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的集成化、智能化和多功能化的要求。例如，许多气体传感器的敏感性能与工作温度密切相关，因此应同时制作加热元件和温度检测元件来监控温度。微机电系统技术可以很容易地将气体传感器和温度探测器结合在一起，保证气体传感器的优异性能。

谐振式气体传感器不需要加热器件，输出信号为频率，是硅微气体传感器的重要发展方向之一。北京大学微电子研究所提出的微结构气体传感器由硅梁、振动激励元件、振动测量元件和气敏膜组成。硅束置于被测气体中后，表面的敏感膜吸收气体分子，增加了束的质量，降低了束的共振频率。这样，可以通过测量硅束的共振频率来获得气体浓度。NO2浓度检测实验表明，在010 ~ 110范围内线性良好，浓度检测限达到110。工作频率为0时，灵敏度为0。德国等在SiNx悬臂梁表面涂覆聚合物PDMS检测己烷气体，得到的灵敏度为- 0.099Hz/10。

6.微机械温度传感器

与传统传感器相比，微机械传感器具有体积小、重量轻的特点，其固有热容量仅为10 j/k ~ 10 j/k，使其在温度测量方面具有无可比拟的优势。我所研制了一种硅/二氧化硅双层微悬臂梁温度传感器。基于硅和二氧化硅热膨胀系数的差异，梁在不同温度下的挠度不同，其变形可以通过位于梁根部的压敏桥来检测。其非线性误差为0.9%，迟滞误差为0.45%，重复性误差为1.63%，准确度为1.9%。

7.其他微机械传感器

其他传感器可以通过微加工技术实现，如瑞士查尔莫斯大学PeterE等人设计的谐振式流体密度传感器、浙江大学研制的力平衡微机械真空传感器、中国科学院合肥智能研究所研制的振梁微机械力传感器等。

Mems传感器的制造工艺

微机电系统技术是基于成熟的微电子技术、集成电路技术及其加工技术。它与传统的集成电路工艺有许多相似之处，如光刻、薄膜沉积、掺杂、蚀刻、化学机械抛光等。然而，一些复杂的微结构很难通过集成电路工艺实现，必须通过微加工技术来制造。微细加工技术包括本体微细加工技术、表面微细加工技术和特种微细加工技术。体加工技术是指沿着硅衬底的厚度方向刻蚀硅衬底的工艺，包括湿法刻蚀和干法刻蚀，实现三维

结构的重要方法。表面微加工是采用薄膜沉积、光刻以及刻蚀工艺，通过在牺牲层薄膜上沉积结构层薄膜，然后去除牺牲层释放结构层实现可动结构。除了上述两种微加工技术以外，MEMS制造还广泛地使用多种特殊加工方法，其中常见的方法包括键合、LIGA、电镀、软光刻、微模铸、微立体光刻与微电火花加工等。

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