微压力传感器研究现状及发展趋势.docx

《微压力传感器研究现状及发展趋势.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微压力传感器研究现状及发展趋势.docx（14页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、微压力传感器研究现状及发展趋势大连理工大学研究生试卷系别：机械工程学院课程名称：微制造与微机械电子系统学号：21204035姓名：李方元考试时间：2021年1月15日类别标准分数实得分数平常成绩10作业成绩90总分100授课老师刘冲签字微压力传感器研究现状及发展趋势李方元(大连理工大学大连摘要：MEMS器件中，微压力传感器是应用最为广泛的一种。本文主要介绍了微压力传感器的特点、应用，介绍了国内外的目前研究现状及发展趋势，以及我国与发达国家的差距。关键词：MEMS微压力传感器研究现状发展趋势MicropressuresensorresearchstatusanddevelopmenttrendL

2、iFangYuan(DalianuniversityoftechnologyDalian)Abstract:theMEMSdevices,micropressuresensorisakindofwidelyused.Thisarticlemainlyintroducedthemicropressuresensorcharacteristics,application,thispaperintroducesdomesticandinternationalcurrentresearchsituationanddevelopmenttrendinourcountry,andthegapwithdev

3、elopedcountries.Keywords:MEMSmicropressuresensorresearchsituationdevelopmenttrend0前言传感器是一种检测装置，能感遭到被测量的信息，并能将检测感遭到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以知足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。本文主要介绍微压力传感器的一些知识。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。压力传感器是应用最广泛的MEMS传感器其性能由测量范围、测量精度、非线性和工作

4、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。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。微机械制造技术包括了清洗、氧化、光刻、刻蚀、离子注入或扩散、溅射、键合、封装技术等5。制作不同的微构造就需要合理的使用这些技术，通常用硅、石英和陶瓷材料为衬底，与薄膜技术相结合，并规范使用各项工艺技术就能够制作出精细的微器件，来用于实际测试中。其中最为关键的是后期封装工艺，它也是工艺上的一个难点，对微

5、器件的性能有很大影响。1微传感器特点及应用微传感器主要有下面几点特点：微传感器尺寸和体积微小。它的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，使和规律；微传感器是微机械和微电子集合一体的功能器件，因而响应快、功耗低；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1。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

6、比重。微压力传感器主要应用于下面几方面7：(1)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。(2)在微电子及信息技术领域的应用(3)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。西安交通大学研制出了一系列传感器，能够耐瞬时高温冲击，已经进行了小批量的生产。其中耐高温压阻式微压力传感器、高温压力传感器和电容式差压传感器如图1.2，等近万只传感器应用于胜利油田等30多家单位。(4)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。上海飞恩公司

7、联合其他单位研制出了一系列传感器，来监测汽车运行状态如图1.3，其中部分器件己经应用在奇瑞汽车上，对汽车进行整车测试和台架测试。2研究现状及发展趋势2.1研究现状：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

8、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

9、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，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。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1。2.2发展趋势：随着微电子技术、集成电路技术和加工工艺的发展

10、，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。(1)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。(2)进一步提高压力传感器的灵敏度、实现低量程的微压传感器。这种构造以Endevco公司在1977年提出的双岛构造为代表，它能够实现应力集中进而提高了压阻式压力传感器的灵敏度，可实现10k

11、Pa下面的微压传感器。1989年复旦大学提出一种梁膜构造来实现应力集中，其构造可看作一个正面的哑铃形梁叠加在平膜片上，可实现量程为IPka的微压传感器。另外还有美国Honywell公司在1992年提出的“RibbedandBOSSed构造和德国柏林技术大学提出的类似构造。这种微压传感器用于脉动风压、流量和密封件泄露量标识等领域。(3提高工作温度，研制高低温压力传感器，拓宽工作温度范围。开发新材料：除单晶硅、多晶硅、石英半导体以外，碳化硅、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。主要耐高温压力传感器有：SOI单晶硅高温压力传

12、感器、SIC高温压力传感器、SOS构造高温压力传感器、多晶硅高温压力传感器、溅射薄膜压力传感器、光纤高温压力传感器、金刚石薄膜高温压力传感器、SAW高温压力传感器、陶瓷厚膜高温压力传感器。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,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2。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

13、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2。(4)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。(5)集成化和多功能化：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。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

14、化和多功能化开拓了广阔的前景3。(6)智能化：智能高温压力传感器是测量技术、半导体技术、计算机技术、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，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。(7)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

15、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，通过网络，传感器与用户之间可随时交换信息和阅读，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。(8)研究方法多样化，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

16、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，出现基于机器视觉的固体成像压力传感器阵列。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,可对心脏血管的压力进行准确而可靠的测量4。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,是不发

17、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6。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，学习国外先进的、成熟的工艺和制造技术，将其为我所用。同时将微机械加工技术的投入力度增大，将研究新材料应用在微机械加工技术上和研究新工艺作为重点发展方向，相信我国的微机械加工制造技术一定会早日到达世界先进水平1。参考文献1刘珍妮.微压力传感器的设计与

18、工艺研究.学位论文，2020.LiuZhenNi.micropressuresensordesignandprocessresearch.Degreethesis,2020.2莘海维,张志明,沈荷生,戴永兵,万永中.高温压力传感器的新进展.化学世界,2020.Qixinsead,ZhangZhiMing,shenloadborn,DaiYongBing,WanYongZhong.Hightemperaturepressuresensorofnewprogressinchemicalworld,2020.3郑玮玮,刘学观,赵光霞.微压力传感器参数设计及灵敏度分析.仪表技术与传感器,2020.Zh

19、engWeijunwei,LiuXueGuan,ZhaoGuangXia.micropressuresensorparameterdesignandsensitivityanalysis.InstrumentTechniqueandSensor.4吕惠民,田敬民.压力传感器的研究现状与发展趋势.半导体技术，2020.LvHuiMin,TianJingMin.Pressuresensorresearchpresentsituationandthedevelopmenttendencyofsemiconductortechnology.2020.5种传波,李德胜,刘本东.小量程、高灵敏度微压力传感

20、器的优化设计.微细加工技术,2007Zhongchuanbo,LiDeSheng,LiuBenDong.Smallrangeandhighsensitivitymicropressuresensoroptimizationdesign.Fineprocessingtechnology.2007.6冯立杰，马炳和，马志波，马延波.工艺偏差对压阻式硅微压力传感器性能的影响.航空精细制造技术，2020.FengLiJie,MaBingand,MaZhiBo,MaYanBo.Processdeviationonpiezoresistivesiliconmicropressuresensorproper

21、tiesofaviationprecisionmanufacturingtechnology.2020.8廖华瑞,张子青,朱鹤孙,高分子复合压电材料及在微压力传感器中的应用.1994.LiaoHuaRui,ZhangZiQin,ZhuHeSeng,Polymercompositepiezoelectricmaterialsandtheapplicationinmicropressuresensor.1994.7WilliampomeroyeatonIV,SurfaeeMieromaehinedpressuresensors,theuniversityofnewmexieo,May,1997.8WerasakSonphao,SilieonAnisotropieEtehingofTMAHC,Solution.Proeeedingsof工EEE.2001