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力敏传感器的发展趋势及应用 |
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作者：沈阳仪表科学研究院 徐开先 |
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能感受力并按一定规律将其转换成可用输出信号的器件或装置，被称为力敏传感器，通常由力敏元件及转换元件组成。力敏元件是指力敏传感器中能感受（或响应）力的元件；转换元件是指力敏传感器中能将力敏元件感受的力转换成适于传输和测量信号的元件。典型的硅基力敏传感器有硅压阻、硅电容、硅谐振传感器。图1是几种典型的力敏传感器。
力敏元件和传感器发展的趋势
多种技术的融合与渗透
力敏感元件和传感器与IC技术、MEMS技术、CPU计算机技术、通信技术相互融合、渗透，以实现力敏感元件与传感器的多功能化、集成化、智能化、微型化、无线传感器网络化。
● 将多个功能相同、相近或不同的敏感元件集成在一维或二维传感器，即在同一芯片上，集成不同敏感元件，以检测不同性质的参数，实现敏感元件的多功能化。如在同一硅片上，可制备测压元件、测差压元件、测温元件，以实现对压力、差压、温度3个参数的测量。
● 将敏感元件与调理电路、补偿电路集成在同一芯片上，使传感器由单一信号转换功能扩展到兼有检测、放大、运算、补偿功能，从而实现敏感元件及传感器的集成化。传感器的集成化对传感器的小型化、降低功耗、提高可靠性大有裨益。
● 将敏感元件与信息处理电路、控制电路集成在同一芯体上，或用封装技术封在同一单元（管壳）内，由于微处理机的引入，使传感器不仅具有听、视、嗅、味、触觉等功能，而且还具有记忆、存储、思维、判断、自诊等人工智能，即所谓传感器的智能化。
● 从传统的结构设计向以微机械加工为基础，仿真程序为工具的微结构技术方向发展，以实现传感器的微型化。传感器的微型化是指敏感元件的特征尺寸为“毫米→微米→纳米”的这类传感器，这类传感器具有尺寸上的微型化和性能上的优越性，要素上的集成化和用途上的多样性，功能上的系统化和结构上的复合性。因此传感器的微型化决不仅仅是尺寸上的缩微与减小，而是一种有新机理、新结构、新作用和新功能的高科技微型系统。传感器的微型化主要得益于半导体刻蚀加工技术、大规模集成电路制造技术、精密超细加工技术和LIGA技术。具有代表性的微型器件有：微压力传感器、微加速度计、微陀螺、微流量传感器等。
● 无线传感器网络技术（WSN），这也是力敏传感器发展的主要趋势之一。这是一种全新的信息获取和处理技术，无线传感器网络由随机分布的集成传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成，它借助于节点中内置的形式多样的传感器，协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象信息，对其进行处理和发送，实现物理世界、计算机世界和人类社会的有效连通。无线传感器网络因其抗干扰性强、监测精度高、覆盖区域大等特点，在军事应用、智能家庭、网络等多个应用领域均有广泛的应用前景。无线传感器网络是本世纪人类面临的一个发展机遇，它将改变人们的生活，甚至将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革，因此受到各国高度重视。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》在重大专项、优先发展主题、前沿领域均将无线传感器网络列入。
应用向高稳定、多领域方向发展
对力传感器的应用而言，目前遇到的最大问题不是其精度而是其稳定性，稳定性是制约力敏传感器大量应用的瓶颈。要使传感器性能稳定，首先要具有性能稳定的敏感功能材料，因此开发和研究新型的、性能稳定的功能材料也是敏感元件和传感器发展方向之一。其次要有稳定的、成熟的敏感元件和传感器的制备工艺技术，特别是要采用成熟的新原理、新工艺。再其次，工艺装备是保证稳定工艺的必要条件，如静电封接机、各种焊接设备、硅油充灌机、芯片腐蚀机等。当然更要重视敏感元件和传感器的稳定性设计理念，在设计过程中，特别不能忽视敏感元件和传感器的封装结构和封装工艺对稳定性的影响。
图1、左图为硅基压力传感器，中图为硅基表压传感器，右图为硅基差压传感器
产业化趋势
力敏感元件和传感器，品种规格繁多，技术难度大，工艺复杂，应用场合不一，国产力敏传感器一直未能在工业自动化仪表，特别是变送器产品上，有一席之地。力敏传感器在国内市场尚未大规模打开，长期被外国公司所垄断，其主要原因是敏感元件和传感器的产业化工作研发不力、重视不够、投资不多。力敏传感器的产业化，除了国家政策、体制、机制、布局、投资等原因外，力敏传感器本身也有产业化的规律和技术问题值得探讨和研究，即包括力敏传感器的产业化技术、产业化市场、产业化条件、产业化人才等因素。
力敏传感器的主要应用领域
装备制造业 工业自动化系统、机电一体化、科学测试仪器等装备制造业，主要涉及过程控制用压力、流量两大参数的检测、控制和执行。
汽车制造业 汽车发动机管理系统（EMS），涉及压力、位置、转速、加速度等各种信息进行实时、准确的检测和控制，EMS不仅可精确控制燃油供给量，以取代传统的“化油器”，而且可以控制点火提前角和总空气流量，极大提高发动机性能，通过喷油和点火的精确控制，可以降低50％污染物排放。胎压监测系统是在每一个轮枢内安装微型压力传感器来测量轮胎气压，并通过无线电发射器将信息传到驾驶员前方的监视器上，胎压太低时，发出自动报警，这样能保证安全驾驶，延长轮胎使用寿命，并达到省油目的。特别是检测轮胎气压的TPWS系统，充当汽车行业的急先锋，目前轻型汽车用TPWS更换困难，正在全力开发无线系统的TPWS系统技术；汽车安保系统，防止车辆被盗、倾斜采用二轴加速度传感器，当发生盗窃时，车辆被托起而导致车辆倾斜而报警，另一种是气囊用传感器。
家用电器和消费电子业 家用电器和消费电子业正向自动化、智能化、节能、无污染方向发展，要求力敏元件和传感器亦与该方向一致，自动化和智能化的中心就是研制由传感器和微电脑组成的控制系统。如一台空调器采用微电脑配合传感技术，可以实现压缩机的启动、停机、风扇换向等控制系统。
硅基力敏元和传感器的应用通常涉及压力测量、差压测量、液位测量等，有关应用涉及到的测量放大电路如：同相串联差动运算放大电路、同相并联差动运算放大电路、仪用放大电路、调幅电路、调频电路等。
压力测量 被测介质的压力测量总是相对于某一参考压力而言，参考压力为大气压时，称为表压或负压，高于大气压时为表压，低于大气压时为负压，例如说表压150KPa是指比大气压高150KPa，负压70KPa是指比大气压低70KPa。参考压为真空时称为绝压。参考压力是任何密封空间中的压力时称为密封压。硅基力敏传感器用于压力测量场合甚广，如工业自动化仪表中的压力变送器、汽车仪表中的压力检测和控制、大气环境检测中的真空检测等压力测量。其产品可参考HB2119系列硅压阻低、中、高量程压力传感器，HB2119-S系列SOI硅压阻低、中、高量程压力传感器，HB2135系列专用型硅压阻压力传感器等产品。
差压和流量测量 差压是指两个压力之差，差压传感器与节流件（孔板、喷嘴、文丘里管等）相结合可用来测量液体流量。差压测量中常会遇到工作压力和静压问题，即通常需要测量压差的两个压力差值很小，而压力很大，如某管道中A点压力为16.01MPa，B点压力为16.00MPa，需测A、B点的压力差0.01MPa，这时工作静压就是16MPa。一般硅基差压传感器都有可靠的过载保护机构，两测压端可单向或双向承受工作静压作用，且在压差很小时即可达到满量程输出。一般简易的差压传感器是不能胜任的。差压传感器测量流量时要和节流件如孔板相结合，在孔板前后产生ΔP，压差的平方根与流量成正比，体积流量Q是ΔP的函数，用一般的差压传感器测流量时，与差压成正比的电信号需要开方运算才能得到与流量成正比的电信号，也有的差压传感器本身具有开方功能，可输出与流量成正比的电信号，使用方便。差压变送器用的硅基差压传感器量程范围可从6KPa～3MPa，静压通常为10MPa，最高可达40MPa，精度通常为±0.1％，最高可达0.04％，一般使用温区为-30℃～80℃。
液位测量 利用压力传感器可以测量开口容器或河流、湖泊的液位，利用差压传感器可测量密封容器的液位。近年来利用硅基力敏传感器，专门开发了系列液位传感器和变送器，如投入式液位传感器，在水厂、水利工程、污水处理工程等部门均有广泛应用，这种液位传感器安装使用特别方便，只要把传感器（变送器）放入待测液体中即可，导气电缆将大气引入硅基力敏元件的反面，以修正大气压力变化对静压测量的影响，传感器有不锈钢膜片和硅油隔离。(end)
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(9/11/2012) |
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