传感器原理及工程应用（论文）合金薄膜压力传感器的应用学生姓名：张志强指导教师：任爽所在学院：信息技术学院专业：电气工程及其自动化学号：20094073120中国·大庆2019 年12 月目录前言........................................................ I I1 合金薄膜压力传感器工作原理 (1)2 合金薄膜高温压力传感器研究现状 (2)2.1 镍铬系合金薄膜压力传感器 (2)2.2 铂钨合金薄膜压力传感器 (3)2.3 钯铬合金薄膜应变计 (3)3 多功能传感器（MULTIFUNCTION） (4)3.1 多功能传感器的执行规则和结构模式 (4)3.2 多功能传感器的研制与应用现状 (4)4 无线网络化（WIRELESS NETWORKED） (7)4.1 传感器网络 (7)4.2 传感器网络研究热点问题和关键技术 (7)4.3 传感器网络的应用研究 (8)结论 (10)参考文献 (11)前言咨询公司INTECHNO CONSULTING的传感器市场报告显示，2019年全球传感器市场容量为506亿美元，预计2019年全球传感器市场可达600亿美元以上。

调查显示，东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区，而美国、德国、日本依旧是传感器市场分布最大的地区。

就世界范围而言，传感器市场上增长最快的依旧是汽车市场，占第二位的是过程控制市场，看好通讯市场前景,一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征。

流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大，分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%。

传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统）传感器、生物传感器等新兴传感器。

其中，无线传感器在2019-2019年复合年增长率预计会超过25%。

目前，全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。

有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益激烈。

新技术的发展将重新定义未来的传感器市场，比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。

1 合金薄膜压力传感器工作原理合金薄膜压力传感器一般采用溅射、蒸镀等方法把合金淀积在弹性膜片上，薄膜应变层通过感受膜片的应变而产生相应电阻变化，从而完成非电量到电量的转换。

其一般结构如图 1 所示。

图1合金薄膜压力传感器的优点是结构紧凑，散热良好，尤其突出的是利用薄膜沉积代替了传统粘贴式应变片的胶接，从而克服了应变灵敏系数低及滞后、蠕变，稳定性差等缺点，能满足恶劣环境下压力测量的要求。

2 合金薄膜高温压力传感器研究现状目前对高温压力传感器的研究主要包括：多晶硅、单晶硅、SOS （蓝宝石上硅）、SiC 等半导体高温压力传感器，金刚石薄膜、合金溅射薄膜高温压力传感器，光纤高温压力传感器等。

半导体传感器灵敏度高，芯片易于批量制作、成本低廉，其缺点是温度特性较差，最高使用温度一般为200~350 ℃；且半导体传感器一般采用单晶硅作为衬底，超过 500 ℃后，其热可塑性问题无法解决———这些都限制了半导体压力传感器在更高温环境如火箭发动机燃烧室压力测量（>600 ℃）中的使用。

金刚石的某些特殊性质（如化学上的惰性）以及极大的压阻效应、在高温下仍具有良好的压阻特性使其成为制作高温压阻型压力传感器的极佳材料，但目前对金刚石薄膜的理论研究与实际应用尚存在较大差距，如高温有氧环境下金刚石易表面石墨化，金刚石与金属间难以形成理想的欧姆接触等。

光纤本身耐高温，制作光纤高温压力传感器是可行的，但其应用较为复杂、且对测量环境的要求较高。

相对于其它传感器，合金薄膜传感器虽然应变系数较低，但具有精度高、稳定性好、耐腐蚀、温度特性较好且应用温度范围较宽等一系列优点，这些优点能够保证合金薄膜压力传感器在高温燃气的恶劣环境中进行测量。

2.1 镍铬系合金薄膜压力传感器镍铬系合金应用广泛、技术成熟，是目前制作中、低温应变计最优敏感材料之一。

镍铬系合金典型代表有镍铬合金（镍铬 V），镍铬改良型合金（卡玛、伊文）等，主要性能参数如表 1 所示。

表 1镍铬系合金具有较高的电阻率、较低的电阻温度系数、较高的应变灵敏系数，且改良型合金的应变灵敏系数随温度的升高而降低从而可对弹性体弹性模量进行温度自补偿等优点。

但该系合金在高温下会发生有序-无序的变化（如图 2），即 K 状态，导致电阻不稳定，所以静态应用温度范围一般为-269 ~+350 ℃，适用于中、低温环境下的压力测量。

目前国内外合金薄膜压力传感器主要生产厂家如英国 Senstronics 公司、美国 Bell Howell 公司、汤姆逊公司及北京航天遥测遥控研究所、北京威斯特中航机电公司等所用敏感材料均为镍铬系合金，产品应用温度范围多为-50/60~+200 ℃，另外国内亦有超低温 (-200 ℃) 镍铬薄膜压力传感器的报道。

NASA的 Lewis 研究中心对合金薄膜高温应变计的研究居世界前列。

1983年 Grant 等人研制的镍铬薄膜应变计，虽然受引线疲劳寿命所限而导致可靠性较差，但仍能满足高温(600 ℃) 燃气环境中涡轮叶扇的动态应变测量要求。

图22.2 铂钨合金薄膜压力传感器铂钨合金的研究始于上世纪60 年代，研究的目的即是解决高温(600-1000 ℃)应变测量问题。

高温下的主要问题是电氧化引起敏感材料的不稳定，以及由此引起的漂移。

铂钨合金具有适中的电阻率，耐酸碱、抗腐蚀，特别是高温(700-800℃) 下仍具有很好的抗氧化性，电阻温度系数与温度呈线性关系（如图2），且应变灵敏系数较高，最高使用温度为静态800℃，动态1000℃。

铂钨合金主要性能参数如表 2 所示，其缺点主要是电阻温度系数大，一般在200 ppm/℃左右，实际使用中温度补偿较为困难。

表2 铂钨合金性能参数表 2彭士元等人利用蓝宝石作为弹性膜片研制的Pt92W8薄膜高温压力传感器主要性能指标如下：量程0.2~10 MPa；精度 0.5% F·S；应用温度范围-10~400 ℃；零点温度飘移及灵敏度温度漂移均较小(10-4量级)，具有较好的长期稳定性。

2.3 钯铬合金薄膜应变计为满足新一代航天器研制的需求，近二十几年来Lewis研究中心一直致力于合金薄膜高温应变计的研究。

1987年开始，C.O.Hulse 和 H.P.Grant 等人开始研制基于一种新合金钯铬(13%铬)的应变计。

2019 年 Jih-Fen Lei 等人利用钯铬合金作为薄膜应变材料，在室温至 1100 ℃的燃气环境中对涡轮叶扇的动态应变进行了测量；在相同的环境条件下，利用铂电阻作温度补偿，对静态应变也成功地进行了测量。

研究表明，钯铬合金在 1000 ℃范围内组织结构稳定，无相变，并且在空气中自身能形成一层坚实的 Cr2O3 抗氧化层。

钯铬合金的这些特性，使得其电阻温度特性的稳定性、重复性好，并且与升、降温速率关系不大。

钯、铬及钯铬合金主要性能参数如表 3 所示。

钯铬合金的电阻温度特性、灵敏度温度特性均与温度成良好线性关系（图 3、图 4），且耐千度以上高温，其制成的传感器可以应用于高温压力测量。

但就 Lewis 研究中心研制的钯铬薄膜应变计而言，存在的问题主要是：设计使用寿命较短，仅 50 小时；高温会使绝缘层绝缘性能急剧下降，从而导致应变计完全失效（图5）。

图3表 3图4图53 多功能传感器（Multifunction）如前所述，通常情况下一个传感器只能用来探测一种物理量，但在许多应用领域中，为了能够完美而准确地反映客观事物和环境，往往需要同时测量大量的物理量。

由若干种敏感元件组成的多功能传感器则是一种体积小巧而多种功能兼备的新一代探测系统，它可以借助于敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其各不相同的表征方式，用单独一个传感器系统来同时实现多种传感器的功能。

随着传感器技术和微机技术的飞速发展，目前已经可以生产出来将若干种敏感元件综装在同一种材料或单独一块芯片上的一体化多功能传感器。

3.1 多功能传感器的执行规则和结构模式概括来讲，多功能传感器系统主要的执行规则和结构模式包括：（1）多功能传感器系统由若干种各不相同的敏感元件组成，可以用来同时测量多种参数。

譬如，可以将一个温度探测器和一个湿度探测器配置在一起（即将热敏元件和湿敏元件分别配置在同一个传感器承载体上）制造成一种新的传感器，这样，这种新的传感器就能够同时测量温度和湿度。

（2）将若干种不同的敏感元件精巧地制作在单独的一块硅片中，从而构成一种高度综合化和小型化的多功能传感器。

由于这些敏感元件是被综装在同一块硅片中的，它们无论何时都工作在同一种条件下，所以很容易对系统误差进行补偿和校正。

（3）借助于同一个传感器的不同效应可以获得不同的信息。

以线圈为例，它所表现出来的电容和电感是各不相同的。

（4）在不同的激励条件下，同一个敏感元件将表现出来不同的特征。

而在电压、电流或温度等激励条件均不相同的情况下，由若干种敏感元件组成的一个多功能传感器的特征可想而知将会是多么的千差万别！有时候简直就相当于是若干个不同的传感器一样，其多功能特征可谓名副其实。

3.2 多功能传感器的研制与应用现状多功能传感器无疑是当前传感器技术发展中一个全新的研究方向，日前有许多学者正在积极从事于该领域的研究工作。

如将某些类型的传感器进行适当组合而使之成为新的传感器，如用来测量流体压力和互异压力的组合传感器。

又如，为了能够以较高的灵敏度和较小的粒度同时探测多种信号，微型数字式三端口传感器可以同时采用热敏元件、光敏元件和磁敏元件；这种组配方式的传感器不但能够输出模拟信号，而且还能够输出频率信号和数字信号.从目前的发展现状来看，最热门的研究领域也许是各种类型的仿生传感器了，而且在感触、刺激以及视听辨别等方面已有最新研究成果问世。

从实用的角度考虑，多功能传感器中应用较多的是各种类型的多功能触觉传感器，譬如人造皮肤触觉传感器就是其中之一，这种传感器系统由PVDF材料、无触点皮肤敏感系统以及具有压力敏感传导功能的橡胶触觉传感器等组成。

据悉，美国MERRITT公司研制开发的无触点皮肤敏感系统获得了较大的成功，其无触点超声波传感器、红外辐射引导传感器、薄膜式电容传感器、以及温度、气体传感器等在美国本土应用甚广。

与其它方面的研究成果相比，目前在人工嗅觉方面的研究还似乎远远不尽人意。

由于嗅觉元件接收到的判别信号是非常复杂的，其中总是混合着成千上万种化学物质，这就使得嗅觉系统处理起这些信号来异常错综复杂。