合金薄膜压力传感器的应用

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 指导老师任爽 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 2011 年 12 月 书目 前言II 1 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探讨现状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4 3 多功能传感器（MULTIFUNCTION）6 3.1 多功能传感器的执行规则和结构模式6 3.2 多功能传感器的研制与应用现状6 4 无线网络化（WIRELESS NETWORKED）9 4.1 传感器网络9 4.2 传感器网络探讨热点问题和关键技术9 4.3 传感器网络的应用探讨10 结论12 参考文献13 －I－ 前言 前言 询问公司INTECHNO CONSULTING的传感器市场报告显示，2008年全球传感器市场容量为506亿美元，预料2010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、日本照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照旧是汽车市场，占其次位的是过程限制市场，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2007-2010年复合年增长率预料会超过25。 目前，全球的传感器市场在不断改变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长和提高，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将来的传感器市场，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。 传感器论文 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纳溅射、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改变，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，能满意恶劣环境下压力测量的要求。 2 合金薄膜高温压力传感器探讨现状 目前对高温压力传感器的探讨主要包括多晶硅、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，最高运用温度一般为200350 ℃；且半导体传感器一般采纳单晶硅作为衬底，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 ℃）中的运用。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探讨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志向的欧姆接触等。光纤本身耐高温，制作光纤高温压力传感器是可行的，但其应用较为困难、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上升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-无序的改变 （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探讨所、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-50/60200 ℃，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 探讨中心对合金薄膜高温应变计的探讨居世界前列。1983年 Grant 等人研制的镍铬薄膜应变计，虽然受引线疲惫寿命所限而导致牢靠性较差，但仍能满意高温600 ℃ 燃气环境中涡轮叶扇的动态应变测量要求。 图2 2.2 铂钨合金薄膜压力传感器 铂钨合金的探讨始于上世纪 60 年头，探讨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，特殊是高温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，最高运用温度为静态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，实际运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0.210 MPa；精度 0.5 FS；应用温度范围-10400 ℃；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 为满意新一代航天器研制的需求，近二十几年来Lewis探讨中心始终致力于合金薄膜高温应变计的探讨。1987年起先，C.O.Hulse 和 H.P.Grant 等人起先研制基于一种新合金钯铬13铬的应变计。1997 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，对静态应变也胜利地进行了测量。探讨表明，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 Cr2