硅諧振壓力傳感器：太航高精度硅諧振壓力傳感器工程化與產業化項目入選2018年度國家重點研發計劃

原標題：太航高精度硅諧振壓力傳感器工程化與產業化項目入選2018年度國家重點研發計劃

9月20日，航空工業太航組織申報的《高精度硅諧振壓力傳感器工程化與產業化項目》通過科技部國家重點研發計劃重大科學儀器設備開發專項評審。該項目以軍民融合為導向，“產、學、研、用”相結合，匯聚了中國科學院電子學研究所、江蘇無線電科學研究所等一流企業在MEMS技術研究、傳感器工程應用方面多年積累的經驗。

高精度硅諧振壓力傳感器工程化是太航公司繼諧振式振動筒壓力傳感器之后又一項重大突破，標志著太航公司在大氣數據傳感與測量、氣象數據感知等領域躋身國際先進水平。該傳感器的產業化應用將改寫高精度硅諧振壓力傳感器由國外壟斷的局面，為航空航天、氣象探測、工業控制等領域實現自主可控提供堅實基礎。

目前，太航公司以傳感器產業聯盟為載體推進傳感器市場領域軍民融合發展，以傳感器聯合創新中心為基礎開展客戶需求導向傳感器聯合研發。高精度硅諧振壓力傳感器項目獲得國家支持將推動公司傳感器技術不斷實現新突破。

圖片/趙稔李磊

文字/李磊

編輯/孫艷輝

審核/裴生榮返回搜狐，查看更多

責任編輯：

硅諧振壓力傳感器：硅諧振式壓力傳感

目前精度最高、穩定性最好的壓力傳感器是水晶諧振式壓力傳感器。其精度已超過0.01%fs，溫度穩定性優于10-6/時間穩定性高于10-6/年。近年來，隨著傳感器技術的發展，分析研究的結果表明，硅和水晶都是具有優良彈性的材料，它們的溫度系數也大體相同，因此，研究人員已經利用硅來研制諧振式壓力感器，并已有產品問世。由于硅不具有壓電性，因此，不如水晶那樣容易實現諧振的激勵接收，只有解決硅諧振激勵和接收方法，才可以研制出硅諧振式壓力傳感器。目前解決的方法有兩種，其一是靜電激勵法，即利用電磁激勵或熱電激勵；其二是壓電激勵法，即利用壓電薄膜、鐵電薄膜和壓電陶瓷片激勵。硅諧振式壓力傳感器具有如下特點： 1、把膜片（起應力集中作用）和諧振器制作在同一塊單晶硅上，因此，不會在它的連接處產生遲滯、蠕變、漂移，可以獲得穩定性好、重復性佳的壓力傳感器； 2、它的體積小、重量輕、動態特性好、熱容量小，可以實現大批量生產和降低成本； 3、由于硅諧振器置于真空室內，所以不受被測流體密度的影響，機械q值非常高（高達5萬），從而使傳感器的分辨率很高。其工作原理是利用硅諧振器與選頻放大器構成一個正反饋振蕩系統，當此系統受到壓力作用時，其固有的振蕩頻率發生變化，因此，根據其頻率的變化就可以測量出壓力的大小。硅諧振式壓力傳感器的結構基本有兩種，即一是平面型硅諧振式壓力傳感器。它是利用各向異性腐蝕技術在硅片上加工一諧振膜片，然后在膜上制作激勵器（擴散電阻器）。當交變的電流在激勵器中流過時，產生熱應變，激勵諧振膜片，利用另一個擴散電阻器檢測其諧振頻率的變化。還有一種諧振阻器檢測其諧振頻率的變化。還有一種諧振膜片式壓力傳感器，只不過是利用壓電反饋系統維持膜片振動，代替電磁激勵器而已，其它的部分基本相同。二是立體型諧振式膜片壓力傳感器。它是在單晶硅膜上設置固定電極，而在其上方再加工可動電極和諧振器，硅膜和諧振器分別利用各向異性腐蝕技術和外延技術制作。當壓力作用到膜片上時，膜片發生彎曲形變，通過支柱給諧振器施加了軸向力，從而使其諧振頻率發生變化。在這種情況下，激勵諧振器的方法有兩種，一是在電極間施加靜電方法；二是利用激光產生熱應變方法。硅諧振式壓力傳感器是一種新型的結構型壓力傳感器，它比擴散硅式之類的物性型壓力傳感器具有更高的分辨率、靈活度和重復性。今后，隨著硅微機械加工技術和外延技術的發展，將會使硅諧振式壓力傳感器的性能得到更大的提高，其應用領域也將會更加拓寬。硅諧振壓力傳感器：太航高精度硅諧振壓力傳感器工程化與產業化項目入選2018年度國家重點研發計劃第1張

硅諧振壓力傳感器：硅諧振式壓力傳感器的研究

諧振式傳感器具有穩定性好，精度高、與微機接口方便等特點而倍受重視。我們采用微機械加工技術研制了微諧振器和諧振式壓力傳感器。其特點是用單晶硅梁做諧振器、梁厚僅數微米，用靜電激勵。其振動頻率取決于器件設計、材料性能和梁的軸向應力，并受外界壓力調制。研究工作包括器件設計；激振與拾振技術；關鍵工藝包括硅健合，薄梁制備技術和封裝技術，并對樣品進行了分析測試。研究表明，用兩端固支梁理論分析微諧振梁作為一階近似是可行的。單晶梁的工藝難度大，但工藝上仍可行。傳感器固有頻率穩定；一般在一百千赫以上，空氣中品質因數達數百；靈敏度高，當壓力電O升到O·1MPa時，頻移達十幾千赫，是一種有前途的新型傳感器。
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硅諧振壓力傳感器：太航高精度硅諧振壓力傳感器工程化與產業化項目入選2018年度國家重點研發計劃第2張

硅諧振壓力傳感器：高精度硅諧振壓力傳感器的應用領域

　?。?）航空大氣數據系統
　　軍用飛機的航空大氣數據系統采用綜合精度優于0.02%FS的高精度壓力傳感器，用于測量飛機飛行的高度、速度、攻角等參數。本項目所研制的硅諧振壓力傳感器產品精度水平滿足航空大氣數據系統要求。2015年，項目組與太原航空儀表有限公司開展合作，研制兩款壓力傳感器產品，開展國產化替代工作，解決了進口產品使用溫區限制、溫度跟隨性差、啟動時間長的問題。目前RPS2511/2512產品已完成正樣階段，進入設計定型階段;RPS5611產品目前正處于初樣階段。
　?。?）工業控制領域
　　高精度壓力傳感器在工業控制領域中常用于介質壓力的測量或壓力基準，其典型產品是數字壓力計、壓力控制器和壓力校準儀。本項目研制的RPS2513系列傳感器產品在太原市太航壓力測試科技有限公司開展試用。其應用報告指出三種量程的傳感器的綜合精度優于±0.02%FS(部分優于±0.01%FS)，滿足公司大氣數據測試儀的試驗要求，有望在航空地面壓力校準儀中替代國外進口器件。
　?。?）氣象領域
　　氣壓作為氣象六要素中的主要指標，對災害預警具有十分重要的作用。高精度大氣壓力傳感器作為氣壓測量的核心部件，廣泛應用于國家和地方的氣象站、氣候站、農業站等。本項目傳感器MERPT-M1系列產品分別在新疆維吾爾自治區氣象技術裝備保障中心、中國氣象局大氣探測試驗基地和江蘇省無線電科學研究所有限公司開展示范應用。用戶報告指出，傳感器的分辨率優于10Pa，準確度為±10Pa，綜合精度略優于國外器件(0.02%FS)，年漂移量小于100ppm(7Pa)。2018年，交付江蘇省無線電科學研究所有限公司MERPT-M1型壓力傳感器50余套。
　　以上就是傳感器專家網為你帶來的高精度硅諧振壓力傳感器的應用領域的相關介紹，看完之后，對這種傳感器是否有更深的了解了呢?

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文章標簽：傳感器技術的發展 , 壓力傳感器的研究 , 壓力傳感器的結構
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