12/14/2020，光纖在線訊，特種傳感器是指采用新原理、新技術、新材料、新工藝，具有特種功能用途，能感受被測量并轉成可用信號輸出的器件，甚至把信息獲取、處理、通信等通過微納加工和微組裝等先進技術進一步集成，形成智能化傳感器。

特種傳感器使用環(huán)境惡劣，技術指標、質量和可靠性要求高，研制生產難度大，已成為一項基礎性、戰(zhàn)略性、前瞻性的高新技術，是大數據和信息獲取的關鍵。

1. 特種傳感器的重要作用及發(fā)展趨勢

美國 F－22 戰(zhàn)機裝備了新型的多譜傳感器系統(tǒng)，實現了全被動式搜索與跟蹤，可在諸如有霧、煙或雨等各種惡劣天氣情況下使用，并可全天候作戰(zhàn)，提高了隱身能力。

F35 戰(zhàn)機監(jiān)控系統(tǒng)中的特種傳感器，能進行故障診斷、預測與準確定位，避免重大安全事故的發(fā)生，作戰(zhàn)返回即可快速檢修，大大縮短維修時間，增加升空作戰(zhàn)架次，充分提高了武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。

海灣戰(zhàn)爭中，美軍使用的基于高沖擊加速度傳感器具有識別層數功能，鉆地彈擊中“阿米里亞”地下多層防空洞。JDAM、制導炮彈等需要大量低成本、高精度 MEMS 慣導傳感器。

在軍事領域中，為適應信息戰(zhàn)、網絡中心戰(zhàn)需求，特種傳感器正向微型化、集成化、智能化、無線化、系統(tǒng)化、網絡化方向發(fā)展。

微米/納米、光纖、超導、仿生、網絡通信以及新型材料等高新技術的迅速發(fā)展對傳感器技術研究產生巨大的推動作用，特種傳感器技術不斷地發(fā)展、交叉和深化，從原先單一的敏感元件發(fā)展到陣列集成傳感器、智能傳感器，直到最新的無線網絡傳感器等。

2. 國外發(fā)展動向

各發(fā)達國家把傳感器技術特別是特種傳感器技術列為國家重點關鍵技術大力發(fā)展。

美國從20世紀90年代開始就特別重視軍用傳感器與微系統(tǒng)的發(fā)展，多次列入專項計劃，突出了傳感器的重要作用。1991年美國國防部將無源傳感器列為21項關鍵技術之一，研究經費最多，為20億美元; 1996年，美國國防部將特種傳感器列為國防技術領域計劃中十個重要技術領域之一; 2000年，美國國防部再次將特種傳感器列為國防技術領域計劃中10個重要技術領域之一，同時，美國空軍提出的15項有助于提高21世紀美國空軍作戰(zhàn)能力的關鍵技術中，傳感器技術名列第二; 2006年，《美國國防部發(fā)展中關鍵技術清單（ DSTL） 》將傳感器技術列為需要重點關注和發(fā)展的關鍵技術（第11大類）; 2013年美國首先提出“萬億傳感器革命”計劃，年使用萬億只傳感器。

美國發(fā)展計劃和組織管理現狀如圖1所示。


圖1 美國發(fā)展計劃和組織管理現狀

歐盟、俄國、日本對傳感器技術也都相當重視，并且列為國家重點發(fā)展的核心技術之一。正是由于各國的普遍重視和投入開發(fā)，傳感器發(fā)展迅速，近十幾年來其產量及市場需求量年增長率均在10% 以上。目前的“萬億傳感器革命”和物聯(lián)網將進一步促進傳感器研發(fā)和應用的跨越發(fā)展。

3. 國內外主要傳感器研究現狀

3.1 高溫壓力傳感器發(fā)展現狀

高溫壓力傳感器按照使用材料，通�？煞譃镾OI， SiC、藍寶石、光纖等。

SOI傳感器采用氧化層絕緣對壓敏電阻進行隔離，國外典型代表是美國庫力特（Kulite） 公司產品，采用背面刻蝕技術（BESOI，Back-etching SOI） 開發(fā)出了高溫壓力傳感器（XTEH－10LAC－190 系列） ，此傳感器使用無引線封裝技術，可在 480℃ 下長期穩(wěn)定工作。

2009 年，馬里蘭大學巴爾迪默分校的 Guo Shuwen 等人提出了一種基于極薄膜重摻雜工藝的壓阻式SOI高溫壓力傳感器。此傳感器短時間工作溫度可達600℃; 在 500℃高溫下連續(xù)工作50h后，滿量程輸出偏差小于0.1% 。

SiC（ Silicon Carbide） 具有優(yōu)良的抗輻照特性、熱學性能、抗腐蝕性。Sic 晶體形態(tài)較多，在高溫壓力傳感器中通常采用 α 型的 3C-SiC 和 β 型的 4H，6H-SiC，其中 β－SiC 在 1600℃ 時仍能保持良好的機械強度。SiC壓力傳感器多采用壓阻式原理，影響其工作溫度的因素有：①外延 6H-SiC薄膜的壓阻效應在高溫時降低，如600℃ 的壓阻系數約為室溫下的50% ; ②SiC 歐姆接觸膜系的長期使用溫度均不高于800℃。

1997年，德國柏林工業(yè)大學的Zeirmann 等人在硅基底上外延3C-SiC薄膜，并利用壓阻效應實現壓力測量，工作溫度達到450℃。美國 NASA 格倫研究中心研制出應用于發(fā)動機狀態(tài)檢測的 6H-SiC 壓阻式壓力傳感器，率先實現了全SiC結構的壓敏芯片，壓力敏感結構以6H-SiC作為基底，利用同質外延摻雜、干法刻蝕技術形成 PN 結和壓阻結構，再使用Ti /TaSi /Pt 膜系實現歐姆接觸，最高工作溫度達750℃。

國內典型代表是西安交通大學研制的SOI高溫壓力傳感器，清華大學研制的6H-SiC壓阻式高溫壓力傳感器，工作溫度均小于400℃，中北大學研制的陶瓷基無線無源高溫壓力傳感器，工作溫度為 800℃。

藍寶石主要成分是 Al3O2，具有良好的光學特性和絕緣性，熔點為2040℃，在1500℃ 時仍保持良好機械性能，是制備高溫傳感器的理想材料。目前基于藍寶石的高溫壓力傳感器主要有基于SOS（ Silicon on Sapphire）壓阻式壓力傳感器和基于藍寶石光纖的高溫壓力傳感器。

SOS 壓力傳感器起源于20世紀80年代，以藍寶石作為壓力應變結構，采用異質外延的單晶硅薄膜制作壓敏電阻，工作溫度可達350℃。國外以Omega 等公司為代表，國內中國電子科技集團第四十九研究所的SOS壓力傳感器系列量程為2～100MPa，誤差小于0.1% ，水平與國外相當。

法布里-珀羅（Fabri-Perot）干涉光纖傳感器具有測量準確度高、抗電磁干擾、抗輻射、工作溫度高等優(yōu)點，適合應用于燃氣輪機、航空/航天發(fā)動機等高溫惡劣環(huán)境，是高溫壓力傳感器的熱門研究方向。F-P 干涉光纖式高溫壓力傳感器原理如圖2所示，激光在通過 F-P腔時形成多束反射光，通過反射光的干涉條紋可以檢測出腔長，由于不同的壓力會引起感壓膜不同的變形量（即引起腔長的變化），根據腔長與壓力的關系得到壓力值。


圖2 法布里－珀羅干涉光纖傳感器原理圖

英國 Oxsensis 公司研制了基于藍寶石敏感芯片的光纖壓力傳感器，工作溫度可達600℃，短期工作可達1000℃。

美國 Virginia 理工大學的Wang Anbo等人利用藍寶石的ICP干法刻蝕及藍寶石的熱壓鍵合工藝，制作了全藍寶石結構的F-P腔，該傳感器的最高使用溫度可達1500℃，如圖3所示。


圖3 Virginia 理工大學的高溫壓力傳感器

北京理工大學的江毅教授、中國電子科技集團公司第四十九研究所制作的藍寶石壓力傳感器耐受溫度可達1200℃。

3.2 微位移傳感器發(fā)展現狀

隨著微電子技術的蓬勃發(fā)展，對微位移量高準確度測量的需求逐漸增加，且要求微型化、高分辨力、較大檢測量程以及抗干擾等，納米級分辨力的測量技術已經成為超精加工領域的發(fā)展趨勢。

高精度微位移測量的主要原理有：電容檢測、激光干涉以及光柵檢測等。

基于電容法的微位移傳感器發(fā)展最為迅速，目前美國和德國在高精度的電容位移傳感器測量領域已處于領先地位。美國Lion Precision（LP）公司的電容傳感器分辨力為0.05nm、誤差小于為0.5nm; 德國 Physik Instrument（PI）公司的D－510系列電容傳感器在10μm 測量范圍內分辨力達到0.4nm; 英國 Queensgate 公司的 Nano-sensor 型電容傳感器在 500μm 測量范圍內分辨力為 0.1nm。國內天津大學、北京密云機床研究所等高校和科研機構也有相關研究。電容式位移傳感器的優(yōu)點在于結構簡單、靈敏度高并且是非接觸式測量，其主要缺點是量程小、輸出為非線性、寄生電容易對測量產生干擾、系統(tǒng)極為復雜、成本較高。

基于激光干涉原理的位移檢測儀有：英國雷尼紹公司ML10系列，測量速度快（60m/min），分辨力高（1 nm），量程達到1m的級別，遠遠大于電容式微位移傳感器的量程; 北京鐳測科技有限公司生產了LY1000非接觸式激光干涉儀。激光干涉儀在位移測量時，對測量環(huán)境要求較高、體積較大、不便于集成。

以光柵條紋為測量原理的光柵測微儀與電容式傳感器相比，成本較低、量程較大。例如，德國海德漢公司生產的LC系列光柵尺最小分辨力可達1nm，準確度等級±2μm，量程為270mm，遠大于電容式位移傳感器微米級別的量程，英國雷尼紹的光柵位移傳感器的分辨力為10nm。國內以長春光機所和廣州信和的光柵位移傳感器為代表。

[b]3.3 量子磁傳感器發(fā)展現狀

美國的BornaA等人研制了一種基于原子磁力儀的多通道腦磁圖儀，成功對大腦的腦磁信號進行了成像，并與以超導量子干涉磁力儀為基礎的腦磁圖儀進行了比較，得到了一致的效果。

美國的Cooper RJ 等人利用原子磁力儀陣列對亞硝酸鈉中的氮原子核四極共振現象進行了探測，并獲得了不錯的結果，其原子磁力儀靈敏度達到了1.7 fT/ √Hz。核四極共振探測裝置如圖4所示。


圖4 核四極共振探測裝置

德國的 Wickenbrock A 等人和英國的 Deans C 等人利用原子磁力儀進行了電磁感應成像方面的研究。

美國的 Kim YJ 等人利用原子磁力儀提出了一種磁顯微成像的方法。其成像的磁性微粒尺寸可以達到10μm。

美國的 Korth H等人研制了微型化的銣87原子磁力儀，如圖5所示，其重量小于500g，功耗小于0.5W，靈敏度達到15 pT/√Hz。


圖5 微型化銣87原子磁力儀實物

意大利的Bevilacqua G等人研制了能在非屏蔽環(huán)境下工作的多通道原子磁力儀，該裝置通過差分方式消除外界干擾，最終達到100fT/√Hz的靈敏度水平。

德國的Schultze V等人提出了一種光頻移散射式的Mz光泵磁力儀，通過兩個Mz光泵信號的差分信號，得到較高的信噪比，從而得到了10fT/√Hz 的噪聲極限。

印度的Pradhan S利用橢圓偏振光提出了一種三軸矢量原子磁力儀的方案，通過不同方向磁場對偏振光的偏振方向的影響，最終利用偏振探測的方式實現三軸磁場測量，如圖6所示。


圖6 不同方向磁場變化下的三軸響應

哈爾濱工程大學的孫偉民教授小組開展了全光矢量原子磁力儀的研究，并獲得了80fT/√Hz 的磁場靈敏度和0.1（°）/√Hz的角度分辨力。

北京航天航空大學的房建成院士小組提出了一種利用原子磁力儀測量氙－129的自旋極化率的測量方法，并與國外的測量數據進行了較好的匹配。

中國電科49所提出了一種小型高靈敏度全光矢量磁暗態(tài)原子磁傳感器方案，在10000nT 條件下，實現 50fT/√Hz的總場檢測靈敏度，正在開展各軸矢量測量技術研究。該方案將磁子能級間的量子相干引入到光泵磁共振信號檢測中，可有效地避免光泵原子磁力儀的工作盲區(qū)，并具有矢量測量的能力。

3.4 高溫振動傳感器發(fā)展現狀

高溫振動傳感器主要應用于發(fā)動機的狀態(tài)監(jiān)測，國內外已經開展了一些高溫振動傳感器的研究，主要集中在壓電式、壓阻式、光纖式等方面。

美國 Endevco 公司（型號6233C－10，6233C－50， 6233C－100 等）、美國 PCB 公司、丹麥 B＆K公司（型號8324，8347－C 等）、瑞士VM公司等國外主要高溫壓電振動傳感器生產商均采用鉍層狀結構 Bi4Ti3O12改性的壓電陶瓷材料，能夠在 482℃ 高溫下正常工作。美國 Endevco 公司的 6237M70 型以及美國 PCB 公司的 357C90 型壓電振動傳感器工作溫度更是達到 650℃。

美國北卡羅萊納州立大學應用 YCa4O（BO3）3壓電晶體實現了1000 ℃高溫環(huán)境下的振動測量。J. Borinski 等研制了將 MEMS 工藝與光纖技術結合的傳感器，應用于高溫環(huán)境下的振動測試，采用法布里-珀羅干涉儀作為信號處理裝置，該傳感器在1.6kHz以內信號響應不低于0.4dB。美國 NASA 利用 6H-SiC 制作了壓阻式高溫振動傳感器，工作溫度600℃。美國美捷特公司的CA901壓電式高溫振動傳感器，工作溫度為650℃。北京航空工藝研究所的SHQ－80 型整體式耐高溫振動傳感器，選用鈦酸鍶鉍壓電陶瓷制造傳感器的敏感元件，工作溫度為400℃。

北京理工大學江毅利用飛秒激光加工制作了微納高溫振動傳感器，其結構如圖7所示。通過熔接形成單模光纖—空芯光纖—單模光纖的結構，利用單模光纖和空芯光纖在熔接面形成的菲涅爾反射，構成外腔式法布里-珀羅干涉儀（ EFPI）。用飛秒激光燒蝕空芯光纖，形成懸臂梁結構。末端的單模光纖作為質量塊，在受到振動時帶動懸臂梁振動，使懸臂梁產生微彎，進而使 EFPI腔長發(fā)生變化。工作帶寬為20～300Hz，在100Hz時，加速度分辨力為 5×10－4 g，加速度響應靈敏度為129.6nm/g。傳感器受溫度影響小，腔長的溫度交 叉響應僅為 0.225nm/ ℃，工作溫度可達950 ℃。


圖7 光纖振動傳感器結構

國防科技大學的肖定邦提出一種基于 V 形梁的雙差動扭力微加速度計，采用四個質量塊組成，分成兩組，通過差動算法可以提高其靈敏度、環(huán)境魯棒性和偏置穩(wěn)定性。諧振頻率和品質因子分別為1485Hz和28.02。測量范圍 ±15g的靈敏度和非線性分別為0.14 mV/g和0.22% 。x軸和 y軸的橫軸誤差分別為 0.04% 和 0.69% 。加速度計的 1G 偏置穩(wěn)定性1h為 0.11mg，Allan偏差為8.7μg。在－40～+ 60 ℃ 的全溫范圍內，標度因子的溫度敏感度為49.9×10－6 / ℃，而補償溫度后的偏移溫度系數為 0.22 mg / ℃。

土耳其中東科技大學的Akin Aydemir設計了三軸電容式MEMS加速計，尺寸為2.7×4.2mm，垂直軸加速度計的靜止電容設計為8.8pF，側軸加速度計為10.2pF。利用分別集成到各軸的模擬讀出電路，得到了系統(tǒng)的性能結果。X軸和 Y軸加速度計顯示的噪聲下限和偏置不穩(wěn)定性分別等于或高于13.9μg /√Hz和17μg，而Z軸加速度計顯示的是17.8μg /√Hz噪聲下限和36μg偏置不穩(wěn)定性值。

壓電振動傳感器相對比較成熟，難點主要在于高溫工作，國內的生產單位主要有中國電子科技集團公司第四十九研究所、航空工業(yè)蘇州長風航空電子有限公司和成都凱天電子股份有限公司等，目前工作溫度能夠達到482℃，美國Endevco 和PCB、丹麥B＆K、瑞士VibroMeter等少數幾家公司，其產品最高工作溫度已達到760℃。高溫壓電陶瓷材料的生產單位主要集中在中國科學院上海硅酸鹽研究所、四川大學、電子科技大學、山東大學等幾家研究機構。

3.5 溫度傳感器發(fā)展現狀

國內外目前使用的溫度測量方法，主要可以分為接觸式和非接觸式兩大類。目前的接觸溫度傳感器典型產品包括：采用鉑熱電阻（Pt1000）的電阻溫度計，可達到－200～600℃ ; 采用鎢錸熱電偶的溫度傳感器，可達到2300℃（時間較短） ; 基于石英光纖的溫度傳感器，工作溫度一般不超過800℃ ; 藍寶石光纖高溫傳感器，可達到1500℃，但其價格高昂、互換性差，只能用于特殊場合。非接觸式溫度傳感器主要為紅外線溫度傳感器及目前還處于研究階段的黑體空腔高溫計，美國 Omega 公司的紅外線溫度傳感器的測量范圍－18 ～538 ℃ ; 黑體空腔高溫計最高測量溫度為1600℃ ; 浙江大學研究的藍寶石黑體腔光纖傳感器的測量范圍600～1800 ℃。

由Juan Kang，Xinyong Dong 等人提出應變和溫度同時測量的內接光纖光柵的Sagnac干涉儀。其準確度可達到6.4×10－2dB/με和0.65/℃。

3.6 濕度傳感器發(fā)展現狀

濕度傳感器主要以高分子有機薄膜測量原理為主，其它還有紅外吸收法、露點法等。高分子感濕膜吸收空氣中的水分子，使得感濕膜的介電常數發(fā)生變化，引起敏感芯片的容值變化，通過檢測敏感芯片的容值即可得到空氣濕度。國際上幾家知名的濕度傳感器公司分別為芬蘭維薩拉（VAISALA）、奧地利益加義（E+E）、羅卓尼克（ＲOTＲONIC）、盛思銳（SENSIＲION），國內研究濕度傳感器的主要單位是中國電科49所。

維薩拉公司代表產品HMP45D，HMP155等均具有世界領先水平，準確度（ 包括非線性度、遲滯和重復性） 可達：－20～40℃ 時，±1.7%ＲH;－40～－20℃ 時，±（1.0+0.008×讀數）%ＲH; 40～60 ℃ 時，±（1.2 + 0.012×讀數）%ＲH。維薩拉在高濕環(huán)境以及鹽霧等環(huán)境下均能保證較好品質。

羅卓尼克是一家大型溫濕度及相關參數的傳感器技術制造公司，主要從事各種測量和校準相對濕度、溫度、露點、水分活度等儀器儀表的研制。

奧地利益加義（E+E）電子有限公司主要從事高精度傳感器的開發(fā)和研究，特別是薄膜測量技術方面。產品具有可互換、耐惡劣環(huán)境的特點，E+E被指定為“奧地利國家標準濕度實驗室”。


圖8 E+E公司數字溫濕度傳感器EEH210

敏感膜上采用表面防護專利技術預防灰塵和腐蝕，典型產品數字式溫濕度傳感器EEH210具有I2C，PWM，PDM和SPI數字接口，濕度準確度為 ±2%ＲH，溫度準確度為±0.3 ℃。

瑞士盛思銳公司主要產品是集成化溫濕度傳感器、溫濕度變送器等，典型產品集成溫濕度傳感器SHTC3，溫度測量范圍為－40～125℃，準確度為 ±0.2℃，濕度測量范圍為0～100%ＲH，準確度為 ±2%ＲH; 采用DFN封裝，體積為（2×2×0.75）mm3 。

中國電科49所在濕度傳感器領域，具有敏感芯片設計技術、有機薄膜成膜技術、金屬薄膜技術等，現有濕度敏感芯片產品包括 MSＲ－3A 型、MSＲ－3B 型、MSＲ－4 型，具有加熱功能元件、高穩(wěn)定濕敏元件、快速響應濕敏元件，準確度為 ±3% ＲH，產品具有濕滯小、穩(wěn)定等特點。

4. 結束語

目前，我國傳感器行業(yè)發(fā)展落后，2017 年我國傳感器銷售額突破1300億元，但其中傳感器進口占60% ，傳感器芯片進口占80% 。由于我國傳感器研發(fā)和保障能力嚴重不足，在特種傳感器領域，所需的中高端特種傳感器產品絕大部份依賴進口。準確度、穩(wěn)定性等方面的指標，我國生產的傳感器與國際先進水平差距仍然比較大。

傳感器研制周期長，需要長期的技術積累，且其關鍵是工藝技術和條件，由于長期以來缺少總體規(guī)劃和專門計劃，投資少且分散，條件保障投入嚴重不足，沒有成體系的建設，我國的傳感器生產工藝裝備與國際水平有很大差距，研制條件差、技術水平低，與美國傳感器巨頭的硬件相比，差距巨大。因此傳感器領域中高端產品的發(fā)展一直滯后于國外，滿足不了國計民生的需求。

同時，我國傳感器基礎能力和核心技術研究薄弱，自主創(chuàng)新不足，與發(fā)達國家相比有很大差距，整體落后約15～20 年。

建議一方面從敏感材料、敏感芯體入手，提高穩(wěn)定性、環(huán)境適應性等，加快趕超世界先進水平; 另一方面，積極采用智能化技術，克服材料芯體的自身短板，提高傳感器測量準確度。

作者：王勁松 ，遲曉珠
來源：中國電子科技集團公司第四十九研究所，中國氣象局氣象探測中心