MEMS压力传感器现状及其在弹药上的应用

姜 波，齐杏林，赵志宁，吕 静

(军械工程学院，河北 石家庄050003)

0 引言

MEMS技术是伴随着硅材料及其加工技术、IC技术的成熟而发展起来的，它的运用带来了传感器性能的大幅度提升，其特点主要包括:1)质量和尺寸的减少;2)标准的电路避免了复杂的线路和外围结构;3)可以形成传感器阵列，获取阵列信号;4)易于处理和长的寿命;5)低的生产成本，这包括低的能源消耗，较少的用材;6)可以避免或者少用贵重的和对环境有损害的材料［1］。大量采用MEMS器件以改进武器性能，已成为世界各国发展新型高科技武器装备的方向。随着近年弹药智能化的改进，其对以MEMS传感器为主的电子产品需求剧增。压力传感器是影响最为深远且应用最为广泛的MEMS传感器。MEMS压力传感器在弹药中的应用为弹药节省出空间，可使传感器阵列和更多小型微型电子器件应用于弹药，使其向智能化发展，也可使同等威力弹药向小型化发展。梳理出MEMS压力传感器现状及其在弹药中的应用方式对研究弹药智能化、小型化改进具有重要意义。

1 MEMS压力传感器分类

20世纪60年代初兴起的压力微传感器是第一种用微加工技术制造的硅传感器，也是目前最成熟的MEMS器件之一。压力微传感器从信号检测方式可划分为压阻式、电容式和谐振式等，其特点如下:

1)压阻式:通过测量材料应力来测量压力大小，它具有体积小、全动态测量范围的高线性度、较高的灵敏度、相对较小的滞后和蠕变的特点，此类型传感器多采用惠斯通电桥来消除温度影响。

2)电容式:通过测量电容变化来测量压力大小，相比较压阻式的传感器，它具有很高的灵敏度、低温度敏感系数、没有滞后、更高的长期稳定性，但同时它也有更高的非线性度、更大的体积，需要更复杂的检测电路和更高的生产成本。

3)谐振式:通过测量频率或频率的微分变化来测量压力大小，它可以通过诸如热、电磁和静电效应来改变膜片频率，并且可以通过真空封装来提高传感器精度。

此外，还有光纤压力传感器、多维力传感器等，但它们大多造价高昂或有技术局限，应用范围不如以上3种广泛。

2 MEMS压力传感器现状

硅压力传感器主要是硅扩散型压阻式压力传感器，其工艺成熟，尺寸较小，且性能优异，性价比较高。2010年12月，意法半导体公司采用创新的MEMS制造技术开发出压阻式MEMS压力传感器LPSOOl WP 0，LPS001WP通过覆盖在气腔上的柔性硅薄膜检测压力变化，该薄膜包括电阻值随着外部压力改变的微型力敏电阻器，压力检测量程为3×104～1.1×105Pa，可检测到最小6.5Pa的气压变化。2009年3月举行的慕尼黑上海电子展上，爱普科斯公司推出了业界封装较小的用于测量大气压力的压阻式MEMS传感器T5000/ABS1200E，尺寸仅为1.7 mm×1.7 mm×0.9 mm，可用于便携式电子产品测量气压和海拔高度［2］。

硅压阻式压力传感器受p-n结耐温限制，超过120℃时，传感器的性能会严重退化甚至失效;在600℃时会发生塑性变形和电流泄漏，远不能满足航空航天和石油化工等领域高温环境下的压力测量。为满足对极端环境下压力测量的迫切要求，国内外开展了恶劣环境用压力传感器的研究。各研究机构的研究材料各不相同，其中SiC材料、SoI材料、金刚石和光纤等新型压力传感器已成为国内外研究的重点。

美国Ku1ite传感器公司采用6H-SiC材料制作了压阻式压力传感器，可工作于600℃的高温，输入电压为5 V［3］。该公司还采用BESOI技术开发出超高温压力传感器XTEH-10LAC-190(M)系列，工作温度为 -55～482℃［4］。Werner M R等人［5］研制的金刚石膜压力传感器样件，可在300℃环境下工作。

Hezarjaribi Y等人［6］于2009年采用SiC材料制作出了一种接触式MEMS电容式压力传感器，其膜片的直径为150～360μm，板间的间隙深度为 0.5～6μm，当压力为0.05～10 MPa时该传感器具有良好的线性度。由于SiC具有优良的电稳定性、机械强度和化学稳定性，故该传感器可用于汽车工业、航天、石油钻探及核电站等恶劣环境。利用光纤传感技术实现温度、压力多参数组合测量是MEMS传感器发展的重要方向之一。

Opsens有限公司于2009年推出了生命科学和医学器件业内较小的MEMS光纤压力传感器OPPM25，导管外直径仅为0.25 mm，可对心脏血管的压力进行精确而可靠的测量，并可用于其他微小型化应用领域［7］。

厦门大学的冯勇建［8］设计了一种用SoI硅片和硅—硅键合MEMS技术制作的高温接触式电容压力传感器，并给出了详细的工艺制作流程。在对测试装置、测试电路进行了详细地介绍和深入分析后，用此测试电路对制作的传感器器件进行了高温测试。测试结果表明:传感器在小于250 kPa的室温条件下工作，传感器的灵敏度为0.54 mV/kPa;而在400℃条件下工作，传感器的灵敏度为0.41 mV/kPa，传感器的零点漂移为0.1 mV/℃。可见这种微传感器可在低于450℃的条件下正常工作，且具有很大的线性工作范围、良好的稳定性和较高的灵敏度。

中国科学院电子学研究所的庞程等人［9］利用ANSYS软件模拟接触式电容压力传感器的工作状态，得到硅膜的形变和应力分布状况。采用简单标准的工艺:利用KOH各向异性腐蚀进行硅片大面积、大深度腐蚀减薄，分析了其浓度配比对硅面平整度特性的影响，采用阳极键合形成真空腔，试验反应离子深瓤蚀形成硅膜的效果。芯片测试结果表明方案可行。

厦门大学的吕浩杰等人［10］设计了一种高性能双凹槽结构的接触式电容压力传感器，并对该传感器在高温环境中的总体性能进行了分析。推导了热传导和热弹性理论，并对影响传感器热分析的各个因素与温度的依赖关系进行了描述;在整个分析过程中，使用ANSYS软件并结合有限元方法，对全尺寸传感器的热效应进行模拟。结果表明:在接触工作状态双凹槽接触式电容压力传感器的温度对输入(压力)—输出(电容)特性的影响是线性的，且线性范围内初始压力随温度的升高而降低;当温度载荷为550 K时，双凹槽结构的灵敏度为1.21×10-6pF/Pa，比传统单凹槽的0.8×10-6pF/Pa高出50%，表明该压力传感器有着非常优异的高温特性。

中北大学的李永红等人［11］研究了机载压阻式压力传感器，介绍了这种压阻式压力传感器的设计原理和加工技术，设计出了敏感电路和硅膜结构，根据所设计压力传感器的结构特点和国内现有加工设备，采用了体硅加工技术和表面加工技术相结合的加工方法进行加工研究并给出了加工模型。

天津大学的郭源生［12］运用MEMS工艺技术制作的敏感元件和介质隔离特殊封装工艺，研制出压力传感器。在腔体内置填充架、充油位置、波纹膜结构等进行了技术创新，使产品的过滤脉冲压力、抗过载和温度系数具有一定的提高，并就创新点对参数影响等特征进行相关论述。

中国科学院电子学研究所的于留波等人［13］中从金属应变式压力传感器的基本理论出发，以硅弹性膜铂应变电阻压力传感器为原型，推导了圆形和方形弹性膜片上电阻的变化率公式。通过比较，选用方形弹性膜为压力承压膜，以优化承压膜的宽厚比为出发点，用有限元方法对不同厚度方形膜片(宽度为2 mm)进行应力分析。由硅材料的屈服应力与最大位移的限制，确定了最优的膜厚范围;根据有限元仿真的结果，对压力传感器进行优化设计，对所做压力传感嚣芯片进行测试，在6.00×104～1.06×105Pa的范围内，其精度优于50 Pa。

3 MEMS压力传感器在弹药中的应用

3.1 在引信安全系统中的应用

2001年的美军引信年会，美海军水面武器中心的印第安分部已经利用微机电技术开发出用于鱼雷引信的微小型起爆装置［14］，该起爆装置含有惯性测量单元、气流和冲击传感器、冲击雷管和发火装置，体积仅为 115 cm3，是533 mmMK48鱼雷使用的MK21起爆装置的1/17，造价是其1/4。2002年引信年会，该机构展示了这种基于LIGA技术的MEMS安保系统，如图1所示［15］。图2为MEMS差压传感器。

图1 基于LIGA技术的MEMS安保系统Fig 1 MEMS safety and arming system based on LIGA technology

图2 MEMS差压传感器Fig 2 MEMSdifferential pressure sensor

2003年，Deeds M发表文章，文中系统分析了这种基于流量压力传感器的引信安保系统［16］。图3为该传感器组件图。2004年，引信年会文献展示了这种安全保险系统升级版本。它采用了深反应离子刻蚀工艺［17］。与前一版本相比价格更便宜，体积更小，作用更可靠，精度更高。

图3 传感器组件图Fig 3 Assembly diagram of sensor

3.2 在确定弹底压力中的应用

美国陆军研究实验室基于MEMS技术制造出了炮弹用高压力传感器用于确定弹底压力。这种高压力传感器使用0.5μm厚的锆钛酸铅(PZT)薄膜来产生与压力呈正比的电荷。在炮弹内加装传感器所面临的主要问题是空间问题。除了炮弹尾部追踪器腔内的空间外，没有多余的空间来安装传感器。而如果对炮弹进行改动会对弹道产生不利影响。传统的压力传感器依靠的是膜片变形的电容传感器。然而，在炮弹发射时，极大的变形或位移会使传感器的恢复时间过长(达到几秒)而无法使用。有一种电气石晶体传感器的电容会随着压力发生线性变化。利用压电薄膜替换电气石晶体可以使这种传感器实现小型化并提高性能，使其有可能用于测定炮弹发射时的压力［18］。

这种传感器在承受压力时压电薄膜会发生变形，通过直接的压电作用产生表面电荷。利用微制造技术还可以使这种传感器实现批量生产。美国陆军研究实验室目前正在为美国国防部提供智能传感器和射频装置，以满足未来战斗系统(FCS)的需要。为了制造出新型的高性能装置，美国陆军研究实验室对MEMS加工和制造技术研究提供大力支持。其MEMS实验室专门配备了先进的加工和制造设备，可以沉积半导体和陶瓷氧化物(特别是PZT)薄膜、构建图案结构、对材料进行干蚀刻和表征。MEMS实验室开发出了一种独特的工艺，可以制造出亚微米尺寸的Si，PZT和Pt薄膜。利用这种工艺，美国陆军研究实验室制造出了PZT薄膜压力传感器，并获得了这种传感器承受很高压力时的性能。

3.3 在弹道修正引信中的应用

在北京理工大学一维弹道修正引信的研究中，他们根据“通过确定弹道上最小速度点的速度值及其出现时间即可完全而唯一的确定该条弹道”的结论，以单片机为弹道敏感测试系统的核心，采用MEMS压力传感器测量飞行弹丸轴向的迎面动压力，进而换算成弹丸的轴向速度，用单片机的内部定时器精确定时，从而解算出实际弹道参数，为一维弹道修正引信的控制系统提供控制信号。通过几种马赫数下的风洞实验，验证了测试系统的原理与实现的可行性［19］。

这种弹道特征敏感测试系统采用弹载单片机作为测量核心，最小速度的测量采用MEMS压力传感器，以敏感炮弹轴向的迎面压力，进而换算成炮弹轴向速度，弹载单片机随时检测速度，并判断其最小值。最小值的出现时间可由单片机内部定时器精确定时，在传感器输出信号达到最小值时测得。由最小速度与其出现时间可解算出实际弹道参数，为一维弹道修正引信的控制系统提供控制信号。测试系统主要有测速用空气动压力传感器、仪表放大器、A/D转换器、弹载单片机及其接口等部分组成。

4 结束语

随着微机械加工技术、集成电路技术、加工工艺和材料制备与特性研究工作的进展，必将使得MEMS压力传感器的批量生产、在弹药中的大量应用成为可能，并且其在弹药中的应用呈小型化、集成化、智能化、网络化、广泛化、标准化趋势，也使得MEMS压力传感器在整个国防工业中有着更广泛的应用前景。

［1］李 俊，陈玉玲.微型MEMS传感器介绍及应用［C］∥中国宇航学会结构强度与环境工程专委会暨中国航天第八专业信息网2007年度技术信息交流会，北京:2007.

［2］Yole Development SA.MEMStechnology:World’s smallest barometric pressure sensor［J］.Micro News，2009，78:1.

［3］Ned A A，Okojie R S，Kurtz A D，et al.6H-SiC pressure sensor operation at 600℃［C］∥Proceedings of High Temperature Electronics Conference，Albuquerque，NM，USA，1998:257-260.

［4］张冬至，胡国清，陈昌伟.MEMS高温压力传感器研究与进展［J］.仪表技术与传感器，2009(11):4-6.

［5］Werner M R，Famidon W R.Review on materials，micro sensors，systems，and devices for high-temperature and harsh-environment applications［J］.IEEE Transaction on Electronics，2001，48(2):249-257.

［6］Hezarjaribi Y，Hamidon M N，Sidek R M，et al.Analytical and simulation evaluation for diaphragm's deflection and its applications to touch mode MEM Scapacitive pressure sensors［J］.Journal of Basic and Applied Sciences，2009，3(4):4281-4292.

［7］Yole Development SA.Opsens launches new miniature pressure sensor for life sciences and medical devices［J］.Micro News，2009，78:19.

［8］冯勇建.MEMS高温接触式电容压力传感器［J］.仪器仪表学报，2006，27(7):804-807.

［9］庞 程，赵 湛，杜利东，等.MEMS硅膜电容式气象压力传感器的研制［J］.微纳电子技术，2007，7(8):249-251，278.

［10］吕浩杰，胡国清，邹 卫，等.高性能MEMS电容压力传感器的设计及其热分析［J］.光学精密工程，2010，18(5):1166-1174.

［11］张 栋，李永红.机载压阻式压力传感器设计与加工［J］.仪表技术，2007(6):62-64.

［12］郭源生.基于MEMS技术的介质隔离压力传感器工艺研究［J］.仪表技术与传感器，2008(11):18-19，31.

［13］于留波，赵 湛，方 震，等.基于MEMS技术的金属应变式压力传感器优化设计［J］.仪表技术与传感器，2010(2):1-3.

［14］Anh D N.Ordnance fuzing/safety ＆ arming programs overview［C］∥NDIA The 45th Annual Fuze Conference，Long Beach，CA，USA，2001.

［15］Hendershot J.Ordnance fuzing/safety ＆ arming programs overview［C］∥NDIA The 46th Annual Fuze Conference，San Antonio，TX，USA，2002.

［16］Deeds M.Miniature flow sensor for use as a s＆a second environment sensor［C］∥NDIA The 47th Annual Fuze Conference，New Orleans，LA，USA，2003.

［17］Hendershot J.Weapon fuzing/safety＆ alarming technology programs overview［C］∥NDIA The 48th Annual Fuze Conference，Charlotte，NC，USA，2004.

［18］Zakar E.Micro-electro-mechnical system pressure sensor for projectile applications ADA 426855［R］.Adelthi，MD，USA:Army Research Laborary，2004.

［19］李东光，周国勇，马宝华.一维弹道修正引信弹道敏感技术［J］.兵工学报，2003，24(3):291-296.