面向微压领域的高灵敏压力传感器的关键技术及应用

成果基本信息
关键词：	压力传感器;小流量检测;水泵
成果类别：		技术成熟度：
体现形式（基础理论类）：		体现形式（应用技术类）：	无
成果登记号：	18034008	资源采集日期：	2019-04-15

研究情况
单位名称：	温州大学	技术水平：
评价证书号：	JK鉴字[2018]第2126号	评价单位：	中国机械工业联合会
评价日期：	2018.12.04	评价证书号：	JK鉴字[2018]第2126号

转化情况
转让范围：		推广形式：	无
已转让企业数（个）：	3

联系方式
联系人（平台）：	玉女士	联系人（平台）电话：	0771-5885053
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成果简介
1.课题来源与背景　　微型压力传感器是自动测控系统集成的关键元件之一，目前高灵敏度压力传感器或变送器市场主要由传统的机械电容式和带前置放大电路的陶瓷电容式占有，采用放大器增大输出，并非获得真实的微小压力量程，因此输出灵敏度、产品稳定性和使用寿命较差。尤其随着物联网技术的兴起，亟待解决物理空间和信息空间的复杂耦合关联，以保障物联网在非确定环境下的应用服务需求，对压力检测装置的性能要求更高，研制新型高灵敏度压力传感器势在必行。　　从 2008 年起，项目组在浙江省自然科学基金和浙江省科技计划项目(2012C20188;LY13E050016;Y1111140;Y107746)资助下，采用纳米硅薄膜材料作为压力传感器的感应材料，通过器件级纳米硅薄膜的特性研究，建立理论模型，通过仿真与大量的实验研究，提出在单晶硅衬底上通过增强等离子化学沉积法生长优质纳米硅薄膜作为力敏测量层，采用力敏弹性力学结构的复合结构，与硅微加工工艺结合，制作高灵敏度微型压力传感器芯片。创新性通过无应力封装工艺，应力集中、改善低量程非线性等措施，进一步把量程低微化，制作超微压压力传感器，并采用恒流源高精度和宽温区补偿技术，从理论和实践上解决微型压力传感器灵敏度、温度稳定性和非线性的难题，并使之产业化，将所研发压力传感器应用于压力变送器、流量测控仪、智能水泵控制系统等，产生显著的经济效益。　　2.产品性能指标如下：　　①输出灵敏度：0~100Pa、0~250Pa量程时≥1.5mV/V；0~500Pa、0~1000Pa量程时≥5.0mV/V；　　②非线性精度：0.25%FSO~1.0%FSO。　　3.成果创新点主要包括：　　①器件级纳米硅薄膜的力电特性理论与实验研究　　在理论上建立了器件级纳米硅薄膜的压阻效应、力学行为及界面热力学模型，奠定了纳米硅薄膜高力学灵敏度的理论基础，并通过大量实验研究进行验证，为基于纳米硅薄膜的器件结构设计提供了依据。研究成果直接关系到纳米硅薄膜服役寿命及其器件可靠性，对提高纳米硅薄膜器件设计制造水平具有重要的意义。　　②新颖的纳米硅薄膜压力传感器芯片物理构建和设计方法　　包括传感器芯片长矩形薄膜的宽度和长度的确定；电阻条的设计；四个电阻条的布置位置；输出和灵敏度的理论计算等。研究用以梁为主，梁/膜/岛复合结构为力学弹性元件设计。分别用弹性力学理论和板壳理论推导了高长宽比矩形薄板在小挠度弯曲和大挠度弯曲下的挠度和应力公式，完成传感器薄膜力学结构及敏感元件分布的物理构建，从而获得更微小、更线性和高灵敏度的敏感元件结构，解决低量程高灵敏度与超薄梁膜大挠变引起的非线性两者间的矛盾，获得线性精度较高的压力传感器。　　③单边式压力传感器芯片大批量制造工艺和超低量程纳米硅压力传感器高精度和宽温区温度系数补偿方法　　项目组研究了无掩摸光刻技术，对图形形状及三维层次进行控制，从而实现应力集中，同时实现过载限位结构的压力传感器芯片。研究了微型压力传感器敏感元件稳定性的埋层内联与无应力封装技术。分析微机械结构制造工艺与CMOS工艺的兼容性，探讨了制造过程中的复杂材料系统相互作用机制，提出满足制造兼容性的方法，建立相关模型；开展传感器芯片与CMOS兼容的制造工艺验证，实现基于CMOS工艺的传感器芯片微加工制造。进行芯片封装、动静性能测试以及测试中噪声抑制研究等。　　针对纳米硅压力传感器在高精度和宽温区使用时，灵敏度温度系数补偿量大的特点，提出应用集成恒流源网络来补偿灵敏度温度系数的方法，从理论上推导了定量补偿的公式，验证了该方法的可行性和实用性，表明用集成恒流源补偿压力传感器具有补偿量大、成本低、效果好、精度高、容易集成等优点，在器件制作中有很大的应用前景。　　④高精度高灵敏度压力传感器产业化应用，促进了变频恒压供水及泵行业的发展。　　针对泵机因小流量状态导致频繁启动问题，高精度高灵敏度压力传感器集成应用于变频恒压供水领域，建立了基于灰色关联法实现无需流量传感器就能精确采集压力信息并在线输出功率检测，为智能泵的高效运行和电机安全提供可靠保证。建立了泵及泵控制器集成测控系统和集成测控平台，实现了自吸式离心泵控制器和多级离心泵控制器的多种模式的同台测试、压力传感器压力值的标定和漂移补偿，大幅提高了测试效率和计量标定精度。　　4.应用情况　　该成果产品硅薄膜微压力传感器应用于变频恒压供水和变频泵、智能泵等领域，解决了小流量检测难题和泵机的频繁启动问题，实现了高精度高稳定性恒压供水。产品经浙江神能科技股份有限公司和爱科赛智能科技（台州）有限公司产业化应用和推广，近三年产生直接经济效益2亿元。经集成应用和推广，以微压力检测、计量为手段，实现成套供水系统的智能化和信息化改造，提高供水稳定性、寿命和运行效率，降低了泵组的维护成本。

成果名称：	面向微压领域的高灵敏压力传感器的关键技术及应用	关键词：	压力传感器;小流量检测;水泵
成果类别：		一级分类名称：	机械制造
二级分类名称：	仪器仪表技术	三级分类名称：	传感器
研究起止时间：	2008.01 至2017.12	成果体现形式（应用技术类）：	无
成果属性：		成果体现形式（基础理论类）：
技术成熟度：		技术水平：
研究形式：		学科分类1：
单位名称：	温州大学	学科分类2：
中图分类号1：		所属高新技术类别：
中图分类号2：		课题来源：
应用行业：		课题立项名称：
国家科技计划子类别：		课题立项编号：	2012C20188;LY13E050016;Y111114
经费实际投入额（万元）：	55.00	评价单位：	中国机械工业联合会
评价形式：	无	应用状态：	无
评价日期：	2018.12.04	转让范围：
评价证书号：	JK鉴字[2018]第2126号	推荐单位：	温州大学
推广形式：	无	成果登记号：	18034008
成果简介：	1.课题来源与背景　　微型压力传感器是自动测控系统集成的关键元件之一，目前高灵敏度压力传感器或变送器市场主要由传统的机械电容式和带前置放大电路的陶瓷电容式占有，采用放大器增大输出，并非获得真实的微小压力量程，因此输出灵敏度、产品稳定性和使用寿命较差。尤其随着物联网技术的兴起，亟待解决物理空间和信息空间的复杂耦合关联，以保障物联网在非确定环境下的应用服务需求，对压力检测装置的性能要求更高，研制新型高灵敏度压力传感器势在必行。　　从 2008 年起，项目组在浙江省自然科学基金和浙江省科技计划项目(2012C20188;LY13E050016;Y1111140;Y107746)资助下，采用纳米硅薄膜材料作为压力传感器的感应材料，通过器件级纳米硅薄膜的特性研究，建立理论模型，通过仿真与大量的实验研究，提出在单晶硅衬底上通过增强等离子化学沉积法生长优质纳米硅薄膜作为力敏测量层，采用力敏弹性力学结构的复合结构，与硅微加工工艺结合，制作高灵敏度微型压力传感器芯片。创新性通过无应力封装工艺，应力集中、改善低量程非线性等措施，进一步把量程低微化，制作超微压压力传感器，并采用恒流源高精度和宽温区补偿技术，从理论和实践上解决微型压力传感器灵敏度、温度稳定性和非线性的难题，并使之产业化，将所研发压力传感器应用于压力变送器、流量测控仪、智能水泵控制系统等，产生显著的经济效益。　　2.产品性能指标如下：　　①输出灵敏度：0~100Pa、0~250Pa量程时≥1.5mV/V；0~500Pa、0~1000Pa量程时≥5.0mV/V；　　②非线性精度：0.25%FSO~1.0%FSO。　　3.成果创新点主要包括：　　①器件级纳米硅薄膜的力电特性理论与实验研究　　在理论上建立了器件级纳米硅薄膜的压阻效应、力学行为及界面热力学模型，奠定了纳米硅薄膜高力学灵敏度的理论基础，并通过大量实验研究进行验证，为基于纳米硅薄膜的器件结构设计提供了依据。研究成果直接关系到纳米硅薄膜服役寿命及其器件可靠性，对提高纳米硅薄膜器件设计制造水平具有重要的意义。　　②新颖的纳米硅薄膜压力传感器芯片物理构建和设计方法　　包括传感器芯片长矩形薄膜的宽度和长度的确定；电阻条的设计；四个电阻条的布置位置；输出和灵敏度的理论计算等。研究用以梁为主，梁/膜/岛复合结构为力学弹性元件设计。分别用弹性力学理论和板壳理论推导了高长宽比矩形薄板在小挠度弯曲和大挠度弯曲下的挠度和应力公式，完成传感器薄膜力学结构及敏感元件分布的物理构建，从而获得更微小、更线性和高灵敏度的敏感元件结构，解决低量程高灵敏度与超薄梁膜大挠变引起的非线性两者间的矛盾，获得线性精度较高的压力传感器。　　③单边式压力传感器芯片大批量制造工艺和超低量程纳米硅压力传感器高精度和宽温区温度系数补偿方法　　项目组研究了无掩摸光刻技术，对图形形状及三维层次进行控制，从而实现应力集中，同时实现过载限位结构的压力传感器芯片。研究了微型压力传感器敏感元件稳定性的埋层内联与无应力封装技术。分析微机械结构制造工艺与CMOS工艺的兼容性，探讨了制造过程中的复杂材料系统相互作用机制，提出满足制造兼容性的方法，建立相关模型；开展传感器芯片与CMOS兼容的制造工艺验证，实现基于CMOS工艺的传感器芯片微加工制造。进行芯片封装、动静性能测试以及测试中噪声抑制研究等。　　针对纳米硅压力传感器在高精度和宽温区使用时，灵敏度温度系数补偿量大的特点，提出应用集成恒流源网络来补偿灵敏度温度系数的方法，从理论上推导了定量补偿的公式，验证了该方法的可行性和实用性，表明用集成恒流源补偿压力传感器具有补偿量大、成本低、效果好、精度高、容易集成等优点，在器件制作中有很大的应用前景。　　④高精度高灵敏度压力传感器产业化应用，促进了变频恒压供水及泵行业的发展。　　针对泵机因小流量状态导致频繁启动问题，高精度高灵敏度压力传感器集成应用于变频恒压供水领域，建立了基于灰色关联法实现无需流量传感器就能精确采集压力信息并在线输出功率检测，为智能泵的高效运行和电机安全提供可靠保证。建立了泵及泵控制器集成测控系统和集成测控平台，实现了自吸式离心泵控制器和多级离心泵控制器的多种模式的同台测试、压力传感器压力值的标定和漂移补偿，大幅提高了测试效率和计量标定精度。　　4.应用情况　　该成果产品硅薄膜微压力传感器应用于变频恒压供水和变频泵、智能泵等领域，解决了小流量检测难题和泵机的频繁启动问题，实现了高精度高稳定性恒压供水。产品经浙江神能科技股份有限公司和爱科赛智能科技（台州）有限公司产业化应用和推广，近三年产生直接经济效益2亿元。经集成应用和推广，以微压力检测、计量为手段，实现成套供水系统的智能化和信息化改造，提高供水稳定性、寿命和运行效率，降低了泵组的维护成本。
联系人：	薛玉香	成果登记日期：	2018-12-15
联系人email：	81634038@qq.com	单位代码：	93300579
邮政编码222：	325035	联系人电话：	0577-86596013
单位传真：	0577-86597000	单位通讯地址：	浙江省温州市茶山高教园区
单位所在省市：		单位电话：	0577-86680895;86598000
转让收入（万元）：	0	单位属性：
合作完成单位：	浙江神能科技股份有限公司;爱科赛智能科技（台州）有限公司;江苏大学;温州华信仪表有限公司;博锐格科技温州有限公司	已转让企业数（个）：	3
成果发布年份：	2018	知识产权形式：
成果完成人：	郑蓓蓉;李峰平;周晨;王权;薛伟;彭志辉;赵军平;廖宁波;张淼;冮建华;张健;付培红;周余庆;周健	资源采集日期：	2019-04-15

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