12/14/2020，光纖在線訊，特種傳感器是指採用新原理、新技術、新材料、新工藝，具有特種功能用途，能感受被測量並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。
特種傳感器使用環境惡劣，技術指標、質量和可靠性要求高，研製生產難度大，已成為一項基礎性、戰略性、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展趨勢
美國 F－22 戰機裝備了新型的多譜傳感器系統，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，並可全天候作戰，提高了隱身能力。
F35 戰機監控系統中的特種傳感器，能進行故障診斷、預測與準確定位，避免重大安全事故的發生，作戰返回即可快速檢修，大大縮短維修時間，增加升空作戰架次，充分提高了武器系統的作戰效能。
海灣戰爭中，美軍使用的基於高衝擊加速度傳感器具有識別層數功能，鑽地彈擊中「阿米裡亞」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、網絡中心戰需求，特種傳感器正向微型化、集成化、智能化、無線化、系統化、網絡化方向發展。
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展、交叉和深化，從原先單一的敏感元件發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. 國外發展動向
各發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的發展，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項有助於提高21世紀美國空軍作戰能力的關鍵技術中，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，年使用萬億隻傳感器。
美國發展計劃和組織管理現狀如圖1所示。
圖1 美國發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，並且列為國家重點發展的核心技術之一。正是由於各國的普遍重視和投入開發，傳感器發展迅速，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」和物聯網將進一步促進傳感器研發和應用的跨越發展。
3. 國內外主要傳感器研究現狀
3.1 高溫壓力傳感器發展現狀
高溫壓力傳感器按照使用材料，通常可分為SOI， SiC、藍寶石、光纖等。
SOI傳感器採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，採用背面刻蝕技術（BESOI，Back-etching SOI） 開發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℃ 下長期穩定工作。
2009 年，馬裡蘭大學巴爾迪默分校的 Guo Shuwen 等人提出了一種基於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℃高溫下連續工作50h後，滿量程輸出偏差小於0.1% 。
SiC（ Silicon Carbide） 具有優良的抗輻照特性、熱學性能、抗腐蝕性。Sic 晶體形態較多，在高溫壓力傳感器中通常採用 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壓力傳感器多採用壓阻式原理，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℃ 的壓阻係數約為室溫下的50% ; ②SiC 歐姆接觸膜系的長期使用溫度均不高於800℃。
1997年，德國柏林工業大學的Zeirmann 等人在矽基底上外延3C-SiC薄膜，並利用壓阻效應實現壓力測量，工作溫度達到450℃。美國 NASA 格倫研究中心研製出應用於發動機狀態檢測的 6H-SiC 壓阻式壓力傳感器，率先實現了全SiC結構的壓敏晶片，壓力敏感結構以6H-SiC作為基底，利用同質外延摻雜、幹法刻蝕技術形成 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製的SOI高溫壓力傳感器，清華大學研製的6H-SiC壓阻式高溫壓力傳感器，工作溫度均小於400℃，中北大學研製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，是製備高溫傳感器的理想材料。目前基於藍寶石的高溫壓力傳感器主要有基於SOS（ Silicon on Sapphire）壓阻式壓力傳感器和基於藍寶石光纖的高溫壓力傳感器。
SOS 壓力傳感器起源於20世紀80年代，以藍寶石作為壓力應變結構，採用異質外延的單晶矽薄膜製作壓敏電阻，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，誤差小於0.1% ，水平與國外相當。
法布裡-珀羅（Fabri-Perot）幹涉光纖傳感器具有測量準確度高、抗電磁幹擾、抗輻射、工作溫度高等優點，適合應用於燃氣輪機、航空/航天發動機等高溫惡劣環境，是高溫壓力傳感器的熱門研究方向。F-P 幹涉光纖式高溫壓力傳感器原理如圖2所示，雷射在通過 F-P腔時形成多束反射光，通過反射光的幹涉條紋可以檢測出腔長，由於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係得到壓力值。
圖2 法布裡－珀羅幹涉光纖傳感器原理圖
英國 Oxsensis 公司研製了基於藍寶石敏感晶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幹法刻蝕及藍寶石的熱壓鍵合工藝，製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製作的藍寶石壓力傳感器耐受溫度可達1200℃。
3.2 微位移傳感器發展現狀
隨著微電子技術的蓬勃發展，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幹擾等，納米級分辨力的測量技術已經成為超精加工領域的發展趨勢。
高精度微位移測量的主要原理有：電容檢測、雷射幹涉以及光柵檢測等。
基於電容法的微位移傳感器發展最為迅速，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於領先地位。美國Lion Precision（LP）公司的電容傳感器分辨力為0.05nm、誤差小於為0.5nm; 德國 Physik Instrument（PI）公司的D－510系列電容傳感器在10μm 測量範圍內分辨力達到0.4nm; 英國 Queensgate 公司的 Nano-sensor 型電容傳感器在 500μm 測量範圍內分辨力為 0.1nm。國內天津大學、北京密雲工具機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點在於結構簡單、靈敏度高並且是非接觸式測量，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幹擾、系統極為複雜、成本較高。
基於雷射幹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，遠遠大於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非接觸式雷射幹涉儀。雷射幹涉儀在位移測量時，對測量環境要求較高、體積較大、不便於集成。
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，遠大於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 量子磁傳感器發展現狀
美國的BornaA等人研製了一種基於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，並與以超導量子幹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，並獲得了不錯的結果，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等人研製了微型化的銣87原子磁力儀，如圖5所示，其重量小於500g，功耗小於0.5W，靈敏度達到15 pT/√Hz。
圖5 微型化銣87原子磁力儀實物
義大利的Bevilacqua G等人研製了能在非屏蔽環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幹擾，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，並獲得了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，並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，並具有矢量測量的能力。
3.4 高溫振動傳感器發展現狀
高溫振動傳感器主要應用於發動機的狀態監測，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採用鉍層狀結構 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 ℃高溫環境下的振動測量。J. Borinski 等研製了將 MEMS 工藝與光纖技術結合的傳感器，應用於高溫環境下的振動測試，採用法布裡-珀羅幹涉儀作為信號處理裝置，該傳感器在1.6kHz以內信號響應不低於0.4dB。美國 NASA 利用 6H-SiC 製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製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雷射加工製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，構成外腔式法布裡-珀羅幹涉儀（ EFPI）。用飛秒雷射燒蝕空芯光纖，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於 V 形梁的雙差動扭力微加速度計，採用四個質量塊組成，分成兩組，通過差動算法可以提高其靈敏度、環境魯棒性和偏置穩定性。諧振頻率和品質因子分別為1485Hz和28.02。測量範圍 ±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 偏置穩定性1h為 0.11mg，Allan偏差為8.7μg。在－40～+ 60 ℃ 的全溫範圍內，標度因子的溫度敏感度為49.9×10－6 / ℃，而補償溫度後的偏移溫度係數為 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定性分別等於或高於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偏置不穩定性值。
壓電振動傳感器相對比較成熟，難點主要在於高溫工作，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矽酸鹽研究所、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：採用鉑熱電阻（Pt1000）的電阻溫度計，可達到－200～600℃ ; 採用鎢錸熱電偶的溫度傳感器，可達到2300℃（時間較短） ; 基於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，只能用於特殊場合。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於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範圍－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範圍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幹涉儀。其準確度可達到6.4×10－2dB/με和0.65/℃。
3.6 溼度傳感器發展現狀
溼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。高分子感溼膜吸收空氣中的水分子，使得感溼膜的介電常數發生變化，引起敏感晶片的容值變化，通過檢測敏感晶片的容值即可得到空氣溼度。國際上幾家知名的溼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），國內研究溼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、遲滯和重複性） 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。維薩拉在高溼環境以及鹽霧等環境下均能保證較好品質。
羅卓尼克是一家大型溫溼度及相關參數的傳感器技術製造公司，主要從事各種測量和校準相對溼度、溫度、露點、水分活度等儀器儀表的研製。
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、耐惡劣環境的特點，E+E被指定為「奧地利國家標準溼度實驗室」。
圖8 E+E公司數字溫溼度傳感器EEH210
敏感膜上採用表面防護專利技術預防灰塵和腐蝕，典型產品數字式溫溼度傳感器EEH210具有I2C，PWM，PDM和SPI數字接口，溼度準確度為 ±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溼度傳感器、溫溼度變送器等，典型產品集成溫溼度傳感器SHTC3，溫度測量範圍為－40～125℃，準確度為 ±0.2℃，溼度測量範圍為0～100%ＲH，準確度為 ±2%ＲH; 採用DFN封裝，體積為（2×2×0.75）mm3 。
中國電科49所在溼度傳感器領域，具有敏感晶片設計技術、有機薄膜成膜技術、金屬薄膜技術等，現有溼度敏感晶片產品包括 MSＲ－3A 型、MSＲ－3B 型、MSＲ－4 型，具有加熱功能元件、高穩定溼敏元件、快速響應溼敏元件，準確度為 ±3% ＲH，產品具有溼滯小、穩定等特點。
4. 結束語
目前，我國傳感器行業發展落後，2017 年我國傳感器銷售額突破1300億元，但其中傳感器進口佔60% ，傳感器晶片進口佔80% 。由於我國傳感器研發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。
傳感器研製周期長，需要長期的技術積累，且其關鍵是工藝技術和條件，由於長期以來缺少總體規劃和專門計劃，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，研製條件差、技術水平低，與美國傳感器巨頭的硬體相比，差距巨大。因此傳感器領域中高端產品的發展一直滯後於國外，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，自主創新不足，與發達國家相比有很大差距，整體落後約15～20 年。
建議一方面從敏感材料、敏感芯體入手，提高穩定性、環境適應性等，加快趕超世界先進水平; 另一方面，積極採用智能化技術，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