科技成果——高精度硅谐振压力传感器

科技成果——高精度硅谐振压力传感器

技术领域新一代信息技术

技术开发单位中国科学院电子学研究所

技术概述高精度压力传感器采用先进的换能机制，利用单晶硅的良好机械特性，将压力的作用应力转化机械部件的固有频率，并输出。传感器具有低迟滞误差、重复性好，长期稳定性好等优点。

（1）采用基于双谐振器的原位温度自补偿技术，有效解决传感器温度漂移问题，实现了全温区0.01%FS精度等级；

（2）采用全温区稳幅闭环控制技术，有效降低传感器非线性误差，结合温度自补偿技术，有效拓展了传感器温区和提升了宽温区精度；

（3）传感器采用圆片级的真空封装技术，保证了传感器的综合性能，有效抑制传感器的时间漂移问题。

项目已研制出应用于军用航空大气数据系统传感器PRS2511、2512和RPS5611、工业校准领域传感器RPS2513、以及民用大气压力传感器MERPT-M1等系列产品。产品综合精度优于0.02%FS，年漂移低于100ppm，可靠性指标优于30万小时。由李树深、刘明等院士专家组成的鉴定委员会认为：传感器整体性能处于国际先进水平，温度跟随性指标居国际领先。

技术特点

基于双谐振器设计的高精度硅谐振压力传感器综合精度高、分辨率高、稳定性好、可靠性强、温度跟随性好、温度范围和测量范围大、

体积小、功耗低、能批量化制造、成本低。

技术指标

先进程度国际先进

技术状态小批量生产、工程应用阶段

适用范围

（1）航空大气数据系统

军用飞机的航空大气数据系统采用综合精度优于0.02%FS的高精度压力传感器，用于测量飞机飞行的高度、速度、攻角等参数。本项目所研制的硅谐振压力传感器产品精度水平满足航空大气数据系统要求。2015年，项目组与太原航空仪表有限公司开展合作，研制两款压力传感器产品，开展国产化替代工作，解决了进口产品使用温区限制、温度跟随性差、启动时间长的问题。目前RPS2511、2512产品已完成正样阶段，进入设计定型阶段；RPS5611产品目前正处于初样

阶段。

（2）工业控制领域

高精度压力传感器在工业控制领域中常用于介质压力的测量或压力基准，其典型产品是数字压力计、压力控制器和压力校准仪。本项目研制的RPS2513系列传感器产品在太原市太航压力测试科技有限公司开展试用。其应用报告指出三种量程的传感器的综合精度优于±0.02%FS（部分优于±0.01%FS），满足公司大气数据测试仪的试验要求，有望在航空地面压力校准仪中替代国外进口器件。

（3）气象领域

气压作为气象六要素中的主要指标，对灾害预警具有十分重要的作用。高精度大气压力传感器作为气压测量的核心部件，广泛应用于国家和地方的气象站、气候站、农业站等。本项目传感器MERPT-M1系列产品分别在新疆维吾尔自治区气象技术装备保障中心、中国气象局大气探测试验基地和江苏省无线电科学研究所有限公司开展示范应用。用户报告指出，传感器的分辨率优于10Pa，准确度为±10Pa，综合精度略优于国外器件（0.02%FS），年漂移量小于100ppm（7Pa）。2018年，交付江苏省无线电科学研究所有限公司MERPT-M1型压力传感器50余套。

获奖情况

（1）获得2017年中国电子学会技术发明二等奖；

（2）入选第十二届（2017年度）中国半导体创新产品与技术。

专利状态申请中国发明专利16项，14项获得授权。

合作方式

（1）技术转让。在一定的期限与地域范围内，将高精度硅谐振压力传感器产品的制造权与营销权（不包括所有权）有偿转让给引进人。转让部分包括传感器的制造方法和技术的系统知识。

（2）许可使用。

采用普通许可的方式，被许可人在规定的时间和地域范围内使用在高精度硅谐振压力传感器许可使用合同中所约定的知识产权内容，同时保留在该地域范围内许可人自己使用该项知识产权以及再与第三方就该项知识产权签订许可证合同的权利。

或采用排他许可的方式，被许可方在规定的地域内独家实施高精度硅谐振压力传感器产品的知识产权，而不再许可第三方在该地域内实施其知识产权。

（3）合作开发。与航空大气数据系统、工业控制领域和气象监测领域的主要供应商展开合作，共同开展高精度硅谐振压力传感器的工程化。

预期效益

目前，硅压力传感器主要分布在汽车领域、消费类电子领域、工业控制领域、医疗领域和航空航天领域。2018年5月份，Yole Development发布MEMS压力传感器2016-2023年市场预估报告。该报告指出目前MEMS压力传感器的全球市场规模为15亿美元，并以年增长率3.8%增长。预计到2023年，全球市场规模将达到20亿美元。同时报告数据表明，高精度压力传感器2016年全球的市场规模

为5亿美元，主要应用于航空电子设备和其他高端应用。目前处于利基市场且增长速度最快，主要原因是当今硅传感器逐步替代传统传感器在航空电子设备和高端应用的市场。

我国传感器行业发展落后，国内高精度压力传感器需求严重依赖进口，其进口占比为100%。高精度压力传感（精度等级优于0.02%FS）主要应用于精密测量和控制领域，其典型应用是航天航空、军用行业、气象观测及环境探测、压力校准设备等领域。根据国内相关应用领域供应商提供的数据表明，2017年国内高精度压力传感器市场规模约为¥1.81亿元，具体市场需求如下表所示。

由于传统压力传感器产品体积大，以呈现出逐步被新兴的微型化MEMS压力传感器替代的局面。伴随着飞行器的小型化和轻型化，在军用飞机领域，新机型军机均采用微型化MEMS压力传感器产品。国内通用航空中也逐步采用微型压力传感器替代传统的传感器产品。据相关报告预估，国内航空航天领域压力传感器的年增长率为5%。

在气象领域上，随着国家大力鼓励和支持民用气象站，如农业气象站等。近三年来，以每年20%的增长速率增长。2017年，自动气象站的国内市场规模约为¥5亿元。

工业控制领域、压力控制领域以及发动机控制系统领域在国家主张国产化的宏观政策下，逐步使用国产化高精度压力传感器来替代国外进口产品。2017年，该类产品的高精度压力传感器全国的示范规模为¥2.49亿元。