陶瓷压力传感器国内竞争优势及其发展趋势
陶瓷压力传感器国内竞争优势及其发展趋势
在现代工业设备中，压力传感器和检测仪表是不可或缺的一部分，传统的工业设备如在其上增加了必要的传感器，配备精密测量部件，则其功能和精度可以提高，便于用户操作和维护，安全等级也可以提高，设备可以增值。其中压力传感器是一种把压力转换为电信号输出的传感器。通常把压力测量仪表中的电测式仪表成为压力传感器。压力传感器一般由弹性敏感元件和位移元件（或应变计）组成。弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变计转换为与压力成一定关系的电信号。压力传感器广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、只能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。
以下是几种压力传感器的简单介绍。
扩散挂压力传感器：
扩散硅压力传感器的工作原理是：被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。
被广泛应用于医疗器械、测量仪器及实验设备，工业控制及设备检测，能源及动力设备，汽车设备、配件及制造行业，航空、航天、航海及军事领域。
蓝宝石压力传感器：
蓝宝石压力传感器利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000OC以内），因此，利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅-蓝宝石半导体敏感元件，无p-n漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器，可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。
压电压力传感器：
压电压力传感器通过压电材料的压电效应将机械能转换成电能，或将电能转换为机械能测定。常用的压力材料有压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠，以及多晶压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等。这种传感器体积小、灵敏度高，被广泛用于力、压力、加速度等测量，也用于超声波发射和接收装置，测量频率范围0.0001～20kHz。常将几个晶片串联或并联使用，以适应不同场合需要。
压电式压力传感器是利用压电晶体(如石英晶体或铁电陶瓷材料等)的压电效应而制成的。压电效应是指某些电介质物质，在沿一定方向对其施加压力或拉力使之变形时，其表面产生电荷。当外力去掉后，它又重新恢复为不带电的性质。
当被测压力通过膜片传递到压电晶体时，晶体表面电荷与被测压力成正比。其中一部分电荷向电容器充电，并转换成电压输出。如图所示。这种传感器具有体积小、灵敏度高和响应快优点，但对振动、温度和电磁场非常敏感。多用于检测动态压力或高频瞬时压力。
压电式压力传感器原理图
现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。
压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。
应变片压力传感器：
应变片压力传感器主要由电阻应变片按照惠斯通电桥原理组成。
利用应变片的形变将被测量的应变(力、重力、压力、转矩、位移、加速度等)先转换成电阻值的变化，再经转换可测量输出电流和电压信号的装置。应变片系用金属或半导体材料制成的电阻体。其阻值随机械变形而变化。有箔式、丝式和半导体应变片。测量时，把应变片用特种粘结剂粘固在需要测量变形的物体表面或弹性体上，当被测表面变形时，应变片阻值改变，测量该阻值变化，就能测得被测件的应变量。具有使用简便、灵敏度和精度高、体积小和动态响应好的特点。其最大缺点是阻值受温度变化影响大。使用中需进行温度补偿，或采用自补偿应变片。
利用电阻应变片(丝) 制成，是通过其形变造成的阻值改变以改变测量电信号，并用这些电信号来标定力、扭矩、加速度、压力等其它非电量物理量
应变式传感器由两部分组成：弹性敏感元件，用来把被测的物理量(如力、扭矩、压力、加速度等) 转换为弹性体的应变值; 应变片(丝) 用来作为传感元件，将应变转换为电阻值的变化。
陶瓷压力传感器：
陶瓷压力传感器是采用特种陶瓷材料，经特殊工艺精制而成的压阻类型压力传感器。陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料，它的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度>2kV，输出信号强，长期稳定性好。陶瓷材料具有耐强烈腐蚀，对温度散热快，弹性非常好，绝缘性非常好，因此加工好的陶瓷压力传感器具有特殊的高性能。高性能、低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向。越来越多的用户使用陶瓷压力传感器替代扩散硅等其它类型压力传感器和传统的机械弹性体压力原件。
抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性，与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0、3.0、3.3mv等，可以喝应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和实践稳定性，传感器自带温度补偿0℃～70℃,并可以喝绝大多数介质直接接触。
陶瓷压力传感器被广泛地应用在：水泵、柴油机、空压机、制冷机、喷码机、热水器与壁挂炉等设备控制、伺服阀门和传动、化学制品和化学工业及医用仪表等众多领域。而坚固的陶瓷膜片和其无填充液的特点，让陶瓷压力传感器特别适合食品卫生行业。
陶瓷压力传感器的SWOT分析：
1.strengths（优势）
在材料的选择方面，该压力传感器选择了陶瓷作为基础材料，陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和震动的材料。陶瓷弹性体性能优良，平整、均匀、质密的材料在程度范围内都严格遵循虎克定律，无塑性变形。陶瓷的热稳定性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40℃~135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电器绝缘程度大于2KV，输出信号强，长期稳定性好。
抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥(闭桥)，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。厚膜电阻（包括高温导线）能与陶瓷弹性膜片牢固地烧结在一起，不需用胶进行粘贴。这种刚性结构蠕变小，漂移小，静态性能稳定，动态性能好。厚膜弹性体结构简单，易于制备。它与扩散硅压力传感器相比，不需半导体平面工艺来形成扩散电阻弹性膜片，大幅度减小了生产线的前期投入和工艺加工成本。陶瓷厚膜
结构耐液体或气体介质的腐蚀，不需通过不锈钢膜片和硅油的转换与隔离，封装结构简化，进一步降低成本。
高特性、低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其他类型传感器的趋势，在中国越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。
2.weaknesses（劣势）
尽管陶瓷压力传感器在材料上面具有高效低成本的优势，但依然有一些产品上的劣势：对噪声敏感，不容易调节(校准不容易) ，迟滞性，可重复性低，易老化，选择性差，互换性低，测量范围小，而且具有热释电性，会对力学量测量造成干扰，因而造成压力传感器应用面比较局限。
3.opportunity（机会）
从生产设备来讲，所有厚膜工艺设备(包括自动丝网印刷机、膜厚非接触式测试设备、烧结炉、激光修调系统等)都必须从美国、英国、日本等国家进口，这些都是国际一流设备，国内不具备生产能力。另外，传感器是敏感元件，对生产环境要求极高，生产线必须具备净化厂房。而这一点，国内的生产线亦无法达到要求。以前，我国曾尝试，将自己设计的一体化陶瓷环、高压阻系数电子浆料，配方研制完成后，在国内生产，但生产出的产品性能始终无法达到要求。所以，只能到国外委托加工。以设备来讲，国内生产线加工的传感器存在的最大的问题就是时漂和温漂大。
国内传感器行业生产份额最大的是压力传感器，促成这种格局的原因，以及它将来会有怎样的发展？
我国压力传感器市场主要是工业自动化控制领域，和汽车领域。在工控领域里目前我国绝大部份采用扩散硅压力传感器、应变片式压力传感器和溅射薄膜压力传感器，而国内厂家生产面广量大的就是扩散硅压力传感器。在国内，西安市是我国笫二个五年计划里重点发展压力系列传感器的重要城市，陕西宝鸡市在省会城市西安的带动下，由原秦岭晶体管厂进行技术改造，和美国霍尼伟尔公司合作成立麦克传感器公司，为我国扩散硅压力传感器生产开创了先河。但MEMS技术和前道硅片制造技术仍控制在外国厂家手里。
进入九十年代,国际上MEMS技术有了长足的发展，硅片定向微机电加工精度和成品率不断提高，加上离子注入技术的发展使扩散硅压力传感器从技术上有了可靠保证，成本也有所下降。在许多应用领域里，扩散硅压力传感器还必须与充油蕊体配套,这又使它的售价大幅度上升。这些原因无疑在一定程度上促进了国内压力传感器市场的兴盛。
近几年，由昆山市人民政府和中科院，在昆山双桥成立了国家火炬计划昆山传感器产业基地，使拥有自主知识产权的微纳米MEMS技术硅压阻式传感器和变送器形成了产业链。合肥智能化所在陶瓷压力传感器方面在研发和制造技术方面也有了可喜的发展。这些进展都在一步步推进着国内市场的发展。
在国外，压阻式陶瓷压力传感器以其高可靠性，抗腐蚀、优良的线性精度和低成本开始逐渐替代扩散硅压力传感器，这也将是国内必然的发展趋势。国家科技部马颂德副部长在2005年底视察无锡时，对此作了充分肯定。所以陶瓷压力传感器的市场的客户群的扩大趋势已成必然，它将代替许多别的压力传感器。不仅如此，陶瓷压力传感器的技能技术向新产品新业务转移，为更大客户群服务，提高了自身的竞争优势，拥有很好的市场机会。
4.threats（威胁）
陶瓷压力传感器在市场上存在着强大的竞争对手，包括上文中介绍的五种不同的压力传感器。以上是对几种常见传感器的不同性质的对比：