现代军事装备对压力传感器的要求与应用现状

传感器作为军事电子装备的“感官”，是决定军事电子装备水平的关键部件之一。火箭发动机、航空发动机、重型燃气轮机、燃煤燃气锅炉等动力设备的主要部件处在高温恶劣环境，燃烧室温度甚至超过2000℃。利用高温传感器可对喷嘴燃烧室、压气机、叶片等关键部位的压力、温度等参量进行实时监测，提高燃烧性能和推进效率，并对部件健康状态进行评估。液体火箭发动机的推力室主要由推进剂喷嘴、燃烧室、喷管组件等装置组成。当喷嘴处的压力足够高时，就会形成喷嘴阻流和超音速射流，大部分的热能就可转换成动能，对喷嘴处压力的实时监测有助于优化发动机燃烧室收缩比设计，可提高火箭发动机的推进效率。燃烧室点火延迟数毫秒都会导致过量液体进入，引起灾难性后果，通过燃烧室压力监测可精确控制点火时间，避免燃烧室“硬启动”。燃烧室的间歇性燃烧、振荡燃烧会导致燃烧室隔热边界层变薄、运载器受损等后果。获取燃烧室内部、推进剂喷嘴处的实时压力，评估压力的低频振动，估算室压响应时间，对减少间歇燃烧、振荡燃烧，提高燃料的燃烧率，增强火箭的安全性具有重要意义。重型燃气轮机是发电机组、大型船舰的动力来源，其结构复杂、参数多，工况多变。随着G、H级燃气轮机的普及，对燃气轮机的稳定性要求也越来越高。对涡轮、压气机、燃烧室、轴承的温度、压力、振动等参量的监控，可降低燃气轮机的故障率，减少15%~20%的维护成本。另外，监测初气温度及燃烧室的压力，对提高煤气转化效率，减少CO2、CO、SO2、NO、等气体的排放具有重要意义-习。高温压力传感器在航天、航空、国防建设、能源开发等领域有着广阔的应用需求。常温MEMS压力传感器主要以硅（Si）基压力传感器为主，在100℃工作温度范围内，商业化的Si压力传感器工艺成熟、体积小、性能好，但是当其在超过120℃环境使用时，内部PN结会出现漏电，传感器性能下降甚至失效。另外，Si材料在大于500℃时还会发生塑性变形，不能满足高温环境下压力测量的需求。为此，国内外学者将目光投向其他材料，研究耐高温材料制备高温传感器的可行性。

以美国为例，1982~1990年间，用于军事的温度﹑压力等五种主要传感器，年平均增长率达到12.9%，1995年用于太空与军事的传感器用量约占传感器市场总额的15%，产值12.5亿美元，其中压力传感器的用量仅次于温度传感器。1992年美国国防部将传感器列入《美国国防核心技术计划》11项核心技术领域中的“探测器”和“电子器件”两项中，在核心计划中的进度与力度明显高于其它10个（包括计算机）领域。

高温环境下的压力测量已成为国防军工、工业控制领域必须突破和掌握的基础关键技术之一。被称为“第三代传感器”的薄膜压力传感器，自80年代推出以来，以其优良的技术性能和耐恶劣环境能力引起世界各国的重视，在军事装备中得到广泛使用。如美国用于阿波罗飞船、Viking火星探测器（CEC公司产1000-02型）,俄罗斯用于联盟号飞船和暴风雪-能源号航天飞机（奔萨研究所产BT-212型）,法国用于阿迪亚娜Ⅳ号和Ⅴ号运载火箭（Fagor公司产27 N型）。仅Viking火星探测器就使用了传感器8000只，其中薄膜压力传感器300余只。

近年来，新材料的发现，MEMS工艺加工、封装工艺和传感器结构设计上的突破，促进了高温压力传感器的研究工作。国外在高温压力传感器的研究方面已取得了较大进展，形成了多种类型的产品。相比国外，国内高温压力传感器的研究起步较晚，虽然十二五期间在基于SiC的高温压力传感器的研究方面取得了一定进展，但要实现传感器真正意义上的工程化、产业化还需投入更多的精力。针对欧美对我国实施技术封锁的实际情况，以及国内高温压力传感器的发展现状，随着我国大型运载火箭﹑固体火箭﹑智能飞机﹑卫星﹑空间往返载人航天器以及新型海上与水下武器任务的提出，对军用传感器不论在需求品种和数量上都有较大的增加，我国要完成传感器的工程化、产业化，形成系列产品，提升技术整体水平与国际竞争力，为重型火箭发动机、航空发动机、高超发动机等先进动力设备的研制提供技术支撑。