一 课题研究的背景及意义

当今，物联网技术产业已经成为我国重要的战略性新兴产业，传感器被普遍认为是物联网的核心技术之一，也是我国物联网产业发展的主要瓶颈。目前我国的传感器80%以上依赖于进口。随着物联网产业的发展以及智能传感器网络节点的密集化程度加深，所需的传感器数量巨大，应用领域广泛，因此，研制高性能、低成本以及具有自主知识产权的系列传感器是当务之急。

压力传感器是当今应用最为广泛的传感器之一，它广泛应用于汽车系统、工业控制、环境监控和测量以及生物医疗诊断等众多领域。20 世纪60 年代，微型硅压力传感器的出现是微电子机械系统（MEMS）技术发展的重要里程碑之一。硅压阻替代传统金属应变片使得压力传感器的性能大大提升，同时体积急剧减少，由此压力传感器的微型化成为了可能。今天继硅压阻式压力传感器之后，出现了如谐振式压力传感器、电容式压力传感器等。

在我国，MEMS 压力传感器产业中压阻式传感器仍然是主流，但是，随着信息技术的发展以及物联网技术的兴起，在一些重要的场合硅压阻式压力传感器已经不能满足应用的需求，一方面，高性能的压力传感器需要有较强的环境适应性，以工作温度为例，在高空气象探测中传感器的工作温度可能低至-90℃，在恶劣的工业环境中传感器的工作温度可能高至500℃，传统硅压阻式压力传感器已经无法应用。另一方面，随着物联网技术的发展，传感器节点密集化以及电池更换成本的提高使得传感器功耗问题成为关注的焦点，传统硅压阻式压力传感器的高功耗特征使其在物联网应用中不具优势。相比于压阻式压力传感器，电容式压力传感器的重要性逐渐体现出来。

虽然，传统的电容式压力传感器工作温度范围宽，灵敏度高，温度特性好，功耗低等，但是由于电容值大小与极板间距成反比，因此不可避免的存在非线性因素。此外，由于传统电容式压力传感器需要从真空腔中引出电极，这使得传感器的设计和加工面临困难。

新材料、新效应是电子器件持续发展的根本动力。对于传感器来说，非电信号与电信号之间的耦合技术是传感器技术的核心，因此，耦合机制的创新与拓展是传感器得以发展的重要基石。利用介电应变耦合效应代替传统的静电耦合效应是有望从根本上解决传统电容式传感器的固有缺陷。介电应变效应是指材料的介电常数随外加机械应力（或应变）发生线性变化，反映了材料弹性和介电性之间的耦合。介电应变效应最早是作为电致伸缩效应的逆效应出现的，但是，由于其特殊性，又被称作”介电应变效应”。介电应变效应已经应用于力学传感器的开发。一方面，介电应变效应具有线性特性，因此基于介电应变效应的力学传感器不存在非线性问题，另一方面和传统的电容式传感器相比，介电应变式传感器的加工工艺相对简单，易于设计加工且成本较低，因此极具发展潜力。

二 课题的研究现状

2.1国外的研究现状

（1）Q.Liu 等人设计出一种两个电容串联的电容式压力传感器结构。如图2-1所示，这个方案为解决传统的电容式压力传感器的电极引出问题提供了新的思路，但是以牺牲传感器的灵敏度为代价的。此外，作者还采用了带有质量块的硅膜作为电容的可动电极来改善传感器的线性度，但是这种设计并不能从根本上消除非线性。

（2）M．Narducci 等人提出的电容式压力传感器，采用带质量块的膜作为可动电极来改善传感器的线性度，并且给出了相关测试结果。从测试结果来看，虽然传感器的线性度有了明显改善，但是非线性问题仍然存在。

（3）Stratton 从著名的Clausius-Mossotti 方程出发，推导出流体介质介电伸缩的微观模型。

（4）R. A. Anderson 和G.. Kloos从Lorentz 球理论的假设出发建立了无固有极子晶体材料的介电伸缩微观模型。