中心議題：
- 壓力傳感器的發(fā)展歷程
- 壓力傳感器國內外研究現狀
- 壓力傳感器的發(fā)展趨勢
傳感器技術(shù)是現代測量和自動(dòng)化系統的重要技術(shù)之一,從宇宙開(kāi)發(fā)到海底探秘,從生產(chǎn)的過(guò)程控制到現代文明生活,幾乎每一項技術(shù)都離不開(kāi)傳感器,因此, 許多國家對傳感器技術(shù)的發(fā)展十分重視,如日本把傳感器技術(shù)列為六大核心技術(shù)(計算機、通信、激光、半導體、超導體和傳感器) 之一。
在各類(lèi)傳感器中壓力傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、穩定可靠、成本低、便于集成化的優(yōu)點(diǎn),可廣泛用于壓力、高度、加速度、液體的流量、流速、 液位、壓強的測量與控制。除此以外,還廣泛應用于水利、地質(zhì)、氣象、化工、醫療衛生等方面。
由于該技術(shù)是平面工藝與立體加工相結合,又便于集成化,所以可 用來(lái)制成血壓計、風(fēng)速計、水速計、壓力表、電子稱(chēng)以及自動(dòng)報警裝置等。壓力傳感器已成為各類(lèi)傳感器中技術(shù)最成熟、性能最穩定、性?xún)r(jià)比最高的一類(lèi)傳感器。因 此對于從事現代測量與自動(dòng)控制專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員必須了解和熟識國內外壓力傳感器的研究現狀和發(fā)展趨勢。
壓力傳感器的發(fā)展歷程
現代壓力傳感器以半導體傳感器的發(fā)明為標志,而半導體傳感器的發(fā)展可以分為四個(gè)階段:
(1) 發(fā)明階段(1945 - 1960 年) :這個(gè)階段主要是以1947 年雙極性晶體管的發(fā)明為標志。此后,半導體材料的這一特性得到較廣泛應用。史密斯(C.S. Smith) 與1945 發(fā)現了硅與鍺的壓阻效應[2 ] ,即當有外力作用于半導體材料時(shí),其電阻將明顯發(fā)生變化。依據此原理制成的壓力傳感器是把應變電阻片粘在金屬薄膜上,即將力信號轉化為電信號進(jìn)行測量。此階段最小尺寸大約為
(2) 技術(shù)發(fā)展階段(1960 - 1970 年) :隨著(zhù)硅擴散技術(shù)的發(fā)展,技術(shù)人員在硅的(001) 或(110) 晶面選擇合適的晶向直接把應變電阻擴散在晶面上,然后在背面加工成凹形,形成較薄的硅彈性膜片,稱(chēng)為硅杯[3 ] 。這種形式的硅杯傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、穩定性好、成本低、便于集成化的優(yōu)點(diǎn),實(shí)現了金屬- 硅共晶體,為商業(yè)化發(fā)展提供了可能。
(3) 商業(yè)化集成加工階段(1970 - 1980 年) :在硅杯擴散理論的基礎上應用了硅的各向異性的腐蝕技術(shù),擴散硅傳感器其加工工藝以硅的各項異性腐蝕技術(shù)為主,發(fā)展成為可以自動(dòng)控制硅膜厚度的硅各向異性 加工技術(shù),主要有V 形槽法、濃硼自動(dòng)中止法、陽(yáng)極氧化法自動(dòng)中止法和微機控制自動(dòng)中止法。由于可以在多個(gè)表面同時(shí)進(jìn)行腐蝕,數千個(gè)硅壓力膜可以同時(shí)生產(chǎn),實(shí)現了集成化的工廠(chǎng) 加工模式,成本進(jìn)一步降低。
(4) 微機械加工階段(1980 年- 今) :上世紀末出現的納米技術(shù),使得微機械加工工藝成為可能。
從世界范圍看壓力傳感器的發(fā)展動(dòng)向主要有以下幾個(gè)方向。
(1) 光纖壓力傳感器
這是一類(lèi)研究成果較多的傳感器,但投入實(shí)際領(lǐng)域的并不是太多。它的工作原理是利用敏感元件受壓力作用時(shí)的形變與反射光強度相關(guān)的特性,由硅框和金鉻薄 膜組成的膜片結構中間夾了一個(gè)硅光纖擋板,在有壓力的情況下,光線(xiàn)通過(guò)擋板的過(guò)程中會(huì )發(fā)生強度的改變,通過(guò)檢測這個(gè)微小的改變量,我們就能測得壓力的大 小。這種敏感元件已被應用與臨床醫學(xué),用來(lái)測擴張冠狀動(dòng)脈導管氣球內的壓力?？深A見(jiàn)這種壓力傳感器在顯微外科方面一定會(huì )有良好的發(fā)展前景。同時(shí),在加工與 健康保健方面,光纖傳感器也在快速發(fā)展。[page]
(2 )電容式真空壓力傳感器
E + H公司的電容式壓力傳感器是由一塊基片和厚度為0. 8～2. 8mm的氧化鋁(Al2O3) 構成,其間用一個(gè)自熔焊接圓環(huán)釬焊在一起。該環(huán)具有隔離作用,不需要溫度補償,可以保持長(cháng)期測量的可靠性和持久的精度。測量方法采用電容原理,基片上一電 容CP 位于位移最大的膜片的中央,而另一參考電容CR 位于膜片的邊緣,由于邊緣很難產(chǎn)生位移,電容值不發(fā)生變化,CP 的變化則與施加的壓力變化有關(guān),膜片的位移和壓力之間的關(guān)系是線(xiàn)性的。遇到過(guò)載時(shí),膜片貼在基片上不會(huì )被破壞,無(wú)負載時(shí)會(huì )立刻返回原位無(wú)任何滯后,過(guò)載量 可以達到100 %,即使是破壞也不會(huì )泄漏任何污染介質(zhì)。因此具有廣泛的應用前景。
(3) 耐高溫壓力傳感器
新型半導體材料碳化硅(SiC) 的出現使得單晶體的高溫傳感器的制作成為可能。Rober. S. Okojie報導了一種運行試驗達500 ℃的α(6H) SiC 壓力傳感器. 實(shí)驗結果表明,在輸入電壓為5V ,被測壓力為6. 9MPa 的條件下,23500 ℃時(shí)的滿(mǎn)量程輸出為44. 66～20. 03mV ,滿(mǎn)量程線(xiàn)度為20. 17 % ,遲滯為0. 17 %。在500 ℃條件下運行10h ,性能基本不變,在100 ℃和500 ℃兩點(diǎn)的應變溫度系數( TCGF) , 分別為20. 19 %/ ℃和- 0. 11 %/ ℃。這種傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是PN 結泄漏電流很小,沒(méi)有熱匹配問(wèn)題以及升溫不產(chǎn)生塑性變型,可以批量加工。Ziermann ,Rene 報導了使用單晶體n 型β- SiC 材料制成的壓力傳感器,這種壓力傳感器工作溫度可達573K,耐輻射。在室溫下,此壓力傳感器的靈敏度為20. 2muV/ VKPa。
(4) 硅微機械加工傳感器
在微機械加工技術(shù)逐漸完善的今天,硅微機械傳感器在汽車(chē)工業(yè)中的應用越來(lái)越多。而隨著(zhù)微機械傳感器的體積越來(lái)越小,線(xiàn)度可以達到1～2mm ,可以放置在人體的重要器官中進(jìn)行數據的采集。Hachol ,Andrzej ;dziuban ,Jan Bochenek 報導了一種可以用于測量眼球的眼壓計,其膜片直徑為1mm。在內眼壓為60mmHg 時(shí),靜態(tài)輸出為40mV ,靈敏度系數比較高。
(5) 具有自測試功能的壓力傳感器
為了降低調試與運行成本,Dirk De Bruyker 等人報導了一種具有自測試功能的壓阻、電容雙元件傳感器,它的自測試功能是根據熱驅動(dòng)原理進(jìn)行的,該傳感器尺寸為1. 2mm ×3mm ×0. 5mm ,適用于生物醫學(xué)領(lǐng)域 。
( 6) 多維力傳感器
六維力傳感器的研究和應用是多維力傳感器研究的熱點(diǎn),現在國際上只有美、日等少數國家可以生產(chǎn)。在我國北京理工大學(xué)在跟蹤國外發(fā)展的基礎上,又開(kāi)創(chuàng )性 的研制出組合有壓電層的柔軟光學(xué)陣列觸覺(jué),陣列密度為2438tactels/ cm2 ,力靈敏1g ,結構柔性很好,能抓握和識別雞蛋和鋼球,現已用于機器人分選物品。
當今世界各國壓力傳感器的研究領(lǐng)域十分廣泛,幾乎滲透到了各行各業(yè),但歸納起來(lái)主要有以下幾個(gè)趨勢:
(1) 小型化目前市場(chǎng)對小型壓力傳感器的需求越來(lái)越大,這種小型傳感器可以工作在極端惡劣的環(huán)境下,并且只需要很少的保養和維護,對周?chē)沫h(huán)境影響也很小,可以 放置在人體的各個(gè)重要器官中收集資料,不影響人的正常生活。如美國Entran 公司生產(chǎn)的量程為2～500PSI 的傳感器,直徑僅為1. 27mm ,可以放置在人體的血管中而不會(huì )對血液的流通產(chǎn)生大的影響。
(2) 集成化壓力傳感器已經(jīng)越來(lái)越多的與其它測量用傳感器集成以形成測量和控制系統。集成系統在過(guò)程控制和工廠(chǎng)自動(dòng)化中可提高操作速度和效率。
(3) 智能化由于集成化的出現,在集成電路中可添加一些微處理器,使得傳感器具有自動(dòng)補償、通訊、自診斷、邏輯判斷等功能。
(4) 廣泛化壓力傳感器的另一個(gè)發(fā)展的趨勢是正從機械行業(yè)向其它工業(yè)領(lǐng)域擴展,例如:汽車(chē)元件、醫療儀器和能源環(huán)境控制系統。
(5) 標準化傳感器的設計與制造已經(jīng)形成了一定的行業(yè)標準。如ISO 國際質(zhì)量體系;美國的ANSI、ASTM標準、俄羅斯ГOCT、日本的JIS 標準。
