從宇宙開發(fā)到海底探秘,從生產(chǎn)的過程控制到現(xiàn)代文明生活,幾乎每一項(xiàng)技術(shù)都離不開傳感器,因此，許多國(guó)家對(duì)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(jì)算機(jī)、通信、激光、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體和傳感器) 之一。在各類傳感器中壓力傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、穩(wěn)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(qiáng)的測(cè)量與控制。除此以外,還廣泛應(yīng)用于水利、地質(zhì)、氣象、化工、醫(yī)療衛(wèi)生等方面。由于該技術(shù)是平面工藝與立體加工相結(jié)合,又便于集成化,所以可用來制成血壓計(jì)、風(fēng)速計(jì)、水速計(jì)、壓力表、電子稱以及自動(dòng)報(bào)警裝置等。壓力傳感器已成為各類傳感器中技術(shù)最成熟、性能最穩(wěn)定、性價(jià)比最高的一類傳感器。

　　1 壓力傳感器的發(fā)展歷程

　　現(xiàn)代壓力傳感器以半導(dǎo)體傳感器的發(fā)明為標(biāo)志,而半導(dǎo)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(biāo)志。此后，半導(dǎo)體材料的這一特性得到較廣泛應(yīng)用。史密斯(C.S. Smith)與1945發(fā)現(xiàn)了硅與鍺的壓阻效應(yīng)，即當(dāng)有外力作用于半導(dǎo)體材料時(shí)，其電阻將明顯發(fā)生變化。依據(jù)此原理制成的壓力傳感器是把應(yīng)變電阻片粘在金屬薄膜上,即將力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。此階段最小尺寸大約為1cm。

　　(2) 技術(shù)發(fā)展階段(1960 - 1970 年)：隨著硅擴(kuò)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(yīng)變電阻擴(kuò)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,稱為硅杯。這種形式的硅杯傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、穩(wěn)定性好、成本低、便于集成化的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)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(kuò)散理論的基礎(chǔ)上應(yīng)用了硅的各向異性的腐蝕技術(shù)，擴(kuò)散硅傳感器其加工工藝以硅的各項(xiàng)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、陽極氧化法自動(dòng)中止法和微機(jī)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(shù)千個(gè)硅壓力膜可以同時(shí)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了集成化的工廠加工模式,成本進(jìn)一步降低。

　　(4) 微機(jī)械加工階段(1980 年- 今)：上世紀(jì)末出現(xiàn)的納米技術(shù)，使得微機(jī)械加工工藝成為可能。

　　通過微機(jī)械加工工藝可以由計(jì)算機(jī)控制加工出結(jié)構(gòu)型的壓力傳感器，其線度可以控制在微米級(jí)范圍內(nèi)。利用這一技術(shù)可以加工、蝕刻微米級(jí)的溝、條、膜，使得壓力傳感器進(jìn)入了微米階段。

　　2 壓力傳感器國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　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。

　　2. 1 光纖壓力傳感器

　　這是一類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(qiáng)度相關(guān)的特性,由硅框和金鉻薄膜組成的膜片結(jié)構(gòu)中間夾了一個(gè)硅光纖擋板，在有壓力的情況下，光線通過擋板的過程中會(huì)發(fā)生強(qiáng)度的改變，通過檢測(cè)這個(gè)微小的改變量，我們就能測(cè)得壓力的大小。這種敏感元件已被應(yīng)用與臨床醫(yī)學(xué)，用來測(cè)擴(kuò)張冠狀動(dòng)脈導(dǎo)管氣球內(nèi)的壓力�？深A(yù)見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。

　　2. 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(gòu)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(bǔ)償，可以保持長(zhǎng)期測(cè)量的可靠性和持久的精度。測(cè)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)系是線性的。遇到過載時(shí)，膜片貼在基片上不會(huì)被破壞，無負(fù)載時(shí)會(huì)立刻返回原位無任何滯后，過載量可以達(dá)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(yīng)用前景。

　　2. 3 耐高溫壓力傳感器

　　新型半導(dǎo)體材料碳化硅(SiC)的出現(xiàn)使得單晶體的高溫傳感器的制作成為可能。Rober.S.Okojie報(bào)導(dǎo)了一種運(yùn)行試驗(yàn)達(dá)500℃的α(6H)SiC壓力傳感器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在輸入電壓為5V，被測(cè)壓力為6.9MPa的條件下，23500℃時(shí)的滿量程輸出為44.66～20.03mV，滿量程線度為20.17%，遲滯為0. 17%。在500℃條件下運(yùn)行10h，性能基本不變，在100℃和500℃兩點(diǎn)的應(yīng)變溫度系數(shù)(TCGF)，分別為20.19%/℃和-0.11%/℃。這種傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是PN結(jié)泄漏電流很小,沒有熱匹配問題以及升溫不產(chǎn)生塑性變型,可以批量加工。Ziermann Rene報(bào)導(dǎo)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(dá)573K,耐輻射。在室溫下,此壓力傳感器的靈敏度為20.2muV/VKPa。

　　2. 4 硅微機(jī)械加工傳感器

　　在微機(jī)械加工技術(shù)逐漸完善的今天,硅微機(jī)械傳感器在汽車工業(yè)中的應(yīng)用越來越多。而隨著微機(jī)械傳感器的體積越來越小,線度可以達(dá)到1～2mm ,可以放置在人體的重要器官中進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。Hachol Andrzej dziuban Jan Bochenek報(bào)導(dǎo)了一種可以用于測(cè)量眼球的眼壓計(jì),其膜片直徑為1mm。在內(nèi)眼壓為60mmHg時(shí),靜態(tài)輸出為40mV,靈敏度系數(shù)比較高。

　　2. 5 具有自測(cè)試功能的壓力傳感器

    為了降低調(diào)試與運(yùn)行成本,Dirk De Bruyker等人報(bào)導(dǎo)了一種具有自測(cè)試功能的壓阻、電容雙元件傳感器,它的自測(cè)試功能是根據(jù)熱驅(qū)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(yī)學(xué)領(lǐng)域。

　　2. 6 多維力傳感器

    六維力傳感器的研究和應(yīng)用是多維力傳感器研究的熱點(diǎn),現(xiàn)在國(guó)際上只有美、日等少數(shù)國(guó)家可以生產(chǎn)。在我國(guó)北京理工大學(xué)在跟蹤國(guó)外發(fā)展的基礎(chǔ)上,又開創(chuàng)性的研制出組合有壓電層的柔軟光學(xué)陣列觸覺,陣列密度為2438tactels/cm2,力靈敏1g,結(jié)構(gòu)柔性很好,能抓握和識(shí)別雞蛋和鋼球,現(xiàn)已用于機(jī)器人分選物品。

　　3 壓力傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

　　當(dāng)今世界各國(guó)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),但歸納起來主要有以下幾個(gè)趨勢(shì):

    (1) 小型化目前市場(chǎng)對(duì)小型壓力傳感器的需求越來越大，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(yǎng)和維護(hù)，對(duì)周圍的環(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(guó)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(duì)血液的流通產(chǎn)生大的影響。

    (2) 集成化壓力傳感器已經(jīng)越來越多的與其它測(cè)量用傳感器集成以形成測(cè)量和控制系統(tǒng)。集成系統(tǒng)在過程控制和工廠自動(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(xiàn)，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(bǔ)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)展趨勢(shì)是正從機(jī)械行業(yè)向其它領(lǐng)域擴(kuò)展,例如:汽車元件、醫(yī)療儀器和能源環(huán)境控制系統(tǒng)。

    (5) 標(biāo)準(zhǔn)化傳感器的設(shè)計(jì)與制造已經(jīng)形成了一定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如ISO 國(guó)際質(zhì)量體系;美國(guó)的ANSI、ASTM標(biāo)準(zhǔn)、俄羅斯的ГOCT、日本的J IS 標(biāo)準(zhǔn)。

    4 結(jié)束語

    隨著硅、微機(jī)械加工技術(shù)、超大集成電路技術(shù)和材料制備與特性研究工作的進(jìn)展,使得壓力傳感器在光纖傳感器的批量生產(chǎn)、高溫硅壓阻及壓電結(jié)傳感器的應(yīng)用成為可能,在生物醫(yī)學(xué)、微型機(jī)械等領(lǐng)域,壓力傳感器有著廣泛的應(yīng)用前景。

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