传感器技能是现代丈量和主动化系统的重要技能之一,从世界开发到海底探秘,从出产的过程操控到现代文明日子,简直每一项技能都离不开传感器,因而,许多国家对传感器技能的开展非常重视,如日本把传感器技能列为六大核心技能(计算机、通讯、激光、半导体、超导体和传感器) 之一。在各类传感器中压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、安稳可靠、本钱低、便于集成化的长处,可广泛用于压力、高度、加速度、液体的流量、流速、液位、压强的丈量与操控。除此以外,还广泛使用于水利、地质、气候、化工、医疗卫生等方面。由于该技能是平面工艺与立体加工相结合,又便于集成化,所以可用来制成血压计、风速计、水速计、压力表、电子称以及主动报警装置等。压力传感器已成为各类传感器中技能最老练、功用最安稳、性价比最高的一类传感器。因而关于从事现代丈量与主动操控专业的技能人员必须了解和熟识国内外压力传感器的研讨现状和开展趋势。

    1 压力传感器的开展历程

    现代压力传感器以半导体传感器的创造为标志,而半导体传感器的开展能够分为四个阶段[1 ] :

    (1) 创造阶段(1945 - 1960 年) :这个阶段首要是以1947 年双极性晶体管的创造为标志。尔后,半导体材料的这一特性得到较广泛使用。史密斯(C.S. Smith) 与1945 发现了硅与锗的压阻效应[2 ] ,即当有外力作用于半导体材料时,其电阻将明显发生改变。依据此原理制成的压力传感器是把应变电阻片粘在金属薄膜上,即将力信号转化为电信号进行丈量。此阶段最小尺度大约为1cm。

    (2) 技能开展阶段(1960 - 1970 年) :跟着硅分散技能的开展,技能人员在硅的(001) 或(110) 晶面挑选合适的晶向直接把应变电阻分散在晶面上,然后在反面加工成凹形,构成较薄的硅弹性膜片,称为硅杯[3 ] 。这种形式的硅杯传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、安稳性好、本钱低、便于集成化的长处,完成了金属- 硅共晶体,为商业化开展供给了可能。

    (3) 商业化集成加工阶段(1970 - 1980 年) :在硅杯分散理论的基础上使用了硅的各向异性的腐蚀技能,分散硅传感器其加工工艺以硅的各项异性腐蚀技能为主,开展成为能够主动操控硅膜厚度的硅各向异性加工技能[4 ] ,首要有V 形槽法、浓硼主动间断法、阳极氧化法主动间断法和微机操控主动间断法。由于能够在多个表面一起进行腐蚀,数千个硅压力膜能够一起出产,完成了集成化的工厂加工模式,本钱进一步降低。

    (4) 微机械加工阶段(1980 年- 今) :上世纪末呈现的纳米技能,使得微机械加工工艺成为可能。

经过微机械加工工艺能够由计算机操控加工出结构型的压力传感器,其线度能够操控在微米级范围内。使用这一技能能够加工、蚀刻微米级的沟、条、膜,使得压力传感器进入了微米阶段。

    2 压力传感器国内外研讨现状

    从世界范围看压力传感器的开展动向首要有以下几个方向。

    2. 1 光纤压力传感器[5 ]

    这是一类研讨成果较多的传感器,但投入实际范畴的并不是太多。它的作业原理是使用灵敏元件受压力作用时的形变与反射光强度相关的特性,由硅框和金铬薄膜组成的膜片结构中心夹了一个硅光纤挡板,在有压力的情况下,光线经过挡板的过程中会发生强度的改变,经过检测这个细小的改变量,我们就能测得压力的大小。这种灵敏元件已被使用与临床医学,用来测扩张冠状动脉导管气球内的压力。可预见这种压力传感器在显微外科方面必定会有良好的开展远景。一起,在加工与健康保健方面,光纤传感器也在快速开展。

    2. 2 电容式真空压力传感器[6 ]

    E + H公司的电容式压力传感器是由一块基片和厚度为0. 8～2. 8mm的氧化铝(Al2O3) 构成,其间用一个自熔焊接圆环钎焊在一起。该环具有隔离作用,不需要温度补偿,能够保持长期丈量的可靠性和持久的精度。丈量方法采用电容原理,基片上一电容CP 位于位移最大的膜片的中心,而另一参阅电容CR 位于膜片的边际,由于边际很难发生位移,电容值不发生改变,CP 的改变则与施加的压力改变有关,膜片的位移和压力之间的关系是线性的。遇到过载时,膜片贴在基片上不会被损坏,无负载时会马上回来原位无任何滞后,过载量能够到达100 %,即使是损坏也不会走漏任何污染介质。因而具有广泛的使用远景。

    2. 3 耐高温压力传感器

    新型半导体材料碳化硅(SiC) 的呈现使得单晶体的高温传感器的制作成为可能。Rober. S. Okojie报道了一种运转试验达500 ℃的α(6H) SiC 压力传感器. 实验结果表明,在输入电压为5V ,被测压力为6. 9MPa 的条件下,23500 ℃时的满量程输出为44. 66～20. 03mV ,满量程线度为20. 17 % ,迟滞为0. 17 %。在500 ℃条件下运转10h ,功用基本不变,    在100 ℃和500 ℃两点的应变温度系数( TCGF) , 分别为20. 19 %/ ℃和- 0. 11 %/ ℃。这种传感器的首要长处是PN 结走漏电流很小,没有热匹配问题以及升温不发生塑性变型,能够批量加工。Ziermann ,Rene 报道了使用单晶体n 型β- SiC 材料制成的压力传感器,这种压力传感器作业温度可达573K,耐辐射。在室温下,此压力传感器的灵敏度为20. 2muV/ VKPa。

    2. 4 硅微机械加工传感器

    在微机械加工技能逐渐完善的今日,硅微机械传感器在轿车工业中的使用越来越多。而跟着微机械传感器的体积越来越小,线度能够到达1～2mm ,能够放置在人体的重要器官中进行数据的采集。Hachol ,Andrzej ;dziuban ,Jan Bochenek 报道了一种能够用于丈量眼球的眼压计,其膜片直径为1mm。在内眼压为60mmHg 时,静态输出为40mV ,灵敏度系数比较高。

    2. 5 具有自测试功用的压力传感器

    为了降低调试与运转本钱,Dirk De Bruyker 等人报道了一种具有自测试功用的压阻、电容双元件传感器,它的自测试功用是根据热驱动原理进行的,该传感器尺度为1. 2mm ×3mm ×0. 5mm ,适用于生物医学范畴[7 ] 。

    2. 6 多维力传感器

    六维力传感器的研讨和使用是多维力传感器研讨的热门,现在国际上只要美、日等少数国家能够出产。在我国北京理工大学在跟踪国外开展的基础上,又开创性的研制出组合有压电层的柔软光学阵列触觉,阵列密度为2438tactels/ cm2 ,力灵敏1g ,结构柔性很好,能抓握和识别鸡蛋和钢球,现已用于机器人分选物品[8 ] 。

    3 压力传感器的开展趋势

    当今世界各国压力传感器的研讨范畴非常广泛,简直渗透到了各行各业,但归纳起来首要有以下几个趋势:

    (1) 小型化目前市场对小型压力传感器的需求越来越大,这种小型传感器能够作业在极点恶劣的环境下,并且只需要很少的保养和维护,对周围的环境影响也很小,能够放置在人体的各个重要器官中搜集材料,不影响人的正常日子。如美国Entran 公司出产的量程为2～500PSI 的传感器,直径仅为1. 27mm ,能够放置在人体的血管中而不会对血液的流转发生大的影响。

    (2) 集成化压力传感器已经越来越多的与其它丈量用传感器集成以构成丈量和操控系统。集成系统在过程操控和工厂主动化中可进步操作速度和功率。

    (3) 智能化由于集成化的呈现,在集成电路中可增加一些微处理器,使得传感器具有主动补偿、通讯、自确诊、逻辑判断等功用。

    (4) 广泛化压力传感器的另一个开展趋势是正从机械行业向其它范畴扩展,例如:轿车元件、医疗仪器和能源环境操控系统。

    (5) 标准化传感器的规划与制造已经构成了必定的行业标准。如ISO 国际质量体系;美国的ANSI、ASTM标准、俄罗斯的ГOCT、日本的J IS 标准。

    4 结束语

    跟着硅、微机械加工技能、超大集成电路技能和材料制备与特性研讨作业的进展,使得压力传感器在光纤传感器的批量出产、高温硅压阻及压电结传感器的使用成为可能,在生物医学、微型机械等范畴,压力传感器有着广泛的使用远景。