傳感器技能是現(xiàn)代丈量和主動化系統(tǒng)的重要技能之一,從世界開發(fā)到海底探秘,從出產(chǎn)的過程操控到現(xiàn)代文明日子,簡直每一項技能都離不開傳感器,因而,許多國家對傳感器技能的開展非常重視,如日本把傳感器技能列為六大核心技能(計算機、通訊、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、安穩(wěn)可靠、本錢低、便于集成化的長處,可廣泛用于壓力、高度、加速度、液體的流量、流速、液位、壓強的丈量與操控。除此以外,還廣泛使用于水利、地質(zhì)、氣候、化工、醫(yī)療衛(wèi)生等方面。由于該技能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、風(fēng)速計、水速計、壓力表、電子稱以及主動報警裝置等。壓力傳感器已成為各類傳感器中技能最老練、功用最安穩(wěn)、性價比最高的一類傳感器。因而關(guān)于從事現(xiàn)代丈量與主動操控專業(yè)的技能人員必須了解和熟識國內(nèi)外壓力傳感器的研討現(xiàn)狀和開展趨勢。

    1 壓力傳感器的開展歷程

    現(xiàn)代壓力傳感器以半導(dǎo)體傳感器的創(chuàng)造為標(biāo)志,而半導(dǎo)體傳感器的開展能夠分為四個階段[1 ] :

    (1) 創(chuàng)造階段(1945 - 1960 年) :這個階段首要是以1947 年雙極性晶體管的創(chuàng)造為標(biāo)志。爾后,半導(dǎo)體材料的這一特性得到較廣泛使用。史密斯(C.S. Smith) 與1945 發(fā)現(xiàn)了硅與鍺的壓阻效應(yīng)[2 ] ,即當(dāng)有外力作用于半導(dǎo)體材料時,其電阻將明顯發(fā)生改變。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,即將力信號轉(zhuǎn)化為電信號進(jìn)行丈量。此階段最小尺度大約為1cm。

    (2) 技能開展階段(1960 - 1970 年) :跟著硅分散技能的開展,技能人員在硅的(001) 或(110) 晶面挑選合適的晶向直接把應(yīng)變電阻分散在晶面上,然后在反面加工成凹形,構(gòu)成較薄的硅彈性膜片,稱為硅杯[3 ] 。這種形式的硅杯傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、安穩(wěn)性好、本錢低、便于集成化的長處,完成了金屬- 硅共晶體,為商業(yè)化開展供給了可能。

    (3) 商業(yè)化集成加工階段(1970 - 1980 年) :在硅杯分散理論的基礎(chǔ)上使用了硅的各向異性的腐蝕技能,分散硅傳感器其加工工藝以硅的各項異性腐蝕技能為主,開展成為能夠主動操控硅膜厚度的硅各向異性加工技能[4 ] ,首要有V 形槽法、濃硼主動間斷法、陽極氧化法主動間斷法和微機操控主動間斷法。由于能夠在多個表面一起進(jìn)行腐蝕,數(shù)千個硅壓力膜能夠一起出產(chǎn),完成了集成化的工廠加工模式,本錢進(jìn)一步降低。

    (4) 微機械加工階段(1980 年- 今) :上世紀(jì)末呈現(xiàn)的納米技能,使得微機械加工工藝成為可能。

經(jīng)過微機械加工工藝能夠由計算機操控加工出結(jié)構(gòu)型的壓力傳感器,其線度能夠操控在微米級范圍內(nèi)。使用這一技能能夠加工、蝕刻微米級的溝、條、膜,使得壓力傳感器進(jìn)入了微米階段。

    2 壓力傳感器國內(nèi)外研討現(xiàn)狀

    從世界范圍看壓力傳感器的開展動向首要有以下幾個方向。

    2. 1 光纖壓力傳感器[5 ]

    這是一類研討成果較多的傳感器,但投入實際范疇的并不是太多。它的作業(yè)原理是使用靈敏元件受壓力作用時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(jié)構(gòu)中心夾了一個硅光纖擋板,在有壓力的情況下,光線經(jīng)過擋板的過程中會發(fā)生強度的改變,經(jīng)過檢測這個細(xì)小的改變量,我們就能測得壓力的大小。這種靈敏元件已被使用與臨床醫(yī)學(xué),用來測擴張冠狀動脈導(dǎo)管氣球內(nèi)的壓力。可預(yù)見這種壓力傳感器在顯微外科方面必定會有良好的開展遠(yuǎn)景。一起,在加工與健康保健方面,光纖傳感器也在快速開展。

    2. 2 電容式真空壓力傳感器[6 ]

    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,能夠保持長期丈量的可靠性和持久的精度。丈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心,而另一參閱電容CR 位于膜片的邊際,由于邊際很難發(fā)生位移,電容值不發(fā)生改變,CP 的改變則與施加的壓力改變有關(guān),膜片的位移和壓力之間的關(guān)系是線性的。遇到過載時,膜片貼在基片上不會被損壞,無負(fù)載時會馬上回來原位無任何滯后,過載量能夠到達(dá)100 %,即使是損壞也不會走漏任何污染介質(zhì)。因而具有廣泛的使用遠(yuǎn)景。

    2. 3 耐高溫壓力傳感器

    新型半導(dǎo)體材料碳化硅(SiC) 的呈現(xiàn)使得單晶體的高溫傳感器的制作成為可能。Rober. S. Okojie報道了一種運轉(zhuǎn)試驗達(dá)500 ℃的α(6H) SiC 壓力傳感器. 實驗結(jié)果表明,在輸入電壓為5V ,被測壓力為6. 9MPa 的條件下,23500 ℃時的滿量程輸出為44. 66～20. 03mV ,滿量程線度為20. 17 % ,遲滯為0. 17 %。在500 ℃條件下運轉(zhuǎn)10h ,功用基本不變,    在100 ℃和500 ℃兩點的應(yīng)變溫度系數(shù)( TCGF) , 分別為20. 19 %/ ℃和- 0. 11 %/ ℃。這種傳感器的首要長處是PN 結(jié)走漏電流很小,沒有熱匹配問題以及升溫不發(fā)生塑性變型,能夠批量加工。Ziermann ,Rene 報道了使用單晶體n 型β- SiC 材料制成的壓力傳感器,這種壓力傳感器作業(yè)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 硅微機械加工傳感器

    在微機械加工技能逐漸完善的今日,硅微機械傳感器在轎車工業(yè)中的使用越來越多。而跟著微機械傳感器的體積越來越小,線度能夠到達(dá)1～2mm ,能夠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 報道了一種能夠用于丈量眼球的眼壓計,其膜片直徑為1mm。在內(nèi)眼壓為60mmHg 時,靜態(tài)輸出為40mV ,靈敏度系數(shù)比較高。

    2. 5 具有自測試功用的壓力傳感器

    為了降低調(diào)試與運轉(zhuǎn)本錢,Dirk De Bruyker 等人報道了一種具有自測試功用的壓阻、電容雙元件傳感器,它的自測試功用是根據(jù)熱驅(qū)動原理進(jìn)行的,該傳感器尺度為1. 2mm ×3mm ×0. 5mm ,適用于生物醫(yī)學(xué)范疇[7 ] 。

    2. 6 多維力傳感器

    六維力傳感器的研討和使用是多維力傳感器研討的熱門,現(xiàn)在國際上只要美、日等少數(shù)國家能夠出產(chǎn)。在我國北京理工大學(xué)在跟蹤國外開展的基礎(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,能抓握和識別雞蛋和鋼球,現(xiàn)已用于機器人分選物品[8 ] 。

    3 壓力傳感器的開展趨勢

    當(dāng)今世界各國壓力傳感器的研討范疇非常廣泛,簡直滲透到了各行各業(yè),但歸納起來首要有以下幾個趨勢:

    (1) 小型化目前市場對小型壓力傳感器的需求越來越大,這種小型傳感器能夠作業(yè)在極點惡劣的環(huán)境下,并且只需要很少的保養(yǎng)和維護(hù),對周圍的環(huán)境影響也很小,能夠放置在人體的各個重要器官中搜集材料,不影響人的正常日子。如美國Entran 公司出產(chǎn)的量程為2～500PSI 的傳感器,直徑僅為1. 27mm ,能夠放置在人體的血管中而不會對血液的流轉(zhuǎn)發(fā)生大的影響。

    (2) 集成化壓力傳感器已經(jīng)越來越多的與其它丈量用傳感器集成以構(gòu)成丈量和操控系統(tǒng)。集成系統(tǒng)在過程操控和工廠主動化中可進(jìn)步操作速度和功率。

    (3) 智能化由于集成化的呈現(xiàn),在集成電路中可增加一些微處理器,使得傳感器具有主動補償、通訊、自確診、邏輯判斷等功用。

    (4) 廣泛化壓力傳感器的另一個開展趨勢是正從機械行業(yè)向其它范疇擴展,例如:轎車元件、醫(yī)療儀器和能源環(huán)境操控系統(tǒng)。

    (5) 標(biāo)準(zhǔn)化傳感器的規(guī)劃與制造已經(jīng)構(gòu)成了必定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如ISO 國際質(zhì)量體系;美國的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

    跟著硅、微機械加工技能、超大集成電路技能和材料制備與特性研討作業(yè)的進(jìn)展,使得壓力傳感器在光纖傳感器的批量出產(chǎn)、高溫硅壓阻及壓電結(jié)傳感器的使用成為可能,在生物醫(yī)學(xué)、微型機械等范疇,壓力傳感器有著廣泛的使用遠(yuǎn)景。