傳感器技能是現代丈量和主動化系統的重要技能之一,從世界開發到海底探秘,從出產的過程操控到現代文明日子,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、半導體、超導體和傳感器) 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、氣候、化工、醫療衛生等方面。由于該技能是平面工藝與立體加工相結合,又便于集成化,所以可用來制成血壓計、風速計、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、性價比最高的一類傳感器。因而關于從事現代丈量與主動操控專業的技能人員必須了解和熟識國內外壓力傳感器的研討現狀和開展趨勢。

    1 壓力傳感器的開展歷程

    現代壓力傳感器以半導體傳感器的創造為標志,而半導體傳感器的開展能夠分為四個階段[1 ] :

    (1) 創造階段(1945 - 1960 年) :這個階段首要是以1947 年雙極性晶體管的創造為標志。爾后,半導體材料的這一特性得到較廣泛使用。史密斯(C.S. Smith) 與1945 發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,其電阻將明顯發生改變。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變電阻分散在晶面上,然后在反面加工成凹形,構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,為商業化開展供給了可能。

    (3) 商業化集成加工階段(1970 - 1980 年) :在硅杯分散理論的基礎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行腐蝕,數千個硅壓力膜能夠一起出產,完成了集成化的工廠加工模式,本錢進一步降低。

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

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

    2 壓力傳感器國內外研討現狀

    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的特性,由硅框和金鉻薄膜組成的膜片結構中心夾了一個硅光纖擋板,在有壓力的情況下,光線經過擋板的過程中會發生強度的改變,經過檢測這個細小的改變量,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學,用來測擴張冠狀動脈導管氣球內的壓力。可預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) 構成,其間用一個自熔焊接圓環釬焊在一起。該環具有隔離作用,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,由于邊際很難發生位移,電容值不發生改變,CP 的改變則與施加的壓力改變有關,膜片的位移和壓力之間的關系是線性的。遇到過載時,膜片貼在基片上不會被損壞,無負載時會馬上回來原位無任何滯后,過載量能夠到達100 %,即使是損壞也不會走漏任何污染介質。因而具有廣泛的使用遠景。

    2. 3 耐高溫壓力傳感器

    新型半導體材料碳化硅(SiC) 的呈現使得單晶體的高溫傳感器的制作成為可能。Rober. S. Okojie報道了一種運轉試驗達500 ℃的α(6H) SiC 壓力傳感器. 實驗結果表明,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10h ,功用基本不變,    在100 ℃和500 ℃兩點的應變溫度系數( TCGF) , 分別為20. 19 %/ ℃和- 0. 11 %/ ℃。這種傳感器的首要長處是PN 結走漏電流很小,沒有熱匹配問題以及升溫不發生塑性變型,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。

    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1～2mm ,能夠放置在人體的重要器官中進行數據的采集。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。在內眼壓為60mmHg 時,靜態輸出為40mV ,靈敏度系數比較高。

    2. 5 具有自測試功用的壓力傳感器

    為了降低調試與運轉本錢,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熱驅動原理進行的,該傳感器尺度為1. 2mm ×3mm ×0. 5mm ,適用于生物醫學范疇[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,現在國際上只要美、日等少數國家能夠出產。在我國北京理工大學在跟蹤國外開展的基礎上,又開創性的研制出組合有壓電層的柔軟光學陣列觸覺,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[8 ] 。

    3 壓力傳感器的開展趨勢

    當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,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在極點惡劣的環境下,并且只需要很少的保養和維護,對周圍的環境影響也很小,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發生大的影響。

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

    (3) 智能化由于集成化的呈現,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向其它范疇擴展,例如:轎車元件、醫療儀器和能源環境操控系統。

    (5) 標準化傳感器的規劃與制造已經構成了必定的行業標準。如ISO 國際質量體系;美國的ANSI、ASTM標準、俄羅斯的ГOCT、日本的J IS 標準。

    4 結束語

    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的進展,使得壓力傳感器在光纖傳感器的批量出產、高溫硅壓阻及壓電結傳感器的使用成為可能,在生物醫學、微型機械等范疇,壓力傳感器有著廣泛的使用遠景。