傳感器技術是現代測量和自動化系統的重要技術之一,從宇宙開發到海底探秘,從生產的過程控制到現代文明生活,幾乎每一項技術都離不開傳感器,因此,許多國家對傳感器技術的發展十分重視,如日本把傳感器技術列為六大核心技術(計算機、通信、激光、半導體、超導體和傳感器) 之一。在各類傳感器中力傳感器">壓力傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、穩定可靠、成本低、便于集成化的優點,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、氣象、化工、醫療衛生等方面。由于該技術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、電子稱以及自動報警裝置等。壓力傳感器已成為各類傳感器中技術最成熟、性能最穩定、性價比最高的一類傳感器。因此對于從事現代測量與自動控制專業的技術人員必須了解和熟識國內外壓力傳感器的研究現狀和發展趨勢。
1 壓力傳感器的發展歷程
現代壓力傳感器以半導體傳感器的發明為標志,而半導體傳感器的發展可以分為四個階段[1 ] :
(1) 發明階段(1945 - 1960 年) :這個階段主要是以1947 年雙極性晶體管的發明為標志。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行測量。此階段最小尺寸大約為1cm。
(2) 技術發展階段(1960 - 1970 年) :隨著硅擴散技術的發展,技術人員在硅的(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、便于集成化的優點,實現了金屬- 硅共晶體,為商業化發展提供了可能。
(3) 商業化集成加工階段(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,擴散硅傳感器其加工工藝以硅的各項異性腐蝕技術為主,發展成為可以自動控制硅膜厚度的硅各向異性加工技術[4 ] ,主要有V 形槽法、濃硼自動中止法、陽極氧化法自動中止法和微機控制自動中止法。由于可以在多個表面同時進行腐蝕,數千個硅壓力膜可以同時生產,實現了集成化的工廠加工模式,成本進一步降低。
(4) 微機械加工階段(1980 年- 今) :上世紀末出現的納米技術,使得微機械加工工藝成為可能。
通過微機械加工工藝可以由計算機控制加工出結構型的壓力傳感器,其線度可以控制在微米級范圍內。利用這一技術可以加工、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究現狀
從世界范圍看壓力傳感器的發展動向主要有以下幾個方向。
2. 1 光纖壓力傳感器[5 ]
這是一類研究成果較多的傳感器,但投入實際領域的并不是太多。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間夾了一個硅光纖擋板,在有壓力的情況下,光線通過擋板的過程中會發生強度的改變,通過檢測這個微小的改變量,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,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一定會有良好的發展前景。同時,在加工與健康保健方面,光纖傳感器也在快速發展。
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,可以保持長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,由于邊緣很難產生位移,電容值不發生變化,CP 的變化則與施加的壓力變化有關,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破壞,無負載時會立刻返回原位無任何滯后,過載量可以達到100 %,即使是破壞也不會泄漏任何污染介質。因此具有廣泛的應用前景。
2. 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 ℃條件下運行10h ,性能基本不變, 在100 ℃和500 ℃兩點的應變溫度系數( TCGF) , 分別為20. 19 %/ ℃和- 0. 11 %/ ℃。這種傳感器的主要優點是PN 結泄漏電流很小,沒有熱匹配問題以及升溫不產生塑性變型,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。
2. 4 硅微機械加工傳感器
在微機械加工技術逐漸完善的今天,硅微機械傳感器在汽車工業中的應用越來越多。而隨著微機械傳感器的體積越來越小,線度可以達到1～2mm ,可以放置在人體的重要器官中進行數據的采集。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,靜態輸出為40mV ,靈敏度系數比較高。
2. 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原理進行的,該傳感器尺寸為1. 2mm ×3mm ×0. 5mm ,適用于生物醫學領域[7 ] 。
2. 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,現在國際上只有美、日等少數國家可以生產。在我國北京理工大學在跟蹤國外發展的基礎上,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 壓力傳感器的發展趨勢
當今世界各國壓力傳感器的研究領域十分廣泛,幾乎滲透到了各行各業,但歸納起來主要有以下幾個趨勢:
(1) 小型化目前市場對小型壓力傳感器的需求越來越大,這種小型傳感器可以工作在極端惡劣的環境下,并且只需要很少的保養和維護,對周圍的環境影響也很小,可以放置在人體的各個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對血液的流通產生大的影響。
(2) 集成化壓力傳感器已經越來越多的與其它測量用傳感器集成以形成測量和控制系統。集成系統在過程控制和工廠自動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發展趨勢是正從機械行業向其它領域擴展,例如:汽車元件、醫療儀器和能源環境控制系統。
(5) 標準化傳感器的設計與制造已經形成了一定的行業標準。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
隨著硅、微機械加工技術、超大集成電路技術和材料制備與特性研究工作的進展,使得壓力傳感器在光纖傳感器的批量生產、高溫硅壓阻及壓電結傳感器的應用成為可能,在生物醫學、微型機械等領域,壓力傳感器有著廣泛的應用前景。