淺談壓力傳感（gǎn）器（qì）的技術研究

 傳感器技術是（shì）現代測量和自（zì）動化係統的（de）重要技術（shù）之一,從宇宙開發到海底探秘（mì）,從生產（chǎn）的（de）過程控製到（dào）現（xiàn）代（dài）文明生活,幾乎每（měi）一項技（jì）術都離不開傳感器,因此,許多國家對（duì）傳感器技術的發展十分重視,如日本把傳感器（qì）技術列為六（liù）大核心技術(計算機、通信、激光、半導體（tǐ）、超導體和傳（chuán）感器) 之一。在各類傳感器中壓力（lì）傳（chuán）感器具有體積小、重量輕、靈敏（mǐn）度高、穩定可靠、成本低、便於集成化的優點,可廣泛用於壓力、高度、加速度、液體的流量、流速、液位、壓強的測量與控製。除此以外,還廣泛應用於水利、地質、氣（qì）象、化工（gōng）、醫療衛生等方麵。由於該（gāi）技術是平麵工藝與立體（tǐ）加工（gōng）相結合,又便於集成（chéng）化,所以可用來（lái）製成血壓計、風速計、水速（sù）計（jì）、壓力表、電子（zǐ）稱以及自動（dòng）報警裝置等。壓力傳感器已成為各類傳感器中技術成熟、性能穩定、性價比高的一類傳感器。因此對於從（cóng）事現代測量與自動控製專業的技術人員必須了（le）解和熟（shú）識國內外壓力傳感器的研究現狀和發展趨勢。
1 壓力傳感器的發展曆程    現代壓力傳感器以半導體傳感（gǎn）器的發明為標誌,而半導體（tǐ）傳感器的發展可以（yǐ）分為四個階段:
    (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誌。此後,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 發現了矽與鍺的壓阻效應[2 ] ,即當有外力作用於半導體材料時（shí）,其電阻將明顯發生（shēng）變化。依據此原理製成的壓（yā）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（háng）測量。此階段小尺寸大約為1cm。
    (2) 技（jì）術發展階段(1960 - 1970 年) :隨著矽擴散技（jì）術的（de）發展,技術人員在矽的(001) 或(110) 晶麵選擇合適的晶向直接把應變電阻擴散在晶麵上,然後（hòu）在背麵加工成凹形,形（xíng）成較（jiào）薄的矽彈性膜片,稱為（wéi）矽（guī）杯[3 ] 。這種形式的矽杯傳感器具（jù）有體積小、重量輕、靈敏度高、穩定性好（hǎo）、成本低（dī）、便於集成化的優點,實（shí）現了金（jīn）屬- 矽（guī）共晶體,為商業化發展提供（gòng）了可能。
    (3) 商業（yè）化集成加（jiā）工（gōng）階段(1970 - 1980 年) :在矽杯擴散（sàn）理論（lùn）的基礎上應用了矽的各向異性的（de）腐（fǔ）蝕技術,擴散矽傳感器其加工工藝以矽的各項異性腐蝕技術為主,發展成為可以自（zì）動（dòng）控（kòng）製矽膜厚度（dù）的矽各向異性加工技術[4 ] ,主要有V 形（xíng）槽法、濃硼自動中止法、陽（yáng）極氧化法自動中止法和微（wēi）機控製自動中止法。由於可（kě）以在多個（gè）表麵同時進行腐蝕,數千個（gè）矽壓力膜可以同時（shí）生產,實現了集成化的工廠加工模式,成本進（jìn）一步降低。
    (4) 微機械加工（gōng）階段(1980 年- 今) :上世紀末（mò）出現的納米技術,使得微機械加工工（gōng）藝成為可能。
通過微機械加工（gōng）工藝可以（yǐ）由計算機控製加工出結構型的壓力傳感器,其線度可以控製在微米級範圍內（nèi）。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（gǎn）器進入了微米階段。

2 壓力傳感器國內外研究現狀
    從世界範圍看壓（yā）力（lì）傳感器的發（fā）展動向主要有（yǒu）以下幾個方向。
    2. 1 光纖（xiān）壓（yā）力傳感（gǎn）器
    這（zhè）是一類研（yán）究成果較多的傳感器,但（dàn）投入（rù）實際領域的並不是太多。它的工作原理是利用敏感元件受壓力作用時的形變與反（fǎn）射光強度相關的特性,由矽框和金鉻薄（báo）膜組成的膜片結構中間夾了一（yī）個矽光纖擋板,在有壓力（lì）的情況下（xià）,光線通過擋板（bǎn）的過程中會發生強度的（de）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（yòng）來測擴張冠（guàn）狀（zhuàng）動脈導管氣（qì）球內的壓力。可預（yù）見這種壓力傳感器（qì）在（zài）顯微外科方（fāng）麵（miàn）一定會有（yǒu）良好的發（fā）展前景。同時,在加工與健康保健方麵,光纖傳感器也在快速發展。
    2. 2 電容式真空壓力傳感器
    E + H公（gōng）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釺焊在一起。該環具有隔離作用,不需要（yào）溫度補償,可以（yǐ）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 位於位移大的膜片的中（zhōng）央,而另一參（cān）考電容CR 位於膜片（piàn）的邊緣,由於邊緣很難產生（shēng）位移,電容（róng）值不發生變化,CP 的變（biàn）化則與（yǔ）施加的壓力變化有關,膜片的位移和壓力（lì）之間的關係是線（xiàn）性的。遇到過載時（shí）,膜片貼在（zài）基片上不會被破壞,無負載（zǎi）時會立刻返回原位無任何滯後,過載量可以達到100 %,即使是破壞也（yě）不會（huì）泄漏任（rèn）何汙染介質。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矽(SiC) 的（de）出現使得單晶體的高溫傳感器的製作成為可能。Rober. S. Okojie報（bào）導了一種運行（háng）試驗（yàn）達500 ℃的α(6H) SiC 壓力傳感器. 實驗結果表明,在輸入（rù）電壓為5V ,被測壓力（lì）為6. 9MPa 的條件下（xià）,23500 ℃時的（de）滿量程輸出為44. 66～20. 03mV ,滿量程線度（dù）為（wéi）20. 17 % ,遲滯（zhì）為0. 17 %。在500 ℃條件下（xià）運行10h ,性能基本不變,    在100 ℃和500 ℃兩點（diǎn）的應變溫（wēn）度（dù）係數( TCGF) , 分別為20. 19 %/ ℃和- 0. 11 %/ ℃。這種傳感器（qì）的主要優點是（shì）PN 結泄漏電流很小,沒有熱匹配問（wèn）題以及升溫不產生（shēng）塑性變（biàn）型,可以批量加（jiā）工。Ziermann ,Rene 報導了使用單晶體n 型β- SiC 材料製成的（de）壓力（lì）傳感器,這種壓力傳感器工作（zuò）溫度可達573K,耐輻射。在室溫下（xià）,此壓力傳感器（qì）的（de）靈敏度為20. 2muV/ VKPa。
2. 4 矽微機械加工傳（chuán）感器
    在微機械加工技術逐漸完善的今天,矽微機（jī）械傳感器在汽車工業中的應用越來越多。而隨著微（wēi）機械傳（chuán）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（háng）數據的（de）采集。Hachol ,Andrzej ;dziuban ,Jan Bochenek 報導了一種可（kě）以用於（yú）測量眼球的眼壓計,其膜片直徑為（wéi）1mm。在內眼壓為60mmHg 時,靜態輸出為40mV ,靈敏度係數（shù）比較高。
    2. 5 具有自測試功（gōng）能（néng）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（zhǒng）具有自測試功能的壓阻、電容雙元件傳感器,它的自（zì）測試（shì）功能是根據（jù）熱驅動原理進行的,該（gāi）傳感器尺寸為1. 2mm ×3mm ×0. 5mm ,適用於生物醫學領域。
    2. 6 多（duō）維力傳（chuán）感器
    六維（wéi）力傳感（gǎn）器的研究和應用（yòng）是多維力傳（chuán）感器研究的熱點,現在國際上隻有美、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,又開創性的研製出（chū）組合有壓電層（céng）的柔軟光（guāng）學陣列觸覺,陣列密度為2438tactels/ cm2 ,力靈敏1g ,結構柔性（xìng）很好,能抓握和識別雞蛋和鋼球,現已用於機器人分選物品。

3 壓力傳（chuán）感器的（de）發展趨勢
    當今世界各國壓力傳感器的（de）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（xiǎo）型化目前市場對小型壓力傳感（gǎn）器的需（xū）求越來越大,這種小型傳感（gǎn）器可（kě）以工作在******惡（è）劣的環境下（xià）,並且（qiě）隻需要很少（shǎo）的保養和維（wéi）護（hù）,對周圍的環境影響也很小,可以放置在人體的（de）各個重要（yào）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（gǎn）器,直徑僅為1. 27mm ,可以放置在人體（tǐ）的血管中而不會對血液（yè）的流（liú）通產生大的影響。
    (2) 集成化壓力傳感器已經（jīng）越（yuè）來越多的（de）與其它測（cè）量用（yòng）傳感器集成以形成測量和控製係統。集（jí）成係統在過程控製和工廠自動化中可提高操（cāo）作速度和效率。
    (3) 智能化由於（yú）集成化的出現,在集成電路中可添加一些微處理器,使（shǐ）得傳感器具有自動補償、通訊、自診斷（duàn）、邏輯判斷等功能（néng）。
    (4) 廣泛化壓（yā）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（kuò）展,例如（rú）:汽車（chē）元件、醫療儀器和能源環境控（kòng）製（zhì）係統。
    (5) 標準化傳感器的設計與製造已經形成了一（yī）定的行業標準。如ISO 國際質量體（tǐ）係;美國的ANSI、ASTM標準、俄羅斯的ГOCT、日本的J IS 標準。 

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