傳感器技術(shù)是現(xiàn)代測量和自動化系統(tǒng)的重要技術(shù)之一,從宇宙開發(fā)到海底探秘,從生產(chǎn)的過程控制到現(xiàn)代文明生活,幾乎每一項技術(shù)都離不開傳感器,因此,許多國家對傳感器技術(shù)的發(fā)展十分重視,如日本把傳感器技術(shù)列為六大核心技術(shù)(計算機(jī)、通信、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、穩(wěn)定可靠、成本低、便于集成化的優(yōu)點,可廣泛用于壓力、高度、加速度、液體的流量、流速、液位、壓強(qiáng)的測量與控制。除此以外,還廣泛應(yīng)用于水利、地質(zhì)、氣象、化工、醫(yī)療衛(wèi)生等方面。由于該技術(shù)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、電子稱以及自動報警裝置等。壓力傳感器已成為各類傳感器中技術(shù)最成熟、性能最穩(wěn)定、性價比最高的一類傳感器。因此對于從事現(xiàn)代測量與自動控制專業(yè)的技術(shù)人員必須了解和熟識國內(nèi)外壓力傳感器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。
1 壓力傳感器的發(fā)展歷程
現(xiàn)代壓力傳感器以半導(dǎo)體傳感器的發(fā)明為標(biāo)志,而半導(dǎo)體傳感器的發(fā)展可以分為四個階段[1 ] :
(1) 發(fā)明階段(1945 - 1960 年) :這個階段主要是以1947 年雙極性晶體管的發(fā)明為標(biāo)志。此后,半導(dǎo)體材料的這一特性得到較廣泛應(yīng)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)生變化。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)行測量。此階段最小尺寸大約為1cm。
(2) 技術(shù)發(fā)展階段(1960 - 1970 年) :隨著硅擴(kuò)散技術(shù)的發(fā)展,技術(shù)人員在硅的(001) 或(110) 晶面選擇合適的晶向直接把應(yīng)變電阻擴(kuò)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(wěn)定性好、成本低、便于集成化的優(yōu)點,實現(xiàn)了金屬- 硅共晶體,為商業(yè)化發(fā)展提供了可能。
(3) 商業(yè)化集成加工階段(1970 - 1980 年) :在硅杯擴(kuò)散理論的基礎(chǔ)上應(yīng)用了硅的各向異性的腐蝕技術(shù),擴(kuò)散硅傳感器其加工工藝以硅的各項異性腐蝕技術(shù)為主,發(fā)展成為可以自動控制硅膜厚度的硅各向異性加工技術(shù)[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(jī)控制自動中止法。由于可以在多個表面同時進(jìn)行腐蝕,數(shù)千個硅壓力膜可以同時生產(chǎn),實現(xiàn)了集成化的工廠加工模式,成本進(jìn)一步降低。
(4) 微機(jī)械加工階段(1980 年- 今) :上世紀(jì)末出現(xiàn)的納米技術(shù),使得微機(jī)械加工工藝成為可能。
通過微機(jī)械加工工藝可以由計算機(jī)控制加工出結(jié)構(gòu)型的壓力傳感器,其線度可以控制在微米級范圍內(nèi)。利用這一技術(shù)可以加工、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)外研究現(xiàn)狀
從世界范圍看壓力傳感器的發(fā)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(lǐng)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(qiáng)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(fā)生強(qiáng)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(yīng)用與臨床醫(yī)學(xué),用來測擴(kuò)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一定會有良好的發(fā)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(fā)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(bǔ)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(chǎn)生位移,電容值不發(fā)生變化,CP 的變化則與施加的壓力變化有關(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破壞,無負(fù)載時會立刻返回原位無任何滯后,過載量可以達(dá)到100 %,即使是破壞也不會泄漏任何污染介質(zhì)。因此具有廣泛的應(yīng)用前景。
2. 3 耐高溫壓力傳感器
新型半導(dǎo)體材料碳化硅(SiC) 的出現(xiàn)使得單晶體的高溫傳感器的制作成為可能。Rober. S. Okojie報導(dǎo)了一種運行試驗達(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 ℃條件下運行10h ,性能基本不變, 在100 ℃和500 ℃兩點的應(yīng)變溫度系數(shù)( TCGF) , 分別為20. 19 %/ ℃和- 0. 11 %/ ℃。這種傳感器的主要優(yōu)點是PN 結(jié)泄漏電流很小,沒有熱匹配問題以及升溫不產(chǎn)生塑性變型,可以批量加工。Ziermann ,Rene 報導(dǎo)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(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(jī)械加工傳感器
在微機(jī)械加工技術(shù)逐漸完善的今天,硅微機(jī)械傳感器在汽車工業(yè)中的應(yīng)用越來越多。而隨著微機(jī)械傳感器的體積越來越小,線度可以達(dá)到1～2mm ,可以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 報導(dǎo)了一種可以用于測量眼球的眼壓計,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 具有自測試功能的壓力傳感器
為了降低調(diào)試與運行成本,Dirk De Bruyker 等人報導(dǎo)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(jù)熱驅(qū)動原理進(jìn)行的,該傳感器尺寸為1. 2mm ×3mm ×0. 5mm ,適用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[7 ] 。
2. 6 多維力傳感器
六維力傳感器的研究和應(yīng)用是多維力傳感器研究的熱點,現(xiàn)在國際上只有美、日等少數(shù)國家可以生產(chǎn)。在我國北京理工大學(xué)在跟蹤國外發(fā)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(jī)器人分選物品[8 ] 。
3 壓力傳感器的發(fā)展趨勢
當(dāng)今世界各國壓力傳感器的研究領(lǐng)域十分廣泛,幾乎滲透到了各行各業(yè),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(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,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(chǎn)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(chǎn)生大的影響。
(2) 集成化壓力傳感器已經(jīng)越來越多的與其它測量用傳感器集成以形成測量和控制系統(tǒng)。集成系統(tǒng)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(xiàn),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(bǔ)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(fā)展趨勢是正從機(jī)械行業(yè)向其它領(lǐng)域擴(kuò)展,例如:汽車元件、醫(yī)療儀器和能源環(huán)境控制系統(tǒng)。
(5) 標(biāo)準(zhǔn)化傳感器的設(shè)計與制造已經(jīng)形成了一定的行業(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
隨著硅、微機(jī)械加工技術(shù)、超大集成電路技術(shù)和材料制備與特性研究工作的進(jìn)展,使得壓力傳感器在光纖傳感器的批量生產(chǎn)、高溫硅壓阻及壓電結(jié)傳感器的應(yīng)用成為可能,在生物醫(yī)學(xué)、微型機(jī)械等領(lǐng)域,壓力傳感器有著廣泛的應(yīng)用前景。
