論述了壓力傳感器的研究歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,為傳感器的技術開發(fā)人員提供一些參考。
傳感器技術是現(xiàn)代測量和自動化系統(tǒng)的重要技術之一,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,幾乎每一項技術都離不開傳感器,因此,許多國家對傳感器技術的發(fā)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、壓強的測量與控制。除此以外,還廣泛應用于水利、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(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體傳感器的發(fā)明為標志,而半導體傳感器的發(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(fā)現(xiàn)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(fā)生變化。依據(jù)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(zhuǎn)化為電信號進行測量。此階段最小尺寸大約為1cm。
(2) 技術發(fā)展階段(1960 - 1970 年) :隨著硅擴散技術的發(fā)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(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(fā)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(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,成本進一步降低。
(4) 微機械加工階段(1980 年- 今) :上世紀末出現(xiàn)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(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(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(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(yī)學,用來測擴張冠狀動脈導管氣球內(nèi)的壓力�？深A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,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(zhì)。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(xiàn)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(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