压力传感器研究现状及发展趋势

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论述了压力传感器的研究历史、现状及发展趋势,为传感器的技术开发人员提供一些参考。
传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一,从宇宙开发到海底探秘,从生产的过程控制到现代文明生活,几乎每一项技术都离不开传感器,因此,许多国家对传感器技术的发展十分重视,如日本把传感器技术列为六大核心技术(计算机、通信、激光、半导体、超导体和传感器)之一。在各类传感器中压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定可靠、成本低、便于集成化的优点,可广泛用于压力、高度、加速度、液体的流量、流速、液位、压强的测量与控制。除此以外,还广泛应用于水利、地质、气象、化工、医疗卫生等方面。由于该技术是平面工艺与立体加工相结合,又便于集成化,所以可用来制成血压计、风速计、水速计、压力表、电子称以及自动报警装置等。压力传感器已成为各类传感器中技术最成熟、性能最稳定、性价比最高的一类传感器。因此对于从事现代测量与自动控制专业的技术人员必须了解和熟识国内外压力传感器的研究现状和发展趋势。
1压力传感器的发展历程
现代压力传感器以半导体传感器的发明为标志,而半导体传感器的发展可以分为四个阶段[1]:
(1)发明阶段(1945-1960年):这个阶段主要是以1947年双极性晶体管的发明为标志。此后,半导体材料的这一特性得到较广泛应用。史密斯(C.S.Smith)与1945发现了硅与锗的压阻效应[2],即当有外力作用于半导体材料时,其电阻将明显发生变化。依据此原理制成的压力传感器是把应变电阻片粘在金属薄膜上,即将力信号转化为电信号进行测量。此阶段最小尺寸大约为1cm。
(2)技术发展阶段(1960-1970年):随着硅扩散技术的发展,技术人员在硅的(001)或(110)晶面选择合适的晶向直接把应变电阻扩散在晶面上,然后在背面加工成凹形,形成较薄的硅弹性膜片,称为硅杯[3]。这种形式的硅杯传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定性好、成本低、便于集成化的优点,实现了金属-硅共晶体,为商业化发展提供了可能。
(3)商业化集成加工阶段(1970-1980年):在硅杯扩散理论的基础上应用了硅的各向异性的腐蚀技术,扩散硅传感器其加工工艺以硅的各项异性腐蚀技术为主,发展成为可以自动控制硅膜厚度的硅各向异性加工技术[4],主要有V形槽法、浓硼自动中止法、阳极氧化法自动中止法和微机控制自动中止法。由于可以在多个表面同时进行腐蚀,数千个硅压力膜可以同时生产,实现了集成化的工厂加工模式,成本进一步降低。
(4)微机械加工阶段(1980年-今):上世纪末出现的纳米技术,使得微机械加工工艺成为可能。
通过微机械加工工艺可以由计算机控制加工出结构型的压力传感器,其线度可以控制在微米级范围内。利用这一技术可以加工、蚀刻微米级的沟、条、膜,使得压力传感器进入了微米阶段。
2压力传感器国内外研究现状
从世界范围看压力传感器的发展动向主要有以下几个方向。
2.1光纤压力传感器[5]
这是一类研究成果较多的传感器,但投入实际领域的并不是太多。它的工作原理是利用敏感元件受压力作用时的形变与反射光强度相关的特性,由硅框和金铬薄膜组成的膜片结构中间夹了一个硅光纤挡板,在有压力的情况下,光线通过挡板的过程中会发生强度的改变,通过检测这个微小的改变量,我们就能测得压力的大小。这种敏感元件已被应用与临床医学,用来测扩张冠状动脉导管气球内的压力。可预见这种压力传感器在显微外科方面一定会有良好的发展前景。同时,在加工与健康保健方面,光纤传感器也在快速发展。
2.2电容式真空压力传感器[6]
E+H公司的电容式压力传感器是由一块基片和厚度为0.8～2.8mm的氧化铝(Al2O3)构成,其间用一个自熔焊接圆环钎焊在一起。该环具有隔离作用,不需要温度补偿,可以保持长期测量的可靠性和持久的精度。测量方法采用电容原理,基片上一电容CP位于位移最大的膜片的中央,而另一参考电容CR位于膜片的边缘,由于边缘很难产生位移,电容值不发生变化,CP的变化则与施加的压力变化有关,膜片的位移和压力之间的关系是线性的。遇到过载时,膜片贴在基片上不会被破坏,无负载时会立刻返回原位无任何滞后,过载量可以达到100%,即使是破坏也不会泄漏任何污染介质。因此具有广泛的应用前景。
2.3耐高温压力传感器
新型半导体材料碳化硅(SiC)的出现使得单晶体的高温传感器的制作成为可能。Rober.S.Okojie报导了一种运行试验达500℃的α(6H)SiC压力传感器.实验结果表明,在输入电压为5V,被测压力为6.9MPa的条件下,23500℃时的满量程输出为44.66～20.03mV,满量程线度为20.17%,迟滞为0.17%。在500℃条件下运行10h,性能基本不变,在100℃和500℃两点的应变温度系数(TCGF),分别为20.19%/℃和-0.11%/℃。这种传感器的主要优点是PN结泄漏电流很小,没有热匹配问题以及升温不产生塑性变型,可以批量加工。Ziermann,Rene报导了使用单晶体n型β-SiC材料制成的压力传感器,这种压力传感器工作温度可达573K,耐辐射。在室温下,此压力传感器的灵敏度为20.2muV/VKPa。
2.4硅微机械加工传感器在微机械加工技术逐渐完善的今天,硅微机械传感器在汽车工业中的应用越来越多。而随着微机械传感器的体积越来越小,线度可以达到1～2mm,可以放置在人体的重要器官中进行数据的采集。Hachol,Andrzej;dziuban,JanBochenek报导了一种可以用于测量眼球的眼压计,其膜片直径为1mm。在内眼压为60mmHg时,静态输出为40mV,灵敏度系数比较高。
2.5具有自测试功能的压力传感器
为了降低调试与运行成本,DirkDeBruyker等人报导了一种具有自测试功能的压阻、电容双元件传感器,它的自测试功能是根据热驱动原理进行的,该传感器尺寸为1.2mm×3mm×0.5mm,适用于生物医学领域[7]。
2.6多维力传感器
六维力传感器的研究和应用是多维力传感器研究的热点,现在国际上只有美、日等少数国家可以生产。在我国北京理工大学在跟踪国外发展的基础上,又开创性的研制出组合有压电层的柔软光学阵列触觉,阵列密度为2438tactels/cm2,力灵敏1g,结构柔性很好,能抓握和识别鸡蛋和钢球,现已用于机器人分选物品[8]。
3压力传感器的发展趋势
当今世界各国压力传感器的研究领域十分广泛,几乎渗透到了各行各业,但归纳起来主要有以下几个趋势:
(1)小型化目前市场对小型压力传感器的需求越来越大,这种小型传感器可以工作在极端恶劣的环境下,并且只需要很少的保养和维护,对周围的环境影响也很小,可以放置在人体的各个重要器官中收集资料,不影响人的正常生活。如美国Entran公司生产的量程为2～500PSI的传感器,直径仅为1.27mm,可以放置在人体的血管中而不会对血液的流通产生大的影响。
(2)集成化压力传感器已经越来越多的与其它测量用传感器集成以形成测量和控制系统。集成系统在过程控制和工厂自动化中可提高操作速度和效率。
(3)智能化由于集成化的出现,在集成电路中可添加一些微处理器,使得传感器具有自动补偿、通讯、自诊断、逻辑判断等功能。
(4)广泛化压力传感器的另一个发展趋势是正从机械行业向其它领域扩展,例如:汽车元件、医疗仪器和能源环境控制系统。
(5)标准化传感器的设计与制造已经形成了一定的行业标准。如ISO国际质量体系;美国的ANSI、astm标准、俄罗斯的ГOCT、日本的JIS标准。
4结束语
随着硅、微机械加工技术、超大集成电路技术和材料制备与特性研究工作的进展,使得压力传感器在光纤传感器的批量生产、高温硅压阻及压电结传感器的应用成为可能,在生物医学、微型机械等领域,压力传感器有着广泛的应用前景。
参考文献:
[1]S.M.Sze.Semiconductorsensor,1994chapterIvppIV.
[2]C.S.Smith,piezoresistiveeffectingermaniumandsiliconphys.
[3]冯景星.静电封接与硅杯腐蚀的新技术[J].福州大学学报,1994.
[4]DesnicalUV.SanticB.Trap-inducedphotoconductivityinsemi-insulatinggalliumarsenide.1989.
[5]白韶红.光纤压力传感器得发展[J].工业仪表与自动化,1990.
[6]YuelinWangetal,Thestructuresforelectrostaticservrocapacitivevacuumsensor,sensorsandactuatorsA1998.
[7]DirkDeBruykeretal,AcombinedpiezoresitivepressuresensorandfunctionbasedonthermalactuationsensorsA,1998.
[8]张维新,等.半导体传感器[M].天津:天津大学出版社,1990.
作者介绍:张鑫,男,1981年出生,山东农业大学2002级硕士研究生,研究方向:智能节水农业控制。[/J]