壓力傳感器的現狀及發展狀況
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壓力傳感器的現狀及發展狀況  2012/3/1
文章介紹壓力傳感器的現狀及發展情況。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。

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) 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,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。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,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;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。

 

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