壓力傳感器的發(fā)展歷程

DATE:1970-01-01

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,<<4結束語 <<隨著硅、微機械加工技術、超大集成電路技術和材料制備與特性研究工作的進展.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):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構型的壓力傳感器,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。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,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,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,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0.82.8mm氧化鋁(Al2O3構成,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出現(xiàn)使得單晶體的高溫傳感器的制作成為可能。Rober.S.Okoji報導了一種運行試驗達500℃的&alpha;(6HSiC壓力傳感器.實驗結果表明,輸入電壓為5V,被測壓力為6.9MPa條件下,23500℃時的滿量程輸出為44.6620.03mV,滿量程線度為20.17%,遲滯為0.17%500℃條件下運行10h,性能基本不變,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&beta;-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。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

微機械加工技術逐漸完善的今天,硅微機械傳感器在汽車工業(yè)中的應用越來越多。而隨著微機械傳感器的體積越來越小,線度可以達到12mm,可以放置在人體的重要器官中進行數(shù)據(jù)的采集。Hachol,A ndrzej;dziuban,JanBochenek報導了一種可以用于測量眼球的眼壓計,其膜片直徑為1mm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,DirkDeBruyker等人報導了一種具有自測試功能的壓阻、電容雙元件傳感器,自測試功能是根據(jù)熱驅(qū)動原理進行的,該傳感器尺寸為1.2mm3mm0.5mm,適用于生物醫(yī)學領域[7]

4結束語

隨著硅、微機械加工技術、超大集成電路技術和材料制備與特性研究工作的進展,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傳感器的應用成為可能,生物醫(yī)學、微型機械等領域,壓力傳感器有著廣泛的應用前景。