壓力傳感器文獻(xiàn)綜述1

1、壓力傳感器文獻(xiàn)綜述摘要：傳感器技術(shù)是綜合多種學(xué)科的復(fù)合型技術(shù)，是一門(mén)正在蓬勃發(fā)展的現(xiàn)代化傳感器技術(shù)。本文通過(guò)部分文獻(xiàn)資料對(duì)壓力傳感器的發(fā)展過(guò)程、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)做一簡(jiǎn)要介紹。關(guān)鍵詞：壓力；傳感器；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(gè)階段（1）發(fā)明階段（1945-1960年）：這個(gè)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。史密斯與1945發(fā)現(xiàn)了硅與錯(cuò)的壓阻效應(yīng)，即當(dāng)有外力作用于半導(dǎo)體材料時(shí)，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(hào)轉(zhuǎn)化為電信

2、號(hào)進(jìn)行測(cè)量。此階段最小尺寸大約為1cs（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(chēng)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(wěn)定性好、成本低、便于集成化的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)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)散硅傳感器具加工工藝以硅的各項(xiàng)異性腐蝕技術(shù)為主，發(fā)展成為可以自動(dòng)控制硅膜厚度的硅各向異性加工技術(shù)，主要有V形槽法、濃硼自動(dòng)中

3、止法、陽(yáng)極氧化法自動(dòng)中止法和微機(jī)控制自動(dòng)中止法。由于可以在多個(gè)表面同時(shí)進(jìn)行腐蝕，數(shù)千個(gè)硅壓力膜可以同時(shí)生產(chǎn)，實(shí)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(guò)微機(jī)械加工工藝可以由計(jì)算機(jī)控制加工出結(jié)構(gòu)型的壓力傳感器，其線(xiàn)度可以控制在微米級(jí)范圍內(nèi)。利用這一技術(shù)可以加工、蝕刻微米級(jí)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀傳感器是新技術(shù)革命和信息社會(huì)的重要技術(shù)基礎(chǔ)，是現(xiàn)代科技的開(kāi)路先鋒。美、日、英、法、德和獨(dú)聯(lián)體等國(guó)都把傳感器技術(shù)列為國(guó)家重點(diǎn)開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)之一。美國(guó)長(zhǎng)期安全和經(jīng)濟(jì)繁榮至

4、關(guān)重要的22項(xiàng)技術(shù)中就有6項(xiàng)與傳感器信息處理技術(shù)直接相關(guān)。關(guān)于保護(hù)美國(guó)武器系統(tǒng)質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)至關(guān)重要的關(guān)鍵技術(shù)，其中8項(xiàng)為無(wú)源傳感器。正是由于世界各國(guó)普遍重視和投入開(kāi)發(fā)，傳感器發(fā)展十分迅速。目前，我國(guó)傳感器行業(yè)規(guī)模較小，應(yīng)用范圍較窄。為此，我們亟須轉(zhuǎn)變觀念，將傳感器的研發(fā)由單一型傳感器的研發(fā)，轉(zhuǎn)化為高度集成的新型傳感器研發(fā)。新型傳感器的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用已成為現(xiàn)代系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵，它將成為21世紀(jì)信息產(chǎn)業(yè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。改革開(kāi)放30年來(lái)，我國(guó)傳感器技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，主要表現(xiàn)在：建立了傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、微米/納米國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家傳感技術(shù)工程中心等研究開(kāi)發(fā)基地；MEMSMOEMS研究項(xiàng)目列入

5、了國(guó)家高新技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)；在“九五”國(guó)家重科技攻關(guān)項(xiàng)目中，傳感器技術(shù)研究取得了51個(gè)品種86個(gè)規(guī)格新產(chǎn)品的成績(jī)，初步建立了敏感元件與傳感器產(chǎn)業(yè)；2007年傳感器業(yè)總產(chǎn)量達(dá)到20.93億只，品種規(guī)格已有近6000種，并已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)和國(guó)防建設(shè)中得到一定的應(yīng)用。壓力傳感器的發(fā)展動(dòng)向主要有以下幾個(gè)方向：光纖壓力傳感器這是一類(lèi)研究成果較多的傳感器，但投入實(shí)際領(lǐng)域的并不是太多。光纖傳感器基本原理是將光源發(fā)出的光經(jīng)光纖送入調(diào)制區(qū)，在調(diào)制區(qū)內(nèi)，外界被測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用，使光的強(qiáng)度、頻率、相位、偏振等發(fā)生變化成為被調(diào)制的信號(hào)光，再經(jīng)光纖送入光探測(cè)器、解調(diào)器而獲得被測(cè)物理量。這種敏感元件已被應(yīng)用與

6、臨床醫(yī)學(xué)，用來(lái)測(cè)醫(yī)學(xué)的壓力、流速、pHfi等?？深A(yù)見(jiàn)這種壓力傳感器在顯微外科方面一定會(huì)有良好的發(fā)展前景。同時(shí),在加工與健康保健方面，光纖傳感器也在快速發(fā)展。新型接觸式電容壓力傳感器與其他類(lèi)型壓敏器件相比，接觸式電容壓力傳感器（TMCPS打著明顯的優(yōu)點(diǎn)，例如較好的線(xiàn)性，高靈敏度和大過(guò)載保護(hù)能力等。為了達(dá)到更好的性能，設(shè)計(jì)了一種新型的接觸式電容壓力傳感器（DTMCPS）這種新型的結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)的TMCPS底部電極上刻蝕了一個(gè)淺槽。與現(xiàn)有的接觸式電容壓力傳感器相比，這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更好的線(xiàn)性和更大的線(xiàn)性范圍。為了進(jìn)一步提高接觸式電容壓力傳感器的性能，呂浩杰等人設(shè)計(jì)了一種高性能雙凹槽結(jié)構(gòu)的接觸式電容壓力

7、傳感器，并對(duì)該傳感器在高溫環(huán)境中的總體性能進(jìn)行了分析。推導(dǎo)了熱傳導(dǎo)和熱彈性理論，并對(duì)影響傳感器熱分析的各個(gè)因素與溫度的依賴(lài)關(guān)系進(jìn)行了描述；在整個(gè)分析過(guò)程中,使用ANSY軟件并結(jié)合有限元方法對(duì)全尺寸傳感器的熱效應(yīng)進(jìn)行模擬。耐高溫壓力傳感器主要是以新型半導(dǎo)體材料（SiC）為膜片的壓阻式力傳感器為代表。Ziermann,Rene和VonBerg,Jochen等人首先于1997年報(bào)導(dǎo)了使用單晶n型B2SiC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。Rober.S.Okojie報(bào)導(dǎo)了一種運(yùn)行試驗(yàn)達(dá)500c的a（6H）SiC壓力傳感器.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在輸入電壓為5V,被測(cè)壓力為6.

8、9MPa的條件下,23500C時(shí)的滿(mǎn)量程輸出為44.6620.03mV,滿(mǎn)量程線(xiàn)度為20.17%,遲滯為0.17%。在500C條件下運(yùn)行10h,性能基本不變，在100C和500C兩點(diǎn)的應(yīng)變溫度系數(shù)（TCGF）,分別為20.19%/C和-0.11%/C。這種傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是PN結(jié)泄漏電流很小,沒(méi)有熱匹配問(wèn)題以及升溫不產(chǎn)生塑性變型，可以批量加工。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(chē)工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越多。而隨著微機(jī)械傳感器的體積越來(lái)越小，線(xiàn)度可以達(dá)到12mm，可以放置在人體的重要器官中進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。止匕外，由于傳統(tǒng)的流體傳感器由于存在著靈敏度低、體積大、成本高

9、等缺點(diǎn)，而且微流體與宏觀流體流動(dòng)特性不同，所以其在微流體的流體特性測(cè)量中存在很大的局限性.隨著MEMS術(shù)的發(fā)展，硅微機(jī)械流體傳感器的出現(xiàn)克服了傳統(tǒng)流體傳感器的缺點(diǎn).硅微機(jī)械流體傳感器已成為MEM的研究熱點(diǎn)之一.3壓力傳感器的發(fā)展趨勢(shì)當(dāng)今世界各國(guó)壓力傳感器的研究領(lǐng)域十分廣泛，幾乎滲透到了各個(gè)行業(yè)，歸納起來(lái)主要有以下幾個(gè)趨勢(shì)：小型化：小型化會(huì)帶來(lái)很多好處，重量輕、體積小、分辨率高，便于安裝在很小的地方；對(duì)周?chē)骷绊懶。怖谖⑿蛢x器、儀表的配套使用。集成化：壓力傳感器已經(jīng)越來(lái)越多的與其它測(cè)量用傳感器集成以形成測(cè)量和控制系統(tǒng)，集成系統(tǒng)在過(guò)程控制和工廠自動(dòng)化中可以提高操作速度和效率。智能化：由于集成

10、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(dòng)補(bǔ)償、通訊、自診斷、邏輯判斷等功能。系統(tǒng)化：?jiǎn)我换a(chǎn)品在市場(chǎng)上沒(méi)有大的競(jìng)爭(zhēng)力。市場(chǎng)風(fēng)云突變，一旦失去市場(chǎng)，發(fā)展則停滯不前，經(jīng)濟(jì)效益差，資金浪費(fèi)大，產(chǎn)品成本高。標(biāo)準(zhǔn)化：傳感器的設(shè)計(jì)與制造已經(jīng)形成了一定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如IEC、ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)的ANSIGANSCMIL-T和ASTME準(zhǔn)，日本JIS標(biāo)準(zhǔn)，法國(guó)DIN標(biāo)準(zhǔn)。4結(jié)束語(yǔ)壓力傳感器技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到比較高的水平，并且更新?lián)Q代的速度很快。隨著我們對(duì)壓力傳感器材料、工藝等研究的不斷深入，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，相信壓力傳感器在精確度、智能化等各個(gè)方面都將得到進(jìn)一步的完善和提高，壓力傳感器在生物醫(yī)學(xué)、微型機(jī)械等領(lǐng)域也必將有著更為廣泛的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1呂浩杰；胡國(guó)清；鄒衛(wèi)；吳燦云；陳羽鋒；高性能MEM電容壓力傳感器的設(shè)計(jì)及其熱分析光學(xué)精密工程；2010-052孫素梅；陳洪耀；尹國(guó)盛光纖傳感器的基本原理及在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志2008-093張書(shū)玉，張維連，張生才等.高溫壓力傳感器的研究現(xiàn)狀.傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2006,19(4)4郭強(qiáng)；呂浩杰；胡國(guó)清新型接觸式電容壓力傳感器儀表技術(shù)與傳感器；2008-035張樹(shù)生；韓克江；成健基于MEMS術(shù)的硅微機(jī)械流體傳感器的原理及應(yīng)用儀表技術(shù)與傳感器2007,(3)SABATEN；SANTANDERJMul