压力传感器文献综述

压力传感器文献综述

摘要：传感器技术是综合多种学科的复合型技术，是一门正在蓬勃发展的现代化传感器技术。本文通过部分文献资料对压力传感器的发展过程、研究现状和发展趋势做一简要介绍。关键词：压力；传感器；

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) 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。史密斯与1945 发现了硅与锗的压阻效应,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。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,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

传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋。美、日、英、法、德和独联体等国都把传感器技术列为国家重点开发关键技术之一。美国长期安全和经济繁荣至关重要的22项技术中就有６项与传感器信息处理技术直接相关。关于保护美国武器系统质量优势至关重要的关键技术，其中８项为无源传感器。。正是由于世界各国普遍重视和投入开发，传感器发展十分迅速。目前，我国传感器行业规模较小，应用范围较窄。为此，我们亟须转变观念，将传感器的研发由单一型传感器的研发，转化为高度集成的新型传感器研发。新型传感器的开发和应用已成为现代系统的核心和关键，它将成为21世纪信息产业新的经济增长点。改革开放30年来，我国传感器技术及其产业取得了长足进步，主要表现在：建立了传感技术国家重点实验室、微米/纳米国家重点实验室、国家传感技术工程中心等研究开发基地；MEMS、MOEMS等研究项目列入了国家高新技术发展重点；在“九五”国家重科技攻关项目中，传感器技术研究取得了51个品种86个规格新产品的成绩，初步建立了敏感元件与传感器产业；2007年传感器业总产量达到20.93亿只，品种规格已有近6000种，并已在国民经济各部门和国防建设中得到一定的应用。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

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。光纤传感器基本原理是将光源发出的光经光纤送入调制区,在调制区内,外界被测参数与进入调制区的光相互作用,使光的强度、频率、相位、偏振等发生变化成为被调制的信号光,再经光纤送入光探测器、

解调器而获得被测物理量。这种敏感元件已被应用与临床医学,用来测医学的压力、流速、pH值等。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新型接触式电容压力传感器

与其他类型压敏器件相比,接触式电容压力传感器(TMCPS)有着明显的优点,例如较好的线性,高灵敏度和大过载保护能力等。为了达到更好的性能,设计了一种新型的接触式电容压力传感器(DTMCPS),这种新型的结构是在传统的TMCPS的底部电极上刻蚀了一个浅槽。与现有的接触式电容压力传感器相比,这种结构可以实现更好的线性和更大的线性范围。为了进一步提高接触式电容压力传感器的性能, 吕浩杰等人设计了一种高性能双凹槽结构的接触式电容压力传感器,并对该传感器在高温环境中的总体性能进行了分析。推导了热传导和热弹性理论,并对影响传感器热分析的各个因素与温度的依赖关系进行了描述;在整个分析过程中,使用ANSYS软件并结合有限元方法对全尺寸传感器的热效应进行模拟。

2.3耐高温压力传感器

主要是以新型半导体材料(SiC) 为膜片的压阻式力传感器为代表。Ziermann , Rene 和V on Berg , Jochen 等人首先于1997 年报导了使用单晶n 型β2SiC 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。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。

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。此外，由于传统的流体传感器由于存在着灵敏度低、体积大、成本高等缺点,而且微流体与宏观流体流动特性不同,所以其在微流体的流体特性测量中存在很大的局限性.随着MEMS技术的发展,硅微机械流体传感器的出现克服了传统流体传感器的缺点.硅微机械流体传感器已成为MEMS的研究热点之一.

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，几乎渗透到了各个行业，归纳起来主要有以下几个趋势：小型化：小型化会带来很多好处，重量轻、体积小、分辨率高，便于安装在很小的地方；对周围器件影响小，也利于微型仪器、仪表的配套使用。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以提高操作速度和效率。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。系统化：单一化产品在市场上没有大的竞争力。市场风云突变，一旦失去市场，发展则停滞不前，经济效益差，资金浪费大，产品成本高。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IEC、ISO国际标准，美国的ANSIC、ANSC、MIL-T和ASTME标准，日本JIS标准，法国DIN标准。

4 结束语

压力传感器技术已经发展到比较高的水平,并且更新换代的速度很快。随着我们对压力传感器材料、工艺等研究的不断深入，随着微电子技术和计算机技术的不断发展，相信压力传感器在精确度、智能化等各个方面都将得到进一步的完善和提高，压力传感器在生物医学、微型机械等领域也必将有着更为广泛的应用前景。