压力传感器的研究现状和发展趋势




传感器技术是现代测量和自动化系统中最重要的技术之一。从宇宙的发展到海底的探索,从生产的过程控制到现代文明生活,几乎每种技术都离不开传感器。因此,许多国家都有传感器技术。发展非常重视它,例如日本将传感器技术列为六大核心技术之一(计算机,通信,激光,半导体,超导体和传感器)。在各种传感器中,压力传感器具有体积小,重量轻,灵敏度高,稳定可靠,成本低,易于集成的优点。它可广泛用于压力,高度,加速度,液体流量,流量,液位和压力。测量和控制。此外,它还广泛应用于水利,地质,气象,化学工业,医疗卫生等领域。由于该技术是平面技术与三维加工相结合,易于集成,因此可用于制作血压计,风速计,水速计,压力表,电子秤和自动报警装置。压力传感器已成为所有类型传感器中最成熟,最稳定和最具成本效益的传感器类型。因此,从事现代测量和自动控制的技术人员必须了解和熟悉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史

现代压力传感器以半导体传感器的发明为标志,半导体传感器的发展可分为四个阶段[1]:

(1)发明阶段(1945-1960):该阶段主要以1947双极晶体管的发明为标志。从那时起,半导体材料的这种特性已被广泛使用。 C.S.Smith和1945年发现了硅和锗的压阻效应[2],也就是说,当外力作用在半导体材料上时,其电阻会发生显着变化。根据该原理制造的压力传感器是将应变电阻片粘在金属膜上,并将力信号转换成电信号进行测量。此阶段的最小尺寸约为1厘米。

(2)技术发展阶段(1960-1970):随着硅扩散技术的发展,技术人员在硅的(001)或(110)晶面上选择合适的晶体取向,直接在晶面上扩展应变电阻。然后,在后表面上将其加工成凹形,以形成称为硅杯的薄硅弹性膜[3]。这种硅杯传感器具有体积小,重量轻,灵敏度高,稳定性好,成本低,易于集成等优点,实现了金属硅共晶,为商业开发提供了可能。(3)商业集成处理阶段(1970-1980):基于硅杯扩散理论,应用硅的各向异性蚀刻技术。扩散硅传感器由硅异质腐蚀技术处理。开发出可以自动控制硅膜厚度的硅各向异性处理技术[4],主要包括V型槽法,浓硼自动悬浮法,阳极氧化法自动悬浮法和微机控制自动悬浮法。由于可以在多个表面上同时进行腐蚀,因此可以同时生产数千个硅压膜,实现了集成的工厂处理模式,并且进一步降低了成本。

(4)微加工阶段(1980年至今):上世纪末出现的纳米技术使微加工成为可能。

通过微机械加工过程,结构压力传感器可以由计算机处理,并且线性度可以控制在微米范围内。使用这种技术,可以加工和蚀刻微米尺寸的凹槽,条带和膜,使压力传感器进入微米级。

2国内外压力传感器的研究现状

从世界上看,压力传感器的发展趋势主要有以下几个方向。

2. 1光纤压力传感器[5]

这是一种具有更多研究成果的传感器,但在现实世界中并不算太多。其工作原理是利用压力下敏感元件的变形特性和反射光的强度。硅纤维挡板夹在由硅框架和金铬膜组成的隔膜结构之间。在压力下,强度随着光线通过挡板而变化。通过检测这一少量变化,我们可以测量压力的大小。该敏感组分已用于临床医学中以测量扩张的冠状动脉导管的球囊内的压力。可以预见,该压力传感器在显微外科手术中具有良好的发展前景。与此同时,光纤传感器在加工和医疗保健方面也在迅速发展。

2. 2电容式真空压力传感器[6]

EH的电容式压力传感器由基板和厚度为0.8至2.8mm的氧化铝(Al2O3)组成,通过自焊焊环钎焊在一起。该环具有隔离功能,无需温度补偿,可保持长期测量可靠性和持久精度。测量方法采用电容原理。基板上的电容器CP位于具有最大位移的膜片的中心,而另一个参考电容器CR位于膜片的边缘。由于边缘难以产生位移,因此电容值不会改变,并且CP的变化是所施加的压力与膜片的位移和压力之间的关系是线性的。遇到过载时,隔膜在贴在基板上时不会损坏。当没有负载时,它将返回到原始位置而没有任何滞后。过载可达100%,即使损坏,也不会泄漏任何污染介质。因此,它具有广阔的应用前景。2.3高温压力传感器

新型半导体材料碳化硅(SiC)的出现使得制造单晶高温传感器成为可能。罗伯特。 S. Okojie报道了一种在500°C下运行的α(6H)SiC压力传感器。实验结果表明,在输入电压为5V,测量压力为6.9MPa时,满量程为23500℃,输出为44.66~20。 03mV,满量程线性度为20.17%,滞后为0.17%。在500℃下运行10小时后,性能基本不变。在100℃和500℃下的应变温度系数(TCGF)分别为20.19%/℃和-0.11%/℃。这种传感器的主要优点是PN结泄漏电流小,没有热匹配问题,温度升高不会产生塑性变形,可以分批处理。 Znemann,Rene报道了一种由单晶n型β-SiC材料制成的压力传感器,其工作温度高达573K,并且耐辐射。压力传感器的灵敏度在室温下为20. 2muV/VKPa。

2. 4硅微机械传感器

随着微加工技术的逐步完善,硅微机械传感器越来越多地用于汽车工业。随着微机械传感器的体积越来越小,线路可以达到1到2毫米,它可以放置在人体的重要器官中进行数据采集。哈钦尔,安德烈; dziuban,Jan Bochenek报道了一种可用于测量眼球膜厚度为1 mm的眼压计。当眼压为60mmHg时,静态输出为40mV,灵敏度系数相对较高。

2.5压力传感器具有自检功能

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 3mm×0.5mm,适合生物医学领域[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。现在世界上只有少数几个国家可以在美国和日本生产。在跟踪北京国外发展的基础上,中国北京理工大学率先开发出具有压电层的软光学阵列。阵列密度为2438tactels/cm2,力对1g敏感,结构灵活,可以抓握和识别鸡蛋和钢球现在用于机器人分选[8]。

3压力传感器的趋势

世界各国压力传感器的研究领域非常广泛,已渗透到各行各业。但是,主要有以下趋势。:

(1)小型化市场上对小型压力传感器的需求日益增加。这种小型传感器可以在极端恶劣的环境中工作,几乎不需要维护和维护,对周围环境影响很小。它可以放置在人体的所有重要器官中,以收集数据而不影响人们的正常生活。例如,Entran在美国生产的传感器的测量范围为2至500 PSI,直径仅为1.27 mm,可放置在人体血管中,而不会对血液循环产生很大影响。

(2)集成压力传感器已越来越多地与其他测量传感器集成,以形成测量和控制系统。集成系统可提高过程控制和工厂自动化的运行速度和效率。

(3)智能化由于集成的出现,可以在集成电路中添加一些微处理器,使传感器具有自动补偿,通信,自诊断和逻辑判断等功能。

(4)压力传感器广泛使用的另一个趋势是从机械工业扩展到其他领域,如:汽车零部件,医疗仪器和能源环境控制系统。

(5)标准化传感器的设计和制造已经建立了一定的行业标准。如ISO国际质量体系;美国ANSI,ASTM标准,俄罗斯的ГOCT,日本的J IS标准。4。结论

随着硅,微加工技术,超大集成电路技术以及材料制备和表征的进步,压力传感器在生物医学中的光纤传感器,高温硅压阻和压电结传感器的大规模生产中变得可能。在微机械领域,压力传感器具有广阔的应用前景。









时间:2019-04-15 09:30:45 来源:欢乐牛牛下载 作者:匿名