傳感器技術(shù)是現(xiàn)代測量和自動(dòng)化系統(tǒng)的重要技術(shù)之一,從宇宙開發(fā)到海底探秘,從生產(chǎn)的過程控制到現(xiàn)代文明生活,幾乎每一項(xiàng)技術(shù)都離不開傳感器,因此,許多國家對(duì)傳感器技術(shù)的發(fā)展十分重視,如日本把傳感器技術(shù)列為六大核心技術(shù)（計(jì)算機(jī)、通信、激光、半導(dǎo)體、超導(dǎo)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(wěn)定可靠、成本低、便于集成化的優(yōu)點(diǎn),可廣泛用于壓力、高度、加速度、液體的流量、流速、液位、壓強(qiáng)的測量與控制。除此以外,還廣泛應(yīng)用于水利、地質(zhì)、氣象、化工、醫(yī)療衛(wèi)生等方面。由于該技術(shù)是平面工藝與立體加工相結(jié)合,又便于集成化,所以可用來制成*、風(fēng)速計(jì)、水速計(jì)、壓力表、電子稱以及自動(dòng)報(bào)警裝置等。壓力傳感器已成為各類傳感器中技術(shù)zui成熟、性能zui穩(wěn)定、的一類傳感器。因此對(duì)于從事現(xiàn)代測量與自動(dòng)控制專業(yè)的技術(shù)人員必須了解和熟識(shí)國內(nèi)外壓力傳感器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。
　　
　　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（C.S.Smith）與1945發(fā)現(xiàn)了硅與鍺的壓阻效應(yīng)[2],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)化為電信號(hào)進(jìn)行測量。此階段zui小尺寸大約為1cm。
　　
　　（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(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。
　　
　?。?）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)散硅傳感器其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)[4],主要有V形槽法、濃硼自動(dòng)中止法、陽極氧化法自動(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壓力傳感器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
　　
　　從世界范圍看壓力傳感器的發(fā)展動(dòng)向主要有以下幾個(gè)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(shí)際領(lǐng)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(shí)的形變與反射光強(qiáng)度相關(guān)的特性,由硅框和金鉻薄膜組成的膜片結(jié)構(gòu)中間夾了一個(gè)硅光纖擋板,在有壓力的情況下,光線通過擋板的過程中會(huì)發(fā)生強(qiáng)度的改變,通過檢測這個(gè)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(yīng)用與臨床醫(yī)學(xué),用來測擴(kuò)張冠狀動(dòng)脈導(dǎo)管氣球內(nèi)的壓力。可預(yù)見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。
　　
　　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0.8～2.8mm的氧化鋁（Al2O3）構(gòu)成,其間用一個(gè)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(bǔ)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zui大的膜片的*,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的變化則與施加的壓力變化有關(guān),膜片的位移和壓力之間的關(guān)系是線性的。遇到過載時(shí),膜片貼在基片上不會(huì)被破壞,無負(fù)載時(shí)會(huì)立刻返回原位無任何滯后,過載量可以達(dá)到*,即使是破壞也不會(huì)泄漏任何污染介質(zhì)。因此具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　
　　2.3耐高溫壓力傳感器
　　
　　新型半導(dǎo)體材料碳化硅（SiC）的出現(xiàn)使得單晶體的高溫傳感器的制作成為可能。Rober.S.Okojie報(bào)導(dǎo)了一種運(yùn)行試驗(yàn)達(dá)500℃的α（6H）SiC壓力傳感器.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在輸入電壓為5V,被測壓力為6.9MPa的條件下,23500℃時(shí)的滿量程輸出為44.66～20.03mV,滿量程線度為20.17%,遲滯為0.17%。在500℃條件下運(yùn)行10h,性能基本不變,在100℃和500℃兩點(diǎn)的應(yīng)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(diǎn)是PN結(jié)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(bào)導(dǎo)了使用單晶體n型β-SiC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。在室溫下,此壓力傳感器的靈敏度為20.2muV/VKPa。
　　
　　2.4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)械傳感器在汽車工業(yè)中的應(yīng)用越來越多。而隨著微機(jī)械傳感器的體積越來越小,線度可以達(dá)到1～2mm,可以放置在人體的重要器官中進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。Hachol,Andrzej;dziuban,JanBochenek報(bào)導(dǎo)了一種可以用于測量眼球的*,其膜片直徑為1mm。在內(nèi)眼壓為60mmHg時(shí),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(yùn)行成本,DirkDeBruyker等人報(bào)導(dǎo)了一種具有自測試功能的壓阻、電容雙元件傳感器,它的自測試功能是根據(jù)熱驅(qū)動(dòng)原理進(jìn)行的,該傳感器尺寸為1.2mm×3mm×0.5mm,適用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[7]。
　　
　　2.6多維力傳感器
　　
　　六維力傳感器的研究和應(yīng)用是多維力傳感器研究的熱點(diǎn),現(xiàn)在上只有美、日等少數(shù)國家可以生產(chǎn)。在我國北京理工大學(xué)在跟蹤國外發(fā)展的基礎(chǔ)上,又開創(chuàng)性的研制出組合有壓電層的柔軟光學(xué)陣列觸覺,陣列密度為2438tacs/cm2,力靈敏1g,結(jié)構(gòu)柔性很好,能抓握和識(shí)別雞蛋和鋼球,現(xiàn)已用于機(jī)器人分選物品[8]。
　　
　　3壓力傳感器的發(fā)展趨勢
　　
　　當(dāng)今世界各國壓力傳感器的研究領(lǐng)域十分廣泛,幾乎滲透到了各行各業(yè),但歸納起來主要有以下幾個(gè)趨勢:
　　
　　（1）小型化目前市場對(duì)小型壓力傳感器的需求越來越大,這種小型傳感器可以工作在惡劣的環(huán)境下,并且只需要很少的保養(yǎng)和維護(hù),對(duì)周圍的環(huán)境影響也很小,可以放置在人體的各個(gè)重要器官中收集資料,不影響人的正常生活。如美國Entran公司生產(chǎn)的量程為2～500PSI的傳感器,直徑僅為1.27mm,可以放置在人體的血管中而不會(huì)對(duì)血液的流通產(chǎn)生大的影響。
　　
　　（2）集成化壓力傳感器已經(jīng)越來越多的與其它測量用傳感器集成以形成測量和控制系統(tǒng)。集成系統(tǒng)在過程控制和工廠自動(dòng)化中可提高操作速度和效率。
　　
　?。?）智能化由于集成化的出現(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。
　　
　?。?）廣泛化壓力傳感器的另一個(gè)發(fā)展趨勢是正從機(jī)械行業(yè)向其它領(lǐng)域擴(kuò)展,例如:汽車元件、醫(yī)療儀器和能源環(huán)境控制系統(tǒng)。
　　
　　（5）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ISO質(zhì)量體系;美國的ANSI、ASTM標(biāo)準(zhǔn)、俄羅斯的ГOCT、日本的JIS標(biāo)準(zhǔn)。
　　
　　4結(jié)束語
　　
　　隨著硅、微機(jī)械加工技術(shù)、超大集成電路技術(shù)和材料制備與特性研究工作的進(jìn)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(jié)傳感器的應(yīng)用成為可能,在生物醫(yī)學(xué)、微型機(jī)械等領(lǐng)域,壓力傳感器有著廣泛的應(yīng)用前景。