压力传感器的发展论文

压力传感器的发展、现状与未来

Ξ

张晓群1, 吕惠民2(1.西安建筑科技大学信控学院,710055;2.西安理工大学应用物理系,710048)

摘要:本文通过大量的数据和资料叙述了压力传感器的发展过程、研究现状和发展趋势,为从事压力传感器研究的科技工作者提供一些参考。

关键词:传感器;研究;发展

中图分类号:TN389 文章编号:1005-3077(2000)-01-47-04

Past ,Today and Future of Pressure Sensor

ZHAN G Xiao 2qun , L üHui 2min

(1.Xi ’an University of Architecture &Technology ,710055;　2.Dept.of Applied physics ,Xi ’an University of Technology ,Xi ’an ,710048)

Abstract :A large number of dates and material about the past ,today and future of pressure sensors was given in this paper ,it is very beneficial reference material who engaged in scientific research of pressure sensor.K ey w ords :Sensor ,Study ,Develop

传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一,从宇宙探索到海洋开发;从生产过程的控制到现代文明生活,几乎每一项现代科学技术都离不开传感器,因此,传感器技术发展速度十分惊人,半导体压阻式力传感器亦不例外。

我国对传感器的研究尚处于比较落后的状态,尤其是高精度(0105级以上)压力传感器。虽说生产厂家已达1300多家,但产品种类仅有300余种(大约为传感器种类的七分之一),产量一亿多只,仅满足国内需求的20%～30%。因而开发和研制高精度压力传感器具有广泛的应用前景和社会效益。从事传感器研究的科技工作者必须了解压力传感器的发展历史、研究现状和发展趋势,以减小工作的重复性和盲目性。

1　压力传感器的发展

硅单晶材料优良的压阻效应与完美的微加工技术相结合[1,2],被广泛用于制备压力传感器。现以薄膜压力传感器为例来说明传感器的发展过程[3]。

半导体传感器的发展可以分为四个阶段[4]:

Ξ收稿日期:1999-05-19

(1)发明阶段(1947～1960):这个阶段主要是以1947年双极性晶体管的发明为标志。此后,半导体及设备的特性得到了广泛应用。史密斯(C.S.Smith)于1945年发现了硅和锗的压阻效应[5],即当有机械力作用于半导体材料时,其电阻发生变化。依据此原理制成的第一个压力传感器是把应变电阻片粘在金属簿膜上,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)基础技术发展阶段(1960～1970):为提高传感器的性能,应变片被直接扩散在硅杯的底面簿膜上。用硅杯代替金属膜,实现了金属—硅共晶体。这个阶段也是“商业和市场发展的阶段”,即把技术研究变为实际应用。此阶段最小加工线度为015cm。

(3)批量加工阶段(1970～1980):采用选择性的各项异性的化学腐蚀加工的工艺提高膜片的性能。由于腐蚀可以在整个表面进行,因此,数百个传感器膜片可以一批加工完成。这一阶段类似于集成电路的制作。由于表面光刻技术的发展,加工尺寸十分精确,加之离子注入工艺的应用使工艺水平进一步提高。此阶段最小加工尺寸为012cm。

(4)微机械加工阶段(1980～今):微机械加工工艺适应于结构型传感器,或线度在微米级(10～6μm)范围的其他结构。利用这一技术可以加工、蚀刻微米级的沟、条、膜,标志着传感器已进入了微米阶段。此阶段标志传感器的最小尺寸为0102cm。

2　压力传感器的研究现状

目前,压力传感器技术的研究方向:

2.1开发耐高温的压力传感器　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Von Berg,Jochen等人[6]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。在室温下,此压力传感器的灵敏度约为2012muV/V KPa;Okojie,Robert S和Ned,Alexander A等人1997年报导了可工作在500℃条件下的6H2SiC压阻式力传感器[7],它的满量程输出范围(FSO at1000PSi)可达40166mV(23℃)和20103mV(500℃),线性度可达-0117%,电阻的温度系数(TCR)为-0125%/℃(100℃)和-0105%/℃(500℃),TCGF(Temperature co2 efficient of gauge factor)为-0119%/℃(100℃)和-0111%/℃(500℃)。

2.2微机械加工的压力传感器　主要是以微机械加工为标志的,线度大约在1～2mm 左右的微型压力传感器,这种压力传感器由于体积很小,可以放置于人体的重要器官(如:血管、眼睛等)内进行有关数据的采集。Hachol,Andrzej;Dziuban,Jan Bochenek,An2 drzej[8]1996年报导了他们研制的用于测量眼压的眼压计,其膜片直径为1mm。在内眼压力(IOP-Intraocular pressure)为60mmHg时,静态输出为40mV,灵敏度系数亦较高;Mar2 co,S和Samitier,J等人[9]于1997年也报导了使用极簿膜片构成的高性能、用于生物学研究的压阻式力传感器,主要用于血管压力测量。

2.3温度漂移的补偿　由于温度是影响压力传感器线性度的主要原因,温度漂移效应补偿研究成为众所关注的课题,近年来发表此方面的论文也比较多,归纳起来有两大类:其一是利用双惠斯登电桥结构对温度漂移进行补偿,如:Lee,Y oung-Tac和Seo,Hee-Don 等人[10]提出的利用双惠斯登单臂电桥结构补偿法;Hou,Cheng gui[11]提出的双电桥制成的