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压力传感器的发展

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关于压力传感器的发展,应用原理

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压力传感器的发展、现状与未来 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] : ( 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0, 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~ 6Lm) 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B2SiC 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/ VKPa; Okojie , Robert S 和Ned, Alexander A 等 人1997 年报导了可工作在500 e 条件下的6H2SiC 压阻式力传感器[ 7] , 它的满量程输出范 围( FSO at 1000PSi) 可达40166mV( 23 e ) 和20103mV( 500 e ) , 线性度可达- 0117% , 电阻 的温度系数(TCR) 为- 0125%/ e ( 100 e ) 和- 0105%/ e ( 500 e ) , TCGF(T emperature co2 efficient of gauge factor) 为- 0119% / e ( 100 e ) 和- 0111%/ e ( 500 e ) 。 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, Young- 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压力传感器, 利用双电桥来改善压力传感器的灵敏度, 消除零压输出, 减小灵敏度温度漂移 已得到了实现等。其二是利用线性电压激励, 使压阻式力传感器的灵敏度改变得以补偿。 Gakkested, Jakob ; Ohlckers, Per 和Halbo, Leif[12] 成功地实现了这一设想。对温度变化引 起的灵敏度和线性度漂移利用软件或硬件进行补偿同样取得了良好的效益[13, 14] 。 2. 4 利用压阻效应制成的加速度传感器 目前, 用微机械加工工艺研制三维压阻式加 速度计成为主要的研究对象, 此传感器主要用于加速度测量。Kwon, Kijin 和Park, Sek2 wang[ 15] 运用SDB( silicon direct bonding) 技术和LPCVD 技术制成单晶簿膜, 利用此膜研制 成了三维压阻式加速度传感器, 根据各个方向压力的变化来检测三维加速度, 并成功地消除 了横向加速度。原理是将输出的温度系数(TCO- Temperature Coefficient of Offset) 转化为 X, Y, Z 轴惠斯登电桥的输出量, 在25 e ) 160 e 范围内, X, Y, Z 轴对应值分别为: 0 ) 0107 [%F. S. ] ; 01028 ) - 01016[ %F. S. ] ; 01007 ) - 01004[ %F. S. ] 。在室温下, 此三维压阻式 加速度计在X, Y, Z 方向加速度的灵敏度分别为: 0106mV/ V; 0106mV/ V; 0113mV/ V。 Sim, Jun ) Hwan; Hahm, Sung ) Ho 等人[16] 利用一种有选择性的多孔硅技术和微机械加工 手段, 于1997 年研制成功了一个八臂压阻式加速度传感器, 其优点是大大改善了由微小剪 切压力引起的影响。对于传感器的较低灵敏度能通过半桥组成的四个输出信号得以解决。 这种传感器的效能经过实验检验是独具特色的。 另外, 利用压力对簿膜产生的应变对微光的不同反应而制成的压力传感器也是一个比 较热门的课题。 3 传感器技术发展的主要趋势 传感器技术研究领域虽然十分广泛, 但其发展方向可归纳为以下主要趋势: 3. 1 小型化 小型化会带来更多的好处, 重量轻、体积小、分辨率高, 便于安装在很小的 地方。对周围环境器件影响小, 也利于微型仪器、仪表的配套使用。如美国的Entran 公司 的量程2- 500PSI 产品, 直径仅为1127mm, 可以置于人体血管测量有关参数而不会对血液 的流通产生大的影响。 3. 2 集成化 可以利用现有的生产工艺和成熟的集成技术, 把电路与传感器制作在一 体。减少工艺流程以降低生产成本, 而且不易损坏。 3. 3 智能化 由于集成化的出现, 在集成电路部分制作一些微处理机, 使得其具有/ 记 忆0、/ 思维0、/ 判断0、/ 处理0的能力。目前, 智能化传感器产品发展最快, 它将成为传感器市 场的主流。 3. 4 系列化 单一化产品在市场上没有大的竞争力和长久的生命力。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。 3. 5 标准化 传感器技术已形成标准化。如IES、ISO 国际标准; 美国ANSIC、ANSC、 MIL ) T 和ASTME 标准; 日本JIS 标准; 法国DIN 标准; 原苏联TOCT 及YTO 标准。 4 结论 综上所述, 压阻式力传感器的发展集中在两个方面: 一是利用微机械加工技术和十分成 # 49 # 第25 卷1 期 半 导 体 杂 志 2000 年3 月 熟的集成化技术, 使得压力传感器的体积尽可能的小, 以适应一些特殊场合的需要, 或便于 与计算机连接而开发智能化压力传感器。二是利用新兴的半导体材料, 如: SiC, 多孔硅等, 或是对惠斯登电路加以改进, 在电桥结构推陈出新, 如: 双惠斯登电桥电路、八臂电桥电路 等。同时, 温度对压力传感器灵敏度和线性度的影响也是一个比较热门的课题。

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