压力传感器的发展论文

压力传感器的发展、现状与未来

张晓群1,　　吕惠民2Ξ

(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、,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　　　　-(-andFutureofPressureSensor

ZHANGXiao2qun,　　LüHui2min

(1.Xi’2.Dept.ofAppliedphysics,Xi’anUniversityofanUniversityofArchitecture&Technology,710055;　Technology,Xi’an,710048)

Abstract:Alargenumberofdatesandmaterialaboutthepast,todayandfutureofpressuresensorswasgiveninthispaper,itisverybeneficialreferencematerialwhoengagedinscientificresearchofpressuresensor.Keywords: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

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第25卷1期　　　　　　　　　　　　半　导　体　杂　志　　　　　　　　　　　　2000年3月　　(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,。这一阶段类似于集成电路的制作。,。

　　(4)):,或线度在微米

利用这一技术可以加工、级(10～6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VonBerg,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/VKPa;Okojie,RobertS和Ned,AlexanderA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

)和20103mV(500℃),线性度可达-0117%,电阻围(FSOat1000PSi)可达40166mV(23℃

)和-0105%/℃(500℃),TCGF(Temperatureco2的温度系数(TCR)为-0125%/℃(100℃

)和-0111%/℃(500℃)。efficientofgaugefactor)为-0119%/℃(100℃

　　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,JanBochenek,An2drzej[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-Intraocularpressure)为60mmHg时,静态输出为40mV,灵敏度系数亦较高;Mar2co,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,Chenggui[11]提出的双电桥制成的・48・

第25卷1期　　　　　　　　　　　　半　导　体　杂　志　　　　　　　　　　　　2000年3月压力传感器,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,Sek2wang[15]运用SDB(silicondirectbonding)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-TemperatureCoefficientofOffset)转化为X,Y,Z轴惠斯登电桥的输出量,在25℃—160℃范围内,Y,Z:0—0107

[%F.S.];01028—-01016[%F.S.];01007—-01S.,加速度计在X,Y,Z;113mV/V。Sim,Jun—;]手段,于,其优点是大大改善了由微小剪。。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”“、思维”“、判断”“、处理”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

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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。

参考文献

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