智能壓力傳感器的研究和應用(二)

第1章壓力傳感的概論 

  

 1.1  壓力傳感器的定義與重要性

    壓力傳感器是一種把非電量轉變成電信號的器件，而檢測儀表在模擬電子技術條件下，一般是包括傳感器、檢測點取樣設備及放大器（進行抗干擾處理及信號傳輸），當然還有電源及現場顯示部分（可選擇），電信號一般為連續量、離散量兩種，實際上還可分成模擬量、開關量、脈沖量等，模擬信號傳輸采用統一信號（4-20mADC等）。數字化過程中，檢測儀表變化比較大，經過幾個階段，近來多采用ASIC專用集成電路，而且把傳感器和微處理器及網絡接口封裝在一個器件中，完成信息獲取、處理、傳輸、存貯等功能。在自動化儀表中經常把檢測儀表稱為變送器，如問題變送器、壓力變送器等。

   在現代工業設備中，壓力傳感器和檢測儀表是不可或缺的一部分的理由，還可由以下兩方面來看，傳統的工業設備如在其上增加了必要的傳感器，配備精密測量部件（附件），則其功能和精度可以提高，便于用戶操作和維護，安全等級也可以提高，設備可以增值；工業設備作為自動化系統的控制對象或作為自動化系統的一部分，必須能與自動化系統的三部分（檢測、控制、執行）相兼容或提供接口，使之集成為一個有機的整體，無論是單機自動化或作為大型自動化裝置的一部分，都使該工業設備的用途擴大。綜上所述，作為工業設備本身增加傳感器和檢測儀表、測量儀表或提供接口，是傳統設備更新換代的必要條件位移傳感器。因為壓力傳感器用于各行各業，加之近年家用電器、汽車、信息產業三方面的飛速發展，對傳感器需求大增，所以傳感器制造業發展很快，形成獨立的產業，這就拉動了工業設備，特別是半導體設備制造業的發展，所以人們都特別關注傳感器產業。

1.2 壓力傳感器的發展歷程

現代壓力傳感器發展歷程可以分為四個階段：

1.發明階段(1945-1960年): 這一階段是1947年發明的雙極晶體管標記。此后，這種半導體材料的特性得到了越來越廣泛的使用。史密斯（CSSmith）在1945年發現了硅和鍺的壓阻效應，也就是說，當半導體材料上有外力作用時，它的電阻將會發生比較明顯變化。根據這種原理制做的壓力傳感器是把應變電阻片粘在金屬薄膜上，也就是將力信號轉化為電信號來測量。這一階段最小尺寸大約為1cm。

2. 技術發展階段(1960-1970年)：隨著硅擴散技術的發展,技術人員在硅的(001) 或(110) 晶面選擇合適的晶向直接把應變電阻擴散在晶面上，然后加工成凹狀的背面，形成一層很薄的硅彈性膜片，稱為硅杯。這種形式的硅杯傳感器具有體積小，重量輕，靈敏度高，穩定性好，成本低，便于集成優勢，實現了金屬硅共晶體，為商業化發展提供了可能。

3. 商業化集成加工階段(1970-1980年)：在硅杯擴散理論的基礎上應用了硅的各向異性的腐蝕技術，擴散硅傳感器其加工工藝以硅的各項異性腐蝕技術為主，發展成為可以自動控制硅膜厚度的硅各向異性加工技術，主要有微機控制自動中止法、陽極氧化法自動中止法、濃硼自動中止法和V形槽法。由于可以在多個表面同時進行腐蝕，數千個硅壓力膜可以同時生產，實現集成化的工廠加工模式，以進一步降低成本。

4. 微機械加工階段(1980年-至今)：上世紀末出現的納米技術，使得微機械加工工藝技術成為可能。通過微機械加工工藝可以加工出結構型的壓力傳感器，它的線度可控制在微米級范圍內。利用這種技術可以加工、蝕刻微米級的溝、條、膜，壓力傳感器進入了微米階段。

第2章 壓力傳感器國內外研究現狀

   2.1壓力傳感器的種類

        國內外范圍看壓力傳感器的發展主要有以下幾種：

1.光纖壓力傳感器：這是一類研究成果較多的傳感器，但投入實際領域的并不是太多。光纖壓力傳感器的重要傳感元件是法布利-比洛特(FP)型光學干涉儀。干涉儀的兩面鏡子分別是位于一真個薄膜內表面和位于另一真個光纖尖端。所施加的壓力引起了薄膜的偏移，而此偏移又直接轉換成了FP 干涉儀空腔長度的變化。在有壓力的情況下，光線在通過擋板的過程中強度將會發生改變，通過檢測這很小的改變量，我們就可以測出壓力的大小。這種敏感元件已被應用于臨床醫學。由此可見，這種壓力傳感器在顯微外科方面將會有很好的發展空間與前景。同時，在健康保健方面，光纖傳感器也在快速發展。

2. 電容式真空壓力傳感器：電容式壓力傳感器是由厚度為0.8～2.8mm的氧化鋁和一塊基片構成，他們之間是用一個焊接圓環焊在一起。這個圓環起到隔離的作用，不需要進行溫度補償，舊可以保持測量的可靠性和較高的精度。測量的方法是采用電容原理，基片上一電容CP在位移最大的膜片中央處，但是另外一個參考電容CR 在膜片的邊緣，因為邊緣不容易產生位移，電容值不發生改變，CP的變化與施加的壓力的變化時有關的，膜片的位移和壓力之間的關系是線性的。遇到過載時，膜片貼在基片上不會被破壞，沒有負載時就會馬上返回到原來位置沒有任何滯后，過載量可以達到100 %，即使是破壞了也不會有任何污染介質泄漏。所以有廣泛的應用前景。

　　3. 多維力傳感器：六維力傳感器的研究和應用是多維力傳感器研究的熱點，目前國際上只有美國、日本等少數國家才能夠生產。我國北京理工大學在跟蹤國外發展的基礎上，突破性的研制出組合有壓電層的柔軟光學陣列觸覺，陣列密度為2438tactels/cm2,力靈敏1g，結構的柔性很好，能準確的抓握和識別雞蛋和鋼球，現在已經運用于機器人分選物品。

2.1.1壓力傳感器的發展趨勢

 當今世界各國壓力傳感器的研究領域十分廣泛，基本上滲透到了各個行業,但總結起來主要有以下幾個趨勢:

1. 集成化：傳感器已經越來越多的被用來與其它用作測量的傳感器集成，從而形成測量和控制系統。集成系統在過程控制和工廠自動化中可以提高操作速度和工作效率。

2. 微型化：現在市場對微型壓力傳感器的需求量日益增大，這種微型傳感器能夠工作在非常惡劣的極端環境下，但卻只需要非常少的保養和維護，對周圍環境的影響也非常的小，可以放在人體的不同的重要器官中采集資料，卻不會影響到人的正常生活�！　�

3. 智能化：由于傳感器集成化的出現，將一些微處理器添加在集成電路中，使得傳感器具有通訊、邏輯判斷、自動診斷、自動補償等功能。

4. 標準化：傳感器的設計與制造已經形成了一定的行業標準。如ISO國際質量體系：ASTM標準、美國的ANSI、日本的JIS標準、俄羅斯的OCT。