壓力傳感器是工業(yè)實踐中為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業(yè)，下面就簡單介紹一些常用傳感器原理及其應(yīng)用。另有醫(yī)用壓力傳感器。

　　壓力傳感器是工業(yè)實踐中為常用的一種傳感器，而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應(yīng)制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。

　　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)展可以分為四個階段[1 ] :

　　(1) 發(fā)明階段(1945 - 1960 年) :這個階段主要是以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,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,即將力信號轉(zhuǎn)化為電信號進行測量。此階段尺寸大約為1cm。

　　(2) 技術(shù)發(fā)展階段(1960 - 1970 年) :隨著硅擴散技術(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,實現(xiàn)了金屬- 硅共晶體,為商業(yè)化發(fā)展提供了可能。

　　(3) 商業(yè)化集成加工階段(1970 - 1980 年) :在硅杯擴散理論的基礎(chǔ)上應(yīng)用了硅的各向異性的腐蝕技術(shù),擴散硅傳感器其加工工藝以硅的各項異性腐蝕技術(shù)為主,發(fā)展成為可以自動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、濃硼自動中止法、陽極氧化法自動中止法和微機控制自動中止法。

　　(4) 微機械加工階段(1980 年- 今) :上世紀末出現(xiàn)的納米技術(shù),使得微機械加工工藝成為可能。

　　在基礎(chǔ)學(xué)科研究中，傳感器更具有突出的地位?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，進入了許多新領(lǐng)域：例如在宏觀上要觀察上千光年的茫茫宇宙，微觀上要觀察小到 nm的粒子世界，縱向上要觀察長達數(shù)十萬年的天體演化，短到 s的瞬間反應(yīng)。此外，還出現(xiàn)了對深化物質(zhì)認識、開拓新能源、新材料等具有重要作用的各種極端技術(shù)研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場、超弱磁碭等等。

　　顯然，要獲取大量人類感官無法直接獲取的信息，沒有相適應(yīng)的傳感器是不可能的。許多基礎(chǔ)科學(xué)研究的障礙，首先就在于對象信息的獲取存在困難，而一些新機理和高靈敏度的檢測傳感器的出現(xiàn)，往往會導(dǎo)致該領(lǐng)域內(nèi)的突破。一些傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學(xué)科開發(fā)的先驅(qū)。

　　通過微機械加工工藝可以由計算機控制加工出結(jié)構(gòu)型的壓力傳感器,其線度可以控制在微米級范圍內(nèi)。利用這一技術(shù)可以加工、蝕刻微米級的溝、條、膜,使得壓力傳感器進入了微米階段。

　　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)展動向主要有以下幾個方向。

　　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的形變與反射光強度相關(guān)的特性,由硅框和金鉻薄膜組成的膜片結(jié)構(gòu)中間夾了一個硅光纖擋板,在有壓力的情況下,光線通過擋板的過程中會發(fā)生強度的改變,通過檢測這個微小的改變量,我們就能測得壓力的大小。同時,在加工與健康保健方面,光纖傳感器也在快速發(fā)展。

　　2. 2 [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,不需要溫度補償,可以保持長期測量的可靠性和持久的。遇到過載時,膜片貼在基片上不會被破壞,無負載時會立刻返回原位無任何滯后,過載量可以達到100 %,即使是破壞也不會泄漏任何污染介質(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報導(dǎo)了一種運行試驗達500 ℃的α(6H) SiC 壓力傳感器。在室溫下,此壓力傳感器的靈敏度為20. 2muV/ VKPa。

　　2. 4 硅微機械加工傳感器

　　在微機械加工技術(shù)逐漸完善的今天,硅微機械傳感器在汽車工業(yè)中的應(yīng)用越來越多。而隨著微機械傳感器的體積越來越小,線度可以達到1～2mm ,可以放置在人體的重要器官中進行數(shù)據(jù)的采集。Hachol ,Andrzej ;dziuban ,Jan Bochenek 報導(dǎo)了一種可以用于測量眼球的眼壓計,其膜片直徑為1mm。在內(nèi)眼壓為60mmHg 時,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)試與運行成本,Dirk De Bruyker 等人報導(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)動原理進行的,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,現(xiàn)在國際上只有美、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2438tactels/ cm2 ,力靈敏1g ,結(jié)構(gòu)柔性很好,能抓握和識別雞蛋和鋼球,現(xiàn)已用于機器人分選物品[8 ] 。

　　3 壓力傳感器的發(fā)展趨勢

　　壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個高溫就是所謂的“居里點”）。由于隨著應(yīng)力的變化電場變化微小（也就說壓電系數(shù)比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù)，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當(dāng)高的濕度，所以已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

　　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趨勢:

　　(1) 小型化目前市場對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極端惡劣的環(huán)境下,并且只需要很少的保養(yǎng)和維護,對周圍的環(huán)境影響也很小,可以放置在人體的各個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對血液的流通產(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化中可提高操作速度和效率。

　　(3) 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補償、通訊、自診斷、邏輯判斷等功能。

　　(4) 廣泛化壓力傳感器的另一個發(fā)展趨勢是正從機械行業(yè)向其它領(lǐng)域擴展,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)準化傳感器的設(shè)計與制造已經(jīng)形成了一定的行業(yè)標(biāo)準。如ISO 國際質(zhì)量體系;美國的ANSI、ASTM標(biāo)準、俄羅斯的ГOCT、日本的J IS 標(biāo)準。

　　4 結(jié)束語

　　隨著硅、微機械加工技術(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)、微型機械等領(lǐng)域,壓力傳感器有著廣泛的應(yīng)用前景。