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智能压力传感器的研究和应用(二)
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第1章压力传感的概论
1.1 压力传感器的定义与重要性
压力传感器是一种把非电量转变成电信号的器件,而检测仪表在模拟电子技术条件下,一般是包括传感器、检测点取样设备及放大器(进行抗干扰处理及信号传输),当然还有电源及现场显示部分(可选择),电信号一般为连续量、离散量两种,实际上还可分成模拟量、开关量、脉冲量等,模拟信号传输采用统一信号(4-20mADC等)。数字化过程中,检测仪表变化比较大,经过几个阶段,近来多采用ASIC专用集成电路,而且把传感器和微处理器及网络接口封装在一个器件中,完成信息获取、处理、传输、存贮等功能。在自动化仪表中经常把检测仪表称为变送器,如问题变送器、压力变送器等。
在现代工业设备中,压力传感器和检测仪表是不可或缺的一部分的理由,还可由以下两方面来看,传统的工业设备如在其上增加了必要的传感器,配备精密测量部件(附件),则其功能和精度可以提高,便于用户操作和维护,安全等级也可以提高,设备可以增值;工业设备作为自动化系统的控制对象或作为自动化系统的一部分,必须能与自动化系统的三部分(检测、控制、执行)相兼容或提供接口,使之集成为一个有机的整体,无论是单机自动化或作为大型自动化装置的一部分,都使该工业设备的用途扩大。综上所述,作为工业设备本身增加传感器和检测仪表、测量仪表或提供接口,是传统设备更新换代的必要条件位移传感器。因为压力传感器用于各行各业,加之近年家用电器、汽车、信息产业三方面的飞速发展,对传感器需求大增,所以传感器制造业发展很快,形成独立的产业,这就拉动了工业设备,特别是半导体设备制造业的发展,所以人们都特别关注传感器产业。
1.2 压力传感器的发展历程
现代压力传感器发展历程可以分为四个阶段:
1.发明阶段(1945-1960年): 这一阶段是1947年发明的双极晶体管标记。此后,这种半导体材料的特性得到了越来越广泛的使用。史密斯(CSSmith)在1945年发现了硅和锗的压阻效应,也就是说,当半导体材料上有外力作用时,它的电阻将会发生比较明显变化。根据这种原理制做的压力传感器是把应变电阻片粘在金属薄膜上,也就是将力信号转化为电信号来测量。这一阶段最小尺寸大约为1cm。
2. 技术发展阶段(1960-1970年):随着硅扩散技术的发展,技术人员在硅的(001) 或(110) 晶面选择合适的晶向直接把应变电阻扩散在晶面上,然后加工成凹状的背面,形成一层很薄的硅弹性膜片,称为硅杯。这种形式的硅杯传感器具有体积小,重量轻,灵敏度高,稳定性好,成本低,便于集成优势,实现了金属硅共晶体,为商业化发展提供了可能。
3. 商业化集成加工阶段(1970-1980年):在硅杯扩散理论的基础上应用了硅的各向异性的腐蚀技术,扩散硅传感器其加工工艺以硅的各项异性腐蚀技术为主,发展成为可以自动控制硅膜厚度的硅各向异性加工技术,主要有微机控制自动中止法、阳极氧化法自动中止法、浓硼自动中止法和V形槽法。由于可以在多个表面同时进行腐蚀,数千个硅压力膜可以同时生产,实现集成化的工厂加工模式,以进一步降低成本。
4. 微机械加工阶段(1980年-至今):上世纪末出现的纳米技术,使得微机械加工工艺技术成为可能。通过微机械加工工艺可以加工出结构型的压力传感器,它的线度可控制在微米级范围内。利用这种技术可以加工、蚀刻微米级的沟、条、膜,压力传感器进入了微米阶段。
第2章 压力传感器国内外研究现状
2.1压力传感器的种类
国内外范围看压力传感器的发展主要有以下几种:
1.光纤压力传感器:这是一类研究成果较多的传感器,但投入实际领域的并不是太多。光纤压力传感器的重要传感元件是法布利-比洛特(FP)型光学干涉仪。干涉仪的两面镜子分别是位于一真个薄膜内表面和位于另一真个光纤尖端。所施加的压力引起了薄膜的偏移,而此偏移又直接转换成了FP 干涉仪空腔长度的变化。在有压力的情况下,光线在通过挡板的过程中强度将会发生改变,通过检测这很小的改变量,我们就可以测出压力的大小。这种敏感元件已被应用于临床医学。由此可见,这种压力传感器在显微外科方面将会有很好的发展空间与前景。同时,在健康保健方面,光纤传感器也在快速发展。
2. 电容式真空压力传感器:电容式压力传感器是由厚度为0.8~2.8mm的氧化铝和一块基片构成,他们之间是用一个焊接圆环焊在一起。这个圆环起到隔离的作用,不需要进行温度补偿,旧可以保持测量的可靠性和较高的精度。测量的方法是采用电容原理,基片上一电容CP在位移最大的膜片中央处,但是另外一个参考电容CR 在膜片的边缘,因为边缘不容易产生位移,电容值不发生改变,CP的变化与施加的压力的变化时有关的,膜片的位移和压力之间的关系是线性的。遇到过载时,膜片贴在基片上不会被破坏,没有负载时就会马上返回到原来位置没有任何滞后,过载量可以达到100 %,即使是破坏了也不会有任何污染介质泄漏。所以有广泛的应用前景。
3. 多维力传感器:六维力传感器的研究和应用是多维力传感器研究的热点,目前国际上只有美国、日本等少数国家才能够生产。我国北京理工大学在跟踪国外发展的基础上,突破性的研制出组合有压电层的柔软光学阵列触觉,阵列密度为2438tactels/cm2,力灵敏1g,结构的柔性很好,能准确的抓握和识别鸡蛋和钢球,现在已经运用于机器人分选物品。
2.1.1压力传感器的发展趋势
当今世界各国压力传感器的研究领域十分广泛,基本上渗透到了各个行业,但总结起来主要有以下几个趋势:
1. 集成化:传感器已经越来越多的被用来与其它用作测量的传感器集成,从而形成测量和控制系统。集成系统在过程控制和工厂自动化中可以提高操作速度和工作效率。
2. 微型化:现在市场对微型压力传感器的需求量日益增大,这种微型传感器能够工作在非常恶劣的极端环境下,但却只需要非常少的保养和维护,对周围环境的影响也非常的小,可以放在人体的不同的重要器官中采集资料,却不会影响到人的正常生活。
3. 智能化:由于传感器集成化的出现,将一些微处理器添加在集成电路中,使得传感器具有通讯、逻辑判断、自动诊断、自动补偿等功能。
4. 标准化:传感器的设计与制造已经形成了一定的行业标准。如ISO国际质量体系:ASTM标准、美国的ANSI、日本的JIS标准、俄罗斯的OCT。
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