【正文】 式多功能傳感器，用微處理器及軟件補償，提高了測量精度，減小了溫漂，并且有故障自我診斷和數(shù)字通訊遙控調整功能。1992年，美國HoneyWell公司又推出了 ST3000900系列智能壓力傳感器，它是在ST3000l00系列的基礎上增加了較完善的自診斷功能，雙向通訊功能。在此期間美國Rosemount公司推出了HART協(xié)議(Highway Addressable Remote Transducer，尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)線)，德國Bosch公司推出CAN BUS協(xié)議。同期MOTOROLA 公司、FOXBIRD公司、EG＆G —IC SENSORS公司也推出了功能類似的工業(yè)級產(chǎn)品，其中部分產(chǎn)品由當時的中國電子器材總公司引進國內(nèi)，曾應用在一些重要的部門。這時，軍事領域開始裝備智能傳感器。1995年以后，智能壓力傳感器特別是智能差壓傳感器得到了較快的發(fā)展，以美國Honeywell公司為代表的西方國家不但開發(fā)了全數(shù)字技術和遠程組態(tài)系統(tǒng)，而且推出了多種型號的現(xiàn)場控制系統(tǒng)。90年代后，我國將傳感器的研究放在重要位置上并取得了顯著成果，1996年，河北工業(yè)大學研制了WPS1型智能壓力傳感器，它可長期穩(wěn)定地工作在環(huán)境溫度變化較為頻繁的場所；1997年，西安交通大學電子信息工程學院綜合自動化研究所為三峽工程研制了體積小于國內(nèi)電流、電壓輸出型固態(tài)壓力傳感器，并且有防水、防塵和抗震能力的智能壓力傳感器；1999年，哈爾濱工業(yè)大學微電子教研室研制了在壓力傳感器芯片上集成溫度敏感元件制成的壓力溫度多功能傳感器，并賦予智能化，可實現(xiàn)大溫度范圍內(nèi)的全量程壓力信號的溫度補償；2022年湖南長沙索普測控技術有限公司研制的納米壓力傳感器獲成功，產(chǎn)品整體性能超過美國超微傳感器，實現(xiàn)了傳感器在高溫、高壓等惡劣環(huán)境下的長期穩(wěn)定性和可靠性，提高了傳感器精度等級、溫度特性等各方面性能指標。2022年“耐高溫壓力傳感器”經(jīng)過4年攻關在西安交大研制成功，該硅隔離耐高溫微型壓力傳感器能在30～250℃環(huán)境下進行壓力測量，可完成1000MPa 以下任意量程范圍的壓力測量，能承受2022℃瞬時高溫沖擊，性能指標達到國際先進水平。雖然在某些方面己趕上或者接近世界先進水平。但是從總體來看，我國的傳感器技術的研究和生產(chǎn)還比較落后，與國外有較大差距；目前的傳感器，無論在數(shù)量、質量和功能上，還遠遠不適應社會多方面發(fā)展的需要。主要是：品種不全,產(chǎn)量過低,工作溫度范圍較小,長期穩(wěn)定性與可靠性較差,集成度不高。隨著國內(nèi)市場需求量越來越大,大量壓力傳感器需要進口，特別是高精度產(chǎn)品。 壓阻式壓力傳感器簡介 壓阻式壓力傳感器的結構壓阻式壓力傳感器采用集成工藝將電阻條集成在單晶硅膜片上,制成硅壓阻芯片,并將此芯片的周邊固定封裝于外殼之內(nèi)，引出電極引線。壓阻式壓力傳感器又稱為固態(tài)壓力傳感器，它不同于粘貼式應變計需通過彈性敏感元件間接感受外力，而是直接通過硅膜片感受被測壓力的。硅膜片的一面是與被測壓力連通的高壓腔，另一面是與大氣連通的低壓腔。硅膜片一般設計成周邊固支的圓形，直徑與厚度比約為 20～60。在圓形硅膜片(N 型)定域擴散 4 條 P 雜質電阻條 ,并接成全橋，其中兩條位于壓應力區(qū)，另兩條處于拉應力區(qū)，相對于膜片中心對稱。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上擴散制作電阻條,兩條受拉應力的電阻條與另兩條受壓應力的電阻條構成全橋。 壓阻式壓力傳感器的發(fā)展．Smith 首先發(fā)現(xiàn)，1956年貝爾實驗室研制出硅力敏電阻，此后壓阻傳感器開始問世。壓阻效應：沿一塊半導體的某一軸向施加壓力使其變形時，它的電阻率會發(fā)生顯著變化，這種現(xiàn)象稱為半導體的壓阻效應。利用半導體材料的壓阻效應制成的傳感器稱為壓阻式傳感器。目前使用最多的是單晶硅半導體。壓阻壓力傳感器是目前應用最廣泛的壓力傳感器之一，壓阻式壓力傳感器是利用半導體材料硅的壓阻效應制成的傳感器。單晶硅不僅是最廣泛使用的半導體材料，也是力學性能十分優(yōu)良的彈性材料。硅材料的單晶結構使壓阻式壓力傳感器的遲滯極小，重復性極好；硅的壓阻系數(shù)較大，使用溫度范圍較寬。這類傳感器隨著硅集成電路平面工藝的完善而得到高度的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛用作高靈敏度，高精度的微型真空計，絕對壓力計，流速計，流量計，聲傳感器，氣動過程控制器等。早期的壓阻式壓力傳感器是利用半導體應變片制成的粘貼型壓阻傳感器，它的傳感器元件是用半導體材料體電阻制成的粘貼式應變片；20世紀70年代以后，壓阻式壓力傳感器發(fā)展成為在硅片的應變敏感部位擴散出阻值相同的條，在壓力作用于其上時，硅膜片產(chǎn)生應變，從而使電阻條變形輸出一個與壓力呈正比的線性化電壓信號，稱為擴散硅式壓力傳感器。由于四差動臂惠斯登電橋具有最高的靈敏度,最好的溫度補償性能和最高的輸出線性度，因此，在壓力測量中，電阻條通常連接成等臂、等電阻應變率的四差動臂惠斯登電橋。由于壓力的原因，硅晶體的電阻發(fā)生變化，變化的大小與受到的壓力大小有關，同時與材料本身的壓阻系數(shù)有關。影響壓阻系數(shù)最主要因素是環(huán)境溫度和擴散雜質的表面濃度。壓阻系數(shù)隨擴散雜質濃度的增加而減小。表面雜質濃度低時，壓阻系數(shù)隨溫度升高而下降較快，提高表面雜質濃度，壓阻系數(shù)隨溫度升高而下降變慢。 擴散硅壓力傳感器的應用由于擴散硅壓阻傳感器自身特點，其應用領域開辟了廣闊的道路。新型智能式傳感器的發(fā)展及應用將導致面向過程檢測和控制技術產(chǎn)生新的突破。在我國壓阻傳感技術的研制和生產(chǎn)已得到迅猛發(fā)展, 傳感技術早己滲透到工業(yè)生產(chǎn)，軍事國防，宇宙探測，海洋開發(fā)，環(huán)境保護，資源調查，醫(yī)學診斷，生物工程，文物保護，安全防范，家用電器等極其廣泛的領域。因此，從茫茫太空到浩瀚的海洋，從各種復雜工程系統(tǒng)到日常生活的衣食住行，幾乎每一個領域都離不開各種各樣的傳感器?？梢院敛豢鋸埖卣f，新世紀的社會，將是充滿傳感器的社會。在 航 天 和 航 空 工 業(yè) 中 壓 力 是 一 個 關 鍵 參 數(shù) ,對 靜 態(tài) 和 動 態(tài) 壓 力 ,局 部 壓 力 和 整 個 壓力 場 的 測 量 都 要 求 有 很 高 的 精 度 。 壓 阻 式 傳 感 器 是 用 于 這 方 面 的 較 理 想 的 傳 感 器 。 例如 ,用 于 測 量 直 升 飛 機 機 翼 的 氣 流 壓 力 分 布 ， 測 試 發(fā) 動 機 進 氣 口 的 動 態(tài) 畸 變 、 葉 柵 的 脈動 壓 力 和 機 翼 的 抖 動 等 。 在 飛 機 噴 氣 發(fā) 動 機 中 心 壓 力 的 測 量 中 ， 使 用 專 門 設 計 的 硅 壓力 傳 感 器 ,其 工 作 溫 度 達 500℃ 以 上 。 在 波 音 客 機 的 大 氣 數(shù) 據(jù) 測 量 系 統(tǒng) 中 采 用 了 精 度 高達 ％ 的 配 套 硅 壓 力 傳 感 器 。 在 尺 寸 縮 小 的 風 洞 模 型 試 驗 中 ， 壓 阻 式 傳 感 器 能 密 集安 裝 在 風 洞 進 口 處 和 發(fā) 動 機 進 氣 管 道 模 型 中 。 單 個 傳 感 器 直 徑 僅 毫 米 ， 固 有 頻率 高 達 300 千 赫 ,非 線 性 和 滯 后 均 為 全 量 程 的 177。％ 。 在 生 物 醫(yī) 學 方 面 ,壓 阻 式 傳 感器 也 是 理 想 的 檢 測 工 具 。 已 制 成 薄 到 10 微 米 的 擴 散 硅 膜 ,外 徑 僅 毫 米 的 注 射 針 型壓 阻 式 壓 力 傳 感 器 和 能 測 量 心 血 管 、 顱 內(nèi) 、 尿 道 、 子 宮 和 眼 球 內(nèi) 壓 力 的 傳 感 器 。 壓阻 式 傳 感 器 還 有 效 地 應 用 于 爆 炸 壓 力 和 沖 擊 波 的 測 量 ,真 空 測 量 ,監(jiān) 測 和 控 制 汽 車 發(fā) 動機 的 性 能 以 及 諸 如 測 量 槍 炮 膛 內(nèi) 壓 力 、 發(fā) 射 沖 擊 波 等 兵 器 方 面 的 測 量 。 此 外 ， 在 油 井壓 力 測 量 、 隨 鉆 測 向 和 測 位 地 下 密 封 電 纜 故 障 點 的 檢 測 以 及 流 量 和 液 位 測 量 等 方 面都 廣 泛 應 用 壓 阻 式 傳 感 器 。 隨 著 微 電 子 技 術 和 計 算 機 的 進 一 步 發(fā) 展 ， 壓 阻 式 傳 感 器 的應 用 還 將 迅 速 發(fā) 展 。 擴散硅壓力傳感器的特點擴散硅傳感器與其它類型的傳感器相比有許多優(yōu)點：靈敏度高 擴散硅敏感電阻的靈敏因子比金屬應變片高 50～80 倍，它的滿量程信號輸出在80～100mV 左右。對接口電路適配性好，應用成本相應較低。由于它輸入激勵電壓低，輸出信號大，且無機械動件損耗，因而分辨率極高。精度高 擴散硅壓力傳感器的感受、敏感轉換和檢測三位一體，無機械動件連接轉換環(huán)節(jié)，所以不重復性和遲滯誤差很小。由于硅材料的剛性好，形變小，因而傳感器的線性也非常好,因此綜合表態(tài)精度很高?？煽啃愿? 擴散硅敏感膜片的彈性形變量在微應變數(shù)量級，膜片最大位移量在幾微米數(shù)量級，且無機械磨損，無疲勞，無老化。平均無故障時間長，性能穩(wěn)定，可靠性高。 頻響高 由于敏感膜片硅材料的本身固有頻率高，一般在 50KHZ。制造過程采用了集成工藝，膜片的有效面積可以很小，配以剛性結構前置安裝特殊設計，使傳感器頻率響應很高，使用帶寬可達零頻至 100KHZ?？闺姄舸┬阅芎? 由于采用了特殊材料和裝配工藝，擴散硅傳感器不但可以做到130℃正常使用，而且在強磁場、高電壓擊穿試驗中可抗擊1500V/AC電壓的沖擊。耐腐蝕性好 由于擴散硅材料本身優(yōu)良的化學防腐性能好，即使傳感器受壓面不隔離，也能在普通使用中適應各種介質。硅材料又與硅油有良好的兼容性，使它在采用防腐材料隔離時結構工藝更易于實現(xiàn)。加之它的低電壓、低電流、低功耗、低成本和本質安全防爆等特點，因此可替代諸多同類型﹑同功能的產(chǎn)品，具有最優(yōu)良的性能價格比。擴散硅傳感器也存在如下一些不足之處：(1)由于擴散硅傳感器是用半導體材料制作的，受溫度影響較大，因而在溫度變化大的環(huán)境中使用時，必須進行溫度補償。(2)制造工藝比較復雜，對研制條件要求高而嚴格，尤其是燒結、封裝工藝，而其成本較高。 擴散硅壓力傳感器的發(fā)展趨勢1 小型化重量輕、體積小、分辨率高，便于安裝在很小的地方，也便于微型儀器儀表的配套使用。2 集成數(shù)字化利用現(xiàn)在的生產(chǎn)工藝和成熟的集成化技術，將感壓橋路、溫度補償電路和信號放大電路通過集成化平面工藝制作在同一芯片上,使得信號源產(chǎn)生一個能傳遞數(shù)字的信號。在測量技術、計算機技術和微電子技術的基礎上發(fā)展起來的數(shù)字式傳感器，在結構上有小型化、標準化和智能化的特點，而在性能方面則具有響應快、精度高、分辨率高、抗干擾能力強和工作可靠以及便于程序控制及數(shù)據(jù)處理等特點。3 智能化由于集成化的出現(xiàn),在集成電路部分制作一些微處理機，使其具有“記憶”、“思維”、“處理”等能力。智能化產(chǎn)品的發(fā)展將成為未來傳感器市場的主流。4 多功能系列化利用擴散硅技術在芯片上通過摻雜不同雜質,同時制成感溫元件和感壓元件是可能的。為滿足我國經(jīng)濟建設發(fā)展的需要和提出的各種檢測控制的需要，需加大系列化和新產(chǎn)品開發(fā)方面的研究。5 標準化如IEC、ISO國際標準，日本的JIS標準，法國的DIN 標準、原蘇聯(lián)S3CT及TO標準。 本課題所完成的任務對半導體擴散硅壓力傳感器進行系統(tǒng)學習和遴選適用的壓力敏感元件。設計專用測量轉換電路模塊，并采用二線制工作模式技術，以提高傳感測量系統(tǒng)的遠傳能力及抗干擾能力。并在此基礎上結合儀器智能化思路，并設計專用 MPU 最小系統(tǒng)以滿足傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能。如：對傳感測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性、分辨率、精度進行統(tǒng)一量化及非線性數(shù)據(jù)補償。通過采用專用數(shù)據(jù)采集模塊與計算機聯(lián)機通信，對傳感檢測系統(tǒng)遠程校準與數(shù)據(jù)交換。2 擴散硅壓力傳感變送器的原理測量壓力的方法有許多種，最常用的是把壓力轉換成材料的長度或高度變化來測量，即彈性元件。壓力傳感器的彈性元件都是膜。 壓力傳感器組成結構示意圖，第一部分由質量m、彈簧k、阻尼b組成的機械力學系統(tǒng)作為彈性敏感元件，它將壓力轉換成中間變量(形變)，然后由第二部分膜片相應位置采用半導體工藝制成的電阻條，根據(jù)壓阻效應，最終轉換成相應的變化量輸出。電阻條阻值改變量 與相應膜片壓力成正比。R?R? 壓阻式壓力傳感器組成框圖 壓阻式壓力傳感器的機械原理壓阻式傳感器是將輸入的機械量應變 轉換為電阻值變化的變化元件。電阻變換器的?輸入量為應變 ,即材料的長度相對變化量,它是一個無量綱的相對值。通常/L???為一個微應變。610???電阻變換器的輸出量為電阻值的相對變化量 。電阻變換器有金屬電阻變換器和/R?半導體電阻變換器兩種類型。根據(jù)半導體材料的壓阻效應: ,且 ,其中: (/)????E?是應力(F/S)； 是壓阻系數(shù), = (40～ 80) ； 是楊氏彈性模量, ???120mN??,所以電阻的相對變化為: 。要測量其他物理量,如壓力、??(/)RE????力、加速度等,就需要先將應變片貼在相應的彈性元件上, 過程壓力通過隔離膜片，密封硅油傳輸?shù)綌U散硅膜片上，同時參考端的壓力作用于膜片的另一側。這樣在膜片的兩邊加上的差壓產(chǎn)生一個應力場，它使膜片的一部分壓縮，另一部分拉伸，兩個應變電阻片位于壓縮區(qū)，另兩個應變電阻片位于拉伸區(qū)。在電氣性能上，他們連接成一個全動態(tài)惠斯登電橋，以增大輸出信號。 壓阻式壓力傳感器的工作原理 當傳感器處在壓力介質中時，介質壓力作用于波紋膜片上其中的硅油受壓，硅油將膜片上的壓力傳遞給半導體芯片。受壓后其電阻值發(fā)生變化，電阻信號通過引線引出。不銹鋼波紋膜片殼體感受壓力并保護芯片，因而電阻式壓力傳感器能在有腐蝕性的介質中