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（完整版）浅析压力传感器发展历程及国内外市场应用

在各类传感器中压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳

定可靠、成本低、便于集成化的优点，可广泛用于压力、高度、加速

度、液体的流量、流速、液位、压强的测量与控制。除此以外，还广

泛应用于水利、地质、气象、化工、医疗卫生等方面。由于该技术是

平面工艺与立体加工相结合，又便于集成化,所以可用来制成血压计、

风速计、水速计、压力表、电子称以及自动报警装置等。压力传感器

已成为各类传感器中技术最成熟、性能最稳定、性价比最高的一类传

感器。因此对于从事现代测量与自动控制专业的技术人员必须了解和

熟识国内外压力传感器的研究现状和发展趋势。

1、压力传感器的发展历程

现代压力传感器以半导体传感器的发明为标志,而半导体传感器的

发展可以分为四个阶段：

(1)发明阶段(1945-1960年):这个阶段主要是以1947年双极性

晶体管的发明为标志。此后,半导体材料的这一特性得到较广泛应用。

史密斯(C.S.Smith)与1945发现了硅与锗的压阻效应，即当有外力作

用于半导体材料时,其电阻将明显发生变化。依据此原理制成的压力传

感器是把应变电阻片粘在金属薄膜上,即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)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,然后在背面加工成凹形,形成较薄的硅弹性膜片,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、便于集成化的优点,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V形槽法、浓硼自动中止法、阳极氧化法自

动中止法和微机控制自动中止法。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,实现了集成化的工厂加工模式,成本

进一步降低。

(4)微机械加工阶段(1980年-至今)：上世纪末出现的纳米技术,使

得微机械加工工艺成为可能。

通过微机械加工工艺可以由计算机控制加工出结构型的压力传感

器,其线度可以控制在微米级范围内。利用这一技术可以加工、蚀刻微

米级的沟、条、膜,使得压力传感器进入了微米阶段。

2、压力传感器国内外研究现状

从世界范围看压力传感器的发展动向主要有以下几个方向。

2.1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。

它的工作原理是利用敏感元件受压力作用时的形变与反射光强度相关

的特性,由硅框和金铬薄膜组成的膜片结构中间夹了一个硅光纤挡板,在

有压力的情况下,光线通过挡板的过程中会发生强度的改变,通过检测这

个微小的改变量,我们就能测得压力的大小。这种敏感元件已被应用与

临床医学,用来测扩张冠状动脉导管气球内的压力。可预见这种压力传

感器在显微外科方面一定会有良好的发展前景。同时，在加工与健康

保健方面,光纤传感器也在快速发展。

2.2电容式真空压力传感器

EH公司的电容式压力传感器是由一块基片和厚度为0.8～2.

8mm的氧化铝(Al2O3)构成,其间用一个自熔焊接圆环钎焊在一起。该

环具有隔离作用,不需要温度补偿,可以保持长期测量的可靠性和持久的

精度。测量方法采用电容原理,基片上一电容CP位于位移最大的膜片

的中央,而另一参考电容CR位于膜片的边缘,由于边缘很难产生位移,电

容值不发生

变化,CP的变化则与施加的压力变化有关,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，无负载时

会立刻返回原位无任何滞后，过载量可以达到100%，即使是破坏也

不会泄漏任何污染介质。因此具有广泛的应用前景。

2.3耐高温压力传感器

新型半导体材料碳化硅(SiC)的出现使得单晶体的高温传感器的制

作成为可能。Rober.S.Okojie报导了一种运行试验达500℃的α(6H)

SiC压力传感器.实验结果表明,在输入电压为5V,被测压力为6.9MPa

的条件下,23500℃时的满量程