发布时间:2024-12-16
在现代工业设备中,压力传感器和检测仪表是不可或缺的组成部分。压力传感器是一种将非电信号转化为电信号的器件,而检测仪表则在模拟电子技术条件下完成多个功能,包括传感器、检测点取样设备、放大器(用于抗干扰处理和信号传输)以及电源和现场显示部分(可选)。电信号一般分为连续量和离散量,实际上还可以分为模拟量、开关量和脉冲量等,模拟信号传输常采用统一信号传输标准(如4-20mADC等)。在数字化过程中,检测仪表经历了多个阶段的变化,目前常采用ASIC专用集成电路将传感器、微处理器和网络接口封装在一个器件中,实现信息获取、处理、传输和存储等功能。在自动化仪表中,检测仪表通常被称为变送器,例如问题变送器、压力变送器等。
而压力传感器的历史可以追溯到70多年前。压力传感器的发明标志着半导体传感器的诞生,其整个发展过程可以划分为以下四个阶段:
1、发明阶段(1945-1960年)
这一阶段的关键事件是1947年双极性晶体管的发明。随后,半导体材料的这一特性得到了广泛应用。1945年,史密斯(C.S.Smith)发现了硅和锗的压阻效应,即当外力作用于半导体材料时,其电阻会发生明显变化。基于这一原理,制造出了将应变电阻片粘贴在金属薄膜上的压力传感器,从而将力信号转化为电信号来进行测量。该阶段的最小尺寸约为1cm。
2、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)晶面上选择适当的晶向,直接将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,即硅杯。这种硅杯传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定性好、成本低、易于集成化等优点,成功实现了金属-硅共晶体,为商业化发展提供了可能。
3、商业化阶段(1970-1980年)
在硅杯扩散理论的基础上,应用了硅的各向异性腐蚀技术,通过扩散硅传感器的加工工艺,主要采用硅的各项异性腐蚀技术,发展出了可以自动控制硅膜厚度的硅各向异性加工技术,包括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。由于可以同时在多个表面进行腐蚀,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,进一步降低了成本。
4、微机械加工阶段(1980年至今)
纳米技术的出现使得微机械加工工艺成为可能。通过微机械加工工艺,可以利用计算机来控制加工出结构化的压力传感器,其线度可控制在微米。
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