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传感器的集成化技术

2013-11-26 sensor 802

传感器相当于人的眼、耳、鼻及触感,是人类探知自然界的触觉,为人们认识和控制相应的对象提供条件和依据。在信息社会中,人们为了推动社会生产力的发展,需要用传感器来检测许多非电量信息,传感器是自动控制系统和信息系统的关键技术之器件,其技术水平将直接影响到自动化系统和信息系统的水平。到本世纪初,微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术达到成熟期,光电子技术进入发展的中期,超导电子等新技术将进入发展的初期,均为研制新一代传感器提供了发展的条件。目前世界上的传感器的种类约有2万多种,当前传感器的发展主要体现在以下几个方面:

传感器的体积越来越小,微传感器技术发展迅速。随著半导体集成技术和微加工技术的发展,微型传感器得到了迅速发展。微型传感器具有尺寸微小、功耗小、启动快、成本底、测量精度和灵敏度高、易于实现数字化和智能化等优点,且制作精确、重复性好、易于集成化,因此将广泛应用于工程、生物和航空等领域。此外,微传感器还可以实现把传感器和测量电路集成在一起,用于恶劣环境下的测量。例如:电容式压力传感器就是这样一种新型传感器。这种微传感器把测量电路、参考电容和测量电容制作在一起,并且在零压时,参考电容和测量电容的值完全一样,置于同一压力场中,使参考电容的电容值不随压力的变化而变化。

利用新的物理现象、化学反应、生物效应作为传感器原理。日本夏普公司利用超导技术研制成功高温超导磁性传感器,是传感器技术的重大突破,其灵敏度仅次于超导量子干涉器件。而它的制造工艺远比超导量子干涉器件简单,可用于磁成像技术:抗体和抗原在电极表面相遇复合时会引起电极电位的变化,利用这一现象可以制成免疫传感器。用这种抗体制成的免疫传感器可以对生物体内是否有这种抗原进行检查。美国加州大学已经研制出这种传感器。

利用新材料,传感器材料是传感器技术的基础,一些新型传感器随著材料科学的发展而涌现。高分子聚合物能随周围环境的相对湿度的大小而成比例的吸收或释放水分子。高分子的介电常数小,水分子能提高聚合物的介电常数。将高分子电介质做成电容器测定电容量的变化,即可得出相对湿度。利用这个原理制成等离子聚合物聚苯乙烯薄膜温度传感器。陶瓷电容式压力传感器是一种无中介液的干式压力传感器。它采用了先进的陶瓷技术和薄膜电子技术,年漂移量小于0.1%F.S,温漂小于0.5%/10K,性能稳定,抗过载性强。光导纤维的应用是传感材料的重大突破。温度、压力、电场、磁场等环境条件变化都会引起光纤传输的光波强度、相位、频率、偏振态等变化。测量光波量的变化就可以知道导致这些变化的温度、压力、电场、磁场等物理量的大小,利用这个原理就可以研制出光导纤维传感器。哈尔滨工业大学研制成功了“新型本征半导电高分子压力温度双参传感器”。所使用的自由基高聚物是一种压敏系数极高的高分子材料,通过表面处理调整平面工艺的搀杂工艺参数,实现了在一定参数范围内,力敏芯片温度灵敏漂移控制在50/00之内。

利用新的加工技术。半导体中的一些加工技术,如:氧化、光刻、沉积、平面电子工艺、各相导性腐蚀及蒸镀、溅射薄膜等,都已经引进传感器制造中来,产生了各种新型传感器。如利用半导体技术制造出硅微传感器:利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器:利用溅射薄膜工艺制造压力传感器等。日本横河公司利用各向导性腐蚀技术进行高精度三微加工,制成全硅谐振式压力传感器。美国SMI公司开发的硅微压力传感器,它经过多次蚀刻将惠斯登电桥制于硅膜片上,当硅膜片上方受力时,产生变形,电阻产生压电效应而失去平衡,输出与压力成比例的电信号。这样的硅微传感器是当今传感器发展的前沿技术。中国航天总公司北京测量技术研究所研制的CYJ系列溅射膜压力传感器是采用离子溅射工艺加工成金属应变计,它克服了非金属应变计易受温度影响的不足,具有高稳定性,适用于各种场合,被测介质范围宽。

传感器的这些发展为传感器向智能化、集成化方向发展奠定了基础,这也正是传感器发展的总体趋势。首先,集成传感器的优势是传统传感器无法达到的,它不仅仅是一个简单的传感器,其将辅助电路中的元件与传感元件集成在一块芯片上,使之具有校准、补偿、自诊断和网络通讯的功能。

美国Mo-torola公司的MPX就是这一类传感器。而智能化传感器一种带微处理器的传感器,是微型计算机和传感器技术相结合的产物,它兼有检测、判断和信息处理等功能,与传统的传感器相比有很多优点:具有判断和信息处理功能,能对测量值进行修正、误差补偿,因而提高测量精度:能实现多传感器多参数测量:有自诊断和自校准功能,提高可靠性:测量数据可存取,使用方便:有数据通讯接口,能与微型计算机直接通讯。美国HONYWELL公司ST-3000型智能传感器芯片尺寸才3×4×2mm3,采用半导体工艺,在同一芯片上制成CPU、EPROM,目前有静压、压差、温度三种传感器。

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