傳感器用應(yīng)變計(jì)的核心材料演進(jìn)
應(yīng)變計(jì)作為傳感器感知機(jī)械形變的核心元件，其材料演進(jìn)史深刻反映了工業(yè)測(cè)量精度與場(chǎng)景需求的雙重驅(qū)動(dòng)。從早期金屬箔應(yīng)變計(jì)到半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)的迭代，材料科學(xué)的突破推動(dòng)了傳感器性能的跨越式提升。
一、金屬箔應(yīng)變計(jì)：工業(yè)測(cè)量的基石（1950-1970年代）
金屬箔應(yīng)變計(jì)以鎳鉻合金、康銅等金屬箔材為核心，通過(guò)光刻腐蝕工藝制成敏感柵。其優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、線性度高，且箔柵厚度�。�0.003-0.01mm），散熱性能優(yōu)異，允許通過(guò)較大電流（100-300mA），適用于高溫、強(qiáng)磁場(chǎng)等極端環(huán)境。例如，在航空航天領(lǐng)域，金屬箔應(yīng)變計(jì)可長(zhǎng)期穩(wěn)定監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的應(yīng)力分布，其輸出功率大、蠕變小的特性保障了數(shù)據(jù)可靠性。然而，金屬材料的應(yīng)變靈敏度系數(shù)較低（K≈2-4），限制了其對(duì)微小形變的檢測(cè)能力。
二、半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)：靈敏度革命（1970年代至今）
1960年代，硅單晶的壓阻效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。其核心材料為單晶硅，通過(guò)擴(kuò)散、外延或薄膜工藝制成敏感柵，靈敏度系數(shù)可達(dá)金屬的50-80倍（K≈50-100）。這種躍遷源于半導(dǎo)體材料電阻率隨應(yīng)力變化的特性——當(dāng)硅晶格受壓時(shí)，載流子遷移率改變導(dǎo)致電阻率顯著變化，而非僅依賴(lài)幾何形變。例如，在汽車(chē)安全氣囊觸發(fā)系統(tǒng)中，半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)可精準(zhǔn)捕捉0.001mm級(jí)的碰撞形變，響應(yīng)時(shí)間縮短至毫秒級(jí)。
三、材料迭代的驅(qū)動(dòng)邏輯：場(chǎng)景需求與技術(shù)突破
金屬箔應(yīng)變計(jì)的穩(wěn)定性使其成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)的高靈敏度則開(kāi)辟了動(dòng)態(tài)測(cè)量新場(chǎng)景。隨著集成電路工藝發(fā)展，薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)通過(guò)藍(lán)寶石襯底外延技術(shù)，將工作溫度提升至300℃以上，解決了早期體型半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)的熱漂移問(wèn)題。如今，兩者在傳感器領(lǐng)域形成互補(bǔ)：金屬箔應(yīng)變計(jì)主導(dǎo)靜態(tài)應(yīng)力測(cè)量，半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)則覆蓋振動(dòng)、沖擊等動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，共同推動(dòng)傳感器向高精度、寬溫域、多功能化演進(jìn)。
