專利名稱：超高壓動態(tài)壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于壓力傳感器的生產(chǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種超高壓動態(tài)壓力傳感器。
背景技術(shù)：
爆炸壓力波的測量對于計(jì)算隔爆裝置、評定武器摧毀能力以及計(jì)算炮彈飛行距離和速度等具有重要意義。炸藥的爆炸過程是一個超高壓、高溫的瞬態(tài)過程，要求傳感器具有良好的動態(tài)性能和耐高溫能力。如某型炸藥爆炸時(shí)，產(chǎn)生的壓力高達(dá)10GPa，溫度高達(dá)3000℃，持續(xù)時(shí)間為μs級。廣泛應(yīng)用的錳銅壓阻式應(yīng)變片傳感器的動態(tài)響應(yīng)一直是一個問題，而且這種傳感器是一次性的，壽命只有1μs，不能重復(fù)使用。這不但增加了測試成本，而且容易使所得到的信號失真，影響測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。根據(jù)申請人所進(jìn)行的資料檢索，目前還沒有超高壓動態(tài)測量的壓力傳感器的產(chǎn)品及相關(guān)報(bào)導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種基于SOI技術(shù)的一種超高壓動態(tài)測量的壓力傳感器，該傳感器集應(yīng)力敏感與力電轉(zhuǎn)換檢測于一體，特別適用于炮膛內(nèi)爆炸壓力場測量以及炸藥柱起爆測量等的瞬態(tài)超高壓測量。
實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)解決方案是，一種超高壓動態(tài)壓力傳感器，其特征在于，該傳感器包括殼體，殼體的圓周上有敏感承壓膜片，殼體的一端通過螺紋裝有應(yīng)變柱體，在應(yīng)變柱體上有一平臺，該平臺上面設(shè)置有SOI硅微固態(tài)壓阻芯片和電路板，SOI硅微固態(tài)壓阻芯片通過金絲和電路板連接，電路板上的引線通過平臺上的孔從應(yīng)變柱體底部穿出，在殼體的另一端設(shè)有可換墊片，該可換墊片和殼體的圓周上的敏感承壓膜片相連接。
該傳感器采用可更換墊片、敏感承壓膜片和硅隔離SOI硅微固態(tài)壓阻芯片，以及一種膜—柱結(jié)合的應(yīng)變柱體結(jié)構(gòu)，解決了炮膛內(nèi)爆炸壓力場測量以及炸藥柱起爆測量等的瞬態(tài)超高壓測量問題。同時(shí)采用共晶焊接技術(shù)，解決了傳感器遲滯問題，極大提高了傳感器的動態(tài)響應(yīng)。在直接承壓部位采用可以快速更換的墊片，解決了超高壓測量傳感器不能重復(fù)使用的缺點(diǎn)。該傳感器具有測量壓力高、動態(tài)特性好、耐高溫沖擊、可重復(fù)使用等特點(diǎn)。本發(fā)明涉及的超高壓動態(tài)壓力傳感器，能夠滿足炸藥起爆測試和炮膛壓力場測量等場合的使用要求。


圖1為本發(fā)明超高壓動態(tài)壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的超高壓動態(tài)壓力傳感器安裝結(jié)構(gòu)圖；圖3是圖1的分解示意圖；圖4為本發(fā)明的超高壓動態(tài)壓力傳感器工作原理圖，其中(a)是承壓敏感膜片變形原理圖，(b)是壓力F和應(yīng)變柱體3產(chǎn)生應(yīng)變原理圖。
圖5為SOI硅微固態(tài)壓阻芯片的結(jié)構(gòu)圖和顯微照片，其中(a)是結(jié)構(gòu)圖，(b)是顯微照片。
以下結(jié)合附圖和發(fā)明人實(shí)現(xiàn)的實(shí)施例以及本發(fā)明用于炸藥起爆測試和炮膛壓力場測量及工作原理作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
具體實(shí)施例方式
參照圖1～圖3，本發(fā)明的主超高壓動態(tài)壓力傳感器，包括殼體2，殼體2的圓周上有敏感承壓膜片，殼體2的一端通過螺紋裝有應(yīng)變柱體3，在應(yīng)變柱體3上有一平臺，該平臺上面設(shè)置有SOI硅微固態(tài)壓阻芯片4和電路板5，SOI硅微固態(tài)壓阻芯片4通過金絲和電路板5連接，電路板5上的引線通過平臺上的孔從應(yīng)變柱體3底部穿出，在殼體2的另一端設(shè)有可換墊片1，該可換墊片1和殼體2的圓周上的敏感承壓膜片相連接。
考慮傳感器所承受的壓力很高，采用另外的壓板6將傳感器固定在炮膛或爆炸箱等的側(cè)壁上以減小傳感器本體所承受的力。
因?yàn)樵诔邏汉透邷刈饔孟拢饘贂a(chǎn)生凹坑，為了使傳感器可以重用，采用了可換墊片1?？蓳Q墊片1與敏感承壓膜片的連接可以采用粘接或者用帶螺紋的壓蓋固定(圖中未畫出)。殼體2上的敏感承壓膜片與殼體2整體進(jìn)行加工。因?yàn)楸▔毫芨?，敏感承壓膜片的?qiáng)度難以承受，另一方面，考慮到SOI硅微固態(tài)壓阻芯片4貼裝的操作方便，采用柱型應(yīng)變單元3將應(yīng)變傳遞給壓阻芯片4。SOI硅微固態(tài)壓阻芯片4通過共晶焊接或其他封裝工藝鍵合在柱型應(yīng)變體3的制造出的平面上。引線通過電路板5從應(yīng)變柱體3底部穿出，并從固定壓板6上的孔引出。
固定壓板6用四個固定螺釘通過連接在傳感器殼體上的的四個孔與載體(炮膛或爆炸箱)連接固定。壓力沿軸向作用在傳感器端部的可換墊片1上，再傳遞到殼體2圓周上的敏感承壓膜片上，由敏感承壓膜片將應(yīng)變傳遞給柱狀的應(yīng)變柱體3，粘貼在應(yīng)變柱體3(鋼柱體)上的SOI硅微固態(tài)壓阻芯片4接受到應(yīng)變，產(chǎn)生電阻變化，從而檢測出爆炸壓力變化。
參照圖4(a)、圖4(b)，超高壓壓力傳感器的工作原理如下當(dāng)均布壓力作用在殼體2周邊固定支撐的、半徑為R，厚度為h的圓形承壓敏感膜片上，承壓敏感膜片產(chǎn)生變形，將分布力轉(zhuǎn)化為作用在柱型的應(yīng)變柱體3上的壓力F，壓力F使應(yīng)變柱體3產(chǎn)生應(yīng)變ϵ=FEA=qπR2EA---(1)]]>式中，q為壓強(qiáng)，單位為Pa；E為材料的彈性模量，單位為Pa；R是膜片的半徑，單位為m；A是柱型應(yīng)變體的橫截面積，單位為m2。
參見，由于壓力q在柱型應(yīng)變體上產(chǎn)生的應(yīng)力變化通過共晶焊接封裝在敏感單元中心應(yīng)力集中部位的SOI硅微固態(tài)壓阻芯片4來檢測。SOI硅微固態(tài)壓阻芯片4中的惠斯登電橋的橋臂電阻阻值成比例地變化，因?yàn)?amp;Delta;RR0=Δρρ0=πσ---(2)]]>電橋在固定電源的激勵下，輸出電信號。應(yīng)力的變化和力F的大小成正比，因而通過輸出信號的大小就可以測知應(yīng)力的大小，通過式(1)即可計(jì)算出被測壓力q。傳感器的量程和靈敏度等可以通過殼體2上的敏感單元中的調(diào)整承壓膜片的厚度和直徑來調(diào)整。根據(jù)硅壓阻原理的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)壓力傳感器量程時(shí)，以梁檢測點(diǎn)處SOI敏感元件檢測到的應(yīng)變≤500με為計(jì)算依據(jù)來計(jì)算承壓膜片的直徑和厚度等參數(shù)。
采用SOI技術(shù)和各種硅微機(jī)械加工技術(shù)在(100)硅晶面上制作出所需的SOI硅微固態(tài)壓阻芯片4結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示，包括4000的SiO2，用于隔離測量電路層與硅基底，用LPCVD方法外延并得到滿足壓阻效應(yīng)的單晶硅層厚度(大約1.5～2u)和上層0.1～0.3u的氮化硅應(yīng)力匹配層和保護(hù)層，其中的氮化硅層用于消除硅與SiO2因熱膨脹系數(shù)不同而造成的熱應(yīng)力的影響。電阻條采用四折結(jié)構(gòu)、浮雕形式，具有檢測靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。為了更好地實(shí)現(xiàn)鍵合操作，在SOI硅微固態(tài)壓阻芯片4的背面進(jìn)行了鍍金。由于采用了SOI技術(shù)和鈦—鉑—金梁式引線結(jié)構(gòu)，該芯片可工作于200℃～400℃條件下，解決了高溫下存在漏電流的影響，滿足高溫等惡劣環(huán)境下壓力測量的要求。
采用共晶焊接技術(shù)將SOI硅微固態(tài)壓阻芯片4封裝在殼體2周邊的壓力傳感器敏感單元的承壓膜片背面。共晶焊的焊料成份為98Au/2Si，在380～430℃的環(huán)境條件下將SOI硅微固態(tài)壓阻芯片4焊接在承壓敏感膜片單元的中心部位。共晶焊接具有焊接強(qiáng)度高，焊接平整，承壓與承壓敏感膜片單元之間的熱阻小，并具有耐高溫性能。
發(fā)明人按上述技術(shù)方案完成的SOI硅微固態(tài)壓阻芯片4的顯微照片如圖5(b)所示。其外型尺寸φ16mm(D)×8mm(L)，量程5GPa～10GPa；分辨率0.2GPa；電源恒流源1.5mA；工作溫度3000℃(沖擊)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。
權(quán)利要求
1.一種超高壓動態(tài)壓力傳感器，其特征在于，該傳感器包括殼體(2)，殼體(2)的圓周上有敏感承壓膜片，殼體(2)的一端通過螺紋裝有應(yīng)變柱體(3)，在應(yīng)變柱體(3)上有一平臺，該平臺上面設(shè)置有SOI硅微固態(tài)壓阻芯片(4)和電路板(5)，SOI硅微固態(tài)壓阻芯片(4)通過金絲和電路板(5)連接，電路板(5)上的引線通過平臺上的孔從應(yīng)變柱體(3)底部穿出，在殼體(2)的另一端設(shè)有可換墊片(1)，該可換墊片(1)和殼體(2)的圓周上的敏感承壓膜片相連接。
2.如權(quán)利要求1所述的超高壓動態(tài)壓力傳感器，其特征在于，所述的SOI硅微固態(tài)壓阻芯片(4)封裝在殼體(2)圓周上敏感承壓膜片的背面。
3.如權(quán)利要求1所述的超高壓動態(tài)壓力傳感器，其特征在于，所述SOI硅微固態(tài)壓阻芯片4的背面鍍金。
4.如權(quán)利要求1所述的超高壓動態(tài)壓力傳感器，其特征在于，所述殼體(2)圓周上的敏感承壓膜片與殼體(2)整體加工而成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超高壓動態(tài)壓力傳感器，包括殼體，殼體的圓周上有敏感承壓膜片，殼體的一端通過螺紋裝有應(yīng)變柱體，在應(yīng)變柱體上有一平臺，該平臺上面設(shè)置有SOI硅微固態(tài)壓阻芯片和電路板，SOI硅微固態(tài)壓阻芯片通過金絲和電路板連接，電路板上的引線通過平臺上的孔從應(yīng)變柱體底部穿出，在殼體的另一端設(shè)有可換墊片，該可換墊片和殼體的圓周上的敏感承壓膜片相連接。該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、合理，測量壓力高、動態(tài)特性好、耐高溫沖擊、可重復(fù)使用等特點(diǎn)。本發(fā)明涉及的超高壓動態(tài)壓力傳感器，能夠滿足炸藥起爆測試和炮膛壓力場測量等場合的使用要求。
文檔編號G01L5/14GK1693863SQ20051004277
公開日2005年11月9日 申請日期2005年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月9日
發(fā)明者趙玉龍, 蔣莊德, 高建忠, 趙立波 申請人:西安交通大學(xué)