壓阻式高頻動態土應力傳感器及製備方法
2023-04-26 22:53:11 1
專利名稱：壓阻式高頻動態土應力傳感器及製備方法
技術領域：
本發明涉及一種壓阻式高頻動態土應力傳感器，特別涉及一種用於地下危險廢棄物周邊環境的土應力測量、化學爆炸衝擊波以及地震波造成的土應力測量用傳感器。
背景技術：
核工業的迅速發展產生了大量的核廢物，尤其是高放核廢物，如何進行安全處置已成為日益緊迫需要解決的環境問題。目前，對於高放核廢物處置一般採用深地質埋藏法，通過天然和人工屏障體系阻止核素的洩漏與遷移，達到高放核廢物安全處置的目的。核爆炸或化學爆炸衝擊波以及地震波可能會破壞高放核廢物存放地的防護體系，因此有必要對周邊土壤環境進行及時有效地監控。此外，核爆炸衝擊波、深層貫徹炸彈也會對建築物、建築工事產生影響，這就要求土應力傳感器具有較好的動態特性，能夠及時並真實地反映產生的土應力分布。本發明基於MEMS (Micro Electro Mechanical System)微機械加工工藝製作的傳感器，較常規同類型傳感器具有更高的靈敏度，同時具有優良的動靜態特性，能夠適應多種領域的土應力測量。傳統的土應力傳感器敏感組件通常是在單晶矽基片上利用氧化、擴散或離子注入摻雜、光刻等方法製作成的應變壓敏電阻構成惠斯通電橋。採用貼片式結構的壓阻敏感組件，缺點是器件直徑大，頻響低，上升時間較長，且傳感器精度和長期穩定性較差，加工工藝複雜。
發明內容
本發明所要解決的第一方面的問題在於克服現有技術的傳感器直徑大、頻響低及精度差等缺陷，提供一種具有高動態響應頻率、強抗幹擾、動態性能優良的壓阻式高頻動態土應力傳感器。本發明所要解決的第二方面的問題，提供上述壓阻式高頻動態土應力傳感器中的應力敏感組件的製備方法。為了解決上述第一方面的技術問題，本發明提供的技術方案是:一種壓阻式高頻動態土應力傳感器，包括傳感器殼體、應力敏感組件、信號調理放大電路和引出電纜，其特徵在於，所述應力敏感組件包括基底一絕緣隔離層一應變電阻一絕緣保護層構成的結構；且所述應力敏感組件通過高硼矽玻璃封接於傳感器殼體前端的固支臺階。優選地，所述基底層為高楊氏模量的不鏽鋼膜片，所述傳感器殼體由高質量日立合金製成，所述應變電阻為半導體應變電阻。優選地，所述應變電阻為摻硼P型微晶矽應變電阻。優選地，絕緣隔離層和絕緣保護層由二氧化矽絕緣材料製備而成。優選地，所述應力敏感組件還包括設在應變電阻外周的調整電阻，作為備用補償電阻。為了解決上述第二方面的技術問題，本發明提供的技術方案是:應力敏感組件的製備方法，其特徵在於，包括如下步驟:(I)在基底層上用離子束濺射一層絕緣隔離層；(2)在力敏區的絕緣隔離層上用化學氣相沉積法製備摻硼P型微晶矽應變電阻，然後用光刻腐蝕工藝製作對應變敏感的電阻片，構成惠斯通電橋；(3)用掩膜濺射方法製備一系列阻值不同的NiCr調整電阻和相應的金電極；(4)用離子束濺射一層絕緣保護層。優選地，摻硼P型微晶矽可由PECVD或ICP化學氣相沉積法製備。優選地，絕緣隔離層(2)和絕緣保護層(5)由二氧化矽絕緣材料製備而成。
本發明根據敏感材料層、絕緣層、過渡匹配層及封裝結構設計的特點和差異，靈活選擇磁控濺射、離子束濺射、PECVD和微圖形實現等MEMS技術或同時採用兩種及兩種以上技術製作的新型動態力敏土應力傳感器，具有高動態響應頻率、強抗幹擾、上升時間亞微秒級、高量程、動態性能優良的壓阻式高頻動態土應力傳感器。本發明的優點是:本發明中的土應力高頻動態傳感器的敏感組件基底採用高楊氏模量的不鏽鋼，可直接感受周圍土體的應變壓力，有效提高了應力敏感組件的精度、固有頻率和長期穩定性。該傳感器利用壓阻原理實現應力一電信號之間的轉換，採用濺射、微圖形化實現等MEMS微機械加工技術製成摻硼P型微晶矽壓阻力敏元件，因而敏感組件尺寸小(直徑為Φ 15mm至Φ30mm，厚度不大於該外形直徑的1/2)、剛度高，固有頻率在500KHz至
2.5MHz，上升時間為微秒至亞微秒級，檢測應力應變靈敏度可達0.1個微應變以下。該傳感器敏感組件集成有應變電阻和調整電阻，有效減小體積，簡化了加工工藝，降低製作成本，容易實現大批量生產，提高了產品性價比和市場競爭力。
圖1為本發明壓阻式高頻動態土應力傳感器的結構示意圖。其中:
權利要求
1.壓阻式高頻動態土應力傳感器，包括傳感器殼體(7)、應力敏感組件、信號調理放大電路(11)和引出電纜(13)，其特徵在於，所述應力敏感組件包括基底(I) 一絕緣隔離層(2)一應變電阻(3) —絕緣保護層(5)構成的結構；且所述應力敏感組件通過高硼矽玻璃(6)封接於傳感器殼體(7)前端的固支臺階(18)。
2.根據權利要求1所述的壓阻式高頻動態土應力傳感器，其特徵在於，所述基底(I)層為高楊氏模量的不鏽鋼膜片，所述傳感器殼體(7)由高質量日立合金製成，所述應變電阻(3)為半導體應變電阻。
3.根據權利要求1或2所述的壓阻式高頻動態土應力傳感器，其特徵在於，所述應變電阻(3)為摻硼P型微晶矽應變電阻。
4.根據權利要求1或2所述的壓阻式高頻動態土應力傳感器，其特徵在於，絕緣隔離層(2 )和絕緣保護層(5 )由二氧化矽絕緣材料製備而成。
5.根據權利要求1所述的壓阻式高頻動態土應力傳感器，其特徵在於，所述應力敏感組件還包括設在應變電阻外周的調整電阻。
6.一種應力敏感組件的製備方法，其特徵在於，包括如下步驟: (1)在基底層上用離子束濺射一層絕緣隔離層(2)； (2)在力敏區的絕緣隔離層(2)上用化學氣相沉積法製備摻硼P型微晶矽應變電阻(3)，然後用光刻腐蝕工藝製作對應變敏感的電阻片，構成惠斯通電橋； (3)用掩膜濺射方法製備一系列阻值不同的NiCr調整電阻(19)和相應的金電極(4); (4)用離子束濺射一層絕緣保護層(5)。
7.根據權利要求6所述的製備方法，其特徵在於，摻硼P型微晶矽可由PECVD或ICP化學氣相沉積法製備。
8.根據權利要求6所述的製備方法，其特徵在於，絕緣隔離層(2)和絕緣保護層(5)由二氧化矽絕緣材料製備而成。
全文摘要
本發明公開了一種壓阻式高頻動態土應力傳感器及製備方法，傳感器包括傳感器殼體(7)、應力敏感組件、信號調理放大電路(11)和引出電纜(13)，所述應力敏感組件包括基底(1)—絕緣隔離層(2)—應變電阻(3)—絕緣保護層(5)構成的結構；且所述應力敏感組件通過高硼矽玻璃(6)封接於傳感器殼體(7)前端的固支臺階(18)。本發明的傳感器敏感組件集成有應變電阻(3)和調整電阻(19)，有效減小體積，簡化了加工工藝，降低製作成本，容易實現大批量生產，提高了產品性價比和市場競爭力。
文檔編號G01L1/18GK103175639SQ201310046809
公開日2013年6月26日 申請日期2013年2月6日 優先權日2013年2月6日
發明者沈嬌豔, 唐運海, 程新利, 王冰, 秦長發, 潘濤, 王文襄 申請人:蘇州科技學院, 崑山雙橋傳感器測控技術有限公司