超高壓動態壓力傳感器的製作方法
2024-01-25 15:23:15 1
專利名稱：超高壓動態壓力傳感器的製作方法
技術領域：
本發明屬於壓力傳感器的生產及應用領域，涉及一種超高壓動態壓力傳感器。
背景技術：
爆炸壓力波的測量對於計算隔爆裝置、評定武器摧毀能力以及計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、高溫的瞬態過程，要求傳感器具有良好的動態性能和耐高溫能力。如某型炸藥爆炸時，產生的壓力高達10GPa，溫度高達3000℃，持續時間為μs級。廣泛應用的錳銅壓阻式應變片傳感器的動態響應一直是一個問題，而且這種傳感器是一次性的，壽命只有1μs，不能重複使用。這不但增加了測試成本，而且容易使所得到的信號失真，影響測量數據的準確性。根據申請人所進行的資料檢索，目前還沒有超高壓動態測量的壓力傳感器的產品及相關報導。
發明內容
本發明的目的在於，提供一種基於SOI技術的一種超高壓動態測量的壓力傳感器，該傳感器集應力敏感與力電轉換檢測於一體，特別適用於炮膛內爆炸壓力場測量以及炸藥柱起爆測量等的瞬態超高壓測量。
實現上述目的的技術解決方案是，一種超高壓動態壓力傳感器，其特徵在於，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變柱體，在應變柱體上有一平臺，該平臺上面設置有SOI矽微固態壓阻晶片和電路板，SOI矽微固態壓阻晶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變柱體底部穿出，在殼體的另一端設有可換墊片，該可換墊片和殼體的圓周上的敏感承壓膜片相連接。
該傳感器採用可更換墊片、敏感承壓膜片和矽隔離SOI矽微固態壓阻晶片，以及一種膜—柱結合的應變柱體結構，解決了炮膛內爆炸壓力場測量以及炸藥柱起爆測量等的瞬態超高壓測量問題。同時採用共晶焊接技術，解決了傳感器遲滯問題，極大提高了傳感器的動態響應。在直接承壓部位採用可以快速更換的墊片，解決了超高壓測量傳感器不能重複使用的缺點。該傳感器具有測量壓力高、動態特性好、耐高溫衝擊、可重複使用等特點。本發明涉及的超高壓動態壓力傳感器，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為本發明超高壓動態壓力傳感器結構示意圖；圖2為本發明的超高壓動態壓力傳感器安裝結構圖；圖3是圖1的分解示意圖；圖4為本發明的超高壓動態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和應變柱體3產生應變原理圖。
圖5為SOI矽微固態壓阻晶片的結構圖和顯微照片，其中(a)是結構圖，(b)是顯微照片。
以下結合附圖和發明人實現的實施例以及本發明用於炸藥起爆測試和炮膛壓力場測量及工作原理作進一步詳細說明。
具體實施例方式
參照圖1～圖3，本發明的主超高壓動態壓力傳感器，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變柱體3，在應變柱體3上有一平臺，該平臺上面設置有SOI矽微固態壓阻晶片4和電路板5，SOI矽微固態壓阻晶片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變柱體3底部穿出，在殼體2的另一端設有可換墊片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，採用另外的壓板6將傳感器固定在炮膛或爆炸箱等的側壁上以減小傳感器本體所承受的力。
因為在超高壓和高溫作用下，金屬會產生凹坑，為了使傳感器可以重用，採用了可換墊片1。可換墊片1與敏感承壓膜片的連接可以採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整體進行加工。因為爆炸壓力很高，敏感承壓膜片的強度難以承受，另一方面，考慮到SOI矽微固態壓阻晶片4貼裝的操作方便，採用柱型應變單元3將應變傳遞給壓阻晶片4。SOI矽微固態壓阻晶片4通過共晶焊接或其他封裝工藝鍵合在柱型應變體3的製造出的平面上。引線通過電路板5從應變柱體3底部穿出，並從固定壓板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變傳遞給柱狀的應變柱體3，粘貼在應變柱體3(鋼柱體)上的SOI矽微固態壓阻晶片4接受到應變，產生電阻變化，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，承壓敏感膜片產生變形，將分布力轉化為作用在柱型的應變柱體3上的壓力F，壓力F使應變柱體3產生應變=FEA=qR2EA---(1)]]>式中，q為壓強，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是柱型應變體的橫截面積，單位為m2。
參見，由於壓力q在柱型應變體上產生的應力變化通過共晶焊接封裝在敏感單元中心應力集中部位的SOI矽微固態壓阻晶片4來檢測。SOI矽微固態壓阻晶片4中的惠斯登電橋的橋臂電阻阻值成比例地變化，因為RR0=0=---(2)]]>電橋在固定電源的激勵下，輸出電信號。應力的變化和力F的大小成正比，因而通過輸出信號的大小就可以測知應力的大小，通過式(1)即可計算出被測壓力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整承壓膜片的厚度和直徑來調整。根據矽壓阻原理的特點，設計壓力傳感器量程時，以梁檢測點處SOI敏感元件檢測到的應變≤500με為計算依據來計算承壓膜片的直徑和厚度等參數。
採用SOI技術和各種矽微機械加工技術在(100)矽晶面上製作出所需的SOI矽微固態壓阻晶片4結構如圖5(a)所示，包括4000的SiO2，用於隔離測量電路層與矽基底，用LPCVD方法外延並得到滿足壓阻效應的單晶矽層厚度(大約1.5～2u)和上層0.1～0.3u的氮化矽應力匹配層和保護層，其中的氮化矽層用於消除矽與SiO2因熱膨脹係數不同而造成的熱應力的影響。電阻條採用四折結構、浮雕形式，具有檢測靈敏度高的優點。為了更好地實現鍵合操作，在SOI矽微固態壓阻晶片4的背面進行了鍍金。由於採用了SOI技術和鈦—鉑—金梁式引線結構，該晶片可工作於200℃～400℃條件下，解決了高溫下存在漏電流的影響，滿足高溫等惡劣環境下壓力測量的要求。
採用共晶焊接技術將SOI矽微固態壓阻晶片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℃的環境條件下將SOI矽微固態壓阻晶片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度高，焊接平整，承壓與承壓敏感膜片單元之間的熱阻小，並具有耐高溫性能。
發明人按上述技術方案完成的SOI矽微固態壓阻晶片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；解析度0.2GPa；電源恆流源1.5mA；工作溫度3000℃(衝擊)。經過實驗證明，達到了設計目的。
權利要求
1.一種超高壓動態壓力傳感器，其特徵在於，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變柱體(3)，在應變柱體(3)上有一平臺，該平臺上面設置有SOI矽微固態壓阻晶片(4)和電路板(5)，SOI矽微固態壓阻晶片(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變柱體(3)底部穿出，在殼體(2)的另一端設有可換墊片(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.如權利要求1所述的超高壓動態壓力傳感器，其特徵在於，所述的SOI矽微固態壓阻晶片(4)封裝在殼體(2)圓周上敏感承壓膜片的背面。
3.如權利要求1所述的超高壓動態壓力傳感器，其特徵在於，所述SOI矽微固態壓阻晶片4的背面鍍金。
4.如權利要求1所述的超高壓動態壓力傳感器，其特徵在於，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
本發明公開了一種超高壓動態壓力傳感器，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變柱體，在應變柱體上有一平臺，該平臺上面設置有SOI矽微固態壓阻晶片和電路板，SOI矽微固態壓阻晶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變柱體底部穿出，在殼體的另一端設有可換墊片，該可換墊片和殼體的圓周上的敏感承壓膜片相連接。該傳感器具有結構簡單、合理，測量壓力高、動態特性好、耐高溫衝擊、可重複使用等特點。本發明涉及的超高壓動態壓力傳感器，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 優先權日2005年6月9日
發明者趙玉龍, 蔣莊德, 高建忠, 趙立波 申請人:西安交通大學