CN1693863A - 超高压动态压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高压动态压力传感器，包括壳体，壳体的圆周上有敏感承压膜片，壳体的一端通过螺纹装有应变柱体，在应变柱体上有一平台，该平台上面设置有SOI硅微固态压阻芯片和电路板，SOI硅微固态压阻芯片通过金丝和电路板连接，电路板上的引线通过平台上的孔从应变柱体底部穿出，在壳体的另一端设有可换垫片，该可换垫片和壳体的圆周上的敏感承压膜片相连接。该传感器具有结构简单、合理，测量压力高、动态特性好、耐高温冲击、可重复使用等特点。本发明涉及的超高压动态压力传感器，能够满足***起爆测试和炮膛压力场测量等场合的使用要求。

Description

超高压动态压力传感器

                         技术领域

本发明属于压力传感器的生产及应用领域，涉及一种超高压动态压力传感器。

                         背景技术

***压力波的测量对于计算隔爆装置、评定武器摧毁能力以及计算炮弹飞行距离和速度等具有重要意义。***的***过程是一个超高压、高温的瞬态过程，要求传感器具有良好的动态性能和耐高温能力。如某型******时，产生的压力高达10GPa，温度高达3000℃，持续时间为μs级。广泛应用的锰铜压阻式应变片传感器的动态响应一直是一个问题，而且这种传感器是一次性的，寿命只有1μs，不能重复使用。这不但增加了测试成本，而且容易使所得到的信号失真，影响测量数据的准确性。根据申请人所进行的资料检索，目前还没有超高压动态测量的压力传感器的产品及相关报导。

                         发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于SOI技术的一种超高压动态测量的压力传感器，该传感器集应力敏感与力电转换检测于一体，特别适用于炮膛内***压力场测量以及***柱起爆测量等的瞬态超高压测量。

实现上述目的的技术解决方案是，一种超高压动态压力传感器，其特征在于，该传感器包括壳体，壳体的圆周上有敏感承压膜片，壳体的一端通过螺纹装有应变柱体，在应变柱体上有一平台，该平台上面设置有SOI硅微固态压阻芯片和电路板，SOI硅微固态压阻芯片通过金丝和电路板连接，电路板上的引线通过平台上的孔从应变柱体底部穿出，在壳体的另一端设有可换垫片，该可换垫片和壳体的圆周上的敏感承压膜片相连接。

该传感器采用可更换垫片、敏感承压膜片和硅隔离SOI硅微固态压阻芯片，以及一种膜—柱结合的应变柱体结构，解决了炮膛内***压力场测量以及***柱起爆测量等的瞬态超高压测量问题。同时采用共晶焊接技术，解决了传感器迟滞问题，极大提高了传感器的动态响应。在直接承压部位采用可以快速更换的垫片，解决了超高压测量传感器不能重复使用的缺点。该传感器具有测量压力高、动态特性好、耐高温冲击、可重复使用等特点。本发明涉及的超高压动态压力传感器，能够满足***起爆测试和炮膛压力场测量等场合的使用要求。

                         附图说明

图1为本发明超高压动态压力传感器结构示意图；

图2为本发明的超高压动态压力传感器安装结构图；

图3是图1的分解示意图；

图4为本发明的超高压动态压力传感器工作原理图，其中(a)是承压敏感膜片变形原理图，(b)是压力F和应变柱体3产生应变原理图。

图5为SOI硅微固态压阻芯片的结构图和显微照片，其中(a)是结构图，(b)是显微照片。

以下结合附图和发明人实现的实施例以及本发明用于***起爆测试和炮膛压力场测量及工作原理作进一步详细说明。

                       具体实施方式

参照图1～图3，本发明的主超高压动态压力传感器，包括壳体2，壳体2的圆周上有敏感承压膜片，壳体2的一端通过螺纹装有应变柱体3，在应变柱体3上有一平台，该平台上面设置有SOI硅微固态压阻芯片4和电路板5，SOI硅微固态压阻芯片4通过金丝和电路板5连接，电路板5上的引线通过平台上的孔从应变柱体3底部穿出，在壳体2的另一端设有可换垫片1，该可换垫片1和壳体2的圆周上的敏感承压膜片相连接。

考虑传感器所承受的压力很高，采用另外的压板6将传感器固定在炮膛或***箱等的侧壁上以减小传感器本体所承受的力。

因为在超高压和高温作用下，金属会产生凹坑，为了使传感器可以重用，采用了可换垫片1。可换垫片1与敏感承压膜片的连接可以采用粘接或者用带螺纹的压盖固定(图中未画出)。壳体2上的敏感承压膜片与壳体2整体进行加工。因为***压力很高，敏感承压膜片的强度难以承受，另一方面，考虑到SOI硅微固态压阻芯片4贴装的操作方便，采用柱型应变单元3将应变传递给压阻芯片4。SOI硅微固态压阻芯片4通过共晶焊接或其他封装工艺键合在柱型应变体3的制造出的平面上。引线通过电路板5从应变柱体3底部穿出，并从固定压板6上的孔引出。

固定压板6用四个固定螺钉通过连接在传感器壳体上的的四个孔与载体(炮膛或***箱)连接固定。压力沿轴向作用在传感器端部的可换垫片1上，再传递到壳体2圆周上的敏感承压膜片上，由敏感承压膜片将应变传递给柱状的应变柱体3，粘贴在应变柱体3(钢柱体)上的SOI硅微固态压阻芯片4接受到应变，产生电阻变化，从而检测出***压力变化。

参照图4(a)、图4(b)，超高压压力传感器的工作原理如下：当均布压力作用在壳体2周边固定支撑的、半径为R，厚度为h的圆形承压敏感膜片上，承压敏感膜片产生变形，将分布力转化为作用在柱型的应变柱体3上的压力F，压力F使应变柱体3产生应变：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{F}{\mathrm{EA}}=\frac{\mathrm{q\π}{R}^2}{\mathrm{EA}}---\left(1\right)$

式中，q为压强，单位为Pa；E为材料的弹性模量，单位为Pa；R是膜片的半径，单位为m；A是柱型应变体的横截面积，单位为m²。

参见，由于压力q在柱型应变体上产生的应力变化通过共晶焊接封装在敏感单元中心应力集中部位的SOI硅微固态压阻芯片4来检测。SOI硅微固态压阻芯片4中的惠斯登电桥的桥臂电阻阻值成比例地变化，因为：

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R_0}=\frac{\mathrm{\Δ\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_0}=\mathrm{\π\σ}---\left(2\right)$

电桥在固定电源的激励下，输出电信号。应力的变化和力F的大小成正比，因而通过输出信号的大小就可以测知应力的大小，通过式(1)即可计算出被测压力q。传感器的量程和灵敏度等可以通过壳体2上的敏感单元中的调整承压膜片的厚度和直径来调整。根据硅压阻原理的特点，设计压力传感器量程时，以梁检测点处SOI敏感元件检测到的应变≤500με为计算依据来计算承压膜片的直径和厚度等参数。

采用SOI技术和各种硅微机械加工技术在(100)硅晶面上制作出所需的SOI硅微固态压阻芯片4结构如图5(a)所示，包括4000的SiO₂，用于隔离测量电路层与硅基底，用LPCVD方法外延并得到满足压阻效应的单晶硅层厚度(大约1.5～2u)和上层0.1～0.3u的氮化硅应力匹配层和保护层，其中的氮化硅层用于消除硅与SiO₂因热膨胀系数不同而造成的热应力的影响。电阻条采用四折结构、浮雕形式，具有检测灵敏度高的优点。为了更好地实现键合操作，在SOI硅微固态压阻芯片4的背面进行了镀金。由于采用了SOI技术和钛—铂—金梁式引线结构，该芯片可工作于200℃～400℃条件下，解决了高温下存在漏电流的影响，满足高温等恶劣环境下压力测量的要求。

采用共晶焊接技术将SOI硅微固态压阻芯片4封装在壳体2周边的压力传感器敏感单元的承压膜片背面。共晶焊的焊料成份为98Au/2Si，在380～430℃的环境条件下将SOI硅微固态压阻芯片4焊接在承压敏感膜片单元的中心部位。共晶焊接具有焊接强度高，焊接平整，承压与承压敏感膜片单元之间的热阻小，并具有耐高温性能。

发明人按上述技术方案完成的SOI硅微固态压阻芯片4的显微照片如图5(b)所示。其外型尺寸：φ16mm(D)×8mm(L)，量程：5GPa～10GPa；分辨率：0.2GPa；电源：恒流源1.5mA；工作温度：3000℃(冲击)。经过实验证明，达到了设计目的。

Claims (4)

1.一种超高压动态压力传感器，其特征在于，该传感器包括壳体(2)，壳体(2)的圆周上有敏感承压膜片，壳体(2)的一端通过螺纹装有应变柱体(3)，在应变柱体(3)上有一平台，该平台上面设置有SOI硅微固态压阻芯片(4)和电路板(5)，SOI硅微固态压阻芯片(4)通过金丝和电路板(5)连接，电路板(5)上的引线通过平台上的孔从应变柱体(3)底部穿出，在壳体(2)的另一端设有可换垫片(1)，该可换垫片(1)和壳体(2)的圆周上的敏感承压膜片相连接。

2.如权利要求1所述的超高压动态压力传感器，其特征在于，所述的SOI硅微固态压阻芯片(4)封装在壳体(2)圆周上敏感承压膜片的背面。

3.如权利要求1所述的超高压动态压力传感器，其特征在于，所述SOI硅微固态压阻芯片4的背面镀金。

4.如权利要求1所述的超高压动态压力传感器，其特征在于，所述壳体(2)圆周上的敏感承压膜片与壳体(2)整体加工而成。

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