專利名稱：一種陣列化錳銅薄膜超高壓力傳感器及制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電子元器件技術領域，它特別涉及超高壓力傳感器。
背景技術：
超高壓力傳感器是利用壓力敏感材料的壓阻效應(材料的電阻隨壓力的變化而變化的一種關系)而對壓力進行測量的。常用的壓力敏感材料是錳銅材料。
錳銅是一種常規(guī)三元合金材料，主要成份為錳10～15％，鎳0～4％，其余為銅。自上世紀初發(fā)現(xiàn)該材料具有壓阻效應以后，它就被廣泛地用于靜態(tài)壓力的測量中。上世紀60年代，又被引入到動態(tài)壓力的測試中(Fuller P J A and Price J H.Electrical conductivityof manganin and iron at high pressures.Nature，1962；193(1)262～263.Berstein D andKeough D D.Piezoresistivity of manganin.J.Appl.Phys.，1964；35(5)1471～1474)。它能直接測試50萬個大氣壓以下的壓力，是目前量程最高的壓力傳感器。主要應用在測量裝甲、核武器爆炸沖擊波的壓力測量等國防領域中，比如利用二級氫氣炮設備產生的高速彈丸撞擊錳銅壓力傳感器，傳感器記錄下瞬態(tài)壓力波形，來測量裝甲的耐沖擊情況。
目前現(xiàn)有的錳銅壓力傳感器是由單個壓力敏感元件組成的傳感器，如圖1所示。其中只包含一個敏感元件錳銅薄膜2?，F(xiàn)有的傳感器由于只包含一個敏感元件錳銅薄膜2，因此，其一次測試壓力的范圍(面積)很小。在測量大面積沖擊波的壓力時，需要進行多次測量，求平均壓力值；或者采用多個壓力傳感器同時進行測量，壓力傳感器的測量精度和準確性很低。由于壓力測試設備是采用二級氫氣炮，測試成本高。所以采用現(xiàn)有的傳感器進行多次測量計算壓力的方案不理想。
另外，由于現(xiàn)有的傳感器采用的封裝材料是有機絕緣材料，在高壓下其絕緣性能會迅速下降，形成所謂的高壓旁路效應，會使傳感器輸出信號發(fā)生嚴重的衰減，影響準確性(Vantine H，Chan J，Erickson L et al.Precision stress measurements in severe shock-waveenvironments with low-impendance manganin gauges.Rev.Sci.Instrum.，1980；51(1)116～12)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種陣列化錳銅薄膜超高壓力傳感器及制備方法，本發(fā)明的陣列化錳銅薄膜超高壓力傳感器具有一次可以高精度、高可靠性地測量大面積的超高壓力的特點。
本發(fā)明的陣列化錳銅薄膜超高壓力傳感器包括基板1、電極3、后置件5，其特征是它還包括形狀為陣列式結構的多個壓力敏感元件錳銅薄膜2和無機材料封裝薄膜4，所述的陣列式結構是指由N個壓力敏感元件錳銅薄膜2均勻對稱分布、且每個壓力敏感元件錳銅薄膜2均連接四個電極3所構成的結構；形狀為陣列式結構的N個壓力敏感元件錳銅薄膜2沉積在基板1上面，再沉積N×4個電極3，然后在壓力敏感元件錳銅薄膜2和電極3的表面上沉積一層無機材料封裝薄膜4，最后在無機材料封裝薄膜4上面粘貼后置件5，將整個傳感器封裝起來，如圖2、3所示，這樣就構成了本發(fā)明的陣列化錳銅薄膜超高壓力傳感器。
需要說明的是，N為壓力敏感元件錳銅薄膜2的數量；無機材料封裝薄膜4采用二氧化硅、三氧化二鋁等，無機封裝薄膜4厚為3～5μm；基板1的材料可以采用二氧化硅，三氧化二鋁等；后置件5采用與基板1相同的材料，厚度約為基板1厚度的3-4倍。
本發(fā)明的陣列化錳銅薄膜超高壓力傳感器的制備方法，其特征是采用下面的步驟步驟1在基板1上用磁控濺射的方法依次沉積錳銅薄膜和銅電極；步驟2通過光刻的方法刻蝕出陣列化結構的N個壓力敏感元件錳銅薄膜2和N×4個銅電極3；步驟3然后再用電子束蒸發(fā)法在已沉積壓力敏感元件錳銅薄膜2和銅電極3的基板1上制備無機封裝薄膜4；步驟4在無機封裝薄膜4上面用粘接劑6粘貼后置件5，如圖3所示。
經過上述步驟后，就可以得到本發(fā)明的陣列化錳銅薄膜超高壓力傳感器。
本發(fā)明的陣列化錳銅薄膜超高壓力傳感器，是通過制備大面積均勻分布的壓力敏感元件壓力敏感元件錳銅薄膜2，輔助于光刻技術，制備封裝由N個壓力敏感元件錳銅薄膜2組成的陣列化錳銅薄膜超高壓力傳感器，保證了大面積準確測量的可能性，大大提高了大面積測試超高壓力的精度，使得該傳感器測量精度提高3～5％，可以精確地測試150GPa以下的壓力；另外，本發(fā)明采用無機絕緣材料二氧化硅作為封裝材料，使得傳感器壓力敏感元件錳銅薄膜2不與樹脂等高壓絕緣性能差的有機材料直接接觸，因而從根本上消除了高壓旁路效應。綜上所述，該陣列式結構傳感器同時實現(xiàn)了高壓力、高精度。
附圖及


圖1是現(xiàn)有的僅包含一個壓力敏感元件錳銅薄膜2的傳感器示意2是本發(fā)明的陣列化錳銅薄膜超高壓力傳感器的結構示意3是本發(fā)明的陣列化錳銅薄膜超高壓力傳感器的側面剖視4是本發(fā)明的具體實施方式
的測試效果圖在上面圖中，1是無機基板材料，2是壓力敏感元件錳銅薄膜，3是銅電極，4是無機材料封裝薄膜，5是后置件，6是粘接劑。
具體實施例方式由四個壓力敏感元件錳銅薄膜2組成的陣列化錳銅薄膜超高壓力傳感器采用下面的步驟制備
1.首先在二氧化硅基板1上用磁控濺射的方法依次沉積錳銅薄膜和銅電極；2.按照陣列化結構通過光刻的方法刻蝕出4個壓力敏感元件錳銅薄膜2和4×4個銅電極3，4個壓力敏感元件錳銅薄膜2對稱均勻分布，每個壓力敏感元件錳銅薄膜2連接四個電極3；每個壓力敏感元件錳銅薄膜2尺寸為5×1mm，厚1～5μm；銅電極3引線為扇形，如圖2所示，厚2～8μm；3.再用電子束蒸發(fā)法覆蓋上3～20μm厚的二氧化硅封裝薄膜4(見圖2)；4.在二氧化硅封裝薄膜4上粘貼后置件5，后置件5采用與基板相同的二氧化硅，厚8mm，如圖3所示。
對由四個壓力敏感元件壓力敏感元件錳銅薄膜2組成的陣列化錳銅薄膜超高壓力傳感器進行高壓力動態(tài)測試，待測材料為鋁，壓力為51.68Gpa，測試設備是二級氫氣炮。該設備產生的高速運動的彈丸撞擊本發(fā)明的傳感器，傳感器瞬間得到響應，記錄下完整的沖擊波壓力的瞬態(tài)波形，如圖4所示。圖4完整地記錄下了本發(fā)明傳感器的加載和卸載的全過程，圖4中所示的四個曲線分別為本發(fā)明傳感器的四個壓阻信號，它們出現(xiàn)一個良好的平臺，沒有明顯的衰減，表示四個壓力敏感元件錳銅薄膜2測量一致性好；壓阻信號響應時間約為30ns，有比較快的響應。
本發(fā)明傳感器的壽命在1μs左右，可對1～150GPa量程范圍內的高壓力進行測量，精度為3～5％，響應為20～40ns。本發(fā)明的傳感器主要用于測試強沖擊波的壓力，如核爆炸沖擊波、裝甲壓力測試。
權利要求
1.一種陣列化錳銅薄膜超高壓力傳感器，包括基板1、電極3、后置件5，其特征是它還包括形狀為陣列式結構的N個壓力敏感元件錳銅薄膜2和無機材料封裝薄膜4，所述的陣列式結構是指由N個壓力敏感元件錳銅薄膜2均勻對稱分布、且每個壓力敏感元件錳銅薄膜2均連接四個電極3所構成的結構；形狀為陣列式結構的N個壓力敏感元件錳銅薄膜2沉積在基板1上面，再沉積N×4個電極3，然后在壓力敏感元件錳銅薄膜2和電極3的表面上沉積無機材料封裝薄膜4，最后在無機材料封裝薄膜4上面粘貼后置件5，將整個傳感器封裝起來，這樣就構成了本發(fā)明的陣列化錳銅薄膜超高壓力傳感器。
2.根據權利要求1所述的一種陣列化錳銅薄膜超高壓力傳感器，其特征是所述的無機材料封裝薄膜4可以采用二氧化硅，也可以采用三氧化二鋁，無機封裝薄膜4厚為3～5μm。
3.根據權利要求1所述的一種陣列化錳銅薄膜超高壓力傳感器的制備方法，其特征是采用下面的步驟步驟1在基板1上用磁控濺射的方法依次沉積錳銅薄膜和銅電極；步驟2通過光刻的方法刻蝕出陣列化結構的N個壓力敏感元件錳銅薄膜2和N×4個銅電極3；步驟3然后再用電子束蒸發(fā)法在已沉積壓力敏感元件錳銅薄膜2和銅電極3的基板1上制備無機封裝層薄膜4；步驟4在無機封裝薄膜4上面用粘接劑6粘貼后置件5。
全文摘要
本發(fā)明是提供了一種陣列化錳銅薄膜超高壓力傳感器及其制備方法，其特征是它包括形狀為陣列式結構的N個壓力敏感元件錳銅薄膜2和無機材料封裝薄膜4；該傳感器采用全薄膜工藝制作。本發(fā)明的傳感器，消除了封裝材料的高壓旁路效應，可使傳感器的測試精度達到為3～5％，響應時間縮短為20～40ns；具有一次可以高精度、高可靠性地測量大面積的超高壓力的特點。本發(fā)明的傳感器主要用于測試強沖擊波的壓力，如主要應用在測量裝甲、核武器爆炸沖擊波的壓力測量等國防領域中。
文檔編號G01L1/18GK1595084SQ0313579
公開日2005年3月16日 申請日期2003年9月9日 優(yōu)先權日2003年9月9日
發(fā)明者楊邦朝, 段建華, 杜曉松, 周鴻仁, 崔紅玲, 徐蓓娜 申請人:電子科技大學