專利名稱：壓阻式土應(yīng)力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種土應(yīng)力傳感器，特別是涉及一種硅壓阻式土應(yīng)力傳感器。
背景技術(shù)：
所謂的土應(yīng)力就是指土體(包括土壤、沙石、混凝土、山體、水壩的壩基、橋梁的橋基、道路的路基、樓房的房基等)在受到重物(包括樓房、橋梁、水庫(kù)的蓄水、公路上的車輛等)的壓迫、在其內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是建筑業(yè)的發(fā)展，促使人們對(duì)土體承載能力、土壤與結(jié)構(gòu)物相互作用關(guān)系產(chǎn)生極大興趣。這就提出了如何準(zhǔn)確地測(cè)量土應(yīng)力問(wèn)題。
國(guó)外早在1913年前后就著手研究土應(yīng)力的測(cè)量，后來(lái)發(fā)展到各主要國(guó)家的運(yùn)輸、水道、建筑、橋梁、工程、大學(xué)等部門都設(shè)立了相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)。國(guó)內(nèi)大約從六十年代初期才著手研制，目前從土應(yīng)力傳感器原理、結(jié)構(gòu)形式來(lái)說(shuō)有活塞式、變電阻式、變電容式、變磁阻式、壓電式、壓磁式、振弦式等。
硅壓阻式壓力傳感器誕生于20世紀(jì)50年代，以后隨著集成電路技術(shù)的成熟而開始實(shí)用化，隨著它的設(shè)計(jì)技術(shù)、信息處理技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展而不斷擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域，但目前尚未將壓阻式壓力傳感器應(yīng)用于土應(yīng)力測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
為了彌補(bǔ)以上不足，本發(fā)明就是將成熟的硅壓阻式敏感元件引入到土應(yīng)力力學(xué)研究領(lǐng)域，制作了壓阻式土應(yīng)力傳感器，本發(fā)明提供的壓阻式土應(yīng)力傳感器可以用集成電路技術(shù)大批量生產(chǎn)，具有一致性好、廉價(jià)、低頻特性好、信號(hào)處理簡(jiǎn)單、方便及可以小型化等特點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種壓阻式土應(yīng)力傳感器，由傳感器殼體、應(yīng)力敏感組件和輸出電纜組成，該傳感器殼體前端固設(shè)有感受應(yīng)力的彈性體，該傳感器殼體內(nèi)部形成一個(gè)具有孔洞結(jié)構(gòu)的固支臺(tái)階，該敏感組件為硅壓阻式組件，且固定于該固支臺(tái)階端面，與該彈性平膜片間形成的腔體填充有液體壓力傳遞介質(zhì)，該敏感組件的內(nèi)引線經(jīng)固定于該傳感器殼體后端的轉(zhuǎn)接板后外接引出電纜，該引出電纜經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后外接該輸出電纜。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，該敏感組件為，具有惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的硅壓阻式敏感元件之背面作為受壓面而正面為敏感部，該敏感部周部區(qū)域裸露出單晶硅襯底，并與PYREX玻璃固支環(huán)靜電封接后與該固支臺(tái)階端面基于黏合劑密封連結(jié)，該敏感部表面設(shè)有多個(gè)基于金屬化層形成的應(yīng)變電阻引出電極而金屬化層之外的該敏感部表面形成絕緣層，該引出電極焊接金絲或硅鋁絲作為該內(nèi)引線。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，作為該信號(hào)調(diào)理電路輸入端，該惠斯通電橋之應(yīng)變電阻具有1～10KΩ的阻值。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，該彈性體為金屬?gòu)椥云侥て?，并焊接于該傳感器殼體前端，該壓力傳遞介質(zhì)為甲級(jí)硅油。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，該轉(zhuǎn)接板固定于該固支臺(tái)階后端，該轉(zhuǎn)接板設(shè)有多組電極端子，每組端子中的一個(gè)經(jīng)該固支臺(tái)階之孔洞與該對(duì)應(yīng)內(nèi)引線相接，而另一個(gè)與該引出電纜之導(dǎo)線相連。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，該傳感器設(shè)有溫度補(bǔ)償，該溫度補(bǔ)償為焊接在該轉(zhuǎn)接板上的調(diào)整電阻。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，該引出電纜依次穿過(guò)該傳感器外殼底部的固線咀和帶有螺紋的固線帽后引出，該固線帽密封旋固于該固線咀便于鎖緊該引出電纜，該傳感器外殼底部側(cè)面或者底部背板可以設(shè)有該固線咀，便于該引出電纜從該傳感器底部側(cè)面或底部面引出。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，該傳感器外形直徑為Φ20mm至Φ100mm，該傳感器厚度不大于該外形直徑的1/3。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，該信號(hào)調(diào)理電路將該傳感器的輸出轉(zhuǎn)化成0～5VDC、1～5VDC或4～20mADC標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。
本發(fā)明的有益技術(shù)效果該傳感器殼體采用扁平結(jié)構(gòu)，感受應(yīng)力的彈性體為一金屬?gòu)椥云侥て?，將它齊平焊接于該傳感器殼體的前端區(qū)域，該敏感元件采用擴(kuò)散硅壓阻式敏感元件，并通過(guò)壓力傳遞介質(zhì)將被測(cè)壓力從彈性平膜片上無(wú)損耗的傳遞到硅壓阻式敏感元件上，敏感元件產(chǎn)生的輸出通過(guò)內(nèi)引線、轉(zhuǎn)接板、電纜傳遞出去或者經(jīng)過(guò)一個(gè)分體的調(diào)理電路進(jìn)行輸出。
由于采用單晶硅制作的全橋芯片作為本發(fā)明的壓阻式土應(yīng)力傳感器的敏感元件，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)來(lái)提高它的穩(wěn)定特性；通過(guò)一種稱作齊平焊接的方法將傳感器殼體和感受應(yīng)力的彈性體組裝成一體，為了減少溫度變化對(duì)傳感器特性的影響，對(duì)敏感元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償，通過(guò)填充壓力傳遞介質(zhì)，可以擴(kuò)大傳感器的受力面積、提高傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確性，并可以在殼體后部裝配信號(hào)調(diào)理的電路，使之形成標(biāo)準(zhǔn)化輸出。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明中所述的傳感器殼體之結(jié)構(gòu)主視圖；圖3是本發(fā)明中所述的敏感組件之結(jié)構(gòu)主視圖；圖4是本發(fā)明中所述的敏感元件之結(jié)構(gòu)俯視圖。
對(duì)照?qǐng)D1至圖4作以下說(shuō)明1-傳感器殼體 13-信號(hào)調(diào)理電路2-彈性體 14-輸出電纜3-壓力傳遞介質(zhì)15-單晶硅襯底
4-敏感組件16-絕緣層5-內(nèi)引線 17-應(yīng)變電阻6-轉(zhuǎn)接板 18-金屬化層7-調(diào)整電阻19-玻璃固支環(huán)8-引出電纜20-固支臺(tái)階9-密封塞 21-固線嘴10-固線帽 22-填充通道11-背板 23-孔洞具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖1至附圖4作進(jìn)一步描述一種壓阻式土應(yīng)力傳感器，由傳感器殼體1、應(yīng)力敏感組件4和輸出電纜14組成，該傳感器殼體前端焊接有感受應(yīng)力的平膜金屬之彈性體2，該傳感器殼體內(nèi)部形成一個(gè)具有孔洞23結(jié)構(gòu)的固支臺(tái)階20，該敏感組件為硅壓阻式組件，且固定于該固支臺(tái)階端面，與該彈性體2間形成的腔體填充有甲級(jí)硅油壓力傳遞介質(zhì)3，該敏感組件的內(nèi)引線5經(jīng)固定于該傳感器殼體后端的轉(zhuǎn)接板6后外接引出電纜8，該引出電纜經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路13后外接該輸出電纜。
該敏感組件為，具有惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的硅壓阻式敏感元件正面敏感部外的區(qū)域裸露出單晶硅襯底15，并與PYREX玻璃固支環(huán)19靜電封接后形成硅敏感芯座(Pyrex玻璃固支環(huán)是康寧公司(Corning)的產(chǎn)品，專為半導(dǎo)體封裝設(shè)計(jì)，具有與硅接近的物理性能，我們用的是Pyrex-7740型，業(yè)內(nèi)都知道它，國(guó)產(chǎn)替代產(chǎn)品為GG-17硼硅玻璃，業(yè)內(nèi)皆知，市場(chǎng)上可以買到)，該硅敏感芯座之金屬化層18焊接金絲內(nèi)引線5，該玻璃固支環(huán)的端面與該傳感器殼體的固支臺(tái)階20固定，并使該敏感元件之背面作為二級(jí)受壓面與作為一級(jí)受壓面、與該傳感器殼體前端齊平安裝的金屬平膜彈性體2之間通過(guò)真空填充工藝將壓力傳遞介質(zhì)3從該固支臺(tái)階之填充通道22填入，并用密封塞9將該壓力傳遞介質(zhì)密封。而該硅敏感元件之正面電極上焊接有內(nèi)引線，而該內(nèi)引線另一端焊接于該轉(zhuǎn)接板6的相應(yīng)電極上，與該內(nèi)引線對(duì)應(yīng)端的該轉(zhuǎn)接板部位焊接有該引出電纜8，該引出電纜的另一端可以直接連接輸出電纜或者作為外接的該信號(hào)調(diào)理電路的輸入端。該硅敏感元件之力敏區(qū)面積不超過(guò)Φ8mm，該力敏區(qū)之外通過(guò)靜電封接于該玻璃環(huán)固支環(huán)，該力敏區(qū)通過(guò)形成的金屬化層由金絲或硅鋁絲作內(nèi)引線將電極引出。
該轉(zhuǎn)接板固定于該固支臺(tái)階后端，該轉(zhuǎn)接板設(shè)有多組電極端子，每組端子中的一個(gè)經(jīng)該固支臺(tái)階之孔洞與該對(duì)應(yīng)內(nèi)引線相接，而另一個(gè)與該引出電纜之導(dǎo)線相連。該傳感器設(shè)有溫度補(bǔ)償，該溫度補(bǔ)償為焊接在該轉(zhuǎn)接板上的調(diào)整電阻7。該引出電纜依次穿過(guò)該傳感器外殼底部側(cè)面的固線咀21和帶有螺紋的固線帽10后引出，該固線帽密封旋固于該固線咀便于鎖緊該引出電纜。
該傳感器外形直徑為Φ20mm至Φ100mm，該傳感器厚度不大于該外形直徑的1/3。該信號(hào)調(diào)理電路將該傳感器的輸出轉(zhuǎn)化成0～5VDC、1～5VDC或4～20mADC標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。作為該信號(hào)調(diào)理電路輸入端，該惠斯通電橋之應(yīng)變電阻具有1～10KΩ的阻值。
當(dāng)按照規(guī)定的技術(shù)措施將傳感器填埋在被測(cè)區(qū)域的土體中時(shí)，土體受到外力的作用到達(dá)傳感器處時(shí)，土體的變形由傳感器的第一受壓面(彈性平模片)感受，第一受壓面感受到的壓力通過(guò)密封在傳感器殼體內(nèi)的壓力傳遞介質(zhì)傳遞到第二受壓面，在第二受壓面內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)變，該應(yīng)變?chǔ)牡拇笮∨c第二受壓面感受到的壓力P有如下的關(guān)系δr=3p8Eh2[ro2(1+μ)-r2(3+μ)]]]>δt=3p8Eh2[ro2(1+μ)-r2(1+3μ)]]]>式中δr----徑向應(yīng)力δt----切向應(yīng)力
E----硅的彈性模量h----硅膜片的厚度ro----膜片的工作半徑μ----泊松比傳感器的輸出信號(hào)為VOUT＝∏EδVin式中∏為單晶硅的壓阻系數(shù)，它依賴于元件的摻雜濃度；Vin為對(duì)傳感器施加的激勵(lì)電壓.
權(quán)利要求
1.一種壓阻式土應(yīng)力傳感器，由傳感器殼體(1)、應(yīng)力敏感組件(4)和輸出電纜(14)組成，其特征在于，該傳感器殼體前端固設(shè)有感受應(yīng)力的彈性體(2)，該傳感器殼體內(nèi)部形成一個(gè)具有孔洞(23)結(jié)構(gòu)的固支臺(tái)階(20)，該敏感組件為硅壓阻式組件，且固定于該固支臺(tái)階端面，與該彈性體間形成的腔體填充有液體壓力傳遞介質(zhì)(3)，該敏感組件的內(nèi)引線(5)經(jīng)固定于該傳感器殼體后端的轉(zhuǎn)接板(6)后外接引出電纜(8)，該引出電纜經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路(13)后外接該輸出電纜。
2.如權(quán)利要求1所述的一種壓阻式土應(yīng)力傳感器，其特征在于，該敏感組件為，具有惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的硅壓阻式敏感元件之背面作為受壓面而正面為敏感部，該敏感部周部區(qū)域裸露出單晶硅襯底(15)，并與PYREX玻璃固支環(huán)(19)靜電封接后與該固支臺(tái)階(20)端面基于黏合劑密封連結(jié)，該敏感部表面設(shè)有多個(gè)基于金屬化層(18)形成的應(yīng)變電阻(17)引出電極而金屬化層之外的該敏感部表面形成絕緣層(16)，該引出電極焊接金絲或硅鋁絲作為該內(nèi)引線。
3.如權(quán)利要求2所述的一種壓阻式土應(yīng)力傳感器，其特征在于，作為該信號(hào)調(diào)理電路的輸入端，該惠斯通電橋之應(yīng)變電阻具有1～10KΩ的阻值。
4.如權(quán)利要求1所述的一種壓阻式土應(yīng)力傳感器，其特征在于，該彈性體為金屬?gòu)椥云侥て?2)，并焊接于該傳感器殼體前端，該壓力傳遞介質(zhì)為甲級(jí)硅油。
5.如權(quán)利要求1所述的一種壓阻式土應(yīng)力傳感器，其特征在于，該轉(zhuǎn)接板固定于該固支臺(tái)階后端，該轉(zhuǎn)接板設(shè)有多組電極端子，每組端子中的一個(gè)經(jīng)該固支臺(tái)階之孔洞與該對(duì)應(yīng)內(nèi)引線相接，而另一個(gè)與該引出電纜之導(dǎo)線相連。
6.如權(quán)利要求1所述的一種壓阻式土應(yīng)力傳感器，其特征在于，該傳感器設(shè)有溫度補(bǔ)償，該溫度補(bǔ)償為焊接在該轉(zhuǎn)接板上的調(diào)整電阻(7)。
7.如權(quán)利要求1所述的一種壓阻式土應(yīng)力傳感器，其特征在于，該引出電纜依次穿過(guò)該傳感器外殼底部的固線咀(21)和帶有螺紋的固線帽(10)后引出，該固線帽密封旋固于該固線咀便于鎖緊該引出電纜。
8.如權(quán)利要求7所述的一種壓阻式土應(yīng)力傳感器，其特征在于，該傳感器外殼底部側(cè)面或者底部背板(11)設(shè)有該固線咀，便于該引出電纜從該傳感器底部側(cè)面或底部面引出。
9.如權(quán)利要求1所述的一種壓阻式土應(yīng)力傳感器，其特征在于，該傳感器外形直徑為Ф20mm至Ф100mm，該傳感器厚度不大于該外形直徑的1/3。
10.如權(quán)利要求1所述的一種壓阻式土應(yīng)力傳感器，其特征在于，該信號(hào)調(diào)理電路將該傳感器的輸出轉(zhuǎn)化成0～5VDC、1～5VDC或4～20mADC標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。
全文摘要
一種壓阻式土應(yīng)力傳感器由傳感器殼體、應(yīng)力敏感組件和輸出電纜組成，傳感器殼體前端固設(shè)有感受應(yīng)力的彈性體，傳感器殼體內(nèi)部形成一個(gè)具有孔洞結(jié)構(gòu)的固支臺(tái)階，敏感組件為具有惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的硅壓阻式組件，且固定于固支臺(tái)階端面，與彈性體間形成的腔體填充有液體壓力傳遞介質(zhì)，敏感組件的內(nèi)引線經(jīng)固定于傳感器殼體后端的轉(zhuǎn)接板后外接引出電纜，引出電纜經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后外接輸出電纜，本發(fā)明就是將成熟的硅壓阻式敏感元件引入到土應(yīng)力力學(xué)研究領(lǐng)域，制作了壓阻式土應(yīng)力傳感器，本發(fā)明提供的壓阻式土應(yīng)力傳感器可以用集成電路技術(shù)大批量生產(chǎn)，具有一致性好、廉價(jià)、低頻特性好、信號(hào)處理簡(jiǎn)單、方便及可以小型化等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01L1/18GK1987385SQ20051013634
公開日2007年6月27日 申請(qǐng)日期2005年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月23日
發(fā)明者王文襄, 王善慈, 石橋, 李水俠, 許廣軍 申請(qǐng)人:昆山雙橋傳感器測(cè)控技術(shù)有限公司