CN103175639A - 压阻式高频动态土应力传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压阻式高频动态土应力传感器及制备方法，传感器包括传感器壳体（7）、应力敏感组件、信号调理放大电路（11）和引出电缆（13），所述应力敏感组件包括基底（1）—绝缘隔离层（2）—应变电阻（3）—绝缘保护层（5）构成的结构；且所述应力敏感组件通过高硼硅玻璃（6）封接于传感器壳体（7）前端的固支台阶（18）。本发明的传感器敏感组件集成有应变电阻（3）和调整电阻（19），有效减小体积，简化了加工工艺，降低制作成本，容易实现大批量生产，提高了产品性价比和市场竞争力。

Description

压阻式高频动态土应力传感器及制备方法

技术领域

本发明涉及一种压阻式高频动态土应力传感器，特别涉及一种用于地下危险废弃物周边环境的土应力测量、化学爆炸冲击波以及地震波造成的土应力测量用传感器。

背景技术

核工业的迅速发展产生了大量的核废物，尤其是高放核废物，如何进行安全处置已成为日益紧迫需要解决的环境问题。目前，对于高放核废物处置一般采用深地质埋藏法，通过天然和人工屏障体系阻止核素的泄漏与迁移，达到高放核废物安全处置的目的。核爆炸或化学爆炸冲击波以及地震波可能会破坏高放核废物存放地的防护体系，因此有必要对周边土壤环境进行及时有效地监控。此外，核爆炸冲击波、深层贯彻炸弹也会对建筑物、建筑工事产生影响，这就要求土应力传感器具有较好的动态特性，能够及时并真实地反映产生的土应力分布。本发明基于MEMS（Micro Electro MechanicalSystem）微机械加工工艺制作的传感器，较常规同类型传感器具有更高的灵敏度，同时具有优良的动静态特性，能够适应多种领域的土应力测量。

传统的土应力传感器敏感组件通常是在单晶硅基片上利用氧化、扩散或离子注入掺杂、光刻等方法制作成的应变压敏电阻构成惠斯通电桥。采用贴片式结构的压阻敏感组件，缺点是器件直径大，频响低，上升时间较长，且传感器精度和长期稳定性较差，加工工艺复杂。

发明内容

本发明所要解决的第一方面的问题在于克服现有技术的传感器直径大、频响低及精度差等缺陷，提供一种具有高动态响应频率、强抗干扰、动态性能优良的压阻式高频动态土应力传感器。

本发明所要解决的第二方面的问题，提供上述压阻式高频动态土应力传感器中的应力敏感组件的制备方法。

为了解决上述第一方面的技术问题，本发明提供的技术方案是：一种压阻式高频动态土应力传感器，包括传感器壳体、应力敏感组件、信号调理放大电路和引出电缆，其特征在于，所述应力敏感组件包括基底—绝缘隔离层—应变电阻—绝缘保护层构成的结构；且所述应力敏感组件通过高硼硅玻璃封接于传感器壳体前端的固支台阶。

优选地，所述基底层为高杨氏模量的不锈钢膜片，所述传感器壳体由高质量日立合金制成，所述应变电阻为半导体应变电阻。

优选地，所述应变电阻为掺硼P型微晶硅应变电阻。

优选地，绝缘隔离层和绝缘保护层由二氧化硅绝缘材料制备而成。

优选地，所述应力敏感组件还包括设在应变电阻外周的调整电阻，作为备用补偿电阻。

为了解决上述第二方面的技术问题，本发明提供的技术方案是：应力敏感组件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）在基底层上用离子束溅射一层绝缘隔离层；

（2）在力敏区的绝缘隔离层上用化学气相沉积法制备掺硼P型微晶硅应变电阻，然后用光刻腐蚀工艺制作对应变敏感的电阻片，构成惠斯通电桥；

（3）用掩膜溅射方法制备一系列阻值不同的NiCr调整电阻和相应的金电极；

（4）用离子束溅射一层绝缘保护层。

优选地，掺硼P型微晶硅可由PECVD或ICP化学气相沉积法制备。

优选地，绝缘隔离层（2）和绝缘保护层（5）由二氧化硅绝缘材料制备而成。

本发明根据敏感材料层、绝缘层、过渡匹配层及封装结构设计的特点和差异，灵活选择磁控溅射、离子束溅射、PECVD和微图形实现等MEMS技术或同时采用两种及两种以上技术制作的新型动态力敏土应力传感器，具有高动态响应频率、强抗干扰、上升时间亚微秒级、高量程、动态性能优良的压阻式高频动态土应力传感器。

本发明的优点是：本发明中的土应力高频动态传感器的敏感组件基底采用高杨氏模量的不锈钢，可直接感受周围土体的应变压力，有效提高了应力敏感组件的精度、固有频率和长期稳定性。该传感器利用压阻原理实现应力—电信号之间的转换，采用溅射、微图形化实现等MEMS微机械加工技术制成掺硼P型微晶硅压阻力敏元件，因而敏感组件尺寸小（直径为Φ15mm至Φ30mm，厚度不大于该外形直径的1/2）、刚度高，固有频率在500KHz至2.5MHz，上升时间为微秒至亚微秒级，检测应力应变灵敏度可达0.1个微应变以下。该传感器敏感组件集成有应变电阻和调整电阻，有效减小体积，简化了加工工艺，降低制作成本，容易实现大批量生产，提高了产品性价比和市场竞争力。

附图说明

图1为本发明压阻式高频动态土应力传感器的结构示意图。

其中：

1-基底	2-绝缘隔离层
		3-应变电阻	4-金电极
5-绝缘保护层	6-高硼硅玻璃
		7-传感器壳体	8-金丝
9-转接板	10-内电缆
		11-信号调理放大电路板	12-不锈钢后盖
13-引出电缆	14-固线咀
		15-固线帽	16-不锈钢软管出线口
17-静电封接面	18-固支台阶
		19-调整电阻

具体实施方式

以下结合附图1作进一步描述：

一种测量地下危险废弃物周边环境土应力的高频动态力传感器主要由传感器壳体7、应力敏感组件和信号调理放大电路11组成，该传感器壳体由高质量日立合金制成，所述应力敏感组件包括本发明中的土应力高频动态传感器的应力敏感组件的结构由基底1—绝缘隔离层2—掺硼P型微晶硅应变电阻3—绝缘保护层5构成；圆饼形应力敏感组件通过高硼硅玻璃6静电封接于传感器壳体7前端的固支台阶18，该应力敏感组件的不锈钢膜片1与传感器壳体7采用激光焊接方式固定，该敏感组件上的金电极4上采用金丝球焊法引出金丝内引线8，连接到固定于传感器壳体7内部的转接板9，然后通过内电缆10连接到固定于传感器壳体7的信号调理放大电路11，应力信号经调理放大电路11后由引出电缆13依次穿过传感器壳体底部的固线咀14和带有螺纹的固线帽15，后经不锈钢软管出线口16输出，该固线帽密封旋固与该固线咀，便于锁紧该引出电缆，不锈钢后盖12与传感器壳体7采用焊接方式固定和密封。

本发明一优选实施例中，传感器壳体7采用高质量日立合金，该应力敏感组件的基底1采用高质量17-4不锈钢弹性膜片，膜片表面经精密研磨机抛光，达到如下标准：①、表面无划痕(50倍放大后无贯穿性划痕)；②、平面度：±0.005mm；③、粗糙度：Ra≤0.05。该应力敏感结构工艺流程如下：（1）用离子束溅射方法制备一层二氧化硅绝缘隔离层2；（2）用PECVD方法制备掺硼P型微晶硅应变电阻3薄膜，然后采用光刻技术制成惠斯通电桥结构作为应变电阻；（3）用掩膜和磁控溅射方法制备NiCr调整电阻19和金电极4；（4）用离子束溅射一层二氧化硅绝缘保护层5以保护应变电阻和调整电阻不会暴露于大气，以免电阻条氧化。

该应力敏感组件的正面绝缘隔离层2上，除了应变电阻3和调整电阻19，还制备有一系列金电极4，不同的金电极与不同阻值的调整电阻连接，视其需要选择不同的金电极4。该应力敏感组件的直径不超过Φ8mm，应力敏感组件的基底为不锈钢膜片1，其厚度为2mm～4mm；绝缘隔离层2的厚度为1μm～3μm，电阻率超过10¹⁴Ω﹒m；掺硼P型微晶硅3制成惠斯通电桥作为应变电阻，厚度为1μm～3μm，阻值为1KΩ～10KΩ；绝缘保护层5的厚度为0.3μm～0.5μm。

该传感器的信号调理放大电路11设有温度补偿电阻，引出电缆13从信号调理放大电路11引出，依次穿过壳体7底部侧面的固线咀14、带有螺纹的固线帽15和不锈钢软管出线口16后引出，该固线帽15密封旋固于固线咀14，便于锁紧该引出电缆13。该传感器外形直径为Φ15mm至Φ30mm，厚度不大于外形直径的1/2。该信号调理放大电路11将该传感器的输出转化为0～5VDC、1～5VDC或4～20mADC的标准信号输出。

当按照规定的技术措施，将本发明中的传感器填埋在被测区域的土体中，土体受到的外力传递到传感器时，直接由应力敏感组件的高杨氏模量的不锈钢基底感受。该应变的大小δ与受压面感受到的压力P有如下关系：

${\mathrm{\δ}}_r=\frac{3p}{8E{h}^2}[{r_0}^2(1+\mathrm{\μ})-r^2(3+\mathrm{\μ})]$

${\mathrm{\δ}}_t=\frac{3p}{8E{h}^2}[{r_0}^2(1+\mathrm{\μ})-r^2(1+\mathrm{\μ})]$

周边固支的圆平膜片的固有频率：

$f_0=\frac{5.11h}{2\mathrm{\π}{r_0}^2}{\left[\frac{E}{3(1-{\mathrm{\μ}}^2\mathrm{\ρ})}\right]}^{1/2}$

式中，δ_r径向应力；δ_t切向应力；f₀固有频率；E不锈钢的弹性模量；h不锈钢膜片的厚度；r₀不锈钢膜片的有效工作半径；μ不锈钢材料的泊松比；ρ不锈钢材料的质量密度。

当然，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.压阻式高频动态土应力传感器，包括传感器壳体（7）、应力敏感组件、信号调理放大电路（11）和引出电缆（13），其特征在于，所述应力敏感组件包括基底（1）—绝缘隔离层（2）—应变电阻（3）—绝缘保护层（5）构成的结构；且所述应力敏感组件通过高硼硅玻璃（6）封接于传感器壳体（7）前端的固支台阶（18）。

2.根据权利要求1所述的压阻式高频动态土应力传感器，其特征在于,所述基底（1）层为高杨氏模量的不锈钢膜片,所述传感器壳体（7）由高质量日立合金制成，所述应变电阻（3）为半导体应变电阻。

3.根据权利要求1或2所述的压阻式高频动态土应力传感器，其特征在于,所述应变电阻（3）为掺硼P型微晶硅应变电阻。

4.根据权利要求1或2所述的压阻式高频动态土应力传感器，其特征在于,绝缘隔离层（2）和绝缘保护层（5）由二氧化硅绝缘材料制备而成。

5.根据权利要求1所述的压阻式高频动态土应力传感器，其特征在于,所述应力敏感组件还包括设在应变电阻外周的调整电阻。

6.一种应力敏感组件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）在基底层上用离子束溅射一层绝缘隔离层（2）；

（2）在力敏区的绝缘隔离层（2）上用化学气相沉积法制备掺硼P型微晶硅应变电阻（3），然后用光刻腐蚀工艺制作对应变敏感的电阻片，构成惠斯通电桥；

（3）用掩膜溅射方法制备一系列阻值不同的NiCr调整电阻（19）和相应的金电极（4）；

（4）用离子束溅射一层绝缘保护层（5）。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于,掺硼P型微晶硅可由PECVD或ICP化学气相沉积法制备。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于,绝缘隔离层（2）和绝缘保护层（5）由二氧化硅绝缘材料制备而成。