CN108896235A - 一种mems柔性锰铜-康铜复合式超高压力传感器及制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种MEMS柔性锰铜‑康铜复合式超高压力传感器及其制造方法,复合式超高压力传感器包括基底,基底上通过MEMS工艺溅射有锰铜敏感元件及其对应的四个第一电极,以及康铜敏感元件及其对应的四个第二电极,锰铜敏感元件的输入端和输出端分别连接两个第一电极,康铜敏感元件的输入端和输出端分别连接两个第二电极,锰铜敏感元件、康铜敏感元件、第一电极、第二电极的表面上覆盖有绝缘层;锰铜敏感元件和康铜敏感元件采用螺旋式中心对称分布,基底和绝缘层均采用聚酰亚胺材料;本发明复合式超高压力传感器具有精度高、响应快、输出信号大等特点。

Description

一种MEMS柔性锰铜-康铜复合式超高压力传感器及制造方法
技术领域
本发明属于超高压力传感器技术领域,具体涉及一种MEMS柔性锰铜-康铜复合式超高压力传感器及制造方法。
背景技术
锰铜由于具有压阻效应,且表现出灵敏度高、响应快、线性较好、电阻温度系数小等优点,非常适用于制作超高压力传感器。它是目前测压上限最高的超高压力传感器,有效量程可达数十GPa,主要应用于武器弹药爆炸冲击波、炸药爆轰波的压力测量等国防领域。
绝大多数的动态高压流场是非一维的,因此处于其中的锰铜超高压力传感器,除了压力使其电阻率发生变化进而引起电阻变化外,流场的非一维性使其发生的侧向拉伸或扭曲变形,同样也会引起电阻变化。当使用在一维状态下(只考虑了压力引起的电阻率变化)标定的锰铜传感器输入输出曲线来计算非一维流场中的超高压力时,并不能排除侧向拉伸或引起的电阻变化,从而导致测量结果产生比较大的误差。康铜具有与锰铜相近的物理和力学性能,但其没有压阻效应,它在动态高压流场中只有拉伸或扭曲变形所产生的电阻变化。当将康铜与锰铜传感器对称组合进行测量时,利用康铜传感器就可排除高压流场非一维性导致的拉伸误差,从而可较准确地测量轴对称动态高压流场的超高压力。然而,现有的锰铜-康铜复合式压力传感器是将几何尺寸与形状完全相同的锰铜箔与康铜箔复合而成,中间隔有绝缘层。由于绝缘层的影响,可以认为锰铜与康铜是在不同的压力下产生的变形,这样使得无法利用康铜传感器很好地排除锰铜传感器中的侧向拉伸误差,最终也会导致一定的测量误差。
此外,当需要测量曲面上某位置处所受的超高压力时,现有的硬质基底(陶瓷基底或云母基底)超高压力传感器并不适用。其他的柔性超高压力传感器虽然可以用于曲面位置的测量,但是由于其尺寸较大,厚度较厚(0.1mm左右),会影响压力流场,从而导致一定的测量误差。因此,制造一种柔性的薄膜超高压力传感器也是非常必要的。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点,本发明的目的是提供一种MEMS 柔性锰铜-康铜复合式超高压力传感器及其制造方法,复合式超高压力传感器具有精度高、响应快、输出信号大等特点,适用于测量轴对称动态高压流场的超高压力;制造方法采用MEMS工艺实现了敏感元件的微型化和薄膜化,可以减小对高压流场的影响,从而提高测量精度;同时采用与MEMS兼容的柔性化制造工艺,实现了传感器的柔性化,从而满足曲面场合下超高压力的测量。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种MEMS柔性锰铜-康铜复合式超高压力传感器,包括基底2, 基底2上通过MEMS工艺溅射有锰铜敏感元件3及其对应的四个第一电极1,以及康铜敏感元件5及其对应的四个第二电极6,锰铜敏感元件3的输入端和输出端分别连接两个第一电极1,康铜敏感元件 5的输入端和输出端分别连接两个第二电极6,锰铜敏感元件3、康铜敏感元件5、第一电极1、第二电极6的表面上覆盖有绝缘层4。
所述的锰铜敏感元件3和康铜敏感元件5采用螺旋式中心对称分布,通过靶材溅射而成,锰铜敏感元件3和康铜敏感元件5共占面积在直径0.2mm圆形范围内,厚度为1μm。
所述的锰铜敏感元件3对应的四个第一电极1分布在同一侧,两个作为输入端,另外两个作为输出端;康铜敏感元件5对应的四个第二电极6分布在另一侧,两个作为输入端,另外两个作为输出端。
所述的基底2和绝缘层4采用聚酰亚胺材料,通过匀胶固化工艺制成,厚度均为15μm。
所述的MEMS柔性锰铜-康铜复合式超高压力传感器的制备方法,包括以下步骤:
步骤1:在硅片载体上涂覆一层聚酰亚胺薄膜作为基底2;
步骤2:在基底2上用磁控溅射的方法沉积锰铜敏感元件3及其对应的四个第一电极1,以及康铜敏感元件5及其对应的四个第二电极6;
步骤3:在锰铜敏感元件3、康铜敏感元件5、第一电极1、第二电极6的表面上涂覆一层聚酰亚胺薄膜作为绝缘层4,利用湿法腐蚀工艺使得绝缘层4上面漏出第一电极1、第二电极6的焊盘;
步骤4:利用硅的各向同性腐蚀液腐蚀硅片载体,将柔性传感器释放,得到MEMS柔性锰铜-康铜复合式超高压力传感器。
本发明的有益效果为:
本发明MEMS柔性锰铜-康铜复合式超高压力传感器,通过 MEMS技术实现了锰铜敏感元件3和康铜敏感元件5的微型化和薄膜化,使其可减小对高压流场的影响,从而提高测量精度;锰铜敏感元件3和康铜敏感元件5采用螺旋式中心对称分布,可以利用康铜敏感元件5的输出信号很好地排除锰铜敏感元件3输出信号中的侧向拉伸误差;此外,利用与MEMS兼容的柔性化制造工艺实现了传感器的柔性化,使其可应用于具有一定曲率的超高压测量场合;基底2和绝缘层4均采用聚酰亚胺材料,使其与一般的凝聚炸药阻抗匹配,避免了冲击波在界面处反射造成的计算误差。综上,本发明MEMS柔性锰铜-康铜复合式超高压力传感器具有精度高、响应快、输出信号大等特点,适用于测量轴对称动态高压流场的压力,也适用于微小尺度下超高压力的测量。
附图说明
图1为本发明MEMS柔性锰铜-康铜复合式超高压力传感器的俯视图。
图2为本发明MEMS柔性锰铜-康铜复合式超高压力传感器的侧视图。
图3为本发明锰铜敏感元件3和康铜敏感元件5的放大图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
参照图1、图2和图3,一种MEMS柔性锰铜-康铜复合式超高压力传感器,包括基底2,基底2上通过MEMS工艺溅射有锰铜敏感元件3及其对应的四个第一电极1,以及康铜敏感元件5及其对应的四个第二电极6,锰铜敏感元件3的输入端和输出端分别连接两个第一电极1,康铜敏感元件5的输入端和输出端分别连接两个第二电极 6,锰铜敏感元件3、康铜敏感元件5、第一电极1、第二电极6的表面上覆盖有绝缘层4。
所述的锰铜敏感元件3和康铜敏感元件5采用螺旋式中心对称分布,通过靶材溅射而成,锰铜敏感元件3和康铜敏感元件5共占面积在直径0.2mm圆形范围内,厚度为1μm;螺旋式中心对称分布能实现锰铜敏感元件3和康铜敏感元件5在轴对称动态高压流场下具有同样的受压环境,进而可以利用康铜敏感元件5的输出信号很好地排除锰铜敏感元件3输出信号中的侧向拉伸误差;此外,锰铜敏感元件3 和康铜敏感元件5通过MEMS技术实现了微型化与薄膜化,使其可以减小对高压流场的影响,从而提高测量精度;也可使其适用于微尺度下超高压力的测量。
所述的锰铜敏感元件3对应的四个第一电极1分布在同一侧,两个作为输入端,另外两个作为输出端;康铜敏感元件5对应的四个第二电极6分布在另一侧,两个作为输入端,另外两个作为输出端;这样的布置便于MEMS柔性锰铜-康铜复合式超高压力传感器的封装与安装。
所述的基底2和绝缘层4采用聚酰亚胺材料,通过匀胶固化工艺制成,厚度均为15μm,由于聚酰亚胺(PI)的冲击阻抗与炸药爆轰产物的冲击阻抗相近,所以聚酰亚胺用作传感器的基底和绝缘层可以使得冲击波在传播过程中达到阻抗匹配,避免了因阻抗不匹配带来的计算误差。
本发明MEMS柔性锰铜-康铜复合式超高压力传感器的工作原理为:
锰铜敏感元件3、康铜敏感元件5构成的两个相互独立的锰铜传感器和康铜传感器,它们都采用四端电路,其中两端作为电源端,另外两端作为输出端;两个电源端使用同一恒流源供电,来消除锰铜与康铜之间的电位差,两个输出端接同一示波器进行信号采集;由于锰铜传感器的锰铜敏感元件3和康铜传感器的康铜敏感元件5采用螺旋式中心对称分布,所以在轴对称动态高压流场下,可以认为锰铜敏感元件3和康铜敏感元件5处于相同的压力作用。
在二维轴对称动态高压流场作用下,锰铜传感器的输出信号可表示为:
式中,下标M表示锰铜,2D表示二维轴对称条件,1D表示平面对称一维应变条件,Z表示垂直于冲击波作用的方向,表示敏感元件受压之后的电阻。
由于康铜传感器在平面对称一维应变条件下,无电阻增量输出。故,在二维轴对称动态高压流场作用下,康铜传感器的输出信号可表示为:
式中,下标C表示康铜。
在塑性范围内,二维轴对称条件下,锰铜敏感元件3与康铜敏感元件5在Z方向的应变有一定的关系,记为:
εZM=f(εZC) (3)
又有,
锰铜传感器在平面对称一维应变条件下的标定曲线:
联立公式(1)、(2)、(3)、(4)可得:
根据公式(5)就可以求解出二维轴对称动态高压流场中的压力值。
所述的MEMS柔性锰铜-康铜复合式超高压力传感器的制备方法,包括以下步骤:
步骤1:在干净的硅片载体上旋涂一层PI预聚物-聚酰胺酸 (PAA),然后高温亚胺化形成聚酰亚胺薄膜作为基底2;
步骤2:在基底2上采用光刻、显影、磁控溅射和剥离工艺形成锰铜敏感元件3及其对应的四个第一电极1,以及康铜敏感元件5及其对应的四个第二电极6;
步骤3:在锰铜敏感元件3、康铜敏感元件5、第一电极1、第二电极6的表面上涂覆一层PI预聚物,通过光刻、显影将焊盘图形转移到PI预聚物上,接着利用NaOH溶液湿法腐蚀PI预聚物,使其漏出第一电极1、第二电极6的焊盘;最后将PI预聚物亚胺化形成聚酰亚胺绝缘层4;
步骤4:利用硅的各向同性腐蚀液HNA腐蚀硅载体,从而柔性传感器释放,得到MEMS柔性锰铜-康铜复合式超高压力传感器。

Claims (4)

1.一种MEMS柔性锰铜-康铜复合式超高压力传感器,包括基底(2),其特征在于:基底(2)上通过MEMS工艺溅射有锰铜敏感元件(3)及其对应的四个第一电极(1),以及康铜敏感元件(5)及其对应的四个第二电极(6),锰铜敏感元件(3)的输入端和输出端分别连接两个第一电极(1),康铜敏感元件(5)的输入端和输出端分别连接两个第二电极(6),锰铜敏感元件(3)、康铜敏感元件(5)、第一电极(1)、第二电极(6)的表面上覆盖有绝缘层(4);
所述的锰铜敏感元件(3)和康铜敏感元件(5)采用螺旋式中心对称分布,通过靶材溅射而成,锰铜敏感元件(3)和康铜敏感元件(5)共占面积在直径0.2mm圆形范围内,厚度为1μm。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS柔性锰铜-康铜复合式超高压力传感器,其特征在于:所述的锰铜敏感元件(3)对应的四个第一电极(1)分布在同一侧,两个作为输入端,另外两个作为输出端;康铜敏感元件(5)对应的四个第二电极(6)分布在另一侧,两个作为输入端,另外两个作为输出端。
3.根据权利要求1所述的一种MEMS柔性锰铜-康铜复合式超高压力传感器,其特征在于:所述的基底(2)和绝缘层(4)采用聚酰亚胺材料,通过匀胶固化工艺制成,厚度均为15μm。
4.根据权利要求1所述的MEMS柔性锰铜-康铜复合式超高压力传感器的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:在硅片载体上涂覆一层聚酰亚胺薄膜作为基底(2);
步骤2:在基底(2)上用磁控溅射的方法沉积锰铜敏感元件(3)及其对应的四个第一电极(1),以及康铜敏感元件(5)及其对应的四个第二电极(6);
步骤3:在锰铜敏感元件(3)、康铜敏感元件(5)、第一电极(1)、第二电极(6)的表面上涂覆一层聚酰亚胺薄膜作为绝缘层(4),利用湿法腐蚀工艺使得绝缘层(4)上面漏出第一电极(1)、第二电极(6)的焊盘;
步骤4:利用硅的各向同性腐蚀液腐蚀硅片载体,将柔性传感器释放,得到MEMS柔性锰铜-康铜复合式超高压力传感器。
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