CN112945446B - 一种具有电磁屏蔽功能的高透光柔性锰铜计 - Google Patents
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Abstract
一种具有电磁屏蔽功能的高透光柔性锰铜计，包括基底,基底上设有敏感元件和电极，敏感元件的输入端和输出端分别连接两个电极，敏感元件和电极的表面上设有封装层；敏感元件采用锰铜箔制成，厚度为5μm；电极与敏感元件为一体式结构且由同一锰铜箔通过激光雕刻或化学腐蚀工艺制成；基底和封装层均为三明治结构：中间层为25μm厚的PI/纳米银线复合薄膜，上层和下层是1μm厚的陶瓷薄膜，通过MEMS溅射工艺形成于中间层表面；基底、封装层、电极以及敏感元件通过热压封装工艺形成锰铜计；本发明能够屏蔽电磁辐射干扰且可避免高压旁路效应，具有耐高温、高透光性、响应快、柔性化、薄膜化以及适用于微尺度装药爆压测量等特点。
Description
技术领域
本发明属于超高压力传感器技术领域，具体涉及一种具有电磁屏蔽功能的高透光柔性锰铜计。
背景技术
锰铜合金的主要成分为铜83～87％，锰11～13％，镍2～4％，它具有响应快、灵敏度高、线性较好、电阻温度系数小等特点，且在高达125GPa压力作用下不发生相变。因此，由锰铜合金制作而成的锰铜计原则上可测量100GPa以上的应力，且被广泛应用于炸药爆轰、高速撞击、动态断裂、新材料合成等高温高压环境的压力测量。
随着MEMS引信与MEMS火工品的快速发展，微尺度下输出爆压测试技术已成为微尺度装药研究需要突破的难点。微尺度装药爆轰具有以下几个特点：①装药直径为毫米或亚毫米级；②爆轰波属于定常二维轴对称流动；③爆压在GPa量级；④伴随着瞬态高温环境；⑤产生电磁辐射；⑥爆轰过程持续时间在μs量级。这些特点对传感器的设计提出了一些要求：①敏感元件尺寸与微尺度装药尺寸相匹配；②为了实现敏感元件与微尺度装药中心的对准，封装层必须具有高透光性；③敏感元件量程可达GPa量级，且与敏感元件接触的封装材料能够避免高压旁路效应；④与测试对象接触的封装材料应具有耐瞬态高温特性；⑤传感器应具有电磁屏蔽功能，以防电磁辐射对电压信号产生干扰；⑥敏感元件应具有ns级响应时间；⑦传感器能够被薄膜化，以避免对微尺度装药爆轰波产生影响；⑧传感器应具有一定的柔韧性，以确保其方便耐用。
目前现有的锰铜传感器均不具备电磁屏蔽功能，部分柔性锰铜传感器采用的PI材料呈淡黄色，其较差的透光性会严重影响敏感元件与微尺度装药的对准；PI材料不耐瞬态高温且在高压下的绝缘性较差，从而导致传感器在高温高压环境下的寿命很短；此外，采用陶瓷材料(陶瓷、云母等)作为基底与封装层的锰铜传感器虽然具有耐瞬态高温特性且能避免高压旁路效应，但是较差的透光性和柔韧性使其不适用于微尺度装药测量，且脆性的基底和封装层也会导致传感器寿命较短，无法记录完整的应力变化历史。
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具有电磁屏蔽功能的高透光柔性锰铜计，能够屏蔽电磁辐射干扰且可避免高压旁路效应，具有耐高温、高透光性、响应快、柔性化、薄膜化以及适用于微尺度装药爆压测量等特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种具有电磁屏蔽功能的高透光柔性锰铜计，包括基底1,基底1上设有敏感元件4和电极2，敏感元件4的输入端和输出端分别连接两个电极2，敏感元件4和电极2的表面上设有封装层3；
所述的敏感元件4采用锰铜箔制成，厚度为5μm；
所述的电极2与敏感元件4为一体式结构且由同一锰铜箔通过激光雕刻或化学腐蚀工艺制成；
所述的基底1为三明治结构：基底中间层1-2为25μm厚的PI/纳米银线复合薄膜，由透明PI树脂和纳米银线混合而成的溶液经过旋涂并热亚胺化形成，基底上层1-1和基底下层1-3是1μm厚的陶瓷薄膜，通过MEMS溅射工艺形成于基底中间层1-2表面；
所述的封装层3为三明治结构：封装中间层3-2为25μm厚的PI/纳米银线复合薄膜，由透明PI树脂和纳米银线混合而成的溶液经过旋涂并热亚胺化形成，封装上层3-1和封装下层3-3是1μm厚的陶瓷薄膜，通过MEMS溅射工艺形成于封装中间层3-2表面；
所述的基底1、封装层3、电极2以及敏感元件4通过热压封装工艺形成锰铜计。
所述的敏感元件4根据所需电阻值大小设计形状，包括折线形、直线形和螺旋形。
所述的电极2的位置根据实际测量工况布置在敏感元件4的同侧或两侧。
所述的陶瓷薄膜为SiO2、MgO、Al2O3或Si3N4。
所述的敏感元件4的长宽尺寸为0.2mm×0.1mm，适用于测量装药尺寸0.5mm以上微尺度装药的输出爆压。
本发明的有益效果为：
本发明通过激光雕刻或化学腐蚀工艺实现了敏感元件4的微型化，使其适用于微尺度装药爆压的测量；
基底1和封装层3均采用了三明治结构，中间层PI/纳米银线复合薄膜具有低电阻值、高透光率和柔性等特点，除了能够实现一定的电磁屏蔽功能外，还可满足传感器的高透明以及柔性化要求；
靠近电极2一侧的陶瓷薄膜在高压下具有良好的绝缘性，可以避免高压旁路效应，从而提高传感器的测试量程；另一侧的陶瓷薄膜能够承受爆轰过程的瞬态高温，从而增加传感器寿命；陶瓷薄膜在满足传感器薄膜化和高透明要求的情况下，不影响传感器的柔韧性；
本发明很薄，整体厚度约为60μm，可有效提高其响应时间，且几乎不影响微尺度装药爆轰波的传播。
综上所述，本发明锰铜计能够屏蔽电磁辐射干扰且可避免高压旁路效应，还具有耐高温、高透光性、响应快、柔性化、薄膜化以及适用于微尺度装药爆压测量等特点。
附图说明
图1为本发明的俯视图。
图2为本发明的侧视图。
图3为本发明基底的侧视图。
图4为本发明封装层的侧视图。
图5为本发明记录的典型电压变化信号图。
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2，一种具有电磁屏蔽功能的高透光柔性锰铜计，包括基底1,基底1上设有敏感元件4和电极2，敏感元件4的输入端和输出端分别连接两个电极2，敏感元件4和电极2的表面上设有封装层3。
所述的敏感元件4根据所需电阻值大小设计成相应形状，包括折线形、直线形、螺旋形等，低阻值适用于超高压力高压段的测量，高阻值适用于超高压力低压段的测量；敏感元件4采用锰铜箔材料制成，厚度为5μm。
所述的电极2与敏感元件4为一体式结构且由同一锰铜箔通过激光雕刻或化学腐蚀工艺制成，便于锰铜计的制作；电极2的位置根据实际测量工况布置在敏感元件4的同侧或两侧，便于锰铜计的安装与引线。
参照图3，所述的基底1为三明治结构：基底中间层1-2为25μm厚的PI/纳米银线复合薄膜，是由透明PI树脂和纳米银线混合而成的溶液经过旋涂并热亚胺化形成，这样既起到了电磁屏蔽作用，还满足了传感器的高透明、柔性化以及薄膜化要求；基底上层1-1和基底下层1-3是1μm厚的陶瓷薄膜，如SiO2、MgO、Al2O3、Si3N4等，通过MEMS溅射工艺形成于基底中间层1-2表面。
参照图4，所述的封装层3为三明治结构：封装中间层3-2为25μm厚的PI/纳米银线复合薄膜，是由透明PI树脂和纳米银线混合而成的溶液经过旋涂并热亚胺化形成，这样既起到了电磁屏蔽作用，还满足了传感器的高透明、柔性化以及薄膜化要求；封装上层3-1和封装下层3-3是1μm厚的陶瓷薄膜，如SiO2、MgO、Al2O3、Si3N4等，通过MEMS溅射工艺形成于封装中间层3-2表面。
所述的基底1、封装层3、电极2以及敏感元件4通过热压封装工艺形成锰铜计，实现了无胶封装，避免了因有机粘接剂的高压旁路效应导致的测试量程下降。
在实际测试过程中，本发明被夹在微尺度装药药柱中间或放置于药柱端部；锰铜计采用四引线法，其中输入端连接脉冲恒流源，输出端连接高速存储示波器；药柱被雷管起爆的同时脉冲恒流源给锰铜计同步供电；爆轰波作用在敏感元件4上，导致其电阻发生变化，该变化转换为电压信号被示波器采集；根据电压信号以及锰铜计的动态标定曲线即可计算出微尺度装药的输出爆压值。
典型炸药的爆炸电磁辐射信号主要频率在100MHz以内，通过同轴法兰屏蔽效能测试方法得到基底中间层1-2和封装中间层3-2在10MHz-1GHz频段的屏效可达到45dB，故本发明在爆炸测试环境中能够有效屏蔽电磁干扰。
基底下层1-3和封装下层3-3是1μm厚的陶瓷薄膜，在高压下具有良好绝缘性，如Al2O3在110GPa高压作用下电阻率可保持在6×103Ω·cm，MgO在90GPa高压作用下电阻率可保持在1×103Ω·cm，这种性质可有效防止高压旁路效应的出现；此外，基底1和封装层3对可见光(波长400nm-700nm)的透光率达75％，能够满足高透光率要求，有助于敏感元件与微尺度装药中心的对准；基底上层1-1、基底下层1-3以及封装上层3-1、封装下层3-3均采用陶瓷材料，具有熔点高、耐高温、高强度等特性，能够承受爆炸中的1000℃瞬态高温。敏感元件4长宽尺寸为0.2mm×0.1mm，适用于测量装药尺寸0.5mm以上微尺度装药的输出爆压，典型测试结果如图5所示，某药柱爆压值为25.03GPa，响应时间为37ns。
Claims (5)
1.一种具有电磁屏蔽功能的高透光柔性锰铜计，包括基底(1),其特征在于：基底(1)上设有敏感元件(4)和电极(2)，敏感元件(4)的输入端和输出端分别连接两个电极(2)，敏感元件(4)和电极(2)的表面上设有封装层(3)；
所述的敏感元件(4)采用锰铜箔制成，厚度为5μm；
所述的电极(2)与敏感元件(4)为一体式结构且由同一锰铜箔通过激光雕刻或化学腐蚀工艺制成；
所述的基底(1)为三明治结构：基底中间层(1-2)为25μm厚的PI/纳米银线复合薄膜，由透明PI树脂和纳米银线混合而成的溶液经过旋涂并热亚胺化形成，基底上层(1-1)和基底下层(1-3)是1μm厚的陶瓷薄膜，通过MEMS溅射工艺形成于基底中间层(1-2)表面；
所述的封装层(3)为三明治结构：封装中间层(3-2)为25μm厚的PI/纳米银线复合薄膜，由透明PI树脂和纳米银线混合而成的溶液经过旋涂并热亚胺化形成，封装上层(3-1)和封装下层(3-3)是1μm厚的陶瓷薄膜，通过MEMS溅射工艺形成于封装中间层(3-2)表面；
所述的基底(1)、封装层(3)、电极(2)以及敏感元件(4)通过热压封装工艺形成锰铜计。
2.根据权利要求1所述的一种具有电磁屏蔽功能的高透光柔性锰铜计，其特征在于：所述的敏感元件(4)根据所需电阻值大小设计形状，包括折线形、直线形和螺旋形。
3.根据权利要求1所述的一种具有电磁屏蔽功能的高透光柔性锰铜计，其特征在于：所述的电极(2)的位置根据实际测量工况布置在敏感元件(4)的同侧或两侧。
4.根据权利要求1所述的一种具有电磁屏蔽功能的高透光柔性锰铜计，其特征在于：所述的陶瓷薄膜为SiO2、MgO、Al2O3或Si3N4。
5.根据权利要求1所述的一种具有电磁屏蔽功能的高透光柔性锰铜计，其特征在于：所述的敏感元件(4)的长宽尺寸为0.2mm×0.1mm，适用于测量装药尺寸0.5mm以上微尺度装药的输出爆压。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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