CN1297808C - 一种阵列化锰铜薄膜超高压力传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是提供了一种阵列化锰铜薄膜超高压力传感器及其制备方法，其特征是它包括形状为阵列式结构的N个压力敏感元件锰铜薄膜2和无机材料封装薄膜4；该传感器采用全薄膜工艺制作。本发明的传感器，消除了封装材料的高压旁路效应，可使传感器的测试精度达到为3～5%，响应时间缩短为20～40ns；具有一次可以高精度、高可靠性地测量大面积的超高压力的特点。本发明的传感器主要用于测试强冲击波的压力，如主要应用在测量装甲、核武器爆炸冲击波的压力测量等国防领域中。

Description

一种阵列化锰铜薄膜超高压力传感器及制备方法

技术领域

本发明属于电子元器件技术领域，它特别涉及超高压力传感器。

背景技术

超高压力传感器是利用压力敏感材料的压阻效应(材料的电阻随压力的变化而变化的一种关系)而对压力进行测量的。常用的压力敏感材料是锰铜材料。

锰铜是一种常规三元合金材料，主要成份为锰10～15％，镍0～4％，其余为铜。自上世纪初发现该材料具有压阻效应以后，它就被广泛地用于静态压力的测量中。上世纪60年代，又被引入到动态压力的测试中(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)。它能直接测试50万个大气压以下的压力，是目前量程最高的压力传感器。主要应用在测量装甲、核武器爆炸冲击波的压力测量等国防领域中，比如利用二级氢气炮设备产生的高速弹丸撞击锰铜压力传感器，传感器记录下瞬态压力波形，来测量装甲的耐冲击情况。

目前现有的锰铜压力传感器是由单个压力敏感元件组成的传感器，如图1所示。其中只包含一个敏感元件锰铜薄膜2。现有的传感器由于只包含一个敏感元件锰铜薄膜2，因此，其一次测试压力的范围(面积)很小。在测量大面积冲击波的压力时，需要进行多次测量，求平均压力值；或者采用多个压力传感器同时进行测量，压力传感器的测量精度和准确性很低。由于压力测试设备是采用二级氢气炮，测试成本高。所以采用现有的传感器进行多次测量计算压力的方案不理想。

另外，由于现有的传感器采用的封装材料是有机绝缘材料，在高压下其绝缘性能会迅速下降，形成所谓的高压旁路效应，会使传感器输出信号发生严重的衰减，影响准确性(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)。

发明内容

本发明的目的是提供一种阵列化锰铜薄膜超高压力传感器及制备方法，本发明的阵列化锰铜薄膜超高压力传感器具有一次可以高精度、高可靠性地测量大面积的超高压力的特点。

本发明的阵列化锰铜薄膜超高压力传感器包括基板1、电极3、后置件5，其特征是它还包括形状为阵列式结构的多个压力敏感元件锰铜薄膜2和无机材料封装薄膜4，所述的阵列式结构是指由N个压力敏感元件锰铜薄膜2均匀对称分布、且每个压力敏感元件锰铜薄膜2均连接四个电极3所构成的结构；形状为阵列式结构的N个压力敏感元件锰铜薄膜2沉积在基板1上面，再沉积N×4个电极3，然后在压力敏感元件锰铜薄膜2和电极3的表面上沉积一层无机材料封装薄膜4，最后在无机材料封装薄膜4上面粘贴后置件5，将整个传感器封装起来，如图2、3所示，这样就构成了本发明的阵列化锰铜薄膜超高压力传感器。

需要说明的是，N为压力敏感元件锰铜薄膜2的数量；无机材料封装薄膜4采用二氧化硅、三氧化二铝等，无机封装薄膜4厚为3～5μm；基板1的材料可以采用二氧化硅，三氧化二铝等；后置件5采用与基板1相同的材料，厚度约为基板1厚度的3-4倍。

本发明的阵列化锰铜薄膜超高压力传感器的制备方法，其特征是采用下面的步骤：

步骤1：在基板1上用磁控溅射的方法依次沉积锰铜薄膜和铜电极；

步骤2：通过光刻的方法刻蚀出阵列化结构的N个压力敏感元件锰铜薄膜2和N×4个铜电极3；

步骤3：然后再用电子束蒸发法在已沉积压力敏感元件锰铜薄膜2和铜电极3的基板1上制备无机封装薄膜4；

步骤4：在无机封装薄膜4上面用粘接剂6粘贴后置件5，如图3所示。

经过上述步骤后，就可以得到本发明的阵列化锰铜薄膜超高压力传感器。

本发明的阵列化锰铜薄膜超高压力传感器，是通过制备大面积均匀分布的压力敏感元件压力敏感元件锰铜薄膜2，辅助于光刻技术，制备封装由N个压力敏感元件锰铜薄膜2组成的阵列化锰铜薄膜超高压力传感器，保证了大面积准确测量的可能性，大大提高了大面积测试超高压力的精度，使得该传感器测量精度提高3～5％，可以精确地测试150GPa以下的压力；另外，本发明采用无机绝缘材料二氧化硅作为封装材料，使得传感器压力敏感元件锰铜薄膜2不与树脂等高压绝缘性能差的有机材料直接接触，因而从根本上消除了高压旁路效应。综上所述，该阵列式结构传感器同时实现了高压力、高精度。

附图及附图说明

图1是现有的仅包含一个压力敏感元件锰铜薄膜2的传感器示意图

图2是本发明的阵列化锰铜薄膜超高压力传感器的结构示意图

图3是本发明的阵列化锰铜薄膜超高压力传感器的侧面剖视图

图4是本发明的具体实施方式的测试效果图

在上面图中，1是无机基板材料，2是压力敏感元件锰铜薄膜，3是铜电极，4是无机材料封装薄膜，5是后置件，6是粘接剂。

具体实施方式：

由四个压力敏感元件锰铜薄膜2组成的阵列化锰铜薄膜超高压力传感器

采用下面的步骤制备：

1.首先在二氧化硅基板1上用磁控溅射的方法依次沉积锰铜薄膜和铜电极；

2.按照阵列化结构通过光刻的方法刻蚀出：4个压力敏感元件锰铜薄膜2和4×4个铜电极3，

4个压力敏感元件锰铜薄膜2对称均匀分布，每个压力敏感元件锰铜薄膜2连接四个电极3；每个压力敏感元件锰铜薄膜2尺寸为5×1mm，厚1～5μm；铜电极3引线为扇形，如图2所示，厚2～8μm；

3.再用电子束蒸发法覆盖上3～20μm厚的二氧化硅封装薄膜4(见图2)；

4.在二氧化硅封装薄膜4上粘贴后置件5，后置件5采用与基板相同的二氧化硅，厚8mm，如图3所示。

对由四个压力敏感元件压力敏感元件锰铜薄膜2组成的阵列化锰铜薄膜超高压力传感器进行高压力动态测试，待测材料为铝，压力为51.68Gpa，测试设备是二级氢气炮。该设备产生的高速运动的弹丸撞击本发明的传感器，传感器瞬间得到响应，记录下完整的冲击波压力的瞬态波形，如图4所示。图4完整地记录下了本发明传感器的加载和卸载的全过程，图4中所示的四个曲线分别为本发明传感器的四个压阻信号，它们出现一个良好的平台，没有明显的衰减，表示四个压力敏感元件锰铜薄膜2测量一致性好；压阻信号响应时间约为30ns，有比较快的响应。

本发明传感器的寿命在1μs左右，可对1～150GPa量程范围内的高压力进行测量，精度为3～5％，响应为20～40ns。本发明的传感器主要用于测试强冲击波的压力，如核爆炸冲击波、装甲压力测试。

Claims (2)

1、一种阵列化锰铜薄膜超高压力传感器，包括基板(1)、电极(3)、后置件(5)，其特征是它还包括形状为阵列式结构的N个压力敏感元件锰铜薄膜(2)和无机材料封装薄膜(4)，所述的阵列式结构是指由N个压力敏感元件锰铜薄膜(2)均匀对称分布、且每个压力敏感元件锰铜薄膜(2)均连接四个电极(3)所构成的结构；形状为阵列式结构的N个压力敏感元件锰铜薄膜(2)沉积在基板(1)上面，再沉积N×4个电极(3)，然后在压力敏感元件锰铜薄膜(2)和电极(3)的表面上沉积无机材料封装薄膜(4)，最后在无机材料封装薄膜(4)上面粘贴后置件(5)，将整个传感器封装起来。

2、一种阵列化锰铜薄膜超高压力传感器的制备方法，其特征是采用下面的步骤：

步骤1：在基板(1)上用磁控溅射的方法依次沉积锰铜薄膜(2)和铜电极(3)；

步骤2：通过光刻的方法刻蚀出阵列化结构的N个压力敏感元件锰铜薄膜(2)和N×4个铜电极(3)；

步骤3：然后再用电子束蒸发法在已沉积压力敏感元件锰铜薄膜(2)和铜电极(3)的基板(1)上制备无机封装薄膜(4)；

步骤4：在无机封装薄膜(4)上面用粘接剂(6)粘贴后置件(5)。

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