一、項(xiàng)目研制背景和意義

炸藥在空中爆炸時(shí)生成的空氣爆炸的峰值超壓和沖量是炸藥能量特性的一項(xiàng)重要參數(shù)，也是衡量彈藥特別是爆破及殺傷——爆破戰(zhàn)斗部損傷效果的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其準(zhǔn)確測(cè)量具有重要的意義。爆轟物理試驗(yàn)、炸藥和武器性能評(píng)價(jià)、意外爆炸災(zāi)害評(píng)估中的一個(gè)重要測(cè)試參數(shù)就是爆炸壓力。從20世紀(jì)50年代和60年代起，隨著武器的發(fā)展和太空時(shí)代的到來，就對(duì)可測(cè)量震動(dòng)波、爆炸、火箭燃燒不穩(wěn)定性和彈道發(fā)射的高頻壓力傳感器提出了使用需求。本項(xiàng)目所研制的空中爆炸壓力傳感器主要用于爆炸中爆炸壓力的測(cè)量。國(guó)內(nèi)軍工單位，各類爆破公司1000余家，建筑、鐵路、公路工程公司大多都需要進(jìn)行爆破威力測(cè)試和評(píng)估，市場(chǎng)需求量大，產(chǎn)品附加值高，開發(fā)爆炸壓力傳感器具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

二、項(xiàng)目研制的主要內(nèi)容

1．產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)要求：測(cè)量范圍：0～1000MPa；諧振頻率：≥500KHZ(隨機(jī)實(shí)驗(yàn))；上升時(shí)間：≤1.5μs(隨機(jī)實(shí)驗(yàn))；靈敏度：≥0.02mV/kPa(隨機(jī)實(shí)驗(yàn))；準(zhǔn)確度：≤1.0%FS；工作溫度范圍：-25～+80℃

2．項(xiàng)目研制的主要內(nèi)容：產(chǎn)品主要用來測(cè)量爆炸的壓力，測(cè)量量程大，量程上限為1000MPa，不能采用應(yīng)變式的壓力計(jì)，需要改為壓阻式的傳感器。工作原理的改變，使得產(chǎn)品的開發(fā)從設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、工藝等方面均需進(jìn)行研制。針對(duì)產(chǎn)品研制的技術(shù)指標(biāo)，本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)的重點(diǎn)是工藝的研究。

研究爆炸應(yīng)力效應(yīng)以及高靜水壓力，國(guó)內(nèi)外均采用錳銅絲或錳銅箔應(yīng)變計(jì)制成的傳感器，錳銅壓阻計(jì)是目前量程最高的壓力傳感器。錳銅合金是一種常用的精密電阻合金材料，它具有電阻溫度系數(shù)小、壓阻特性好的特點(diǎn)，它的電阻變化與爆炸壓力間呈線性關(guān)系，錳銅材料本身到125GPa都不發(fā)生相變，原則上可測(cè)量100GPa以上的壓力，所以，該項(xiàng)目研制采用錳銅壓阻傳感器來實(shí)現(xiàn)爆炸的測(cè)量。但錳銅的電阻率低，其壓力靈敏系數(shù)也僅為2.7%/GPa，要獲得0.02mV/kPa以上的靈敏度要求，必須在工藝上進(jìn)行研究，提高產(chǎn)品的電阻值，盡量提高產(chǎn)品的應(yīng)變靈敏系數(shù)，減小溫度及其它環(huán)境條件對(duì)產(chǎn)品測(cè)量的影響。

三．項(xiàng)目研制方案、技術(shù)難度、解決途徑

1．關(guān)鍵技術(shù)：從原理上進(jìn)行分析，本項(xiàng)目要解決的關(guān)鍵技術(shù)主要是：高量程（0～1000MPa）、高靈敏度（≥0.02mV/kPa）、高頻率（≥500KHZ）。傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸要求小。

2．初步總體設(shè)計(jì)方案：從原理上，本項(xiàng)目采用錳銅壓阻傳感器來實(shí)現(xiàn)，即通過錳銅電阻的電阻率的變化來測(cè)量壓力變化。從設(shè)計(jì)上主要是材料、結(jié)構(gòu)和工藝三方面。

利用金屬的壓阻效應(yīng)測(cè)量壓力，對(duì)金屬材料一般要求其由壓力引起的電阻率的變化比由溫度引起的電阻率的變化大得多，從而使得由溫度引起的電阻率的變化可以忽略；為便于測(cè)量和分析，在動(dòng)態(tài)壓力作用下，該材料不會(huì)出現(xiàn)相變；為了獲得大的靈敏度輸出，要求隨壓力的變化，電阻值的變化要大。錳銅精密電阻材料的溫度系數(shù)是2×10-5/℃，比一般導(dǎo)體的溫度系數(shù)5×10-3/℃小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，而且在動(dòng)態(tài)壓力下不會(huì)發(fā)生相變，是符合高量程要求的最為理想的材料。在一維壓縮情況下，錳銅的電阻率相對(duì)變化和電阻值相對(duì)變化都僅僅是壓力的函數(shù)，ΔR/R=KP，式中K是錳銅的壓阻系數(shù)，它與材料成分及傳感器有關(guān)。在恒流源供電的情況下，要獲得大的輸出靈敏度，就必須獲得大的電阻變化。

根據(jù)性能指標(biāo)要求，要大于0.02mV/kPa，滿量程輸出要達(dá)到20V。用100mA的恒流源供電，電阻的變化值要達(dá)到200Ω。而錳銅的靈敏度系數(shù)僅為2.7%/GPa，在1000MPa的壓力下，電阻的變化值僅為2.7%，要獲得200Ω的變化值，錳銅電阻要達(dá)到7.4KΩ。錳銅壓阻傳感器一般為箔式和絲式兩種，而且電阻一般只幾十到幾百歐，要做到幾千歐是不可能的，也就是說，這兩種形式的錳銅壓阻傳感器無法達(dá)到要求的靈敏度。

本項(xiàng)目中將采用薄膜式錳銅壓阻傳感器來實(shí)現(xiàn)大的靈敏度。壓阻傳感器的感壓面積應(yīng)盡可能小，由于加工的難度，絲式和箔式的錳銅柵條電阻的大小就受到了限制，無法實(shí)現(xiàn)大的靈敏度輸出。而通過離子束濺射而成的薄膜電阻，加上光刻工藝，可以制造出幾百至幾千埃的薄膜電阻，在同樣的感壓面積上可以獲得較大的電阻值，在原理上可以實(shí)現(xiàn)大的靈敏度要求。通過這樣的方式設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)1000MPa的爆炸壓力的測(cè)量。

3．技術(shù)難度與解決途徑：針對(duì)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，技術(shù)的難度主要在于工藝的實(shí)現(xiàn)與高頻響的設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)，在原理上，要重新根據(jù)尺寸要求與性能要求對(duì)柵條的位置與形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，并確定光刻版圖；在工藝上，要重新試驗(yàn)，確定鍍膜材料、鍍膜參數(shù)、鍍膜時(shí)間、光刻材料與參數(shù)；在結(jié)構(gòu)上，要結(jié)合薄膜性能與設(shè)計(jì)要求，對(duì)基底材料與厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而獲得高頻響的傳感器。

爆炸壓力傳感器是用于動(dòng)態(tài)測(cè)量，其彈性敏感元件的固有頻率是極重要的參數(shù)。在本項(xiàng)目中，選用SiO2材料作為彈性元件，SiO2材料絕緣性好，質(zhì)量較輕，但彈性模量與鋼相當(dāng)，適合制作高頻率響應(yīng)的傳感器。經(jīng)理論計(jì)算，彈性元件尺寸為30×10×6mm時(shí)，完全能保證傳感器的頻率響應(yīng)高于500kHz。而且這個(gè)尺寸有利于工藝制作。

為了保證足夠大的靈敏度輸出，在柵條電阻的設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)薄膜總長(zhǎng)度為400mm，寬40μm，厚度為0.5μm。經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)的柵條電阻的阻值約10kΩ，能滿足靈敏度輸出要求。通過材料的選取與結(jié)構(gòu)尺寸、版圖的設(shè)計(jì)，理論上能保證錳銅薄膜壓阻傳感器能滿足預(yù)定設(shè)計(jì)要求。技術(shù)上的另一難點(diǎn)就是工藝上的實(shí)現(xiàn)。在工藝上，步驟與應(yīng)變式薄膜壓力傳感器基本類似。在所鍍功能薄膜上，選擇在高純度的SiO2彈性元件上直接沉淀錳銅薄膜，考慮到錳銅的易氧化性，將在錳銅膜上再沉淀SiO2保護(hù)膜，在其上噴涂絕緣保護(hù)層。在外引導(dǎo)線上，因結(jié)構(gòu)的緊湊，將采取大焊盤，再直接在膜層上外焊導(dǎo)線引出。

要獲得0.5μm厚度的錳銅薄膜，濺射的能量參數(shù)與濺鍍時(shí)間均必須經(jīng)過大量的工藝試驗(yàn)進(jìn)行確定。而且各種工藝過程參數(shù)將影響錳銅薄膜的粘附性能、溫度性能、穩(wěn)定性能、壓阻性能等，要獲得性能穩(wěn)定、一致的錳銅薄膜，制造性能可靠、重復(fù)性好的錳銅壓阻傳感器，是研制中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。需要大量的工藝摸索。在薄膜壓力傳感器的技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行新工藝研究，從原理、材料、工藝過程參數(shù)、結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，應(yīng)該可以獲得性能優(yōu)良的錳銅壓阻傳感器。本文源自澤天傳感，版權(quán)所有，轉(zhuǎn)載請(qǐng)保留出處。