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锰铜薄膜超高压力传感器研究

杜晓松  
【摘要】: 锰铜计是一种特种传感器,主要用于测量冲击波产生的超高压力。其量程上限可达50GPa,是现有传感器中最高的。为满足国防工程的特殊需要,须进一步提高传感器的量程上限及缩短传感器的响应时间。本文通过传感器的结构设计、敏感材料和封装材料的研制以及采用新的传感器制备工艺,制作了一种新型的薄膜化的锰铜传感器,所得到的主要结论及创新性的结果可归纳如下: 1.首次采用全薄膜化工艺制作气炮用锰铜超高压力传感器,即首先在绝缘基板上沉积锰铜敏感薄膜,然后再在敏感膜的上面沉积绝缘封装薄膜。实验采用高压绝缘性能优良的Al_2O_3作为锰铜敏感元件的封装材料,首次实现了敏感元件“清洁”的无机固态封装,从根本上消除了高压旁路电阻效应。实验中铜靶板上的最大压力达到了107GPa,氧化铝封装中的压力也达70GPa以上,薄膜式锰铜计输出的信号波形完整,压阻信号的平台持续时间长,无明显的旁路存在。 2.首次采用以氧化铝材料为基的“后置式”结构,该结构将“后置式”传感器的适用范围的上限压力从原有的~20GPa扩展到100GPa以上,使得传感器在高GPa段也具有快速的频响特性。实验中所得响应时间最短的仅为19ns。 3.对传感器在30~70GPa间进行了初步的标定,标定曲线近似为一条直线,压阻系数为0.0201±0.0002GPa~(-1)。传感器的灵敏度高,约为其他单位研制的薄膜锰铜计的1倍,而与现用的低GPa的箔式锰铜计的灵敏度相近。根据阻抗匹配原则,首次使“后置式”传感器的有效量程达到了100GPa以上,比现有传感器的量程上限提高了1倍多。并且传感器表现出精度高,重复性和一致性好,线性好的特点,首次在高GPa段实现了相对误差≤±2%。 4.在实验的初期,本文还研究了“在位式”的锰铜薄膜传感器,即首先在陶瓷或微晶玻璃基板上沉积锰铜敏感元件,然后用粘贴PTFE薄膜的方法完成传感器的封装。实验发现该传感器的响应时间与安装方式有关,当基板正对飞片时,响应慢;而PTFE薄膜正对飞片时,响应快。 5.首次采用磁控溅射法沉积了低电阻温度系数的锰铜薄膜,研究了在不同 电子科技大学博士学位论文 沉积及热处理条件下薄膜TCR的变化。发现磁控溅射法可以沉积得到与靶材组 分一致的锰铜薄膜,沉积的最佳温度为150~200’C,并且阴极靶的温度对薄膜 TCR有很大的影响。由优化的溅射工艺参数原位沉积的锰铜薄膜的TCR。20 X 10‘/”C,200~350’C热处理会使 TCR升高,而 400C热处理 1小时后,TCR 降至10X 10“‘/℃*的TCR保证了锰铜传感器仅对压力敏感,而对温度不敏感, 保证了传感器的测试精度。 以上第l~3创新点及第5创新点已经分别申请了两项中国发明专利:“薄 膜式锰铜超高压力传感器”和“低电阻温度系数锰铜薄膜的制备方法”。


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