[发明专利]一种微尺度柔性复合式超高压力传感器及其制造方法

说明书

一种微尺度柔性复合式超高压力传感器及其制造方法,传感器包括基底,基底上通过MEMS工艺溅射有康铜敏感元件及第一电极；康铜敏感元件的输入端和输出端分别连接两个第一电极；康铜敏感元件及第一电极的表面上覆盖有绝缘层；绝缘层上通过MEMS工艺溅射有锰铜敏感元件及第二电极；锰铜敏感元件的输入端和输出端分别连接两个第二电极；锰铜敏感元件和康铜敏感元件采用上下对齐方式布置，第二电极与第一电极采用横轴线垂直方式布置，锰铜敏感元件及第二电极的表面上涂覆有保护层；传感器具有敏感元件尺寸小、量程大、精度高、输出信号大、柔性化等特点，适用于多工况下微尺度装药爆轰压力的测量，也可以拓展到其他微尺度轴对称动态高压流场压力的测量。

技术领域

本发明属于柔性传感器和超高压力传感器技术领域，具体涉及一种微尺度柔性复合式超高压力传感器及其制造方法。

背景技术

随着MEMS火工品和小型武器弹药的发展，微尺度下爆轰压力的测量已经成为一项亟待解决的问题。具有压阻效应的锰铜由于表现出灵敏度高、响应快、线性较好、电阻温度系数小等优点，而被广泛应用于武器弹药爆炸冲击波、炸药爆轰波产生的超高压力测量等国防领域。但是，在微尺度装药情况下，炸药爆轰波波阵面的弯曲效应增强，成为二维凸球形波阵面。因此，处于其中的锰铜敏感元件除了压力使其电阻率发生变化进而引起电阻变化外，爆轰波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，两者叠加在一起，使传感器不能测出真正的轴向压力值。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，它在二维爆轰波中只有拉伸或扭曲变形所产生的电阻变化。当将康铜与锰铜敏感元件对称组合进行测量时，利用康铜敏感元件就可排除二维爆轰波导致的拉伸误差，从而较准确地测量出微尺度装药爆轰波产生的超高压力。

现有的锰铜-康铜复合拉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，中间隔有水溶性抗蚀干膜作为绝缘层。这种传感器的敏感元件尺寸较大，不适合于微尺度爆压的测量；较厚的绝缘层使得上层锰铜敏感元件与下层康铜敏感元件处于不同的受压环境，这将导致无法利用康铜敏感元件很好地排除锰铜敏感元件中的侧向拉伸误差；而且有机绝缘层在高压下绝缘性能较差，会导致上下层电流泄露，从而造成信号失真。此外，若需要测量曲面上某位置处所承受的超高压力时，硬质基底(如陶瓷基底或云母基底)超高压力传感器并不适用。而且，在传感器的安装与对准过程中，柔性基底传感器比硬质基底传感器操作更简单、方便。

综上所述，设计制造一种微尺度柔性复合式超高压力传感器是非常必要的。

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微尺度柔性复合式超高压力传感器及其制造方法,该传感器具有敏感元件尺寸小、量程大、精度高、输出信号大、柔性化等特点，适用于多工况下微尺度装药爆轰压力的测量。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种微尺度柔性复合式超高压力传感器，包括基底1,基底1上通过MEMS工艺溅射有康铜敏感元件2-2及第一电极2-1；康铜敏感元件2-2的输入端和输出端分别连接两个第一电极2-1，康铜敏感元件2-2和第一电极2-1构成康铜层2；康铜敏感元件2-2及第一电极2-1的表面上覆盖有绝缘层3；绝缘层3上通过MEMS工艺溅射有锰铜敏感元件4-2及第二电极4-1；锰铜敏感元件4-2的输入端和输出端分别连接两个第二电极4-1，锰铜敏感元件4-2和第二电极4-1构成锰铜层4；锰铜敏感元件4-2和康铜敏感元件2-2采用上下对齐方式布置，第二电极4-1与第一电极2-1采用横轴线垂直方式布置，锰铜敏感元件4-2及第二电极4-1的表面上涂覆有保护层5。

所述的锰铜敏感元件4-2和康铜敏感元件2-2具有相同的形状和尺寸，第二电极4-1和第一电极2-1具有相同的形状和尺寸，其中康铜敏感元件2-2和锰铜敏感元件4-2呈圆形，直径均为0.2mm，厚度均为2μm。

所述的绝缘层3采用氧化铝陶瓷材料，通过MEMS工艺溅射而成，厚度为5μm。