专利名称：压阻式自由场压力传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自由场压力传感器，特别是涉及一种硅压阻式自由场压力传感器技术。
背景技术：
所谓的自由场就是指只有直达波而没有反射波的场，实际指反射波与直达波相比可以忽略的场。国外自20世纪60年代后由于压电压力传感器的优良动态特性而制造了压电式自由场传感器，国内在70年代末和80年代初中国科学研究院研究了一种更为简单的自由场压电压力传感器，此项技术后来转让给扬州无线电二厂。1995年12月28日北京理工大学经过改进提出了HZP自由场压电压力传感器实用新型专利申请，1996年11月6日授权公告。
硅压阻式压力传感器诞生于20世纪50年代，以后随着集成电路技术的成熟而开始实用化，随着它的设计技术、信息处理技术和微机械加工技术的发展而不断扩大其应用领域。
发明内容
本发明就是将成熟的硅压阻式压力传感器引入爆炸力学研究领域，制作了压阻式自由场压力传感器，本发明提供了一种压阻器件的优点在于它可以用集成电路技术大批量生产，具有一致性好、廉价、低频特性好、信号处理简单、方便等特点。
本发明的技术方案是这样的一种压阻式自由场压力传感器，由敏感组件、调理电路、输出电缆以及传感器外壳组成，其特征在于，该传感器外壳采用流线体结构，该敏感组件采用硅压阻式组件，该敏感组件齐平安装于该传感器前端区域，并通过安装于传感器腔体内的该调理电路外接到该输出电缆。
作为本发明的进一步改进，该敏感组件为，具有惠斯通电桥结构的硅敏感元件之正面敏感部外的区域裸露出单晶硅衬底，并与PYREX玻璃固支环静电封接后形成硅敏感芯座，该硅敏感芯座之金属化层焊接金丝内引线，该玻璃固支环的端面与安装于该传感器腔体前端区域的芯座架固定，并使该敏感元件之背面作为受压面与该传感器外壳表面齐平安装而该硅敏感元件之正面连通该传感器腔体，该芯座架同时固定转接板，而该内引线另一端焊接于该转接板，与该内引线对应端的该转接板部位焊接有转接线，该转接线另一端作为该调理电路输入端，该惠斯通电桥之应变电阻具有低于1KΩ的低阻值。
作为本发明的进一步改进，该调理电路由温度补偿电路和高频宽带放大电路组成，并一体化安装于调理电路板，该调理电路板通过固板架固定于该传感器腔体内，该高频带宽放大电路由两级放大电路组成，第一级放大电路采用单位增益带宽高至800KHz的放大器AD8221利用其5倍的放大倍率，第二二级放大电路采用单位增益带宽高至30MHz的放大器OP37和10-40倍的放大倍率，该高频带宽放大电路具有高达100KHz的带宽和小于1μS的上升时间及极低的噪声。
作为本发明的进一步改进，该输出电缆具有保护套及在该保护套和输出电缆间装有绝热填充料的结构，该输出电缆依次穿套压线帽、防护套、绝热填充料和防护帽，该压线帽旋固于该管帽尾部，该防护帽旋固于该压线帽。
作为本发明的进一步改进，该传感器外壳由前端呈锐角圆锥型的流线基座和旋固于该流线基座尾部的管冒组成，并形成该传感器腔体，位于该流线基座之前端1/3～2/5区域通过该芯座架齐平安装该硅敏感元件，该传感器外壳采用不锈钢或合金铝制成。
作为本发明的进一步改进，该硅敏感元件之圆形面为Φ2mm或Φ4mm，该玻璃固支环内径为Φ2mm或Φ4mm而相应外径为Φ5mm～Φ6mm或Φ7mm～Φ8mm，该金丝内引线为Φ25μm～Φ40μm，惠斯通电桥之引出点为Φ2mm或Φ4mm的力敏区，该流线基座之锥头呈30°～45°而该管帽直径选为Φ20～Φ40mm。
发明的有益效果由于采用单晶硅制作的全桥芯片作为本发明的压阻式自由场压力传感器的敏感元件，通过特殊设计来提高它的动态特性；通过一种称作齐平安装的安装方法将敏感元件与本发明的压阻式自由场压力传感器外壳组装成一体，为了增强传感器输出信号的幅值和精度，在壳体后部装配了进行温度补偿及信号调理的电路，使之形成标准化输出，从而使本发明的压阻式自由场压力传感器具有良好的一致性和互换性。为了使传感器整体能够抗住爆炸冲击波所产生的热量，在本发明的压阻式自由场压力传感器的输出电缆外加一层保护套对电缆进行热屏蔽，防止了初期的传感器在测试过程中因电缆烧蚀而失效现象。
图1是本发明的结构主视示意图；图2是本发明的结构俯视示意图；图3是本发明中所述的硅敏感组件之结构主视示意图；图4是本发明中所述的硅敏感元件之结构主视示意图；图5是本发明中所述的硅敏感元件之结构俯视示意图；图6是本发明中所述的调理电路的原理图。
对照图1至图5作以下说明
1-流线基座10-管帽2-硅敏感元件 11-输出电缆3-玻璃固支环 12-压线帽4-转接板 13-防护套5-芯座架 14-绝热填充料6-金丝内引线 15-单晶硅衬底7-转接线 16-绝缘层8-固板架 17-应变电阻9-调理电路板 18-金属化层具体实施方式
以下结合附图1至附图5作进一步描述一种压阻式自由场压力传感器，由敏感组件、调理电路、输出电缆以及传感器外壳组成，其特征在于，该传感器外壳采用流线体结构，该敏感组件采用硅压阻式组件，该敏感组件齐平安装于该传感器前端区域，并通过安装于传感器腔体内的该调理电路外接到该输出电缆。
该敏感组件为，具有惠斯通电桥结构的硅敏感元件2之正面敏感部外的区域裸露出单晶硅衬底15，并与PYREX玻璃固支环3静电封接后形成硅敏感芯座，该硅敏感芯座之金属化层18焊接金丝内引线6，该玻璃固支环的端面与安装于该传感器腔体前端区域的芯座架5固定，并使该敏感元件之背面作为受压面与该传感器外壳表面齐平安装而该硅敏感元件之正面连通该传感器腔体，该芯座架同时固定转接板4，而该内引线另一端焊接于该转接板，与该内引线对应端的该转接板部位焊接有转接线7，该转接线另一端作为该调理电路输入端，该惠斯通电桥之应变电阻17具有低于1KΩ的低阻值。
该调理电路由温度补偿电路和高频宽带放大电路组成，并一体化安装于调理电路板9，该调理电路板通过固板架8固定于该传感器腔体内，该高频带宽放大电路由两级放大电路组成，第一级放大电路采用单位增益带宽高至800KHz的放大器AD8221利用其5倍的放大倍率，第二级放大电路采用单位增益带宽高至30MHz的放大器OP37和10-40倍的放大倍率，该高频带宽放大电路具有高达100KHz的带宽和小于1μS的上升时间及极低的噪声。
该输出电缆具有保护套13及在该保护套和输出电缆间装有绝热填充料14的结构，该输出电缆依次穿套压线帽12、防护套13、绝热填充料14和防护帽，该压线帽旋固于该管帽尾部，该防护帽旋固于该压线帽。
该传感器外壳由前端呈锐角圆锥型的流线基座1和旋固于该流线基座尾部的管冒10组成，并形成该传感器腔体，位于该流线基座之前端1/3～2/5区域通过该芯座架齐平安装该硅敏感元件，该传感器外壳采用不锈钢或合金铝制成。
该硅敏感元件之圆形面可以Φ2mm或Φ4mm，该玻璃固支环内径为Φ2mm或Φ4mm而相应外径为Φ5mm～Φ6mm或Φ7mm～Φ8mm，该金丝内引线为Φ25μm～Φ40μm，惠斯通电桥之引出点为Φ2mm或Φ4mm的力敏区，该流线基座之锥头呈30°～45°而该管帽直径选为Φ20～Φ40mm。
硅压阻式敏感元件的具体制作1.一般的硅压阻式敏感元件采用常规的集成电路工艺制作，应变电阻的阻值为5KΩ左右，是低掺杂浓度，方便进行温度补偿；本发明的硅压阻式敏感元件采用比正常要高两个数量级的浓度掺杂，使电阻的阻值降下来，到小于1KΩ以下的程度；同时本发明在该敏感元件的正面去除环边区域的绝缘层，使其完全露出单晶硅衬底，然后和玻璃固支环通过静电封接或其它方法连接在一起，构成硅敏感芯座，最后在敏感芯座的金属化层上键合上适当长度的内引线。
2.将敏感芯座图形面向下，用黏合剂将敏感芯座之固支环端面和芯座架紧密连接在一起，再将转接板用黏合剂牢固地粘到芯座架上，把金丝内引线焊接在转接板的适当位置并把适当长度的转接线与内引线位置对应地焊在转接板上，构成硅敏感组件。
3.芯座的测试特性，对其进行温度补偿及信号调理，制作成调理电路板，在适当位置焊接好输出电缆和转接线后安装在管帽中，将管帽和流线基座通过螺纹相连接；4.将压线帽旋进管帽尾部，将带有连接螺纹的防护套套在输出电缆外侧，中间可以填充或裹卷隔热材料，将防护帽的螺纹旋进压线帽里，完成了本发明的压阻式自由场压力传感器的制作。
本发明的特性测量当空中或水中的冲击波到达传感器处时，由于流线管座的流线形状，使冲击波极少产生反射而掠过硅敏感元件2，硅敏感元件2所测量的信号可以认为是由一个自由场所产生的。
当自由场冲击波所产生的压力为P时，硅敏感元件2所产生的输出ΔV为ΔV=3ΠVin8h2f(r,r1)P]]>式中∏为硅敏感元件2中的应变电阻17的压阻系数；r为硅敏感元件2中弹性膜片的直径或边长；r1应变电阻位置到弹性膜片中心的距离；h为硅敏感元件2中弹性膜片的厚度；P为施加于硅敏感元件2的冲击波的压力。
由于压阻系数∏与温度有关，因此当压力P恒定时，由于∏随温度的变化而引起传感器输出的变化，所以要对传感器的温度特性进行补偿；一般压阻式压力敏感元件的满量程输出是在几十到上百毫伏变化，施加调理电路后能够使传感器的满量程输出统一到5VDC或4～20mADC。从而具有良好的一致性和互换性。
本发明的压阻式自由场压力传感器的固有频率f0由下式给出f0=5.11h2πr2E3(1-μ2)ρ]]>式中E为弹性膜片的扬氏模量，μ为弹性膜片的泊松比。
本发明的特点本发明的传感器具有极宽的压力测量范围，可从10kPa到100MPa，良好的低频和高频特性，低频可以从0Hz起始，高频可以达到700MHz以上；具有0.3～2μs量级的极短的上升时间，由于压阻式压力敏感元件可以采用半导体集成电路工艺制作，所以具有良好的一致性和批量生产能力；由于它的弹性元件和敏感元件都是单晶硅片，所以便于齐平安装，使器件能充分发挥出元件的良好频响特性，由于压阻式传感器它的输出信号是直流电压，信号调理电路技术成熟、可以使传感器有良好的性能价格比。
权利要求
1.一种压阻式自由场压力传感器，由敏感组件、调理电路、输出电缆以及传感器外壳组成，其特征在于，该传感器外壳采用流线体结构，该敏感组件采用硅压阻式组件，该敏感组件齐平安装于该传感器前端区域，并通过安装于传感器腔体内的该调理电路外接到该输出电缆。
2.如权利要求1所述的一种压阻式自由场压力传感器，其特征在于，该敏感组件为，具有惠斯通电桥结构的硅敏感元件(2)之正面敏感部外的区域裸露出单晶硅衬底(15)，并与PYREX玻璃固支环(3)静电封接后形成硅敏感芯座，该硅敏感芯座之金属化层(18)通过特制的金丝球焊机焊接金丝内引线(6)，该玻璃固支环的端面与安装于该传感器腔体前端区域的芯座架(5)固定，并使该敏感元件之背面作为受压面与该传感器外壳表面齐平安装而该硅敏感元件之正面连通该传感器腔体，该芯座架同时固定转接板(4)，而该内引线另一端焊接于该转接板，与该内引线对应端的该转接板部位焊接有转接线(7)，该转接线另一端作为该调理电路输入端。
3.如权利要求2所述的一种压阻式自由场压力传感器，其特征在于，该惠斯通电桥之应变电阻(17)具有低于1KΩ的低阻值。
4.如权利要求1或2所述的一种压阻式自由场压力传感器，其特征在于，该调理电路由温度补偿电路和高频宽带放大电路组成，并一体化安装于调理电路板(9)，该调理电路板通过固板架(8)固定于该传感器腔体内，该高频带宽放大电路由两级放大电路组成，第一级放大电路采用单位增益带宽高至800KHz的放大器AD8221利用其5倍的放大倍率，第二级放大电路采用单位增益带宽高至30MHz的放大器OP37和10-40倍的放大倍率，该高频带宽放大电路具有高达100KHz的带宽和小于1μS的上升时间及极低的噪声。
5.如权利要求1或2所述的一种压阻式自由场压力传感器，其特征在于，该输出电缆具有保护套(13)及在该保护套和输出电缆间装有绝热填充料(14)的结构。
6.如权利要求5所述的一种压阻式自由场压力传感器，其特征在于，该输出电缆依次穿套压线帽(12)、防护套(13)、绝热填充料(14)和防护帽，该压线帽旋固于该管帽尾部，该防护帽旋固于该压线帽。
7.如权利要求2所述的一种压阻式自由场压力传感器，其特征在于，该传感器外壳由前端呈锐角圆锥型的流线基座(1)和旋固于该流线基座尾部的管冒(10)组成，并形成该传感器腔体，位于该流线基座之前端1/3～2/5区域通过该芯座架齐平安装该硅敏感元件，该传感器外壳采用不锈钢或合金铝制成。
8.如权利要求2所述的一种压阻式自由场压力传感器，其特征在于，该硅敏感元件之圆形面为Φ2mm或Φ4mm，该玻璃固支环内径为Φ2mm或Φ4mm而相应外径为Φ5mm～Φ6mm或Φ7mm～Φ8mm，该金丝内引线为Φ25μm～Φ40μm，惠斯通电桥之引出点为Φ2mm或Φ4mm的力敏区，该流线基座之锥头呈30°～45°而该管帽直径选为Φ20～Φ40mm。
全文摘要
一种压阻式自由场压力传感器由敏感组件、调理电路、电缆以及传感器外壳组成，传感器外壳为流线体结构，敏感组件为硅压阻式组件，敏感组件之受压面与传感器外表面齐平安装而背压面通过安装于传感器腔体内的调理电路外接到电缆，敏感组件为具有惠斯通电桥硅敏感元件之正面连通传感器腔体，调理电路由温度补偿电路和高频宽带放大电路组成，电缆具有保护套及在保护套和电缆间装有绝热填充料，传感器外壳由呈锐角圆锥型的流线基座和旋固于流线基座尾部的管冒组成，本发明将成熟的硅压阻式压力传感器引入爆炸力学研究领域，制作了压阻式自由场压力传感器，具有一致性好、廉价、低频特性好、信号处理简单、方便等特点。
文档编号G01L1/18GK1828246SQ20051003798
公开日2006年9月6日 申请日期2005年3月4日 优先权日2005年3月4日
发明者王文襄, 王善慈, 谢维钦, 许广军, 李济顺, 王冰 申请人:昆山双桥传感器测控技术有限公司