箔式镱大量程压力传感器的设计与制作

一、引言

镱是一种具有压阻特性的稀有金属，同锰铜、碳等压阻材料相比，其压阻系数灵敏度非常高，可达8.7%／kbar，是锰铜的30多倍，碳的2倍；同时，其温度电阻系数低，电阻率变化与冲击波压力间呈良好的线性关系，且在非平面流动条件下由元件受拉所引起的电阻变化也不显著，是制作大量程压力敏感器件的一种较理想的压阻材料。在研究冲击波、爆炸力学效应、冲击碰撞以及高静水压力的测试中，其都有广泛的应用前景。

用镱材料研制压力传感器是近三十年发展起来的新技术，自1970年Keough首先提出并制作出镱压力传感器以来，国内外先后研制了数种型号的镱压力传感器，而且成功地测得了爆炸冲击中凝灰岩的应力以及射弹侵彻混凝土过程中的动应力等，测量达到的最大峰值压力约1.4GPa，压力上升时间从几微秒到几百微秒。

镱压力传感器有箔式和膜式两种，箔式是由镱箔片切割或腐蚀而成，敏感体的电阻只有几欧姆，为了获得较大信号输出，一般采用大电流脉冲恒流源供电，使用不便；膜式一般是通过蒸镀的方法制作的，蒸镀的镱薄膜可以做得很薄，但是附着能力差，很容易损坏，其寿命只有微秒量级，测试结果的可靠性无法保证。我们研制了一种箔式镱压力传感器，它体积小、频响高、敏感体电阻值高（>30Ω），采用常规电源供电，能够重复使用，并取得了良好的测试效果。

二、传感器的工作原理

镱材料作为传感器敏感元件具有明显的压阻特性，在压力为0.1MPa至3GPa～4GPa时，镱电阻明显增加，而在静水压力下，其最大电阻变化可达到初始值的23倍。镱敏感元件受到压力后的电阻值变化是通过电阻率的改变来实现的，这与一般电阻应变片的工作原理不同。镱敏感栅的敏感方向为其厚度方向，可将垂直作用于其上的压力直接转换成电阻值的变化量，这种工作原理使传感器工作不依赖弹性体的变形，与应变式传感器相比，大大提高了传感器的响应速度和固有频率。

与应变片的制作工艺相似，镱敏感栅是将纯度很高的金属镱先压制成厚度很薄的镱箔，然后再用一定的工艺做成某种形状。箔式的压阻材料在受到压力作用时，其电阻率可以用下式表示：

                        （1）

式中，ρ0—初始电阻率；P—压力；K—镱的压阻系数，它与材料的成分及传感器形状有关。假定在严格的一维应力波作用下，镱格栅的厚度不发生变化，受压缩的只是镱格栅的侧面尺寸，即只有横截面积A随压力而变化，此时有：

                             （2）

式中，A、A0—压缩前后的截面积；V、V0—压缩前后的体积。

由（1）、（2）式有：

   （3）

即：                     （4）

由（3）、（4）可知，在一维压缩情况下，镱的电阻率相对变化和电阻值的相对变化都仅仅是压力的函数，又因镱敏感栅的体积变化很小，则（4）式还可进一步简化为：

                  （5）

因此，只要测出镱的压阻系数K，根据测得的就可以直接得出被测压力。如果传感器采用恒流源供电，则镱敏感元的输出压力信号P可表示为：

         （6）

式中，ΔU、U₀—电源对传感器供电后传感器上的电压增量与初始电压。这样，传感器的压力测试就转化为传感器电压增量与初始电压的比值的测试，测试工作大为简化。

三、镱压力传感器的设计要点

1、镱材料的选用

对于金属压阻材料，材料的纯度越高其压阻系数也越大，因而敏感材料宜选用材料纯度较高的金属，为此我们选用了纯度达到99.9%镱材料。为了使传感器的频响尽量高，压阻敏感材料应尽量薄，但是考虑到镱材料的延展性较差，传感器容易损坏以及为了克服蒸镀或溅射方法所形成的膜片不均匀等原因，我们选用了0.05mm厚的镱箔。

2、镱敏感元件初始电阻及其结构设计

由（6）式可知，传感器的电压增量有以下关系：

         （7）

式中，l—敏感栅长度；A—敏感栅横截面积；r—镱材料的电阻率。

由上式可见，欲用常规电源供电，并使输出信号尽量大，则必须增大敏感元件的初始电阻值，也就是增加敏感栅的长度和减小敏感栅横截面面积。而敏感栅长度的增加必然会使整个敏感元件面积增大，这同传感器设计中应使敏感面积尽量小的原则相矛盾，因此，合理地设计敏感元件的初始电阻阻值，使传感器达到最优化成为该传感器设计的关键。

我们使初始电阻约为30W，在测试电路电流为100mA的情况下，保证了传感器在1MPa压力下，传感器约有2mv以上输出。

3、镱压力传感器结构及减小横向灵敏度的考虑

该传感器主要用于岩石、混凝土类介质中的压力测试。考虑到传感器与介质之间的匹配关系以及大压力环境下的测试特点，镱敏感栅粘接固定在不锈钢片上，整个镱敏感元件部分采用聚酯胶膜双面封装，传感器的引线外加装套管保护，以减小传感器在测试过程中引线的损坏。

传感器的横向灵敏度是传感器的一个重要指标，定义为在传感器敏感轴垂直的任一方向上受到单位激励时，传感器获得的信号输出量。传感器的横向效应性能指标通常以横向灵敏度比来衡量。

传感器在实际使用时，经常处于复杂的应力场中，传感器不仅要感受所要测量的压力，还会受到其它方向（比如垂直与被测压力的方向）上的压力的影响。因此，在设计传感器时，要尽量考虑减小传感器在非被测方向的灵敏度。

在设计传感器时，将镱敏感栅粘贴固定在刚度比镱材料大的多的不锈钢基底材料上。不锈钢材料的弹性模量为2.1×10⁵MPa，而镱材料的弹性模量为1.2×10⁴MPa，这样在受到相同的应力时，由于敏感元件固定在不锈钢材料上，由不锈钢传递到敏感元件上的应变要比敏感元件直接感受此应力所产生的应变小17.5倍，也就是说，这样设计的传感器在横向上的灵敏度要比直接利用镱敏感栅作传感器的灵敏度小17.5倍。

四、传感器的加工工艺

镱压力传感器的敏感元件是镱敏感栅，镱敏感栅的加工也就成为镱压力传感器研制的关键。由于镱属于稀土金属，应用很少，国内对其机械加工特性和物理特性了解甚少，因此，在镱传感器制作的每一步中都充满了困难。

首先是镱箔的制取，由于金属镱的延展性不好，在轧制的过程中极易发生断裂现象，加之化学性能活泼，易氧化，这就给镱箔的轧制加工带来了困难。我们与湖南稀土金属研究所通过多次试验，在小型轧机上通过冷轧分多次碾压的方法解决了0.05mm厚镱箔材加工的问题。此外，加工好的镱箔材还必须采用碱性溶液进行表面处理，并进行清洁等以保证镱箔材表面干净平整，以利于光刻腐蚀和与基底胶的粘结。而且，由于传感器是在大压力条件下使用，基底胶膜要粘接力大、弹性模量高，在高压下能保持高绝缘度，涂制后表面光滑平整。通过反复的试验和比较，我们最终选用了聚酰亚氨胶膜，其强度高、粘接牢固。

其次是镱敏感栅的腐蚀成形，由于镱金属元素化学性质非常活泼，通常应用于应变片的三氯化铁腐蚀液等对镱箔已经不起作用。通过对有关资料的分析和试验，我们发现酒精与盐酸的混合液作为镱材的腐蚀液具有很好的效果。经过反复试验，多次改变配方，变换溶液的浓度和温度，我们最终找到了镱箔的腐蚀控制方法。

最后是敏感栅的引线焊接。镱箔不易焊接，无法利用锡焊的办法焊接引线，我们曾尝试了多种方法，如尝试在引线焊接处电镀上一层铜，再进行焊接，但由于镱的化学性质比要电镀的材料更活泼而使电镀无法进行；采用导电胶粘接引线，国内外生产的导电胶都进行过试验，这方法虽然能够联通导线，但粘接处的电阻较大，而且在标定过程中，当压力增大到一定值后，电阻值有突然减小的现象，因此这种方法可靠性差，不能采用。

最后通过反复调研和请教国内焊接方面的专家，终于找到了利用铟基焊料采用刮擦焊的方法。铟和镱一样同属稀土元素，它具有非常良好的物理和润湿性质，可能是降低锡合金熔点的最有效成分，例如有一种铟锡合金焊料其熔点只有114℃，而且焊料可以得到理想的机械、电气和热性能。基于这些原因，铟合金可能在这一特定场合是一个比较好的选择。

五、结束语

该镱压力传感器经过了静态标定、霍普金森杆和空气炮上的动态标定、横向效应试验、冲击加速度试验、温度影响试验、匹配试验等系统检验。试验结果表明：该镱压力传感器适合于爆炸冲击等条件下的大压力测试，并且具有量程范围宽，过载能力强，与混凝土等岩土介质匹配性能好及结构简单、使用方便等优点。该传感器在混凝土化爆大压力测试中得到了实际应用，也取得了满意的效果。