一、項目研制背景和意義

炸藥在空中爆炸時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重要參數，也是衡量彈藥特別是爆破及殺傷——爆破戰斗部損傷效果的一項重要指標，其準確測量具有重要的意義。爆轟物理試驗、炸藥和武器性能評價、意外爆炸災害評估中的一個重要測試參數就是爆炸壓力。從20世紀50年代和60年代起，隨著武器的發展和太空時代的到來，就對可測量震動波、爆炸、火箭燃燒不穩定性和彈道發射的高頻壓力傳感器提出了使用需求。本項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量。國內軍工單位，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行爆破威力測試和評估，市場需求量大，產品附加值高，開發爆炸壓力傳感器具有良好的經濟效益和社會效益。

二、項目研制的主要內容

1．產品要實現的主要技術要求：測量范圍：0～1000MPa；諧振頻率：≥500KHZ(隨機實驗)；上升時間：≤1.5μs(隨機實驗)；靈敏度：≥0.02mV/kPa(隨機實驗)；準確度：≤1.0%FS；工作溫度范圍：-25～+80℃

2．項目研制的主要內容：產品主要用來測量爆炸的壓力，測量量程大，量程上限為1000MPa，不能采用應變式的壓力計，需要改為壓阻式的傳感器。工作原理的改變，使得產品的開發從設計、結構、工藝等方面均需進行研制。針對產品研制的技術指標，本產品的設計開發的重點是工藝的研究。

研究爆炸應力效應以及高靜水壓力，國內外均采用錳銅絲或錳銅箔應變計制成的傳感器，錳銅壓阻計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小、壓阻特性好的特點，它的電阻變化與爆炸壓力間呈線性關系，錳銅材料本身到125GPa都不發生相變，原則上可測量100GPa以上的壓力，所以，該項目研制采用錳銅壓阻傳感器來實現爆炸的測量。但錳銅的電阻率低，其壓力靈敏系數也僅為2.7%/GPa，要獲得0.02mV/kPa以上的靈敏度要求，必須在工藝上進行研究，提高產品的電阻值，盡量提高產品的應變靈敏系數，減小溫度及其它環境條件對產品測量的影響。

三．項目研制方案、技術難度、解決途徑

1．關鍵技術：從原理上進行分析，本項目要解決的關鍵技術主要是：高量程（0～1000MPa）、高靈敏度（≥0.02mV/kPa）、高頻率（≥500KHZ）。傳感器的結構尺寸要求小。

2．初步總體設計方案：從原理上，本項目采用錳銅壓阻傳感器來實現，即通過錳銅電阻的電阻率的變化來測量壓力變化。從設計上主要是材料、結構和工藝三方面。

利用金屬的壓阻效應測量壓力，對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；為便于測量和分析，在動態壓力作用下，該材料不會出現相變；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是2×10-5/℃，比一般導體的溫度系數5×10-3/℃小兩個數量級，而且在動態壓力下不會發生相變，是符合高量程要求的最為理想的材料。在一維壓縮情況下，錳銅的電阻率相對變化和電阻值相對變化都僅僅是壓力的函數，ΔR/R=KP，式中K是錳銅的壓阻系數，它與材料成分及傳感器有關。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。

根據性能指標要求，要大于0.02mV/kPa，滿量程輸出要達到20V。用100mA的恒流源供電，電阻的變化值要達到200Ω。而錳銅的靈敏度系數僅為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到要求的靈敏度。

本項目中將采用薄膜式錳銅壓阻傳感器來實現大的靈敏度。壓阻傳感器的感壓面積應盡可能小，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，無法實現大的靈敏度輸出。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，在原理上可以實現大的靈敏度要求。通過這樣的方式設計，可以實現1000MPa的爆炸壓力的測量。

3．技術難度與解決途徑：針對各項技術指標，技術的難度主要在于工藝的實現與高頻響的設計。為實現產品的技術指標，在原理上，要重新根據尺寸要求與性能要求對柵條的位置與形狀進行設計，并確定光刻版圖；在工藝上，要重新試驗，確定鍍膜材料、鍍膜參數、鍍膜時間、光刻材料與參數；在結構上，要結合薄膜性能與設計要求，對基底材料與厚度進行設計，從而獲得高頻響的傳感器。

爆炸壓力傳感器是用于動態測量，其彈性敏感元件的固有頻率是極重要的參數。在本項目中，選用SiO2材料作為彈性元件，SiO2材料絕緣性好，質量較輕，但彈性模量與鋼相當，適合制作高頻率響應的傳感器。經理論計算，彈性元件尺寸為30×10×6mm時，完全能保證傳感器的頻率響應高于500kHz。而且這個尺寸有利于工藝制作。

為了保證足夠大的靈敏度輸出，在柵條電阻的設計上，設計薄膜總長度為400mm，寬40μm，厚度為0.5μm。經計算，設計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構尺寸、版圖的設計，理論上能保證錳銅薄膜壓阻傳感器能滿足預定設計要求。技術上的另一難點就是工藝上的實現。在工藝上，步驟與應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保護膜，在其上噴涂絕緣保護層。在外引導線上，因結構的緊湊，將采取大焊盤，再直接在膜層上外焊導線引出。

要獲得0.5μm厚度的錳銅薄膜，濺射的能量參數與濺鍍時間均必須經過大量的工藝試驗進行確定。而且各種工藝過程參數將影響錳銅薄膜的粘附性能、溫度性能、穩定性能、壓阻性能等，要獲得性能穩定、一致的錳銅薄膜，制造性能可靠、重復性好的錳銅壓阻傳感器，是研制中的重點與難點。需要大量的工藝摸索。在薄膜壓力傳感器的技術基礎上，進行新工藝研究，從原理、材料、工藝過程參數、結構等方面進行設計與試驗，應該可以獲得性能優良的錳銅壓阻傳感器。本文源自澤天傳感，版權所有，轉載請保留出處。