薄膜式锰铜传感器的超高压力标定

l　引言
　现有的锤铜传感器通常采用箔式结构，有机材料封装(如PTFE、PI等)。由于聚合物在数十GPa的高压下绝缘性能急剧退化，形成旁路，限制了锺铜计测压上限的提高[1]。Al203、MgO、溶融石英等无机材料[2]与囊合物相比，具有更好的高压绝缘性能，是一种理想的封装材料。但在通常的销式结构中，由于必须使用树脂进行粘接，其有效量程限于20GPa以下。
　本文尝试用薄膜技术对传统的箱式锺铜计进行改进，实现了锤铜敏感元件在Al2O3基体内的无胶封装。在压力高达107GPa的冲击加载条件下，未观察到明显的旁路存在。初步标定曲线近拟于一条直线，压阻系数为0.0198±0.0002GPa-1。以上结果验证了该种薄膜锰铜对100GPa以上超高压力进行直接测量的可监听性。
2　实验
　薄膜式锺铜传感器的制作分为两步：首先在经抛光处理的0.6~0.8mm厚的96%Al203基板上用磁控溅射法沉积锤铜薄膜[3]和铜电极。其中锺铜薄膜为直条形，尺寸为5.4×1mm，厚度约为3.2μm。铜电极为四引线单端引出π型，厚度约为4.1μm。
　第二步为封装层的制备。采用电子束蒸发法在敏感元件上沉积Al203薄膜，蒸发原料同样选用96%Al203陶瓷。试验中分别沉积了4.8、10.4和18μm三种膜厚以进行比较。
　利用中国工程物理研究院流体物理研究所的一台φ35mm口径的二级轻气炮，对上述传感器进行了高压加载测试。试验中，锺铜计采用后置式结构，即把传感器夹在铜靶板和一块厚约8mm的96%Al203陶程之间。
3　结果与讨论
　表1列出了最初四次试验的结果。其中陶瓷的密度3.58g/cm3由阿基米德定律测出，其雨贡纽参数采用文献[4]给出的数据：C0=7.44km/s，λ=1.15。

表1　　冲击加载测试结果

图1 锰铜计记录的典型应力波形图（试验20-71）

　试验20－71所得应力波形如图1所示。尽管Cu靶中的应力高达107GPa，压阻信号在B点到C点之间呈现出一个较完好的平台，没有出现大幅度的衰减，说明无明显的旁路存在。试验中同时安装了两个传感器，二者的压阻系数相差不到3%，寿命，响应时间等指标上基本雷同，表现出良好的重复性。
　图1中，Al203薄膜封装层的厚度为10.4μm，传感器完整地记录下了加载和卸载的全过程。而在试验20－70中，尽管压力低一些，但由于Al203薄膜的厚度只有4.8μm，所得波形在卸载完毕前已呈开路状态。可见，为保障传感器具有足够长的寿命，绝缘封装层应厚一些为好。
　由以上试验结果得到如图2所示的标定曲线。该曲线近似为一直线，压阻系数为0.0198±0.002GPa-1，比Safa等人[5]和施尚春等人[6]研制的薄膜锺铜计的压阻系数0.0106GPa-l高出近1倍。这些薄膜锺铜计皆采用在位式结构，其中Safa等人的传感器所测的最高压力仅为1.2GPa。而施尚春等人虽进行了5~56GPa的标定，但其传感器的一面采用胶粘PTFE进行封装，并没有根除高压旁路效应。

图2 薄膜锰铜计的标定曲线

　采用最小二乘法对表1中的数据进行多项式拟合，得标定公式为：
　p(GPa)=6.0371+29.819(ΔR/R0)+21.591(ΔR/R0)2-6.8267(ΔR/R0)3
4　结论
　本文研究的薄膜式锺铜传感器，由于采用Al203封装，后置式结构，杜绝了高压旁路效应，将传感器的高压础上限拓展到100GPa以上。同时，传感器还具有响应快、灵敏高、一致性好等特点，为人们对超高压力进行直接测量提供了有力的分析手段。