薄膜式錳銅傳感器的超高壓力標定

l　引言
　現有的錘銅傳感器通常采用箔式結構，有機材料封裝(如PTFE、PI等)。由于聚合物在數十GPa的高壓下絕緣性能急劇退化，形成旁路，限制了鍾銅計測壓上限的提高[1]。Al203、MgO、溶融石英等無機材料[2]與囊合物相比，具有更好的高壓絕緣性能，是一種理想的封裝材料。但在通常的銷式結構中，由于必須使用樹脂進行粘接，其有效量程限于20GPa以下。
　本文嘗試用薄膜技術對傳統的箱式鍾銅計進行改進，實現了錘銅敏感元件在Al2O3基體內的無膠封裝。在壓力高達107GPa的沖擊加載條件下，未觀察到明顯的旁路存在。初步標定曲線近擬于一條直線，壓阻系數為0.0198±0.0002GPa-1。以上結果驗證了該種薄膜錳銅對100GPa以上超高壓力進行直接測量的可監聽性。
2　實驗
　薄膜式鍾銅傳感器的制作分為兩步：首先在經拋光處理的0.6~0.8mm厚的96%Al203基板上用磁控濺射法沉積錘銅薄膜[3]和銅電極。其中鍾銅薄膜為直條形，尺寸為5.4×1mm，厚度約為3.2μm。銅電極為四引線單端引出π型，厚度約為4.1μm。
　第二步為封裝層的制備。采用電子束蒸發法在敏感元件上沉積Al203薄膜，蒸發原料同樣選用96%Al203陶瓷。試驗中分別沉積了4.8、10.4和18μm三種膜厚以進行比較。
　利用中國工程物理研究院流體物理研究所的一臺φ35mm口徑的二級輕氣炮，對上述傳感器進行了高壓加載測試。試驗中，鍾銅計采用后置式結構，即把傳感器夾在銅靶板和一塊厚約8mm的96%Al203陶程之間。
3　結果與討論
　表1列出了最初四次試驗的結果。其中陶瓷的密度3.58g/cm3由阿基米德定律測出，其雨貢紐參數采用文獻[4]給出的數據：C0=7.44km/s，λ=1.15。

表1　　沖擊加載測試結果

圖1 錳銅計記錄的典型應力波形圖（試驗20-71）

　試驗20－71所得應力波形如圖1所示。盡管Cu靶中的應力高達107GPa，壓阻信號在B點到C點之間呈現出一個較完好的平臺，沒有出現大幅度的衰減，說明無明顯的旁路存在。試驗中同時安裝了兩個傳感器，二者的壓阻系數相差不到3%，壽命，響應時間等指標上基本雷同，表現出良好的重復性。
　圖1中，Al203薄膜封裝層的厚度為10.4μm，傳感器完整地記錄下了加載和卸載的全過程。而在試驗20－70中，盡管壓力低一些，但由于Al203薄膜的厚度只有4.8μm，所得波形在卸載完畢前已呈開路狀態。可見，為保障傳感器具有足夠長的壽命，絕緣封裝層應厚一些為好。
　由以上試驗結果得到如圖2所示的標定曲線。該曲線近似為一直線，壓阻系數為0.0198±0.002GPa-1，比Safa等人[5]和施尚春等人[6]研制的薄膜鍾銅計的壓阻系數0.0106GPa-l高出近1倍。這些薄膜鍾銅計皆采用在位式結構，其中Safa等人的傳感器所測的最高壓力僅為1.2GPa。而施尚春等人雖進行了5~56GPa的標定，但其傳感器的一面采用膠粘PTFE進行封裝，并沒有根除高壓旁路效應。

圖2 薄膜錳銅計的標定曲線

　采用最小二乘法對表1中的數據進行多項式擬合，得標定公式為：
　p(GPa)=6.0371+29.819(ΔR/R0)+21.591(ΔR/R0)2-6.8267(ΔR/R0)3
4　結論
　本文研究的薄膜式鍾銅傳感器，由于采用Al203封裝，后置式結構，杜絕了高壓旁路效應，將傳感器的高壓礎上限拓展到100GPa以上。同時，傳感器還具有響應快、靈敏高、一致性好等特點，為人們對超高壓力進行直接測量提供了有力的分析手段。