新結構錳銅壓力計可實現在高強衝擊下的超快響應

錳銅壓力計是一類特殊的壓力感測器，主要用於監測順勢衝擊應力波產生的超高壓力。目前常用的瞬時壓力計主要包括兩種：壓電式PVDF感測器和金屬箔式錳銅感測器。在實際的國防、軍事工業應用上，在對特殊壓力進行測試時，瞬時衝擊壓力可高達幾十GPa，應力脈衝前沿標準值為10~30ns，特殊情況下甚至小於1ns（高能脈衝激光）。現今常用的金屬箔式錳銅感測器測壓極限雖然可以達到50GPa左右，但其響應時間的典型值達50ns以上，遠遠超出了瞬時測爆裝置對響應時間的要求。壓電式PVDF感測器雖然可以提供10ns的響應時間極限，但其檢測極限被限制在35GPa以下，無法滿足於高強爆炸衝擊波的監測。

針對錳銅壓力計存在的局限，歷年來，瞬時壓力感測器領域的科學家不斷研發新思路，以提感測器的測壓極限以及響應時間。早在80年代初，美國洛斯-阿拉莫斯實驗室就提出了採用PTFE作為封裝層材料，全氟化乙丙烯作為粘接劑，有效地抑制了高壓旁路效應，獲得了約50GPa的動態高壓。但由於有機粘結劑和封裝材料在高壓下絕緣性迅速的衰減，使科學家不斷尋找高壓下仍能保持良好絕緣性、能有效抑制高壓旁路效應的封裝層材料。隨後，Barsis等人提出了用Al2O3陶瓷片作封裝材料，但由於樹脂粘結劑的使用，使得測試極限在15GPa以下，Al2O3絕緣材料也一度被人遺忘。

此外，在提高響應速度方面，主要考慮三個因素：一是盡量避免絕緣材料與測試材料的衝擊阻抗失配現象，二是減少上下兩層絕緣層的厚度，還有是改變感測器的安裝方式。但由於錳銅合金與絕緣材料的熱脹係數不同，過薄的錳銅箔會在熱壓封裝時起皺而失效。

基於對以上技術瓶頸，電子科學技術大學的微固學院引入了後置式感測器結構，有效地提高了錳銅壓力計的響應時間和測壓極限。如圖1.a所示，後置式結構是指將錳銅感測器夾在待測金屬片與基底之間，再採用具有相似動力學性能的材料作為封裝層，以避免應力波在界面間反射，極大地提高了感測器的響應速度。此外，當樣品與基底材料阻抗特性不匹配時，即衝擊應力在樣品與基底中不平衡，採用後置式結構可起到緩衝作用，有效降低了高壓旁路效應，提高壓力的測試上限。

為了進一步提高錳銅壓力計的測試極限，杜曉松等人採用Al2O3作為基底材料，為避免樹脂粘結劑的影響，採用磁控濺射技術在Al2O3基底上直接沉積一層2μm厚的銅錳金屬薄膜，極大地減小了錳銅壓力計的整體厚度，採用氧化鋁陶瓷作為絕緣材料對感測器進行封裝。同時，在安裝方式上，採用了反扣式結構（如圖1.2所示），即基板背對衝擊應力波入射方向，抑制了基底對感測器響應時間的延遲作用，進一步提高了感測器的響應速度。實驗測試，這種採用新結構的薄膜式錳銅高壓感測器在高於100GPa的高強衝擊下，可達到19~32ns的響應時間，實現了瞬時壓力感測器在高強衝擊下的超快響應測量。

圖1(a)後置式結構示意圖；(b)反扣式安裝結構示意圖

文獻鏈接：杜曉松.錳銅薄膜超高壓力感測器研究[D].電子科技大學,2002.

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！