[发明专利]压阻式高频动态土应力传感器及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种压阻式高频动态土应力传感器，特别涉及一种用于地下危险废弃物周边环境的土应力测量、化学爆炸冲击波以及地震波造成的土应力测量用传感器。

背景技术

核工业的迅速发展产生了大量的核废物，尤其是高放核废物，如何进行安全处置已成为日益紧迫需要解决的环境问题。目前，对于高放核废物处置一般采用深地质埋藏法，通过天然和人工屏障体系阻止核素的泄漏与迁移，达到高放核废物安全处置的目的。核爆炸或化学爆炸冲击波以及地震波可能会破坏高放核废物存放地的防护体系，因此有必要对周边土壤环境进行及时有效地监控。此外，核爆炸冲击波、深层贯彻炸弹也会对建筑物、建筑工事产生影响，这就要求土应力传感器具有较好的动态特性，能够及时并真实地反映产生的土应力分布。本发明基于MEMS（Micro Electro Mechanical System）微机械加工工艺制作的传感器，较常规同类型传感器具有更高的灵敏度，同时具有优良的动静态特性，能够适应多种领域的土应力测量。

传统的土应力传感器敏感组件通常是在单晶硅基片上利用氧化、扩散或离子注入掺杂、光刻等方法制作成的应变压敏电阻构成惠斯通电桥。采用贴片式结构的压阻敏感组件，缺点是器件直径大，频响低，上升时间较长，且传感器精度和长期稳定性较差，加工工艺复杂。

发明内容

本发明所要解决的第一方面的问题在于克服现有技术的传感器直径大、频响低及精度差等缺陷，提供一种具有高动态响应频率、强抗干扰、动态性能优良的压阻式高频动态土应力传感器。

本发明所要解决的第二方面的问题，提供上述压阻式高频动态土应力传感器中的应力敏感组件的制备方法。

为了解决上述第一方面的技术问题，本发明提供的技术方案是：一种压阻式高频动态土应力传感器，包括传感器壳体、应力敏感组件、信号调理放大电路和引出电缆，其特征在于，所述应力敏感组件包括基底—绝缘隔离层—应变电阻—绝缘保护层构成的结构；且所述应力敏感组件通过高硼硅玻璃封接于传感器壳体前端的固支台阶。

优选地，所述基底层为高杨氏模量的不锈钢膜片，所述传感器壳体由高质量日立合金制成，所述应变电阻为半导体应变电阻。

优选地，所述应变电阻为掺硼P型微晶硅应变电阻。

优选地，绝缘隔离层和绝缘保护层由二氧化硅绝缘材料制备而成。

优选地，所述应力敏感组件还包括设在应变电阻外周的调整电阻，作为备用补偿电阻。

为了解决上述第二方面的技术问题，本发明提供的技术方案是：应力敏感组件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）在基底层上用离子束溅射一层绝缘隔离层；

（2）在力敏区的绝缘隔离层上用化学气相沉积法制备掺硼P型微晶硅应变电阻，然后用光刻腐蚀工艺制作对应变敏感的电阻片，构成惠斯通电桥；

（3）用掩膜溅射方法制备一系列阻值不同的NiCr调整电阻和相应的金电极；

（4）用离子束溅射一层绝缘保护层。

优选地，掺硼P型微晶硅可由PECVD或ICP化学气相沉积法制备。

优选地，绝缘隔离层（2）和绝缘保护层（5）由二氧化硅绝缘材料制备而成。

本发明根据敏感材料层、绝缘层、过渡匹配层及封装结构设计的特点和差异，灵活选择磁控溅射、离子束溅射、PECVD和微图形实现等MEMS技术或同时采用两种及两种以上技术制作的新型动态力敏土应力传感器，具有高动态响应频率、强抗干扰、上升时间亚微秒级、高量程、动态性能优良的压阻式高频动态土应力传感器。

本发明的优点是：本发明中的土应力高频动态传感器的敏感组件基底采用高杨氏模量的不锈钢，可直接感受周围土体的应变压力，有效提高了应力敏感组件的精度、固有频率和长期稳定性。该传感器利用压阻原理实现应力—电信号之间的转换，采用溅射、微图形化实现等MEMS微机械加工技术制成掺硼P型微晶硅压阻力敏元件，因而敏感组件尺寸小（直径为Φ15mm至Φ30mm，厚度不大于该外形直径的1/2）、刚度高，固有频率在500KHz至2.5MHz，上升时间为微秒至亚微秒级，检测应力应变灵敏度可达0.1个微应变以下。该传感器敏感组件集成有应变电阻和调整电阻，有效减小体积，简化了加工工艺，降低制作成本，容易实现大批量生产，提高了产品性价比和市场竞争力。

附图说明

图1为本发明压阻式高频动态土应力传感器的结构示意图。

其中：