一、引言

鐿是一種具有壓阻特性的稀有金屬，同錳銅、碳等壓阻材料相比，其壓阻系數(shù)靈敏度非常高，可達(dá)8.7%／kbar，是錳銅的30多倍，碳的2倍；同時(shí)，其溫度電阻系數(shù)低，電阻率變化與沖擊波壓力間呈良好的線性關(guān)系，且在非平面流動(dòng)條件下由元件受拉所引起的電阻變化也不顯著，是制作大量程壓力敏感器件的一種較理想的壓阻材料。在研究沖擊波、爆炸力學(xué)效應(yīng)、沖擊碰撞以及高靜水壓力的測(cè)試中，其都有廣泛的應(yīng)用前景。

用鐿材料研制壓力傳感器是近三十年發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，自1970年Keough首先提出并制作出鐿壓力傳感器以來(lái)，國(guó)內(nèi)外先后研制了數(shù)種型號(hào)的鐿壓力傳感器，而且成功地測(cè)得了爆炸沖擊中凝灰?guī)r的應(yīng)力以及射彈侵徹混凝土過(guò)程中的動(dòng)應(yīng)力等，測(cè)量達(dá)到的最大峰值壓力約1.4GPa，壓力上升時(shí)間從幾微秒到幾百微秒。

鐿壓力傳感器有箔式和膜式兩種，箔式是由鐿箔片切割或腐蝕而成，敏感體的電阻只有幾歐姆，為了獲得較大信號(hào)輸出，一般采用大電流脈沖恒流源供電，使用不便；膜式一般是通過(guò)蒸鍍的方法制作的，蒸鍍的鐿薄膜可以做得很薄，但是附著能力差，很容易損壞，其壽命只有微秒量級(jí)，測(cè)試結(jié)果的可靠性無(wú)法保證。我們研制了一種箔式鐿壓力傳感器，它體積小、頻響高、敏感體電阻值高（>30Ω），采用常規(guī)電源供電，能夠重復(fù)使用，并取得了良好的測(cè)試效果。

二、傳感器的工作原理

鐿材料作為傳感器敏感元件具有明顯的壓阻特性，在壓力為0.1MPa至3GPa～4GPa時(shí)，鐿電阻明顯增加，而在靜水壓力下，其最大電阻變化可達(dá)到初始值的23倍。鐿敏感元件受到壓力后的電阻值變化是通過(guò)電阻率的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這與一般電阻應(yīng)變片的工作原理不同。鐿敏感柵的敏感方向?yàn)槠浜穸确较?，可將垂直作用于其上的壓力直接轉(zhuǎn)換成電阻值的變化量，這種工作原理使傳感器工作不依賴彈性體的變形，與應(yīng)變式傳感器相比，大大提高了傳感器的響應(yīng)速度和固有頻率。

與應(yīng)變片的制作工藝相似，鐿敏感柵是將純度很高的金屬鐿先壓制成厚度很薄的鐿箔，然后再用一定的工藝做成某種形狀。箔式的壓阻材料在受到壓力作用時(shí)，其電阻率可以用下式表示：

                        （1）

式中，ρ0—初始電阻率；P—壓力；K—鐿的壓阻系數(shù)，它與材料的成分及傳感器形狀有關(guān)。假定在嚴(yán)格的一維應(yīng)力波作用下，鐿格柵的厚度不發(fā)生變化，受壓縮的只是鐿格柵的側(cè)面尺寸，即只有橫截面積A隨壓力而變化，此時(shí)有：

                             （2）

式中，A、A0—壓縮前后的截面積；V、V0—壓縮前后的體積。

由（1）、（2）式有：

   （3）

即：                     （4）

由（3）、（4）可知，在一維壓縮情況下，鐿的電阻率相對(duì)變化和電阻值的相對(duì)變化都僅僅是壓力的函數(shù)，又因鐿敏感柵的體積變化很小，則（4）式還可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

                  （5）

因此，只要測(cè)出鐿的壓阻系數(shù)K，根據(jù)測(cè)得的就可以直接得出被測(cè)壓力。如果傳感器采用恒流源供電，則鐿敏感元的輸出壓力信號(hào)P可表示為：

         （6）

式中，ΔU、U₀—電源對(duì)傳感器供電后傳感器上的電壓增量與初始電壓。這樣，傳感器的壓力測(cè)試就轉(zhuǎn)化為傳感器電壓增量與初始電壓的比值的測(cè)試，測(cè)試工作大為簡(jiǎn)化。

三、鐿壓力傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、鐿材料的選用

對(duì)于金屬壓阻材料，材料的純度越高其壓阻系數(shù)也越大，因而敏感材料宜選用材料純度較高的金屬，為此我們選用了純度達(dá)到99.9%鐿材料。為了使傳感器的頻響盡量高，壓阻敏感材料應(yīng)盡量薄，但是考慮到鐿材料的延展性較差，傳感器容易損壞以及為了克服蒸鍍或?yàn)R射方法所形成的膜片不均勻等原因，我們選用了0.05mm厚的鐿箔。

2、鐿敏感元件初始電阻及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由（6）式可知，傳感器的電壓增量有以下關(guān)系：

         （7）

式中，l—敏感柵長(zhǎng)度；A—敏感柵橫截面積；r—鐿材料的電阻率。

由上式可見(jiàn)，欲用常規(guī)電源供電，并使輸出信號(hào)盡量大，則必須增大敏感元件的初始電阻值，也就是增加敏感柵的長(zhǎng)度和減小敏感柵橫截面面積。而敏感柵長(zhǎng)度的增加必然會(huì)使整個(gè)敏感元件面積增大，這同傳感器設(shè)計(jì)中應(yīng)使敏感面積盡量小的原則相矛盾，因此，合理地設(shè)計(jì)敏感元件的初始電阻阻值，使傳感器達(dá)到最優(yōu)化成為該傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

我們使初始電阻約為30W，在測(cè)試電路電流為100mA的情況下，保證了傳感器在1MPa壓力下，傳感器約有2mv以上輸出。

3、鐿壓力傳感器結(jié)構(gòu)及減小橫向靈敏度的考慮

該傳感器主要用于巖石、混凝土類介質(zhì)中的壓力測(cè)試?？紤]到傳感器與介質(zhì)之間的匹配關(guān)系以及大壓力環(huán)境下的測(cè)試特點(diǎn)，鐿敏感柵粘接固定在不銹鋼片上，整個(gè)鐿敏感元件部分采用聚酯膠膜雙面封裝，傳感器的引線外加裝套管保護(hù)，以減小傳感器在測(cè)試過(guò)程中引線的損壞。

傳感器的橫向靈敏度是傳感器的一個(gè)重要指標(biāo)，定義為在傳感器敏感軸垂直的任一方向上受到單位激勵(lì)時(shí)，傳感器獲得的信號(hào)輸出量。傳感器的橫向效應(yīng)性能指標(biāo)通常以橫向靈敏度比來(lái)衡量。

傳感器在實(shí)際使用時(shí)，經(jīng)常處于復(fù)雜的應(yīng)力場(chǎng)中，傳感器不僅要感受所要測(cè)量的壓力，還會(huì)受到其它方向（比如垂直與被測(cè)壓力的方向）上的壓力的影響。因此，在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)，要盡量考慮減小傳感器在非被測(cè)方向的靈敏度。

在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)，將鐿敏感柵粘貼固定在剛度比鐿材料大的多的不銹鋼基底材料上。不銹鋼材料的彈性模量為2.1×10⁵MPa，而鐿材料的彈性模量為1.2×10⁴MPa，這樣在受到相同的應(yīng)力時(shí)，由于敏感元件固定在不銹鋼材料上，由不銹鋼傳遞到敏感元件上的應(yīng)變要比敏感元件直接感受此應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變小17.5倍，也就是說(shuō)，這樣設(shè)計(jì)的傳感器在橫向上的靈敏度要比直接利用鐿敏感柵作傳感器的靈敏度小17.5倍。

四、傳感器的加工工藝

鐿壓力傳感器的敏感元件是鐿敏感柵，鐿敏感柵的加工也就成為鐿壓力傳感器研制的關(guān)鍵。由于鐿屬于稀土金屬，應(yīng)用很少，國(guó)內(nèi)對(duì)其機(jī)械加工特性和物理特性了解甚少，因此，在鐿傳感器制作的每一步中都充滿了困難。

首先是鐿箔的制取，由于金屬鐿的延展性不好，在軋制的過(guò)程中極易發(fā)生斷裂現(xiàn)象，加之化學(xué)性能活潑，易氧化，這就給鐿箔的軋制加工帶來(lái)了困難。我們與湖南稀土金屬研究所通過(guò)多次試驗(yàn)，在小型軋機(jī)上通過(guò)冷軋分多次碾壓的方法解決了0.05mm厚鐿箔材加工的問(wèn)題。此外，加工好的鐿箔材還必須采用堿性溶液進(jìn)行表面處理，并進(jìn)行清潔等以保證鐿箔材表面干凈平整，以利于光刻腐蝕和與基底膠的粘結(jié)。而且，由于傳感器是在大壓力條件下使用，基底膠膜要粘接力大、彈性模量高，在高壓下能保持高絕緣度，涂制后表面光滑平整。通過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)和比較，我們最終選用了聚酰亞氨膠膜，其強(qiáng)度高、粘接牢固。

其次是鐿敏感柵的腐蝕成形，由于鐿金屬元素化學(xué)性質(zhì)非常活潑，通常應(yīng)用于應(yīng)變片的三氯化鐵腐蝕液等對(duì)鐿箔已經(jīng)不起作用。通過(guò)對(duì)有關(guān)資料的分析和試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)酒精與鹽酸的混合液作為鐿材的腐蝕液具有很好的效果。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，多次改變配方，變換溶液的濃度和溫度，我們最終找到了鐿箔的腐蝕控制方法。

最后是敏感柵的引線焊接。鐿箔不易焊接，無(wú)法利用錫焊的辦法焊接引線，我們?cè)鴩L試了多種方法，如嘗試在引線焊接處電鍍上一層銅，再進(jìn)行焊接，但由于鐿的化學(xué)性質(zhì)比要電鍍的材料更活潑而使電鍍無(wú)法進(jìn)行；采用導(dǎo)電膠粘接引線，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的導(dǎo)電膠都進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)，這方法雖然能夠聯(lián)通導(dǎo)線，但粘接處的電阻較大，而且在標(biāo)定過(guò)程中，當(dāng)壓力增大到一定值后，電阻值有突然減小的現(xiàn)象，因此這種方法可靠性差，不能采用。

最后通過(guò)反復(fù)調(diào)研和請(qǐng)教國(guó)內(nèi)焊接方面的專家，終于找到了利用銦基焊料采用刮擦焊的方法。銦和鐿一樣同屬稀土元素，它具有非常良好的物理和潤(rùn)濕性質(zhì)，可能是降低錫合金熔點(diǎn)的最有效成分，例如有一種銦錫合金焊料其熔點(diǎn)只有114℃，而且焊料可以得到理想的機(jī)械、電氣和熱性能?；谶@些原因，銦合金可能在這一特定場(chǎng)合是一個(gè)比較好的選擇。

五、結(jié)束語(yǔ)

該鐿壓力傳感器經(jīng)過(guò)了靜態(tài)標(biāo)定、霍普金森桿和空氣炮上的動(dòng)態(tài)標(biāo)定、橫向效應(yīng)試驗(yàn)、沖擊加速度試驗(yàn)、溫度影響試驗(yàn)、匹配試驗(yàn)等系統(tǒng)檢驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該鐿壓力傳感器適合于爆炸沖擊等條件下的大壓力測(cè)試，并且具有量程范圍寬，過(guò)載能力強(qiáng)，與混凝土等巖土介質(zhì)匹配性能好及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。該傳感器在混凝土化爆大壓力測(cè)試中得到了實(shí)際應(yīng)用，也取得了滿意的效果。