一种用于海水深度测量的薄膜压力传感器及其制备方法与流程

本发明主要涉及压力传感器，具体涉及一种用于海水深度测量的薄膜压力传感器及其制备方法。

背景技术：

1、压力传感器由于生产制备工艺成熟、可靠性高、成本低，常用于深海长时间巡航装备深度测量，通过测量压力来感知装备当期所有海洋深度，对装备下潜和上浮起到控制作用。目前，常用的几种压力传感器主要有以下缺点：

2、第一种是陶瓷电容式传感器，这种传感器通过压力作用使陶瓷平膜片产生相对位移，电容器的电容量发生相应的变化。陶瓷电容式传感器量程范围宽，温度漂移小，但对微小电容变化检测的电路较为复杂，抗振动、冲击等恶劣环境能力较差，可以满足海水腐蚀性要求，却常由于海水暗涌、冲击等因素发生破裂，环境可靠性较低。

3、第二种是硅压阻压力传感器，外界压力通过隔离膜片传递给介质硅油，再传递给硅油内部的压敏芯片，压敏芯片电桥变化反应出当前压力。为了满足海水环境使用要求，采用波纹膜片镀金或者钽合金材质的波纹膜片。在结构材料上，隔离膜片选用钽合金、316ti、316 不锈钢镀金等，壳体选用哈氏合金、316l不锈钢等，来提高抗腐蚀能力。这种封装方式需要将压敏芯体的压环、隔离膜片、壳体融焊在一起，焊接处常常容易引起微生物腐蚀，长时间导致材料退化，焊缝开裂,且隔离膜片厚度极其薄，长时间海洋环境引起其点蚀易使其失效。

4、第三种是薄膜压力传感器，在设计上，通过平膜片的理论公式结合小扰度理论、非线性、过载能力等指标求得量程与膜片厚度的关系。实际加工制备过程中，弹性元件背腔内边缘倒角的影响不能忽略，该倒角太小，容易因应力集中成为而发生屈服。倒角太大，牺牲了膜片的拉、压应变而降低了灵敏度。在设计上，传统的薄膜压力传感器较少考虑海水腐蚀对其影响。长时间的海水腐蚀将使弹性元件的膜片半径变大、膜片厚度变小。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种降低非线性、提高灵敏度的用于海水深度测量的薄膜压力传感器及其制备方法。

2、为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

3、一种用于海水深度测量的薄膜压力传感器，包括弹性元件，所述弹性元件上依次设有绝缘膜层、功能膜层、保护膜层以及电极膜层；所述弹性元件背腔中部设有凸岛，所述弹性元件背腔的周侧设有倒角；所述功能膜层包括测压的应变电阻、测温电阻和灵敏度温度补偿电阻。

4、优选地，所述应变电阻包括外应变电阻和内应变电阻，所述外应变电阻3a布置在压应变最大区，所述内应变电阻布置在拉应变最大区。

5、优选地，所述外应变电阻和内应变电阻对称分布在功能膜层表面；两个外应变电阻及两个内应变电阻组成开环惠斯通电桥，串联电阻对传感器零点进行补偿。

6、优选地，所述测温电阻和灵敏度温度补偿电阻布置在非应变区。

7、优选地，所述绝缘膜层为ta2o5和sio2形成的复合绝缘介质膜层。

8、本发明还公开了一种基于如上所述的用于海水深度测量的薄膜压力传感器的制备方法，包括倒角设计：在进行倒角时，根据最大扰度、最大非线性误差和最大综合应力公式，给定非线性、过载倍数设计指标，求得压力量程 p与膜片半径、膜片厚度 h的关系；建立有限元分析模型，分析不同倒角情况下最大应力变化；其中倒角最佳设计值为最大应力刚好为许用应力时对应的倒角尺寸。

9、优选地，对应最大扰度、最大非线性误差和最大综合应力公式分别为：

10、最大扰度公式为：

11、

12、其中， p为作用在膜片上的均布压力， μ为材料的泊松比， r0为膜片半径， e为材料的弹性模量， h为膜片厚度；

13、最大非线性误差公式为：

14、

15、最大综合应力公式为：

16、。

17、优选地，还包括凸岛设计：建立不同凸岛直径的有限元分析模型，求得弹性元件表面的径向应力和扰度；将扰度值代入最大非线性误差公式求得此时的非线性设计值；凸岛最佳设计值为在最大拉、压径向应力牺牲较少的前提下，可显著降低其非线性值时对应的凸岛直径值。

18、优选地，包括弹性元件设计：在满足设计要求的前提下，使膜片厚度 h、膜片半径 r0尽可能大，使海水腐蚀对非线性、灵敏度的影响最小。

19、优选地，还包括应变电阻布置：建立弹性元件有限元模型，提取径向方向的径向应变、切向应变和扰度曲线，寻求对应膜片上的坐标位置，该位置为最大非线性区，应变电阻布置时应避开；应变电阻布置在径向应变最大值对应的坐标位置。

20、与现有技术相比，本发明的优点在于：

21、本发明通过在弹性元件背腔中增加凸岛，在降低拉、压应力及其微弱的情况下，即基本不牺牲灵敏度的前提下，极大的降低其最大扰度，从而降低非线性；在倒角、凸岛影响下，弹性元件最大应力区、最大非线性区发生变化，通过借助有限元仿真分析方法，求得其应力应变、扰度分布，将电阻布置在最大应力区、避开最大非线性区，从而实现提高灵敏度，降低非线性要求。

技术特征：

1.一种用于海水深度测量的薄膜压力传感器，其特征在于，包括弹性元件（1），所述弹性元件（1）上依次设有绝缘膜层（2）、功能膜层（3）、保护膜层（4）以及电极膜层（5）；所述弹性元件（1）背腔中部设有凸岛（1b），所述弹性元件（1）背腔的周侧设有倒角（1a）；所述功能膜层（3）包括测压的应变电阻、测温电阻（3c）和灵敏度温度补偿电阻（3d）。

2.根据权利要求1所述的用于海水深度测量的薄膜压力传感器，其特征在于，所述应变电阻包括外应变电阻（3a）和内应变电阻（3b），所述外应变电阻（3a）布置在压应变最大区，所述内应变电阻（3b）布置在拉应变最大区。

3.根据权利要求2所述的用于海水深度测量的薄膜压力传感器，其特征在于，所述外应变电阻（3a）和内应变电阻（3b）对称分布在功能膜层（3）表面；两个外应变电阻（3a）及两个内应变电阻（3b）组成开环惠斯通电桥，串联电阻对传感器零点进行补偿。

4.根据权利要求1或2或3所述的用于海水深度测量的薄膜压力传感器，其特征在于，所述测温电阻（3c）和灵敏度温度补偿电阻（3d）布置在非应变区。

5.根据权利要求1或2或3所述的用于海水深度测量的薄膜压力传感器，其特征在于，所述绝缘膜层（2）为ta2o5和sio2形成的复合绝缘介质膜层。

6.一种基于权利要求1-5中任意一项所述的用于海水深度测量的薄膜压力传感器的制备方法，其特征在于，包括倒角（1a）设计：在进行倒角（1a）时，根据最大扰度、最大非线性误差和最大综合应力公式，给定非线性、过载倍数设计指标，求得压力量程p与膜片半径、膜片厚度h的关系；建立有限元分析模型，分析不同倒角（1a）情况下最大应力变化；其中倒角（1a）最佳设计值为最大应力刚好为许用应力时对应的倒角（1a）尺寸。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，对应最大扰度、最大非线性误差和最大综合应力公式分别为：

8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，还包括凸岛（1b）设计：建立不同凸岛（1b）直径的有限元分析模型，求得弹性元件（1）表面的径向应力和扰度；将扰度值代入最大非线性误差公式求得此时的非线性设计值；凸岛（1b）最佳设计值为在最大拉、压径向应力牺牲较少的前提下，可显著降低其非线性值时对应的凸岛（1b）直径值。

9.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，包括弹性元件（1）设计：在满足设计要求的前提下，使膜片厚度h、膜片半径r0尽可能大，使海水腐蚀对非线性、灵敏度的影响最小。

10.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，还包括应变电阻布置：建立弹性元件（1）有限元模型，提取径向方向的径向应变、切向应变和扰度曲线，寻求对应膜片上的坐标位置，该位置为最大非线性区，应变电阻布置时应避开；应变电阻布置在径向应变最大值对应的坐标位置。

技术总结本发明公开了一种用于海水深度测量的薄膜压力传感器及其制备方法，薄膜压力传感器包括弹性元件，所述弹性元件上依次设有绝缘膜层、功能膜层、保护膜层以及电极膜层；所述弹性元件背腔中部设有凸岛，所述弹性元件背腔的周侧设有倒角；所述功能膜层包括测压的应变电阻、测温电阻和灵敏度温度补偿电阻。本发明通过弹性元件材料选型、凸岛结构设计、温度补偿等方法，提升耐腐蚀性能、提高灵敏度、降低非线性，提高精度、降低温漂、满足深海长时间测量的使用要求。技术研发人员：王栋,张龙赐,周国方,蓝镇立,余浪受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第四十八研究所技术研发日：技术公布日：2024/12/12