微压阻式传感器以及阵列结构测试板制造技术

本实用新型专利技术公开了微压阻式传感器以及阵列结构测试板。该微压阻式传感器包括支撑体，该支撑体上设有贯穿该支撑体的通孔；所述通孔包括同轴且从下至上依次连接的第一通孔、第二通孔和第三通孔，所述第一通孔和第三通孔为棱锥台形且横截面尺寸从下至上递增，所述第二通孔为棱柱形，在所述第二通孔的轴向并从下至上依次连接有薄膜、肋结构和块结构；所述肋结构包括两个分别与所述第二通孔的内壁连接的第一窄肋区以及依次设于所述两个第一窄肋区之间的宽肋区、第二窄肋区和宽肋区，所述第二窄肋区的宽度为第一窄肋区的宽度的两倍；所述第一窄肋区和第二窄肋区上集成有压电转化器；所述块结构包括两个底部形状与所述宽肋区形状匹配的单元块。

【技术实现步骤摘要】
微压阻式传感器以及阵列结构测试板
本技术涉及压力测试传感器
，具体而言，涉及微压阻式传感器以及阵列结构测试板。
技术介绍
高速列车表面的脉动压力是列车行驶时列车周围附近的湍流场形成的表面气压脉动值。脉动压力引起列车气动噪声与结构振动等问题。列车表面脉动压力幅值低、频带宽，测试要求对流场影响小，因而对测试传感器性能形状有较高的要求。目前高速列车空气动力学线路试验中，通常使用灵敏度较高、机械性能良好的微压阻式压力传感器。目前的大部分的空气动力学表面气压测试方法适用于车表时均压力测试，但对于在时均压力基础上正负几十帕波动的脉动压力，其存在明显的不足。传感器灵敏度在2mv/KPa左右时，根据最新数值模拟结果，高速列车在200km/h速度级下，脉动压力在1Pa以内波动，即体现为0.04mv的电压变化，电压可分辨范围过小，另外传感器受振动、热等系列干扰，以及微压情况下量化误差的影响，都会影响信号信噪比，阻碍脉动压力信号的测试与提取。目前低微压测试传感器方面，较为通用的是差压及表压传感器，国外已有量程250Pa的差压传感器产品，但是对于高速列车表面压力测试，由于列车的整体型要求，不允许在列车表面开孔测试，只能选取胶带粘贴在列车表面，若传感器尺寸过大则会严重影响脉动压力流场，因而目前的差压及表压传感器产品不符合形状尺寸要求。另外，脉动压力是依附于时均压力之上的，时均压力在大气压附近正负几千帕随车速及车身位置而改变，在此气压基础上体现脉动压力是一大难题。总得来说，高速列车脉动压力测试传感器结构设计需要满足三个方面要求，1、传感器要有较高的灵敏度，能体现1Pa级别的压力波动；2、传感器尺寸布置不能对流场有较大的干扰，尽可能保证传感器布置后流场保持原有的规律；3、传感器要有足够的量程，在特殊工况如明线会车、隧道通过时传感器量程能满足气压测试需求。对于传感器性能来说，此三个方面往往相互制约。一直以来，微压化都是传感器的一个主要研究方面，传感器结构亦经过了平膜-岛膜-梁膜三个阶段，灵敏度不断增加，但量程也在快速下降，目前传感器灵敏度超过50mv/KPa时，一般传感器量程低于1KPa，虽然对于脉动压力测试分辨率更高、更精确，但是列车运行时的时均压力已超过了传感器量程，且列车车身不同曲率半径不同工况下正负压情况不同，因此需综合考虑时均压力大于及小于大气压的情况。较高的灵敏度不仅会导致量程及线性度严重下降，还会增加传感器结构尺寸，影响脉动压力流场测试，因而对于脉动压力测试传感器结构性能要有一个良好的平衡。
技术实现思路
本技术的主要目的在于提供微压阻式传感器以及阵列结构测试板，以解决现有技术中量程和灵敏度难以同时优化的问题。为了实现上述目的，根据本技术的一个方面，提供了一种微压阻式传感器。该微压阻式传感器包括支撑体，该支撑体上设有贯穿该支撑体的通孔；所述通孔包括同轴且从下至上依次连接的第一通孔、第二通孔和第三通孔，所述第一通孔和第三通孔为棱锥台形且横截面尺寸从下至上递增，所述第一通孔和第三通孔的内壁相互平行，所述第二通孔为棱柱形，在所述第二通孔的轴向并从下至上依次连接有薄膜、肋结构和块结构；所述薄膜的四周与所述第二通孔的内壁连接；所述肋结构包括两个分别与所述第二通孔的内壁连接的第一窄肋区以及依次设于所述两个第一窄肋区之间的宽肋区、第二窄肋区和宽肋区，所述第二窄肋区的宽度为第一窄肋区的宽度的两倍；所述第一窄肋区和第二窄肋区上集成有压电转化器；所述块结构包括两个底部形状与所述宽肋区形状匹配并与所述宽肋区连接的单元块。本技术的薄膜在承受气压作用时产生应力并集中于压电转化器处，通过压阻效应将压力转化为电压变化输出。肋结构由宽肋区及窄肋区构成，应力通过薄膜传递到宽肋区，再集中于窄肋区，从而增强应力集中，提高灵敏度。块结构可以保证模型在减小膜厚以提高灵敏度的过程中，依旧保持较好的线性性能。薄膜下方空腔结构能使封装后的测试板形成一密闭压力腔，压力腔的压力值可作为基准，可测量大气压上下几千帕波动的表面压力。使用时，块结构朝外，测试灵敏度高。本技术的微压阻式传感器非常适用但是不限于高速列车表面脉动压力的测试。进一步地，所述压电转化器为掺杂三价硼离子形成的电阻。由此，使用效果最好。进一步地，所述第一窄肋区上集成有一个电阻，所述第二窄肋区上集成有两个电阻，四个电阻为条形且相互平行。由此，通过形成惠斯通电桥来使电阻变化转化为电压输出，转化效果更好。进一步地，所述支撑体和所述通孔的横截面均为正方形，所述通孔与所述支撑体同轴。由此，便于形成阵列结构。进一步地，所述微压阻式传感器的材质为单晶硅，所述压电转化器位于单晶硅的(100)晶面的(110)晶向。因为多晶硅的应变系数(压阻系数与弹性模量之积)比单晶硅小很多，因此单晶硅材料更能满足低微压压阻式传感器所需灵敏度的要求，当所述电阻位于单晶硅的(100)晶面的(110)晶向时，电阻的压阻系数最好。进一步地，所述第一通孔和第三通孔的内壁与所述支撑体底面的夹角为54.75°；所述单元块为棱锥台形且横截面尺寸从下至上递减，所述单元块的侧面与底面的夹角为54.75°。由此，便于加工。进一步地，所述微压阻式传感器为采用整体蚀刻制造而成的微压阻式传感器。由此，使用效果最好。进一步地，所述薄膜和所述肋结构的厚度相同。由此，应力的传递效果更好。进一步地，所述第一通孔的轴向长度为400-500μm。由此，能够形成大小适宜的密闭压力腔，便于测量波动性较大的表面压力。进一步地，所述薄膜厚度为5-15μm。由此，产生的应力最好。为了实现上述目的，根据本技术的另一个方面，还提供了一种阵列结构测试板。该阵列结构测试板包括由上述微压阻式传感器形成的阵列结构。使用时，将所述阵列结构进行传统的引线封装即可得到阵列结构测试板，根据期望测点位置及测点数量可进一步改进阵列结构分布(即微压阻式传感器的数量)。当测试列车的脉动压力时，根据列车测点位置板壁的形状厚度，将阵列结构测试板取代原板壁，能减少传感器布置对车外脉动压力流场的影响。利用风洞进行脉动压力测试试验时，阵列传感器测试信号通过列车底部及风洞引线孔连接至外部数据采集器，数据采集器通过信号线连接电脑。采用传感器阵列结构而摒弃单一传感器结构测试压力，不仅可以测取压力的空间变化信息，还能保证信号的可靠与全面性。可见，本技术的微压阻式传感器采用肋块结构，可将应力集中于肋上，提高灵敏度，并通过块结构在提高灵敏度的同时保证传感器的量程及线性性能，从而满足了脉动压力测试的传感器性能需求。本技术的阵列结构测试板的体积小，灵敏度高、量程宽，采用传感器阵列结构而摒弃单一传感器结构测试压力，不仅可以测取压力的空间变化信息，还能保证信号的可靠与全面性。下面结合附图和具体实施方式对本技术做进一步的说明。本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。附图说明构成本技术的一部分的附图用来辅助对本技术的理解，附图中所提供的内容及其在本技术中有关的说明可用于解释本技术，但不构成对本技术的不当限定。在附图中：图1为本技术微压阻式传感器的俯视图。图2为本技术微压阻式传感器的仰视图。图3为图本文档来自技高网...

【技术保护点】
微压阻式传感器，其特征在于：包括支撑体(1)，该支撑体(1)上设有贯穿该支撑体(1)的通孔；所述通孔包括同轴且从下至上依次连接的第一通孔(21)、第二通孔(22)和第三通孔(23)，所述第一通孔(21)和第三通孔(23)为棱锥台形且横截面尺寸从下至上递增，所述第一通孔(21)和第三通孔(23)的内壁相互平行，所述第二通孔(22)为棱柱形，在所述第二通孔(22)的轴向并从下至上依次连接有薄膜(3)、肋结构和块结构；所述薄膜(3)的四周与所述第二通孔(22)的内壁连接；所述肋结构包括两个分别与所述第二通孔(22)的内壁连接的第一窄肋区(41)以及依次设于所述两个第一窄肋区(41)之间的宽肋区(43)、第二窄肋区(42)和宽肋区(43)，所述第二窄肋区(42)的宽度为第一窄肋区(41)的宽度的两倍；所述第一窄肋区(41)和第二窄肋区(42)上集成有压电转化器(5)；所述块结构包括两个底部形状与所述宽肋区(43)形状匹配并与所述宽肋区(43)连接的单元块(6)。

【技术特征摘要】
1.微压阻式传感器，其特征在于：包括支撑体(1)，该支撑体(1)上设有贯穿该支撑体(1)的通孔；所述通孔包括同轴且从下至上依次连接的第一通孔(21)、第二通孔(22)和第三通孔(23)，所述第一通孔(21)和第三通孔(23)为棱锥台形且横截面尺寸从下至上递增，所述第一通孔(21)和第三通孔(23)的内壁相互平行，所述第二通孔(22)为棱柱形，在所述第二通孔(22)的轴向并从下至上依次连接有薄膜(3)、肋结构和块结构；所述薄膜(3)的四周与所述第二通孔(22)的内壁连接；所述肋结构包括两个分别与所述第二通孔(22)的内壁连接的第一窄肋区(41)以及依次设于所述两个第一窄肋区(41)之间的宽肋区(43)、第二窄肋区(42)和宽肋区(43)，所述第二窄肋区(42)的宽度为第一窄肋区(41)的宽度的两倍；所述第一窄肋区(41)和第二窄肋区(42)上集成有压电转化器(5)；所述块结构包括两个底部形状与所述宽肋区(43)形状匹配并与所述宽肋区(43)连接的单元块(6)。2.如权利要求1所述的微压阻式传感器，其特征在于：所述压电转化器(5)为掺杂三价硼离子形成的电阻。3.如权利要求2所述的微压阻式传感器，其特征在于：所述第一窄...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈春俊，周建容，李文明，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：新型
国别省市：四川,51