專利名稱：壓阻式土應力傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種土應力傳感器，特別是涉及一種硅壓阻式土應力傳感器。
背景技術：
所謂的土應力就是指土體(包括土壤、沙石、混凝土、山體、水壩的壩基、橋梁的橋基、道路的路基、樓房的房基等)在受到重物(包括樓房、橋梁、水庫的蓄水、公路上的車輛等)的壓迫、在其內部產生的應力。隨著科學技術的發(fā)展，尤其是建筑業(yè)的發(fā)展，促使人們對土體承載能力、土壤與結構物相互作用關系產生極大興趣。這就提出了如何準確地測量土應力問題。
國外早在1913年前后就著手研究土應力的測量，后來發(fā)展到各主要國家的運輸、水道、建筑、橋梁、工程、大學等部門都設立了相關的研究機構。國內大約從六十年代初期才著手研制，目前從土應力傳感器原理、結構形式來說有活塞式、變電阻式、變電容式、變磁阻式、壓電式、壓磁式、振弦式等。
硅壓阻式壓力傳感器誕生于20世紀50年代，以后隨著集成電路技術的成熟而開始實用化，隨著它的設計技術、信息處理技術和微機械加工技術的發(fā)展而不斷擴大其應用領域，但目前尚未將壓阻式壓力傳感器應用于土應力測量。
發(fā)明內容
為了彌補以上不足，本發(fā)明就是將成熟的硅壓阻式敏感元件引入到土應力力學研究領域，制作了壓阻式土應力傳感器，本發(fā)明提供的壓阻式土應力傳感器可以用集成電路技術大批量生產，具有一致性好、廉價、低頻特性好、信號處理簡單、方便及可以小型化等特點。
本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的一種壓阻式土應力傳感器，由傳感器殼體、應力敏感組件和輸出電纜組成，該傳感器殼體前端固設有感受應力的彈性體，該傳感器殼體內部形成一個具有孔洞結構的固支臺階，該敏感組件為硅壓阻式組件，且固定于該固支臺階端面，與該彈性平膜片間形成的腔體填充有液體壓力傳遞介質，該敏感組件的內引線經固定于該傳感器殼體后端的轉接板后外接引出電纜，該引出電纜經信號調理電路后外接該輸出電纜。
作為本發(fā)明的進一步改進，該敏感組件為，具有惠斯通電橋結構的硅壓阻式敏感元件之背面作為受壓面而正面為敏感部，該敏感部周部區(qū)域裸露出單晶硅襯底，并與PYREX玻璃固支環(huán)靜電封接后與該固支臺階端面基于黏合劑密封連結，該敏感部表面設有多個基于金屬化層形成的應變電阻引出電極而金屬化層之外的該敏感部表面形成絕緣層，該引出電極焊接金絲或硅鋁絲作為該內引線。
作為本發(fā)明的進一步改進，作為該信號調理電路輸入端，該惠斯通電橋之應變電阻具有1～10KΩ的阻值。
作為本發(fā)明的進一步改進，該彈性體為金屬彈性平膜片，并焊接于該傳感器殼體前端，該壓力傳遞介質為甲級硅油。
作為本發(fā)明的進一步改進，該轉接板固定于該固支臺階后端，該轉接板設有多組電極端子，每組端子中的一個經該固支臺階之孔洞與該對應內引線相接，而另一個與該引出電纜之導線相連。
作為本發(fā)明的進一步改進，該傳感器設有溫度補償，該溫度補償為焊接在該轉接板上的調整電阻。
作為本發(fā)明的進一步改進，該引出電纜依次穿過該傳感器外殼底部的固線咀和帶有螺紋的固線帽后引出，該固線帽密封旋固于該固線咀便于鎖緊該引出電纜，該傳感器外殼底部側面或者底部背板可以設有該固線咀，便于該引出電纜從該傳感器底部側面或底部面引出。
作為本發(fā)明的進一步改進，該傳感器外形直徑為Φ20mm至Φ100mm，該傳感器厚度不大于該外形直徑的1/3。
作為本發(fā)明的進一步改進，該信號調理電路將該傳感器的輸出轉化成0～5VDC、1～5VDC或4～20mADC標準信號輸出。
本發(fā)明的有益技術效果該傳感器殼體采用扁平結構，感受應力的彈性體為一金屬彈性平膜片，將它齊平焊接于該傳感器殼體的前端區(qū)域，該敏感元件采用擴散硅壓阻式敏感元件，并通過壓力傳遞介質將被測壓力從彈性平膜片上無損耗的傳遞到硅壓阻式敏感元件上，敏感元件產生的輸出通過內引線、轉接板、電纜傳遞出去或者經過一個分體的調理電路進行輸出。
由于采用單晶硅制作的全橋芯片作為本發(fā)明的壓阻式土應力傳感器的敏感元件，通過特殊設計來提高它的穩(wěn)定特性；通過一種稱作齊平焊接的方法將傳感器殼體和感受應力的彈性體組裝成一體，為了減少溫度變化對傳感器特性的影響，對敏感元件進行溫度補償，通過填充壓力傳遞介質，可以擴大傳感器的受力面積、提高傳感器的測量準確性，并可以在殼體后部裝配信號調理的電路，使之形成標準化輸出。
圖1是本發(fā)明的結構示意圖；圖2是本發(fā)明中所述的傳感器殼體之結構主視圖；圖3是本發(fā)明中所述的敏感組件之結構主視圖；圖4是本發(fā)明中所述的敏感元件之結構俯視圖。
對照圖1至圖4作以下說明1-傳感器殼體 13-信號調理電路2-彈性體 14-輸出電纜3-壓力傳遞介質15-單晶硅襯底
4-敏感組件16-絕緣層5-內引線 17-應變電阻6-轉接板 18-金屬化層7-調整電阻19-玻璃固支環(huán)8-引出電纜20-固支臺階9-密封塞 21-固線嘴10-固線帽 22-填充通道11-背板 23-孔洞具體實施方式
以下結合附圖1至附圖4作進一步描述一種壓阻式土應力傳感器，由傳感器殼體1、應力敏感組件4和輸出電纜14組成，該傳感器殼體前端焊接有感受應力的平膜金屬之彈性體2，該傳感器殼體內部形成一個具有孔洞23結構的固支臺階20，該敏感組件為硅壓阻式組件，且固定于該固支臺階端面，與該彈性體2間形成的腔體填充有甲級硅油壓力傳遞介質3，該敏感組件的內引線5經固定于該傳感器殼體后端的轉接板6后外接引出電纜8，該引出電纜經信號調理電路13后外接該輸出電纜。
該敏感組件為，具有惠斯通電橋結構的硅壓阻式敏感元件正面敏感部外的區(qū)域裸露出單晶硅襯底15，并與PYREX玻璃固支環(huán)19靜電封接后形成硅敏感芯座(Pyrex玻璃固支環(huán)是康寧公司(Corning)的產品，專為半導體封裝設計，具有與硅接近的物理性能，我們用的是Pyrex-7740型，業(yè)內都知道它，國產替代產品為GG-17硼硅玻璃，業(yè)內皆知，市場上可以買到)，該硅敏感芯座之金屬化層18焊接金絲內引線5，該玻璃固支環(huán)的端面與該傳感器殼體的固支臺階20固定，并使該敏感元件之背面作為二級受壓面與作為一級受壓面、與該傳感器殼體前端齊平安裝的金屬平膜彈性體2之間通過真空填充工藝將壓力傳遞介質3從該固支臺階之填充通道22填入，并用密封塞9將該壓力傳遞介質密封。而該硅敏感元件之正面電極上焊接有內引線，而該內引線另一端焊接于該轉接板6的相應電極上，與該內引線對應端的該轉接板部位焊接有該引出電纜8，該引出電纜的另一端可以直接連接輸出電纜或者作為外接的該信號調理電路的輸入端。該硅敏感元件之力敏區(qū)面積不超過Φ8mm，該力敏區(qū)之外通過靜電封接于該玻璃環(huán)固支環(huán)，該力敏區(qū)通過形成的金屬化層由金絲或硅鋁絲作內引線將電極引出。
該轉接板固定于該固支臺階后端，該轉接板設有多組電極端子，每組端子中的一個經該固支臺階之孔洞與該對應內引線相接，而另一個與該引出電纜之導線相連。該傳感器設有溫度補償，該溫度補償為焊接在該轉接板上的調整電阻7。該引出電纜依次穿過該傳感器外殼底部側面的固線咀21和帶有螺紋的固線帽10后引出，該固線帽密封旋固于該固線咀便于鎖緊該引出電纜。
該傳感器外形直徑為Φ20mm至Φ100mm，該傳感器厚度不大于該外形直徑的1/3。該信號調理電路將該傳感器的輸出轉化成0～5VDC、1～5VDC或4～20mADC標準信號輸出。作為該信號調理電路輸入端，該惠斯通電橋之應變電阻具有1～10KΩ的阻值。
當按照規(guī)定的技術措施將傳感器填埋在被測區(qū)域的土體中時，土體受到外力的作用到達傳感器處時，土體的變形由傳感器的第一受壓面(彈性平模片)感受，第一受壓面感受到的壓力通過密封在傳感器殼體內的壓力傳遞介質傳遞到第二受壓面，在第二受壓面內產生應變，該應變δ的大小與第二受壓面感受到的壓力P有如下的關系δr=3p8Eh2[ro2(1+μ)-r2(3+μ)]]]>δt=3p8Eh2[ro2(1+μ)-r2(1+3μ)]]]>式中δr----徑向應力δt----切向應力
E----硅的彈性模量h----硅膜片的厚度ro----膜片的工作半徑μ----泊松比傳感器的輸出信號為VOUT＝∏EδVin式中∏為單晶硅的壓阻系數(shù)，它依賴于元件的摻雜濃度；Vin為對傳感器施加的激勵電壓.
權利要求
1.一種壓阻式土應力傳感器，由傳感器殼體(1)、應力敏感組件(4)和輸出電纜(14)組成，其特征在于，該傳感器殼體前端固設有感受應力的彈性體(2)，該傳感器殼體內部形成一個具有孔洞(23)結構的固支臺階(20)，該敏感組件為硅壓阻式組件，且固定于該固支臺階端面，與該彈性體間形成的腔體填充有液體壓力傳遞介質(3)，該敏感組件的內引線(5)經固定于該傳感器殼體后端的轉接板(6)后外接引出電纜(8)，該引出電纜經信號調理電路(13)后外接該輸出電纜。
2.如權利要求1所述的一種壓阻式土應力傳感器，其特征在于，該敏感組件為，具有惠斯通電橋結構的硅壓阻式敏感元件之背面作為受壓面而正面為敏感部，該敏感部周部區(qū)域裸露出單晶硅襯底(15)，并與PYREX玻璃固支環(huán)(19)靜電封接后與該固支臺階(20)端面基于黏合劑密封連結，該敏感部表面設有多個基于金屬化層(18)形成的應變電阻(17)引出電極而金屬化層之外的該敏感部表面形成絕緣層(16)，該引出電極焊接金絲或硅鋁絲作為該內引線。
3.如權利要求2所述的一種壓阻式土應力傳感器，其特征在于，作為該信號調理電路的輸入端，該惠斯通電橋之應變電阻具有1～10KΩ的阻值。
4.如權利要求1所述的一種壓阻式土應力傳感器，其特征在于，該彈性體為金屬彈性平膜片(2)，并焊接于該傳感器殼體前端，該壓力傳遞介質為甲級硅油。
5.如權利要求1所述的一種壓阻式土應力傳感器，其特征在于，該轉接板固定于該固支臺階后端，該轉接板設有多組電極端子，每組端子中的一個經該固支臺階之孔洞與該對應內引線相接，而另一個與該引出電纜之導線相連。
6.如權利要求1所述的一種壓阻式土應力傳感器，其特征在于，該傳感器設有溫度補償，該溫度補償為焊接在該轉接板上的調整電阻(7)。
7.如權利要求1所述的一種壓阻式土應力傳感器，其特征在于，該引出電纜依次穿過該傳感器外殼底部的固線咀(21)和帶有螺紋的固線帽(10)后引出，該固線帽密封旋固于該固線咀便于鎖緊該引出電纜。
8.如權利要求7所述的一種壓阻式土應力傳感器，其特征在于，該傳感器外殼底部側面或者底部背板(11)設有該固線咀，便于該引出電纜從該傳感器底部側面或底部面引出。
9.如權利要求1所述的一種壓阻式土應力傳感器，其特征在于，該傳感器外形直徑為Ф20mm至Ф100mm，該傳感器厚度不大于該外形直徑的1/3。
10.如權利要求1所述的一種壓阻式土應力傳感器，其特征在于，該信號調理電路將該傳感器的輸出轉化成0～5VDC、1～5VDC或4～20mADC標準信號輸出。
全文摘要
一種壓阻式土應力傳感器由傳感器殼體、應力敏感組件和輸出電纜組成，傳感器殼體前端固設有感受應力的彈性體，傳感器殼體內部形成一個具有孔洞結構的固支臺階，敏感組件為具有惠斯通電橋結構的硅壓阻式組件，且固定于固支臺階端面，與彈性體間形成的腔體填充有液體壓力傳遞介質，敏感組件的內引線經固定于傳感器殼體后端的轉接板后外接引出電纜，引出電纜經信號調理電路后外接輸出電纜，本發(fā)明就是將成熟的硅壓阻式敏感元件引入到土應力力學研究領域，制作了壓阻式土應力傳感器，本發(fā)明提供的壓阻式土應力傳感器可以用集成電路技術大批量生產，具有一致性好、廉價、低頻特性好、信號處理簡單、方便及可以小型化等特點。
文檔編號G01L1/18GK1987385SQ20051013634
公開日2007年6月27日 申請日期2005年12月23日 優(yōu)先權日2005年12月23日
發(fā)明者王文襄, 王善慈, 石橋, 李水俠, 許廣軍 申請人:昆山雙橋傳感器測控技術有限公司