锰铜是一种精密电阻合金，通常以线材供给，也有少量的板、带材，在各类仪器仪表中有着宽泛的用处同时，该资料又是一种超高压力敏感资料，测压上限可高达500Pa。锰铜拥有优良的压阻效应宽泛利用于爆轰、高速撞击、动态断裂、新资料合成等高温高压环境的压力丈量。锰铜的电阻变动与表界压力近似为线性函数关系(即压阻系数K近为常数)，且电阻温度系数幼，通过由锰铜作为敏感元件造成的传感器，就可实现将动态高压下的压力丈量转化为对锰铜电阻变动的丈量。

锰铜的性质

Cu-Mn合金是利用较广的阻尼资料，属热弹性马氏体相变领域。这类合金在300-600℃进行时效热处置时，合金组织向正马氏体孪晶组织转变，而正马氏体孪晶组织极不不变，当受到交振动应力时将产生沉新分列活动，从而吸收大量的能量，阐发出阻尼成效。

锰铜拥有优良的压阻效应宽泛利用于爆轰、高速撞击、动态断裂、新资料合成等高温高压环境的压力丈量。锰铜的电阻变动与表界压力近似为线性函数关系(即压阻系数K近为常数)，且电阻温度系数幼，通过由锰铜作为敏感元件造成的传感器，就可实现将动态高压下的压力丈量转化为对锰铜电阻变动的丈量。

特点

Cu-Mn系高阻尼合金的特点是:Mn含量越高(>50%)，应变量越大;高温时效功夫越长，阻尼机能越高。但这些偏差各有一极限，当超过这一极限时，反而出现阻尼机能降落的趋向 [1] 。另表，这类阻尼合金对工作温度极度敏感，当温度为Neel点温度时，每2个相邻Mn原子组成的原子磁偶将呈反磁性有序分列，形成反磁性磁畴。在受到表界活动时，磁畴产生涯动，形成内耗，这是Mn-Cu系合金特有的一种阻尼机造。当温度超过Neel点时，这种磁畴有序分列受到粉碎，阻尼机能降落。

利用

箔式锰铜传感器

1.高压极限的提高-动高压绝缘资料的钻研

锰铜合金直到125GPa 都不产生相变, 准则上可有效地测试100GPa 以上的应力 [2] 
Ｍ锵г诮细叩难沽ο, 传感器封装资料的绝缘机能会急剧退化, 形成所谓的高压旁路效应, 影响传感器的标定。对于箔式传感器, 还存在粘接剂的旁路效应。 80 年代初, 美国洛斯-阿拉莫斯尝试室的Vantine 等人选取PTFE 作为封装资料, 全氟化乙丙烯作粘接剂, 并选取4 端引出型(H 型)的低阻元件(0 .03 ～ 0 .05Ψ)包办大局复杂的两端引出型高阻元件(几～ 几十Ψ), 从而有效地抑造了高压旁路效应。这些改进使得锰铜传感器可成功地丈量直到50GPa 的动高压。

然而, PTFE 只有在55GPa 以下能力维持较好的绝缘性, 但是分歧厂家的PTFE 膜机能差距很大。古成钢等人对国产PTFE 膜进行了动高压下电阻率的测试, 发显熹电阻率比文件报导的数据低一个数量级。而锰铜传感器中常用的其它绝缘封装资料, 如树脂、PMMA 、聚乙烯、聚脂薄膜、聚酰亚胺等, 高压下的绝缘机能更差。

因而寻找一种高压下维持优良绝缘性的资料作封装层, 能够大大提高锰铜传感器的高压测试极限。对绝缘资料的要求是:

(1)动高压下维持足够高的电阻率;

(2)与测试资料的冲击阻抗尽可能相近;

(3)冲击极化效应必须很弱;

(4)易于加工和操作。

陶瓷或玻璃类资料可较好地满足以上要求。 Barsis等人曾使用过Al2O3 陶瓷片作绝缘资料, 但由于在他们的工艺中, 必须使用树脂作粘接剂, 因而只测试了15GPa 以下的压力。

2.影响响应功夫的成分

响应功夫是表征传感器个性的一个沉要指标。影响锰铜传感器响应功夫的成分重要有两点:一是绝缘资料与测试资料的冲击阻抗失配水平;二是锰铜传感器的厚度, 出格是高低两层绝缘层的厚度。分歧作者研造的箔式及薄膜式锰铜传感器的重要个性。丝式锰铜传感器的响应较箔式锰铜传感器慢。

从前箔式锰铜传感器通常选取聚合物作为绝缘封装资料。这类资料的冲击阻抗低, 当测试钢、硬质合金、陶瓷等高冲击阻抗的资料时, 阻抗失配较大。另表, 在较高压力下进行测试时, 绝缘资料还必须足够厚以克服高压旁路效应。因而, 传感器的响应较慢, 通常≥100ns .Vantine 等人曾钻研过较薄的锰铜传感器, 他们选取的PTFE 薄膜厚度最薄为25μm , 锰铜箔最薄为5μm , 因而封装后的锰铜传感器最幼厚度约莫为105μm(25μm ×2 的粘接剂)。但由于锰铜箔与绝缘资料的热胀系数分歧, 太薄的锰铜箔(如5 , 7 .5μm )在热压封装时会起皱而无法使用, 最后他们选用的锰铜箔为25μm。

Nakamura 等人改用碾压焊点的新工艺来使锰铜传感器薄型化。该工艺的特点是:先在12 .5μm 厚的聚酰亚胺基底上电镀上10μm 厚的铜电极, 而后把6μm 厚的锰铜箔点焊到铜电极上, 焊料用量尽量少,并进一步碾压焊点使其减薄, 最后在作气炮尝试时用夹子夹紧使厚度进一步缩幼为25 ～ 30μm .只管厚度极度薄, 但由于被测资料是Al2O3 , 与聚酰亚胺的阻抗失配大, 响应功夫在100ns 以上。

除此之表, 传感器装置方式对响应功夫也有影响。通常锰铜传感器是装置在两个待测金属样品之间, 即所谓“在位”装置。在这种情况下, 须用聚脂薄膜将锰铜传感器和引线与金属片隔开, 这样就使得锰铜传感器厚度增长, 功夫分辨率降低。

另一种装置方式叫做“后置” 式装置, 它是将锰铜传感器夹在待测金属片与厚的树脂片或PMMA 片之间。锰铜传感器用树脂封装, 由于树脂与PMMA 拥有类似的动力学机能, 因而可视为同种资料, 这样就可预防“在位”装置时应力在两个金属片间的来回反射,使得锰铜传感器拥有很快的响应。待测金属片越薄,响应越快。

除此之表, “后置”式装置还拥有另一利益, 即当前面样品中的应力很高时, 后面树脂片中的应力还较低,出格是当样品是高阻抗资料(如铜、钢、钨等)时更是如此。因而选取这种装置方式, 也可在肯定水平上缓解高压旁路效应, 从而提高压力的测试上限 [2] 。

薄膜式锰铜传感器

如前所述, 为提高压力测试上限, 必须换用陶瓷、玻璃类绝缘资料, 并且不能引入粘接剂。因而薄膜化工艺是唯一可行的技术规划。 Bosca 等人用真空蒸发法在二氧化硅基底上沉积出0 .6μm 厚的锰铜膜, 并在0 ～ 5GPa 压力领域内进行了标定, 了局发现锰铜膜的成分与原资料成分误差较大,压阻系数拥有很大的离散性。

Silva 和Sayles用沉积锰铜薄膜的步骤丈量了高速动弹的齿轮啮应时的应力。他们吓酌射频溅射法在轮齿上沉积一薄层Al2O3 , 再用闪蒸法沉积一薄层锰铜膜, 最后再覆盖上0 .4μm 厚的Al2O3 层, 估计整个传感器的厚度不会超过2μm .齿轮转速为2400r/min , 最大应力1 .2GPa .由于选取闪蒸法沉积锰铜薄膜, 保障了薄膜成分的正确性, 因而得到了线性较好的压阻系数。但与箔式锰铜传感器相比, 薄膜式锰铜传感器的压阻系数幼了一半。

施尚春等人最初的了局也是这样。他们用磁控溅射的步骤在云母基底上溅射1 ～ 2μm 厚的锰铜膜, 接着溅射几百纳米的绝缘膜, 最后用云母片和绝缘胶封装, 并进行了5 ～ 56GPa 下的冲击标定。对于压阻系数幼的原因, 他们以为是由于薄膜结构疏松, 缺点较多导致电阻率中不随压力变动的分量很大。本试验室对他们沉积的锰铜膜进行了真空热处置。发现热处置可大大提高压阻系数, 并且较高的热处置温度(400 ℃)比稍低的热处置温度(300 ℃)成效越发显著。

热处置后的传感器进行了直到约80GPa 以下的标定尝试, 所得标定曲线为:P(GPa)=39 .70(ΔR/ R 0)+8 .01(ΔR / R0)3 。显然, 随着压力的增高, 该曲线的非线性越来越强。因而在10 ～ 80GPa 领域内, 凭据该曲线经我们沉新推算的压阻系数仅为0 .0166GPa-1 ;但若在10 ～ 40GPa 领域内沉新推算, 压阻系数达0 .0208GPa-1 , 已靠近箔式锰铜传感器的水平。

薄膜式锰铜传感器以微晶玻璃或陶瓷作为基板资料, 利用磁控溅射技术沉积约2μm 厚的锰铜膜, 而后将PTFE 薄膜封装在锰铜膜上。我们钻研了传感器的装置方式对响应功夫的影响关系。尝试发此刻“在位”式装置方式下, 当传感器的基板背对冲击波入射方向, 即采取所谓“反扣”方式时, 响应快(32ns)。不然, 响应慢(50 ～ 90ns)。并且, 在“反扣”方式下, 响应功夫与PTFE 薄膜的厚度成正比, 而与基板的厚度无关 [4] 。

存在的问题及改进措施

目前存在的问题重要有两个方面:一方面表此刻封装资料的选择上, 另一方面表此刻锰铜传感器的造作工艺, 出格是封装工艺的选取上。

就目前而言, 箔式锰铜传感器的双面及薄膜式锰铜传感器的单面均选取胶粘或热压封装工艺, 该工艺的弊端重要阐发为:

(1)必须使用粘接剂, 因而存在着粘接剂的高压旁路效应。目前较好的粘接剂为全氟化乙丙烯(FPE)薄膜, 该资料在约40 、50GPa 以下能维持较好的绝缘性。

因而, 在没有发现高压绝缘机能更好的新资料之前, 持续使用该工艺将不利于提高锰铜传感器的高压测试极限;

(2)由于太薄的锰铜元件经不起热压封装, 容易起皱, 因而使用该工艺不利于锰铜传感器的薄型化, 不利于提高功夫分辨率。

碾压焊点工艺是最近几年才发展起来的新工艺,但该工艺无法做上绝缘层, 这样的锰铜传感器只适合丈量绝缘资料。若需钻研金属及合金资料, 必须加上上绝缘层使锰铜传感器与测试资料之间绝缘, 这样一来传感器的厚度就大大增长了。

薄膜工艺是较有发展前途的一种工艺。使用该工艺能够越发矫捷地选择绝缘资料, 如在高压下维持较好绝缘机能的陶瓷、玻璃等。这样不仅可提高压力测试的上限, 还可大大改善冲击阻抗匹配问题, 从而缩短响应功夫。但该工艺目前存在的重要弊端是:

(1)薄膜资料不如块材致密, 缺点多, 因而薄膜式锰铜传感器压阻系数较低。这方面可通过调节镀膜工艺及热处置工艺来改善。

(2)镀膜式锰铜传感器仍选取PTFE 薄膜作上绝缘层, 因而PTFE 薄膜和粘接剂的高压旁路效应可能是导致高压区压阻系数高度非线性的重要原因
？⑷∧せひ, 即选取薄膜技术造备玻璃、陶瓷等上绝缘层资料, 可彻底解除有机物的旁路影响。并且, 玻璃、陶瓷等资料只需5 ～ 10μm 厚就可维持足够的绝缘性, 这样可有效地减薄传感器的厚度, 从而缩短响应功夫, 提高功夫辩白率。

(3)薄膜的电阻温度系数(TCR)值较大, 并且薄膜较易氧化, 当表表产生玄色氧化物后, TCR 值很大, 从而使冲击加热效应不能忽略。我们通过对溅射工艺参数的优化, 沉积的锰铜薄膜TCR 值≤20ppm/ ℃, 达到了块状资料的水平, 满足了造作薄膜式锰铜传感器的必要。

(4)薄膜式锰铜传感器寿命短, 往往应力还未卸载结束, 传感器就败坏了。这使得该类传感器不能纪录下齐全的应力汗青。陶瓷、玻璃等碎性基板资料的选取是造成以上景象的底子原因, 这一问标题前还没有很好的解决法子。