微压阻式传感器以及阵列结构测试板的制作方法

本实用新型涉及压力测试传感器技术领域，具体而言，涉及微压阻式传感器以及阵列结构测试板。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本实用新型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，根据本实用新型的一个方面，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。

本实用新型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。本实用新型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，根据本实用新型的另一个方面，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，本实用新型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。本实用新型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实用新型做进一步的说明。本实用新型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，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来辅助对本实用新型的理解，附图中所提供的内容及其在本实用新型中有关的说明可用于解释本实用新型，但不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型微压阻式传感器的俯视图。

图2为本实用新型微压阻式传感器的仰视图。

图3为图1的A-A向剖视图。

图4为图1的B-B向剖视图。

图5为图3中C处的局部放大图。

图6为图3中D处的局部放大图。

图7为图4中E处的局部放大图。

图8为图4中F处的局部放大图。

图9为图1中肋结构的俯视图。

图10为由1-9所示的微压阻式传感器形成的阵列结构测试板的俯视图。

上述附图中的有关标记为：

1：支撑体；

21：第一通孔；

22：第二通孔；

23：第三通孔；

3：薄膜；

41：第一窄肋区；

42：第二窄肋区；

43：宽肋区；

5：压电转化器；

6：单元块。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本实用新型。在结合附图对本实用新型进行说明前，需要特别指出的是：

本实用新型中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。

此外，下述说明中涉及到的本实用新型的实施例通常仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

关于本实用新型中术语和单位。本实用新型的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

如图1-9所示的微压阻式传感器，包括支撑体1，该支撑体1上设有贯穿该支撑体1的通孔；所述支撑体1和所述通孔的横截面均为正方形，所述通孔与所述支撑体1同轴。

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；所述压电转化器5为掺杂三价硼离子形成的电阻。

所述第一窄肋区41上集成有一个电阻，所述第二窄肋区42上集成有两个电阻，四个电阻为条形且相互平行。

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。

所述微压阻式传感器的材质为单晶硅，所述压电转化器5位于单晶硅的(100)晶面的 (110)晶向。所述第一通孔21和第三通孔23的内壁与所述支撑体1底面的夹角∠1为 54.75°；所述单元块6为棱锥台形且横截面尺寸从下至上递减，所述单元块6的侧面与底面的夹角∠1为54.75°。

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。

所述薄膜3和所述肋结构的厚度相同。

当所述微压阻式传感器具有表1所示的参数时，通过仿真高速列车表面脉动压力测试可知其灵敏度为32.25mv/kPa，非线性误差为0.293％，量程为20kPa。

表1为微压阻式传感器的尺寸参数。

如图10所示的阵列结构测试板，包括由图1-9及表1所示的微压阻式传感器形成的3X3 形式的阵列结构，该阵列结构也采用整体蚀刻制造而成，将该阵列结构进行引线封装后即得到阵列结构测试板。使用时，将该阵列结构侧板替换列车板壁进行镶嵌并使第三通孔朝外，即可利用风洞测试列车脉动压力。经验证，阵列结构的灵敏度较为一致，零点输出在0.55mv 上下呈微小波动，非线性误差较小，封装后形成背压腔气压基准大致低于大气压10kPa，因而传感器测试量程为大气压基础上下10kPa，可以满足高速列车不同速度级下不同测点的测试需求，非常适用于脉动压力空间信息测量。

以上对本实用新型的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本实用新型。基于本实用新型的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。