军事应用的MEMS压电压力传感器

作者:              发布时间:2016-04-09

摘要 

炮射弹丸的结构完整性和弹道精度与膛内环境有关,时至今日,这些参数日常还不能测量。能够测量这些量,并将它们与系统研制期间的设计参数比较能大大改进弹丸的性能和可靠性。智能材料MEMS(微机电系统)传感器插入弹丸将为未来战斗系统开发更精确、杀伤力更强的弹丸提供所需的方法。 

引言 

美国陆军研究实验室(ARL)已开发了智能材料(Zakar,2001)压电PZT(锆钛酸铅)压力传感器,以适应发射弹丸碰到的极端恶劣环境。ARL拥有技术先进的MEMS 制造设施和先进的技术,能制造小型化、价格低廉的传感器,传感器足以承受100000psi的压力和75000G的轴向加速度。本报告介绍一种新颖的器件,使用溶胶沉结PZT敏感材料的微米尺寸薄膜,它能响应施加的压力,产生线性的电信号输出。它的设计坚固,没有运动部件,不像常规的器件有膜片和悬挂部件。可以完整地获得精确的膛内压力测试,因为在弹丸发射阶段没有与运动部件位移相关的滞后或恢复时间。这些传感器与通常使用的曳光管腔的几何形状和部件兼容,它们已经由与HSTSS计划相关的武器材料研究处在演示遥测飞行中使用。PZT压力传感器插入直射坦克弹药的曳光管腔能完成日常的膛内压力测量无需对弹丸做修改。它也能用于灵巧弹药概念的开发,其中发射扰动能通过膛内的偏移知识计算。 

选择PZT薄膜是由于几个超过硅的优点。多数PZT已经作为重负荷压电材料在高性能微型传感器中使用,主要由于它有高性能的电机耦合强度。 

陆军研究实验室为压电传感器的样品一直在演示高质量PZT(52/48)溶胶薄膜~0.5μm(Piekarz2003)的准备工作。PZT是夹层结构,上下层白金电极中间以钽作为粘结材料。由二氧化硅和氮化硅构成的介电层用作界面层以改进在硅基层上不匹配的膨胀系数。陆军研究实验室为成型SiO2(Washengton,2004)和PZT(Mclane,2001),开发离子刻蚀加工过程。还研究了在Si/SiO2 和Si/Si3N4 基层上Ta/Pt/PZT/Pt堆叠结构的剩余应力,试验证实退火温度对PZT层的极度影响,如果不能控制应力就会出现薄膜的细分层。 

结果 

用有源PZT电容器尺寸(100*100?m)的第一代微小型压力传感器已成型,它使用粒子束铣销和RIE组合,并组装在适合用户的不锈钢组件内。对于这种应用的市场成熟的包装还未出现。包装后的传感器经过40000psi的高压测试。设计并制造了一种改进的第二代PZT结构的直径3mm的传感器以便经受更高的压力载荷,产生更大的电荷响应。报告给出了第二代传感器的显微照片。 

结论 

PZT是一种智能材料,能用作敏感器和激励器多功能集成薄膜。它广泛地应用于逻辑电路的存储单元。在导弹的应用中,要求在制导与控制系统中使用。它能起到支持惯性测量装置的作用。PZT同样在MEMS电源领域受到关注,应用与能量储存和电源再生。智能材料MEMS传感器插入弹丸,将为未来战斗系统研制更精确、杀伤力更强的弹丸提供新方法。