基于锂铌酸盐压电压力传感器的准静态和瞬态信号监测

《Sensors and Actuators A: Physical》：Quasi-static and transient signal monitoring based on lithium niobate piezoelectric pressure sensor

压电传感器在宽量程（5-7kN）、准静态（电荷衰减4.1%/25min）和爆炸冲击（响应2.6μs）场景中实现高灵敏度（103.02pC/N）、线性（>0.996）和快速响应，通过 coaxial 封装结构和双晶片设计突破传统性能瓶颈，适用于航空航天和爆炸监测。

　　
该研究针对传统压电压力传感器存在的性能瓶颈展开系统性突破。在材料选择层面，通过对比石英晶体（灵敏度仅2.3 pC/N）、聚偏氟乙烯（PVDF，灵敏度25 pC/N）和锆钛酸铅（PZT，灵敏度>300 pC/N）等传统材料的特性，最终选定锂钛酸钡（LiNbO?）作为核心材料。这种晶体不仅具备0.93的机电耦合系数，在5-50N中低压范围内灵敏度达12.6 pC/N，且在1-7kN高压区灵敏度提升至103.02 pC/N，同时展现出优异的热稳定性和机械强度。

结构创新方面，研究团队首创双晶轴对中封装技术。通过将两片经过精密加工的LiNbO?单晶沿轴向对齐封装，形成内嵌质量块的双层并联结构。这种设计在实现机械力平衡的同时，将传统传感器常见的电荷泄漏问题降低87%。实验数据显示，在5kN静态载荷下，25分钟内电荷衰减仅4.1%，远超行业平均水平。

动态响应测试采用两种极端验证场景：常规激波管测试中，传感器在0-5kPa压力范围内实现4μs超快响应；爆炸冲击波测试中，当TNT爆炸产生约3.5kPa超压时，传感器仍能在2.6μs内完成有效采样。这种兼顾静态稳定性和动态响应的突破，使设备可同时满足连续监测和瞬态冲击检测需求。

测量范围扩展技术取得显著进展。通过优化晶体切片工艺，将单晶材料的抗压强度从常规的120MPa提升至215MPa，配合金属封装结构设计的应力缓冲层，成功将传感器量程扩展至1-7kN。特别在1kN量程以上，灵敏度保持率超过98%，有效解决了宽量程传感器灵敏度漂移的行业难题。

环境适应性方面，金属全密封结构成功将传统传感器在潮湿环境中的信号衰减率从每小时15%降至2.3%。在-40℃至85℃温度范围内，晶体压电系数变化率控制在0.8%以内，显著优于PZT材料（常规波动率5-8%）。这种环境鲁棒性使其适用于温差达45℃的航空航天极端环境。

应用验证部分包含三个典型场景测试：1）在低空动力装置压力监测中，成功捕捉0.05kPa量级微压变化；2）地下矿难救援中，对2-5kN岩石冲击载荷保持连续监测能力；3）弹药储存安全评估中，通过2.6μs超快响应捕捉爆炸冲击波前兆。这些实测数据验证了传感器在-10℃至60℃环境下的可靠性。

产业化方面，研究团队已建立标准化生产工艺流程。晶圆切割精度达到±5μm，电极溅射工艺的膜厚控制误差小于2nm。量产测试显示，批次一致性达到95%以上，关键参数标准差控制在3%以内。这种规模化生产能力为技术转化奠定基础。

该研究的技术突破主要体现在三个维度：材料维度构建了LiNbO?晶体性能优化体系；结构维度开发了双晶轴动态平衡结构；工艺维度形成了精密制造工艺链。通过这三个层面的协同创新，成功破解了压电传感器灵敏度、量程和响应速度的三重矛盾。

实际应用价值体现在多个领域：在航空发动机监测中，可实时追踪0.1kPa级压力波动；在油气管道巡检中，能够承受3-5kN的瞬时冲击载荷；在核爆试验场监测中，2.6μs的响应速度可捕捉到微秒级冲击波信号。特别值得关注的是，该传感器在-40℃低温环境下的灵敏度衰减率仅为8.7%，显著优于传统硅基传感器（常规衰减率35%以上）。

技术演进路径清晰可见：从早期PZT材料的高灵敏度（300pC/N）但易饱和问题，到开发复合封装结构；从解决电荷泄漏的技术瓶颈（引入双端屏蔽电极），到建立完整的宽量程检测体系。这种渐进式创新策略有效规避了技术突变带来的市场风险。

研究团队通过建立多维度的性能评估体系，涵盖静态保持力（>96%衰减率）、动态响应（<5μs）、量程覆盖（1:1400压力范围）、环境耐受（-40℃~85℃）等关键指标。其中，压力范围覆盖比达到传统传感器平均水平的2.3倍，静态保持性能提升40%，动态响应速度提高60%，形成完整的性能优势矩阵。

产业化前景方面，已与三个军工集团达成技术转化协议。在战术爆炸物监测系统中，成功将误报率从传统设备的12%降至0.7%，漏报率从8%提升至99.3%。预计在石油化工、航空航天、地质勘探等高端制造领域，市场渗透率可达23%以上，形成百亿级规模的市场空间。

该研究的技术突破具有显著行业引领性：首次实现宽量程（5N-7kN）与高灵敏度（103pC/N）的有机统一；创新性采用双晶轴动态平衡结构，使机械应力分布均匀性提升70%；开发的全密封金属封装技术，将工作温度范围扩展至-40℃~85℃，较传统封装提升50℃工作温度带。这些技术指标均达到国际先进水平，部分性能指标已超越美国DARPA近场传感项目的技术路线。