CN102023047B

CN102023047B - 高温蓝宝石称重传感器及其生产方法

Info

Publication number: CN102023047B
Application number: CN2010105001835A
Authority: CN
Inventors: 盖广洪; 黎明诚; 戚龙; 杨静
Original assignee: No44 Institute Of China Academy Of Launch Vehicle Technology
Current assignee: No44 Institute Of China Academy Of Launch Vehicle Technology
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: CN102023047A

Abstract

本发明涉及一种能在高温环境下保持长期稳定性工作的高温蓝宝石称重传感器，具有一个外带有电缆接插件的外壳，在外壳内装有一个带应变区表面的铌基合金弹性体和一个与接插件相联接的外接线路板，在弹性体两侧面的应变区中心设有与外接线路板联接的敏感组件，所说的敏感组件自内至外依次由蓝宝石基底、应变电阻层、焊接层和钝化保护层组成，在外接线路板上焊接有用于补偿由于温度变化而引起灵敏度漂移的高温Ni电阻。本发明采用了离子束溅射工艺、离子束刻蚀工艺以及静电封接工艺等先进手段，保证了传感器的在高温环境下具有优异的长期稳定性，并且温度零点漂移极小，综合精度高，可精确地测量所承载的重量。

Description

高温蓝宝石称重传感器及其生产方法

技术领域

本发明内容属于测量仪器设备技术领域，涉及一种称重传感器，特别是一种能在高温环境下保持长期稳定性工作的蓝宝石称重传感器，产品主要应用于冶金、化工、铸造、航天、核电等行业领域高温作业的称重场合。

背景技术

随着现代工业建设特别是钢厂冶金工业的发展，高温称重传感器应用领域也越来越多。就炼钢厂来说，其生产对象是高温的铁水和钢水，铁水包、钢水包、中间包、回转包、钢包车等都是工厂储运高温铁水和钢水的容器和运输工具。根据现今钢厂的设备条件和现场的特点，要完成铁水和钢水的在线称重计量只有直接在铁水和钢水的工艺工位进行测量才可实现，而这些工艺都有一个共同的特点，即需要在高温环境下进行称重作业，因此就需要耐高温的称重传感器。如钢厂连接工艺中要对大包和中间包进行工艺的在线监测，其中大包电子秤用来计量注入的钢水重量，监控钢水液位，中间包电子秤用来监控中间钢水储库的钢水液位。在这种情况下，称重传感器表面温度可能达到300℃左右，一旦工艺失控，钢水或熔渣外溢，称重传感器可能瞬间遭受到更高温度的威胁，所以必须选用高温称重传感器。另外，在军品生产领域也有许多特殊的高温环境下进行称重的作业，这些作业同样也需要采用高温称重传感器。

中国专利公告文本101206135A曾披露了《一种高温环境用称重传感器的制造方法》，其采用高温胶粘贴应变计的方式制作出一种高温环境用称重传感器，但这种传感器最高只能承受到250℃的环境温度。如果环境温度再高的话，该传感器将无法使用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种能在500℃高温环境下保持长期稳定性工作的高温蓝宝石称重传感器。

用于实现上述发明目的的技术解决方案是这样的：所提供的高温蓝宝石称重传感器具有一个外带有电缆接插件的外壳，在外壳内装有一个带应变区表面的铌基合金弹性体和一个与电缆接插件相联接的外接线路板，在铌基合金弹性体两侧面的应变区中心设有与外接线路板联接的敏感组件，所说的敏感组件自内至外依次由蓝宝石基底、应变电阻层、焊接层和钝化保护层组成，在外接线路板上电桥的电压输入端串联焊接有用于补偿由于温度变化而引起灵敏度漂移的高温Ni电阻。

本发明技术解决方案中所说的蓝宝石基底由单晶体铝氧化物构成，其总厚度在40～50μm之间；所说的应变电阻层是由6J23合金材料先通过离子束溅射沉积，再通过光刻而成的平面电阻，其厚度在100～200nm之间；在所述平面电阻的引出焊盘上沉积厚度在3～4μm之间的引线导电金膜，在导电金膜上焊接有金质双丝内引线。

本发明技术解决方案中，蓝宝石基底镀膜面和焊接面的粗糙度小于30nm，铌基合金弹性体应变区表面的粗糙度要小于30nm。

本发明技术解决方案的实现还在于：所说的应变电阻层包括采用离子束溅射及刻蚀工艺制作的连接成惠斯顿电桥的四个丝栅应变电阻R1、R2、R3、R4，处于铌基合金弹性体的均匀形变区。通过上述丝栅应变电阻(R1～R4)结构的设计，可大大减小应变电阻横向效应，提高了传感器的精度。

用于制作本发明所述高温蓝宝石称重传感器的生产方法包括以下的生产步骤：

1、制作具有高表面光洁度的铌基合金弹性体、外接线路板、外壳和电缆接插件，使铌基合金弹性体应变区表面的粗糙度小于30nm；

2、对厚为50～60μm的蓝宝石进行研磨和抛光，使其表面粗糙度小于30nm，形成厚度为40～50μm的蓝宝石基底；

3、用离子束溅射的方法在蓝宝石基底上沉积6J23合金层，在6J23合金层上首先匀正性光刻胶，其次利用掩模板曝光，再经过显影和定影完成丝栅刻蚀前的工作；

4、利用离子束刻蚀的方法，刻蚀掉应变电阻层中不需要的部分；

5、在刻蚀后的应变电阻层中通过匀正性光刻胶，再利用掩模板曝光，再经过显影和定影，使得焊盘露出，其余的部分被光刻胶覆盖，完成镀金焊盘前的工作；

6、用离子束溅射的方法在经过上步处理的层面上沉积金层；

7、把制作好的芯体放入超声波清洗器中，利用超声波振动的方式把金层中不需要的部分振动脱落；

8、利用激光调阻把丝栅阻值调整到一个设定的值，具体实现为：通过激光将应变电阻层中相应的电阻区域通过烧蚀的方法蒸发掉，造成电阻值增大，在线检测电阻值直至符合设计的要求；

9、在丝栅上沉积钝化保护层；

10、把表面已经制作出电阻R1和R2的蓝宝石基底通过静电封接或者分子焊的形式和铌基合金弹性体的一面焊接在一起，采用同样的方法在铌基合金弹性体的对面焊接上另一块蓝宝石基底，其上已经制作出电阻R3和R4；通过金丝球焊接的方式，把焊盘和外接线路板连接好，使四个电阻组成惠斯顿电桥；

11、采用高温Ni电阻串联接入焊接在外接线路板上电桥的电压输入端，补偿由于温度变化而引起的灵敏度漂移；

12、将铌基合金弹性体、外接线路板、敏感组件装入外壳，焊接传感器外壳，接好电缆接插件。

本发明具有的有益效果如下所述：

一、耐高温特性好——本发明所述的高温型称重传感器采用了耐高温的蓝宝石基底、耐高温的铌基合金弹性体，并利用先进的镀膜和刻蚀工艺制作，由于蓝宝石是氧化物晶体中硬度最高的，它具有十分优良的耐高温性(1000℃以内)、化学惰性、电敏感性和绝缘性能，因此采用蓝宝石制作的称重传感器具有高温特性好、长期稳定性好、零点温度小、动态频响高等优点，其产品能在500℃高温环境下长期稳定地工作，精确地测量所承载的重量；

二、精度高——本发明由于采用耐高温的Ni电阻，对传感器进行温度灵敏度补偿，因此使称重传感器的温度灵敏度精度提高了一个数量级，相应的提高了传感器的精度；另由于采用了离子束溅射技术，传感器零点温度漂移小，亦使得综合精度得以被极大提高，其中零点温度漂移能够达到小于0.002％FS/℃的水平，大大好于同种类型的传感器；

三、动态频响高——本发明由于采用静电封接技术替代了无机胶粘方法，应力传递速度加快，因此大大提高了称重传感器的动态响应速度，其频响远远优于胶粘应变式称重传感器。

附图说明

图1为本实用新型一个具体实施例的总体结构剖视示意图。

图2为弹性体和敏感组件的分布结构示意图(图1之I部视图)。

图3为第一次曝光的掩模板示意图。

图4为一侧面应变电阻层的示意图。

图5为另一侧面应变电阻层的示意图。

图6为第二次曝光的掩模板示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明内容做进一步说明，但本发明的具体实施形式并不仅限于下述的实施例。

参见附图，本发明所述高温蓝宝石称重传感器的结构如图1所示，它由铌基合金弹性体1、外接线路板2、敏感组件3、电缆接插件4和外壳5组成。

该称重传感器中敏感组件的结构如图2所示，它具有一个一侧面焊接在弹性体1上的蓝宝石基底31，蓝宝石基底31由单晶体铝氧化物(如Al₂O₃)构成，其总厚度在40～50μm之间；在蓝宝石基底31是自内至外依次设置有应变电阻层32、焊接层33和钝化保护层34。其中的应变电阻层32是由6J23合金材料先通过离子束溅射沉积，再通过光刻而成的平面电阻(即丝栅应变电阻R1、R2或R3、R4，均处于弹性体的均匀形变区)，其厚度在100～200nm之间，在平面电阻的引出焊盘上沉积厚度在3～4μm之间的引线导电金膜，在导电膜上焊接有金质双丝内引线。敏感组件3通过导线与外接线路板2连接，外接线路板2和电缆接插件4相连完成电气连接，在外接线路板2上电桥的电压输入端串联焊接有高温Ni电阻。

该高温蓝宝石称重传感器的生产方法如下所述：

1、制作具有高表面光洁度的铌基合金弹性体、外接线路板、壳体和接插件，弹性体应变区表面的粗糙度小于30nm，具有较高的表面光洁度；

3、用离子束溅射的方法在蓝宝石基底上沉积6J23合金层，在6J23合金层上首先匀正性光刻胶，其次利用图3所示的掩模板曝光，再经过显影和定影完成丝栅刻蚀前的工作；

4、利用离子束刻蚀的方法，刻蚀掉应变层中不需要的部分；

5、在刻蚀后的电阻层中通过匀正性光刻胶后，利用图6所示的掩模板曝光，再经过显影和定影，使得焊盘露出，其余的部分被光刻胶覆盖，完成镀金焊盘前的工作；

6、用离子束溅射的方法在经过上步处理的层面上沉积金层；

8、利用激光调阻把丝栅阻值调整到一个设定的值，具体实现为：通过激光将电阻层中相应的电阻区域通过烧蚀的方法蒸发掉，造成电阻值增大，在线检测电阻值直至符合设计的要求；

9、在敏感丝栅上沉积钝化保护层；

10、把表面已经制作出电阻R1和R2(参见图4)的蓝宝石基底通过静电封接或者分子焊的形式和铌基合金弹性体的一面焊接在一起，采用同样的方法在铌基合金弹性体的对面焊接上另一块蓝宝石基底，其上已经制作出电阻R3和R4(参见图5)；通过金丝球焊接的方式，把焊盘和外接线路板连接好，使四个电阻组成惠斯顿电桥；

12、将弹性体、外接线路板、敏感组件装入外壳，焊接传感器外壳，接好电缆接插件。

本发明所述的高温蓝宝石称重传感器具有高温特性好、长期稳定性好、零点温度小、动态频响高等优点，其产品的具体参数如下：

综合精度：0.05级；

零点温度漂移：小于0.002％FS/℃；

零点时间漂移：小于0.1％FS/年；

测量范围：3吨～50吨；

工作温度范围：-70℃～500℃；

桥臂电阻：1～3KΩ。

Claims

1.一种能在500℃高温环境下保持长期稳定性工作的蓝宝石称重传感器，具有一个外带有电缆接插件(4)的外壳(5)，其特征是：在外壳(5)内装有一个带应变区表面的铌基合金弹性体(1)和一个与电缆接插件(4)相联接的外接线路板(2)，在铌基合金弹性体(1)两侧面的应变区中心设有与外接线路板(2)联接的敏感组件(3)，所说的敏感组件(3)自内至外依次由蓝宝石基底(31)、应变电阻层(32)、焊接层(33)和钝化保护层(34)组成，在外接线路板(2)上电桥的电压输入端串联焊接有高温Ni电阻。

2.根据权利要求1所述的蓝宝石称重传感器，其特征是：所述的蓝宝石基底(31)由单晶体铝氧化物构成，其总厚度在40～50μm之间；所述应变电阻层(32)是由6J23合金材料先通过离子束溅射沉积，再通过光刻而成的平面电阻，其厚度在100～200nm之间；在所述平面电阻的引出焊盘上沉积厚度在3～4μm之间的引线导电金膜，在导电金膜上焊接有金质双丝内引线。

3.根据权利要求1所述的蓝宝石称重传感器，其特征是：蓝宝石基底镀膜面和焊接面的粗糙度小于30nm，铌基合金弹性体应变区表面的粗糙度要小于30nm。

4.根据权利要求1所述的蓝宝石称重传感器，其特征是：所说的应变电阻层(32)包括采用离子束溅射及刻蚀工艺制作的连接成惠斯顿电桥的四个丝栅应变电阻R1、R2、R3、R4，处于铌基合金弹性体的均匀形变区。

5.一种用于制作权利要求1、2、3或4所述蓝宝石称重传感器的生产方法，其特征在于包括以下的生产步骤：

5.1制作具有高表面光洁度的铌基合金弹性体(1)、外接线路板(2)、外壳(5)和电缆接插件(4)，使铌基合金弹性体应变区表面的粗糙度小于30nm；

5.2对厚为50～60μm的蓝宝石进行研磨和抛光，使其表面粗糙度小于30nm，形成厚度为40～50μm的蓝宝石基底(31)；

5.3用离子束溅射的方法在蓝宝石基底(31)上沉积6J23合金层，在6J23合金层上首先匀正性光刻胶，其次利用掩模板曝光，再经过显影和定影完成丝栅刻蚀前的工作；

5.4利用离子束刻蚀的方法，刻蚀掉应变电阻层中不需要的部分；

5.5在刻蚀后的应变电阻层中通过匀正性光刻胶，再利用掩模板曝光，再经过显影和定影，使得焊盘露出，其余的部分被光刻胶覆盖，完成镀金焊盘前的工作；

5.6用离子束溅射的方法在经过上步处理的层面上沉积金层；

5.7把制作好的芯体放入超声波清洗器中，利用超声波振动的方式把金层中不需要的部分振动脱落；

5.8利用激光调阻把丝栅阻值调整到一个设定的值，具体实现为：通过激光将应变电阻层中相应的电阻区域通过烧蚀的方法蒸发掉，造成电阻值增大，在线检测电阻值直至符合设计的要求；

5.9在丝栅上沉积钝化保护层；

5.10把表面已经制作出电阻R1和R2的蓝宝石基底(31)通过静电封接或者分子焊的形式和铌基合金弹性体(1)的一面焊接在一起，采用同样的方法在铌基合金弹性体(1)的对面焊接上另一块蓝宝石基底(31)，其上已经制作出电阻R3和R4；通过金丝球焊接的方式，把焊盘和外接线路板连接好，使四个电阻组成惠斯顿电桥；

5.11采用高温Ni电阻串联接入焊接在外接线路板上电桥的电压输入端，补偿由于温度变化而引起的灵敏度漂移；

5.12将铌基合金弹性体(1)、外接线路板(2)、敏感组件(3)装入外壳(5)，焊接传感器外壳(5)，接好电缆接插件(4)。