CN107894295A - 一种薄膜扭矩传感器芯片及制造方法 - Google Patents

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    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
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Abstract

本发明公开了一种薄膜扭矩传感器芯片及制造方法，制造方法包括准备弹性体材料；加工弹性体材料；将弹性体退火处理；研磨抛光；在原子薄膜沉积系统中沉积原子级的过渡层、绝缘层、薄膜电阻层、接触层后光刻形成应变电阻；将光刻好的弹性体材料进行退火处理；切割分离成敏感单元；引出信号线；涂敷保护层，烘干形成薄膜扭矩传感器芯片。由于弹性体材料采用了大面积整块材料加工，生产效率高，产品成本低，一致性好。

Description

一种薄膜扭矩传感器芯片及制造方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种薄膜扭矩传感器芯片及制造方法。
背景技术
扭矩传感器是一种测量各种扭矩的精密测量器件，在机械传动系统中，扭矩是反映系统性能的重要参数之一。扭矩测量在航空航天、军工装备、工程机械、矿山设备等许多行业或领域得到了广泛的应用。扭矩测量方法有多种，其中传统的应变式测量方法应用非常广泛。应变式扭矩传感器是将金属应变片粘贴在弹性体上组成应变桥，当弹性体受扭矩变形后引起电桥电阻值变化，通过测量电阻值变化得到相应扭矩值的大小。
现有的应变式扭矩传感器是使用有机胶将应变片粘贴在弹性体上，这种制造方法使传感器的综合性能受如下因素影响，这些影响因素有：弹性体粘贴表面清洁度、粘贴胶的性能、粘贴胶的厚度及均匀性、粘贴位置及其一致性等，另外，粘贴胶受环境温度、湿度以及长时间工作等因素影响也会导致传感器性能发生变化。这些影响主要导致传感器的迟滞误差、重复性误差、温度漂移误差变大，从而降低传感器的测量精度。同时由于有机胶的存在，传感器工作环境受到一定的限制。同时传统的粘贴应变式扭矩传感器结构较复杂，加工也不容易，产品生产效率低，成本高。
目前已出现使用溅射技术制造高性能扭矩传感器。溅射薄膜扭矩传感器是采用真空原子薄膜沉积技术，将绝缘材料、应变敏感材料等沉积在弹性体表面而形成的一种性能优良的扭矩传感器，它具有精度高、稳定性好、工作温度范围宽、可靠性高等优点。但是，这种工艺是采用单个的弹性体进行研磨抛光、镀膜、光刻等工艺制造，生产效率低，产品成本高，产品一致性无法保证，限制了产品的广泛推广应用。
因此，开发一种结构简单、加工容易，同时能批量生产、效率高、成本低、产品一致性好的高性能扭矩传感器芯片极其重要。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供一种薄膜扭矩传感器芯片及制造方法，以保留薄膜扭矩传感器现有产品优点，同时实现生产效率高、产品成本低、产品一致性好等优点。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：一种薄膜扭矩传感器芯片制造方法，包括以下步骤：
S1.准备弹性体材料，所述弹性体材料包括但不限于不锈钢、钛合金、非晶合金；
S2.采用机械加工的方法或者激光切割的方法，加工出具有定位边的弹性体材料，所述弹性体材料的大小是4英寸、6英寸、8英寸、12英寸中的一种；
S3.将加工好的所述弹性体材料放入高温退火炉中进行退火处理；
S4.利用机械研磨抛光方法，将所述弹性体材料的上表面进行研磨抛光，然后清洗烘干备用；
S5.将烘干后的弹性体材料放入具有二个共溅射离子加速器、一个辅助清洗离子加速器的原子薄膜沉积系统的真空腔室中；
S6.启动原子薄膜沉积系统，将真空腔室抽真空，启动所述辅助清洗离子加速器对弹性体材料的上表面进行离子束轰击清洗，使所述上表面进一步抛光，去除上表面上的吸附物，使上表面达到原子级清洁度，同时增强上表面原子能量；
S7.启动二个共溅射离子加速器，在所述弹性体材料的上表面上依次共溅射沉积原子级的过渡层、绝缘层、薄膜电阻层、接触层；
S8.将沉积好过渡层、绝缘层、薄膜电阻层、接触层的所述弹性体材料进行光刻，形成位于中部位置的薄膜电阻和位于两端的二个接触层焊盘；
S9.将光刻好的弹性体材料放入高温炉中，进行退火处理；
S10.将退火处理好的弹性体材料切割分离成敏感单元；
S11.在所述敏感单元的二个接触层焊盘上引出信号线；
S12.在所述敏感单元的表面涂敷保护层，烘干。
优选的，所述的薄膜扭矩传感器芯片采用上述制造方法制得。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：由于弹性体材料采用了大面积整块材料，表面容易进行研磨抛光，提高了研磨抛光生产效率。将大块弹性体材料进行镀膜，然后进行一次性光刻，大大提高镀膜与光刻生产效率，降低了产品成本。另外，由于是一次性批量加工，产品的一致好，产品的优良性能得到保证。
附图说明
图1为本发明的弹性体材料示意图。
图2为本发明的敏感单元剖面示意图。
图3为本发明的敏感单元光刻图形示意图。
图中：1、弹性体材料；2、敏感单元；11、上表面；12、定位边；
13、过渡层；14、绝缘层；15、薄膜电阻层；16、接触层；
17、保护层；15-1、薄膜电阻；16-1、接触层焊盘。
具体实施方式
以下结合附图对本发明优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1、2、3所示，一种薄膜扭矩传感器芯片。首先准备不锈钢、钛合金、非晶合金等材料中的一种做弹性体材料1，利用机械加工或激光切割的方法，将弹性体材料1加工成4英寸或者6英寸或者8英寸或者12英寸大小，同时弹性体材料1加工有定位边12。
将加工好的所述弹性体材料1放入高温退火炉中按工艺要求进行退火处理。取出使温度降至常温，利用机械研磨抛光方法，将所述弹性体材料1的上表面11按工艺要求进行研磨抛光，然后清洗烘干备用。
将烘干后的弹性体材料1放入具有二个共溅射离子加速器、一个辅助清洗离子加速器的原子薄膜沉积系统的真空腔室中，启动原子薄膜沉积系统，将真空腔室抽真空，启动所述辅助清洗离子加速器对弹性体材料1的上表面11进行离子束轰击清洗，使所述上表面11进一步抛光，去除上表面11上的吸附物，使上表面11达到原子级清洁度，同时增强上表面11表面原子能量；启动二个共溅射离子加速器，在所述弹性体材料1的上表面11上按工艺要求依次共溅射沉积原子级的过渡层13、绝缘层14、薄膜电阻层15、接触层16。由于采用共溅射沉积薄膜技术，所制备的薄膜层更加致密、均匀、结合力好、无针孔。薄膜的电性能、机械性能、力学性能、热性能更好，制造的薄膜扭矩传感器产品性能更加优良。
将沉积好过渡层13、绝缘层14、薄膜电阻层15、接触层16的所述弹性体材料1进行光刻，形成位于中部位置的薄膜电阻15-1和位于两端的二个接触层焊盘16-1。位于中部的薄膜电阻15-1在受到扭力作用时，其阻值发生变化。
将光刻好的弹性体材料1放入高温炉中按工艺要求进行退火处理以及高低温处理。将处理好的弹性体材料1切割分离成单个的敏感单元2。
在所述二个接触层焊盘16-1上引出信号线，然后在所述敏感单元2的表面涂敷保护层17，烘干得到薄膜扭矩传感器芯片。
将得到的四个薄膜扭矩传感器芯片按扭矩传感器芯片布置原则安装在扭轴上，形成惠斯通电桥。当扭轴受到扭力时，所述惠斯通电桥失出平衡输出与所受扭力成比例的电信号。
由于是批量生产，一次性可生产数百个相同的扭矩传感器芯片，且芯片的生产效率高、成本低、一致性好。
相应的一种薄膜扭矩传感器芯片制造方法，包括以下步骤：
S1.准备弹性体材料，所述弹性体材料包括但不限于不锈钢、钛合金、非晶合金；
S2.采用机械加工的方法或者激光切割的方法，加工出具有定位边12的弹性体材料1，所述弹性体材料1的大小是4英寸、6英寸、8英寸、12英寸中的一种；
S3.将加工好的所述弹性体材料1放入高温退火炉中进行退火处理；
S4.利用机械研磨抛光方法，将所述弹性体材料1的上表面11进行研磨抛光，然后清洗烘干备用；
S5.将烘干后的弹性体材料1放入具有二个共溅射离子加速器、一个辅助清洗离子加速器的原子薄膜沉积系统的真空腔室中；
S6.启动原子薄膜沉积系统，将真空腔室抽真空，启动所述辅助清洗离子加速器对弹性体材料1的上表面11进行离子束轰击清洗，使所述上表面11进一步抛光，去除上表面11上的吸附物，使上表面11达到原子级清洁度，同时增强上表面11表面原子能量；
S7.启动二个共溅射离子加速器，在所述弹性体材料1的上表面11上依次共溅射沉积原子级的过渡层13、绝缘层14、薄膜电阻层15、接触层16；
S8.将沉积好过渡层13、绝缘层14、薄膜电阻层15、接触层16的所述弹性体材料1进行光刻，形成位于中部位置的薄膜电阻15-1和位于两端的二个接触层焊盘16-1；
S9.将光刻好的弹性体材料1放入高温炉中，进行退火处理；
S10.将退火处理好的弹性体材料1切割分离成敏感单元2；
S11.在所述敏感单元2的二个接触层焊盘16-1上引出信号线；
S12.在所述敏感单元2的表面涂敷保护层17，烘干，得到扭矩传感器芯片。
具体工作原理为：当扭力作用在扭轴上时，位于扭轴上的四个扭矩传感器芯片形成的惠斯通电桥的四个薄膜电阻阻值发生变化，电桥失出平衡，输出与所受扭矩成比例的电信号。通过检测输出的电信号即可得到所受扭矩值的大小。
以上所述，仅是本发明的较佳实施方式，不应被视为对本发明范围的限制，而且本发明所主张的权利要求范围并不局限于此，凡熟悉此领域技艺的人士，依照本发明所披露的技术内容，可轻易思及的等效变化，均应落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种薄膜扭矩传感器芯片制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.准备弹性体材料，所述弹性体材料包括但不限于不锈钢、钛合金、非晶合金；
S2.采用机械加工的方法或者激光切割的方法，加工出具有定位边(12)的弹性体材料(1)，所述弹性体材料(1)的大小是4英寸、6英寸、8英寸、12英寸中的一种；
S3.将加工好的所述弹性体材料(1)放入高温退火炉中进行退火处理；
S4.利用机械研磨抛光方法，将所述弹性体材料(1)的上表面(11)进行研磨抛光，然后清洗烘干备用；
S5.将烘干后的弹性体材料(1)放入具有二个共溅射离子加速器、一个辅助清洗离子加速器的原子薄膜沉积系统的真空腔室中；
S6.启动原子薄膜沉积系统，将真空腔室抽真空，启动所述辅助清洗离子加速器对弹性体材料(1)的上表面(11)进行离子束轰击清洗，使所述上表面(11)进一步抛光，去除上表面(11)上的吸附物，使上表面(11)达到原子级清洁度，同时增强上表面(11)表面原子能量；
S7.启动二个共溅射离子加速器，在所述弹性体材料(1)的上表面(11)上依次共溅射沉积原子级的过渡层(13)、绝缘层(14)、薄膜电阻层(15)、接触层(16)；
S8.将沉积好过渡层(13)、绝缘层(14)、薄膜电阻层(15)、接触层(16)的所述弹性体材料(1)进行光刻，形成位于中部位置的薄膜电阻(15-1)和位于两端的二个接触层焊盘(16-1)；
S9.将光刻好的弹性体材料(1)放入高温炉中，进行退火处理；
S10.将退火处理好的弹性体材料(1)切割分离成敏感单元(2)；
S11.在所述敏感单元(2)的二个接触层焊盘(16-1)上引出信号线；
S12.在所述敏感单元(2)的表面涂敷保护层(17)，烘干。
2.根据权利要求1所述的薄膜扭矩传感器芯片，其特征在于，采用权利要求1所述的薄膜扭矩传感器芯片制造方法制得。
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