CN112038027B

CN112038027B - 一种高精度转角传感器及其电阻敏感元件的制备方法

Info

Publication number: CN112038027B
Application number: CN202010910517.XA
Authority: CN
Inventors: 刘志远; 徐冬; 咸婉婷; 王洋洋; 赵海; 杨思远; 金鹏飞; 陈宝成; 田雷
Original assignee: CETC 49 Research Institute
Current assignee: CETC 49 Research Institute
Priority date: 2020-09-02
Filing date: 2020-09-02
Publication date: 2022-04-05
Anticipated expiration: 2040-09-02
Also published as: CN112038027A

Abstract

一种高精度转角传感器及其电阻敏感元件的制备方法，属于传感器制造技术领域，本发明为解决现有电位式转角传感器测量精度低、电阻体材料耐磨性差、电阻膜阻值均匀性差的问题。一种高精度转角传感器，外壳底部和端盖内部分别安装有第一轴承和第二轴承，传动转轴贯穿外壳和端盖中心的通孔，传动转轴上由外壳底部至端盖方向依次套装有第一轴承、绝缘陶瓷、信号引出滑环、电刷和第二轴承，电阻敏感元件烧结在外壳内部，当传动转轴发生转动时，传动转轴带动刚性连接的电刷在电阻敏感元件表面滑动，电刷转动角度与电刷和参考点之间电阻成正比，通过测量电刷和参考点之间电阻的变化获得传动转轴的角度值。本发明用于精密角度测量。

Description

一种高精度转角传感器及其电阻敏感元件的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高精度转角传感器及其电阻敏感元件的制备方法，属于传感器制造技术领域。

背景技术

精密角度测量是几何量测量的一个重要项目，也是计量科学中发展较为完备的一个分支，在过去的20年中，角度测量的精度提高了10多倍。目前，很多重要的测控仪器，如陀螺转台、惯导平台、高精度数控机床、雷达、导弹发射架等系统中一般都需要安装转角传感器，用于测量被测物体相对于某基准方位的绝对转角或相对于自身在不同时刻的相对转角。

随着测控技术的发展，系统要求的测控精度越来越高。然而，角度测量仍然存在各种各样的问题，主要有：精度不够高、只能在小角度测量时得到高精度测量结果、精度提高使产品尺寸和重量过大、小型化方面存在技术困难、环境适应性差、可靠性低、与其他仪器不易融合等等。

发明内容

本发明目的是为了解决现有电位式转角传感器测量精度低、电阻体材料耐磨性差、电阻膜阻值均匀性差的问题，提供了一种高精度转角传感器及其电阻敏感元件的制备方法。

本发明所述一种高精度转角传感器，它包括外壳、端盖、电阻敏感元件、电刷、信号引出滑环、第一轴承、第二轴承、传动转轴和绝缘陶瓷；

外壳和安装在外壳顶部的端盖组成内部有空腔的圆柱体，外壳底部和端盖内部分别安装有第一轴承和第二轴承，

传动转轴贯穿外壳和端盖中心的通孔，

传动转轴上由外壳底部至端盖方向依次套装有第一轴承、绝缘陶瓷、信号引出滑环、电刷和第二轴承，

电阻敏感元件烧结在外壳内部，

当传动转轴发生转动时，传动转轴带动刚性连接的电刷在电阻敏感元件表面滑动，电刷转动角度与电刷和参考点之间电阻成正比，通过测量电刷和参考点之间电阻的变化获得传动转轴的角度值。

优选的，它还包括轴承挡圈，轴承挡圈用于固定第一轴承。

优选的，它还包括陶瓷片(11)，陶瓷片(11)安装在电刷(4)和第二轴承(7)之间。

本发明所述一种高精度转角传感器电阻敏感元件的制备方法，它包括：

S1、采用磁控溅射方法将碳-康铜溅射在陶瓷基体上形成膜态电阻体；

S2、采用回转式电阻体分度修刻工艺法将膜态电阻体在圆周方向划分为多个扇形区域，实现电阻体修刻。

优选的，S1所述形成膜态电阻体的方法包括：

S1-1、采用流延平台制备陶瓷基体；

S1-2、在陶瓷基体表面进行悬涂光刻胶，然后依次进行匀胶、前烘、曝光、显影、后烘，使得光刻胶图形化；

S1-3、通过磁控溅射平台制作电阻体薄膜；

S1-4、采用反转胶工艺法使电阻体薄膜成型，形成膜态电阻体。

优选的，S2所述实现电阻体修刻的方法包括：

S2-1、根据输出精度计算电阻参量；

S2-2、根据电阻参量加工分度修调电阻网板；

S2-3、采用分度修调电阻网板将膜态电阻体在圆周方向划分为多个扇形区域，对每个扇形区域的电阻值按S2-1获取的电阻参量进行调阻，实现电阻体修刻。

优选的，S2-3所述采用分度修调电阻网板将膜态电阻体在圆周方向划分为多个扇形区域，对每个扇形区域的电阻值按电阻参量进行调阻的方法包括：

将膜态电阻体放置在激光调阻机的载片台上，将分度修调电阻网板放置在膜态电阻体上，调整工装夹具的位置并装夹，通过激光调阻机的载片台的移动，完成电阻值的调阻过程；激光调阻机的开关通过光学控制系统控制实现。

优选的，S2-2所述分度修调电阻网板采用316L不锈钢制成。

本发明提出的一种高精度转角传感器及其电阻敏感元件的制备方法，具有如下优点：

1、提出了一种利用电刷在电阻体上滑动，从而获得与电位器输入电压(外加电压)和电刷转角成一定关系的电压输出，进而获得测量结果的高精度转角传感器，测量原理简单、零部件少、小型化且轻重量；

2、敏感元件通过碳-康铜双靶共溅射沉积类金刚石导电碳膜的薄膜制备工艺，制备出基于陶瓷基底的高精度、高耐磨性、小型化合成碳膜电阻材料，解决了现有导电塑料电阻体材料耐磨性不足，长期工作稳定性差的问题；

3、提出了采用激光对电阻体进行修调的方法，将激光器发出的激光束聚焦成为很小的光点，达到合适的能量密度，按照微调图形对电阻的导电体进行切割，电阻的膜层熔融、蒸发，改变膜电阻导电体的有效导电面积或有效导电长度，从而实现电阻的修调。

附图说明

图1是本发明所述一种高精度转角传感器的的结构示意图；

图2是本发明所述一种高精度转角传感器的测量原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种高精度转角传感器，它包括外壳1、端盖2、电阻敏感元件3、电刷4、信号引出滑环5、第一轴承6、第二轴承7、传动转轴8和绝缘陶瓷9；

外壳1和安装在外壳1顶部的端盖2组成内部有空腔的圆柱体，外壳1底部和端盖2内部分别安装有第一轴承6和第二轴承7，

传动转轴8贯穿外壳1和端盖2中心的通孔，

传动转轴8上由外壳1底部至端盖2方向依次套装有第一轴承6、绝缘陶瓷9、信号引出滑环5、电刷4和第二轴承7，

电阻敏感元件3烧结在外壳1内部，

当传动转轴8发生转动时，传动转轴8带动刚性连接的电刷4在电阻敏感元件3表面滑动，电刷4转动角度与电刷4和参考点之间电阻成正比，通过测量电刷4和参考点之间电阻的变化获得传动转轴8的角度值。

本实施方式中，电刷4采用高精度钯铂银铜合金制成，通过施加适度预应力在碳膜上随传动转轴8稳定转动，转过角度与电刷4所处位置和参考点之间的电阻成正比，通过测量电刷4和参考点之间电阻的变化获得传动转轴8的角度值。

进一步的，它还包括轴承挡圈10，轴承挡圈10用于固定第一轴承6。

再进一步的，它还包括陶瓷片11，陶瓷片11安装在电刷4和第二轴承7之间。

本实施方式中，将第一轴承6安装在外壳1中，安装固定第一轴承6的轴承挡圈10，将电阻敏感元件3通过玻璃粉烧结在外壳1内，将第二轴承7与端盖2连接并烧结固定；将传动转轴8套上绝缘陶瓷9后固定，然后安装信号引出滑环5和电刷4并固定；最后将传动转轴8穿过外壳1和端盖2的通孔中；将外壳1和端盖2通过氩弧焊接连接在一起。

本实施方式中，所述一种高精度转角传感器的测量原理为：应用滑动分压器的原理，当驱动转轴发生转动时，转轴带动与之刚性连接的接触电刷在电阻体表面滑动，转动的角度与接触电刷的电阻变化成正比关系，如图2所示，为本发明所述一种高精度转角传感器的测量原理图，对电阻体两端施加输入电压U_i，接触电刷与公共端之间的输出电压U_ax，则：

其中：U_i表示1端口与3端口之间的输入电压，U_x表示1端口与2端口之间的输出电压，R_e表示电阻体1与3之间的总电阻，R_x表示接触电刷的输出电阻。

从结构上讲，该传感器是在绝缘基体上高精度溅射上0～340°角度的具有高欧姆电阻的合成碳膜，高可靠性的电刷由驱动轴带动沿着导电膜的表面转动，电刷通常是由弹性材料制成的一端弯曲的小金属条或金属丝。当电刷沿传感器导电膜移动时，它的弯曲端始终与导电膜紧密接触，避免了绕线式传感器的电刷由一匝导线滑至另一匝导线的过渡瞬间产生接触中断。

合成碳膜的电阻R可以表示为：

其中：ρ表示合成碳膜的电阻率，R_S表示合成碳膜的方阻，L表示合成碳膜的等效长度，a表示合成碳膜的宽度，t表示合成碳膜的厚度。

本实施方式所述传感器指标要求标称阻值为2KΩ，根据传感器小型化的设计要求，设计合成碳膜的外径17mm，内径为10mm，合成碳膜的方阻为：

具体实施方式二：本实施方式所述一种高精度转角传感器电阻敏感元件的制备方法，它包括：

本实施方式中，电阻敏感元件3是碳-康铜(C-Cu55Ni45)双靶共溅射法制备的合成类金刚石碳膜纳米导电材料制成。与传统的丝网印刷厚膜工艺相比，磁控溅射法制备的碳-康铜电阻体更均匀致密。但是制备的电阻膜微观仍然存在阻值不均的现象，导致传感器线性精度差，为了进一步提高传感器线性精度，提出了一种回转式电阻体分度修刻的工艺方法，将电阻体按照圆周方向划分若干扇形微小区域，通过修刻碳膜局部改变阻值的工艺方法进一步提高电阻体阻值的均匀性，提高电位器精度。同时，这种修刻方法还可以用于其他圆形或者回转型电阻膜体修刻。

进一步的，S1所述形成膜态电阻体的方法包括：

S1-1、采用流延平台制备陶瓷基体；

S1-3、通过磁控溅射平台制作电阻体薄膜；

本实施方式中，S1-1所述制备陶瓷基体的方法包括：通过流延平台制备，选择绝缘性和导热性、热膨胀系数与电阻膜相匹配、易加工成型的氧化铝陶瓷，通过对氧化铝陶瓷粉体掺杂设计、流延添加剂设计、流延工艺优化、制备出适合收缩率与热膨胀系数的流延膜片。

再进一步的，S2所述实现电阻体修刻的方法包括：

S2-1、根据输出精度计算电阻参量；

S2-2、根据电阻参量加工分度修调电阻网板；

本实施方式中，电阻体激光修刻方式主要分为电阻体宽度方向和厚度方向的修刻，由于本传感器的电阻膜采用薄膜工艺路线，电阻膜层较薄，修刻难度较大，在有限的厚度上不一定能实现理想的修刻，另外厚度方向上的修刻会造成电阻体在整个行程上厚度不一，影响电刷与电阻体的接触，因此，电阻体修刻选择为在电阻体宽度方向上。

再进一步的，S2-3所述采用分度修调电阻网板将膜态电阻体在圆周方向划分为多个扇形区域，对每个扇形区域的电阻值按电阻参量进行调阻的方法包括：

再进一步的，S2-2所述分度修调电阻网板采用316L不锈钢制成。

本实施方式中，激光调阻机采用ESI4900型紫外激光调阻机。工装夹具采用转角传感器修调专用工装转轴夹具。采用光学控制系统负责实现振镜的偏转和激光器的开关控制；采用测量反馈系统功能实现电阻刻蚀过程中实时在线测量及调阻过程控制。

本实施方式中，激光调阻的工作原理为：激光修调的工作原理是把一束聚焦的相干光在计算机的控制下定位照射至薄膜表面，薄膜吸收激光能量被加热汽化切除以达到规定参数或阻值。调阻时局部温升使膜层熔化，减小电阻膜层的面积。由电阻公式

可知，面积S减小，电阻R增大。

本实施方式中，对膜态电阻体设计一次修调区R₂和二次修调区R₃，被修调区总电阻为R：

理想情况下每1°的总电阻：R＝2000kΩ/340°＝5.88Ω；

根据碳膜方阻R_s＝174.85Ω/□，结合合成碳膜制备工艺，合理设计固定电阻R₁、一次修调区R₂和二次修调区R₃的配比值，首先进行一次修调区的修刻，若精度不满足指标要求，再进行二次修调。

本发明通过对碳-康铜双靶共溅射沉积的类金刚石导电碳膜进行高精度分度修调线性修刻，制备出高精度的转角传感器，提出了一种回转式电阻体激光修刻工艺方法，解决了圆形电阻体阻值线性度难以精密修正的问题，可全面应用在电位式转角传感器的厚膜工艺或薄膜工艺制备的敏感元件阻值修调，除此以外，这种分度修刻工艺方法还可以用于电阻器或电容器、模拟器件、混合器件或集成电路芯片等圆形或回转形电阻体阻值的微调，拓宽了微结构的无局限设计方案。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims

1.一种高精度转角传感器电阻敏感元件的制备方法，其特征在于，它包括：

S2、采用回转式电阻体分度修刻工艺法将膜态电阻体在圆周方向划分为多个扇形区域，实现电阻体修刻；采用分度修调电阻网板将膜态电阻体在圆周方向划分为多个扇形区域，对每个扇形区域的电阻值按电阻参量进行调阻的方法包括：

2.根据权利要求1所述的一种高精度转角传感器电阻敏感元件的制备方法，其特征在于，S1所述形成膜态电阻体的方法包括：

S1-1、采用流延平台制备陶瓷基体；

S1-3、通过磁控溅射平台制作电阻体薄膜；

3.根据权利要求1或2所述的一种高精度转角传感器电阻敏感元件的制备方法，其特征在于，S2所述实现电阻体修刻的方法包括：

S2-1、根据输出精度计算电阻参量；

S2-2、根据电阻参量加工分度修调电阻网板；

4.根据权利要求3所述的一种高精度转角传感器电阻敏感元件的制备方法，其特征在于，S2-2所述分度修调电阻网板采用316L不锈钢制成。