CN113447101A - 基于mems芯体的液压传导型质量传感器及其制作工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及称重传感器技术领域，尤其涉及一种基于MEMS芯体的液压传导型质量传感器及其制作工艺，通过设置形变部、承载部形成的密封腔配合压力MEMS传感器感应液压的变化得到总质量的数据，密封腔的小腔体大面积式设计，能够充分的提高测量灵敏度；其中，在形变部设置有突出于平面的受力点，并且变形板设置为能够将受力点往中心聚拢的收拢结构，使得发生形变过程是先由中心向四周均匀扩散，以形成均匀受力，同时形变部设置有双向的抵持边框和凸块作为双层防过载结构，有效的防止测量过载导致传感器失灵，配合本身的高刚度达到有效的防蠕变效果，具有较强的实用性和推广意义。
Description
技术领域
本发明涉及称重传感器技术领域，尤其涉及一种基于MEMS芯体的液压传导型质量传感器及其制作工艺。
背景技术
质量传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置；用传感器应先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确选用称重传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性；在质量传感器主要技术指标的基本概念和评价方法上，新旧国标有质的差异；主要有S型、悬臂型、轮辐式、板环式、膜盒式、桥式、柱筒式等几种样式。
现有技术中，质量传感器不乏用于地磅称重的质量较大的重型质量传感器，在长期以往的使用中，难免出现疲劳和过载的现象，从而导致称重的效果变差，准确度变低；现有技术中，多采用波纹片和储油腔的配合作用来将质量转换成压力，再由压力引起内部油腔体积变化，从而测量液压变化引起的电信号变化，最后测量出被称物体的重量；或者是采用弹簧连接称重的方式进行被称物体的重量，这些称重的方式由于没有对过载和蠕变采取有效的防护措施，在长期的使用下往往会发生波纹片和弹簧的蠕变和疲劳，严重影响称重的准确性，故亟需一种新的质量传感器结构以解决现有技术中的缺陷和不足。
发明内容
针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种基于MEMS芯体的液压传导型质量传感器及其制作工艺，通过设置形变部、承载部形成的密封腔配合压力传感器感应液压的变化得到总质量的数据；其中，在形变部设置有突出于平面的受力点，使得发生形变过程是先由中心向四周均匀扩散，以形成均匀受力，同时形变部设置有双向的防过载结构，有效的防止测量过载导致传感器失灵，配合本身的高刚度达到有效的防蠕变效果。
为实现上述目的，本发明提供一种基于MEMS芯体的液压传导型质量传感器，包括形变部、承载部和MEMS传感器，形变部与承载部之间设有用于填充液体的密封腔，密封腔设有感应孔，MEMS传感器设于感应孔内密封感应孔，并与密封腔连通检测液压变化；形变部远离承载部的表面中心部分向上凸起形成受力部，其中受力部的顶部为凸起的弧面；形变部位于密封腔内与受力部同轴位置设有凸出的凸块，当形变部朝承载部方向移动至凸块与承载部相抵持时，形变部停止形变。
作为优选：MEMS传感器与感应孔连接，当MEMS传感器与感应孔螺纹连接时，MEMS传感器与感应孔之间的连接缝填充满密封胶体；其中MEMS传感器内设有MEMS芯体。
具体的：所述形变部与承载部之间开设有用于连接外部与密封腔的注油孔，；其中注油孔设有用于封堵的圆球，圆球与注油孔采用过盈配合。
具体的：形变部远离承载部的表面四周向上凸起形成抵持边框，抵持边框的凸起高度小于受力部的凸起高度。
作为优选：形变部包括形变板，抵持边框与受力部设于形变板上，形变板设有抵持边框与受力部的一面为中心凸起的弧形凸板结构或者中心凹陷的弧形凹板结构。
一种基于MEMS芯体的液压传导型质量传感器的制作工艺，包括以下步骤：
从胚料中加工出形变部和承载部；
在形变部远离承载部的一面的中心位置加工出凸起的受力部，将受力部的顶部加工为弧形凸面；在形变部的四周加工出高度低于受力部的抵持边框，在抵持边框与受力部之间加工出中间高四周低或者中间低四周高的弧形结构，形成形变板；
在形变部与承载部相互连接的平面均加工出相同的凹槽，形变部的凹槽中间位置留有凸出于凹槽槽底的凸块；
形变部与承载部设有凹槽的一面通过焊接连接，使两个凹槽配合形成密封腔，焊接后的形变部与承载部侧壁钻出设有内螺纹的感应孔，将密封腔内注满液油后，将设有MEMS芯体的MEMS传感器螺纹连接于感应孔内。
具体的：在将密封腔内注满液油的步骤之前，还包括一个步骤：采用电火花打孔工艺在焊接后的形变部与承载部的连接位置开出用于连接外部与密封腔的注油孔，注油孔的孔径由靠近外部的一端向靠近密封腔的一端逐渐缩小，形成锥形通孔结构。
作为优选：在将设有MEMS芯体的MEMS传感器螺纹连接于感应孔内的步骤中，MEMS芯体的加工方式为，将上层芯体的E型连接面以及下层芯体的平面连接面抛光后，将两面紧靠，并且在真空环境下在两层芯体的侧面施加10000V的高压使两层芯体的连接面之间真空键合。
作为优选：在将设有MEMS芯体的MEMS传感器螺纹连接于感应孔内的步骤前，在钻好的感应孔内填充密封胶体。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明提供的一种基于MEMS芯体的液压传导型质量传感器及其制作工艺，通过设置形变部、承载部形成的密封腔配合压力传感器感应液压的变化得到总质量的数据，密封腔的小腔体大面积式设计，能够充分的提高测量灵敏度；其中，在形变部设置有突出于平面的受力点，使得发生形变过程是先由中心向四周均匀扩散，以形成均匀受力，同时形变部设置有双向的抵持边框和凸块作为双层防过载结构，有效的防止测量过载导致传感器失灵，配合本身的高刚度达到有效的防蠕变效果，具有较强的实用性和推广意义。
附图说明
图1为本发明的立体图；
图2为本发明的爆炸视图；
图3为本发明的剖面视图；
图4为本发明的MEMS芯体剖面视图；
图5为本发明的制作工艺流程图。
主要元件符号说明如下：
1、形变部；11、受力部；12、抵持边框；13、形变板；
2、MEMS传感器；21、MEMS芯体；211、上层芯体；212、下层芯体；
3、承载部；
4、圆球；
5、感应孔；51、感应腔；
6、密封腔；
7、凸块；
8、注油孔。
具体实施方式
为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。
在下文描述中，给出了普选实例细节以便提供对本发明更为深入的理解。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。应当理解所述具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件或它们的组合。
现有技术中，采用波纹片和储油腔的配合作用来将质量转换成压力，再由压力引起内部油腔体积变化，从而测量液压变化引起的电信号变化，最后测量出被称物体的重量；或者是采用弹簧连接称重的方式进行被称物体的重量，这些称重的方式由于没有对过载和蠕变采取有效的防护措施，在长期的使用下往往会发生波纹片和弹簧的蠕变和疲劳，严重影响称重的准确性，故亟需一种新的质量传感器结构以解决现有技术中的缺陷和不足。
为解决现有技术中的缺陷和不足，本发明具体的提供一种基于MEMS芯体21的液压传导型质量传感器，请参阅图1-图3，包括形变部1、承载部3和MEMS传感器2，形变部1与承载部3之间设有用于填充液体的密封腔6，密封腔6设有感应孔5，MEMS传感器2设于感应孔5内密封感应孔5，并与密封腔6连通检测液压变化；形变部1远离承载部3的表面中心部分向上凸起形成受力部11，其中受力部11的顶部为凸起的弧面；形变部1位于密封腔6内与受力部11同轴位置设有凸出的凸块7，当形变部1朝承载部3方向移动至凸块7与承载部3相抵持时，形变部1停止形变；MEMS传感器2用单晶硅作材料，以采用MEMS技术在材料中间制作成力敏膜片，然后在膜片上扩散杂质形成四只应变电阻，再以惠斯顿电桥方式将应变电阻连接成电路，来获得高灵敏度；MEMS压力传感器有电容式、压阻式、差动变压器式、声表面波式等几种常见的形式；在本申请中主要采用的是压阻式MEMS传感器2，再与电桥连接形成电路；密封腔6内通常封装有液油，并且处于密封状态，在进行质量的测量时，形变部1作为接触面首先承重，设置的受力部11由于为最高凸点优先承重，并且由于其本身顶部的凸起弧面，受力点集中于弧面的最高点单点受力，力由最高点均匀且缓慢的扩散至四周，如此一来，形变部1也从中心位置开始发生缓慢的形变。发生形变会导致密封腔6内的体积变化，从而挤压液油，发生液压的变化，则MEMS传感器2会接收到液压的变化从而在后续过程中转换成数字信号进行质量的标定；密封腔6采用了低高度大面积的结构，将密封腔6的高度控制在3mm-5mm之间，并且面积尽可能的大，以达到即使形变量极小但是液压的变化明显的效果，实现传感器高精度的测量效果；在这之中难免会发生过载的情况，故在密封腔6内设置用于防过载的凸块7，凸块7凸出于密封腔6位于形变部1的一侧，但是不与承载部3接触，其设置的目的在于当形变部1发生的形变至凸块7与承载部3相抵持时，即为本装置的最大测量范围，形变部1无法发生更大的形变，以此达到良好的防过载效果。
在一个优选的实施例中提及：请参阅图2-图4，MEMS传感器2与感应孔5采用螺纹方式连接，当MEMS传感器2与感应孔5螺纹连接时，MEMS传感器2与感应孔5之间的连接缝填充满密封胶体；其中MEMS传感器2内设有MEMS芯体21；密封腔6在靠近MEMS传感器2的位置留有一个感应腔51，感应腔51与感应孔5是互通的，MEMS传感器2通过螺纹连接的方式密封感应孔5时，MEMS芯体21位于感应腔51内用于感应液压的变化，同时在螺纹连接的连接缝内灌满密封胶体，从而使密封腔6始终处于密封状态； MEMS芯体21包括通过真空键合的上层芯体211和下层芯体212，上层芯体211与下层芯体212的连接面为中间和侧边凸起的E型连接面，下层芯体212与上层芯体211的连接面为平面连接面，当上层芯体211与下层芯体212键合时，上层芯体211与下层芯体212之间形成真空内腔；上层芯体211设置为中间和侧边凸起的E型连接面，其主要的目的同样是为了芯片的防过载，液压在发生变化时由于其内部的空间是密封的，故会对MEMS芯体21发生挤压，中间位置的凸起主要用于收到足够大的压力时，与下层芯体212相抵持从而防止芯体的过载导致损坏；上层芯体211和下层芯体212的连接面之间采用真空键合，分子键紧密结合既保证了连接的稳定性，同时保证了内腔的真空结构。
在本实施例中提及：请参阅图1-图4，形变部1与承载部3之间开设有用于连接外部与密封腔6的注油孔8，注油孔8的孔径由靠近外部的一端向靠近密封腔6的一端逐渐缩小，形成锥形通孔结构；其中注油孔8设有用于封堵的圆球4，圆球4与注油孔8采用过盈配合；注油孔8采用孔径由靠近外部的一端向靠近密封腔6的一端逐渐缩小的锥形通孔结构，能够保证接近密封腔6一端的孔径达到最小，从而最大限度的避免密封腔6内的液油产生空气；在制作时，密封腔6内的液油从注油孔8注入，在密封腔6和注油孔8内均注满液油后，圆球4通过过盈配合的方式敲入注油孔8内，挤压孔壁的同时封堵密封注油孔8；在具体的实施中，注油孔8连接外部一端的孔径为0.7mm，而到了密封腔6的一端的孔径变为0.4mm；而圆球4的直径为0.8mm-1mm。
在本实施例中提及：请参阅图2，形变部1远离承载部3的表面四周向上凸起形成抵持边框12，抵持边框12的凸起高度小于受力部11的凸起高度；抵持边框12为形变部1的第二道防过载结构，受力部11在受力之后会发生向下变形，此时受力部11的高度相相对于形变部1持续下降，为防止一直下降导致过载的问题，凸起的抵持边框12在受力部11下降至与之相同的高度时，抵持边框12起到承载的作用，受力部11的受力不在增大，形变部1不在发生形变。
在一个优选的实施例中提及：请参阅图2-图3，形变部1包括形变板13，抵持边框12与受力部11设于形变板13上，形变板13设有抵持边框12与受力部11的一面为中心凸起的弧形凸板结构或者中心凹陷的弧形凹板结构；形变板13设为中心凸起的弧形凸板结构或者中心凹陷的弧形凹板结构，其主要目的还是用于收拢受力点，将受力时的受力点优先从中心位置向四周扩散，同样是为了保证受力的均匀。
一种基于MEMS芯体21的液压传导型质量传感器的制作工艺，请参阅图4-图5，包括以下步骤：
通过车床从胚料中一体式加工出承载部3和形变部1；
在形变部1远离承载部3的一面的中心位置加工出凸起的受力部11，将受力部11的顶部加工为弧形凸面；在形变部1的四周加工出高度低于受力部11的抵持边框12，在抵持边框12与受力部11之间加工出中间高四周低或者中间低四周高的弧形结构，形成形变板13；
在形变部1与承载部3相互连接的平面均加工出相同的凹槽，形变部1的凹槽中间位置留有凸出于凹槽槽底的凸块7；
形变部1与承载部3设有凹槽的一面通过焊接连接，使两个凹槽配合形成密封腔6，焊接后的形变部1与承载部3侧壁钻出设有内螺纹的感应孔5，将密封腔6内注满液油后，将设有MEMS芯体21的MEMS传感器2螺纹连接于感应孔5内；在注油的步骤中，将焊接好的形变部1与承载部3完全浸入油桶内，从注油孔8注入液油，在注油时将焊接好的形变部1与承载部3保持持续振动的状态，以使密封腔6内的气体排出，使密封腔6内完全充满液油，后再进行密封,持续振动的方式能够将密封腔6内的气泡通过振动的方式振出。
在本实施例中提及：在将密封腔6内注满液油的步骤之前，还包括一个步骤：采用电火花打孔工艺在焊接后的形变部1与承载部3的连接位置开出用于连接外部与密封腔6的注油孔8，注油孔8的孔径由靠近外部的一端向靠近密封腔6的一端逐渐缩小，形成锥形通孔结构；电火花打孔，其工作原理是利用连续上下垂直运动的细金属铜管（称为电极丝）作电极，对工件进行脉冲火花放电蚀除金属成型，电极与金属间放电产生高温腐蚀金属达到穿孔的目的，用于加工超硬钢材、硬质合金、铜、铝及任何可导电性物质的细孔。最小可加工0.015mm的小孔，也可加工带有锥度的小孔，被广泛使用在精密模具加工中；注油孔8采用孔径由靠近外部的一端向靠近密封腔6的一端逐渐缩小的锥形通孔结构，能够保证接近密封腔6一端的孔径达到最小，从而最大限度的避免密封腔6内的液油产生空气；在制作时，密封腔6内的液油从注油孔8注入，在密封腔6和注油孔8内均注满液油后，圆球4通过过盈配合的方式敲入注油孔8内，挤压孔壁的同时封堵密封注油孔8；在具体的实施中，注油孔8连接外部一端的孔径为0.7mm，而到了密封腔6的一端的孔径变为0.4mm；而圆球4的直径为0.8mm-1mm。
在一个优选的实施例中提及：在将设有MEMS芯体21的MEMS传感器2螺纹连接于感应孔5内的步骤中，MEMS芯体21的加工方式为，将上层芯体211的E型连接面以及下层芯体212的平面连接面抛光后，将两面紧靠，并且在真空环境下在两层芯体的侧面施加10000V的高压使两层芯体的连接面之间真空键合；MEMS芯体21是双层结构，顶部为E型结构，底部为为平面结构，两层连接面经抛光后，将两面紧靠，并在两片的两侧，施加直流一万伏高压，这种在高压作用下，两接触面的分子间力得到扩展，形成分子键紧密结合，这种结合是在真空环境下形成，上下两片之间为真空，中真空在两片的分子间力作用下，形成严不透气的结构，这种键合结构，为真空键合；上层芯体211设置为中间和侧边凸起的E型连接面，其主要的目的同样是为了芯片的防过载，液压在发生变化时由于其内部的空间是密封的，故会对MEMS芯体21发生挤压，中间位置的凸起主要用于收到足够大的压力时，与下层芯体212相抵持从而防止芯体的过载导致损坏。
在一个优选的实施例中提及：在将设有MEMS芯体21的MEMS传感器2螺纹连接于感应孔5内的步骤前，在钻好的感应孔5内填充密封胶体，填充密封胶体，能够在MEMS传感器2与感应孔5螺纹连接时，通过密封胶体填充满连接缝，保证密封腔6的绝对密封性。
在一个实施例中提及：本申请的形变部1和承载部3以及圆球4均采用17-4PH马氏体沉淀硬化型不锈钢一体式成型，17-4PH的性能特点是易于调整强度级别,即可通过变动热处理工艺予以调整。马氏体相变和时效处理形成沉淀硬化相是其主要强化手段,17-4PH衰减性能好,抗腐蚀疲劳及抗水滴性能强，并且在经过热处理后，产品的机械性能更加完善，可以达到高达1100-1300 Mpa (160-190 ksi) 的耐压强度；故选用这种金属，能够保证本发明提供的传感器能够应用在吨位较大的测量场景下，能够发生一定量的形变的情况下不，结合防过载结构不会发生蠕变，保证测量的准确度和精准度。
本发明的优势在于：
1、在形变部设置有突出于平面的受力点，使得发生形变过程是先由中心向四周均匀扩散，以形成均匀受力，同时形变部设置有双向的抵持边框和凸块作为双层防过载结构，有效的防止测量过载导致传感器失灵。
2、双向防过载结构配合本身的高刚度达到有效的防蠕变效果。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于MEMS芯体的液压传导型质量传感器，其特征在于，包括形变部、承载部和MEMS传感器，形变部与承载部之间设有用于填充液体的密封腔，密封腔设有感应孔，MEMS传感器设于感应孔内密封感应孔，并与密封腔连通检测液压变化；形变部远离承载部的表面中心部分向上凸起形成受力部，其中受力部的顶部为凸起的弧面；形变部位于密封腔内与受力部同轴位置设有凸出的凸块，当形变部朝承载部方向移动至凸块与承载部相抵持时，形变部停止形变。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS芯体的液压传导型质量传感器，其特征在于，MEMS传感器与感应孔连接，当MEMS传感器与感应孔连接时，MEMS传感器与感应孔之间的连接缝填充满密封胶体；其中MEMS传感器内设有MEMS芯体。
3.根据权利要求2所述的基于MEMS芯体的液压传导型质量传感器，其特征在于，MEMS芯体包括通过真空键合的上层芯体和下层芯体，上层芯体与下层芯体的连接面为中间和侧边凸起的E型连接面，下层芯体与上层芯体的连接面为平面连接面，当上层芯体与下层芯体键合时，上层芯体与下层芯体之间形成真空内腔。
4.根据权利要求1所述的基于MEMS芯体的液压传导型质量传感器，其特征在于，形变部与承载部之间开设有用于连接外部与密封腔的注油孔；其中注油孔设有用于封堵的圆球，圆球与注油孔采用过盈配合。
5.根据权利要求1所述的基于MEMS芯体的液压传导型质量传感器，其特征在于，形变部远离承载部的表面四周向上凸起形成抵持边框，抵持边框的凸起高度小于受力部的凸起高度。
6.根据权利要求5所述的基于MEMS芯体的液压传导型质量传感器，其特征在于，形变部包括形变板，抵持边框与受力部设于形变板上，形变板设有抵持边框与受力部的一面为中心凸起的弧形凸板结构或者中心凹陷的弧形凹板结构。
7.一种基于MEMS芯体的液压传导型质量传感器的制作工艺，其特征在于，包括以下步骤：
从胚料中加工出形变部和承载部；
在形变部远离承载部的一面的中心位置加工出凸起的受力部，将受力部的顶部加工为弧形凸面；在形变部的四周加工出高度低于受力部的抵持边框，在抵持边框与受力部之间加工出中间高四周低或者中间低四周高的弧形结构，形成形变板；
在形变部与承载部相互连接的平面均加工出相同的凹槽，形变部的凹槽中间位置留有凸出于凹槽槽底的凸块；
形变部与承载部设有凹槽的一面通过焊接连接，使两个凹槽配合形成密封腔，焊接后的形变部与承载部侧壁钻出感应孔，将密封腔内注满液油后，将设有MEMS芯体的MEMS传感器密封性连接于感应孔内。
8.根据权利要求7所述的基于MEMS芯体的液压传导型质量传感器的制作工艺，其特征在于，在将密封腔内注满液油的步骤之前，还包括一个步骤：采用电火花打孔工艺在焊接后的形变部与承载部的连接位置开出用于连接外部与密封腔的注油孔，注油孔的孔径由靠近外部的一端向靠近密封腔的一端逐渐缩小，形成锥形通孔结构。
9.根据权利要求7所述的基于MEMS芯体的液压传导型质量传感器的制作工艺，其特征在于，在将设有MEMS芯体的MEMS传感器密封性连接于感应孔内的步骤中，MEMS芯体的加工方式为，将上层芯体的E型连接面以及下层芯体的平面连接面抛光后，将两面紧靠，并且在真空环境下在两层芯体的侧面施加10000V的高压使两层芯体的连接面之间真空键合。
10.根据权利要求7所述的基于MEMS芯体的液压传导型质量传感器的制作工艺，其特征在于，在将设有MEMS芯体的MEMS传感器密封性连接于感应孔内的步骤前，在钻好的感应孔内填充密封液体。
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