CN114414123A - 一种异形金属基底上的应变传感器芯片及其原位制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种异形金属基底上的应变传感器芯片及其原位制备方法，将异形金属构件作为金属基底，在金属基底的易变形部位上原位制备薄膜敏感栅，包括：设置于金属基底上的绝缘隔离层；设置于绝缘隔离层上的薄膜应变栅层；设置于薄膜应变栅层上方的绝缘保护层，绝缘保护层覆盖薄膜应变栅层的应变栅区域，同时露出薄膜应变栅层的引线电极；当异形金属构件发生变形时，薄膜应变栅层的电阻值会产生变化，通过薄膜应变栅层电阻值的变化能得到异形金属构件所受的物理量。本发明基于异形金属基底上原位制备，能够实现机械传动部件应变/扭矩的原位、无损伤测量，且省去了传统粘结剂的使用，在高湿、盐雾、霉菌等海洋环境和太空辐照等环境具有更高的可靠性。

Description

一种异形金属基底上的应变传感器芯片及其原位制备方法

技术领域

本发明涉及传感器领域，具体地，涉及一种应用于异形金属基底上的应变传感器芯片及其原位制备方法。

背景技术

应变测量技术在很多领域都有其广泛的应用，因为对多种物理量(如加速度、压力、扭矩等)的检测均可以通过物体的应变来间接进行测量。同时应变测量还有助于了解材料的损伤和失效行为。在舰船及其他旋转动力系统中，扭矩是反映主动力系统的关键参数，因此扭矩的测量关系到舰船动力性能和安全性，对优化航海燃料效率、负载管理、高/低扭矩预警、诊断和定期检修具有实际指导意义。另外，针对工业机器人减速器(例如谐波减速器)等高端装备部件对应变/力矩等进行原位、在线实时监测的关键技术需求，研究共形制备的MEMS薄膜应变传感器同样具有重大应用价值。

目前广泛使用的电阻应变传感器以箔式电阻应变传感器为主，使用时需将应变片粘贴于被测物体上，也可以组成一定的放大或补偿电路，最后引出应变片信号线即可进行测量。但是，这种电阻应变传感器需要借助粘合剂在被测物体表面进行固定，靠人工粘贴，位置难以精确定位，且粘合剂的引入会导致机械蠕变、滞后等现象，同时有机物粘合剂也容易受环境腐蚀最终导致整个传感器失效。

经过对现有技术的文献检索发现，中国船舶重工集团公司第七0四研究所设计了弹性体上的薄膜应变计，为装置提供弹性体准确的应变值，所述弹性体就是中间薄两边厚的扭力棒，薄膜应变栅在共面平整结构表面。然而，目前工业应用中的受力零部件形状各异，异形金属表面的应变传感器原位制备技术有待完善。

因此，针对航天、舰船及工业机器人领域的应力/力矩监测，有必要开发出一种能与异形金属构件共形的原位薄膜应变传感器芯片。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种异形金属基底上的应变传感器芯片及其原位制备方法。

本发明第一个方面，提供一种适用于异形金属基底上的应变传感器芯片，将被测的异形金属构件作为金属基底，在所述金属基底的易变形部位上原位制备，包括：

绝缘隔离层，所述绝缘隔离层设置于所述金属基底上；

薄膜应变栅层，所述薄膜应变栅层设置于所述绝缘隔离层上，所述薄膜应变栅层用于感应其所处异形金属构件在外部物理量的作用下发生变形；

绝缘保护层，所述绝缘保护层设置于所述薄膜应变栅层上方，且所述绝缘保护层覆盖所述薄膜应变栅层的应变栅区域，同时露出所述薄膜应变栅层的用于引线测量的电极；

当异形金属构件在外部物理量的作用下发生变形时，所述薄膜应变栅层的电阻值会产生变化，通过所述引线电极将所述薄膜应变栅层所产生的电阻变化电信号输出至测量电路，根据所述薄膜应变栅层电阻值的变化能得到异形金属构件所受的物理量大小，实现对异形金属构件应变或扭矩的测量。

优选地，所述薄膜应变栅层为单层或多层合金结构。

优选地，所述单层或多层合金结构的材料选用铜镍合金、卡玛合金或镍铬合金中的一种或多种，调整薄膜结构(包括单层或多层，材料选择等)减小温漂，实现温度自补偿。所述薄膜应变栅层的厚度为200nm～800nm。

优选地，所述绝缘隔离层的材料选用聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷或氧化铝。

本发明第二个方面，提供一种适用于异形金属基底上的应变传感器芯片的原位制备方法，将被测的异形金属构件作为金属基底，在金属基底上的易变形部位上原位制备所述应变传感器芯片，包括：

S1，在金属基底表面制备一层绝缘隔离层，以实现传感器信号电隔离；

S2，在所述绝缘隔离层表面上溅射沉积敏感合金薄膜，对所述敏感合金薄膜进行图形化，得到薄膜应变栅层；

S3，在所述薄膜应变栅层上覆盖一层绝缘保护层，利用硬掩膜或lift-off的方法，裸露出所述薄膜应变栅层的引线电极，得到所述应变传感器芯片。

优选地，所述S1，在经过抛光除油清洗后的金属基底表面制备一层绝缘隔离层，其中：

当应变测量温度不超过设定温度时，在金属基底表面上利用旋涂、喷涂或喷墨打印的方法，制备一层聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷作为绝缘隔离层；

当应变测量温度超过设定温度时，则在金属基底表面上利用双离子束溅射一层致密氧化铝作为绝缘隔离层。

优选地，所述S2，在所述绝缘隔离层的表面上覆盖一层敏感合金材料，对敏感合金材料进行图形化，其中：

利用物理气相沉积的方法，在所述绝缘隔离层的表面上覆盖敏感合金薄膜，利用掩膜刻蚀或lift-off方法，对敏感合金薄膜进行图形化。

进一步，对于曲面基底，在所述敏感合金薄膜制备过程中，根据金属基底曲率变化，选择曲面旋转曝光，结合掩膜刻蚀或lift-off方法，对薄膜应变敏感栅层进行图形化。

优选地，所述S3，在薄膜应变栅层上覆盖一层绝缘保护层，同时利用硬掩膜或lift-off的方法，裸露出所述薄膜应变栅层的引线电极，其中：

利用溅射或旋涂方法在薄膜应变栅层上覆盖一层绝缘保护层，通过掩膜刻蚀或lift-off的方法，对绝缘保护层进行图形化，裸露出所述薄膜应变栅层的引线电极。

进一步的，对于曲面基底，在所述绝缘保护层制备过程中，根据金属基底曲率变化，选择曲面旋转曝光，结合硬掩膜或lift-off方法，对绝缘保护层进行图形化。

上述发明基于微纳加工技术在被测物体表面原位制备的薄膜式的应变传感器成为了新型的应变测量方案。本发明提出的应变传感器芯片具有质量体积小，对环境干扰小，可以实现应变原位测量，响应快，灵敏度高等优点。选择合适的应变敏感材料，并实现其在异形金属构件表面的原位制备及图形化，可以使应变传感器芯片同时具备抗腐蚀，抗冲刷，耐高温的特性，特别适合在高低温循环、高湿、盐雾和霉菌等特殊环境下的应变测量。

与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果：

本发明上述结构，创新性的提出以异形金属构件作为传感器的基底，在异形金属基底的易变形部位(即对应变敏感的弹性部位)上原位制备传感器芯片，调整薄膜结构(单层/多层，变更材料等)进行温度自补偿，无需外接电路进行温度补偿。基于原位测量的特性，能够实现机械传动部件等异形金属构件的应变/扭矩等的原位、无损伤测量，具备结构简单、精准度高、响应速度快的优点；同时，省略传统粘贴式传感器与异形金属构件之间的粘贴结构，无需粘合剂粘贴，克服了由于粘合剂在海洋盐雾、高湿、霉菌及太空辐照等特殊环境下导致的机械蠕变、滞后、老化等缺点。

本发明上述方法，适应于异形金属基底的原位薄膜应变传感器芯片，基于微纳薄膜加工技术，结合曲面旋转曝光优势，适应于多种金属结构件。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一优选实施例的环形梁金属基底的原位应变传感器芯片的俯视图；

图2是图1中AA’向的剖面图；

图3是本发明一优选实施例的表面内凹型金属基底的原位应变传感器芯片的俯视图；

图4是本发明一优选实施例的表面内凹型金属基底的原位应变传感器芯片的剖视图；

图5是本发明一优选实施例的应用于异形金属基底上的原位应变传感器芯片应用于扭矩测量中的测试结果；

图中标记分别表示为：1为异形金属基底、2为绝缘隔离层、3为薄膜应变栅层、4为绝缘保护层。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

参照图1所示，本实施例提供一种适用于异形金属基底上的原位应变传感器芯片，将被测的环形梁金属构件作为金属基底，且设置于金属基底的易变形部位(即对应变敏感的弹性部位，也就是金属结构件受力集中的部位，在此部位制备薄膜应变栅)上，包括绝缘隔离层2、薄膜应变栅层3、绝缘隔离层2和绝缘保护层4。

参照图2所示，绝缘隔离层2、薄膜应变栅层3和绝缘保护层4均在金属基底易变形的部位(对应变敏感的弹性部位)上原位制备。

绝缘隔离层2设置于金属基底上。绝缘隔离层2的材料采用聚酰亚胺。

薄膜应变栅层3设置于绝缘隔离层2上，薄膜应变栅层3用于感应其所处异形金属构件在外部物理量的作用下发生变形。通过设置绝缘隔离层2实现薄膜应变栅层3与金属基底之间电气隔离。薄膜应变栅层3为单层的合金层，合金层的材料采用镍铬合金。

绝缘保护层4设置于薄膜应变栅层3上方，且绝缘保护层4覆盖薄膜应变栅层3的应变栅区域保护其不受外部环境影响，有效避免外部环境对应变传感器芯片的腐蚀与干扰；同时露出薄膜应变栅层3的电极，在薄膜应变栅层3的电极上焊接引线，使薄膜应变栅层3所产生的电信号通过引线传给测量电路，通过分析电信号得到外部物理量变化。

参照图1所示，在环形梁金属构件的4个易变形位置分别原位制备一个应变传感器芯片，在每一个位置至少得有两个应变栅构成半桥，可组成惠斯通电桥，增加灵敏度。

当应变传感器芯片所处的异形金属构件在外部物理量的作用下发生变形时，由于电阻应变效应的作用，薄膜应变栅层3的电阻值会产生变化，预先标定薄膜应变栅层3阻值变化与外部物理量之间的关系曲线后，在实际应用中，通过薄膜应变栅层3电阻值的变化，便能得到作用在异形金属构件所受的物理量大小，实现对异形金属构件应变或扭矩的测量。

在一实施例中，上述适用于异形金属基底1上的原位应变传感器芯片可以采用以下方法制备：

S1，对环形梁金属基底表面进行抛光处理、并用丙酮、无水乙醇进行清洗。

S2，采用旋涂的方法在环形梁金属基底表面制备一层聚酰亚胺作为绝缘隔离层2，通过绝缘隔离层2以实现传感器信号电隔离。

S3，采用磁控溅射的方法，在绝缘隔离层2的表面上覆盖一层厚度为200nm镍铬敏感合金材料，同时通过光刻工艺使之图形化，形成薄膜应变栅层3；对于曲面基底，采用曲面旋转曝光的方法，即用多自由度调控平台和程序化曝光系统进行曲面上薄膜应变栅层3的图形化。

S4，利用溅射的方法在薄膜应变栅层3上覆盖一层绝缘保护层4，同时利用光刻方法裸露出薄膜应变栅层3的引线电极，得到环形梁金属基底上原位制备的应力传感器芯片。当然，也可以采用硬掩膜的方法裸露出薄膜应变栅层3的引线电极。

将上述实施例得到的适用于异形金属基底1上的原位应变传感器芯片用于环形梁金属构件的扭矩测量，测试结果如图5所示。输出电压与扭转角度之间存在较好的一一对应关系，证明其具备实施可行性。

实施例2

参照图3和图4所示，本实施例提供一种适用于异形金属基底1上的原位应变传感器芯片，将被测的表面内凹型金属构件作为金属基底，在金属基底的凹槽表面上(易变形部位)原位制备，包括绝缘隔离层2、薄膜应变栅层3、绝缘隔离层2和绝缘保护层4。绝缘隔离层2、薄膜应变栅层3和绝缘保护层4均在金属基底易变形的部位上制备。绝缘隔离层2设置于金属基底上。绝缘隔离层2的材料采用聚二甲基硅氧烷。

薄膜应变栅层3设置于绝缘隔离层2上，薄膜应变栅层3用于感应其所处异形金属构件在外部物理量的作用下发生变形。通过设置绝缘隔离层2实现薄膜应变栅层3与金属基底之间电气隔离。薄膜应变栅层3为双层合金层，双层合金层的材料分别为卡玛合金和铜镍合金。

绝缘保护层4设置于薄膜应变栅层3上方，且绝缘保护层4覆盖薄膜应变栅层3的应变栅区域保护其不受外部环境影响，有效避免外部环境对应变传感器芯片的腐蚀与干扰；同时露出薄膜应变栅层3的电极，在薄膜应变栅层3的电极上焊接引线，使薄膜应变栅层3所产生的电信号通过引线传给测量电路，通过分析电信号得到外部物理量变化。

当应变传感器芯片所处的异形金属构件在外部物理量的作用下发生变形时，由于电阻应变效应的作用，薄膜应变栅层3的电阻值会产生变化，预先标定薄膜应变栅层3阻值变化与外部物理量之间的关系曲线后，在实际应用中，通过薄膜应变栅层3电阻值的变化，便能得到作用在异形金属构件所受的物理量大小，实现对异形金属构件应变或扭矩的测量。

在另一实施例中，上述适用于异形金属基底1上的原位应变传感器芯片可以按照以下步骤制备得到：

S1，对表面内凹型金属基底表面进行抛光处理、并用丙酮、无水乙醇进行清洗。

S2，采用喷涂的方法在表面内凹型金属基底表面制备一层聚二甲基硅氧烷作为绝缘隔离层2，并进行高温全固化，使之与表面内凹型金属基底紧密结合。

S3，采用旋涂的方法，在绝缘隔离层2的表面上依次覆盖厚度为200nm卡玛合金、厚度为100nm铜镍敏感合金材料，同时通过光刻工艺使之图形化，形成薄膜应变栅层3。

S4，利用溅射的方法在薄膜应变栅层3上覆盖一层绝缘保护层4，同时利用光刻方法裸露出引线电极，最终得到表面内凹型金属基底上原位制备的应力传感器芯片。

在其他实施例中，对于曲面基底，在敏感合金薄膜制备过程中，根据金属基底曲率变化，选择曲面旋转曝光，结合掩膜刻蚀或lift-off方法，对薄膜应变敏感栅层进行图形化。

在其他实施例中，对于曲面基底，在绝缘保护层制备过程中，根据金属基底曲率变化，选择曲面旋转曝光，结合硬掩膜或lift-off方法，对绝缘保护层进行图形化。

上述实施例是针对异形金属构件的应变/扭矩测量需求，以及传统粘贴式应变传感器的不足，提出一种适用于不同异形金属构件的原位应变传感器芯片，并基于微纳薄膜加工技术制备。由于应变传感器芯片在异形金属基底1上原位制备，无需使用粘合剂，克服了其在特殊环境下可靠性差的问题。使用时通过测量薄膜应变栅层3的电阻变化，得到受力金属部件所受的被测物理量。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。

Claims (10)

1.一种适用于异形金属基底上的应变传感器芯片，其特征在于，将被测的异形金属构件作为金属基底，在所述金属基底的易变形部位上原位制备，包括：

绝缘隔离层，所述绝缘隔离层设置于所述金属基底上；

薄膜应变栅层，所述薄膜应变栅层设置于所述绝缘隔离层上，所述薄膜应变栅层用于感应其所处异形金属构件在外部物理量的作用下发生变形；

绝缘保护层，所述绝缘保护层设置于所述薄膜应变栅层上方，且所述绝缘保护层覆盖所述薄膜应变栅层的应变栅区域，同时露出所述薄膜应变栅层用于引线测量的电极；

当异形金属构件在外部物理量的作用下发生变形时，所述薄膜应变栅层的电阻值会产生变化，通过所述引线将所述薄膜应变栅层所产生的电阻变化电信号输出至测量电路；根据所述薄膜应变栅层电阻值的变化能得到异形金属构件所受的物理量大小，实现对异形金属构件应变或扭矩的测量。

2.根据权利要求1所述的适用于异形金属基底上的应变传感器芯片，其特征在于，所述薄膜应变栅层为单层或多层合金结构。

3.根据权利要求2所述的适用于异形金属基底上的应变传感器芯片，其特征在于，所述单层或多层合金结构的材料选用铜镍合金、卡玛合金或镍铬合金中的一种或多种，所述薄膜应变栅层的厚度为200nm～800nm；

通过调整所述薄膜应变栅层的单层或多层合金结构以及材料选择，实现温度自补偿，减小温漂。

4.根据权利要求1所述的适用于异形金属基底上的应变传感器芯片，其特征在于，所述绝缘隔离层的材料选用聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷或氧化硅、氧化铝中任一种。

5.一种权利要求1所述的适用于异形金属基底上的应变传感器芯片的原位制备方法，其特征在于，将被测的异形金属构件作为金属基底，在金属基底上的易变形部位上原位制备所述应变传感器芯片，包括：

S1，在金属基底表面制备一层绝缘隔离层，以实现传感器信号电隔离；

S2，在所述绝缘隔离层表面上溅射沉积敏感合金薄膜，对所述敏感合金薄膜进行图形化，得到薄膜应变栅层；

S3，在所述薄膜应变栅层上覆盖一层绝缘保护层，利用硬掩膜或lift-off的方法，裸露出所述薄膜应变栅层的引线电极，得到所述应变传感器芯片。

6.根据权利要求5所述的适用于异形金属基底上的应变传感器芯片的原位制备方法，其特征在于，所述S1，在经过抛光除油清洗后的金属基底表面制备一层绝缘隔离层，其中：

当应变测量温度不超过设定温度时，在金属基底表面上利用旋涂、喷涂或喷墨打印的方法，制备一层聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷作为绝缘隔离层；

当应变测量温度超过设定温度时，则在金属基底表面上利用双离子束溅射一层致密氧化铝或氧化硅作为绝缘隔离层。

7.根据权利要求5所述的适用于异形金属基底上的应变传感器芯片的原位制备方法，其特征在于，所述S2，在所述绝缘隔离层的表面上覆盖一层敏感合金材料，对敏感合金材料进行图形化，其中：

利用物理气相沉积的方法，在所述绝缘隔离层的表面上覆盖敏感合金薄膜，利用掩膜刻蚀或lift-off方法，对敏感合金薄膜进行图形化。

8.根据权利要求7所述的适用于异形金属基底上的应变传感器芯片的原位制备方法，其特征在于，对于曲面基底，在所述敏感合金薄膜制备过程中，根据金属基底曲率变化，选择曲面旋转曝光，结合掩膜刻蚀或lift-off方法，对薄膜应变敏感栅层进行图形化。

9.根据权利要求5所述的适用于异形金属基底上的应变传感器芯片的原位制备方法，其特征在于，所述S3，在薄膜应变栅层上覆盖一层绝缘保护层，同时利用硬掩膜或lift-off的方法，裸露出所述薄膜应变栅层的引线电极，其中：

利用溅射或旋涂方法在薄膜应变栅层上覆盖一层绝缘保护层，通过掩膜刻蚀或lift-off的方法，对绝缘保护层进行图形化，裸露出所述薄膜应变栅层的引线电极。

10.根据权利要求9所述的适用于异形金属基底上的应变传感器芯片的原位制备方法，其特征在于，对于曲面基底，在所述绝缘保护层制备过程中，根据金属基底曲率变化，选择曲面旋转曝光，结合硬掩膜或lift-off方法，对绝缘保护层进行图形化。

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