CN115164705A - 应变传感器及其制备方法 - Google Patents

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李炯利
王刚
罗圭纳
王旭东
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Abstract

本发明公开了一种应变传感器及其制备方法。应变传感器包括弹性体组件以及若干个电阻应变片，弹性体组件包括弹性体主体以及载荷梁，弹性体主体具有相对设置的第一表面与第二表面，第一表面具有若干个沿着第一方向延伸的通槽，通槽的底壁与第二表面之间构成应变梁，弹性体主体具有贯穿第一表面与第二表面且沿着第二方向延伸的通道，载荷梁位于通道内，载荷梁的第一端部连接于通道的内壁且载荷梁相对的第二端部与通道的内壁具有间隔，各个应变梁上均具有电阻应变片，各个电阻应变片通过光刻工艺形成于对应的应变梁上。本发明的应变传感器减小了弹性体的体积，使得应变弹性体小型化、微型化，其应用空间、范围更大，提高了使用范围。

Description

应变传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及信号检测、传感技术领域，特别是涉及一种应变传感器及其制备方法。
背景技术
应变传感器是一种按照一定的规律将应变信号转换成可用的、输出的电信号的器件或装置。应变传感器主要由传感器元件及应变弹性体构成。其中传感器元件常用的有电阻应变片，电阻应变片是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件。应变弹性体充当着测量过程中将待测物的应变传递至传感器元件的关键介质，如在拉伸、压缩、加速度、冲击力等的测量中，广泛应用于各种工业测压环境，涉及航空、航天、石化、电力、船舶等众多行业。
目前较为常用的应变弹性体为双圆孔梁式传感器弹性体。应变弹性体的结构及与应变传感元件的结合方式对测量灵敏度的影响非常重要。目前应变弹性体与应变传感元件的结合方式主要有两种，分别为分离式粘贴及增材制造一体化。其中，分离式粘贴方法使用粘接剂将应变传感元件粘贴于待测物表面或内部，这种方式因敏感元件与弹性体之间高温受力滑动产生的温度漂移、零点漂移从而导致的不稳定及寿命短的问题。另外，增材制造一体化方法通过3D打印、激光刻蚀、光刻成形、丝网印刷等方式直接在待测物表面形成，该方法制备的弹性体尺寸较大，不适合较小环境下的应用，弹性体灵敏度不够，无法监测较小作用力下的应变，或较小作用力下应变输出微弱，同时，增材制造一体化方法中对光刻要求高，步骤复杂，成本高。
发明内容
基于此，有必要针对传统的应变弹性体存在的不稳定及寿命短、灵敏度不够，无法监测较小作用力下的应变，或较小作用力下应变输出微弱的问题，提供一种应变传感器。上述的应变传感器在厚度方向的尺寸极大降低，进而减小了弹性体的体积，使得应变弹性体小型化、微型化，其应用空间、范围更大，能够适用于狭小、空间不够的场景下使用，提高了使用范围。
一实施例中的应变传感器，包括：
弹性体组件，所述弹性体组件包括弹性体主体以及载荷梁，所述弹性体主体具有相对设置的第一表面与第二表面，所述第一表面具有若干个沿着第一方向延伸的通槽，所述通槽的底壁与所述第二表面之间构成应变梁，所述弹性体主体具有贯穿所述第一表面与所述第二表面且沿着第二方向延伸的通道，所述载荷梁位于所述通道内，所述载荷梁的第一端部连接于所述通道的内壁且所述载荷梁相对的第二端部与所述通道的内壁具有间隔；以及
若干个电阻应变片，各个所述应变梁上均具有所述电阻应变片，各个所述电阻应变片通过光刻工艺形成于对应的所述应变梁上，多个所述电阻应变片通过导线连接成惠斯通全桥电路。
在其中一些实施例中，所述第一方向与所述第二方向垂直，所述载荷梁沿着所述第二方向延伸。
在其中一些实施例中，所述弹性体组件整体上呈长条形柱状结构，所述第一方向为所述弹性体组件的宽度方向，所述第二方向为所述弹性体组件的长度方向，所述第一表面与所述第二表面分别为所述弹性体组件高度方向上的两个表面。
在其中一些实施例中，所述应变梁的厚度为0.3mm～1mm；
和/或，所述弹性体主体沿着所述第一表面与所述第二表面之间的厚度为5mm～30mm。
在其中一些实施例中，所述载荷梁的朝向所述第一表面的一侧与所述第一表面齐平，所述载荷梁的朝向所述第二表面的一侧与所述第二表面齐平。
在其中一些实施例中，所述载荷梁上具有用于加载载荷件的荷载孔或者荷载槽。
在其中一些实施例中，所述通槽的侧壁与所述通槽的底壁之间圆滑过渡。
在其中一些实施例中，所述第二表面上具有若干个用于固定所述弹性体主体的固定孔或者固定槽，所述固定孔或者所述固定槽远离所述第一端部。
在其中一些实施例中，所述弹性体组件的制备材料为金属或合金。
本发明的另一目的在于提供了一种应变传感器的制备方法。
一种应变传感器的制备方法，包括如下步骤：
制备弹性体组件；
采用气相沉积方法在所述弹性体组件的第二表面的若干个预定位置分别制备绝缘层；
采用光刻工艺在各个所述绝缘层上制备图案层；
采用物理气相沉积方法在各个所述图案层上制备导电薄膜，形成电阻应变片；
调整各个所述电阻应变片的电阻阻值相等。
在其中一些实施例中，制备所述的弹性体组件具体包括如下步骤：
采用CNC切割、电火花加工或者倒模工艺制备所述的弹性体组件，对所述的弹性体组件上的所述预定位置进行打磨抛光处理，使得所述预定位置的粗糙度小于200nm，再对所述预定位置进行清洗和干燥处理。
在其中一些实施例中，在所述弹性体组件的第二表面的预定位置采用气相沉积方法制备绝缘层具体包括如下步骤：
在所述弹性体组件的第二表面的预定位置依次制备氧化铝薄膜、氮化硅薄膜以及氧化铝薄膜，其中，氧化铝薄膜采用直流磁控溅射技术制备，氮化硅薄膜采用射频溅射技术制备。
在其中一些实施例中，所述导电薄膜为金属合金或者石墨烯金属复合薄膜；
和/或，所述导电薄膜的厚度为100nm～1000nm。
在其中一些实施例中，调整各个所述电阻应变片的电阻阻值相等具体包括如下步骤：通过激光烧结方法各个所述电阻应变片的电阻阻值相等。
在其中一些实施例中，所述应变传感器的制备方法还包括如下步骤：在所述第二表面的预定位置制备用于接入信号放大电路、滤波电路及信号处理分析电路的导电引线。
上述应变传感器，在厚度方向的尺寸极大降低，进而减小了弹性体的体积，使得应变弹性体小型化、微型化，其应用空间、范围更大，能够适用于狭小、空间不够的场景下使用，提高了使用范围。
上述的应变传感器相比传统技术，具有如下有益效果：
(1)弹性体主体的结构设计使其在受到载荷后，在弹性体主体的同一侧同时存在压缩量与拉伸相量相等的应变梁，这使得在其表面同侧可以完成全桥电路的多个如四个电阻应变片的制备，电阻应变片的制备采用光刻工艺，这省去了弹性体主体的结构在另一侧进行光刻的对准与光刻步骤，节省了加工工艺。
(2)与应变测量用到的传统双圆孔梁式传感器弹性体相比较，所述弹性体主体沿着所述第一表面与所述第二表面之间的厚度为5mm～30mm，本发明的弹性体组件的结构设计使其厚度方向的尺寸极大降低，进而减小了弹性体组件的体积，使得弹性体组件小型化、微型化，使其应用空间、范围更大，适用于狭小、空间不够的场景。
(3)采用增材制造中的磁控沉积薄膜及光刻技术制备用于测量应变的电阻应变片，在原子级别与弹性体主体的第二表面结合，避免了传统技术中使用粘接剂带来的测量影响，解决了传统技术中因高温受力下引起的应变蠕动与滞后性、温度漂移、零点漂移从而导致的不稳定及寿命短的问题。
(4)多个电阻应变片组成惠斯通全桥电路，惠斯通全桥电路可有效降低由于温度引起的误差，提高应变测量精确度。
(5)设计了弹性体组件的应变梁的厚度为0.3mm～1mm，实现载荷测量，可根据设计需求设计为大小为1N甚至更小作用力下的载荷测量。
(6)所述弹性体主体的第二表面上的电阻应变片可以通过喷涂、磁控溅射、蒸镀、印刷等方式形成基膜作为绝缘层，然后通过硬掩膜、光刻、剥离光刻胶、等离子刻蚀等工艺形成传感图案作为图案层，制备工艺成熟，制备成本低。
(7)本发明用于测量应力的导电薄膜为敏感层材料，可以是石墨烯金属复合薄膜材料例如NiCr薄膜或CuNi薄膜，如此能够提高应力测量精准度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对本领域技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
为了更完整地理解本申请及其有益效果，下面将结合附图来进行说明。其中，在下面的描述中相同的附图标号表示相同部分。
图1为本发明一实施例所述的应变传感器示意图；
图2为本发明一实施例所述的应变传感器俯视示意图；
图3为本发明一实施例所述的应变传感器的弹性体组件有限元仿真分析图。
附图标记说明
10、应变传感器；100、弹性体组件；110、弹性体主体；111、第一表面；1111、通槽；112、第二表面；1121、通道；1122、荷载孔；1123、固定孔；113、应变梁；120、载荷梁；121、第一端部；122、第二端部；200、电阻应变片。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本申请实施例提供一种应变传感器10，以解决传统的应变弹性体存在的不稳定及寿命短、灵敏度不够，无法监测较小作用力下的应变，或较小作用力下应变输出微弱的问题。以下将结合附图对进行说明。
本申请实施例提供的应变传感器10，示例性的，请参阅图1所示，图1为本申请实施例提供的应变传感器10的结构示意图。本申请的应变传感器10能够用于拉伸、压缩、加速度、冲击力等的测量中，广泛应用于各种工业测压环境，涉及航空、航天、石化、电力、船舶等行业。
为了更清楚的说明应变传感器10的结构，以下将结合附图对应变传感器10进行介绍。
示例性的，请参阅图1所示，一实施例中的应变传感器10，包括弹性体组件100以及若干个电阻应变片200。
弹性体组件100包括弹性体主体110以及载荷梁120。弹性体主体110具有相对设置的第一表面111与第二表面112。第一表面111具有若干个沿着第一方向延伸的通槽1111。通槽1111的底壁与第二表面112之间构成应变梁113。弹性体主体110具有贯穿第一表面111与第二表面112且沿着第二方向延伸的通道1121。载荷梁120位于通道1121内，载荷梁120的第一端部121连接于通道1121的内壁且载荷梁120相对的第二端部122与通道1121的内壁具有间隔。
各个应变梁113上均具有电阻应变片200。各个电阻应变片200通过光刻工艺形成于对应的应变梁113上。多个电阻应变片200通过导线连接成惠斯通全桥电路。惠斯通全桥电路的输出端信号由导电导线引出后，依次连接信号功率放大器、滤波器、信号处理分析电路及终端显示设备等实现监测功能。
在加载荷载时，弹性体主体110内部的载荷梁120用于加载载荷，加载载荷时可在载荷梁120的任意位置，也可在载荷梁120的固定位置加载，如在载荷梁120的中间位置加工的荷载孔1122或者荷载槽，通过荷载孔1122或者荷载槽用于加载载荷。
在其中一些实施例中，参见图1所示，通槽1111的数量为两个，此时，通槽1111的底壁与第二表面112之间一共形成四个应变梁113。不难理解，通槽1111的数量还可以是其他数量个，如一个、三个等，对应的应变梁113的数量为两个、六个等。具体可以根据实际需要进行设置即可。
在其中一些实施例中，第一方向与第二方向垂直，载荷梁120沿着第二方向延伸。
在其中一些实施例中，弹性体组件100整体上呈长条形柱状结构。第一方向为弹性体组件100的宽度方向。第二方向为弹性体组件100的长度方向。第一表面111与第二表面112分别为弹性体组件100高度方向上的两个表面。
在其中一些实施例中，应变梁113的厚度为0.3mm～1mm。例如，在其中一个具体示例中，应变梁113的厚度为0.3mm。在另一个具体示例中，应变梁113的厚度为1mm。不难理解，在其他具体示例中，应变梁113的厚度还可以是0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或者其他数值。
在其中一些实施例中，弹性体主体110沿着第一表面111与第二表面112之间的厚度为5mm～30mm。例如，在其中一个具体示例中，弹性体主体110沿着第一表面111与第二表面112之间的厚度为5mm。不难理解，在其他具体示例中，弹性体主体110沿着第一表面111与第二表面112之间的厚度为30mm。不难理解，在其他具体示例中，弹性体主体110沿着第一表面111与第二表面112之间的厚度为6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、12mm、15mm、16mm、19mm、20mm、22mm、23mm、26mm、27mm、29mm或者其他数值。
在其中一些实施例中，载荷梁120的朝向第一表面111的一侧表面与第一表面111齐平，载荷梁120的朝向第二表面112的一侧表面与第二表面112齐平。也即，参见图1所示角度，载荷梁120的上表面、下底面分别与第二表面112、第一表面111齐平。
在其中一些实施例中，载荷梁120上具有用于加载载荷件的荷载孔1122或者荷载槽。荷载孔1122或者荷载槽在载荷梁120上的位置可以根据需要进行设置。例如在一个具体示例中，荷载孔1122或者荷载槽在载荷梁120的中部位置；在另一个示例中，荷载孔1122或者荷载槽在载荷梁120的第一端部或者第二端部。荷载孔1122或者荷载槽的数量可以根据需要进行对应设置。
在其中一些实施例中，通槽1111的侧壁与通槽1111的底壁之间圆滑过渡。通槽1111的侧壁与通槽1111的底壁之间圆滑过渡的设置能够减少应变集中程度。
在其中一些实施例中，第二表面112上具有若干个用于固定弹性体主体110的固定孔1123或者固定槽，固定孔1123或者固定槽远离第一端部121，固定槽或者固定孔1123具有固定槽或者固定孔1123的一端定义为固定端。弹性体在靠近U型槽联通的一端，用于夹持固定弹性体，可通过夹具、焊接等方式固定弹性体，也可通过加工螺纹孔，以螺钉紧固形式固定。在其中一些实施例中，第二表面112上具有若干个用于固定弹性体主体110的固定孔1123或者固定槽，第二表面112上的靠近第一端部与靠近第二端部的两侧分别设置有固定孔1123或者固定槽，此时，第二表面112上的固定孔1123或者固定槽呈左右对称结构，本实施例的情形未在附图中示出。
在其中一些实施例中，第二表面112上不设置固定孔1123或者固定槽，弹性体主体110可以通过夹具实现固定。通过夹具实现固定时，可以夹持弹性体主体110的靠近第一端部的一侧或者靠近第二端部的一侧。
在其中一些实施例中，弹性体组件100的制备材料为金属或合金材料。例如，弹性体主体110采用45钢或2024铝制备而成，制备得到弹性体主体110具有一定弯曲性能且具有一定的强度。
在其中一些实施例中，载荷梁120的数量可以是一个或者多个。载荷梁120的数量可以根据实际需要进行设置。
本实施例还提供了一种应变传感器10的制备方法。
一种应变传感器10的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：制备弹性体组件100。
步骤2：采用气相沉积方法在弹性体组件100的第二表面112的若干个预定位置分别制备绝缘层。
步骤3：采用光刻工艺在各个绝缘层上制备图案层。
采用物理气相沉积方法在各个图案层上制备导电薄膜，形成电阻应变片200。
步骤4：调整各个电阻应变片200的电阻阻值相等。
在其中一些实施例中，步骤1中，制备的弹性体组件100具体包括如下步骤：
采用CNC切割、电火花加工或者倒模工艺制备的弹性体组件100，对的弹性体组件100上的预定位置进行打磨抛光处理，使得预定位置的粗糙度小于200nm，再对预定位置进行清洗和干燥处理。优选地，打磨抛光处理之后，还在预定位置的表面依次经丙酮、异丙醇、去离子水清洗并吹干。
在其中一些实施例中，步骤2中，在弹性体组件100的第二表面112的预定位置采用气相沉积方法制备绝缘层具体包括如下步骤：
弹性体组件100置于沉积溅射生长设备腔体内，在弹性体组件100的第二表面112的预定位置依次制备氧化铝薄膜、氮化硅薄膜以及氧化铝薄膜，其中，氧化铝薄膜采用直流磁控溅射技术制备，氮化硅薄膜采用射频溅射技术制备。
不难理解，在其他实施例中，制备绝缘层的材料有氧化铝、氧化硅、氮化硅、氧化锆等，对应地，分别形成氧化铝薄膜、氮化硅薄膜、氧化硅薄膜以及氧化锆薄膜等。例如，在一个具体示例中，绝缘层包括氧化铝薄膜、氮化硅薄膜以及氧化硅薄膜各个膜层的制备条件如下，氧化硅薄膜：靶材，本征多晶硅，氩气60SCCM，氧气20SCCM，压强1Pa，功率80，时间12小时，氧化铝薄膜：靶材，纯铝，氩气60SCCM，氧气20SCCM，压强1Pa，功率80，氮化硅薄膜：靶材，本征多晶硅，氩气60SCCM，氮气20SCCM，压强1Pa，功率80。
在其中一些实施例中，步骤3中，采用光刻工艺在各个绝缘层上制备图案层具体包括：采用光刻工艺制备，选用负胶光刻，在制备好绝缘层的表面高速旋转涂覆光刻胶后经曝光显影制备图案层。
在其中一些实施例中，导电薄膜为NiCr薄膜或CuNi薄膜。制备导电薄膜时，采用物理气相沉积方法制备NiCr薄膜或CuNi薄膜，导电薄膜厚度约为100nm～1000nm，然后进行剥离形成薄膜电阻。例如，在一个具体示例中，以镍铬为例，采用PVD物理气象沉积方法制备参数为：氩气20sccm，功率80W，真空度0.1P，直流磁控溅射，时间20分钟，可制得镍铬薄膜厚度为600～800nm。
在其中一些实施例中，导电薄膜的厚度为100nm～1000nm。例如，在其中一个具体示例中，导电薄膜的厚度为100nm。在另一个具体示例中，导电薄膜的厚度为1000nm。不难理解，在其他具体示例中，导电薄膜的厚度还可以是200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm或者其他数值。
在其中一些实施例中，步骤4中，调整各个电阻应变片200的电阻阻值相等具体包括如下步骤：通过激光烧结方法各个电阻应变片200的电阻阻值相等。
在其中一些实施例中，应变传感器10的制备方法还包括如下步骤：在第二表面112的预定位置制备用于接入信号放大电路、滤波电路及信号处理分析电路的导电引线。
在其中一些实施例中，导电引线的制备方法包括如下步骤5：使用较细针头将导电银浆涂覆于电极处，使用玻璃板压合，在真空干燥炉内以150℃下固化导电银浆，完成后，在靠近电极处的引线与基底周围涂覆环氧树脂，固定导电引线的位置，从而加强导电导线电极与电极之间的结合固定。
上述应变传感器10，在厚度方向的尺寸极大降低，进而减小了弹性体的体积，使得应变弹性体小型化、微型化，其应用空间、范围更大，能够适用于狭小、空间不够的场景下使用，提高了使用范围。
上述的应变传感器10的工作原理如下：
应变传感器10在测试过程中，将弹性体主体110具有固定槽或者固定孔1123的固定端固定，通过有限元分析，确定荷载梁用于加载载荷的位置，使得四个应变梁113的应变大小相等。此时，在载荷作用下，使得靠近固定端的两个电阻应变片200拉伸，远离固定端的两个电阻应变片200压缩，但大小相等，即：
Figure BDA0003717514640000131
组成的惠斯通全桥电路的输出电压为：
Figure BDA0003717514640000141
其中，参见图1所示，b为应变梁113沿着第一方向的宽度，h为应变梁113的厚度，ε为应变系数，F为载荷量，L为荷载加载点位置距离应变梁113的长度，k为电阻应变片200的电阻应变系数。
组成的半桥模式能够自动补偿温度变化引起的误差影响。
惠斯通全桥电路：
Figure BDA0003717514640000142
其中，R1、R2、R3、R4分别为四个电阻应变片200的电阻，△R1、△R2、△R3、△R4分别为四个电阻应变片200在载荷F作用下发生的阻值变化量。
组成的半桥模式能够自动补偿温度，避免热胀冷缩带来的温度误差影响。
使用有限元软件分析在弹性体组件100的荷载梁加载载荷的位置，以使得该位置两端的应变梁113发生的应变大小相等，且方向相反。并在此位置预估应变梁113在特定载荷下的应变数量级，通过改变应变梁113的尺寸大小来获取应用于不同载荷下的测量。如图3所示，在最大载荷0.5N作用下，最大应变为370με。
综上，上述的应变传感器10相比传统技术，具有如下有益效果：
(1)弹性体主体110的结构设计使其在受到载荷后，在弹性体主体110的同一侧同时存在压缩量与拉伸相量相等的应变梁113，这使得在其表面同侧可以完成全桥电路的多个如四个电阻应变片200的制备，电阻应变片200的制备采用光刻工艺，这省去了弹性体主体110的结构在另一侧进行光刻的对准与光刻步骤，节省了加工工艺。
(2)与应变测量用到的传统双圆孔梁式传感器弹性体相比较，弹性体主体110沿着第一表面111与第二表面112之间的厚度为5mm～30mm，本发明的弹性体组件100的结构设计使其厚度方向的尺寸极大降低，进而减小了弹性体组件100的体积，使得弹性体组件100小型化、微型化，使其应用空间、范围更大，适用于狭小、空间不够的场景。
(3)采用增材制造中的磁控沉积薄膜及光刻技术制备用于测量应变的电阻应变片200，在原子级别与弹性体主体110的第二表面112结合，避免了传统技术中使用粘接剂带来的测量影响，解决了传统技术中因高温受力下引起的应变蠕动与滞后性、温度漂移、零点漂移从而导致的不稳定及寿命短的问题。
(4)多个电阻应变片200组成惠斯通全桥电路，惠斯通全桥电路可有效降低由于温度引起的误差，提高应变测量精确度。
(5)设计了弹性体组件100的应变梁113的厚度为0.3mm～1mm，实现载荷测量，可根据设计需求设计为大小为1N甚至更小作用力下的载荷测量。
(6)弹性体主体110的第二表面112上的电阻应变片200可以通过喷涂、磁控溅射、蒸镀、印刷等方式形成基膜作为绝缘层，然后通过硬掩膜、光刻、剥离光刻胶、等离子刻蚀等工艺形成传感图案作为图案层，制备工艺成熟，制备成本低。
(7)本发明用于测量应力的导电薄膜为敏感层材料，可以是金属合金也可以是石墨烯金属复合薄膜，金属合金包括铂铬合金、钯铬合金、镍铬合金或者铜镍合金等，石墨烯金属复合薄膜包括碳硅复合薄膜、镍碳复合薄膜、镍铬复合薄膜或镍铜复合薄膜等，导电薄膜为敏感层材料的设置能够提高应力测量精准度。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (15)

1.一种应变传感器，其特征在于，包括：
弹性体组件，所述弹性体组件包括弹性体主体以及载荷梁，所述弹性体主体具有相对设置的第一表面与第二表面，所述第一表面具有若干个沿着第一方向延伸的通槽，所述通槽的底壁与所述第二表面之间构成应变梁，所述弹性体主体具有贯穿所述第一表面与所述第二表面且沿着第二方向延伸的通道，所述载荷梁位于所述通道内，所述载荷梁的第一端部连接于所述通道的内壁且所述载荷梁相对的第二端部与所述通道的内壁具有间隔；以及
若干个电阻应变片，各个所述应变梁上均具有所述电阻应变片，各个所述电阻应变片通过光刻工艺形成于对应的所述应变梁上，多个所述电阻应变片通过导线连接成惠斯通全桥电路。
2.根据权利要求1所述的应变传感器，其特征在于，所述第一方向与所述第二方向垂直，所述载荷梁沿着所述第二方向延伸。
3.根据权利要求1所述的应变传感器，其特征在于，所述弹性体组件整体上呈长条形柱状结构，所述第一方向为所述弹性体组件的宽度方向，所述第二方向为所述弹性体组件的长度方向，所述第一表面与所述第二表面分别为所述弹性体组件高度方向上的两个表面。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的应变传感器，其特征在于，所述应变梁的厚度为0.3mm～1mm；
和/或，所述弹性体主体沿着所述第一表面与所述第二表面之间的厚度为5mm～30mm。
5.根据权利要求1～3任意一项所述的应变传感器，其特征在于，所述载荷梁的朝向所述第一表面的一侧与所述第一表面齐平，所述载荷梁的朝向所述第二表面的一侧与所述第二表面齐平。
6.根据权利要求1～3任意一项所述的应变传感器，其特征在于，所述载荷梁上具有用于加载载荷件的荷载孔或者荷载槽。
7.根据权利要求1～3任意一项所述的应变传感器，其特征在于，所述通槽的侧壁与所述通槽的底壁之间圆滑过渡。
8.根据权利要求1～3任意一项所述的应变传感器，其特征在于，所述第二表面上具有若干个用于固定所述弹性体主体的固定孔或者固定槽，所述固定孔或者所述固定槽远离所述第一端部。
9.根据权利要求1～3任意一项所述的应变传感器，其特征在于，所述弹性体组件的制备材料为金属或合金。
10.一种应变传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
制备权利要求1～9任意一项所述的弹性体组件；
采用气相沉积方法在所述弹性体组件的第二表面的若干个预定位置分别制备绝缘层；
采用光刻工艺在各个所述绝缘层上制备图案层；
采用物理气相沉积方法在各个所述图案层上制备导电薄膜，形成电阻应变片；
调整各个所述电阻应变片的电阻阻值相等。
11.根据权利要求10所述的应变传感器的制备方法，其特征在于，制备所述的弹性体组件具体包括如下步骤：
采用CNC切割、电火花加工或者倒模工艺制备所述的弹性体组件，对所述的弹性体组件上的所述预定位置进行打磨抛光处理，使得所述预定位置的粗糙度小于200nm，再对所述预定位置进行清洗和干燥处理。
12.根据权利要求10或11所述的应变传感器的制备方法，其特征在于，在所述弹性体组件的第二表面的预定位置采用气相沉积方法制备绝缘层具体包括如下步骤：
在所述弹性体组件的第二表面的预定位置依次制备氧化铝薄膜、氮化硅薄膜以及氧化铝薄膜，其中，氧化铝薄膜采用直流磁控溅射技术制备，氮化硅薄膜采用射频溅射技术制备。
13.根据权利要求10或11所述的应变传感器的制备方法，其特征在于，所述导电薄膜为金属合金或者石墨烯金属复合薄膜；
和/或，所述导电薄膜的厚度为100nm～1000nm。
14.根据权利要求10或11所述的应变传感器的制备方法，其特征在于，调整各个所述电阻应变片的电阻阻值相等具体包括如下步骤：通过激光烧结方法各个所述电阻应变片的电阻阻值相等。
15.根据权利要求10或11所述的应变传感器的制备方法，其特征在于，所述应变传感器的制备方法还包括如下步骤：在所述第二表面的预定位置制备用于接入信号放大电路、滤波电路及信号处理分析电路的导电引线。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115533467A (zh) * 2022-12-05 2022-12-30 松诺盟科技有限公司 一种应变梁制造方法及压力传感器
CN115595472A (zh) * 2022-11-29 2023-01-13 松诺盟科技有限公司（Cn） 一种高温恒弹性合金材料及其制备应变梁的工艺、应变梁与弹性体的装配结构和压力传感器
CN115683407A (zh) * 2022-11-22 2023-02-03 松诺盟科技有限公司 一种力敏芯体及压力传感器

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