CN115290232A - 环状超小型力敏陶瓷张力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环状超小型力敏陶瓷张力传感器，包括呈环状圆环的传感器本体，传感器本体其旋转轴线水平设置，传感器本体内设有环状陶瓷绝缘层；环状陶瓷绝缘层的内壁设有四个呈环形阵列布置的插孔，与插孔适配插设有力敏传感器芯片，每片力敏传感器芯片分别通过设置在传感器本体内的四根弹性插针与传感器本体内的放大电路模块电气连接；环状陶瓷绝缘层其内壁固定连接有四根弹性机械应力感知棒，应力感知棒超出传感器本体设置，每根应力感知棒设置于每片力敏传感器芯片的中心位置。本发明能够控制系统钢缆张力，确保运载系统安全运行；可保证系统在陆、海、空和恶劣环境下安全工作，可确保在‑40℃～125℃下输出幅度变化小于±0.015mv(％FSO/℃)。
Description
技术领域
本发明涉及一种环状超小型力敏陶瓷张力传感器。
背景技术
为控制某系统钢缆张力，确保运载系统安全运行，需要在团队研发的专业圆形空心特殊装置上，插入厚度:0.2mm,长度:8mm宽度:5 mm的力敏传感器芯片，作为系统核心感知元件。该项目除了挑战了厚膜技术的极限尺寸外，对芯片的输入、输出阻抗，输出形式、灵敏度和宽工作温度范围提出了更高的技术要求。如何保证军用领域里力敏传感器温度稳定性也是本课题需要解决的问题之一。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术中存在的缺陷，提供一种环状超小型力敏陶瓷张力传感器，能够保证系统在陆、海、空和恶劣环境下安全工作，可以确保在-40℃―125℃下输出幅度变化小于±0.015m v(％FSO/℃)确保系统稳定可靠工作；能够应用于超小型环状空间内控制系统钢缆张力，确保运载系统安全运行。
为实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种环状超小型力敏陶瓷张力传感器，包括呈环状圆环的传感器本体，传感器本体其旋转轴线水平设置，传感器本体内设有环状陶瓷绝缘层；
环状陶瓷绝缘层的内壁设有四个呈环形阵列布置的插孔，与插孔适配插设有力敏传感器芯片，每片力敏传感器芯片分别通过设置在传感器本体内的四根弹性插针与传感器本体内的放大电路模块电气连接；
环状陶瓷绝缘层其内壁固定连接有四根弹性机械应力感知棒，应力感知棒超出传感器本体设置，每根应力感知棒设置于每片力敏传感器芯片的中心位置；
放大电路模块、弹性插针及环状陶瓷绝缘层在传感器本体内由外至内依次设置。片状小型力敏传感器，型号为SC1807B；不锈钢园环内壁分布四个插孔，分别是正负X轴方向和正负Y方向。四个力敏传感器插上后分别由环内16根插针与环内放大电路模块电气连接。力敏传感器，基板是九五氧化铝陶瓷，厚度比纸薄(0.12mm)是通过德国一家公司用流涎技术制作、激光划片。单个样品四边的四个鈀银焊盘与环内插针连接。片状小型力敏传感器中间是受力部分，因此不锈钢环还设有一小孔装置精密弹性力敏感知棒，以促使力敏传感器实现物理量力的转换。在传感器中间部分有一个机械应力感知棒直接将钢环内璧运动中钢缆上下左右都会将应力加到传感器中间导致桥路电阻产生不平衡，就会产生正比例应力大小的电压输出，然后由钢环内部的放大电路由无线电或电缆输出到控制系统中。根据技术要求，定义工艺领域为厚膜微工艺技术(Micro Hybrid technology)；根据芯片尺寸要求，采用发明专利ZL2014100230520弹性体采用了96％氧化铝陶瓷二氧化锆增韧技术,合作方改为国内厂家流涎工艺制造，激光划片。
进一步的技术方案是，力敏传感器芯片包括氧化铝陶瓷基底以及设置在基底正面的四个敏感电阻，基底面向传感器本体环中心的一面为正面；
四个敏感电阻互联形成韦斯顿压阻式电桥，基底正面还设有两个用于将韦斯顿压阻式电桥调至零位的电桥平衡激光修调电阻，基底正面还设有两组线性温度补偿电阻。芯片采用韦斯顿压阻式电桥模式方案。两端输出以适应系统信号调理电路对输出端要求；当测力机构将力作用于力敏传感器中间部分时，由于整个传感器四边都是压紧的，中间的二个电阻由于载体瓷片变形使电阻受到压应力而変小；反之左右两侧则受到张应力电阻变大，根据惠斯顿电桥原理，将会在正负输出端得出正比例压力大小的电压输出。钢环中间的钢缆上下左右位置变化都会在四个传感器有不同的输出。
进一步的技术方案是，每组线性温度补偿电阻设有一个或三个；敏感电阻的阻值为100K。传感器设置了六个线性温度补偿电阻，确保在-40℃―125℃下输出幅度变化小于±0.015mv(％FSO/℃)确保系统稳定可靠工作，能保证系统在陆、海、空和恶劣环境下安全工作。考虑到专业圆形空心特殊装置有传感器信号调理电路和通信电路，为保证电池供电寿命，传感器桥路必须高阻抗。本传感芯片设计为100KΩ桥路阻抗。在实践中一是芯片设计上采用改变电阻形状系数，二是工艺上试制高压阻系数、高方阻电阻浆料，并通过六次试2.6厚膜工艺技术是IC技术的专业分支，国际电工委员会IEEE不会发表有关工艺技术方面论文的。国际上有关公司的技术都有专利保护，本微厚膜工艺技术具体印刷机刮刀压力、速度、角度以及Stage定位和负压控制，以及AI技术微芯片具体印刷工艺，不复贅述。
进一步的技术方案为，敏感电阻采用高压阻系数高电阻系数、低温度飘移的铑铱系列电子浆料；所述电桥平衡激光修调电阻釆用电阻方阻为1K的铑铱浆料；所述线性温度补偿电阻其电阻浆釆用线性热敏电阻浆料。桥路边缘四个电极分别为电源正(vcc)、电源负(gnd)、输出正、输出负。两个输出端接后面电路(运算放大器)为了提高运放的输入阻抗，以提高运放的输出性能，因此桥路电阻提高至100K，专利产用了高压阻系数高电阻系数、低温度飘移的铑铱系列电子浆料，桥路平衡电阻亦釆用电阻方阻为1K的铑铱浆料；为保证军用领域里力敏传感器温度稳定性，温补电阻浆釆用了线性热敏电阻浆料。在工艺技术上由于其几何尺寸小，设计上釆用类似于半导体芯片多片技术，並对印刷机刮刀和印刷机的工艺参数进行调整，确保定位和印刷精度。在烧结技术上，由于基片比纸薄，烧结炉网带上都放置厚的垫片基片放在上面烧结，确保基片平整。
进一步的技术方案为，力敏传感器芯片的厚度为0.12～0.2mm，长度为8mm，宽度为5mm；每片力敏传感器芯片的四个顶角位置设有所述四根弹性插针；所述传感器本体为不锈钢圆环；不锈钢圆环的厚度为15毫米。
本发明还提供的技术方案为，环状超小型力敏陶瓷张力传感器，包括呈环状圆环的传感器本体，传感器本体其旋转轴线水平设置，传感器本体内壁固定设有环状陶瓷绝缘层；
环状陶瓷绝缘层内设有四片呈环形阵列布置的力敏传感器芯片，每片力敏传感器芯片分别通过设置在传感器本体内的四根弹性插针与传感器本体内的放大电路模块电气连接；
环状陶瓷绝缘层其内壁固定连接有四根弹性机械应力感知棒，应力感知棒超出传感器本体设置，每根应力感知棒设置于每片力敏传感器芯片的中心位置；
放大电路模块、弹性插针及环状陶瓷绝缘层沿传感器本体环外至环内方向依次设置。在本技术方案中，力敏传感器芯片包括氧化铝陶瓷基底以及设置在基底正面的四个敏感电阻，基底面向传感器本体环中心的一面为正面；
四个敏感电阻互联形成韦斯顿压阻式电桥，基底正面还设有两个用于将韦斯顿压阻式电桥调至零位的电桥平衡激光修调电阻，基底正面还设有两组线性温度补偿电阻。
每组线性温度补偿电阻设有一个或三个；敏感电阻的阻值为100 K。敏感电阻采用高压阻系数高电阻系数、低温度飘移的铑铱系列电子浆料；所述电桥平衡激光修调电阻釆用电阻方阻为1K的铑铱浆料；所述线性温度补偿电阻其电阻浆釆用线性热敏电阻浆料。力敏传感器芯片的厚度为0.12～0.2mm，长度为8mm，宽度为5mm；每片力敏传感器芯片的四个顶角位置设有所述四根弹性插针；所述传感器本体为不锈钢圆环；不锈钢圆环的厚度为15毫米。
进一步的技术方案为，传感器本体为不锈钢圆环；所述力敏传感器芯片的厚度为0.12～0.2mm，长度为8mm，宽度为5mm；每片力敏传感器芯片的四个顶角位置设有所述四根弹性插针；所述传感器本体为不锈钢圆环；不锈钢圆环的厚度为15毫米。
本发明的优点和有益效果在于：能够保证系统在陆、海、空和恶劣环境下安全工作，可以确保在-40℃―125℃下输出幅度变化小于± 0.015mv(％FSO/℃)确保系统稳定可靠工作；能够应用于超小型环状空间内控制系统钢缆张力，确保运载系统安全运行。
当测力机构将力作用于力敏传感器中间部分时，由于整个传感器四边都是压紧的，中间的二个电阻由于载体瓷片变形使电阻受到压应力而変小；反之左右两侧则受到张应力电阻变大，根据惠斯顿电桥原理，将会在正负输出端得出正比例压力大小的电压输出。钢环中间的钢缆上下左右位置变化都会在四个传感器有不同的输出。
桥路边缘四个电极分别为电源正(vcc)、电源负(gnd)、输出正、输出负。两个输出端接后面电路(运算放大器)为了提高运放的输入阻抗，以提高运放的输出性能；
传感器设置了六个线性温度补偿电阻，确保在-40℃―125℃下输出幅度变化小于±0.015mv(％FSO/℃)确保系统稳定可靠工作，能保证系统在陆、海、空和恶劣环境下安全工作。
附图说明
图1是本发明一种环状超小型力敏陶瓷张力传感器的示意图；
图2是图1的剖面图；
图3是图2中陶瓷绝缘层附近部分的放大示意图；
图4是图3中力敏传感器芯片的结构示意图；
图5是图4示出插针与感知棒后的的示意图。
图中：1、圆环；2、陶瓷绝缘层；3、插针；4、放大电路模块； 5、鈀银焊盘；6、感知棒；7、桥路电阻；8、温度补偿电阻；9、平衡激光修调电阻；10、力敏传感器芯片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1至图5所示，本发明是一种环状超小型力敏陶瓷张力传感器，包括一个不锈钢圆环1，内部有陶瓷绝缘层2。圆环1厚度大概有1 5毫米左右厚，不锈钢圆环1内壁分布四个插孔，分别是正负X轴方向和正负Y方向。四个力敏传感器芯片10插上后分别由环内16根插针3 与环内放大电路模块4(可以制作成环状，便于与四个传感器芯片通过弹性插针相连)电气连接。力敏传感器，基板是九五氧化铝陶瓷，厚度比纸薄(0.12mm)是通过德国一家公司用流涎技术制作、激光划片。单个样品四边的四个鈀银焊盘5与环内插针3连接。片中中间4 个电阻为敏感电阻，下面2个桥路电阻7为电桥平衡激光修调电阻9，二个黄色电阻是温度补偿电阻8(实际上各支路有3个温补电阻共6个) 桥路边缘四个电极分别为电源正(vcc)、电源负(gnd)、输出正、输出负。两个输出端接后面电路(运算放大器)为了提高运放的输入阻抗，以提高运放的输出性能，因此桥路电阻7提高至100K，专利产用了高压阻系数高电阻系数、低温度飘移的铑铱系列电子浆料，桥路平衡电阻亦釆用电阻方阻为1K的铑铱浆料；为保证军用领域里力敏传感器温度稳定性，温补电阻浆釆用了线性热敏电阻浆料。在工艺技术上由于其几何尺寸小，设计上釆用类似于半导体芯片多片技术，並对印刷机刮刀和印刷机的工艺参数进行调整，确保定位和印刷精度。在烧结技术上，由于基片比纸薄，烧结炉网带上都放置厚的垫片基片放在上面烧结，确保基片平整。
片状小型力敏传感器中间是受力部分，因此不锈钢环还设有一小孔装置精密弹性力敏感知棒6，以促使力敏传感器实现物理量力的转换。
四个插孔用于插四片力敏传感器，插入钢环内壁后，在每个传感器四个顶角位置陶瓷环内每片各有四个弹性插针3与传感器电连接。在传感器中间部分有一个机械应力感知棒6直接将钢环内璧运动中钢缆上下左右都会将应力加到传感器中间导致桥路电阻7产生不平衡，就会产生正比例应力大小的电压输出，然后由钢环内部的放大电路由无线电或电缆输出到控制系统中。
四个桥路电阻7组成一个惠斯顿电桥，四个电阻是在一个平面上的。当测力机构将力作用于力敏传感器中间部分时，由于整个传感器四边都是压紧的，中间的二个电阻由于载体瓷片变形使电阻受到压应力而変小；反之左右两侧则受到张应力电阻变大，根据惠斯顿电桥原理，将会在正负输出端得出正比例压力大小的电压输出。钢环中间的钢缆上下左右位置变化都会在四个传感器有不同的输出。敏感电阻是采用厚膜微工艺(Micro Hybridtechnology)在850℃烧结在力敏弹性体上；环状陶瓷绝缘层及力敏传感器芯片上的基底采用了96％氧化铝陶瓷二氧化锆增韧技术，流涎工艺制造，激光划片。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.环状超小型力敏陶瓷张力传感器，其特征在于，包括呈环状圆环的传感器本体，传感器本体其旋转轴线水平设置，传感器本体内设有环状陶瓷绝缘层；
环状陶瓷绝缘层的内壁设有四个呈环形阵列布置的插孔，与插孔适配插设有力敏传感器芯片，每片力敏传感器芯片分别通过设置在传感器本体内的四根弹性插针与传感器本体内的放大电路模块电气连接；
环状陶瓷绝缘层其内壁固定连接有四根弹性机械应力感知棒，应力感知棒超出传感器本体设置，每根应力感知棒设置于每片力敏传感器芯片的中心位置；
放大电路模块、弹性插针及环状陶瓷绝缘层在传感器本体内由外至内依次设置。
2.根据权利要求1所述的环状超小型力敏陶瓷张力传感器，其特征在于，所述力敏传感器芯片包括氧化铝陶瓷基底以及设置在基底正面的四个敏感电阻，基底面向传感器本体环中心的一面为正面；
四个敏感电阻互联形成韦斯顿压阻式电桥，基底正面还设有两个用于将韦斯顿压阻式电桥调至零位的电桥平衡激光修调电阻，基底正面还设有两组线性温度补偿电阻。
3.根据权利要求2所述的环状超小型力敏陶瓷张力传感器，其特征在于，每组线性温度补偿电阻设有一个或三个；敏感电阻的阻值为100K。
4.根据权利要求3所述的环状超小型力敏陶瓷张力传感器，其特征在于，所述敏感电阻采用高压阻系数高电阻系数、低温度飘移的铑铱系列电子浆料；所述电桥平衡激光修调电阻釆用电阻方阻为1K的铑铱浆料；所述线性温度补偿电阻其电阻浆釆用线性热敏电阻浆料。
5.根据权利要求1或4所述的环状超小型力敏陶瓷张力传感器，其特征在于，所述力敏传感器芯片的厚度为0.12～0.2mm，长度为8mm，宽度为5mm；每片力敏传感器芯片的四个顶角位置设有所述四根弹性插针；所述传感器本体为不锈钢圆环；不锈钢圆环的厚度为15毫米。
6.环状超小型力敏陶瓷张力传感器，其特征在于，包括呈环状圆环的传感器本体，传感器本体其旋转轴线水平设置，传感器本体内壁固定设有环状陶瓷绝缘层；
环状陶瓷绝缘层内设有四片呈环形阵列布置的力敏传感器芯片，每片力敏传感器芯片分别通过设置在传感器本体内的四根弹性插针与传感器本体内的放大电路模块电气连接；
环状陶瓷绝缘层其内壁固定连接有四根弹性机械应力感知棒，应力感知棒超出传感器本体设置，每根应力感知棒设置于每片力敏传感器芯片的中心位置；
放大电路模块、弹性插针及环状陶瓷绝缘层沿传感器本体环外至环内方向依次设置。
7.根据权利要求6所述的环状超小型力敏陶瓷张力传感器，其特征在于，所述传感器本体为不锈钢圆环；所述力敏传感器芯片的厚度为0.12～0.2mm，长度为8mm，宽度为5mm；每片力敏传感器芯片的四个顶角位置设有所述四根弹性插针；所述传感器本体为不锈钢圆环；不锈钢圆环的厚度为15毫米。
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