CN115901040A - 一种纳米薄膜轴销力传感器及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米薄膜轴销力传感器及其制备方法与应用，涉及传感器技术领域；该传感器包括：本体；所述本体上设置有两个敏感区域；所述敏感区域上设置有四个纳米敏感电阻；所述纳米敏感电阻形成惠斯通电桥；所述纳米敏感电阻包括：绝缘层、应变敏感层、焊盘和保护层；所述应变敏感层为NiCrMnMoSi层。本发明中传感器采用一体化弹性体设计，将纳米敏感电阻直接布有整体式弹性体上，减少纳米敏感电阻的装配过程；同时还能减少应力影响，从而有效提高精度，降低成本。

Description

一种纳米薄膜轴销力传感器及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体是一种纳米薄膜轴销力传感器及其制备方法与应用。

背景技术

相关技术中，在制备敏感元件的过程中，主要采用粘贴应变片的方式来实现，其温度稳定性差，蠕变大，耐候性不好，粘贴工艺复杂，对于深孔操作困难，引线繁杂。

相关技术中还有采用薄膜技术的产品，但因为制作工艺的问题，需要将布有纳米薄膜敏感电阻的弹性体单独制作，再通过压装或焊接的方式安装到传感器本体，缺点是对加工精度要求高，焊接，压装应力对传感器性能影响大，迟滞差，整体精度提高困难。

因此，本发明提供了一种纳米薄膜轴销力传感器，以解决上述背景技术中提出的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米薄膜轴销力传感器，以解决上述背景技术中提出的问题和缺陷的至少一个方面。

本发明还提供了上述纳米薄膜轴销力传感器的制备方法。

本发明还提供了上述纳米薄膜轴销力传感器的应用。

具体如下，本发明第一方面提供了一种纳米薄膜轴销力传感器，包括：

本体；所述本体上设置有两个敏感区域；

所述敏感区域上设置有四个纳米敏感电阻；

所述纳米敏感电阻形成惠斯通电桥；

所述纳米敏感电阻包括：

绝缘层、应变敏感层、焊盘和保护层；

所述应变敏感层为NiCrMnMoSi层。

根据本发明的传感器技术方案中的一种技术方案，至少具备如下有益效果：

本发明中传感器采用一体化弹性体设计，将纳米敏感电阻直接布有整体式弹性体上，减少纳米敏感电阻的装配过程；同时还能减少应力影响，从而有效提高精度，降低成本。

本发明中通过设置两个敏感区域，每个敏感区域中设置有四个纳米敏感电阻；每个敏感区域中的四个纳米敏感电阻能够单独形成惠斯通电桥，当其中一个桥路存在电路故障时，另一桥路可以继续工作，起到安全保护的作用；同时还能够提高传感器运行的稳定性，使得传感器不会因为单电路失效而无法工作；本发明中敏感区域中八个纳米敏感电阻能够共同形成一个惠斯通电桥，从而有效减少因偏载对精度的影响，从而进一步提升传感器的测试精度。

根据本发明的一些实施方式，所述本体上还设有电气接口。

本发明的电气接口用于与外设设备进行电气连接。

根据本发明的一些实施方式，所述应变敏感层的厚度为200nm~800nm。

本发明通过对应变敏感层的厚度进行控制，从而实现了对敏感电阻的精度精度进行控制。

根据本发明的一些实施方式，所述NiCrMnMoSi层中包括如下质量百分数的元素：

40%~50%的Ni、20%~25%的Cr、15%~25%的Mn、5%~15%的Mo和1%~10%的Si。

将各成分的用量控制在上述范围，有利于进一步提升应变敏感层的精确度。

根据本发明的一些实施方式，所述NiCrMnMoSi层的厚度为100nm~500nm。

根据本发明的一些实施方式，所述保护层为二氧化硅层。

根据本发明的一些实施方式，所述保护层的厚度为300nm~500nm。

根据本发明的一些实施方式，所述二氧化硅层的厚度为200nm~400nm。

利用二氧化硅层对应力敏感层进行保护。

根据本发明的一些实施方式，所述焊盘为金焊盘。

根据本发明的一些实施方式，所述焊盘的厚度为500nm~1500nm。

焊盘用于与PCB板形成电连接，从而进一步形成惠斯通电桥。

根据本发明的一些实施方式，所述本体上还设有应变槽。

根据本发明的一些实施方式，所述本体上还设有弹性体。

根据本发明的一些实施方式，所述本体上还设有电路板。

根据本发明的一些实施方式，所述本体上还设有安装限位缺。

根据本发明的一些实施方式，所述本体上还设有支撑区域。

根据本发明的一些实施方式，所述支撑区域、所述应变槽和所述电气接口设置在所述本体的同一侧。

根据本发明的一些实施方式，所述支撑区域对应设置。

根据本发明的一些实施方式，某一所述支撑区域相邻设置。

根据本发明的一些实施方式，所述应变槽与所述敏感区域对应设置。

根据本发明的一些实施方式，某一所述应变槽和某一所述支撑区域相邻设置。

本发明第二方面提供了上述纳米薄膜轴销力传感器的制备方法，包括以下步骤：

在所述本体上采用离子溅射形成所述纳米敏感电阻。

根据本发明的制备方法技术方案中的一种技术方案，至少具备如下有益效果：

本发明采用离子溅射纳米薄膜技术制作敏感电阻，热稳定性好，由于是用类半导体工艺，制作精度高，寿命长，解决了因加工，装配应力的影响造成的精度低等问题。

根据本发明的一些实施方式，所述离子溅射的功率为300W~500W。

本发明第三方面提供了上述纳米薄膜轴销力传感器在称重或测力过程中的应用。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明实施例1中纳米薄膜轴销力传感器结构示意图。

图2为图1中AA截面位置纳米薄膜轴销力传感器的俯视结构示意图。

图3为图1中BB截面位置纳米薄膜轴销力传感器的截面结构示意图。

图4为本发明实施例1中某一纳米敏感电阻俯视图。

图5为本发明实施例1中另一纳米敏感电阻俯视图。

图6为本发明实施例1中第一惠斯通电桥电路结构示意图。

图7为本发明实施例1中第二惠斯通电桥电路结构示意图。

图8为本发明实施例1中第三惠斯通电桥电路结构示意图。

图9为本发明对比例1中纳米薄膜轴销力传感器结构示意图。

图10为图9中CC截面位置纳米薄膜轴销力传感器的截面结构示意图。

图11为本发明对比例1中某一敏感电阻俯视图。

图12为本发明对比例1中另一敏感电阻俯视图。

图13为本发明对比例1中惠斯通电桥电路结构示意图。

图中：

100、电气接口；101、电路板；102、敏感电阻；103、弹性体；104、安装限位缺；105、应变槽；106、传感器本体；107、支撑区域；

200、敏感区域。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果；显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中；在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例；而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行；所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

本实施例为一种纳米薄膜轴销力传感器，结构示意图见图1~3。

本实施例中纳米薄膜复合传感器如图1~3中所示，包括本体106，本体106上对称设置有两个敏感区域200；

敏感区域200设置在本体106水平中轴线上；

敏感区域200上还设有敏感电阻102；

本体106上还设置有弹性体103；

本体106上还设置有电路板101；

本体106的一侧设有电气接口100；

本体106的另一侧设有安装限位缺104；

本体106的一侧还设有应变槽105；

本体106的一侧还设有支撑区域107；

支撑区域107用于支撑本体106；

支撑区域107、应变槽105和电气接口100设置在同一侧；

支撑区域107对称设置有两个；某一支撑区域107与电气接口100相邻设置；

某一应变槽105与某一支撑区域107相邻设置；

应变槽105与敏感区域200对应设置；

每一敏感区域200中四个敏感电阻102；

如图4~5所示，敏感电阻102命名如下：

R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8。

如图6所示，R1、R2、R3、R4形成一组惠斯通电桥；图中V+与V-之差为输入电压、S+与S-之差为输出电压。

如图7所示，R5、R6、R7、R8形成一组惠斯通电桥。

图6和图7中惠斯通电桥为两组独立的惠斯通电桥，两组惠斯通电桥均能进行应力测试；但其中一组惠斯通电桥出现故障后，另一组惠斯通电桥同样能起到测试作用，提高了传感器的测试稳定性。

本实施例中电路连接通过外接PCB板实现，即根据惠斯通电路的连接方式，设置对应的PCB板，从而实现电连接。

本实施例中敏感电阻由以下各层组成：

绝缘层（二氧化硅层，厚度为2500nm）；

绝缘层的表面部分区域上设有应变敏感层（NiCrMnMoSi层（厚度为300nm））；

绝缘层的表面部分剩余部分区域上设有保护层；

应变敏感层表面部分区域上设有焊盘（Au层，厚度为1000nm）；

应变敏感层表面部分区域上保护层；

保护层为二氧化硅层（厚度为300nm）；

NiCrMnMoSi层由如下质量百分数的元素组成：

45%的Ni、20%的Cr、15%的Mn、15%的Mo和5%的Si。

本实施例中纳米薄膜轴销力传感器的制备方法，由以下步骤组成：

S1、采用离子溅射镀膜的方法沉积绝缘层；制得第一预制件。

S2、采用离子溅射镀膜的方法在步骤S1制得的第一预制件表面沉积NiCrMnMoSi层；制得第二预制件；

其中NiCrMnSi层的溅射过程中基底的温度为450℃；

NiCrMnSi层的溅射功率为200W。

S3、利用光刻技术加工形成四个敏感电阻，再利用离子溅射在步骤S2制得的第二预制件表面沉积焊盘；制得第三预制件。

S4、利用光刻技术加工形成保护层图案，利用离子溅射沉积工艺沉积保护层。

实施例2

本实施例为一种纳米薄膜轴销力传感器，与实施例1的差异在于：本实施例中惠斯通电桥的结构示意如图8所示，R1和R5形成第一串联电阻组；R2和R6形成第二串联电阻组；R3和R7形成第三串联电阻组；R4和R8形成第四串联电阻组。

第一串联电阻组、第二串联电阻组、第三串联电阻组和第四串联电阻组形成一组惠斯通电桥；该惠斯通电桥中通过将电阻串联，从而提高了单个串联电阻组的电阻值，从而提升了整体的测试精度。

实施例3

本实施例为一种纳米薄膜轴销力传感器，与实施例1的差异在于：本实施例中应变敏感层为NiCrMnMoSi层；

NiCrMnSiMo层由以下质量分数的制备原料组成：

45%的Ni、20%的Cr、20%的Mn、10%的Mo和5%的Si。

对比例1

本对比例为一种纳米薄膜轴销力传感器，如图9~10所示，包括本体106，本体106的一侧设有电气接口100；

本体106上还设有敏感电阻102；

敏感电阻102设置在敏感弹性体上；

敏感电阻102通过粘接的方式设置在敏感弹性体上；

敏感弹性体通过焊接的方式设置在本体106上。

如图11~12所示，敏感电阻102的命名如下：

R9、R10、R11和R12。

如图13所示，R9、R10、R11、R12形成一组惠斯通电桥；图中V+与V-之差为输入电压、S+与S-之差为输出电压。

对比例2

本对比例为一种纳米薄膜轴销力传感器，与实施例1的差异在于：本对比例中应变敏感层为NiCrMnSi层；

NiCrMnSi层由以下质量分数的制备原料组成：

45%的Ni、30%的Cr、20%的Mn和5%的Si。

本发明实施例1~3中采用离子溅射纳米薄膜技术及类半导体工艺制作敏感电阻，提高传感器的热稳定性，耐候性；同时还采用一体式的结构设计，感少装配过程及因装配或焊接产生的应力造成传感器精度低的问题，最后采用八个敏感电阻布置在敏感区域，这个八个电阻可以组成两个单独的惠斯通电桥，当其中一个桥路有故障时，另一个桥路可以继续工作，有安全保护作用；也可以组成一个惠斯通电桥，将受力区域的应力变化通过一个桥路直接输出，以减小受力不均或偏载的影响，提高测量精度。

综上所述，本发明中传感器采用一体化弹性体设计，将纳米敏感电阻直接布有整体式弹性体上，减少纳米敏感电阻的装配过程；同时还能减少应力影响，从而有效提高精度，降低成本；本发明中通过设置两个敏感区域，每个敏感区域中设置有四个纳米敏感电阻；每个敏感区域中的四个纳米敏感电阻能够单独形成惠斯通电桥，当其中一个桥路存在电路故障时，另一桥路可以继续工作，起到安全保护的作用；同时还能够提高传感器运行的稳定性，使得传感器不会因为单电路失效而无法工作；本发明中敏感区域中八个纳米敏感电阻能够共同形成一个惠斯通电桥，从而有效减少因偏载对精度的影响，从而进一步提升传感器的测试精度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纳米薄膜轴销力传感器，其特征在于，包括：

本体；所述本体上设置有两个敏感区域；

所述敏感区域上设置有四个纳米敏感电阻；

所述纳米敏感电阻形成惠斯通电桥；

所述纳米敏感电阻包括：

绝缘层、应变敏感层、焊盘和保护层；

所述应变敏感层为NiCrMnMoSi层。

2.根据权利要求1所述的纳米薄膜轴销力传感器，其特征在于，所述本体上还设有电气接口。

3.根据权利要求1所述的纳米薄膜轴销力传感器，其特征在于，所述应变敏感层的厚度为200nm~800nm。

4.根据权利要求1所述的纳米薄膜轴销力传感器，其特征在于，所述NiCrMnMoSi层中包括如下质量百分数的元素：

40%~50%的Ni、20%~25%的Cr、15%~25%的Mn、5%~15%的Mo和1%~10%的Si。

5.根据权利要求1所述的纳米薄膜轴销力传感器，其特征在于，所述本体上还设有应变槽。

6.根据权利要求1所述的纳米薄膜轴销力传感器，其特征在于，所述保护层为二氧化硅层。

7.根据权利要求6所述的纳米薄膜轴销力传感器，其特征在于，所述保护层的厚度为300nm~500nm。

8.一种制备如权利要求1至7任一项所述的纳米薄膜轴销力传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：

在所述本体上采用离子溅射形成所述纳米敏感电阻。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述离子溅射包括以下步骤：

所述离子溅射的功率为300W~500W。

10.一种如权利要求1至6任一项所述的纳米薄膜轴销力传感器在称重或测力过程中的应用。

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