CN116121721A - 一种纳米应变薄膜、轮辐力传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米应变薄膜、轮辐力传感器及其制备方法，涉及传感器技术领域；该纳米应变薄膜依次包括以下各层：过渡层，所述过渡层的表面设有绝缘层；绝缘层的部分表面设有应变层；绝缘层的剩余部分表面设有保护层；应变层的部分表面设有焊盘；应变层的剩余部分表面设有保护层；应变层由TaN层和NiCrAlMnSiTa层组成；TaN层与绝缘层相接触；NiCrAlMnSiTa层与保护层相接触。本发明采用纳米应变薄膜形成轮辐式力传感器，从而有有效提高检测精度及提高传感器的稳定性；本发明解决了现有轮辐力传感器，可靠性差、稳定性差、检测精度低、温漂大、抗震动能力低、制造困难等问题。

Description

一种纳米应变薄膜、轮辐力传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体是一种纳米应变薄膜、轮辐力传感器及其制备方法。
背景技术
相关技术中轮辐力传感器，将弹性体内部镂空，加工出轮辐条，在轮辐条侧面粘贴应变片；上述轮辐力传感器的缺点是：
粘胶易老化，长期使用会导致应变片松动或脱落，从而降低测量结果的准确性或完全无法测量。
稳定性差，由于粘胶和封胶老化原因，长期稳定性差。
贴片困难，由于内部空间狭小，贴片后需要施加一定的力，使胶水固化，贴片较为困难，也因此难以保证批量质量，精度较低。
不抗震动，在长期震动的环境，更容易造成精度下降，甚至失效。
温漂大，因通过胶水、应变片基材将变化传递到应变电阻丝，造成温漂大。
总之，目前在弹性体上安装粘贴应变片检测力值的结构，受材料一致性、环境温湿度变化、粘胶厚度、粘胶类型、设备强烈震动等诸多因素影响，导致产品的精度、重复性差、故障率高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米应变薄膜，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。
本发明还提供了一种轮辐力传感器。
本发明还提供了上述轮辐力传感器的制备方法。
具体如下，本发明第一方面提供了一种纳米应变薄膜，依次包括以下各层：
过渡层，所述过渡层的表面设有绝缘层；
所述绝缘层的部分表面设有应变层；
所述绝缘层的剩余部分表面设有保护层；
所述应变层的部分表面设有焊盘；
所述应变层的剩余部分表面设有保护层；
所述应变层由TaN层和NiCrAlMnSiTa层组成；
所述TaN层与所述绝缘层相接触；
所述NiCrAlMnSiTa层与所述保护层相接触；
所述NiCrAlMnSiTa层包括以下质量分数的元素：
Ni 60%~75%、Cr 15%~18%、Al 2%~4%、Mn 6%~8%、Si 0.5%~1%和Ta 3%~5%。
根据本发明纳米应变薄膜技术方案中的一种技术方案，至少具备如下有益效果：
本发明通过设置绝缘层，保证了应变层与不锈钢层之间电学信号的绝缘。
本发明中应变层由TaN层和NiCrAlMnSiTa层组成，其中TaN层的稳定性高、表面缺陷少且与绝缘层的结合强度高，从而提升了应变层的稳定性和灵敏度；而NiCrAlMnSiTa层中含有金属铝，金属铝在氧气存在的情况下会生成氧化铝，而氧化铝能够起到一定的抗氧化作用，有利于提升应变敏感层的抗氧化性能；而加入Ta元素能提升与TaN层的结合强度，从而提升应变薄膜的稳定性。
根据本发明的一些实施方式，所述TaN层包括以下质量分数的元素：
Ta 80%~90%、N 10%~20%。
氮化钽的电阻温度系数小且稳定性高，将其应用于
根据本发明的一些实施方式，所述TaN层的厚度为50nm~100nm。
根据本发明的一些实施方式，所述NiCrAlMnSiTa层的厚度为100nm~500nm。
根据本发明的一些实施方式，所述过渡层包括氧化铌层。
根据本发明的一些实施方式，所述氧化铌层（五氧化二铌层）的厚度为100nm~800nm。
根据本发明的一些实施方式，所述氧化铌层（五氧化二铌层）的厚度为400nm~600nm。
该层的厚度过薄，则会导致应力的不能充分缓解，从而影响到传感器稳定性；而厚度过厚，则会导致传感器中膜层厚度的增加，从而限制传感器的应用场景。
根据本发明的一些实施方式，所述绝缘层为二氧化硅层。
根据本发明的一些实施方式，所述绝缘层的厚度为2.5μm～3μm。
根据本发明的一些实施方式，所述保护层由氧化铝层和二氧化硅层组成。
本发明中保护层采用复合防护层。利用其层之间的界面势垒阻断单层保护层的氧离子渗透通道，进而增强保护层的抗氧化能力。
根据本发明的一些实施方式，所述氧化铝层的厚度为100nm~300nm。
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。
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。
本发明第二方面提供了一种轮辐力传感器，包括上述的纳米应变薄膜。
本发明采用纳米应变薄膜形成轮辐式力传感器，从而有有效提高检测精度及提高传感器的稳定性；本发明解决了现有轮辐力传感器，可靠性差、稳定性差、检测精度低、温漂大、抗震动能力低、制造困难等问题。
根据本发明的一些实施方式，所述轮辐力传感器，包括弹性体；
所述弹性体中部开设有通孔；
所述通孔用于安装引力杆；
所述弹性体上还设置有所述纳米应变薄膜。
引力杆用于将载荷引到弹性体上。
本发明的氧化铌过渡层，利用氧化铌来缓解绝缘层和弹性体之间的失配导致的应力，从而提升基底层与绝缘层之间的结合强度；从而提升纳米薄膜复合应变传感器的稳定性和寿命。
根据本发明的一些实施方式，所述弹性体上还设置有若干应变槽。
根据本发明的一些实施方式，所述应变槽的数目为4个。
根据本发明的一些实施方式，所述应变槽内还设置有过线孔。
根据本发明的一些实施方式，所述过线孔的数目为4个。
根据本发明的一些实施方式，所述纳米应变薄膜设置与弹性体的应力最大区。
根据本发明的一些实施方式，所述应力最大区位于相邻应变槽间。
根据本发明的一些实施方式，所述应变槽均匀设置在弹性体表面。
根据本发明的一些实施方式，所述纳米应变薄膜单独形成应变电阻。
根据本发明的一些实施方式，所述应变电阻的数目为四个。
根据本发明的一些实施方式，所述弹性体上还设置有保护罩。
根据本发明的一些实施方式，所述应变电阻电连接有输出接口。
保护罩起保护内部电路的作用，输出接口将测量信号输出。
本发明第三方面提供了上述轮辐力传感器的制备方法，包括以下步骤：在所述弹性体表面沉积所述纳米应变薄膜。
本发明采用一种整体镀膜、光刻电路形成应变电阻的技术，直接以原子结合的方式在弹性体上形成纳米应变薄膜（即敏感应变电阻），从而组成惠斯通电桥，避免了采用粘贴应变片，传递后间接测量，产生传递误差，解决现有轮辐式力传感器可靠性差、稳定性差、检测精度低、温漂大、抗震动能力低、制造困难等问题。
根据本发明的一些实施方式，所述纳米应变薄膜的沉积方法，包括以下步骤：
S1、在所述弹性体上依次生长所述过渡层和所述绝缘层；
S2、在所述绝缘层表面生长应变层；光刻后实现应变层图案化，形成图案化应变层；
S3、在所述图案化应变层表面部分区域生长保护层；在所述图案化应变层表面部分区域生长焊盘。
根据本发明的一些实施方式，所述弹性体需进行研磨处理。
根据本发明的一些实施方式，所述研磨处理为采用机械抛光。
根据本发明的一些实施方式，所述过渡层的生长方法为磁控溅射或离子束溅射。
根据本发明的一些实施方式，所述氧化铌层的生长方式为磁控溅射或离子束溅射。
根据本发明的一些实施方式，所述绝缘层的生长方式为磁控溅射或离子束溅射。
根据本发明的一些实施方式，所述应变层的生长方式为磁控溅射或离子束溅射。
根据本发明的一些实施方式，所述TaN层的生长方式为磁控溅射或离子束溅射。
根据本发明的一些实施方式，所述TaN层的生长方式为磁控溅射。
根据本发明的一些实施方式，所述TaN层的溅射过程中基底的温度为500℃~700℃。
根据本发明的一些实施方式，所述TaN层的溅射功率为450W~550W。
根据本发明的一些实施方式，所述NiCrAlMnSiTa层的溅射过程中基底的温度为300℃~500℃。
根据本发明的一些实施方式，所述NiCrAlMnSiTa层的溅射功率为150W~250W。
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中轮辐力传感器的某一截面结构示意图。
图2为本发明实施例1中轮辐力传感器的另一截面结构示意图。
图3为本发明实施例1中轮辐力传感器的俯视结构示意图。
图4为本发明实施例1中弹性体的应力分布模拟图。
图5为本发明实施例1中惠斯通电桥结构示意图。
图6为本发明实施例1中信号电路图。
图7为本发明实施例1中纳米应变薄膜的截面结构示意图。
图8为对比例1中轮辐力传感器的立体结构示意图。
附图标记：
100、弹性体；101、引力杆；102、保护罩；103、输出接口；104、封盖；105、纳米应变薄膜；106、应变槽；107、过线孔；108、轮辐条；109、应变片。
1001、第一应变薄膜沉积区域；1002、第二应变薄膜沉积区域；1003、第三应变薄膜沉积区域；1004、第四应变薄膜沉积区域。
200、惠斯通电桥；201、信号调理电路；202、用户控制电路。
300、过渡层；301、绝缘层；302、TaN层；303、NiCrAlMnSiTa层；304、焊盘；305、保护层。
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
本实施例为一种轮辐力传感器，如图1~7所示，包括：
包括弹性体100；
弹性体100中部开设有通孔；
通孔用于安装引力杆101；
弹性体100上还设置有纳米应变薄膜105。
引力杆101用于将载荷引到弹性体上。
弹性体100上还设置有4个应变槽106。
应变槽106内还设置有过线孔107；过线孔107的总数目为4个。
纳米应变薄膜105设置与弹性体100的应力最大区；应力最大区位于相邻应变槽106间，应变槽106均匀设置在弹性体100表面。
纳米应变薄膜105单独形成应变电阻；应变电阻的数目为四个。
如图4所示，本实施例中弹性体应力最大区为第一应变薄膜沉积区域1001、第二应变薄膜沉积区域1002、第三应变薄膜沉积区域1003和第四应变薄膜沉积区域1004。
本实施例纳米应变薄膜均独立沉积于第一应变薄膜沉积区域1001、第二应变薄膜沉积区域1002、第三应变薄膜沉积区域1003和第四应变薄膜沉积区域1004；第一应变薄膜沉积区域1001、第二应变薄膜沉积区域1002、第三应变薄膜沉积区域1003和第四应变薄膜沉积区域1004中纳米应变薄膜的结构均相同。
弹性体100上还设置有保护罩102。
应变电阻电连接有输出接口103。
保护罩102起保护内部电路的作用，输出接口103将测量信号输出。
本实施例中惠斯通电桥结构如图5所示，由R1、R2、R3和R4组成。
如图6所示，本实施例中电路由惠斯通电桥200、信号调理电路201和用户控制电路202。
本应用例弹性体结构示意图如下图3所示。镀膜面为一凸面，满足目前常规镀膜机要求镀膜表面必须是凸面的要求。其应变分析图如图4所示。
方案原理：如图2所示，引力杆将载荷引到弹性体上，弹性体变形。如图4所示，弹性体上4个应变最大的位置镀有纳米薄膜及光刻的敏感电阻，4个敏感电阻形成惠斯通电桥，如图5所示，敏感电阻检测到变形后，输出微弱毫伏电信号，经过调理PCB板信号处理，如图6所示，连续输出RS485/CAN、电流、电压或直接输出毫伏等信号。
引力杆，将载荷引到弹性体上，弹性体上纳米镀膜及光刻生产的敏感电桥检测到变形后，转化为电信号（毫伏电压）输出，再经过电路调理板后，转化为各种工业用信号，通过输出接口输出。保护罩及封盖起保护传感器内部电路及元件的作用。
弹性体结构：弹性体上端为凸面。凸面上开有应变槽，应变槽内开有过线孔，应变电阻镀在4个应变槽之间且靠近中心处。
将应变电阻镀在其它应变较大的位置；敏感电桥采用纳米薄膜光刻技术原子级生成，精度高、长期稳定性好。
敏感电桥生长在弹性体凸面上应变最大的位置。
检测精度及稳定性较胶粘应变片方式大幅提高。
本实施例中纳米应变薄膜，如图7所示，由以下各层组成：
过渡层300（五氧化二铌层，厚度为500nm），过渡层300的表面设有绝缘层301（二氧化硅层，厚度为2.5μm）；
绝缘层301的部分表面设有应变层；
绝缘层301的剩余部分表面设有保护层305（由氧化铝层和二氧化硅层组成，氧化铝层的厚度为200nm，二氧化硅层的厚度为300nm；氧化铝层和应变层相接触）；
应变层的部分表面设有焊盘304（金焊盘，厚度为1000nm）；
应变层的剩余部分表面设有保护层305；
应变层由TaN层302（厚度为80nm）和NiCrAlMnSiTa层303（厚度为200nm）组成；
TaN层302与绝缘层301接触；
NiCrAlMnSiTa层303与保护层305相接触；
TaN层302由以下质量分数的元素组成：
Ta 80%和N 20%。
NiCrAlMnSiTa层303由以下质量分数的元素组成：
Ni 69%、Cr 16%、Al 3%、Mn 7%、Si 0.8%和Ta 4.2%。
本实施例中纳米应变薄膜的制备方法，由以下步骤组成：
S1、通过研磨抛光完成弹性体100的平坦化处理。
S2、采用磁控溅射镀膜的方法在经过步骤S1处理的弹性体100上依次沉积Nb2O5层和绝缘层；制得第一预制件。
S3、采用磁控溅射镀膜的方法在步骤S2制得的第一预制件表面依次沉积TaN层和NiCrAlMnSiTa层；制得第二预制件；
其中TaN层的溅射过程中基底的温度为600℃；
TaN层的溅射功率为500W；
NiCrAlMnSiTa层的溅射过程中基底的温度为450℃；
NiCrAlMnSiTa层的溅射功率为200W。
S4、利用光刻技术加工形成四个应变电阻，再利用磁控溅射在步骤S3制得的第二预制件表面沉积焊盘；制得第三预制件。
S5、利用光刻技术加工形成保护层图案，利用磁控溅射沉积工艺沉积保护层。
实施例2
本实施例为一种轮辐力传感器，与实施例1的差异在于：
NiCrAlMnSiTa层由以下质量分数的元素组成：
Ni 68%、Cr 18%、Al 4%、Mn 6%、Si 1%和Ta 3%。
实施例3
本实施例为一种轮辐力传感器，与实施例1的差异在于：
NiCrAlMnSiTa层由以下质量分数的元素组成：
Ni 70%、Cr 15%、Al 2%、Mn 8%、Si 0.5%和Ta 4.5%。
实施例4
本实施例为一种轮辐力传感器，与实施例1的差异在于：
NiCrAlMnSiTa层由以下质量分数的元素组成：
Ni 68%、Cr 17%、Al 3%、Mn 8%、Si 1%和Ta 3%。
实施例5
本实施例为一种轮辐力传感器，与实施例1的差异在于：
NiCrAlMnSiTa层由以下质量分数的元素组成：
Ni 67%、Cr 16%、Al 4%、Mn 8%、Si 1%和Ta 4%。
对比例1
本对比例为一种轮辐力传感器，结构如图8所示，包括弹性体100，
弹性体100上设有轮辐条108；轮辐条108侧面粘贴有应变片109（NiCr应变片）。
对比例2
本对比例为一种纳米应变薄膜，由以下各层组成：
本对比例中纳米应变薄膜，由以下各层组成：
过渡层（五氧化二铌层，厚度为500nm），过渡层的表面设有绝缘层（二氧化硅层，厚度为2.5μm）；
绝缘层的部分表面设有应变层；
绝缘层的剩余部分表面设有保护层（由氧化铝层和二氧化硅层组成，氧化铝层的厚度为200nm，二氧化硅层的厚度为300nm；氧化铝层和应变层相接触）；
应变层的部分表面设有焊盘（金焊盘，厚度为1000nm）；
应变层的剩余部分表面设有保护层；
应变层为TaN层（厚度为80nm）；
TaN层由以下质量分数的元素组成：
Ta 80%和N 20%。
本对比例中纳米应变薄膜的制备方法，由以下步骤组成：
S1、通过研磨抛光完成弹性体的平坦化处理。
S2、采用磁控溅射镀膜的方法在经过步骤S1处理的弹性体上依次沉积Nb2O5层和绝缘层；制得第一预制件。
S3、采用磁控溅射镀膜的方法在步骤S2制得的第一预制件表面依次沉积TaN层；制得第二预制件；
其中TaN层的溅射过程中基底的温度为600℃；
TaN层的溅射功率为500W。
S4、利用光刻技术加工形成四个应变电阻，再利用磁控溅射在步骤S3制得的第二预制件表面沉积焊盘；制得第三预制件。
S5、利用光刻技术加工形成保护层图案，利用磁控溅射沉积工艺沉积保护层。
对比例3
本对比例为一种轮辐力传感器，与实施例1的差异在于：
本对比例中纳米应变薄膜，由以下各层组成：
过渡层（五氧化二铌层，厚度为500nm），过渡层的表面设有绝缘层（二氧化硅层，厚度为2.5μm）；
绝缘层的部分表面设有应变层；
绝缘层的剩余部分表面设有保护层（由氧化铝层和二氧化硅层组成，氧化铝层的厚度为200nm，二氧化硅层的厚度为300nm；氧化铝层和应变层相接触）；
应变层的部分表面设有焊盘（金焊盘，厚度为1000nm）；
应变层的剩余部分表面设有保护层；
应变层为NiCrAlMnSiTa层；
NiCrAlMnSiTa层303由以下质量分数的元素组成：
Ni 69%、Cr 16%、Al 3%、Mn 7%、Si 0.8%和Ta 4.2%。
本实施例中纳米应变薄膜的制备方法，由以下步骤组成：
S1、通过研磨抛光完成弹性体的平坦化处理。
S2、采用磁控溅射镀膜的方法在经过步骤S1处理的弹性体上依次沉积Nb2O5层和绝缘层；制得第一预制件。
S3、采用磁控溅射镀膜的方法在步骤S2制得的第一预制件表面依次沉积NiCrAlMnSiTa层；制得第二预制件；
NiCrAlMnSiTa层的溅射过程中基底的温度为450℃；
NiCrAlMnSiTa层的溅射功率为200W。
S4、利用光刻技术加工形成四个应变电阻，再利用磁控溅射在步骤S3制得的第二预制件表面沉积焊盘；制得第三预制件。
S5、利用光刻技术加工形成保护层图案，利用磁控溅射沉积工艺沉积保护层。
对比例4
本对比例为一种轮辐力传感器，与实施例1的差异在于：
NiCrAlMnSiTa层由以下质量分数的元素组成：
Ni 73.2%、Cr 16%、Al 3%、Mn 7%和Si 0.8%。
对比例5
本对比例为一种轮辐力传感器，与实施例1的差异在于：
NiCrAlMnSiTa层由以下质量分数的元素组成：
Ni 74%、Cr 16%、Al 3%和Mn 7%。
本发明实施例1~5和对比例1~5中纳米薄膜复合传感器的性能测试结果见表1，测试标准参照GBT 13992-2010。
表1 本发明实施例1~5和对比例1~5中纳米薄膜复合传感器的性能测试结果
综上所述，本发明的纳米应变薄膜通过设置绝缘层，保证了应变层与不锈钢层之间电学信号的绝缘。本发明中应变层由TaN层和NiCrAlMnSiTa层组成，其中TaN层的稳定性高、表面缺陷少且与绝缘层的结合强度高，从而提升了应变层的稳定性和灵敏度；而NiCrAlMnSiTa层中含有金属铝，金属铝在氧气存在的情况下会生成氧化铝，而氧化铝能够起到一定的抗氧化作用，有利于提升应变层的抗氧化性能；而加入Ta元素能提升与TaN层的结合强度，从而提升应变薄膜的稳定性。
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)

1.一种纳米应变薄膜，其特征在于，依次包括以下各层：
过渡层，所述过渡层的表面设有绝缘层；
所述绝缘层的部分表面设有应变层；
所述绝缘层的剩余部分表面设有保护层；
所述应变层的部分表面设有焊盘；
所述应变层的剩余部分表面设有保护层；
所述基底层为不锈钢层；
所述过渡层包括氧化铌层；
所述应变层由TaN层和NiCrAlMnSiTa层组成；
所述TaN层与所述绝缘层相接触；
所述NiCrAlMnSiTa层与所述保护层相接触；
所述NiCrAlMnSiTa层包括以下质量分数的元素：
Ni 60%~75%、Cr 15%~18%、Al 2%~4%、Mn 6%~8%、Si 0.5%~1%和Ta 3%~5%。
2.根据权利要求1所述的纳米应变薄膜，其特征在于，所述TaN层包括以下质量分数的元素：
Ta 80%~90%、N 10%~20%。
3.根据权利要求1所述的纳米应变薄膜，其特征在于，所述TaN层的厚度为50nm~100nm。
4.根据权利要求1所述的纳米应变薄膜，其特征在于，所述NiCrAlMnSiTa层的厚度为100nm~500nm。
5.根据权利要求1所述的纳米应变薄膜，其特征在于，所述绝缘层为二氧化硅层。
6.一种轮辐力传感器，其特征在于，包括权利要求1至5任一项所述的纳米应变薄膜。
7.根据权利要求6所述的轮辐力传感器，其特征在于，包括弹性体；
所述弹性体中部开设有通孔；
所述通孔用于安装引力杆；
所述弹性体上还设置有所述纳米应变薄膜。
8.根据权利要求7所述的轮辐力传感器，其特征在于，所述弹性体上还设置有若干应变槽。
9.根据权利要求8所述的轮辐力传感器，其特征在于，所述应变槽内还设置有过线孔。
10.一种如权利要求7至9任一项所述的轮辐力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在所述弹性体表面沉积所述纳米应变薄膜。
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