CN117191235A - 一种具有高绝缘强度的钢基纳米薄膜压力芯体及其制备方法 - Google Patents
一种具有高绝缘强度的钢基纳米薄膜压力芯体及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本申请提出了一种具有高绝缘强度的钢基纳米薄膜压力芯体及其制备方法，涉及一种具有高绝缘强度的钢基纳米薄膜压力芯体及其制备方法领域。该钢基纳米薄膜压力芯体包括钢基，钢基上设置有应变梁，应变梁上镀有绝缘层、压敏层、Au球焊层和抗氧化保护层；钢基和应变梁之间还设置有粘合层。本申请于传统压力芯体的基础上，在钢基与绝缘层之间新增应变梁，应变梁与钢基的连接采用胶水胶粘或者玻璃熔融熔接；并且将惠斯通电桥光刻至应变梁上，实现压力电信号的转变。本申请通过新增应变梁绝缘层结构，不影响芯体的精度，但可以使得芯体绝缘强度最少可以达到900V，满足轨道交通、变电站等一些特殊高压场合的需要。
Description
技术领域
本申请涉及传感器技术、仪器仪表技术领域，具体而言，涉及一种具有高绝缘强度的钢基纳米薄膜压力芯体及其制备方法。
背景技术
钢基纳米薄膜压力传感器是压力传感器领域的先进技术，它同时具有精度高、稳定性好、工作温度范围宽、可以测量超大量程等优点，基于纳米薄膜技术的前景下，在钢基上度惠斯通电桥，实现物理变化量与电信号之间的转变，在溅射式钢基纳米薄膜的芯体的工艺上，我们知道起码需要度三层膜，一层是绝缘膜，一层是应变电阻，一层信号输出焊盘；其中绝缘膜是钢基与应变电阻绝缘的关键，也是直接影响钢基芯体的绝缘强度耐压值。
现有的钢基芯体溅射型钢基压力芯体主要有制作主要工序为：钢基机加工-钢基表面粗抛-钢基表面精抛-镀绝缘层(SiO2)-镀压敏层(NiCr)-镀球焊层(Au)-光刻-蚀刻-镀抗氧化保护层，镀层均为纳米级，如图1所示，此方案SiO2绝缘层厚度约在2-20μm，绝缘层越厚镀膜时间越长，绝缘层过后其绝缘强度也因该层厚度变化而变化正比关系，目前该芯体绝缘强度普遍达到100-300V高一点的在500-700V，很难突破至更高；那么在一些特殊场合如轨道交通、变电站等一些高压场合需要耐高压900V以上的绝缘强度，那么使用目前这种技术很难实现，容易导致压力芯体电压击穿。
因此针对特殊场合的绝缘强度需求，需要对目前的钢基芯体进行改进，在保证其他方面合格的情况下，提高其绝缘强度。
发明内容
本申请的目的在于提供一种具有高绝缘强度的钢基纳米薄膜压力芯体，此钢基纳米薄膜压力芯体可以使其绝缘强度达到900V以上。
本申请的另一目的在于提供一种具有高绝缘强度的钢基纳米薄膜压力芯体的制备方法，该制备方法在钢基上新增应变梁，提高最终产品的绝缘强度。
本申请解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
一方面，本申请实施例提供一种具有高绝缘强度的钢基纳米薄膜压力芯体，其包括钢基，所述钢基上设置有应变梁，所述应变梁上镀有绝缘层、压敏层、Au球焊层和抗氧化保护层；所述钢基和应变梁之间还设置有粘合层；惠斯通电桥光刻在所述应变梁上。
另一方面，本申请实施例提供一种具有高绝缘强度的钢基纳米薄膜压力芯体的制备方法，包括以下步骤：对钢基进行加工、对应变梁进行加工、将应变梁粘于钢基上、应变梁表面粗抛、应变梁表面精抛、在应变梁上镀绝缘层、在绝缘层上镀压敏层、在压敏层一周镀Au球焊层、光刻蚀刻以及在压敏层上镀抗氧化保护层。
相对于现有技术，本申请的实施例至少具有如下优点或有益效果：
1、本申请采用钢基溅射型芯体，其具有耐过载能力强、温漂性能优越、年综合精度稳定等，在工况复杂的条件下能稳定使用等优点。
2、本申请于传统压力芯体的基础上，在钢基与SiO2绝缘层之间新增应变梁，应变梁与钢基的连接采用胶水胶粘或者玻璃熔融熔接；并且将惠斯通电桥光刻至应变梁上，实现压力电信号的转变。通过新增应变梁绝缘层结构，不影响芯体的精度，但可以使得芯体绝缘强度最少可以达到900V，满足轨道交通、变电站等一些特殊高压场合的需要。
3、本申请采用应变梁形式的结构可以减少钢基的接触面积，应变部分与钢基采用胶水粘合或玻璃熔融熔接，钢与钢之间的绝缘层面积减少，降低了被击穿的几率，且应变梁形式新结构不影响芯体的性能。而如果采用普通绝缘层作为绝缘，接触面积大，可能会产生胶粘或熔融不充分，增大产品被击穿的几率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。
图1为本申请实施例1中产品的结构示意图；
图2为本申请实施例中传统压力芯体的结构示意图。
图3为图1中A-A向的剖面示意图。
图标：1-钢基；2-应变梁；3-粘合层；4-SiO2绝缘层；5-NiCr压敏层；6-Au球焊层；7-抗氧化保护层；8-应变电阻。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考具体实施例来详细说明本申请。
一种具有高绝缘强度的钢基纳米薄膜压力芯体，其包括钢基，所述钢基上设置有应变梁，所述应变梁上镀有绝缘层、压敏层、Au球焊层和抗氧化保护层；所述钢基和应变梁之间还设置有粘合层；惠斯通电桥光刻在所述应变梁上。
本申请采用钢基溅射型芯体，其具有耐过载能力强、温漂性能优越、年综合精度稳定等，在工况复杂的条件下能稳定使用等优点。
本申请于传统压力芯体的基础上，在钢基与SiO2绝缘层之间新增应变梁，应变梁与钢基的连接采用胶水胶粘或者玻璃熔融熔接；并且将惠斯通电桥光刻至应变梁上，实现压力电信号的转变。通过新增应变梁绝缘层结构，不影响芯体的精度，但可以使得芯体绝缘强度最少可以达到900V，满足轨道交通、变电站等一些特殊高压场合的需要。
本申请采用应变梁形式的结构可以减少钢基的接触面积，应变部分与钢基采用胶水粘合或玻璃熔融熔接，钢与钢之间的绝缘层面积减少，降低了被击穿的几率，且应变梁形式新结构不影响芯体的性能。而如果采用普通绝缘材料来作为绝缘层，其与钢基的接触面积大，可能会产生胶粘或熔融不充分，增大产品被击穿的几率。
在本申请的一些实施例中，上述钢基和应变梁的材料均为17-4PH。
在本申请的一些实施例中，上述绝缘层为SiO2绝缘层，压敏层为NiCr压敏层。
在本申请的一些实施例中，上述粘合层的材料为胶水或熔融玻璃。
一种具有高绝缘强度的钢基纳米薄膜压力芯体的制备方法包括以下步骤：对钢基进行加工、对应变梁进行加工、将应变梁粘于钢基上、应变梁表面粗抛、应变梁表面精抛、在应变梁上镀绝缘层、在绝缘层上镀压敏层、在压敏层一周镀Au球焊层、光刻蚀刻以及在压敏层上镀抗氧化保护层。
在本申请的一些实施例中，上述制备方法具体为：
对钢基进行加工：将钢基材料进行下料、数车指定外形，将应变膜厚度加工至0.15-0.5mm(不同量程的芯体钢基应变膜厚度随压力大小变化而变化)，然后经真空热处理、深冷处理后，得到钢基；
对应变梁进行加工：选用与钢基相同的材料，经下料、粗加工、CNC精加工和真空热处理后得到应变梁；
将应变梁粘于钢基上：将加工好的应变梁用胶粘或玻璃熔融的方式，使用治具在钢基的固定位置进行粘合；
应变梁表面粗抛：在铜磨盘上进行30-40min的粗抛，粗抛量为0.1-0.2mm；
应变梁表面精抛：在铜研磨盘上精抛5-10min，精抛量为0.04-0.06mm，得到10nm镜面；
在应变梁上镀SiO2绝缘层：使用离子溅射机，对应变梁表面进行绝缘层溅射成膜，得到厚度1.8-2.2μm的绝缘层；
在SiO2绝缘层上镀NiCr压敏层；使用离子溅射机进行压敏层溅射生长得到压敏层，并光刻、蚀刻后得到惠斯通电桥；
在NiCr压敏层一周镀Au球焊层：使用离子溅射机进行压敏层溅射生长得到焊盘层，光刻、蚀刻后得到焊盘；
最后在NiCr压敏层上镀抗氧化保护层。
在本申请的一些实施例中，上述钢基和应变梁的真空热处理温度为1040-1500℃，保温2-3h，钢基深冷处理后的硬度为HRC40-43。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
一种具有高绝缘强度的钢基纳米薄膜压力芯体，其制备方法包括以下步骤：
对钢基进行加工：选择17-4PH作为钢基材料，与应变梁材料选在相同，通过下料-数车指定外形，将应变膜厚度加工至0.15mm，之后进行真空热处理，固溶1040℃，时效保温2h；加工后进行深冷处理，处理后HRC41；之后进行批次编号供后期溯源。
对应变梁进行加工：选用17-4PH的锻造板材，下料-粗加工-CNC精加工-与钢基相同的热处理；
将应变梁粘于钢基上：将加工好的应变梁用胶粘的方式，使用治具在钢基的固定位置进行粘合；
应变梁表面粗抛：在铜磨盘上进行30min的粗抛，粗抛量在0.1-0.2mm之间；
应变梁表面精抛：在铜研磨盘上精抛，10min，精抛量0.05mm，得到10nm镜面；
在应变梁上镀SiO2绝缘层：使用离子溅射机，对应变梁进行绝缘层溅射成膜，得到厚度均匀2μm的绝缘层；
在SiO2绝缘层上镀NiCr压敏层；使用离子溅射机进行压敏层溅射生长得到压敏层，光刻、蚀刻等步骤得到惠斯通全桥；
在NiCr压敏层一周镀Au球焊层：使用离子溅射机进行压敏层溅射生长得到焊盘层，光刻、蚀刻等步骤得到焊盘；
以及在NiCr压敏层上镀抗氧化保护层。
本实施例最终制得的产品的结构示意图如图1所示；其A-A向的剖视图如图3所示。
实施例2
一种具有高绝缘强度的钢基纳米薄膜压力芯体，其制备方法包括以下步骤：
对钢基进行加工：选择17-4PH作为钢基材料，与应变梁材料选在相同，通过下料-数车指定外形，将应变膜厚度加工至0.2mm，之后进行真空热处理，固溶1200℃，时效保温2h；加工后进行深冷处理，处理后HRC43；之后进行批次编号供后期溯源。
对应变梁进行加工：选用17-4PH的锻造板材，下料-粗加工-CNC精加工-与钢基相同的热处理；
将应变梁粘于钢基上：将加工好的应变梁用熔融玻璃的方式，使用治具在钢基的固定位置进行粘合；
应变梁表面粗抛：在铜磨盘上进行20min的粗抛，粗抛量在0.1-0.2mm之间；
应变梁表面精抛：在铜研磨盘上精抛，8min，精抛量0.05mm，得到10nm镜面；
在应变梁上镀SiO2绝缘层：使用离子溅射机，对应变梁进行绝缘层溅射成膜，得到厚度均匀2μm的绝缘层；
在SiO2绝缘层上镀NiCr压敏层；使用离子溅射机进行压敏层溅射生长得到压敏层，光刻、蚀刻等步骤得到惠斯通全桥；
在NiCr压敏层一周镀Au球焊层：使用离子溅射机进行压敏层溅射生长得到焊盘层，光刻、蚀刻等步骤得到焊盘；
以及在NiCr压敏层上镀抗氧化保护层。
实施例3
一种具有高绝缘强度的钢基纳米薄膜压力芯体，其制备方法包括以下步骤：
对钢基进行加工：选择17-4PH作为钢基材料，与应变梁材料选在相同，通过下料-数车指定外形，将应变膜厚度加工至0.5mm，之后进行真空热处理，固溶1500℃，时效保温2h；加工后进行深冷处理，处理后HRC43；之后进行批次编号供后期溯源。
对应变梁进行加工：选用17-4PH的锻造板材，下料-粗加工-CNC精加工-与钢基相同的热处理；
将应变梁粘于钢基上：将加工好的应变梁用胶粘的方式，使用治具在钢基的固定位置进行粘合；
应变梁表面粗抛：在铜磨盘上进行30min的粗抛，粗抛量在0.1-0.2mm之间；
应变梁表面精抛：在铜研磨盘上精抛，10min，精抛量0.05mm，得到10nm镜面；
在应变梁上镀SiO2绝缘层：使用离子溅射机，对应变梁进行绝缘层溅射成膜，得到厚度均匀2μm的绝缘层；
在SiO2绝缘层上镀NiCr压敏层；使用离子溅射机进行压敏层溅射生长得到压敏层，光刻、蚀刻等步骤得到惠斯通全桥；
在NiCr压敏层一周镀Au球焊层：使用离子溅射机进行压敏层溅射生长得到焊盘层，光刻、蚀刻等步骤得到焊盘；
以及在NiCr压敏层上镀抗氧化保护层。
实验例
将本申请实施例1制备的钢基纳米薄膜压力芯体以及传统方法(背景技术)制备的压力芯体(传统方法产品的截面结构示意图如图2所示)进行绝缘强度的测试，每种制备方法得到的产品随机抽取5个作为样本。其中传统方法产品的测试结果如表1所示，本申请实施例1产品的测试结果如表2所示。
表1
表2
从表1和表2中可以看出，采用传统工艺制备的产品的绝缘强度低于300V，当到达350V均会出现闪络现象。而本申请工艺制备的压力芯体在1000V下依然保持良好的绝缘性，大大提高了钢基纳米薄膜压力芯体的绝缘强度，符合相关场合要求的900V绝缘强度要求，因此可以用于一些特殊场合如轨道交通、变电站等一些高压场合。
综上所述，本申请实施例的一种具有高绝缘强度的钢基纳米薄膜压力芯体及其制备方法，具有以下优点。
1、本申请采用钢基溅射型芯体，其具有耐过载能力强、温漂性能优越、年综合精度稳定等，在工况复杂的条件下能稳定使用等优点。
2、本申请于传统压力芯体的基础上，在钢基与绝缘层之间新增应变梁，应变梁与钢基的连接采用胶水胶粘或者玻璃熔融熔接；并且将惠斯通电桥光刻至应变梁上，实现压力电信号的转变。通过新增应变梁绝缘层结构，不影响芯体的精度，但可以使得芯体绝缘强度最少可以达到900V，满足轨道交通、变电站等一些特殊高压场合的需要。
3、本申请采用应变梁形式的结构可以减少钢基的接触面积，应变部分与钢基采用胶水粘合或玻璃熔融熔接，钢与钢之间的绝缘层面积减少，降低了被击穿的几率，且应变梁形式新结构不影响芯体的性能。而如果采用普通绝缘层作为绝缘，接触面积大，可能会产生胶粘或熔融不充分，增大产品被击穿的几率。
以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
Claims (7)
1.一种具有高绝缘强度的钢基纳米薄膜压力芯体，其包括钢基，其特征在于，所述钢基上设置有应变梁，所述应变梁上镀有绝缘层、压敏层、Au球焊层和抗氧化保护层；所述钢基和应变梁之间还设置有粘合层；惠斯通电桥光刻在所述应变梁上。
2.根据权利要求1所述的一种具有高绝缘强度的钢基纳米薄膜压力芯体，其特征在于，所述钢基和应变梁的材料均为17-4PH。
3.根据权利要求1所述的一种具有高绝缘强度的钢基纳米薄膜压力芯体，其特征在于，所述粘合层的材料为胶水或熔融玻璃。
4.根据权利要求1所述的一种具有高绝缘强度的钢基纳米薄膜压力芯体，其特征在于，所述绝缘层为SiO2绝缘层，所述压敏层为NiCr压敏层。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种具有高绝缘强度的钢基纳米薄膜压力芯体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：对钢基进行加工、对应变梁进行加工、将应变梁粘于钢基上、应变梁表面粗抛、应变梁表面精抛、在应变梁上镀绝缘层、在绝缘层上镀压敏层、在压敏层一周镀Au球焊层、光刻蚀刻以及在压敏层上镀抗氧化保护层。
6.根据权利要求5所述的一种具有高绝缘强度的钢基纳米薄膜压力芯体的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
对钢基进行加工：将钢基材料进行下料、数车指定外形，将应变膜厚度加工至0.15-0.5mm，然后经真空热处理、深冷处理后，得到钢基；
对应变梁进行加工：选用与钢基相同的材料，经下料、粗加工、CNC精加工和真空热处理和深冷处理后得到应变梁；
将应变梁粘于钢基上：将加工好的应变梁用胶粘或玻璃熔融的方式，使用治具在钢基的固定位置进行粘合；
应变梁表面粗抛：在铜磨盘上进行30-40min的粗抛，粗抛量为0.1-0.2mm；
应变梁表面精抛：在铜研磨盘上精抛5-10min，精抛量为0.04-0.06mm，得到10nm镜面；
在应变梁上镀SiO2绝缘层：使用离子溅射机，对应变梁表面进行绝缘层溅射成膜，得到厚度1.8-2.2μm的绝缘层；
在SiO2绝缘层上镀NiCr压敏层；使用离子溅射机进行压敏层溅射生长得到压敏层，并光刻、蚀刻后得到惠斯通电桥；
在NiCr压敏层一周镀Au球焊层：使用离子溅射机进行压敏层溅射生长得到Au焊盘层，光刻、蚀刻后得到焊盘；
最后在NiCr压敏层上镀抗氧化保护层。
7.根据权利要求6所述的一种具有高绝缘强度的钢基纳米薄膜压力芯体的制备方法，其特征在于，所述钢基和应变梁的真空热处理温度为1040-1500℃，保温2-3h，钢基深冷处理后的硬度为HRC40-43。
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