RU2389973C2 - Method of making resistance strain gauges for measuring surface deformations - Google Patents
Method of making resistance strain gauges for measuring surface deformations Download PDFInfo
- Publication number
- RU2389973C2 RU2389973C2 RU2008131574/28A RU2008131574A RU2389973C2 RU 2389973 C2 RU2389973 C2 RU 2389973C2 RU 2008131574/28 A RU2008131574/28 A RU 2008131574/28A RU 2008131574 A RU2008131574 A RU 2008131574A RU 2389973 C2 RU2389973 C2 RU 2389973C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- strain gauge
- sio
- vacuum
- strain
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Measurement Of Force In General (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в экспериментальной механике для точного измерения веса, вибраций, сил. Точность измерений зависит не только от свойств тензорезистора, но и существенно от качества его изготовления.The invention relates to measuring technique and can be used in experimental mechanics for accurate measurement of weight, vibration, forces. The measurement accuracy depends not only on the properties of the strain gauge, but also significantly on the quality of its manufacture.
Тензометрия - один из распространенных экспериментальных методов измерения деформаций поверхности в пределах 10-5-10-2. Тензосопротивление закрепляется на поверхности и за счет удлинения или уменьшения базы тензорезистора, при его деформации совместно с поверхностью, меняется сопротивление. Изменение сопротивления преобразуется обычно в электрический сигнал, предназначенный для передачи, преобразования и регистрации. При этом значения деформаций поверхности усредняются на значении базы тензорезистора. Следовательно, для более точного измерения деформаций поверхности необходимо изготавливать тензорезисторы с минимально возможной базой. С другой стороны, чувствительность тензорезистора определяется измерением изменения его сопротивления и существует необходимость обеспечения отклика тензорезистора с малой базой на изменение его длины при деформациях поверхности в пределах 10-5-10-2 (это область малых упругих и область малых пластических деформаций). Существенным является при этом обеспечение линейной зависимости между деформациями поверхности и электрическим сигналом, снимаемым с тензорезистора. Таким образом, способ изготовления тензорезисторов для измерения деформаций поверхности должен обеспечивать максимально возможные значения его метрологических параметров в зависимости от задачи измерения.Strain measurement is one of the common experimental methods for measuring surface deformations in the range of 10 -5 -10 -2 . The strain resistance is fixed on the surface and due to the lengthening or reduction of the base of the strain gauge, when it is deformed together with the surface, the resistance changes. The change in resistance is usually converted into an electrical signal intended for transmission, conversion and registration. The values of surface deformations are averaged over the value of the base of the strain gauge. Therefore, for a more accurate measurement of surface deformations, it is necessary to produce strain gauges with the smallest possible base. On the other hand, the sensitivity of a strain gage is determined by measuring the change in its resistance and there is a need to provide a response of a strain gage with a small base to a change in its length under surface deformations within 10 -5 -10 -2 (this is a region of small elastic and a region of small plastic deformation). In this case, it is essential to ensure a linear relationship between surface deformations and the electrical signal removed from the strain gauge. Thus, the method of manufacturing strain gages for measuring surface deformations should provide the maximum possible values of its metrological parameters depending on the measurement task.
Известны несколько способов изготовления тензорезисторов для измерения деформаций поверхности. Первый способ заключается в создании тензорезистора на пленочной основе методом фотолитографии с последующим креплением его к поверхности с помощью полимерного связующего (см. книгу Н.П.Клокова Тензорезисторы. - М.: Машиностроение, 1990, с.6). При этом деформации поверхности передаются через связующий слой тензорезистору.Several methods are known for manufacturing strain gages for measuring surface deformations. The first method is to create a film-based strain gauge by photolithography and then fasten it to the surface using a polymer binder (see the book by N.P. Klokov Strain Gages. - M .: Mashinostroenie, 1990, p.6). In this case, surface deformations are transmitted through the bonding layer to the strain gauge.
Однако использование в качестве связующей основы между поверхностью и тензорезистором полимерного материала, обладающего не только упругими, но и высокоэластичными и пластическими свойствами, приводит к зависимости констант упругости связующей основы от времени - релаксационным явлениям. При этом соответственно изменяются во времени возникающей при передаче деформации сдвиговые напряжения и их распределение по длине чувствительного элемента и, следовательно, меняется коэффициент передачи деформации и выходной сигнал датчика. Причем погрешности за счет временных изменений вносят заметный вклад в погрешность измерения, что затрудняет измерение деформаций с высокой точностью и малой погрешностью. Релаксационные процессы в связующем полимерном слое определяют такие характеристики, как ползучесть и механический гистерезис, которые искажают измеряемые значения чувствительности, приводят к нелинейности статической характеристики преобразования и невоспроизводимости температурной характеристики. А при длительной деформации в полимерном материале протекают процессы перемещения внутри молекул, комплексных групп и т.д. и перемещения самих молекул, частиц и целых комплексов, которые приводят к необратимым пластическим течениям материала и связанной с этим длительной ползучести. Из теории полимеров (см. Алфей Т. Механические свойства полимеров. - М.: Изд-во иностранной лит., 1952, с.589, а также см. книгу: Постников B.C., Гордиенко Л.К. Механизм релаксационных явлений в твердом теле. - М.: Наука, 1972, с.294) известно, что гистерезисные явления в них определяются различными причинами, важнейшими из которых являются релаксационные процессы, связанные с временными процессами вязкоупругости и текучести. И такой вид гистерезиса проявляется при любом цикле нагружения-разгружения. Кроме этих явлений гистерезис в полимерных связующих может определяться также механическими процессами, связанными с разрушением молекул и молекулярных связей, а также тепловыми эффектами при деформации. Все это в совокупности ограничивает чувствительность и точность методов тензометрии, и для обеспечения необходимой точности и чувствительности измерения деформации поверхности необходима большая трудоемкость.However, the use of a polymeric material as a bonding base between the surface and the strain gauge, possessing not only elastic, but also highly elastic and plastic properties, leads to the dependence of the elastic constants of the bonding base on time - relaxation phenomena. In this case, the shear stresses and their distribution along the length of the sensing element correspondingly change in time with the deformation during transmission, and, consequently, the strain transfer coefficient and the sensor output signal change. Moreover, errors due to temporary changes make a significant contribution to the measurement error, which makes it difficult to measure strains with high accuracy and low error. Relaxation processes in the binder polymer layer determine such characteristics as creep and mechanical hysteresis, which distort the measured sensitivity values, lead to nonlinearity of the static conversion characteristic and the irreproducibility of the temperature characteristic. And with prolonged deformation in the polymer material, the processes of movement within the molecules, complex groups, etc. and the movement of the molecules themselves, particles and entire complexes, which lead to irreversible plastic flows of the material and the associated long creep. From the theory of polymers (see Alfei T. Mechanical properties of polymers. - M .: Publishing house of foreign lit., 1952, p. 589, and also see the book: Postnikov BC, Gordienko LK The mechanism of relaxation phenomena in a solid . - M .: Nauka, 1972, p. 294) it is known that the hysteresis phenomena in them are determined by various reasons, the most important of which are relaxation processes associated with temporary processes of viscoelasticity and fluidity. And this kind of hysteresis is manifested during any loading-unloading cycle. In addition to these phenomena, hysteresis in polymer binders can also be determined by mechanical processes associated with the destruction of molecules and molecular bonds, as well as thermal effects during deformation. All this together limits the sensitivity and accuracy of the methods of tensometry, and to ensure the necessary accuracy and sensitivity of the measurement of surface deformation requires a lot of labor.
Второй способ изготовления тензорезисторов связан с напылением тонких поликристаллических пленок и полупроводниковых материалов непосредственно на поверхность с последующим формированием рисунка тензорезистора по тонкопленочной технологии. Но тензорезисторы, изготовленные по данной технологии и монолитно соединенные с поверхностью, имеют низкий коэффициент чувствительности и сильную зависимость параметров от времени, что снижает точность измерений (электронный ресурс, 2006 г. Режим доступа: http://www.tenzores.ru/item.php?cid=&id=45f5563b16f4ae638bff718986da5692&PHPSESSID=a090ee39306a9cfcba9f64216bdd34ae). В этой же ссылке дана информация о полупроводниковых тензорезисторах, изготовленных по тонкопленочной технологии непосредственно на поверхности. Однако здесь же указаны основные существенные недостатки второго способа изготовления тензорезисторов - значительная погрешность измерения, обусловленная сильной нелинейной зависимостью между деформациями тензорезистора и его метрологическими характеристиками, их существенная зависимость от температуры, что влечет за собой усложнение процесса изготовления тензорезисторов для измерения деформаций поверхности с максимальными метрологическими параметрами.The second method of manufacturing strain gauges is associated with the deposition of thin polycrystalline films and semiconductor materials directly on the surface, followed by the formation of a strain gauge pattern using thin-film technology. But strain gauges made using this technology and seamlessly connected to the surface have a low sensitivity coefficient and a strong dependence of the parameters on time, which reduces the accuracy of measurements (electronic resource, 2006. Access mode: http://www.tenzores.ru/item. php? cid = & id = 45f5563b16f4ae638bff718986da5692 & PHPSESSID = a090ee39306a9cfcba9f64216bdd34ae). The same link provides information on semiconductor strain gages made by thin-film technology directly on the surface. However, the main significant disadvantages of the second method of manufacturing strain gages are also indicated here - a significant measurement error due to the strong nonlinear dependence between the strain gages of the strain gage and its metrological characteristics, their significant temperature dependence, which entails the complexity of the manufacturing process of strain gages for measuring surface deformations with maximum metrological parameters .
Наиболее близким к заявляемому способу является способ изготовления тензорезистора для измерения деформаций поверхности, служащий прототипом (Патент Великобритании №1461031, кл. HIR (М.к. Н05К 3/12, заявлен 7 января 1975 года, опубликован 13 января 1977 года). Он включает формирование на металлической поверхности слоя окисла из керамики на основе окиси алюминия толщиной 0,076-0,254 мм путем термического напыления сплавленного порошкообразного керамического материала, его шлифование, формирование рисунка схемы на полученном окисном слое с помощью осаждения металлической пасты и последующий отжиг при высокой температуре для сплавления металла в пасте.Closest to the claimed method is a method of manufacturing a strain gauge for measuring surface deformations, serving as a prototype (UK Patent No. 1461031, CL HIR (MK
Однако высокая шероховатость поверхности керамического слоя не позволяет получать тензорезисторы по тонкопленочной технологии с размерами элемента порядка 5 мкм. Для изготовления тензорезисторов с максимально возможными значениями метрологических параметров необходимо усложнять технологические процессы, что влечет за собой и увеличение трудоемкости их изготовления.However, the high surface roughness of the ceramic layer does not allow obtaining strain gauges using thin-film technology with an element size of about 5 μm. For the manufacture of strain gauges with the highest possible values of metrological parameters, it is necessary to complicate the technological processes, which entails an increase in the complexity of their manufacture.
Задачей изобретения является упрощение технологии изготовления тензорезисторов для измерения деформаций поверхности и уменьшение трудоемкости технологических процессов, когда требуется достижение их высоких метрологических параметров.The objective of the invention is to simplify the manufacturing technology of strain gages for measuring surface deformations and reduce the complexity of technological processes when it is required to achieve their high metrological parameters.
Задача достигается благодаря тому, что в известном способе изготовления тензорезистора, заключающемся в формировании на металлической поверхности слоя окисла, на котором формируют рисунок тензорезистора с контактными площадками, металлическую поверхность окисляют до формирования окисла толщиной, обеспечивающей надежную электрическую изоляцию тензорезистора от металлической поверхности, наносят в вакууме слой SiO2 или Ta2O5, полируют его до 14 класса чистоты, наносят в вакууме слой нихрома с необходимым удельным сопротивлением посредством термического испарения нихрома из тигля в вакууме, формируют методом фотолитографии конфигурацию резистора, затем напыляют в вакууме слои алюминия и меди и методом фотолитографии формируют контактные площадки, приваривают к ним токоподводящие проводники и готовый тензорезистор изолируют сверху слоем SiO2.The problem is achieved due to the fact that in the known method of manufacturing a strain gauge, which consists in forming an oxide layer on a metal surface, on which a strain gauge pattern with contact pads is formed, the metal surface is oxidized to form oxide thick, which provides reliable electrical isolation of the strain gauge from the metal surface, is applied in vacuum layer SiO 2 or Ta 2 O 5, 14 to polish its class cleanliness is applied in vacuo nichrome layer with the required resistivity midst Twomey nichrome thermal evaporation from a crucible in a vacuum is formed by photolithography resistor configuration in vacuo then sprayed layers of aluminum and copper is formed by photolithography and the contact pads, welded to the current supply conductors and it ready gage isolating top layer of SiO 2.
Изобретение пояснено чертежами, где на фиг.1 изображен изготавливаемый тензорезистор, на фиг.2 - фотография устройства для регистрации голограмм, на фиг.3 - интерферограмма фиктивных термодеформаций поверхности тензорезистора, изготовленного по традиционной технологии, на фиг.4 - интерферограмма термодеформаций поверхности и тензорезистора, изготовленного по разработанному способу.The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a manufactured strain gauge, Fig. 2 is a photograph of a device for registering holograms, Fig. 3 is an interferogram of fictitious thermal deformations of a surface of a strain gauge made by traditional technology, Fig. 4 is an interferogram of thermal deformations of a surface and a strain gauge made by the developed method.
Тензорезистор содержит металлическую поверхность 1 с изоляционным слоем пленки окисла металла 2 и пленки окиси кремния или окиси металла 3, металлизационный рисунок тензорезистора 4 с контактными площадками для подключения его к измерительной аппаратуре, проводники 5, слой окиси кремния 6.The strain gauge contains a
Сущность изобретения заключается в следующем: металлическую поверхность 1 окисляют до формирования пленки окисла металла 2 толщиной, обеспечивающей надежную электрическую изоляцию тензорезистора от поверхности металла. Затем наносят в вакууме пленку окиси тантала или кремния 3, полируют ее до 14 класса чистоты, наносят на полированную поверхность пленку нихрома из тигля в вакууме, формируют методом фотолитографии конфигурацию резистора, затем напыляют в вакууме слои алюминия и меди и методом фотолитографии формируют контактные площадки тензорезистора 4, приваривают к нему соединительные проводники 5 и готовый тензорезистор изолируют сверху от внешней среды слоем окиси кремния 6.The essence of the invention is as follows: the
Пример осуществления способаAn example of the method
Пример 1. Поверхность алюминиевого сплава АМГ-3, который содержит 3,2-3,8% магния, 0,3-0,6% марганца и 0,5-0,8% кремния (все присадки являются вентильными металлами), путем фрезерования формируют в виде прямоугольного сечения. Полученную заготовку шлифуют со всех сторон, а рабочие узкие поверхности дополнительно шлифуют еще и алмазными порошками с использованием водомыльной эмульсии и доводят поверхность до класса чистоты обработки поверхности (шероховатости) не хуже Rz=0,2 мкм (ГОСТ 2789-73).Example 1. The surface of the aluminum alloy AMG-3, which contains 3.2-3.8% magnesium, 0.3-0.6% manganese and 0.5-0.8% silicon (all additives are valve metals), by milling form in the form of a rectangular section. The resulting workpiece is ground from all sides, and the narrow working surfaces are additionally ground with diamond powders using a water emulsion emulsion and the surface is adjusted to the surface finish (roughness) class not worse than Rz = 0.2 μm (GOST 2789-73).
Далее проводится глубокое пористое анодирование, перед которым осуществляется подготовительный процесс, включающий в себя ряд операций:Next, a deep porous anodizing is carried out, before which a preparatory process is carried out, which includes a number of operations:
1. Обезжиривание в препарате Лобомид-203 (ТУ 38-10-738-73) с последующей промывкой в горячей и холодной воде (концентрация Лобомида-203 составляет 25-30 г/л, температура раствора 80-100°С, время выдержки 5-15 мин).1. Degreasing in Lobomid-203 preparation (TU 38-10-738-73) followed by washing in hot and cold water (Lobomid-203 concentration is 25-30 g / l, solution temperature is 80-100 ° С, exposure time 5 -15 minutes).
2. Обезжиривание химическое в растворе состава: натрий едкий 30-40 г/л, тринатрийфосфат 42-58 г/л, сода кальцинированная 42-58 г/л, стекло натриевое жидкое 2-5 г/л (температура 60-70°С, время выдержки 3-5 мин).2. Chemical degreasing in a solution of the composition: sodium hydroxide 30-40 g / l, trisodium phosphate 42-58 g / l, soda ash 42-58 g / l, sodium liquid glass 2-5 g / l (temperature 60-70 ° C , exposure time 3-5 minutes).
3. Осветление в азотной кислоте с концентрацией 250-300 г/л в течение 0,25-1 мин.3. Clarification in nitric acid with a concentration of 250-300 g / l for 0.25-1 minutes
4. Промывку в деионизованной воде.4. Rinsing in deionized water.
5. Терморихтовку (отжиг) в азотной атмосфере при Т=300°С.5. Thermal straightening (annealing) in a nitrogen atmosphere at T = 300 ° C.
Анодирование производится в электролите следующего состава: ангидрид хромовый (ГОСТ 2548-69) - 30-40 г/л; кислота борная (ГОСТ 9656-61) - 1-2 г/л; время выдержки 30-60 мин; температура электролита 35°С.Anodizing is performed in an electrolyte of the following composition: chromic anhydride (GOST 2548-69) - 30-40 g / l; boric acid (GOST 9656-61) - 1-2 g / l; holding time 30-60 min; electrolyte temperature 35 ° C.
На поверхность подают напряжение, которое в течение 5 мин доводят до рабочего - 40 В, при этом плотность анодного тока составляет 1-2 А/дм2. Далее производят уплотнение пленки в дистиллированной воде при температуре 90-100°С в течение 20-30 мин.A voltage is applied to the surface, which is adjusted to a working voltage of 40 V over 5 minutes, while the anode current density is 1-2 A / dm 2 . Next, the film is compacted in distilled water at a temperature of 90-100 ° C for 20-30 minutes.
Это позволяет получать большие толщины окисла (30-60 мкм), что необходимо для обеспечения электрической изоляции тензорезистора от поверхности металла, уменьшить число дефектов в виде «черных точек» и предотвратить образование трещин при нагреве или охлаждении, вызванное большой разницей в коэффициентах термического расширения сплава алюминия и пленки окиси алюминия Al2O3. Благодаря тому, что для пленок, анодированных в хромовом электролите, по сравнению, например, с сернокислотным электролитом характерно наличие микропор диаметром в 8 раз большим (100 нм), происходит демпфирование напряжений, предохраняющее полученные пленки от растрескивания. Другой особенностью «хромового» Al2O3 является то, что при росте его пленки не происходит развитие дефектов, вызванных наличием интерметаллических соединений. Плотность пор, полученных анодированных пленок, составила 107-108 см-2, что позволяет выдерживать температуру нагрева 300-350°С. Кроме того, полученная пленка Al2O3 имеет высокую прочность (600-700 кг/мм), большое удельное сопротивление (105-1010 Ом/□), напряжение пробоя изоляции >1500 В, что говорит о хороших изоляционных свойствах.This makes it possible to obtain large oxide thicknesses (30-60 μm), which is necessary to ensure electrical isolation of the strain gage from the metal surface, to reduce the number of black dot defects and to prevent cracking during heating or cooling caused by a large difference in the thermal expansion coefficients of the alloy aluminum and aluminum oxide films Al 2 O 3 . Due to the fact that for films anodized in a chromium electrolyte, in comparison with, for example, sulfuric acid electrolyte, the presence of micropores with a diameter of 8 times larger (100 nm) is characteristic, stress damping occurs, which protects the resulting films from cracking. Another feature of the “chromium” Al 2 O 3 is that with the growth of its film there is no development of defects caused by the presence of intermetallic compounds. The pore density of the obtained anodized films was 10 7 -10 8 cm -2 , which allows to withstand a heating temperature of 300-350 ° C. In addition, the resulting Al 2 O 3 film has high strength (600-700 kg / mm), high resistivity (10 5 -10 10 Ohm / □), insulation breakdown voltage> 1500 V, which indicates good insulation properties.
После проведения процессов анодного окисления для удаления влаги и остатков электролита из анодных пленок образец из алюминиевого сплава АМГ-3 подвергают отжигу в азотной атмосфере.After conducting anodic oxidation processes to remove moisture and electrolyte residues from the anode films, the AMG-3 aluminum alloy sample is annealed in a nitrogen atmosphere.
Затем на поверхность алюминиевого сплава АМГ-3 с пленкой анодного окисла напыляют магнетронным методом в вакууме на установке «Оратория-5» слой окисла SiO2 из кварцевого стекла марки КB ГОСТ 15130-69, или на этой же установке в атмосфере кислорода распылением танталовой мишени слой окисла Ta2O5. Слой того или другого окисла несколько сглаживает шероховатость поверхности, но полностью ее не устраняет. Для устранения шероховатости и неравномерности толщины окисного слоя производят полировку его поверхности. При этом сверху снимают половину его толщины и получают гладкую стекловидную полированную поверхность. Обеспечение 14-го класса чистоты поверхности, покрытой слоями SiO2 или Ta2O5, достигают полировкой на станке СДП-100 при скорости полировальников 80 об/мин в течение 30 мин. Усилие прижима 104 Па, полировальная жидкость аэросил А - 380.Then, on a surface of an aluminum alloy AMG-3 with a film of anodic oxide, a layer of SiO 2 oxide made of quartz glass of grade KB GOST 15130-69 is sprayed with a magnetron method in vacuum on an Oratoriya-5 installation, or a layer on an oxygen atmosphere by sputtering a tantalum target layer oxide of Ta 2 O 5 . A layer of one or another oxide somewhat smooths the surface roughness, but does not completely eliminate it. To eliminate the roughness and unevenness of the thickness of the oxide layer, the surface is polished. In this case, half of its thickness is removed from above and a smooth glassy polished surface is obtained. Ensuring the 14th class of cleanliness of the surface covered with layers of SiO 2 or Ta 2 O 5 is achieved by polishing on an SDP-100 machine at a polishing speed of 80 rpm for 30 minutes. The clamping force is 10 4 Pa, the polishing liquid of Aerosil A is 380.
Поверхность с таким классом чистоты обработки позволяет методом тонкопленочной технологии сформировать на ней тензорезисторы из нихрома с удельным сопротивлением 2-5 Ом/□ и технологической точностью номинальных значений ±10%. Осаждение нихрома на поверхность осуществляли термическим испарением из тигля в установке УВН-71-П3. Контроль удельного поверхностного сопротивления пленки нихрома осуществляют по времени осаждения и по свидетелю из расчета последующего увеличения значения удельного поверхностного сопротивления в процессе дальнейших термообработок. Для повышения процента выхода годных и стабилизации параметров резистивных элементов используют терморегулирующий отжиг, состоящий из двух стадий. Сначала элементы отжигают в вакууме в течение 30-40 мин, затем - на воздухе в течение 2-3 часов. Далее формируют конфигурацию меандровых резисторов травлением резистивного слоя по фоторезистивной маске раствором на основе водного раствора фтористого натрия и азотной кислоты. После этого производят очистку в перекисно-аммиачном растворе, отмывку в диметилформамиде и деионизованной воде, сушку, а затем напыление в вакууме на установке магнетронного распыления «Оратория-5» слоев алюминия и меди. В дальнейшем методом фотолитографии с использованием травителей (ортофосфорной кислоты для алюминия и хлорного железа для меди) путем последовательного стравливания этих слоев формируют контактные площадки для меандров из нихрома. Таким образом, на поверхности получают тензорезисторы меандрового типа с контактными площадками, которые затем облуживают мягким припоем и припаивают к ним проводники для дальнейшего соединения их в мостовую схему, входящую в состав электрической схемы. На установке «Оратория 5» наносят защитный слой окисла SiO2.A surface with such a class of processing purity allows using thin-film technology to form nichrome strain gauges on it with a specific resistance of 2-5 Ohm / □ and technological accuracy of nominal values of ± 10%. Nichrome was deposited on the surface by thermal evaporation from a crucible in the UVN-71-P3 installation. The control of the specific surface resistance of the nichrome film is carried out according to the deposition time and according to the witness, based on the subsequent increase in the value of the specific surface resistance in the course of further heat treatments. To increase the percentage of yield and stabilize the parameters of resistive elements, thermoregulatory annealing, consisting of two stages, is used. First, the elements are annealed in vacuum for 30-40 minutes, then in air for 2-3 hours. Next, the configuration of the meander resistors is formed by etching the resistive layer along the photoresist mask with a solution based on an aqueous solution of sodium fluoride and nitric acid. After that, they are cleaned in a peroxide-ammonia solution, washed in dimethylformamide and deionized water, dried, and then sprayed in vacuum on an Oratorio-5 magnetron sputtering layer of aluminum and copper. Subsequently, by means of photolithography using etchants (phosphoric acid for aluminum and ferric chloride for copper), contact pads for meanders made of nichrome are formed by successively etching these layers. Thus, meander-type strain gages with contact pads are obtained on the surface, which are then tinned with soft solder and the conductors are soldered to them to further connect them to the bridge circuit included in the electrical circuit. At the Oratorio 5 installation, a protective layer of SiO 2 oxide is applied.
Пример 2. Поверхность из нержавеющей стали марки 30:ХГСА, 1Х18Н9Т или из любого другого сплава железа с хромом (феррохрома) с содержанием хрома до 30%. Шлифуют, обрабатывают в среде влажного водорода при температуре ниже точки росы в течение 10 мин, при этом на поверхности образуется изоляционный слой из окислов, состоящий преимущественно из окиси хрома (Cr2O3). На полученную окисную пленку напыляют слой SiO2 или Ta2O5, подполировывают его до половины толщины, после чего методами напыления в вакууме и фотолитографии формируют тензорезисторы аналогично тому, как это описано в примере 1.Example 2. The surface of stainless steel grade 30: HGSA, 1X18H9T or any other alloy of iron with chromium (ferrochrome) with a chromium content of up to 30%. It is ground, processed in a moist hydrogen atmosphere at a temperature below the dew point for 10 minutes, and an insulating layer of oxides is formed on the surface, consisting mainly of chromium oxide (Cr 2 O 3 ). A layer of SiO 2 or Ta 2 O 5 is sprayed onto the obtained oxide film, polished to half the thickness, and then strain gauges are formed by vacuum deposition and photolithography in the same way as described in example 1.
Пример 3. Поверхность из титанового сплава марки ВТ20 шлифуют и проводят процесс альфирования титанового образца, т.е. оксидирования в условиях особого псевдоожиженного состояния подогретого песка, которое достигается принудительной подачей сжатого воздуха. Оксидирование в кипящем слое проводят на специальной установке, состоящей из шахтной нагревательной печи, реактора из нержавеющей стали и приборов контроля по режиму в течение 5 часов. При этом происходит насыщение поверхности кислородом и получается слой окисла титана TiO2. После выполнения оксидирования в кипящем слое сохраняется класс чистоты обработки поверхностей. На образовавшуюся окисную пленку напыляют слой SiO2 или Ta2O5, подполировывают его до половины толщины, после чего формируют тензорезисторы аналогично тому, как описано в примере 1.Example 3. The surface of a VT20 grade titanium alloy is ground and an alpha process of a titanium sample is carried out, i.e. oxidation under conditions of a special fluidized state of heated sand, which is achieved by the forced supply of compressed air. Fluidized bed oxidation is carried out in a special installation consisting of a shaft heating furnace, a stainless steel reactor, and control devices according to the regime for 5 hours. In this case, the surface is saturated with oxygen and a layer of titanium oxide TiO 2 is obtained. After oxidation is carried out in a fluidized bed, the surface finish is maintained. In the resulting oxide film layer sputtered SiO 2 or Ta 2 O 5, podpolirovyvayut to half its thickness, after which the strain gauges are formed similarly as described in Example 1.
Таким образом, как видно из примеров осуществления способов 1, 2, 3, окисление поверхностей различных металлов до формирования слоя окисла толщиной, обеспечивающей надежную электрическую изоляцию, и последующее нанесение на слой окисла SiO2 или Ta2O5 с полировкой позволяют затем методом напыления и фотолитографии сформировать конфигурацию тензорезистора с контактными площадками, приварить к ним токопроводящие проводники и заизолировать готовый тензорезистор от внешней среды слоем SiO2.Thus, as can be seen from the examples of the implementation of
Возможность изготавливать тензорезистор на основаниях из металлов различных марок расширяет рабочий диапазон температур, а также область применения.The ability to produce a strain gauge on the basis of metals of various grades expands the operating temperature range, as well as the scope.
Предлагаемый способ изготовления тензорезисторов с помощью неорганических многослойных изоляционных покрытий, обладающих хорошей адгезией к металлу до 10-30 кг/см, высокой теплоемкостью и сопротивлением изоляции порядка 15-20 МОм, позволяет использовать его для создания устройств, предназначенных для эксплуатации в условиях длительного воздействия циклической нагрузки, например в бытовых электронных весах.The proposed method of manufacturing strain gauges using inorganic multilayer insulation coatings with good adhesion to metal up to 10-30 kg / cm, high heat capacity and insulation resistance of the order of 15-20 MΩ, allows you to use it to create devices designed for operation under long-term cyclic loads, for example in household electronic scales.
Многослойная структура изоляционного покрытия, состоящая из слоя окисла материала поверхности металла и последующих слоев окиси кремния (стекла) и окислов металлов, приводит к тому, что в ней слабо выражены релаксационные процессы. Проведенные исследования и измерения показали, что длительные действия знакопеременной деформации в течение 100 часов не приводят к изменению чувствительности тензорезисторов. Формирование методом фотолитографии тензорезисторов из тонких пленок, напыленных на предварительно нанесенные неорганические многослойные изоляционные покрытия, создало возможность выполнять тензорезисторы любой геометрии и с минимальной базой 5 мкм.The multilayer structure of the insulation coating, consisting of an oxide layer of the material of the metal surface and subsequent layers of silicon oxide (glass) and metal oxides, leads to the fact that relaxation processes are weakly expressed in it. Studies and measurements have shown that prolonged action of alternating deformation for 100 hours does not lead to a change in the sensitivity of strain gauges. The formation by method of photolithography of strain gauges from thin films sprayed on previously applied inorganic multilayer insulation coatings has created the ability to perform strain gauges of any geometry and with a minimum base of 5 microns.
По сравнению с традиционными приклеиваемыми фольговыми тензорезисторами при одинаковых значениях номиналов и базы коэффициент чувствительности К у сформированных по разработанной технологии тензорезисторов, представляющий собой отношение относительного изменения сопротивления ΔR/R к относительной деформации ε=ΔS/S в направлении базы измерений, составил 3,5±2%, тогда как у фольговых прикрепленных тензорезисторов значение К равнялось 1,5±2%.Compared to traditional glued foil strain gages with the same values of the ratings and base, the sensitivity coefficient K for the strain gages formed by the developed technology, which is the ratio of the relative change in resistance ΔR / R to the relative strain ε = ΔS / S in the direction of the measurement base, was 3.5 ± 2%, while for foil attached strain gages, the K value was 1.5 ± 2%.
С ростом температуры окружающей среды у наклеенных фольговых тензорезисторов чувствительность существенно изменялась по сравнению с тензорезисторами, изготовленными по разработанной технологии.With an increase in the ambient temperature, the glued foil strain gages have a significant change in sensitivity compared to strain gauges made using the developed technology.
Разработанный способ изготовления тензорезисторов на многослойных изоляционных покрытиях позволил осуществлять длительные измерения статических и динамических деформаций и расширить температурный диапазон применения тензорезистора до 600°С.The developed method for manufacturing strain gauges on multilayer insulating coatings made it possible to carry out long-term measurements of static and dynamic deformations and expand the temperature range of the use of a strain gauge to 600 ° C.
Исследования методом голографической интерферометрии локальных термодеформаций, обусловленных нагревом тензорезистора и области среды, контактирующей с ним, показали существенное снижение теплового сопротивления в разработанном способе крепления в отличие от традиционного. На фиг.2 представлена фотография установки голографического контроля прогиба поверхности за счет локального нагрева. Металлическая поверхность с тензодатчиком 1 помещается в устройство 2 (фиг.2) для регистрации голограмм. Голограмма 3 (фиг.2) методом двух экспозиций или реального времени фиксирует прогиб поверхности за счет локального нагрева. На фиг.3 представлены типичные интерферограммы, характеризующие термодеформации поверхности за счет нагрева, когда тензорезистор закреплялся на поверхности балки по традиционной технологии методом приклеивания, на фиг.4 интерферограммы характеризуют термодеформации от локального нагрева тензорезистора, изготовленного с помощью разработанного способа. Продемонстрировано явное преимущество по уменьшению фиктивных термодеформаций, влияющих на чувствительность и точность измерения деформаций, обусловленных полезной нагрузкой.Studies of holographic interferometry of local thermal deformations caused by heating of the strain gauge and the area of the medium in contact with it showed a significant decrease in thermal resistance in the developed mounting method, in contrast to the traditional one. Figure 2 presents a photograph of the installation of holographic control of surface deflection due to local heating. A metal surface with a
Таким образом, предложенный способ изготовления тензорезисторов для измерения деформаций поверхности, когда металлическая поверхность окисляется до формирования слоя окисла толщиной, обеспечивающей надежную электрическую изоляцию тензорезистора от поверхности металла, затем на полученный слой окисла наносится в вакууме слой SiO2 или Ta2O5, поверхность которого полируется до 14 класса чистоты, после чего на него наносится пленка нихрома с необходимым удельным сопротивлением посредством термического испарения нихрома из тигля в вакууме и далее напыляются в вакууме слои алюминия и меди, из которых фотолитографией изготавливаются контактные площадки и привариваются к ним токоподводящие проводники с последующим изолированием сверху слоем SiO2, обеспечил возможность изготовления тензорезисторов по тонкопленочной технологии с требуемым размером элемента, монолитно связанных с поверхностью объекта, хороший теплоотвод от тензорезистора, исключил растрескивание и откалывание керамики, устранил проникновение растворов и влаги в поры, исключил утечки тока и короткое замыкание между элементами тензорезистора, уменьшил погрешность измерения деформаций поверхности образца, повысил чувствительность тензорезистора, существенно улучшил термостойкость полученной многослойной структуры, т.е. обеспечил высокие значения метрологических параметров.Thus, the proposed method for manufacturing strain gauges for measuring surface deformations when a metal surface is oxidized to form an oxide layer with a thickness that provides reliable electrical isolation of the strain gauge from the metal surface, then a layer of SiO 2 or Ta 2 O 5 is applied to the obtained oxide layer, the surface of which it is polished to the 14th grade of purity, after which a nichrome film with the required specific resistance is applied to it by thermal evaporation of nichrome from the crucible into vacuum e and further, vacuum layers of aluminum and copper are sprayed, from which contact pads are made by photolithography and current-conducting conductors are welded to them, followed by insulating with a layer of SiO 2 , and made it possible to manufacture strain gauges using thin-film technology with the required element size, seamlessly connected to the surface of the object, good heat removal from the strain gauge, eliminated cracking and chipping of ceramics, eliminated the penetration of solutions and moisture into the pores, eliminated current leakage and short circuit click between the elements of the strain gauge, reduced the error in measuring deformations of the surface of the sample, increased the sensitivity of the strain gauge, significantly improved the heat resistance of the obtained multilayer structure, i.e. provided high values of metrological parameters.
Все это в совокупности упростило процесс изготовления тензорезисторов, уменьшило трудоемкость технологических операций, когда требуется достижение их высоких метрологических параметров.All this together simplified the manufacturing process of strain gages, reduced the complexity of technological operations, when it is required to achieve their high metrological parameters.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008131574/28A RU2389973C2 (en) | 2008-07-30 | 2008-07-30 | Method of making resistance strain gauges for measuring surface deformations |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008131574/28A RU2389973C2 (en) | 2008-07-30 | 2008-07-30 | Method of making resistance strain gauges for measuring surface deformations |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008131574A RU2008131574A (en) | 2010-02-10 |
| RU2389973C2 true RU2389973C2 (en) | 2010-05-20 |
Family
ID=42123388
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008131574/28A RU2389973C2 (en) | 2008-07-30 | 2008-07-30 | Method of making resistance strain gauges for measuring surface deformations |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2389973C2 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018111135A1 (en) * | 2016-12-16 | 2018-06-21 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Тонкопленочные Технологии" | Deformation sensor |
| RU2685405C1 (en) * | 2018-03-06 | 2019-04-17 | Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" | Method for adjusting the value of consumed current of initiating devices |
| RU2698554C1 (en) * | 2018-12-18 | 2019-08-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") | Method for installation of strain gauges |
| RU2736233C1 (en) * | 2020-02-10 | 2020-11-12 | Открытое акционерное общество "Авангард" | Thin-film titanium thermistor on flexible polyimide substrate and method of manufacture thereof |
| RU2794500C1 (en) * | 2021-11-25 | 2023-04-19 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") | High-temperature metal oxide strain gauge |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105220198B (en) * | 2015-10-22 | 2017-12-19 | 桂林电子科技大学 | A kind of acid-alkali-corrosive-resisting light metal material elastomer and its manufacturing process |
| CN114322740A (en) * | 2021-12-03 | 2022-04-12 | 电子科技大学长三角研究院(湖州) | Composite film strain gauge based on magnetron sputtering and preparation method thereof |
-
2008
- 2008-07-30 RU RU2008131574/28A patent/RU2389973C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018111135A1 (en) * | 2016-12-16 | 2018-06-21 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Тонкопленочные Технологии" | Deformation sensor |
| RU2685405C1 (en) * | 2018-03-06 | 2019-04-17 | Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" | Method for adjusting the value of consumed current of initiating devices |
| RU2698554C1 (en) * | 2018-12-18 | 2019-08-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") | Method for installation of strain gauges |
| RU2736233C1 (en) * | 2020-02-10 | 2020-11-12 | Открытое акционерное общество "Авангард" | Thin-film titanium thermistor on flexible polyimide substrate and method of manufacture thereof |
| RU2794500C1 (en) * | 2021-11-25 | 2023-04-19 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") | High-temperature metal oxide strain gauge |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008131574A (en) | 2010-02-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2389973C2 (en) | Method of making resistance strain gauges for measuring surface deformations | |
| DK3177900T3 (en) | SENSORS AND METHODS FOR MANUFACTURING SENSORS | |
| RU2398195C1 (en) | Method of making nano- and micro-electromechanical pressure sensor system and pressure sensor based on said system | |
| CN110487166B (en) | Preparation method of thin film strain sensor | |
| JP6084393B2 (en) | Strain sensor and strain measurement method | |
| CN107267944B (en) | High-temperature film half-bridge resistance strain gauge with temperature self-compensation function and preparation method thereof | |
| JP2012508870A (en) | Sensor element and method for manufacturing sensor element | |
| CN102200480A (en) | In-situ temperature measuring thermocouple on diamond anvil cell and preparation method thereof | |
| KR100959005B1 (en) | A pressure measuring sensor and manufacturing process | |
| JP2006524326A (en) | Semiconductor thin film gas sensor device | |
| Díez-Sierra et al. | Manufacturing smart surfaces with embedded sensors via magnetron sputtering and laser scribing | |
| CN107743578B (en) | Pressure sensor with active brazing | |
| RU2411474C1 (en) | High precision pressure sensor based on nano- and micro-electromechanical system with thin-film tensoresistors | |
| RU2397460C1 (en) | Pressure sensor based on tensoresistor thin-film nano- and micro-electromechanical system | |
| JP6451395B2 (en) | Sensor element | |
| JPS6149829B2 (en) | ||
| Bethe et al. | Thin-film strain-gage transducers | |
| Zhang et al. | A Bilayer Thin-Film Strain Gauge With Temperature Self-Compensation | |
| JP2022074104A (en) | Strain gauge and manufacturing method thereof | |
| Zarfl et al. | Electro-mechanical properties and oxidation behaviour of TiAlNxOy thin films at high temperatures | |
| JP2634753B2 (en) | Strain sensor | |
| KR20110075255A (en) | Metal thin film type strain gauge for pressure sensor and pressure sensor having the strain gauge | |
| Garcia-Alonso et al. | Thin film technology applied to the development of a multilayer pressure sensor device | |
| Brandt et al. | Low‐temperature co‐fired ceramic substrates for high‐performance strain gauges | |
| Li et al. | A thin film force sensor on AISI 5140 steel surface with multilayer SI3N4/AL2O3 film as insulation structure |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130731 |