基于彈性膜片的薄膜濺射式拉力傳感器研究*

高 陽 ，李永紅 ，*，岳鳳英 ，孫玉環 ，，劉期兵 ，魏坦勇

（1.中北大學儀器與電子學院，太原030051；2.中北大學計算機與控制學院，太原030051；3.山西科泰微技術有限公司，太原030051）

目前，薄膜傳感器因其優越的耐惡劣環境性能已經廣泛的應用于航空航天、機械加工、軍事裝備等領域中［1-2］。20世紀60年代荷蘭、法國等國先后提出制造薄膜傳感器的設想，但當時由于設備和工藝的原因，發展比較緩慢。80年代之后，德國、俄羅斯等國相繼報道了利用磁控濺射等方法制造薄膜傳感器的成果，薄膜傳感器的優良性能得到世界傳感器行業的公認［3-5］。如美國Bell Howell公司CEC1000型薄膜應變式壓力傳感器，恒溫恒壓1 000 h后傳感器的零漂仍小于0.1%［6］。90年代起我國利用離子束濺射鍍膜技術開始了薄膜傳感器的研制［7-8］。中電集團48所研制薄膜壓力傳感器FTH403和FTH401，成功的應用到神七工程的航天服系統中，取得了很好的效果［9］。

薄膜傳感器在惡劣的環境中仍具有很高的靈敏度、精度及很好的穩定性［10］，使得薄膜拉力傳感器能夠在航空航天中實現對拉力的準確測量。因此，研制高精度、高靈敏度、能適應各種惡劣環境拉力測量的拉力傳感器具有重要意義。本文提出一種基于17-4PH不銹鋼的對稱式平膜片結構的薄膜濺射式拉力傳感器，通過在平膜片上集成了一層薄膜電阻應變柵，并將平膜片與基座一體化可以感知外界拉力。該傳感器敏感柵為復雜電阻柵，可以同時感受切向和徑向兩個方向的拉力，并且其靈敏度和安全過載系數要高于同類傳感器。用下，布局在兩端的彈性體將受到該方向拉伸力的作用，產生一定的形變。在拉力作用下，半徑為r處膜片的應變值：

1 薄膜濺射式拉力傳感器工作原理

基于平膜片結構的拉力傳感器的基本結構如圖1（b）所示，彈性體、傳感器底座與殼體采用激光焊接形成一體化結構。拉力傳感器的彈性體為周邊固支，圓心位置進行力加載的平膜片。其中，平膜片選用17-4PH不銹鋼材料，并采用真空鍍膜技術在平膜片上鍍上一層金屬柵材料的薄膜，用半導體光刻技術形成電阻敏感柵。在外部軸向拉力作

其中F為拉力，h為膜片厚度，E為材料彈性模量，μ為材料泊松系數，R為彈性膜片的半徑，h、E、R為常數。

在平膜片的中心處，切向應力與徑向應力相等，切向應變與徑向應變相等且為正的最大值。在膜的的邊緣處，切向應力、徑向應力及徑向應變達到負的最大值，切向應變為零。在材料的彈性模量與平膜片的厚度一定的條件下，且薄膜電阻在平膜片上確定后，電阻的應變量與所受的拉力成正比。

圖1 拉力傳感器的實物圖和基本結構圖

由薄膜電阻應變柵構成的惠斯頓應變電橋在平膜片彈性基體上布局如圖2（a）所示；等效電路如圖2（b）所示，圖中R1、R2、R3、R4構成應變檢測電橋。R1、R3兩部分薄膜電阻柵方向一致，均指向圓心，可以感受徑向應變；R2、R4兩部分薄膜電阻柵像蚊香一樣交叉纏繞在一起，可以感受切向應變。

圖2 拉力傳感器的薄膜電阻應變柵結構示意圖和等效應變電橋

當有拉力作用時，彈性體既產生徑向應變，又產生切向應變。產生的徑向應變引起R1、R3兩部分薄膜電阻柵阻值變化，切向應變引起R2、R4兩部分薄膜電阻柵阻值變化。在本傳感器設計中，該應變電橋為等臂電橋，即R1=R2=R3=R4=R。沒有拉力作用時，電橋輸出信號為［11-12］：

當有拉力作用時，R1、R2、R3、R4四部分薄膜電阻柵的阻值分別變化ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，電橋輸出信號為：

假設薄膜電阻的靈敏度系數為K，各部分薄膜電阻柵的應變分別為ε1、ε2、ε3、ε4，相應的阻值變化量為

因各部分薄膜電阻柵的阻值變化量相當小，可忽略高次項，并將以上結果帶入上式，整理得：

從式（5）可以看出，薄膜電橋輸出電壓信號U0與拉力具有一定比例關系，這樣即可實現拉力的測量。該拉力傳感器有兩個相同的平膜片上，且分布在殼體上下兩端，可以形成冗余備份機制。在力的傳導路徑正常無誤的前提下，即使其中一個出現異常，另一個將不會受到任何影響，傳感器仍可正常工作。

2 傳感器電路設計

因為制造工藝中系統誤差和偶然誤差的影響，即使在精確的制造工藝下制作的四個薄膜電阻柵的阻值和溫度系數不可能絕對一致，從而導致應變電橋存在一定的初始零點誤差，因此需要對應變電橋進行零點補償。所設計的零點補償及輸入輸出信號轉接電路原理圖如圖3所示。圖3中，R1用于靈敏度補償，R2、R3、R4、R5用于補償零點偏差。JP1用于與外部線纜的連接。

圖3 信號轉接電路原理圖

3 敏感元件的制備與仿真

3.1 彈性體的結構設計與ANSYS仿真

依據設計參數，在軟件下對彈性體進行三維建模，所建模型如圖4所示。通過固定拉力軸所在端面，并沿拉力軸方向加載850 N，可以仿真得到傳感器位移輸出，其應變輸出梯度分布如圖5所示。圖5中ANSYS仿真結果顯示彈性體外圓線位移約為1.288 μm，圓心位置處大約為5.796 μm，且應變分布由外圓向圓心逐漸增加。

圖4 三維彈性體示意圖

在三維模型下仿真得到彈性體的應力分布如圖6所示，可知最大應力集中在圓心位置處，最大壓強小于178 MPa；而本拉力傳感器采用的17-4PH材料的屈服強度σb為1 180 MPa，因此安全過載系數約為6.62。

圖5 彈性體應變輸出梯度分布

圖6 彈性體內應力分布圖

3.2 薄膜電橋的制備

薄膜濺射式拉力傳感器的敏感電阻是在處于真空環境的凈化間中，利用離子束濺射鍍膜技術，將絕緣材料、電阻材料以分子形式淀積在平膜片上，形成分子鍵合的絕緣薄膜和電阻材料薄膜，并與彈性不銹鋼平膜片融合為一體。經過多次鍍膜與光刻，在平膜片表面上形成四個薄膜電阻（應變電阻），四個薄膜電阻構成應變電橋。

在敏感電阻和平膜片之間采用薄膜工藝淀積了絕緣介質薄膜用于隔離。金屬彈性體上的典型薄膜結構分為四層，其中最底層是絕緣膜，上層依次為淀積電阻膜和為了確保惠斯頓電橋橋臂電阻穩定可靠的引線電極金膜和鈍化保護膜。

4 拉力傳感器的制備與實驗

為了評價和鑒定傳感器性能，需對傳感器進行標定實驗，本次進行了0～850 N范圍內的標定實驗，使用直流穩壓電源對傳感器進行供電，供電電壓為7.5 V。每次施加或者減少100 N拉力，并用數字萬用表測量輸出的電壓值。對其中一組拉力傳感器正反行程四組數據進行擬合得曲線如圖7所示。并通過進一步計算得到傳感器的靜態性能指標如表1所示。

圖7 輸入輸出曲線（0～850 N）

表1 傳感器靜態性能指標

5 結論

通過本文提出的薄膜濺射式拉力傳感器的仿真分析及實驗分析可知，該傳感器在0～850 N量程范圍具有很好的線性度和重復性，其安全過載系數為同類拉力傳感器的2倍～3倍。設計了零點補償及輸入輸出信號轉接電路，減小了初始零點誤差，并有利于傳感器信號的輸出。同時，在結構設計上采用兩個相同的平膜片形成冗余機制，增強了傳感器的可靠性。對傳感器的標定實驗表明，該傳感器的綜合誤差不大于額定輸出的0.013%。

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