鈦合金基底NiCr 薄膜測力傳感器的設計制作與檢測*

安春華 武文革 成云平 杜曉軍

(中北大學，山西 太原 030051)

切削力作為刀具壽命、工件加工質量的直接影響因素，其測量與控制對現代制造技術的發展有著極其深遠的影響。近年來薄膜技術的發展為薄膜傳感器的產生奠定了基礎。金屬薄膜傳感器具有良好的高溫化學穩定性、較高的熔點、靈敏度高、機械滯后小、溫度系數小、成本低等優點［1］。傳感器必須由對外界變化敏感的材料來制成［2］，雖然純金屬、合金、半導體都能作為敏感材料，但是合金比純金屬有明顯的優勢，鎳鉻合金是1 種具有高電阻率、高靈敏度系數、低應變系數、低電阻溫度系數且長期穩定的合金［3］。

本文利用壓阻效應設計了2 種鎳鉻合金電阻柵的薄膜測力傳感器，基底材料分別采用45 鋼和鈦合金，并對2 種材料制備的基片的表面粗糙度進行了對比研究。優選出鈦合金基底制作了2 種傳感器樣品，并對樣品進行了電阻柵結構尺寸、電阻率、電阻值的測量。

1 傳感器阻柵的設計

傳感器通過電阻柵的形變將外力轉變成電信號輸出，且電阻應變片的種類眾多、圖形各異，可以根據需要制作成多種形狀結構，故電阻柵的結構設計也是非常重要的。本文通過理論計算和敏感柵材料鎳鉻合金(Ni80Cr20)的性能，設計了2 種電阻柵結構。

方案一:傳感器單元結構如圖1 所示，電阻柵、導線及電路均采用離子束濺射，材料均為Ni80Cr20。此方案優點是引出導線少，缺點是與其他方案相比同等阻值占用空間大，需要二次光刻，成本較高。

方案二:電阻柵結構如圖2 所示，電阻柵及電極采用離子束濺射，電阻和電極材料均為Ni80Cr20。此方案優點是單個電阻可以設計更多條電阻柵，同等阻值占用空間小，只需一次光刻，缺點是需外接惠斯通電橋，引出導線多。

為了節省成本將2 種傳感器方案一起布置在2 inch基底(φ50.8 mm)上進行沉積鍍膜來制作傳感器樣品，2種傳感器結構在基底上的布局如圖3 所示。

2 基底的制備與選擇

傳感器所使用基底材料的主要作用是支撐薄膜電阻柵，并與刀體良好結合。金屬基底經磨削、拋光處理后其表面留下的臺階、劃痕、凹坑等對只有微米級的傳感器薄膜有很大的影響。45 鋼基底與所用車刀刀桿的材料相同，故兩者結合性好。鈦合金具有非常良好的性能，比45 鋼容易獲得更為理想的拋光表面質量。為對比2 種材料，分別加工制作了基底，材料牌號分別為:Ti6Al4V、45 鋼;毛坯種類:棒料;毛坯外形尺寸:φ54 mm×150 mm。采用的工藝流程如表1 所示。

表1 基底加工工藝流程

45 鋼和鈦合金基片加工處理完成后的效果對比圖見圖4 所示。通過JB -5C 表面粗糙度儀測量二者表面粗糙度，得到圖5 所示的45 鋼與鈦合金表面粗糙度對比圖。可知，45 鋼表面粗糙度值達到Ra0.089 μm，鈦合金表面粗糙度值達到Ra0.059 μm，均滿足表面粗糙度Ra＜0.2 μm 的薄膜濺射要求。通過KEYENCE VHX -600 超景深三維顯微系統觀察表面質量，發現如圖6 所示在不同顯微鏡倍率下45 鋼表面劃痕、凹坑明顯多于鈦合金。由于45 鋼金相組織復雜，化學成分較多且分布不均，拋光時劃傷嚴重，所以基片表面殘留較多條狀劃痕，不利于鍍膜。鈦合金拋光表面質量更加理想，因此最終決定采用Ti6Al4V 作為基片層的材料。

3 傳感器的制備和電阻柵尺寸、電阻率、電阻值的測量

為研究2 種設計方案的鎳鉻合金薄膜傳感器的性能，采用LDJ-2A-F100 系列雙離子束濺射沉積系統將400 nm 的NiCr 薄膜濺射在鈦合金基底上，制作了2種傳感器樣品，圖7 為制作的傳感器樣品實物圖。使用臺階儀測量了方案一、二的電阻薄膜厚度。使用超景深顯微鏡觀察薄膜表面質量，并測量多組電阻柵尺寸如圖8，其測量結果及平均值如表2 所示。

表2 傳感器測量結果

由表2 結果看出，橫、縱電阻寬度誤差為2.6%和3%;橫、縱電阻長度誤差為3.3%和0.53%，電阻率誤差為2.6%，加工誤差難以避免，以上誤差符合理論設計要求。而薄膜沉積速率、濺射原子沉積角等工藝因素使方案一、二產生了88.5%和60.75% 的厚度誤差，從而導致了其電阻值的52.5% 和40% 的誤差。而方案一、二實際厚度對應電阻值誤差3.5%和9.4%符合設計要求，故需要調整制作工藝以獲得接近理論電阻柵厚度且厚度均勻的傳感器，從而獲得電阻值準確的傳感器。

4 結論

設計了2 種切削力測量傳感器方案，通過對比選擇出了表面粗糙度值Ra0.059 μm 的鈦合金作為傳感器基底材料，并在2 英寸鈦合金基底上成功地制作出了2 種切削力測量鎳鉻合金薄膜傳感器樣品。測得橫、縱電阻寬度誤差為2.6%和3%;橫、縱電阻長度誤差為3.3%和0.53%;電阻率誤差為2.6%，符合設計加工要求。由于薄膜沉積速率、濺射原子沉積角等工藝因素使傳感器方案一、二的薄膜厚度產生了88.5%和60.75%的較大誤差，從而導致了傳感器電阻值的52.5%和40%的誤差。且當薄膜厚度正確時傳感器的電阻值誤差很小滿足設計要求，所以需要調整工藝獲得接近理論電阻柵薄膜厚度的傳感器。

［1］董永貴.微型傳感器［M］.北京:清華大學出版社，2007:78 -124.

［2］吳建平.傳感器原理及應用［M］.北京:機械工業出版社，2008:22 -42.

［3］孫建民，楊清梅.傳感器技術［M］.北京:清華大學出版社;北京交通大學出版社，2005.10:28 -76.

［4］劉金聲.離子束沉積薄膜技術及應用［M］.北京:國防工業出版社，2003:194 -200.