薄膜推力传感器研究目标、主要技术指标及研究内容

发布时间：2014-6-27 发布人：泽天传感点击：

国内外的测力传感器品种繁多、研究历史悠久，一般原理是：力作用在弹性体上，弹性体产生一个和作用力成比例的形变，通过一种敏感元件感应这种形变并把这种形变转换为可以识别的电信号。力传感器的种类主要有应变式、变磁阻式、电容式、压电式、压阻式等。应变式以其分辨率高，误差下，尺寸小，重量轻，能在严酷的环境中工作，技术成熟等特点而广泛应用于电子秤、材料试验机、飞机和地面发动机的测试等。

应变式测力传感器结构复杂多样，主要有柱式、悬臂梁式、环式、框式等数种。而柱式传感器分为实心圆柱和空心圆柱，实心圆柱适应测量大的作用力，而空心圆柱适用测量小的集中力。应变式传感器通常是用组成电桥的电阻丝或电阻箔将弹性材料的变形转换成电信号，利用粘胶把这些电阻丝或箔粘接到弹性材料上。

本项目研究的推力传感器用于测量飞行器喷射气体时产生的反推力。国内现行方法是采用安装在传力块下面的悬臂梁式传感器来测量推力。梁式传感器在受到重复的脉冲力作用时常发生谐振问题，并且安装时需要将喷管弯曲，弯曲的喷管内部有高速流体流动时会产生较大的横向作用力，使得测量数据不真实。国外目前采用空心柱式传感器来测量传力板的推力。

本项目产品将参考国外方法设计柱式力传感器，并且研究先进的薄膜工艺代替传统的电阻丝或电阻泊应变计，使响应时间提高到1ms。

一、研究目标

设计一种新结构的推力测量传感器，同时研制一种先进的薄膜应变计，形成定型产品和小批量生产能力，满足航空飞行器研究的设计需要。

二、主要技术指标

测量范围：0～200N；供电电压：≤10V.dc；灵敏度：≥1.5mV/V；准确度：0.2级；工作温度：-25℃～125℃；响应时间：≤1ms。

三、研究内容

实现本项目需重点研究的内容如下：1、弹性体结构形式设计；2、聚酰亚胺薄膜表面处理工艺研究；3、过渡薄膜层淀积研究；4、干法刻蚀工艺研究。

四、拟采取的研究技术路线及关键技术难点

（一）技术路线

借鉴参考国外的反推力测量方案和产品技术路线，设计一种空心柱式传感器弹性体，以便直接穿过喷气管，弹性体与传力块连接，或者在弹性体上端设计标准螺纹口直接与喇叭形喷头连接。研究制造薄膜电桥应变计用于检测弹性体受力后的变形。

1、弹性体设计

空心圆柱在弹性范围内应力与应变成正比关系，ε为材料的轴向线应变，σ为作用于材料的轴向应力，E为弹性体的弹性模量，S为圆筒的横截面积，F为作用在弹性元件上的集中力。

空心圆柱弹性元件的内外直径根据材料的允许应力σb来计算：由于F/S = σb，要不超过材料的允许应力则有S≥F/σb，即：D为空心圆柱的外径，d为空心圆柱的内径。选择D和d时，考虑到构件的稳定性及加工条件，空心圆柱的壁不能太薄，两端的刚度要足够。弹性元件的高度对传感器的精度和动态特性都有影响，由材料力学可知，高度对沿其横截面的变形有影响，当高度与直径的比值H/D≥1时，沿其中间断面上的应力状态和变形状态与其端面上作用的载荷性质和接触条件无关。弹性元件上应变片的粘贴和桥路的连接应尽可能消除偏心和弯矩的影响。若想提高灵敏度，即在给定力作用下产生较大的应变ε，必须减小横断面积S，但S的减小受到许用力和线性要求的限制。若S允许减小，其抗弯能力也减弱。这样，对横向干扰力敏感。在结构设计上采用横向刚度大、纵向刚度小的膜片是消除横向力影响的一个良好措施。具体设计中将着重考虑如何利用双层膜片来降低对偏心以及侧向负荷的敏感。

2、应变电阻设计

对于应变电阻，受到轴向力而被拉伸（或压缩）时，如电阻采取纵横双向排列组成惠斯登全桥，对臂电阻相互匹配，应变计安装到弹性体的最大应变区。

3、应变计设计方案

传统的应变计是采用粘贴胶将电阻丝或电阻箔粘贴到绝缘基片上而成。粘贴应变计中的粘贴胶会引起传感器的零点蠕变和漂移，而且由于胶的存在致使这种传感器不能用于恶劣环境，频响收到限制。

本项目研究一种精度高、响应快、耐恶劣环境能力强的薄膜应变计。技术路线是：用聚酰亚胺作应变计的基底，采用离子束溅射技术在基底上分别淀积制造过渡介质薄膜、镍镉合金薄膜、钝化保护膜和引线电极层，利用激光技术将合金薄膜刻成电桥图形形成应变计。

（二）关键技术难点

1、薄膜应变计的基片处理

聚酰亚胺薄膜基片在合成方法上具有其他高分子所难以具备的易变通性，合成途径多种、形式多，可由聚苯并咪唑、聚苯并哑唑、聚苯并噻唑、聚喹哑啉和聚喹啉等单体合成。但主要由二元酐和二元胺，在极性溶剂/甲醇混合溶剂中进行低温缩聚、成膜加热、脱水，表面再辅以芳香族聚酯亚胺等光胶物而成。基片裁剪后首先进行超声清洗，清洗好的基片在镀膜前的装片过程难免再受到环境的污染，表面吸附尘埃、纤微等污染物，需要在装片后再次清洗。更重要的是要除去聚酰亚胺膜表面不利于金属原子结合的芳香聚酯物。处理方法是采用离子束除去加工技术对基片表面进行处理。

2、过渡层薄膜淀积研究

聚酰亚胺基片在检验、划片、装片等工艺过程难免受到划伤出现亚微米的划痕，在其表面直接淀积薄膜将导致不均匀甚至不连续的缺陷，是薄弱失效部位，需研究淀积过渡薄膜层以保证薄膜的质量，并增强薄膜与基片的结合力，改善膜和基片的应力匹配。

1）、填补划痕

基片表面的划痕可能造成薄膜塌陷部位的厚度（σ）小于0.2μｍ，这种电阻薄膜是很不可靠的，显微镜观测无法分辨其缺陷，因此在工艺设计上需采取相应的措施。

在聚酰亚胺和薄膜之间淀积过渡薄膜层，可解决这个问题。淀积过渡层以后，薄膜的塌陷随着过渡层厚度的增加，塌陷部位角度增大、深度减小。对于基片1μｍ深的划痕，设计合理的过渡层厚度，以保证上层膜塌陷部位的最小厚度大于0.3μｍ。

2）增强与基片的结合力

与高分子材料基片结合层的薄膜首先以小岛结构形式存在，然后向网状结构过渡，最后形成连续的薄膜。在薄膜的界面处有大量空位、错位、晶粒间界和杂质等缺陷，即使通过热处理仍然有非平衡的缺陷存在，这种非平衡的缺陷将导致薄膜的不稳定，在环境温度变化或电负荷作用下会引起不可逆的变化。