测力传感器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种测力传感器，其包括压头、基座、敏感元件、电路板座、引线固定电路板、多功能电路板、引线、导电柱、导线和外壳。电路板座采用不锈钢材料制成，并进行镀铜或镀金，通过激光焊接或电子束焊接焊接在敏感元件上面，引线固定电路板通过焊锡或高温焊料直接焊接固定在电路板座的另一面，引线固定电路板与多功能电路板通过导电柱连接固定。本发明能够用于超高或超低温，剧烈冲击、振动等极其恶劣的工作环境下，同时可解决要求无有机物及各种胶接结构的特殊环境下的高精度测力难题。对于解决复杂工业环境、军事装备、航空航天航海环境下的高精度测力难题具有非常实际的意义。
【专利说明】
测力传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种测力传感器，尤其涉及适用于超高/超低温，剧烈冲击、振动等极其恶劣的工作环境下的溅射薄膜测力传感器。
【背景技术】
[0002]测力传感器广泛应用于工业生产、军事装备、航空航天航海等各个领域中。现有测力传感器虽然结构多种多样，但都或多或少的需要采用胶粘接的方式。如敏感元件上通过粘贴电阻应变计实现力信号向电信号的转换；再如，从应变计上引出的引线，也需要固定在电路板或引线端子上，而为了尽可能节约空间，降低结构复杂性，固定方法也常采用胶接方式。胶接工艺虽然应用广泛，但却存在诸多缺点。胶接结构往往耐受温度范围有限，且材质特性受温度影响大，对传感器的工作环境温度、温度性能形成了制约。固化后内部应力的缓慢释放也对传感器长期稳定性有影响。在一些真空环境中，有些种类的胶还存在分解、逸散等潜在风险。此外，胶接结构在某些工业环境中容易老化、腐蚀，造成传感器性能及寿命大大降低。在航天探索活动中，直接与太空环境接触的传感器，必须能耐受的高振动、高冲击、超高真空环境、大温差等特殊要求，胶接结构尚待足够验证，而金属材料、PCB电路板(常用材料为环氧基底，但已有成熟的无机材质基底)及加工工艺，焊接工艺却在以往的航天探索活动得到了较充分的验证。因此，能采用这些经过苛刻环境验证的成熟材料及工艺用于解决与之类似的环境下的测力问题具有十分重要的意义。
【发明内容】
[0003]本发明目的在于提供一种溅射薄膜测力传感器，用于高/低温，剧烈冲击、振动等极其恶劣的工作环境下，同时可解决要求无有机物及各种胶接结构的特殊环境下的高精度测力难题。
[0004]本发明的测力传感器包括压头、基座、敏感元件、电路板座、引线固定电路板、多功能电路板、引线、导电柱、导线和外壳，该测力传感器的特征在于:所述电路板座采用不锈钢材料制成，并进行镀铜或镀金，通过激光焊接或电子束焊接焊接在敏感元件上面，引线固定电路板通过焊锡或高温焊料直接焊接固定在电路板座的另一面，引线固定电路板与多功能电路板通过导电柱连接固定。
[0005]优选所述敏感元件为E型结构，并采用溅射薄膜工艺。
[0006]优选所述外壳为圆筒形结构，直接焊接在所述基座上，其上端两侧具有引出导线圆孔，其顶面为平面，作为固定面，所述外壳焊接在所述基座上。
[0007]优选所述引线、所述引线固定电路板、所述导电柱、所述多功能电路板和所述导线彼此之间的连接均采用电路焊接工艺焊接。
[0008]优选所述导电柱为排针。
[0009]优选所述敏感元件、所述基座、所述压头、所述电路板座和所述外壳均采用耐腐蚀的优质不锈钢材料制成，彼此之间的连接均采用激光焊接或电子束焊接。
[0010]本发明涉及的溅射薄膜测力传感器的有益效果是:本发明提供的用于超高或超低温，剧烈冲击、振动等极其恶劣的工作环境下，以及解决要求无有机物及各种胶接结构的特殊环境下的高精度测力难题所采用的技术方案有如下两优点和改进。
[0011]第一，本发明主要的特点有如下三点:①电路板座采用不锈钢镀铜或金工艺，既可保证与不锈钢材质的敏感元件(或基座)实现激光焊接或电子束焊接，又可通过焊锡或高温焊料将引线固定电路板直接焊接固定在电路板座上；②引线固定电路板与多功能电路板采用排针(或其他具有一定强度的导电柱)连接，既实现电信号传递，又可保证结构具有很高机械连接强度敏感元件采用E型结构及溅射薄膜工艺。以此替代及电路板通过胶接或螺钉连接固的工艺和敏感元件粘贴应变计工艺，可实现无胶、无机结构，又能保证结构牢固，耐受冲击、振动、高低温环境，同时节约空间，易于小型化。同时可解决要求无有机物及各种胶接结构的特殊环境下的高精度测力难题。对于解决复杂工业环境、军事装备、航空航天航海环境下的高精度测力难题具有非常实际的意义
[0012]第二，整个传感器所用加工制造方法成熟容易，敏感元件加工制造继承了成熟的溅射薄膜压力传感器敏感元件制造工艺，其余零件均可通过常规的机械加工及电路板制造工艺加工制造或直接从市场购买。传感器能在现有传感器生产条件下实现生产制造，不需要工艺设备改造。传感器本身结构具有一定灵活性，既可成为高性能的定型产品用于大批量生产，也可作为非标准产品用于解决特殊工业环境、军事装备、航天航空航海中的高精度测力难题。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1表示测力传感器的结构示意图。
[0014]符号说明
[0015]I压头、2基座、3敏感元件、4电路板座、5引线固定电路板、6多功能电路板、7引线、8排针(或其他具有一定强度的导电柱)、9导线、10外壳
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图，对本发明提供的用于高低温，剧烈冲击、振动等极其恶劣的工作环境下，以及解决要求无有机物及各种胶接结构的特殊环境下的高精度测力难题所采用的技术方案的优选方式做进一步说明:
[0017]它的静态结构:请参附图，本发明的溅射薄膜测力传感器包括压头1、基座2、敏感元件3、电路板座4、引线固定电路板5、多功能电路板6、引线7、排针(或其他具有一定强度的导电柱)8、导线9和外壳10。敏感元件3借鉴成熟的溅射薄膜压力传感器敏感元件工艺生产加工，本实施例中的敏感元件采用E型结构及溅射薄膜工艺，其线性误差、重复性误差、迟滞误差均可达0.1% F.S以下，且工作温度范围大(限于实验条件，温度范围为-55°C -150°C，预计实际工作温度范围可更大一些)，温度对误差影响极小，可达0.01%F.S/°C以下。敏感元件3通过激光焊接或电子束焊接固定在电路板座4的一个面上。基座2、压头I根据敏感元件结构、尺寸、以及量程确定出满足强度要求和零件装配焊接要求的主要参数，其余尺寸参数根据具体的使用环境调整。电路板座4直接焊接在敏感元件3上，这样可以使传感器整个体积较小，但相应的两块电路板体积同样受到限制，若直径及体积允许，也可设计将电路板座4直接焊接在基座上，可以增大电路板的直径，实现更多功能。电路板座4的尺寸根据要焊接的零件及引线固定电路板5确定，根据使用环境电路板座4可以采用镀铜或镀金工艺，后者拥有众所周知的优良化学稳定性。引线固定电路板5通过边缘的铜或金焊盘直接通过焊锡或高温焊料，使用常用的电路焊接工艺焊接在电路板座4上。引线固定电路板5除了将敏感元件3上的引线7通过常用的电路焊接工艺固定在其上以及向多功能电路板6输出信号外，还可根据剩余面积的大小完成零点补偿、组桥等功能。多功能电路板6在满足零点补偿、组桥后，则可根据需求的具体功能做相关电路设计，如放大电路，多路输出，甚至集成温度测量功能等等。引线固定电路板5与多功能电路板6之间通过排针8 (或导线铜柱等具有一定强度的导电柱)来连接固定。排针8可以直接从市场上买到，也可用其他导电性良好，拥有一定强度的材料做成的导电柱代替。排针8(或其他具有一定强度的导电柱)的数量根据引线固定电路板5需要向多功能电路板6传递的信号数量以及强度要求来确定。引线7根据温度性能要求及冲击、振动强度、布线跨度等决定材质和规格。导线9为最终向用户提供传感器电路接口。通常根据用户的要求从市场上选用。外壳10起到保护电路、固定导线、承受压力、满足用户外形需求及美观等作用，在满足强度要求的情况下，可根据综合要求设计，本实施例的外壳10为圆筒形结构，可直接焊接在基座2上，上端圆孔用于引出导线及固定导线，顶面为平面，作为固定面。传感器的敏感元件3、基座2、压头1、电路板座4、外壳10均采用耐腐蚀的优质不锈钢，并且相互间的连接采用激光焊接或电子束焊接，引线7、引线固定电路板5、排针(或其他具有一定强度的导电柱)8、多功能电路板6、导线9及其他元器件彼此间的连接采用常用的电路焊接工艺，所有零件连接过程不用胶接，若配用氧化铝等无机基底的电路板，则整个结构可做到无有机材料。
[0018]在形状、构造及其结构上，本发明与现有的类似传感器相同的特征有:①敏感元件与基座采用激光焊接或电子束焊接；②通过压头对敏感元件施加作用力导致敏感元件表面电阻变化，从而输出电信号。本发明与其他解决方案不同的特征有，①电路板座采用不锈钢镀铜或金工艺，既可保证与不锈钢材质的敏感元件实现激光焊接或电子束焊接，又可通过焊锡或高温焊料将引线固定电路板直接焊接固定在电路板座上；②引线固定电路板与多功能电路板采用排针(或导线铜柱等具有一定强度的导电柱)连接，既实现电信号传递，又可保证结构具有很高机械连接强度敏感元件采用E型结构及溅射薄膜工艺。以上几点结合起来，保证传感器整个结构做到无胶接，若电路板及相关元器件选用无机材质，则整个传感器由纯无机材质构成。以上结构在适应超高或超低温，剧烈冲击、振动等极其恶劣的工作环境的同时，也可在相应工作环境下获得较高的测量精度。
[0019]下面通过使用方法，更进一步阐述本发明溅射薄膜测力传感器的动态结构关系:在使用中，将外壳顶端平面固定，另一端沿压头轴线施加压力，压头将力传递到敏感元件上，引起敏感元件膜片发生形变，从而引起敏感元件上的电阻栅形变，通过惠斯通电桥将电阻栅阻值变化转化为电压输出。敏感元件通过引线与引线固定电路板连接，引线固定电路板通过排针(或其他具有一定强度的导电柱)与多功能电路板连接，最后由多功能电路板接触电缆导线，实现供电和输出。通过标准测力机对传感器进行标定后，即可通过输出的电信号折算出外部施加的压力值。
[0020]实现本发明的最佳方案是在拥有溅射薄膜压力传感器生产制造能力的工厂，最好同时具有测力传感器生产能力。只拥有测力传感器生产能力的单位可通过外部协助和技术合作获得敏感元件3。敏感元件3可有溅射薄膜压力传感器生产厂家提供或由某些具备生产能力的科研结构生产制造。压头1、基座2、电路板座4、外壳10采用常规机械加工方式即可获得。引线固定电路板5、多功能电路板6可通过印刷电路板生产厂家制造。引线7、排针8、导线9可在市场上购买。溅射薄膜测力传感器完成制造后，需要标准测力机进行标定，并提供相关说明书可销售，通常可在测力传感器生产厂家或计量院完成标定。产品最终由各类有复杂工业环境下、航空航天航海环境下及军事装备中高精度测力需求的企业、科研机构匹配选型或定制。本发明对工业化发展和社会进步中特殊测力传感器需求的解决具有十分重要的意义。
【权利要求】
1.一种测力传感器，其包括压头、基座、敏感元件、电路板座、引线固定电路板、多功能电路板、引线、导电柱、导线和外壳，该测力传感器的特征在于:所述电路板座采用不锈钢材料制成，并进行镀铜或镀金，通过激光焊接或电子束焊接焊接在所述敏感元件上面，所述引线固定电路板通过焊锡或高温焊料直接焊接固定在所述电路板座的另一面，所述引线固定电路板与所述多功能电路板通过所述导电柱连接固定。
2.根据权利要求1所述的测力传感器，其特征在于:所述敏感元件为E型结构，并采用溅射薄膜工艺。
3.根据权利要求1所述的测力传感器，其特征在于:所述外壳为圆筒形结构，直接焊接在所述基座上，其上端两侧具有引出导线的圆孔，其顶面为平面，作为固定面，所述外壳焊接在所述基座上。
4.根据权利要求1所述的测力传感器，其特征在于:所述引线、所述引线固定电路板、所述导电柱、所述多功能电路板和所述导线彼此之间的连接均采用电路焊接工艺焊接。
5.根据权利要求1?4中任一项所述的的测力传感器，其特征在于:所述导电柱为排针。
6.根据权利要求1?4中任一项所述的的测力传感器，其特征在于:所述敏感元件、所述基座、所述压头、所述电路板座和所述外壳均采用耐腐蚀的优质不锈钢材料制成，彼此之间的连接均采用激光焊接或电子束焊接。
【文档编号】G01L1/22GK104406724SQ201410757789
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年12月10日 优先权日:2014年12月10日
【发明者】常文博, 尹剑波, 田中涛 申请人:中国航天空气动力技术研究院