变形测定装置的制作方法

本发明涉及应力测定领域，特别涉及一种变形测定装置。

背景技术：

变形测定装置通常包括变形测定元件即变形应变计单元，变形测定元件通常固定在需要被测试变形的弹性体之上，将变形测定元件设置到弹性体的表面上后，能够测试弹性体的变形。变形测定元件将测得的弹性体的变形转换为测试信号如机械性、电气性、磁性或光学性的信号输出。

变形测定元件包括将变形转化为信号的敏感栅以及电气绝缘的基材，敏感栅通常采用电阻薄片。现有技术中，弹性体通常为导电的金属(铝、合金钢、不锈钢)，与检测变形的电阻薄片之间必须有电气绝缘的基材，而这种基材通常是有机材料、是柔性的。

将电阻薄片和基材做成一体称为应变计或称变形应变计，变形应变计由一个以上的变形应变计单元即变形测定元件组成。将变形应变计固定到弹性体的表面上后，能够测试弹性体的变形。在制造称重传感器时，将变形应变计与弹性体使用胶黏剂进行贴合，这样，将需要被称重的负载放置在弹性体上，使弹性体产生变形，该变形通过变形应变计进行测量，根据测量结果能够换算得到负载的重量，从而实现称重。

采用上述称重传感器做秤时，秤体除了称重传感器之外，还需要采用承重架、称重平台等承重结构体，承重结构体与称重传感器中的弹性体是不同的部件，其间需要有力的传递机构。

由上可知，变形测定装置包括了由敏感栅以及基材组成的变形测定元件，变形测定元件固定在弹性体上之后能够测试弹性体的变形；将变形测定元件和弹性体进行组合后能够形成称重传感器；而称重传感器结合承重结构体则能形成日常生活中可直接使用的秤。

上述变形测定装置中，敏感栅的材料在弹性体发生变形后也会发生变形，敏感栅根据其材料本身的变形转换为相应的能够输出的测试信号如机械性、电气性、磁性或光学性的信号。

敏感栅测试变形的原理是基于胡克定律，目前以秤重为中心得到了广泛的应用。在弹性变形范围内，固体的变形与外力的比例呈线性，这一原理已得到普遍公认，被应用于弹簧等许多实际领域。

应用于变形检测和测定的变形应变计有多种实现方式，所有这些都是以胡克定律为基础，将变形产生的变化转换为机械性、电气性、磁性或光学性变化，并以此作为检测器来加以应用。

但是，胡克定律只在有限的应力范围内成立，绝大多数用于弹性体的材料在高应力下会发生塑性变形，脱离胡克定律，显示出非线性响应。

由于传统变形应变计基材的材料是塑性的，也会追随弹性体发生塑性变形，使得变形应变计失去线性，会发生所谓的履历效果引起误差。同时超出弹性极限导致复原力丧失，从而降低了重复性。若继续承受应力则最终导致破坏。

另一方面，作为几乎没有塑性变形或事实上完全没有塑性变形的材料，为人熟知的有玻璃和陶瓷等。这些材料，即所谓的脆性材料几乎不显示塑性变形之特性。所以，根据胡克定律加载负载后，脆性材料会发生与应力成比例的变形，材料达到可承受最大应力以上后会引起脆性破坏。这表明以玻璃或陶瓷作为检测变形的弹性体或基材时，在达到脆性破坏之前，将始终具有优良的应力—变形的线性和重复性。

玻璃和陶瓷长期以来由于其弹性变形极限过小(一般小于10-3)，因此现有技术认为玻璃和陶瓷不适合应用于秤量等通用的变形测定。

电阻应变计检测法即采用金属电阻作为敏感栅实现变形信号转换的方法是大家所熟知的将变形转换成电气信号的测定方法，通过检测由金属电阻体的体积变化导致的电阻变化来检测变形。该方法的典型实例如下：将金属电阻线或被加工为线路状的金属电阻薄片固定于环氧树脂或聚酰亚胺树脂等电气绝缘的有机基材上构成变形应变计，将其用胶黏剂贴合在需要检测变形的弹性体上。这类变形应变计成本相对比较低廉，在称重传感器上得到了广泛的应用。

但这种技术依然存在下述局限：

1)、在采用金属电阻作为敏感栅的变形应变计中，由于敏感栅需要固定于环氧树脂或聚酰亚胺树脂等电气绝缘的有机基材上，而这些电气绝缘的基材是柔性的、没有弹性。当弹性体的负载过大，超过其屈服点，从而发生柔性变形时，基材会随之发生塑性变形。这时电阻薄片会依然工作，输出非线性的信号，造成误差。由于现有变形应变计中的柔性基材不可避免具有塑性变形特性，无法消除塑性变形带来的误差。

2)、将变形应变计做进一步的应用形成称重传感器时，由上面描述可知，需要变形应变计贴合到弹性体上，不仅耗费人工，而且由于人工作业的局限，应变计不能做得太小，从而也限制了称重传感器的小型化。

3)、将称重传感器做进一步的应用形成秤时，还需要采用承重结构体，称重传感器和承重结构体之间无法一体化而且二者之间需要有力的传递机构，这对缩小体积、降低成本、提高可靠性和测量精度都是不利的。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种变形测定装置，能消除塑性变形的影响，具有高精度、高重复性和高可靠性，还能减少人工、简化和缩小秤体结构。

为解决上述技术问题，本发明提供的变形测定装置包括一个以上的变形测定元件，所述变形测定元件包括：

基材，由具有脆性材料特性的弹性体材料组成。

敏感栅，固定结合于所述基材表面并形成一体化结构，所述敏感栅根据变形按比例输出检测值，利用所述基材和所述敏感栅的一体化结构以及所述基材具有脆性材料特性来消除塑性变形带来的误差。脆性材料几乎不显示塑性变形之特性，故也称没有实质性塑性变形的材料。

进一步的改进是，所述敏感栅的材料比所述基材的材料具有更高的弹性极限。

进一步的改进是，所述基材呈立体结构，所述敏感栅设置在所述基材的立体六面中的一面或多面。

进一步的改进是，变形测定装置还包括金属弹性体，所述变形测定元件固定在所述金属弹性体上，所述基材的材料的弹性极限小于所述金属弹性体的弹性极限，所述基材和所述金属弹性体的表面结合，所述基材位于所述金属弹性体和所述敏感栅之间。

进一步的改进是，变形测定装置还包括弹性体，所述弹性体和所述基材是同一部件。

进一步的改进是，所述变形测定装置和承重结构体构成秤，所述承重结构体、所述弹性体和所述基材是同一部件。

进一步的改进是，所述承重结构体、所述第二弹性体和所述基材为平板结构，用于加载外部载荷。

进一步的改进是，所述变形测定元件为薄膜变形测定元件，所述敏感栅的材料为薄膜结构并通过薄膜工艺形成于所述基材的表面。

进一步的改进是，所述基材的材料为玻璃。

进一步的改进是，所述基材的玻璃的厚度为0.1mm以上。

进一步的改进是，所述基材的材料为陶瓷。

进一步的改进是，所述基材的陶瓷的厚度为0.01mm以上。

进一步的改进是，所述敏感栅的材料为金属电阻体薄膜。

进一步的改进是，所述敏感栅的金属电阻体薄膜的厚度为10nm以上5μm以下。

进一步的改进是，所述变形测定装置包括多层重叠的所述变形测定元件，各所述变形测定元件组成多轴测试结构。

进一步的改进是，所述变形测定装置包括多个排列于同一平面内的所述变形测定元件，各所述变形测定元件组成多轴测试结构。

进一步的改进是，所述变形测定元件还包括由设置在所述基材表面的具备特性补偿功能的材料组成的补偿元件。

进一步的改进是，所述敏感栅的材料的薄膜结构对应的薄膜工艺包括物理成膜工艺和化学成膜工艺。

进一步的改进是，所述物理成膜工艺包括MBE或溅射；所述化学成膜工艺包括电镀和CVD。

进一步的改进是，在所述基材和所述敏感栅之间插入有缓冲层，用于增强所述基材和所述敏感栅的结合强度。

进一步的改进是，所述敏感栅的材料为半导体薄膜。

本发明对变形测定元件做了特别设计，将敏感栅直接固定结合于由具有脆性材料特性的弹性体材料组成的基材上，这样就消除了现有技术中需要将敏感栅固定在由柔性材料组成的基材上时由柔性材料所带来的塑性变形误差，所以本发明能够消除塑性变形的影响，从而使变形测定元件具有高精度、高重复性和高可靠性的优点。

通过将本发明的变形测定元件的基材的材料直接作为弹性体，能实现弹性体和变形测定元件的一体化，消除了现有技术中称重传感器中的变形测定元件需要手工贴合到弹性体上的缺陷，不仅能节省人工所带来的时间和费用消耗，还能实现变形测定元件和称重传感器的小型化，还能消除贴合工艺中的胶水所带来的可靠性的问题，从而能进一步提高可靠性。

本发明还能很方便的将变形测定元件的基材作为弹性体，并将其设计成能够直接支撑负载的承重结构体，也即能实现承重结构体和弹性体以及变形测定元件的基材采用同一部件组成的一体化结构。不需要另外再设置承重体结构也不需要在承重体结构和弹性体之间设置力的传递结构，不仅结构简单，成本低，而且能够进一步提高测试精度和可靠性。

结合基材结构，本发明的敏感栅能够通过薄膜工艺直接形成于基材表面，不仅能实现敏感栅和基材的牢固结合，而且敏感栅薄膜的厚度相对于基材非常之薄，对基板的弹性变形几乎没有影响；而且敏感栅薄膜牢固结合在基材上之后，敏感栅薄膜的体积变化受到基材的抑制，这种状态下，敏感栅薄膜几乎不会有塑性变形，从而具有较高的重复性。

另外，本发明摈弃了现有技术认为玻璃和陶瓷不适合应用于秤量等通用的变形测定的偏见，利用了近年来的工艺进步，如玻璃制造技术的进步，新型强化玻璃的弹性变形极限有了大幅度的提高的特点，实现了将玻璃和陶瓷等脆性材料应用于变形测定中，从而取得了上述将脆性材料应用于变形测定后所带来的技术效果。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明实施例变形测定装置的具有单个变形测定元件的示意图；

图2是本发明实施例变形测定装置的具有多个变形测定元件的多轴器件示意图；

图3是本发明实施例变形测定装置的单轴式变形测定元件特性曲线测试图。

具体实施方式

如图1所示，是本发明实施例变形测定装置的具有单个变形测定元件的示意图；本发明实施例变形测定装置包括一个以上的变形测定元件，图1中显示了一个所述变形测定元件，所述变形测定元件包括：

基材1，由具有脆性材料特性的弹性体材料组成。

敏感栅2，固定结合于所述基材1表面并形成一体化结构，所述敏感栅2根据变形按比例输出检测值，利用所述基材1和所述敏感栅2的一体化结构以及所述基材1具有脆性材料特性来消除塑性变形带来的误差。

较佳为，所述敏感栅2的材料比所述基材1的材料具有更高的弹性极限。

所述基材1呈立体结构，所述敏感栅2设置在所述基材1的立体六面中的一面或多面。图1中，仅显示所述敏感栅2设置在所述基材1的一个面上，在其它实施例中，所述敏感栅2能够设置在所述基材1的立体六面中的任意一面或多面上，包括在所述基材1的立体的六面上全部设置所述敏感栅2。

本发明实施例中，所述变形测定元件为薄膜变形测定元件，所述敏感栅2的材料为薄膜结构并通过薄膜工艺形成于所述基材1的表面。较佳为，所述敏感栅2的材料为金属电阻体薄膜；所述敏感栅2的金属电阻体薄膜的厚度为10nm以上5μm以下。在其它实施例中，也能为：所述敏感栅2的材料为半导体薄膜。

所述敏感栅2的材料的薄膜结构对应的薄膜工艺包括物理成膜工艺如MBE或溅射和化学成膜工艺如电镀和CVD。

较佳为，在所述基材1和所述敏感栅2之间插入有缓冲层3，用于增强所述基材1和所述敏感栅2的结合强度。在所述敏感栅2的表面形成有保护层4。所述敏感栅2还形成有和接线5连接的输出端，通过接线5将检测的变形信号输出。图1中，L1表示所述基材1的长度，W1表示所述基材1的宽度。

变形测定装置还包括弹性体6，所述变形测定元件固定在所述弹性体6上。所述弹性体6和所述基材1可以是同一部件。

变形测定装置和承重结构体构成秤。所述承重结构体、所述弹性体6和所述基材1可以是同一部件。较佳为，所述承重结构体为平板结构，用于加载外部载荷。

在其它实施例中，图1中的弹性体6也可以是金属弹性体，所述变形测定元件设置在所述金属弹性体上，所述基材1的材料的弹性极限小于所述金属弹性体的弹性极限，所述基材1和所述金属弹性体的表面结合，所述基材1位于所述金属弹性体和所述敏感栅2之间。

本发明实施例中，所述基材1的材料为玻璃；所述基材1的玻璃的厚度为0.1mm以上。所述基材1的材料的玻璃可选择离子交换化学强化玻璃，离子交换化学强化玻璃同时作为所述基材1和所述弹性体6。下面根据玻璃的具体参数做进一步的详细说明如下：所述基材1的材料的玻璃采用的化学强化钠钙玻璃，通过化学强化，其弯曲强度可达到约200MPa左右。如果其破坏极限以变形来表示，可达0.3％左右，是普通钠钙玻璃的3倍左右。

本发明实施例中可以使用的离子交换化学强化玻璃的品种繁多，并不一定仅局限于钠钙玻璃。比如K置换型的铝硅酸盐类的离子交换化学玻璃以及Li置换型的离子交换化学强化玻璃等均可采用。

在这些离子交换化学强化玻璃中，尤其是K置换型铝硅酸盐类玻璃，弯曲强度较大，可达800MPa以上。但由于纵向弹性系数与钠钙玻璃几乎相等，所以最大允许变形量达1％左右。该数值是未经过强化的钠钙玻璃的10倍。这种玻璃离子交换层的深度和弯曲强度的关系已被掌握，通过恰当选择离子交换层的深度就可以适应不同的用途。

在其它实施例中，也可变为：所述基材1的材料为陶瓷；所述基材1的陶瓷的厚度为0.01mm以上。所述基材1的材料的陶瓷可采用以高强度陶瓷材料而闻名的氧化锆，其纵向弹性率很大，弯曲强度可达1000MPa左右。

本发明实施例中，为提高化学强化玻璃的基材1和金属电阻体薄膜传感器材料即所述敏感栅2的结合强度而插入缓冲层3，如有必要，该缓冲层3还可对基材1中碱性金属等的析出具有抑制作用。二氧化硅和氮化硅等绝缘体较好，但也可根据需要使该缓冲层3构成导电体。在本发明实例中，化学强化玻璃的基材1和金属电阻体薄膜2具有足够的结合强度，并且不需要考虑碱性金属的影响，所以可以省略该缓冲层3。

本发明实施例中，所述敏感栅2的金属电阻体薄膜可使用具有足够体积电阻率的单金属，也可使用镍铬或康铜等合金，可根据所要求的变形应变元件的特性进行广泛选择。其厚度相对于基材1非常之薄，对基材1的弹性变形几乎没有影响。

而且在作为所述敏感栅2之一的金属电阻体薄膜被牢固地结合于基材1的玻璃上，因此该金属电阻体薄膜的体积变化受到基材1的抑制。这种状态下，金属电阻体薄膜几乎不会有塑性变形，使得较高的重复性变得可能。

接线5是金属电阻体薄膜的连接部分，是与外部测定装置如与桥式电路进行电气连接所设的端子部，该连接部位应根据连接条件使用合适的材料。

本发明实施例中，所述敏感栅2的金属电阻体薄膜在基材1上进行成膜的方法有MBE、溅射等物理成膜法，也有电镀或CVD等化学成膜法，结合各自材料选择最合适的成膜法即可。为避免膜从基材1剥离，应采用高强度的结合方法，一般来说采用溅射法和离子加压法较为适宜。总之，只要把所述敏感栅2的金属电阻体薄膜在所用范围内均匀且坚固地成膜，具体方法并无限制。

采用离子交换化学强度玻璃作为基板即基材1使用时，其厚度只要达到0.1mm以上即可，并无其他特别要求。

所述敏感栅2的金属电阻体薄膜的厚度只要能达到均质且不要因为堆积时的膜内应力累积等理由发生破损的厚度即可。所述敏感栅2的金属电阻体薄膜的厚度因采用材料和成膜方法而有所不同，选用10nm以上5μm以下的厚度较好。

金属电阻体也即金属电阻体薄膜组成的所述敏感栅2的俯视图形状可为角形的梳子状或其它种形状。图1中标记了长度L1和宽度W1的部分为俯视图，俯视图的底部为剖面图。金属电阻体的图形成形可使用金属模板法、光腐蚀法、腐蚀法等一般电极图形成形技术，可根据成形的元件大小来选择。

在图1中仅显示了包括一个所述变形测定元件的单轴测试结构。在其它实施例中，也可为：所述变形测定装置包括多个排列于同一平面内的所述变形测定元件，如，其它各所述变形测定元件可设定在图1所示的变形测定元件的前后左右，各所述变形测定元件组成多轴测试结构。各所述变形测定元件的位置和方向设置不同；各所述变形测定元件的结构可完全相同；当然，也可根据变形应变计元件的灵敏度和连接电极的配置，对各所述变形测定元件的图形进行相应的更改。

另外，如图2所示，是本发明实施例变形测定装置的具有多个变形测定元件的多轴器件示意图；所述变形测定装置包括多层重叠的所述变形测定元件，如图2中的标记101a、101b和101c所示，各所述变形测定元件组成多轴测试结构，图2所示结构拥有交叉轴的3轴3层堆积层型变形应变计元件即变形测定元件。各层所述变形测定元件之间隔离有SiO2等不产生塑性变形的绝缘膜，如在最底层的所述变形测定元件101a形成后，在所述变形测定元件101a上经由SiO2等不产生塑性变形的绝缘膜，可以容易的以任意交叉角形成所述变形测定元件，如图2中显示的所述变形测定元件101b。这样能把多个变形应变计元件进行多层次制作形成多轴的变形应变计元件，检测相应方向的应变，从而制造多分力传感器。

本发明实施例中，所述变形测定元件还包括由设置在所述基材1表面的具备特性补偿功能的材料组成的补偿元件，如：在上述的变形应变计元件的近旁也能形成由温度补偿薄膜构成的测温元件。

如图3所示，是本发明实施例变形测定装置的单轴式变形测定元件特性曲线测试图；横轴为负荷即应力，纵轴为输出电压即电阻值变化形成的电压，标记201对应的点表示负荷逐渐增加得到的各测试值，标记202对应的点表示负荷逐渐减少得到的各测试值，可以看出标记201和202对应的点基本都重合，二者的拟合线也基本一致，二者的拟合线在图3中为同一根线203；可以看出，从空载开始至接近破坏应力为止，该变形测定装置表现出优良的线性指标。从图3显示可知，与负荷的增减有关的履历基本没有变化。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。