专利名称：高性能陶瓷张力传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及力传感器技术领域，特别涉及一种高性能陶瓷张力传感器。
技术背景众所周知，张力传感器是一种应用范围广阔的力敏传感器。目前国内外所应用的各种张力传感器几乎都采用电阻应变片组成的力敏传感元件。实际上电阻应变片是由非晶半导体芯片或由0. 02-0. 05mm金属丝绕成栅状或由金属膜片腐蚀成栅状后，采用环氧树脂 粘接到不锈钢膜片上，在张力作用下不锈钢膜片产生微量形变传递到电阻应变片，从而产生电阻应变片阻值变化实现张力-电阻值物理量转换。因此，传统的张力传感器是一种模拟量转换。由于电阻应变片是一种具有较高压阻系数的金属材料，它的温度飘移率是较高的，因此传统的张力传感器在应用过程中都必须采用各种温度补偿技术，特别是温度系数大的非晶半导体芯片温补更难，同时传感器的线性精度亦隨之变差。电阻应变片另一个致命缺点，是当张力信号频繁作用下，金属材料的疲劳效应使张力传感器的迟滞性和重复性大大降低，即传感器的可靠性和稳定性是较低的。另外，由电阻应变片组成的张力传感器灵敏度低和低阻抗输出都限止了它的应用领域
实用新型内容
鉴于上述技术问题，本实用新型提供了一种高性能陶瓷张力传感器。该传感器为适应物联网和工业自动化控制的需要所研发，具备高灵敏度03. 3mV/V)、高稳定性(低温飘彡0. 05% FS、低时飘彡0. 02FS)、高精度(高线性精度彡0. 02% /、低迟滞性彡0. 02%FS、高重复性0. 02% FS)。本实用新型的具体技术方案如下高性能陶瓷张力传感器，包括测力杆、条状陶瓷片以及陶瓷固定座；其特征在于，所述条状陶瓷片正面粘接测力杆，背面粘接弹性体陶瓷固定座；所述条状陶瓷片作为从陶瓷固定座到测力杆之间的力矩；所述条状陶瓷片为一力敏弹性体，该力敏弹性体正反面各设置两个应变电阻，同时通过力敏弹性体上设置的通孔将这四个应变电阻互联形成一个惠斯顿电桥；并通过激光修调系统将惠斯顿电桥调至零位；所述测力杆感知张力信号后，通过使力敏弹性体产生微量形变，从而使得整个张力传感器通过电桥输出与张力信号精密线性相关的毫伏级线性电压。上述方案中，所述条状陶瓷片为采用三氧化二铝陶瓷为材料的力敏弹性体。上述方案中，所述应变电阻为高压阻系数低温飘专有电阻浆料采用精密Hybrid工艺在850°C烧结在力敏弹性体上的。上述方案中，所述传感器四个应变电阻所串联成的激光零位修调电阻还设置有用来克服温度飘移的PTC电阻和NTC电阻，以降低传感器的温度飘移。上述方案中，所述测力杆轴心与正反面四个应变电阻轴心相垂直。用来克服测力部件在感知张力信号后不与条状弹性体上的应变电阻形成一个分力，传感器的输出信号将产生较大偏差，从而使线性精度及灵敏度产生较大影响。本实用新型所述的高性能陶瓷张力传感器由于是桥路输出形式，通过信号调理电路，可以将张力信号转换为I2C数字信号和0-5V电压信号、PWM脉宽控制信号以及电流信号输出并可以通过张力控制器自带RS-232、IEEE485通信口和RF射频功率模块实现张力信号无线远传等功能，实现工业自动化控制、地震预报等物联网信息传送和控制等功能。
以下结合附图和具体实施方式
来进一步说明本实用新型。图I为本实用新型所述陶瓷张力传感器侧面结构示意图。图2为本实用新型所述陶瓷张力传感器正面结构示意图。 图3为本实用新型所述张力传感器中通孔图形结构图。图4为本实用新型制备张力传感器时专门设计的负压控制器示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。如图I和图2所示，本实用新型所述的高性能陶瓷张力传感器，包括测力杆3、条状陶瓷片I以及陶瓷固定座2。其中，条状陶瓷片I采用线膨胀系数小、物理(电学、力学)和化学稳定性高的三氧化二铝陶瓷。并且条状陶瓷片正面粘接测力杆3，背面粘接弹性体陶瓷固定座2。形成从陶瓷固定座2到测力杆3之间的力矩。另外，条状陶瓷片I作为一力敏弹性体，可以采用96%三氧化二铝条状陶瓷弹性体，其厚度根据张力范围确定，一般在0. 12-1. 2mm范围内。该力敏弹性体正反面各设置两个应变电阻(4、5)，同时通过力敏弹性体上设置的通孔将这四个应变电阻(4、5)互联形成一个惠斯顿电桥；并通过激光修调系统将惠斯顿电桥调至零位(0-0. 5mV)。这是国内外各种张力传感器所不能实现的桥路低零位输出。需要指出的是这四个应变电阻为电阻浆料采用精密Hybrid工艺在850°C烧结在力敏弹性体上的。这样一来，当测力杆感知张力信号后，三氧化二铝条状陶瓷弹性体会产生微量形变，此时正面两个桥路电阻由于拉伸而使阻值增大、反之反面两个桥路电阻由于压缩阻值减小，必须着重说明的是在张力作用下条状陶瓷弹性体的形变所导致的正反面四个桥路电阻的变化规律完全是与张力大小精密线性相关的。在一个闭合惠斯顿电桥回路中当桥路对应两端施加激励电压，而桥路另对应两端就会输出与张力大小精密线性相关的输出电压，从而实现物理量的线性转换。还有为最大限度降低传感器的温度飘移，传感器还设置了 PTC电阻6和NTC电阻7，从而实现温度系数高精度补偿。当然，测力杆是感知张力信号的核心部件。在结构设计中确保测力杆轴心与正反面四个桥路电阻轴心相垂直且力矩相等。同时必须确保张力信号垂直作用于传感器正反两面设计的桥路电阻上。这样使传感器粘接后，通过夹具定位确保了每一个张力传感器有相同的输出特性和良好的粘接强度。[0024]另外，传感器陶瓷固定座是确保张力传感器与测力杆符合设计要求的力矩和安装要求。确保了张力传感器安装尺寸的一致性和输出特性一致性。至于张力传感器中张力-输出电压曲线。它的输出特性曲线符合下述线性方程Y = a+bx。在本实用新型中，通孔图形设计和工艺技术是确保传感器线性精度和高灵敏度的关键，在设计和实施过程中采用如下方案如图3所示，在丝网印刷机工作台301面上，在型材302的对应点开设通孔。并通过专门设计的负压控制器来控制真空负压，若负压太大则通孔浆料吸入太快，难以使基片内孔均匀覆盖，达不到通孔目的；反之由于真空负压太小，真空吸入太慢，亦很难使基片通孔内壁吸入浆料，同样达不到通孔目的。如图4所示的负压控制器，图中真空负压输入端403接真空泵、真空负压输出端404接印刷机工作台面301上。调节螺栓401是真空负压调节螺栓，它是尖形螺栓，当调节螺栓向下调节时，由于与真空腔体间隙减小真空阻力增大负压减小，反之负压增大。图中锁紧螺母402是用于负压调节螺栓的锁定。另外，在图3中，Rl为基片通孔半径，它由激光打孔或基片生料烧结前用模具冲孔。h为基片厚度，R为通孔焊盘半径。为了确保正反面通孔与传感器连接导带有良好的电连接，设计时则R ^ R1，如导带带宽为IOmils, Rl = 25mils, R = 45mils。丝网印刷通孔图形设计符合下述公式A= O R2- 31 Rl2) +2 JI Rlh在实际设计时由于网版的开口率与丝网网布线径影响，都难以保证当印刷机刮刀将浆料均匀通过通孔图形转印到基片通孔处，在真空负压作用下浆料沿着通孔四壁流动，设计的期望值是浆料最好流动到反面通孔基片另一截面端，如果设计R值太大，则通孔截面端由于浆料太多而滴向真空系统或污损基片通孔反面。通过试验在上式(2 Rlh)前面乘2/3则可以达到通孔设计期望值。即A = JI (R2-Rl2) +1. 33 Ji Rlh式中A通孔焊盘面积通过对四个通孔工艺试验，确定了图形设计和丝网印刷工艺参数调正，使通孔率达到99%。以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求1.高性能陶瓷张力传感器，包括测力杆、条状陶瓷片以及陶瓷固定座；其特征在于，所述条状陶瓷片正面粘接测力杆，背面粘接弹性体陶瓷固定座；所述条状陶瓷片作为从陶瓷固定座到测力杆之间的力矩；所述条状陶瓷片为一力敏弹性体，该力敏弹性体正反面各设置两个应变电阻，同时通过力敏弹性体上设置的通孔将这四个应变电阻互联形成一个惠斯顿电桥；并通过激光修调系统将惠斯顿电桥调至零位；所述测力杆感知张力信号后，通过使力敏弹性体产生微量形变，从而使得整个张力传感器通过电桥输出与张力信号精密线性相关的毫伏级线性电压。
2.根据权利要求I的高性能陶瓷张力传感器，其特征在于，所述传感器四个应变电阻所串联成的激光零位修调电阻还设置有用来克服温度飘移的PTC电阻和NTC电阻。
3.根据权利要求I的高性能陶瓷张力传感器，其特征在于，所述测力杆轴心与正反面四个应变电阻轴心相垂直。
专利摘要本实用新型公开了一种高性能陶瓷张力传感器。该传感器包括测力杆、条状陶瓷片以及陶瓷固定座。所述条状陶瓷片正面粘接测力杆，背面粘接弹性体陶瓷固定座；所述条状陶瓷片作为从陶瓷固定座到测力杆之间的力矩；所述条状陶瓷片为一力敏弹性体，该力敏弹性体正反面各设置两个应变电阻，同时通过力敏弹性体上设置的通孔将这四个应变电阻互联形成一个惠斯顿电桥；并通过激光修调系统将惠斯顿电桥调至零位；所述测力杆感知张力信号后，通过使力敏弹性体产生微量形变，从而使得整个张力传感器通过电桥输出与张力信号精密线性相关的毫伏级线性电压。
文档编号G01L1/22GK202393535SQ201120553280
公开日2012年8月22日 申请日期2011年12月27日 优先权日2011年12月27日
发明者徐兴才, 徐雷, 江波, 沈永红 申请人:无锡市中昊微电子有限公司