钢基小量程纳米薄膜弹性体、制造方法及压力传感器与流程

本发明涉及压力传感器，具体而言，涉及钢基小量程纳米薄膜弹性体、制造方法及压力传感器。

背景技术：

1、金属钢基溅射薄膜压力传感器是压力传感器领域的新星，它具有精度高、稳定性好、工作温度范围宽、可以测量超大量程等优点，广泛应用于石化、工程机械、电力等多个领域。

2、但现有技术中金属钢基溅射薄膜压力传感器实现小量程的测量极其困难，原因是离子溅射镀膜时对膜片表面光洁度要求10纳米级以上，同时小量程在膜片厚度方面要求以“薄”为基准，越薄测量的压力就越小，灵敏度跟芯体的膜厚成正比，因此对弹性体加工时，无法使弹性体膜片加工成非常小的厚度，如0.1毫米；即使将弹性膜片能加工不小于0.1毫米的厚度，在弹性体后续加工过程中，对弹性膜片研抛时，由于弹性膜片太薄容易凹陷和穿孔，无法在弹性膜片表面镀膜光刻制造应变电路。因此，溅射薄膜压力传感器无法制造高精度的小量程(如小于0.5mpa)压力传感器，限制了产品在许多领域如轨道交通、新能源车辆的推广应用。

技术实现思路

1、为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供钢基小量程纳米薄膜弹性体、制造方法及压力传感器，通过有限元分析计算将弹性体分为两部分加工，能够解决弹性体加工难的问题同时实现大小量程兼容，并能精确计算受力从而确定惠斯通电桥分布位置，获得高精度高灵敏性压力传感器，增加压力传感器的应用场景。

2、本发明的实施例是这样实现的：

3、本申请实施例提供钢基小量程纳米薄膜弹性体，弹性体包括钢基弹性座和环形弹性梁，所述环形弹性梁固定于所述钢基弹性座的顶部；

4、所述钢基弹性座呈底部开孔的圆柱体结构，所述钢基弹性座的顶部设有弹性膜片，所述弹性膜片位于孔内一侧的中心位置设有圆形凸台；

5、所述环形弹性梁包括定位圆环和m型应变梁，所述m型应变梁横向穿过所述定位圆环的圆心，且所述m型应变梁的中心支柱位于所述圆形凸台的正上方，所述定位圆环与所述m型应变梁顶部设有应变膜片，所述应变膜片上设有用于产生电信号的惠斯通电桥。

6、在本发明的一些实施例中，所述惠斯通电桥包括两个边缘应变电阻和两个中心应变电阻，两个所述边缘应变电阻分别设于所述应变膜片的两侧压缩位，两个所述中心应变电阻分别设于所述应变膜片的两侧拉伸位。

7、在本发明的一些实施例中，所述惠斯通电桥通过离子溅射技术光刻于所述应变膜片上。

8、在本发明的一些实施例中，所述定位圆环通过激光焊接的方式与所述钢基弹性座的顶部连接，所述m型应变梁的三个支柱通过焊接的方式与所述弹性膜片连接。

9、在本发明的一些实施例中，所述弹性膜片的厚度≤0.1mm。

10、在本发明的一些实施例中，所述钢基弹性座的顶部边缘设有环形定位凸台，所述环形弹性梁的底部边缘设有环形定位槽，所述环形定位凸台与所述环形定位槽相适配。

11、本申请实施例还提供钢基小量程纳米薄膜弹性体的制造方法，包括如下步骤：

12、通过有限元分析计算建立钢基弹性座模型和环形弹性梁模型，并将所述钢基弹性座模型和所述环形弹性梁模型合二为一形成完整的弹性体；

13、对所述弹性体的底部模拟压强力的传输，并将应力集中划分至所述环形弹性梁模型上，确定应变膜片上产生的敏感体变形位置，其中所述敏感体变形位置包括拉伸位和压缩位；

14、依据所述拉伸位和所述压缩位确定惠斯通电桥的应变电阻分布位置；

15、对所述钢基弹性座模型和所述环形弹性梁模型分别进行加工成型，获得钢基弹性座和环形弹性梁，并将所述环形弹性梁与所述钢基弹性座通过焊接的方式连接；

16、对所述环形弹性梁的应变膜片依次进行研磨、抛光及镀膜光刻，形成惠斯通电桥，以获得完整的弹性体。

17、本申请实施例还提供钢基小量程纳米薄膜压力传感器，包括阻尼螺塞、六方引压嘴、转接板安装支架、转接板、调理电路板、四芯航插公端和弹性体，所述阻尼螺塞设于所述六方引压嘴的引压通道内，所述弹性体设于所述六方引压嘴的顶部凸台位置，所述转接板安装支架设于所述六方引压嘴的周侧，所述转接板安装于所述转接板安装支架上；所述调理电路板设于所述弹性体的上方，并通过信号线与所述弹性体上的惠斯通电桥连接。

18、在本发明的一些实施例中，所述六方引压嘴的六方座内侧开设有环形的应力消减槽，所述应力消减槽的槽深与所述钢基弹性座的厚度一致。

19、在本发明的一些实施例中，还包括保护罩，所述保护罩设于所述四芯航插公端的外部。

20、相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：

21、本发明的实施例提出了钢基小量程纳米薄膜弹性体、制造方法及压力传感器，弹性体包括钢基弹性座和环形弹性梁，所述环形弹性梁固定于所述钢基弹性座的顶部；所述钢基弹性座呈底部开孔的圆柱体结构，所述钢基弹性座的顶部设有弹性膜片，所述弹性膜片位于孔内一侧的中心位置设有圆形凸台；所述环形弹性梁包括定位圆环和m型应变梁，所述m型应变梁横向穿过所述定位圆环的圆心，且所述m型应变梁的中心支柱位于所述圆形凸台的正上方，所述定位圆环与所述m型应变梁顶部设有应变膜片，所述应变膜片上设有用于产生电信号的惠斯通电桥。将弹性体分为钢基弹性座和环形弹性梁两部分，分别进行加工，控制钢基弹性座和环形弹性梁膜片厚度，通过有限元分析软件对其进行受力分析，精确计算形变量及其形变位置，从而确定光刻应变电阻的分布位置，能够获得高精度高灵敏度的弹性体，后续加工无需对弹性体的弹性膜片进行研磨抛光，因此不会受到表面凹陷困扰，解决了现有技术中对弹性体膜片加工难易损坏，且无法获得小量程传感器的问题，采用上述弹性体的压力传感器能够实现对小量程的使用，攻克了目前钢基生产小量程弹性体的难题，使的压力传感器的应用领域更广。

技术特征：

1.钢基小量程纳米薄膜弹性体，其特征在于，弹性体包括钢基弹性座和环形弹性梁，所述环形弹性梁固定于所述钢基弹性座的顶部；

2.根据权利要求1所述的钢基小量程纳米薄膜弹性体，其特征在于，所述惠斯通电桥包括两个边缘应变电阻和两个中心应变电阻，两个所述边缘应变电阻分别设于所述应变膜片的两侧压缩位，两个所述中心应变电阻分别设于所述应变膜片的两侧拉伸位。

3.根据权利要求2所述的钢基小量程纳米薄膜弹性体，其特征在于，所述惠斯通电桥通过离子溅射技术光刻于所述应变膜片上。

4.根据权利要求1所述的钢基小量程纳米薄膜弹性体，其特征在于，所述定位圆环通过激光焊接的方式与所述钢基弹性座的顶部连接，所述m型应变梁的三个支柱通过焊接的方式与所述弹性膜片连接。

5.根据权利要求1所述的钢基小量程纳米薄膜弹性体，其特征在于，所述弹性膜片的厚度≤0.1mm。

6.根据权利要求1所述的钢基小量程纳米薄膜弹性体，其特征在于，所述钢基弹性座的顶部边缘设有环形定位凸台，所述环形弹性梁的底部边缘设有环形定位槽，所述环形定位凸台与所述环形定位槽相适配。

7.如权利要求1-6任一项所述的钢基小量程纳米薄膜弹性体的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

8.钢基小量程纳米薄膜压力传感器，包含如权利要求1-6任一项所述的弹性体，其特征在于，包括阻尼螺塞、六方引压嘴、转接板安装支架、转接板、调理电路板、四芯航插公端和弹性体，所述阻尼螺塞设于所述六方引压嘴的引压通道内，所述弹性体设于所述六方引压嘴的顶部凸台位置，所述转接板安装支架设于所述六方引压嘴的周侧，所述转接板安装于所述转接板安装支架上；所述调理电路板设于所述弹性体的上方，并通过信号线与所述弹性体上的惠斯通电桥连接。

9.根据权利要求8所述的压力传感器，其特征在于，所述六方引压嘴的六方座内侧开设有环形的应力消减槽，所述应力消减槽的槽深与所述钢基弹性座的厚度一致。

10.根据权利要求8所述的压力传感器，其特征在于，还包括保护罩，所述保护罩设于所述四芯航插公端的外部。

技术总结
本发明提出了钢基小量程纳米薄膜弹性体、制造方法及压力传感器，涉及压力传感器领域。弹性体包括钢基弹性座和环形弹性梁，环形弹性梁固定于钢基弹性座的顶部；钢基弹性座的顶部设有弹性膜片，弹性膜片位于孔内一侧的中心位置设有圆形凸台；环形弹性梁包括定位圆环和M型应变梁，M型应变梁横向穿过定位圆环的圆心，且M型应变梁的中心支柱位于圆形凸台的正上方，定位圆环与M型应变梁顶部设有应变膜片，应变膜片上设有用于产生电信号的惠斯通电桥。将弹性体分为两部分分别进行加工，控制钢基弹性座和环形弹性梁膜片厚度，通过有限元分析软件对其进行受力分析，精确计算形变量及其形变位置，实现对小量程的使用，使压力传感器的应用领域更广。

技术研发人员：范敏,雷卫武,徐承义,杨雪梅
受保护的技术使用者：松诺盟科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12