一种可适应月面环境的薄膜溅射力传感器的制造方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种力传感器，特别涉及一种薄膜溅射力传感器。
【背景技术】
[0002] 一般应变式力传感器的最低使用温度为-50°c，如贴片式力传感器在-50°c以下 时，往往会因粘贴胶发脆而失效或者性能下降，具体体现就是会引起大的温度漂移和测试 误差。针对月面温度变化范围较宽的应用环境，常用应对措施是增加复杂的温度补偿电路， 但即便如此，也很难实现宽温下的精确测量，目前能达到的补偿温度区间是-20°C~50°C。
[0003] 薄膜溅射技术是一种利用低能加速器轰击，动能转换搬迀原子淀积薄膜技术，薄 膜溅射技术将纳米薄膜应变电阻直接制作在与金属弹性体紧密结合在绝缘膜上，实现了敏 感元件与绝缘膜、金属弹性体和绝缘膜的原子结合薄膜溅射技术，常用于测量液体、气体压 强的传感器。相对于贴片式应变力传感器，薄膜溅射力传感器虽然应变系数较低，但具有线 性度好、精度高、稳定性强、耐腐蚀、温度特性较好等特点，经环境试验验证，薄膜溅射力传 感器能满足宽温度范围（_198°C~200°C)下的应用，如低温状态下液态氧、液态氮、液态氢 等冷却罐，低温储罐、推进剂等舱体内的压力测量以及高温状态、月面恶劣环境，航空航天 发动机测试、战车发动机及石油行业高温条件下力的测量。现有技术没有利用薄膜溅射技 术测量轴向拉力的传感器。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是：克服现有技术不足，提供一种用于测量轴向拉力的 薄膜溅射力传感器。
[0005] 本发明所采用的技术方案是：
[0006] -种可适应月面环境的薄膜溅射力传感器，其特征在于，包括传感器单元，传感器 单元包括连接端、接线端子座、引线插针和弹性体；
[0007] 弹性体为凸字形的阶梯圆柱台，包括粗圆柱台和细圆柱台；接线端子座为与弹性 体同轴的回转体，沿中轴设有端子座通孔，细圆柱台穿过端子座通孔，与连接端的一端连 接，连接端用于向弹性体施加轴向拉力，粗圆柱台与接线端子座的一端固定连接;接线端子 座的另一端围绕端子座通孔设有环形凹槽；
[0008] 弹性体的粗圆柱台外端面设有相对粗圆柱台圆形截面的中心对称的电阻应变栅 图形薄膜，电阻应变栅图形薄膜包括沿圆弧方向延伸的第一电阻桥臂、第二电阻桥臂、第三 电阻桥臂和第四电阻桥臂，第一电阻桥臂和第三电阻桥臂的圆弧相对，圆弧半径均为rl，弧 度相同，阻值分别为R6、R8,第二电阻桥臂和第四电阻桥臂的圆弧相对，圆弧半径均为r2,弧 度相同，阻值分别为1?7、1?9^142;第一电阻桥臂和第四电阻桥臂敏感方向一致，第二电阻 桥臂和第三电阻桥臂的敏感方向一致，第一电阻桥臂和第二电阻桥臂的敏感方向相反;第 一电阻桥臂、第二电阻桥臂、第三电阻桥臂和第四电阻桥臂两端均引出电极，第一电阻桥臂 和第二电阻桥臂串联，之间设有焊盘S1 +，第一电阻桥臂的另一端设有焊盘VI-，第二电阻桥 臂的另一端设有焊盘V1 +，第三电阻桥臂和第四电阻桥臂串联，之间设有焊盘S2+，第三电阻 桥臂的另一端设有焊盘V2-和第四电阻桥臂的另一端设有焊盘V2+;弹性体受到轴向拉力 时，第一电阻桥臂、第二电阻桥臂、第三电阻桥臂和第四电阻桥臂产生径向变形;接线端子 座的环形凹槽的内端面上设有6个安装通孔，6个引线插针分别穿过安装通孔将焊盘S1 +、焊 盘S2+、焊盘V1 +、焊盘V2+、焊盘VI-、焊盘V2-引出与外界连接，焊盘V1+和焊盘V2+相连，焊盘 VI-和焊盘V2-相连，焊盘V1+和焊盘V2+的公共端与焊盘VI-和焊盘V2-的公共端与直流电源 连接，通过测量焊盘S1+和焊盘S2+之间的差分电压变化，得到连接端的轴向力。
[0009] 所述薄膜溅射力传感器还包括电路板和电缆，电路板在接线端子座上的环形凹槽 中，所述引线插针将焊盘S1 +、焊盘S2+、焊盘V1 +、焊盘V2+、焊盘VI-、焊盘V2-引出分别与电 路板上的相应的焊盘S1+'、焊盘S2+'、焊盘V1+'、焊盘V2+'、焊盘VI-'、焊盘V2-'相连接；
[0010] 电路板上焊盘V1 + '和焊盘V2+ '相连接，其公共端与电源正线端连接，焊盘S2+ '与 输出信号端S+连接，焊盘S1+'与输出信号端S-连接，焊盘VI-'和焊盘V2-'相连接，其公共端 与电源回线端连接；
[0011]电缆的一端与电源正线端、输出信号端S+、输出信号端s-和电源回线端连接，另一 端与外界连接。
[0012] 所述第一电阻桥臂、第二电阻桥臂、第三电阻桥臂和第四电阻桥臂均为沿圆弧方 向延伸的折线。
[0013] 所述第一电阻桥臂和第三电阻桥臂的弧度为180°，第二电阻桥臂和第四电阻桥臂 的弧度为88°~92°。
[0014] 所述 R6、R7、R8 和 R9 满足
[0015]所述电阻应变栅图形薄膜中相邻折线呈13°~17°角。
[0016]所述粗圆柱台绕上与细圆柱台连接的一周还设有圆环槽。
[0017] 所述电路板上还有电阻1?1、1?2、1?3、1?4和1?5;1?1用于灵敏度补偿，1?1连接在￥1+'和焊 盘V2+'的公共端与电源正线端之间；1?2、1?3、1?4、1?5用于补偿零点偏差，1?2、1?并联之后连接 在焊盘S2+'和输出信号端S+之间，R4、R5并联之后连接在焊盘S1+'与输出信号端S-之间。
[0018] 所述细圆柱台与连接端螺纹连接，所述薄膜溅射力传感器还包括端盖和圆柱销， 圆盘形的端盖盖在接线端子座一端与环形凹槽形成封闭腔体，端盖中间设有供连接端穿过 的圆形通孔，圆形通孔的两侧分别开有凹槽;圆柱销沿径向穿过连接端，圆柱销的两端卡入 端盖上的凹槽中。
[0019] 所述传感器单元有两个，两个传感器单元的接线端子座分别固连于圆筒状的外壳 两端，形成封闭腔体，两个粗圆柱台在封闭腔体中，位置相对，不相互接触;外壳与两个弹性 体同轴。
[0020] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0021 ] 1)本发明将弹性体受到的轴向力，通过弹性体的变形，转换为弹性体上的电阻桥 臂的变形，然后转换为电阻桥臂阻值的变化，进而转换为输出电压的变化，从而测量轴向 力，溅射加工的电阻桥臂为平面薄膜结构形式，不易受非轴向力的干扰，因此，在运输、安 装、使用过程中力传感器结构不易受到外界非轴向力的作用而改变力的测试性能，具有较 高的稳定性与测试精度；
[0022] 2)本发明在工作温度区间较大的应用环境下，不易于产生滞后、蠕变等现象，适用 于月面环境探测；
[0023] 3)本发明的质量轻，同比于市场上同量程的力传感器，重量减轻了 4/5;
[0024] 4)采用主、备份相互对立的冗余设计方式，设置两个传感器单元，避免在单份失效 的条件下影响任务的成败，有效地解决了航天型号产品高可靠性的要求。
【附图说明】
[0025]图1为本发明薄膜溅射力传感器示意图；
[0026]图2为本发明薄膜溅射力传感器剖视图；
[0027]图3为本发明传感器组件结构图；
[0028]图4为本发明传感器单元仰视图；
[0029] 图5为本发明图4中传感器单元的A-A剖视图；
[0030] 图6为本发明接线端子座第一轴测图；
[0031] 图7为本发明接线端子座第二轴测图；
[0032]图8为本发明弹性体侧面剖视图；
[0033]图9为本发明引线插针的结构图；
[0034] 图10为本发明引线端子绝缘座的剖视图；
[0035] 图11为本发明引线端子绝缘座的俯视图；
[0036]图12为本发明外壳的剖视图；
[0037]图13为本发明电路板的俯视图；
[0038] 图14为本发明电路板的侧面剖视图；
[0039] 图15为本发明电路板保护垫的俯视图；
[0040] 图16为本发明电路板保护垫的侧面剖视图；
[0041 ]图17为本发明销孔端的剖视图；
[0042]图18为本发明螺纹孔端的正面剖视图；
[0043]图19为本发明螺纹孔端侧面的剖视图；
[0044]图20为本发明端盖的俯视图；
[0045] 图21为本发明端盖的侧面剖视图；
[0046] 图22为本发明弹性体的俯视图；
[0047]图23为本发明电路板上的信号转接电路原理