CN105004456B

CN105004456B - 基于非晶材料的高性能薄膜压力传感器

Info

Publication number: CN105004456B
Application number: CN201510504653.8A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Beijing Zhonghang Xingsheng Measurement And Control Technology Co Ltd
Current assignee: Suno Alliance Technology Co., Ltd.
Priority date: 2015-08-18
Filing date: 2015-08-18
Publication date: 2017-10-17
Anticipated expiration: 2035-08-18
Also published as: CN105004456A

Abstract

本发明公开了一种基于非晶材料的高性能薄膜压力传感器，包括一个受力支撑座，一个焊接在所述受力支撑座底部凹槽内的应变弹性膜片，一个固定于所述受力支撑座内部的转换电路板，其特征在于，所述应变弹性膜片是采用大片非晶材料通过真空镀膜工艺在其上形成敏感电阻构成惠斯通电桥电路，使用机械冲压或激光切割的办法而分离的弹性体。由于弹性体材料采用了非晶材料，其杨氏模量比17‑4PH弹性体材料小很多，传感器灵敏度系数得到提高。另外，由于采用大片非晶材料批量化生产弹性体，生产效率高，生产成本低，并保留了薄膜压力传感器的优良性能，产品在机械、石化、汽车、食品、制药、冶金等领域得到广泛应用。

Description

基于非晶材料的高性能薄膜压力传感器

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，尤其涉及一种采用非晶材料为弹性敏感元件的高性能薄膜压力传感器。

背景技术

薄膜压力传感器是一种性能优良的压力传感器，它具有综合精度高、工作温度范围宽、稳定性好、耐腐蚀等优良特点，在武器装备、航空航天、石油化工、核工业、冶金等多个领域得到应用。

目前，薄膜压力传感器的敏感电阻主要采用镍铬合金等材料制成，应变因子不高于2.5，传感器的灵敏度不高，这样传感器的抗干扰能力差，限制了这类压力传感器在恶劣环境下使用。

另外，现有的薄膜压力传感器如图1所示，顺次包括弹性体1，电路板支架3，转换电路板4组成。所述的现有技术薄膜压力传感器的弹性体1的加工工艺主要有研磨抛光、镀膜、光刻。研磨抛光工艺是采用机械的办法一次性不多于150个所述弹性体1同时进行，完成全部研磨抛光工作需要约8小时。镀膜工艺一次性只能对100个左右已研磨抛光合格的所述弹性体1进行，每次完成全部镀膜工作10小时以上。光刻工艺对已完成镀膜工艺的所述弹性体1进行，只少需要二次光刻，第一次光刻一次性可对10个左右的已完成镀膜工艺的所述弹性体1同时进行，第二次光刻一次只能对一个完成了第一次光刻的所述弹性体1进行。以上主要生产工艺生产效率低，这样造成了产品生产成本高，无法在民用领域得到广泛应用。

因此，开发一种灵敏度高、生产效率高、成本低的高性能薄膜压力传感器极其重要。

采用非晶材料作为弹性体，同时使用大张弹性体膜片一次性批量生产的方法制造的基于非晶材料的薄膜压力传感器能解决上述存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于非晶材料的高性能薄膜压力传感器，针对现有技术的不足，解决薄膜压力传感器灵敏度不高且生产效率低、成本高的问题，实现在恶劣环境下对压力的精确测量以及在民用领域广泛使用的目的。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：一种基于非晶材料的高性能薄膜压力传感器，包括一个受力支撑座，一个焊接在所述受力支撑座底部凹槽内的应变弹性膜片，一个固定于所述受力支撑座内部的转换电路板，其特征在于，所述应变弹性膜片是采用大片非晶材料通过真空镀膜工艺在所述大片非晶材料上形成敏感电阻构成惠斯通电桥电路，使用机械冲压或激光切割的办法而分离的弹性体。

所述大片非晶材料是由Ti_xZr_yHf_zCu_hNi_mSi_nRe_p组成或者由Zr_xAl_yHf_zNi_mCu_nRe_p组成，Re是稀土元素Dy、Tb、Y、La、Nd、Sm、Ce中一种。

所述Ti_xZr_yHf_zCu_hNi_mSi_nRe_p的各元素组成成份原子百分比是35％≤x≤39％，2.5％≤y≤3.5％，3.5％≤z≤5.5％，35.5％≤h≤40.5％，5.5％≤m≤8％，4.5％≤n≤6.5％，p＝1-x-y-z-h-m-n。

所述Zr_xAl_yHf_zNi_mCu_nRe_p的各元素组成成份原子百分比是45％≤x≤55％，7.5％≤y≤11.5％，3.8％≤z≤5.8％，13.5％≤m≤15.5％，13.5％≤n≤15.5％，p＝1-x-y-z-m-n。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：由于弹性体材料采用了非晶材料，其杨氏模量比17-4PH弹性体材料小很多，而此类压力传感器的灵敏度系数与杨氏模量的平方根成反比，因此采用非晶材料为弹性体的压力传感器灵敏度系数得到提高，进而抗干扰能力得到提高。

另外，采用大片非晶材料做弹性体，其表面粗糙度小，无需进行研磨抛光就可以镀膜，省去研磨抛光工艺，节省生产时间。将大片非晶弹性体材料切割成4英寸、6英寸、8英寸、12英寸大小的膜片，以4英寸大片非晶材料为例：清洗后可以同时对4片所述4英寸大片非晶材料进行镀膜，而一片所述4英寸大片非晶材料上至少可以生成直径7.5毫米的应变弹性膜片120片，这样一次镀膜至少得到480片所述的应变弹性膜片，大大提高镀膜效率。镀膜完成后一次性对4英寸所述非晶弹性体膜片进行光刻，这样一次可以光刻生成120片所述应变弹性膜片，大大提高光刻效率。

通过上述工艺后，薄膜压力传感器的灵敏度和生产效率提高，生产成本下降，而其它薄膜压力传感器的优良性能得到保留。

本发明的基于非晶材料的高性能薄膜压力传感器的主要性能指标如下：

测量范围：0～0.05～150MPa 综合精度：0.05％FS～0.5％FS

介质温度范围：-200℃～300℃ 灵敏度系数：≥6mV/V

零点温度漂移：≤±0.002％FS/℃ 长期稳定性：≤±0.1％FS/年

本发明解决了现有薄膜压力传感器灵敏度低，抗干扰能力不强，不适应恶劣环境下对压力进行精确测量的问题，同时解决了薄膜压力传感器生产效率低，成本高，不能在民用领域普遍推广应用的问题。

附图说明

图1为现有技术的薄膜压力传感器的结构示意图。

图2为本发明的基于非晶材料的高性能薄膜压力传感器的结构示意图。

图3为本发明的基于非晶材料的高性能薄膜压力传感器的大片非晶材料上分布的应变弹性膜片示意图。

具体实施方式

如图1所示，现有技术的薄膜压力传感器顺次包括弹性体1，电路板支架3，转换电路板4组成。其中所述电路板支架3焊接在所述弹性体1外周，而所述转换电路板4安装在所述电路板支架3内。

现有技术的薄膜压力传感器的弹性体1通常为17-4PH材料，其杨氏模量常温下约为200Gpa。所述弹性体1加工工艺主要有研磨抛光、镀膜、光刻。研磨抛光工艺是采用机械的方法一次性不多于150个所述弹性体1同时进行，完成全部研磨抛光工作需要约8小时。镀膜工艺一次性只能对100个左右已研磨抛光合格的所述弹性体1进行，每次完成全部镀膜工作10小时以上。光刻工艺对已完成镀膜工艺的所述弹性体1进行，只少需要二次光刻，第一次光刻一次性可对10个左右的已完成镀膜工艺的所述弹性体1同时进行，第二次光刻一次只能对一个完成了第一次光刻的所述弹性体1进行。通过光刻后，在所述弹性体1的弹性应变面形成了敏感电阻2，通过压焊引线的方式在所述敏感电阻2的焊盘上引出内引线5，并将所述内引线5连接在所述转换电路板4的焊盘上，从所述转换电路板4的焊盘上引出外引线6。通过所述外引线6将传感器的信号引出。

综上所述，现有薄膜压力传感器由于弹性体杨氏模量高，灵敏度系数低，产品抗干扰能力差。而且现有薄膜压力传感器由于弹性体生产效率低，产品生产成本高，虽然产品综合性能好，但限制了在民用领域的广泛应用。

如图2所示，本发明的基于非晶材料的高性能薄膜压力传感器，包括一个底部开有圆形凹槽的受力支撑座11，一个焊接在所述受力支撑座11底部凹槽内的应变弹性膜片13，一个固定于所述受力支撑座11内部的转换电路板14。

所述应变弹性膜片13是采用公知的非晶带材料制造工艺制造且切割成4英寸、6英寸、8英寸、12英寸大小的膜片。在制造所述非晶带材料时，其元素组成是Ti_xZr_yHf_zCu_hNi_mSi_nRe_p或者Zr_xAl_yHf_zNi_mCu_nRe_p，Re是稀土元素Dy、Tb、Y、La、Nd、Sm、Ce中一种。所述Ti_xZr_yHf_zCu_hNi_mSi_nRe_p的各元素原子百分比是35％≤x≤39％，2.5％≤y≤3.5％，3.5％≤z≤5.5％，35.5％≤h≤40.5％，5.5％≤m≤8％，4.5％≤n≤6.5％，p＝1-x-y-z-h-m-n。所述Zr_xAl_yHf_zNi_mCu_nRe_p的各元素原子百分比是45％≤x≤55％，7.5％≤y≤11.5％，3.8％≤z≤5.8％，13.5％≤m≤15.5％，13.5％≤n≤15.5％，p＝1-x-y-z-m-n。通过上述方法制造的非晶带材料，其杨氏模量为28Gpa，这样其灵敏度系数是17—4PH材料的几倍，提高了传感器的灵敏度，进而提高了传感器的抗干扰能力。

如图3所示，以4英寸大片非晶材料17为例进行说明。由于所述大片非晶材料17表面粗糙度小，无需进行研磨抛光就可以镀膜。对所述大片非晶材料17清洗后可以同时对4片所述大片非晶材料17进行镀膜，而一片所述大片非晶材料17上至少可以生成120片直径7.5毫米的应变弹性膜片13，这样一次镀膜至少得到480片所述的应变弹性膜片13，大大提高镀膜效率。

镀膜完成后一次性对所述大片非晶材料17进行光刻，这样一次可以光刻生成120片所述应变弹性膜片13，大大提高光刻效率。

光刻完成后，使用机械冲压或激光切割的办法把所述大片非晶材料17分离成所述应变弹性膜片13。然后把所述应变弹性膜片13焊接在所述受力支撑座11的底部凹槽内。

光刻完成后，所述应变弹性膜片13上已形成了四个敏感电阻12，并且组成了一个惠斯通电桥电路。通过压焊引线的方式在所述敏感电阻12的焊盘上引出内引线15，并将所述内引线15连接在所述转换电路板14的焊盘上，从所述转换电路板14的焊盘上引出外引线16，通过所述外引线16将传感器的信号引出。

由于弹性体材料采用了非晶材料，其杨氏模量比17-4PH弹性体材料小很多，因此采用非晶材料为弹性体的压力传感器灵敏度系数得到提高，进而提高了抗干扰能力。又由于采用了批量镀膜、光刻工艺，提高了生产效率，降低了生产成本。解决了现有技术薄膜压力传感器不适应恶劣环境下对压力进行精确测量以及不能在民用领域广泛推广应用的问题。

以上所述，仅是本发明的较佳实施方式，不应被视为对本发明范围的限制，而且本发明所主张的权利要求范围并不局限于此，凡熟悉此领域技艺的人士，依照本发明所披露的技术内容，可轻易思及的等效变化，均应落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种基于非晶材料的高性能薄膜压力传感器，包括一个受力支撑座(11)，一个焊接在所述受力支撑座(11)底部凹槽内的应变弹性膜片(13)，一个固定于所述受力支撑座(11)内部的转换电路板(14)，其特征在于，所述应变弹性膜片(13)是采用大片非晶材料(17)通过真空镀膜工艺在所述大片非晶材料(17)上形成敏感电阻(12)构成惠斯通电桥电路，使用机械冲压或激光切割的办法而分离的弹性体。

2.如权利要求1所述的基于非晶材料的高性能薄膜压力传感器，其特征在于，所述大片非晶材料(17)是由Ti_xZr_yHf_zCu_hNi_mSi_nRe_p组成或者由Zr_xAl_yHf_zNi_mCu_nRe_p组成，Re是稀土元素Dy、Tb、Y、La、Nd、Sm、Ce中一种。

3.如权利要求2所述的基于非晶材料的高性能薄膜压力传感器，其特征在于，所述Ti_xZr_yHf_zCu_hNi_mSi_nRe_p的各元素组成成份原子百分比是35％≤x≤39％，2.5％≤y≤3.5％，3.5％≤z≤5.5％，35.5％≤h≤40.5％，5.5％≤m≤8％，4.5％≤n≤6.5％，p＝l-x-y-z-h-m-n。

4.如权利要求2所述的基于非晶材料的高性能薄膜压力传感器，其特征在于，所述Zr_xAl_yHf_zNi_mCu_nRe_p的各元素组成成份原子百分比是45％≤x≤55％，7.5％≤y≤11.5％，3.8％≤z≤5.8％，13.5％≤m≤15.5％，13.5％≤n≤15.5％，p＝l-x-y-z-m-n。