一种传感器用电阻应变计的制作方法

1.本发明属于传感器领域，涉及一种传感器用电阻应变计。


背景技术：

2.箔式电阻应变计作为传感器核心敏感元件，广泛应用于称重、测力等领域，特别是平台秤和天平应用的双孔平行梁传感器。双孔平行梁结构传感器，一端固定，一端加载，表面布置4片单轴电阻应变计，两片感受拉应变，两片感受压应变，组成惠斯通电桥，输出信号与载荷输出引起的应力应变呈线性关系，可以反映载荷质量。
3.双孔平行梁传感器一般是天平、平台秤等使用的核心计量传感器，对精度、稳定性要求较高，综合精度要求达到c6级别，天平要求达到10万分度，实际蠕变、回零及它们的稳定性很难达到指标要求，普遍存在蠕变、回零分散大，蠕变、回零指标稳定性不够，经过一段时间之后蠕变、回零出现部分指标超差，并且在实际生产中这两项指标的合格率整批偏低，很难满足批产要求。
4.载荷传感器的蠕变是指在额定载荷下，传感器输出随时间的变化，主要由三部分组成，包含金属弹性体蠕变、应变计蠕变和贴片胶蠕变。贴片胶为环氧树脂，厚度仅有2～4μm，配方、工艺成熟，蠕变数值绝对值较小，对整体蠕变性能影响非常有限，可忽略不计。金属弹性体蠕变主要是正蠕变，受材料、结构、尺寸、加工方法影响，正蠕变数值大小各不相同。应变计主要由基底、敏感栅和密封层组成，敏感栅为合金金属，呈正蠕变特性，基底、密封层为高分子材料，呈负蠕变特性，由于敏感栅厚度相对于基底、密封层仅有其1/5～1/8，整体呈现负蠕变性能。为了控制传感器蠕变值，传统的方法是通过应变计端头设计来调整应变计蠕变，通过应变计蠕变补偿弹性体的正蠕变，实现传感器蠕变趋于零。这样的方法在传感器精度要求不高的情况下可以满足要求，一旦提高的c6(0.008％f.s)和10万分度(0.001％fs)及更高精度要求时，批量就出现蠕变很难控制。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种传感器用电阻应变计，提高了传感器蠕变精度，整体提升了传感器性能，满足c6级传感器和10万分度天平传感器批量指标要求。
6.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.一种传感器用电阻应变计，包括基底、敏感栅和焊盘；
8.基底设置在双孔平行梁传感器上；敏感栅和焊盘均设置在基底上，敏感栅中心位于双孔平行梁传感器的应变孔薄壁100％应力区，焊盘位于应变孔薄壁30％及以下的应力区内，敏感栅两端分别连接有一个连接栅一端，两个连接栅的另一端分别连接一个焊盘；
9.连接栅与焊盘之间连接部分为应力释放环，应力释放环呈圆弧状，应力释放环的圆弧方向朝向或远离应变计敏感栅长度方向主轴线弯曲，两个应力释放环沿应变计敏感栅主轴线镜像设置。
10.优选的，敏感栅总宽度w
a
为应变孔单孔宽度的1/6～1/15。
11.进一步，敏感栅总宽度w
a
为1.5～3.0mm。
12.优选的，敏感栅长度l
a
为应变孔薄壁臂70％～100％应力区之间。
13.进一步，敏感栅长度l
a
为1.0～3.0mm。
14.优选的，敏感栅端头长度l
b
与单一敏感栅宽度w
b
比值≥3。
15.进一步，10kg及以下小量程应变计的敏感栅端头长度l
b
与单一敏感栅宽度w
b
比值为4.0～5.0。
16.优选的，焊盘与敏感栅距离s为2～8mm。
17.优选的，敏感栅截面梯形侧向腐蚀率≤10％。
18.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
19.本发明通过传感器应变孔薄壁臂不同的应力区，对敏感栅和焊盘的位置进行设定，在连接栅和焊盘之间设计了应力释放环，使焊盘远离应变计敏感栅区域，形成缓冲区域，降低焊盘、焊接焊锡、导线等对敏感栅应力稳定性影响，提高了传感器蠕变精度，整体提升了传感器性能，满足c6级传感器和10万分度天平传感器批量指标要求。
20.进一步，通过将敏感栅尺寸与传感器应变孔尺寸及薄壁臂应力区进行关系限定到合理区间，提高了传感器蠕变稳定性，进而提高了传感器的回零速度。
21.进一步，敏感栅总宽度合理控制在1.5～3.0mm范围，以降低双孔平行梁四角偏转扭矩影响，减少四角修正或不修正，避免此修正对传感器稳定性影响，提高蠕变稳定性和回零速度。
22.进一步，敏感栅截面梯形侧向腐蚀率≤10％，能够提高敏感栅线条成型质量和精度，提高应变计蠕变一致性和批次加工稳定性，从而进一步提高传感器蠕变稳定性和回零速度。
附图说明
23.图1为本发明的应变计第一设计图；
24.图2为本发明的应变计第二设计图；
25.图3为本发明的敏感栅宽度和端长示意图；
26.图4为本发明的敏感栅截面梯形侧向腐蚀示意图；
27.图5为本发明的某量程的平行双孔梁结构天平传感器用应变计示意图；
28.图6为本发明的某量程的平行双孔梁结构平台秤传感器用应变计示意图；
29.图7为本发明的平行双孔梁天平传感器应力分析图；
30.图8为本发明的平行双孔梁平台秤传感器应力分析图。
31.其中：1
‑
基底；2
‑
敏感栅；3
‑
连接栅；4
‑
应力释放环；5
‑
焊盘；6
‑
敏感栅端头。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
33.本发明所述传感器用电阻应变计，通过基底1粘贴在在传感器应变区上，本实施例中以双孔平行梁传感器为例，传感器一端为固定端，另一端为加载端，传感器侧面的中心位置设置有两个应变孔，两个应变孔间隔设置且连通，两个应变孔的上下两端均粘贴有应变
计。两个应变孔顶面分别为第一拉应变区和第一压应变区，第一拉应变区靠近固定端，第一压应变区靠近加载端；两个应变孔底面分别为第二拉应变区和第二压应变区，第二压应变区靠近固定端，第二拉应变区靠近加载端。
34.当应变计基底1、敏感栅2和密封层3材料固定情况下，影响应变计蠕变性能主要因素有：敏感栅2线条长度、连接栅3长度、焊盘5与敏感栅2位置，敏感栅端头6长度l
b
和敏感栅2线条宽度，影响应变计蠕变稳定性的有：敏感栅2线条质量、线条尺寸一致性；当应变计材料、尺寸固定情况下，弹性体尺寸、加工应力会影响传感器蠕变稳定性；当传感器、应变计蠕变匹配确定后，弹性体梁越薄，应变计匹配的蠕变越负，应变计的端头尺寸越短，两者叠加到一起，也会影响到蠕变的稳定性，进一步影响到传感器的回零速度。
35.如图1和图2所示，该电阻应变计采用单轴箔式电阻应变计，敏感栅2总宽度w
a
介于应变孔单孔宽度的1/6～1/15，敏感栅2中心位于应变孔薄壁100％应力区，敏感栅2长度l
a
介于单一应变孔薄壁臂70％～100％应力区之间，敏感栅2截面梯形侧向腐蚀率≤10％，敏感栅端头6长度l
b
与单一敏感栅2宽度w
b
比值≥3，焊盘5位于单一应变孔薄壁臂30％及以下应力区内，焊盘5与敏感栅2距离s介于2～8mm，连接栅3上至少有两个应力释放环4。
36.进一步，根据传感器应变孔的宽度，敏感栅2总宽度w
a
合理控制在1.5～3.0mm范围，以降低双孔平行梁四角偏转扭矩影响，减少四角修正或不修正，避免此修正对传感器稳定性影响，提高蠕变稳定性和回零速度。
37.进一步，根据双孔平行梁传感器应变孔应力分布情况，合理控制敏感栅2长度l
a
与应力匹配，匹配单一应变孔薄壁臂70％～100％应力区，使长度介于1.0～3.0mm之间，尽可能提高应变计感受应力，输出增大，适当提高双控平行梁壁厚，增强弹性体和传感器输出稳定性，进一步提高蠕变稳定性和回零速度。
38.进一步，根据双孔平行梁传感器应变孔应力分布情况，确定敏感栅2中心位置和峰值的偏移量，确定应变计定位标位置。
39.进一步，弹性体应力范围确定，敏感栅2栅长控制在合理长度，敏感栅2总宽度w
a
也就确定，如图3所示，控制端头长度与单一敏感栅2宽度w
b
比值≥3，为提高蠕变稳定性，10kg及以下小量程传感器可考虑将端头长度与单一敏感栅2比值提高至4.0～5.0。
40.进一步，电阻应变计敏感栅2、端头形状和尺寸明确后，根据双孔平行梁传感器应变孔应力分布情况，确定焊盘5位于30％及以下应力区之外，焊盘5与敏感栅2距离s介于2～8mm。
41.进一步，焊盘5和敏感栅2距离确定之后，为进一步降低焊盘5、焊接焊锡、导线等对敏感栅2应力稳定性影响，连接栅3上设置至少两个应力释放环4，应力释放环4呈对称位于敏感栅2与焊盘5之间。
42.进一步，两个应变计连接栅3和两个形应力释放环4自然连接，应力释放环4成圆弧状，应力释放环4的圆弧方向可以弯向内侧呈镜像分布，也可以弯向外侧呈镜像分布。
43.进一步，两个应变计圆弧形应力释放环4和两个焊盘5分别连接，呈对称位于应变计轴线两侧。
44.进一步，应变计结构确定后，在应变计图形成型加工过程中，通过光刻、蚀刻工艺控制，降低敏感栅2截面侧向腐蚀率，提高敏感栅2线条成型质量和精度，如图4所示，控制敏感栅2截面梯形侧向腐蚀率≤10％，使敏感栅2批次加工质量，提高应变计蠕变一致性和批
次加工稳定性，从而进一步提高传感器蠕变稳定性和回零速度。
45.侧向腐蚀率＝(db
‑
ub)/db*100％，db为单一敏感栅2底部宽度，ub为敏感栅2顶部宽度。
46.进一步，所述电阻应变计结构包括一组用于主应变的敏感栅2、两个连接栅3、两个应力释放环4、两个焊盘5，全部布局在单一基底1上；敏感栅2两端分别连接一个连接栅3一端，两个连接栅3的另一端分别连接一个应力释放环4一端，两个应力释放环4的另一端分别连接一个焊盘5。
47.应力释放环4成圆弧状，应力释放环4的圆弧方向朝向或远离应变计水平轴线弯曲，两个应力释放环4及焊盘5沿应变计水平轴线镜像设置。
48.如图5和图6所示，为根据上述参数，具体设计的某量程的平行双孔梁结构天平传感器用应变计和某量程的平行双孔梁结构平台秤传感器用应变计。
49.进一步，根据传感器的应变孔宽度，所设计应变计敏感栅2总宽度w
a
介于应变孔单孔宽度的1/6～1/15，确定本实施例中天平传感器使用的应变计总栅宽为2.0mm，平台秤传感器使用的应变计总栅宽为2.5mm。
50.进一步，根据平行双孔梁天平传感器和平行双孔梁平台秤传感器受力分布，匹配单一应变孔薄壁臂70％～100％应力曲线，确定敏感栅2长度la范围，以本例的应力衰减30％分析，天平传感器用应变计栅长度为2.0mm，平台秤传感器用应变计敏感栅2长度l
a
为3.0mm。
51.进一步，确定本实施例中平行双孔梁天平传感器用应变计端长和栅宽比为4.0，某量程平行双孔梁平台秤传感器用应变计端长和栅宽比为5.0。
52.进一步，分析平行双孔梁天平传感器和平行双孔梁平台秤传感器，平行双孔梁结构受力分布，如图7和图8所示。平行双孔梁应力的峰值区域并不是处于双孔平行梁的最薄处，为保证应变计端环处的感受到的应力值一致，保证蠕变的平衡，应变计设计时垂直于敏感栅2的定位标相对于栅长的中心位置将产生偏移，偏移量与峰值处的偏移量一致，从而应变计两端环处采集的应变值基本一致，避免了应力梯度带来的蠕变不均匀。本实施例中平行双孔梁天平传感器应力峰值偏移量 0.2mm，平行双孔梁平台秤传感器应力峰值偏移量
‑
0.4mm。
53.进一步，电阻应变计敏感栅2、端头形状和尺寸明确后，根据双孔平行梁传感器应变孔应力分布情况，确定焊盘5位于30％及以下应力区之外。本实施例中，平行双孔梁天平传感器用应变计焊盘5距应变计敏感栅2中心距离为4.5mm，平行双孔梁平台秤传感器用应变计焊盘5距敏感栅2中心距离为7.5mm。
54.进一步，焊盘5和敏感栅2距离确定之后，为进一步降低焊盘5、焊接焊锡、导线等对敏感栅2应力稳定性影响，连接栅3上设置至少两个应力释放环4，应力释放环4呈对称位于敏感栅2与焊盘5之间。
55.进一步，两个应变计连接栅3和两个应力释放环4自然连接，应力释放环4成圆弧状，应力释放环4的圆弧方向可以弯向内侧呈镜像分布，也可以弯向外侧呈镜像分布。
56.进一步，两个应变计圆弧形应力释放环4和两个焊盘5分别连接，呈对称位于应变计轴线两侧。
57.进一步，应变计结构确定后，在应变计图形成型加工过程中，通过光刻、蚀刻工艺
控制，降低敏感栅2截面侧向腐蚀率，提高敏感栅2线条成型质量和精度，控制敏感栅2截面梯形侧向腐蚀率≤3％，使敏感栅2批次加工质量，提高应变计蠕变一致性和批次加工稳定性，从而进一步提高传感器蠕变稳定性和回零速度。
58.进一步，电阻应变计结构主要包括一组主应变敏感栅2、两个连接栅3、两个圆弧形应力释放环4和两个焊盘5，全部布局在单一基底1上。
59.进一步，根据平行双孔梁天平传感器和平行双孔梁平台秤传感器应力分布，设计制作的应变计，和常规应变计蠕变和回零测试数据见表1、表2。
60.表1某量程的平行双孔梁结构天平传感器蠕变和回零
[0061][0062][0063]
表2某量程的平行双孔梁结构平台秤传感器蠕变和回零
[0064][0065]
新的传感器用应变计，合理匹配弹性体、应变计蠕变，全面提高了传感器蠕变精度、蠕变稳定性，提升了传感器回零速度，整体提升了传感器性能，满足c6级传感器和10万分度天平传感器批量指标要求。
[0066]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按
照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。