一种可适应月面环境的薄膜溅射力传感器制造技术

一种可适应月面环境的薄膜溅射力传感器，包括连接端、接线端子座(12)、引线插针(14)和弹性体(16)；弹性体(16)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(12)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(16)施加轴向拉力，粗圆柱台与接线端子座(12)的一端固连；弹性体(16)的粗圆柱台端面上溅射有电阻应变栅图形薄膜，电阻应变栅图形薄膜包括4个电阻桥臂；弹性体(16)受到轴向拉力时，导致4个电阻桥臂阻值变化；4个电阻桥臂两端通过引线插针(14)与外界连接，用过测量差分电压的变化得到轴向力。本发明专利技术的传感器不易受非轴向力的干扰，适用于较大的工作温度区间。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种力传感器，特别涉及一种薄膜溅射力传感器。
技术介绍
一般应变式力传感器的最低使用温度为-50℃，如贴片式力传感器在-50℃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℃～50℃。薄膜溅射技术是一种利用低能加速器轰击，动能转换搬迁原子淀积薄膜技术，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℃～200℃)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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术所采用的技术方案是：一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；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；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r1，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R7、R9，r1<r2；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V1-，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V1-、焊盘V2-引出与外界连接，焊盘V1+和焊盘V2+相连，焊盘V1-和焊盘V2-相连，焊盘V1+和焊盘V2+的公共端与焊盘V1-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。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V1-、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V1-’、焊盘V2-’相连接；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V1-’和焊盘V2-’相连接，其公共端与电源回线端连接；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。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。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°。所述R6、R7、R8和R9满足：所述电阻应变栅图形薄膜中相邻折线呈13°～17°角。所述粗圆柱台绕上与细圆柱台连接的一周还设有圆环槽。所述电路板上还有电阻R1、R2、R3、R4和R5；R1用于灵敏度补偿，R1连接在V1+’和焊盘V2+’的公共端与电源正线端之间；R2、R3、R4、R5用于补偿零点偏差，R2、R3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。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。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。本专利技术与现有技术相比的优点在于：1)本专利技术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；2)本专利技术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；3)本专利技术的质量轻，同比于市场上同量程的力传感器，重量减轻了4/5；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。附图说明图1为本专利技术薄膜溅射力传感器示意图；图2为本专利技术薄膜溅射力传感器剖视图；图3为本专利技术传感器组件结构图；图4为本专利技术传感器单元仰视图；图5为本专利技术图4中传感器单元的A-A剖视图；图6为本专利技术接线端子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一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(10)，传感器单元(10)包括连接端、接线端子座(12)、引线插针(14)和弹性体(16)；弹性体(16)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(12)为与弹性体(16)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(16)施加轴向拉力，粗圆柱台与接线端子座(12)的一端固定连接；接线端子座(12)的另一端围绕端子座通孔设有环形凹槽；弹性体(16)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r1，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R7、R9，r1<r2；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V1‑，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(16)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(12)的环形凹槽的内端面上设有6个安装通孔，6个引线插针(14)分别穿过安装通孔将焊盘S1+、焊盘S2+、焊盘V1+、焊盘V2+、焊盘V1‑、焊盘V2‑引出与外界连接，焊盘V1+和焊盘V2+相连，焊盘V1‑和焊盘V2‑相连，焊盘V1+和焊盘V2+的公共端与焊盘V1‑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。...

【技术特征摘要】
1.一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(10)，传感器单元(10)包括连接端、接线端子座(12)、引线插针
(14)和弹性体(16)；
弹性体(16)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(12)为与弹性体(16)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(16)
施加轴向拉力，粗圆柱台与接线端子座(12)的一端固定连接；接线端子座
(12)的另一端围绕端子座通孔设有环形凹槽；
弹性体(16)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r1，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R7、R9，r1<r2；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V1-，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
(16)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(12)的环形凹槽的内端面上设有6
个安装通孔，6个引线插针(14)分别穿过安装通孔将焊盘S1+、焊盘S2+、
焊盘V1+、焊盘V2+、焊盘V1-、焊盘V2-引出与外界连接，焊盘V1+和焊
盘V2+相连，焊盘V1-和焊盘V2-相连，焊盘V1+和焊盘V2+的公共端与焊

\t盘V1-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。
2.一种如权利要求1所述的可适应月面环境的薄膜溅射力传感器，其特
征在于，所述薄膜溅射力传感器还包括电路板(5)和电缆(9)，电路板(5)
在接线端子座(12)上的环形凹槽中，所述引线插针(14)将焊盘S1+、焊
盘S2+、焊盘V1+、焊盘V2+、焊盘V1-、焊盘V2-引出分别与电路板(5)
上的相应的焊盘S1+’、焊...

【专利技术属性】
技术研发人员：王迎春，赵帆，李永红，张鼐，王大鹏，刘晓庆，刘德赟，
申请(专利权)人：北京卫星制造厂，
类型：发明
国别省市：北京;11