一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及切削力测量技术，具体是一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器及其制备方法。本发明专利技术解决了现有测力仪体积大、测量精度和灵敏度低、结构复杂、制造成本高的问题。一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器，包括基片；基片的上表面形成有薄膜绝缘层；薄膜绝缘层的上表面形成有四个薄膜电阻栅和八个薄膜电极；其中两个薄膜电阻栅均纵向分布于薄膜绝缘层的上表面，且该两个薄膜电阻栅的位置关于薄膜绝缘层的宽度中心线对称；另外两个薄膜电阻栅均横向分布于薄膜绝缘层的上表面，且该两个薄膜电阻栅的位置关于薄膜绝缘层的宽度中心线对称；四个薄膜电阻栅的两端与八个薄膜电极一一对应连接。本发明专利技术适用于精密、超精密切削加工。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及切削力测量技术，具体是。本专利技术解决了现有测力仪体积大、测量精度和灵敏度低、结构复杂、制造成本高的问题。一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器，包括基片；基片的上表面形成有薄膜绝缘层；薄膜绝缘层的上表面形成有四个薄膜电阻栅和八个薄膜电极；其中两个薄膜电阻栅均纵向分布于薄膜绝缘层的上表面，且该两个薄膜电阻栅的位置关于薄膜绝缘层的宽度中心线对称；另外两个薄膜电阻栅均横向分布于薄膜绝缘层的上表面，且该两个薄膜电阻栅的位置关于薄膜绝缘层的宽度中心线对称；四个薄膜电阻栅的两端与八个薄膜电极一一对应连接。本专利技术适用于精密、超精密切削加工。【专利说明】
本专利技术涉及切削力测量技术，具体是。
技术介绍
在精密、超精密切削加工过程中，切削力直接反映着刀具的工作情况。因此，切削力的测量对于切削质量的控制、刀具寿命的预测等都具有重要意义。在现有技术条件下，切削力的测量普遍是通过测力仪来实现的。然而，现有测力仪多由各种分立元器件组成，导致其存在如下问题:其一，体积较大，导致其无法满足微小化的测量要求。其二，测量精度和灵敏度较低，导致其无法满足高精度、高分辨率的测量要求。其三，结构复杂、制造成本较高，导致其无法满足高可靠性、低成本的测量要求。基于此，有必要专利技术一种全新的切削力测量装置，以解决现有测力仪体积大、测量精度和灵敏度低、结构复杂、制造成本高的问题。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有测力仪体积大、测量精度和灵敏度低、结构复杂、制造成本高的问题，提供了。本专利技术是采用如下技术方案实现的:一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器，包括基片；基片的上表面形成有薄膜绝缘层；薄膜绝缘层的上表面形成有四个薄膜电阻栅和八个薄膜电极；其中两个薄膜电阻栅均纵向分布于薄膜绝缘层的上表面，且该两个薄膜电阻栅的位置关于薄膜绝缘层的宽度中心线对称；另外两个薄膜电阻栅均横向分布于薄膜绝缘层的上表面，且该两个薄膜电阻栅的位置关于薄膜绝缘层的宽度中心线对称；四个薄膜电阻栅的两端与八个薄膜电极一一对应连接；四个薄膜电阻栅的上表面形成有薄膜保护层?’八个薄膜电极均曝露于薄膜保护层外；八个薄膜电极的上表面各连接有一根导线。工作时，将基片焊接固定于刀具的刀柄位置，并通过导线将四个薄膜电阻栅与外部电压表连接构成惠斯通电桥，如图5所示。具体工作过程如下:当刀具切削工件时，刀具所受到的切削力导致四个薄膜电阻栅均发生形变。此时，纵向分布的两个薄膜电阻栅的形变量与横向分布的两个薄膜电阻栅的形变量不相等，导致惠斯通电桥产生输出电压。通过外部电压表实时测量该输出电压，即可根据该输出电压实时计算出刀具所受到的切削力的大小，由此实现切削力的测量。在此过程中，薄膜绝缘层的作用是使四个薄膜电阻栅、八个薄膜电极之间实现绝缘。薄膜保护层的作用是保护四个薄膜电阻栅。基于上述过程，与现有测力仪相比，本专利技术所述的一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器具有如下优点:其一，本专利技术所述的一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器通过采用薄膜结构，有效减小了自身体积，从而完全满足了微小化的测量要求。其二，本专利技术所述的一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器通过采用四个薄膜电阻栅和惠斯通电桥实时测量切削力，有效提高了测量精度和灵敏度，从而完全满足了高精度、高分辨率的测量要求。其三，本专利技术所述的一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器通过采用薄膜结构，有效简化了自身结构，并有效降低了制造成本，从而完全满足了高可靠性、低成本的测量要求。综上所述，本专利技术所述的一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器基于全新结构，有效解决了现有测力仪体积大、测量精度和灵敏度低、结构复杂、制造成本高的问题，同时其实现了刀具由切削加工的单一功能向智能化的感知功能转变，完全满足了精密、超精密切削加工过程中的各种测量要求。进一步地，所述基片的材料为45号钢；所述薄膜绝缘层的材料为Si3N4 ;所述四个薄膜电阻栅的材料均为N1-Cr合金；所述八个薄膜电极的材料均为N1-Cr合金；所述薄膜保护层的材料为Si3N4 ;所述八根导线的材料均为铜。更进一步地，所述基片为正方形基片，其长度为15mm，宽度为15mm，厚度为1mm ；所述薄膜绝缘层为正方形薄膜绝缘层，其长度为15mm，宽度为15mm，厚度为500-1000nm ;所述四个薄膜电阻栅均为长方形薄膜电阻栅，其长度均为2.55mm,宽度均为2mm，厚度均为400nm ;所述八个薄膜电极均为正方形薄膜电极，其长度均为2mm,宽度均为2mm,厚度均为400nm ;所述薄膜保护层为正方形薄膜保护层，其厚度为500-1000nm ;所述八根导线的截面积均为 1.0 X 10 4mm2n一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器的制备方法(该方法用于制备本专利技术所述的一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器)，该方法是采用如下步骤实现的:a.制备基片；b.在基片的上表面形成薄膜绝缘层；c.在薄膜绝缘层的上表面形成薄膜敏感层，并在薄膜敏感层的表面光刻形成四个薄膜电阻栅和八个薄膜电极；d.在四个薄膜电阻栅的上表面形成薄膜保护层，并保证八个薄膜电极均曝露于薄膜保护层外；e.在八个薄膜电极的上表面各连接一根导线。所述步骤a中，制备基片包括以下步骤:首先，选取45号钢作为原料；然后，对45号钢依次进行调质、线切割、磨削、研磨抛光、表面处理，45号钢由此被制成基片。所述步骤b中，在基片的上表面形成薄膜绝缘层包括以下步骤:首先，选取纯度为99%的Si3N4 ;然后，通过双离子束溅射沉积工艺将Si3N4沉积于基片的上表面，Si3N4由此形成薄膜绝缘层。所述步骤c中，在薄膜绝缘层的上表面形成薄膜敏感层，并在薄膜敏感层的表面光刻形成四个薄膜电阻栅和八个薄膜电极包括以下步骤:首先，选取Ni80/Cr20的N1-Cr合金；然后，通过双离子束溅射沉积工艺将N1-Cr合金沉积于薄膜绝缘层的上表面，N1-Cr合金由此形成薄膜敏感层；最后，通过光刻工艺对薄膜敏感层进行刻蚀，并刻蚀形成四个薄膜电阻栅和八个薄膜电极。所述步骤d中，在四个薄膜电阻栅的上表面形成薄膜保护层包括以下步骤:首先，选取纯度为99%的Si3N4 ;然后，通过双离子束溅射沉积工艺将Si3N4沉积于四个薄膜电阻栅的上表面，Si3N4由此形成薄膜保护层。所述步骤e中，通过超声波焊接工艺在八个薄膜电极的上表面各连接一根铜制导线。本专利技术结构合理、设计巧妙，有效解决了现有测力仪体积大、测量精度和灵敏度低、结构复杂、制造成本高的问题，适用于精密、超精密切削加工。【专利附图】【附图说明】图1是本专利技术的一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器的整体结构示意图。图2是本专利技术的一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器的分体结构示意图。图3是本专利技术的一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器的部分结构示意图。图4是本专利技术的一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器的薄膜电阻栅和薄膜电极的结构示意图。图5是本专利技术的一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器的惠斯通电桥的结构示意图。图6是本专利技术的一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器的制备方法的步骤c的示意图。图7是本专利技术的一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器的制备方法中的掩膜版的结构示意图。图中:1-基片，2-薄膜绝缘层，3-薄膜电阻栅，4-薄膜电极，5-薄膜保护层，6_导线，7-薄膜敏感层，8-光刻胶，9-掩膜版。【具体实施方式】一种嵌入刀具式的薄膜测力本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器，其特征在于：包括基片（1）；基片（1）的上表面形成有薄膜绝缘层（2）；薄膜绝缘层（2）的上表面形成有四个薄膜电阻栅（3）和八个薄膜电极（4）；其中两个薄膜电阻栅（3）均纵向分布于薄膜绝缘层（2）的上表面，且该两个薄膜电阻栅（3）的位置关于薄膜绝缘层（2）的宽度中心线对称；另外两个薄膜电阻栅（3）均横向分布于薄膜绝缘层（2）的上表面，且该两个薄膜电阻栅（3）的位置关于薄膜绝缘层（2）的宽度中心线对称；四个薄膜电阻栅（3）的两端与八个薄膜电极（4）一一对应连接；四个薄膜电阻栅（3）的上表面形成有薄膜保护层（5）；八个薄膜电极（4）均曝露于薄膜保护层（5）外；八个薄膜电极（4）的上表面各连接有一根导线（6）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：武文革，成云平，刘丽娟，杜晓军，李学瑞，李琦，冯霞，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14