基于弹性膜片的薄膜溅射式拉力传感器研究*

高 阳 ，李永红 ，*，岳凤英 ，孙玉环 ，，刘期兵 ，魏坦勇

（1.中北大学仪器与电子学院，太原030051；2.中北大学计算机与控制学院，太原030051；3.山西科泰微技术有限公司，太原030051）

目前，薄膜传感器因其优越的耐恶劣环境性能已经广泛的应用于航空航天、机械加工、军事装备等领域中［1-2］。20世纪60年代荷兰、法国等国先后提出制造薄膜传感器的设想，但当时由于设备和工艺的原因，发展比较缓慢。80年代之后，德国、俄罗斯等国相继报道了利用磁控溅射等方法制造薄膜传感器的成果，薄膜传感器的优良性能得到世界传感器行业的公认［3-5］。如美国Bell Howell公司CEC1000型薄膜应变式压力传感器，恒温恒压1 000 h后传感器的零漂仍小于0.1%［6］。90年代起我国利用离子束溅射镀膜技术开始了薄膜传感器的研制［7-8］。中电集团48所研制薄膜压力传感器FTH403和FTH401，成功的应用到神七工程的航天服系统中，取得了很好的效果［9］。

薄膜传感器在恶劣的环境中仍具有很高的灵敏度、精度及很好的稳定性［10］，使得薄膜拉力传感器能够在航空航天中实现对拉力的准确测量。因此，研制高精度、高灵敏度、能适应各种恶劣环境拉力测量的拉力传感器具有重要意义。本文提出一种基于17-4PH不锈钢的对称式平膜片结构的薄膜溅射式拉力传感器，通过在平膜片上集成了一层薄膜电阻应变栅，并将平膜片与基座一体化可以感知外界拉力。该传感器敏感栅为复杂电阻栅，可以同时感受切向和径向两个方向的拉力，并且其灵敏度和安全过载系数要高于同类传感器。用下，布局在两端的弹性体将受到该方向拉伸力的作用，产生一定的形变。在拉力作用下，半径为r处膜片的应变值：

1 薄膜溅射式拉力传感器工作原理

基于平膜片结构的拉力传感器的基本结构如图1（b）所示，弹性体、传感器底座与壳体采用激光焊接形成一体化结构。拉力传感器的弹性体为周边固支，圆心位置进行力加载的平膜片。其中，平膜片选用17-4PH不锈钢材料，并采用真空镀膜技术在平膜片上镀上一层金属栅材料的薄膜，用半导体光刻技术形成电阻敏感栅。在外部轴向拉力作

其中F为拉力，h为膜片厚度，E为材料弹性模量，μ为材料泊松系数，R为弹性膜片的半径，h、E、R为常数。

在平膜片的中心处，切向应力与径向应力相等，切向应变与径向应变相等且为正的最大值。在膜的的边缘处，切向应力、径向应力及径向应变达到负的最大值，切向应变为零。在材料的弹性模量与平膜片的厚度一定的条件下，且薄膜电阻在平膜片上确定后，电阻的应变量与所受的拉力成正比。

图1 拉力传感器的实物图和基本结构图

由薄膜电阻应变栅构成的惠斯顿应变电桥在平膜片弹性基体上布局如图2（a）所示；等效电路如图2（b）所示，图中R1、R2、R3、R4构成应变检测电桥。R1、R3两部分薄膜电阻栅方向一致，均指向圆心，可以感受径向应变；R2、R4两部分薄膜电阻栅像蚊香一样交叉缠绕在一起，可以感受切向应变。

图2 拉力传感器的薄膜电阻应变栅结构示意图和等效应变电桥

当有拉力作用时，弹性体既产生径向应变，又产生切向应变。产生的径向应变引起R1、R3两部分薄膜电阻栅阻值变化，切向应变引起R2、R4两部分薄膜电阻栅阻值变化。在本传感器设计中，该应变电桥为等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R。没有拉力作用时，电桥输出信号为［11-12］：

当有拉力作用时，R1、R2、R3、R4四部分薄膜电阻栅的阻值分别变化ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，电桥输出信号为：

假设薄膜电阻的灵敏度系数为K，各部分薄膜电阻栅的应变分别为ε1、ε2、ε3、ε4，相应的阻值变化量为

因各部分薄膜电阻栅的阻值变化量相当小，可忽略高次项，并将以上结果带入上式，整理得：

从式（5）可以看出，薄膜电桥输出电压信号U0与拉力具有一定比例关系，这样即可实现拉力的测量。该拉力传感器有两个相同的平膜片上，且分布在壳体上下两端，可以形成冗余备份机制。在力的传导路径正常无误的前提下，即使其中一个出现异常，另一个将不会受到任何影响，传感器仍可正常工作。

2 传感器电路设计

因为制造工艺中系统误差和偶然误差的影响，即使在精确的制造工艺下制作的四个薄膜电阻栅的阻值和温度系数不可能绝对一致，从而导致应变电桥存在一定的初始零点误差，因此需要对应变电桥进行零点补偿。所设计的零点补偿及输入输出信号转接电路原理图如图3所示。图3中，R1用于灵敏度补偿，R2、R3、R4、R5用于补偿零点偏差。JP1用于与外部线缆的连接。

图3 信号转接电路原理图

3 敏感元件的制备与仿真

3.1 弹性体的结构设计与ANSYS仿真

依据设计参数，在软件下对弹性体进行三维建模，所建模型如图4所示。通过固定拉力轴所在端面，并沿拉力轴方向加载850 N，可以仿真得到传感器位移输出，其应变输出梯度分布如图5所示。图5中ANSYS仿真结果显示弹性体外圆线位移约为1.288 μm，圆心位置处大约为5.796 μm，且应变分布由外圆向圆心逐渐增加。

图4 三维弹性体示意图

在三维模型下仿真得到弹性体的应力分布如图6所示，可知最大应力集中在圆心位置处，最大压强小于178 MPa；而本拉力传感器采用的17-4PH材料的屈服强度σb为1 180 MPa，因此安全过载系数约为6.62。

图5 弹性体应变输出梯度分布

图6 弹性体内应力分布图

3.2 薄膜电桥的制备

薄膜溅射式拉力传感器的敏感电阻是在处于真空环境的净化间中，利用离子束溅射镀膜技术，将绝缘材料、电阻材料以分子形式淀积在平膜片上，形成分子键合的绝缘薄膜和电阻材料薄膜，并与弹性不锈钢平膜片融合为一体。经过多次镀膜与光刻，在平膜片表面上形成四个薄膜电阻（应变电阻），四个薄膜电阻构成应变电桥。

在敏感电阻和平膜片之间采用薄膜工艺淀积了绝缘介质薄膜用于隔离。金属弹性体上的典型薄膜结构分为四层，其中最底层是绝缘膜，上层依次为淀积电阻膜和为了确保惠斯顿电桥桥臂电阻稳定可靠的引线电极金膜和钝化保护膜。

4 拉力传感器的制备与实验

为了评价和鉴定传感器性能，需对传感器进行标定实验，本次进行了0～850 N范围内的标定实验，使用直流稳压电源对传感器进行供电，供电电压为7.5 V。每次施加或者减少100 N拉力，并用数字万用表测量输出的电压值。对其中一组拉力传感器正反行程四组数据进行拟合得曲线如图7所示。并通过进一步计算得到传感器的静态性能指标如表1所示。

图7 输入输出曲线（0～850 N）

表1 传感器静态性能指标

5 结论

通过本文提出的薄膜溅射式拉力传感器的仿真分析及实验分析可知，该传感器在0～850 N量程范围具有很好的线性度和重复性，其安全过载系数为同类拉力传感器的2倍～3倍。设计了零点补偿及输入输出信号转接电路，减小了初始零点误差，并有利于传感器信号的输出。同时，在结构设计上采用两个相同的平膜片形成冗余机制，增强了传感器的可靠性。对传感器的标定实验表明，该传感器的综合误差不大于额定输出的0.013%。

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