稱重測(cè)力傳感器應(yīng)變片的發(fā)展

電阻應(yīng)變片是稱重測(cè)力傳感器/壓力傳感器的核心器件，其敏感柵結(jié)構(gòu)、基底材料、靈敏系數(shù)穩(wěn)定性、機(jī)械滯后、蠕變和熱輸出等技術(shù)性能直接影響壓力傳感器的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。許多企業(yè)都把應(yīng)變片的生產(chǎn)列入壓力傳感器的基礎(chǔ)工藝。國(guó)內(nèi)外著名壓力傳感器企業(yè)穩(wěn)定批量生產(chǎn)質(zhì)量都是從電阻應(yīng)變片這一源頭抓起，或建立與自己產(chǎn)品配套的電阻應(yīng)變片生產(chǎn)部門，或經(jīng)過(guò)考察確立長(zhǎng)期供貨的電阻應(yīng)變片生產(chǎn)企業(yè)。90年代以來(lái)，以美國(guó)HPM公司、VMM公司為代表的應(yīng)變片敏感柵箔材軋制企業(yè)和以美國(guó)VMM公司、德國(guó)HBM公司為代表的電阻應(yīng)變片生產(chǎn)企業(yè)，在箔材軋制、熱處理和電阻應(yīng)變片設(shè)計(jì)技術(shù)與制造工藝研究上都取得了突破性進(jìn)展，主要成果簡(jiǎn)介如下。

        為滿足壓力傳感器小型化、微型化的要求，特別是電子秤用能耗小、發(fā)熱低、穩(wěn)定性好的壓力傳感器用大阻值應(yīng)變片的需要，美國(guó)VMM公司和HPM公司分別研制出2m、2.5m厚的超薄型康銅箔材，為研制微型應(yīng)變片和大阻值應(yīng)變片提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。
        美國(guó)VMM公司和德國(guó)HBM公司電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)普遍采用一維、二維和三維有限單元法，建立相應(yīng)的力學(xué)模型，分析應(yīng)變片的應(yīng)變傳遞系數(shù)，提出應(yīng)變片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則。利用二維有限單元法計(jì)算和分析粘貼在彈性體上應(yīng)變片的應(yīng)變傳遞，得出大部分區(qū)域是單向應(yīng)力狀態(tài)，基本沒(méi)有應(yīng)變傳遞滯后現(xiàn)象，而接近柵絲末端的一小段是剪應(yīng)力傳遞區(qū)域，剪應(yīng)力急劇變化，正應(yīng)力降為零而產(chǎn)生應(yīng)變傳遞滯后現(xiàn)象。因此提出設(shè)計(jì)框狀端頭，把柵絲應(yīng)變均勻分布區(qū)域作為工作區(qū)，將應(yīng)變傳遞滯后區(qū)域與工作區(qū)域隔離開(kāi)，減小應(yīng)變片的滯后，這正是壓力傳感器用應(yīng)變片所需要的。
        建立三維有限單元六面體力學(xué)模型，取一萬(wàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)，在大容量電子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算，其目的是深入研究應(yīng)變片結(jié)構(gòu)，主要解決應(yīng)變片復(fù)蓋層的力學(xué)效果，敏感柵端部結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng)，基底、敏感柵、復(fù)蓋層厚度對(duì)機(jī)械滯后的影響，敏感柵結(jié)構(gòu)與蠕變自補(bǔ)償問(wèn)題。保證應(yīng)變片結(jié)構(gòu)形狀、幾何尺寸、基底和復(fù)蓋層厚度最合理。
        盡管電阻應(yīng)變片原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都無(wú)可挑剔，但其制造工藝決定了它必然存在一些固有的工藝缺陷，傳統(tǒng)制造工藝中刻圖制片、涂膠光刻、基底制作、粗細(xì)腐蝕、阻值調(diào)整、引線焊接、涂復(fù)蓋層、質(zhì)量檢查等工序多為手工操作和控制，人為的因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響很大，而且應(yīng)變片成功率低，均一性差。而美國(guó)VMM公司和德國(guó)HBM公司的應(yīng)變片生產(chǎn)工藝，自動(dòng)化程度都很高，幾乎每道工序都采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制和處理，關(guān)鍵工序如基底制作、光刻腐蝕、精細(xì)調(diào)阻，引線焊接、質(zhì)量檢測(cè)等都在自動(dòng)化程度很高的專用設(shè)備上進(jìn)行，制造工藝的可重復(fù)性好，工藝兌現(xiàn)率高。因此應(yīng)變片的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良，一致性和穩(wěn)定性好，批次產(chǎn)品質(zhì)量幾乎無(wú)差別。特別是壓力傳感器專用應(yīng)變片在靈敏系數(shù)穩(wěn)定性、阻值分散性、機(jī)械滯后、蠕變和熱輸出等技術(shù)指標(biāo)的控制更加嚴(yán)格，為大批量生產(chǎn)C3級(jí)壓力傳感器創(chuàng)造了條件。

         應(yīng)變片電阻值的精密調(diào)整工藝對(duì)其電阻值的分散度和穩(wěn)定性影響較大。盡管化學(xué)調(diào)阻比傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)阻有許多優(yōu)越性，完全能保證產(chǎn)品質(zhì)量，但其工藝要求嚴(yán)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低的缺點(diǎn)也很突出，不適應(yīng)日產(chǎn)10多萬(wàn)片應(yīng)變片的大批量生產(chǎn)。美國(guó)VMM公司獨(dú)創(chuàng)了激光自動(dòng)調(diào)阻新工藝，速度快、精度高，應(yīng)變片電阻值分散小，便于加膜處理制成全密封柵結(jié)構(gòu)的應(yīng)變片。
        電阻應(yīng)變片應(yīng)用技術(shù)的研究也取得了突破性的進(jìn)展。美國(guó)VMM公司經(jīng)過(guò)多年的研究與實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)出EMC（有效模量補(bǔ)償）系列靈敏度溫度自補(bǔ)償電阻應(yīng)變片，在許多場(chǎng)合都可以很容易的獲得優(yōu)于±0.0008/°F（0.0014%/℃）的補(bǔ)償精度。根據(jù)不同彈性體材料EMC系列靈敏度溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片有4種類型：M1靈敏系數(shù)隨溫度變化-1.5%/100°F（-2.70％/100℃）適用于不銹鋼；M2靈敏系數(shù)隨溫度變化-2.35%/100°F（-4.23%/100℃）適用于鋁合金；M3靈敏系數(shù)隨溫度變化-1.25%/100°F（-2.25％/100℃）適用于工具鋼；M4靈敏系數(shù)隨溫度變化為-1.35％/100°F（-2.43%/100℃）適用M1和M3之間的“中間區(qū)域”（不銹鋼與工具鋼之間）的補(bǔ)償。
       靈敏系數(shù)是電阻應(yīng)變片的重要參數(shù)，許多生產(chǎn)廠家都采用等應(yīng)力懸臂梁進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果是靈敏系數(shù)分散大，準(zhǔn)確度低。我們了解到的國(guó)外應(yīng)變片生產(chǎn)企業(yè)，特別重視應(yīng)變片生產(chǎn)工藝的兩頭，即開(kāi)頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與刻圖制版和最后的性能檢測(cè)與靈敏系數(shù)測(cè)定。由于電阻應(yīng)變片不能二次粘貼使用，所以靈敏系數(shù)測(cè)定是采用抽樣的方法在帶有標(biāo)準(zhǔn)梁的自動(dòng)加載測(cè)量裝置上進(jìn)行。一次可標(biāo)定多組不同型號(hào)的電阻應(yīng)變片，每組最多可達(dá)10片，組成數(shù)10個(gè)測(cè)量點(diǎn)，通過(guò)多路自動(dòng)掃描測(cè)量?jī)x和電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制和運(yùn)算，最后給出應(yīng)變片靈敏系數(shù)、機(jī)械滯后和蠕變值。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分辨率為1με和1μv，精度優(yōu)于0.02％。
        德國(guó)HBM公司研制出帶背膠的自粘式電阻應(yīng)變片，在壓力傳感器制造工藝中省略了對(duì)應(yīng)變片的清洗，涂刷應(yīng)變粘接劑等工序，減少了對(duì)應(yīng)變片的污染和損害，提高了粘貼質(zhì)量和可靠性，適合大批量自動(dòng)化生產(chǎn)的各種壓力傳感器，尤其是家用電子秤用壓力傳感器的大批量生產(chǎn)。
        彈性體表面應(yīng)變是通過(guò)應(yīng)變片的基底傳遞給敏感柵，基底材料的質(zhì)量與厚度對(duì)電阻應(yīng)變片的多項(xiàng)性能產(chǎn)生影響?；缀穸痪鶆驎?huì)使靈敏系數(shù)分散度增大，對(duì)線性和滯后也有較大影響。目前壓力傳感器用應(yīng)變片基底膠膜厚度為30±5μm。美國(guó)VMM公司研制的PF聚酰亞胺基底膠膜的厚度只有8μm，不但平整均勻，容易彎曲，而且耐高溫，抗焊接傷害能力強(qiáng)，具有良好的電性能。EG環(huán)氧玻璃纖維增強(qiáng)基底膠膜厚度僅為13μm，特別適合高精度壓力傳感器，可減少滯后和蠕變誤差。
        由于目前通用的壓力傳感器靈敏度溫度補(bǔ)償鎳電阻與溫度變化呈非線性關(guān)系，增大了補(bǔ)償難度和補(bǔ)償結(jié)果的分散度。德國(guó)學(xué)者正在研究用鋇或鈮代替鎳作靈敏度溫度補(bǔ)償電阻，取得了一些進(jìn)展。類似旨在創(chuàng)新壓力傳感器制造技術(shù)與制造工藝的研究課題和成果，非常值得我們關(guān)注和應(yīng)用。因?yàn)橹圃旒夹g(shù)與制造工藝是壓力傳感器研制和批量生產(chǎn)過(guò)程中最活躍、最積極的因素，是企業(yè)保證產(chǎn)品質(zhì)量，強(qiáng)化競(jìng)爭(zhēng)能力和提高經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。在電子衡器產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，電子衡器市場(chǎng)日趨國(guó)際化的今天，更應(yīng)重視制造技術(shù)與制造工藝所起的作用。