一种应变式传感器及其制作方法与流程

本发明属于应变式传感器技术领域，尤其是涉及一种应变式传感器及其制作方法。

背景技术：

应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生的应变的一种传感器，应变片式传感器主要应用在：监控、控制及物理量测量，并广泛应用于生活、工控、军工等诸多领域。目前主要应用的应变片式传感器有应变式压力传感器、应变式称重传感器、应变式扭矩传感器及测力、力矩、压力用的金属电阻应变计等。现有应变片式传感器制作为：先标准化生产成应变计(先在导电膜层上刻蚀电阻桥路)，再把应变计根据不同的应用要求用胶粘贴在弹性基体上，联成桥路构成各种要求的传感器。目前，应变式传感器制作方法主要存在以下二方面问题：

第一、由于应变计生产时是用胶把康铜等金属箔粘贴在基底上通过一系列工艺加工制成应变计，在制成传感器时又需要用胶再把应变计粘贴在弹性基体上，按照此方法生产的传感器其稳定性、精度都不是很好，尤其是零点稳定性差。

第二、不能大批量生产，每次生产的数量较少，只能单台一个一个生产。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种应变式传感器，其结构简单、设计合理、制作方法简便、制作效率高且使用效果好，能够一次完成多个应变式传感器的制作，提高应变式传感器的稳定性和精度，生产效率得到显著提高，具有广泛的应用和推广价值用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种应变式传感器，其特征在于：包括弹性基体、覆盖在弹性基体上的绝缘介质层和覆盖在所述绝缘介质层上的导电膜层，电阻桥路设置在所述导电膜层上，所述导电膜层和所述绝缘介质层上均设置有绝缘保护层，所述绝缘介质层的层数至少为一层，所述绝缘保护层的层数至少为一层。

上述的一种应变式传感器，其特征在于：所述绝缘介质层为多层，多层所述绝缘介质层为同种或不同种绝缘介质，所述绝缘保护层为多层，多层所述绝缘保护层为同种或不同种绝缘介质；

所述弹性基体的形状为矩形、椭圆形、正多边形或梯形。

上述的一种应变式传感器，其特征在于：包括设置在绝缘保护层的保护罩，所述保护罩上设置有供电阻桥路引出线引出的引出线孔，所述保护罩的厚度为0.05mm～10mm，所述保护罩顶部的内表面与绝缘保护层的上表面的距离为0.05mm～10mm。

上述的一种应变式传感器，其特征在于：所述保护罩上设置有通气孔，所述通气孔为椭圆形孔、矩形孔或正多边形孔。

另外，本发明还提供了一种制作上述应变式传感器的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、弹性基体的预处理:首先对弹性基体进行热处理，然后对热处理后的弹性基体的表面进行研磨，使弹性基体上表面和下表面的粗糙度均为0.8μm～1.6μm，最后对研磨后的弹性基体进行去污处理、烘干；

步骤二、导电膜层的预处理:首先对导电膜层进行热处理，使导电膜层的电阻温度系数范围为-30PPM/℃～+30PPM/℃，然后对热处理后的导电膜层进行去污处理、烘干；

步骤三、制作层压板：

步骤301、在室温无尘环境中，将胶黏剂均匀涂覆在步骤一中经过预处理的弹性基体的上表面，静置1h～24h后进行预烘处理，得到第一胶黏剂层；所述第一胶黏剂层的厚度为5μm～200μm；

步骤302、在室温无尘环境中，将胶黏剂均匀涂覆在步骤二中经过预处理的导电膜层的下表面，静置1h～24h后进行预烘处理，得到第二胶黏剂层；所述第二胶黏剂层的厚度为1μm～100μm；

步骤303、将步骤301中所述第一胶黏剂层和步骤302中第二胶黏剂层叠合后形成绝缘介质层，然后放入压紧装置中，经加压和保温处理，形成层压板；

步骤304、对步骤303中所述层压板中的导电膜层的上表面进行二次去污处理、烘干；

步骤四、刻蚀电阻桥路：对步骤304中经烘干处理后的导电膜层的上表面进行刻蚀处理形成电阻桥路，然后采用零位调整方法对电阻桥路进行调整，使所述电阻桥路的零点输出范围为-0.3mV/V～0.3mV/V；所述电阻桥路上设置有焊接引出线的焊盘；

步骤五、形成绝缘保护层：将胶黏剂均匀涂覆在步骤四中刻蚀电阻桥路后的层压板的上表面，形成绝缘保护层，得到应变式传感器板；所述绝缘保护层的厚度为1μm～100μm；

步骤六、分割：将步骤五中所述应变式传感器板进行分割，得到多个应变式传感器。

上述的应变式传感器的制作方法，其特征在于：所述弹性基体由304不锈钢、316L不锈钢、2Cr13不锈钢、17-4PH不锈钢或40CrNiMo制成；

当弹性基体为304不锈钢或316L不锈钢时，步骤一中对弹性基体进行热处理，具体过程为：采用去应力退火处理，其中，去应力退火处理的温度为450℃～500℃，去应力退火处理的时间为3h～5h；

当弹性基体为2Cr13不锈钢时，步骤一中对弹性基体进行热处理，具体过程为：先进行淬火处理，再进行回火处理，其中淬火处理的温度为940℃～1000℃，回火处理的温度为315℃～450℃；

当弹性基体为17-4PH不锈钢或40CrNiMo时，步骤一中对弹性基体进行热处理，具体过程为：采用固溶化处理或时效处理，其中，固溶化处理的温度为1020℃～1060℃，时效处理的温度为460℃～520℃。

上述的应变式传感器的制作方法，其特征在于：步骤301中和步骤302中所述预烘处理的温度均为60℃～85℃，所述预烘处理的时间均为20min～60min；

步骤303中所述加压的压力为1MPa～2MPa，所述保温的温度为20℃～60℃，保温的时间为1h～3h。

上述的应变式传感器的制作方法，其特征在于：步骤二所述热处理的温度为220℃～280℃，步骤二所述热处理的时间为4h～8h。

上述的应变式传感器的制作方法，其特征在于：步骤四中所述电阻桥路包括四个桥阻，所述零位调整方法包括研磨零位调整、化学腐蚀零位调整或激光刻蚀零位调整；所述研磨零位调整为：利用粒度为0.5μm～10μm的研磨料对所述四个桥阻中最小的桥阻进行研磨，使所述电阻桥路中四个桥阻的误差范围为-2％～+2％。

上述的应变式传感器的制作方法，其特征在于：步骤六分割后，在所述绝缘保护层的上方覆盖保护罩，保护罩与弹性基体、绝缘介质层和绝缘保护层的外侧壁均紧密接触，使保护罩顶部的内表面与绝缘保护层的上表面之间的距离为0.05mm～10mm。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明应变式传感器结构简单、设计合理且投入成本较低、加工制作方便，实现高精度应变式压力传感器的低成本、大批量生产。

2、本发明应变式传感器即可在真空环境，又可直接在大气环境下生产，应变式传感器具有结构简单、制作成本低、传感器量程不受限制等优点。

3、本发明应变式传感器所采用的制作材料包括弹性基体、导电膜层和胶黏剂，原料容易采购。

4、本发明应变式传感器所采用的胶黏剂，通过在弹性基体上涂覆第一胶黏剂层，因导电膜层较薄，所以在导电膜上涂覆第二胶黏剂层，避免导电膜层发生皱褶，同时便于导电膜上与弹性基体的叠合，第一胶黏剂层和第二胶黏剂层叠合，形成绝缘介质层，实现对导电膜层的绝缘。

5、本发明应变式传感器采用胶黏剂，通过在层压板的上表面(即导电膜层和绝缘介质层)的上表面均匀涂覆胶黏剂，形成绝缘保护层，绝缘保护层的设置，一方面防止导电膜层上的电阻桥路裸露在空气中，电阻桥路和潮湿空气接触，从而改变电阻桥路中桥阻的导电率，造成电阻桥路的不稳定；另一方面与绝缘介质层的上表面接触，从而将导电膜层的四周均覆盖有绝缘保护层，绝缘性好，从而提高应变式传感器的稳定性和精度，效果好。

6、本发明应变式传感器的制作简便，可能够一次完成多个应变式传感器的制作且应变式传感器效果好，生产效率大幅提高，首选制作出应变式传感器板，再将应变式传感器板进行分割，得到多个应变式传感器，应变式传感器板制作的过程中，弹性基体和导电膜层的尺寸均较大，既方便涂覆胶黏剂，又能实现大批量加工，从而缩短应变式传感器的制作时间，尤其适用于大批量传感器加工。

7、本发明应变式传感器制作时，首先对弹性基体和导电膜层进行预处理，根据弹性基体和导电膜层选择胶黏剂，通过对弹性基体进行热处理去除弹性基体在加工过程中产生的局部应力，使弹性基体处于力学稳定状态，整个弹性基体各个部分均匀一致，使弹性基体的表面便于与导电膜层进行叠合，通过对导电膜层进行热处理，消除导电膜层在在加工过程中产生的局部集中应力，使导电膜层各部分力学性能均匀一致，且使导电膜层的电阻温度系数稳定，更易与弹性基体进行叠合，便于后续层压板的制作，避免了弹性基体和导电膜层叠合过程中，残余应力造成弹性基体和导电膜层的变形，造成传感器制作的特性不能满足要求，降低传感器的精度。

8、本发明所采用的应变式传感器的制作方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，首先通过对弹性基体和导电膜层进行预处理，根据弹性基体和导电膜层选择胶黏剂，形成应变式传感器的基础材料，消除弹性基体和导电膜层中的应力，提高弹性基体和导电膜层的叠合；其次，使涂覆第一胶黏层的弹性基体和涂覆第二胶黏层的导电膜层叠合，第一胶黏层与第二胶黏层形成绝缘介质层，经过压紧装置加压和保温处理，形成层压板，对导电膜层进行绝缘，且层压板的形成可在大气环境或真空环境下进行处理；接着，对层压板中的导电膜层中刻蚀处理形成电阻桥路，并在层压板的上表面涂覆胶黏剂，形成绝缘保护层，得到应变式传感器板；之后，将应变式传感器板进行分割，得到多个应变式传感器，实现了多个应变式传感器的加工，根据生产要求，可调整多个应变式传感器的量程，制作过程简化，适应范围广。

由上述内容可知，本发明对传统的应变式传感器制作方法进行本质上改进，现有的应变式传感器制作方法一般先在导电膜层上刻蚀电阻桥路，再将弹性基体和刻蚀电阻桥路的导电膜层切割后在粘贴在一起，且量程确定，适用范围受限。而本发明中，将导电膜层和弹性基体粘合后再进行刻蚀形成电阻桥路，且应变式传感器量程可调节，使应变式传感器能在大范围内进行调节，适应不同需求，并且提高应变式传感器的精度。

综上所述，本发明结构简单、设计合理、制作方法简便、制作效率高且使用效果好，能够一次完成多个应变式传感器的制作，提高应变式传感器的稳定性和精度，生产效率得到显著提高，具有广泛的应用和推广价值用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明应变式传感器实施例1的结构示意图。

图2为本发明应变式传感器实施例2的结构示意图。

图3为图2的俯视图。

图4为本发明电阻桥路的结构示意图。

图5为本发明应变式传感器的制作方法的流程框图。

附图标记说明:

1—弹性基体； 2—绝缘介质层； 3—导电膜层；

4—绝缘保护层； 5—电阻桥路； 6—保护罩；

7—引出线孔； 8—通气孔。

具体实施方式

本发明应变式传感器通过实施1和实施例2进行详细描述。

实施例1

如图1和图4所示，本发明应变式传感器包括弹性基体1、覆盖在弹性基体1上的绝缘介质层2和覆盖在所述绝缘介质层2上的导电膜层3，电阻桥路5设置在所述导电膜层3上，所述导电膜层3和所述绝缘介质层2上均设置有绝缘保护层4，所述绝缘介质层2的层数至少为一层，所述绝缘保护层4的层数至少为一层。

本实施例中，所述绝缘介质层2可以为多层，多层所述绝缘介质层2为同种或不同种绝缘介质，所述绝缘保护层4可以为多层，多层所述绝缘保护层4为同种或不同种绝缘介质。所述弹性基体1的形状为矩形、椭圆形、正多边形或梯形。

本实施例中，所述弹性基体1的厚度为0.05mm～100mm，所述弹性基体1为圆形时，所述弹性基体1的直径为5mm～50mm。

本实施例，所述的弹性基体1为正方形时，所述弹性基体1的长×宽为5mm×5mm～20mm×20mm，所述弹性基体1的厚度为0.5mm～20mm，通过改变弹性基体1的形状改变应变式传感器的形状，可以根据生产需求制作多种形状的应变式传感器，提高了应变式传感器生产的灵活性和应用范围。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处仅在于：所述应变式传感器还包括设置在绝缘保护层4上的保护罩6，所述保护罩6上设置有供电阻桥路5引出线引出的引出线孔7，所述保护罩6的厚度为0.05mm～10mm，所述保护罩6顶部的内表面与绝缘保护层4的上表面之间的距离为0.05mm～10mm。

本实施例中，所述保护罩6上设置有通气孔8，所述通气孔8为椭圆形孔、矩形孔或正多边形孔。

本实施例中，所述引出线孔7为圆形孔，所述引出线孔7的直径为0.3mm～5mm，所述引出线的长度为1mm～100mm；所述通气孔8为圆形孔，所述通气孔8的直径为0.1mm～10mm。

结合图5所示，本发明应变式传感器的制作方法通过实施例3～实施例10进行描述：

实施例3

本实施例包括以下步骤：

步骤一、弹性基体的预处理:所述弹性基体1为304不锈钢或316L不锈钢时，首选对弹性基体1进行去应力退火处理，其中，去应力退火处理的温度为475℃，去应力退火处理的时间为4h；然后对去应力退火处理后的弹性基体1的表面进行研磨，具体过程为：选择粒度为17μm的研磨料，对步骤101中经过热处理的弹性基体1的表面进行研磨，研磨至弹性基体1上表面和下表面的粗糙度为0.8μm～1.6μm；最后对研磨后的弹性基体1进行去污处理、烘干；所述弹性基体1的厚度为50mm；

实际制作过程中，对弹性基体1进行去油污处理，避免弹性基体1中含有杂质或水分，使得当温度发生变化时，弹性基体1中的杂质或水分造成弹性基体1的膨胀，导致弹性基体1不能与导电膜层3紧密叠合，影响导电膜层3的稳定性。

步骤二、导电膜层的预处理:首先对导电膜层3进行热处理，使导电膜层3的电阻温度系数范围为-30PPM/℃～+30PPM/℃，然后对热处理后的导电膜层3进行去污处理、烘干，其中，所述热处理的温度为250℃，所述热处理的时间为6h。

实际制作过程中，步骤二中对导电膜层3进行去污处理，避免导电膜层3中含有杂质或水分，使得当温度发生变化时，导电膜层3中的杂质或水分造成弹性基体1的膨胀，导致导电膜层3不能与弹性基体1紧密叠合，影响导电膜层3的稳定性。

实际制作过程中，通过对弹性基体1进行热处理去除弹性基体1在加工过程中产生的局部集中应力，使弹性基体1处于力学稳定状态，整个弹性基体1各个部分均匀一致，且使弹性基体1的上表面光洁、无缺陷，便于与导电膜层3进行叠合，通过导电膜层3进行热处理，消除导电膜层3在在加工过程中产生的局部应力，使导电膜层3各部分力学性能均匀一致，且使导电膜层3的电阻温度系数稳定，便于与弹性基体1进行叠合，便于后续层压板的制作，避免了弹性基体1和导电膜层3叠合过程中，残余应力造成弹性基体和导电膜层的变形，造成传感器制作精度低不能满足要求。

本实施例中，所述胶黏剂为有机胶黏剂，有机胶黏剂优选为环氧系胶黏剂，进一步优选为，所述环氧系胶黏剂包括CEMEDINE110胶黏剂或SP168GN胶黏剂，根据生产制作需求，可选择具有同等效果的其他类型的有机胶黏剂。

步骤三、制作层压板：

步骤301、在室温无尘环境中，将胶黏剂均匀涂覆在步骤一中经过预处理的弹性基体1的上表面，静置12h后进行预烘处理，得到第一胶黏剂层；所述第一胶黏剂层的厚度为100μm，所述预烘处理的温度均为73℃，所述预烘处理的时间为40min；

步骤302、在室温无尘环境中，将胶黏剂均匀涂覆在步骤二中经过预处理的导电膜层3的下表面，静置12h后进行预烘处理，得到第二胶黏剂层；所述第二胶黏剂层的厚度为50μm，所述预烘处理的温度均为73℃，所述预烘处理的时间为40min；

实际制作过程中，因导电膜层较薄，厚度为2.5μm～5μm，所以在导电膜3上涂覆第二胶黏剂层，避免导电膜层3发生皱褶，同时便于导电膜3与弹性基体1的叠合。

步骤303、将步骤301中所述第一胶黏剂层和步骤302中第二胶黏剂层叠合后形成绝缘介质层2，然后放入压紧装置中，经加压和保温处理，形成层压板；所述绝缘介质层2的厚度为150，所述加压的压力为1.5MPa，所述保温的温度为40℃，所述保温的时间为2h。

步骤304、对步骤303中所述层压板中的导电膜层3的上表面进行二次去污处理、烘干；

本实施例中，步骤304对所述层压板进行二次去污处理，去除所述层压板中的导电膜层3的上表面的杂质或水分，保证导电膜层3能与弹性基体1紧密叠合，提高导电膜层3的稳定性。

步骤四、刻蚀电阻桥路：对步骤304中经烘干处理后的导电膜层3的上表面进行刻蚀处理形成电阻桥路5，然后采用零位调整方法对电阻桥路5进行调整，使所述电阻桥路5的零点输出范围为-0.3mV/V～0.3mV/V；所述电阻桥路5上设置有焊接引出线的焊盘；

实际制作过程中，步骤四中所述电阻桥路5包括四个桥阻，所述零位调整方法包括研磨零位调整、化学腐蚀零位调整或激光刻蚀零位调整；所述研磨零位调整为：利用粒度为0.5μm～10μm的研磨料对所述四个桥阻中最小的桥阻进行研磨，使所述电阻桥路5中四个桥阻的误差范围为-2％～+2％。

步骤五、形成绝缘保护层：将胶黏剂均匀涂覆在步骤四中刻蚀电阻桥路5后的层压板的上表面，形成绝缘保护层4，得到应变式传感器板；所述绝缘保护层4的厚度为50μm；

实际制作过程中，通过在所述层压板的上表面即导电膜层3和绝缘介质层2的上表面均匀涂覆胶黏剂，形成绝缘保护层4，绝缘保护层4的设置，一方面防止导电膜层3上的电阻桥路5裸露在空气中，电阻桥路5和潮湿空气接触，从而改变电阻桥路5中桥阻的导电率，造成电阻桥路5的不稳定；另一方面与绝缘介质层2的上表面接触，从而将导电膜层3的四周均覆盖有绝缘保护层4，绝缘性好，从而提高应变式传感器的稳定性和精度，结构简单，且效果好。

步骤六、分割：将步骤五中所述应变式传感器板进行分割，得到多个应变式传感器。

实际制作过程中，将所述应变式传感器板进行分割，得到多个应变式传感器，应变式传感器板制作的过程中，弹性基体1和导电膜层3的尺寸均较大，既方便涂覆胶黏剂，又能实现大批量加工，从而缩短应变式传感器的制作时间，尤其适用于大批量传感器加工，实现了多个应变式传感器的加工，生产效率大幅提高。

实际制作过程中，根据生产要求，通过调整所述应变式传感器中的弹性基体1的厚度而改变应变式传感器的量程，可生产多类型的应变式传感器，制作过程简化。

本实施例中，优选地，步骤六分割后，在所述绝缘保护层4的上方覆盖保护罩6，保护罩6与弹性基体1、绝缘介质层2和绝缘保护层的外侧壁均紧密接触。

本实施例中，所述弹性基体1的形状为圆形，所述弹性基体1的直径为27mm。

实际制作过程中，对步骤六中所述应变式传感器焊接引线，并放入老化装置中进行老化，老化后进行测试，保证电阻桥路5的零点输出范围为-0.3mV/V～+0.3mV/V。

实际制作过程中，当制作应变式压力传感器时，带有保护罩6的应变式压力传感器在通气孔8没有被密封的情况下制成的应变式压力传感器为表压型压力传感器；带有保护罩6的应变式压力传感器在真空状态下被密封制成的应变式压力传感器为绝压型压力传感器；带有保护罩6的应变式压力传感器在注入标准压力值的气体后被密封制成的应变式压力传感器为密封表压型压力传感器。

实施例4

本实施例应变式传感器的制作方法与实施例3的不同之处仅在于：步骤一中弹性基体1为2Cr13不锈钢时，对弹性基体1的热处理为：先对弹性基体1进行淬火处理，再进行回火处理，其中淬火处理的温度为970℃，回火处理的温度为380℃；步骤一中弹性基体1的直径为5mm；步骤二中所述热处理的温度为220℃，所述热处理的时间为4h，步骤301中所述静置的时间为1h，所述第一胶黏剂层的厚度为5μm，步骤303中所述绝缘介质层2的厚度为6μm，步骤302中所述静置的时间为1h，所述第二胶黏剂层的厚度为1μm，步骤301中和步骤302中所述预烘处理的温度均为60℃，所述预烘处理的时间均为20min。

本实施例中的其它工艺过程与实施例3相同。

实施例5

本实施例应变式传感器的制作方法与实施例3的不同之处仅在于：步骤一中弹性基体1为17-4PH不锈钢或40CrNiMo时，对弹性基体1的热处理为：对弹性基体1进行固溶化处理，其中固溶化处理的温度为1040℃；步骤一中弹性基体1的直径为50mm；步骤二中所述热处理的温度为280℃，所述热处理的时间为8h，步骤301中所述静置的时间为24h，所述第一胶黏剂层的厚度为200μm，步骤303中所述绝缘介质层2的厚度为300μm，步骤301中和步骤302中所述预烘处理的温度均为85℃，所述预烘处理的时间均为60min；步骤302中所述静置的时间为24h，所述第二胶黏剂层的厚度为100μm。

本实施例中的其它工艺过程与实施例3相同。

实施例6

本实施例应变式传感器的制作方法与实施例5的不同之处仅在于：步骤一中弹性基体1为17-4PH不锈钢或40CrNiMo时，对弹性基体1的热处理为：对弹性基体1进行时效处理，其中，时效处理的温度为480℃。

本实施例中的其它工艺过程与实施例5相同。

实施例7

本实施例应变式传感器的制作方法与实施例5的不同之处仅在于：步骤一中所述固溶化处理的温度1020℃。

本实施例中的其它工艺过程与实施例5相同。

实施例8

本实施例应变式传感器的制作方法与实施例5的不同之处仅在于：步骤一中所述固溶化处理的温度1060℃。

本实施例中的其它工艺过程与实施例5相同。

实施例9

本实施例应变式传感器的制作方法与实施例6的不同之处仅在于：步骤一中所述时效处理的温度为460℃。

本实施例中的其它工艺过程与实施例6相同。

实施例10

本实施例应变式传感器的制作方法与实施例6的不同之处仅在于：步骤一中所述时效处理的温度为520℃。

本实施例中的其它工艺过程与实施例6相同。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。