一种扭矩应变传感器及其构造方法与流程

本发明总的来说涉及扭矩应变传感器。具体而言，本发明涉及一种扭矩应变传感器及其构造方法。

背景技术：

1、扭矩应变传感器是一种用于测量扭转力矩的设备，其能够通过检测机械部件在扭转力矩作用下的应变以确定扭矩，在工业自动化、结构健康监测、机器人技术等领域均有着广泛的应用前景，例如可以用于谐波减速器的测试。

2、目前对谐波减速器的测试存在缺少专门设备，难以进行自动化测试的问题。传统的测试方法(例如通过静重法测量谐波齿轮减速器的启动力矩)则存在诸多局限，静重法需要通过在谐波减速器输入轴上安装接口圆盘悬挂重物(如滴水法)，逐步增加重物质量直至输入轴开始旋转，此时测得的力矩值即为启动力矩。然而，由于测试过程需要直接将传感器贴附在谐波减速器上，会导致电气连接复杂、导线易损耗等问题，容易干扰谐波减速器的正常工作。

技术实现思路

1、为至少部分解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种扭矩应变传感器，包括：

2、基底；

3、空腔，其基于微机电系统(mems)工艺构造在所述基底上，所述空腔的表面设有引线层，所述引线层与引线电极以及连接电极连接；

4、连接电极，其基于mems工艺构造在所述基底上，所述连接电极与所述引线层以及敏感栅连接；以及

5、敏感栅，其基于mems工艺构造在所述基底上，所述敏感栅通过所述连接电极与所述空腔连接以形成电桥电路。

6、在本发明一个实施例中规定，所述基底的形状为方形，其中所述基底的边长为1-5mm，所述基底的材料包括硅，玻璃，石英，聚酰亚胺，氮化硅，碳化硅，氧化铝，聚对二甲苯以及聚二甲基硅氧烷。

7、在本发明一个实施例中规定，所述空腔的形状包括方形以及锥台形，其中所述空腔的深度为5至2000μm，并且所述空腔的边长为30至300μm。

8、在本发明一个实施例中规定，所述引线层的厚度为50至10000nm，和\或所述连接电极的厚度为50-500nm。

9、在本发明一个实施例中规定，所述引线层和\或所述连接电极的材料包括金、银、铂、铜、钛、锆、铪、钽、铬、锰、钼、钴、镍、铝以及锗。

10、在本发明一个实施例中规定，所述敏感栅的材料包括金、银、钛、铂、铬、锰、镍、铝、铜、锰铜合金、铁镍合金以及卡玛合金。

11、在本发明一个实施例中规定，所述敏感栅包括应变单元以及精密电阻，其中所述敏感栅的宽度为10至150μm。

12、在本发明一个实施例中规定，所述空腔包括第一至第四空腔，并且所述敏感栅包括第一至第四敏感栅，其中第一空腔和第二空腔是电桥电路的输入端，第三空腔和第四空腔是电桥电路的输出端，第一敏感栅与第一空腔以及第三空腔连接，第二敏感栅与第二空腔以及第三空腔连接，第三敏感栅与第一空腔以及第四空腔连接，第四敏感栅与第二空腔以及第四空腔连接。

13、在本发明一个实施例中规定，当第一敏感栅和第二敏感栅为应变单元，第三敏感栅和第四敏感栅为精密电阻时，第一至第四空腔以及第一至第四敏感栅连接形成半桥电路；和\或

14、第一至第四敏感栅为应变单元时，第一至第四空腔以及第一至第四敏感栅连接形成全桥电路。

15、本发明还提出一种构造扭矩应变传感器的方法，包括下列步骤：

16、提供基底，其中在所述基底的表面沉积二氧化硅层，清洗所述基底并且将所述基底烘干；

17、在所述基底的表面旋涂第一光刻胶并且将所述第一光刻胶烘干；

18、在所述第一光刻胶的表面曝光出刻蚀窗口并且将刻蚀窗口显影；

19、刻蚀所述基底表面的二氧化硅层，并且通过所述刻蚀窗口在所述基底上刻蚀出空腔；

20、清洗所述第一光刻胶并且将所述基底烘干；

21、在所述基底的表面以及所述空腔的侧面和底部沉积金属，以在所述空腔内形成引线层，并且在所述空腔的外围形成连接电极；

22、在所述基底的表面旋涂第二光刻胶并且将所述第二光刻胶烘干；

23、在所述第二光刻胶的表面进行反向曝光，将所述刻蚀窗口保留并且将所述基底表面的刻蚀窗口以外的位置曝光；

24、去除所述基底表面的未被光刻胶覆盖的位置处的金属；

25、在所述基底的表面旋涂第三光刻胶并且将所述第三光刻胶烘干；

26、在所述第三光刻胶的表面曝光出敏感栅的图形；

27、在所述基底的表面溅射敏感栅金属以形成敏感栅，并且除去所述第三光刻胶；以及

28、在所述基底的表面沉积保护层，并且将所述基底分割为多个。

29、本发明至少具有如下有益效果：本发明提出一种基于mems工艺构造，具有侧面焊盘的可贴附扭矩应变传感器，该传感器具有高灵敏度高，可实时监测、高可靠性、结构紧凑等优点。其中在传感器的构造过程中引入空腔结构，并且在空腔内进行电气连接，通过干法或湿法刻蚀技术能够制造出多种空腔结构，以适应不同工作场景下的需求。使用空腔侧壁进行电气连接不仅成本低并且易于维护，在应用于谐波减速器的测试时能够避免对谐波减速器的正常工作的干扰，从而能够提高谐波减速器的使用寿命，为谐波减速器性能测试提供了一个有效的解决方案，具有重要的应用前景和科研价值。

技术特征：

1.一种扭矩应变传感器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的扭矩应变传感器，其特征在于，所述基底的形状为方形，其中所述基底的边长为1-5mm，所述基底的材料包括硅，玻璃，石英，聚酰亚胺，氮化硅，碳化硅，氧化铝，聚对二甲苯以及聚二甲基硅氧烷。

3.根据权利要求1所述的扭矩应变传感器，其特征在于，所述空腔的形状包括方形以及锥台形，其中所述空腔的深度为5至2000μm，并且所述空腔的边长为30至300μm。

4.根据权利要求1所述的扭矩应变传感器，其特征在于，所述引线层的厚度为50至10000nm，和\或所述连接电极的厚度为50-500nm。

5.根据权利要求1所述的扭矩应变传感器，其特征在于，所述引线层和\或所述连接电极的材料包括金、银、铂、铜、钛、锆、铪、钽、铬、锰、钼、钴、镍、铝以及锗。

6.根据权利要求1所述的扭矩应变传感器，其特征在于，所述敏感栅的材料包括金、银、钛、铂、铬、锰、镍、铝、铜、锰铜合金、铁镍合金以及卡玛合金。

7.根据权利要求1所述的扭矩应变传感器，其特征在于，所述敏感栅包括应变单元以及精密电阻，其中所述敏感栅的宽度为10至150μm。

8.根据权利要求7所述的扭矩应变传感器，其特征在于，所述空腔包括第一至第四空腔，并且所述敏感栅包括第一至第四敏感栅，其中第一空腔和第二空腔是电桥电路的输入端，第三空腔和第四空腔是电桥电路的输出端，第一敏感栅与第一空腔以及第三空腔连接，第二敏感栅与第二空腔以及第三空腔连接，第三敏感栅与第一空腔以及第四空腔连接，第四敏感栅与第二空腔以及第四空腔连接。

9.根据权利要求8所述的扭矩应变传感器，其特征在于，当第一敏感栅和第二敏感栅为应变单元，第三敏感栅和第四敏感栅为精密电阻时，第一至第四空腔以及第一至第四敏感栅连接形成半桥电路；和\或

10.一种构造扭矩应变传感器的方法，其特征在于，包括下列步骤：

技术总结
本发明涉及扭矩应变传感器技术领域，提出一种扭矩应变传感器及其构造方法。该传感器包括基底；空腔，其基于MEMS工艺构造在所述基底上，所述空腔的表面设有引线层，所述引线层与引线电极以及连接电极连接；连接电极，其基于MEMS工艺构造在所述基底上，所述连接电极与所述引线层以及敏感栅连接；以及敏感栅，其基于MEMS工艺构造在所述基底上，所述敏感栅通过所述连接电极与所述空腔连接以形成电桥电路。该传感器具有高灵敏度高，可实时监测、高可靠性、结构紧凑等优点，在传感器的构造过程中引入空腔结构，并且在空腔内进行电气连接，具有成本低廉、易于维护的优点，在应用于谐波减速器的测试时能够避免对谐波减速器的正常工作的干扰，从而能够提高谐波减速器的使用寿命。

技术研发人员：蒋飞飞,李桂新
受保护的技术使用者：上海纳嵊科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/2