一种基于玻璃微熔工艺的六维力传感器及其制备方法技术

技术编号：41275318 阅读：14 留言：0更新日期：2024-05-11 09:28

本发明专利技术属于传感器技术领域，公开了一种基于玻璃微熔工艺的六维力传感器制备方法：S1步骤：对弹性梁的表面进行喷丸处理；S2步骤：对弹性梁的表面进行酸洗；S3步骤：使用丝网印刷技术将玻璃粉印刷到弹性梁的表面；S4步骤：对弹性梁表面的玻璃粉进行预加热，将玻璃粉加热成半熔状态；S5步骤：将应变片放在玻璃粉上，对玻璃粉继续加热，使应变片嵌入玻璃粉中；S6步骤：使用金丝键合工艺，将硅应变片连接形成惠斯通电桥；将高温熔化的玻璃粉作为黏合剂，让外壳与硅应变片结合，能最大程度消除传感器泄漏的隐患，并且能够兼容各种气体和液体等；解决了因为现有技术造成应变片厚度不统一，胶的熔点较低的问题。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于传感器，具体涉及一种基于玻璃微熔工艺的六维力传感器及其制备方法。

技术介绍

1、六维力传感器能够测量物体在空间中的力和力矩；可提供关于物体所受力的全面信息，包括作用力的大小、方向和矩阵。六维力传感器结构组成主要包括弹性梁、过载保护梁、应变片和信号采集电路，凭借着高精度和高灵敏度的力学测量，从而在机器人
具有广泛应用。六维力传感器可以用于机器人的力触觉反馈，实现对物体的精确抓取和操作；同时，还可以用于机器人的姿态控制，帮助机器人保持平衡和稳定地运动。

2、六维力传感器中应变片是用于测量物体所受力的传感元件，通常被粘贴或固定在传感器结构上；当金属应力片受到力的作用时，其内部发生应变，导致电阻值的改变；通过测量电阻值的变化，可以间接地测量力的大小。当下最普遍的应变片是金属箔应变片，在实际的应用过程中存在有成本较高、灵敏度低、抗干扰能力和稳定性较差、对非线性力或形变力的响应有所限制、不能进一步满足对微应变应力的测试要求等缺陷。硅应变片凭借着比金属应变片更好的压阻效应，在需要进行高精度和高灵敏度的力学测量的领域完全取代了金属应变片。

3、硅应变片目前主要通过光刻单晶硅技术或蚀刻单晶硅技术进行制造。在与传感器连接时，常采用将硅应变片放置在固定胶上的方法，并通过加热使传感器上的固定胶熔化，从而实现硅应变片固定在固定胶中。现有的硅应变片在生产和连接时存在如下不足：

4、1.应变片的厚度直接影响应变片的阻值，可在大规模制造中，无论是光刻技术，还是蚀刻技术都难以做到应变片厚度的统一。

<p>5、2.在高温环境中，固定应变片的胶可能会熔化，使应变片位置发生改变；此外，应变片与粘贴剂的配合程度直接影响传感器精度。在温度和压力多变的环境下，传感器的基底材料在经过长时间工作退化也会导致力传感器测量的精度变差。

6、3.弹性敏感元件硅应变传感器的连接通常采用有机胶粘贴工艺，热稳定性差、胶体承受的温度范围通常低于200℃。在温度范围外的传感器性能会急剧恶化，甚至引起传感器失效。

7、综上所述，发现现有技术至少存在以下技术问题：

8、现有的六维力传感器技术中的硅应变片存在生产厚度不一致和固定性差的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本专利技术目的是提供一种基于玻璃微熔工艺的六维力传感器及其制备方法，以解决上述现有技术中所存在的问题。

2、为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是一种基于玻璃微熔工艺的六维力传感器，包括中心承载台和外壳，所述中心承载台和所述外壳之间设置有弹性梁和过载保护梁，所述弹性梁上设有单独的硅应变片；所述弹性梁和所述过载保护梁呈放射状的圆周间隔分布设置，所述弹性梁共设有四根，所述弹性梁用于承载外力、并让所述硅应变片的应变发生变化，所述过载保护梁用于缓冲、吸收和分散过载力；所述硅应变片包括第一硅片和第二硅片，所述第一硅片和所述第二硅片的电阻值相同，所述硅应变片连接形成惠斯通电桥，所述惠斯通电桥上每个电桥均由所述第一硅片和所述第二硅片串联而成。

3、作为优选，所述硅应变片的电阻材料为p型掺杂硅应变片，所述硅应变片从下到上依次由基底层、外延层、导电硅层和焊盘组成；所述基底层由改性酚醛组成，所述焊盘用于连接形成惠斯通电桥。

4、作为优选，所述硅应变片的外形呈折线型设置，所述硅应变片在折线型的拐弯结构处采用加宽处理。

5、作为优选，所述硅应变片和所述弹性梁之间由玻璃微熔工艺连接固定。

6、作为优选，所述外壳呈筒形的密封结构，用于传感器内部和外界环境的隔绝。

7、为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是一种基于玻璃微熔工艺的六维力传感器制备方法：

8、s1步骤：对弹性梁的表面进行喷丸处理，粗糙度在100-150目；

9、s2步骤：对弹性梁的表面进行酸洗；

10、s3步骤：使用丝网印刷技术将玻璃粉印刷到弹性梁的表面；

11、s4步骤：对弹性梁表面的玻璃粉进行预加热，将玻璃粉加热成半熔状态；

12、s5步骤：将应变片放在玻璃粉上，对玻璃粉继续加热，使应变片嵌入玻璃粉中；

13、s6步骤：使用金丝键合工艺，将硅应变片连接形成惠斯通电桥。

14、进一步，所述s3步骤中，使用丝网印刷技术将玻璃粉均匀地印刷到弹性梁上应变片安装位置的表面，印刷厚度是120微米。

15、进一步，所述s4步骤中，对弹性梁表面的玻璃粉进行预加热，将玻璃粉加热到550℃，让玻璃粉呈半熔状态。

16、进一步，所述s5步骤中，将硅应变片嵌入半熔状态的玻璃粉中，去应力退火的同时，让应变片完美贴合弹性元件。

17、本专利技术技术效果主要体现在以下方面：六维力传感器中选用p型掺杂硅应变片作为电阻材料，利用p型硅电阻温度系数小、灵敏度温度系数为负的弹性，能够抵消因电阻和压阻系数引起的温度效应，达到温度补偿效果；

18、应变片与其余部件的连接，将高温熔化的玻璃粉作为黏合剂，让外壳与硅应变片结合，能最大程度消除传感器泄漏的隐患，并且能够兼容各种气体和液体等；解决了因为现有技术造成应变片厚度不统一，胶的熔点较低的问题；

19、选用改性酚醛作为应变片的基底材料，让整个应变片形成全封闭结构；不仅使其能够实现温度以及蠕变自补偿功能，还让其比之传统粘结材料在温度和压力多变的环境下，具备高精度、便捷、耐久等多种优良特点。

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【技术保护点】

1.一种基于玻璃微熔工艺的六维力传感器，其特征在于：包括中心承载台和外壳，所述中心承载台和所述外壳之间设置有弹性梁和过载保护梁，所述弹性梁上设有单独的硅应变片；所述弹性梁和所述过载保护梁呈放射状的圆周间隔分布设置，所述弹性梁共设有四根，所述弹性梁用于承载外力、并让所述硅应变片的应变发生变化，所述过载保护梁用于缓冲、吸收和分散过载力；所述硅应变片包括第一硅片和第二硅片，所述第一硅片和所述第二硅片的电阻值相同，所述硅应变片连接形成惠斯通电桥，所述惠斯通电桥上每个电桥均由所述第一硅片和所述第二硅片串联而成。

2.如权利要求1所述的一种基于玻璃微熔工艺的六维力传感器，其特征在于：所述硅应变片的电阻材料为P型掺杂硅应变片，所述硅应变片从下到上依次由基底层、外延层、导电硅层和焊盘组成；所述基底层由改性酚醛组成，所述焊盘用于连接形成惠斯通电桥。

3.如权利要求1所述的一种基于玻璃微熔工艺的六维力传感器，其特征在于：所述硅应变片的外形呈折线型设置，所述硅应变片在折线型的拐弯结构处采用加宽处理。

4.如权利要求1所述的一种基于玻璃微熔工艺的六维力传感器，其特征在

5.如权利要求1所述的一种基于玻璃微熔工艺的六维力传感器，其特征在于：所述外壳呈筒形的密封结构，用于传感器内部和外界环境的隔绝。

6.一种基于玻璃微熔工艺的六维力传感器制备方法，其特征在于：

7.如权利要求6所述的一种基于玻璃微熔工艺的六维力传感器制备方法，其特征在于：所述S3步骤中，使用丝网印刷技术将玻璃粉均匀地印刷到弹性梁上应变片安装位置的表面，印刷厚度是120微米。

8.如权利要求6所述的一种基于玻璃微熔工艺的六维力传感器制备方法，其特征在于：所述S4步骤中，对弹性梁表面的玻璃粉进行预加热，将玻璃粉加热到550℃，让玻璃粉呈半熔状态。

9.如权利要求6所述的一种基于玻璃微熔工艺的六维力传感器制备方法，其特征在于：所述S5步骤中，将硅应变片嵌入半熔状态的玻璃粉中，去应力退火的同时，让应变片完美贴合弹性元件。

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【技术特征摘要】

2.如权利要求1所述的一种基于玻璃微熔工艺的六维力传感器，其特征在于：所述硅应变片的电阻材料为p型掺杂硅应变片，所述硅应变片从下到上依次由基底层、外延层、导电硅层和焊盘组成；所述基底层由改性酚醛组成，所述焊盘用于连接形成惠斯通电桥。

【专利技术属性】
技术研发人员：邬若军，陈君杰，李嘉欣，傅邱云，
申请(专利权)人：深圳安培龙科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：

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