本發(fā)明涉及力敏元件，具體涉及一種多面體薄膜力敏元件及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、機(jī)械臂在進(jìn)行艙段轉(zhuǎn)位、懸停飛行器捕獲及輔助對接、艙外貨物搬運(yùn)、支持航天員出艙活動、支持艙外狀態(tài)檢查、支持艙外大型設(shè)備維修維護(hù)更換等任務(wù)時(shí)，需要對機(jī)械臂的受力情況進(jìn)行監(jiān)測，必要時(shí)根據(jù)受力狀態(tài)執(zhí)行應(yīng)對策略。機(jī)械臂的受力測量裝置采用六維力傳感器實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)對機(jī)械臂的受力情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)作為運(yùn)動規(guī)劃的參考。對于這種多維工況測量的力傳感器力敏元件按照結(jié)構(gòu)分為組合式和一體式，按照制備工藝方法分為貼片式和薄膜式，但是組合式和貼片式在測量中會帶來的裝配誤差，動態(tài)特性、蠕變及溫度特性差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種多面體薄膜力敏元件及其制備方法，能夠?qū)崿F(xiàn)簡化結(jié)構(gòu)和減重，且裝配誤差小，傳感器動態(tài)特性、溫度特性及蠕變特性好。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明的一種多面體薄膜力敏元件，包括彈性體基材、過渡膜、絕緣膜、應(yīng)變金屬電阻膜以及電極膜；其中，過渡膜位于彈性體基材上方，絕緣膜位于過渡膜上方，金屬應(yīng)變電阻膜位于絕緣膜上方，電極膜位于應(yīng)變電阻膜焊盤區(qū)域。

4、其中，各個膜層之間采用離子束濺射與化學(xué)氣相沉積法形成一體化元件。

5、其中，所述彈性體基材材料為不銹鋼或鈦；所述過渡膜材料為ti或cr；所述絕緣層材料為氮化硅或sio2；所述金屬應(yīng)變電阻膜材料為nicr；所述電極膜材料為ni。

6、本發(fā)明還提供了一種多面體薄膜力敏元件的制備方法，包括如下步驟：

7、在進(jìn)行薄膜沉積前，首先對彈性體基材進(jìn)行表面處理，然后進(jìn)行過渡膜沉積；過渡膜沉積結(jié)束后，在過渡膜上表面進(jìn)行絕緣膜的沉積；其中，對彈性體基材的表面處理依次按照先平面再側(cè)面的順序進(jìn)行多個面的表面處理，表面處理后各個面的表面粗糙度小于10nm；過渡膜沉積按照先平面再側(cè)面的順序依次進(jìn)行；

8、絕緣膜沉積結(jié)束后，采用離子束濺射的方法在絕緣膜上層沉積應(yīng)變金屬電阻膜，應(yīng)變金屬電阻膜的沉積按照先平面后側(cè)面的順序完成；

9、應(yīng)變金屬電阻膜沉積結(jié)束后，采用半導(dǎo)體光刻工藝對應(yīng)變電阻膜進(jìn)行圖形化處理；

10、最后，將電極膜設(shè)置在應(yīng)變金屬電阻膜的焊盤區(qū)域上，完成制備。

11、其中，過渡膜沉積是采用離子束濺射的工藝方法。

12、其中，彈性體基材平面方向的絕緣膜沉積是采用等離子體化學(xué)氣相沉積的方法實(shí)現(xiàn)；彈性體基材側(cè)面方向的絕緣膜沉積是采用離子束濺射的方法實(shí)現(xiàn)。

13、有益效果：

14、1、本發(fā)明的多面體薄膜力敏元件包括彈性體基材、過渡膜、絕緣膜和金屬應(yīng)變電阻膜；其中過渡膜位于彈性體基材上方，絕緣膜位于過渡膜上方，金屬應(yīng)變電阻膜位于絕緣膜上方，電極膜位于應(yīng)變電阻膜焊盤區(qū)域。該元件實(shí)現(xiàn)了多維力傳感器測量過程中結(jié)構(gòu)簡單，自重輕、裝配誤差小、傳感器溫度特性、蠕變特性好的特點(diǎn)，為宇航、工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域小型化、高精度多維力測試提供生產(chǎn)保證。

15、2、本發(fā)明的一體化薄膜力敏元件中，各個膜層之間采用離子束濺射與化學(xué)氣相沉積法，利用濺射工藝實(shí)現(xiàn)多面體鍍膜，可以實(shí)現(xiàn)多維力一體化力學(xué)量測試，消除了傳統(tǒng)多維力組合式單面體力敏元件測試引起的裝配誤差，使傳感器動態(tài)特性及溫度特性得以改善。

16、3、本發(fā)明的多面體薄膜力敏元件制備方法中，通過各個工藝的整合以及嚴(yán)格的順序要求，實(shí)現(xiàn)了使用一體化多面體濺射薄膜力敏元件，可以實(shí)現(xiàn)多維力一體化力學(xué)量測試，消除了傳統(tǒng)多維力組合式單面體力敏元件測試引起的裝配誤差，使傳感器動態(tài)特性及溫度特性得以改善。

17、4、本發(fā)明的多面體薄膜力敏元件制備方法中，彈性體基材的過渡膜沉積也是按照先平面再側(cè)面的順序依次進(jìn)行，過渡膜沉積是采用離子束濺射的工藝方法；在過渡膜上表面進(jìn)行絕緣膜的沉積，彈性體基材平面方向的絕緣膜沉積是采用等離子體化學(xué)氣相沉積的方法實(shí)現(xiàn)，側(cè)面方向的絕緣膜沉積是采用離子束濺射的方法實(shí)現(xiàn)；絕緣膜沉積結(jié)束后，采用離子束濺射的方法在絕緣膜上層沉積應(yīng)變金屬電阻膜，應(yīng)變金屬電阻膜的沉積也是按照先平面后側(cè)面的順序完成；應(yīng)變金屬電阻膜沉積結(jié)束后，采用半導(dǎo)體光刻工藝對應(yīng)變電阻膜進(jìn)行圖形化處理，均是成熟的工藝手段，便于推廣。

技術(shù)特征：

1.一種多面體薄膜力敏元件，其特征在于，包括彈性體基材、過渡膜、絕緣膜、應(yīng)變金屬電阻膜以及電極膜；其中，過渡膜位于彈性體基材上方，絕緣膜位于過渡膜上方，金屬應(yīng)變電阻膜位于絕緣膜上方，電極膜位于應(yīng)變電阻膜焊盤區(qū)域。

2.如權(quán)利要求1所述的多面體薄膜力敏元件，其特征在于，各個膜層之間采用離子束濺射與化學(xué)氣相沉積法形成一體化元件。

3.如權(quán)利要求1或2所述的多面體薄膜力敏元件，其特征在于，所述彈性體基材材料為不銹鋼或鈦；所述過渡膜材料為ti或cr；所述絕緣層材料為氮化硅或sio2；所述金屬應(yīng)變電阻膜材料為nicr；所述電極膜材料為ni。

4.一種多面體薄膜力敏元件的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

5.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，過渡膜沉積是采用離子束濺射的工藝方法。

6.如權(quán)利要求4或5所述的制備方法，其特征在于，彈性體基材平面方向的絕緣膜沉積是采用等離子體化學(xué)氣相沉積的方法實(shí)現(xiàn)；彈性體基材側(cè)面方向的絕緣膜沉積是采用離子束濺射的方法實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及力敏元件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多面體薄膜力敏元件及其制備方法，能夠?qū)崿F(xiàn)簡化結(jié)構(gòu)和減重，且裝配誤差小，傳感器動態(tài)特性、溫度特性及蠕變特性好。本發(fā)明的多面體薄膜力敏元件包括彈性體基材、過渡膜、絕緣膜和金屬應(yīng)變電阻膜；其中過渡膜位于彈性體基材上方，絕緣膜位于過渡膜上方，金屬應(yīng)變電阻膜位于絕緣膜上方，電極膜位于應(yīng)變電阻膜焊盤區(qū)域。該元件實(shí)現(xiàn)了多維力傳感器測量過程中結(jié)構(gòu)簡單，自重輕、裝配誤差小、傳感器溫度特性、蠕變特性好的特點(diǎn)，為宇航、工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域小型化、高精度多維力測試提供生產(chǎn)保證。

技術(shù)研發(fā)人員：潘婷,姜鑫,李煒,馬國軒,高波,邱楚云,梁偉健,李瑩,薛小婷
受保護(hù)的技術(shù)使用者：陜西電器研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10