專利名稱：微型多維力／力矩傳感器微加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在傳感器彈性體上直接加工應(yīng)變片的方法。
背景技術(shù)：
多維力/力矩傳感器測(cè)量的物理量為三維力和三維力矩，亦即Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz，采用半導(dǎo)體制造工藝要求膜片位于同一平面，設(shè)計(jì)的彈性體結(jié)構(gòu)形式如圖1，傳感器的直徑19mm，高度為3mm，應(yīng)變梁共有9個(gè)。為了充分利用鉻膜，設(shè)計(jì)的版面如圖2所示。機(jī)器人技術(shù)已進(jìn)入智能機(jī)器人時(shí)代，需要豐富的感知功能，微型多維力/力矩傳感器在機(jī)器人操作中大量使用，但是由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)變片數(shù)量多，采用手工粘貼的應(yīng)變片位置很難準(zhǔn)確，而且手工焊接可靠性差，從而影響了傳感器的精度。采用手工調(diào)試傳感器，制造廠要投入大量工作在傳感器的校正上，制約了多維力傳感器的發(fā)展。機(jī)電一體化設(shè)計(jì)將機(jī)械、傳感、電路一體化集成設(shè)計(jì)，從而滿足微小型系統(tǒng)的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了提高傳感器的精度以及生產(chǎn)效率，提供一種在微型多維力/力矩傳感器彈性體鋁合金基體上直接濺射應(yīng)變片的方法，即微型多維力/力矩傳感器微加工方法。本發(fā)明的微型力/力矩傳感器彈性體采用半導(dǎo)體制作工藝，在德國(guó)fraunhofer生物研究所完成，制作過(guò)程如下(一)制備絕緣層對(duì)鋁合金基體表面進(jìn)行拋光處理，然后在基體表面上濺射Al2O3絕緣層；(二)涂感光膠在Al2O3絕緣層上噴霧感光層，烘干；(三)曝光對(duì)感光層進(jìn)行曝光、顯影、清洗；(四)生成金屬層最后在濺射機(jī)上進(jìn)行金屬化處理，形成組織結(jié)構(gòu)致密的應(yīng)變片金屬膜，即電阻薄膜。本發(fā)明提出了一種基于MEMS制造技術(shù)的微型力傳感器，在鋁合金基體上，采用半導(dǎo)體制造工藝在傳感器彈性體上直接濺射電阻薄膜并將線引到放大電路，這樣不僅可以提高彈性體與應(yīng)變片之間的粘結(jié)強(qiáng)度，而且還可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和測(cè)量精度。本發(fā)明具有靈敏度高、響應(yīng)快、易進(jìn)行大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。


圖1為微型力矩傳感器的整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為微型力矩傳感器的版面結(jié)構(gòu)示意圖，圖3為彈性體表面加工質(zhì)量狀態(tài)圖(60un)，圖4為彈性體表面加工質(zhì)量狀態(tài)圖(3un)，圖5為濺射1.5μm絕緣層厚的彈性體表面顯微圖(5un)，圖6為本方法生成金屬層的表面顯微圖，圖7為不同位置濺射應(yīng)變片的表面顯微圖，圖8為與傳感器處理電路外接引線處理圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式是這樣實(shí)現(xiàn)的(一)制備絕緣層對(duì)傳感器基體表面進(jìn)行拋光處理，然后在基體表面上濺射Al2O3絕緣層；(二)涂感光膠在Al2O3絕緣層上噴霧感光層，烘干；(三)曝光對(duì)感光層進(jìn)行曝光、顯影、清洗；(四)生成金屬層最后在濺射機(jī)上進(jìn)行金屬化處理，形成應(yīng)變片金屬膜，即電阻薄膜。所述絕緣層厚度為40～60微米；步驟一的工作溫度為500～550℃；感光層的厚度為60～70微米；步驟四中的金屬為鎳/鉻合金或銅。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式是這樣實(shí)現(xiàn)的(一)制備絕緣層首先對(duì)傳感器基體表面進(jìn)行拋光處理，然后在510℃、采用Heraeus公司的絕緣層濺射機(jī)IP9025在鋁基體上濺射50微米絕緣層。
(二)涂感光膠由于將本結(jié)構(gòu)整個(gè)版面放入溶液中體積大不易操作，所以采用噴霧器來(lái)涂感光膠。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，Resist Ti35顯示出對(duì)三氧化二鋁具有最好的可靠性并且濃度可調(diào)，可以在絕緣層上生成優(yōu)質(zhì)的感光層，所以在Al2O3絕緣層上噴霧感光層，控制感光層的厚度為60～70微米，烘干。
(三)曝光在普通的4寸曝光機(jī)中進(jìn)行曝光，曝光時(shí)間大約30分鐘，保證外圍每?jī)蓚€(gè)梁都處于對(duì)齊位置并保證曝光時(shí)間一致，曝光后清洗。
(四)生成金屬層在Magnetron濺射機(jī)上進(jìn)行金屬化處理，磁濺射機(jī)濺射厚度為1微米，電阻絲的厚度100納米，焊盤厚度850納米，壓力1.5×10-2mbar，工作溫度90℃；應(yīng)變片金屬膜的鎳/鉻的比例分別是80％和20％，實(shí)驗(yàn)證明這種成分與三氧化二鋁有很好的親和力，應(yīng)變片引腳濺射金屬金。
(五)外接引線將傳感器信號(hào)處理電路板與傳感器之間焊接(bonding)金線。
權(quán)利要求
1.微型多維力/力矩傳感器微加工方法，其特征在于它按照下述步驟進(jìn)行(一)制備絕緣層對(duì)傳感器基體表面進(jìn)行拋光處理，然后在基體表面上濺射Al2O3絕緣層；(二)涂感光膠在Al2O3絕緣層上噴霧感光層，烘干；(三)曝光對(duì)感光層進(jìn)行曝光、顯影、清洗；(四)生成金屬層最后在濺射機(jī)上進(jìn)行金屬化處理，形成應(yīng)變片金屬膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型多維力/力矩傳感器微加工方法，其特征在于絕緣層厚度為40～60微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型多維力/力矩傳感器微加工方法，其特征在于步驟一的工作溫度為500～550℃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型多維力/力矩傳感器微加工方法，其特征在于感光層的厚度為60～70微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型多維力/力矩傳感器微加工方法，其特征在于曝光時(shí)間為30分鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型多維力/力矩傳感器微加工方法，其特征在于步驟四中的金屬為鎳/鉻合金或銅。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的微型多維力/力矩傳感器微加工方法，其特征在于鎳/鉻合金中鎳/鉻所占的比例分別是80％和20％。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型多維力/力矩傳感器微加工方法，其特征在于步驟四中濺射厚度為1微米，電阻絲的厚度為100納米，焊盤厚度為850納米，壓力為1.5×10-2mbar，工作溫度為90℃。
全文摘要
微型多維力/力矩傳感器微加工方法，它涉及一種在傳感器彈性體上直接加工應(yīng)變片的方法。本發(fā)明為了提高傳感器的精度，提供一種微型多維力/力矩傳感器微加工方法，它是這樣實(shí)現(xiàn)的對(duì)傳感器基體表面進(jìn)行拋光處理，然后在基體表面上濺射Al
文檔編號(hào)G01L1/18GK1687727SQ20051000992
公開(kāi)日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2005年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月26日
發(fā)明者高嘵輝, 劉宏 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)