電阻應(yīng)變計技術(shù)發(fā)展動向

        電阻應(yīng)變計是稱重傳感器的核心器件，其敏感柵結(jié)構(gòu)、基底材料、靈敏系數(shù)穩(wěn)定性、機(jī)械滯后、蠕變和熱輸出等技術(shù)性能直接影響稱重傳感器的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。許多企業(yè)都把應(yīng)變計的生產(chǎn)列入稱重傳感器的基礎(chǔ)工藝。國內(nèi)外著名稱重傳感器企業(yè)穩(wěn)定批量生產(chǎn)質(zhì)量都是從電阻應(yīng)變計這一源頭抓起，或建立與自己產(chǎn)品配套的電阻應(yīng)變計生產(chǎn)部門，或經(jīng)過考察確立長期供貨的電阻應(yīng)變計生產(chǎn)企業(yè)。90年代以來，以美國VMM公司為代表的應(yīng)變計敏感柵箔材軋制企業(yè)和以美國VMM公司為代表的電阻應(yīng)變計生產(chǎn)企業(yè)，在箔材軋制、熱處理和電阻應(yīng)變計設(shè)計技術(shù)與制造工藝研究上都取得了突破性進(jìn)展，主要成果簡介如下。

   
     
       為滿足稱重傳感器小型化、微型化的要求，特別是電子秤用能耗小、發(fā)熱低、穩(wěn)定性好的稱重傳感器用大阻值應(yīng)變計的需要，美國VMM公司研制出2m、2.5m厚的超薄型康銅箔材，為研制微型應(yīng)變計和大阻值應(yīng)變計提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。目前此產(chǎn)品尚未供應(yīng)中國市場。

        美國VMM公司電阻應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)設(shè)計普遍采用一維、二維和三維有限單元法，建立相應(yīng)的力學(xué)模型，分析應(yīng)變計的應(yīng)變傳遞系數(shù)，提出應(yīng)變計結(jié)構(gòu)設(shè)計原則。利用二維有限單元法計算和分析粘貼在彈性體上應(yīng)變計的應(yīng)變傳遞，得出大部分區(qū)域是單向應(yīng)力狀態(tài)，基本沒有應(yīng)變傳遞滯后現(xiàn)象，而接近柵絲末端的一小段是剪應(yīng)力傳遞區(qū)域，剪應(yīng)力急劇變化，正應(yīng)力降為零而產(chǎn)生應(yīng)變傳遞滯后現(xiàn)象。因此提出設(shè)計框狀端頭，把柵絲應(yīng)變均勻分布區(qū)域作為工作區(qū)，將應(yīng)變傳遞滯后區(qū)域與工作區(qū)域隔離開，減小應(yīng)變計的滯后，這正是稱重傳感器用應(yīng)變計所需要的。

        建立三維有限單元六面體力學(xué)模型，取一萬多個節(jié)點，在大容量電子計算機(jī)上進(jìn)行計算，其目的是深入研究應(yīng)變計結(jié)構(gòu)，主要解決應(yīng)變計復(fù)蓋層的力學(xué)效果，敏感柵端部結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng)，基底、敏感柵、復(fù)蓋層厚度對機(jī)械滯后的影響，敏感柵結(jié)構(gòu)與蠕變自補(bǔ)償問題。保證應(yīng)變計結(jié)構(gòu)形狀、幾何尺寸、基底和復(fù)蓋層厚度最合理。

        盡管電阻應(yīng)變計原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計都無可挑剔，但其制造工藝決定了它必然存在一些固有的工藝缺陷，傳統(tǒng)制造工藝中刻圖制片、涂膠光刻、基底制作、粗細(xì)腐蝕、阻值調(diào)整、引線焊接、涂復(fù)蓋層、質(zhì)量檢查等工序多為手工操作和控制，人為的因素對產(chǎn)品質(zhì)量影響很大，而且應(yīng)變計成功率低，均一性差。而美國VMM公司和德國HBM公司的應(yīng)變計生產(chǎn)工藝，自動化程度都很高，幾乎每道工序都采用計算機(jī)自動控制和處理，關(guān)鍵工序如基底制作、光刻腐蝕、精細(xì)調(diào)阻，引線焊接、質(zhì)量檢測等都在自動化程度很高的專用設(shè)備上進(jìn)行，制造工藝的可重復(fù)性好，工藝兌現(xiàn)率高。因此應(yīng)變計的各項技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良，一致性和穩(wěn)定性好，批次產(chǎn)品質(zhì)量幾乎無差別。特別是稱重傳感器專用應(yīng)變計在靈敏系數(shù)穩(wěn)定性、阻值分散性、機(jī)械滯后、蠕變和熱輸出等技術(shù)指標(biāo)的控制更加嚴(yán)格，為大批量生產(chǎn)C3級稱重傳感器創(chuàng)造了條件。

       靈敏系數(shù)是電阻應(yīng)變計的重要參數(shù)，許多生產(chǎn)廠家都采用等應(yīng)力懸臂梁進(jìn)行測試，其結(jié)果是靈敏系數(shù)分散大，準(zhǔn)確度低。我們了解到的國外應(yīng)變計生產(chǎn)企業(yè)，特別重視應(yīng)變計生產(chǎn)工藝的兩頭，即開頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計與刻圖制版和最后的性能檢測與靈敏系數(shù)測定。由于電阻應(yīng)變計不能二次粘貼使用，所以靈敏系數(shù)測定是采用抽樣的方法在帶有標(biāo)準(zhǔn)梁的自動加載測量裝置上進(jìn)行。一次可標(biāo)定多組不同型號的電阻應(yīng)變計，每組最多可達(dá)10片，組成數(shù)10個測量點，通過多路自動掃描測量儀和電子計算機(jī)進(jìn)行控制和運(yùn)算，最后給出應(yīng)變計靈敏系數(shù)、機(jī)械滯后和蠕變值。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分辨率為1με和1μv，精度優(yōu)于0.02％。

       應(yīng)變計電阻值的精密調(diào)整工藝對其電阻值的分散度和穩(wěn)定性影響較大。盡管化學(xué)調(diào)阻比傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)阻有許多優(yōu)越性，完全能保證產(chǎn)品質(zhì)量，但其工藝要求嚴(yán)、勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低的缺點也很突出，不適應(yīng)日產(chǎn)10多萬片應(yīng)變計的大批量生產(chǎn)。美國VMM公司獨創(chuàng)了激光自動調(diào)阻新工藝，速度快、精度高，應(yīng)變計電阻值分散小，便于加膜處理制成全密封柵結(jié)構(gòu)的應(yīng)變計。

       電阻應(yīng)變計應(yīng)用技術(shù)的研究也取得了突破性的進(jìn)展。美國VMM公司經(jīng)過多年的研究與實驗開發(fā)出EMC（有效模量補(bǔ)償）系列靈敏度溫度自補(bǔ)償電阻應(yīng)變計，在許多場合都可以很容易的獲得優(yōu)于±0.0008/°F（0.0014%/℃）的補(bǔ)償精度。根據(jù)不同彈性體材料EMC系列靈敏度溫度自補(bǔ)償應(yīng)變計有4種類型：M1靈敏系數(shù)隨溫度變化-1.5%/100°F（-2.70％/100℃）適用于不銹鋼；M2靈敏系數(shù)隨溫度變化-2.35%/100°F（-4.23%/100℃）適用于鋁合金；M3靈敏系數(shù)隨溫度變化-1.25%/100°F（-2.25％/100℃）適用于工具鋼；M4靈敏系數(shù)隨溫度變化為-1.35％/100°F（-2.43%/100℃）適用M1和M3之間的“中間區(qū)域”（不銹鋼與工具鋼之間）的補(bǔ)償。

電阻應(yīng)變片是電阻型傳感器的一種。

       所謂電阻型傳感器，就是依據(jù)某種物理、化學(xué)或生物效應(yīng)將某種非電量甲的變化轉(zhuǎn)換成傳感元件電阻值的變化，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路將電阻值的變化變成電信號輸出，從而完成非電量甲的電測量。

電阻式傳感器的類型很多，包括熱電阻、應(yīng)變片、熱敏電阻、濕敏電阻、光敏電阻、氣敏電阻等，在幾何量、機(jī)械量、熱工量測量領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，常用來測量力、壓力、位移、應(yīng)變、扭矩、加速度、溫度等，是傳感器大家族中興旺發(fā)達(dá)的一個分支。

若存在某種敏感元件，將另外一種非電量乙轉(zhuǎn)換為該電阻式傳感器直接測量的非電量甲，則該電阻式傳感器亦可用來測量非電量乙。

各式各樣的敏感元件、種類繁多的傳感元件，加之敏感元件與傳感元件不同的組合方式，構(gòu)成了豐富多彩、各具特色的測量方案。

1 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)

如何將這種傳感原理應(yīng)用于具體的測量實踐，必須進(jìn)行具體的材料優(yōu)選、結(jié)構(gòu)設(shè)計，構(gòu)成具體的測量元件——電阻應(yīng)變片。

電阻應(yīng)變片由敏感柵(金屬絲或金屬箔)、基底、覆蓋層、粘合劑、引出線等組成。

敏感柵是傳感元件，它把感受到的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化。

基底用來將彈性體的表面應(yīng)變準(zhǔn)確地傳送到敏感柵上，并使敏感柵與被測彈性體之間相互絕緣?；妆仨氉鞯暮鼙。话阍?.02~0.4mm。

覆蓋層用來保護(hù)敏感柵。

基底和覆蓋層可用專門的薄紙制成，稱為紙基；也可用各種粘結(jié)劑和有機(jī)樹脂薄膜制成，稱為膠基。多采用后者。

粘合劑把敏感柵與基底粘貼在一起。

引出線作為連接信號調(diào)理電路之用，常用直徑為0.10~0.15mm的鍍錫銅線，并與敏感柵兩輸出端焊接。

2 電阻應(yīng)變片的種類

絲式應(yīng)變片：將直徑0.015~0.05mm、長度0.2~200mm范圍的金屬絲，按圖示形狀彎曲后，用粘合劑粘貼在基底上而成。電阻絲兩端焊有引出線，使用時只要將應(yīng)變片貼于被測彈性體上，就可構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。

箔式應(yīng)變片：它的敏感柵是通過光刻、腐蝕等工藝制成。箔柵厚度一般在3μm至10μm之間。與絲式應(yīng)變片相比，箔式應(yīng)變片表面積大，散熱性好，允許通過較大的電流。由于箔式應(yīng)變片很薄，因此具有較好的可撓性，靈敏度系數(shù)較高。箔式應(yīng)變片還可以根據(jù)需要制成任意形狀，適合批量生產(chǎn)。

金屬薄膜應(yīng)變片是采用真空蒸鍍或濺射等方法，在薄的基底材料上制成一層金屬電阻材料薄膜，然后用蝕刻技術(shù)制成各種形狀的柵，以形成應(yīng)變片。薄膜厚度比箔柵還要薄，一般在0.1μm以下，其靈敏系數(shù)比箔式還要高，允許電流密度大，工作溫度范圍較廣。