压力传感器电阻应变片的发展

电阻应变片是压力传感器的核心设备，其敏感栅结构、基底材料、灵敏系数稳定性、机械滞后、蠕变、热输出等技术性能直接影响压力传感器的准确性和稳定性。许多企业将应变片的生产纳入压力传感器的基本过程。国内外著名的压力传感器企业的稳定批量生产质量从电阻应变片的来源开始，或建立与自己产品相匹配的电阻应变片生产部门，或调查建立长期供应的电阻应变片生产企业。自20世纪90年代以来，在美国HPM公司、VMM以美国为代表的应变片敏感栅箔轧制企业VMM公司、德国HBM以公司为代表的电阻应变片制造商在箔轧制、热处理、电阻应变片设计技术和制造工艺研究方面取得了突破，主要成果如下。
沧正压力传感器
为了满足压力传感器小型化、微型化的要求，特别是电子秤能耗小、加热低、稳定性好的压力传感器大阻值应变片，美国VMM公司和HPM公司分别开发了2m、2.5m厚超薄康铜箔材料为开发微应变片和大阻值应变片提供了物质基础。
美国VMM公司和德国HBM公司电阻应变片的结构设计一般采用一维、二维、三维有限单元法，建立相应的机械模型，分析应变片的应变传递系数，提出应变片的结构设计原则。利用二维有限单元法计算和分析粘贴在弹性体上的应变片的应变传递，得出结论，大部分区域处于单向应力状态，基本没有应变传递滞后现象，而接近网格末端的一小部分是剪应力传递区域，剪应力变化迅速，正应力降至零，导致应变传递滞后。因此，提出设计框架端，将网格应变均匀分布区域作为工作区域，隔离应变传递滞后区域，减少应变片滞后，这是压力传感器应变片所需要的。
建立三维有限公司六面体力学模型，在大容量电子计算机上计算1万多个节点。其目的是深入研究应变片结构，主要解决应变片复盖层、敏感栅端结构、基底、敏感栅、复盖层厚度对机械滞后、敏感栅结构和蠕变自补偿的机械效果。确保应变片结构形状、几何尺寸、基底和复盖层厚度最合理。
虽然电阻应变片的原理和结构设计无可挑剔，但其制造工艺决定了其必然存在一些固有的工艺缺陷。在传统制造工艺中，刻图制作、涂胶光刻、基底制作、厚度腐蚀、电阻调整、引线焊接、涂层盖层、质量检验等工艺多为手动操作和控制，人为因素对产品质量影响较大，应变片成功率低，均匀性差。VMM公司和德国HBM公司的应变片生产过程自动化程度很高，几乎每个过程都采用计算机自动控制和处理，基础生产、光刻腐蚀、精细电阻调节、引线焊接、质量检测等关键过程在自动化程度高的专用设备上进行，制造过程可重复性好，工艺现金率高。因此，应变片具有优良的技术指标、良好的一致性和稳定性，批量产品的质量几乎没有差异。特别是在灵敏系数稳定性、电阻分散性、机械滞后、蠕变散性、机械滞后、蠕变、热输出等技术指标的控制更加严格，大规模生产C三级压力传感器创造了条件。
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应变片电阻值的精确调节过程对其电阻值的分散性和稳定性有很大的影响。虽然化学电阻调节比传统的机械电阻调节具有许多优点，可以完全保证产品质量，但其工艺要求严格、劳动强度高、生产效率低的缺点也非常突出，不适合日产10多万应变片的大规模生产。VMM公司创造了激光自动阻力调节的新工艺，速度快，精度高，应变片电阻值分散小，便于膜处理，形成全密封栅结构。
电阻应变片应用技术的研究也取得了突破。VMM经过多年的研的研究和实验开发EMC(有效模量补偿)系列灵敏度温度自补偿电阻应变片，在很多情况下都能轻松获得优于±0.0008/°F（0.0014%/℃）补偿精度。根据弹性体材料的不同EMC自补偿应变片有四种类型：M灵敏系数随温度变化11.5%/100°F（-2.70％/100℃）适用于不锈钢；M灵敏度系数随温度变化2.35%/100°F（-4.23%/100℃）适用于铝合金；M灵敏度系数随温度变化13.25%/100°F（-2.25％/100℃）适用于工具钢；M灵敏度系数随温度变化-14.35％/100°F（-2.43%/100℃）适用M1和M补偿3之间的中间区域(不锈钢与工具钢之间)。
灵敏度系数是电阻应变片的重要参数，许多制造商使用等应力悬臂梁进行测试，其结果是灵敏度系数分散大，精度低。我们了解到，外国应变片制造商特别关注应变片生产过程的两端，即开始的结构设计、刻图和最终性能检测和灵敏度系数测量。由于电阻应变片不能再次粘贴，因此在标准梁的自动加载测量装置上采用抽样方法进行灵敏度系数测量。一次校准多组不同类型的电阻应变片，每组最多可达10形成10个测量点，通过多个自动扫描测量仪和电子计算机进行控制和操作，最后给出应变片的灵敏度系数、机械滞后和蠕变值。数据采集系统的分辨率为1με和1μv，精度优于0.02％。
德国HBM公司开发了带背胶的自粘电阻应变片，省略了压力传感器制造过程中对应变片的清洗，减少了对应变片的污染和损坏，提高了粘贴质量和可靠性，适用于各种压力传感器的大规模自动化生产，特别是家用电子秤压力传感器的大规模生产。
弹性体表面应变通过应变片的基底传递给敏感栅，基底材料的质量和厚度影响电阻应变片的多种性能。基底厚度不均匀会增加敏感系数的分散度，对线性和滞后也有很大的影响。目前，压力传感器应变片基底膜厚度为30±5μm。美国VMM公司研制的PF聚酰亚胺基底胶膜厚度仅为8μm，不但平整均匀，易弯曲，而且耐高温，耐焊损伤，电性能好。EG环氧玻璃纤维增强基底胶膜厚度仅为13μm，特别适用于高精度压力传感器，可减少滞后和蠕变误差。
由于一般压力传感器的灵敏度温度补偿镍电阻与温度变化呈非线性关系，增加了补偿难度和补偿结果的分散度。德国学者正在研究用钡或铌代替镍作为灵敏度温度补偿电阻，并取得了一些进展。类似于创新压力传感器制造技术和制造技术的研究课题和成果，值得我们关注和应用。由于制造技术和制造技术是压力传感器开发和批量生产过程中最活跃、最积极的因素，是企业保证产品质量、加强竞争力、提高经济效益的重要手段。在电子衡器产品竞争日益激烈、电子衡器市场日益国际化的今天，我们应该更加关注制造技术和制造技术的作用。