國內外的測力傳感器品種繁多、研究歷史悠久，一般原理是：力作用在彈性體上，彈性體產生一個和作用力成比例的形變，通過一種敏感元件感應這種形變并把這種形變轉換為可以識別的電信號。力傳感器的種類主要有應變式、變磁阻式、電容式、壓電式、壓阻式等。應變式以其分辨率高，誤差下，尺寸小，重量輕，能在嚴酷的環境中工作，技術成熟等特點而廣泛應用于電子秤、材料試驗機、飛機和地面發動機的測試等。

應變式測力傳感器結構復雜多樣，主要有柱式、懸臂梁式、環式、框式等數種。而柱式傳感器分為實心圓柱和空心圓柱，實心圓柱適應測量大的作用力，而空心圓柱適用測量小的集中力。應變式傳感器通常是用組成電橋的電阻絲或電阻箔將彈性材料的變形轉換成電信號，利用粘膠把這些電阻絲或箔粘接到彈性材料上。

本項目研究的推力傳感器用于測量飛行器噴射氣體時產生的反推力。國內現行方法是采用安裝在傳力塊下面的懸臂梁式傳感器來測量推力。梁式傳感器在受到重復的脈沖力作用時常發生諧振問題，并且安裝時需要將噴管彎曲，彎曲的噴管內部有高速流體流動時會產生較大的橫向作用力，使得測量數據不真實。國外目前采用空心柱式傳感器來測量傳力板的推力。

本項目產品將參考國外方法設計柱式力傳感器，并且研究先進的薄膜工藝代替傳統的電阻絲或電阻泊應變計，使響應時間提高到1ms。

一、研究目標

設計一種新結構的推力測量傳感器，同時研制一種先進的薄膜應變計，形成定型產品和小批量生產能力，滿足航空飛行器研究的設計需要。

二、主要技術指標

測量范圍：0～200N；供電電壓：≤10V.dc；靈敏度：≥1.5mV/V；準確度：0.2級；工作溫度：-25℃～125℃；響應時間：≤1ms。

三、研究內容

實現本項目需重點研究的內容如下：1、彈性體結構形式設計；2、聚酰亞胺薄膜表面處理工藝研究；3、過渡薄膜層淀積研究；4、干法刻蝕工藝研究。

四、擬采取的研究技術路線及關鍵技術難點

（一）技術路線

借鑒參考國外的反推力測量方案和產品技術路線，設計一種空心柱式傳感器彈性體，以便直接穿過噴氣管，彈性體與傳力塊連接，或者在彈性體上端設計標準螺紋口直接與喇叭形噴頭連接。研究制造薄膜電橋應變計用于檢測彈性體受力后的變形。

1、彈性體設計

空心圓柱在彈性范圍內應力與應變成正比關系，ε為材料的軸向線應變，σ為作用于材料的軸向應力，E為彈性體的彈性模量，S為圓筒的橫截面積，F為作用在彈性元件上的集中力。

空心圓柱彈性元件的內外直徑根據材料的允許應力σb來計算：由于F/S = σb，要不超過材料的允許應力則有S≥F/σb，即：D為空心圓柱的外徑，d為空心圓柱的內徑。選擇D和d時，考慮到構件的穩定性及加工條件，空心圓柱的壁不能太薄，兩端的剛度要足夠。彈性元件的高度對傳感器的精度和動態特性都有影響，由材料力學可知，高度對沿其橫截面的變形有影響，當高度與直徑的比值H/D≥1時，沿其中間斷面上的應力狀態和變形狀態與其端面上作用的載荷性質和接觸條件無關。彈性元件上應變片的粘貼和橋路的連接應盡可能消除偏心和彎矩的影響。若想提高靈敏度，即在給定力作用下產生較大的應變ε，必須減小橫斷面積S，但S的減小受到許用力和線性要求的限制。若S允許減小，其抗彎能力也減弱。這樣，對橫向干擾力敏感。在結構設計上采用橫向剛度大、縱向剛度小的膜片是消除橫向力影響的一個良好措施。具體設計中將著重考慮如何利用雙層膜片來降低對偏心以及側向負荷的敏感。

2、應變電阻設計

對于應變電阻，受到軸向力而被拉伸（或壓縮）時，如電阻采取縱橫雙向排列組成惠斯登全橋，對臂電阻相互匹配，應變計安裝到彈性體的最大應變區。

3、應變計設計方案

傳統的應變計是采用粘貼膠將電阻絲或電阻箔粘貼到絕緣基片上而成。粘貼應變計中的粘貼膠會引起傳感器的零點蠕變和漂移，而且由于膠的存在致使這種傳感器不能用于惡劣環境，頻響收到限制。

本項目研究一種精度高、響應快、耐惡劣環境能力強的薄膜應變計。技術路線是：用聚酰亞胺作應變計的基底，采用離子束濺射技術在基底上分別淀積制造過渡介質薄膜、鎳鎘合金薄膜、鈍化保護膜和引線電極層，利用激光技術將合金薄膜刻成電橋圖形形成應變計。

（二）關鍵技術難點

1、薄膜應變計的基片處理

聚酰亞胺薄膜基片在合成方法上具有其他高分子所難以具備的易變通性，合成途徑多種、形式多，可由聚苯并咪唑、聚苯并啞唑、聚苯并噻唑、聚喹啞啉和聚喹啉等單體合成。但主要由二元酐和二元胺，在極性溶劑/甲醇混合溶劑中進行低溫縮聚、成膜加熱、脫水，表面再輔以芳香族聚酯亞胺等光膠物而成。基片裁剪后首先進行超聲清洗，清洗好的基片在鍍膜前的裝片過程難免再受到環境的污染，表面吸附塵埃、纖微等污染物，需要在裝片后再次清洗。更重要的是要除去聚酰亞胺膜表面不利于金屬原子結合的芳香聚酯物。處理方法是采用離子束除去加工技術對基片表面進行處理。

2、過渡層薄膜淀積研究

聚酰亞胺基片在檢驗、劃片、裝片等工藝過程難免受到劃傷出現亞微米的劃痕，在其表面直接淀積薄膜將導致不均勻甚至不連續的缺陷，是薄弱失效部位，需研究淀積過渡薄膜層以保證薄膜的質量，并增強薄膜與基片的結合力，改善膜和基片的應力匹配。

1）、填補劃痕

基片表面的劃痕可能造成薄膜塌陷部位的厚度（σ）小于0.2μｍ，這種電阻薄膜是很不可靠的，顯微鏡觀測無法分辨其缺陷，因此在工藝設計上需采取相應的措施。

在聚酰亞胺和薄膜之間淀積過渡薄膜層，可解決這個問題。淀積過渡層以后，薄膜的塌陷隨著過渡層厚度的增加，塌陷部位角度增大、深度減小。對于基片1μｍ深的劃痕，設計合理的過渡層厚度，以保證上層膜塌陷部位的最小厚度大于0.3μｍ。

2）增強與基片的結合力

與高分子材料基片結合層的薄膜首先以小島結構形式存在，然后向網狀結構過渡，最后形成連續的薄膜。在薄膜的界面處有大量空位、錯位、晶粒間界和雜質等缺陷，即使通過熱處理仍然有非平衡的缺陷存在，這種非平衡的缺陷將導致薄膜的不穩定，在環境溫度變化或電負荷作用下會引起不可逆的變化。

在基片上先聚焦離子源轟擊靶材，淀積一層難溶金屬薄膜，可顯著增強薄膜的結合力和穩定性。難熔金屬原子的移動性低，薄膜淀積時形成的所有結構缺陷都能保留下來，在很寬的溫度范圍內也不可能發生變化，穩定性能高。本文源自澤天傳感，版權所有，轉載請保留出處。