鈦合金基底NiCr 薄膜測力傳感器的設(shè)計制作與檢測*

安春華 武文革 成云平 杜曉軍

(中北大學(xué)，山西 太原 030051)

切削力作為刀具壽命、工件加工質(zhì)量的直接影響因素，其測量與控制對現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展有著極其深遠的影響。近年來薄膜技術(shù)的發(fā)展為薄膜傳感器的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。金屬薄膜傳感器具有良好的高溫化學(xué)穩(wěn)定性、較高的熔點、靈敏度高、機械滯后小、溫度系數(shù)小、成本低等優(yōu)點［1］。傳感器必須由對外界變化敏感的材料來制成［2］，雖然純金屬、合金、半導(dǎo)體都能作為敏感材料，但是合金比純金屬有明顯的優(yōu)勢，鎳鉻合金是1 種具有高電阻率、高靈敏度系數(shù)、低應(yīng)變系數(shù)、低電阻溫度系數(shù)且長期穩(wěn)定的合金［3］。

本文利用壓阻效應(yīng)設(shè)計了2 種鎳鉻合金電阻柵的薄膜測力傳感器，基底材料分別采用45 鋼和鈦合金，并對2 種材料制備的基片的表面粗糙度進行了對比研究。優(yōu)選出鈦合金基底制作了2 種傳感器樣品，并對樣品進行了電阻柵結(jié)構(gòu)尺寸、電阻率、電阻值的測量。

1 傳感器阻柵的設(shè)計

傳感器通過電阻柵的形變將外力轉(zhuǎn)變成電信號輸出，且電阻應(yīng)變片的種類眾多、圖形各異，可以根據(jù)需要制作成多種形狀結(jié)構(gòu)，故電阻柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計也是非常重要的。本文通過理論計算和敏感柵材料鎳鉻合金(Ni80Cr20)的性能，設(shè)計了2 種電阻柵結(jié)構(gòu)。

方案一:傳感器單元結(jié)構(gòu)如圖1 所示，電阻柵、導(dǎo)線及電路均采用離子束濺射，材料均為Ni80Cr20。此方案優(yōu)點是引出導(dǎo)線少，缺點是與其他方案相比同等阻值占用空間大，需要二次光刻，成本較高。

方案二:電阻柵結(jié)構(gòu)如圖2 所示，電阻柵及電極采用離子束濺射，電阻和電極材料均為Ni80Cr20。此方案優(yōu)點是單個電阻可以設(shè)計更多條電阻柵，同等阻值占用空間小，只需一次光刻，缺點是需外接惠斯通電橋，引出導(dǎo)線多。

為了節(jié)省成本將2 種傳感器方案一起布置在2 inch基底(φ50.8 mm)上進行沉積鍍膜來制作傳感器樣品，2種傳感器結(jié)構(gòu)在基底上的布局如圖3 所示。

2 基底的制備與選擇

傳感器所使用基底材料的主要作用是支撐薄膜電阻柵，并與刀體良好結(jié)合。金屬基底經(jīng)磨削、拋光處理后其表面留下的臺階、劃痕、凹坑等對只有微米級的傳感器薄膜有很大的影響。45 鋼基底與所用車刀刀桿的材料相同，故兩者結(jié)合性好。鈦合金具有非常良好的性能，比45 鋼容易獲得更為理想的拋光表面質(zhì)量。為對比2 種材料，分別加工制作了基底，材料牌號分別為:Ti6Al4V、45 鋼;毛坯種類:棒料;毛坯外形尺寸:φ54 mm×150 mm。采用的工藝流程如表1 所示。

表1 基底加工工藝流程

45 鋼和鈦合金基片加工處理完成后的效果對比圖見圖4 所示。通過JB -5C 表面粗糙度儀測量二者表面粗糙度，得到圖5 所示的45 鋼與鈦合金表面粗糙度對比圖。可知，45 鋼表面粗糙度值達到Ra0.089 μm，鈦合金表面粗糙度值達到Ra0.059 μm，均滿足表面粗糙度Ra＜0.2 μm 的薄膜濺射要求。通過KEYENCE VHX -600 超景深三維顯微系統(tǒng)觀察表面質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)如圖6 所示在不同顯微鏡倍率下45 鋼表面劃痕、凹坑明顯多于鈦合金。由于45 鋼金相組織復(fù)雜，化學(xué)成分較多且分布不均，拋光時劃傷嚴重，所以基片表面殘留較多條狀劃痕，不利于鍍膜。鈦合金拋光表面質(zhì)量更加理想，因此最終決定采用Ti6Al4V 作為基片層的材料。

3 傳感器的制備和電阻柵尺寸、電阻率、電阻值的測量

為研究2 種設(shè)計方案的鎳鉻合金薄膜傳感器的性能，采用LDJ-2A-F100 系列雙離子束濺射沉積系統(tǒng)將400 nm 的NiCr 薄膜濺射在鈦合金基底上，制作了2種傳感器樣品，圖7 為制作的傳感器樣品實物圖。使用臺階儀測量了方案一、二的電阻薄膜厚度。使用超景深顯微鏡觀察薄膜表面質(zhì)量，并測量多組電阻柵尺寸如圖8，其測量結(jié)果及平均值如表2 所示。

表2 傳感器測量結(jié)果

由表2 結(jié)果看出，橫、縱電阻寬度誤差為2.6%和3%;橫、縱電阻長度誤差為3.3%和0.53%，電阻率誤差為2.6%，加工誤差難以避免，以上誤差符合理論設(shè)計要求。而薄膜沉積速率、濺射原子沉積角等工藝因素使方案一、二產(chǎn)生了88.5%和60.75% 的厚度誤差，從而導(dǎo)致了其電阻值的52.5% 和40% 的誤差。而方案一、二實際厚度對應(yīng)電阻值誤差3.5%和9.4%符合設(shè)計要求，故需要調(diào)整制作工藝以獲得接近理論電阻柵厚度且厚度均勻的傳感器，從而獲得電阻值準確的傳感器。

4 結(jié)論

設(shè)計了2 種切削力測量傳感器方案，通過對比選擇出了表面粗糙度值Ra0.059 μm 的鈦合金作為傳感器基底材料，并在2 英寸鈦合金基底上成功地制作出了2 種切削力測量鎳鉻合金薄膜傳感器樣品。測得橫、縱電阻寬度誤差為2.6%和3%;橫、縱電阻長度誤差為3.3%和0.53%;電阻率誤差為2.6%，符合設(shè)計加工要求。由于薄膜沉積速率、濺射原子沉積角等工藝因素使傳感器方案一、二的薄膜厚度產(chǎn)生了88.5%和60.75%的較大誤差，從而導(dǎo)致了傳感器電阻值的52.5%和40%的誤差。且當薄膜厚度正確時傳感器的電阻值誤差很小滿足設(shè)計要求，所以需要調(diào)整工藝獲得接近理論電阻柵薄膜厚度的傳感器。

［1］董永貴.微型傳感器［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007:78 -124.

［2］吳建平.傳感器原理及應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008:22 -42.

［3］孫建民，楊清梅.傳感器技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社;北京交通大學(xué)出版社，2005.10:28 -76.

［4］劉金聲.離子束沉積薄膜技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2003:194 -200.