一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器及其制备方法

摘要

本发明涉及切削力测量技术，具体是一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器及其制备方法。本发明解决了现有测力仪体积大、测量精度和灵敏度低、结构复杂、制造成本高的问题。一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器，包括基片；基片的上表面形成有薄膜绝缘层；薄膜绝缘层的上表面形成有四个薄膜电阻栅和八个薄膜电极；其中两个薄膜电阻栅均纵向分布于薄膜绝缘层的上表面，且该两个薄膜电阻栅的位置关于薄膜绝缘层的宽度中心线对称；另外两个薄膜电阻栅均横向分布于薄膜绝缘层的上表面，且该两个薄膜电阻栅的位置关于薄膜绝缘层的宽度中心线对称；四个薄膜电阻栅的两端与八个薄膜电极一一对应连接。本发明适用于精密、超精密切削加工。

说明书

技术领域

本发明涉及切削力测量技术，具体是一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器及其制备方法。

背景技术

在精密、超精密切削加工过程中，切削力直接反映着刀具的工作情况。因此，切削力的测量对于切削质量的控制、刀具寿命的预测等都具有重要意义。在现有技术条件下，切削力的测量普遍是通过测力仪来实现的。然而，现有测力仪多由各种分立元器件组成，导致其存在如下问题：其一，体积较大，导致其无法满足微小化的测量要求。其二，测量精度和灵敏度较低，导致其无法满足高精度、高分辨率的测量要求。其三，结构复杂、制造成本较高，导致其无法满足高可靠性、低成本的测量要求。基于此，有必要发明一种全新的切削力测量装置，以解决现有测力仪体积大、测量精度和灵敏度低、结构复杂、制造成本高的问题。

发明内容

本发明为了解决现有测力仪体积大、测量精度和灵敏度低、结构复杂、制造成本高的问题，提供了一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器及其制备方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器，包括基片；基片的上表面形成有薄膜绝缘层；薄膜绝缘层的上表面形成有四个薄膜电阻栅和八个薄膜电极；其中两个薄膜电阻栅均纵向分布于薄膜绝缘层的上表面，且该两个薄膜电阻栅的位置关于薄膜绝缘层的宽度中心线对称；另外两个薄膜电阻栅均横向分布于薄膜绝缘层的上表面，且该两个薄膜电阻栅的位置关于薄膜绝缘层的宽度中心线对称；四个薄膜电阻栅的两端与八个薄膜电极一一对应连接；四个薄膜电阻栅的上表面形成有薄膜保护层；八个薄膜电极均曝露于薄膜保护层外；八个薄膜电极的上表面各连接有一根导线。

工作时，将基片焊接固定于刀具的刀柄位置，并通过导线将四个薄膜电阻栅与外部电压表连接构成惠斯通电桥，如图5所示。具体工作过程如下：当刀具切削工件时，刀具所受到的切削力导致四个薄膜电阻栅均发生形变。此时，纵向分布的两个薄膜电阻栅的形变量与横向分布的两个薄膜电阻栅的形变量不相等，导致惠斯通电桥产生输出电压。通过外部电压表实时测量该输出电压，即可根据该输出电压实时计算出刀具所受到的切削力的大小，由此实现切削力的测量。在此过程中，薄膜绝缘层的作用是使四个薄膜电阻栅、八个薄膜电极之间实现绝缘。薄膜保护层的作用是保护四个薄膜电阻栅。基于上述过程，与现有测力仪相比，本发明所述的一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器具有如下优点：其一，本发明所述的一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器通过采用薄膜结构，有效减小了自身体积，从而完全满足了微小化的测量要求。其二，本发明所述的一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器通过采用四个薄膜电阻栅和惠斯通电桥实时测量切削力，有效提高了测量精度和灵敏度，从而完全满足了高精度、高分辨率的测量要求。其三，本发明所述的一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器通过采用薄膜结构，有效简化了自身结构，并有效降低了制造成本，从而完全满足了高可靠性、低成本的测量要求。综上所述，本发明所述的一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器基于全新结构，有效解决了现有测力仪体积大、测量精度和灵敏度低、结构复杂、制造成本高的问题，同时其实现了刀具由切削加工的单一功能向智能化的感知功能转变，完全满足了精密、超精密切削加工过程中的各种测量要求。

进一步地，所述基片的材料为45号钢；所述薄膜绝缘层的材料为Si₃N₄；所述四个薄膜电阻栅的材料均为Ni-Cr合金；所述八个薄膜电极的材料均为Ni-Cr合金；所述薄膜保护层的材料为Si₃N₄；所述八根导线的材料均为铜。

更进一步地，所述基片为正方形基片，其长度为15mm，宽度为15mm，厚度为1mm；所述薄膜绝缘层为正方形薄膜绝缘层，其长度为15mm，宽度为15mm，厚度为500-1000nm；所述四个薄膜电阻栅均为长方形薄膜电阻栅，其长度均为2.55mm，宽度均为2mm，厚度均为400nm；所述八个薄膜电极均为正方形薄膜电极，其长度均为2mm，宽度均为2mm，厚度均为400nm；所述薄膜保护层为正方形薄膜保护层，其厚度为500-1000nm；所述八根导线的截面积均为1.0×10^-4mm²。

一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器的制备方法（该方法用于制备本发明所述的一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器），该方法是采用如下步骤实现的：

a.制备基片；

b.在基片的上表面形成薄膜绝缘层；

c.在薄膜绝缘层的上表面形成薄膜敏感层，并在薄膜敏感层的表面光刻形成四个薄膜电阻栅和八个薄膜电极；

d.在四个薄膜电阻栅的上表面形成薄膜保护层，并保证八个薄膜电极均曝露于薄膜保护层外；

e.在八个薄膜电极的上表面各连接一根导线。

所述步骤a中，制备基片包括以下步骤：首先，选取45号钢作为原料；然后，对45号钢依次进行调质、线切割、磨削、研磨抛光、表面处理，45号钢由此被制成基片。

所述步骤b中，在基片的上表面形成薄膜绝缘层包括以下步骤：首先，选取纯度为99%的Si₃N₄；然后，通过双离子束溅射沉积工艺将Si₃N₄沉积于基片的上表面，Si₃N₄由此形成薄膜绝缘层。

所述步骤c中，在薄膜绝缘层的上表面形成薄膜敏感层，并在薄膜敏感层的表面光刻形成四个薄膜电阻栅和八个薄膜电极包括以下步骤：首先，选取Ni80/Cr20的Ni-Cr合金；然后，通过双离子束溅射沉积工艺将Ni-Cr合金沉积于薄膜绝缘层的上表面，Ni-Cr合金由此形成薄膜敏感层；最后，通过光刻工艺对薄膜敏感层进行刻蚀，并刻蚀形成四个薄膜电阻栅和八个薄膜电极。

所述步骤d中，在四个薄膜电阻栅的上表面形成薄膜保护层包括以下步骤：首先，选取纯度为99%的Si₃N₄；然后，通过双离子束溅射沉积工艺将Si₃N₄沉积于四个薄膜电阻栅的上表面，Si₃N₄由此形成薄膜保护层。

所述步骤e中，通过超声波焊接工艺在八个薄膜电极的上表面各连接一根铜制导线。

本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有测力仪体积大、测量精度和灵敏度低、结构复杂、制造成本高的问题，适用于精密、超精密切削加工。

附图说明

图1是本发明的一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器的整体结构示意图。

图2是本发明的一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器的分体结构示意图。

图3是本发明的一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器的部分结构示意图。

图4是本发明的一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器的薄膜电阻栅和薄膜电极的结构示意图。

图5是本发明的一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器的惠斯通电桥的结构示意图。

图6是本发明的一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器的制备方法的步骤c的示意图。

图7是本发明的一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器的制备方法中的掩膜版的结构示意图。

图中：1-基片，2-薄膜绝缘层，3-薄膜电阻栅，4-薄膜电极，5-薄膜保护层，6-导线，7-薄膜敏感层，8-光刻胶，9-掩膜版。

具体实施方式

一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器，包括基片1；基片1的上表面形成有薄膜绝缘层2；薄膜绝缘层2的上表面形成有四个薄膜电阻栅3和八个薄膜电极4；其中两个薄膜电阻栅3均纵向分布于薄膜绝缘层2的上表面，且该两个薄膜电阻栅3的位置关于薄膜绝缘层2的宽度中心线对称；另外两个薄膜电阻栅3均横向分布于薄膜绝缘层2的上表面，且该两个薄膜电阻栅3的位置关于薄膜绝缘层2的宽度中心线对称；四个薄膜电阻栅3的两端与八个薄膜电极4一一对应连接；四个薄膜电阻栅3的上表面形成有薄膜保护层5；八个薄膜电极4均曝露于薄膜保护层5外；八个薄膜电极4的上表面各连接有一根导线6。

所述基片1的材料为45号钢；所述薄膜绝缘层2的材料为Si₃N₄；所述四个薄膜电阻栅3的材料均为Ni-Cr合金；所述八个薄膜电极4的材料均为Ni-Cr合金；所述薄膜保护层5的材料为Si₃N₄；所述八根导线6的材料均为铜。

所述基片1为正方形基片，其长度为15mm，宽度为15mm，厚度为1mm；所述薄膜绝缘层2为正方形薄膜绝缘层，其长度为15mm，宽度为15mm，厚度为500-1000nm；所述四个薄膜电阻栅3均为长方形薄膜电阻栅，其长度均为2.55mm，宽度均为2mm，厚度均为400nm；所述八个薄膜电极4均为正方形薄膜电极，其长度均为2mm，宽度均为2mm，厚度均为400nm；所述薄膜保护层5为正方形薄膜保护层，其厚度为500-1000nm；所述八根导线6的截面积均为1.0×10^-4mm²。

一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器的制备方法（该方法用于制备本发明所述的一种嵌入刀具式的薄膜测力传感器），该方法是采用如下步骤实现的：

a.制备基片1；

b.在基片1的上表面形成薄膜绝缘层2；

c.在薄膜绝缘层2的上表面形成薄膜敏感层7，并在薄膜敏感层7的表面光刻形成四个薄膜电阻栅3和八个薄膜电极4；

d.在四个薄膜电阻栅3的上表面形成薄膜保护层5，并保证八个薄膜电极4均曝露于薄膜保护层5外；

e.在八个薄膜电极4的上表面各连接一根导线6。

所述步骤a中，制备基片1包括以下步骤：首先，选取45号钢作为原料；然后，对45号钢依次进行调质、线切割、磨削、研磨抛光、表面处理，45号钢由此被制成基片1。

所述步骤b中，在基片1的上表面形成薄膜绝缘层2包括以下步骤：首先，选取纯度为99%的Si₃N₄；然后，通过双离子束溅射沉积工艺将Si₃N₄沉积于基片1的上表面，Si₃N₄由此形成薄膜绝缘层2。

所述步骤c中，在薄膜绝缘层2的上表面形成薄膜敏感层7，并在薄膜敏感层7的表面光刻形成四个薄膜电阻栅3和八个薄膜电极4包括以下步骤：首先，选取Ni80/Cr20的Ni-Cr合金；然后，通过双离子束溅射沉积工艺将Ni-Cr合金沉积于薄膜绝缘层2的上表面，Ni-Cr合金由此形成薄膜敏感层7；最后，通过光刻工艺对薄膜敏感层7进行刻蚀，并刻蚀形成四个薄膜电阻栅3和八个薄膜电极4。

所述步骤d中，在四个薄膜电阻栅3的上表面形成薄膜保护层5包括以下步骤：首先，选取纯度为99%的Si₃N₄；然后，通过双离子束溅射沉积工艺将Si₃N₄沉积于四个薄膜电阻栅3的上表面，Si₃N₄由此形成薄膜保护层5。

所述步骤e中，通过超声波焊接工艺在八个薄膜电极4的上表面各连接一根铜制导线6。

具体实施时，如图4所示，每个薄膜电阻栅均由十八个电阻条构成，每个电阻条的宽度均为0.05mm，厚度均为400nm，相邻两个电阻条的间隔均为0.05mm。每个薄膜电阻栅的两边均设有四个微调电阻条，每个微调电阻条的宽度均为0.05mm，厚度均为400nm，通过激光烧断微调电阻条即可调整薄膜电阻栅的阻值。四个薄膜电阻栅的两端与八个薄膜电极之间通过八个连接电阻条一一对应连接，每个连接电阻条的长度均为0.6mm，宽度均为0.05mm，厚度均为400nm。所述步骤a中，基片的上、下表面粗糙度均为100nm。所述步骤b-d中，双离子束溅射沉积工艺的具体工艺参数如下：工作气体为氩气，本底真空度为9.0×10^-4 Pa，工作压力为0.5Pa，射频功率为180W，氧氩比为1:9，溅射前室内压强小于6.65×10^-3 Pa，溅射时氩气压强为3.33Pa，靶面到基片间距离为50mm，溅射电压为420V，溅射电流为0.14A，溅射时间为1小时。所述步骤c中，光刻工艺的具体工艺参数如下：光刻胶为S1813光刻胶，光刻胶的旋涂转速为2500r/pm，光刻胶的旋涂时间为30s，掩膜版为硅掩膜版，使用波长为360nm、能量密度为5.5mW·cm²的紫外线，曝光时间为25s，显影时间为120s，坚膜时间为30min，去胶时间为40min。