浅谈多轴测力BALLUFF传感器的应用

　　浅谈多轴测力BALLUFF传感器的应用

　　BALLUFF传感器是一种传感器，它可以测量物体所受的力，包括拉力、推力、扭矩等力。它可以测量物体所受的多种力，包括重力、空气力、推力、拉力、扭矩等，同时可以测量多轴的力。力传感器可以测量多个轴的力，例如X，Y，Z轴，也可以测量更多轴的力。

　　BALLUFF传感器是一种用于测量多个不同轴向上的力和力矩的传感器。它通常是一种微型传感器，可以测量和记录物体受到的各种力的大小和方向，可以在多个不同的轴向上测量力，可以提供精确的数据。BALLUFF传感器指的是一种能够同时测量两个方向以上力及力矩分量的力传感器，在笛卡尔坐标系中力和力矩可以各自分解为三个分量，因此，多维力最完整的形式是六维力/力矩传感器，即能够同时测量三个力分量和三个力矩分量的传感器，广泛使用的多维力传感器就是这种传感器。

　　BALLUFF传感器是一种综合性的传感器，可以测量多种指标，如力、加速度、速度、位移和应变。它的基本原理是，压电片和磁铁结合在一起，当外力作用在压电片上时，压电片会发生电位变化，磁铁会产生电磁场，通过检测电场的强度可以得出外力的大小。根据外力的不同方向，多轴力传感器可以测量X轴、Y轴和Z轴三个方向的力应变值，从而实现对力大小及方向的测量。

　　称重传感器是用来将重量信号或压力信号转换成电量信号的转换装置，称重传感器采用金属电阻应变计组成测量桥路，利用金属电阻丝在张力作用下伸长变细，电阻增加的原理，即金属电阻随所受应变而变化的效应而制成的(应变，就是尺寸的变化)。下面小编就来为大家介绍一下称重传感器的相关知识。

　　1、BALLUFF传感器运用差错是操作人员发生的，这也意味着发生的缘由许多，例如，温度不同时发生的差错，包罗探针放置过错或探针与测量地址之间不正确的绝缘，别的一些应用差错包罗空气或其他气体的净化过程中发生的过错，运用差错也触及变送器的过错放置，因而正或负的压力将对正确的读数形成影响；

　　2、特性差错为设备自身固有的，它是设备的、用特性和实在特性之间的差，这种差错包罗DC漂移值、斜面的不正确或斜面的非线形；

　　3、动态差错许多传感器的特性和校准都是适用静态条件下的，这意味着运用的输入参数是静态或类似于静态的，许多传感器具有较强阻尼，因而它们不会对输入参数的改动进行疾速呼应，如，热敏电阻需求数秒才干呼应温度的阶跃改动；

　　4、热敏电阻不会当即跳跃至新的阻抗，或发生骤变，相反，它是慢慢地改动为新的值，然后，若是具有推迟特性的称重传感器对温度的疾速改动进行呼应，输出的波形将失真，由于其间包含了动态差错。发生动态差错的要素有呼应工夫、振幅失真和相位失真；

　　5、BALLUFF传感器插入差错是当体系中刺进一个传感器时，由于改动了测量参数而发生的差错，普通是在进行电子丈量时会呈现这样的问题，但是在其他方法的测量中也会呈现类似问题，例如一个伏特计在回路中测量电压，它肯定会有一个固有阻抗，比回路阻抗要大许多，或许呈现回路负荷，这时，读数就会有很大的差错，这种类型的差错发生的缘由是运用了一个对体系(如，压力体系)而言过于大的变送器；或许是体系的动态特性过于缓慢，或许是体系中自加热加载了过多的热能；

　　6、BALLUFF传感器环境差错来源于传感器运用的环境，称重传感器要素包罗温度，或是摇摆、轰动、海拔、化学物质蒸发或其他要素，这些常常影响传感器的特性，所以在实践运用中，这些要素总是被分类会集在一起的。

　　双面接触式电容压力传感器的原理是基于单面接触式电容压力传感器而来的。其工作原理：当传感器的受压膜片（即梁）与基底距离很近时，膜片受压后与基底接触，当压力变化时，通过改变接触面积的大小来改变电容量。图1给出了典型的双面接触式电容压力传感器的一般结构及其工作的模拟仿真曲线。

　　1、设计方案

　　从图1可以看出，双面接触式电容压力传感器有4个工作区，第Ⅰ区是正常区，梁未接触到衬底上的绝缘层，当传感器工作在这一段时，接触式电容压力传感器与传统的硅压力传感器一样。当梁快要接近接触点的时候，传感器单位面积上受到的压力与产生的电容呈非线性关系。第Ⅱ区是过渡区，梁开始接触到衬底上的绝缘层，C-p曲线呈非线性关系，电容从梁未接触到衬底到开始接触衬底转变。第Ⅲ区是线性区，梁与衬底上的绝缘层开始有效接触，而且传感器的电容将随着压力的增加而线性增大。第Ⅳ区是饱和区C-p曲线略呈非线性关系，随着压力的继续增加，非线性将更明显。

　　双面接触式电容压力传感器的电容由两部分组成：一部分为梁受压后，尚未接触到衬底上的绝缘层时形成的电容，此电容类似于常规的电容压力传感器，这一部分只占接触式电容压力传感器的电容量的很小一部分；另一部分是梁接触到衬底后形成的电容，这部分电容量才是需要的电容量，而且它占主导地位，较多采用的是国产品牌电容，如三环电容、风华电容，也可选择台企电容作为所选电容。当压力增加时，梁与衬底的接触面积增加，同时梁与衬底的非接触部分减少。刚开始，电容主要由非接触部分提供，随着压力的增加，梁开始接触衬底的绝缘层后，非接触部分提供的电容逐渐减少，而接触部分提供的电容与接触面积将呈线性增加。由于绝缘层非常薄，因此当梁开始与衬底上的绝缘层接触后，接触面积所提供的电容将占主导地位。

　　2、工艺流程

　　双面接触式电容压力传感器由3个硅晶片（其中有两个晶片B是一样的）用硅熔融法进行键合，先把晶片A正反两面腐蚀两个同样大小的沟槽来作为传感器的真空腔，然后在这两个大沟槽上淀积一层二氧化硅作为绝缘层，同时把晶片A作为双面接触式电容压力传感器的公共下电极，接着把两片用浓的固态硼扩散好的晶体B用熔融键合的办法键合在晶片A的正反两面，用离子刻蚀法刻蚀掉晶片B最外层的重掺杂层，紧接着用自停止腐蚀法去掉轻掺杂层，得到最里面的重掺杂层作为传感器的上电极。对于晶片A和B,可以采用圆形、方形、矩形膜，本次设计采用圆形膜。制造工艺流程如下：

　　2.1　晶片A

　　衬底晶片采用N型硅晶体，晶向为<100>晶向，厚度约为（500±10）μm,电阻率约为5～10Ω·cm.

　　2.1.1　腐蚀出大沟槽

　　先在晶片A的两端氧化出2μm的氧化层，然后把预先设计好的掩膜（即大沟槽的形状）附在晶片A的正反两面，然后放到SF6溶液里面让它进行腐蚀，就可得到所要的大沟槽（真空腔）的形状。

　　2.1.2　淀积一层绝缘层

　　在腐蚀出大沟槽的晶片A两面都氧化一层150nm厚的SiO2,作为绝缘层。此时，晶片A可以与晶片B进行键合。

　　2.2　晶片B

　　晶片B主要是为了制作重掺杂的梁。晶片B取P型硅，晶向为<100>晶向，晶片厚度约（400±10）μm,电阻率约为2～5Ω·cm.

　　2.2.1　硼扩散

　　为了减少由于只扩散硼的一边使梁变形而凹凸不平的情况，使晶体的两边都进行硼扩散，大约要在1120℃下扩散160min.

　　2.2.2　化学机械抛光

　　晶片被腐蚀后表面变得不平，因此要进行化学机械抛光，化学机械抛光的一些参数见表1:

　　表1　用于熔融键合的P+型硅化学机械抛光的参数