淺談多軸測(cè)力BALLUFF傳感器的應(yīng)用
BALLUFF傳感器是一種傳感器，它可以測(cè)量物體所受的力，包括拉力、推力、扭矩等力。它可以測(cè)量物體所受的多種力，包括重力、空氣力、推力、拉力、扭矩等，同時(shí)可以測(cè)量多軸的力。力傳感器可以測(cè)量多個(gè)軸的力，例如X，Y，Z軸，也可以測(cè)量更多軸的力。
BALLUFF傳感器是一種用于測(cè)量多個(gè)不同軸向上的力和力矩的傳感器。它通常是一種微型傳感器，可以測(cè)量和記錄物體受到的各種力的大小和方向，可以在多個(gè)不同的軸向上測(cè)量力，可以提供精確的數(shù)據(jù)。BALLUFF傳感器指的是一種能夠同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向以上力及力矩分量的力傳感器，在笛卡爾坐標(biāo)系中力和力矩可以各自分解為三個(gè)分量，因此，多維力最完整的形式是六維力/力矩傳感器，即能夠同時(shí)測(cè)量三個(gè)力分量和三個(gè)力矩分量的傳感器，廣泛使用的多維力傳感器就是這種傳感器。
BALLUFF傳感器是一種綜合性的傳感器，可以測(cè)量多種指標(biāo)，如力、加速度、速度、位移和應(yīng)變。它的基本原理是，壓電片和磁鐵結(jié)合在一起，當(dāng)外力作用在壓電片上時(shí)，壓電片會(huì)發(fā)生電位變化，磁鐵會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，通過(guò)檢測(cè)電場(chǎng)的強(qiáng)度可以得出外力的大小。根據(jù)外力的不同方向，多軸力傳感器可以測(cè)量X軸、Y軸和Z軸三個(gè)方向的力應(yīng)變值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)力大小及方向的測(cè)量。
稱重傳感器是用來(lái)將重量信號(hào)或壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電量信號(hào)的轉(zhuǎn)換裝置，稱重傳感器采用金屬電阻應(yīng)變計(jì)組成測(cè)量橋路，利用金屬電阻絲在張力作用下伸長(zhǎng)變細(xì)，電阻增加的原理，即金屬電阻隨所受應(yīng)變而變化的效應(yīng)而制成的(應(yīng)變，就是尺寸的變化)。下面小編就來(lái)為大家介紹一下稱重傳感器的相關(guān)知識(shí)。
1、BALLUFF傳感器運(yùn)用差錯(cuò)是操作人員發(fā)生的，這也意味著發(fā)生的緣由許多，例如，溫度不同時(shí)發(fā)生的差錯(cuò)，包羅探針?lè)胖眠^(guò)錯(cuò)或探針與測(cè)量地址之間不正確的絕緣，別的一些應(yīng)用差錯(cuò)包羅空氣或其他氣體的凈化過(guò)程中發(fā)生的過(guò)錯(cuò)，運(yùn)用差錯(cuò)也觸及變送器的過(guò)錯(cuò)放置，因而正或負(fù)的壓力將對(duì)正確的讀數(shù)形成影響；
2、特性差錯(cuò)為設(shè)備自身固有的，它是設(shè)備的、用特性和實(shí)在特性之間的差，這種差錯(cuò)包羅DC漂移值、斜面的不正確或斜面的非線形；
3、動(dòng)態(tài)差錯(cuò)許多傳感器的特性和校準(zhǔn)都是適用靜態(tài)條件下的，這意味著運(yùn)用的輸入?yún)?shù)是靜態(tài)或類似于靜態(tài)的，許多傳感器具有較強(qiáng)阻尼，因而它們不會(huì)對(duì)輸入?yún)?shù)的改動(dòng)進(jìn)行疾速呼應(yīng)，如，熱敏電阻需求數(shù)秒才干呼應(yīng)溫度的階躍改動(dòng)；
4、熱敏電阻不會(huì)當(dāng)即跳躍至新的阻抗，或發(fā)生驟變，相反，它是慢慢地改動(dòng)為新的值，然后，若是具有推遲特性的稱重傳感器對(duì)溫度的疾速改動(dòng)進(jìn)行呼應(yīng)，輸出的波形將失真，由于其間包含了動(dòng)態(tài)差錯(cuò)。發(fā)生動(dòng)態(tài)差錯(cuò)的要素有呼應(yīng)工夫、振幅失真和相位失真；
5、BALLUFF傳感器插入差錯(cuò)是當(dāng)體系中刺進(jìn)一個(gè)傳感器時(shí)，由于改動(dòng)了測(cè)量參數(shù)而發(fā)生的差錯(cuò)，普通是在進(jìn)行電子丈量時(shí)會(huì)呈現(xiàn)這樣的問(wèn)題，但是在其他方法的測(cè)量中也會(huì)呈現(xiàn)類似問(wèn)題，例如一個(gè)伏特計(jì)在回路中測(cè)量電壓，它肯定會(huì)有一個(gè)固有阻抗，比回路阻抗要大許多，或許呈現(xiàn)回路負(fù)荷，這時(shí)，讀數(shù)就會(huì)有很大的差錯(cuò)，這種類型的差錯(cuò)發(fā)生的緣由是運(yùn)用了一個(gè)對(duì)體系(如，壓力體系)而言過(guò)于大的變送器；或許是體系的動(dòng)態(tài)特性過(guò)于緩慢，或許是體系中自加熱加載了過(guò)多的熱能；
6、BALLUFF傳感器環(huán)境差錯(cuò)來(lái)源于傳感器運(yùn)用的環(huán)境，稱重傳感器要素包羅溫度，或是搖擺、轟動(dòng)、海拔、化學(xué)物質(zhì)蒸發(fā)或其他要素，這些常常影響傳感器的特性，所以在實(shí)踐運(yùn)用中，這些要素總是被分類會(huì)集在一起的。
雙面接觸式電容壓力傳感器的原理是基于單面接觸式電容壓力傳感器而來(lái)的。其工作原理：當(dāng)傳感器的受壓膜片（即梁）與基底距離很近時(shí)，膜片受壓后與基底接觸，當(dāng)壓力變化時(shí)，通過(guò)改變接觸面積的大小來(lái)改變電容量。圖1給出了典型的雙面接觸式電容壓力傳感器的一般結(jié)構(gòu)及其工作的模擬仿真曲線。
1、設(shè)計(jì)方案
從圖1可以看出，雙面接觸式電容壓力傳感器有4個(gè)工作區(qū)，第Ⅰ區(qū)是正常區(qū)，梁未接觸到襯底上的絕緣層，當(dāng)傳感器工作在這一段時(shí)，接觸式電容壓力傳感器與傳統(tǒng)的硅壓力傳感器一樣。當(dāng)梁快要接近接觸點(diǎn)的時(shí)候，傳感器單位面積上受到的壓力與產(chǎn)生的電容呈非線性關(guān)系。第Ⅱ區(qū)是過(guò)渡區(qū)，梁開(kāi)始接觸到襯底上的絕緣層，C-p曲線呈非線性關(guān)系，電容從梁未接觸到襯底到開(kāi)始接觸襯底轉(zhuǎn)變。第Ⅲ區(qū)是線性區(qū)，梁與襯底上的絕緣層開(kāi)始有效接觸，而且傳感器的電容將隨著壓力的增加而線性增大。第Ⅳ區(qū)是飽和區(qū)C-p曲線略呈非線性關(guān)系，隨著壓力的繼續(xù)增加，非線性將更明顯。
雙面接觸式電容壓力傳感器的電容由兩部分組成：一部分為梁受壓后，尚未接觸到襯底上的絕緣層時(shí)形成的電容，此電容類似于常規(guī)的電容壓力傳感器，這一部分只占接觸式電容壓力傳感器的電容量的很小一部分；另一部分是梁接觸到襯底后形成的電容，這部分電容量才是需要的電容量，而且它占主導(dǎo)地位，較多采用的是國(guó)產(chǎn)品牌電容，如三環(huán)電容、風(fēng)華電容，也可選擇臺(tái)企電容作為所選電容。當(dāng)壓力增加時(shí)，梁與襯底的接觸面積增加，同時(shí)梁與襯底的非接觸部分減少。剛開(kāi)始，電容主要由非接觸部分提供，隨著壓力的增加，梁開(kāi)始接觸襯底的絕緣層后，非接觸部分提供的電容逐漸減少，而接觸部分提供的電容與接觸面積將呈線性增加。由于絕緣層非常薄，因此當(dāng)梁開(kāi)始與襯底上的絕緣層接觸后，接觸面積所提供的電容將占主導(dǎo)地位。
2、工藝流程
雙面接觸式電容壓力傳感器由3個(gè)硅晶片（其中有兩個(gè)晶片B是一樣的）用硅熔融法進(jìn)行鍵合，先把晶片A正反兩面腐蝕兩個(gè)同樣大小的溝槽來(lái)作為傳感器的真空腔，然后在這兩個(gè)大溝槽上淀積一層二氧化硅作為絕緣層，同時(shí)把晶片A作為雙面接觸式電容壓力傳感器的公共下電極，接著把兩片用濃的固態(tài)硼擴(kuò)散好的晶體B用熔融鍵合的辦法鍵合在晶片A的正反兩面，用離子刻蝕法刻蝕掉晶片B最外層的重?fù)诫s層，緊接著用自停止腐蝕法去掉輕摻雜層，得到最里面的重?fù)诫s層作為傳感器的上電極。對(duì)于晶片A和B,可以采用圓形、方形、矩形膜，本次設(shè)計(jì)采用圓形膜。制造工藝流程如下：
2.1 晶片A
襯底晶片采用N型硅晶體，晶向?yàn)?lt;100>晶向，厚度約為（500±10）μm,電阻率約為5～10Ω·cm.
2.1.1 腐蝕出大溝槽
先在晶片A的兩端氧化出2μm的氧化層，然后把預(yù)先設(shè)計(jì)好的掩膜（即大溝槽的形狀）附在晶片A的正反兩面，然后放到SF6溶液里面讓它進(jìn)行腐蝕，就可得到所要的大溝槽（真空腔）的形狀。
2.1.2 淀積一層絕緣層
在腐蝕出大溝槽的晶片A兩面都氧化一層150nm厚的SiO2,作為絕緣層。此時(shí)，晶片A可以與晶片B進(jìn)行鍵合。
2.2 晶片B
晶片B主要是為了制作重?fù)诫s的梁。晶片B取P型硅，晶向?yàn)?lt;100>晶向，晶片厚度約（400±10）μm,電阻率約為2～5Ω·cm.
2.2.1 硼擴(kuò)散
為了減少由于只擴(kuò)散硼的一邊使梁變形而凹凸不平的情況，使晶體的兩邊都進(jìn)行硼擴(kuò)散，大約要在1120℃下擴(kuò)散160min.
2.2.2 化學(xué)機(jī)械拋光
晶片被腐蝕后表面變得不平，因此要進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，化學(xué)機(jī)械拋光的一些參數(shù)見(jiàn)表1:
表1 用于熔融鍵合的P+型硅化學(xué)機(jī)械拋光的參數(shù)
