專利名稱：一種陣列壓電傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于接觸壓力分布測量 的傳感裝置。
技術(shù)背景接觸壓力分布的測量在許多應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的價值。坐姿的壓力分 布數(shù)據(jù)對于設(shè)計合適的座椅結(jié)構(gòu)極為重要，如汽車駕駛員、航天員的座椅設(shè)計；不正確的坐臥姿勢，使人體局部長期受壓過大會引起褥瘡、坐瘡等 疾病，對于半身不遂、臥床不起的病人來說，如果不采取有效減壓措施， 這種疾病將是致命的。人工觸覺在機器人的感覺系統(tǒng)中占有非常重要的地 位，它通過接觸得到環(huán)境的信息，不管是手指觸覺還是足底觸覺，其本質(zhì) 還是壓力分布的測量。因此，陣列式壓力傳感器在人機工程學(xué)、機器人觸 覺、及醫(yī)療、體育、康復(fù)等方面均有重要的意義及應(yīng)用價值。目前用壓電原理制成的傳感器單體，其應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，如壓電力 /加速度傳感器、壓電超聲波傳感器、壓電機器人觸覺傳感器等。利用壓 力一一電阻變化的原理制作的陣列壓力傳感器，也已經(jīng)有應(yīng)用方面的報 道，但存在遲滯、漂移、集成度不高等弊病。壓電聲表面波傳感器可用于 分布壓力、溫度的測量，它是用表面波的傳輸特性變化完成測量的。 Edward, S.發(fā)表了一種用集成電路工藝制作的機器人用壓電陣列觸覺傳感 器，以壓電材料為敏感材料，感壓源信號直接與制作在集成電路基板上的 M0SFET電荷放大器相連，實現(xiàn)了壓電式陣列觸覺。Siegel和Boie等人利 用介質(zhì)受力后的變形，進而引起電容變化的原理測量分布壓力，通過受力 變形的介質(zhì)兩側(cè)布置相互垂直的導(dǎo)電條，垂直交叉的單元構(gòu)成單元敏感電 容，用激勵電路的輸出推知電容的變化，并得出對應(yīng)單元上的受力情況。 另外，利用光纖傳感也可以得到抗干擾能力很強的壓力傳感器，但這種傳 感器小型化、集成化困難。 發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可以提高抗干 擾性能、減少外接引線、集成和小型化的陣列壓電傳感裝置。本實用新型包括電路板，電路板上固定設(shè)置頂部開放的金屬外殼，外 殼內(nèi)由上至下依次設(shè)置有橡膠封裝層、壓電敏感層、電極轉(zhuǎn)接板和電荷讀 出集成電路。電路板上設(shè)置的電源輸入端口和信號輸出端口分別與電荷讀 出集成電路連接，電荷讀出集成電路的地電極與電路板的地電極連接。橡膠封裝層是厚度為1 2mm的橡膠片，其外表面設(shè)置有突出的突 點，突點呈陣列排列。壓電敏感層包括PVDF (聚偏二氟乙烯)片，PVDF片的一面鍍有整片 的金屬膜，形成整片電極，作為公共的地電極；另一面鍍有相互絕緣的呈 陣列排列的金屬膜，形成陣列電極。整片電極與橡膠封裝層緊密配合，并 通過導(dǎo)線與電路板的地電極連接。陣列電極與橡膠封裝層陣列排列的突點 位置一一對應(yīng)。電荷讀出集成電路包括CCD集成電路，CCD集成電路中每個電荷注入 電路單元連接有電荷注入電極。電極轉(zhuǎn)接板包括絕緣板，絕緣板上表面呈陣列排列設(shè)置有上電極，絕 緣板下表面設(shè)置有下電極。上電極與壓電敏感層的陣列電極位置一一對 應(yīng)，下電極與電荷讀出集成電路的電荷注入電極位置一一對應(yīng)。每個上電 極通過設(shè)置在絕緣板內(nèi)的導(dǎo)電絲與對應(yīng)的下電極連接。本實用新型的陣列壓電傳感裝置將壓電敏感層與當(dāng)?shù)鼗碾姾勺x出集 成電路相結(jié)合，經(jīng)電極轉(zhuǎn)接板完成尺寸的匹配，這種獨特的結(jié)構(gòu)與組合方 式不僅使傳感裝置的抗干擾性能大大提高，還實現(xiàn)了傳感裝置的小型化和 集成化，外接引線數(shù)量大大降低。本實用新型利用壓電原理與集成電路相 結(jié)合的方法，不僅使陣列壓電傳感裝置的動態(tài)性能和抗干擾能力得到明顯 的改善，穩(wěn)定性也得到大大加強。該傳感裝置具有表面柔順、體積小、集 成度高的特點。

圖l為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1中橡膠封裝層的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為圖1中壓電敏感層的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為圖1中電極轉(zhuǎn)接板的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，陣列壓電傳感裝置包括電路板7和固定在電路板7上的 金屬外殼9。金屬外殼9的頂部是開放的，其內(nèi)部空間由上至下依次設(shè)置 有橡膠封裝層1、壓電敏感層、電極轉(zhuǎn)接板和電荷讀出集成電路6。電路 板7上設(shè)置的電源輸入端口和信號輸出端口分別與電荷讀出集成電路6連 接，電荷讀出集成電路6的地電極與電路板7的地電極連接。橡膠封裝層1的結(jié)構(gòu)參見圖1和圖2，該橡膠封裝層包括一橡膠片， 其外表面設(shè)置有突出的突點10，突點10的形狀為平頭圓錐形，并呈陣列 排列。壓電敏感層的結(jié)構(gòu)參見圖1和圖3，該壓電敏感層包括PVDF片3， PVDF片3的一面鍍有整片的金屬膜，形成整片電極2，作為公共的地電 極；另一面鍍有相互絕緣的呈陣列排列的金屬膜，形成陣列電極4。整片 電極3與橡膠封裝層緊密配合，并通過導(dǎo)線8與電路板7的地電極連接。 陣列電極4與橡膠封裝層陣列排列的突點10位置一一對應(yīng)。相互絕緣的 呈陣列排列的金屬膜的加工是在相應(yīng)的掩膜板的覆蓋下，用真空濺射法金 屬鍍膜成所需要陣列排列的形式。掩膜板一般由彈簧鋼板采用激光加工的 方式完成，掩膜板上加工的陣列式方孔在金屬鍍膜完成后形成陣列電極， 方孔的尺寸比陣列間距略小，以保證金屬鍍膜完成后各陣列電極間相互不 粘連，陣列數(shù)、陣列間距則可根據(jù)不同的需要進行不同的設(shè)計。電荷讀出集成電路6包括CCD集成電路，CCD集成電路中每個電荷注入電路單元連接有電荷注入電極，電荷注入電極的數(shù)量與陣列電極的數(shù)量 相同。電荷讀出集成電路的工作原理與CCD集成電路的完全一樣，其區(qū)別 僅在于本設(shè)計的集成電路其電荷信號是通過壓電傳感裝置注入的，而不是通常CCD集成電路由光照產(chǎn)生的電荷信號。它們之間只是電荷的注入方式 有區(qū)別(對應(yīng)電信號注入和光信號注入)，其余的電路如電荷轉(zhuǎn)移、輸出 電路等完全一樣，是一種成熟的電路。電極轉(zhuǎn)接板的結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括絕緣板5，絕緣板5上表面呈陣 列排列設(shè)置有上電極ll，絕緣板5下表面設(shè)置有下電極13。上電極ll與 壓電敏感層的陣列電極4位置一一對應(yīng)，下電極13與電荷讀出集成電路 6的電荷注入電極位置一一對應(yīng)。每個上電極11通過設(shè)置在絕緣板5內(nèi) 的導(dǎo)電絲12與對應(yīng)的下電極13連接。當(dāng)傳感裝置表面受壓時，受壓敏感區(qū)域?qū)?yīng)的壓電敏感層產(chǎn)生壓力， 對應(yīng)的整片電極與陣列電極構(gòu)成的傳感單元輸出電荷，經(jīng)電極轉(zhuǎn)接板導(dǎo)入 電荷讀出集成電路的電荷注入電極，轉(zhuǎn)換成與傳感單元受壓成對應(yīng)關(guān)系的 電荷信號，通過對電荷讀出集成電路的控制，以掃描的方式得到全部陣列 壓電傳感單元的壓力分布信號。當(dāng)陣列傳感裝置的總體尺寸與電荷讀出集 成電路尺寸相當(dāng)時(按現(xiàn)階段的集成電路制作工藝， 一般集成電路的尺寸 不宜大于cm數(shù)量級)，采用壓電敏感層的下側(cè)陣列電極與電荷讀出集成 電路的電荷注入電極直接連通的方式，可以省去電極轉(zhuǎn)接板。
權(quán)利要求1、一種陣列壓電傳感裝置，包括電路板，電路板上固定設(shè)置頂部開放的金屬外殼，其特征在于金屬外殼內(nèi)由上至下依次設(shè)置有橡膠封裝層、壓電敏感層、電極轉(zhuǎn)接板和電荷讀出集成電路；電路板上設(shè)置的電源輸入端口和信號輸出端口分別與電荷讀出集成電路連接，電荷讀出集成電路的地電極與電路板的地電極連接；所述的橡膠封裝層是厚度為1～2mm的橡膠片，其外表面設(shè)置有突出的突點，突點呈陣列排列；所述的壓電敏感層包括聚偏二氟乙烯片，聚偏二氟乙烯片的一面鍍有整片的金屬膜，形成整片電極；另一面鍍有相互絕緣的呈陣列排列的金屬膜，形成陣列電極；整片電極與橡膠封裝層緊密配合，并通過導(dǎo)線與電路板的地電極連接；陣列電極與橡膠封裝層陣列排列的突點位置一一對應(yīng)；所述的電荷讀出集成電路包括CCD集成電路，CCD集成電路中每個電荷注入電路單元連接有電荷注入電極；所述的電極轉(zhuǎn)接板包括絕緣板，絕緣板上表面呈陣列排列設(shè)置有上電極，絕緣板下表面設(shè)置有下電極；上電極與壓電敏感層的陣列電極位置一一對應(yīng)，下電極與電荷讀出集成電路的電荷注入電極位置一一對應(yīng)；每個上電極通過設(shè)置在絕緣板內(nèi)的導(dǎo)電絲與對應(yīng)的下電極連接。
專利摘要本實用新型涉及一種用于接觸壓力分布測量的傳感器。陣列傳感器需解決單體傳感器的問題，以及集成小型化、相互干擾等問題。本實用新型的金屬外殼內(nèi)由上至下依次設(shè)置有橡膠封裝層、壓電敏感層、電極轉(zhuǎn)接板和電荷讀出集成電路。橡膠封裝層為帶有呈陣列排列突點的橡膠片。壓電敏感層包括PVDF片，PVDF片的一面為整片電極，另一面為陣列電極。陣列電極與突點位置一一對應(yīng)。電荷讀出集成電路為帶有電荷注入電極的CCD集成電路。本實用新型利用壓電原理與集成電路相結(jié)合的方法，不僅使其動態(tài)性能和抗干擾能力得到明顯的改善，穩(wěn)定性也得到大大加強，同時具有表面柔順、體積小、集成度高的特點。
文檔編號G01L1/16GK201051025SQ20072011089
公開日2008年4月23日 申請日期2007年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月19日
發(fā)明者明 孟, 席旭剛, 衛(wèi) 張, 羅志增 申請人:杭州電子科技大學(xué)