專利名稱：柔性單點(diǎn)力片式傳感器及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器及其制造方法，特別涉及一種用于在某一狹小接 觸區(qū)域中對(duì)一點(diǎn)接觸物體間的壓力或集中力進(jìn)行檢測(cè)的柔性單點(diǎn)力片式傳感 器及其制造方法。
背景技術(shù)：
壓力傳感器及檢測(cè)技術(shù)在航空航天、軍事工業(yè)、汽車、船舶制造、工業(yè) 自動(dòng)化、醫(yī)學(xué)研究、生物醫(yī)療等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用。然而在上述應(yīng)用 領(lǐng)域，許多場(chǎng)合需在某一狹小空間中對(duì)某一點(diǎn)接觸物體間的壓力或集中力進(jìn) 行檢測(cè)，例如點(diǎn)接觸物體間在運(yùn)動(dòng)過程中摩擦力相互作用過程的研究、例如 檢測(cè)空間凸輪與滾子從動(dòng)件處于點(diǎn)接觸狀態(tài)下的相互作用力、檢測(cè)某一對(duì)牙 齒嚙合時(shí)的相互作用力等。由于受到傳感器重量、體積以及工作空間(如狹 縫)的限制，這時(shí)傳統(tǒng)壓力傳感器便不能用于上述場(chǎng)合下的使用來檢測(cè)某一 點(diǎn)接觸物體間的壓力或集中力。即便勉強(qiáng)使用，也不能滿足操作便捷的要求，發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)壓力傳感器不能對(duì)某一點(diǎn)接觸物體間壓力進(jìn)行檢測(cè)、體 積大、重量重、操作不方便的缺點(diǎn)；提供了一種能夠檢測(cè)出某一點(diǎn)接觸物體 間壓力的柔性單點(diǎn)力片式傳感器，該傳感器具有體積小、重量輕、制作簡單、 可低成本批量化生產(chǎn)的特點(diǎn)，并且可重復(fù)使用、操作簡便。 本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種該傳感器的制造方法。 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的 一種柔性單點(diǎn)力片式傳感器，包括壓敏體、設(shè)置在壓敏體垂直兩端面的 兩個(gè)電極連接片，其特征在于，還包括有形狀大小相同的上基板和下基板，上、下基板之間由粘接層封接；在靠近上基板長度方向的一側(cè)設(shè)置有一凸起; 在相對(duì)該凸起的下基板上設(shè)置有一凹陷，該凹陷與所述凸起之間形成一個(gè)的 密閉的壓敏體室，其中封裝有所述的壓敏體及電極連接片，所述壓敏體室的 大小剛好與壓敏體的大小吻合；所述下基板沿其長度方向遠(yuǎn)離凹陷一側(cè)到凹 陷的上表面設(shè)置有兩條相互平行的印刷電極，每條印刷電極在下基板凹陷處 的一端連接所述的一個(gè)電極連接片；在遠(yuǎn)離下基板凹陷一側(cè)的一端連接一個(gè) 外露下基板的電極引出片；所述印刷電極從連接電極連接片到連接電極引出 片的一段上表面設(shè)置有電極保護(hù)膜。以上方案中，所述的印刷電極為銀導(dǎo)電薄膜；所述的電極保護(hù)膜為羥乙 基纖維素膜層；所述的上、下基板為由聚氯乙烯制成的矩形基片；所述的粘 接層為環(huán)氧樹脂層。一種上述傳感器的制造方法，其特征在于，包括如下步驟a. 先制備形狀大小相同的上基板和下基板，在靠近上基板長度方向的一 側(cè)設(shè)置一凸起；在相對(duì)該凸起的下基板上設(shè)置一凹陷；b. 將下基板固定在絲網(wǎng)刷機(jī)的印刷臺(tái)上；用導(dǎo)電漿料沿下基板長度方向 從遠(yuǎn)離凹陷一側(cè)到凹陷的上表面印制兩條相互平行的印刷電極，干燥后，在 遠(yuǎn)離凹陷的下基板一側(cè)設(shè)置兩個(gè)外露的電極引出片；C.在下基板凹陷中涂敷壓敏電阻油墨，并放置一個(gè)壓敏體，該壓敏體垂 直兩端面事先焊接好兩個(gè)電極連接片，每條印刷電極凹陷處的一端連接一個(gè) 電極連接片；遠(yuǎn)離凹陷處的另一端連接一個(gè)電極引出片；d. 在下基板兩條印刷電極從連接電極連接片到連接電極引出片的一段 上表面涂敷一層電極保護(hù)膜并干燥；e. 將上基板凸起的內(nèi)面也涂刷壓敏電阻油墨，然后將上、下基板用粘接 層復(fù)合，使所述凸起與凹陷之間形成一個(gè)的密閉壓敏體室，將壓敏體及電極 連接片封裝在其內(nèi)，壓敏體室的大小剛好與壓敏體的大小吻合。以上方法中，所述的印刷電極用導(dǎo)電漿料為銀導(dǎo)電漿料；所述的電極保 護(hù)膜材料采用羥乙基纖維素；所述的壓敏電阻油墨采用碳二硫化鉬油墨；所 述的上、下基板采用聚氯乙烯材料制成矩形基片；所述的粘接層采用環(huán)氧樹脂。本發(fā)明的柔性單點(diǎn)力片式傳感器不需要外加保護(hù)裝置，不用將壓敏電阻 直接置入被測(cè)對(duì)象內(nèi)部，只需將被測(cè)對(duì)象的點(diǎn)接觸部位與壓敏電阻所對(duì)應(yīng)的 壓敏體室的聚氯乙烯PVC絕緣基片直接接觸即可；同時(shí)壓敏電阻材料在工作 過程中始終受到了聚氯乙烯PVC片的絕緣保護(hù)。由于兩條銀導(dǎo)電電極均處于 羥乙基纖維素HEC的絕緣保護(hù)下，可有效防止兩電極間間距太小而引起的電 子遷移所造成的電極間短路現(xiàn)象。該柔性單點(diǎn)力片式傳感器只有電極引出片 部分區(qū)域外露，因此具有抗強(qiáng)干擾的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明采用基于絲網(wǎng)印刷工藝的制造方法，使制得的單點(diǎn)力傳感器具有 重量輕、體積小(片狀)、成本低、制作簡單、可批量化生產(chǎn)的特點(diǎn)，并可重 復(fù)使用、操作便捷。該傳感器可應(yīng)用于工作空間狹小的某一點(diǎn)接觸物體間的 壓力或集中力的檢測(cè)以及類似特殊應(yīng)用場(chǎng)合。


圖l為本發(fā)明柔性單點(diǎn)力片式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1、下基板；2、 粘接層；3、電極引出片；4、上基板；5、電極保護(hù)膜；6、印刷電極；7、壓敏體。圖2為圖1的俯視其及印刷電極的局部剖視圖。圖中8、上基板凸起；9、電極連接片。圖3為圖2的剖面圖。圖中10、下基板凹陷。圖4為本發(fā)明柔性單點(diǎn)力片式傳感器一個(gè)應(yīng)用實(shí)例的測(cè)量電路原理圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。如圖l-圖3所示， 一種柔性單點(diǎn)力片式傳感器，包括上基板4和下基板 1、壓敏體7、設(shè)置在壓敏體7垂直兩端面的兩個(gè)電極連接片9，上、下基板 之間由環(huán)氧樹脂粘接層2封接；上、下基板4、 l可由聚氯乙烯(PVC)制成 相同大小尺寸的矩形基片；在靠近上基板4長度方向的左側(cè)設(shè)置有一凸起8;在相對(duì)該凸起8的下基板上設(shè)置有一凹陷10，該凹陷與凸起之間形成一個(gè)的密閉壓敏體室，其中封裝有壓敏體7及電極連接片9，壓敏體室的大小剛好 與壓敏體7的大小吻合，壓敏體7為圓片或方塊形壓敏電阻；下基板1上設(shè) 置有兩條沿其長度方向相互平行的印刷電極6，印刷電極6為銀導(dǎo)電帶狀薄膜。每條印刷電極在凹陷右邊沿處的一端連接一個(gè)電極連接片9;遠(yuǎn)離凹陷到下基板1右側(cè)處的另一端連接一個(gè)電極引出片3，該電極引出片3外露下 基板右側(cè)；印刷電極6從連接電極連接片9到連接電極引出片3的一段上表 面設(shè)置有電極保護(hù)膜5，該電極保護(hù)膜為羥乙基纖維素(HEC)膜層。 以上柔性單點(diǎn)力片式傳感器制造方法，包括下述步驟-a. 先制備形狀大小相同的上基板4和下基板1，在靠近上基板4長度方 向的左側(cè)設(shè)置一凸起8;在相對(duì)該凸起8的下基板上設(shè)置一凹陷10;上、下 基板均采用聚氯乙烯(PVC)材料制成矩形基片，用水和無水乙醇清洗后干燥。b. 將下基板1固定在絲網(wǎng)刷機(jī)的印刷臺(tái)上；用導(dǎo)電銀漿從凹陷IO右邊沿 到遠(yuǎn)離凹陷的下基板右側(cè)長度方向上表面印制兩條相互平行的印刷電極6， 干燥后，在遠(yuǎn)離凹陷10的下基板右側(cè)固定兩個(gè)外露的電極引出片3。c. 在下基板凹陷10中涂敷碳二硫化鉬油墨，干燥后根據(jù)下基板凹陷的尺 寸放置一個(gè)圓片或方片狀壓敏電阻(壓敏體7)，該壓敏電阻垂直兩端面事先 焊接好兩個(gè)電極連接片9，每條印刷電極6在凹陷10右邊沿處的一端連接一 個(gè)電極連接片9;遠(yuǎn)離凹陷處的另一端連接一個(gè)電極引出片3。d. 在下基板兩條印刷電極6從連接電極連接片9處到連接電極引出片3 的一段上表面，采用絲網(wǎng)印刷涂敷羥乙基纖維素(HEC)形成一層電極保護(hù)膜 5，并干燥；e. 將上基板凸起8的內(nèi)面也涂刷涂敷碳二硫化鉬油墨并干燥，然后將上、 下基板4、 1用環(huán)氧樹脂粘接，使上、下基板之間形成粘接層2，并使凸起8 與凹陷IO之間形成一個(gè)的密閉壓敏體室，將壓敏電阻及電極連接片9封裝在 其內(nèi)，壓敏體室的大小剛好與壓敏電阻的大小吻合，最后用環(huán)氧樹脂沿上、 下基板周邊包封。當(dāng)上述絲網(wǎng)印刷單點(diǎn)力片式傳感器與外接電路連接并通過能正常工作的測(cè)試后，該傳感器外露部分電極引出片3與外接導(dǎo)線連接部分用絕緣硅膠將其覆蓋以防銀電極長期處于在空氣中被氧化而削弱或喪失了其導(dǎo)電性能。本發(fā)明柔性單點(diǎn)力片式傳感器的檢測(cè)原理如下當(dāng)處于點(diǎn)接觸狀態(tài)時(shí)物 體間的一集中載荷(集中力)作用于壓敏電阻7上時(shí)，壓敏電阻因受到了壓 力作用便發(fā)生了一定的壓縮變形，從而引起了壓敏電阻值的變化，反映在電 路上便是兩銀導(dǎo)電電極6之間電壓值的改變；根據(jù)壓敏電阻上電壓值相對(duì)于 最初電壓值的變化量便可反映出點(diǎn)接觸處壓力或集中載荷的大小。集中載荷與軸向長度、電阻阻值與軸向長度的關(guān)系、電壓與電阻的關(guān)系如下尸丄(1)其中L-壓敏電阻的原始厚度;S——壓敏電阻的橫截面面積；F——作用于壓敏電阻上的集中載荷;￡——壓敏電阻的彈性模量；AL——壓敏電阻油墨厚度的改變量。5"(2)其中- L3巾:S --壓敏電阻油墨的厚度；-壓敏電阻油墨的橫截面面積; -壓敏電阻油墨的電阻率； -壓敏電阻油墨的電阻值。(3)-流經(jīng)壓敏電阻的電流值； -壓敏電阻油墨的電阻值; -壓敏電阻油墨的電壓值；如圖4所示，絲網(wǎng)印刷單點(diǎn)力片式傳感器的壓敏電阻因?yàn)橹皇艿捷S向壓 縮變形而引起了其阻值的改變，因此在測(cè)量電路中壓敏電阻可以被當(dāng)作電路 中的可變電阻對(duì)待；同時(shí)又由于壓敏電阻的改變引起了加在壓敏電阻兩端電壓值的改變，因此壓敏電阻端電壓的改變可以被當(dāng)作檢測(cè)電路的輸入變量信 號(hào)。由于單點(diǎn)力傳感器的壓敏電阻因外力作用而引起了加在其兩端電壓的改 變，反相比例放大電路的輸入端恰好是壓敏電阻端電壓的改變端；因此壓敏 電阻端電壓的改變必然引起了反相比例放大電路I輸出電壓值的改變，也就 是說單點(diǎn)力傳感器受外力作用是可以引起測(cè)量電路中相應(yīng)電壓的改變的。當(dāng) 外力作用于單點(diǎn)力傳感器后由于壓敏電阻值的改變而產(chǎn)生了一定的微弱電信 號(hào)，通過反相比例放大器I將該信號(hào)放大；然后再通過低通濾波器將其他高 頻干擾信號(hào)過濾或者去除；接著再通過反相比例放大器II將電信號(hào)還原到最 初的相位(因?yàn)榍昂蠼?jīng)過了兩次反相放大，因此經(jīng)過處理后的信號(hào)可以恢復(fù) 到原來的正電壓值，同時(shí)將微弱電信號(hào)值放大了)；最后再通過A/D轉(zhuǎn)換器限 壓轉(zhuǎn)換將外力引起的并經(jīng)過處理的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字電壓信 號(hào)，當(dāng)然也可以直接將反相比例放大器II處理后的電壓信號(hào)直接輸入至可以 接收該信號(hào)的模擬顯示儀器或處理儀器例如模擬信號(hào)示波顯示器或者模擬信 號(hào)處理電路板。
權(quán)利要求
1.一種柔性單點(diǎn)力片式傳感器，包括壓敏體、設(shè)置在壓敏體垂直兩端面的兩個(gè)電極連接片，其特征在于，還包括有形狀大小相同的上基板和下基板，上、下基板之間由粘接層封接；在靠近上基板長度方向的一側(cè)設(shè)置有一凸起；在相對(duì)該凸起的下基板上設(shè)置有一凹陷，該凹陷與所述凸起之間形成一個(gè)的密閉的壓敏體室，其中封裝有所述的壓敏體及電極連接片，所述壓敏體室的大小剛好與壓敏體的大小吻合；所述下基板沿其長度方向遠(yuǎn)離凹陷一側(cè)到凹陷的上表面設(shè)置有兩條相互平行的印刷電極，每條印刷電極在下基板凹陷處的一端連接所述的一個(gè)電極連接片；在遠(yuǎn)離下基板凹陷一側(cè)的一端連接一個(gè)外露下基板的電極引出片；所述印刷電極從連接電極連接片到連接電極引出片的一段上表面設(shè)置有電極保護(hù)膜。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性單點(diǎn)力片式傳感器，其特征在于，所述的 印刷電極為銀導(dǎo)電薄膜；所述的電極保護(hù)膜為羥乙基纖維素膜層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性單點(diǎn)力片式傳感器，其特征在于，所述的 上、下基板為由聚氯乙烯制成的矩形基片。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性單點(diǎn)力片式傳感器，其特征在于，所述的 粘接層為環(huán)氧樹脂層。
5. —種權(quán)利要求1所述柔性單點(diǎn)力片式傳感器的制造方法，其特征在于， 包括如下步驟a. 先制備形狀大小相同的上基板和下基板，在靠近上基板長度方向的一 側(cè)設(shè)置一凸起；在相對(duì)該凸起的下基板上設(shè)置一凹陷；b. 將下基板固定在絲網(wǎng)刷機(jī)的印刷臺(tái)上；用導(dǎo)電槳料沿下基板長度方向 從遠(yuǎn)離凹陷一側(cè)到凹陷的上表面印制兩條相互平行的印刷電極，干燥后，在 下基板遠(yuǎn)離凹陷的一側(cè)設(shè)置兩個(gè)外露的電極引出片；c. 在下基板凹陷中涂敷壓敏電阻油墨，并放置一個(gè)壓敏體，該壓敏體垂 直兩端面事先焊接好兩個(gè)電極連接片，每條印刷電極凹陷處的一端連接一個(gè) 電極連接片；遠(yuǎn)離凹陷處的另一端連接一個(gè)電極引出片；d. 在下基板兩條印刷電極從連接電極連接片到連接電極引出片的一段上表面涂敷一層電極保護(hù)膜并干燥；e.將上基板凸起的內(nèi)面也涂刷壓敏電阻油墨，然后將上、下基板用粘接 層復(fù)合，使所述凸起與凹陷之間形成一個(gè)的密閉壓敏體室，將壓敏體及電極 連接片封裝在其內(nèi)，壓敏體室的大小剛好與壓敏體的大小吻合。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述一種權(quán)利要求1所述柔性單點(diǎn)力片式傳感器的制 造方法，其特征在于，所述的印刷用導(dǎo)電漿料為銀導(dǎo)電漿料.；所述的電極保 護(hù)膜材料采用羥乙基纖維素。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述一種權(quán)利要求1所述柔性單點(diǎn)力片式傳感器的制 造方法，其特征在于,所述的壓敏電阻油墨采用碳二硫化鉬油墨。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述一種權(quán)利要求1所述柔性單點(diǎn)力片式傳感器的制 造方法，其特征在于,所述的上、下基板采用聚氯乙烯材料制成矩形基片。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述一種權(quán)利要求1所述柔性單點(diǎn)力片式傳感器的制 造方法，其特征在于,所述的粘接層采用環(huán)氧樹脂。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種能夠檢測(cè)某一點(diǎn)接觸物體間壓力的柔性單點(diǎn)力片式傳感器及制造方法，該傳感器包括形狀大小相同的上基板和下基板、壓敏體、設(shè)置在壓敏體兩端面的兩個(gè)電極連接片，上、下基板之間由粘接層封接；在靠近上基板長度方向的一側(cè)設(shè)置有一凸起；在相對(duì)該凸起的下基板上設(shè)置有一凹陷，該凹陷與所述凸起之間形成一個(gè)的密閉的壓敏體室，其中封裝有壓敏體及電極連接片；下基板上沿其遠(yuǎn)離凹陷一側(cè)到凹陷的長度方向設(shè)置有兩條相互平行的印刷電極，每條印刷電極在下基板凹陷處的一端連接所述的一個(gè)電極連接片；在遠(yuǎn)離下基板凹陷一側(cè)的一端連接一個(gè)外露下基板的電極引出片；印刷電極從連接電極連接片到連接電極引出片的一段上表面設(shè)置有電極保護(hù)膜。
文檔編號(hào)G01L1/20GK101226089SQ20081001746
公開日2008年7月23日 申請(qǐng)日期2008年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月31日
發(fā)明者周高峰, 蔣莊德, 趙玉龍, 趙立波 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)