技術領域

本發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域中對一點接觸物體間的壓力或集中力進行檢測的柔性單點力片式傳感器及其制造方法。

背景技術

壓力傳感器及檢測技術在航空航天、軍事工業、汽車、船舶制造、工業自動化、醫學研究、生物醫療等領域中發揮著重要的作用。然而在上述應用領域，許多場合需在某一狹小空間中對某一點接觸物體間的壓力或集中力進行檢測，例如點接觸物體間在運動過程中摩擦力相互作用過程的研究、例如檢測空間凸輪與滾子從動件處于點接觸狀態下的相互作用力、檢測某一對牙齒嚙合時的相互作用力等。由于受到傳感器重量、體積以及工作空間(如狹縫)的限制，這時傳統壓力傳感器便不能用于上述場合下的使用來檢測某一點接觸物體間的壓力或集中力。即便勉強使用，也不能滿足操作便捷的要求，

發明內容

本發明針對傳統壓力傳感器不能對某一點接觸物體間壓力進行檢測、體積大、重量重、操作不方便的缺點；提供了一種能夠檢測出某一點接觸物體間壓力的柔性單點力片式傳感器，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的特點，并且可重復使用、操作簡便。

本發明的另一個目的是提供一種該傳感器的制造方法。

為達到上述目的，本發明是采取如下技術方案予以實現的：

一種柔性單點力片式傳感器，包括壓敏體、分別設置在壓敏體上下端面的兩個電極連接片，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；在上基板長度方向的一側設置有一凸起；在相對該凸起的下基板上設置有一凹陷，該凹陷與所述凸起之間形成一個密閉的壓敏體室，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1沿其長度方向設置有兩條相互平行的印刷電極6，每個印刷電極分別連接位于壓敏體上或下端面的電極連接片9和伸出下基板的電極引出片3；所述下基板上的兩條印刷電極6從連接電極連接片9到連接電極引出片3一段的上表面設置有電極保護膜。

一種上述柔性單點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，在上基板長度方向的一側設置一凸起；在相對該凸起的下基板上設置一凹陷；

b.將下基板1固定在絲網印刷機的印刷臺上，用導電料漿沿下基板長度方向從遠離凹陷一側到凹陷的上表面印制兩條印刷電極，干燥后，在下基板遠離凹陷的一側設置兩個外露的電極引出片3。

c.在下基板凹陷中涂敷壓敏電阻油墨，并放置一個壓敏體，該壓敏體上、下端面事先分別焊接好兩個電極連接片9，位于壓敏體上、下端面的兩電極連接片9分別連接至位于下基板上的兩條印刷電極6的一端，兩條印刷電極6的另一端連接外露的兩個電極引出片3；同時，在上基板4的凸起內表面上涂敷壓敏電阻油墨。

d.在下基板的兩條印刷電極6上從連接電極連接片9到連接電極引出片3的一段上表面涂敷一層電極保護膜并干燥。

e.將上、下基板用粘接層復合，使所述凸起與凹陷之間形成一個的密閉壓敏體室，將壓敏體及電極連接片封裝在其內，壓敏體室的大小剛好與壓敏體的大小吻合，同時兩條印刷電極相互平行。

以上方法中，所述的印刷電極用導電漿料為銀導電漿料；所述的電極保護膜材料采用纖維素；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氧樹脂。

本發明的柔性單點力片式傳感器不需要外加保護裝置，不用將壓敏電阻直接置入被測對象內部，只需將被測對象的點接觸部位與壓敏電阻所對應的壓敏體室的聚氯乙烯PVC絕緣基片直接接觸即可；同時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。由于兩條銀導電電極均處于纖維素HEC的絕緣保護下，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象。該柔性單點力片式傳感器只有電極引出片部分區域外露，因此具有抗強干擾的優點。

本發明采用基于絲網印刷工藝的制造方法，使制得的單點力傳感器具有重量輕、體積小(片狀)、成本低、制作簡單、可批量化生產的特點，并可重復使用、操作便捷。該傳感器可應用于工作空間狹小的某一點接觸物體間的壓力或集中力的檢測以及類似特殊應用場合。

附圖說明

圖1為本發明柔性單點力片式傳感器結構示意圖。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為本發明柔性單點力片式傳感器一個應用實例的測量電路原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發明作進一步的詳細說明。

如圖1-圖3所示，一種柔性單點力片式傳感器，包括上基板4和下基板1、壓敏體7、設置在壓敏體7垂直兩端面的兩個電極連接片9，上、下基板之間由環氧樹脂粘接層2封接；上、下基板4、1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長度方向的左側設置有一凸起8；在相對該凸起8的下基板上設置有一凹陷10，該凹陷與凸起之間形成一個的密閉壓敏體室，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電極連接片9；遠離凹陷到下基板1右側處的另一端連接一個電極引出片3，該電極引出片3外露下基板右側；印刷電極6從連接電極連接片9到連接電極引出片3的一段上表面設置有電極保護膜5，該電極保護膜為纖維素(HEC)膜層。

以上柔性單點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和下基板，在上基板長度方向的一側設置一凸起；在相對該凸起的下基板上設置一凹陷；

b.將下基板1固定在絲網印刷機的印刷臺上，用導電料漿沿下基板長度方向從遠離凹陷一側到凹陷的上表面印制兩條印刷電極，干燥后，在下基板遠離凹陷的一側設置兩個外露的電極引出片3。

c.在下基板凹陷中涂敷壓敏電阻油墨，并放置一個壓敏體，該壓敏體上、下端面事先分別焊接好兩個電極連接片9，位于壓敏體上、下端面的兩電極連接片9分別連接至位于下基板上的兩條印刷電極6，兩條印刷電極6的另一端連接外露的兩個電極引出片3；同時，在上基板4的凸起內表面上涂敷壓敏電阻油墨。

d.在下基板的兩條印刷電極6上從連接電極連接片9到連接電極引出片3的一段上表面涂敷一層電極保護膜并干燥。

e.將上、下基板用粘接層復合，使所述凸起與凹陷之間形成一個的密閉壓敏體室，將壓敏體及電極連接片封裝在其內，壓敏體室的大小剛好與壓敏體的大小吻合，同時兩條印刷電極相互平行。

當上述絲網印刷單點力片式傳感器與外接電路連接并通過能正常工作的測試后，該傳感器外露部分電極引出片3與外接導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電性能。

本發明柔性單點力片式傳感器的檢測原理如下：當處于點接觸狀態時物體間的一集中載荷(集中力)作用于壓敏電阻7上時，壓敏電阻因受到了壓力作用便發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電電極6之間電壓值的改變；根據壓敏電阻上電壓值相對于最初電壓值的變化量便可反映出點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系、電壓與電阻的關系如下：

ΔL=FLES---(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；

E——壓敏電阻的彈性模量；

ΔL——壓敏電阻油墨厚度的改變量。

R=ρLS---(2)

其中：L——壓敏電阻油墨的厚度；

S——壓敏電阻油墨的橫截面面積；

ρ——壓敏電阻油墨的電阻率；

R——壓敏電阻油墨的電阻值。

                U＝IR        (3)

其中：I——流經壓敏電阻的電流值；

R——壓敏電阻油墨的電阻值；

U——壓敏電阻油墨的電壓值；

如圖4所示，絲網印刷單點力片式傳感器的壓敏電阻因為只受到軸向壓縮變形而引起了其阻值的改變，因此在測量電路中壓敏電阻可以被當作電路中的可變電阻對待；同時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作檢測電路的輸入變量信號。由于單點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，也就是說單點力傳感器受外力作用是可以引起測量電路中相應電壓的改變的。當外力作用于單點力傳感器后由于壓敏電阻值的改變而產生了一定的微弱電信號，通過反相比例放大器I將該信號放大；然后再通過低通濾波器將其他高頻干擾信號過濾或者去除；接著再通過反相比例放大器II將電信號還原到最初的相位(因為前后經過了兩次反相放大，因此經過處理后的信號可以恢復到原來的正電壓值，同時將微弱電信號值放大了)；最后再通過A/D轉換器限壓轉換將外力引起的并經過處理的電信號轉換為計算機能識別的數字電壓信號，當然也可以直接將反相比例放大器II處理后的電壓信號直接輸入至可以接收該信號的模擬顯示儀器或處理儀器例如模擬信號示波顯示器或者模擬信號處理電路板。