柔性单点力片式传感器及制造方法

技术领域

本发明涉及一种传感器及其制造方法，特别涉及一种用于在某一狭小接触区域中对一点接触物体间的压力或集中力进行检测的柔性单点力片式传感器及其制造方法。

背景技术

压力传感器及检测技术在航空航天、军事工业、汽车、船舶制造、工业自动化、医学研究、生物医疗等领域中发挥着重要的作用。然而在上述应用领域，许多场合需在某一狭小空间中对某一点接触物体间的压力或集中力进行检测，例如点接触物体间在运动过程中摩擦力相互作用过程的研究、例如检测空间凸轮与滚子从动件处于点接触状态下的相互作用力、检测某一对牙齿啮合时的相互作用力等。由于受到传感器重量、体积以及工作空间(如狭缝)的限制，这时传统压力传感器便不能用于上述场合下的使用来检测某一点接触物体间的压力或集中力。即便勉强使用，也不能满足操作便捷的要求，

发明内容

本发明针对传统压力传感器不能对某一点接触物体间压力进行检测、体积大、重量重、操作不方便的缺点；提供了一种能够检测出某一点接触物体间压力的柔性单点力片式传感器，该传感器具有体积小、重量轻、制作简单、可低成本批量化生产的特点，并且可重复使用、操作简便。

本发明的另一个目的是提供一种该传感器的制造方法。

为达到上述目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种柔性单点力片式传感器，包括压敏体、分别设置在压敏体上下端面的两个电极连接片，其特征在于，还包括有形状大小相同的上基板和下基板，上、下基板之间由粘接层封接；在上基板长度方向的一侧设置有一凸起；在相对该凸起的下基板上设置有一凹陷，该凹陷与所述凸起之间形成一个密闭的压敏体室，其中封装有所述的压敏体及电极连接片，所述压敏体室的大小刚好与压敏体的大小吻合；所述下基板1沿其长度方向设置有两条相互平行的印刷电极6，每个印刷电极分别连接位于压敏体上或下端面的电极连接片9和伸出下基板的电极引出片3；所述下基板上的两条印刷电极6从连接电极连接片9到连接电极引出片3一段的上表面设置有电极保护膜。

一种上述柔性单点力片式传感器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.先制备形状大小相同的上基板和下基板，在上基板长度方向的一侧设置一凸起；在相对该凸起的下基板上设置一凹陷；

b.将下基板1固定在丝网印刷机的印刷台上，用导电料浆沿下基板长度方向从远离凹陷一侧到凹陷的上表面印制两条印刷电极，干燥后，在下基板远离凹陷的一侧设置两个外露的电极引出片3。

c.在下基板凹陷中涂敷压敏电阻油墨，并放置一个压敏体，该压敏体上、下端面事先分别焊接好两个电极连接片9，位于压敏体上、下端面的两电极连接片9分别连接至位于下基板上的两条印刷电极6的一端，两条印刷电极6的另一端连接外露的两个电极引出片3；同时，在上基板4的凸起内表面上涂敷压敏电阻油墨。

d.在下基板的两条印刷电极6上从连接电极连接片9到连接电极引出片3的一段上表面涂敷一层电极保护膜并干燥。

e.将上、下基板用粘接层复合，使所述凸起与凹陷之间形成一个的密闭压敏体室，将压敏体及电极连接片封装在其内，压敏体室的大小刚好与压敏体的大小吻合，同时两条印刷电极相互平行。

以上方法中，所述的印刷电极用导电浆料为银导电浆料；所述的电极保护膜材料采用羟乙基纤维素；所述的压敏电阻油墨采用碳二硫化钼油墨；所述的上、下基板采用聚氯乙烯材料制成矩形基片；所述的粘接层采用环氧树脂。

本发明的柔性单点力片式传感器不需要外加保护装置，不用将压敏电阻直接置入被测对象内部，只需将被测对象的点接触部位与压敏电阻所对应的压敏体室的聚氯乙烯PVC绝缘基片直接接触即可；同时压敏电阻材料在工作过程中始终受到了聚氯乙烯PVC片的绝缘保护。由于两条银导电电极均处于羟乙基纤维素HEC的绝缘保护下，可有效防止两电极间间距太小而引起的电子迁移所造成的电极间短路现象。该柔性单点力片式传感器只有电极引出片部分区域外露，因此具有抗强干扰的优点。

本发明采用基于丝网印刷工艺的制造方法，使制得的单点力传感器具有重量轻、体积小(片状)、成本低、制作简单、可批量化生产的特点，并可重复使用、操作便捷。该传感器可应用于工作空间狭小的某一点接触物体间的压力或集中力的检测以及类似特殊应用场合。

附图说明

图1为本发明柔性单点力片式传感器结构示意图。图中：1、下基板；2、粘接层；3、电极引出片；4、上基板；5、电极保护膜；6、印刷电极；7、压敏体。

图2为图1的俯视其及印刷电极的局部剖视图。图中：8、上基板凸起；9、电极连接片。

图3为图2的剖面图。图中：10、下基板凹陷。

图4为本发明柔性单点力片式传感器一个应用实例的测量电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1-图3所示，一种柔性单点力片式传感器，包括上基板4和下基板1、压敏体7、设置在压敏体7垂直两端面的两个电极连接片9，上、下基板之间由环氧树脂粘接层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长度方向的左侧设置有一凸起8；在相对该凸起8的下基板上设置有一凹陷10，该凹陷与凸起之间形成一个的密闭压敏体室，其中封装有压敏体7及电极连接片9，压敏体室的大小刚好与压敏体7的大小吻合，压敏体7为圆片或方块形压敏电阻；下基板1上设置有两条沿其长度方向相互平行的印刷电极6，印刷电极6为银导电带状薄膜。每条印刷电极在凹陷右边沿处的一端连接一个电极连接片9；远离凹陷到下基板1右侧处的另一端连接一个电极引出片3，该电极引出片3外露下基板右侧；印刷电极6从连接电极连接片9到连接电极引出片3的一段上表面设置有电极保护膜5，该电极保护膜为羟乙基纤维素(HEC)膜层。

以上柔性单点力片式传感器制造方法，包括下述步骤：

a.先制备形状大小相同的上基板和下基板，在上基板长度方向的一侧设置一凸起；在相对该凸起的下基板上设置一凹陷；

b.将下基板1固定在丝网印刷机的印刷台上，用导电料浆沿下基板长度方向从远离凹陷一侧到凹陷的上表面印制两条印刷电极，干燥后，在下基板远离凹陷的一侧设置两个外露的电极引出片3。

c.在下基板凹陷中涂敷压敏电阻油墨，并放置一个压敏体，该压敏体上、下端面事先分别焊接好两个电极连接片9，位于压敏体上、下端面的两电极连接片9分别连接至位于下基板上的两条印刷电极6，两条印刷电极6的另一端连接外露的两个电极引出片3；同时，在上基板4的凸起内表面上涂敷压敏电阻油墨。

d.在下基板的两条印刷电极6上从连接电极连接片9到连接电极引出片3的一段上表面涂敷一层电极保护膜并干燥。

e.将上、下基板用粘接层复合，使所述凸起与凹陷之间形成一个的密闭压敏体室，将压敏体及电极连接片封装在其内，压敏体室的大小刚好与压敏体的大小吻合，同时两条印刷电极相互平行。

当上述丝网印刷单点力片式传感器与外接电路连接并通过能正常工作的测试后，该传感器外露部分电极引出片3与外接导线连接部分用绝缘硅胶将其覆盖以防银电极长期处于在空气中被氧化而削弱或丧失了其导电性能。

本发明柔性单点力片式传感器的检测原理如下：当处于点接触状态时物体间的一集中载荷(集中力)作用于压敏电阻7上时，压敏电阻因受到了压力作用便发生了一定的压缩变形，从而引起了压敏电阻值的变化，反映在电路上便是两银导电电极6之间电压值的改变；根据压敏电阻上电压值相对于最初电压值的变化量便可反映出点接触处压力或集中载荷的大小。集中载荷与轴向长度、电阻阻值与轴向长度的关系、电压与电阻的关系如下：

ΔL=FLES---(1)

其中：L——压敏电阻的原始厚度；

S——压敏电阻的横截面面积；

F——作用于压敏电阻上的集中载荷；

E——压敏电阻的弹性模量；

ΔL——压敏电阻油墨厚度的改变量。

R=ρLS---(2)

其中：L——压敏电阻油墨的厚度；

S——压敏电阻油墨的横截面面积；

ρ——压敏电阻油墨的电阻率；

R——压敏电阻油墨的电阻值。

                U＝IR        (3)

其中：I——流经压敏电阻的电流值；

R——压敏电阻油墨的电阻值；

U——压敏电阻油墨的电压值；

如图4所示，丝网印刷单点力片式传感器的压敏电阻因为只受到轴向压缩变形而引起了其阻值的改变，因此在测量电路中压敏电阻可以被当作电路中的可变电阻对待；同时又由于压敏电阻的改变引起了加在压敏电阻两端电压值的改变，因此压敏电阻端电压的改变可以被当作检测电路的输入变量信号。由于单点力传感器的压敏电阻因外力作用而引起了加在其两端电压的改变，反相比例放大电路的输入端恰好是压敏电阻端电压的改变端；因此压敏电阻端电压的改变必然引起了反相比例放大电路I输出电压值的改变，也就是说单点力传感器受外力作用是可以引起测量电路中相应电压的改变的。当外力作用于单点力传感器后由于压敏电阻值的改变而产生了一定的微弱电信号，通过反相比例放大器I将该信号放大；然后再通过低通滤波器将其他高频干扰信号过滤或者去除；接着再通过反相比例放大器II将电信号还原到最初的相位(因为前后经过了两次反相放大，因此经过处理后的信号可以恢复到原来的正电压值，同时将微弱电信号值放大了)；最后再通过A/D转换器限压转换将外力引起的并经过处理的电信号转换为计算机能识别的数字电压信号，当然也可以直接将反相比例放大器II处理后的电压信号直接输入至可以接收该信号的模拟显示仪器或处理仪器例如模拟信号示波显示器或者模拟信号处理电路板。