CN101532889A

CN101532889A - 力传感器

Info

Publication number: CN101532889A
Application number: CN200910094335A
Authority: CN
Inventors: 许建平
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-04-03
Filing date: 2009-04-03
Publication date: 2009-09-16

Abstract

本发明涉及力传感器，特别是微小型力传感器，它包括：壳体，压力敏感元件，力传递体；所述力传递体是柔性材料；所述力传递体不与所述压力敏感元件、所述壳体内壁粘结；所述压力敏感元件的电输入输出键合引线周围固化有绝缘材料；所述力传递体与所述压力敏感元件之间设置有薄膜；所述压力敏感元件是压阻式压力敏感元件或电容式压力敏感元件；所述压阻式压力敏感元件是硅压阻式压力敏感元件。

Description

力传感器

所属技术领域

本发明涉及力传感器，具体的涉及用于压力、触力、物体质量、重量检测的传感器，以及用于触觉信息获取的传感器，属微电子机械系统领域，但不仅极限于此。

背景技术

目前，公知的同类传感器是由弹性体，附在弹性体上的压力敏感电阻，以及触杆构成；在一种商品化的小型触力传感器中，触力传感器是通过不锈钢球形触头，将所受外力直接传递到硅感应元件上，硅感应元件在受到外力时而发生弯曲变形，硅感应元件阻抗随所受外力同比例变化，经过相应的电路得到与变化力值相对应的电信号；该类力传感器制造难度高，成本高，产品规格系列化难度高，因此产品相对单一，不能满足应用需求。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种改进的力传感器，克服现有技术的上述不足。

本发明通过下述途径实现：

第一种力传感器，包括：开口壳体，压力敏感元件，柔性材料构成的力传递体，其特征在于：所述力传递体不与所述压力敏感元件、所述壳体内壁粘结，所述壳体适于将所述力传递体容纳，从而使所述力传递体不会脱离壳体。

第二种力传感器，包括：开口壳体，压力敏感元件，力传递体，力导入部件，其特征在于：所述力传递体是柔软度适宜的柔性材料，所述力导入部件通过弹性体连接在所述壳体端口上。

第三种力传感器，包括：活塞、活塞筒，压力敏感元件，力传递体，其中，所述力传递体是柔软度适宜的柔性材料。

其中，第二、三种力传感器进一步包括：所述力传递体不与所述压力敏感元件、所述壳体内壁粘结。

以上所述的三种力传感器还进一步包括：

所述力传递体是柔软度适宜的柔性绝缘材料。

包括：所述力传递体是凝胶类柔性材料。

所述压力敏感元件具有用于电输入输出的键合引线，所述键合引线周围固化有绝缘材料。

所述力传递体与所述压力敏感元件之间设置有薄膜。

所述压力敏感元件是压阻式压力敏感元件或电容式压力敏感元件。

所述压阻式压力敏感元件是硅压阻式压力敏感元件。

所述的力传递体在预定的压力范围内不会对压力敏感元件造成挤压损坏。

本发明的有益效果是：结构简单，制造容易，成本低，灵敏度、精确度高，使用寿命长，有利于传感器的微型化、薄型化。

附图说明：

图1是本发明的一种集成电路力传感器剖视结构示意图；

图2是本发明的一种活塞式力传感器剖视结构示意图；

图3是本发明的一种平封头力传感器剖视结构示意图；

图4是本发明的一种凸形封头力传感器剖视结构示意图。

具体实施方式

下面结合最佳实施例和附图对本发明进一步说明：

图1是本发明的一种集成电路力传感器剖视结构示意图；其中，11刚性绝缘开口壳体，开口壳体11外端口截面小于其内腔体截面；其中，玻璃基座12、硅膜13，而硅膜13上布置有半导体材料形成的压阻电桥，键合引线14，电导线脚15构成了本发明所述的硅膜压阻压力敏感元件；玻璃基座12粘结在壳体11的底部，硅膜13粘结在玻璃基座12上，电导线脚15粘结在壳体11上并引出壳体，键合引线14将硅膜13上的压阻电桥与电导线脚15进行电连接；其中，键合引线14周围通过滴注填充的方式固化有绝缘材料16，以保护键合引线14不会受到损坏；绝缘材料16可以是凝胶类材料或绝缘树脂，如：硅橡胶，松香，环氧树脂等；力传递体17由凝胶类材料通过模具注成，然后通过压入的方式装入壳体11内部，于是力传递体17被容纳在开口壳体11内而不会脱离壳体；被测量物体及其载荷直接抵触在力传递体17上而实现本发明。

图1所示是力传感器的基础，它为传感器的扩展应用提供了基本条件。在力传递体17的外端可粘结一凸形刚性力导入部件，使本发明变得比较实用。如下图2～4所述的力传感器可根据图1扩展实现。另外，所述的壳体11亦可以为直筒形，在力传递体放入壳体后，在筒形壳体的端口用一弹性卡环卡在壳体端口内，并限定力传递体不脱离而实现本发明。

另外，可在硅膜下端设置通向大气的孔C，使传感器在测量力值时所测量的力值是表压力值；如果测量力值要求是绝对压力时，将所述孔C封闭并在硅膜下端形成压力参考腔。

图2是本发明的一种活塞式力传感器剖视结构示意图；31为加强厚度的PCB电路板，21为壳体，29为刚性活塞，30为刚性触杆；其中，基板28、环形玻璃基座22、硅膜23，而硅膜23上布置有半导体材料形成的压阻电桥，键合引线24，电导线脚25等构成了一通过改造的硅膜压阻压力敏感芯片或集成电路；壳体21粘结在PCB电路板31上，构成了一个活塞筒；玻璃基座22粘结在基板28上，硅膜23粘结在基座22上，电导线脚25一端粘结在基板28上、另一端焊接在PCB电路板31的铜线上；键合引线24将硅膜23上的压阻电桥与电导线脚25进行电连接；PCB电路板31上设置有适于的导电线路32，使硅膜23上压阻电桥能够与外界电相通；其中，键合引线24周围通过滴注填充的方式固化有绝缘材料26，以保护键合引线24不会受到损坏；绝缘材料26可以是凝胶类材料或绝缘树脂，如：硅橡胶，松香，环氧树脂等；力传递体27由凝胶类材料通过模具注成，然后装入壳体21内部；刚性活塞29与刚性触杆30粘结；被测量物体及其载荷直接抵触在刚性触杆30上而实现本发明。当然，拆除刚性触杆30，被测量物体及其载荷直接抵触在刚性活塞29上亦可实现本发明。另外，壳体21亦可以是刚性绝缘活塞筒，PCB电路板31在活塞筒内。

图3是本发明的一种平封头力传感器剖视结构示意图；51为加强厚度的PCB电路板，41为刚性环形壳体，50为环形波纹弹性片、其可以由弹性材料制成、如橡胶类材料，49为刚性力导入部件；其中，基板48、环形玻璃基座42、硅膜43，而硅膜43上布置有半导体材料形成的压阻电桥，键合引线44，电导线脚45等构成了一通过改造的硅膜压阻压力敏感芯片或集成电路；壳体41粘结在PCB电路板51上，玻璃基座42粘结在基板48上，硅膜43粘结在基座42上，电导线脚45一端粘结在基板48上、另一端焊接在PCB电路板51的铜线上；键合引线44将硅膜43上的压阻电桥与电导线脚45进行电连接；PCB电路板51上设置有适于的导电线路52，使硅膜43上压阻电桥能够与外界电相通；其中，键合引线44周围通过滴注填充的方式固化有绝缘材料46，以保护键合引线44不会受到损坏；绝缘材料46可以是凝胶类材料或绝缘树脂，如：硅橡胶，松香，环氧树脂等；力传递体47由凝胶类材料通过模具注成，然后装入壳体41内部；弹性片50将力导入部件49连接在壳体41端口上；被测量物体及其载荷直接抵触在力导入部件49上而实现本发明。所述的力传递体47亦可以使用其它方式形成。

图4是本发明的一种凸形封头力传感器剖视结构示意图；71为加强厚度的PCB电路板，61为刚性环形壳体，70为环形弹性片、其可以用弹性材料制成、如橡胶类材料，69刚性凸形力导入部件；其中，基板68、环形玻璃基座62、硅膜63，而硅膜63上布置有半导体材料形成的压阻电桥，键合引线64，电导线脚65等构成了一通过改造的硅膜压阻压力敏感芯片或集成电路；壳体61粘结在PCB电路板71上，玻璃基座62粘结在基板68上，硅膜63粘结在基座62上，电导线脚65一端粘结在基板68上、另一端焊接在PCB电路板71的铜线上；键合引线64将硅膜63上的压阻电桥与电导线脚65进行电连接；PCB电路板71上设置有适于的导电线路72，使硅膜63上压阻电桥能够与外界电相通；其中，键合引线64周围通过滴注填充的方式固化有绝缘材料66，以保护键合引线64不会受到损坏；绝缘材料66可以是凝胶类材料或绝缘树脂，如：硅橡胶，松香，环氧树脂等；力传递体67由凝胶类材料通过模具注成，然后装入壳体61内部；弹性片70将力导入部件69连接在壳体61端口上；被测量物体及其载荷直接抵触力导入部件69上而实现本发明。在PCB电路板71的外侧面可以设置放大电路，调零电路，恒流源或恒压源电路，A/D转换电路，安装电接插端口等，使本发明所述的传感器构成一体化的数字传感器；同图1～3。其中，PCB电路板71亦可以是刚性绝缘板；图2、3可依此改进。同时，应当知道，凸形体69亦可以改进为由弹性材料制造，如橡胶类材料，图3亦可以依此方法改进。其中，壳体61可以改为直桶形壳体，并将PCB电路板71设置在直桶形壳体的桶底内部，图3亦可以依此方法改进。

图1～4中，所述键合引线周围通过滴注填充的方式固化的绝缘材料是为防止其中的电连接线容易受到损坏而填充的；当所述的压力敏感元件、芯片或集成电路无键合引线时，无需填充固化的绝缘材料；当键合引线被隐藏或被其它连接取代或不会被力传递体挤压损坏时，无需填充固化的绝缘材料。

以上所述力传递体最好选择膨胀系数小的材料；或者，所述力传递体最好体积适中，以防止环境温度增高，体膨胀而带来的零点偏移现象。

以上所述力传递体与硅膜之间可以增设薄膜，如塑料薄膜，或聚乙烯薄膜，以减少力传递体对硅膜的磨损或冲击破坏。其薄膜最好是绝缘薄膜，薄膜最好处于松弛状态。

本发明所述力传递体的最佳选择是凝胶类柔性材料，如：硅胶，硅橡胶，发软橡胶，等其它特别柔软橡胶类材料。所述力传递体是凝胶类柔性材料时，最好采用装配的方式安装在传感器中，即最好不要采用灌注方式，避免凝胶类柔性材料与硅膜13、23、43、63和壳体11、21、41、61的内壁等粘结，从而避免影响测量的灵敏度和准确性；但是，所述力传递体可以粘结或不粘结在力导入部件上。另外，所述力传递体还可以选择：粉状，膏状，泥状，棉状，布状或块状、片状柔性材料中的至少一种。

本发明所述力传递体最好是绝缘材料，并且，最好是无腐蚀性的材料，不会对传感器进行腐蚀；当然，最好是无毒的，不会对人体进行损害。

本发明图1～4中只是例举了由硅膜压阻压力敏感元件、芯片、集成电路为压力敏感元件的实施例，但是，应当清楚地知道，本发明所述的压力敏感元件包括其它结构的硅压阻式压力敏感元件，如：硅梁、硅杯结构的硅压阻式压力敏感元件；同时，亦包括其它半导体压力敏感元件在内，如陶瓷压阻压力传感器，电容式压力传感器芯片、集成电路，等等，它们均可以取代图1～4中所述的硅膜压阻压力敏感元件、芯片、集成电路而实现本发明和构成本发明。

以上所述只是本发明特定的举例，在不偏离本发明广义方面时，显然可能对本发明进行可以想象到的修改和变异，因此，本发明的权利范围不应当受到特定举例和具体实施例的限制；本发明旨在涵盖所有类似的修改和变异，落在本发明所述权利要求书的精神和范围之列的变异均属于本发明的权利范围。

Claims

1、一种力传感器，包括：开口壳体，压力敏感元件，柔性材料构成的力传递体，其特征在于：所述力传递体不与所述压力敏感元件、所述壳体内壁粘结，所述壳体适于将所述力传递体容纳，从而使所述力传递体不会脱离壳体。

2、一种力传感器，包括：开口壳体，压力敏感元件，力传递体，力导入部件，其特征在于：所述力传递体是柔软度适宜的柔性材料，所述力导入部件通过弹性体连接在所述壳体端口上。

3、一种力传感器，包括：活塞、活塞筒，压力敏感元件，力传递体，其特征在于：所述力传递体是柔软度适宜的柔性材料。

4、根据权利要求2或3所述的力传感器，其特征在于：所述力传递体不与所述压力敏感元件、所述壳体内壁粘结。

5、根据权利要求1、2或3所述的力传感器，其特征在于：所述力传递体是柔软度适宜的柔性绝缘材料。

6、根据权利要求1、2或3所述的力传感器，其特征在于：所述力传递体是凝胶类柔性材料。

7、根据权利要求1、2或3所述的力传感器，其特征在于：所述压力敏感元件具有用于电输入输出的键合引线，所述键合引线周围固化有绝缘材料。

8、根据权利要求1、2或3所述的力传感器，其特征在于：所述力传递体与所述压力敏感元件之间设置有薄膜。

9、根据权利要求1、2或3所述的力传感器，其特征在于：所述压力敏感元件是压阻式压力敏感元件或电容式压力敏感元件。

10、根据权利要求1、2或3所述的力传感器，其特征在于：所述压力敏感元件是硅膜压阻压力敏感元件。