CN101788351A - 具耦合型与多向性的软性应力传感装置 - Google Patents

Abstract

一种具耦合型与多向性的软性应力传感装置，包括一软性基板、一支撑层、一薄膜基材、多个薄膜传感部、多个传感电极、多个传感块、多个凸块物、以及一填充物。支撑层设置在软性基板上，薄膜基材由支撑层所支撑，薄膜传感部由薄膜基材延伸而出，传感电极对应设置在薄膜传感部上，传感块对应涂布在传感电极上，而填充物包覆支撑层、薄膜基材、薄膜传感部、传感电极、以及传感块。

Description

具耦合型与多向性的软性应力传感装置

技术领域

本发明为一种耦合型与多向性的软性应力传感装置，特别是有关于一种传感正向力和剪应力的软性应力传感装置。

背景技术

应力传感器大多数采用块体状(Bulk)的结构设计，故应用于不规格表面传感上并不适合，此外，以应用于大面积矩阵传感而言，现今多数的应力传感单元仅可用于单一功能的传感，亦即是仅可独立传感正向应力(NormalStress)或剪应力(Shear Stress)其一。

美国专利号US6951143提出一种耦合型的传感器，其是在一四角锥体(Pyramid)的四侧边上各设置一应变计(Strain Gauge)。当传感器受到一剪应力作用时，在两边上的应变计的形变量将不同，其中一应变计受到拉伸，而另一应变计则受到压缩，借此可计算出剪应力的大小及方向；若是传感器受到一正向应力作用时，四个应变计将具有相同的应变量，借此可计算出正向应力的大小。

美国专利号RE37065提出以超声波反射原理检测正向应力与剪应力的传感器，其主要是由超声波换能器(Ultrasonic Transducer)与半球形组件构成。当半球形组件被施加一侧向剪应力时，由于受力后的位置改变，造成超声波在两边行经路线会有所变化，即超声波换能器发射后所检测到反射回来超声波的时间不同，利用此差异性可测量剪应力的大小及方向。当施加一正向应力时，两边超声波行径路相同，意谓超声波换能器发射超声波后所检测到反射回来的时间相同，故可测量正向应力的大小及受力的方向性。

发明内容

本发明的应力传感装置包括一基板、一支撑层、一薄膜基材、多个薄膜传感部、多个传感电极、多个传感块、多个凸块物、以及一填充物。支撑层设置在软性基板上，薄膜基材由支撑层所支撑，薄膜传感部由薄膜基材延伸而出，传感电极对应置于薄膜传感部上，传感块对应涂布在传感电极上，而填充物包覆支撑层、薄膜基材、薄膜传感部、传感电极、以及传感块。

为使本发明的内容更明显易懂，下文特举优选实施例并配合附图做详细说明。

附图说明

图1是依据本发明的软性应力传感装置的其中一实施例的示意图。

图2A、图2B、图2C显示图1的软性应力传感装置的第一部分的制作方式。

图3A、图3B、图3C、图3D显示图1的软性应力传感装置的第二部分的制作方式。

图4为图3B的薄膜基材的上视图。

图5为图3D的薄膜基材的立体图。

图6A、图6B是将软性应力传感装置的第一、二部分组合及封装的示意图。

主要组件符号说明

21～软性基板

22～支撑层

23～支撑块

31～薄膜基材

32～传感电极

33～开孔

34～薄膜传感部

35～传感块

61～填充物

63～凸块物

具体实施方式

请参阅图1，图1是依据本发明的软性应力传感装置的其中一实施例的示意图，图中仅显示软性应力传感装置的其中一传感单元，然而在实际应用中，可采用多个传感单元并排列成矩阵形式，以达到大面积传感的目的。如图所示，软性应力传感装置包括软性基板21、支撑层22、支撑块23、薄膜传感部34、传感电极32、传感块35、凸块物63与填充物61。以下先说明此软性应力传感装置的制作方式。

软性应力传感装置大致上可分成两部分，图2A、图2B、图2C所示为第一部分的制作方式，图3A、图3B、图3C、图3D所示为第二部分的制作方式。

第一部分的制作方式，首先如图2A所示，提供一软性基板21。接着如图2B所示，以粘合制程(亦可用贴合、印制或点胶等方式)在软性基板21上制作出支撑层22。然后如图2C所示，以印制或点胶方式并经加温固化后制作出一个支撑块23，在本实施例中，此支撑块23为半球状。

第二部分的制作方式，首先如图3A所示，在具有金属箔的薄膜基材31上，以蚀刻方式作出传感电极(与电极走线)32。然后如图3B所示，以冲压(Punching)或其它加工方式在薄膜基材31上产生开孔33，以便定义出薄膜传感部34，图4为图3B的薄膜基材的上视图，由图可知冲压产生的薄膜传感部34为悬臂(Cantilever Beam)形式，且由薄膜基材31延伸而出。接着如图3C所示，以印制或点胶制程将传感块35制作在传感电极32上，此传感块35的材料可为一电阻材料、一压阻材料、一压电材料、一电感材料、一电磁材料或一热电材料。然后如图3D所示，施予加温烘烤，由于薄膜传感部34与传感块35采二种不同热膨胀系数材料，可使薄膜传感部34产生翘曲弧状，图5清楚显示薄膜传感部34的翘曲情形。

接着将制作完成的第一部分(图2C)以及第二部分(图3D)组装在一起，如图6A所示，组装过程中将支撑块23精确置于翘曲弧状薄膜传感部34的正下方，并通过此半球状支撑块23将翘曲弧状薄膜传感部34顶出，使每根的薄膜传感部34具有相同的翘曲角度与高度。随后如图6B所示，以高分子填充物61通过射出或灌胶的制程技术进行封装，一般而言填充物61与支撑块23可为相同的高分子材料。最后再以印制制程技术于薄膜传感部34的顶端制作凸块物63，须注意填充物61固化后的软性应比薄膜传感部34低，以免降低传感装置的灵敏度，此外封装的高度应与翘曲后的薄膜传感部34相同，另外凸块物63的硬度须远大于薄膜传感部34与填充物61的硬度。

在操作时，利用翘曲的薄膜传感部34以及与传感块35同时进行传感，可区别出正向应力与剪应力大小，而薄膜传感部34采成对(In Pairs)设计，可依照各对传感块35的受力差异，判别来源力量的方向性。

一般而言，单纯以热膨胀方式是很难使薄膜传感部34的翘曲角度与高度达到一致性，因此本实施例以软性半球状支撑块23来控制薄膜传感部34的翘曲，可准确使其机械形变量达到相同。然而可以了解到，支撑块可改为矩形或者多边形等，亦可达成相同功效。

此外，当软性应力传感装置经高分子填充物61封装后，其触摸翘曲薄膜传感部34的感度与灵敏度会降低，故本发明在翘曲薄膜传感部34顶端上制作一个凸块物63，以改善此现象。凸块物的形状不限，可为半球状、矩形、或者多边形等。

当触摸到封装层时，由于凸块物63受到外力挤压，使薄膜传感部34的顶端处会产生应力集中特性，因而造成翘曲的薄膜传感部34有往下的位移形变量，由于翘曲的薄膜传感部34与凸块物63相连结，使得薄膜传感部34的位移惯性矩增加，故其可降低薄膜传感部34的破坏应力分布，并且增加薄膜传感部34的回复弹性力。

本发明的软性应力传感装置并非以半导体或微机电制程所制作而成的硬质微传感组件，而是以简易软性电子印制技术来制作，故其可避免传感组件脆裂产生、降低制程成本与复杂性。

虽然本发明已以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何其所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作任意的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种应力传感装置，包括：

一基板；

一支撑层，设置在该基板上；

一薄膜基材，由该支撑层所支撑；

多个薄膜传感部，由该薄膜基材延伸而出；

多个传感电极，对应设置于在所述薄膜传感部上；

多个传感块，对应设置在所述传感电极上；及

一填充物，包覆该支撑层、该薄膜基材、所述薄膜传感部、所述传感电极、以及所述传感块。

2.根据权利要求1所述的应力传感装置，其中所述薄膜传感部以成对方式设置。

3.根据权利要求1所述的应力传感装置，其中所述薄膜传感部为翘曲弧状。

4.根据权利要求3所述的应力传感装置，其还包括一支撑块，设置在该基板上，并且同时支撑所述薄膜传感部。

5.根据权利要求4所述的应力传感装置，其中该支撑块为半球状、矩形、或者多边形。

6.根据权利要求1所述的应力传感装置，其中所述传感块的材料为一电阻材料、一压阻材料、一压电材料、一电感材料、一电磁材料或一热电材料。

7.根据权利要求1所述的应力传感装置，其还包括多个凸块物，对应连结在所述薄膜传感部的顶端。

8.根据权利要求7所述的应力传感装置，其中所述凸块物为半球状、矩形、或者多边形。

9.根据权利要求1所述的应力传感装置，其中填充物与支撑块可为相同的高分子材料。

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