CN102042888B - 压敏传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在载荷比较小的载荷区域中能够使相对于载荷的电阻值平滑地变化、而且直到载荷比较大的载荷区域都可检测的压敏传感器及其制造方法。传感载荷的压敏传感器中，在所述第2基板(3)的表面上通过含有非导电性粒子(6a)且具有绝缘性的树脂形成凹凸层(6)，而且在所述凹凸层(6)的表面上形成至少含有碳粉末并具有恒定膜厚度的电阻层(7)，所述非导电性粒子(6a)间的凹凸层(6)的膜厚度和电阻层(7)的膜厚度的总厚度小于凹凸层所含有的非导电性粒子(6a)的粒径，而且在所述非导电性粒子(6a)上及所述非导电性粒子(6a)间至少形成有电阻层(7)。

Description

压敏传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及基于电阻值的变化来检测载荷变化的压敏传感器及其制造方法。 

背景技术

通常的压敏传感器20如图6乃至图8所示，其具备：第1基板22，其表面上形成有间隔开地对置的一对电极层21A、21B；第2基板24，其表面上形成有与该一对电极层21A、21B接触并使一对电极层21A、21B间短路的电阻层23。 

而且，该压敏传感器20以与施加到第1基板22及第2基板24中的至少一方的载荷P的增加成比例地增加一对电极层21和电阻层23的接触面积的方式构成。此外，压敏传感器20的电阻层23通常具有圆形的形状，其通过将导电性树脂糊剂涂布在第2基板的表面上并干燥来形成。 

另外，在日本特开2001-332406号公报(专利文献1)中记载的压敏传感器20中，为了比以往更提高载荷的检测精度，提出了在电阻层23中形成从中心区域朝外侧延伸的多个狭缝23a～23d。这样，当形成狭缝23a～23d时，导电性树脂糊剂干燥固化时发生的糊剂的收缩率减小，其结果是，能够降低第2基板24的变形量。因此，能够使一对电极层21A、21B与电阻层23之间的间隔大致恒定，能够与载荷的增加成比例地使一对电极层21A、21B和电阻层23的接触面积增加。其结果是，能够比以往更提高载荷的检测精度。 

然而，以往的压敏传感器因作用于传感器的载荷而使第1基板、第2基板变形，因而要增加电极层和电阻层的接触面积。 

因此，在采用比较软质的基板作为第1基板、第2基板的情况下，尽管在小载荷下电阻值就发生大的变化，因而使得传感器灵敏度高，但是在比较小的载荷下电极层和电阻层的整面积接触，因而存在载荷的检测范围窄的问题。

另一方面，在采用比较硬质的基板作为第1基板、第2基板的情况下，在小载荷下不产生第1基板、第2基板的变形，因而存在不能检测出小载荷的问题。 

为解决这些问题，本申请的发明人们对压敏传感器进行了锐意研究，其通过在载荷比较小的载荷区域中使相对于载荷的电阻值平滑地变化，在载荷比较大的载荷区域中使相对于载荷变化率的电阻值的变化率(ΔR/ΔP)增大，由此提高传感器灵敏度，扩大检测区域。 

其结果是，通过追求关系到电阻层的柔软性、电阻层表面的凹凸等，从而想到本发明。 

发明内容

本发明的目的在于，提供一种在载荷比较小的载荷区域中能够使相对于载荷的电阻值平滑地变化、而且直到载荷比较大的载荷区域都可检测的压敏传感器及其制造方法。 

对于为解决上述的问题而完成的本发明的压敏传感器，其在第1基板的表面上形成电极层，在与上述第1基板隔着垫片而配置的第2基板上与上述电极层对置地形成电阻层，根据施加到上述第1基板和第2基板中的至少一方的载荷的变化，电阻层相对于电极层的接触面积发生变化，通过检测与上述接触面积变化相对应的电阻值变化来感知施加到上述基板的载荷，上述压敏传感器的特征在于，在上述第2基板的表面上通过含有非导电性粒子且具有绝缘性的树脂形成凹凸层，而且在上述凹凸层的表面上形成至少含有碳粉末的恒定膜厚度的电阻层；其中，上述非导电性粒子间的凹凸层的膜厚度和电阻层的膜厚度的总厚度小于凹凸层所含有的非导电性粒子的粒径，而且在上述非导电性粒子上及上述非导电性粒子间至少形成有电阻层。 

另外，上述的所谓“恒定的膜厚度”的电阻层，不需要在凹凸层表面的整个区域中在物理上厚度恒定，只要具有大致恒定的膜厚度就可以。也就是说，只要在起到本申请发明的以下所述的规定效果的范围内就可以。 

这样，上述电阻层形成于由含有非导电性粒子且具有绝缘性的树脂所形成的凹凸层的表面上。而且，上述非导电性粒子间的凹凸层的厚度和电阻层的厚度的总厚度小于凹凸层所含有的非导电性粒子的粒径，在上述非导电性粒子上及上述非导电性粒子间至少形成有电阻层，因此如果施加到上述第1基板、第2基板中的至少一方的载荷引起基板变形，则首先非导电性粒子上的上述电阻层(电阻层凸部)与电极层部分接触。 

而且如果载荷增加，基板更加变形，非导电性粒子上的上述电阻层和电极层的接触面积逐渐增加，电阻值平滑地变化。 

另外，当大的载荷作用而使基板变形时，不仅非导电性粒子上的上述电阻层(电阻层凸部)与电极层接触，而且非导电性粒子间的电阻层(电阻层凹部)也与电极层接触。其结果是，即使在高载荷区也能够使电阻值变化，从而能够检测较宽范围的载荷。 

在这里，优选在上述非导电性粒子上形成有具有绝缘性的树脂膜，而且进一步在其上形成有电阻层。 

此外，上述凹凸层优选由含有1重量％～20重量％的粒径为30μm～100μm的非导电性粒子且具有绝缘性的树脂形成、而且上述凹凸层的膜厚度形成为10μm～30μm。 

在上述非导电性粒子的粒径低于30μm时，由于凹凸层的凹凸变化小，因此不能使非导电性粒子上的电阻层与电极层接触，而电阻层整体与电极层接触，因而是不优选的。 

另一方面，在上述非导电性粒子的粒径超过100μm时，不能通过具有绝缘性的树脂将非导电性粒子固定在第2基板上，因而是不优选的。 

此外，在非导电性粒子的含有率低于1重量％时，不能形成作为压敏传感器发挥必要的特性的凹凸层，因而是不优选的。另一方面，在非导电性粒子的含有率超过20重量％时，非导电性粒子间的空间(凹凸层中的凹部)小，不能使电阻值相对于高载荷变化，因而不能得到较宽的载荷检测范围。 

上述凹凸层的膜厚度取决于所含有的非导电性粒子的粒径。也就是说，在采用大粒径的非导电性粒子时，凹凸层的膜厚度也增大。 

此外，上述非导电性粒子优选由陶瓷粒子或合成树脂粒子构成。具体地讲，能够适当地采用二氧化硅粒子、氧化铝粒子等陶瓷粒子，或聚氨酯微珠等合成树脂粒子作为非导电性粒子。 

此外，优选上述电阻层由至少含有1重量％～5重量％的硅树脂和1重量％～10重量％的碳粉末且具有绝缘性的树脂形成，而且上述电阻层的膜厚度形成为5μm～20μm。 

这样，由于在电阻层中含有硅树脂，因此电阻层具有柔软性。其结果是，在施加载荷时，非导电性粒子间的电阻层变形，逐渐地与电极层接触，能够使电阻值相对于大的载荷变化，能够形成较宽的载荷检测范围。 

在上述硅树脂低于1重量％时，没有柔软性，所以难以变形，因而是不优选的。此外，在上述硅树脂超过5重量％时，由于容易变形，所以不能得到宽的载荷检测范围，因而也是不优选的。 

此外，在碳粉末低于1重量％时电阻值过大，在碳粉末超过10重量％时电阻值过小，因而都是不优选的。以电阻值在几千欧姆～几万欧姆的范围内的方式设定碳量。 

此外，上述电阻层的膜厚度可根据非导电性粒子的粒径及凹凸层的厚度来设定。 

另外，如果电阻层的膜厚度减小，则电阻值增大；另一方面，如果电阻层的膜厚度增大，则电阻值减小。所以，上述电阻层的膜厚度以加进碳粉末的含量，电阻值在几千欧姆～几万欧姆的范围内的方式进行设定。 

另外，优选上述第2基板由厚度为25μm～250μm的绝缘性片材构成。具有上述厚度的绝缘片材从相对于载荷的变形方面是适合的。 

另外，第2基板只要是绝缘性片材就没有特别的限定，能够采用聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚酰亚胺等材质。 

另外，在上述的压敏传感器的制造方法中，优选包含以下工序：在上述第2基板的表面上形成含有非导电性粒子的凹凸层的工序；和在形成上述凹凸层后，在上述凹凸层的表面上形成电阻层的工序。 

这样，通过在第2基板的表面上形成含有非导电性粒子的凹凸层，然后在凹凸层的表面上形成电阻层，能够在上述非导电性粒子上形成电阻层。 

根据本发明，能够得到在载荷比较小的载荷区域中能够使电阻值平滑地变化、而且直到载荷比较大的载荷区域都可检测的压敏传感器。此外根据本发明，能够得到该压敏传感器的制造方法。 

附图说明

图1是本发明的一个实施方式的压敏传感器的剖视图。 

图2是将压敏传感器的主要部分放大了的剖视图。 

图3是表示压敏传感器的工作状态的主要部分的放大剖视图。 

图4是表示从图3所示的状态进一步作用载荷时的压敏传感器的状态的主要部分的放大剖视图。 

图5是表示载荷-电阻特性的图。 

图6是以往的压敏传感器的剖视图。 

图7是表示以往的压敏传感器的电极层的平面图。 

图8是表示以往的压敏传感器的电阻层的平面图。 

具体实施方式

接着，基于图1～图4对本发明的压敏传感器的一个实施方式进行说明。其中，图1是本发明的一个实施方式的压敏传感器的剖视图，图2是将压敏传感器的主要部分放大了的剖视图，图3、4是表示载荷作用之后的压敏传感器的动作的主要部分的放大剖视图。 

如图1所示，压敏传感器1与以往的压敏传感器同样具有：第1基板2、第2基板3、将第1基板2及第2基板3以隔着规定间隔对置的方式接合在两基板的周边部上的垫片4。 

第1基板2只要是能够形成一对电极层5A、5B(梳形电极)的绝缘材料，就不限定材质，例如，可以使用聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂、聚萘二甲酸乙二酯树脂、聚酰亚胺树脂、玻璃环氧树脂等具有绝缘性的合成树脂的片材。此外，第1基板2的厚度也没有特别的限定，但在通过载荷使第1基板2变形时，第1基板2的厚度t1优选为25μm～250μm左右。 

此外，上述一对电极层5A、5B形成为与图6～图8所示的上述一对电极21A、21B同样的形状。上述一对电极层5A、5B由银或铜构成，膜厚度t5没有特别的限定，但形成为5μm～40μm。 

第2基板3由聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂、聚萘二甲酸乙二酯树脂、聚酰亚胺树脂等具有绝缘性的合成树脂的片材形成。为了使该第2基板3可以因载荷变形，可采用其厚度t2为25μm～250μm的合成树脂片材。在 厚度低于25μm时，小的载荷也容易使其变形，因而是不优选的。此外，如果厚度t2超过250μm，则难以变形，因而也是不优选的。 

在该第2基板3的表面上，形成在具有绝缘性的树脂中含有非导电性粒子6a的凹凸层6。此处，以作为非导电性粒子6a的二氧化硅粒子为例来说明。另外，作为非导电性粒子，并不限定于上述二氧化硅粒子，可以适当地采用氧化铝粒子等陶瓷粒子或聚氨酯微珠等合成树脂粒子。 

对于上述凹凸层6，在聚酯系树脂、聚氨酯系树脂、丙烯酸系树脂、环氧系树脂等具有绝缘性的树脂中，含有1重量％～20重量％的粒径D为30μm～100μm的二氧化硅6a。 

而且，二氧化硅的粒子6a间的凹凸层6的厚度t3形成为10μm～30μm。即，二氧化硅的粒子6a间的凹凸层6的厚度t3形成为小于二氧化硅的粒径D，通过该二氧化硅粒子6a形成凹凸层6(凹凸层6的凸部)。 

此外，在形成含有非导电性粒子的凹凸层6时，也可以不在上述非导电性粒子上形成上述具有绝缘性的树脂膜，但优选形成有树脂膜。 

有时上述非导电性粒子的外形存在突起等。因此，在上述非导电性粒子上未形成树脂膜的情况下，在通过上述突起形成于树脂膜(凹凸层6)的上表面上的后述电阻层7上产生破损，因此有非导电性粒子露出的可能性。即，有在上述非导电性粒子上不能形成电阻层的可能性。 

然后进一步在该凹凸层6的表面上形成有电阻层7。将上述二氧化硅粒子6a间的凹凸层6及电阻层7的厚度t3、t4的总和设定为小于凹凸层6所含的二氧化硅的粒径D。 

在上述凹凸层6的厚度t3和电阻层7的厚度t4的总和在大于等于所含的二氧化硅的粒径D时，不能形成图3所示的空间部S(非接触区域)，当施加载荷时，电阻层7整体与电极层5接触，因而是不优选的。 

具体地讲，因为含有粒径D为30μm～100μm的二氧化硅粒子6a，凹凸层的膜厚度t3形成为10μm～30μm，而且后述的电阻层7的膜厚度t4形成为5μm～20μm，因此如果从图2所示的初期状态如图3所示地作用载荷P，则二氧化硅粒子6a部分的电阻层7首先与电极层5A、5B接触。此外，在图3中X为接触区域、S为空间部(非接触区域)。 

此时，通过与所施加的载荷P的增加成比例地使二氧化硅粒子6a部分 (凸部)的电阻层7与电极层5A、5B接触，一对电极层5A、5B(梳形电极)和电阻层7的接触面积增加。其结果是，即使是小的载荷变化也能使电阻值发生大的变化。 

然后，进一步施加规定大小以上的载荷P时，如图4所示二氧化硅粒子6a间的电阻层7逐渐地与电极层5接触，接触区域X进一步扩大。 

此时，二氧化硅粒子6a部分的电阻层7已经与一对电极层5A、5B接触，因此相对于载荷变化的电阻值的变化小，但通过使二氧化硅粒子6a间的电阻层7逐渐地与电极层5接触，能够更加增大相对于载荷变化率的电阻值的变化率(ΔR/ΔP)，直至较大的载荷都能被检测，从而能够得到较宽的载荷检测范围。 

此处，之所以将二氧化硅的粒径D设定为30μm～100μm，是因为在上述二氧化硅的粒径低于30μm时，因凹凸层的凹凸变化小，因而在载荷小的区域中不能仅使二氧化硅粒子上的电阻层(电阻层的凸部)接触在电极层上，另一方面，在上述二氧化硅的粒径超过100μm时，不能通过具有绝缘性的树脂将二氧化硅粒子固定在第2基板3上。 

此外，之所以含有1重量％～20重量％的二氧化硅粒子6a，是因为在二氧化硅的含有率低于1重量％时不能形成规定的凹凸层，另一方面在二氧化硅的含有率超过20重量％时，二氧化硅粒子间的空间(凹凸层中的凹部)小，因而不能使电阻值相对于载荷逐渐变化，不能得到较宽的载荷检测范围。 

而且，上述电阻层7由至少含有1重量％～5重量％的硅树脂和1重量％～10重量％的碳粉末的酚醛树脂形成，而且上述电阻层的膜厚度t4形成为5μm～20μm。 

在上述硅树脂低于1重量％时没有柔软性，也难以变形，因而是不优选的。此外，在上述硅树脂超过5重量％时非常容易变形，不能得到较宽的载荷检测范围，因而是不优选的。 

由于在上述电阻层7中含有1重量％～5重量％的硅树脂，因此在施加载荷时，二氧化硅粒子间的电阻层容易变形，因而相对于第2基板3的变形的随动性良好，能够使其逐渐地与电极层5接触。 

此外，在碳粉末低于1重量％时电阻值过大，在碳粉末超过10重量％ 时电阻值过小，因此都是不优选的。以电阻值在几千欧姆～几万欧姆的范围内的方式设定碳量，一般优选含有1重量％～10重量％的碳粉末。 

上述电阻层的膜厚度可根据二氧化硅的粒径及凹凸层的厚度来设定。另外，如果电阻层的膜厚度减小则电阻值增大，另一方面，如果电阻层的膜厚度增大则电阻值减小。所以，上述电阻层的膜厚度以加进碳粉末的含量、且电阻值在几千欧姆～几万欧姆的范围内的方式进行设定。 

对于将第1基板2和第2基板3以隔着规定的间隔对置的方式接合在两基板的周边部上的垫片4，可以适当使用所谓的双面胶带。 

此外，正如在现有技术中所说明的，也可以在电阻层上形成狭缝来提高载荷的检测精度。 

此外，在制造上述的压敏传感器时，在上述第2基板的表面上首先形成含有非导电性粒子的凹凸层。然后，在形成上述凹凸层后，在上述凹凸层的表面上形成电阻层。 

这样，通过首先在第2基板的表面上形成凹凸层，能够将非导电性粒子固定在第2基板的表面上。然后，在将非导电性粒子固定在第2基板的表面上后，通过在上述凹凸层的表面上形成电阻层，也能够在上述非导电性粒子上形成具有恒定厚度的电阻层。 

此外，在形成含有非导电性粒子的凹凸层时，优选在上述非导电性粒子上形成具有绝缘性的树脂膜，进一步在其上形成电阻层。 

[实施例] 

(实施例1) 

作为第1基板，采用厚度为125μm的玻璃环氧树脂，在其表面上通过蚀刻形成由铜构成的一对电极(梳形电极)。该电极的厚度设定为38μm。作为第2基板，采用厚度为125μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂片材，在该第2基板的表面上形成了含有二氧化硅粒子的凹凸层6。上述凹凸层6由含有10重量％的粒径为50μm的二氧化硅的聚酯系树脂形成，厚度为20μm。 

然后，再在该凹凸层6的表面上形成电阻层7。电阻层7采用了在酚醛树脂中含有5重量％的硅树脂、5重量％的碳粉末的材料。电阻层7的厚度形成为10μm。 

对如此形成的压敏传感器测定了相对于载荷变化的电阻值的变化。其结果如图5所示。 

(比较例1、2) 

制作将实施例1中的二氧化硅粒径、二氧化硅含有率、凹凸层膜厚度变更为表1所示的数值的压敏传感器(比较例1、2)，测定了相对于载荷变化的电阻值的变化。此外，使硅含有率、碳粉末含量、电阻层的膜厚度等与实施例1相同。其结果如图5所示。 

[表1] 

由图5可知，实施例1的压敏传感器在载荷比较小的载荷区域时，与比较例1、2相比，相对于载荷的电阻值大，而且电阻值平滑地变化。而且，尽管实施例1的压敏传感器在载荷比较大的载荷区域中，相对于载荷变化率的电阻值的变化率(ΔR/ΔP)逐渐减小，但与比较例1、2相比，电阻值的变化率大，而且能够扩大载荷检测区域。 

Claims (7)

1.一种压敏传感器，其在第1基板的表面上形成电极层，在与所述第1基板隔着垫片而配置的第2基板上与所述电极层对置地形成电阻层，根据施加到所述第1基板和第2基板中的至少一方的载荷的变化，电阻层相对于电极层的接触面积发生变化，通过检测与所述接触面积变化相对应的电阻值变化来感知施加到所述基板的载荷，所述压敏传感器的特征在于，

在所述第2基板的表面上通过含有非导电性粒子且具有绝缘性的树脂形成凹凸层，而且在所述凹凸层的表面上形成至少含有碳粉末的恒定膜厚度的电阻层；

其中，所述非导电性粒子间的凹凸层的膜厚度和所述电阻层的膜厚度的总厚度小于凹凸层所含有的非导电性粒子的粒径，而且在所述非导电性粒子上及所述非导电性粒子间至少形成有所述电阻层。

2.根据权利要求1所述的压敏传感器，其特征在于，在所述非导电性粒子上形成有具有绝缘性的树脂膜，而且进一步在其上形成有电阻层。

3.根据权利要求1所述的压敏传感器，其特征在于，所述凹凸层由含有1重量％～20重量％的粒径为30μm～100μm的非导电性粒子且具有绝缘性的树脂形成，而且所述凹凸层的膜厚度形成为10μm～30μm。

4.根据权利要求1所述的压敏传感器，其特征在于，所述非导电性粒子由陶瓷粒子或合成树脂粒子构成。

5.根据权利要求1所述的压敏传感器，其特征在于，所述电阻层由至少含有1重量％～5重量％的硅树脂和1重量％～10重量％的碳粉末且具有绝缘性的树脂形成，而且所述电阻层的膜厚度形成为5μm～20μm。

6.根据权利要求1所述的压敏传感器，其特征在于，所述第2基板由厚度为25μm～250μm的绝缘性片材构成。

7.一种压敏传感器的制造方法，其是权利要求1所述的压敏传感器的制造方法，其特征在于，包含以下工序：

在所述第2基板的表面上形成含有非导电性粒子的凹凸层的工序；和

在形成所述凹凸层之后，在所述凹凸层的表面上形成电阻层的工序。

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