CN114993161A - 弯曲传感器、弯曲传感设备及变形形状测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种弯曲传感器、弯曲传感设备及变形形状测量方法，属于传感器技术领域。本发明的弯曲传感器包括基层以及分别设置在所述基层厚度方向两侧的第一应变层和第二应变层；在所述弯曲传感器受到外力时，所述第一应变层和所述第二应变层中的一者产生拉伸应变量，所述第一应变层和所述第二应变层中的另一者产生压缩应变量，以根据所述拉伸应变量和所述压缩应变量得到弯曲程度和/或弯曲方向。本发明的弯曲传感器将双层应变层与材料力学原理相结合，基于两个应变层所发生的拉伸应变量和压缩应变量不同，建立起两个不同应变量和弯曲程度、弯曲方向之间的关系，以实现对弯曲程度和弯曲方向的判断，该传感器结构简单，成本较低。

Description

弯曲传感器、弯曲传感设备及变形形状测量方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种弯曲传感器、弯曲传感设备及变形形状测量方法。

背景技术

在半导体封装行业内，芯片封装所使用的基板或者金属框架是否发生翘曲是影响封装质量的重要因素之一，目前成熟的测量弯曲或者翘曲的测量仪器品类极少，且大都体积较大，成本较高。其次，目前的弯曲传感器只能测量其弯曲程度，并不能同时测量弯曲方向，而弯曲方向这一特征是芯片封装中控制加工条件的关键参数之一。

现有技术之一的中国专利CN111780661B提出一种柔性电子器件弯曲应变的精准测量方法及系统，将超薄应变传感器固定在柔性电子器件上，将超薄传感器与柔性电子器件整体连接到测试装置，根据超薄应变传感器的应变系数及得到的实验数据求出超薄应变传感器在屈曲过程中的应变量，采用修正系数对得到的应变量进行修正，即可求得待测柔性电子器件的真实应变。其中，超薄应变传感器包括柔性基底基及设置在柔性基底上的金属层，将该超薄应变传感器贴设在柔性电子器件表面，以测得柔性电子器件发生屈曲变形中的应变量，其仅测得一个应变量，为了减小误差需要设置超薄的应变传感器，以及需要获取应变传感器的应变系数以对应变量进行修正，以及，该超薄应变传感器的制备工艺复杂，成本较高。另外，基于测得的一个应变量只能确定弯曲的程度，无法分辨弯曲方向。

因此，针对上述技术问题，本发明提出一种弯曲传感器、弯曲传感设备及变形形状测量方法。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种弯曲传感器、弯曲传感设备及变形形状测量方法。

本发明的一方面，提供一种弯曲传感器，包括基层以及分别设置在所述基层厚度方向两侧的第一应变层和第二应变层；

在所述弯曲传感器受到外力时，所述第一应变层和所述第二应变层中的一者产生拉伸应变量，所述第一应变层和所述第二应变层中的另一者产生压缩应变量，以根据所述拉伸应变量和所述压缩应变量得到弯曲程度和/或弯曲方向。

可选的，所述第一应变层和所述第二应变层均包括基底层以及掺杂在所述基底层中的导电颗粒。

可选的，所述基底层采用聚二甲基硅氧烷或热塑性聚氨酯；

所述导电颗粒采用炭黑、石墨烯以及碳纤维中任意一者。

本发明的另一方面，提供一种弯曲传感设备，包括处理单元以及前文记载的所述弯曲传感器；

所述处理单元与所述弯曲传感器电连接，所述处理单元用于根据所述拉伸应变量和所述压缩应变量得到弯曲程度和/或弯曲方向。

可选的，所述处理单元，具体还用于：

根据所述拉伸应变量和所述压缩应变量，确定实际弯曲变量；

基于预设的弯曲变量和弯曲程度的关联关系，得到所述实际弯曲变量对应的实际弯曲程度。

可选的，所述弯曲变量包括所述拉伸应变量和所述压缩应变量的差值或比值。

可选的，所述处理单元，具体还用于：

若所述拉伸应变量大于所述压缩应变量，则判定发生拉伸应变量对应的应变层的应变方向为弯曲方向。

本发明的另一方面，提供一种变形形状测量方法，采用前文记载的所述弯曲传感器；所述方法包括：

将所述弯曲传感器设置在待测物体上；

获取所述弯曲传感器输出的拉伸应变量和压缩应变量；

根据所述拉伸应变量和所述压缩应变量得到弯曲程度和/或弯曲方向。

可选的，所述根据所述拉伸应变量和所述压缩应变量得到弯曲程度，包括：

根据所述拉伸应变量和所述压缩应变量，确定实际弯曲变量；

基于预设的弯曲变量和弯曲程度的关联关系，得到所述实际弯曲变量对应的实际弯曲程度。

可选的，所述根据所述拉伸应变量和所述压缩应变量得到弯曲程度，包括：

若所述拉伸应变量大于所述压缩应变量，则判定发生拉伸应变量对应的应变层的应变方向为弯曲方向。

本发明提供一种弯曲传感器、弯曲传感设备及变形形状测量方法，其中，弯曲传感器包括：包括基层以及分别设置在所述基层厚度方向两侧的第一应变层和第二应变层；在所述弯曲传感器受到外力时，所述第一应变层和所述第二应变层中的一者产生拉伸应变量，所述第一应变层和所述第二应变层中的另一者产生压缩应变量，以根据所述拉伸应变量和所述压缩应变量得到弯曲程度和/或弯曲方向。本发明的弯曲传感器通过将双层应变层与材料力学原理相结合，基于两个应变层所发生的拉伸和压缩程度不同，以分别产生拉伸应变量和压缩应变量，基于该两个不同的应变量除了可以确定弯曲程度外，还可以确定弯曲方向，无需获取传感器的应变系数，也无需对应变量进行修正，且该弯曲传感器结构简单，成本较低。

附图说明

图1为本发明一实施例的弯曲传感器的弯曲状态结构示意图；

图2为本发明另一实施例的弯曲传感器的结构示意图；

图3为本发明另一实施例的弯曲传感器的弯曲原理示意图；其中，A为弯曲传感器弯曲前的示意图；B为弯曲传感器弯曲后的示意图；

图4为本发明另一实施例的变形形状测量方法的流程框图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

除非另外具体说明，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等既不限定所提及的形状、数字、步骤、动作、操作、构件、原件和/或它们的组，也不排除出现或加入一个或多个其他不同的形状、数字、步骤、动作、操作、构件、原件和/或它们的组。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示技术特征的数量与顺序。

在发明的一些描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“相连”或者“固定”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是通过中间媒体间接连接，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的互相作用关系。以及，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如图1至图3所示，本发明提供一种弯曲传感器100，包括：基层110以及分别设置在基层110厚度方向两侧的第一应变层120和第二应变层130；在弯曲传感器100受到外力时，第一应变层120和第二应变层130中的一者产生拉伸应变量，第一应变层120和第二应变层130中的另一者产生压缩应变量，以根据拉伸应变量和压缩应变量得到弯曲程度和/或弯曲方向。

本实施例采用具有双层应变层结构的传感器，结合材料力学原理，利用弯曲过程中其中一个应变层受拉伸，另外一个应变层受压缩的不同情况，产生拉伸应变量和压缩应变量，以建立起两个不同应变量和弯曲程度之间的对应关系，实现对待测样品弯曲程度进行判断，并且，本实施例通过两层应变层的联用，还可测出弯曲方向，即可测出待测样品所发生的是上翘还是下弯。

需要说明的是，本实施例的弯曲传感器可应用于半导体封装中，以对芯片封装所使用的基板或金属框架等是否发生翘曲进行检测，例如，将该弯曲传感器设置在基板或金属框架上，以对其弯曲程度和弯曲方向进行检测。

进一步需要说明的是，本实施例基于待测物体弯曲程度不同，两个应变层应变程度不同，以分别产生的拉伸应变量和压缩应变量不同，通过不同的两个应变量实现对弯曲程度和方向的判断。

在一些优选实施例中，弯曲传感器的弯曲方向与形成拉伸应变的应变层的应变方向相同。也就是说，由应变层的拉伸效应决定弯曲方向，待测物体的弯曲程度越厉害，拉伸侧对应的应变层受拉伸效应越厉害，相当于本实施例只考虑了应变层的拉伸作用，没有考虑另一侧应变层的压缩作用，产生拉伸应变量的应变层对应的拉伸方向为待测物体的弯曲方向。

需要说明的是，本实施例通过判断各应变量属于拉伸应变量还是拉伸应变量，以得到各应变层属于拉伸侧还是压缩侧，进而得到弯曲方向。对于如何通过应变量确定弯曲方向不作具体限定，例如，采用处理单元对各应变量进行分析判断。

一并结合图2和图3所示，在弯曲传感器100检测到待测物体(例如，基板)的表面发生弯曲时，即该弯曲传感器100受到外力时，位于上层的第一应变层120基于拉伸效应由水平方向向上的拉伸方向弯曲，以产生拉伸应变量，该第一应变层120相当于拉伸侧，位于下层的第二应变层130基于压缩效应由水平方向向上的拉伸方向弯曲，以产生压缩形变量，第二应变层130相当于压缩侧，进而使整个弯曲传感器100向上弯曲，即得到待测物体的弯曲方向为向上。

当然，本实施例位于上层的第一应变层还可以为压缩侧，向下产生压缩应变量，位于下层的第二应变层为拉伸侧，向下产生拉伸应变量，进而使整个弯曲传感器向下弯曲，以得到待测物体的弯曲方向向下。

更进一步的，本实施例的弯曲程度同样由两个应变量决定，基于该两个应变量可确定弯曲变量，而弯曲变量与弯曲程度具有预设的关联关系，由此得到实际弯曲程度，对于两个应变量如何确定弯曲变量不作具体限定，例如，采用处理单元对其进行计算确定。

更进一步的，本实施例的应变层采用电阻型应变传感层，以根据体积电阻反映体积变化，进而反映应变变化，换言之，各应变量随着弯曲传感器弯曲程度增大而增大，当应变量增大时，电阻也增大。

应当理解的是，由于应变传感层采用电阻型，因此，需要在两个应变层中间设置一层绝缘层，即本实施例的基层可作为绝缘层，以避免干扰两个应变层应变量数值的读取。

进一步需要说明的是，本实施例的电阻型应变传感层采用导电复合材料，即通过导电复合材料制备相应的应变层，受到拉伸或压缩时复合材料电阻发生的变化反映受到拉伸或者压缩的程度。

具体的，本实施例的第一应变层和第二应变层均包括基底层以及掺杂在基底层中的导电颗粒，具体制备过程如下：将导电填料与未固化的基底材料混合并进行固化，以得到电阻型应变传感层，该制备过程简单，成本较低。其中，导电填料采用炭黑、石墨烯以及碳纤维中任意一者，当然，还可以采用其他含碳导电材料，以及，基底材料采用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)或热塑性聚氨酯(TPU)。

示例性的，将PDMS和炭黑颗粒混合均匀后固化得到根据体积电阻反映体积变化，进而反映应变变化的柔性应变传感层。

本发明的另一方面，提供一种弯曲传感设备，包括处理单元以及前文记载的弯曲传感器，该弯曲传感器的结构请参考前文记载，在此不再赘述，其中，处理单元与弯曲传感器电连接，处理单元用于根据拉伸应变量和压缩应变量得到弯曲程度和/或弯曲方向。

具体的，本实施例的处理单元用于：根据拉伸应变量L1和压缩应变量L2，确定实际弯曲变量K；基于预设的弯曲变量K和弯曲程度的关联关系，得到实际弯曲变量对应的实际弯曲程度。需要说明的是，本实施例采用弯曲角度θ表示弯曲程度，即将弯曲变量和弯曲程度的关联关系建立为θ～K的变化曲线。

进一步需要说明的是，本实施例的弯曲变量K为拉伸应变量和压缩应变量的差值或比值。

进一步的，本实施例的处理单元还用于：若拉伸应变量L1大于压缩应变量L2，则判定发生拉伸应变量对应的应变层的应变方向为弯曲方向。也就是说，通过判断各应变量可以确定对应的应变层的应变类型，以进一步判断出弯曲的方向，该弯曲方向与拉伸侧应变层的应变方向相同。

如图4所示，本发明的另一方面，提供一种变形形状测量方法，采用前文记载的弯曲传感器测量待测物体的变形形状，该弯曲传感器的具体结构参考前文记载，在此不再赘述，具体测量方法S200，包括步骤S210～S230：

S210、将弯曲传感器设置在待测物体上。

本实施例对于待测物体不作具体限定，该弯曲传感器可应用于半导体封装中，以对芯片封装所使用的基板或金属框架等是否发生翘曲进行检测，例如，将该弯曲传感器设置在基板或金属框架上，以对其弯曲程度和弯曲方向进行检测。

S220、获取弯曲传感器输出的拉伸应变量和压缩应变量。

具体的，本实施例的弯曲传感器包括第一应变层和第二应变层，在弯曲传感器受到外力时，第一应变层和第二应变层中的一者产生拉伸应变量，第一应变层和第二应变层中的另一者产生压缩应变量。

S230、根据拉伸应变量和所述压缩应变量得到弯曲程度和/或弯曲方向。

具体的，根据拉伸应变量和压缩应变量得到弯曲程度，包括：根据步骤S220得到的拉伸应变量L1和压缩应变量L2，以确定实际弯曲变量K；基于预设的弯曲变量K和弯曲程度的关联关系，得到实际弯曲变量对应的实际弯曲程度。需要说明的是，本实施例采用弯曲角度θ表示弯曲程度，即将弯曲变量和弯曲程度的关联关系建立为θ～K的变化曲线。

进一步需要说明的是，本实施例的弯曲变量K为拉伸应变量和压缩应变量的差值或比值。

进一步的，根据拉伸应变量和压缩应变量得到弯曲方向，包括：若拉伸应变量L1大于压缩应变量L2，则判定发生拉伸应变量对应的应变层的应变方向为弯曲方向。也就是说，通过判断各应变量可以确定应变层的应变类型，以进一步判断出弯曲的方向，该弯曲方向与拉伸侧对应的应变层的应变方向相同。

具体的，一并结合图1至图3所示，本实施例对变形形状的测量方法如下：

第一、采用弯曲角度θ表示弯曲程度，建立弯曲角度θ与弯曲变量K的变化曲线，以形成弯曲程度和弯曲变量的预设关联关系，具体包括：通过设置不同弯曲角度θ的表面，利用上述实施例设计的弯曲传感器进行测量，得到各应变量L1、L2的值，将两个应变量的比值确定为弯曲变量K＝L1/L2，由于弯曲角度θ不同时会引起L1/L2的值不同，因此通过设置多个弯曲程度和弯曲变量相对应的具体值，以建立θ-K变化曲线。

第二、当弯曲传感器检测到待测物体弯曲时，由于弯曲时两侧应变层的形变不同，拉伸侧对应的第一应变层120的拉伸应变量设为L1，压缩侧对应的第二应变层130的压缩应变量设为L2，得出实际弯曲变量K＝L1/L2，再查阅上述建立的预设的θ-K变化曲线，通过变化曲线确定弯曲程度。

第三、在确定弯曲程度之后，可通过判断各应变量L1、L2的大小，以确定应变类型，进而判断出弯曲方向。具体的，当L1大于L2时，则判断为L1为拉伸应变量，该拉伸应变量对应的应变层的应变方向为弯曲方向。

本实施例的弯曲传感器所发生的弯曲程度不同，在发生弯曲时传感器两侧的各应变层所发生的应变类型的不同，第一应变层、第二应变层产生不同的拉伸应变量和压缩应变量，通过读取到的两个不同的应变量数值以建立起弯曲变量和弯曲程度之间的关系，进而对发生的翘曲角度进行读取。另外，根据第一应变层与第二应变层的应变类型，可判断出弯曲方向，测量过程简单。

本发明提供一种弯曲传感器、弯曲传感设备以及变形形状测量方法，相对于现有技术而言具有以下有益效果：本发明将双层应变层与材料力学原理相结合，基于第一应变层与第二应变层所发生的拉伸程度和压缩程度不同，以产生不同的拉伸应变量和压缩应变量，通过读取两个不同应变量可以实现对弯曲程度和弯曲方向的判断，该弯曲传感器结构简单，制备方法简单，成本较低，不仅可以得到待测物体弯曲程度，还能得到弯曲方向。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种弯曲传感器，其特征在于，包括基层以及分别设置在所述基层厚度方向两侧的第一应变层和第二应变层；

在所述弯曲传感器受到外力时，所述第一应变层和所述第二应变层中的一者产生拉伸应变量，所述第一应变层和所述第二应变层中的另一者产生压缩应变量，以根据所述拉伸应变量和所述压缩应变量得到弯曲程度和/或弯曲方向。

2.根据权利要求1所述的弯曲传感器，其特征在于，所述第一应变层和所述第二应变层均包括基底层以及掺杂在所述基底层中的导电颗粒。

3.根据权利要求2所述的弯曲传感器，其特征在于，所述基底层采用聚二甲基硅氧烷或热塑性聚氨酯；

所述导电颗粒采用炭黑、石墨烯以及碳纤维中任意一者。

4.一种弯曲传感设备，其特征在于，包括处理单元以及权利要求1至3任一项所述的弯曲传感器；

所述处理单元与所述弯曲传感器电连接，所述处理单元用于根据所述拉伸应变量和所述压缩应变量得到弯曲程度和/或弯曲方向。

5.根据权利要求4所述的弯曲传感设备，其特征在于，所述处理单元，具体还用于：

根据所述拉伸应变量和所述压缩应变量，确定实际弯曲变量；

基于预设的弯曲变量和弯曲程度的关联关系，得到所述实际弯曲变量对应的实际弯曲程度。

6.根据权利要求5所述的弯曲传感设备，其特征在于，所述弯曲变量为所述拉伸应变量和所述压缩应变量的差值或比值。

7.根据权利要求6所述的弯曲传感设备，其特征在于，所述处理单元，具体还用于：

若所述拉伸应变量大于所述压缩应变量，则判定发生拉伸应变量对应的应变层的应变方向为弯曲方向。

8.一种变形形状测量方法，其特征在于，采用权利要求1至3任一项所述的弯曲传感器；所述方法包括：

将所述弯曲传感器设置在待测物体上；

获取所述弯曲传感器输出的拉伸应变量和压缩应变量；

根据所述拉伸应变量和所述压缩应变量得到弯曲程度和/或弯曲方向。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述拉伸应变量和所述压缩应变量得到弯曲程度，包括：

根据所述拉伸应变量和所述压缩应变量，确定实际弯曲变量；

基于预设的弯曲变量和弯曲程度的关联关系，得到所述实际弯曲变量对应的实际弯曲程度。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据所述拉伸应变量和所述压缩应变量得到弯曲方向，包括：

若所述拉伸应变量大于所述压缩应变量，则判定发生拉伸应变量对应的应变层的应变方向为弯曲方向。

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