CN116222652B - 一种纳米薄膜芯体及复合传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种纳米薄膜芯体及复合传感器，涉及传感器领域。该芯体包括由法兰形的弹性梁和管状探头形成的T型芯体，且弹性梁的顶部设有纳米薄膜敏感元件。该复合传感器包括纳米薄膜芯体、前盖、后盖、电气接头、温度传感器和PCB处理板，前盖穿过管状探头与弹性梁连接，弹性梁的另一端通过后盖与电气接头连接。PCB处理板设于后盖内，并间隔位于纳米薄膜敏感元件上方，温度传感器埋入T形芯体的管状探头内。通过采用T型结构，将管状探头与测量介质接触，将受力直接传递给纳米薄膜敏感元件，避免现有技术中将敏感元件直接与测量介质接触而导致变形的问题出现。并通过温度传感器检测温度，实现压力、温度的同时测量，使用更加方便。

Description

一种纳米薄膜芯体及复合传感器

技术领域

本发明涉及传感器领域，具体而言，涉及一种纳米薄膜芯体及复合传感器。

背景技术

近几年来，随着传感器技术的蓬勃发展，用户对传感器的使用要求也越来越高。其中应用最广的还是压力和温度信号的测试。而由于两者测试原理不一样，当用户需要对压力和温度信号同时进行监控时，不得不使用两只传感器来进行测试。

现有的压力传感器通常包括壳体、压力感应器、垫环以及弹性挡圈，在对压力传感器进行装配时，依次将压力感应器、垫环以及弹性挡圈放入壳体内，使垫环与压力传感器相抵接，并使弹性挡圈卡接在壳体内，通过弹性挡圈对垫环提供压紧力，以对压力传感器进行固定。其中，压力感应器在检测压力信号时，一般采用粘贴应变片的方式，其体积较大，特别是在径向上，导致不便于在模具上安装放置，且占据空间。

发明内容

为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供一种纳米薄膜芯体及复合传感器，能够对模腔压力和温度进行检测，有效降低传感器的迟滞，并且体积小、安装方便。

本发明的实施例是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提供一种纳米薄膜芯体，其包括由法兰形的弹性梁和管状探头形成的T型芯体，上述弹性梁的顶部设有纳米薄膜敏感元件，上述纳米薄膜敏感元件为由多个敏感电阻组成的惠斯通电桥电路，上述惠斯通电桥电路与外部的PCB处理板电连接；上述弹性梁内侧设有向外延伸的管状探头，上述管状探头内部形成半开放的空腔，上述空腔的封闭端设有温度传感器，温度传感器与外部的PCB处理板电连接。

基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述弹性梁、弹性梁上的纳米薄膜敏感元件以及管状探头一体成型。

基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述纳米薄膜敏感元件由多个敏感电阻组成，多个上述敏感电阻组成两个单独的惠斯通电桥或一个惠斯通电桥。

基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述敏感电阻包括敏感电阻R1、敏感电阻R2、敏感电阻R3、敏感电阻R4、敏感电阻R5、敏感电阻R6、敏感电阻R7和敏感电阻R8，上述敏感电阻R2、敏感电阻R4、敏感电阻R6和敏感电阻R8对称设于上述纳米薄膜敏感元件的中心区域位置，上述敏感电阻R1、敏感电阻R3、敏感电阻R5和敏感电阻R7对称设于上述纳米薄膜敏感元件的边缘区域位置。

第二方面，本申请实施例提供一种纳米薄膜敏感元件复合传感器，其包括上述第一方面中的纳米薄膜芯体，还包括前盖、后盖、电气接头和PCB处理板，上述前盖穿过上述探头与上述弹性梁的一端连接，上述弹性梁的另一端与上述后盖连接，上述后盖与上述电气接头连接；

上述PCB处理板设于上述后盖内，并间隔位于上述纳米薄膜敏感元件上方，上述PCB处理板的输入端与上述纳米薄膜敏感元件上的惠斯通电桥电路以及上述温度传感器连接，上述PCB处理板的输出端与上述电气接头连接。

基于第二方面，在本发明的一些实施例中，上述弹性梁的顶部和底部边缘处设有环形定位凹槽，上述前盖和后盖靠近上述弹性梁的一侧设有环形定位凸台，上述环形定位凹槽与上述环形定位凸台相适配。

基于第二方面，在本发明的一些实施例中，上述管状探头靠近自由端的部位设有密封圈。

相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：

第一方面，本申请实施例提供了一种纳米薄膜芯体，其包括由法兰形的弹性梁和管状探头形成的T型芯体，弹性梁的顶部设有纳米薄膜敏感元件，纳米薄膜敏感元件上为由多个敏感电阻组成的惠斯通电桥电路，惠斯通电桥电路与外部的PCB处理板电连接。弹性梁内侧设有向外延伸的管状探头，管状探头内部形成半开放的空腔，空腔的封闭端设有温度传感器，温度传感器与外部的PCB处理板电连接。从而，管状探头受力后挤压或拉伸纳米薄膜敏感元件，纳米薄膜敏感元件产生相应的压缩变形，使得其上的多个敏感电阻随之发生变化，并通过惠斯通电桥转化为与对应的压力成正比的电压信号输出，然后通过外部的PCB处理板对该电压信号进行检测和处理，即可知道所受的压力值大小。T型芯体通过管状探头与测量介质接触，将受力直接传递给纳米薄膜敏感元件，从而避免现有技术中将薄膜直接与测量介质接触而导致变形的问题出现。

第二方面，本申请实施例提供了一种纳米薄膜敏感元件复合传感器，纳米薄膜芯体、前盖、后盖、电气接头和PCB处理板，前盖穿过探头与弹性梁的一端连接，弹性梁的另一端与后盖连接，后盖与电气接头连接。PCB处理板设于后盖内，并间隔位于纳米薄膜敏感元件上方，PCB处理板的输入端与纳米薄膜敏感元件上的惠斯通电桥电路以及温度传感器连接，输出端与电气接头连接。从而形成完整的传感器，体积小，易于安装，并通过T型芯体实现压力、温度的同时测量，使用更加方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明一种纳米薄膜芯体一实施例的剖视图；

图2为本发明一种纳米薄膜芯体一实施例中敏感电阻连接形成的两个单独的惠斯通电桥电路的示意图；

图3为本发明一种纳米薄膜芯体一实施例中敏感电阻连接形成的一个双惠斯通电桥电路的示意图；

图4为本发明一种纳米薄膜芯体一实施例中敏感电阻布置示意图；

图5为本发明一种纳米薄膜敏感元件复合传感器一实施例的结构示意图；

图6为本发明一种纳米薄膜敏感元件复合传感器一实施例的剖视图。

图标：1、T型芯体；11、弹性梁；12、管状探头；13、纳米薄膜敏感元件；2、前盖；3、后盖；4、电气接头；5、PCB处理板；6、环形定位凹槽；7、密封圈；8、温度传感器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，若出现术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，“多个”代表至少2个。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

第一方面，请参照图1，本发明实施例提供一种纳米薄膜芯体，其包括由法兰形的弹性梁11和管状探头12形成的T型芯体1，上述弹性梁11的顶部设有纳米薄膜敏感元件13，上述纳米薄膜敏感元件13为由多个敏感电阻组成的惠斯通电桥电路，上述惠斯通电桥电路与外部的PCB处理板5电连接；上述弹性梁11内侧设有向外延伸的管状探头12，上述管状探头12内部形成半开放的空腔，上述空腔的封闭端设有温度传感器8。上述温度传感器8与外部的PCB处理板5电连接。

在本实施例所提供的技术方案中，整个纳米薄膜芯体呈T字型，由弹性梁11、设于弹性梁11顶部的纳米薄膜敏感元件13和管状探头12构成。纳米薄膜敏感元件13具有一定的形变能力，从而当管状探头12受到压力或拉力时，纳米薄膜敏感元件13会产生相应的压缩或拉伸变形。具体的，当芯体用于测量模腔压力时，管状探头12受到压力，管状探头12根部挤压纳米薄膜敏感元件13，纳米薄膜敏感元件13产生相应的压缩变形，其上的多个敏感电阻随之发生变化，并通过惠斯通电桥转化为与对应的压力成正比的电压信号输出，然后通过外部的PCB处理板5对该电压信号进行检测和处理，即可知道所受的压力值大小。当管状探头12受到拉力时，纳米薄膜敏感元件13将产生相应的拉伸变形，从而通过外部的PCB处理板5对惠斯通电桥电路输出的电压信号进行处理后可得到相应的拉力值大小。现有技术中，通常将测量介质直接与应变薄膜接触，使应变薄膜产生形变而去测量压力。这种方式下，应变薄膜在长期使用下容易发生变形，影响压力/拉力测量的精度。而本申请通过将细长管状探头12与弹性梁11顶部的纳米薄膜敏感元件13端一体加工成形，形成T形结构。通过管状探头12与测量介质接触，将受力直接传递给纳米薄膜敏感元件13，从而避免薄膜直接与测量介质接触而导致变形的问题出现。示例性的，其中可以采用纳米薄膜敏感元件13沉积和精密光刻技术在纳米薄膜敏感元件13上制造相应的敏感电阻，用以形成惠斯通电桥电路。

进一步的，管状探头12内部设有空腔，从而可以在管状探头12内部的尖端处设置温度传感器8，温度传感器8与外部的PCB处理板5连接，以将相应的温度检测信号传输给PCB处理板5进行解析，实现在测压的同时，对温度进行测量，形成压力、温度复合传感器。

基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述弹性梁11、弹性梁11上的纳米薄膜敏感元件13以及管状探头12一体成型，便于安装和使用。

请参照图3，基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述纳米薄膜敏感元件13由多个敏感电阻组成，多个敏感电阻可以组成两个单独的惠斯通电桥。实际应用中其中一个桥故障，另一个桥还可以继续工作，起到安全保护作用。也可以组成一个惠斯通电桥，实际应用中可以起到平衡电阻，提高精度的作用。

在本实施例所提供的技术方案中，纳米薄膜敏感元件13在外力作用下发生机械变形时，其上的敏感电阻的阻值将随着所受机械变形而成比例变化。将它们组成一个惠斯通电桥，当受力后，惠斯通电桥输出与压力成正比的电压信号。本实施例中，按图2所示，敏感电阻可以组成两个单独的惠斯通电桥分开输出。当一个损坏时，另一个仍然可以工作，从而提高芯体在特殊条件下的使用性能，方便客户设置保险。也可以按图3所示组成一个惠斯通电桥，实际应用中可以起到平衡电阻、减小偏载、提高精度的作用。

基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述敏感电阻包括敏感电阻R1、敏感电阻R2、敏感电阻R3、敏感电阻R4、敏感电阻R5、敏感电阻R6、敏感电阻R7和敏感电阻R8，上述敏感电阻R2、敏感电阻R4、敏感电阻R6和敏感电阻R8对称设于上述纳米薄膜敏感元件13的中心区域位置，上述敏感电阻R1、敏感电阻R3、敏感电阻R5和敏感电阻R7对称设于上述纳米薄膜敏感元件13的边缘区域位置。

在本实施例所提供的技术方案中，通过将敏感电阻R2、敏感电阻R4、敏感电阻R6和敏感电阻R8对称设于纳米薄膜敏感元件13的中心区域位置，将敏感电阻R1、敏感电阻R3、敏感电阻R5和敏感电阻R7对称设于纳米薄膜敏感元件13的边缘区域位置，从而形成如图4所示的惠斯通电桥电路。当纳米薄膜敏感元件13受力变形时，位于纳米薄膜敏感元件13的中心区域位置的4个敏感电阻R2、R4、R6和R8产生拉伸应变，电阻丝变细，电阻变大；位于纳米薄膜敏感元件13的边缘区域位置的4个敏感电阻R1、R3、R5和R7产生压缩应变，电阻丝变粗，电阻变小。通过上述变化量从而分别输出与对应的压力成正比的电信号。并且输出的电信号更大，能进一步提高米薄膜芯体的灵敏度和测量精度。

示例性的，上述惠斯通电桥电路可以通过离子溅射技术光刻于纳米薄膜敏感元件13上。即将基于纳米状态的原子均匀溅射于纳米薄膜敏感元件13上，相对于贴片式的电桥具有致密性较好，且分布均匀的特点。

第二方面，请参照图5和图6，本发明实施例提供一种纳米薄膜敏感元件13复合传感器，其包括上述第一方面中的纳米薄膜敏感元件13芯体，还包括前盖2、后盖3、电气接头4和PCB处理板5，上述前盖2穿过上述管状探头12与上述弹性梁11的一端连接，上述弹性梁11的另一端与上述后盖3连接，上述后盖3与上述电气接头4连接；上述PCB处理板5设于上述后盖3内，并间隔位于上述纳米薄膜敏感元件13上方，上述PCB处理板5的输入端与上述纳米薄膜敏感元件13上的惠斯通电桥电路以及上述温度传感器8连接，上述PCB处理板5的输出端与上述电气接头4连接。

在本实施例所提供的技术方案中，前盖2和后盖3分别与弹性梁11的两端焊接，电气接头4与后盖3的另一端焊接，从而形成完整的压力、温度复合传感器。需说明的是，管状探头12与前盖2之间需留有间隙，以供管状探头12在受力时沿径向移动，使纳米薄膜敏感元件13受力产生形变。另外，PCB处理板5设于后盖3内，并间隔位于纳米薄膜敏感元件13的上方，以为纳米薄膜敏感元件13的形变留出空间。PCB处理板5的输入端与纳米薄膜敏感元件13上的双惠斯通电桥电路以及设于管状探头12内的温度传感器8连接，以接收检测到的相应的模拟量。PCB处理板5的输出端与电气接头4连接，从而通过对检测到的模拟量信号进行调节和处理，可以得到相应的压力值/拉力值，以及温度值，并通过电气接头4输出。

示例性的，复合传感器在使用时，可以直接将管状探头12从待测模具的注塑口伸入，直至前盖2与注塑口抵接。于是管状探头12在模腔压力下受力挤压纳米薄膜敏感元件13，纳米薄膜敏感元件13产生相应的压缩变形，其上的多个敏感电阻随之发生变化，并通过惠斯通电桥转化为与对应的压力成正比的电压信号输出，然后通过PCB处理板5对该电压信号进行检测和处理，从而可知道模腔内的压力值大小。同时，管状探头12内部的温度传感器8也将检测到的温度信号传输给PCB处理板5，从而完成压力、温度的同时测量，使用更加方便。

基于第二方面，在本发明的一些实施例中，上述弹性梁11的顶部和底部边缘处设有环形定位凹槽6，上述前盖2和后盖3靠近上述弹性梁11的一侧设有环形定位凸台，上述环形定位凹槽6与上述环形定位凸台相适配。

请参照图1，在本实施例所提供的技术方案中，通过在弹性梁11的顶部和底部边缘处设置环形定位凹槽6，并在前盖2和后盖3靠近弹性梁11的一侧设置与环形定位凹槽6相适配的环形定位凸台，从而在将前盖2、后盖3与弹性梁11焊接的时候，能够实现对弹性梁11的精准定位，避免焊接连接时发生错位。

基于第二方面，在本发明的一些实施例中，上述管状探头12靠近自由端的部位设有密封圈7。

在本实施例所提供的技术方案中，通过在管状探头12靠近自由端的部位设置密封圈7，在管状探头12从模具的注塑口伸入以测量模腔压力时，密封圈7与注塑口内壁抵接，从而模腔内压力不会泄漏，使得传感器测出的模腔压力值更加准确。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (5)

1.一种纳米薄膜芯体，其特征在于，包括由法兰形的弹性梁和管状探头形成的T型芯体，所述弹性梁的顶部设有纳米薄膜敏感元件，所述纳米薄膜敏感元件为由多个敏感电阻组成的惠斯通电桥电路，其中，多个所述敏感电阻组成两个单独的惠斯通电桥或一个惠斯通电桥，所述敏感电阻包括敏感电阻R1、敏感电阻R2、敏感电阻R3、敏感电阻R4、敏感电阻R5、敏感电阻R6、敏感电阻R7和敏感电阻R8，所述敏感电阻R2、敏感电阻R4、敏感电阻R6和敏感电阻R8对称设于所述纳米薄膜敏感元件的中心区域位置，所述敏感电阻R1、敏感电阻R3、敏感电阻R5和敏感电阻R7对称设于所述纳米薄膜敏感元件的边缘区域位置，所述惠斯通电桥电路与外部的PCB处理板电连接；所述弹性梁内侧设有向外延伸的管状探头，所述管状探头内部形成半开放的空腔，所述空腔的封闭端设有温度传感器，所述温度传感器与外部的PCB处理板电连接。

2.根据权利要求1所述的一种纳米薄膜芯体，其特征在于，所述弹性梁、弹性梁上的纳米薄膜敏感元件以及管状探头一体成型。

3.一种纳米薄膜敏感元件复合传感器，其特征在于，包含如权利要求1-2任一项所述的纳米薄膜芯体，其特征在于，还包括前盖、后盖、电气接头和PCB处理板，所述前盖穿过所述探头与所述弹性梁的一端连接，所述弹性梁的另一端与所述后盖连接，所述后盖与所述电气接头连接；

所述PCB处理板设于所述后盖内，并间隔位于所述纳米薄膜敏感元件上方，所述PCB处理板的输入端与所述纳米薄膜敏感元件上的惠斯通电桥电路以及所述温度传感器连接，所述PCB处理板的输出端与所述电气接头连接。

4.根据权利要求3所述的一种纳米薄膜敏感元件复合传感器，其特征在于，所述弹性梁的顶部和底部边缘处设有环形定位凹槽，所述前盖和后盖靠近所述弹性梁的一侧设有环形定位凸台，所述环形定位凹槽与所述环形定位凸台相适配。

5.根据权利要求3所述的一种纳米薄膜敏感元件复合传感器，其特征在于，所述管状探头靠近自由端的部位设有密封圈。