CN1252867A - 力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种力传感器,它具有:a)一个载体(4);b)一个压敏传感层(1a),它设在载体(4)上并与导体条(3a)相连接;c)一个具有以边缘为限界的接触面的力引导部件(5a),它在接触区(2a)中与层(1a)相连接,其中在载体(4)上设有第二压敏传感层(1b),它与导体条(3b)相连接;及第二个力引导部件(5b)在以边缘为限界的接触面的接触区(2b)中与第二压敏传感层(1b)相连接。

Description

力传感器

力及压力传感器能够使用公知的成层技术由压敏电阻层形状特别适应及成本合理地制造，例如通过厚层技术中的熔化、通过薄层技术中的蒸发及通过粘接等制造。在一系列公知的装置中、如在EP 0190270 B1及DE 3818190 A1中设计了：使待测量的力或压力直接作用于压敏电阻层，其中有利地省去了对于同样公知的、具有延展测量元件力传感器所需的变型体。但在设有机械性能坚硬的、主要由钢制成的力引导部件的力测量技术范围中，在这种类型的结构上至今没有与其竞争的装置是用变型体或压电片实现的，因为或是在其结构中根本不包括相应的力引导部件，例如在DE 4300995 A1等中就是如此；或是给定的力引导部件未设计用于所述应用范围或对其不适合。其原因在于，当由相对坚硬及坚韧的材料如钢作成的力导引件压在层上时出现的具体问题，即层变脆或在机械压力下趋于产生裂口。如由K.Girkmann所著“平面支承结构”第72页等(Springer出版社(1963年))中得出的，在层中在力引导部件边缘的下方引导的力导致垂直及正切方向应力分布上的突变或尖峰。力引导部件的边缘愈锐利及由力引导部件及下层之间的摩擦阻止力引导面的横向延展愈大，该应力的突变就愈陡及愈高。在此情况下，在下层中在力引导部件的下面将出现压应力及在力引导部件的旁边将出现拉应力。为了避免不希望有的应力，可以在力旁路中设置压力传感元件，如在DE 3333285 A1及DE 4142141 A1中所述的，但由此不利地降低了装置的灵敏度。

如在DE 3912280 A1中所述的，直接位于一个力引导部件边缘下方的各层中的狭细边缘区域总是检测到显著大的机械应力，它在紧位于力引导部件边缘附近的拉力区域中是特别不利的，因为厚层材料的拉力强度比压力强度小一个十次幂还多，在持续的动态负荷时在层中这些边缘区域上开始产生裂口，这对于传感器的长时间稳定性带来不利影响。

由DE 3818191 A1及DE 4221426 C1公知了另一种力传感器，其中力引导部件也压在层与导体条重叠的区域上。因为在该重叠区域中，层平行于导电条地布置，在那里导入的力分量引起了不能确定的电阻变化，即，是一个不能一起测量的力旁路。此外，这种结构的缺点是，在传感元件中由于三维弹性引起的横向伸展(垂直于力方向)将导致横向效应作用于导体条，及另一方面，在电阻条内由于相邻的导体条阻碍了其横向延伸。

由DE 4221426 C1还公知了一种变型的压力传感器，其中层覆盖了导体条及另外一个位于导体条之间的、比导体条高的接触区。通过将力引导部件放置在该接触区上面将达到：在其边缘上不会对层施加干扰或破坏性影响。但这种装置的缺点是，必须制造一个独特的接触区，它的高度应明显地超过导体条的高度，以致在所有可能的负荷情况下不会使力引导部件坐在导体条上。由此力引导部件相对支承体的距离提高，这使装置的稳定性变差。

本发明的任务则在于，给出一种力传感器，它包括：一个载体(4)；一个压敏传感层(1a)，它设在载体(4)上并与一个导体条(3a)相连接；一个力引导部件(5a)，它具有通过各边缘限制的接触面，它与层(1a)在接触区中相连接；其中力旁路、横向延伸受阻及产生裂口将通过合适结构的力引导部件的边缘作用尽可能地被排除。此外该力传感器的测量精确度将改善。最后，在单面设层情况下出现的片拱弯及横向效应可被避免。

该任务将这样解决：在载体(4)上设置第二压敏传感层(1b)，它与导体条(3b)相连接；及第二个力引导部件(5b)在以边缘为限界的接触面的接触区中与第二压敏传感层(1b)相连接。

根据本发明的力传感器由此包括一个用于整个元件结构的载体及两个压敏传感层，后者设在载体上并与导体条相连接。在此情况下，必要时可以在载体及层之间设置其他材料层。此外，该力传感器包括带有通过边缘界定的接触面的力引导部件，它在接触区中与层相连接。力引导部件可视应用要求而定可具有几乎任意形状。力引导部件通过其外表面即接触面与载体的压敏传感层(直接地或通过中间层)相连接，但其中接触仅发生在接触面的内区域上，即不会超过边缘。由此可避免载体的压敏传感层被边缘损坏。

载体上的层朝着力引导部件的表面可具有槽状凹陷，在它的上面接触面的边缘保持不接触。与现有技术相反，它不需要设置一个高于导电条的接触区。而是可在载体上设置一个(直到凹槽为止)一体的、均匀高度的压敏传感层。

在压力传感器的载体上也可设置(一层或多层)升高的接触区及以中间间隔与该接触区隔开的导体条，其中导体条、中间间隔及接触区这样地被层覆盖，即在中间间隔上形成槽状凹陷。最好接触区在此情况下由载体的材料与其构成一体。

导体条也可整个面设在载体及压敏传感层之间。在这种结构中，电流流过导电条导入层中并正交地通过层，即通常在压力作用方向上通过层。在此情况下，最好至少一个导电条由载体的导电材料构成。为了补偿表面不均匀性最好它在中间设置合适的补偿层。

根据本发明的传感器也涉及一种“夹心式”结构，其中在载体上设有两个压力传感器，它们与导体条相连接，及其中两个力引导部件以其由边缘为限界的接触面的内部区域与两个压敏传感层相连接。通常载体做得小，以使得在其上设置的测量单元在空间上紧密地组合。

两个测量单元在机械上及电气上的耦合带来了精确度显著提高的优点。也可设想，“夹心”结构可重复应用，以使得相同的中间单元不只两个，而是连接了多个传感器分单元。

载体上的压敏传感层可由一种材料组成，该材料将根据作用的压力输出电信号。在这里，它例如可涉及一种压电材料或压敏电阻材料或一种半导体材料。有利的是，它是一种在半导体制造中批量使用的盘封二极管(Scbeibendiode)。

此外，该力引导部件和/或载体设有一个绝缘层。当所述单元仅由一种导电材料组成时，尤其是这种情况。

该层可使用绝缘连接材料，例如，具有与时间有关的硬化过程的粘合剂或玻璃-陶瓷薄膜、俗称“陶瓷带”，由此在硬化或烧结前，整个传感器结构能有利地彼此上下平行地压在一起。

作为载体材料同样可使用绝缘连接材料，例如具有与时间相关的硬化过程的粘合剂或玻璃-陶瓷薄膜(所谓“陶瓷带”)。同样地，这里在硬化或烧结前，整个传感器结构能有利地彼此上下平行地压在一起。

本发明的各实施例被表示在附图中。

图1表示具有中心载体的“夹心式”结构；

图2表示制造该力传感器的两个中间阶段；

图3表示具有下设导体条的传感元件；

图4表示单面/双面传感器的比较测量。

图1表示一种力传感器，它具有：压敏传感层1a、b，接触区2a、b，导体条3a、b，载体(即所谓基片)4及力引导部件5a、b，以及绝缘层7a、b，在此情况下，基片及力引导部件由导电材料、如钢作成。

图2表示导体条的结构，它具有在导体条端部的焊接接触面8及在载体4上的接触区2以及具有在接触区2上面并覆盖在导体条3上的压敏传感层1的层序列；此外可有这样的可能，即在载体4上不设接触区2而附加地设置电元件、如比较电阻。

平的载体4或是完全由电绝缘材料、如Al₂O₃形成，或是由一个用电绝缘材料7b预涂层的载体组成。在该载体上首先设置接触区2及导体条3，如图2所示。导体条用于使传感器通过焊点8上的导体条端部经电缆端子连接到外部测量电路。如图2所示，然后在设有导体条3及接触区2的载体4上设置压敏电阻的压敏传感层1，并通过与导体条3的重叠形成与它的接触。

图1还表示，力引导部件5a、b最后怎样使由箭头表示的力F及G压在压敏电阻层上的。如果力引导部件5a、b不是由电绝缘材料组成的，它们则必须事先用电绝缘材料预涂层，因为否则它们会将压敏传感层1a、b电旁路。

为了使图1a所示的力引导部件5a、b的边缘架空，力引导部件在中央位置时其尺寸C总小于d+2a(d＝接触层宽度；a＝凹槽的宽度)，由此力引导部件不会压在重叠的导体条3a、b上。敷设的压敏传感层1a、b在所有设层方法中将平行于载体4延伸在力作用区域d中，这是视设层方法而定，只要当压敏传感层1a、b还未硬化或烧结时，借助力引导板或加工板通过压制实现的。

图1表示在一个载体4的上侧及下侧双面镜象地设层的传感装置的两个实施例a及b。

在使用板材作载体4时，由于在压敏电阻材料中正交压力引起的所需蹾延力(Stauchung)将被基于板弯拱的回弯产生的横向效应叠加。譬如，当单面设置所述层后的冷却时，由于板材及涂层材料之间的不同膨胀系数而形成拱弯。形成拱弯而与涂层无关的另外原因例如为，由于压制过程中在辊压板材中出现的并主要与辊压方向有关的拱弯。

如果将力通过力引导部件引导到在载体上单面设层的传感器上，首先使板的弯拱回弯。在此情况下在载体的上或下面的层中将形成附加的蹾延力或延展力。因此，在从零值上升的力的情况下，首先在压敏电阻材料中建立了大的电阻变化，该电阻变化的离散性很大并与辊制方向及板及陶瓷的不同膨胀系数相关(图4中曲线1：水平轴＝力[N]，垂直轴＝相对电阻变化；在2mm板上的单面力传感器)。

随着力的增大，纯正交方向的力将占优势，而其灵敏度减小。这种传感器的实施方式由于很强的非线性度及制造的重复性差是非常不利的。

当根据图1在载体上面及下面以镜象方式设置相同的传感器结构层时，将不会再出现在单面设层情况下出现的附加板弯拱。此外，由另外原因的其余板弯拱的回弯形成的电阻变化可这样地消除，即将上面的传感器与在下面镜象地设置的传感器相互串联或并联。这样构成及接线的传感器不再出现上述的横向效应(图4中曲线2；在1.5mm板上的双面力传感器)。

通过保持a的足够距离，即在最大负荷时a不会变为零，可保证在极大程度上抑制对横向延展的阻止。

力引导部件5a、b的边缘对压敏传感层1a、b的影响根据图1b将通过力引导部件的中央位置及合适的长度尺寸来避免，在最大负荷下其长度C大于压敏电阻压敏传感层1a、b的升高区域的长度d，这在意义上也适用于纵向尺寸。

为了避免压敏传感层1a、b与导体条3a、b重叠区域上的力旁路，根据图1a的长度C总是小于d+2a。这种限制当然在意义上也是纵向尺寸需要的。

根据图1b保持足够大的距离b，它在最大负荷时也不应为零，这将保证与导体条重叠的层区域上不可能有力旁路。

在所有实施例中接触区2a、b基本上可由一层或多层电绝缘材料组成；它们也可以由一层或多层与压敏传感层1a、b相同的压敏电阻材料层组成，这种双压力电阻是譬如厚层技术中的一种通用方式。在后一种情况下，压敏传感层1a、b与接触层2a、b并联电连接，因此它们的电阻低于压敏传感层1a、b的单独电阻。

最后，接触区2a、b也可由两或多层不同材料组成，例如由一个或多个导体条及一个或多个在其上叠放的绝缘层组成。这样做的优点在于，下层导体条以节省位置的方式同时用作传感器的连接导体，如图3中的应用例所示。作为连接在压敏传感层1远处端子上的导体的导体条3a在这里被置于绝缘层7的下面。在涂层后，压敏传感层1覆盖了自由接触面时，便与导体条3形成了导电连接。以此方式可以有利地制造具有两个前端侧电端子8的传感元件，这特别适用于矩阵型结构。

Claims (12)

1.力传感器，包括：

a)一个载体(4)；

b)一个压敏传感层(1a)，它设置在载体(4)上并与导体条(3a)相连接；

c)一个具有以边缘为限界的接触面的力引导部件(5a)，它在接触区(2a)中与层(1a)相连接，其特征在于：

在载体(4)上设有第二压敏传感层(1b)，它与导体条(3b)相连接；及第二个力引导部件(5b)在以边缘为限界的接触面的接触区(2b)中与第二压敏传感层(1b)相连接。

2.根据权利要求1的力传感器，其特征在于：在传感层(1a、b)朝着力引导部件(5a、b)的表面上设有槽状凹陷，在它上面接触面的边缘保持不接触。

3.根据权利要求1或2的力传感器，其特征在于：在载体(4)上设有一层或多层升高的接触区(2a、b)，它与导体条(3a、b)隔开一个中间间隔，其中导体条(3a、b)、中间间隔及接触区(2a、b)这样地被层(1a、b)覆盖，即在中间间隔上形成槽状凹陷。

4.根据权利要求1或2的力传感器，其特征在于：接触区(2a、b)由载体(4)的材料与其构成一体。

5.根据权利要求1至3中一项的力传感器，其特征在于：导体条(3a、b)整个面位于压敏传感层(1a、b)及载体(4)之间。

6.根据权利要求1至4中一项的力传感器，其特征在于：至少一个导体条(3a、b)由力传导部件(5a、b)或载体(4)的导电材料构成。

7.根据权利要求1至5中一项的力传感器，其特征在于：该传感器相对一个通过载体(4)的平面对称地构成。

8.根据权利要求1至6中一项的力传感器，其特征在于：压敏传感层(1a、b)由一种压电、压敏电阻材料或一种半导体材料构成。

9.根据权利要求1至7中一项的力传感器，其特征在于：力引导部件(5a、b)和/或载体(4)设有绝缘层(7a、7b)。

10.根据权利要求8的力传感器，其特征在于：用于绝缘层(7a、b)的绝缘连接材料最好为具有与时间相关的硬化过程的粘合剂或玻璃-陶瓷薄膜。

11.根据权利要求1至8中一项的力传感器，其特征在于：力引导部件(5a、b)包括绝缘连接材料，最好为具有与时间相关的硬化过程的粘合剂或玻璃-陶瓷薄膜。

12.根据权利要求1至10中一项的力传感器，其特征在于：载体(4)包括绝缘连接材料，最好为具有与时间相关的硬化过程的粘合剂或玻璃-陶瓷薄膜。

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