CN217585654U - 应变传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及传感器技术领域，特别是涉及应变传感器。应变传感器包括：绝缘层以及第一传感组件，包括第一薄膜电阻、第二薄膜电阻、第一电极结构、第二电极结构、第三电极结构和第四电极结构，传感组件设于绝缘层上；第一薄膜电阻和第二薄膜电阻均为弯折结构且相互嵌入设置，第一薄膜电阻的两端部分别与第一电极结构和第二电极结构电连接，第二薄膜电阻的两端分别与第三电极结构和第四电极结构电连接。上述应变传感器的灵敏度和测量精度较高。

Description

应变传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，特别是涉及一种应变传感器。

背景技术

应变传感器是按照一定的规律将应变信号输出为电信号的器件或装置，其用于监测负载、压力、应变和扭矩而广泛用于监测土木结构、机器人、车辆等设备中出现的应力和变形，以及用于生物医学领域，比如监测身体生命体征，包括心跳，呼吸频率和运动传感等。应变传感器还可以应用于各种工业测压环境，例如航空、航天、石化、电力、船舶等众多工业环境。

应变传感器主要由传感器元件及应变弹性体件构成。其中电阻应变片则是其最常采用的传感元件，其能将机械构件上的应变变化转换为电阻变化。应变弹性体则充当着在测量过程(如拉伸、压缩、加速度、冲击力等)中将待测物的应变传递至传感器元件的关键介质。传感器元件及应变弹性体件之间通常可以分为分离式粘贴及一体化制造。其中，分离式粘贴主要是使用粘接剂将传感元件粘贴于待测物表面或内部，这种方式因传感元件与弹性体之间在高温受力工况下会引起的应变蠕动和滞后性、滑动会产生的温度漂移、零点漂移致使应变传感器出现不稳定的问题，且会降低其使用寿命。另外，传感元件中的多个应变片需安装在不同位置，导致无法准确测量待测量位置的应变，而且应变片的粘接面积大，造成了应变片形成的电桥中的应变变化并不是绝对相等，在一定程度上影响了灵敏度，降低了测量精度。

实用新型内容

基于此，有必要提供一种能够提高测量精度的应变传感器。

本实用新型一实施例提供了一种应变传感器，其包括：

绝缘层；以及

第一传感组件，包括第一薄膜电阻、第二薄膜电阻、第一电极结构、第二电极结构、第三电极结构和第四电极结构，所述第一传感组件设于所述绝缘层上；所述第一薄膜电阻和所述第二薄膜电阻均为弯折结构且相互嵌入设置，所述第一薄膜电阻的两端分别与所述第一电极结构和所述第二电极结构电连接，所述第二薄膜电阻的两端分别与所述第三电极结构和所述第四电极结构电连接。

在其中一个实施例中，所述应变传感器还包括第二传感组件，所述第二传感组件包括第三薄膜电阻、第四薄膜电阻、第五电极结构、第六电极结构、第七电极结构和第八电极结构；所述第三薄膜电阻和所述第四薄膜电阻为弯折结构且相互嵌入设置，所述第三薄膜电阻的两端分别与所述第五电极结构和所述第六电极结构电连接，所述第四薄膜电阻的两端分别与所述第七电极结构和所述第八电极结构电连接；所述第一传感组件和所述第二传感组件对称设置于待测物的两侧。

在其中一个实施例中，所述第一传感组件还包括第三薄膜电阻和第四薄膜电阻，所述第三薄膜电阻和所述第四薄膜电阻以垂直于所述第一薄膜电阻和所述第二薄膜电阻的方式设于所述绝缘层上，所述第三薄膜电阻的两端分别与所述第一电极结构和所述第四电极结构电连接，所述第四薄膜电阻的两端分别与所述第二电极结构和所述第三电极结构电连接。

在其中一个实施例中，所述第一传感组件还包括第三薄膜电阻、第四薄膜电阻、第五电极结构、第六电极结构、第七电极结构和第八电极结构；所述第三薄膜电阻的两端分别与所述第五电极结构和所述第六电极结构电连接，所述第四薄膜电阻的两端分别与所述第七电极结构和所述第八电极结构电连接。

在其中一个实施例中，所述第三薄膜电阻和所述第四薄膜电阻均为弯折结构且相互嵌入设置。

在其中一个实施例中，所述第一薄膜电阻、所述第二薄膜电阻、所述第三薄膜电阻或所述第四薄膜电阻为U型、环状结构或迂回弯折结构。

在其中一个实施例中，所述应变传感器还包括第二传感组件，所述应变传感器还包括密封层，所述密封层用于密封所述第一薄膜电阻、所述第二薄膜电阻、所述第三薄膜电阻和所述第四薄膜电阻。

在其中一个实施例中，所述应变传感器还包括基底，所述基底位于所述绝缘层背离所述第一传感组件的一侧。

在其中一个实施例中，所述应变传感器还包括密封层，所述第一传感组件还包括分别与所述第一电极结构、所述第二电极结构、所述第三电极结构和所述第四电极结构一一对应连接的第一导线、第二导线、第三导线和第四导线。

在其中一个实施例中，所述应变传感器还包括信号接收器和信号处理器；

所述第一导线、所述第二导线、所述第三导线和所述第四导线的端部与所述信号接收器的输入端电连接，所述信号接收器的输出端与所述信号处理器的输入端电连接，以将接收到的所述应变传感器的应变信号转换为电阻信号，并根据所述电阻信号得到所述应变传感器的应变值。

上述应变传感器中的第一薄膜电阻和第二薄膜电阻互相独立且相互嵌入设置在同一位置，从而可以确保其受到的应变、温度变化几乎相等，进而确保了应变传感器的灵敏度，减小了其应变测量误差。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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的附图。

图1为应变传感器的结构示意图；

图2为第一传感元件的结构示意图；

图3为一实施例中第三薄膜电阻、第四薄膜电阻与第一薄膜电阻和第二薄膜电阻的位置关系图；

图4为第一传感元件和第二传感元件的位置关系图；

图5为另一实施例中第一薄膜电阻、第二薄膜电阻的结构示意图；

图6为另一实施例中第三薄膜电阻、第四薄膜电阻的结构示意图。

附图标记说明：

100-绝缘层；200-第一传感组件；201-第一薄膜电阻；202-第二薄膜电阻；203-第一电极结构；204-第二电极结构；205-第三电极结构；206-第四电极结构；207-第三薄膜电阻；208-第四薄膜电阻；209-第五电极结构；210-第六电极结构；211-第七电极结构；212-第八电极结构；213-第一导线；214-第二导线；215-第三导线；216-第四导线；217-第五导线；218-第六导线；219-第七导线；220-第八导线；300-第二传感组件；400-待测物；500-密封层；600-基底。

具体实施方式

现将详细地提供本实用新型实施方式的参考，其一个或多个实例描述于下文。提供每一实例作为解释而非限制本实用新型。实际上，对本领域技术人员而言，显而易见的是，可以对本实用新型进行多种修改和变化而不背离本实用新型的范围或精神。例如，作为一个实施方式的部分而说明或描述的特征可以用于另一实施方式中，来产生更进一步的实施方式。

因此，旨在本实用新型覆盖落入所附权利要求的范围及其等同范围中的此类修改和变化。本实用新型的其它对象、特征和方面公开于以下详细描述中或从中是显而易见的。本领域普通技术人员应理解本讨论仅是示例性实施方式的描述，而非意在限制本实用新型更广阔的方面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，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”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

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的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

参阅图1，图1示出了本实用新型一实施例中应变传感器的结构示意图，本实用新型一实施例提供的应变传感器包括括绝缘层100以及第一传感组件200。其中：

(1)绝缘层100

在一些实施方式中，绝缘层100的厚度和材质不做限制，选用本领域常用的材料和厚度即可，示例性的，绝缘层100的厚度可以≥3μm，其可以为氧化物层或氧化物陶瓷薄膜，其中氧化物可以为氧化铝、氧化锆、氧化硅、氮化硅等。另外，绝缘层100的形成方式选用本领域常用的方法即可，例如可以为气相沉积。

(2)第一传感组件200

请一并参阅图2，所述第一传感组件200包括第一薄膜电阻201、第二薄膜电阻202、第一电极结构203、第二电极结构204、第三电极结构205和第四电极结构206，第一传感组件200设于绝缘层100上；第一薄膜电阻201和第二薄膜电阻202均为弯折结构且相互嵌入设置，第一薄膜电阻201的两端分别与第一电极结构203和第二电极结构204电连接，第二薄膜电阻202的两端分别与第三电极结构205和第四电极结构206电连接。

在一些实施方式中，第一传感组件200还包括第三薄膜电阻207和第四薄膜电阻208，第三薄膜电阻207和第四薄膜电阻208以垂直于第一薄膜电阻201和第二薄膜电阻202的方式设于绝缘层100上，第三薄膜电阻207的两端可以分别与第一电极结构203和第四电极结构206电连接，第四薄膜电阻208的两端可以分别与第二电极结构204和第三电极结构205电连接。此时，第三薄膜电阻207和第四薄膜电阻208作为外接电阻存在，虽与第一薄膜电阻201和第二薄膜电阻202的环境条件相同，但不参与形变，第一薄膜电阻201、第二薄膜电阻202、第三薄膜电阻207和第四薄膜电阻208之间相当于形成了惠斯通半桥电路，输出结果如下：

其中U₁、U₀分别为输出电压和初始输入电压，k为灵敏系数；R₁、R₂、R₃、R₄分别为第一薄膜电阻201、第二薄膜电阻202、第三薄膜电阻207和第四薄膜电阻208的电阻值；ΔR₁、ΔR₂、ΔR₃、ΔR₄分别为第一薄膜电阻201、第二薄膜电阻202、第三薄膜电阻207和第四薄膜电阻208的电阻变化值；ε₁、ε₂、ε₃和ε₄分别为第一薄膜电阻201、第二薄膜电阻202、第三薄膜电阻207和第四薄膜电阻208的形变量，ε₃和ε₄均为0，ε₁和ε₂相等。

请一并参阅图3，在一些实施方式中，第一传感组件200还可以包括第三薄膜电阻207、第四薄膜电阻208、第五电极结构209、第六电极结构210、第七电极结构211和第八电极结构212；第三薄膜电阻207的两端分别与第五电极结构209和第六电极结构210电连接，第四薄膜电阻208的两端分别与第七电极结构211和第八电极结构212电连接。其中，第三薄膜电阻207和第四薄膜电阻208可以为任意形状的电阻应变片，优选地，第三薄膜电阻207和第四薄膜电阻208均为弯折结构且相互嵌入设置。

在一些实施方式中，第一传感组件200还包括分别与第一电极结构203、第二电极结构204、第三电极结构205和第四电极结构206一一对应连接的第一导线213、第二导线214、第三导线215和第四导线216。可理解的，第一电极结构203和第一导线213相连接，第二电极结构204和第二导线214相连接，第三电极结构205和第三导线215相连接，第四电极结构206和第四导线216相连接。其中，可以通过粘接、焊接或金属浆料固化将第一导线213、第二导线214、第三导线215和第四导线216分别一一对应与第一电极结构203、第二电极结构204、第三电极结构205和第四电极结构206连接。第一导线213、第二导线214、第三导线215和第四导线216的材质也不做限制，例如可以为金、银、铜等。可以理解的，应变传感器还可以包括第五导线217、第六导线218、第七导线219和第八导线220，以能够分别与第五电极结构209、第六电极结构210、第七电极结构211和第八电极结构212一一对应连接，即第五导线217和第五电极结构209相连接，第六导线218和第六电极结构210相连接，第七导线219和第七电极结构211相连接，第八导线220和第八电极结构212相连接。

本实用新型一实施例提供的应变传感器还包括第二传感组件300。其中：

(3)第二传感组件300

请一并参阅图4，在一些实施方式中，应变传感器还包括第二传感组件300，其中第二传感组件300包括第三薄膜电阻207、第四薄膜电阻208、第五电极结构209、第六电极结构210、第七电极结构211和第八电极结构212；第三薄膜电阻207和第四薄膜电阻208均为弯折结构且相互嵌入设置，第三薄膜电阻207的两端分别与第五电极结构209和第六电极结构210电连接，第四薄膜电阻208的两端分别与第七电极结构211和第八电极结构212电连接；第一传感组件200和第二传感组件300对称设置于待测物400的两侧。可以理解的，在一些实施方式中，第二传感组件300可以省略。此时，第一薄膜电阻201、第二薄膜电阻202、第三薄膜电阻207和第四薄膜电阻208之间相当于形成了惠斯通全桥电路，输出结果如下：

其中U₁、U₀分别为输出电压和初始输入电压，k为灵敏系数；R₁、R₂、R₃、R₄分别为第一薄膜电阻201、第二薄膜电阻202、第三薄膜电阻207和第四薄膜电阻208的电阻值；ΔR₁、ΔR₂、ΔR₃、ΔR₄分别为第一薄膜电阻201、第二薄膜电阻202、第三薄膜电阻207和第四薄膜电阻208的电阻变化值；ε₁、ε₂、ε₃和ε₄分别为第一薄膜电阻201、第二薄膜电阻202、第三薄膜电阻207和第四薄膜电阻208的形变量，ε₁和ε₂相等，为ε；ε₃和ε₄相等，为-ε。此种情况下，第一薄膜电阻201、第二薄膜电阻202、第三薄膜电阻207和第四薄膜电阻208在同一温度环境下，温度对于各个薄膜电阻阻值的改变都相等，因此可以抵消温度的影响，从而可以省去额外的温度补偿电阻。

在一些实施方式中，第一薄膜电阻201、第二薄膜电阻202、第三薄膜电阻207或第四薄膜电阻208为U型或迂回弯折结构，优选为迂回弯折结构。另外，第一薄膜电阻201、第二薄膜电阻202、第三薄膜电阻207或第四薄膜电阻208弯折角度不做过多限制，例如可以为30°～120°，优选为90°。

请一并参阅图5和图6，在一些实施方式中，第一薄膜电阻201、第二薄膜电阻202、第三薄膜电阻207或第四薄膜电阻208还可以为环状结构。优选地，第一薄膜电阻201和第二薄膜电阻202之间为同心环状结构，第三薄膜电阻207和第四薄膜电阻208之间为同心环状结构。

在一些实施方式中，第一薄膜电阻201、第二薄膜电阻202、第三薄膜电阻207或第四薄膜电阻208的制备可以采用本领域公知的任意工艺，为了操作简单、降低成本，示例性的，可以选择印刷工艺制备薄膜电阻，具体可以采用丝网印刷工艺，其中印刷浆料为导电银浆和碳的混合物，涂覆印刷浆料后将其置于80℃～130℃下烘烤3min～30min。

本实用新型一实施例提供的应变传感器还包括密封层500。其中：

(4)密封层500

为了避免第一薄膜电阻201、第二薄膜电阻202、第三薄膜电阻207或第四薄膜电阻208氧化脱落问题的发生，在一些实施方式中，应变传感器还包括密封层500，其中密封层500用于密封第一薄膜电阻201、第二薄膜电阻202、第三薄膜电阻207或第四薄膜电阻208。可以理解的，在一些实施方式中，密封层500可以省略。

在一些实施方式中，密封层500的厚度和材料不做过多限制，以本领域常用的厚度和材料为基准进行选择即可，示例性的，密封层500的厚度可以为10^-3mm～1mm，材质可以为感光胶层、环氧树脂层等。

本实用新型一实施例提供的应变传感器还包括基底600。

(5)基底600

在一些实施方式中，应变传感器还包括基底600，其中基底600位于绝缘层100背离第一传感组件200的一侧。其中，基底600的材质可以为本领域任意公知的材料，例如可以为高分子聚合物，也可以为金属，示例性的，可以为玻璃、陶瓷、金属合金等。优选地，基底600的粗糙度≤200nm。需要说明的是，可以采用本领域任意公知的方法降低基底600的粗糙度，例如可以先通过砂纸打磨抛光，再经由布质抛光和抛光膏进行抛光，再经细布轮抛光。

在一些实施方式中，应变传感器还包括信号接收器和信号处理器(图中未示出)；其中，第一导线213、第二导线214、第三导线215和第四导线216的端部与信号接收器的输入端电连接，信号接收器的输出端与信号处理器的输入端电连接，以将接收到的应变传感器的应变信号转换为电阻信号，并根据电阻信号得到应变传感器的应变值。可以理解的，当应变传感器包括第五导线217、第六导线218、第七导线219和第八导线220时，第五导线217、第六导线218、第七导线219和第八导线220的端部也与信号接收器的输入端电连接。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种应变传感器，其特征在于，包括：

绝缘层；以及

第一传感组件，包括第一薄膜电阻、第二薄膜电阻、第一电极结构、第二电极结构、第三电极结构和第四电极结构，所述第一传感组件设于所述绝缘层上；所述第一薄膜电阻和所述第二薄膜电阻均为弯折结构且相互嵌入设置，所述第一薄膜电阻的两端分别与所述第一电极结构和所述第二电极结构电连接，所述第二薄膜电阻的两端分别与所述第三电极结构和所述第四电极结构电连接。

2.根据权利要求1所述的应变传感器，其特征在于，所述应变传感器还包括第二传感组件，所述第二传感组件包括第三薄膜电阻、第四薄膜电阻、第五电极结构、第六电极结构、第七电极结构和第八电极结构；所述第三薄膜电阻和所述第四薄膜电阻为弯折结构且相互嵌入设置，所述第三薄膜电阻的两端分别与所述第五电极结构和所述第六电极结构电连接，所述第四薄膜电阻的两端分别与所述第七电极结构和所述第八电极结构电连接；所述第一传感组件和所述第二传感组件对称设置于待测物的两侧。

3.根据权利要求1所述的应变传感器，其特征在于，所述第一传感组件还包括第三薄膜电阻和第四薄膜电阻，所述第三薄膜电阻和所述第四薄膜电阻以垂直于所述第一薄膜电阻和所述第二薄膜电阻的方式设于所述绝缘层上，所述第三薄膜电阻的两端分别与所述第一电极结构和所述第四电极结构电连接，所述第四薄膜电阻的两端分别与所述第二电极结构和所述第三电极结构电连接。

4.根据权利要求1所述的应变传感器，其特征在于，所述第一传感组件还包括第三薄膜电阻、第四薄膜电阻、第五电极结构、第六电极结构、第七电极结构和第八电极结构；所述第三薄膜电阻的两端分别与所述第五电极结构和所述第六电极结构电连接，所述第四薄膜电阻的两端分别与所述第七电极结构和所述第八电极结构电连接。

5.根据权利要求2～4任一项所述的应变传感器，其特征在于，所述第三薄膜电阻和所述第四薄膜电阻均为弯折结构且相互嵌入设置。

6.根据权利要求2～4任一项所述的应变传感器，其特征在于，所述第一薄膜电阻、所述第二薄膜电阻、所述第三薄膜电阻或所述第四薄膜电阻为U型、环状结构或迂回弯折结构。

7.根据权利要求2～4任一项所述的应变传感器，其特征在于，所述应变传感器还包括密封层，所述密封层用于密封所述第一薄膜电阻、所述第二薄膜电阻、所述第三薄膜电阻和所述第四薄膜电阻。

8.根据权利要求1～4任一项所述的应变传感器，其特征在于，所述应变传感器还包括基底，所述基底位于所述绝缘层背离所述第一传感组件的一侧。

9.根据权利要求1～4任一项所述的应变传感器，其特征在于，所述第一传感组件还包括分别与所述第一电极结构、所述第二电极结构、所述第三电极结构和所述第四电极结构一一对应连接的第一导线、第二导线、第三导线和第四导线。

10.根据权利要求9所述的应变传感器，其特征在于，所述应变传感器还包括信号接收器和信号处理器；

所述第一导线、所述第二导线、所述第三导线和所述第四导线的端部与所述信号接收器的输入端电连接，所述信号接收器的输出端与所述信号处理器的输入端电连接，以将接收到的所述应变传感器的应变信号转换为电阻信号，并根据所述电阻信号得到所述应变传感器的应变值。

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