CN2720414Y

CN2720414Y - 厚膜多维力觉阵列传感器

Info

Publication number: CN2720414Y
Application number: CN 200420026318
Authority: CN
Inventors: 宋箭; 李文
Original assignee: Xuning Science Technology Co ltd Hefei
Current assignee: Xuning Science Technology Co ltd Hefei
Priority date: 2004-04-14
Filing date: 2004-04-14
Publication date: 2005-08-24
Anticipated expiration: 2014-04-14

Abstract

本实用新型公开了一种厚膜多维力觉阵列传感器，由陶瓷应变膜片层、陶瓷基板构成，在95％Al₂O₃陶瓷应变膜片上印烧Pd－Ag导体，Ru基厚膜应变电阻、线性热敏电阻、Ru基厚膜补偿电阻，在每一个阵列点阵中构成基本的惠斯通全桥/半桥/单点电路，在大面积陶瓷应变膜片上构成多维力/力矩传感器阵列，压力传感器阵列、温度传感器阵列；陶瓷基板上下面平整，内有圆柱形通孔，呈蜂窝煤结构；陶瓷应变膜片表面和陶瓷基板基板烧结成一体；陶瓷基板下有电路线板层和固支层。本实用新型能实时采集任意测试点和面的力、力矩、压力、温度，以及测试物的压力中心、压力分布、攻角、摩擦力、动量和冲量，纵跳速度、高度、功率等等。

Description

厚膜多维力觉阵列传感器

技术领域

本实用新型涉及光机电一体化领域的新型传感器技术，具体是一种基于厚膜工艺加工的多维力觉阵列传感器。

背景技术

厚膜压阻式力学量传感器出现于八十年代，其弹性体为高性能氧化铝瓷，厚膜应变电阻为具有压阻效应的厚膜电阻，采用厚膜工艺技术直接印制、烧结在陶瓷弹性体上。

目前开发研究的多维力觉阵列传感器主要集中在压电式、真空微电子、光纤、硅微机械表面加工、导电橡胶等传感器，基本阵列数少，或者只能检测压力，产品可靠性难以保证。

压电阵列传感器：频响高，不合适低频和静态工作环境，电荷放大器成本高，受外在温度影响大。

柔性光纤阵列触觉传感器仅能测单维力和压力，可靠性较差，组装成本居高不下。

微机械加工硅触觉传感器，开发试验费用非常高，技术未成熟，成品率低，无法批量和大面积生产。

导电橡胶阵列，精度低，难以定量检测。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种厚膜多维力觉阵列传感器，采用厚膜工艺技术，在大面积测试平台上制备厚膜应变电阻和热敏电阻单元，形成多维力/力矩传感器、压力传感器，温度传感器等阵列，既能实时采集任意测试点和面的力、力矩、压力、温度，以及测试物的压力中心、攻角、摩擦力、动量和冲量，纵跳速度、高度、功率等等，阵列传感器可以组合集成使用。

本实用新型的技术方案如下：

厚膜多维力觉阵列传感器，陶瓷应变膜片层、陶瓷基板下有电路线板层，固支层，其特征在于(1)、在95％Al₂O₃陶瓷应变膜片上印烧Pd-Ag导体，Ru基厚膜应变电阻、线性热敏电阻、Ru基厚膜补偿电阻，在每一个阵列点阵中构成基本的惠斯通全桥/半桥/单点电路，在大面积陶瓷应变膜片上构成多维力/力矩传感器阵列，压力传感器阵列、温度传感器阵列，传感器点阵密度根据使用要求可以调整大小；(2)、陶瓷基板上下面平整，内有圆柱形通孔，呈蜂窝煤结构；(3)、通过中低温玻璃介质浆料将陶瓷应变膜片表面和陶瓷基板基板粘结，烧结形成陶瓷弹性体阵列，厚膜应变电阻处于感压弹性体应变最大区域；(4)、电路线板层，是在酚醛树脂板上装配大规模矩阵切换开关阵列、信号放大处理电路，以及多重数码解耦电路；(5)、固支层用于阵列传感器的支撑和周边固支。

所述的厚膜多维力觉阵列传感器，其特征在于陶瓷弹性膜片的正反面上每一个阵列点阵中印烧1-12个厚膜应变电阻，补偿电阻若干，热敏电阻若干，厚膜应变电阻由已经印烧的Pd-Ag导体连接成独立电阻/惠斯通半桥/惠斯通全桥电路，补偿电阻起桥路零点补偿作用和满量程调幅作用，热敏电阻既可以起厚膜应变电阻的温度补偿作用，也可独立检测某一局部面的温度。

所述的厚膜多维力觉阵列传感器，其特征在于厚膜应变电阻被烧结在陶瓷弹性膜片上，每一个阵列点阵中，X轴向桥路的应变电阻与Y轴向桥路的应变电阻相互垂直设置，Z轴向桥路的应变电阻与X轴向或Y轴向的应变电阻呈45度设置，且X轴向、Y轴向、Z轴向桥路中的应变电阻为等间距设置，每个轴向有四个电阻，构成惠斯通电桥；也可简化构成为单一X轴方向，半桥电路，或独立电阻；各个传感器测力单元可设计成矩阵排列，或任意排列分布。

所述的厚膜多维力觉阵列传感器，其特征在于陶瓷应变膜片为高弹性的95％Al₂O₃陶瓷，膜片厚度0.18--1.20mm，平整致密，厚度均匀，不得曲翘和凹凸不平。

所述的厚膜多维力觉阵列传感器，其特征在于陶瓷基板厚度3mm-50mm，内有圆柱状通孔，孔径Φ3mm-Φ60mm，成矩形阵列排列或按使用要求设计排列，陶瓷基板上下表面经研磨抛光，表面平整。

所述的厚膜多维力觉阵列传感器，其特征在于陶瓷基板上面有柔性橡胶覆盖层，柔性橡胶覆盖层下表面有微型突起，作为传力阵列，正对陶瓷弹性体单元应变中心。

本实用新型传感器点阵密度根据使用要求可以调整大小，点阵密度n单元/m平方厘米(m，n≥1，为自然数)，阵列传感器可以组合集成为更大面积的阵列传感器。通过大规模矩阵切换开关电路接口，同时管理2⁰～2⁶⁴点阵列传感器，经A/D变换，提取传感器特征值，为提高频率响应，采用多路分时采集，集中统一授时，数据采集单元与主机采用DMA方式进行成组数据交换。

系统软件：实时采集、显示、存储、分析阵列传感器信息；后台处理软件包括常规文件处理、接触图像描绘、直方图压力图谱、比例图谱、总压力中心轨迹、分压力中心轨迹、基本功率谱分析等，可根据要求编制。

本实用新型具有以下特点：

1、既能实时采集任意测试点和面的力、力矩、压力、温度，以及测试物的压力中心、压力分布、攻角、摩擦力、动量和冲量，纵跳速度、高度、功率等等。多参数物理量测量，功能强大，目前尚无同类功能产品出现；

2、采用厚膜工艺适合批量生产，成本低，性能/价格比高，可大大拓宽其应用领域；

3、应变单元和基底一体化，陶瓷结构工作温度范围宽，耐腐蚀，抗振性好，可以在很多恶劣环境情况中使用；

4、点阵可以从最小的2*2阵列设计，单一模块可实现2的5次方到2的64次方阵列传感器；

5、集成化，阵列传感器和补偿、信号处理电路集成为一体，降低了二次仪表的使用要求，阵列传感器可以组合集成，模块化结构，使用方便。

本发明产品，性能优良稳定，耐腐蚀、成本低、工作温度范围宽(-40～+125℃)，成本低，可广泛应用在医疗诊断、体育科研、安全防恐、保险赔偿、工业制造、产品设计等众多领域。

附图说明

图1为本实用新型分层结构示意图。

图2为本实用新型外型示意图。

图3为本实用新型陶瓷基板结构示意图。

图4为本实用新型陶瓷应变膜片层电阻分布示意图。

图5为陶瓷应变膜片层分层结构示意图。

图中标号：1、柔性覆盖层，2、陶瓷应变膜片，3、陶瓷基板，4、电路线板层，5、固支层，6、多维力觉阵列传感器，7、数据采集器，8、高速网络集线器，9、电源，10、陶瓷基板上的孔，11、补偿电阻，12、厚膜应变电阻，13、热敏电阻，14、玻璃介质层，15、电阻层，16、钌基导体层。

具体实施方式

采用厚膜工艺技术，在测试平台制备敏感单元，形成分布式微型阵列传感器，并可与厚膜放大处理电路相兼容集成。

敏感单元制备：

陶瓷应变膜片层2为高弹性的95％Al₂O₃陶瓷，采用流延法工艺成型，在1600-1800℃烧结，膜片外型成矩形，长宽因实际使用场合不同而定，膜片厚度由0.18--1.20mm不等，膜片必须平整致密，厚度均匀，不得由曲翘和凹凸不平。

采用丝网印刷工艺，在陶瓷应变膜片2的任意面上预先印刷Pd-Ag导体浆料，自然流平，烘干、880-920℃峰温隧道炉烧结，峰温时间10-15分钟，烧结时间60-90分钟，自然冷却至室温，采用印刷机在指定位置(正面、反面或正反两面)印刷厚膜应变电阻12、补偿电阻11、热敏电阻13，760-850℃峰温隧道炉烧结，峰温时间10-15分钟，烧结时间60-90分钟，自然冷却到室温。厚膜应变电阻12、补偿电阻11、热敏电阻13被烧结在陶瓷弹性膜片上，每一个阵列点阵中，X轴向桥路的应变电阻12与Y轴向桥路的应变电阻12相互垂直设置，Z轴向桥路的应变电阻与X轴向或Y轴向的应变电阻呈45度设置，且X轴向、Y轴向、Z轴向桥路中的应变电阻为等间距设置，每个轴向有四个电阻，构成惠斯通电桥；也可简化为单一X轴方向，半桥电路，或独立电阻；各个传感器测力点阵单元可设计组合成矩阵排列，或根据使用要求任意排列分布。

陶瓷基板3：95％的Al₂O₃热压铸工艺成型，烧成温度1600-1700℃，或者采用干压工艺成型，烧成温度1700-1900℃，矩形体或其他形状平板，厚度3mm-50mm不等，内有圆柱状通孔10，孔径大小一致，Φ3mm-Φ60mm不等，成矩形阵列排列，类似蜂窝煤结构，需要研磨抛光支撑面上下面，使其上下面平整。

采用丝网印刷工艺，在陶瓷基板3表面均匀印刷一层中温玻璃介质浆料14，将流延膜片粘结在陶瓷基板3表面，首先确保流延膜片厚膜应变电阻处在感压弹性体应变最大区域，并要求粘结平整严密无缝，在常温下平放至少3小时，红外线灯烘干，在隧道炉烧结，峰温500-580℃度，峰温时间10-15分钟，烧结时间60-90分钟，自然冷却到室温。

柔性覆盖层1由高弹性橡胶构成，并在下端有微型突起阵列点，对应应变层的受力单元，作为传力阵列，正对陶瓷弹性体单元应变中心，并在测量过程中起保护和缓冲作用，构成柔性测试面；在刚性测试环境中，可以去除。

电路线板层4，由酚醛树脂板为主构成，装配大规模矩阵切换开关电路、信号放大处理电路，以及多重数据解耦电路组成。

固支层5由金属框架构成，采用铸铁/铝/不锈钢为支撑面和周边固支。需要加工平整。

Claims

1、厚膜多维力觉阵列传感器，陶瓷应变膜片层、陶瓷基板下有电路线板层，固支层，其特征在于：(1)、在95％Al₂O₃陶瓷应变膜片上印烧Pd-Ag导体，Ru基厚膜应变电阻、线性热敏电阻、Ru基厚膜补偿电阻，在每一个阵列点阵中构成基本的惠斯通全桥/半桥/单点电路，在大面积陶瓷应变膜片上构成多维力/力矩传感器阵列，压力传感器阵列、温度传感器阵列，传感器点阵密度根据使用要求可以调整大小；(2)、陶瓷基板上下面平整，内有圆柱形通孔，呈蜂窝煤结构；(3)、通过中低温玻璃介质浆料将陶瓷应变膜片表面和陶瓷基板粘结，烧结形成陶瓷弹性体阵列，厚膜应变电阻处于感压弹性体应变最大区域；(4)、电路线板层，是在酚醛树脂板上装配大规模矩阵切换开关电路、信号放大处理电路，以及多重数据解耦电路；(5)、固支层用于阵列传感器的支撑和周边固支。

2、如权利要求1所述的厚膜多维力觉阵列传感器，其特征在于厚膜应变电阻被烧结在陶瓷弹性膜片上，每一个阵列点阵中，X轴向桥路的应变电阻与Y轴向桥路的应变电阻相互垂直设置，Z轴向桥路的应变电阻与X轴向或Y轴向的应变电阻呈45度设置，且X轴向、Y轴向、Z轴向桥路中的应变电阻为等间距设置，每个轴向有四个电阻，构成惠斯通电桥；或者简化构成为单一X轴方向，半桥电路，或独立电阻；各个传感器测力点阵单元可设计成矩阵排列。

3、如权利要求1所述的厚膜多维力觉阵列传感器，其特征在于陶瓷应变膜片为高弹性的95％Al₂O₃陶瓷，膜片厚度0.18--1.20mm，平整致密，厚度均匀，不得曲翘和凹凸不平。

4、如权利要求1所述的厚膜多维力觉阵列传感器，其特征在于陶瓷基板厚度3mm-50mm，内有圆柱状通孔，孔径Φ3mm-Φ60mm，成矩形阵列排列，陶瓷基板上下表面经研磨抛光，表面平整。

5、如权利要求1至4之一所述的厚膜多维力觉阵列传感器，其特征在于陶瓷基板上面有柔性橡胶覆盖层，柔性橡胶覆盖层下表面有微型突起，作为传力阵列，正对陶瓷弹性体单元应变中心。