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專利名稱：陣列壓電傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于接觸壓力分布測量的傳感器。
背景技術(shù)：
接觸壓力分布的測量在許多應用領(lǐng)域具有重要的價值。坐姿的壓力分布數(shù)據(jù)對于設(shè)計合適的座椅結(jié)構(gòu)極為重要，如汽車駕駛員、航天員的座椅設(shè)計；不正確的坐臥姿勢，使人體局部長期受壓過大會引起褥瘡、坐瘡等疾病，對于半身不遂、臥床不起的病人來說，如果不采取有效減壓措施，這種疾病將是致命的。人工觸覺在機器人的感覺系統(tǒng)中占有非常重要的地位，它通過接觸得到環(huán)境的信息，不管是手指觸覺還是足底觸覺，其本質(zhì)還是壓力分布的測量。因此，陣列式壓力傳感器在人機工程學、機器人觸覺、及醫(yī)療、體育、康復等方面均有重要的意義及應用價值。
陣列傳感器不僅面臨單體傳感器所存在的問題，還應解決集成小型化、引線、相互干擾等新問題。用壓電原理制成的傳感器單體，其應用已經(jīng)非常普遍，如，壓電力/加速度傳感器、壓電超聲波傳感器、壓電機器人觸覺傳感器等等。利用壓力——電阻變化的原理制作的陣列壓力傳感器，也已經(jīng)有應用方面的報道，但存在遲滯、漂移、集成度不高等弊病。壓電聲表面波傳感器可用于分布壓力、溫度的測量，但其測量原理和方式與本發(fā)明所述方法完全不同，它是用表面波的傳輸特性變化完成測量的。Edward，S.發(fā)表了一種用集成電路工藝制作的機器人用壓電陣列觸覺傳感器，以壓電材料為敏感材料，感壓源信號直接與制作在集成電路基板上的MOSFET電荷放大器相連，實現(xiàn)了壓電式陣列觸覺。Siegel和Boie等人利用介質(zhì)受力后的變形，進而引起電容變化的原理測量分布壓力，通過受力變形的介質(zhì)兩側(cè)布置相互垂直的導電條，垂直交叉的單元構(gòu)成單元敏感電容，用激勵電路的輸出推知電容的變化，并得出對應單元上的受力情況。另外，利用光纖傳感也可以得到抗干擾能力很強的壓力傳感器，但這種傳感器小型化、集成化困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可以提高抗干擾性能、減少外接引線、集成和小型化的陣列壓電傳感器的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明包括電路板，電路板上固定設(shè)置頂部開放的金屬外殼。金屬外殼內(nèi)由上至下依次設(shè)置有橡膠封裝層、壓電敏感層、電極轉(zhuǎn)接板和電荷讀出集成電路。電路板上設(shè)置的電源輸入端口和信號輸出端口分別與電荷讀出集成電路連接，電荷讀出集成電路的地電極與電路板的地電極連接。
所述的橡膠封裝層是厚度為1～2mm的橡膠片，其外表面設(shè)置有突出的突點，突點呈陣列排列。
所述的壓電敏感層包括PVDF(聚偏二氟乙烯)片，其厚度為50～60μm。PVDF片的一面鍍有整片的金屬膜，形成整片電極，作為公共的地電極；另一面鍍有相互絕緣的呈陣列排列的金屬膜，形成陣列電極。整片電極與橡膠封裝層緊密配合，并通過導線與電路板的地電極連接。陣列電極與橡膠封裝層陣列排列的突點位置一一對應。
所述的電荷讀出集成電路包括CCD集成電路，CCD集成電路中每個電荷注入電路單元連接有電荷注入電極，電荷注入電極的數(shù)量與陣列電極的數(shù)量相同。
所述的電極轉(zhuǎn)接板包括絕緣板，絕緣板上表面呈陣列排列設(shè)置有上電極，絕緣板下表面設(shè)置有下電極。上電極與壓電敏感層的陣列電極位置一一對應，下電極與電荷讀出集成電路的電荷注入電極位置一一對應。每個上電極通過設(shè)置在絕緣板內(nèi)的導電絲與對應的下電極連接。
本發(fā)明的陣列壓電傳感器將壓電敏感層與當?shù)鼗碾姾勺x出集成電路相結(jié)合，經(jīng)電極轉(zhuǎn)接板完成尺寸的匹配，這種獨特的結(jié)構(gòu)與組合方式不僅使傳感器的抗干擾性能大大提高，還實現(xiàn)了傳感器的小型化和集成化，外接引線數(shù)量大大降低，為陣列式壓電傳感器的設(shè)計提供了一種公共的可參照的結(jié)構(gòu)設(shè)計方式。
本發(fā)明利用壓電原理與集成電路相結(jié)合的方法，不僅使陣列壓電傳感器的動態(tài)性能和抗干擾能力得到明顯的改善，穩(wěn)定性也得到大大加強。該傳感器具有表面柔順、體積小、集成度高的特點，可用于測量接觸式的高密度壓力分布，如人體坐姿時支撐部位的壓力分布、機器人觸覺等。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1中橡膠封裝層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖1中壓電敏感層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖1中電極轉(zhuǎn)接板的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，陣列壓電傳感器包括電路板7和固定在電路板7上的金屬外殼9。金屬外殼9的頂部是開放的，其內(nèi)部空間由上至下依次設(shè)置有橡膠封裝層1、壓電敏感層、電極轉(zhuǎn)接板和電荷讀出集成電路6。電路板7上設(shè)置的電源輸入端口和信號輸出端口分別與電荷讀出集成電路6連接，電荷讀出集成電路6的地電極與電路板7的地電極連接。
橡膠封裝層1的結(jié)構(gòu)參見圖1和圖2，該橡膠封裝層包括一橡膠片，其外表面設(shè)置有突出的突點10，突點10的形狀為平頭圓錐形，并呈陣列排列。
壓電敏感層的結(jié)構(gòu)參見圖1和圖3，該壓電敏感層包括PVDF片3，PVDF片3的一面鍍有整片的金屬膜，形成整片電極2，作為公共的地電極；另一面鍍有相互絕緣的呈陣列排列的金屬膜，形成陣列電極4。整片電極3與橡膠封裝層緊密配合，并通過導線8與電路板7的地電極連接。陣列電極4與橡膠封裝層陣列排列的突點10位置一一對應。相互絕緣的呈陣列排列的金屬膜的加工是在相應的掩膜板的覆蓋下，用真空濺射法金屬鍍膜成所需要陣列排列的形式。掩膜板一般由彈簧鋼板采用激光加工的方式完成，掩膜板上加工的陣列式方孔在金屬鍍膜完成后形成陣列電極，方孔的尺寸比陣列間距略小，以保證金屬鍍膜完成后各陣列電極間相互不粘連，陣列數(shù)、陣列間距則可根據(jù)不同的需要進行不同的設(shè)計。
電荷讀出集成電路6包括CCD集成電路，CCD集成電路中每個電荷注入電路單元連接有電荷注入電極，電荷注入電極的數(shù)量與陣列電極的數(shù)量相同。電荷讀出集成電路的工作原理與CCD集成電路的完全一樣，其區(qū)別僅在于本設(shè)計的集成電路其電荷信號是通過壓電傳感器注入的，而不是通常CCD集成電路由光照產(chǎn)生的電荷信號。它們之間只是電荷的注入方式有區(qū)別(對應電信號注入和光信號注入)，其余的電路如電荷轉(zhuǎn)移、輸出電路等完全一樣，是一種成熟的電路。
電極轉(zhuǎn)接板的結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括絕緣板5，絕緣板5上表面呈陣列排列設(shè)置有上電極11，絕緣板5下表面設(shè)置有下電極13。上電極11與壓電敏感層的陣列電極4位置一一對應，下電極13與電荷讀出集成電路6的電荷注入電極位置一一對應。每個上電極11通過設(shè)置在絕緣板5內(nèi)的導電絲12與對應的下電極13連接。
當傳感器表面受壓時，受壓敏感區(qū)域?qū)膲弘娒舾袑赢a(chǎn)生壓力，對應的整片電極與陣列電極構(gòu)成的傳感單元輸出電荷，經(jīng)電極轉(zhuǎn)接板導入電荷讀出集成電路的電荷注入電極，轉(zhuǎn)換成與傳感單元受壓成對應關(guān)系的電荷信號，通過對電荷讀出集成電路的控制，以掃描的方式得到全部陣列壓電傳感單元的壓力分布信號。
通過電極轉(zhuǎn)接板的上、下電極將兩種不同尺寸的陣列電極和電荷注入電極一一對應地連接起來，當陣列傳感器的總體尺寸與電荷讀出集成電路尺寸相當時(按現(xiàn)階段的集成電路制作工藝，一般集成電路的尺寸不宜大于cm數(shù)量級)，采用壓電敏感層的下側(cè)陣列電極與電荷讀出集成電路的電荷注入電極直接連通的方式，可以省去電極轉(zhuǎn)接板。當陣列傳感器的尺寸較大時，壓電敏感層的下側(cè)陣列電極通過電極轉(zhuǎn)接板(使電極間距成比例縮小)與電荷讀出集成電路的電荷注入電極對接。
權(quán)利要求
1.陣列壓電傳感器，包括電路板，電路板上固定設(shè)置頂部開放的金屬外殼，其特征在于金屬外殼內(nèi)由上至下依次設(shè)置有橡膠封裝層、壓電敏感層、電極轉(zhuǎn)接板和電荷讀出集成電路；電路板上設(shè)置的電源輸入端口和信號輸出端口分別與電荷讀出集成電路連接，電荷讀出集成電路的地電極與電路板的地電極連接；所述的橡膠封裝層是厚度為1～2mm的橡膠片，其外表面設(shè)置有突出的突點，突點呈陣列排列；所述的壓電敏感層包括聚偏二氟乙烯片，聚偏二氟乙烯片的一面鍍有整片的金屬膜，形成整片電極，作為公共的地電極；另一面鍍有相互絕緣的呈陣列排列的金屬膜，形成陣列電極；整片電極與橡膠封裝層緊密配合，并通過導線與電路板的地電極連接；陣列電極與橡膠封裝層陣列排列的突點位置一一對應；所述的電荷讀出集成電路包括CCD集成電路，CCD集成電路中每個電荷注入電路單元連接有電荷注入電極，電荷注入電極的數(shù)量與陣列電極的數(shù)量相同；所述的電極轉(zhuǎn)接板包括絕緣板，絕緣板上表面呈陣列排列設(shè)置有上電極，絕緣板下表面設(shè)置有下電極；上電極與壓電敏感層的陣列電極位置一一對應，下電極與電荷讀出集成電路的電荷注入電極位置一一對應；每個上電極通過設(shè)置在絕緣板內(nèi)的導電絲與對應的下電極連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于接觸壓力分布測量的傳感器。陣列傳感器需解決單體傳感器的問題，以及集成小型化、相互干擾等問題。本發(fā)明的傳感器金屬外殼內(nèi)由上至下依次設(shè)置有橡膠封裝層、壓電敏感層、電極轉(zhuǎn)接板和電荷讀出集成電路。橡膠封裝層為帶有呈陣列排列突點的橡膠片。壓電敏感層包括PVDF片，PVDF片的一面為整片電極，另一面為陣列電極。陣列電極與突點位置一一對應。電荷讀出集成電路為帶有電荷注入電極的CCD集成電路。本發(fā)明利用壓電原理與集成電路相結(jié)合的方法，不僅使陣列壓電傳感器的動態(tài)性能和抗干擾能力得到明顯的改善，穩(wěn)定性也得到大大加強，同時具有表面柔順、體積小、集成度高的特點。
文檔編號G01L1/14GK101074895SQ20071006942
公開日2007年11月21日 申請日期2007年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月19日
發(fā)明者羅志增, 席旭剛, 張衛(wèi), 孟明 申請人:杭州電子科技大學