專利名稱：網(wǎng)格壓力傳感芯片及制備方法、壓力分布式傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種柔性薄膜網(wǎng)格壓力傳感芯片及制備方法、用該壓力傳感 芯片組合而成的對某一局部接觸面上的壓力分布進行檢測的壓力分布式傳感 器。
背景技術：
壓力傳感器的檢測原理是基于壓敏材料受外界壓力作用而引起彈性壓縮 變形從而使其電阻發(fā)生變化(壓阻效應)，通過測量壓敏材料電阻的變化，測 量出外界壓力的大小。壓力傳感器廣泛應用于航空航天、軍事工業(yè)、汽車船 舶和醫(yī)療衛(wèi)生等領域，正在發(fā)揮著越來越重要的作用。然而在一些特殊場合 應用中，有時需對某一局部接觸面上的壓力分布進行檢測，例如檢測汽車輪胎在運轉過程中或靜止狀態(tài)下對地面的壓力分布；再如流動液體在某一靜止 接觸面上壓力分布。傳統(tǒng)壓力傳感器由于重量、體積均較大，并且受工作空 間小的限制，無法進行便捷的操作，不能滿足局部接觸面壓力分布檢測的要 求。發(fā)明內容為了解決傳統(tǒng)壓力傳感器不能對某一接觸面上壓力分布進行檢測、體積 大、重量重、操作不方便的缺點；本發(fā)明的目的在于提供一種柔性薄膜網(wǎng)格 傳感芯片以及基于MEMS [MicroElectroMechanical Systems,微型機械電子 系統(tǒng)工藝的制備方法，進一步的目的在于提供一種用該傳感芯片組合而成 的壓力分布式傳感器?？煞奖愕膶δ骋痪植拷佑|面上的壓力分布進行檢測。 為達到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術方案予以實現(xiàn)的 一種網(wǎng)格壓力傳感芯片，包括有壓敏體，其特征在于，還包括有絕緣底層和絕緣上層，絕緣底層和絕緣上層之間設置有行電極架構層和列電極架構 層；在行電極架構層中等間隔設置有多條行電極，在列電極架構層中等間隔 設置有多條列電極，行電極與列電極構成網(wǎng)格分布，行、列電極延伸至各自 架構層的兩邊分別形成行、列電極外接點；行電極架構層和列電極架構層之 間設置中間層，所述的壓敏體具有多個并剛好設置在行、列電極交叉點處的 中間層內，每個壓敏體的兩端面分別與行電極、列電極相接；所述的絕緣底 層和絕緣上層，行、列電極架構層以及中間層整體形成一個矩形片。上述方案中，所述的行電極數(shù)與列電極數(shù)相等，為四行、四列；所述的 壓敏體為圓柱形或方柱形。一種網(wǎng)格壓力傳感芯片的制備方法，包括下述步驟第一步在絕緣底層上沉積一層行電極架構層；第二步在行電極架構 層上刻蝕行電極槽；第三步在行電極槽中沉積導電金屬形成行電極；第四 步通過機械精磨工藝去除行電極架構層上面多余的金屬材料，使各行電極 之間彼此絕緣；第五步在行電極架構層及行電極上沉積中間層；第六步 在中間層刻規(guī)則行、列孔，每行孔正對行電極；第七步在行、列孔中沉積 壓敏體，并去除中間層上面多余的壓敏材料；第八步在中間層及壓敏體上 沉積列電極架構層；第九步在列電極架構層上刻蝕列電極槽；第十步在 列電極槽中沉積導電金屬形成列電極，列電極正對中間層每列孔中的壓敏體; 第十一步通過機械精磨工藝去除列電極架構層上面多余的金屬材料，使各 列電極之間彼此絕緣；第十二步在列電極架構層及列電極上沉積一層絕緣 上層。上述方法中，所述的行、列孔可刻成圓形或方形，其內沉積的壓敏體即 為圓柱形或方柱形。一種用前述網(wǎng)格壓力傳感芯片組合而成的壓力分布式傳感器，其特征在 于，包括矩形傳感器框架，傳感器框架內拼接有數(shù)個網(wǎng)格壓力傳感芯片，網(wǎng) 格壓力傳感芯片相互拼接處的行電極外接點相互連接，相互拼接處的列電極 外接點相互連接；傳感器框架的兩兩對邊分別設置有電極連接結構，網(wǎng)格壓 力傳感芯片與傳感器框架兩兩對邊接觸處的行、列電極外接點與該電極連接結構連接。所述的電極連接結構包括電極連接件和設置在傳感器框架內側的工字插 槽，電極連接件上設置有工字凸軌和外接引線孔，電極連接件裝配時，所述 的工字凸軌與工字插槽相吻合；外接引線孔連接檢測導線。本發(fā)明的柔性薄膜網(wǎng)格壓力傳感芯片行、列電極數(shù)相等，同時導電特性 也相同；因此該傳感芯片具有較好的匹配特性。只要將連接好的芯片置于某 一被檢測面上，便可測量出該處接觸面上的壓力分布。本發(fā)明的柔性薄膜網(wǎng)格壓力傳感器除了導電電極外露外，內部檢測元件 及行列電極始終均處于絕緣受保護狀態(tài)；同時由傳感芯片間的匹配特性好， 可任意組合而成所需要面積的壓力分布式檢測傳感器，因此其具有體積小、 重量輕、超薄、非侵入式檢測、操作簡單方便的優(yōu)點。本發(fā)明柔性薄膜網(wǎng)格 壓力傳感芯片及由此組合而成的壓力分布式檢測傳感器可很好地滿足對某一 局部接觸面上的壓力分布進行檢測的特殊需要，精確的完成檢測任務。


圖1是本發(fā)明的網(wǎng)格壓力傳感芯片的結構示意圖。 圖2是圖1網(wǎng)格壓力傳感芯片的壓敏體及行、列電極分布圖。 圖3是圖1網(wǎng)格壓力傳感芯片制備過程中的產(chǎn)品結構變化圖。其中圖3 (1)-圖3 (12)分別表示了步驟1到步驟12所形成的傳感芯片的形態(tài)。 圖4是用圖1網(wǎng)格壓力傳感芯片組合而成的壓力分布式傳感器結構示意圖。圖5是圖4中電極連接結構的裝配圖。 圖6是圖1網(wǎng)格壓力傳感芯片的一種應用示意圖。 圖7是圖4網(wǎng)格壓力傳感芯片組合而成的一種壓力分布式傳感器的應用 示意圖。圖l、圖2、圖4和圖5中1、絕緣底層；2、行電極架構層；3、行電 極；4、中間層；5、壓敏體；6、列電極架構層；7、列電極；8、絕緣上層； 9、行電極外接點；9'、列電極外接點；10、傳感芯片；11、傳感器框架；12、電極連接結構；13、電極連接件；14、工字凸軌；15、工字插槽；16、電極 連接面；17、外接引線孔。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。如圖1圖2所示， 一種網(wǎng)格壓力傳感芯片，包括有絕緣底層1和絕緣上 層8，絕緣底層1和絕緣上層9之間設置有行電極架構層2和列電極架構層6; 在行電極架構層2中等間隔設置有4條行電極3，在列電極架構層6中等間 隔設置有4條列電極7，行電極3與列電極7構成網(wǎng)格分布，行、列電極3、 7延伸至各自架構層的兩邊分別形成行、列電極外接點9、 9';行電極架構層 2和列電極架構層6之間設置中間層4， 16個壓敏體5設置在行、列電極交 叉點處的中間層4內，每個壓敏體15的兩端面分別與行電極3、列電極7相 接；壓敏體為圓柱形或方柱形。絕緣底層1和絕緣上層8，行、列電極架構 層2、 6以及中間層4整體形成一個方形片。如圖3 (1)-圖3 (12)所示，本發(fā)明柔性薄膜網(wǎng)格壓力傳感芯片的制備 方法包括以下步驟取絕緣底層1作為制作的基礎層，在絕緣底層l上沉積 一層行電極架構層2，接著在此行電極架構層2上刻蝕行電極槽；接著向行 電極架構層2上的溝槽中沉積導電金屬以便形成行電極3;再通過機械精磨 工藝去除多余的金屬材料，清洗磨掉的金屬粒子以使各行電極之間彼此絕緣; 接著在行電極3及行電極架構層2上沉積中間層4，然后在此中間層4上刻 規(guī)則行、列圓孔或者方孔，每行孔正對行電極3，再向這些孔中沉積壓敏材 料形成壓敏體5，接著去除殘留在中間層4上其他區(qū)域的壓敏材料；在壓敏 體5及中間層4上再沉積一層列電極架構層6,然后在此列電極架構層6上 刻蝕出列電極溝槽；接著在列電極架構層6的列電極溝槽中沉積列電極7， 再通過機械精磨去除多余的電極金屬材料并清洗，以使各列電極7之間彼此 絕緣；最后在列電極7及列電極架構層6上沉積一層絕緣上層8。柔性薄膜 網(wǎng)格壓力傳感芯片便制作完成了 。絕緣底層1和絕緣上層8所用材料相同，可使用的材料有云母片、有機玻璃、工程塑料、玻璃纖維，本實施例采用有機玻璃。行、列電極架構層 2、 6:可使用的材料有有機玻璃、導熱絕緣陶瓷、石英、氮化硅，本實施 例采用導熱絕緣陶瓷。中間層4采用導熱絕緣橡膠。壓敏體5可使用的材料 有Zn0、 SiC、 Cu20、 BaTi03, Fe203， Sn02、 GaAs、 W0、 TiA，本實施例采用 Zn0。行、列電極3、 7可使用的材料有Au、 Ag、 Cu、 Al，本實施例采用Ag。如圖4圖5所示， 一種用圖1所示的網(wǎng)格壓力傳感芯片組合而成的壓力 分布式傳感器，包括用工程塑料或硬質木材做成的一個有底矩形框架ll，框 架內拼接有4個網(wǎng)格壓力傳感芯片10，傳感芯片相互拼接處的行電極外接點 9相互連接，相互拼接處的列電極外接點9'相互連接；框架ll的兩兩對邊 內側設置有工字插槽14 (共32個)，工字插槽15中裝插有電極連接件13， 電極連接件上的工字凸軌14與工字插槽15相吻合，電極連接件13朝向傳感 器框架內的一側為電極連接面16;傳感芯片10與框架11兩兩對邊接觸處的 行、列電極外接點9、 9'與電極連接面16接觸連接；每個電極連接件13露 出工字插槽14的部分開有外接引線孔17，可用于連接檢測導線。本發(fā)明柔性薄膜網(wǎng)格壓力傳感芯片的檢測原理是當有外力作用于傳感 芯片相應的行、列電極3、 7交叉處即傳感點處時，壓敏體5的電阻因受到了 壓力作用便發(fā)生了一定變形，從而引起了傳感點處壓敏體電阻值的變化，反 映在電路上便是某一被掃描的行、列電極之間的電壓值發(fā)生了變化；根據(jù)交 叉點處的壓敏體5電壓變化便可反映出被掃描點處外力的大小。如圖6所示，芯片上每個交叉點處壓力的檢測是通過控制掃描電路對任 意行列電極間壓敏體5的電壓進行不斷掃描而實現(xiàn)的，由于該芯片中具有行 列電極架構層2、 6、中間層4;因此當外圍電路對芯片掃描時，這些絕緣架 構可有效防止導電電極金屬粒子(如銀粒子)的遷移以及由此而引起的行電 極3或者列電極7之間電極短路自通現(xiàn)象，消除行、列電極之間的寄生電容 與寄生電阻。也就是說，這些絕緣架構從結構上提高了電路的檢測精度和抗 干擾能力。如圖7所示，由于本發(fā)明實施例的柔性薄膜網(wǎng)格壓力傳感芯片行列電極 數(shù)均為4，各種計算機的檢測電路接口位數(shù)是8位、16位、32位或者64位;因此由該傳感芯片組合而成的壓力分布檢測傳感器的檢測線路可方便地與計 算機檢測電路接口進行對接。因為行列電極兩端均被暴露在外面，芯片上其 他各處均被絕緣，同時芯片上行列電極數(shù)相等。因此這樣的傳感芯片可按偶 數(shù)任意連接組合成所需要的壓力分布檢測傳感器，檢測可操作形狀接觸面上的壓力分布。圖7中所示為用4個傳感芯片組成的檢測傳感器，行列電極均 構成8位掃描。如果需對某一較大面上的壓力進行檢測時，可先設計一個與 所檢測面積相差無幾的組合框架，然后在此框架內裝配傳感芯片(圖4)。
權利要求
1.一種網(wǎng)格壓力傳感芯片，包括有壓敏體，其特征在于，還包括有絕緣底層和絕緣上層，絕緣底層和絕緣上層之間設置有行電極架構層和列電極架構層；在行電極架構層中等間隔設置有多條行電極，在列電極架構層中等間隔設置有多條列電極，行電極與列電極構成網(wǎng)格分布，行、列電極延伸至各自架構層的兩邊分別形成行、列電極外接點；行電極架構層和列電極架構層之間設置中間層，所述的壓敏體具有多個并剛好設置在行、列電極交叉點處的中間層內，每個壓敏體的兩端面分別與行電極、列電極相接；所述的絕緣底層和絕緣上層，行、列電極架構層以及中間層整體形成一個矩形片。
2. 如權利要求1所述的網(wǎng)格壓力傳感芯片，其特征在于，所述的行電極 數(shù)與列電極數(shù)相等，均為四。
3. 如權利要求1或2所述的網(wǎng)格壓力傳感芯片，其特征在于，所述的壓 敏體為圓柱形或方柱形。
4. 一種如權利要求1所述網(wǎng)格壓力傳感芯片的制備方法，其特征在于， 包括下述步驟第一步在絕緣底層上沉積一層行電極架構層；第二步在行電極架構 層上刻蝕行電極槽；第三步在行電極槽中沉積導電金屬形成行電極；第四 步通過機械精磨工藝去除行電極架構層上面多余的金屬材料，使各行電極 之間彼此絕緣；第五步在行電極架構層及行電極上沉積中間層；第六步 在中間層刻規(guī)則行、列孔，每行孔正對行電極；第七步在行、列孔中沉積 壓敏體，并去除中間層上面多余的壓敏材料；第八步在中間層及壓敏體上 沉積列電極架構層；第九步在列電極架構層上刻蝕列電極槽；第十步在 列電極槽中沉積導電金屬形成列電極,列電極正對中間層每列孔中的壓敏體; 第十一步通過機械精磨工藝去除列電極架構層上面多余的金屬材料，使各 列電極之間彼此絕緣；第十二步在列電極架構層及列電極上沉積一層絕緣 上層。
5. 如權利要求4所述網(wǎng)格壓力傳感芯片的制備方法，其特征在于，所述 的行電極數(shù)與列電極數(shù)相等，均為四。
6. 如權利要求4或5所述網(wǎng)格壓力傳感芯片的制備方法，其特征在于， 所述的行、列孔可刻成圓形或方形，其內沉積的壓敏體相應為圓柱形或方柱 形。
7. —種用權利要求1所述網(wǎng)格壓力傳感芯片組合而成的壓力分布式傳感 器，其特征在于，包括矩形傳感器框架，傳感器框架內拼接有偶數(shù)個網(wǎng)格壓 力傳感芯片，網(wǎng)格壓力傳感芯片相互拼接處的行電極外接點之間相互連接， 列電極外接點之間相互連接；傳感器框架的兩兩對邊分別設置有電極連接結 構，網(wǎng)格壓力傳感芯片與傳感器框架兩兩對邊接觸處的行、列電極外接點與 該電極連接結構連接。
8. 如權利要求7所述用權利要求1的網(wǎng)格壓力傳感芯片組合而成的壓力 分布式傳感器，其特征在于，所述的電極連接結構包括電極連接件和設置在 傳感器框架內側的工字插槽，電極連接件上設置有工字凸軌和外接引線孔， 電極連接件裝配時，所述的工字凸軌與工字插槽相吻合，電極連接件朝向傳 感器框架內的一側為電極連接面；網(wǎng)格壓力傳感芯片與傳感器框架兩兩對邊 接觸處的行、列電極外接點與所述電極連接面接觸連接；所述外接引線孔連 接檢測導線。
9. 如權利要求7所述用權利要求1的網(wǎng)格壓力傳感芯片組合而成的壓力 分布式傳感器，其特征在于，所述的傳感器框架內拼接有4個網(wǎng)格壓力傳感 芯片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種網(wǎng)格壓力傳感芯片及制備方法、壓力分布式傳感器。網(wǎng)格壓力傳感芯片包括有絕緣底層和上層，絕緣底層和上層之間設置有行電極和列電極架構層；行電極架構層中設置有多條行電極，列電極架構層中設置有多條列電極，行電極與列電極構成網(wǎng)格分布；行、列電極架構層之間設置中間層，中間層內設置多個壓敏體并剛好位于行、列電極交叉點處；每個壓敏體的兩端面分別與行電極、列電極相接；絕緣底層和上層，行、列電極架構層以及中間層整體形成一個矩形片。壓力分布式傳感器包括框架，框架內拼接有偶數(shù)個網(wǎng)格壓力傳感芯片，框架內測兩邊設置有電極連接結構。本發(fā)明網(wǎng)格壓力傳感芯片及傳感器可方便對某一局部接觸面上的壓力分布進行檢測。
文檔編號G01L1/18GK101216358SQ20081001728
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月11日 優(yōu)先權日2008年1月11日
發(fā)明者周高峰, 王新波, 蔣莊德, 趙玉龍, 趙立波 申請人:西安交通大學