專利名稱：力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包含至少一個(gè)傳感元件的力傳感器，待測(cè)的力施加在傳感元件上，因此傳感元件對(duì)所述力作出響應(yīng)，改變它的電特性，一般為它的電阻。在測(cè)量時(shí)，電壓加在傳感元件上，使得電流流過(guò)傳感元件。由于電阻(阻抗)與所加力的依賴關(guān)系，測(cè)量電流是所加力的函數(shù)，測(cè)量電流間接也測(cè)量了力。
當(dāng)力加在物體上時(shí)，物體也受到壓力。因此，下面說(shuō)明中僅提及術(shù)語(yǔ)“力”，然而，這應(yīng)該始終包括壓力施加在傳感器上的實(shí)施例。
使用所謂夾心設(shè)計(jì)(DE-A-2854080)的力傳感器已為眾知。在這種已知的夾心設(shè)計(jì)中使用包含導(dǎo)電碳纖維的非導(dǎo)電彈性合成橡膠作為傳感元件。這傳感元件被夾在接觸件中間，使得力加在彈性橡膠扁平層上，其方向垂直于橡膠層平面。電極與橡膠層相對(duì)表面相接觸，并且當(dāng)橡膠層受力壓縮時(shí)，因?yàn)閷?dǎo)電碳纖維沿垂直于橡膠層平面的方向排列，該層的電阻抗被減小，可認(rèn)為在壓縮時(shí)越來(lái)越多碳纖維在電極之間導(dǎo)通電流，因此電阻隨壓縮力的施加而減小。在含有導(dǎo)電碳纖維的彈性人造橡膠組成的這種系統(tǒng)中，碳纖維橫跨橡膠層排列，即沿所加力方向排列，唯一方法就是測(cè)量沿所加力方向的電流。制造這種使用彈性體的傳感器結(jié)構(gòu)不會(huì)引入有關(guān)電路短路的技術(shù)問(wèn)題，因?yàn)閺椥泽w具有毫米范圍的典型厚度。
在現(xiàn)有技術(shù)中使用所謂厚膜技術(shù)來(lái)制造力傳感器(DEA381819和DE-A-411141B)也是已知的。依照這現(xiàn)有技術(shù)，在具有先印刷的電接觸片的下支持材料上印刷一層電阻膏材料，因而連接電接觸片和提供電流流動(dòng)路徑。然后在軟電阻膏材料上放下另一襯底，電阻膏硬化就將上支持和下支持材料粘結(jié)在一起。力(待測(cè)的)加在上和下支持層上，即力沿垂直于層平面的方向加在層形傳感元件上。然而在這種已知的傳感器系統(tǒng)中不是測(cè)量沿所加力方向的電流，而是測(cè)量垂直于力方向的電流，即為在夾心的電阻層平面內(nèi)的電流。這有下述原因。
如在現(xiàn)有技術(shù)中所知，厚膜技術(shù)引用印制工藝。厚膜電阻層的厚度取決于厚膜電阻油墨的印刷厚度，此印刷厚度本身又取決于印刷絲網(wǎng)框的網(wǎng)眼尺寸和還取決于印刷刷制次數(shù)。
為了運(yùn)用厚膜技術(shù)制造傳感器結(jié)構(gòu)，假如在這種結(jié)構(gòu)中電流垂直于夾層平面，也就是沿所加力方向流動(dòng)(與現(xiàn)有技術(shù)正相反)，引入的難題在于與夾心結(jié)構(gòu)的上和下電接觸片之間短路有關(guān)的問(wèn)題。尤其在燒結(jié)的電阻油墨中存在垂直于層平面方向的小針孔時(shí)，就可能發(fā)生這種短路。在下一步制造工藝時(shí)電阻層中這種針孔以后又被注入上面復(fù)蓋導(dǎo)電接觸片的導(dǎo)電材料，因此在上和下接觸片之間產(chǎn)生短路。因此，現(xiàn)有技術(shù)的厚膜力傳感器提供沿垂直于所加力方向，即沿平行于電阻層主平面的方向的電流流動(dòng)(參閱上面引用的現(xiàn)有技術(shù)文件)。
與力傳感器有關(guān)的使用厚膜技術(shù)的另一主要問(wèn)題是由結(jié)擴(kuò)散引起的。當(dāng)燒結(jié)具有相同燒結(jié)溫度和/或熔點(diǎn)的一個(gè)或以上不同膏料時(shí)，應(yīng)該看到在二個(gè)連接的膏之間的連結(jié)區(qū)會(huì)再流動(dòng)和混合在一起(擴(kuò)散)至某種程度。假如在夾心的接觸片之間的厚膜電阻具有超過(guò)1000μm的厚度，這種再流動(dòng)不會(huì)帶來(lái)大問(wèn)題。然而，當(dāng)例如電阻厚膜層厚度僅為30至80μm時(shí)，這就會(huì)引起關(guān)于局部或完全短路的問(wèn)題，此時(shí)導(dǎo)電膏對(duì)電阻膏的擴(kuò)散(透過(guò)比)是很大的。
而且，當(dāng)存在濕氣和電場(chǎng)時(shí)，使用含有游離銀離子的導(dǎo)電材料也會(huì)引起遭受銀遷移的長(zhǎng)期問(wèn)題。
而且，電極之間的電氣短路也可以是由于厚膜膏料中有機(jī)化合物的結(jié)果。在燒結(jié)和/或干燥過(guò)程時(shí)，這種有機(jī)化合物可能產(chǎn)生氣體，氣體可能可能攜帶導(dǎo)電粒子向上透過(guò)膏料，因而引起通過(guò)傳感元件的短路。因?yàn)榕c厚膜技術(shù)中短路有關(guān)的這些許多問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)測(cè)量通過(guò)薄膜層體流動(dòng)的電流，而不是沿所加力方向通過(guò)它的較小廣度流動(dòng)的電流。
以該技術(shù)問(wèn)題為宗旨的本發(fā)明提供具有高測(cè)量靈敏度，高可靠性和對(duì)所加力(或壓力)的位置不敏感的力傳感器。該力傳感器也應(yīng)該是相對(duì)緊湊的。
正如在權(quán)利要求中所描述的，本發(fā)明通過(guò)將用于傳感元件的厚膜技術(shù)(正如眾所周知的)與基本沿所加力方向的電流流動(dòng)結(jié)合而解決這問(wèn)題。
依照本發(fā)明，在夾層型力傳感器中，厚膜技術(shù)用于電阻層(傳感元件)，在電阻層上沿垂直于傳感元件層平面方向的所加力的變化導(dǎo)致傳感元件電阻的相應(yīng)分量(即垂直于層平面的分量)的變化，因而導(dǎo)致沿所加力方向流動(dòng)的電流的變化。電阻/電流的這種變化可以通過(guò)厚膜電阻層的接觸件直接測(cè)量，其中這些接觸件就在電阻層的二個(gè)側(cè)面上。在這種結(jié)構(gòu)中沿力方向的電阻變化大于垂直于力方向的電阻變化。運(yùn)用本發(fā)明利用了這一優(yōu)點(diǎn)。而且，依據(jù)本發(fā)明，測(cè)量信號(hào)也較不依賴于力所施加的位置。
本發(fā)明的推薦實(shí)施例在附的權(quán)利要求中說(shuō)明。
本發(fā)明也包括上述類型的力傳感器的制造方法。
依照本發(fā)明的推薦實(shí)施例，力傳感器具有橋式電路，已知的橋式電路與這些傳感器相連接(DEA-4111148)。這種橋式電路(例如惠斯登電橋)最好在制造電阻層的印制過(guò)程中集成在夾層結(jié)構(gòu)中。附加的橋元件至少部分與傳感器的其他元件一起印制在同一支持襯底上。這導(dǎo)致溫度特性的改善。而且，也可以將信號(hào)放大器集成在支持襯底上，從而產(chǎn)生緊湊的傳感器和放大器組件。
以下結(jié)合附圖介紹依照本發(fā)明的力傳感器的幾個(gè)實(shí)施例。
附圖簡(jiǎn)單說(shuō)明如下

圖1是力傳感器的第一實(shí)施例的截面圖;
圖2是依照?qǐng)D1的力傳感器沿力方向的視圖，局部剖去;
圖3是依照?qǐng)D1和2的力傳感器的等效電路;
圖4是力傳感器的第二實(shí)施例的截面圖;
圖5是依照?qǐng)D4的力傳感器的平面圖;
圖6是依照?qǐng)D4和5的力傳感器的等效路;
圖7是力傳感器的第三實(shí)施例的截面圖;
圖8是依照?qǐng)D7的力傳感器的平面圖;
圖9是依照?qǐng)D7和8的力傳感器的等效電路;
圖10是力傳感器的第四實(shí)施例的截面圖;
圖11是依照?qǐng)D10的力傳感器的平面圖;
圖12是依照?qǐng)D10和11的力傳感器的等效電路;
圖13是力傳感器的第五實(shí)施例的截面圖;
圖14是依照?qǐng)D13的力傳感器的平面圖;
圖15是依照?qǐng)D13和14的力傳感器的等效電路;
圖16是力傳感器的第六實(shí)施例的截面圖;
圖17是依照?qǐng)D16的力傳感器的局部剖去的平面圖;
圖18是依照?qǐng)D16和17的力傳感器的等效電路;
圖19是具有橋式電路的力傳感器的平面圖;
圖20是具有橋式電路和模仿傳感器(dummysensor)的力傳感器的平面圖;和圖21是具有橋式電路的力傳感器的另一實(shí)施例，其中模仿傳感器和該傳感器被集成。
在以下說(shuō)明力傳感器實(shí)施例中具有相同或類似功能的這些元件或零件標(biāo)以相同標(biāo)號(hào)。
如圖所示，提供有由例如象Al2O3(氧化鋁)的瓷料制成的支持襯底10。在支持襯底10上安排有下接觸件12。下接觸件12由導(dǎo)電材料制成。在下接觸件12上安排有傳感元件14。傳感元件14由一層或若干層厚膜電阻層實(shí)現(xiàn)的。在傳感元件14頂面上安排有接觸件上16。
在圖中待測(cè)力F用箭頭表示，即力F以垂直于扁平夾層結(jié)構(gòu)的主平面的方向施加，例如，力F可以借助于壓板18施加在力傳感器上。
上連接軌20從上接觸件16的平面向下至支持襯底10的平面，如圖1和2所示。下接觸軌22為下接觸件12提供電氣連接端。
如圖1和2所示，傳感元件14復(fù)蓋除下連接軌22以外的下接觸件12。如圖1和2所示，上接觸件16與下接觸件12相對(duì)準(zhǔn)。而且，上接觸件至少具有與下接觸件幾乎相同的尺寸。
用于軌22和相對(duì)應(yīng)接觸件12的材料在此實(shí)施例中是相同的。
傳感元件14由印制在下接觸件12的頂上的厚膜電阻層提供。(見(jiàn)下)。
借助于重疊的傳感元件14(電阻材料)，上接觸件16與下接觸件12相絕緣。如圖2所示，上連接軌20相對(duì)于下連接軌22有一偏移的角度，從而避免這二軌之間的短路。
圖3表示上述力傳感器的等效電路。傳感元件14即電阻薄膜層根據(jù)力F的大小改變它的阻抗，因此在上和下連接軌20、22之間電流i相應(yīng)地改變其大小(當(dāng)然，假如有電壓加在兩連接軌上)。在圖中電流i的方向用箭頭表示。
圖4至6表示力傳感器的另一實(shí)施例，其中下接觸件分為至少一個(gè)不同的扁平元件。二個(gè)下接觸件12、12a的每個(gè)被劃出的區(qū)域與下接觸軌22、22a相連接(圖5)。在圖4至6的實(shí)施例中，上接觸件16沒(méi)有連接軌。這個(gè)實(shí)施例提供的好處在于只有下支持襯底10有連接軌。下接觸件12，12a被縫24分開(kāi)。該力傳感器的主導(dǎo)電路徑(電流流動(dòng))是從第一下接觸件12通過(guò)位于這接觸件上面的傳感元件14的區(qū)域流到上接觸件16，然后沿上接觸件16和再通過(guò)傳感元件的第二區(qū)域流到第二下接觸件12a。這意味著電流至少在其路徑部分一平行于力F的方向流動(dòng)(力在圖中始終用粗箭頭表示)。
在圖4至6的實(shí)施例中還存在第二個(gè)次電流路徑，它是從第一下接觸件12通過(guò)位于縫24中的電阻材料(它可以是與傳感元件中相同的材料)流到第二下接觸件12a。這個(gè)縫的效應(yīng)是小的，但可以通過(guò)或者增加縫24的尺寸和/或從縫中略去電阻材料進(jìn)一步減小此效應(yīng)。
依照?qǐng)D6，電流以下連接軌22流向另一下連接軌22a，并且電流表示所加力F的大小。
圖7至9表示與圖4至6的實(shí)施例相對(duì)應(yīng)的實(shí)施例，不同之處在于上接觸件16有附加連接軌20，這提供了多種連接可能性。
圖10至12表示力傳感器的另一實(shí)施例，其中印制過(guò)程的順序被這樣修改，使得與圖4至9所示實(shí)施例相比較，在傳感元件14的相對(duì)側(cè)面上印制上和下接觸件12，16和上和下連接軌20、22的形式。從以上說(shuō)明看來(lái)這實(shí)施例從圖10至12是清楚明了的。
圖13至15所示的實(shí)施例與圖10至12的實(shí)施例相對(duì)應(yīng)，不同在于下接觸件12具有附加的連接軌22，然而如圖13和15所示施加兩個(gè)不同的力F1和F2，通過(guò)測(cè)量分別經(jīng)受力F1和F2的傳感元件14的各個(gè)區(qū)域的電阻率(阻抗)的變化，可以分別測(cè)量?jī)闪1和F2。這也適合于圖7至9。
圖16至18表示力傳感器的又一實(shí)施例，該傳感器結(jié)構(gòu)均有穿孔26，在其不同層區(qū)域內(nèi)構(gòu)成傳感器結(jié)構(gòu)。圖16和17所示的孔26為圓柱形，但也可以為其他形狀。例如，可以在支持襯底和各種其他元件上形成開(kāi)縫。
孔26可以用于插入機(jī)械元件，使支持襯底10和元件12、14和16受到壓縮力，這壓縮力在所測(cè)力F加上之前提供一定的偏壓。
支持襯底10的材料可以是例如96%氧化鋁的非導(dǎo)電材料，但也可以是導(dǎo)電材料，例如為金屬結(jié)構(gòu)，而其部分外表面是非導(dǎo)電的，例如涂氧化物或涂玻璃薄膜。
在上述實(shí)施例(和下述實(shí)施例)中，燒結(jié)的厚膜電阻材料用作傳感元件14，其中與所加力(或壓力)有關(guān)的電信號(hào)(電流)與所加力方向相同。
傳感元件14具有含有固位在玻璃體中的導(dǎo)電金屬原子的非晶體結(jié)構(gòu)，其中的傳感元件14的阻抗取決于導(dǎo)電原子的外軌道的分離。這種分離和傳感元件14的阻抗可以通過(guò)施加力而變化。由所加力引起的電阻層厚度的變化的絕對(duì)大小被測(cè)得為幾微米。
當(dāng)力沿垂直于傳感器結(jié)構(gòu)的上接觸件16的平面的方向施加時(shí)，和當(dāng)支持襯底是固定的(不能移動(dòng)或彎曲)時(shí)，引起傳感元件14的電阻值變化，此處通過(guò)測(cè)量電流測(cè)量電阻值變化，該測(cè)量信號(hào)正比于所加力。假如支持襯底10這樣安裝，使得在承受負(fù)載時(shí)不會(huì)變形，輸出阻抗變化則由于電阻層沿力方向的微壓縮。另一方面，假如支持襯底10這樣安裝，使得在承受負(fù)載時(shí)容許傳感器結(jié)構(gòu)彎曲(應(yīng)力測(cè)量模式)，傳感元件14的電阻層的輸出阻抗變化會(huì)更大，但力被限制在支持襯底10的彎曲強(qiáng)度。通過(guò)傳感器的外罩(未圖示)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行模式的選擇。
通過(guò)在圖示的傳感器上表面，即上接觸件16的上表面和力所施加的機(jī)械零件，例如壓板18的表面之間使用塑性變形介質(zhì)，可以使上述(和下述)實(shí)施例中所示的傳感器稍加改變。這種塑性變形介質(zhì)補(bǔ)償表面上任何非平坦部分。在制造力傳感器過(guò)程中可以對(duì)塑性變形介質(zhì)預(yù)加載，使其表面適合傳感器和力所施加的另一機(jī)械零件(例如壓板18)的表面。預(yù)加載力可以超過(guò)傳感器額定工作負(fù)載。
為了避免上述的關(guān)于傳感元件內(nèi)短路的困難，必須相對(duì)于其他層和粘結(jié)劑考慮各層的特性和/或應(yīng)適當(dāng)選擇各材料層的相對(duì)熔點(diǎn)和燒結(jié)點(diǎn)。尤其是，各種技術(shù)的混和可以是優(yōu)越的，例如，接觸件12、16中一個(gè)或以上可以使用厚膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
例如，圖1至17所示的力傳感器實(shí)施例可以按下法制造。
下接觸件12和(假如需要的話)下連接軌22可以使用相同材料。這些導(dǎo)電元件的推薦材料是使用氧化物粘結(jié)機(jī)理與瓷襯底10相粘結(jié)的材料，即在燒結(jié)過(guò)程(約850℃時(shí))時(shí)導(dǎo)電膏經(jīng)歷化學(xué)變化，這在進(jìn)而再燒結(jié)時(shí)是不可逆的。使用這種膏，在支持襯底10上印制接觸件12和連接軌22，然后按制造規(guī)范進(jìn)行干燥和燒結(jié)?；蛘撸瑢?duì)于下接觸件12可以使用混合的厚膜或玻璃粘結(jié)膏，這里在所選膏中含有的玻璃料的熔點(diǎn)高于傳感元件14的電阻膏材料的峰值燒結(jié)溫度。
然后在所述燒結(jié)的下接觸件12上印制薄膜膏層，以建立傳感元件14。最好為膏狀的傳感元件14的材料從設(shè)計(jì)為在峰值溫度850℃燒結(jié)的這類膏中選擇。這種膏的粘結(jié)機(jī)理是所謂玻璃粉粘結(jié)。該膏含有在燒結(jié)過(guò)程中熔化的小玻璃微粒(玻璃粉)，玻璃粉的熔點(diǎn)低于電阻膏的峰值燒結(jié)溫度。因此，在冷卻時(shí)該結(jié)構(gòu)被這些固化的玻璃微粒粘結(jié)在一起。粘結(jié)力與再加熱玻璃粉超過(guò)其熔點(diǎn)的溫度時(shí)的溫度有關(guān)。假如達(dá)到這種溫度，粘結(jié)性能被融化，因而容許原先固定在玻璃結(jié)構(gòu)中微粒自由移動(dòng)。為了避免穿過(guò)電阻層的針孔問(wèn)題(為了避免短路)，電阻可從被印制為最少二層電阻層構(gòu)成，每次印制電阻油墨后要在150℃爐中干燥約15分鐘。該時(shí)間可以根據(jù)油墨料的量和電阻膏溶劑成分加以調(diào)節(jié)。
當(dāng)印制的電阻層具有所要求的經(jīng)干燥的厚度時(shí)，經(jīng)干燥的油墨層被燒結(jié)在下接觸件12和支持襯底10上。根據(jù)所要求的總印制厚度，可以在最終印制厚度達(dá)到之前的至少一個(gè)中間狀態(tài)增加燒結(jié)傳感元件14的電阻層。
對(duì)于上接觸件16和連接軌20(假如需要的話)又可以使用同樣的導(dǎo)電材料，例如使用低熔點(diǎn)玻璃膏粘結(jié)的膏料。該低熔點(diǎn)玻璃膏在比位于下面的傳感元件14的電阻層中所含有的玻璃膏的熔點(diǎn)更低的溫度時(shí)熔化和燒結(jié)。用于制造上接觸件16的膏印制在傳感元件14的已燒結(jié)的電阻材料上，然后按照對(duì)傳感元件14的制造規(guī)范在爐中干燥和再被燒結(jié)。
傳感元件14的電阻層的燒結(jié)后厚度建議在5至100μm范圍，大多數(shù)最好為5至50μm。
圖19至21表示上述力傳感器包括橋式電路后的改型和特殊使用。
在圖19的實(shí)施例中，供給橋式電路的電壓加在輸入端38、38a。電阻34的阻抗可以被調(diào)節(jié)，例如通過(guò)激光校準(zhǔn)或類似的研磨技術(shù)來(lái)達(dá)到所要求的電橋靈敏度。
如圖19所示，電橋元件特別是電阻30、32、34和36，至少包括一個(gè)附加的校準(zhǔn)電阻34可以與傳感結(jié)構(gòu)28一起被包括在支持襯底10上。圖19至21中標(biāo)號(hào)28表示例如按照?qǐng)D1至18中的一圖的力傳感器。
電橋中電阻，連接軌(線)和(假如需要的話)與信號(hào)放大器有關(guān)的電阻可以在傳感結(jié)構(gòu)28的印制和燒結(jié)過(guò)程期間一起處理，其中電阻的燒結(jié)要與傳感元件14的厚膜電阻的最終燒結(jié)同時(shí)進(jìn)行。
在圖19所示的實(shí)施例中，電阻32和傳感器結(jié)構(gòu)28使用不同的電阻膏材料和也具有非常不同的結(jié)構(gòu)形式。這造成兩個(gè)元件通常具有不同的電阻溫度系數(shù)。這二種材料的不同有助于支配最后輸出信號(hào)相對(duì)于溫度的穩(wěn)定性。
圖20表示相對(duì)于溫度補(bǔ)償問(wèn)題具有改善的特性的設(shè)計(jì)。在該實(shí)施例中，圖19的電阻32被電阻40代替，從傳感元件14(在下接觸件和上接觸件之間)的電阻材料的區(qū)域和厚度來(lái)說(shuō)電阻40幾乎仿制傳感器28。此外，用于模仿傳感器40和傳感器28的電阻層的膏料是相同的。構(gòu)成傳感器28和模仿傳感器40的各層應(yīng)該使用相同的絲網(wǎng)印刷框或相同透過(guò)率的絲網(wǎng)印刷涂料機(jī)，從而使得在兩個(gè)印刷的元件上任何厚度差別或材料差別被均衡。
圖19的電阻30和36的溫度系數(shù)的任何差別決定最后輸出信號(hào)相對(duì)于溫度的穩(wěn)定性。因此，對(duì)電阻30和36使用相同的膏料會(huì)改善溫度補(bǔ)償。
為了選擇校準(zhǔn)電阻30或36，電阻30和36可從這樣印制或者相同電阻油墨的不同厚度，或者也使用相同膏料而電阻的長(zhǎng)寬比(長(zhǎng)度/寬度)不同，使得校準(zhǔn)電阻的位置由全橋中電阻元件的比值而給定的。所選擇的校準(zhǔn)電阻(由印制工藝選擇)然后被校準(zhǔn)，例如通過(guò)激光校準(zhǔn)直至所要求的輸出電壓達(dá)到TP1和TP2之間的點(diǎn)為止。
模仿傳感器40和傳感器28可以被這樣地集成在一起，構(gòu)成一個(gè)組合的傳感器/模仿傳感器，這提供尺寸縮小的好處。圖21表示這種集成的應(yīng)用，其中模仿傳感器40a區(qū)域不受到任何力的作用。該圖表示圖14所示類型被集成后的傳感器設(shè)計(jì)，但是可以選擇使用圖8所示類型被集成后的設(shè)計(jì)。
當(dāng)力傳感器與橋式電路一起制造時(shí)，下列細(xì)節(jié)已證明是有用的總共使用四付絲網(wǎng)框。
第一絲網(wǎng)用于在支持襯底上制造下接觸件。絲網(wǎng)由不銹鋼制成，網(wǎng)眼密度為325/英寸。網(wǎng)眼角度是45°。
第二絲網(wǎng)用于制造電橋中電阻。該絲網(wǎng)由不銹鋼制成，網(wǎng)眼密度為200/英寸。網(wǎng)眼角度是45°。
第三絲網(wǎng)用于制造傳感元件的電阻層。該絲網(wǎng)也是由不銹鋼制成，網(wǎng)眼密度為200/英寸。網(wǎng)眼角度是45°。
第四絲網(wǎng)用于制造上接觸件。它由不銹鋼制成，網(wǎng)眼密度為325/英寸。網(wǎng)眼角度45°。
為了制造各層使用四種厚膜膏。對(duì)于第一接觸件使用杜邦5723金。對(duì)于電橋電阻使用杜邦1939(10KΩ)。對(duì)于傳感元件和模仿傳感器的電阻層使用HeraeusR8291(1GΩ)膏。對(duì)于上接觸件使用HeraeusC4350金膏。膏的涂敷使用絲網(wǎng)印刷機(jī)AMIPRESCO465進(jìn)行。
對(duì)于制造下接觸件，下列工藝參數(shù)已證明能產(chǎn)生良好結(jié)果1.絲網(wǎng)至襯底距離0.762mm(0.030″)2.橡皮滾子硬度75肖氏硬度3.橡皮滾子力13N(1.3Kg)4.印制速度11.43cm/秒(4.5″/秒)5.在室溫下擱置時(shí)間10分鐘6.干燥時(shí)間/溫度10分鐘/150℃7.干燥后厚度18μm-20μm8.在850℃的BTU爐中燒結(jié)9.燒結(jié)后厚度10μm對(duì)于制造電橋中電阻下列參數(shù)產(chǎn)生良好的結(jié)果1.框距離0.762mm(0.030″)2.橡皮滾子硬度75肖氏硬度3.橡皮滾子力10N(1kg)4.印制速度11.43cm/秒(4.5″/秒)5.室溫下擱置時(shí)間10分鐘6.干燥時(shí)間/溫度15分鐘/150℃7.干燥后厚度16μm
對(duì)于制造傳感元件14下列參數(shù)產(chǎn)生良好結(jié)果1.框距離(Snapoff)0.762mm(0.030″)2.橡皮滾子硬度75(肖氏硬度)3.橡皮滾子力10N(1kg)4.印制速度10.92cm/秒(4.3″/秒)5.放置時(shí)間10分鐘6.干燥時(shí)間/溫度15分鐘/150℃7.步驟1至6重復(fù)四次至最終干燥厚度為110-120μm8.燒結(jié)后厚度60-70μm對(duì)干制造上接觸件下列參數(shù)產(chǎn)生良好結(jié)果1.框距離0.762mm(0.030″)2.橡皮滾子硬度75(肖氏硬度)3.橡皮滾子力9N(1kg)4.印制速度11.94cm/秒(4.7″/秒)5.放置時(shí)間10分鐘6.干燥時(shí)間/溫度15分鐘/150℃7.干燥后厚度18μm8.燒結(jié)后厚度60μm上述技術(shù)可以與混合(Hybrid)技術(shù)和/或ASIC技術(shù)結(jié)合運(yùn)用，在與電橋和傳感器相同的支持襯底10上引入集成的信號(hào)放大器以及要建立的相應(yīng)電路。
完整的傳感器組件(假如需要的話包括電橋和放大器)可以或者部分地或者完全地被作為保持或隔離膜的薄膜密封。
上述類型傳感器可以安裝在車(chē)輛剎車(chē)系統(tǒng)內(nèi)。與測(cè)量力相對(duì)應(yīng)的信號(hào)可以用作電子控制電路的輸入信號(hào)，用以指示司機(jī)希望剎車(chē)的力。
而且，這種力傳感器可以用在車(chē)輛中，用于控制剎車(chē)燈亮度，使得燈亮度根據(jù)測(cè)量的力的大小而增加，因而給予其他隨后的車(chē)輛司機(jī)以改善的可見(jiàn)指示。
而且，這種力傳感器可以用于在司機(jī)特定急剎車(chē)請(qǐng)求時(shí)控制車(chē)輛危險(xiǎn)警告燈。
權(quán)利要求
1.力傳感器含有至少一個(gè)傳感元件(14)，所述力以一方向施加在傳感元件上，于是所述傳感元件(14)根據(jù)所述力改變它的電特性并且電流流過(guò)所述傳感元件(14)，其特征在于所述電流至少沿力(F)方向流過(guò)其電流流動(dòng)路徑的一部分和所述傳感元件(14)是燒結(jié)的厚膜電阻材料。
2.依照權(quán)利要求1的傳感器，其特征在于所述傳感元件(14)含有當(dāng)所述力施加在傳感元件上時(shí)會(huì)改變其電阻抗的材料。
3.依照權(quán)利要求2的傳感器，其特征在于所述傳感元件(14)為薄層形式，被夾在至少兩個(gè)接觸件(12，16)之間。
4.依照上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的傳感器，其特征在于它包含如下部分支持襯底(10)，下接觸件(12)，作為傳感元件(14)的厚膜電阻材料，上接觸件(16)，下連接軌(22)和上連接軌(20)，其中所述下接觸件(12)位于支持襯底(10)上，所述下連接軌(22)從位于所述支持襯底(10)上表面的所述下接觸件(12)延伸，所述傳感元件(14)從電阻膏制得的，重疊在下接觸件(12)上，上接觸件(16)位于傳感元件(14)頂面上，并與下接觸元件(12)相對(duì)準(zhǔn)，從上接觸件(16)延伸的連接軌(20)向下與支持襯底(10)相接觸，通過(guò)重疊在下接觸件(12)上的傳感元件(14)使得上連接軌(20)和下接觸件(12)之間達(dá)到電絕緣。
5.依照權(quán)利要求1至3中的一項(xiàng)的傳感器，其特征在于它包含如下部分支持襯底(10)，至少兩個(gè)下接觸件(12，12a)，厚膜電阻材料制得的傳感元件(14)，上接觸件(16)和至少二個(gè)下連接軌(22，22a)，其中下接觸件位于支持襯底上和從所述下接觸件延伸的所述下連接軌被安排在位于支持襯底表面，所述傳感元件重疊在下接觸件上，和上接觸件位于傳感元件的頂面上，并與下接觸件對(duì)齊。
6.依照權(quán)利要求1至3之一的傳感器，其特征在于它包含如下部分支持襯底(10)，至少二個(gè)下接觸件(12，12a)，厚膜電阻材料制得的傳感元件(14)，至少一個(gè)上接觸件(16)，至少二個(gè)下連接軌(22，22a)和至少一個(gè)上連接軌(20)，其中下接觸件位于支持襯底上，從下接觸件延伸的下連接軌位于支持襯底上，所述傳感元件重疊在下接觸件上，上接觸件位于傳感元件頂面上，并與下接觸件對(duì)齊，從上接觸件延伸的上連接軌向下至支持襯底，通過(guò)重疊在下接觸件上的傳感元件使得上連接軌和下接觸件之間達(dá)到電絕緣。
7.依照權(quán)利要求1至3之一的傳感器，其特征在于它包含如下部分支持襯底(10)、下接觸件(12)、薄膜電阻材料制得的傳感元件(14)，至少二個(gè)上接觸件(16，16a)，和至少二個(gè)上連接軌(20，20a)，其中下接觸件位于支持襯底上，傳感元件重疊在下接觸件上，上接觸件位于傳感元件頂面上，并與下接觸件對(duì)齊，從上接觸件延伸的連接軌向下至支持襯底，通過(guò)重疊在下接觸件上的傳感元件使得在上連接軌和下接觸件之間達(dá)到電絕緣。
8.依照權(quán)利要求1至3之一的傳感器，其特征在于它包含如下部分支持襯底(10)，下接觸件(12)，厚膜電阻材料制得的傳感元件(14)，至少二個(gè)上接觸件，下連接軌和至少二個(gè)上連接軌，其中下接觸件位于支持襯底上和從下接觸件延伸的下連接軌位于支持襯底上，傳感元件重疊在下接觸件上，上接觸件位于傳感元件頂面上，并與下接觸件對(duì)齊，從上接觸件延伸的連接軌向下至支持襯底，通過(guò)重疊在下接觸件上的傳感元件使得上連接軌和下接觸件之間達(dá)到電絕緣。
9.依照上述權(quán)利要求之一的傳感器，其特征在于它包含沿力(F)方向至少穿過(guò)傳感元件的孔(26)。
10.依照上述權(quán)利要求之一的傳感器，其特征在于它被安排有惠斯登電橋電路，該電橋至少部分位于支持襯底(10)上，它含有至少一個(gè)附加的外部校準(zhǔn)電阻(34)。
11.依照權(quán)利要求10的傳感器，其特征在于模仿傳感器(dummy sensor)(40，40a)被提供用于溫度補(bǔ)償，這里模仿傳感器不用于傳感力。
12.依照權(quán)利要求10或11之一的傳感器，其特征在于橋式電路中至少一個(gè)電阻由依照權(quán)利要求4或8之一的傳感器結(jié)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)。
13.依照權(quán)利要求10至12之一的傳感器，其特征在于橋式電路中各電阻的相對(duì)長(zhǎng)寬比(長(zhǎng)度，寬度和厚度)是不同的，從而產(chǎn)生各電阻的不同阻抗值。
14.依照權(quán)利要求4至13之一的傳感器，其特征在于在與傳感器相同的支持襯底(10)上附加地集成信號(hào)放大器和(假如需要的話)信號(hào)調(diào)節(jié)電路。
15.依照上述權(quán)利要求之一的傳感器，其特征在于在傳感器的最外層加以薄膜密封。
16.依照上述權(quán)利要求之一的傳感器，其特征在于在傳感器的最上層上放置有塑性變形介質(zhì)。
17.依照權(quán)利要求4至16之一的傳感器，其特征在于支持襯底(10)至少在一個(gè)側(cè)面上包含非導(dǎo)電材料。
18.依照上述權(quán)利要求之一的傳感器，其特征在于它應(yīng)用在車(chē)輛剎車(chē)系統(tǒng)，用于檢測(cè)車(chē)輛司機(jī)與剎車(chē)指令有關(guān)的移動(dòng)。
19.依照上述權(quán)利要求之一的傳感器，其特征在于用傳感器進(jìn)行的測(cè)量用于控制車(chē)輛剎車(chē)燈亮度。
20.依照權(quán)利要求1至19之一的傳感器的制造方法，其特征在于所述傳感元件(14)由厚膜電阻油墨的至少一次絲網(wǎng)印制涂敷而產(chǎn)生。
21.依照權(quán)利要求20的方法，其特征在于傳感元件(14)在一個(gè)階段或?qū)γ總€(gè)印制層的各個(gè)燒結(jié)階段被燒結(jié)的。
22.依照權(quán)利要求20的方法，其特征在于傳感元件(14)是由相鄰的電阻薄膜層的成對(duì)層或/和一組相鄰的層經(jīng)燒結(jié)形成的。
23.依照權(quán)利要求4至8之一的傳感器的制造方法，其特征在于厚膜材料用作下接觸件和/或連接軌，運(yùn)用氧化粘結(jié)機(jī)理在燒結(jié)過(guò)程中使它們固化在支持襯底上。
24.依照權(quán)利要求4至8之一的傳感器的制造方法，其特征在于薄膜材料用于下接觸件和/或連接軌，運(yùn)用氧化粘結(jié)機(jī)理在燒結(jié)過(guò)程中使它們固化在支持襯底上，這里厚膜下接觸件(12)的再熔化溫度高于電阻油墨的燒結(jié)溫度，因此避免在接觸區(qū)域中兩種膏的混和。
25.依照權(quán)利要求4至8之一的傳感器的制造方法，其特征在于薄膜材料用作下接觸件和/或連接軌，其中運(yùn)用薄膜技術(shù)使薄膜材料選擇性地涂敷在支持襯底10上。
26.依照權(quán)利要求4至8之一的傳感器的制造方法，其特征在于薄膜材料用作上接觸件和/或連接軌，這里薄膜材料被選擇性地涂敷在傳感元件的外表面和/或襯底材料上。
27.依照權(quán)利要求4至8之一的傳感器的制造方法，其特征在于厚膜材料用作上接觸件和/或連接軌，運(yùn)用玻璃膏粘結(jié)機(jī)理使它們固位在傳感元件上，此處為上接觸件所使用的膏的峰值燒結(jié)溫度低于處于下面的傳感元件的厚膜電阻材料的再熔化點(diǎn)。
28.依照權(quán)利要求11的傳感器的制造方法，其特征在于傳感元件(14)的電阻層和模仿傳感器(40、40a)的電阻層印制時(shí)使用或者相同的絲網(wǎng)框或者相同透過(guò)率的油墨涂敷機(jī)。
全文摘要
力傳感器含有至少一個(gè)傳感元件(14)，力施加在傳感元件上。傳感元件根據(jù)所述力改變它的電特性，測(cè)量流過(guò)所述傳感元件的電流。傳感元件14含有厚膜電阻層和所述電流以所加力的方向流過(guò)傳感元件。
文檔編號(hào)G01L1/18GK1092165SQ9410072
公開(kāi)日1994年9月14日 申請(qǐng)日期1994年1月15日 優(yōu)先權(quán)日1993年1月15日
發(fā)明者R·萊特, N·奧爾福德, R·艾克 申請(qǐng)人:盧卡斯工業(yè)有限公司