专利名称：厚膜多维力觉阵列传感器的制作方法
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。
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395％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。
权利要求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。
专利摘要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％Al
文档编号G01L1/22GK2720414SQ200420026318
公开日2005年8月24日 申请日期2004年4月14日 优先权日2004年4月14日
发明者宋箭, 李文 申请人:合肥旭宁科技有限公司