专利名称：网格压力传感芯片及制备方法、压力分布式传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种柔性薄膜网格压力传感芯片及制备方法、用该压力传感 芯片组合而成的对某一局部接触面上的压力分布进行检测的压力分布式传感 器。
背景技术：
压力传感器的检测原理是基于压敏材料受外界压力作用而引起弹性压縮 变形从而使其电阻发生变化(压阻效应)，通过测量压敏材料电阻的变化，测 量出外界压力的大小。压力传感器广泛应用于航空航天、军事工业、汽车船 舶和医疗卫生等领域，正在发挥着越来越重要的作用。然而在一些特殊场合 应用中，有时需对某一局部接触面上的压力分布进行检测，例如检测汽车轮胎在运转过程中或静止状态下对地面的压力分布；再如流动液体在某一静止 接触面上压力分布。传统压力传感器由于重量、体积均较大，并且受工作空 间小的限制，无法进行便捷的操作，不能满足局部接触面压力分布检测的要 求。发明内容为了解决传统压力传感器不能对某一接触面上压力分布进行检测、体积 大、重量重、操作不方便的缺点；本发明的目的在于提供一种柔性薄膜网格 传感芯片以及基于MEMS [MicroElectroMechanical Systems,微型机械电子 系统工艺的制备方法，进一步的目的在于提供一种用该传感芯片组合而成 的压力分布式传感器。可方便的对某一局部接触面上的压力分布进行检测。 为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的 一种网格压力传感芯片，包括有压敏体，其特征在于，还包括有绝缘底层和绝缘上层，绝缘底层和绝缘上层之间设置有行电极架构层和列电极架构 层；在行电极架构层中等间隔设置有多条行电极，在列电极架构层中等间隔 设置有多条列电极，行电极与列电极构成网格分布，行、列电极延伸至各自 架构层的两边分别形成行、列电极外接点；行电极架构层和列电极架构层之 间设置中间层，所述的压敏体具有多个并刚好设置在行、列电极交叉点处的 中间层内，每个压敏体的两端面分别与行电极、列电极相接；所述的绝缘底 层和绝缘上层，行、列电极架构层以及中间层整体形成一个矩形片。上述方案中，所述的行电极数与列电极数相等，为四行、四列；所述的 压敏体为圆柱形或方柱形。一种网格压力传感芯片的制备方法，包括下述步骤第一步在绝缘底层上沉积一层行电极架构层；第二步在行电极架构 层上刻蚀行电极槽；第三步在行电极槽中沉积导电金属形成行电极；第四 步通过机械精磨工艺去除行电极架构层上面多余的金属材料，使各行电极 之间彼此绝缘；第五步在行电极架构层及行电极上沉积中间层；第六步 在中间层刻规则行、列孔，每行孔正对行电极；第七步在行、列孔中沉积 压敏体，并去除中间层上面多余的压敏材料；第八步在中间层及压敏体上 沉积列电极架构层；第九步在列电极架构层上刻蚀列电极槽；第十步在 列电极槽中沉积导电金属形成列电极，列电极正对中间层每列孔中的压敏体; 第十一步通过机械精磨工艺去除列电极架构层上面多余的金属材料，使各 列电极之间彼此绝缘；第十二步在列电极架构层及列电极上沉积一层绝缘 上层。上述方法中，所述的行、列孔可刻成圆形或方形，其内沉积的压敏体即 为圆柱形或方柱形。一种用前述网格压力传感芯片组合而成的压力分布式传感器，其特征在 于，包括矩形传感器框架，传感器框架内拼接有数个网格压力传感芯片，网 格压力传感芯片相互拼接处的行电极外接点相互连接，相互拼接处的列电极 外接点相互连接；传感器框架的两两对边分别设置有电极连接结构，网格压 力传感芯片与传感器框架两两对边接触处的行、列电极外接点与该电极连接结构连接。所述的电极连接结构包括电极连接件和设置在传感器框架内侧的工字插 槽，电极连接件上设置有工字凸轨和外接引线孔，电极连接件装配时，所述 的工字凸轨与工字插槽相吻合；外接引线孔连接检测导线。本发明的柔性薄膜网格压力传感芯片行、列电极数相等，同时导电特性 也相同；因此该传感芯片具有较好的匹配特性。只要将连接好的芯片置于某 一被检测面上，便可测量出该处接触面上的压力分布。本发明的柔性薄膜网格压力传感器除了导电电极外露外，内部检测元件 及行列电极始终均处于绝缘受保护状态；同时由传感芯片间的匹配特性好， 可任意组合而成所需要面积的压力分布式检测传感器，因此其具有体积小、 重量轻、超薄、非侵入式检测、操作简单方便的优点。本发明柔性薄膜网格 压力传感芯片及由此组合而成的压力分布式检测传感器可很好地满足对某一 局部接触面上的压力分布进行检测的特殊需要，精确的完成检测任务。
图1是本发明的网格压力传感芯片的结构示意图。 图2是图1网格压力传感芯片的压敏体及行、列电极分布图。 图3是图1网格压力传感芯片制备过程中的产品结构变化图。其中图3 (1)-图3 (12)分别表示了步骤1到步骤12所形成的传感芯片的形态。 图4是用图1网格压力传感芯片组合而成的压力分布式传感器结构示意图。图5是图4中电极连接结构的装配图。 图6是图1网格压力传感芯片的一种应用示意图。 图7是图4网格压力传感芯片组合而成的一种压力分布式传感器的应用 示意图。图l、图2、图4和图5中1、绝缘底层；2、行电极架构层；3、行电 极；4、中间层；5、压敏体；6、列电极架构层；7、列电极；8、绝缘上层； 9、行电极外接点；9'、列电极外接点；10、传感芯片；11、传感器框架；12、电极连接结构；13、电极连接件；14、工字凸轨；15、工字插槽；16、电极 连接面；17、外接引线孔。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。如图1图2所示， 一种网格压力传感芯片，包括有绝缘底层1和绝缘上 层8，绝缘底层1和绝缘上层9之间设置有行电极架构层2和列电极架构层6; 在行电极架构层2中等间隔设置有4条行电极3，在列电极架构层6中等间 隔设置有4条列电极7，行电极3与列电极7构成网格分布，行、列电极3、 7延伸至各自架构层的两边分别形成行、列电极外接点9、 9';行电极架构层 2和列电极架构层6之间设置中间层4， 16个压敏体5设置在行、列电极交 叉点处的中间层4内，每个压敏体15的两端面分别与行电极3、列电极7相 接；压敏体为圆柱形或方柱形。绝缘底层1和绝缘上层8，行、列电极架构 层2、 6以及中间层4整体形成一个方形片。如图3 (1)-图3 (12)所示，本发明柔性薄膜网格压力传感芯片的制备 方法包括以下步骤取绝缘底层1作为制作的基础层，在绝缘底层l上沉积 一层行电极架构层2，接着在此行电极架构层2上刻蚀行电极槽；接着向行 电极架构层2上的沟槽中沉积导电金属以便形成行电极3;再通过机械精磨 工艺去除多余的金属材料，清洗磨掉的金属粒子以使各行电极之间彼此绝缘; 接着在行电极3及行电极架构层2上沉积中间层4，然后在此中间层4上刻 规则行、列圆孔或者方孔，每行孔正对行电极3，再向这些孔中沉积压敏材 料形成压敏体5，接着去除残留在中间层4上其他区域的压敏材料；在压敏 体5及中间层4上再沉积一层列电极架构层6,然后在此列电极架构层6上 刻蚀出列电极沟槽；接着在列电极架构层6的列电极沟槽中沉积列电极7， 再通过机械精磨去除多余的电极金属材料并清洗，以使各列电极7之间彼此 绝缘；最后在列电极7及列电极架构层6上沉积一层绝缘上层8。柔性薄膜 网格压力传感芯片便制作完成了 。绝缘底层1和绝缘上层8所用材料相同，可使用的材料有云母片、有机玻璃、工程塑料、玻璃纤维，本实施例采用有机玻璃。行、列电极架构层 2、 6:可使用的材料有有机玻璃、导热绝缘陶瓷、石英、氮化硅，本实施 例采用导热绝缘陶瓷。中间层4采用导热绝缘橡胶。压敏体5可使用的材料 有Zn0、 SiC、 Cu20、 BaTi03, Fe203， Sn02、 GaAs、 W0、 TiA，本实施例采用 Zn0。行、列电极3、 7可使用的材料有Au、 Ag、 Cu、 Al，本实施例采用Ag。如图4图5所示， 一种用图1所示的网格压力传感芯片组合而成的压力 分布式传感器，包括用工程塑料或硬质木材做成的一个有底矩形框架ll，框 架内拼接有4个网格压力传感芯片10，传感芯片相互拼接处的行电极外接点 9相互连接，相互拼接处的列电极外接点9'相互连接；框架ll的两两对边 内侧设置有工字插槽14 (共32个)，工字插槽15中装插有电极连接件13， 电极连接件上的工字凸轨14与工字插槽15相吻合，电极连接件13朝向传感 器框架内的一侧为电极连接面16;传感芯片10与框架11两两对边接触处的 行、列电极外接点9、 9'与电极连接面16接触连接；每个电极连接件13露 出工字插槽14的部分开有外接引线孔17，可用于连接检测导线。本发明柔性薄膜网格压力传感芯片的检测原理是当有外力作用于传感 芯片相应的行、列电极3、 7交叉处即传感点处时，压敏体5的电阻因受到了 压力作用便发生了一定变形，从而引起了传感点处压敏体电阻值的变化，反 映在电路上便是某一被扫描的行、列电极之间的电压值发生了变化；根据交 叉点处的压敏体5电压变化便可反映出被扫描点处外力的大小。如图6所示，芯片上每个交叉点处压力的检测是通过控制扫描电路对任 意行列电极间压敏体5的电压进行不断扫描而实现的，由于该芯片中具有行 列电极架构层2、 6、中间层4;因此当外围电路对芯片扫描时，这些绝缘架 构可有效防止导电电极金属粒子(如银粒子)的迁移以及由此而引起的行电 极3或者列电极7之间电极短路自通现象，消除行、列电极之间的寄生电容 与寄生电阻。也就是说，这些绝缘架构从结构上提高了电路的检测精度和抗 干扰能力。如图7所示，由于本发明实施例的柔性薄膜网格压力传感芯片行列电极 数均为4，各种计算机的检测电路接口位数是8位、16位、32位或者64位;因此由该传感芯片组合而成的压力分布检测传感器的检测线路可方便地与计 算机检测电路接口进行对接。因为行列电极两端均被暴露在外面，芯片上其 他各处均被绝缘，同时芯片上行列电极数相等。因此这样的传感芯片可按偶 数任意连接组合成所需要的压力分布检测传感器，检测可操作形状接触面上的压力分布。图7中所示为用4个传感芯片组成的检测传感器，行列电极均 构成8位扫描。如果需对某一较大面上的压力进行检测时，可先设计一个与 所检测面积相差无几的组合框架，然后在此框架内装配传感芯片(图4)。
权利要求
1.一种网格压力传感芯片，包括有压敏体，其特征在于，还包括有绝缘底层和绝缘上层，绝缘底层和绝缘上层之间设置有行电极架构层和列电极架构层；在行电极架构层中等间隔设置有多条行电极，在列电极架构层中等间隔设置有多条列电极，行电极与列电极构成网格分布，行、列电极延伸至各自架构层的两边分别形成行、列电极外接点；行电极架构层和列电极架构层之间设置中间层，所述的压敏体具有多个并刚好设置在行、列电极交叉点处的中间层内，每个压敏体的两端面分别与行电极、列电极相接；所述的绝缘底层和绝缘上层，行、列电极架构层以及中间层整体形成一个矩形片。
2. 如权利要求1所述的网格压力传感芯片，其特征在于，所述的行电极 数与列电极数相等，均为四。
3. 如权利要求1或2所述的网格压力传感芯片，其特征在于，所述的压 敏体为圆柱形或方柱形。
4. 一种如权利要求1所述网格压力传感芯片的制备方法，其特征在于， 包括下述步骤第一步在绝缘底层上沉积一层行电极架构层；第二步在行电极架构 层上刻蚀行电极槽；第三步在行电极槽中沉积导电金属形成行电极；第四 步通过机械精磨工艺去除行电极架构层上面多余的金属材料，使各行电极 之间彼此绝缘；第五步在行电极架构层及行电极上沉积中间层；第六步 在中间层刻规则行、列孔，每行孔正对行电极；第七步在行、列孔中沉积 压敏体，并去除中间层上面多余的压敏材料；第八步在中间层及压敏体上 沉积列电极架构层；第九步在列电极架构层上刻蚀列电极槽；第十步在 列电极槽中沉积导电金属形成列电极,列电极正对中间层每列孔中的压敏体; 第十一步通过机械精磨工艺去除列电极架构层上面多余的金属材料，使各 列电极之间彼此绝缘；第十二步在列电极架构层及列电极上沉积一层绝缘 上层。
5. 如权利要求4所述网格压力传感芯片的制备方法，其特征在于，所述 的行电极数与列电极数相等，均为四。
6. 如权利要求4或5所述网格压力传感芯片的制备方法，其特征在于， 所述的行、列孔可刻成圆形或方形，其内沉积的压敏体相应为圆柱形或方柱 形。
7. —种用权利要求1所述网格压力传感芯片组合而成的压力分布式传感 器，其特征在于，包括矩形传感器框架，传感器框架内拼接有偶数个网格压 力传感芯片，网格压力传感芯片相互拼接处的行电极外接点之间相互连接， 列电极外接点之间相互连接；传感器框架的两两对边分别设置有电极连接结 构，网格压力传感芯片与传感器框架两两对边接触处的行、列电极外接点与 该电极连接结构连接。
8. 如权利要求7所述用权利要求1的网格压力传感芯片组合而成的压力 分布式传感器，其特征在于，所述的电极连接结构包括电极连接件和设置在 传感器框架内侧的工字插槽，电极连接件上设置有工字凸轨和外接引线孔， 电极连接件装配时，所述的工字凸轨与工字插槽相吻合，电极连接件朝向传 感器框架内的一侧为电极连接面；网格压力传感芯片与传感器框架两两对边 接触处的行、列电极外接点与所述电极连接面接触连接；所述外接引线孔连 接检测导线。
9. 如权利要求7所述用权利要求1的网格压力传感芯片组合而成的压力 分布式传感器，其特征在于，所述的传感器框架内拼接有4个网格压力传感 芯片。
全文摘要
本发明公开了一种网格压力传感芯片及制备方法、压力分布式传感器。网格压力传感芯片包括有绝缘底层和上层，绝缘底层和上层之间设置有行电极和列电极架构层；行电极架构层中设置有多条行电极，列电极架构层中设置有多条列电极，行电极与列电极构成网格分布；行、列电极架构层之间设置中间层，中间层内设置多个压敏体并刚好位于行、列电极交叉点处；每个压敏体的两端面分别与行电极、列电极相接；绝缘底层和上层，行、列电极架构层以及中间层整体形成一个矩形片。压力分布式传感器包括框架，框架内拼接有偶数个网格压力传感芯片，框架内测两边设置有电极连接结构。本发明网格压力传感芯片及传感器可方便对某一局部接触面上的压力分布进行检测。
文档编号G01L1/18GK101216358SQ20081001728
公开日2008年7月9日 申请日期2008年1月11日 优先权日2008年1月11日
发明者周高峰, 王新波, 蒋庄德, 赵玉龙, 赵立波 申请人:西安交通大学