一种薄膜压力传感器及其制造方法与流程

本发明涉及汽车座椅传感器技术领域，特别是涉及一种薄膜压力传感器及其制造方法。

背景技术：

当前汽车座椅安全带和汽车安全气囊已经被广泛使用，在交通事故发生时大大降低了伤亡率，但由于乘员约束系统是按绝大多数的成年乘员且处于正常坐姿位置而设计的，所以常规的安全气囊有可能对于儿童及身材娇小的成年造成二次碰撞伤害。目前随着车辆安全法规进一步完善，中国新车评价规程(c-ncap)对新车乘员保护措施也有明确的评判标准。美国nhtsa颁布的fmvss208安全法规里规定了所有美国国内的轿车，安全气囊应对不同类别的乘员从儿童到成人以及儿童座椅进行识别并在撞车时加以有效的保护并控制安全气囊的开启。随着各国对于汽车安全性的重视，相应出台了各自的政策法规，我国也启动了安全气囊国家标准的研究项目。安全气囊的智能化促进了乘员分类系统的研发，在汽车上装配乘员探测装置系统是我国汽车安全性能提升道路上的必然趋势。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种薄膜压力传感器及其制造方法，以解决上述现有技术存在的问题，可以根据不同乘客的体型来控制多级安全气囊的起爆程度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种薄膜压力传感器，包括传感器主体，所述传感器主体包括上层薄膜层、银浆电路层上层、碳浆涂层上层、双面胶及排气孔层、碳浆涂层下层、银浆电路层下层和下层薄膜层，所述银浆电路层上层和碳浆涂层上层分别丝印于所述上层薄膜层的表面，所述碳浆涂层下层和银浆电路层下层分别丝印于所述下层薄膜层的表面，所述传感器主体放置于上层无纺布包覆层和下层无纺布包覆层中间；所述上层薄膜层和下层薄膜层上对应丝印有银浆层和碳浆层的位置为传感器触点，所述传感器主体划分为若干个区域，各个区域中设置有多个传感器触点，电联接的各个所述传感器触点通过线路汇合后与控制器联接，所述控制器与整车控制系统或安全气囊分级控制系统信号链接。

进一步地，所述传感器主体划分为四个区域，四个区域分别对应人体的左侧大腿、右侧大腿、左侧臀部和右侧臀部的位置设置。

进一步地，每侧大腿区域内至少设计有两组所述传感器触点，每组所述传感器触点包含3-5个传感器点位。

进一步地，每侧臀部区域内至少设计有两组所述传感器触点，每组所述传感器触点包含4-5个传感器点位。

进一步地，各个区域中的所述传感器触点一阵列形式分布。

进一步地，所述下层薄膜层的排气孔处粘贴有透气防水纤维布。

本发明还提供一种薄膜压力传感器的制造方法，应用于上述的薄膜压力传感器，包括以下工艺流程：

1)初切：将原料薄膜层和双面胶按要求裁切成长方形膜片；

2)高温预收缩：将裁切好的长方形膜片放置在120～150℃环境内10～20分钟；

3)除尘、除静电：消除上层薄膜层和下层薄膜层表面静电及灰尘；

4)丝印银浆：根据设计将上层薄膜层和下层薄膜层分别印刷银浆电路层上层和银浆电路层下层线路图形；

5)高温固化：将上序半成品放入烘干箱进行高温固化；

6)丝印碳浆：根据设计将上层薄膜层和下层薄膜层分别印刷碳浆涂层上层和碳浆涂层下层线路图形；

7)高温固化：将上序半成品放入烘干箱进行高温固化；

8)检测：检测上层薄膜层和下层薄膜层的半成品的固定电阻值及分布在各个位置的测试电阻值；

9)冲孔：将上层薄膜层和下层薄膜层的半成品及双面胶裁切出对应端子、触点及排气孔位；

10)除尘、除静电：消除上层薄膜层和下层薄膜层的半成品表面的灰尘、杂物、静电；

11)覆合：使用双面胶将上层薄膜层和下层薄膜层的半成品对位覆合；

12)切形：使用专用轮廓刀板将覆合后的半成品切出轮廓；

13)无纺布切型：使用专用刀板将上下层无纺布切型；

14)热合：将裁切后的半成品置于两张无纺布中间，热合无纺布使半成品镂空处粘合；

15)防水布切型：用冲孔工装将防水布按固定尺寸要求裁切好；

16)贴防水布：将裁切后的防水布贴在传感器排气孔处；

17)终检：将接口连接检测设备，检测各个固定电阻阻值及传感器触点阻值与负载曲线。

进一步地，所述步骤8)中的测试电阻的模块分别分布在原料薄膜的四周及中间部位，且测试电阻模块的检测点位为裸露出来的未被碳浆覆盖的银浆涂层。

进一步地，双面胶上裁剪有与传感器触点、排气道及排气孔相对应的孔位，其中排气孔的位置与下层薄膜层预留的排气孔的孔位相对应。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、本发明中的薄膜压力传感器及其制造方法，整体结构设计规划优化，传感器触点的点位分布更加符合人体结构及受力特点；

2、传感器触点阵列式排布有效地减少了设计中的导线数量，简化设计结构，节约了涂层生产成本的，也使得控制可识别各个传感器触点触发状态，更有效的识别乘员体态及坐姿；

3、检测精准度及兼容性能得到有效的提高，面对不同用户的需求，无需再进行繁琐的重新设计工作，仅需要针对用户的特殊需求修改对应的结构或性能参数即可；

4、具有良好的防水及防尘性能；

5、通过优化的结构设计布局有效地提高了产品耐久性能：

6、设计中加入测试电阻模块及检测点位等结构，使制作过程的工艺稳定性得到有效的监测，避免了不良半成品批量流入到后序工序，防止总成产品出现大量不合格品，从而有效的减少质量成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为薄膜压力传感器的结构分解示意图；

图2为传感器主体轮廓区域分布图；

图3为传感器触点组成示意图；

图4为传感器主体断开状态示意图；

图5为传感器主体输出较高阻值时的状态图；

图6为传感器主体输出阻值降低时的状态图；

图7为上下薄膜层接触面积变化示意图；

图8为下层薄膜层半成品主体结构示意图；

图9为阻值对作用力变化曲线图；

图10为cell弧形结构图；

图11为cell特定的线性图形；

其中，1上层无纺布包覆层；2上层薄膜层；3银浆电路层上层；4碳浆涂层上层；5双面胶及排气孔层；6碳浆涂层下层；7银浆电路层下层；8下层薄膜层；9下层无纺布包覆层；10上层薄膜半成品；11下层薄膜半成品；12排气孔；13排气道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种薄膜压力传感器及其制造方法，以解决上述现有技术存在的问题，可以根据不同乘客的体型来控制多级安全气囊的起爆程度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1-11，其中，图1为薄膜压力传感器的结构分解示意图；图2为传感器主体轮廓区域分布图；图3为传感器触点组成示意图；图4为传感器主体断开状态示意图；图5为传感器主体输出较高阻值时的状态图；图6为传感器主体输出阻值降低时的状态图；图7为上下薄膜层接触面积变化示意图；图8为下层薄膜层半成品主体结构示意图；图9为阻值对作用力变化曲线图；图10为cell弧形结构图；图11为cell特定的线性图形。

如图1-11所示，本发明提供一种薄膜压力传感器，安置在汽车座椅的座垫泡棉与座垫表皮包裹层之间，通过将若干个传感器触点(每个传感器触点输出的电阻值随其受到的压强变化而改变)输出的阻值状态发送到控制器，进行识别乘员乘坐状态及乘员重量区间，后续可再通过控制器将识别信息发送至整车控制系统或安全气囊分级控制系统同时可兼容安全带提醒装置功能。在发生事故时，整车控制系统或安全气囊分级控制系统可根据不同乘员(如儿童、体型娇小成年人、成年人等)来控制多级安全气囊起爆程度。

具体地，薄膜压力传感器，其结构分别为：

上层无纺布包覆层1、上层薄膜层2(pi/pet)、银浆电路层上层3、碳浆涂层上层4、双面胶及排气孔层5、碳浆涂层下层6、银浆电路层下层7、下层薄膜层8(pi/pet)和下层无纺布包覆层9；其中银浆电路层上层3和碳浆涂层上层4分别丝印于上层薄膜层2(pi/pet)表面，碳浆涂层下层6和银浆电路层下层7分别丝印于下层薄膜层8(pi/pet)表面，通过双面胶及排气孔层5将丝印后的上层薄膜层2(pi/pet)与丝印后的下层薄膜层8(pi/pet)，且丝印层(即银浆与碳浆层)分别面向中间，进行覆合加工，然后通过热合工艺将覆合后的传感器主体置于上层无纺布包覆层1与下层无纺布包覆层9中间。

进一步地，上层薄膜层2(pi/pet)：薄膜层厚度在0.100～0.185mm之间，薄膜表面张力影响传感器触点触发压强，其表面张力与传感器触点触发压强成正比关系，即与传感器触点触发灵敏度成反比关系；

碳浆涂层上层4与碳浆涂层下层6：涂层厚度在0.005～0.020mm，碳浆方阻范围在15～50kω/□，其涂层厚度与碳浆本身的方阻值为输出阻值的重要因素之一，当需要调整产品总体阻值数值时，通过调整碳浆方阻即可实现，如受加工工艺所限，可同时调整碳浆方阻与涂层厚度，来达到阻值输出的设计要求，且涂层厚度与输出阻值成反比关系，方阻值与输出阻值成正比关系；同时碳浆在线路部分的涂层为保护涂层，宽度需宽于所对应的银浆涂层并将其覆盖，增强银浆与薄膜吸附强度及耐磨损性能；

双面胶及排气孔层5：双面胶基材选用pet材料，且基材厚度在0.010～0.020mm，双面胶层厚度在0.020～0.050mm，其基材厚度与胶层后度需根据碳浆/银浆涂层厚度进行选择，经试验证明，其厚度对传感器触点的灵敏度具有影响，但干扰非常微弱，主要考虑的是其粘合性能与隔离性能；其主要功能是在传感器触点位置的开孔直径以及连接传感器触点的排气道宽度，其传感器触点位置的开孔直径与传感器触点触发灵敏度成正比关系，在不调整薄膜表面张力(即上层薄膜层2(pi/pet)与下层薄膜层8(pi/pet))及传感器触点整体结构的前提下，通过传感器触点位置的开孔直径的调节，来调节特定位置传感器触点的灵敏度，本产品在设计中既采用两种不同开孔直径，在特定的6个传感器触点位置减小了开孔直径，使儿童与成人得到更有效的识别，同时应注意的开孔直径最小值不能小于传感器触点触发设计的最大有效面积，否则将导致传感器触点输出范围的最小值无法达到，同时不能大于传感器触点整体设计结构外围支撑结构的最大隔离面积，否则将导致传感器触点的上层与下层结构隔离失效，并始终处在导通状态或导通后直接输出最小值等异常现象；排气道的宽度应满足于其所支持的传感器触点同时触发或回弹时的排气量与吸气量的需求，使传感器触点同时触发或断开时的响应时间一致；

银浆电路层上层3与银浆电路层下层7：涂层厚度在0.005～0.015mm，在整体结构中起到导线作用，其印刷宽度与固化处理参数，需根据不同型号银浆对应的建议参数设计，以到达良好的耐磨性、吸附性及导通性；

下层薄膜层8(pi/pet)：薄膜层厚度在0.125～0.185mm之间，薄膜表面张力影响传感器触点触发压强，其表面张力与传感器触点触发压强成正比关系，即与传感器触点触发灵敏度成反比关系，但与上层薄膜层2(pi/pet)相比，下层薄膜层8(pi/pet)起到一定程度的支撑作用，所以在设计时应考虑其厚度大于或等于上层薄膜层2(pi/pet)厚度；同时其表面设有排气孔12与双面胶及排气孔层5的传感器触点开孔及排气道13相通，其表面排气孔的直径与排气道宽度一致，如果一条排气道连接的传感器触点大于4组，应考虑适当增加排气孔的直径；排气孔处应配有防水透气纤维布或同样功能的其他材质贴膜，来保证整体产品的防水防尘性能；

上层无纺布包覆层1与下层无纺布包覆层9：无纺布厚度在1.0～1.5mm，主要起到保护作用并配有双面胶带。

薄膜压力传感器的内部布局结构可以通过在不同位置放置不同密度的传感器触点(简称cell)，来实现不同的空间分辨率，即根据需要设计传感器面积和空间分辨率，使测量精度及灵敏度最佳，具体的，当薄膜压力传感器轮廓设计完成后，将轮廓区域分解成若干正方形区域(正方形区域边长需根据cell大小确定，常用数值为5mm～15mm)，同时将网格区域分解为四个区域，分别对应人体左侧大腿、右侧大腿、左侧臀部及右侧臀部，其中左侧大腿/臀部区域与右侧大腿/臀部区域为对称结构；每侧大腿区域内至少设计出两组cell，每组cell包含3～5个cell点位，每侧臀部区域内至少设计出两组cell，每组cell包含4～5个cell点位。

薄膜压力传感器的传感器触点(简称cell)以及固定电阻并以阵列形式分布，可识别各个cell触发及输出状态，同时划分前部及后部区域(左右腿部及左右臀部区域)，有利于补充说明乘员坐姿状态的判定及乘员重量等级的识别，其中通过测量共用的行与列检查线(clc与clr)与其检测电阻阻值，可识别加工过程的工艺状态的稳定性，有效地控制产品质量。

薄膜压力传感器的制造方法，其制造工艺流程如下：

1.初切：将原料pet/pi薄膜、双面胶按要求裁切成长方形膜片；

2.高温预收缩：将裁切好的长方形膜片放置在120～150℃环境内10～20分钟；

3.除尘、除静电：消除上/下层薄膜层表面静电及灰尘；

4.丝印(银浆)：根据设计将上/下层薄膜层印刷线路图形；

5高温固化：将上序半成品放入烘干箱进行高温固化；

6.丝印(碳浆)：根据设计将上/下层薄膜层印刷线路图形；

7.高温固化：将上序半成品放入烘干箱进行高温固化；

8.检测：检测上/下层薄膜半成品的固定电阻值及分布在各个位置的测试电阻值；

9.冲孔：将上/下层薄膜半成品及双面胶裁切出对应端子、触点及排气孔位；

10.除尘、除静电：消除上/下层薄膜半成品表面的灰尘、杂物、静电；

11.覆合：使用双面胶将上/下层薄膜半成品对位覆合；

12.切形：使用专用轮廓刀板将覆合后的半成品切出轮廓；

13.无纺布切型：使用专用刀板检上下层无纺布切型；

14.热合：将裁切后的半成品置于两张无纺布中间，热合无纺布使半成品镂空处粘合；

15防水布切型：用冲孔工装将防水布按固定尺寸要求裁切好；

16.贴防水布：将裁切后的防水布贴在传感器排气孔处；

17.终检：将接口连接检测设备，检测各个固定电阻阻值及cell阻值与负载曲线。

在制造工艺流程中，需要注意的是：1)分别在上/下层薄膜层(pi/pet)原料薄膜上丝印出银浆涂层及碳浆涂层，其涂层包含总成产品所需的线路图形、cell图形以及固定电阻图形外，还包含用于加工过程中半成品(半成品：上层薄膜组件，由上层薄膜层2(pi/pet)、银浆电路层上层3、碳浆涂层上层4构成；下层薄膜组件，由碳浆涂层下层6、银浆电路层下层7、下层薄膜层8(pi/pet)构成)检验的测试电阻模块及检测点位。

其中测试电阻模块分别分布在原料薄膜四周及中间部位(后期裁剪工艺后，测试电阻模块会被裁切去除，其作用仅用于过程中检测半成品加工状态，反映半成品的质量稳定性)，通过测试分布在各个部位的测试电阻模块的方阻及银浆与碳浆涂层重合状态，来判定丝印过程的稳定性与重合性等加工工艺状态；

其中检测点位为裸露出来的未被碳浆覆盖的银浆涂层，分布在电阻模块及总成产品线路图形之中，每个检测点位分别对应一条关键的银浆线路，用于半成品各个模块阻值检测，以此判断图形丝印状态是否满足设计要求及各个主要线路是否导通；

由于过程检测中有可能造成银浆/碳浆涂层破损，同时半成品性能决定总成产品的性能，特此设计出测试电阻模块及检测点位，使过程检测有效且即使造成银浆/碳浆涂层破损，也不会导致半成品报废。

2)中间的双面胶(双面胶及排气孔层5)，需在双面胶原料上裁剪出cell、排气道及排气孔的相对应孔位，其中排气孔的位置与下层薄膜层8(pi/pet)预留排气孔孔位对应，以确保cell被压力触发过程及释放压力过程可正常排气及吸气，避免因上下层薄膜各个cell之间因大气压强不均导致cell触发压强出现差异而造成的输出值偏移；

3)通过双面胶及排气孔层5将上/下层薄膜层(pi/pet)半成品覆合，并根据设计图形进行裁切处理，形成整体轮廓见图2；

图2轮廓结构设计时，考虑到其用于座椅之中识别人体坐姿状态的特性，在线路规划中皆采用具有一定曲率的布线结构，使各个cell组连接线的形变性能增强，抗折损性能及拉伸性能增强，增加了总成产品的耐久性能、延展性能，使总成产品对于人体臀部及腿部更好的贴合，提高了输出的精准度；同时在cell分布上，采用左右对称布局，并根据坐姿状态在左右布局结构基础上设计出对应腿部的上半部区域cell组(分别为7个cell)及对应臀部的下半部区域cell组(分别为8个cell)；由于薄膜压力传感器与控制器装配时，需要识别薄膜压力传感器的正面与反面，特此在接口部位设计出防错定位孔，将孔径设计成一大一小的状态；

4)将部件图2置于上层无纺布包覆层1与下层无纺布包覆层9之间并使用热合工艺将上/下层无纺布包覆层覆合，并在下层无纺布包覆层粘贴双面胶固定带(双面胶固定带保留单面分离膜，在与座垫泡棉或加热垫装配时去除分离膜，达到粘合效果)；

因图2为镂空结构设计，使上/下层无纺布包覆层可根据不同座椅的设计需求预裁切出与座椅装配的定位孔及通风孔以及对应下层薄膜层8(pi/pet)的排气孔预留孔位；

5)在下层薄膜层8(pi/pet)的排气孔处，粘贴透气防水纤维布，是薄膜压力传感器具有良好的防水防尘性能；

6)将薄膜压力传感器与控制器装配连接并标定调试。

传感器触点组成：上层薄膜半成品10(含银浆电路层上层3和碳浆涂层上层4)、双面胶及排气孔层5(含排气道13)和下层薄膜半成品11(含碳浆涂层下层6、银浆电路层下层7及排气孔12)。

cell可变阻值输出实现原理：当无外力作用时上层薄膜半成品10与下层薄膜半成品11无接触，不会产生阻值输出，此时cell为断开状态，见图4；当产生较小外力作用时上层薄膜半成品10与下层薄膜半成品11产生较小的面积接触，输出较高阻值，见图5；当产生较大外力作用时上层薄膜半成品10与下层薄膜半成品11产生的接触面积增大，同时输出阻值降低，见图6。

cell设计结构与输出阻值变化关系：上层薄膜半成品10整体作为具有一定阻值及可变面积的触发载体，随着外力而产生的形变使其有效导体面积增大；下层薄膜半成品11整体作为可变电阻有效输出端，其内部与上层薄膜半成品10未接触部位形成有效电阻主体，即未接触部分越大输出的阻值越高，未接触部分越小输出的阻值越低，接触面示意图见图7。

其中下层薄膜半成品11有效阻值产生的主体结构为三条碳浆图形见图8，形成三条可变并联电阻，通过上层薄膜半成品10覆盖其面积的变化而改变三条并联电阻的各自长度，从而形成不同阻值的输出，即为图7所示.

根据上层薄膜半成品10受力形变过程与下层薄膜半成品11阻值变化的特性，cell可随着外力作用的逐渐增大，输出的变化阻值具有一定线性特征，当并联电阻图形如图8的直线结构时，阻值(纵坐标)随着作用力值(横坐标)变化曲线见图9。

由上述示例可见，改变图8虚线框内的并联电阻图形形状可实现不同的阻值输出线性特征，例如如果不更改其他元素而是单纯的想改变阻值输出区间范围，可将图8虚线框内的直线结构改为具有一定曲率的弧形结构，这样既不会改变输出曲线的线性特征也不会改变整体产品的其他固定阻值数据，而改变了cell输出的最大值，即扩大了cell输出范围，具体更改情况见图10；同理如果将其结构更改为特定的线性图形见图11，可以使阻值输出曲线的线性特征发生积分或微分改变。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。