复合传感器与复合传感设备的制作方法

1.本实用新型属于传感器技术领域，具体涉及一种复合传感器以及一种复合传感设备。


背景技术：

2.在半导体封装行业内，芯片封装所使用的基板或者金属框架是否发生翘曲是影响封装质量的重要因素之一，目前成熟的测量弯曲或者翘曲的测量仪器品类极少，且大都体积较大，成本较高，尤其对于同时实现压力和翘曲测量的传感器则相对更少。目前对于测量弯曲程度与压力大小都是采用单独的传感器分别进行测量。
3.因此，针对上述技术问题，本实用新型提出一种复合传感器及一种复合传感设备。


技术实现要素：

4.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种复合传感器与一种复合传感设备。
5.本实用新型的一方面，提供一种复合传感器，所述复合传感器包括相对设置的第一柔性极板与第二柔性极板，所述第一柔性极板、所述第二柔性极板的相对一侧上分别设置有对应的多个第一电极与多个第二电极；
6.在所述传感器受到压力时，所述第一柔性极板和所述第二柔性极板的间距发生变化以使所述多个第一电极与所述多个第二电极的至少部分电容值发生变化，以根据电容值得到弯曲程度和/或压力情况。
7.可选的，所述第一电极包括设置在所述第一柔性极板上的第一凸柱以及覆盖所述第一凸柱的第一导电层；
8.所述第二电极包括设置在所述第二柔性极板上的第二凸柱以及覆盖所述第二凸柱的第二导电层。
9.可选的，所述第一柔性极板和所述第二柔性极板中的一者为动极板，所述第一柔性极板和所述第二柔性极板中的另一者为定极板；其中，
10.所述定极板的弹性模量等于或大于所述动极板的弹性模量。
11.可选的，所述复合传感器还包括夹设在所述第一柔性极板与所述第二柔性极板端部的弹性支撑板，所述弹性支撑板能够在所述压力解除时为所述第一柔性极板、所述第二柔性极板提供恢复初始位置的恢复力。
12.可选的，所述弹性支撑板上设置有多个弹性模量释放孔。
13.可选的，所述弹性支撑板的弹性模量与所述第一柔性极板或所述第二柔性极板的弹性模量相同；或者，
14.所述弹性支撑板的弹性模量小于所述第一柔性极板或所述第二柔性极板的弹性模量。
15.可选的，所述复合传感器还包括夹设在所述第一柔性极板与所述第二柔性极板之
间的多个弹性套筒，每个所述弹性套筒套设在相对应的所述第一电极与所述第二电极上。
16.本实用新型的另一方面，提供一种复合传感设备，包括处理单元、电容信号检测单元、引线组以及前文记载的所述复合传感器；
17.所述多个第一电极、所述多个第二电极通过所述引线组与所述电容信号检测单元的输入端电连接，所述电容信号检测单元的输出端与所述处理单元的输入端电连接；
18.所述处理单元用于根据所述电容信号检测单元检测的所述电容值以得到弯曲程度和/或压力情况。
19.可选的，所述处理单元，具体还用于：
20.根据实际电容值与初始电容值，得到实际电容变化值；
21.基于预设电容变化值和预设弯曲程度的关联关系，得到所述实际电容变化值对应的弯曲程度。
22.可选的，所述处理单元，具体还用于：
23.根据实际电容值与初始电容值，得到实际电容变化值；
24.基于预设电容变化值与预设压力值的关联关系，得到所述实际电容变化值对应的压力大小；以及，
25.根据所述实际电容值确定其对应的电极位置，以得到压力位置。
26.本实用新型基于多个第一电极与多个第二电极形成多组电容式压力传感器，当传感器受到外力时，第一柔性极板与第二柔性极板发生弯曲，两者之间的距离发生变化，电极的电容信号发生变化，以通过多组电容式压力传感器协同工作确定弯曲程度和压力情况。
附图说明
27.图1为本实用新型一实施例的复合传感器的弯曲状态结构示意图；
28.图2为本实用新型另一实施例的复合传感器的工作原理示意图；
29.图3为本实用新型另一实施例的复合传感器的工作原理示意图。
具体实施方式
30.为使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护范围。
31.除非另外具体说明，本实用新型中使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实用新型中使用的“包括”或者“包含”等既不限定所提及的形状、数字、步骤、动作、操作、构件、原件和/或它们的组，也不排除出现或加入一个或多个其他不同的形状、数字、步骤、动作、操作、构件、原件和/或它们的组。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示技术特征的数量与顺序。
32.在实用新型的一些描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“相连”或者“固定”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是通过中间媒体间接连接，可以是两个元件内部的连通或者两个元件
的互相作用关系。以及，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
33.如图1至图3所示，本实用新型提供一种复合传感器100，包括：相对设置的第一柔性极板110与第二柔性极板120，在第一柔性极板110、第二柔性极板120的相对一侧上分别设置有对应的多个第一电极111与多个第二电极121；在复合传感器受到压力时，第一柔性极板110和第二柔性极板120的间距发生变化以使多个第一电极111与多个第二电极121的至少部分电容值发生变化，以根据电容值得到弯曲程度和/或压力情况。
34.本实施例基于多个第一电极与多个第二电极形成多组电容式压力传感器，相当于形成传感器阵列，第一柔性极板、第二柔性极板分别作为电容器的上下两个极板，当复合传感器受到外力时，在外界压力的作用下电容式传感器的上下两极板的间距将会发生改变，相对应的第一电极、第二电极的电容值随之改变，通过多组电容式压力传感器协同工作采集相应的电容信号，以确定弯曲程度和压力情况。
35.应当理解的是，复合传感器受力区域不同，第一柔性极板与第二柔性极板的弯曲区域不同，这样，弯曲区域对应的第一电极与第二电极的电容值发生变化。
36.在一些优选实施例中，如图2所示，当第一柔性极板110受到均匀力的作用时，该第一柔性极板110整体向第二柔性极板120的方向移动发生形变，这样，两个极板之间的距离发生变化，以使得整体的电容随之发生改变。
37.在另一些优选实施例中，如图3所示，当第一柔性极板受到集中力的作用时，例如，仅在第一柔性极板110的中央区域施加压力，该第一柔性极板110中央区域向第二柔性极板120的方向移动发生弯曲形变，这样，两个极板的中央区域之间的距离发生变化，以使得局部的电容随之发生改变。
38.本实施例基于形成的电容式传感器，当受到集中力或均匀力的作用时，局部或整体的电容随之发生改变，根据实验数据建立压力与电容的关系，随后根据电容数据的变化判断局部或整体受到的压力情况。
39.应当理解的是，本实施例形成的电容器为变极距式电容传感器，第一柔性极板和第二柔性极板中的一者为动极板，第一柔性极板和第二柔性极板中的另一者为定极板，即动极板为受力的一侧，定极板为随动极板发生形变的一侧。
40.示例性地，如图2和图3所示，第一柔性极板为上极板，压力作用于该极板相当于形成动极板，第二柔性极板为下极板，随着传感器弯曲而发生形变相当于形成定极板。
41.需要说明的是，本实施例对于第一柔性极板和第二柔性极板的材质不做具体限定，只要是柔性材料可发生形变即可，例如，聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，pdms)。
42.在一些优选实施例中，第二柔性极板(定极板)的弹性模量等于第一柔性极板(动极板)的弹性模量。
43.在另一些优选实施例中，为使得上下两极板间的弯曲效果产生明显差异，第二柔性极板(定极板)的弹性模量大于第一柔性极板(动极板)的弹性模量。
44.作为进一步优选方案，第二柔性极板可选择交联度、分子密度较高的pdms材料，或
其他高交联度的交联硅烷材料。
45.本实施例采用两种弯曲模量差别较大的材料，以加大在发生弯曲形变时电容信号的变化量，进一步提高灵敏度。
46.进一步地，本实施例的第一电极包括设置在第一柔性极板上的第一凸柱以及覆盖第一凸柱的第一导电层，第二电极包括设置在第二柔性极板上的第二凸柱以及覆盖第二凸柱的第二导电层。也就是说，在第一柔性极板、第二柔性极板的内表面均分布有许多形状和大小的凸柱。
47.需要说明的是，本实施例的第一凸柱与第二凸柱的材质与第一柔性极板、第二柔性极板的材质相同。
48.进一步需要说明的是，本实施例对于导电层的材质及形成方式不作具体限定，只要能实现导电作用即可。
49.在一些优选实施例中，采用物理气相沉积的方法在第一凸柱、第二凸柱上沉积金属颗粒层(例如金、铜等可采用pvd沉积的金属)，以形成导电层。
50.在另一些优选实施例中，采用金箔或铜箔直接贴装在第一凸柱、第二凸柱表面作为导电层。
51.在另一些优选实施例中，采用碳材料覆盖在第一凸柱、第二凸柱表面以形成导电层。
52.更进一步地，如图1所示，传感器100还包括夹设在第一柔性极板110与第二柔性极板120端部的弹性支撑板130，弹性支撑板130能够在压力解除时为第一柔性极板110、第二柔性极板120提供恢复初始位置的恢复力。
53.在一些优选实施例中，弹性支撑板上设置有多个弹性模量释放孔，即该弹性支撑板为多孔结构，以进一步降低弹性支撑板的弹性模量。
54.本实施例的弹性支撑板使得两个柔性极板的初始距离固定，并使两个柔性极板在压缩后能够恢复到原来的距离。
55.需要说明的是，本实施例对于弹性支撑板的材质不做具体限定，只要是能随复合传感器弯曲时发生变形且能使两个柔性极板恢复初始位置的柔性材料即可，例如，聚二甲基硅氧烷。
56.在一些优选实施例中，弹性支撑板的弹性模量与第一柔性极板或第二柔性极板的弹性模量相同。
57.在另一些优选实施例中，弹性支撑板的弹性模量小于第一柔性极板或第二柔性极板的弹性模量，以使第一柔性极板与第二柔性极板更容易发生形变，形变量增大，进而使传感器具有更高的灵敏度。
58.作为进一步优选方案，为了降低弹性支撑板的模量，可采用牺牲模板法，例如，将糖、盐等物质加入到未固化的高分子前驱体中，待其固化后用水溶解，制得具有多孔结构的弹性支撑板。
59.更进一步地，复合传感器还包括夹设在第一柔性极板与第二柔性极板之间的多个弹性套筒，每个弹性套筒套设在相对应的第一电极与第二电极上。也就是说，在每对电极之间加上弹性套筒结构，以保证各第一电极、第二电极在弯曲时始终保持平行的状态，进一步确保每对电极之间的正对面积最大。
60.需要说明的是，本实施例的弹性套筒同样可采用pdms，以在传感器弯曲时，第一柔性极板与第二柔性极板之间距离发生变化时，弹性套筒随之发生形变。
61.本实施例利用不同弯曲形变引起的电容变化判断弯曲的程度，通过每一个传感器的电容变化数据精确判断弯曲形变、压力大小及受压位置。
62.本实用新型的另一方面，提供一种复合传感设备，包括处理单元、电容信号检测单元、引线组以及前文记载的复合传感器；多个第一电极、多个第二电极通过引线组与电容信号检测单元的输入端电连接，电容信号检测单元的输出端与处理单元的输入端电连接；处理单元用于根据电容信号检测单元检测的电容值以得到弯曲程度和/或压力情况。
63.需要说明的是，本实施例可在多个第一电极、多个第二电极内部埋入金属引线，引线的一端接通电极上的导电层，引线另一端接通相应的电容信号检测设备。当然，还可以采用其他连接方式，只要保证电极上有引线接出到电容信号检测设备即可。
64.进一步地，处理单元，具体还用于：根据实际电容值与初始电容值，得到实际电容变化值；基于预设电容变化值和预设弯曲程度的关联关系，得到实际电容变化值对应的弯曲程度。也就是说，基于电容值可得到第一电极与第二电极之间的距离，基于距离可确定弯曲程度。
65.更进一步地，处理单元，具体还用于：根据实际电容值与初始电容值，得到实际电容变化值；基于预设电容变化值与预设压力值的关联关系，得到实际电容变化值对应的压力大小。
66.更进一步地，处理单元，具体还用于：根据实际电容值确定其对应的电极位置，以得到压力位置。
67.应当理解的是，每个电极对应一个电容信号检测单元，这样，基于得到的电容值可确定该电容值对应的电极位置，进而得到受力位置。
68.基于上述结构，本实施例的复合传感设备的工作原理如下：当复合传感器贴装在曲面上时，在传感器弯曲时由于作为下极板的第二柔性极板弯曲模量较高，其产生的弯曲形变相比作为上极板的第一柔性极板较低，反映在传感器的信号上表现为各组第一电极、第二电极之间距离的变化，进而使得读取到的电容值发生变化，随着曲面的弯曲程度的增大，上下两极板弯曲形变的差别也就越大，即电容变化值越大。
69.进一步地，通过电容信号检测单元检测电极的电容数据，处理器对读取到的电容数据进行处理。具体地，由于第一柔性极板、第二柔性极板不同位置的弯曲形变量不同，因此针对每个电极位置，对应电容器可读取不同的数值。通过读取不同位置的电容值建立电容与弯曲程度的对应关系，进而建立相应的数据库。基于建立的数据库，在实际应用传感器时，通过比对各不同部位的电极对应的电容值，配合相应的软件，利用计算机进行数据处理后还原出真实的形变后的形状，即可推断弯曲的程度，对于弯曲的曲率，弯曲形变可以得出更详细的结果，以及，还可得到受力大小及具体位置。
70.本实用新型提供一种复合传感器、复合传感设备，具有以下有益效果：
71.第一、本实用新型的复合传感器基于由多个电容传感器组成的传感阵列可得到弯曲的程度；
72.第二、本实用新型的复合传感器基于传感器阵列的设置，结合电极的位置可以精确判断受力的位置，得到局部或整体的受力情况以及压力大小；
73.第三、本实用新型采用两种弯曲模量差别较大的材料加大在发生弯曲形变时电容信号的变化量，提高灵敏度。
74.第四、本实用新型基于在每对电极之间设置弹性套筒，可确保两者之间正对面积最大；
75.第五、本实用新型基于在第一柔性极板与第二柔性极板端部设置弹性支撑板，可实现两个柔性极板在受力形变后恢复至初始位置。
76.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。