力传感器制造技术

力传感器含有至少一个传感元件（１４），力施加在传感元件上。传感元件根据所述力改变它的电特性，测量流过所述传感元件的电流。传感元件１４含有厚膜电阻层和所述电流以所加力的方向流过传感元件。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及包含至少一个传感元件的力传感器，待测的力施加在传感元件上，因此传感元件对所述力作出响应，改变它的电特性，一般为它的电阻。在测量时，电压加在传感元件上，使得电流流过传感元件。由于电阻(阻抗)与所加力的依赖关系，测量电流是所加力的函数，测量电流间接也测量了力。当力加在物体上时，物体也受到压力。因此，下面说明中仅提及术语“力”，然而，这应该始终包括压力施加在传感器上的实施例。使用所谓夹心设计(DE-A-2854080)的力传感器已为众知。在这种已知的夹心设计中使用包含导电碳纤维的非导电弹性合成橡胶作为传感元件。这传感元件被夹在接触件中间，使得力加在弹性橡胶扁平层上，其方向垂直于橡胶层平面。电极与橡胶层相对表面相接触，并且当橡胶层受力压缩时，因为导电碳纤维沿垂直于橡胶层平面的方向排列，该层的电阻抗被减小，可认为在压缩时越来越多碳纤维在电极之间导通电流，因此电阻随压缩力的施加而减小。在含有导电碳纤维的弹性人造橡胶组成的这种系统中，碳纤维横跨橡胶层排列，即沿所加力方向排列，唯一方法就是测量沿所加力方向的电流。制造这种使用弹性体的传感器结构不会引入有关电路短路的技术问题，因为弹性体具有毫米范围的典型厚度。在现有技术中使用所谓厚膜技术来制造力传感器(DEA381819和DE-A-411141B)也是已知的。依照这现有技术，在具有先印刷的电接触片的下支持材料上印刷一层电阻膏材料，因而连接电接触片和提供电流流动路径。然后在软电阻膏材料上放下另一衬底，电阻膏硬化就将上支持和下支持材料粘结在一起。力(待测的)加在上和下支持层上，即力沿垂直于层平面的方向加在层形传感元件上。然而在这种已知的传感器系统中不是测量沿所加力方向的电流，而是测量垂直于力方向的电流，即为在夹心的电阻层平面内的电流。这有下述原因。如在现有技术中所知，厚膜技术引用印制工艺。厚膜电阻层的厚度取决于厚膜电阻油墨的印刷厚度，此印刷厚度本身又取决于印刷丝网框的网眼尺寸和还取决于印刷刷制次数。为了运用厚膜技术制造传感器结构，假如在这种结构中电流垂直于夹层平面，也就是沿所加力方向流动(与现有技术正相反)，引入的难题在于与夹心结构的上和下电接触片之间短路有关的问题。尤其在烧结的电阻油墨中存在垂直于层平面方向的小针孔时，就可能发生这种短路。在下一步制造工艺时电阻层中这种针孔以后又被注入上面复盖导电接触片的导电材料，因此在上和下接触片之间产生短路。因此，现有技术的厚膜力传感器提供沿垂直于所加力方向，即沿平行于电阻层主平面的方向的电流流动(参阅上面引用的现有技术文件)。与力传感器有关的使用厚膜技术的另一主要问题是由结扩散引起的。当烧结具有相同烧结温度和/或熔点的一个或以上不同膏料时，应该看到在二个连接的膏之间的连结区会再流动和混合在一起(扩散)至某种程度。假如在夹心的接触片之间的厚膜电阻具有超过1000μm的厚度，这种再流动不会带来大问题。然而，当例如电阻厚膜层厚度仅为30至80μm时，这就会引起关于局部或完全短路的问题，此时导电膏对电阻膏的扩散(透过比)是很大的。而且，当存在湿气和电场时，使用含有游离银离子的导电材料也会引起遭受银迁移的长期问题。而且，电极之间的电气短路也可以是由于厚膜膏料中有机化合物的结果。在烧结和/或干燥过程时，这种有机化合物可能产生气体，气体可能可能携带导电粒子向上透过膏料，因而引起通过传感元件的短路。因为与厚膜技术中短路有关的这些许多问题，现有技术测量通过薄膜层体流动的电流，而不是沿所加力方向通过它的较小广度流动的电流。以该技术问题为宗旨的本专利技术提供具有高测量灵敏度，高可靠性和对所加力(或压力)的位置不敏感的力传感器。该力传感器也应该是相对紧凑的。正如在权利要求中所描述的，本专利技术通过将用于传感元件的厚膜技术(正如众所周知的)与基本沿所加力方向的电流流动结合而解决这问题。依照本专利技术，在夹层型力传感器中，厚膜技术用于电阻层(传感元件)，在电阻层上沿垂直于传感元件层平面方向的所加力的变化导致传感元件电阻的相应分量(即垂直于层平面的分量)的变化，因而导致沿所加力方向流动的电流的变化。电阻/电流的这种变化可以通过厚膜电阻层的接触件直接测量，其中这些接触件就在电阻层的二个侧面上。在这种结构中沿力方向的电阻变化大于垂直于力方向的电阻变化。运用本专利技术利用了这一优点。而且，依据本专利技术，测量信号也较不依赖于力所施加的位置。本专利技术的推荐实施例在附的权利要求中说明。本专利技术也包括上述类型的力传感器的制造方法。依照本专利技术的推荐实施例，力传感器具有桥式电路，已知的桥式电路与这些传感器相连接(DEA-4111148)。这种桥式电路(例如惠斯登电桥)最好在制造电阻层的印制过程中集成在夹层结构中。附加的桥元件至少部分与传感器的其他元件一起印制在同一支持衬底上。这导致温度特性的改善。而且，也可以将信号放大器集成在支持衬底上，从而产生紧凑的传感器和放大器组件。以下结合附图介绍依照本专利技术的力传感器的几个实施例。附图简单说明如下附图说明图1是力传感器的第一实施例的截面图;图2是依照图1的力传感器沿力方向的视图，局部剖去;图3是依照图1和2的力传感器的等效电路;图4是力传感器的第二实施例的截面图;图5是依照图4的力传感器的平面图;图6是依照图4和5的力传感器的等效路;图7是力传感器的第三实施例的截面图;图8是依照图7的力传感器的平面图;图9是依照图7和8的力传感器的等效电路;图10是力传感器的第四实施例的截面图;图11是依照图10的力传感器的平面图;图12是依照图10和11的力传感器的等效电路;图13是力传感器的第五实施例的截面图;图14是依照图13的力传感器的平面图;图15是依照图13和14的力传感器的等效电路;图16是力传感器的第六实施例的截面图;图17是依照图16的力传感器的局部剖去的平面图;图18是依照图16和17的力传感器的等效电路;图19是具有桥式电路的力传感器的平面图;图20是具有桥式电路和模仿传感器(dummysensor)的力传感器的平面图;和图21是具有桥式电路的力传感器的另一实施例，其中模仿传感器和该传感器被集成。在以下说明力传感器实施例中具有相同或类似功能的这些元件或零件标以相同标号。如图所示，提供有由例如象Al2O3(氧化铝)的瓷料制成的支持衬底10。在支持衬底10上安排有下接触件12。下接触件12由导电材料制成。在下接触件12上安排有传感元件14。传感元件14由一层或若干层厚膜电阻层实现的。在传感元件14顶面上安排有接触件上16。在图中待测力F用箭头表示，即力F以垂直于扁平夹层结构的主平面的方向施加，例如，力F可以借助于压板18施加在力传感器上。上连接轨20从上接触件16的平面向下至支持衬底10的平面，如图1和2所示。下接触轨22为下接触件12提供电气连接端。如图1和2所示，传感元件14复盖除下连接轨22以外的下接触件12。如图1和2所示，上接触件16与下接触件12相对准。而且，上接触件至少具有与下接触件几乎相同的尺寸。用于轨22和相对应接触件12的材料在此实施例中是相同的。传感元件14由印制在下接触件12的顶上的厚膜电阻层提供。(见下)。借助于重叠的传感元件14(电阻材料)，上接触件16与下接触件12相绝缘。如图2所示，上连接轨20相本文档来自技高网...

【技术保护点】
力传感器含有至少一个传感元件（１４），所述力以一方向施加在传感元件上，于是所述传感元件（１４）根据所述力改变它的电特性并且电流流过所述传感元件（１４），其特征在于：所述电流至少沿力（Ｆ）方向流过其电流流动路径的一部分和所述传感元件（１４）是烧结的厚膜电阻材料。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：R莱特，N奥尔福德，R艾克，
申请(专利权)人：卢卡斯工业有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]