一种曲面薄膜压力传感器及其制造方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号(10)申请公布号 CN 103837272 A(43)申请公布日 2014.06.04

(21)申请号 2012104529.5(22)申请日 2012.11.27

(71)申请人GE医疗系统环球技术有限公司

地址美国威斯康星州(72)发明人杜杰 屈军

(74)专利代理机构中国专利代理()有限公

司 72001

代理人姜甜 李浩(51)Int.Cl.

G01L 1/22(2006.01)G01L 9/04(2006.01)

权利要求书1页 说明书6页 附图3页权利要求书1页 说明书6页 附图3页

()发明名称

一种曲面薄膜压力传感器及其制造方法(57)摘要

本发明名称为“一种曲面薄膜压力传感器及其制造方法”。公开了一种用于运动部件的曲面薄膜压力传感器及其制造方法，该传感器包括：弹性的曲面板壳；以及在曲面板壳上形成的分型式网栅薄膜开关，其在与曲面板壳相对的一侧耦合到运动部件的砧板外壳。该分型式网栅薄膜开关用于感测所述曲面板壳上是否存在压力作用。根据本发明的曲面薄膜压力传感器能够满足运动部件的外观要求，又能有效感应触碰避免对受检对象的伤害，同时还能有效防火、防水。

CN 103837272 ACN 103837272 A

权 利 要 求 书

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1. 一种用于运动部件的曲面薄膜压力传感器，包括：弹性的曲面板壳；以及

在所述曲面板壳上形成的分型式网栅薄膜开关，其在与所述曲面板壳相对的一侧耦合到所述运动部件的砧板外壳，

其中，所述分型式网栅薄膜开关用于感测所述曲面板壳上是否存在压力作用。2. 如权利要求1所述的曲面薄膜压力传感器，其中，所述分型式网栅薄膜开关包括上网栅薄膜和下网栅薄膜，并且所述感测基于所述上网栅薄膜和下网栅薄膜的网栅阻抗的改变。

3. 如权利要求1所述的曲面薄膜压力传感器，进一步包括分型式泡棉垫板，并且所述砧板外壳通过所述分型式泡棉垫板与所述分型式网栅薄膜开关耦合。

4. 如权利要求1所述的曲面薄膜压力传感器，其中，基于所述曲面板壳的材料和/或厚度改变所述感测的敏感度。

5. 如权利要求1所述的曲面薄膜压力传感器，其中，基于所述感测来控制所述运动部件的运动。

6. 一种在运动部件上形成曲面薄膜压力传感器的方法，包括：基于板壳机械加工方法形成弹性的曲面板壳；利用分型技术和平面印刷技术，在所述曲面板壳上形成分型式网栅薄膜开关；以及在与所述曲面板壳相对的一侧，将所述分型式网栅薄膜开关耦合到所述运动部件的砧板外壳，

其中，所述分型式网栅薄膜开关用于感测所述曲面板壳上是否存在压力作用。7. 如权利要求6所述的方法，其中，所述分型式网栅薄膜开关包括上网栅薄膜和下网栅薄膜，并且所述感测基于所述上网栅薄膜和下网栅薄膜的网栅阻抗的改变。

8. 如权利要求6所述的方法，其中，通过分型式泡棉垫板，所述砧板外壳与所述分型式网栅薄膜开关耦合。

9. 如权利要求6所述的方法，其中，基于所述曲面板壳的材料和/或厚度改变所述感测的敏感度。

10. 如权利要求6所述的方法，其中，基于所述感测来控制所述运动部件的运动。

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说 明 书

一种曲面薄膜压力传感器及其制造方法

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技术领域

本发明一般涉及薄膜压力传感器领域，更具体地，本发明涉及一种用于运动部件

的曲面薄膜压力传感器及其制造方法。

[0001]

背景技术

近年来，由于薄膜压力传感器稳定性好、体积较小、可靠性高等优点，因此在工业

上得到了广泛的应用。薄膜压力传感器一般被认为是一种超薄多层机电装置，其中在感应元件及其迭片结构上有序布置电极和连接线，并使用合适的聚合物薄膜和环氧树脂材料做成一个坚固的超薄封装结构。当薄膜压力传感器受到突然的触点压力或者持续变化压力、拉力、速度场时，会产生电信号，以用于输出相应指示和/或促动机器的控制和操作。一般而言，薄膜压力传感器包括四种典型应用，即电开关、冲击压力、应变及物体速度的测量。基于上述典型应用，薄膜传感器可分为四类，即开关、压力计、应变计、电磁速度计。本领域中还公知的是，以上四种类型薄膜传感器的工作原理依赖于四种不同物理效应。分别为：突然电接触（开关）；压力（压阻）或者应变（张阻）作用下的电阻逐渐变化；压力（压电）或者应变（张电）作用下的电荷逐渐释放；当导体运动到磁场中时，在导体周围产生电动势（电动势速度效应）。

[0003] 另外，本领域技术人员一直以来在寻求对薄膜压力传感器的进一步改进。例如，申请日为2003年5月20日、题目为“薄膜类型的半导体压力传感器”的中国专利申请03123715.0（公开号CN 1460846A，公开日2003年12月10日）公开了一种尺寸缩小且灵敏性未明显降低的半导体压力传感器，其在降低成本的同时保证传感器的必要灵敏度和可靠性。

[0004] 此外，本领域中也存在多种制造薄膜压力传感器的方法。例如，申请日为2006年12月14日、题目为“一种低温薄膜压力传感器及其生产方法”的中国专利申请200610105162.7（公开号CN 1975358A，公开日2007年6月6日）公开了一种低温薄膜压力传感器及其制造方法。该发明通过在应变电阻层和焊盘层之间设置补偿电阻层，在薄膜内提供了自补偿低温薄膜压力传感器，可较精确地测量低温介质处的压力。[0005] 最后，本领域中还存在将薄膜压力感测元件施加到工业设备（例如，医疗器械）的特定部位的技术。例如，申请日为2011年8月16日、题目为“具有薄膜压力感测远端头的导管”的中国专利申请2011102486.3（申请公布号CN 102423269A，申请公布日2012年4月25日）公开了一种在其远端具有接触力感测功能的导管。具体来说，该发明通过将包括两个相对的柔性和薄的支撑构件的薄膜压力传感器施加到位于远端头节段上的顶端电极，来检测施加到顶端电极的力矢量。[0006] 因此，在本领域中目前已经公知的是：采用有效方式来制造薄膜压力传感器，并将其应用于诸如医疗器械的工业设备，以使工业设备具有所需的性能（例如，在特定位置对接触力等物理量进行感测的能力）。

[0002] [0007]

然而，在诸如计算机断层成像（CT）或核磁共振医疗器械的许多工业设备中，往往

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说 明 书

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存在工作时具有很大动力（即，由旋转、运动、平移而产生的很大动量）而又有外观设计要求的运动部件。一方面，该等运动部件可能具有任何所需的和/或客户定制的外观和形状，这就对施加常规的平面薄膜压力传感器造成了；另一方面，如果不能合适地将压力传感器/压力开关元件叠覆到上述运动部件，例如如果运动部件和压力传感器之间的覆形吻合度较差或存在较大压力敏感盲区，则当运动部件在使用过程中触碰、甚至撞击到受检对象（例如，患者、受检动物等）时，由于运动部件的控制系统无法及时知晓这一情况并做出必要的处理（例如，启动断路器以命令运动部件停止、或执行控制运动部件动作的其它保护措施，等等），从而可能造成对象的伤害甚至死亡。[0008] 在对例如行李、工业零件的检测设备中也存在类似的问题。例如，如果检测设备运动部件的控制系统无法及时知晓运动部件撞击到行李或工业零件等受检对象，则它无法及时做出必要的命令以停止运动部件，因此受检对象可能会被损坏；有时检测设备本身甚至也会被受检对象碰伤。[0009] 另外，由于薄膜开关通常非常敏感，例如0.5牛顿甚至更小的力就可使其产生响应，因此单独的薄膜压力传感器在使用时可能由于机器振动等不期望的原因而做出误判，从而使得误触发运动部件的控制系统，导致整个系统不必要的停机，从而造成时间和金钱成本损失。[0010] 因此，本领域期望能够安装在工业设备的运动部件上的改进型薄膜压力传感器，其既可在具有一定外观要求的情况下保证受检对象和工业设备的安全，又不至于发生过多的误触发。发明内容

为了解决上述和其他技术问题，提供了一种曲面薄膜压力传感器及其制造方法。

[0012] 根据一个方面，提供了一种用于运动部件的曲面薄膜压力传感器，其包括弹性的曲面板壳和在曲面板壳上形成的分型式网栅薄膜开关，薄膜开关在与曲面板壳相对的一侧耦合到运动部件的砧板外壳。该分型式网栅薄膜开关用于感测曲面板壳上是否存在压力作用。

[0013] 根据另一个方面，还提供了一种在运动部件上形成曲面薄膜压力传感器的方法，包括：基于板壳机械加工方法形成弹性的曲面板壳；利用分型技术和平面印刷技术，在曲面板壳上形成分型式网栅薄膜开关；以及在与曲面板壳相对的一侧，将分型式网栅薄膜开关耦合到运动部件的砧板外壳。该分型式网栅薄膜开关用于感测曲面板壳上是否存在压力作用。

[0014] 利用本公开的曲面薄膜压力传感器，能有效地将薄膜压力传感器拓展到更广的曲面应用领域，且制作容易、成本低。它既能满足运动部件的外观要求，又能有效感应触碰避免对受检对象的伤害，同时还因为传感器的外观面的形状完整性而能够有效防火、防水。

[0011]

附图说明

当参考附图（并不一定按照比例绘制）阅读下面的详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在所有附图中，相似的符号表示相似部件，在附图中：

图1是示范曲面薄膜压力传感器的透视图；

[0015]

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图2是根据本公开实施例的薄膜开关导电层的布线结构；图3是图示了曲面薄膜压力传感器压力形变的示图；以及图4是制作本公开实施例的曲面薄膜压力传感器的流程图。

具体实施方式

[0016] 将在下文描述曲面薄膜压力传感器的一个或多个特定实施例。为了提供这些实施例的简洁描述，实际实现的所有特征可不在说明书中描述。应该意识到在任何这样的实际实现的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多实现特定的决定来达到开发者的特定目标，例如遵守系统相关联的和业务相关联的约束等，约束可在实现之间变化。此外，应该意识到这样的开发努力可能是复杂并且耗时的，但对于从本公开受益的那些普通技术人员仍将是设计、制作和制造的例行任务。

[0017] 当介绍本公开的主题的多种实施例的要素时，冠词“一”、“该”和“所述”意在表示存在要素中的一个或多个。术语“包括”、“包含”和“具有”意在为包括性的并且表示可存在除列出的要素外的附加要素。此外，尽管术语“示范性的”在本文中可结合目前公开的技术的方面或实施例的某些示例使用，但将意识到这些示例在性质上是说明性的并且术语“示范性的”不在本文中用于指示关于公开的方面或实施例的任何偏好或要求。[0018] 图1是本公开的曲面薄膜压力传感器10的示例。如图1所示，运动部件（未示出，例如，工业设备中的运动部件）需要添加曲面薄膜压力传感器10以感测其表面压力、从而保护受检对象免受伤害；另一方面，由于运动部件可以按照需要具有任何形状，因此相应地曲面薄膜压力传感器10的曲面板壳（以附图标记1示出其中的一部分）也构造成例如图1所示的曲面形状。如图所示，曲面板壳的中心位置1镂空或透明窗处理，以能够露出如运动部件上的按钮、控制机构、显示机构等，使用者通过操纵这些组件可以控制/操作运动部件以及与运动部件耦合的其他组件的操作和/或对它们的工作情况加以监视。

[0019] 曲面薄膜压力传感器10在曲面板壳除了部分1以外的其他部分之上添加薄膜开关和泡棉等，其利用下文更详细描述的、结合分型技术的方法100（见图4）完成；最终的曲面薄膜压力传感器10被覆合到运动部件（图3中示出）的运动部件曲面上。覆合到特定曲面上的一部分曲面薄膜压力传感器一般地以附图标记12示出。另外，在图1中还给出了薄膜开关及泡棉的一种分型和裁切方式14，其能使薄膜开关及泡棉更好地覆合到弹性的曲面板壳上，同时能提高其在曲面板壳上的覆盖率，即能提高传感器的占空比，以使曲面薄膜压力传感器12作为整体更有效感应外界的触碰压力。

[0020] 本领域技术人员通过结合图1和图3来阅读本公开能够意识到，覆合了曲面薄膜压力传感器12的运动部件将能够以更少的压力感测盲区来感应曲面上的压力，同时运动部件从外观上来看也基本不会受到覆合的曲面薄膜压力传感器12的影响。进一步地，选择合适的材料来制造曲面薄膜压力传感器12，并且使其完整包覆运动部件的外表面，还能进一步起到在一定程度上防止误触发以及防火和防水等的技术效果。[0021] 图2是根据本公开实施例的薄膜开关导电层（例如，图3中的上网栅薄膜和下网栅薄膜34A和34B）的几种布线结构。本领域技术人员能够意识到，按照需要可以选择其中的一种或多种，并分别将选择的布线结构用在下文结合图3更详细描述的上网栅薄膜34A和下网栅薄膜34B中。例如，图2的a）图示了平行布置的导线22；图2的b)图示了竖直布

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置的导线24；以及图2的c）图示了网状布置的导线26。当外界压力通过曲面板壳32而传递到薄膜开关34（均见于图3）时，薄膜开关34的上网栅薄膜和下网栅薄膜34A和34B将压力逐级传递并产生相应的形变挤压，致使上、下网栅薄膜的导线短接，导致网栅的阻抗或网栅间的阻抗发生变化。通过测量、接收、分析阻抗变化，与导线相连的分析装置（例如，微处理器、计算机等，均未示出）可以确定运动部件的受力情况（其与运动部件接触到受检对象相关联），并进行进一步的控制处理，例如使运动部件停止运动等。[0022] 本领域技术人员能够明了，上述导线布置的方式只是示例性的，按照需要可以选择上述三种布置的组合、其他常见的布置方式来用于布设导线，这均未超出本公开的范围。[0023] 下文参照图3并结合曲面薄膜压力传感器的一个示范实施例30，来详细说明本公开的原理。由于曲面薄膜压力传感器的各组件之间的相对位置关系取决于观察者所处的位置，因此本文中将一个组件描述为在另一个组件“顶部”、“底部”、“上面”、“下面”、“之上”、“之下”等都是相对的说法，当在适当位置观察时可能两者的相对位置关系相反。也就是说，任何位置术语和这些术语的变化形式的任何使用是为了方便而做出，并不要求描述的组件的任何具体取向。

[0024] 图3示意性示出了并入薄膜开关34的曲面薄膜压力传感器30。根据一个优选实施例，曲面薄膜压力传感器30包括曲面板壳32、附连到曲面板壳的薄膜开关34、以及位于该薄膜开关之下的泡棉36。安装时，曲面板壳32这一侧作为外观面（即，安装完成后从外部能够看到的面），并且将薄膜开关34的泡棉36这一侧贴合到运动部件的砧板外壳38上。下文将对各主要组件进行更详细地描述。[0025] 通常作为受压面的曲面板壳32，可以采用各种板壳机械加工方法制作成相对复杂的各种完整形状，而不仅仅局限为简单的平面图形，这很大程度方便产品的外观和功能性设计。根据几个优选实施例，曲面板壳32是整体成形的，其外形更美观；可以通过选择曲面板壳32的材料，来增强曲面薄膜压力传感器30的防水、防火，甚至耐化学性；可以通过改变曲面板壳32的材料机械性能及厚度，改变曲面薄膜压力传感器的整体敏感度。例如，曲面板壳32的材料和厚度选择为在受到的压力达到某个压力阈值时才发生形变，该压力可能由于运动部件接触到受检对象而造成。优选地，该压力阈值为0.5牛顿、1牛顿、10牛顿、30牛顿。优选地，该压力在10牛顿到40牛顿之间。[0026] 本领域技术人员能够意识到，上述优选特征可以单独施加，也可以在可能的情况下结合应用，以获得不同的产品。总之，曲面板壳32的形状可以根据运动部件（未示出）的外观设计要求来选择，例如曲面板壳32是如图1所示的曲面形状，并优选地由弹性材料组成，即弹性的曲面板壳32。根据一个实施例，当合适的压力40（例如，介于10-40牛顿之间）作用到曲面板壳上时，由于曲面板壳的弹性组成，其可发生变形，并向下传递到薄膜开关34，如图3中示意性示出的那样。

[0027] 薄膜开关34可以通过下文详细描述的、基于“平面印刷电路技术”制成，然后覆合到曲面板壳32上。如下文所述，通过平面印刷电路技术，分别制作薄膜开关34的上下导电网栅和导线引线，然后对上下导电网栅均匀点胶，冲裁叠层胶片，最后将上导电网栅、叠层胶片、下导电网栅顺序叠合并进行后处理，形成薄膜开关34。最后根据要覆合的曲面板壳32的形状，对薄膜开关34进行分型和冲裁，双面粘合同样分型的胶片，然后一侧贴合同样分型的泡棉，而另一侧覆合在曲面板壳32的内侧，并且两者之间的覆形吻合度较高，即覆

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合后的薄膜开关34在形状上与曲面板壳32十分相似，如图3所示。采用下文中详细描述的分型技术，还能够有效提高压力敏感面的占空比，减小压力敏感盲区的面积。优选地，薄膜开关34能够感测到施加到曲面板壳绝大部分上的、超过阈值的压力。[0028] 当超过阈值的压力40作用到曲面板壳上时，板壳32变形、并且该变形传递到薄膜开关，使其发生局部变形。例如，薄膜开关的上网栅薄膜和下网栅薄膜34A、34B由于受到挤压而发生相应变形，从而引起网栅薄膜的上网栅阻抗和下网栅的阻抗改变或网栅间的阻抗改变（具体原理例如结合图2描述的那样）。在上网栅薄膜和下网栅薄膜34A、34B之间的组件34C（例如，由隔离胶形成的支柱）可以在上下网栅薄膜发生变形之前和之后起到支撑作用。例如，在施加压力前组件34C使上网栅薄膜和下网栅薄膜34A、34B基本保持平行（未示出）；在施加压力后组件34C使上网栅薄膜和下网栅薄膜34A、34B呈现如图3所示的形状，例如其中的部分导线短接。[0029] 通过上网栅、下网栅的阻抗改变或网栅间的阻抗改变，并通过与传感片互联的设备（例如，电线（未示出））将表示所感测的阻抗的改变的传感信号传递到诸如计算机或微处理器的运动控制系统（未示出）。本领域技术人员熟知如何安装传感片、如何通过安装到位的传感片来感测网栅阻抗的改变、以及如何将阻抗的改变转换成相应电信号并传递该信号至运动控制系统，因此本文不再对此进行更详细地描述。[0030] 接下来，运动控制系统接收、存储、并分析传感信号，然后根据控制系统内或控制系统外的处理器来确定曲面薄膜压力传感器30的曲面板壳是否受到可能伤害受检对象的压力的作用，并在特定情况下基于上述确定来控制运动部件的运动状态，从而避免对受检对象的伤害。例如，当运动控制系统判断传感信号超过某个预定或定制阈值时，会发出命令，以使运动部件停止运动（例如，断电）或向反方向离开当前位置一定距离。优选地，运动控制系统和/或运动部件还可以发出报警，例如声音报警、视觉报警等，以表明感测到运动部件与受检对象接触，并且压力超过一定阈值。[0031] 优选地，可在运动部件的砧板外壳38和薄膜开关34的下网栅薄膜34A之间添加泡棉36，以形成泡棉层。泡棉层例如包括分型式泡棉垫板，其能有效提高薄膜开关34的强度、有效包络曲面薄膜压力传感器30、和/或有效缓和曲面薄膜压力传感器30装配/形成到运动部件时引起的局部变形和挤压，提高成品率；同时，泡棉层还能有效传递外界压力到曲面薄膜压力传感器的外壳，以进一步提高压力灵敏度。[0032] 下面具体结合图4并参考图1-3，描述了根据一个优选实施例的曲面薄膜压力传感器的制造过程。该制造过程的关键在于，如何将平面印刷电路板技术和曲面板壳制造技术融合在一起——本公开使用了分型技术来作为两种技术结合的桥梁。[0033] 根据一个优选实施例，提供了制作曲面薄膜压力传感器装置（例如，曲面薄膜压力传感器12、30）的方法100。简而言之，制造曲面薄膜压力传感器装置主要需要曲面板壳、将覆合于其上的平面薄膜开关、以及泡棉垫板等组件，它们以下文所述的方式进行组装并然后装配到运动部件的外壳砧板上，以合适地操作从而实现上文描述的及其它技术目的。[0034] 具体而言，加工方法100的一个分支始于步骤102，在该步骤中制作平面薄膜开关，即按照通常平面印刷技术中的方式制作三明治结构的多层柔性线路板，例如，根据应用选用合适的柔性线路板材料、加工出如图2所示的细密网栅结构的信号层、涂布或覆合绝缘胶材、然后进行三明治式叠合从而使各信号层间具备均匀气隙、以及最后固化处理制成

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平面薄膜开关。

[0035] 加工方法的另一个分支则始于步骤104，在其中根据对运动部件的曲面中关键部位压力敏感性的要求选择曲面板壳32的厚度和/或材料组成，以确保曲面板壳在受到一定外力时发生合乎需要的形变。另外，在步骤104中制作的曲面板壳32也应符合外观设计的需要，这可通过板壳机加工方法来实现。进一步地，可以选择合适的材料构建板壳32，以使得其具备一定的防护效果，例如防水、防火等。[0036] 现在回到步骤102，在该步骤之后，根据要覆合的曲面形状（即曲面板壳32或运动部件的曲面形状）对步骤102中形成的平面薄膜开关进行分型裁切（步骤106），以使其对曲面实现好的覆合，从而从外观和感测灵敏度上都有所改进。然后对裁切的各板间用压焊、短接等方式进行互联并进行双面覆胶处理。[0037] 接下来在步骤108，将步骤106后得到的薄膜开关的胶面覆合到步骤104中形成的曲面板壳上，即制成本公开的曲面薄膜压力传感器装置。[0038] 优选地，鉴于泡棉片材有很好的形变适应性，同时能够提高薄膜开关机械强度防止其在覆合或应用中发生扭曲变形，还可以在薄膜开关上、与曲面板壳相对的另一侧处添加110泡棉片材。为了实现本发明的目的，需要对泡棉片材进行适当的分型裁切处理，然后再相应地覆合到分型裁切后的平面薄膜开关上。[0039] 最后，将根据上述步骤102-110所制作的曲面薄膜压力传感器30耦合或装配到运动部件的砧板外壳38上，以用于进行感测。[0040] 本领域技术人员容易想到，可按照需要，将本公开的薄膜开关或曲面薄膜压力传感器30安装在受检对象容易触碰到的运动部件外表面的任何位置，以达到下述技术目的：既能满足运动部件外表面的外观要求，又能有效感应触碰以避免对受检对象的伤害，同时还能起到防火、防水等的额外效果。上述运动部件包括但不限于：通用电气公司开发的CT产品等上的某些运动部件。

[0041] 虽然仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但是易于理解本发明并不局限于所公开的实施例。更确切地，本发明可修改以结合上文未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的改变、变更、替换或等效布置。另外，虽然描述了本发明的多种实施例，但是要理解的是，本发明的方面可仅包括描述的实施例中的一些。因此，本发明并不受上述描述的，而是仅由所附权利要求的范围来。

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