專利名稱：具耦合型與多向性的軟性應力傳感裝置的制作方法
技術領域：
本發明為一種耦合型與多向性的軟性應力傳感裝置，特別是有關于一種傳感正向
力和剪應力的軟性應力傳感裝置。
背景技術：
應力傳感器大多數采用塊體狀(Bulk)的結構設計，故應用于不規格表面傳感上并不適合，此外，以應用于大面積矩陣傳感而言，現今多數的應力傳感單元僅可用于單一功能的傳感，亦即是僅可獨立傳感正向應力(NormalStress)或剪應力(Shear Stress)其一。
美國專利號US6951143提出一種耦合型的傳感器，其是在一四角錐體(Pyramid)的四側邊上各設置一應變計(Strain Gauge)。當傳感器受到一剪應力作用時，在兩邊上的應變計的形變量將不同，其中一應變計受到拉伸，而另一應變計則受到壓縮，借此可計算出剪應力的大小及方向；若是傳感器受到一正向應力作用時，四個應變計將具有相同的應變量，借此可計算出正向應力的大小。 美國專利號RE37065提出以超聲波反射原理檢測正向應力與剪應力的傳感器，其主要是由超聲波換能器(Ultrasonic Transducer)與半球形組件構成。當半球形組件被施加一側向剪應力時，由于受力后的位置改變，造成超聲波在兩邊行經路線會有所變化，即超聲波換能器發射后所檢測到反射回來超聲波的時間不同，利用此差異性可測量剪應力的大小及方向。當施加一正向應力時，兩邊超聲波行徑路相同，意謂超聲波換能器發射超聲波后所檢測到反射回來的時間相同，故可測量正向應力的大小及受力的方向性。
發明內容
本發明的應力傳感裝置包括一基板、一支撐層、一薄膜基材、多個薄膜傳感部、多個傳感電極、多個傳感塊、多個凸塊物、以及一填充物。支撐層設置在軟性基板上，薄膜基材由支撐層所支撐，薄膜傳感部由薄膜基材延伸而出，傳感電極對應置于薄膜傳感部上，傳感塊對應涂布在傳感電極上，而填充物包覆支撐層、薄膜基材、薄膜傳感部、傳感電極、以及傳感塊。 為使本發明的內容更明顯易懂，下文特舉優選實施例并配合附圖做詳細說明。
圖1是依據本發明的軟性應力傳感裝置的其中一實施例的示意圖。
圖2A、圖2B、圖2C顯示圖1的軟性應力傳感裝置的第一部分的制作方式。
圖3A、圖3B、圖3C、圖3D顯示圖1的軟性應力傳感裝置的第二部分的制作方式。
圖4為圖3B的薄膜基材的上視圖。
圖5為圖3D的薄膜基材的立體圖。 圖6A、圖6B是將軟性應力傳感裝置的第一、二部分組合及封裝的示意圖。
主要組件符號說明
3
21 軟性基板 22 支撐層 23 支撐±央 31 薄膜基材 32 傳感電極 33 開孔 34 薄膜傳感部 35 傳感塊 61 填充物 63 凸塊物
具體實施例方式
請參閱圖1，圖1是依據本發明的軟性應力傳感裝置的其中一實施例的示意圖，圖中僅顯示軟性應力傳感裝置的其中一傳感單元，然而在實際應用中，可采用多個傳感單元并排列成矩陣形式，以達到大面積傳感的目的。如圖所示，軟性應力傳感裝置包括軟性基板21、支撐層22、支撐塊23、薄膜傳感部34、傳感電極32、傳感塊35、凸塊物63與填充物61。以下先說明此軟性應力傳感裝置的制作方式。 軟性應力傳感裝置大致上可分成兩部分，圖2A、圖2B、圖2C所示為第一部分的制作方式，圖3A、圖3B、圖3C、圖3D所示為第二部分的制作方式。 第一部分的制作方式，首先如圖2A所示，提供一軟性基板21。接著如圖2B所示，以粘合制程(亦可用貼合、印制或點膠等方式)在軟性基板21上制作出支撐層22。然后如圖2C所示，以印制或點膠方式并經加溫固化后制作出一個支撐塊23，在本實施例中，此支撐塊23為半球狀。 第二部分的制作方式，首先如圖3A所示，在具有金屬箔的薄膜基材31上，以蝕刻方式作出傳感電極(與電極走線)32。然后如圖3B所示，以沖壓(Punching)或其它加工方式在薄膜基材31上產生開孔33，以便定義出薄膜傳感部34，圖4為圖3B的薄膜基材的上視圖，由圖可知沖壓產生的薄膜傳感部34為懸臂(Cantilever Beam)形式，且由薄膜基材31延伸而出。接著如圖3C所示，以印制或點膠制程將傳感塊35制作在傳感電極32上，此傳感塊35的材料可為一電阻材料、一壓阻材料、一壓電材料、一電感材料、一電磁材料或一熱電材料。然后如圖3D所示，施予加溫烘烤，由于薄膜傳感部34與傳感塊35采二種不同熱膨脹系數材料，可使薄膜傳感部34產生翹曲弧狀，圖5清楚顯示薄膜傳感部34的翹曲情形。 接著將制作完成的第一部分(圖2C)以及第二部分(圖3D)組裝在一起，如圖6A所示，組裝過程中將支撐塊23精確置于翹曲弧狀薄膜傳感部34的正下方，并通過此半球狀支撐塊23將翹曲弧狀薄膜傳感部34頂出，使每根的薄膜傳感部34具有相同的翹曲角度與高度。隨后如圖6B所示，以高分子填充物61通過射出或灌膠的制程技術進行封裝， 一般而言填充物61與支撐塊23可為相同的高分子材料。最后再以印制制程技術于薄膜傳感部34的頂端制作凸塊物63，須注意填充物61固化后的軟性應比薄膜傳感部34低，以免降低傳感裝置的靈敏度，此外封裝的高度應與翹曲后的薄膜傳感部34相同，另外凸塊物63的硬度須遠大于薄膜傳感部34與填充物61的硬度。 在操作時，利用翹曲的薄膜傳感部34以及與傳感塊35同時進行傳感，可區別出正向應力與剪應力大小，而薄膜傳感部34采成對(In Pairs)設計，可依照各對傳感塊35的受力差異，判別來源力量的方向性。 —般而言，單純以熱膨脹方式是很難使薄膜傳感部34的翹曲角度與高度達到一致性，因此本實施例以軟性半球狀支撐塊23來控制薄膜傳感部34的翹曲，可準確使其機械形變量達到相同。然而可以了解到，支撐塊可改為矩形或者多邊形等，亦可達成相同功效。
此外，當軟性應力傳感裝置經高分子填充物61封裝后，其觸摸翹曲薄膜傳感部34的感度與靈敏度會降低，故本發明在翹曲薄膜傳感部34頂端上制作一個凸塊物63，以改善此現象。凸塊物的形狀不限，可為半球狀、矩形、或者多邊形等。 當觸摸到封裝層時，由于凸塊物63受到外力擠壓，使薄膜傳感部34的頂端處會產生應力集中特性，因而造成翹曲的薄膜傳感部34有往下的位移形變量，由于翹曲的薄膜傳感部34與凸塊物63相連結，使得薄膜傳感部34的位移慣性矩增加，故其可降低薄膜傳感部34的破壞應力分布，并且增加薄膜傳感部34的回復彈性力。 本發明的軟性應力傳感裝置并非以半導體或微機電制程所制作而成的硬質微傳感組件，而是以簡易軟性電子印制技術來制作，故其可避免傳感組件脆裂產生、降低制程成本與復雜性。 雖然本發明已以優選實施例公開如上，然其并非用以限定本發明，任何其所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和范圍內，當可作任意的更動與潤飾，因此本發明的保護范圍當視權利要求書所界定者為準。
權利要求
一種應力傳感裝置，包括一基板；一支撐層，設置在該基板上；一薄膜基材，由該支撐層所支撐；多個薄膜傳感部，由該薄膜基材延伸而出；多個傳感電極，對應設置于在所述薄膜傳感部上；多個傳感塊，對應設置在所述傳感電極上；及一填充物，包覆該支撐層、該薄膜基材、所述薄膜傳感部、所述傳感電極、以及所述傳感塊。
2. 根據權利要求1所述的應力傳感裝置，其中所述薄膜傳感部以成對方式設置。
3. 根據權利要求1所述的應力傳感裝置，其中所述薄膜傳感部為翹曲弧狀。
4. 根據權利要求3所述的應力傳感裝置，其還包括一支撐塊，設置在該基板上，并且同 時支撐所述薄膜傳感部。
5. 根據權利要求4所述的應力傳感裝置，其中該支撐塊為半球狀、矩形、或者多邊形。
6. 根據權利要求1所述的應力傳感裝置，其中所述傳感塊的材料為一電阻材料、一壓 阻材料、 一壓電材料、 一 電感材料、 一 電磁材料或一熱電材料。
7. 根據權利要求1所述的應力傳感裝置，其還包括多個凸塊物，對應連結在所述薄膜 傳感部的頂端。
8. 根據權利要求7所述的應力傳感裝置，其中所述凸塊物為半球狀、矩形、或者多邊形。
9. 根據權利要求1所述的應力傳感裝置，其中填充物與支撐塊可為相同的高分子材料。
全文摘要
一種具耦合型與多向性的軟性應力傳感裝置，包括一軟性基板、一支撐層、一薄膜基材、多個薄膜傳感部、多個傳感電極、多個傳感塊、多個凸塊物、以及一填充物。支撐層設置在軟性基板上，薄膜基材由支撐層所支撐，薄膜傳感部由薄膜基材延伸而出，傳感電極對應設置在薄膜傳感部上，傳感塊對應涂布在傳感電極上，而填充物包覆支撐層、薄膜基材、薄膜傳感部、傳感電極、以及傳感塊。
文檔編號G01L1/20GK101788351SQ20091000297
公開日2010年7月28日 申請日期2009年1月23日 優先權日2009年1月23日
發明者張文陽, 林恒如, 沈煜棠 申請人:財團法人工業技術研究院