Чувствительный элемент матричного тактильного датчика

 

Использование: в измерительной технике. Технический результат изобретения заключается в повышении надежности за счет увеличения сцепления между пленкой с поверхностью матрицы сенсоров. Сущность: чувствительный элемент (ЧЭ) содержит основание, матрицу сенсоров давления, которая размещена на основании, и полимерную пленку поверх матрицы. Полимерная пленка закреплена по периметру матрицы на основании, и объем, образуемый полимерной пленкой и основанием, заполнен газовой средой с пониженной концентрацией газов. При условии работы ЧЭ в нормальных условиях оптимальная концентрация газов находится в диапазоне от 2,5·10¹⁵ м^-3 до 2,5·10²⁵ м^-3. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к матричным тактильным датчикам (МТД), и может использоваться как в интегральных МТД, так и в МТД, изготовленных на основе гибридной технологии.

Известна конструкция чувствительного элемента (ЧЭ) для МТД [1], содержащая в качестве основы интегральную схему с матрицей алюминиевых электродов, слой натурального каучука поверх матрицы, слой проводящей резины поверх слоя натурального каучука и защитный слой поверх слоя проводящей резины. Действие ЧЭ заключается в изменении толщины слоя каучука под нагрузкой, которое приводит к изменению емкости между слоем проводящей резины и алюминиевыми электродами. Недостатками такой конструкции ЧЭ являются низкое пространственное разрешение из-за большой площади электродов и корреляция сигналов в ячейках из-за общего чувствительного слоя.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является конструкция ЧЭ для МТД [2], содержащая основание с нанесенными металлическими шинами, матрицу сенсоров давления в виде балок из монокристаллического кремния, размещенную на основании, и тонкую (<25 мкм) полимерную пленку поверх матрицы чувствительных элементов, закрепленную по периметру матрицы. Пленка имеет слой нанесенного алюминия (500 А) для экранирования передающих сигнал проводящих монокристаллических шин. Такая конструкция ЧЭ имеет высокое пространственное разрешение и в ней отсутствует корреляция сигналов ячеек, однако она обладает низкой надежностью, так как из-за недостаточного сцепления между пленкой и матрицей сенсоров давления при нагрузках с большой величиной тангенциальной составляющей может происходить смещение пленки по поверхности матрицы, приводящее к повреждению сенсоров давления.

Задачей данного изобретения является повышение надежности ЧЭ за счет увеличения сцепления полимерной пленки с поверхностью матрицы сенсоров давления.

Сущность изобретения заключается в следующем. ЧЭ содержит основание, матрицу сенсоров давления, которая размещена на основании, и полимерную пленку поверх матрицы. Полимерная пленка закреплена по периметру матрицы на основании, и объем, образуемый полимерной пленкой и основанием, заполнен газовой средой с пониженной концентрацией газов.

При условии работы ЧЭ в нормальных условиях оптимальная концентрация газов находится в диапазоне от 2,5·10¹⁵ м^-3 до 2,5·10²⁵ м^-3. Конструкция ЧЭ показана на фиг. 1. Цифрами на фиг. 1 обозначены: основание ЧЭ 1, матрица сенсоров давления 2, полимерная пленка 3, место крепления пленки 4.

На фиг. 2 (а, б) показаны основные этапы первого способа формирования ЧЭ с полимерной пленкой для интегрального МТД. После изготовления кристалла МТД полимерную пленку 3 накладывают до разделения пластины на кристаллы на всю пластину 5, в пленке делают сквозной разрез 6, не выходящий за пределы центрального реперного модуля пластины 7, на разрез помещают круговой груз 8, создающий небольшое давление, затем пленку герметично прижимают зажимом 9 по краю пластины, пластину помещают в барокамеру с требуемой величиной давления, выносят из нее, термокомпрессионным способом с помощью рамки 10 с нагревательной спиралью 11 пленку приваривают к каждому кристаллу в специально отведенной для этого замкнутой области, затем по внешнему периметру этой области на каждом кристалле в пленке механическим способом или с использованием лазера производят сквозной разрез 12 пленки и неиспользуемую часть пленки удаляют со всей пластины, после чего пластину разделяют на кристаллы.

Второй способ отличается тем, что полимерную пленку 3 накладывают до разделения пластины на кристаллы на всю пластину 5, пластину помещают в барокамеру, производят откачку барокамеры до требуемого давления, в барокамере термокомпрессионным способом с помощью рамки 10 с нагревательной спиралью 11 пленку приваривают к каждому кристаллу в специально отведенной для этого замкнутой области, затем по внешнему периметру области приваривания на каждом кристалле в пленке механическим способом или с использованием лазера производят сквозной разрез 12 пленки и неиспользуемую часть пленки удаляют со всей пластины, после чего пластину разделяют на кристаллы.

На полимерную пленку могут быть нанесены металлические и другие слои, существенно не меняющие ее толщину и гибкость. Давление, оказываемое полимерной пленкой на матрицу сенсоров давления, компенсируется изменением конструкции сенсора или аппаратным путем.

В предлагаемой конструкции ЧЭ увеличено сцепление между полимерной пленкой и матрицей сенсоров давления. Это обусловлено разностью концентраций газов, т. е. давлений, вне пленки и в пространстве под ней, за счет которой происходит прижатие пленки к поверхности матрицы. Увеличение сцепления между пленкой и поверхностью матрицы приводит к повышению устойчивости пленки к сдвигу при тангенциальных нагрузках на ЧЭ. Сила сдвига F_с, действующая на полимерную пленку с одинаковым давлением в объеме, образуемом пленкой и основанием, и вне его при воздействии нагрузки с нормальной составляющей F_н и тангенциальной составляющей F_т, равна F_с = F_н·k-F_т, где k - коэффициент трения между пленкой и поверхностью матрицы.

В случае превышения внешнего давления P над внутренним давлением p сила сдвига равна F_с = (F_н+S·(P-p))·k-F_т, где S - площадь, на которой действует сила.

Таким образом, увеличивается величина F_т, при которой F_с становится равной нулю и начинается движение полимерной пленки по поверхности матрицы, что приводит к повышению надежности ЧЭ.

Источники, использованные при составлении заявки: 1. R.Woffenbuttel and P.Regtien, Integrated tactile imager with an intrinsic contour detection option, Sensors and Actuators, V.16 (1989) pp. 141-153.

2. K. Suzuki, K.Najafi, and K.D.Wise, A 1024-element high- performance silicon tactile imager, IEEE Transaction on Electron Devices, V. 17 (1990), pp. 1852-1859.

Формула изобретения

Чувствительный элемент матричного тактильного датчика, содержащий основание, матрицу сенсоров давления, размещенную на основании, полимерную пленку поверх матрицы, закрепленную по периметру матрицы на основании, объем, образуемый полимерной пленкой и основанием, заполненный газовой средой, отличающийся тем, что при работе в нормальных условиях концентрация газов в объеме, образуемом полимерной пленкой и основанием, находится в диапазоне от 2,5 · 10¹⁵ до 2,5 · 10²⁵ м^-3.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2