CN105241585A - 一种基于银导电胶的电容式传感器装置及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种基于银导电胶的电容式传感器装置及其制作方法，本传感器装置的叉指状电极、导线和焊盘为一体的固化银导电胶传感器电路，附着于固化的柔性环氧树脂层上，粘附于轮胎内表面。银导电胶传感器电路厚为0.04～0.1mm，柔性环氧树脂层厚为0.5～1.5mm。本制造方法步骤为：Ⅰ、设计传感器电路图形；Ⅱ、在铜箔胶带上涂覆光刻胶，刻蚀得到传感器电路图形通槽的模具；Ⅲ、在轮胎趾口上方安装位置涂覆环氧树脂胶并固化；Ⅳ、贴附模具；Ⅴ、银导电胶滴入模具通槽内，固化后得到银导电胶传感器电路。本发明银导电胶传感器电路、环氧树脂层与轮胎三者粘附紧密，不易损坏；导电性良好，体积及质量小，寿命延长；制作工艺简单，成本降低。
Description
技术领域
本发明涉及汽车电子技术，具体是一种基于银导电胶的电容式传感器装置及其制作方法。
背景技术
汽车在行驶过程中通过轮胎与地面直接接触，因此轮胎的性能直接决定了汽车的安全性能。车辆轮胎分为有内胎轮胎和无内胎轮胎，有内胎轮胎广泛运用于大型车辆或者对舒适度要求不是很高的车辆中。无内胎轮胎防振以及防爆胎性能都优于前者，目前的轿车轮胎基本都是无内胎轮胎。随着电子信息技术的发展，轮胎智能化已经是轮胎的一种发展趋势。所谓轮胎智能化就是在轮胎内部植入传感器，实时监测轮胎在行驶过程中产生的温度以及轮胎胎压状况，并实时反映到相关监测结果输出装置，使得驾驶员了解轮胎当前工作状态，进而能够避免一系列由于轮胎而引起的交通事故。
轮胎内部环境极其复杂，安装在轮胎内部的传感器要经受多重应力的循环作用。车辆在行驶过程中，轮胎与地面摩擦产生大量的热，最高温度达到100℃以上。此外，车辆在行驶过程中轮胎持续处于高速旋转状态，安装在轮胎内部的传感器除了受到热冲击外还受到较大的离心力作用。这就要求传感器耐受热冲击，且能够承受较大的离心力。
目前的传感器采用叉指状电极装置，其利用压力引起的极距的变化、导致电容的变化、准确测量轮胎胎压的变化。叉指状电极装置结构简单、体积小、适应性较强且温度稳定性好，可以在高温高湿等复杂环境下实现非接触测量。目前各种基于叉指状电极装置的胎压监测***层出不穷，各种***的具体实现方法不同。
其中一种***采用“补丁”型叉指状电极装置。利用光刻蚀技术，刻蚀在某种衬底(如柔性环氧树脂衬底)上的铜材料，得到叉指状电极装置图形，然后用粘合剂将该衬底粘合在轮胎内表面。再通过质量、体积较大的铝或者铜导线将传感器与外界电路相连。叉指状电极及其相关互连导线一次性做在轮胎内表面上，减小传感器整体质量，使其能够准确地测量轮胎胎压变化情况。然而，轮胎在工作过程中较高的温度以及较大的离心力，会导致传感器的使用寿命降低，测量不准确。柔性的补丁型传感器需要与刚性的导线连接，机械振动使连接处易剥离。故质量较大的“补丁”型叉指状电极装置及其互连导线难以达到预期的使用寿命及测量精度。另外刻蚀液会污染环境，光刻材料成本高，刻蚀制作的效率低，都是此种传感器的制作方法的缺陷。
3D打印可将含银纳米颗粒的金属墨水打印在不规则的物体上形成所需要的电路图形，省去PCB，保持物体原有的力学及其他性能，减小了电子电路部分所占的体积及其质量。但轮胎内部三面封闭、内表面不光滑，目前的3D打印喷头无法在狭小的轮胎内部在其内表面打印出符合要求的叉指状电极图形。此外，3D打印所得的银纳米传感器电路图形，需要经过高温烧结，才能形成导电性强、粘附性强的叉指电极。一般的烧结处理温度为200℃左右，在此温度下橡胶轮胎表面将会遭到破坏而降低其原有的性能。此外目前3D打印的制作方法工艺复杂，成本较高。
现有的另一种基于叉指状电极装置的胎压监测***是使轮胎内部结构中的相邻钢丝以及钢丝之间的橡胶组成轮胎阻抗，以轮胎阻抗自身结构作为传感器，轮胎所受压力的变化导致钢丝之间距离的变化，引起轮胎阻抗值的变化，从而得到轮胎受力状况。此种设计需要改变现有轮胎钢丝的布置及轮胎的制作工艺，成本大大升高。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，设计一种基于银导电胶的电容式传感器装置，其叉指状电极、导线和焊盘集合为一体，由固化的银导电胶构成，传感器附着于柔性环氧树脂层上，而柔性环氧树脂层粘附于轮胎内表面。本装置使用体积小，质量高，寿命长，测量准确。
本发明的另一目的在于设计上述基于银导电胶的电容式传感器装置的制造方法，其主要步骤为设计传感器电路图形；在铜箔胶带上涂覆光刻胶，刻蚀得到传感器电路图形通槽的模具；在轮胎趾口上方安装位置涂覆环氧树脂胶并固化；贴附模具；银导电胶滴入模具通槽内，固化后得到银导电胶传感器电路。
本发明设计的一种基于银导电胶的电容式传感器装置，包括叉指状电极、导线和焊盘，叉指状电极为2个相同的正负电极，每个电极的根部连接宽度长度和间距均相同的2～6个电极指，正负电极处于同一平面上、正电极指与负电极指交错排列，各电极指相互平行，且间距相等，正负电极指相对、成2～6对。正、负电极分别连接1根导线，2根导线另一端各连接一个焊盘，焊盘用于与检测电路连接。
本发明的电容式传感器装置的叉指状电极、导线和焊盘为一体的固化银导电胶传感器电路，银导电胶为含有银粉溶质的柔性环氧树脂胶，银导电胶传感器电路附着于固化的柔性环氧树脂层上，柔性环氧树脂层粘附于轮胎内表面。
所述银导电胶传感器电路厚为0.04mm～0.1mm，所述柔性环氧树脂层厚为0.5mm～1.5mm。
所述叉指状电极根部与各电极指垂直，叉指状电极外轮廓为矩形。
所述银导电胶传感器电路的叉指状电极、导线和焊盘总长度为90mm～120mm，不计焊盘的宽度为10mm～20mm。
所述叉指状电极的长度为叉指状电极、导线和焊盘总长度的1/4～3/4。
所述叉指状电极各电极指的间距及电极指与另一电极根部的间距为0.1mm～0.5mm。
本发明设计的基于银导电胶的电容式传感器装置的制造方法，主要步骤如下：
Ⅰ、设计传感器电路图形
根据使用本传感器的轮胎设计传感器电路图形，包括传感器叉指状电极、导线和焊盘的长度、宽度及间距。
本步骤开始前，对使用本传感器的轮胎进行热力仿真实验，实验条件为：环境温度为常温22℃。轮胎内部气压设置为0.5MP，轮胎匀速行驶过程中与地面摩擦产生热量，并轮胎表面的温度升高，设置温度荷载为85℃。以ANSYA仿真软件分析轮胎各部位的形变和温度变化。实验可知在轮胎趾口上方5mm～60mm的胎侧内表面为形变最小且温度最低的区域，且可避免在安装轮胎时传感器受到破坏。本传感器的安装位置处于此环形区域内，即本传感器电路图形的长度或宽度小于此区域的宽度。可对于不同轮胎进行热力仿真实验，以选择最佳传感器安装位置，以避免传感器受轮胎形变和温度的影响，延长其工作寿命。
Ⅱ、制作模具
以一面为单面胶、另一面为铜箔的铜箔胶带为材料，铜箔上涂覆光刻胶，在室温下固化20～40分钟。将步骤Ⅰ设计的传感器电路图形曝光在光刻胶上，经过刻蚀，得到有步骤Ⅰ设计的电容式传感器电路图形通槽的铜箔胶带模具；
对完成的模具目测观察，如果有相邻的通槽相通、或者有通槽槽壁粗糙度过大，或者模具有其它损坏，淘汰不合格的模具，重新制作模具；如果因步骤Ⅰ的设计不具备可制作性，如电极指过细，或间距过小，致使模具制作难以成功，返回步骤Ⅰ重新设计模具；
Ⅲ、柔性环氧树脂层
以轮胎趾口上方的胎侧内表面为本传感器安装位置，在该位置内的矩形区域上涂覆一层柔性环氧树脂胶，该矩形面积大于步骤Ⅰ设计的电容式传感器电路面积；涂覆后在空气中10～30℃温度下，静置8～12小时，使其固化为柔性环氧树脂层；
Ⅳ、贴附模具
将步骤Ⅱ制作的模具铜箔胶带贴附步骤Ⅲ完成的柔性环氧树脂层上，反复滚压至少五次，使模具铜箔胶带完全贴附在柔性环氧树脂层上；
Ⅴ、制作基于银导电胶的电容式传感器
配制银导电胶，用注射器吸取银导电胶，用针头将银导电胶滴入铜箔胶带上的传感器电路图形通槽内，反复刮压2-5遍，使铜箔胶带的传感器图形通槽内均匀填充银导电胶，铜箔表面无残留银导电胶，在空气中10～30℃温度下，静置20～28小时，使其固化；之后取下铜箔胶带模具，得到银导电胶传感器电路。
所述银导电胶为溶质银粉均匀分散在柔性环氧树脂胶中，银粉与柔性环氧树脂的重量比为1:(0.9～1.1)；本步骤配制银导电胶的柔性环氧树脂胶与步骤Ⅲ所用的柔性环氧树脂胶成分相同。
目测观察所得银导电胶传感器电路是否有电路断裂或其它破坏，若所得传感器不合格，刮除铜箔胶带上的银导电胶，返回步骤Ⅳ。
与现有技术相比，本发明一种基于银导电胶的电容式传感器装置及其制作方法的有益效果为：1、柔性环氧树脂层与轮胎内表面粘附紧密，银导电胶也是相同的柔性环氧树脂，因此二者固化后连接为一体，能承受轮胎在行驶过程所产生的热及其离心应力导致的形变和高温，不易损坏；2、构成传感器电路叉指状电极、导线和焊盘的银导电胶固化后，环氧树脂将银颗粒溶质紧密地结合，其形成的传感器图形具有良好的导电性，达到预期的电学性能指标；3、传感器的叉指状电极、导线和焊盘一次成形，为一体的银导电胶传感器电路，测量准确，体积小，质量轻，使用寿命延长；4、可用热力仿真实验选择本传感器在轮胎内表面的最佳安装区域，并根据最佳安装区域设计相应的传感器电路，以保证传感器的测量精度与使用寿命；5、银导电胶和柔性环氧树脂均可在空气中常温条件下快速固化，环保节能；6、传感器图形模具可批量制作，该制作方法工艺简单，成本较低。
附图说明
图1为本基于银导电胶的电容式传感器装置实施例侧视结构示意图；
图2为本基于银导电胶的电容式传感器装置实施例正视结构示意图；
图3为本基于银导电胶的电容式传感器制作方法实施例流程图；
图4为本基于银导电胶的电容式传感器制作方法实施例步骤Ⅱ制作的模具示意图；
图5为本基于银导电胶的电容式传感器制作方法实施例步骤Ⅲ柔性环氧树脂层所处安装位置示意图。
图中标号为：1、轮胎，2、柔性环氧树脂层，3、银导电胶传感器电路，31、叉指状电极，32、导线，33、焊盘；4、铜箔胶带，5、传感器图形通槽。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步阐释。
基于银导电胶的电容式传感器装置实施例
本基于银导电胶的电容式传感器装置实施例如图1和2所示，柔性环氧树脂层2粘附于轮胎1内表面，银导电胶传感器电路3附着于固化的柔性环氧树脂层2上。一体的银导电胶传感器电路3包括叉指状电极31、导线32和焊盘33，叉指状电极31为2个相同的正负电极，每个电极的根部连接宽度长度和间距均相同的4个电极指，正负电极处于同一平面上、正电极指与负电极指交错排列，各电极指相互平行，且间距相等，正负电极指相对、成4对。正、负电极分别连接1根导线32，2根导线32另一端各连接一个焊盘33，焊盘33用于与检测电路连接。
银导电胶为含有银粉溶质的柔性环氧树脂，本例银导电胶厚为0.065mm；本例柔性环氧树脂层厚为0.5mm～1mm。
本例叉指状电极31根部与各电极指垂直，叉指状电极31外轮廓为矩形，宽度为18mm，长度为30mm。
本例银导电胶传感器电路3的叉指状电极31、导线32和焊盘33总长度为109mm。焊盘33长度为10mm，宽度为6mm。
柔性环氧树脂层2的长度为140mm，宽度为60mm，银导电胶传感器电路3完全处于柔性环氧树脂层2上。
本例焊盘33位于导线32外侧。
本例叉指状电极31各相邻电极指的间距及电极指与另一电极根部的间距为0.2mm。
基于银导电胶的电容式传感器装置的制造方法实施例
本实施例流程如图3所示，主要步骤如下：
Ⅰ、设计传感器电路图形
本例先对使用本传感器的轮胎进行热力仿真实验，实验条件为：环境温度为常温22℃。轮胎内部气压设置为0.5MP，设置温度荷载为85℃。以ANSYA仿真软件分析轮胎各部位的形变和温度变化。得到使用本例传感器的轮胎趾口上方5mm～40mm的胎侧内表面为形变最小且温度最低的区域，以此为本传感器安装位置。
根据轮胎热力仿真实验得到的最佳安装区域宽度，设计本例传感器电路图形宽度小于35mm。如图2所示本例传感器3长度为109mm、不计焊盘33的宽度为18mm，其叉指状电极31宽度为18mm，长度为30mm，叉指状电极31的各相邻电极指的间距和电极指与另一电极根部的间距为0.2mm；导线32长59mm，焊盘33长度10mm宽度6mm。
Ⅱ、制作模具
以一面为单面胶、另一面为铜箔的铜箔胶带为材料，本例铜箔胶带厚为0.065mm。铜箔上涂覆光刻胶，在室温下固化30分钟。将步骤Ⅰ设计的传感器电路图形曝光在光刻胶上，经过刻蚀，得到有步骤Ⅰ设计的电容式传感器电路图形通槽的铜箔胶带4的模具，如图4所示；
对完成的模具目测观察，是否相邻的通槽相通、或者是否通槽槽壁粗糙度过大，或者模具有其它损坏，淘汰不合格的模具，重新制作模具；如果因步骤Ⅰ的设计不具备可制作性，如模具电极指过细，或间距过小，致使模具制作难以成功，返回步骤Ⅰ重新设计模具；
Ⅲ、柔性环氧树脂层
在步骤Ⅰ确定的轮胎趾口上方的胎侧内表面的本传感器最佳安装位置内的矩形区域上涂覆一层柔性环氧树脂胶，该矩形面积大于步骤Ⅰ设计的传感器电路面积，涂覆后在空气中10～30℃温度下，静置8～12小时，使其固化为柔性环氧树脂层2；如图2所示，柔性环氧树脂层2的长度为140mm，宽度为60mm，厚为0.5mm～1mm；
Ⅳ、贴附模具
将步骤Ⅱ制作的模具铜箔胶带4贴附于步骤Ⅲ完成的柔性环氧树脂层2上，反复滚压至少五次，使模具铜箔胶带4完全贴附在柔性环氧树脂层2上；
Ⅴ、制作基于银导电胶的电容式传感器
配制银导电胶，用注射器吸取银导电胶，用针头将银导电胶滴入铜箔胶带4上的传感器电路图形通槽内，反复刮压2～5遍，使铜箔胶带的传感器图形通槽内均匀填充银导电胶，铜箔表面无残留银导电胶，在空气中10～30℃温度下，静置20～28小时，使其固化；之后取下模具铜箔胶带4，得到银导电胶传感器电路3。
本例所用银导电胶为溶质银粉均匀分散在柔性环氧树脂胶中，银粉与柔性环氧树脂胶的重量比为1:1；本步骤银导电胶的柔性环氧树脂胶与步骤Ⅲ的所用柔性环氧树脂胶相同。
目测观察所得银导电胶传感器电路是否有电路断裂或其它破坏，若所得传感器不合格，刮除铜箔胶带4上的银导电胶，返回步骤Ⅳ。
若仍有轮胎需要贴附基于银导电胶的电容式传感器，则返回步骤Ⅱ继续进行。
在相同规格的轮胎上，以现有的“补丁”型叉指状电极装置为对比例，与本实施例制作的基于银导电胶的电容式传感器装置进行比较，其主要特性如表1所示：
表1本实施例与对比例主要特性对照表
| 质量(g) | 体积(10-6m3) | 使用寿命(104km) | 制作成本(元/个) | |
| 本实施例 | ＜0.85 | 0.84 | 8～10 | ＜100 |
| 对比例 | ≥1 | 5.6 | 4～7 | ≥300 |
由表1可清楚看到，本实施例基于银导电胶的电容式传感器装置与对比例相比较，质量和体积明显减少，使用寿命大为提高，本实施例可与轮胎寿命相当，也就是说轮胎上只需要安装一次本实施例的基于银导电胶的电容式传感器装置就保证其全部使用过程中的智能监测。此外本实施例的制作成本不到对比例的1/3，更有利于其推广使用。
上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于银导电胶的电容式传感器装置，包括叉指状电极、导线和焊盘，叉指状电极为2个相同的正负电极，每个电极的根部连接宽度长度和间距均相同的2～6个电极指，正负电极处于同一平面上、正电极指与负电极指交错排列，各电极指相互平行，且间距相等，正负电极指相对、成2～6对；正、负电极分别连接1根导线，2根导线另一端各连接一个焊盘，其特征在于：
所述电容式传感器装置的叉指状电极(31)、导线(32)和焊盘(33)为一体的固化银导电胶传感器电路(3)，银导电胶为含有银粉溶质的柔性环氧树脂胶，银导电胶传感器电路(3)附着于固化的柔性环氧树脂层(2)上，柔性环氧树脂层(2)粘附于轮胎(1)内表面。
2.根据权利要求1所述的基于银导电胶的电容式传感器装置，其特征在于：
所述银导电胶传感器电路(3)厚度为0.04mm～0.1mm，所述柔性环氧树脂层(2)厚度为0.5mm～1.5mm。
3.根据权利要求1所述的基于银导电胶的电容式传感器装置，其特征在于：
所述叉指状电极(31)根部与各电极指垂直，叉指状电极外轮廓为矩形。
4.根据权利要求3所述的基于银导电胶的电容式传感器装置，其特征在于：
所述电容式传感器装置的叉指状电极(31)、导线(32)和焊盘(33)总长度为90mm～120mm，宽度为10mm～20mm。
5.根据权利要求4所述的基于银导电胶的电容式传感器装置，其特征在于：
所述叉指状电极(31)的长度为叉指状电极(31)、导线(32)和焊盘(33)总长度的1/4～3/4。
6.根据权利要求5所述的基于银导电胶的电容式传感器装置，其特征在于：
所述叉指状电极(31)各电极指的间距及电极指与另一电极根部的间距为0.1mm～0.5mm。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的基于银导电胶的电容式传感器装置的制作方法，其特征在于主要步骤如下：
Ⅰ、设计传感器电路图形
根据使用所述基于银导电胶的电容式传感器装置的轮胎设计传感器电路图形，包括传感器叉指状电极(31)、导线(32)和焊盘(33)的长度、宽度及间距；
Ⅱ、制作模具
以一面为单面胶、另一面为铜箔的铜箔胶带为材料，铜箔上涂覆光刻胶，在室温下固化20～40分钟；将步骤Ⅰ设计的传感器电路图形曝光在光刻胶上，经过刻蚀，得到有步骤Ⅰ设计的电容式传感器电路图形通槽(5)的铜箔胶带(4)模具；
对完成的模具目测观察，如果有相邻的通槽相通、或者通槽槽壁粗糙度过大，或者模具有其它损坏，淘汰不合格的模具，重新制作模具；如果因步骤Ⅰ的设计不具备可制作性，返回步骤Ⅰ重新设计模具；
Ⅲ、柔性环氧树脂层
以轮胎(1)趾口上方的胎侧内表面为所述基于银导电胶的电容式传感器传感器装置的安装位置，在该位置内的矩形区域上涂覆一层柔性环氧树脂溶液，该矩形面积大于步骤Ⅰ设计的电容式传感器电路面积；涂覆后在空气中10～30℃温度下，静置8～12小时，使其固化为柔性环氧树脂层(2)；
Ⅳ、贴附模具
将步骤Ⅱ制作的模具铜箔胶带(4)贴附步骤Ⅲ完成的柔性环氧树脂层(2)上，反复滚压至少五次，使模具铜箔胶带(4)完全贴附在柔性环氧树脂层(2)上；
Ⅴ、制作基于银导电胶的电容式传感器
配制银导电胶，用注射器吸取银导电胶，用针头将银导电胶滴入铜箔胶带(4)上的传感器电路图形通槽(5)内，反复刮压2-5遍，使铜箔胶带(4)的传感器图形通槽(5)内均匀填充银导电胶，铜箔表面无残留银导电胶，在空气中10～30℃温度下，静置20～28小时，使其固化；之后取下铜箔胶带(4)，得到银导电胶传感器电路(3)；
目测观察所得电容式传感器是否有电路断裂或其它破坏，若所得传感器不合格，刮除铜箔胶带(4)上的银导电胶，返回步骤Ⅳ。
8.根据权利要求7所述的基于银导电胶的电容式传感器装置的制作方法，其特征在于：
所述步骤Ⅰ开始前，对使用所述基于银导电胶的电容式传感器的轮胎进行热力仿真实验，实验条件为：环境温度为常温22℃。轮胎内部气压设置为0.5MP，设置温度荷载为85℃，以ANSYA仿真软件分析轮胎各部位的形变和温度变化，得到在轮胎趾口上方5mm～60mm的胎侧内表面为形变最小且温度最低的区域，所述基于银导电胶的电容式传感器的最佳安装位置为轮胎趾口上方5mm～60mm的胎侧内表面环形区域内。
9.根据权利要求7所述的基于银导电胶的电容式传感器装置的制作方法，其特征在于：
所述步骤Ⅴ所用的银导电胶为溶质银粉均匀分散在柔性环氧树脂胶中，银粉与柔性环氧树脂胶的重量比为1:(0.9～1.1)。
10.根据权利要求9所述的基于银导电胶的电容式传感器装置的制作方法，其特征在于：
所述柔性环氧树脂胶与步骤Ⅲ所用的柔性环氧树脂胶成分相同。
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