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Conference paper

Design and characterisation of low-cost thick-film piezoresistive force sensors for the 100 mN to 100 N range

Two simple low-cost thick-film force sensor designs are optimised, characterised and tested in this work, combining calculations of sensor element and joint stresses, joint strength characterisation and measurement of complete sensors. All sensors are based on standard hybrid substrates. Our results show that a single sensor geometry cannot cover such a wide range of forces in an optimal way. For small forces (100 mN to ca. 2 N), simple cantilever force sensors are an excellent solution, achieving reasonable precision with a very simple design and compatibility with an SMD (surface mount device) assembly process with solder or conductive glue. Characterisation of solder joint strength shows that such joints can reliably withstand the bending moments resulting form the loading of the cantilever sensor up to ca. 2 N. Above this force, both solder joint and cantilever strength become critical in the cantilever design. Therefore, a 3-point or 4-point bending beam geometry must be selected, thereby extending the force range to ca. 100 N.

    Keywords: Technologie des Couches Epaisses ; thick-film technology ; force sensors ; capteurs de force ; cantilever beams ; poutres cantilever ; bridges ; ponts

    Note:

    Capteurs de force sur une large gamme - de 100 mN à 100 N. Basses forces (< 400 mN): LTCC structuré, cantilever Forces moyennes (400 mN ... 2N): alumine, cantilever Forces élevées (2N...100+N) : alumine, pont 4 points Résultats sur PCB présentés aussi pour les hautes forces. Le PCB donne un signal élevé, en raison de son faible module élastique, et présente une excellente compatibilité (époxy) avec les résistances polymères utilisées. Il faut veiller à utiliser aussi un conducteur analogue (époxy-argent) dans la zone sollicitée, car les pistes en Cu se déforment plastiquement, ne pouvant suivre la déformation du substrat, et donne donc lieu à des hystérèses. Pour les forces élevées, les contraintes parasites dues à la structure en pont sont moins problématiques, car elles ont proportionnellement moins d’effet.

    Reference

    • LPM-CONF-2006-014

    Record created on 2006-06-27, modified on 2016-08-08

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