CN101223427B - 箔片型压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种箔片型压力传感器，包括第一箔片(12)和第二箔片(14)。间隔部(16)布置在该第一和第二箔片之间，其保持箔片彼此相距一定的距离。间隔部具有开口，其限定感测区域(18)。在该感测区域中，第一和第二箔片可以通过作用在压力传感器上的压力克服箔片的弹性使一片向另一片接近。压力传感器进一步包括发光装置(20)，被布置在箔片之间，用于将光输入到感测区域内；和集光装置(24)，被布置在箔片之间，用于收集从发光装置通过感测区域的至少一部分传播到该集光装置的光。当第一和第二箔片产生一片向另一片的接近时，第一和第二箔片中的至少一片至少部分地阻止通过感测区域的光传播。

Description

箔片型压力传感器

技术领域

本发明通常涉及一种箔片型压力传感器。

背景技术

箔片型压力传感器通常包括中间夹有间隔部的两片箔片。该间隔部提供有开口或切口，其限定了感测区域，在其中箔片在相应于间隔部厚度的距离处彼此面对。已知的箔片型压力传感器具有至少两个布置在感测区域内的电极。箔片是柔性的，并可在感测区域内产生彼此接触以响应作用在箔片上的压力。因而电接触在两个电极之间建立，和因而电路闭合。优选的，电阻层或半导体层布置在感测区域内以实现当两个箔片之间的接触表面增加时电极之间的电阻逐渐减小。这种压力传感器公开在比如WO02/097838中。

这种压力传感器只能够测量在特定极限压力以上的压力，特定极限压力是在电极之间建立最初电接触需要的最小压力。这构成在某些应用中的缺陷，比如当要探测相对小的压力时。存在几种选择，其使能够感测小的压力，比如，减小间隔部的厚度，但它们涉及有关制造公差或减小传感器动态范围的值得考虑的约束。

这种压力传感器应用的重要领域是在车辆中的乘客存在探测。箔片型压力传感器或其阵列布置在车辆座位的支座上并探测座位是否负载，相应地探测测量的负载类型是否与乘客产生的负载类型相一致。随着电子元件数量的增加，电磁干涉已经成为在电子汽车装置的研发中的一个重要问题。元件的电磁兼容性现在是汽车工业的大多数供应商面对的一个需求。仍有空间来改进有关压力传感器的电磁兼容性。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的压力传感器。该目的可通过如权利要求1要求的压力传感器实现。

箔片型压力传感器包括第一箔片和第二箔片。间隔部布置在该第一和第二箔片之间，其保持箔片彼此相距一定的距离。间隔部具有开口(切口，凹陷)，其限定感测区域。在该感测区域中，第一和第二箔片可以通过作用在压力传感器上的压力克服箔片的弹性被使得一片向另一片接近。根据本发明的一个重要方面，压力传感器进一步包括发光装置，被布置在箔片之间，用于将光输入到感测区域内；和集光装置，被布置在箔片之间，用于收集从发光装置通过感测区域的至少一部分传播到该集光装置的光。箔片中的至少一片可通过施加在传感器上的外部压力或作用力弹性弯曲。第一和第二箔片具有相同特性(对称情形)或不同特性(不对称情形)。当第一和第二箔片被使得一片向另一片接近时，第一和第二箔片中的至少一片至少部分地阻挡通过感测区域的光传播。

发光装置和集光装置在感测区域中或在其边缘处被彼此间隔一定距离布置，比如嵌入在间隔部中。当没有压力或几乎没有压力施加在传感器上时，通过感测区域的介质的光路存在于发光装置和集光装置之间。介质可以是流体，通常是气体。随着传感器上的压力增加，第一和/或第二箔片弹性地承受在感测区域中的变形，那里它靠近相对的箔片。结果是，变形的箔片阻碍了发光装置和集光装置之间的光路。箔片彼此朝向弯曲的越厉害，越多的光在感测区域中被拦截；被集光装置接收的光的强度因此取决于施加到压力传感器上压力的量。可以证明，相对于己知的箔片型压力传感器，为了压力确定箔片不需要接触。

本传感器因此基于传播通过感测区域的光的不同衰减。本领域技术人员可以意识到这种传感器对与其它电子元件的电磁干涉相当不敏感因为它基于光学探测。可靠的探测因此也可在电磁“吵杂”的环境中实现。与传统箔片型压力传感器相比，本发明具有简单制作的进一步优点。

发光装置可举例包括光源，比如在感测区域中或邻近于感测区域的LED，OLED，VECSEL。尽管如此，优选地，发光装置包括输入光波导的端表面，该输入光波导与光源光连接。光源自身因此可远离传感器布置。波导，比如光纤，引导光从光源到压力传感器的感测区域。相似地，集光装置可包括输出光波导的端表面，该输出光波导与光探测器光连接。可选择地，光探测器可以位于感测区域中或邻近感测区域。同样可意识到，光探测器可以是能够执行相对或绝对测量的探测器。波导可以容纳在间隔部的通道或槽中。

当用来将光传输到感测区域或从感测区域传输光的光波导弯曲或受到压力，它们因而引起额外损耗，这导致错误的压力确定。优选使用实质上平行于输入波导和/或输出波导定位的参考波导。该参考波导在光源和光探测器之间不会被阻挡，与在感测区域中的输入和输出光波导相反。该参考波导承受实质上与其它波导相同的弯曲和压力，其允许用来确定在波导中的光强度损耗。被光探测器探测的光强度因此可被标准化和基础压力效应可以被确定。参考波导的使用特别适合于当相对光强度或光通量测量是优选在绝对测量上。就波导弯曲而言，应注意到有基于波导弯曲导致的光衰减的压力传感器。波导的变形对于这些传感器的操作很必要。在本箔片型压力传感器中波导可克服变形和压力而被保护，这样产生更长的传感器寿命。

可以意识到传感器响应可由传感器几何形状的变化定制。开口的形状可以比如被定制以特别地定制箔片对压力的机械响应。该感测区域可实质上比一般带有电极的压力传感器小，因为响应于压力的箔片的机械特征不是最重要的。可选择地，感测区域可以是与一般压力传感器相同的尺寸或甚至比一般压力传感器更大。传感器响应可通过适当地选择发光装置和集光装置的结构被进一步调整。发光装置和集光装置可在感测区域中彼此面对。它们可直接相对或相对于中心地通过感测区域的虚拟线侧向位移。当均匀或中心压力作用在传感器上时，箔片的中心部分通常首先弯曲。因此，通过感测区域中心部分延伸的光路在光路沿感测区域的边缘通过之前可能被阻挡。在感测区域中的光路的分布因此决定对于箔片的给定机械特征的传感器响应。也可以想象一种结构，其中光，在已经通过感测区域之后，照射在镜子上并被朝着输出波导反射。

发光装置和集光装置可以具有任何高度(沿实质上正交于箔片的方向)或宽度(在实质上平行于箔片的方向)与感测区域的大小相适应。它们可以比如具有类似于间隔部高度的高度和类似于感测区域宽度的宽度。

有益地，第一和/或第二箔片对传播通过感测区域的光具有高吸收系数。第一和/或第二箔片也可以被对传播通过感测区域的光具有高吸收系数的层涂敷。落到第一或第二箔片的内表面上的光因此被吸收和因此被从感测区域消除。可选择地，箔片的内表面可以具有散射结构。

发光装置和/或集光装置优选包括适合于在发光装置和集光装置之间最佳耦合效率的光学元件。当使用光学波导时，输入和输出光波导的数值孔径有利地被这样选择，从输入到输出光波导的耦合效率对未负载的传感器来说是最优化的。光学元件也可包括与发光装置相关联的透镜。光束的发散度因此可以被调整。如果需要，准直的光束可以在感测区域中被整形。本感测技术的重要优点是总体上减小的传感器弯曲的影响。为了实现这些，光束几何形状可以被以这样的方式调整，输入和输出光波导之间的耦合响应于传感器弯曲并不较大地变化。这些也可以比如通过覆盖多于输出波导的端表面的光束来实现。当传感器稍微弯曲时，光束相对于输出波导移动，但耦合进入其的光的量几乎保持不变。

附图说明

参考附图，从下面非限制性的实施例的详细描述中本发明的进一步细节和优点将会很明显，其中：

图1：为根据本发明的压力传感器的截面视图；

图2：为图1的该压力传感器沿平面A-A的顶截面视图；

图3：压力传感器的另一个实施例的截面视图；

图4：根据本发明的压力传感器的操作原理的图示。

具体实施方式

图1和2示出了在未负载状态下的压力传感器10的截面图。压力传感器10包括第一弹性箔片12和第二箔片14，其比第一箔片12具有小的多的弹性和更厚。箔片12，14夹有间隔部16，其保持箔片12，14彼此相距一定的距离。间隔部16带有开口，其限定了压力传感器10的感测区域18。嵌入间隔部16的是输入光波导20，其从光源22引导光到感测区域18内。输出光波导24在感测区域18的相对侧上被布置得实质上对准于输入光波导20。输出光波导24光学连接到光强度探测器26。间隔部16的厚度，比如相应于至少波导或光纤20，24的直径的感测区域的高度，通常是包括在100到500μm之间，优选是250μm。

波导20，24包括包层和芯部，其中光能传播。光源22和探测器26因此可以远离感测区域18布置。光源22举例可以包括LED，OLED，VECSEL等等。

在操作中，光源22将适合波长的光射到输入光波导20内。该光通过波导20传播和它在波导20的端表面28处入射到感测区域。光然后传播通过在感测区域的介质。在传感腔中的光传播由光线30表示。在感测区域18的相对表面上，该光的一部分照射到输出光波导24的端表面32并耦合进入波导24的芯部。探测器26探测通过波导24到达的光强度。在图2中，端表面28，32被示出实质上与间隔部的表面36齐平，其限定了感测区域18。当合适的时候，波导20，24的一个或两者可伸入到感测区域18中。

图4示出了压力传感器的操作的基本原理。当没有压力负载施加到箔片(a)上时，从输入波导20到输出波导24的耦合效率对于给定压力传感器10来说是最大的。探测器26测量得到的光强度因此是最大的。在传感器10上的压力负载现在逐渐增加(b)-(d)。当压力负载p1施加到第一箔片12上时，其弯曲，这减小了第一和第二箔片12，14(b)的分开程度。当弯曲时，第一箔片12切断在感测区域内的光线并吸收从波导20耦合出来的光的部分。为了增加吸收，第一箔片12的内表面34可以被高吸收层涂敷，比如在光源的波长范围内具有高吸收系数的层。由于压力，较少的光照射在端表面32上并耦合进入输出光波导24。结果在探测器26上探测到的光强度相对于未负载状态减小。当压力负载增加到p2，使第一箔片12更接近于第二箔片14(c)。更多光线被吸收和探测到光强度因此进一步减少。当压力到达一定极限p3，第一箔片12在感测区域18的中心部分内与第二箔片14接触。只有不通过该中心部分的光线能够照射在输出波导24的端表面32上。

感测区域的形状不必须是圆形，也可以是椭圆的，如图2所示或具有其它适合的形状。

图3示出了压力传感器的稍微不同的实施例。输入光波导20和输出光波导24之间的耦合效率被最佳化，比如在未负载状态下的损耗通过适合光学元件的使用被最小化。输入波导20的芯部38实质上比输出波导24的芯部40小。波导的直径实质上仍然是相同的因为输入波导20的包层42被增大以补偿减小的芯部尺寸。平凸透镜42被放置在输入光波导20的端表面28处。当光通过感测区域18时，透镜42以这样的方式准直耦合出波导20的光，使光线30平行或接近于平行。在感测区域的相对侧，准直的光耦合进入输出波导24。

Claims (10)

1.一种箔片型压力传感器，包括：

第一箔片和第二箔片；

间隔部，在所述第一和第二箔片之间，所述间隔部具有限定感测区域的开口，在所述感测区域中所述第一和第二箔片可以通过作用在所述压力传感器上的压力克服箔片的弹性被使得一片向另一片接近；

其特征在于，

发光装置，被布置在所述箔片之间，用于将光输入到所述感测区域内；和

集光装置，被布置在所述箔片之间，用于收集从所述发光装置通过所述感测区域传播到所述集光装置的光；

其中当所述第一和第二箔片被使得一片向另一片接近时，所述第一和第二箔片中的至少一片至少部分地阻挡通过所述感测区域的光传播。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中所述发光装置包括被光学连接到光源的输入光波导的端表面。

3.根据权利要求2所述的压力传感器，包括平行于所述输入波导定位的连续参考波导。

4.根据权利要求1至3中的任何一项所述的压力传感器，其中所述集光装置包括被光学连接到光探测器的输出光波导的端表面。

5.根据权利要求4所述的压力传感器，包括平行于所述输出波导定位的连续参考波导。

6.根据权利要求1至3中的任何一项所述的压力传感器，其中所述发光装置和所述集光装置在所述感测区域中彼此面对。

7.根据权利要求1至3中的任何一项所述的压力传感器，其中所述第一和/或第二箔片具有对于通过所述感测区域传播的光的高吸收系数。

8.根据权利要求1至3中的任何一项所述的压力传感器，其中所述第一和/或第二箔片涂敷有对于通过所述感测区域传播的光具有高吸收系数的层。

9.根据权利要求1至3中的任何一项所述的压力传感器，其中所述发光装置和/或所述集光装置包括适合于在所述发光装置和所述集光装置之间最佳耦合效率的光学元件。

10.根据权利要求9的压力传感器，其中所述光学元件包括与所述发光装置相关联的透镜。

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