CN108731850B - 电容式压力传感器及电子笔 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电容式压力传感器及电子笔，该传感器包括可变电容和用于进行电路连接的柔性连接件，可变电容包括：电介质层；第一电极，在电介质层的第一表面一侧与第一表面接触；以及，软导电体，作为第二电极设置在电介质层的与第一表面相对的第二表面一侧，且被设置为在被测压力的作用下改变与第二表面之间的接触面积，接触面积与被测压力的压力值相对应；柔性连接件通过弯折形成具有第一连接部的第一柔性体和具有第二连接部的第二柔性体，第一柔性体邻近第一电极，且第一连接部与第一电极电连接；第二柔性体邻近第二电极，且第二连接部与第二电极电连接。借此，能以简单的方式实现电路连接，且通过弯折使得内部结构紧凑，利于实现小型化设计。

Description

电容式压力传感器及电子笔

技术领域

本发明涉及压力检测技术领域，更具体地，本发明涉及一种电容式压力传感器及一种电子笔。

背景技术

电容式压力传感器是一种利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电信号输出的压力传感器。

目前，主要具有两种电容式压力传感器，一种是通过极板距离的变化实现被测压力的测量，另一种是通过极板间正对面积的变化实现被测压力的测量。

现有的电容式压力传感器或是体积较大，难以应用在体积较小的产品上；或是虽然体积小但与之配合的结构设计十分复杂，精密结构件较多，难于组装，甚至有许多小尺寸零件需要手动组装，产品良率也不易提高，不利于控制成本。有鉴于此，亟需提供一种便于生产和组装的小型化的压力传感器。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种电容式压力传感器的结构设计，以便于进行电容式压力传感器的生产和组装。

根据本发明的一方面，本发明提供了一种电容式压力传感器，其包括可变电容和用于进行电路连接的柔性连接件，所述可变电容包括：

电介质层；

第一电极，在所述电介质层的第一表面一侧与所述第一表面接触；以及，

软导电体，作为第二电极设置在所述电介质层的与所述第一表面相对的第二表面一侧，且被设置为在被测压力的作用下改变与所述第二表面之间的接触面积，所述接触面积与所述被测压力的压力值相映射；

所述柔性连接件通过弯折形成具有第一连接部的第一柔性体和具有第二连接部的第二柔性体，所述第一柔性体邻近所述第一电极，且所述第一连接部与所述第一电极电连接；所述第二柔性体邻近所述第二电极，且所述第二连接部与所述第二电极电连接。

可选地，所述第二电极面向所述电介质层的表面为平面；所述第二柔性体位于所述第二电极与所述电介质层之间，所述第二柔性体具有开口部，所述开口部被设置为供所述第二电极的一部分通过以与所述第二表面接触。

可选地，所述第二电极面向所述电介质层的表面具有凸起部，所述凸起部在所述被测压力的作用方向上具有单调变化的横截面积；所述第二电极通过所述凸起部与所述第二表面接触。

可选地，所述可变电容在所述第一电极与所述第二电极之间具有预压力，所述预压力被设置为使得所述凸起部与所述第二表面始终保持接触状态。

可选地，所述第二柔性体位于所述第二电极与所述电介质层之间，所述第二柔性体具有开口部，所述开口部被设置为供所述第二电极的一部分通过以与所述第二表面接触。

可选地，所述柔性连接件通过弯折形成位于所述第一柔性体与所述第二柔性体之间的安装空间，所述可变电容位于所述安装空间中。

可选地，所述柔性连接件通过弯折形成位于所述第一柔性体与所述第二柔性体之间的安装空间，所述第一电极和所述电介质层位于所述安装空间中，所述第二电极位于所述安装空间的外部。

可选地，所述压力传感器还包括力作用部，所述力作用部被设置为用于承载被测压力，并将所述被测压力传导至所述第二电极。

可选地，所述柔性连接件为柔性电路板，所述柔性电路板还具有输出电路，所述输出电路被设置为输出表征所述被测压力的压力值的电信号；所述柔性电路板通过所述第一连接部和所述第二连接部将所述可变电容连接至所述输出电路。

可选地，所述第一电极附着在所述电介质层的第一表面上。

根据本发明的第二方面，提供了一种电子笔，包括笔壳、笔尖和上述的压力传感器，所述笔尖设置在所述笔壳的一端，所述压力传感器设置在所述笔壳的内腔中，所述笔尖被设置为向所述压力传感器施加被测压力。

本发明的一个有益效果在于，本发明实施例的压力传感器通过柔性连接件进行可变电容的电路连接，由于柔性连接件可以根据连接位置需要进行弯折，因此，本发明实施例的压力传感器能够通过简单的方式实现电路连接，而且通过弯折可以使得压力传感器具有紧凑的结构，有利于实现压力传感器的小型化设计。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是根据本发明实施例的压力传感器的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的压力传感器的展开结构示意图；

图3a是根据本发明另一实施例的压力传感器的结构示意图；

图3b是图3a中压力传感器在被施加第一被测压力时的结构示意图；

图3c是图3a中压力传感器在被施加第二被测压力时的结构示意图，其中，第二被测压力大于第一被测压力；

图4是根据本发明实施例的电子笔的结构示意图；

图5是根据本发明实施例的电子笔的电路结构示意图。

附图标记说明：

100-压力传感器； 130-电介质层；

110-第一电极； 120-第二电极；

121、122-凸出部； 140-柔性连接件；

141-第一柔性体； 142-第二柔性体；

150-力作用部； 151-盲孔；

1421-开口部； 200-笔壳；

300-笔尖； 401-处理器；

402-存储器； 403-信号发送电路；

404-按键电路。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

<传感器实施例>

图1和图2是根据本发明实施例的压力传感器的结构示意图。

根据图1和图2所示，本实施例的压力传感器100包括可变电容和柔性连接件140，其中，柔性连接件140用于进行可变电容的电路连接。

可变电容包括电介质层130、第一电极110和第二电极120，其中，第二电极120为软导电体，软导电体由受到压力可产生形变的导电材料制成。该导电材料例如是导电橡胶、导电泡棉等。

根据图1所示，第一电极110在电介质层130的第一表面一侧与第一表面接触，第二电极120设置在电介质层130的与第一表面相对的第二表面一侧，并且第二电极120被设置为在被测压力的作用下可以改变与第二表面之间的接触面积，其中，接触面积的大小与被测压力的压力值相映射。

在本发明的一个实施例中，第一电极110与电介质层130可以是相互独立的部件，第一电极110与电介质层130的第一表面通过贴合而相互接触。

在本发明的一个实施例中，第一电极110可以附着在电介质层130的第一表面，以使二者形成为一个整体部件。例如，第一电极110通过电镀、蒸镀、焊接、粘接等手段附着在电介质层130的第一表面。

压力传感器的测量原理为：第二电极120因是软导电体可以在被测压力的作用下发生变形，其中，变形程度由被测压力的压力值决定，而第二电极120与电介质层130的第二表面的接触面积又由变形程度决定，因此，接触面积的大小与被测压力的压力值将具有映射关系。根据电容值的计算公式：C＝εS/d可知，接触面积S的变化会导致可变电容的电容值C也随之发生变化，因此，可以通过测量反映该可变电容的电容值的电信号而得到被测压力的压力值，其中，ε为相对介电常数，其数值取决于所采用的电介质层130的材质，在本实施例中为固定值，d为第一电极110与第二电极120之间的距离，在进行压力测量时会发生微小变化，其对电容值的影响可以忽略不计。

根据图1和图2所示，在本实施例中，柔性连接件140可以包括通过弯折形成的第一柔性体141和第二柔性体142，所述第一柔性体141包括第一连接部(图中未示出)，所述第二柔性体142包括第二连接部(图中未示出)，其中，第一连接部用于与第一电极110电连接，第二连接部用于与第二电极120电连接，以将可变电容连接至输出电信号的输出电路中。

在本发明的一个实施例中，第一连接部和第二连接部可以是焊盘。在该例子中，第一、第二电极与对应的第一、第二连接部可以通过焊接等硬连接手段进行电连接，以实现可靠连接。

在本发明的一个实施例中，第一连接部和第二连接部可以是金属片或者金属弹片等。在该例子中，第一、第二电极与对应的第一、第二连接部可以导电胶粘接等硬连接手段进行电连接，也可以进行接触式电连接。

在本实施例中，第一柔性体141邻近第一电极110，以使第一柔性体141的第一连接部与第一电极110电连接；第二柔性体142邻近第二电极120，以使第二柔性体142的第二连接部与第二电极120电连接。

在本实施例中，第二电极120的面向电介质层130的表面具有凸起部121，该凸起部121在被测压力的作用方向上具有单调变化的横截面积。这样，在第二电极120通过凸起部与电介质层130接触时，接触面积将随着被测压力的压力值的变化而变化，且保证二者之间具有唯一的映射关系。

在本实施例中，第二电极120的凸起部121与电介质层130之间的接触面积将随着被测压力的压力值的增大而增大。在此，接触面积的变化范围将决定压力传感器对压力的测量范围。

在本实施例中，该凸起部121为半球形。

在本发明另外的实施例中，该凸起部121也可以具有其他形状，只要能够在被测压力的作用方向上具有单调变化的横截面积即可，例如，凸起部121为圆锥形、圆台形、棱锥形等。

在本发明的一个实施例中，可变电容在第一电极110与第二电极120之间可以具有预压力，该预压力使得凸起部121与第二表面始终保持接触状态，这说明，本实施例的压力传感器在未施加被测压力的初始状态下，凸起部121即与电介质层130的第二表面接触。

在该实施例中，通过在第一电极110与第二电极120之间设置预压力，可以使得压力传感器具有较高的初始灵敏度。

在本实施例中，柔性连接件140可以通过弯折形成位于第一柔性体141与第二柔性体142之间的安装空间，由第一电极110、第二电极120及电介质层130构成的可变电容均位于该安装空间中。

在本实施例中，柔性连接件140可以弯折为U型形状，第一柔性体141与第二柔性体142为U型形状的两个相对的侧壁，通过弯折形成的U型凹槽即为该安装空间。

在本实施例中，被测压力将通过第二柔性体142作用在第二电极120上，该被测压力将推动第二柔性体142与第二电极120共同移动以使第二电极120产生变形。

在本实施例中，将可变电容组装在由柔性连接件140围成的安装空间中，有利于规范组装操作，提高组装效率。

在本发明的一个实施例中，该柔性连接件140可以是柔性电路板(FlexiblePrinted Circuit Board，FPCB)。这样，可以直接通过柔性电路板内部的布线将可变电容连接至外部的输出电路中，而无需设置其他连接引线。

在本发明的一个实施例中，该柔性连接件140可以是柔性电路板，柔性电路板还具有输出电路，该输出电路被设置为用于输出表征被测压力的压力值的电信号，柔性电路板通过第一连接部和第二连接部将可变电容连接至该输出电路。

在本发明的一个实施例中，该输出电路可以包括信号放大电路，例如，可以将可变电容连接至信号放大电路的反馈回路中。

在本发明的一个实施例中，该输出电路可以包括电桥电路，例如，可以将可变电容连接至电桥电路的一个桥臂上。

在本发明的一个实施例中，该输出电路可以是集成式电路，例如，采用集成芯片。

在本发明的一个实施例中，该输出电路可以由分立元器件通过导线连接形成，该分立元器件例如包括电阻、放大器等。

在本发明另外的实施例中，也可以采用电容式压力传感器适用的其他输出电路结构，在此不再赘述。

在本实施例中，压力传感器100还可以包括力作用部150，力作用部150被设置为用于承载被测压力，并将被测压力传导至第二电极120。

在本实施例中，设置力作用部150一方面可以增加被测压力在第二电极120上的力作用面积，有利于进行被测压力的均匀传导，另一方面可以通过设计力作用部150的结构进行施力部件的连接，以实现快速组装，该施力部件例如是电子笔的笔尖。

在本实施例中，力作用部150具有在被测压力方向上相对的两个表面，分别为施力表面和连接表面，其中，施力表面与第二柔性体142接触，连接表面具有与施力部件相适配的连接结构。

在本实施例中，该连接结构包括形成在连接表面的沿施力方向延伸的盲孔151，以将施力部件的一部分插入该盲孔151中。例如，在电子笔中，笔尖作为施力部件插入该盲孔151中，书写过程中，笔尖受到压力后，会作为施力部件将该压力传导至力作用部150，并进一步传导至第二电极120。

根据本发明该实施例的压力传感器100，其通过柔性连接件140进行可变电容的电路连接，由于柔性连接件140根据连接位置需要弯折形成了用于组装可变电容的安装空间，因此，这使得压力传感器100可以通过简单的连接结构实现电路连接，并使得压力传感器100具有紧凑的结构，有利于进行压力传感器的小型化设计。

图3a-图3c是根据本发明另一实施例的压力传感器的结构示意图。

根据图3a-图3c所示，本实施例与上述实施例的主要区别在于，在柔性连接件140通过弯折形成的位于第一柔性体141和第二柔性体142之间的安装空间中，仅组装有第一电极110和电介质层130，而第二电极120则位于该安装空间外部。

在本实施例中，第二柔性体142被设置于第二电极120与电介质层130之间，第二柔性体142具有开口部1421，该开口部1421供第二电极120的一部分通过以与安装空间内的电介质层130的第二表面接触。

在本实施例中，力作用部150的施力表面与第二电极120接触。

在本实施例中，如图3a所示，第二电极120的面向电介质层130的表面，即面向开口部1421的表面，可以是平面。

在本实施例中，如图3b所示，第二电极120将在被测压力和第二柔性体142共同的挤压作用下，产生进入开口部1421中的凸起部122，并通过该凸起部122与电介质层130的第二表面接触，其中，凸起部122为第二电极120的一部分，经挤压进入开口部1421中。

图3a-图3b示出了本实施例中的第二电极120在测量压力时的变化过程。

在图3a中，压力传感器处于未施加被测压力的初始状态，此时，第二电极120的面向电介质层130的表面为平面，第二电极120的任何一部分均未进入开口部1421中。

在图3b中，随着施加第一被测压力，第二电极120在第一被测压力和第二柔性体142共同的挤压作用下发生变形，产生进入开口部1421中的凸起部122，该凸起部122穿过开口部1421与电介质层130的第二表面接触，形成第一接触面积，该第一接触面积与第一被测压力的压力值相映射，此时，通过输出电路可以产生表征第一被测压力的压力值的电信号。

在图3b中，凸起部122与开口部1421的侧壁之间仍然留有空隙，这说明，第一被测压力并未达到压力传感器的量程上限值，如果继续增大被测压力的压力值，则凸起部122的体积及接触面积均将进一步增大，直至凸起部122充满开口部1421为止，此时，被测压力达到压力传感器的量程上限值。

在图3c中，随着施加第二被测压力，第二电极120在第二被测压力和第二柔性体142共同的挤压作用下发生变形，产生进入开口部1421中的凸起部122，该凸起部122穿过开口部1421与电介质层130的第二表面接触，形成第二接触面积，该第二接触面积与第二被测压力的压力值相映射，此时，通过输出电路可以产生表征第二被测压力的压力值的电信号。

根据图3c和图3b所示，第二被测压力大于第一被测压力，第二接触面积大于第一接触面积，且在图3c中，凸起部122已经充满开口部1421，第二电极与电介质层130的第二表面之间的接触面积达到上限值，第二被测压力达到压力传感器的量程上限值。

在本发明另外的实施例中，对于图3a-图3c所示的组装结构，即第一电极110和电介质层130组装在柔性连接件140通过弯折形成的位于第一柔性体141和第二柔性体142之间的安装空间中，而第二电极120位于该安装空间的外部，在未施加被测压力的初始状态下，第二电极120的面向电介质层130的第二表面也可以具有凸起部，该凸起部在初始状态下可以通过开口部1421与电介质层130的第二表面接触，也可以与第二表面相分离。

在该实施例中，第二电极120的凸起部可以是通过自然成型得到，即第二电极120在未施压的自然状态下即具有凸起部。

在该实施例中，也可以在第一电极110与第二电极120之间设置预压力，以在预压力的作用下挤压第二电极120形成凸起部。

根据本发明该实施例，第二电极120设置在安装空间的外部，可以基本保持柔性连接件140处于相对静止的状态，而无需在被测压力的作用下移动，这有利于防止柔性连接件140经长期反复变形后发生老化和损坏，能够提高压力传感器的使用寿命。

<电子笔实施例>

图4是根据本发明实施例的电子笔的结构示意图。

如图4所示的电子笔，其包括笔壳200、笔尖300和上述压力传感器100，其中笔尖300设置在笔壳200的一端，压力传感器100设置在笔壳200的内腔中，笔尖300被设置为向压力传感器100施加被测压力。

在本发明的一个实施例中，参见图1与图3所示，压力传感器具有力作用部150，力作用部150具有用于安装施力部件的盲孔151，笔尖300通过插入盲孔151与压力传感器100连接在一起。

在电子笔书写过程中，笔尖300受到压力后，会将压力传导至力作用部150，力作用部150再将该压力传导至第二电极120，在该压力的作用下，第二电极120沿着该压力作用方向挤向电介质层130的第二表面，由于第二电极120为软导电体，所以第二电极120将在压力的作用下产生形变，而改变与电介质层130的第二表面之间的接触面积，从而使得可变电容的电容值发生改变，并改变输出电路输出的电信号，这样，通过监测该电信号的变化，便可实现对笔尖300所受压力的测量。

本发明实施例的电子笔例如可以是电容笔、电磁笔等。

图5是根据本发明实施例的电子笔内部的电路结构原理图。

如图5所示，电子笔还可以包括处理器401、存储器402、信号发送电路403、按键电路404等。

按键电路404与处理器401连接，以向处理器401输出映射操作动作的电信号，处理器401可以根据该电信号识别对应该操作动作的功能设置信息。

在本实施例中，按键电路404的按键操作部通过笔壳200向外露出，以供用户操作。

压力传感器100与处理器401连接，以向处理器401输出表示笔尖300处的压力值的电信号，处理器401可以根据该电信号获得笔尖300处的压力值。

处理器401可以通过信号发送电路403将压力值信息、功能设置信息等发送至电子设备，其中，电子设备具有与信号发送电路403对应的信号接收电路，以使电子设备根据接收到的信息做出约定的响应。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分相互参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，而且各个实施例可以根据需要单独使用或者相互结合使用。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种电容式压力传感器，其特征在于，包括可变电容和用于进行电路连接的柔性连接件，所述可变电容包括：

电介质层；

第一电极，在所述电介质层的第一表面一侧与所述第一表面接触；以及，

软导电体，作为第二电极设置在所述电介质层的与所述第一表面相对的第二表面一侧，且被设置为在被测压力的作用下改变与所述第二表面之间的接触面积，所述接触面积与所述被测压力的压力值相映射；

所述柔性连接件通过弯折形成具有第一连接部的第一柔性体和具有第二连接部的第二柔性体，所述第一柔性体邻近所述第一电极，且所述第一连接部与所述第一电极电连接；所述第二柔性体邻近所述第二电极，且所述第二连接部与所述第二电极电连接；所述第二柔性体位于所述第二电极与所述电介质层之间，所述第二柔性体具有开口部，所述开口部被设置为供所述第二电极的一部分通过以与所述第二表面接触。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述第二电极面向所述电介质层的表面为平面。

3.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述第二电极面向所述电介质层的表面具有凸起部，所述凸起部在所述被测压力的作用方向上具有单调变化的横截面积；所述第二电极通过所述凸起部与所述第二表面接触。

4.根据权利要求3所述的压力传感器，其特征在于，所述可变电容在所述第一电极与所述第二电极之间具有预压力，所述预压力被设置为使得所述凸起部与所述第二表面始终保持接触状态。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述柔性连接件通过弯折形成位于所述第一柔性体与所述第二柔性体之间的安装空间，所述第一电极和所述电介质层位于所述安装空间中，所述第二电极位于所述安装空间的外部。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述压力传感器还包括力作用部，所述力作用部被设置为用于承载被测压力，并将所述被测压力传导至所述第二电极。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述柔性连接件为柔性电路板，所述柔性电路板还具有输出电路，所述输出电路被设置为输出表征所述被测压力的压力值的电信号；所述柔性电路板通过所述第一连接部和所述第二连接部将所述可变电容连接至所述输出电路。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述第一电极附着在所述电介质层的第一表面上。

9.一种电子笔，其特征在于，包括笔壳、笔尖和权利要求1至8中任一项所述的压力传感器，所述笔尖设置在所述笔壳的一端，所述压力传感器设置在所述笔壳的内腔中，所述笔尖被设置为向所述压力传感器施加被测压力。