CN109341906B - 变电容压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了变电容压力传感器，包括双层柔性电路板、多层陶瓷电容器、软性导电垫片；所述多层陶瓷电容器与软性导电垫片接近配置，所述多层陶瓷电容器与软性导电垫片之间设有带通孔或缺口的双层柔性电路板，所述多层陶瓷电容器设置于通孔或缺口上方，所述软性导电垫片设置于通孔或缺口下方，所述软性导电垫片受到外部压力产生变形，穿过柔性电路板的通孔或缺口，与多层陶瓷电容器的陶瓷介质接触；外部压力改变进而改变软性导电垫片与多层陶瓷电容器的陶瓷介质的接触面积，从而改变软性导电垫片与多层陶瓷电容器接入的外部电极之间的电容值。本发明减少了元器件数目，简化了生产装配工艺，降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器，更具体的说，涉及变电容压力传感器。
背景技术
目前，采用变电容传感器作为笔内压力传感器的方法已经使用多年。变电容传感器实际上是一个标准的平板电容器。由软性导电可变形电极和一个金属电极形成电容器的两极；由电介质和绝缘垫形成电容器的介质。金属电极需要与电介质紧密贴合在一起，中间不能有空气才能保证传感器的性能。绝缘垫放在软性导电可变形电极与电介质之间，绝缘垫通常在中间会开孔，让软性导电可变形电极与电介质之间有一个空气间隙。工作原理请参考美国专利US5206785。多种实现方法可以参考美国专利US6853369B2，中国专利CN101009158B、CN101393491B和CN102419672B。
目前的笔内压力传感器的两个电极都需要连接到测量电路。其中软性导电可变形电极是不能耐高温的材料，只能用物理接触的方式连接。为了保证电气连接的可靠性，目前广泛采用的方法是通过精密的塑料模具配合精密金属电极加上精细的装配。这样的制造过程非常复杂，生产效率低下。变电容传感器的另外一个金属电极与电介质紧密贴合在一起，中间不能有空气。因此目前的做法是通过镀膜工艺将导电金属直接镀在电介质的其中一面上。这种做法大大增加了传感器的制造工艺难度，明显增加了成本。
发明内容
本发明的技术目的是克服现有技术中的缺点；提供一种结构简单、成本低、制造工艺简单的变电容压力传感器。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：包括双层柔性电路板、多层陶瓷电容器、软性导电垫片；所述多层陶瓷电容器与软性导电垫片接近配置，所述多层陶瓷电容器与软性导电垫片之间设有带通孔或缺口的双层柔性电路板，所述多层陶瓷电容器设置于通孔或缺口上方，所述软性导电垫片设置于通孔或缺口下方，所述多层陶瓷电容器包括第一部件和第二部件，所述第一部件包括多层陶瓷电容器的一个外部电极或多个外部电极，所述第二部件包括多层陶瓷电容器的陶瓷介质、设置于多层陶瓷电容器内部的多个电极层，每个所述外部电极都与设置于多层陶瓷电容器内部的电极层连通；所述软性导电垫片受到外部压力产生变形，穿过柔性电路板的通孔或缺口，与多层陶瓷电容器的陶瓷介质接触；外部压力改变进而改变软性导电垫片与多层陶瓷电容器的陶瓷介质的接触面积，从而改变软性导电垫片与多层陶瓷电容器接入的外部电极之间的电容值。
进一步的，所述双层柔性电路板包括上导电层、绝缘层、下导电层，所述上导电层紧贴于绝缘层的上方，所述下导电层紧贴于绝缘层的下方。
进一步的，所述多层陶瓷电容器的一个外部电极或多个外部电极都与上导电层电性连通。
进一步的，所述软性导电垫片受压后与下导电层电性连通。
进一步的，所述通孔或缺口贯穿上导电层、绝缘层、下导电层。
进一步的，所述双层柔性电路板的剖面呈L字型。
进一步的，所述软性导电垫片一侧设有压力施加部件，所述压力施加部件的上端设有凸块，压力施加部件受压后，凸块向软性导电垫片施加压力。
进一步的，所述双层柔性电路板还与外部测量电路连接。
进一步的，所述多层陶瓷电容器的外部电极的数量为2个时，2个外部电极分别设置在多层陶瓷电容器的两侧。
进一步的，分别与2个外部电极连通的电极层相互交错设置于多层陶瓷电容器内部。
本发明的变电容压力传感器，具有以下有益效果：
1、本发明利用多层陶瓷电容器的非电极部分都是电介质材料的特点，代替本领域通常采用的专用电介质的器件，大大降低了成本。
2、本发明的多层陶瓷电容器利用电容器的电极与电容器的电介质本身就是紧密贴合在一起的特性，省去了本领域通常采用的专用电介质器件需要镀金属导电电极的工艺，大大节省了成本。
3、本发明采用双层柔性电路板的绝缘层代替了本领域中变电容器中绝缘垫，减少了元器件数目，简化了生产装配工艺。
4、本领域的专用电介质器件很小，表面上镀膜的电极很薄，要装配在笔内精细的结构中，这些条件都导致电气接通这个电极比较困难，直接焊接几乎是不可能的操作，通常的做法是采用抗氧化的专用金属器件与镀膜导电层紧密接触。本发明通过用双层柔性电路板的导电层连接多层陶瓷电容器的外部电极，通常用普通的焊锡焊接，工艺非常简单成熟，明显减少了器件数量，结构简单，可靠性高，生产精度有保证，成本低廉。
5、本发明优势是双层柔性电路板的可弯折性让变电容压力传感器与检测电路的连接方式非常灵活，非常适合大批量的生产。
6、软性导电可变形电极通常是导电橡胶或者导电硅胶，要保证测量电路与软性导电可变形电极可靠的电气连接，是不能采用焊接工艺的。本领域的通常做法是采用抗氧化的专用金属器件与软性导电可变形电极接触。本发明利用柔性电路板惯常的表面抗氧化工艺，例如镀金、镀镍或沉金等方法处理与软性导电垫片接触的导电层，工艺非常简单成熟，明显减少了器件数量，结构简单，可靠性高，生产精度有保证，成本低廉。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明在没有写字时的剖面图；
图2是本发明在写字时的剖面图；
图3是本发明的内部结构爆炸图；
图4是本发明的内部结构立体图一；
图5是本发明的内部结构立体图二；
图6是本发明的内部结构立体图三；
图7是本发明的内部结构立体图四；
图8是本发明的双层柔性电路板结构图；
图9是图8的右视图；
图10是本发明的双层柔性电路板立体图一；
图11是本发明的双层柔性电路板立体图二；
图12是本发明的多层陶瓷电容器的内部结构图；
其中，1、双层柔性电路板；2、笔外壳；3、多层陶瓷电容器；4、软性导电垫片；5、压力施加部件；11、上导电层；12、绝缘层；13、通孔或缺口；14、下导电层；31、多层陶瓷电容器外部电极；32、多层陶瓷电容器内部电极层；33、多层陶瓷电容器陶瓷介质。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的一个实施例中，如图1-12，变电容压力传感器，包括双层柔性电路板1、多层陶瓷电容器3、软性导电垫片4、压力施加部件5；多层陶瓷电容器3与软性导电垫片4接近配置，多层陶瓷电容器3与软性导电垫片4之间设有带通孔或缺口13的双层柔性电路板1，多层陶瓷电容器3设置于通孔或缺口13上方，软性导电垫片4设置于通孔或缺口13下方，多层陶瓷电容器3包括第一部件和第二部件，第一部件包括多层陶瓷电容器3的一个外部电极31或多个外部电极31，第二部件包括多层陶瓷电容器3的陶瓷介质33、设置于多层陶瓷电容器3内部的多个电极层32，每个外部电极31都与设置于多层陶瓷电容器3内部的电极层32连通；软性导电垫片4的下方设有压力施加部件5，压力施加部件5底部受压后对软性导电垫片4施加压力，使软性导电垫片4变形，并改变软性导电垫片4与多层陶瓷电容器3的陶瓷介质33的接触面积，从而改变软性导电垫片4与多层陶瓷电容器3接入的外部电极31之间的电容值，进而构成一个压力传感器。
其中，还可以选用笔芯来作为压力施加部件5，当写字时，笔芯受压，则向软性导电垫片4施加压力，并改变软性导电垫片4与多层陶瓷电容器3的陶瓷介质33的接触面积，从而改变软性导电垫片4与多层陶瓷电容器3接入的外部电极31之间的电容值。此外，施加不同压力则会使软性导电垫片4与多层陶瓷电容器3的陶瓷介质33的接触面积也不同。
本发明还可以通过双层柔性电路板1与外部测量电路连接，可以将因为压力而改变的电容值传输给外部测量电路，并由外部测量电路通过电容值计算得到压力施加部件所承受的压力，从而实现压力检测。
此外，还可以将双层柔性电路板1、多层陶瓷电容器3、软性导电垫片4、压力施加部件5都设置于笔外壳2内。
本发明的另一个实施例中，多层陶瓷电容器3的外部电极、软性导电垫片4都与双层柔性电路板1进行电性连接，将多层陶瓷电容器3、软性导电垫片4的信号通过双层柔性电路板1传输给外部测量电路进行计算处理。
本发明的另一个实施例中，双层柔性电路板1还采用双面电路板结构，如图8-11所示，双层柔性电路板1包括上导电层11、绝缘层12、下导电层14，上导电层11紧贴于绝缘层12的上方，下导电层14紧贴于绝缘层12的下方。多层陶瓷电容器3的一个外部电极31或多个外部电极31都与上导电层11电性连通；例如通过物理接触并压紧、通过焊接或者导电胶水固定等方式固定。软性导电垫片4受压后与下导电层14电性连通，其中，软性导电垫片4在受压前，并不需要保证与下导电层14电性连通。
本发明的另一个实施例中，为了减小整体的体积，绝缘层12采用片状绝缘基材。
本发明的另一个实施例中，为了便于集成，上导电层11和下导电层14上都用于焊接或通过物理接触电性连通元器件。
本发明的另一个实施例中，为了使软性导电垫片4和陶瓷介质33之间形成了一个空气间隙，通孔或缺口13贯穿上导电层11、绝缘层12、下导电层14。
本发明的另一个实施例中，为了适用于笔外壳，双层柔性电路板1的剖面呈L字型。
本发明的另一个实施例中，为了便于向软性导电垫片4施加压力，压力施加部件5的上端设有凸块，压力施加部件5受压后，凸块向软性导电垫片4施加压力。在实施时，软性导电垫片4上方设有半球形或三角形或梯形状的任意几何形状凸块，提高接触灵敏度，进而提高检测灵敏度。
本发明的另一个实施例中，多层陶瓷电容器3的外部电极31的数量可以为多个，而这多个外部电极31可以分别作为多层陶瓷电容器3的输出电极（即与上导电层11连接的电极），也可以连接在一起共同作为多层陶瓷电容器3的输出电极。
为了更好的说明本实施例，优选2个外部电极31，如图12所示，当多层陶瓷电容器3的外部电极31的数量为2个时，2个外部电极31分别设置在多层陶瓷电容器3的两侧。分别与2个外部电极31连通的电极层32相互交错设置于多层陶瓷电容器3内部，这2个外部电极31可以分别作为多层陶瓷电容器3的输出电极，也可以连接在一起共同作为多层陶瓷电容器3的输出电极。
本发明的多层陶瓷电容器采用这种多层片式结构的特点为，制造成本低，体积小，适应多种场合的应用，且还可以通过压力产生可调的电容值，其测量的物理量随压力的变压明显，容易测量，且电路整体的功耗低，有良好的线性和精度。此外，本发明的多层陶瓷电容器内部多个电极层32被陶瓷介质33紧密包围，且多层陶瓷电容器表面的非导电部分都是陶瓷介质33，有利于利用电容器固有的电介质表面以及电容器电极与电介质贴合紧密的特点，省去了昂贵的专用电介质器件，大大节省了成本，简化了制造工艺，其制造工艺比传统的金属镀膜工艺简单，还能够大大降低工艺成本。
本发明的另一个实施例中，双层柔性电路板1通常的厚度大约0.13mm。
本发明的优势是用双层柔性电路板（FPC）代替特殊的器件和结构，明显减少了器件数量，结构简单，可靠性高，生产精度有保证，成本低廉。双层柔性电路板（FPC）的可弯折性让传感器与检测电路的连接方式非常灵活，非常适合大批量的生产。双层电路板通用的表面抗氧化处理工艺，省去了本领域通常需要的专用抗氧化金属器件，大大节省了成本，简化了制造工艺。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。
Claims (7)
1.笔内变电容压力传感器，其特征在于：包括双层柔性电路板、多层陶瓷电容器、软性导电垫片；所述多层陶瓷电容器与软性导电垫片接近配置，所述多层陶瓷电容器与软性导电垫片之间设有带通孔或缺口的双层柔性电路板，所述多层陶瓷电容器设置于通孔或缺口上方，所述软性导电垫片设置于通孔或缺口下方，所述多层陶瓷电容器包括第一部件和第二部件，所述第一部件包括多层陶瓷电容器的一个外部电极或多个外部电极，所述第二部件包括多层陶瓷电容器的陶瓷介质、设置于多层陶瓷电容器内部的多个电极层，每个所述外部电极都与设置于多层陶瓷电容器内部的电极层连通；所述软性导电垫片受到外部压力产生变形，穿过柔性电路板的通孔或缺口，与多层陶瓷电容器的陶瓷介质接触；外部压力改变进而改变软性导电垫片与多层陶瓷电容器的陶瓷介质的接触面积，从而改变软性导电垫片与多层陶瓷电容器接入的外部电极之间的电容值；所述双层柔性电路板的剖面呈L字型；所述软性导电垫片一侧设有压力施加部件，所述压力施加部件的上端设有凸块，压力施加部件受压后，凸块向软性导电垫片施加压力。
2.如权利要求1所述的笔内变电容压力传感器，其特征在于：所述双层柔性电路板包括上导电层、绝缘层、下导电层，所述上导电层紧贴于绝缘层的上方，所述下导电层紧贴于绝缘层的下方。
3.如权利要求2所述的笔内变电容压力传感器，其特征在于：所述多层陶瓷电容器的一个外部电极或多个外部电极都与上导电层电性连通。
4.如权利要求2所述的笔内变电容压力传感器，其特征在于：所述软性导电垫片受压后与下导电层电性连通。
5.如权利要求2所述的笔内变电容压力传感器，其特征在于：所述通孔或缺口贯穿上导电层、绝缘层、下导电层。
6.如权利要求1所述的笔内变电容压力传感器，其特征在于：所述双层柔性电路板还与外部测量电路连接。
7.如权利要求1所述的笔内变电容压力传感器，其特征在于：所述多层陶瓷电容器的外部电极的数量为2个时，2个外部电极分别设置在多层陶瓷电容器的两侧。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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