CN109387304A

CN109387304A - 一种传感器装置

Info

Publication number: CN109387304A
Application number: CN201811225744.8A
Authority: CN
Inventors: 许建平; 许文凯; 徐美莲
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-10-21
Filing date: 2018-10-21
Publication date: 2019-02-26

Abstract

本发明涉及质量、重量、压力、触力、脉搏、血压、物体抵触位移、磁致伸缩位移等检测领域，以及精密控制、按键、开关等控制领域的载荷增强型微机械传感器装置；其技术方案是：传感器装置包括：压力传感器部件、力传递部件，其中，用弹性部件将外部输入力分别分解或转移到基体或壳体和力传递部件上，从而，其中的弹性膜片部分只接受到部分输入力；优点是：使用低承载压力、低量程的压力传感器芯片或薄膜型压力传感器亦能制造高性能、高承载压力或高量程传感器装置。

Description

一种传感器装置

所属技术领域

本发明涉及一种传感器装置，特别是适于质量、重量、压力、触力、脉搏、血压、物体抵触位移、磁致伸缩位移等检测领域，以及精密控制、按键、开关等控制领域的载荷增强型微机械传感器装置，属传感器技术领域，但是，不仅限于此。

背景技术

中国发明专利申请号2018108593234，名称：“一种传感器装置”的资料中，公开了一种与本发明类似的传感器装置，该传感器装置使用了由压力传感器芯片构成的压力传感器部件，由于压力传感器芯片中弹性膜片厚度较薄，因此，所制造的传感器装置具有较高的灵敏度、精度；然而，由于压力传感器芯片中弹性膜片的厚度较薄，为此，所制造的传感器装置的承载压力或量程较小；为提高传感器装置的承载压力或量程，通常要增加传感器芯片中弹性膜片的厚度，然而，增加传感器芯片中弹性膜片的厚度需要增加较高的生产成本，耗费较长的时间，为此，现有类似的传感器装置存在承载压力或量程较小的缺陷。

另外，现有一种充油式触力传感器，其结构是将压力传感器芯片布置在充油的容器中，通过抵触波纹膜片、改变容器容积和油对压力传感器芯片的压强，实现压力或触力的检测，其主要缺陷是检测精度容易受到环境温度变化的影响。

发明内容

本发明的目的在于：改进上述产品的缺陷。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

1、一种传感器装置，包括：压力传感器部件，该压力传感器部件包括弹性膜片部分、支撑弹性膜片部分的基体或框体部分，所述弹性膜片部分适于受到力或抵触运动时变形，并将所述变形或力转换成电信号；力传递部件，该力传递部件适于向所述弹性膜片部分所在的方向移动，适于直接或间接地抵触所述弹性膜片部分；附件，该附件包括基体或壳体；其中，进一步包括：弹性部件，该弹性部件适于将外部输入力分别分解或转移到所述基体或壳体和所述力传递部件上，从而，所述弹性膜片部分只接受到部分输入力。

更进一步包括：

所述弹性部件包括：波纹膜片；所述波纹膜片适于地布置在所述的基体或壳体上、所述力传递部件的外部。

所述弹性部件包括：波纹膜片，压缩弹簧、拉伸弹簧中的至少一种；所述弹性部件适于地布置在所述的基体或壳体与所述的力传递部件之间。

限制构件，该限制构件适于阻挡或限制所述力传递部件的移动行程，从而限制力传递部件对所述的弹性膜片部分施加超过预订的力值。

所述力传递部件中包括：可压缩的弹性元件。

所述力传递部件上还设有永磁体，或者，所述基体或壳体上还设有永磁体。

所述压力传感器部件包括：压力传感器芯片或薄膜型压力传感器构成的压力传感器部件。

2、一种传感器装置，包括：压力传感器部件，该压力传感器部件包括弹性膜片部分、支撑弹性膜片部分的基体或框体部分，所述弹性膜片部分适于受到力或抵触运动时变形，并将所述变形或力转换成电信号；力传递部件，该力传递部件适于向所述弹性膜片部分所在的方向移动，适于直接或间接地抵触所述弹性膜片部分，其中，所述力传递部件中间串接有可压缩的弹性元件；附件，该附件包括基体或壳体；其中，所述可压缩的弹性元件包括：由外壳、压缩弹簧、顶针或顶柱构成的弹性顶针或弹性顶柱。

进一步包括：所述可压缩的弹性元件包括：由外壳、压缩弹簧、顶针或顶柱封装而成的一体化的弹性顶针或弹性顶柱。

本发明的有益效果是：制造容易、成本低，在保持传感器装置精度的基础上，可进一步提高了传感器装置的承载压力或量程；并且，使用低承载压力或低量程的压力传感器芯片或薄膜压力传感器片亦能制造出高性能、高承载压力或高量程传感器装置。

附图说明

图1是本发明中使用的一种压力传感器芯片结构示意图；

图2是图1所示A-A剖面示意图；

图3是本发明中使用的一种薄膜型压力传感器结构示意图；

图4是图3所示B-B剖面示意图；

图5是本发明的一种传感器装置剖视结构示意图；

图6是图5中的弹性顶针或弹性顶柱的放大示意图；

图7是本发明的另一种传感器装置剖视结构示意图；

图8是本发明的另一种传感器装置剖视结构示意图；

图9是本发明的另一种传感器装置剖视结构示意图。

具体实施方式

下面根据本发明的技术方案结合附图进行举例说明。

图1、2是涉及本发明一种压力传感器芯片结构示意图；其中，01是本发明所述的弹性膜片部分，02是支撑弹性膜片部分01的基体或框体部分。在弹性膜片部分01的表面设有压敏电阻或应变电阻08、09、10、11，以及电连接压敏电阻或应变电阻的电连接线或电连接端03、04、05、06、07。所述弹性膜片部分01适于受到外部输入力时变形，并将变形量或外部输入力转换成电信号。应该理解到，所述的基体或框体部分、弹性膜片部分通常是一个一体化的元件，即压力传感器芯片，本发明中只是为了叙述清楚将其分开进行说明。

图3、4是涉及本发明一种薄膜型压力传感器结构示意图；其中，101是绝缘塑料基片，102、103是压敏电阻，104、105是电连接线或电连接端，106是支撑弹性膜片部分101的基体或框体部分；其工作原理同图1、2。

图5、6是本发明的一种传感器装置的剖视结构示意图；特别是一种所述弹性部件为波纹膜片；所述波纹膜片适于地布置在所述的基体或壳体上、所述力传递部件的外部的传感器装置。其中，201是方形杯状的壳底，202是导气孔，203是外形为方形、中间设有圆孔的构件；204是园环体，205是园环压盖；206是压力传感器芯片或薄膜型压力传感器，207是固定胶，208、209是导电引线，210、211导电脚；212是不锈钢圆球或球形元件，213是顶针或顶柱，214是压缩弹簧，215是外形为T形的筒形部件，216是波纹为圆形的波纹膜片，216的外缘固定或镶嵌在204、205中。其中，顶针或顶柱213，压缩弹簧214，筒形部件215等构成本发明所述的由外壳、压缩弹簧、顶针或顶柱封装而成的一体化的弹性顶针或弹性顶柱。顶针或顶柱的端部形状不局限于平面，顶针或顶柱的端部形状亦可以是半球形，等其它形状。同时，不锈钢球212，顶针或顶柱213，压缩弹簧214，筒形部件215，波纹膜片216等构成本发明所述的力传递元件。另外，203的端面1a和215的端面1b及其结构、形状、尺寸构成了本发明所述的限制构件；即203的端面1a，215的端面1b相距预订的距离H1，215在受到216的推动时，不能从203中的孔中通过，从而，压力传感器芯片或薄膜型压力传感器206不破损，实现本发明所述的限制构件。另外，应该想到，波纹膜片216外表面中心部位，可以再布置一个永磁体，使该传感器装置变换为磁致伸缩位移检测传感器装置。

图5、6工作原理：当给所述的压力传感器芯片或薄膜型压力传感器施加适于的电压/电流，在波纹膜片216中心或外表面施加逐渐增加的输入力时，部分输入力通过波纹膜片216分解或部分转移到所述的基体或壳体上203、204、201上，波纹膜片产生弹性变形或中心部位产生位移，其余部分输入力通过波纹膜片216中心部位依次推动圆筒215、压缩弹簧214、顶针或顶柱213、球形元件212、压力传感器芯片206中的弹性膜片部分，而压力传感器芯片或薄膜型压力传感器206将产生或输出随之变化的电信号，由此实现本发明的力或位移等物理量检测。当输入力达到预定值时，端面1a、1b相互接触，距离H1＝0；压力传感器芯片或薄膜型压力传感器206不破损，215、214、213、212不再继续向压力传感器芯片或薄膜型压力传感器206方向移动、不再对压力传感器芯片或薄膜型压力传感器206继续增加输入力或抵触力，而压力传感器芯片或薄膜型压力传感器206亦不会继续增加或变化电信号。本发明所述的传感器装置具有一定的增强保护压力传感器芯片或薄膜型压力传感器由于超压引起破损的作用。应该理解到，所述超过预定值的输入力是有限的，通过选择或提高201、203的材料强度可以提高传感器装置的承压值或许可承受压力,如：201选择高强度的复合绝缘材料，203选择金属、合金材料。其中，所述的距离H1可根据波纹膜片216的受力变形量或受力位移量、压缩弹簧的弹性模量、压力传感器芯片中的弹性膜片部分所能承受的最大许可变形量等确定。应当想到，如果压缩弹簧214变换成不可压缩的构件、212、213是一个一体化的元件亦可实现本发明。

通过对图5、6的形状结构和工作原理的描述不难理解到，本发明中的波纹膜片216具有将输入力转换成相对于压力传感器芯片或薄膜型压力传感器206的位移量、将输入力分解或部分转移到基体或壳体上性能。因此，本发明所述的传感器装置具有使用低承载压力、低量程的压力传感器芯片或薄膜型压力传感器亦能制造出高性能、高承载压力或高量程传感器装置的特点；即本发明的传感器装置具有承受压力或量程高于其中的压力传感器芯片、薄膜型压力传感器等压力传感器部件的直接承受压力或量程的性能。

图7是本发明的一种传感器装置的剖视结构示意图；特别是一种所述弹性部件为波纹膜片，波纹膜片适于地布置在所述的基体或壳体与所述的力传递部件之间的传感器装置。其中，301是方形杯状的壳底，302是导气孔，303是外形为方形、中间设有圆孔的构件；304是园环体，305是端盖；306是压力传感器芯片或薄膜型压力传感器，307是固定胶，308、309是导电引线，310、311导电脚；312是不锈钢圆球或球形元件，313是顶针或顶柱，314是压缩弹簧，315是外形为T形的筒形部件，316是波纹为圆形的波纹膜片，316的外缘固定或镶嵌在304、305中，317是检测端，其中，顶针或顶柱313，压缩弹簧314，筒形部件315等构成本发明所述的由外壳、压缩弹簧、顶针或顶柱封装而成的一体化的弹性顶针或弹性顶柱。同时，不锈钢球312，顶针或顶柱313，压缩弹簧314，圆筒315，波纹膜片316等构成本发明所述的力传递元件。另外，303的端面2a和315的端面2b及其结构、形状、尺寸构成了本发明所述的限制构件；即303的端面1a，315的端面2b相距预订的距离H2，315在受到216的推动时，不能从303中的孔中通过，从而，压力传感器芯片或薄膜型压力传感器306不破损，实现本发明所述的限制构件。

图7的工作原理同图5、6，只是输入力是加载到检测端317上，317再将输入力传递到波纹膜片316上，316再将输入力分解或部分转移到所述的基体或壳体上304、303、301上，以及316还将其余部分输入力依次传递到315、314、313、312、306上。同理，应当想到，如果压缩弹簧314变换成不可压缩的构件、312、313是一个一体化的元件亦可实现本发明。

图8是本发明的一种传感器装置的剖视结构示意图；特别是一种所述弹性部件为压缩弹簧，压缩弹簧适于地布置在所述的基体或壳体与所述的力传递部件之间的传感器装置。其中，401是方形杯状的壳底，402是导气孔，403是外形为方形、中间设有圆孔的凸形构件；405是端盖；406是压力传感器芯片或薄膜型压力传感器，407是固定胶，408、409是导电引线，410、411导电脚；412是不锈钢圆球或球形元件，413是顶针或顶柱，414是压缩弹簧，415是筒形部件，416是压缩弹簧，317是永磁体，N是永磁体向外的磁场极性。其中，顶针或顶柱413，压缩弹簧414，筒形部件415等构成本发明所述的由外壳、压缩弹簧、顶针或顶柱构成的弹性顶针或弹性顶柱。不锈钢球412，顶针或顶柱413，压缩弹簧414，筒形部件415、设置或固定在基体或壳体上的压缩弹簧416、永磁体417等构成本发明所述的力传递元件。另外，403的上端面3a和415的下端面3b及其结构、形状、尺寸构成了本发明所述的限制构件；即403的上端面1a，415的下端面2b相距预订的距离H3，415在受到外部输入力推动时，不能从403中的孔中通过，从而，压力传感器芯片或薄膜型压力传感器406不破损，实现本发明所述的限制构件。

图8工作原理与图5、6相似，只是输入力是分别加载到永磁体417上或筒形部件415上，415再将输入力通过压缩弹簧416分解或部分转移到所述的基体或壳体403、401上，其余部分输入力依次分别传递到416和414、413、412、406上。其中，压缩弹簧416作用原理与图5中的波纹膜片216的作用原理相同，其目的是将输入力转换成相对压力传感器芯片或薄膜型压力传感器406的位移量、将输入力分解或部分转移到基体或壳体上，实现本发明的传感器装置所具备的性能。同理，应当想到，如果压缩弹簧414变换成不可压缩的构件、412、413是一个一体化的元件亦可实现本发明。

图9是本发明的一种传感器装置的剖视结构示意图；特别是一种所述弹性部件为拉伸弹簧，拉伸弹簧适于地布置在所述的基体或壳体与所述的力传递部件之间的传感器装置。其中，501是方形杯状的壳底，502是导气孔，503是外形为方形、中间设有圆孔的板状构件；505是端盖；506是压力传感器芯片或薄膜型压力传感器，507是固定胶，508、509是导电引线，510、511导电脚；512是不锈钢圆球或球形元件，513是顶针或顶柱，514是压缩弹簧，515是筒形部件，516是拉伸弹簧，拉伸弹簧516两端分别固定在505、515上，517是永磁体，S是永磁体向外的磁场极性，518是可拆卸的塑料件。其中，顶针或顶柱513，压缩弹簧514，筒形部件515等构成本发明所述的由外壳、压缩弹簧、顶针或顶柱构成的弹性顶针或弹性顶柱。不锈钢球512，顶针或顶柱513，压缩弹簧514，筒形部件515，拉伸弹簧516、永磁体517等构成本发明所述的力传递元件。另外，503的上端面4a和515的下端面4b及其结构、形状、尺寸构成了本发明所述的限制构件；即503的上端面4a，415的下端面4b相距预订的距离H4，515在受到外部输入力推动时，不能从503中的孔中通过，从而，压力传感器芯片或薄膜型压力传感器506不破损，实现本发明所述的限制构件。

图9工作原理与图8相似，输入力亦是分别加载到永磁体517上或筒形部件515上，515再将输入力通过拉伸弹簧部分传递到505、503、501基体或壳体上，其余部分输入力依次分别传递到516和514、513、512、506上。其中，拉伸弹簧516作用原理与图5中的波纹膜片216的作用原理相同，其目的是将输入力转换成相对压力传感器芯片或薄膜型压力传感器506的位移量、将输入力分解或部分转移到基体或壳体上，实现本发明的传感器装置所具备的性能。同理，应当想到，如果压缩弹簧514变换成不可压缩的构件、512、513是一个一体化的元件亦可实现本发明。

应该理解到，根据本发明力传递部件适于向所述弹性膜片部分所在的方向移动，适于直接或间接地抵触所述压力传感器部件中弹性膜片部分，而压力传感器部件随之输出变化的电信号的这一特性，以及图5至图9的提示，应该想到，本发明所述的传感器装置能够在适于范围内、在外部物体抵触本发明的传感器装置时，检测外部物体对传感器装置的直接抵触位移或/和磁力抵触位移；即外部物体的直接抵触位移或/和磁力抵触位移等于传感器装置输出电信号的变化值。应当知道，传感器装置检测位移的量程范围与本发明图5至图9中的弹性部件216、316、416、516和214、314、414、514有关，改变弹性部件216、316、416、516和214、314、414、514应变能力或许可应变行程，可改变传感器装置位移检测的范围或量程；另外，改变它们的弹性模量亦可改变传感器装置的性能。传感器装置输出的电信号与位移、受力的关系可根据胡克定律或通过实验获得。

本发明虽然使用弹性部件将输入力分解或部分转移到基体或壳体上，但是，传感器装置所检测到的质量、重量、压力、触力、脉搏、血压、物体抵触位移、磁致伸缩位移等的电信号仍然真实地反映所检测的物理量与电信号的关系，其关系式的确定可根据实验或相关的计算式确定，其确定方法不在本发明的讨论之列。

图5至图9中的波纹膜片216、316、弹簧416、515构成了本发明所述的设置或固定在基体或壳体上的弹性部件,该弹性部件相关参数可依据胡克定律等确定，弹性部件的结构形式不局限于本发明图中的举例。

本发明所述可压缩的弹性元件不局限于图举例所示，凡是具有可压缩性能的弹性元件均包含在本发明所述的可压缩的弹性元件之列。如橡胶、塑胶构件、其它形状和材料的压缩构件等。

本发明所述由外壳、压缩弹簧、顶针或顶柱封装而成的弹性顶针或弹性顶柱，其结构、形状不局限于本发明的举例，凡是至少将外壳、压缩弹簧、顶针或顶柱封装成一体化的弹性组件均包含在本发明所述的可压缩的弹性元件之列。

本发明中所述的永磁体不但可以布置在所述的力传递部件上，同时，亦可以布置在传感器装置的基体或壳体上，并且，永磁体亦可以布置在传感器装置外壳内部的力传递部件上。

本发明所述的压力传感器部件不局限于图1至4中所示的结构和压力传感器类型。所述压力传感器部件可以是：扩散硅压力传感器芯片、MEMS压力传感器芯片、陶瓷压力传感器、电容型压力传感器、各种薄膜型压力传感器等；凡是包括弹性膜片部分和基体部分的压力传感器都包含在本发明所述的压力传感器部件之列。本发明所述的限制构件的结构形式不局限于本发明的举例。

本发明所述的传感器装置的内部还可以布置处理压力传感器芯片信号的信号放大芯片、模数信号转换芯片及微控制器芯片等。应该想到，本发明说明书、权利要求书所述的部分技术特征适用于本发明之外的触力传感器或同类传感器装置的改进或使用；同时，亦应该想象到，本发明的力传递部件的检测端上还可能布置其它辅助装置，如光发射/接收传感器、温度传感器等。

以上所述只是本发明特定的举例，在不偏离本发明广义方面时，显然可能对本发明进行可以想象到的修改、变异或组合，因此，本发明的权利范围不应当受到特定举例和具体实施例的限制；本发明的旨在涵盖所有类似的修改、变异或组合，落在本发明所述的权利要求书的精神和范围之列的变异均属于本发明。

Claims

1.一种传感器装置，包括：

压力传感器部件，该压力传感器部件包括弹性膜片部分、支撑弹性膜片部分的基体或框体部分，所述弹性膜片部分适于受到力或抵触运动时变形，并将所述变形或力转换成电信号，

力传递部件，该力传递部件适于向所述弹性膜片部分所在的方向移动，适于直接或间接地抵触所述弹性膜片部分，

附件，该附件包括基体或壳体，

其特征在于，进一步包括：

弹性部件，该弹性部件适于将外部输入力分别分解或转移到所述基体或壳体和所述力传递部件上，从而，所述弹性膜片部分只接受到部分输入力。

2.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于：

所述弹性部件包括：波纹膜片，

所述波纹膜片适于地布置在所述的基体或壳体上、所述力传递部件的外部。

3.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于：

所述弹性部件包括：波纹膜片，压缩弹簧、拉伸弹簧中的至少一种，

所述弹性部件适于地布置在所述的基体或壳体与所述的力传递部件之间。

4.根据权利要求1、2或3所述的传感器装置，其特征在于，进一步包括：

5.根据权利要求1、2或3所述的传感器装置，其特征在于：

所述力传递部件中包括：可压缩的弹性元件。

6.根据权利要求1、2或3所述的传感器装置，其特征在于：

7.根据权利要求1、2或3所述的传感器装置，其特征在于：

8.一种传感器装置，包括：

力传递部件，该力传递部件适于向所述弹性膜片部分所在的方向移动，适于直接或间接地抵触所述弹性膜片部分，其中，所述力传递部件中间串接有可压缩的弹性元件，

附件，该附件包括基体或壳体，

其特征在于：

所述可压缩的弹性元件包括：由外壳、压缩弹簧、顶针或顶柱构成的弹性顶针或弹性顶柱。

9.根据权利要求8所述的传感器装置，其特征在于：

所述可压缩的弹性元件包括：由外壳、压缩弹簧、顶针或顶柱封装而成的一体化的弹性顶针或弹性顶柱。