CN110044520B - 测量固体间压力的力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种测量固体间压力的力传感器，包括沿其厚度方向相对设置的第一表面和第二表面，第一表面用于接收待测量的压力，第二表面上设置有液体腔，液体腔呈柱状结构；膜片，位于第二表面并密封液体腔，并承载液体腔内的液体压力，并在液体腔上的正投影落在液体腔外侧；测压芯片，与液体腔连通，并位于液体腔沿其径向方向的中部区域处，以测量液体腔内的液体压力信号；芯片基板，承载测压芯片；信号处理器，以处理测压芯片测量到的液体腔内的液体压力信号并输出。本发明可以实现准确且实时的测量压力，另外，采用测压芯片直接测量液体腔内的液体压力信号，可以缩小力传感器的尺寸，并提高力传感器测量固体间压力的准确度。

Description

测量固体间压力的力传感器
技术领域
本发明属于测力技术领域，具体涉及一种测量固体间压力的力传感器。
背景技术
力传感器是一种应用广泛的传感器，在固体接触压力和称重测量场合一直发挥着重要作用。常规力传感器主要采用应变式原理，利用可动机械结构将待测力转化为弹性敏感元件的应变，再用敏感元件上粘贴的应变片测出应变，反映压力。但此类传感器，应变片的粘贴部分容易随着承载次数和持续承载时间的增加而发生显著蠕变，不利于这些场合的长期稳定测量，需要定期重新校准。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种测量固体间压力的力传感器。
本发明提供一种力传感器，包括：
传感器主体，所述传感器主体包括沿其厚度方向相对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面用于接收待测量的压力，所述第二表面上设置有液体腔，所述液体腔呈柱状结构；
膜片，所述膜片位于所述第二表面并密封所述液体腔，并承载液体腔内的液体压力，并且，所述膜片在所述液体腔上的正投影落在所述液体腔外侧；
测压芯片，所述测压芯片设置在所述液体腔内，并且，所述测压芯片位于所述液体腔沿其径向方向的中部区域处，以测量所述液体腔内的液体压力信号；
芯片基板，所述芯片基板设置在所述传感器主体内并承载所述测压芯片；
信号处理器，所述信号处理器与所述测压芯片电连接，以对所述测压芯片所测量的液体压力信号进行处理并输出处理后的液体压力信号。
可选地，所述力传感器还包括多个密封件和多条液体注入通道，每条所述液体注入通道的第一端均与所述液体腔连通，每条所述液体注入通道的第二端均贯穿所述传感器主体除所述第二表面外的其它任意表面，每个所述密封件均与对应的所述液体注入通道的第二端密封连接。
可选地，所述力传感器包括一条液体注入通道和一个密封件；并且，
所述液体注入通道的第一端与所述液体腔连通，所述液体注入通道的第二端贯穿所述传感器主体的第一表面，所述密封件与所述液体注入通道的第二端密封连接。
可选地，所述膜片呈圆形，所述力传感器还包括位于所述第二表面的压环，所述压环压设在所述膜片的边缘端部，以将所述膜片固定在所述第二表面上。
可选地，所述力传感器还包括位于所述第二表面的承压底座和压块，所述压块夹设在所述承压底座和所述膜片之间，并分别与所述承压底座和所述膜片抵接。
可选地，所述测压芯片采用MEMS芯片。
可选地，所述信号处理器包括信号处理单元和数据传输单元，所述信号处理单元与所述测压芯片电连接，所述数据传输单元与所述信号处理单元电连接；其中，
所述信号处理单元，用于接收所述测压芯片测量的液体压力信号，并将所述液体压力信号进行放大、模数转换和温度补偿，以得到处理后的液体压力信号；
所述数据传输单元，用于将处理后的液体压力信号发送至接收端。
可选地，所述传感器主体上设置有自其第一表面向所述第二表面的方向凹陷的安装槽，所述安装槽与所述液体腔沿其径向方向的中部区域相对应，所述信号处理器设置在所述安装槽内。
可选地，所述力传感器还包括位于所述芯片基板和所述信号处理器之间的至少四个引脚，所述测压芯片通过所述引脚与所述信号处理器电连接。
可选地，所述膜片采用橡胶、塑料类高分子聚合物材料或者多层弹性复合材料制作形成。
本发明的力传感器，包括传感器主体，包括沿其厚度方向相对设置的第一表面和第二表面，第一表面用于接收待测量的压力，第二表面上设置有液体腔，液体腔呈柱状结构；膜片，位于第二表面并密封液体腔，并承载液体腔内的液体压力，并且，膜片在液体腔上的正投影落在液体腔外侧；测压芯片，与液体腔连通，并且，测压芯片位于液体腔沿其径向方向的中部区域处，以测量液体腔内的液体压力信号；芯片基板，承载测压芯片；信号处理器，以处理测压芯片测量到的液体腔内的液体压力信号并输出。借助液体腔、膜片、测压芯片、芯片基板和信号处理器，可以实现准确且实时的测量压力，另外，采用测压芯片直接测量液体腔内的液体压力信号，可以缩小力传感器的尺寸，并提高力传感器测量固体间压力的准确度。
附图说明
图1为本发明实施例的力传感器结构示意图；
图2为图1中所示的力传感器的俯视图；
图3为图1中所示的力传感器的仰视图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1、图2和图3所示，本发明涉及一种测量固体间压力的力传感器100，该力传感器100包括传感器主体110、膜片120、测压芯片130、芯片基板140和信号处理器150。传感器主体100包括沿其厚度方向相对设置的第一表面111和第二表面112，第一表面111用于接收待测量的压力，第二表面112上设置有液体腔112a，液体腔112a可以呈柱状结构，当然，该液体腔112a也可以呈其他形状，具体可以根据实际需要确定。膜片120位于第二表面112以便密封液体腔112a，从而可以承载液体腔112a内的液体压力，此外，优选地，为了提高膜片120与液体腔112a的密封性能，膜片120在液体腔112a上的正投影落在液体腔112a的外侧，至于膜片120落在液体腔112a的外侧的尺寸并没有作出限定，具体可以根据实际需要确定。测压芯片130设置在液体腔112a内并位于液体腔112a沿其径向方向的中部区域处，以测量液体腔112a内的液体压力信号。芯片基板140设置在传感器主体100内并承载测压芯片140。信号处理器150与测压芯片130电连接，以对测压芯片130所测量的液体压力信号进行处理并输出处理后的液体压力信号。
具体地，如图1所示，在使用时，可以预先向传感器主体110上的液体腔112a注入液体介质，例如，水、液压油或者某些混合液体等，之后，将力传感器100安置在待测承力物体200下方，力传感器100的第一表面111与待测承力物体200下表面接触，同时，将该力传感器100放置到水平承载台上(如下文记载的压块192)，当传感器达到力平衡时，膜片120上将受到等量的压块192提供的支撑力与液体腔112a内液体提供的液体压力，该液体压力与待测承力物体200所受压力一致。最后，测压芯片130可以检测出液体腔112a内的液体压力信号，信号处理器150将测压芯片130测得的液体压力信号进行处理并输出，由输出的液体压力信号可以计算得出实际的压力大小。
本实施例结构的力传感器100，借助在传感器主体110上所设置的液体腔112a、膜片120和测压芯片130、芯片基板140和信号处理器150，可以实现准确且实时的测量固体间压力，另外，采用测压芯片130、芯片基板140和信号处理器150直接检测并输出液体腔112a内的液体压力信号，可以极大地缩小力传感器100的尺寸，另一方面，采用测压芯片130而不是压力变送器直接检测液体腔112a内的液体压力信号，可以提高力传感器100的测量精度。
需要说明的是，对于传感器主体110的具体形状、材料以及接触方式并没有做出限定，例如，如图1所示，该实施例中待测承力物体200的横截面是圆形，传感器主体110也对应是圆形、不锈钢材料，传感器主体110的第一表面111与待测承力物体200表面平行接触，但上述实施方式不限制本发明的适用范围。
如图1和图2所示，力传感器100还包括两条液体注入通道170和两个密封件160。每条液体注入通道170的第一端与液体腔112a连通，每条液体注入通道170的第二端贯穿第一表面111并与对应的密封件160密封连接。如图1所示，液体腔112a由传感器主体110、膜片120和芯片基板140密封而成。具体地，在使用本实施例的力传感器100之前，先将芯片130安装到芯片基板140，再将芯片基板140密封安装至液体腔112a内部的凹槽(图中并未示出)中，然后将膜片120与液体腔112a密封安装，之后，利用所设置的液体注入通道170向液体腔112a内注入液体介质(例如，水、液压油或者某些混合液体等)，直至液体腔112a、液体注入通道170内均无间隙充满液体介质，之后，再将密封件160安装至对应的液体注入通道以实现密封。
需要说明的是，液体注入通道的数量并不局限于如图1所示的情形，本领域技术人员可以根据实际需要，确定所需要的实际液体注入通道的数量以及位置等。例如，力传感器100可以包括一条液体注入通道和一个密封件，该液体注入通道的第一端与液体腔112a连通，该液体注入通道的第二端贯穿传感器100的第一表面111，该密封件与该液体注入通道的第二端密封连接。液体注入通道的数量，具体可以根据实际需要确定。
此外，芯片基板140可以采用胶黏剂与传感器主体110密封连接，密封件160可以采用焊接等方式与对应的液体注入通道170密封连接，但是本发明并不以此为限。
为了实现膜片120与传感器主体110的密封连接，膜片120的边缘可以与传感器主体110的第二表面112粘结，这样，可以确保膜片120与第二表面112密封连接。当然，膜片120除了可以采用粘结方式以外，还可以采用其他一些连接方式，以实现两者之间的密封。
如图1所示，为了进一步有效确保膜片120与传感器主体110之间的密封性能，力传感器100还包括位于第二表面112的压环180，压环180压设在膜片120的边缘端部，以将膜片120固定在第二表面112上。压环180与传感器主体110采用焊接或者自锁紧等方式固定，实施例中压环180为圆环形，但上述实施方式不限制本发明的适用范围。
如图1所示，力传感器100还包括位于第二表面112的承压底座191和压块192。压块192呈柱状结构，其夹设在承压底座191和膜片120之间，并分别与承压底座191和膜片120抵接。
具体地，在实际力传感器100的工作过程中，待测承力物体200与传感器主体110的第一表面111接触，膜片120与压块192接触，压块192与承压底座191接触，在待测承力物体200上施加压力后，压力依次经过传感器主体110、膜片120和压块192传递到承压底座191上，根据力的相互作用原理，传递到承压底座191上的力经由压块192、膜片120传递至液体腔112a内，液体腔112a中的液体介质将所受压强传递到测压芯片130上，读取测压芯片130的压力数据，可反映待测承力物体200上承受的压力。
本实施例中所设置的压块192，可以有效确保待测承力物体200所受到的压力能够充分传递到液体腔112a内的液体介质上，提高力传感器100的准确度。并且，优选地，压块192的横截面的外轮廓边缘与液体腔112a横截面的外轮廓边缘相重合或者靠近内侧。
本发明中的测压芯片130采用微机电系统(Micro-Electro-Mechanical-Systems，MEMS)芯片。
如图1和图2所示，信号处理器150信号处理器包括信号处理单元151和数据传输单元152。信号处理单元151与测压芯片130电连接，用于接收测压芯片130测量的液体压力信号，并将液体压力信号进行放大、模数转换和温度补偿，以得到处理后的液体压力信号。数据传输单元152与信号处理单元151电连接，用于将处理后的液体压力信号发送至接收端。
如图1所示，传感器主体110上设置有自第一表面111向第二表面112的方向凹陷的安装槽110a，并且，安装槽110a与液体腔112a沿其径向方向的中部区域相对应，便于安置信号处理器150。
如图1所示，力传感器100还包括位于芯片基板140和信号处理器150之间的至少四个引脚141，测压芯片130通过引脚141与信号处理器150电连接，但是本发明并不以此为限。
本发明中，膜片120可以采用橡胶、塑料类高分子聚合物材料或者多层弹性复合材料制作形成，也可以采用不锈钢等刚性材料，本发明并不以此为限。
本实施例中的力传感器100借助在传感器主体110上设置的液体腔112a、膜片120、测压芯片130、芯片基板140和信号处理器150，可以实现准确且实时的测量待测承力物体200所受到的压力，另外，采用测压芯片130直接测量液体腔112a内的液体压力信号，可以缩小力传感器100的尺寸，并提高力传感器100测量固体间压力的准确度。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种测量固体间压力的力传感器，其特征在于，包括：
传感器主体，所述传感器主体包括沿其厚度方向相对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面用于接收待测量的压力，所述第二表面上设置有液体腔，所述液体腔呈柱状结构；
膜片，所述膜片位于所述第二表面并密封所述液体腔，并承载液体腔内的液体压力，并且，所述膜片在所述液体腔上的正投影落在所述液体腔外侧；
测压芯片，所述测压芯片设置在所述液体腔内，并且，所述测压芯片位于所述液体腔沿其径向方向的中部区域处，以测量所述液体腔内的液体压力信号；
芯片基板，所述芯片基板设置在所述传感器主体内并承载所述测压芯片；
信号处理器，所述信号处理器与所述测压芯片电连接，以对所述测压芯片所测量的液体压力信号进行处理并输出处理后的液体压力信号；
所述第二表面还设置有与所述液体腔连通的安装槽，所述膜片安装在所述安装槽中，所述膜片呈圆形，所述力传感器还包括位于所述第二表面的压环，所述压环压设在所述膜片的边缘端部，以将所述膜片固定在所述第二表面上。
2.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于，所述力传感器还包括多个密封件和多条液体注入通道，每条所述液体注入通道的第一端均与所述液体腔连通，每条所述液体注入通道的第二端均贯穿所述传感器主体除所述第二表面外的其它任意表面，每个所述密封件均与对应的所述液体注入通道的第二端密封连接。
3.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于，所述力传感器包括一条液体注入通道和一个密封件；并且，
所述液体注入通道的第一端与所述液体腔连通，所述液体注入通道的第二端贯穿所述传感器主体的第一表面，所述密封件与所述液体注入通道的第二端密封连接。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的力传感器，其特征在于，所述力传感器还包括位于所述第二表面的承压底座和压块，所述压块夹设在所述承压底座和所述膜片之间，并分别与所述承压底座和所述膜片抵接。
5.根据权利要求1至3中任意一项所述的力传感器，其特征在于，所述测压芯片采用MEMS芯片。
6.根据权利要求1至3中任意一项所述的力传感器，其特征在于，所述信号处理器包括信号处理单元和数据传输单元，所述信号处理单元与所述测压芯片电连接，所述数据传输单元与所述信号处理单元电连接；其中，
所述信号处理单元，用于接收所述测压芯片测量的液体压力信号，并将所述液体压力信号进行放大、模数转换和温度补偿，以得到处理后的液体压力信号；
所述数据传输单元，用于将处理后的液体压力信号发送至接收端。
7.根据权利要求1至3中任意一项所述的力传感器，其特征在于，所述传感器主体上设置有自其第一表面向所述第二表面的方向凹陷的安装槽，所述安装槽与所述液体腔沿其径向方向的中部区域相对应，所述信号处理器设置在所述安装槽内。
8.根据权利要求1至3中任意一项所述的力传感器，其特征在于，所述力传感器还包括位于所述芯片基板和所述信号处理器之间的至少四个引脚，所述测压芯片通过所述引脚与所述信号处理器电连接。
9.根据权利要求1至3中任意一项所述的力传感器，其特征在于，所述膜片采用橡胶、塑料类高分子聚合物材料或者多层弹性复合材料制作形成。
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