CN110456925A - 一种主动式电容笔的压力传感器模块及主动笔 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种主动式电容笔的压力传感器模块及主动笔，所述主动式电容笔包括电路板和笔芯，压力传感器模块包括与电路板连接的导电金属箔和设于笔芯尾部的金属块，所述导电金属箔和金属块相对设置，所述导电金属箔上设有介电薄膜层，所述介电薄膜层上设有弹性变形构件；所述导电金属箔与电路板的芯片电连接，所述导电金属箔、介电薄膜层、弹性变形构件和金属块构成压力传感器；所述金属块与电路板的地电连接；所述弹性变形构件的材质为不导电材料。本发明的技术方案，结合主动笔的内部结构设计的变距式压容传感器，取代了压力传感器芯片，可根据需要调整模块尺寸，降低了结构设计精度，结构简单，减小物料制作成本和加工成本。
Description
技术领域
本发明属于压力传感技术领域，尤其涉及一种主动式电容笔的压力传感器模块及主动笔。
背景技术
目前带压感的主动式电容笔都使用压力传感器芯片去检测压力的变化，实现压力转化成电压值。具体为，将压力传感器（压容式）焊接在PFC上，再将FPC焊接于主板上，通过主动笔结构件上的硅胶柱的小圆头对压力传感器施加压力。这种方式存在如下缺点：现有的压力传感器芯片尺寸较小，需要精密的结构设计搭配，加工精度要求较高，导致结构物料制作成本，物料加工成本提高。
发明内容
针对以上技术问题，本发明公开了一种主动式电容笔压力传感器模块及主动笔，模块尺寸可调，降低了结构设计精度，减小了制作成本和加工成本。
对此，本发明采用的技术方案为：
一种主动式电容笔压力传感器模块，所述主动式电容笔包括电路板和笔芯，所述主动式电容笔压力传感器模块包括与电路板连接的导电金属箔和设于笔芯尾部的金属块，所述导电金属箔和金属块相对设置，所述导电金属箔上设有介电薄膜层，所述介电薄膜层上设有弹性变形构件；所述导电金属箔与电路板的芯片电连接，所述导电金属箔、介电薄膜层、弹性变形构件和金属块构成压力传感器；所述金属块与电路板的地电连接；所述弹性变形构件的材质为不导电材料。
此技术方案采用相近似于压力式传感器芯片的变极距型压容传感器，从而实现了压力变化转化成电容值变化，通过电路实现压力转化成芯片可检测的电压值变换，这种设计可以根据需要调整模块的尺寸，降低了结构设计的精度，减小物料制作成本和加工成本。
由C=εA/d可知，当介质常数ε、相对面积A一定时，通过改变两极板的相对距离d可实现容值C变化，在两极板中放入可形变物质例如弹性变形构件可实现力和距离的变化：F=kx。
进一步的，所述弹性变形构件的导电阻抗为不小于1KΩ。
进一步的，所述弹性变形构件的尺寸不大于导电金属箔的大小。
作为本发明的进一步改进，所述弹性变形构件的材质为硅胶。
此技术方案中，弹性变形构件为硅胶构件，在已知硅胶的弹性模量E的情况下，可知：
E=σ/ɛ=（F/S）/（Δd/d） （公式1）
其中，E为硅胶的弹性模量，σ为应力=F/S，F为硅胶构件受到的压力（N），S为硅胶构件受到压力的受力面积（mm），ɛ为正应变=Δd/d，Δd为硅胶构件厚度的变化量，d为硅胶构件未应变的厚度。
由两极板电容变化量为：
ΔC=ɛS/（d-Δd） （公式2）
其中，ɛ为介电薄膜的介电常数，S为硅胶构件与PCB铜箔的接触面积，Δd为硅胶头厚度的变化量。
由公式1和公式2得出F和ΔC的关系式为：F=（1-[ɛS/dΔC]）*ES。
可见，如果知道硅胶构件与PCB铜箔的接触面积S、硅胶构件未应变的厚度d、介电薄膜的介电常数ɛ、硅胶的弹性模量E，并根据探测到的两极板电容变化量，就可以得出压力。
作为本发明的进一步改进，所述硅胶的邵氏硬度为70~90度，所述硅胶的弹性模量为0.6~1.0GPa。
作为本发明的进一步改进，所述弹性变形构件的截面形状为椭圆形。
进一步的，所述弹性变形构件的长*宽*厚度为2.0*2.5*0.1mm。进一步优选的，所述弹性变形构件的长*宽*厚度为2.0*2.5*0.1mm。这里的长、宽指的是椭圆形的长、宽。
作为本发明的进一步改进，所述弹性变形构件的导电阻抗为2KΩ~10KΩ。
作为本发明的进一步改进，所述导电金属箔为铜箔。
作为本发明的进一步改进，所述介电薄膜层的材质为CaTiO3。
作为本发明的进一步改进，所述介电薄膜层通过电镀在导电金属箔上得到。
作为本发明的进一步改进，所述介电薄膜层的厚度为0.05~0.15mm。进一步的，所述介电薄膜层的厚度为0.1mm。所述介电薄膜层的长*宽*厚度为2.5*0.05*0.1mm。
作为本发明的进一步改进，所述导电金属箔的尺寸长*宽*厚度为（2~3）mm*（0.2~0.4）mm*（0.1~0.5）mm。
作为本发明的进一步改进，所述导电金属箔的尺寸长*宽*厚度为2.5mm*0.3mm*0.1mm。
本发明还公开了一种主动笔，其包括如上任意一项所述的主动式电容笔的压力传感器模块。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的技术方案，结合主动笔的内部结构，采用导电金属箔、介电薄膜层、弹性变形构件和金属块构成的变距式压容传感器，取代了压力传感器芯片，而且可根据需要调整模块尺寸，降低了结构设计精度，结构简单，减小物料制作成本和加工成本。
附图说明
图1是本发明一种主动式电容笔的压力传感器模块的结构示意图。
图2是本发明一种主动式电容笔的压力传感器模块的原理流程图。
图3是本发明实施例硅胶头的硬度为70度的压力曲线图。
图4是本发明实施例硅胶头的硬度为80度的压力曲线图。
图5是本发明实施例硅胶头的硬度为90度的压力曲线图。
图6是本发明实施例硅胶头为长方形的压力曲线图。
图7是本发明实施例硅胶头为椭圆形的压力曲线图。
图8是本发明实施例硅胶头为正方形的压力曲线图。
图9是本发明实施例的铜箔尺寸为2.5mm*0.3 mm *0.16 mm的压力曲线图。
图10是本发明实施例的铜箔尺寸为2.5mm*0.3 mm *0.1 mm的压力曲线图。
图11是本发明实施例的铜箔尺寸为2.5mm*0.3 mm *0.6 mm的压力曲线图。
其中，图3~图11中，1~4标号的曲线分别为相同条件下，四个测试样机的测试曲线。
附图标记包括：1-电路板，2-笔芯，3-铜箔，4-介电薄膜层，5-硅胶头，6-金属块，7-导线。
具体实施方式
下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
实施例1
一种主动式电容笔压力传感器模块，所述主动式电容笔包括电路板1和笔芯2，所述主动式电容笔压力传感器模块包括与电路板1连接的铜箔3和设于笔芯2尾部的金属块6，所述铜箔3和金属块6相对设置，所述铜箔3上设有介电薄膜层5，所述介电薄膜层5上设有弹性变形构件硅胶头6；所述铜箔3与电路板1的芯片模拟电压采集接口电连接，所述铜箔3、介电薄膜层5、硅胶头6和金属块6构成压力传感器；所述金属块6通过导线7与电路板1的地电连接；所述硅胶头6为不导电材料。
进一步的，硅胶头6的导电阻抗越小越好，所述硅胶头6的导电阻抗为2KΩ~10KΩ。超过这个范围会导致电容变化小或者无法变化。
进一步的，所述硅胶头6的横截面的尺寸不大于导电金属箔的大小。进一步的，所述硅胶头6的弹性模量为0.6~1.0GPa。
采用本实施例的原理流程示意图如图2所示。笔芯受力，笔芯尾部的金属块就会发生位移，从而压在硅胶头上，对硅胶头施加压力，硅胶头受到压力产生形变，体积压缩，那么笔芯尾部的金属块与电路板上铜箔的相对距离就会减小，所述铜箔3、介电薄膜层5、硅胶头6和金属块6构成压力传感器的电容值发生变化，铜箔3将该信号传给压力检测电路，压力检测电路将电容值变化转化成电压值变化。本实施例将压力传感器的两极设计在电路板和笔芯结构件上，传感器两极间添加硅胶柱，使得压力转化成硅胶体积的压缩，导致两极板距离的减小从而使得电容值发生变化，取代了压力传感器芯片，降低了结构设计精度，减小物料制作成本和加工成本。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例选择了三种不同的邵氏硬度的硅胶头，分别为70度、80度和90度，铜箔、介电薄膜等其他条件相同，采用微软的测试方法和标准分别进行压力传感曲线的仿真测试，每次测试4个样品（后面的测试均是如此），结果分别见图3~图5，通过对比可见，经过多次测试，邵氏硬度为80度的硅胶头的曲线平滑性好，一致性好，接近微软标准曲线，效果最好。同时，也测试过60度和100度的，但是60度硅胶头偏软，得到的曲线变化大，一致性不好；100度偏硬，灵敏度不够，得到的曲线与微软标准曲线偏差较大。
实施例3
在实施例1的基础上，本实施例选择了不同横截面形状的硅胶头，分别为长方形、椭圆形和正方形，硅胶头的硬度固定为80度，其他条件均相同。采用微软的测试方法和标准分别进行压力传感曲线的仿真测试，结果分别见图6~图8，通过对比可见，经过多次测试，椭圆形的硅胶头的曲线平滑性好，一致性好，接近微软标准曲线，效果最好。
实施例4
在实施例1的基础上，本实施例选择了不同铜箔大小进行实验，硅胶硬度、硅胶头导电电阻等参数不变。分别为2.5mm*0.3 mm *0.16 mm、2.5mm*0.3 mm *0.1 mm、2.5mm*0.3 mm*0.6 mm，其他条件均相同。采用微软的测试方法和标准分别进行压力传感曲线的仿真测试，结果分别见图9~图11，通过对比可见，经过多次测试，铜箔为2.5mm*0.3mm*0.1mm的曲线的一致性更好，接近微软标准曲线，效果最好。
通过一系列实验，得出硅胶头的硬度在80度、形状为椭圆形、铜箔为2.5mm*0.3mm*0.1mm的性能最优。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种主动式电容笔的压力传感器模块，所述主动式电容笔包括电路板和笔芯，其特征在于：其包括与电路板连接的导电金属箔和设于笔芯尾部的金属块，所述导电金属箔和金属块相对设置，所述导电金属箔上设有介电薄膜层，所述介电薄膜层上设有弹性变形构件；所述导电金属箔与电路板的芯片电连接，所述导电金属箔、介电薄膜层、弹性变形构件和金属块构成压力传感器；所述金属块与电路板的地电连接；所述弹性变形构件的材质为不导电材料。
2.根据权利要求1所述的主动式电容笔的压力传感器模块，其特征在于：所述弹性变形构件的材质为硅胶。
3.根据权利要求2所述的主动式电容笔的压力传感器模块，其特征在于：所述硅胶的邵氏硬度为70~90度，所述硅胶的弹性模量为0.6~1.0GPa。
4.根据权利要求3所述的主动式电容笔的压力传感器模块，其特征在于：所述弹性变形构件的截面形状为椭圆形。
5.根据权利要求4所述的主动式电容笔的压力传感器模块，其特征在于：所述弹性变形构件的导电阻抗为2KΩ~10KΩ。
6.根据权利要求1~5任意一项所述的主动式电容笔的压力传感器模块，其特征在于：所述导电金属箔为铜箔。
7.根据权利要求6所述的主动式电容笔的压力传感器模块，其特征在于：所述介电薄膜层的材质为CaTiO3；所述介电薄膜层的厚度为0.05~0.15mm。
8.根据权利要求7所述的主动式电容笔的压力传感器模块，其特征在于：所述导电金属箔的尺寸长*宽*厚度为（2~3）mm*（0.2~0.4）mm*（0.1~0.5）mm。
9.根据权利要求8所述的主动式电容笔的压力传感器模块，其特征在于：所述导电金属箔的尺寸长*宽*厚度为2.5mm*0.3mm*0.1mm。
10.一种主动笔，其特征在于：其包括如权利要求1~9任意一项所述的主动式电容笔的压力传感器模块。
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