CN111256886A - 一种力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种力传感器，该力传感器包括：壳体，壳体上设置有开口；压缩结构，密封设置于壳体的开口处，压缩结构与壳体形成空腔；压力感测MEMS芯片，设置于空腔内；ASIC芯片，设置于空腔内，与压力感测MEMS芯片电连接；其中，压缩结构与空腔接触的内表面上设有波纹结构。由此，当压缩结构受到外力产生形变时，其内表面的纹波结构在外力的作用下产生较大的位移，使得空腔内的空气受到较大的压缩，从而在一定程度上提高力传感器的灵敏度，压缩后的空气施压到压力感测MEMS芯片表面，压力感测MEMS芯片将检测到的力转换为电信号输出到ASIC芯片，ASIC芯片将该电信号调理后输出。该力传感器能够满足新型智能终端产品的小型化设计和高灵敏度的结构设计要求。

Description

一种力传感器
技术领域
本发明实施例涉及传感器技术领域，尤其涉及一种力传感器。
背景技术
随着物联网信息技术的不断发展进步，各种智能终端产品对周边信息的采集深度与广度不断提升，力传感器作为一类十分重要的触觉感知传感器，在各领域已得到越来越广泛的应用，如广泛应用在机器人、可穿戴电子设备、人机交互等领域。
现有的力传感器是基于应变片式的结构设计，其结构尺寸较大，不适合新型智能终端产品的小型化设计，无法满足力传感器结构设计的高要求。
发明内容
本发明提供一种力传感器，以满足新型智能终端产品的小型化设计和高灵敏度的结构设计要求。
本发明实施例提供了一种力传感器，该力传感器包括：
壳体，所述壳体上设置有开口；
压缩结构，所述压缩结构密封设置于所述壳体的开口处，所述压缩结构与所述壳体形成空腔；
压力感测MEMS芯片，设置于所述空腔内；
ASIC芯片，设置于所述空腔内，与所述压力感测MEMS芯片电连接；
其中，所述压缩结构与所述空腔接触的内表面上设有波纹结构。
可选地，所述壳体包括：
PCB板；
腔体结构，一端焊接在所述PCB板上，且所述压缩结构密封设置于所述腔体结构的另一端，所述PCB板、所述腔体结构和所述压缩结构密封形成所述空腔。
可选地，所述压力感测MEMS芯片和所述ASIC芯片均固定在所述PCB板靠近所述空腔的一侧。
可选地，所述PCB板远离所述空腔的一侧设置有焊盘，所述焊盘用于将所述ASIC芯片的信号引出。
可选地，所述腔体结构包括支座和上盖，所述支座呈中空；
所述支座的一端设置于所述PCB板上，所述上盖盖合所述支座的另一端；
所述支座靠近所述上盖的一端设置有台阶，所述上盖与所述台阶之间形成凹槽，所述压缩结构的端部卡设于所述凹槽。
可选地，所述压缩结构贯穿所述上盖。
可选地，所述压缩结构包括远离所述空腔的第一凸形结构，所述第一凸形结构贯穿并伸出所述上盖。
可选地，所述压缩结构包括远离所述空腔的第一凸起结构，所述第一凸起结构贯穿所述上盖，所述第一凸起结构远离所述空腔的端面与所述上盖远离所述空腔的一面共面。
可选地，所述压缩结构包括接触所述空腔的弧面，所述弧面上设置有多个第二凸起结构和/或多个凹陷结构。
可选地，所述压力感测MEMS芯片和所述ASIC芯片通过金线或铝线电连接。
本发明通过提供一种力传感器，该力传感器包括：壳体，壳体上设置有开口；压缩结构，密封设置于壳体的开口处，压缩结构与壳体形成空腔；压力感测MEMS芯片，设置于空腔内；ASIC芯片，设置于空腔内，与压力感测MEMS芯片电连接；其中，压缩结构与空腔接触的内表面上设有波纹结构。由此可知，当压缩结构受到外力作用产生形变时，压缩结构的内表面的纹波结构在外力的作用下产生较大的位移，使得空腔内的空气受到较大的压缩，从而在一定程度上提高力传感器的灵敏度，压缩后的空气施压到压力感测MEMS芯片表面，压力感测MEMS芯片将检测到的力转换为电信号输出到ASIC芯片，ASIC芯片将该电信号调理后输出，解决现有的力传感器存在不能满足小型化设计需求的问题，实现能够满足新型智能终端产品的小型化设计和高灵敏度的结构设计要求的效果。
附图说明
图1是本发明实施例中的一种力传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例中的另一种力传感器的压缩结构的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1为本发明实施例中提供的一种力传感器的结构示意图，参考图1，该力传感器包括：
壳体100，壳体100上设置有开口；
压缩结构200，压缩结构200密封设置于壳体100的开口处，压缩结构与壳体形成空腔1；
压力感测MEMS芯片300，设置于空腔1内；
ASIC芯片400，设置于空腔1内，与压力感测MEMS芯片300电连接；
其中，压缩结构200与空腔1接触的内表面上设有波纹结构210。
其中，压缩结构200为弹性元件，例如可以为弹片、金属弹片等力传递结构。
在本实施例的技术方案中，该力传感器的工作原理为：参考图1，力传感器工作时，当外部的力作用在压缩结构200上时，压缩结构200因受到外力的作用而产生形变，由于压缩结构200与空腔1接触的内表面上设有波纹结构210，压缩结构200的内表面可在受到力的作用下产生较大的位移，从而使得空腔1内的空气受到压缩，压缩后的空气施加到压力感测MEMS芯片300的表面，压力感测MEMS芯片300将受到的力转换为电信号输出到ASIC芯片400，该电信号经过ASIC芯片400调理后输出。由此可知，由于压缩结构200与空腔1接触的内表面上设有波纹结构210，当压缩结构200受到外力作用时，压缩结构200的内表面可在受到力的作用下产生位移，该位移比同等情况下压缩结构200与空腔1接触的内表面上未设有波纹结构时产生的位移要大很多，因而使得空腔1内的空气快速受到压缩，压缩后的空气施加到压力感测MEMS芯片300，从而可以大大提高力传感器的灵敏度。此外，该力传感器的结构设计精致小巧，能够满足新型智能终端产品的小型化设计要求。
此外，该力传感器是基于压阻或电容传感原理，可通过MEMS的半导体工艺制成，实现了传感器微型化的设计，产品结构尺寸小，灵敏度高，可广泛应用于各种需要触觉检测、反馈的穿戴设备或机器人等人机交互终端产品中，如智能穿戴、机器人等人机交互领域。且该力传感器具有一致性和可靠性高的特点，并且由于设计微型化，可大规模生产制造，成本也相应的可降低。
可选地，参考图1，壳体100包括：
PCB板110；
腔体结构120，一端焊接在PCB板110上，且压缩结构200密封设置于腔体结构120的另一端，PCB板110、腔体结构120和压缩结构200密封形成空腔1。
其中，PCB板110的基材可以为塑料、树脂等绝缘材料。腔体结构120的材料可以为塑料、聚酰胺、陶瓷等材料。
可选地，继续参考图1，压力感测MEMS芯片300和ASIC芯片400均固定在PCB板110靠近空腔1的一侧。
其中，压力感测MEMS芯片300体积小、精度高，属于微压传感芯片。ASIC芯片400具有体积小、兼备高性能和低功耗的优点，可以为芯动TT2型、蚂蚁S9i、神马M10等。
可选地，继续参考图1，PCB板110远离空腔1的一侧设置有焊盘500，焊盘500用于将ASIC芯片400的信号引出。
其中，焊盘500可通过导线实现与ASIC芯片400的电连接，导线可通过PCB板110引出连接到焊盘500。需要说明的是，此处焊盘500的个数可以有多个，具体的数量可根据实际的情况进行设置，在此不做具体的限定。
可选地，继续参考图1，腔体结构120包括支座121和上盖122，支座121呈中空；
支座121的一端设置于PCB板110上，上盖122盖合支座121的另一端；
支座121靠近上盖122的一端设置有台阶123，上盖122与台阶123之间形成凹槽124，压缩结构200的端部卡设于凹槽124。
其中，压缩结构200的端部正好卡设在支座121的台阶123与上盖122之间形成的凹槽124内，从而使得压缩结构200与支座121、上盖122、PCB板110形成空腔1。
可选地，继续参考图1，压缩结构200贯穿上盖122。
可选地，继续参考图1，压缩结构200包括远离空腔1的第一凸形结构220，第一凸形结构220贯穿并伸出上盖122。
其中，当该力传感器采用第一凸形结构220时，通过第一凸形结构220可用于检测球体等表面平坦规则等形状的物体的压力检测。
可选地，图2是本发明实施例提供的另一种力传感器的压缩结构的结构示意图，参考图2，压缩结构200包括远离空腔1的第一凸起结构230，与图1中的第一凸形结构220不同的是，第一凸起结构230贯穿上盖122，第一凸起结构230远离空腔1的端面与上盖122远离空腔1的一面共面。换句话说，第一凸起结构230远离腔体1的端面与上盖122的上表面平齐。
其中，当该力传感器采用第一凸起结构230时，通过第一凸起结构230可用于检测表面形状不规则等物体的压力检测。
可选地，参考图1，压缩结构200包括接触空腔1的弧面240，弧面240上设置有多个第二凸起结构241和多个凹陷结构242。
其中，示例性的，参考图1和图2，弧面240设置为凹陷形弧面，凹陷形弧面可以使得力传感器的体积做的更小。压缩结构200的纹波结构210由多个第二凸起结构241和多个凹陷结构242构成。在压缩结构200受到外力作用产生形变时，第二凸起结构241的数量和凸起的程度会影响压缩结构200靠近空腔1的内表面的位移变化，凹陷结构242的数量和凹陷程度也会影响压缩结构200靠近空腔1的内表面的位移变化，进而会影响力传感器的灵敏度。通常，第二凸起结构241和凹陷结构242的数量越多，凸起的程度越大，凹陷结构242的凹陷程度越大，压缩结构200受压形变时其内表面产生的位移变化大，进而使得空腔1内的空气受压程度大，因而力传感器的灵敏度就会高。
在本发明实施例的另一种实施方式中，弧面240还可以是凸起形弧面，即弧面240朝向空腔1凸起，进一步弧面240上设有纹波结构，该纹波结构由多个第二凸起结构241和多个凹陷结构242构成。同样压缩结构200受压形变时其内表面产生的位移变化大，进而使得空腔1内的空气受压程度大，因而力传感器的灵敏度就会高，提高力传感器的灵敏度。
可选地，压力感测MEMS芯片300和ASIC芯片400通过金线或铝线电连接。
其中，压力感测MEMS芯片300将检测到的力转换为电信号输出到ASIC芯片400，ASIC芯片400将该电信号调理后输出模拟或数字格式的信号。
本实施例的技术方案，提供一种力传感器，该力传感器包括：壳体，壳体上设置有开口；压缩结构，密封设置于壳体的开口处，压缩结构与壳体形成空腔；压力感测MEMS芯片，设置于空腔内；ASIC芯片，设置于空腔内，与压力感测MEMS芯片电连接；其中，压缩结构与空腔接触的内表面上设有波纹结构，该纹波结构由具有多个凹、凸面的凸面或凹面组成，具有多个凹、凸面的凸面或凹面能够增大压缩结构在受力形变时产生的位移，进而能够提高力传感器的灵敏度，且压缩结构内表面设有的具有多个凹、凸面的凸面或凹面结构不仅能够增大受力形变时的位移还能使得力传感器的体积做的更小，满足结构小型化涉及的需求；该压缩结构远离空腔的一端包括第一凸形结构和第一凸起结构，能够满足表面平坦、规则及不规则形状的物体的压力检测。由此可知，当压缩结构受到外力作用产生形变时，压缩结构的内表面的纹波结构在外力的作用下产生较大的位移，使得空腔内的空气受到较大的压缩，从而在一定程度上提高力传感器的灵敏度，压缩后的空气施压到压力感测MEMS芯片表面，压力感测MEMS芯片将检测到的力转换为电信号输出到ASIC芯片，ASIC芯片将该电信号调理后输出，解决了现有的力传感器存在不能满足小型化设计需求的问题，实现能够满足新型智能终端产品的小型化设计和高灵敏度的结构设计要求的效果。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种力传感器，其特征在于，包括：
壳体，所述壳体上设置有开口；
压缩结构，所述压缩结构密封设置于所述壳体的开口处，所述压缩结构与所述壳体形成空腔；
压力感测MEMS芯片，设置于所述空腔内；
ASIC芯片，设置于所述空腔内，与所述压力感测MEMS芯片电连接；
其中，所述压缩结构与所述空腔接触的内表面上设有波纹结构。
2.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于，所述壳体包括：
PCB板；
腔体结构，一端焊接在所述PCB板上，且所述压缩结构密封设置于所述腔体结构的另一端，所述PCB板、所述腔体结构和所述压缩结构密封形成所述空腔。
3.根据权利要求2所述的力传感器，其特征在于，所述压力感测MEMS芯片和所述ASIC芯片均固定在所述PCB板靠近所述空腔的一侧。
4.根据权利要求2所述的力传感器，其特征在于，所述PCB板远离所述空腔的一侧设置有焊盘，所述焊盘用于将所述ASIC芯片的信号引出。
5.根据权利要求2所述的力传感器，其特征在于，所述腔体结构包括支座和上盖，所述支座呈中空；
所述支座的一端设置于所述PCB板上，所述上盖盖合所述支座的另一端；
所述支座靠近所述上盖的一端设置有台阶，所述上盖与所述台阶之间形成凹槽，所述压缩结构的端部卡设于所述凹槽。
6.根据权利要求5所述的力传感器，其特征在于，所述压缩结构贯穿所述上盖。
7.根据权利要求6所述的力传感器，其特征在于，所述压缩结构包括远离所述空腔的第一凸形结构，所述第一凸形结构贯穿并伸出所述上盖。
8.根据权利要求6所述的力传感器，其特征在于，所述压缩结构包括远离所述空腔的第一凸起结构，所述第一凸起结构贯穿所述上盖，所述第一凸起结构远离所述空腔的端面与所述上盖远离所述空腔的一面共面。
9.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于，所述压缩结构包括接触所述空腔的弧面，所述弧面上设置有多个第二凸起结构和/或多个凹陷结构。
10.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于，所述压力感测MEMS芯片和所述ASIC芯片通过金线或铝线电连接。
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