CN114354052A - 力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种力传感器，包括：壳体；形变件，安装在所述壳体中，具有弹性形变膜部；应变片，贴装在所述形变件的弹性形变膜部上；和电路板，安装在所述壳体中并与所述应变片电连接。所述形变件还包括：刚性周壁部，固定到所述壳体的内壁上；和刚性柱状部，位于所述刚性周壁部所围绕的空间的中心并沿竖直方向延伸。所述弹性形变膜部呈水平延伸的膜片状并连接在所述刚性周壁部和所述刚性柱状部之间，所述刚性柱状部用于接收负载力。在本发明中，应变片被贴装到形变件上，而电路板不用贴装到形变件上，因此，可以减小力传感器的整体尺寸。此外，在本发明还提高了力传感器的过载能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种力传感器。
背景技术
在现有技术中，基于玻璃微熔技术的力传感器的载荷能力比基于MEMS技术的力传感器要强。但是，在基于玻璃微熔技术的力传感器中，PCB直接粘贴在形变膜片下表面上，导致力传感器整体不能达到微型尺寸级别。这种基于玻璃微熔技术的力传感器不适用于要求较小尺寸的场合。
在现有技术中，基于MEMS技术的力传感器，负载力直接作用在MEMS压阻芯片上，使用时噪声影响较大，容易出现过载并损坏压阻芯片，稳定性和使用寿命较差。这种基于MEMS技术的力传感器不适用于对过载和稳定性要求高的场合。
力传感器是工业领域中最为常用的传感器之一，可以广泛应用在医疗设备中，如注射输液泵，血液设备。微型力传感器适用于比较小型的医疗设备中，但现有的力传感器存在着尺寸较大，过载能力较差，稳定性和寿命不够好等问题。
发明内容
本发明的目的旨在解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面。
根据本发明的一个方面，提供一种力传感器，包括：壳体；形变件，安装在所述壳体中，具有弹性形变膜部；应变片，贴装在所述形变件的弹性形变膜部上；和电路板，安装在所述壳体中并与所述应变片电连接。所述形变件还包括：刚性周壁部，固定到所述壳体的内壁上；和刚性柱状部，位于所述刚性周壁部所围绕的空间的中心并沿竖直方向延伸。所述弹性形变膜部呈水平延伸的膜片状并连接在所述刚性周壁部和所述刚性柱状部之间，所述刚性柱状部用于接收负载力。
根据本发明的一个实例性的实施例，所述应变片以表面贴装的方式粘贴到所述形变件的弹性形变膜部上。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述力传感器为玻璃微熔力传感器，所述应变片通过玻璃微熔技术以表面贴装的方式粘贴在所述弹性形变膜部的下表面上。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述力传感器还包括：顶盖，安装在所述刚性柱状部上；和弹性垫，被衬垫在所述顶盖和所述刚性柱状部之间，所述负载力直接施加在所述顶盖上，并经由所述弹性垫被传递到所述刚性柱状部上。
根据本发明的另一个实例性的实施例，在所述顶盖的底部形成有一个柱状部，在所述柱状部上形成有一个顶部封闭的安装盲孔，所述刚性柱状部插装在所述顶盖的安装盲孔中，所述弹性垫被容纳在所述安装盲孔中并被挤压在所述刚性柱状部的顶面和所述顶盖之间。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述弹性垫上表面和下表面被分别粘结到所述顶盖和所述刚性柱状部上；或者所述弹性垫上表面和下表面分别与所述顶盖和所述刚性柱状部表面接触。
根据本发明的另一个实例性的实施例，当施加在所述顶盖上的负载力大于所述弹性形变膜部能承受的最大负载力时，所述顶盖被移动到与所述刚性周壁部或所述壳体接触的位置并被阻挡在预定位置，以防止所述弹性形变膜部受到的负载力大于其能承受的最大负载力。
根据本发明的另一个实例性的实施例，当施加在所述顶盖上的负载力大于所述弹性形变膜部能承受的最大负载力时，所述顶盖的周边部被移动到与所述刚性周壁部的顶面接触的位置，并被所述刚性周壁部阻挡在所述预定位置。
根据本发明的另一个实例性的实施例，当在所述顶盖上没有施加任何负载力时，所述顶盖的周边部与所述形变件的刚性周壁部的顶面之间在竖直方向上间隔开预定间距；并且当施加在所述顶盖上的负载力等于或大于所述弹性形变膜部能承受的最大负载力时，所述弹性垫和所述弹性形变膜部在竖直方向上的变形量之和等于所述预定间距。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述弹性垫在竖直方向上的厚度等于所述预定间距的2～5倍。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述形变件的刚性周壁部被卡扣或粘结到所述壳体的内壁上。
根据本发明的另一个实例性的实施例，在所述形变件的刚性周壁部的外表面上形成有凸起部，所述凸起部被粘结到所述壳体的内壁的凹部中，从而将所述刚性周壁部固定到所述壳体的内壁上。
根据本发明的另一个实例性的实施例，在所述壳体的内壁上形成水平的第一台阶面，所述第一台阶面位于所述形变件的正下方，所述电路板被安装在所述壳体的第一台阶面上。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述力传感器包括四个应变片，所述四个应变片分别通过引线电连接至所述电路板，以组成惠斯通电桥；所述电路板具有信号处理模块，所述信号处理模块适于对所述惠斯通电桥的输出信号进行处理，以获得与所述负载力成正比的负载力信号。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述力传感器还包括输出引脚，所述输出引脚与所述电路板电连接并延伸到所述壳体的外部，用于输出检测到的负载力信号。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述输出引脚通过注塑工艺嵌入在所述壳体中。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述壳体为低温共烧陶瓷壳体或塑料壳体，所述输出引脚嵌入在所述低温共烧陶瓷壳体或塑料壳体中。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述输出引脚和所述壳体适于以表面贴装的方式安装在电路板上。
根据本发明的另一个实例性的实施例，在所述壳体的内壁上形成水平的第二台阶面，所述第二台阶面位于所述壳体的底部开口附近；所述力传感器还包括底盖，所述底盖安装在所述第二台阶面上，以封闭所述壳体的底部开口。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述形变件的刚性周壁部与所述壳体的内壁密封连接，以密封所述壳体的顶部开口，从而使得所述应变片和所述电路板被密封在所述壳体中。
在根据本发明的前述各个实例性的实施例中，应变片被贴装到形变件上，而电路板不用贴装到形变件上，因此，可以减小力传感器的整体尺寸。
此外，在根据本发明的前述一些实例性的实施例中，当施加的负载力大于形变件的弹性形变膜部能承受的最大负载力时，顶盖被移动到与形变件的刚性周壁部或壳体接触的位置并被阻挡在预定位置，以防止弹性形变膜部受到的负载力大于其能承受的最大负载力，从而可提高力传感器的过载能力，防止力传感器因过载而受损。
通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。
附图说明
图1显示根据本发明的一个实例性的实施例的力传感器的立体示意图；
图2显示图1所示的力传感器的沿竖直方向的剖视图，其中力传感器的顶盖处于不受任何负载力时的初始位置；
图3显示图2所示的力传感器的示意图，其中力传感器的顶盖在负载力的作用下被移动到与形变件或壳体接触的位置；
图4显示根据本发明的另一个实例性的实施例的力传感器的示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。
根据本发明的一个总体技术构思，提供一种力传感器，包括：壳体；形变件，安装在所述壳体中，具有弹性形变膜部；应变片，贴装在所述形变件的弹性形变膜部上；和电路板，安装在所述壳体中并与所述应变片电连接。所述形变件还包括：刚性周壁部，固定到所述壳体的内壁上；和刚性柱状部，位于所述刚性周壁部所围绕的空间的中心并沿竖直方向延伸。所述弹性形变膜部呈水平延伸的膜片状并连接在所述刚性周壁部和所述刚性柱状部之间，所述刚性柱状部用于接收负载力。
图1显示根据本发明的一个实例性的实施例的力传感器的立体示意图；图2显示图1所示的力传感器的沿竖直方向的剖视图，其中力传感器的顶盖处于不受任何负载力时的初始位置。
如图1和图2所示，在图示的实施例中，该力传感器主要包括：壳体10、形变件50、应变片70和电路板80。形变件50安装在壳体10中，具有弹性形变膜部53。应变片70贴装在形变件50的弹性形变膜部53上。电路板80，安装在壳体10中并与应变片70电连接。
如图1和图2所示，在图示的实施例中，形变件50还包括刚性周壁部51和刚性柱状部52。刚性周壁部51固定到壳体10的内壁上。刚性柱状部52位于刚性周壁部51所围绕的空间的中心并沿竖直方向延伸。弹性形变膜部53呈水平延伸的膜片状并连接在刚性周壁部51和刚性柱状部52之间，刚性柱状部52用于接收负载力F(参见图3)。
如图1和图2所示，在图示的实施例中，应变片70适于以表面贴装的方式粘贴到形变件50的弹性形变膜部53的下表面上，例如，可以通过微熔玻璃、粘合剂或其他合适粘接技术粘贴到弹性形变膜部53上。
如图1和图2所示，在图示的实施例中，力传感器可以为玻璃微熔力传感器，应变片70通过玻璃微熔技术以表面贴装的方式粘贴在弹性形变膜部53的下表面上。通常，形变件50为金属制成的部件，应变片70为硅应变片或金属应变片。应变片70可以通过玻璃微熔技术高温烧结在形变件50的弹性形变膜部53的下表面上。
图3显示图2所示的力传感器的示意图，其中力传感器的顶盖在负载力的作用下被移动到与形变件或壳体接触的位置。
如图1至图3所示，在图示的实施例中，力传感器还包括：顶盖20和弹性垫60。顶盖20安装在形变件50的刚性柱状部52上。弹性垫60被衬垫在顶盖20和刚性柱状部52之间。弹性垫60可以由橡胶、硅胶或其他弹性材质制成。
如图1至图3所示，在图示的实施例中，负载力F直接施加在顶盖20上，并经由弹性垫60被传递到刚性柱状部52上。
如图1至图3所示，在图示的实施例中，在顶盖20的底部形成有一个柱状部21，在柱状部21上形成有一个顶部封闭的安装盲孔，刚性柱状部52插装在顶盖20的安装盲孔中，弹性垫60被容纳在安装盲孔中并被挤压在刚性柱状部52的顶面和顶盖20之间。弹性垫60与刚性柱状部52和顶盖20分别接触。
如图1至图3所示，在本发明的另一个实例性的实施例中，弹性垫60上表面和下表面可以被分别粘结到顶盖20和刚性柱状部52上。
如图1至图3所示，在图示的实施例中，当施加在顶盖20上的负载力F大于弹性形变膜部53能承受的最大负载力时，顶盖20被移动到与刚性周壁部51或壳体10接触的位置并被阻挡在预定位置，以防止弹性形变膜部53受到的负载力大于其能承受的最大负载力。这样可以防止弹性形变膜部53由于过载而受损，提高了力传感器的过载能力。
如图1至图3所示，在图示的实施例中，当施加在顶盖20上的负载力F大于弹性形变膜部53能承受的最大负载力时，顶盖20的周边部被移动到与刚性周壁部51的顶面接触的位置，并被刚性周壁部51阻挡在预定位置。
如图1至图3所示，在图示的实施例中，当在顶盖20上没有施加任何负载力时，顶盖20的周边部与形变件50的刚性周壁部51的顶面之间在竖直方向上间隔开预定间距d。当施加在顶盖20上的负载力等于或大于弹性形变膜部53能承受的最大负载力时，弹性垫60和弹性形变膜部53在竖直方向上的变形量之和等于预定间距d。
如图1至图3所示，在图示的实施例中，弹性垫60在竖直方向上的厚度可以等于前述预定间距d的2～5倍。这样，可以进一步提高力传感器的抗过载能力。
如图1至图3所示，在本发明的一个实例性的实施例中，形变件50的刚性周壁部51可以被卡扣或粘结到壳体10的内壁上。
如图1至图3所示，在图示的实施例中，在形变件50的刚性周壁部51的外表面上形成有凸起部51a，凸起部51a被卡扣或粘结到壳体10的内壁的凹部中，从而将刚性周壁部51固定到壳体10的内壁上。
如图1至图3所示，在图示的实施例中，在壳体10的内壁上形成水平的第一台阶面11，第一台阶面11位于形变件50的正下方，电路板80被安装在壳体10的第一台阶面11上。
如图1至图3所示，在图示的实施例中，力传感器包括四个应变片70，四个应变片70分别通过引线71电连接至电路板80，以组成惠斯通电桥。电路板80具有信号处理模块，信号处理模块适于对惠斯通电桥的输出信号进行处理，以获得与负载力成正比的负载力信号。前述引线71可以为金、铝或其他金属材质的引线。
如图1至图3所示，在图示的实施例中，力传感器还包括输出引脚40，输出引脚40与电路板80电连接并延伸到壳体10的外部，用于输出力传感器检测到的负载力信号。
如图1至图3所示，在图示的实施例中，输出引脚40通过注塑工艺嵌入在壳体10中。
如图1至图3所示，在图示的实施例中，壳体10可以为低温共烧陶瓷(LowTemperature Co-fired Ceramic，LTCC)壳体，输出引脚40嵌入在低温共烧陶瓷壳体中。
如图1至图3所示，在图示的实施例中，输出引脚40的焊接底面和壳体10的底面处于同一水平面内，这使得输出引脚40和壳体10适于以表面贴装的方式安装在电路板上，而无需使用连接器等额外部件，从而能够减小尺寸和成本。
如图1至图3所示，在图示的实施例中，在壳体10的内壁上形成水平的第二台阶面12，第二台阶面12位于壳体10的底部开口附近。力传感器还包括底盖30，底盖30安装在第二台阶面12上，以封闭壳体10的底部开口。
如图1至图3所示，在图示的实施例中，形变件50的刚性周壁部51与壳体10的内壁密封连接，以密封壳体10的顶部开口，从而使得应变片70和电路板80被密封在壳体10中。
下面将参照附图1-3说明前述实施例的工作原理：在进行测量时，待测量的负载力施加在顶盖20上，顶盖20受力使弹性垫60受到挤压，弹性垫60通过形变件50的中心的刚性柱状部52将力传递到弹性形变膜部53上，使得弹性形变膜部53发生形变，同时弹性形变膜部53带动下表面上的应变片70发生应变，应变片70的阻值发生变化，应变片70通过引线71连接到电路板80组成惠斯通电桥，斯通电桥的输出信号通过电路板80上的信号处理模块处理，以获得与负载力成正比的负载力信号，最后将获得输出引脚40输出检测到的负载力信号。
图4显示根据本发明的另一个实例性的实施例的力传感器的示意图。
图4所示的力传感器与图1-3所示的力传感器的区别仅在于取消了图1-3所示的力传感器的顶盖20和弹性垫60。此时，负载力直接施加在应变片70的刚性柱状部52上。由于没有顶盖20和弹性垫60，图4所示的力传感器抗过载能力差。
本申请具有以下优点：
(1)封装壳体采用嵌入式设计，将输出引脚嵌入，能够减小力传感器整体占用面积，同时采用输出引脚代替输出线缆，更适合微型化使用场合。
(2)玻璃微熔技术将应变片与弹性形变膜部进行粘贴，从而将施加的负载力转化为应变片电阻值的变化，形变件一般为金属材料，稳定性高，不易损坏。
(3)顶盖与弹性垫安装在弹性形变膜部上方，当施加的负载力在量程范围内时，弹性形变膜部可以正常受力，当施加的负载力超过量程范围时，弹性垫受到挤压变形，顶盖边缘的间隙减小，顶盖将与形变件的刚性周壁部接触，此时弹性形变膜部停止进一步形变。此技术可以使传感器的过载能力提高到10倍以上。
本领域的技术人员可以理解，上面所描述的实施例都是示例性的，并且本领域的技术人员可以对其进行改进，各种实施例中所描述的结构在不发生结构或者原理方面的冲突的情况下可以进行自由组合。
虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。
虽然本总体发明构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。
应注意，措词“包括”不排除其它元件或步骤，措词“一”或“一个”不排除多个。另外，权利要求的任何元件标号不应理解为限制本发明的范围。
Claims (20)
1.一种力传感器，包括：
壳体(10)；
形变件(50)，安装在所述壳体(10)中，具有弹性形变膜部(53)；
应变片(70)，贴装在所述形变件(50)的弹性形变膜部(53)上；和
电路板(80)，安装在所述壳体(10)中并与所述应变片(70)电连接，
其特征在于：
所述形变件(50)还包括：
刚性周壁部(51)，固定到所述壳体(10)的内壁上；和
刚性柱状部(52)，位于所述刚性周壁部(51)所围绕的空间的中心并沿竖直方向延伸，
所述弹性形变膜部(53)呈水平延伸的膜片状并连接在所述刚性周壁部(51)和所述刚性柱状部(52)之间，所述刚性柱状部(52)用于接收负载力(F)。
2.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于：
所述应变片(70)以表面贴装的方式粘贴到所述形变件(50)的弹性形变膜部(53)上。
3.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于：
所述力传感器为玻璃微熔力传感器，所述应变片(70)通过玻璃微熔技术以表面贴装的方式粘贴在所述弹性形变膜部(53)的下表面上。
4.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：
顶盖(20)，安装在所述刚性柱状部(52)上；和
弹性垫(60)，被衬垫在所述顶盖(20)和所述刚性柱状部(52)之间，
所述负载力(F)直接施加在所述顶盖(20)上，并经由所述弹性垫(60)被传递到所述刚性柱状部(52)上。
5.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于：
在所述顶盖(20)的底部形成有一个柱状部(21)，在所述柱状部(21)上形成有一个顶部封闭的安装盲孔，所述刚性柱状部(52)插装在所述顶盖(20)的安装盲孔中，所述弹性垫(60)被容纳在所述安装盲孔中并被挤压在所述刚性柱状部(52)的顶面和所述顶盖(20)之间。
6.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于：
所述弹性垫(60)上表面和下表面被分别粘结到所述顶盖(20)和所述刚性柱状部(52)上；或者
所述弹性垫(60)上表面和下表面分别与所述顶盖(20)和所述刚性柱状部(52)表面接触。
7.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于：
当施加在所述顶盖(20)上的负载力(F)大于所述弹性形变膜部(53)能承受的最大负载力时，所述顶盖(20)被移动到与所述刚性周壁部(51)或所述壳体(10)接触的位置并被阻挡在预定位置，以防止所述弹性形变膜部(53)受到的负载力大于其能承受的最大负载力。
8.根据权利要求7所述的力传感器，其特征在于：
当施加在所述顶盖(20)上的负载力(F)大于所述弹性形变膜部(53)能承受的最大负载力时，所述顶盖(20)的周边部被移动到与所述刚性周壁部(51)的顶面接触的位置，并被所述刚性周壁部(51)阻挡在所述预定位置。
9.根据权利要求8所述的力传感器，其特征在于：
当在所述顶盖(20)上没有施加任何负载力时，所述顶盖(20)的周边部与所述形变件(50)的刚性周壁部(51)的顶面之间在竖直方向上间隔开预定间距(d)；并且
当施加在所述顶盖(20)上的负载力等于或大于所述弹性形变膜部(53)能承受的最大负载力时，所述弹性垫(60)和所述弹性形变膜部(53)在竖直方向上的变形量之和等于所述预定间距(d)。
10.根据权利要求9所述的力传感器，其特征在于：
所述弹性垫(60)在竖直方向上的厚度等于所述预定间距(d)的2～5倍。
11.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于：
所述形变件(50)的刚性周壁部(51)被卡扣或粘结到所述壳体(10)的内壁上。
12.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于：
在所述形变件(50)的刚性周壁部(51)的外表面上形成有凸起部(51a)，所述凸起部(51a)被粘结到所述壳体(10)的内壁的凹部中，从而将所述刚性周壁部(51)固定到所述壳体(10)的内壁上。
13.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于：
在所述壳体(10)的内壁上形成水平的第一台阶面(11)，所述第一台阶面(11)位于所述形变件(50)的正下方，所述电路板(80)被安装在所述壳体(10)的第一台阶面(11)上。
14.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于：
所述力传感器包括四个应变片(70)，所述四个应变片(70)分别通过引线(71)电连接至所述电路板(80)，以组成惠斯通电桥；
所述电路板(80)具有信号处理模块，所述信号处理模块适于对所述惠斯通电桥的输出信号进行处理，以获得与所述负载力成正比的负载力信号。
15.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输出引脚(40)，所述输出引脚(40)与所述电路板(80)电连接并延伸到所述壳体(10)的外部，用于输出检测到的负载力信号。
16.根据权利要求15所述的力传感器，其特征在于：所述输出引脚(40)通过注塑工艺嵌入在所述壳体(10)中。
17.根据权利要求15所述的力传感器，其特征在于：
所述壳体(10)为低温共烧陶瓷壳体或塑料壳体，所述输出引脚(40)嵌入在所述低温共烧陶瓷壳体或塑料壳体中。
18.根据权利要求15所述的力传感器，其特征在于：
所述输出引脚(40)和所述壳体(10)适于以表面贴装的方式安装在电路板上。
19.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于：
在所述壳体(10)的内壁上形成水平的第二台阶面(12)，所述第二台阶面(12)位于所述壳体(10)的底部开口附近；
所述力传感器还包括底盖(30)，所述底盖(30)安装在所述第二台阶面(12)上，以封闭所述壳体(10)的底部开口。
20.根据权利要求19所述的力传感器，其特征在于：
所述形变件(50)的刚性周壁部(51)与所述壳体(10)的内壁密封连接，以密封所述壳体(10)的顶部开口，从而使得所述应变片(70)和所述电路板(80)被密封在所述壳体(10)中。
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