CN116893018A - 一种微型应变式压力传感装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型应变式压力传感装置及其应用，该微型应变式压力传感装置包括：弹性按钮，用于承载不同的输入压力，并根据所述输入压力的大小和方向对应产生不同的应变；压力传感组件，与所述弹性按钮固定连接并响应于所述弹性按钮上产生的应变而产生传感信号，所述压力传感组件至少包括响应于相互垂直的两个方向的两个压力传感通道，每个所述压力传感通道均只响应于其中一个方向上的输入压力并产生传感信号。本发明通过上述设置，可以同时对力的大小和方向进行传感，进而获取更加丰富的力的信息，匹配更加丰富的操控方式。

Description

一种微型应变式压力传感装置及其应用

技术领域

本发明涉及压力传感技术领域，尤其涉及一种微型应变式压力传感装置及其应用。

背景技术

压力传感的方式有很多种成熟的技术路径，应变式压力传感是其中比较常见的一种方式。目前市面上较为成熟的应变式压力传感器，均主要利用压力输入后会让承载结构产生应变，再对该应变进行检测从而确定压力输入的大小。

但是随着消费类电子产品的日益普及和迭代更新，传统的压力传感方式其只能传感到单一的力的大小，无法提供更多力的其他信息，已经渐渐无法满足日益多样化的交互方式的需求。例如在游戏中有时候需要根据玩家实际操作的方向和力的大小，来匹配游戏界面的不同操控方式，很明显此时仅仅采用传统的应变式压力传感器已经无法实现该种功能。

发明内容

为了解决现有技术中常见的应变式压力传感器只能传感力的大小，无法进一步传感力的方向的缺陷，本发明提出一种微型应变式压力传感装置及其应用，可以同时对力的大小和方向进行传感，进而获取更加丰富的力的信息，匹配更加丰富的操控方式。

本发明采用的技术方案是，一种微型应变式压力传感装置，包括：

弹性按钮，用于承载不同的输入压力，并根据所述输入压力的大小和方向对应产生不同的应变；

压力传感组件，与所述弹性按钮固定连接并响应于所述弹性按钮上产生的应变而产生传感信号，所述压力传感组件至少包括响应于相互垂直的两个方向的两个压力传感通道，每个所述压力传感通道均只响应于其中一个方向上的输入压力并产生传感信号。

优选的，所述压力传感组件包括分别响应相互垂直的三个方向的三个压力传感通道，每个所述压力传感通道均只响应于其中一个方向上的输入压力并产生传感信号。

优选的，所述压力传感组件包括基体，所述压力传感通道均布设于所述基体的传感区域，且所述传感区域与所述弹性按钮固定连接。

优选的，所述基体与所述弹性按钮胶粘固定。

优选的，所述压力传感通道为应变电阻。

优选的，所述压力传感组件为薄膜式压力传感器。

优选的，所述压力传感装置还包括安装基板，所述弹性按钮固定于所述安装基板上，所述弹性按钮和安装基板之间留设有形变空腔，所述压力传感组件位于所述形变空腔内。

优选的，所述弹性按钮包括固定连接的按钮本体和安装底座，所述安装底座与所述压力传感组件固定连接，且所述安装底座的横截面积大于所述按钮本体的横截面积。

优选的，所述按钮本体的直径为5-15mm，所述弹性按钮的高度为2-10mm。

优选的，所述弹性按钮为金属或塑料材质制成。

本发明还提出了一种如前所述的微型应变式压力传感装置在电子产品中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、可以同时对力的大小和方向进行传感，进而获取更加丰富的力的信息，匹配更加丰富的操控方式；

2、本方案中弹性按钮采用金属材质制成，其形变迅速且回复稳定，多次传感的同一性较高，传感精度也较高；

3、薄膜式压力传感器采用了高灵敏度的材料制成，可以十分迅速的响应弹性按钮，而且还能保证足够高的精度；

4、薄膜式压力传感器采用了三个独立的压力传感通道，可以分别仅对一个方向的输入压力响应并检测，因此沿单一方向输入的压力，也只会有一个对应的压力传感通道产生响应，而另外两个压力传感通道则不会产生响应，使得压力传感时彼此之间较独立，减少了相互干扰，传感精度更高；

当然，如果输入压力的输入方向并不是与三个压力传感通道的布置方向完全相同，此时输入压力与三个压力传感通道均形成一定夹角，从而三个压力传感通道均会响应于该压力，通过三个传感结果的相互印证和计算即可得到该输入压力的大小和其他信息。

附图说明

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明仰视视角的结构轴视图；

图3是本发明实施例中的弹性按钮结构图；

图4是图3的仰视视角的轴视图；

图5是图1省去部分结构后的侧视图；

图6是图2省去部分结构后的结构图；

图7是压力传感组件中三个压力传感通道的布置位置图；

图8是第一传感通道的左半桥电路图；

图9是第二传感通道的左半桥电路图；

图10是第三传感通道的左半桥电路图；

图11是三个压力传感通道的右半桥电路图。

10、弹性按钮；11、按钮本体；12、安装底座；13、容置腔；14、限位凸起；20、安装基板；21、托板；30、薄膜式压力传感器；32、胶体。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明公开了一种微型应变式压力传感装置，如图1-2所示，其包括弹性按钮10和压力传感组件两个部分，其中弹性按钮10用于承载不同的输入压力，并根据所述输入压力的大小和方向对应产生不同的应变；压力传感组件，与所述弹性按钮固定连接并响应于所述弹性按钮上产生的应变而产生传感信号，所述压力传感组件至少包括响应于相互垂直的两个方向的两个压力传感通道，每个所述压力传感通道均只响应于其中一个方向上的输入压力并产生传感信号。

由于压力传感组件中设置的至少两个压力传感通道，因此可以响应弹性按钮10多个方向的应变，进而可以同时对力的大小和方向进行传感，进而获取更加丰富的力的信息，匹配更加丰富的操控方式。而且本方案整体体积很小，可以取代传统的摇杆类结构，更加适配目前的主流电子产品。

具体的，所述压力传感组件包括三个压力传感通道，每个所述压力传感通道均只响应于其布置方向上的输入压力并产生传感信号。即该压力传感组件针对XYZ三个方向，分别布设有一个针对响应的压力传感通道，这样当XYZ三个方向上任何一个方向有输入压力时，对应该方向的压力传感通道即会立即产生响应并产生传感信号，同时另外两个方向上的压力传感通道则由于布置方向的原因，并不会产生任何响应，为该压力的传感提供了高精度的测量方法。

在一个实施例中，压力传感组件包括基体，所述压力传感通道均布设于所述基体的传感区域，且所述传感区域与所述弹性按钮10固定连接。其中，基体与所述弹性按钮10胶粘固定，所用胶可以是亚克力胶、VHB、环氧胶、丙烯酸胶、502胶、UV胶等任意一项，也可以是其他现有技术中常规的用胶。

在一个实施例中，压力传感通道为应变电阻，且压力传感组件为薄膜式压力传感器30，该薄膜式压力传感器30的基体上包含有基本的电路结构，可以是常用的FPC基板并将应变电阻印刷至其上而成。当然，压力传感通道为应变电阻，也可以是多个应变电阻之间通过串联或并联组成的电路或电桥。

通过上述设置，在该实施例中，由于设置了三个不同布置方向且相互独立的压力传感通道，可以分别仅对一个方向的输入压力响应并检测，因此沿单一方向输入的压力，也只会有一个对应的压力传感通道产生响应发生形变，进而电阻发生变化，形成传感信号，而另外两个压力传感通道则由于受力方向的原因并不会产生响应，使得压力传感时彼此之间较独立，减少了相互干扰，传感精度更高；

当然，在另外的实施例中，如果输入压力的输入方向并不是与三个压力传感通道的布置方向完全相同，此时输入压力与其中三个压力传感通道均形成一定夹角，从而三个压力传感通道均会响应于该压力而产生一定形变，通过三个传感结果的相互印证和计算即可得到该输入压力的大小和其他信息。

在另一个实施例中，给出了具体的三个压力传感通道的设置方式，如图7-11所示，具体的：

压力传感组件的传感区域内设置有三个压力传感通道，且三个压力传感通道分别对应响应三个相互垂直方向的应变，其中若第一传感通道响应于X轴方向的应变，则第二传感通道响应于Y轴方向的应变，而第三传感通道则响应于Z轴方向的应变。

第一传感通道包括由第一电阻R1a和第二电阻R1b组成的半桥1，且第一电阻R1a和第二电阻R1b均沿X轴方向布置；第二传感通道包括由第三电阻R2a和第四电阻R2b组成的半桥2，且第三电阻R2a和第四电阻R2b均沿Y轴方向布置；第三传感通道包括由第五电阻R3a和第六电阻R3b1、第七电阻R3b2组成的半桥3，其中第六电阻R3b1、第七电阻R3b2串联或并联，第五电阻R3a设置于压力传感组件传感区域的中心，第六电阻R3b1、第七电阻R3b2设置于压力传感组件中心的外侧，弹性按钮与传感区域位置正对，从而第六电阻R3b1、第七电阻R3b2相对于弹性按钮中心对称设置。

必要的，上述半桥1、半桥2和半桥3均需要连接另外的半桥回路才可以构成一个完整的传感通道，因此在一个实施例中，半桥1、半桥2和半桥3均连接有半桥4，该半桥4由第八电阻Rfa和第九电阻Rfb组成，半桥1、半桥2和半桥3均分别连接有一个半桥4并组成了完整的全桥。在该实施例中，半桥4可以设置于压力传感组件的内部或外部。

在另外的实施例中，半桥4还可以替换为其他结构，比如是固定电阻，还可以是设置于压力传感组件的传感区域之外的应变式电阻，其均可以起到与半桥4相同的作用，并与上述半桥1、半桥2和半桥3分别形成完整的传感通道回路。

在另一个实施例中，也可以不设置半桥4或者上述的替换结构，而是将半桥1、半桥2和半桥3对称布置后形成一个完整的全桥电路，其也可以达到相同的功能。

在一个实施例中，如图5-6所示，压力传感装置还包括安装基板20，所述弹性按钮10固定于所述安装基板20上，所述弹性按钮10和安装基板20之间留设有形变空腔，所述压力传感组件位于所述形变空腔内。如图3-4所示，弹性按钮10包括固定连接的按钮本体11和安装底座12，所述安装底座12与所述压力传感组件固定连接，且所述安装底座12的横截面积大于所述按钮本体11的横截面积，在该实施例中，安装底座12与安装基板20之间通过螺钉实现固定连接，在其他的实施例中也可以通过其他固定方式如粘接、焊接或卡接等实现固定。

如图3-4所示，由于安装底座12整体呈圆盘状，其横截面积是大于按钮本体11的，而安装底座12与所述压力传感组件之间则通过胶体32实现粘接固定，其中压力传感组件与安装底座12固定连接的部分为传感区域，该传感区域中则布设有3个压力传感通道，因此通过上述设置，使得弹性按钮10受压后所产生的细微应变，都可以在安装底座12上相应的得到体现，而且安装底座12可以精确的将该应变及时的传递至传感区域内，从而压力传感组件能够精确的识别出该应变，进而传感出压力的相关信息。由于安装底座12的设置，按钮本体11不需要设置为大体积的结构，其可以做的更加微型化，在本实施例中，按钮本体11的直径为5-15mm，而整个弹性按钮10的高度为2-10mm即可。即本实施例在保证传感精度和响应灵敏度的同时，也实现了结构整体的微型化，整体性能更加优越。

在一个实施例中，弹性按钮10为金属或塑料材质制成，优选该弹性按钮10为金属材质制成，其每次受压后的形变较小，但是形变迅速且回复也迅速，同时每次形变和回复都很稳定，有利于提高多次传感结果之间的同一性。与之匹配的，该实施例中薄膜式压力传感器30具有高灵敏度，其GF值大于1.5，从而可以及时响应金属弹性按钮10的应变速度和回复速度。

而且，该薄膜式压力传感器30有着线性输出，其组装要求较低，对于后续的生产安装更加方便。

在一个实施例中，为了方便弹性按钮10和薄膜式压力传感器30之间的安装，该弹性按钮10的安装底座12整体呈圆盘状，且安装底座12的底部内凹形成有容置腔13，该容置腔13的一侧开口，开口处凸出形成有限位凸起14。对应的，薄膜式压力传感器30的一端也呈与容置腔13相匹配的圆形，其通过胶体32直接粘接固定在容置腔13内的安装底座12上，而同时薄膜式压力传感器30上还开有一道限位槽，供限位凸起14穿过，这样当安装底座12与安装基板20固定安装时，薄膜式压力传感器30通过胶体32粘接固定在弹性按钮10和安装基板20之间的形变空腔内，而限位凸起14则与安装基板20抵触配合进一步对薄膜式压力传感器30起到限位约束，防止薄膜式压力传感器30的主体随意扭动。

进一步的，为了防止薄膜式压力传感器30与安装基板20接触的端部容易产生折断的现象，本实施例中在安装基板20上还固定有一块托板21，该托板21一端固定于安装基板20的背面，另一端朝向薄膜式压力传感器30的长度方向延伸形成悬挑结构，而薄膜式压力传感器30则固定贴合于该托板21上，从而避免了薄膜式压力传感器30与安装基板20接触的端部容易产生折断的现象。当然，在其他的实施例中，也可以不采用托板21的方式，而是采用如护套、壳体等支撑结构直接将薄膜式压力传感器30的全部或部分保护起来，也可以起到同样的效果。

本发明还公开了一种上述的微型应变式压力传感装置在电子产品中的应用，具体的，其可以作为微型摇杆结构应用于电子产品中，用于传感操作人员的操作方向和用力大小，也可以应用于电脑、平板等电子设备中作为操控装置，比如作为智能微型鼠标。当然，还可以根据该微型应变式压力传感装置的结构和功能，应用在其他更多的电子产品中，在此不再一一赘述。

在本说明书的描述中，若出现术语″实施例一″、″本实施例″、″在一个实施例中″等描述，意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于发明或发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例；而且，所描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何一个或多个实施例或示例中以恰当的方式结合。

在本说明书的描述中，术语″连接″、″安装″、″固定″、″设置″、″具有″等均做广义理解，例如，″连接″可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本说明书的描述中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能够理解和应用本案技术，熟悉本领域技术的人员显然可轻易对这些实例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本案不限于以上实施例，对于以下几种情形的修改，都应该在本案的保护范围内：①以本发明技术方案为基础并结合现有公知常识所实施的新的技术方案，该新的技术方案所产生的技术效果并没有超出本发明技术效果之外；②采用公知技术对本发明技术方案的部分特征的等效替换，所产生的技术效果与本发明技术效果相同；③以本发明技术方案为基础进行可拓展，拓展后的技术方案的实质内容没有超出本发明技术方案之外；④利用本发明说明书及附图内容所作的等效变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域。

Claims (11)

1.一种微型应变式压力传感装置，其特征在于，包括：

弹性按钮，用于承载不同的输入压力，并根据所述输入压力的大小和方向对应产生不同的应变；

压力传感组件，与所述弹性按钮固定连接并响应于所述弹性按钮上产生的应变而产生传感信号，所述压力传感组件至少包括响应于相互垂直的两个方向的两个压力传感通道，每个所述压力传感通道均只响应于其中一个方向上的输入压力并产生传感信号。

2.根据权利要求1所述的一种微型应变式压力传感装置，其特征在于，所述压力传感组件包括分别响应相互垂直的三个方向的三个压力传感通道，每个所述压力传感通道均只响应于其中一个方向上的输入压力并产生传感信号。

3.根据权利要求1所述的一种微型应变式压力传感装置，其特征在于，所述压力传感组件包括基体，所述压力传感通道均布设于所述基体的传感区域，且所述传感区域与所述弹性按钮固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种微型应变式压力传感装置，其特征在于，所述基体与所述弹性按钮胶粘固定。

5.根据权利要求1所述的一种微型应变式压力传感装置，其特征在于，所述压力传感通道为应变电阻。

6.根据权利要求1所述的一种微型应变式压力传感装置，其特征在于，所述压力传感组件为薄膜式压力传感器。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种微型应变式压力传感装置，其特征在于，所述压力传感装置还包括安装基板，所述弹性按钮固定于所述安装基板上，所述弹性按钮和安装基板之间留设有形变空腔，所述压力传感组件位于所述形变空腔内。

8.根据权利要求1所述的一种微型应变式压力传感装置，其特征在于，所述弹性按钮包括固定连接的按钮本体和安装底座，所述安装底座与所述压力传感组件固定连接，且所述安装底座的横截面积大于所述按钮本体的横截面积。

9.根据权利要求8所述的一种微型应变式压力传感装置，其特征在于，所述按钮本体的直径为1-10mm，所述弹性按钮的高度为1-15mm。

10.根据权利要求1-6任意一项所述的一种微型应变式压力传感装置，其特征在于，所述弹性按钮为金属或塑料材质制成。

11.一种如权利要求1-10任意一项所述的微型应变式压力传感装置在电子产品中的应用。