CN203025677U

CN203025677U - 电容式压力传感转换装置

Info

Publication number: CN203025677U
Application number: CN 201320006777
Authority: CN
Inventors: 李国基
Original assignee: Junsheng Technology (China) Co Ltd
Current assignee: Technology (Qinzhou) Co., Ltd.
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2013-01-07
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2023-01-07
Also published as: CN103091002A

Abstract

本实用新型公开了一种电容式压力传感转换装置，包括弹性按键和基板，弹性按键的底面涂覆有导电涂层，与所述基板上的导电铜箔相对，所述导电涂层与所述导电铜箔形成电容的两极；所述弹性按键和基板之间设有弹性介质支撑件，使所述弹性按键与所述基板之间保持一个电容检测间距，按压所述弹性按键从而改变所述电容检测间距的距离值，产生按压力与电容量变化之间的转换输出。将低端单片机的电子设备结合本实用新型电容式压力传感转换装置，充分利用低端单片机的计算处理能力，改善数据处理效率，从而在一般单片机上实现电容式压力传感转换并具有高分辨率输出。

Description

电容式压力传感转换装置

技术领域

本实用新型涉及一种电容式压力传感转换装置。

背景技术

现有的电容式压力传感转换装置的工作原理是在压力受压面下设置两个相对的电极，电极间设置导电介质，在结构上形成一个低电压交流电场。在触摸受压面并施与压力时，由于电场特性，导体电极间会形成一个耦合电容，四边电极发出的电流会流向触点，而电流强弱与手指压力使到两电极的距离改变并成反比模拟反应，位于电极后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的压力量。

而要在一个电子设备中使用电容式压力传感转换装置，一般设计均需配合使用较高级别的部件以取得相应效果。而此类压力感测零件的价格一般都较为昂贵，且其功耗也较高，不仅增加了制造成本，而且也随之要求配备高性能的配套电源供应模块，因此目前能够使用压力传感转换装置仅仅局限于一些大厂家的高端应用设备上。因此，不太适合超低功耗（几十微安(uA)级甚至几微安级以下的电流消耗）的嵌入式设备上使用压力传感输入，例如：遥控器。而随之电子设备的多元化发展，越来越多的低端设备也希望发展出多元化的应用方案，因此利用一般单片机作为设计主控器件设备成为其结合压力传感转换装置的瓶颈。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种电容式压力传感转换装置，可以在低端单片机上实现电容式压力传感。

本实用新型的目的可通过以下的技术措施来实现：一种电容式压力传感转换装置，其特征在于：包括弹性按键和基板，弹性按键的底面为导电层，与所述基板上的导电铜箔相对，所述导电涂层与所述导电铜箔形成电容的两极；所述弹性按键和基板之间设有弹性介质支撑件，使所述弹性按键与所述基板之间保持一个电容检测间距，按压所述弹性按键从而改变所述电容检测间距的距离值，产生按压力与电容量变化之间的转换输出。

所述支撑件为沿着所述弹性按键四周向下延伸至所述基板的弹性橡胶片。

所述弹性按键的底面为外凸的弹性半球体，所述弹性半球体作为弹性介质支撑件；弹性半球体表面涂覆有导电涂层或者弹性半球体为导电体；所述基板上的导电铜箔为带缺口的环形金属极片，且所述环形金属极片位于所述半球体的正下方，半球体表面与环形金属极片形成电容的两极。

所述基板上还设有接地铜箔线路，所述接地铜箔线路的末端位于所述环形金属极片的圆心处，正对上方半球体底面的中心位置。

所述弹性按键的底面中央设有柱形弹性凸块，所述柱形弹性凸块作为弹性介质支撑件；柱形弹性凸块表面涂覆有导电涂层；所述基板上的导电铜箔线路为带缺口的环形金属极片，且所述环形金属极片位于弹性按键柱形凸块的正下方，且所述环形金属极片与所述弹性按键的底面的投影形状一致；柱形弹性凸块表面的导电涂层与环形金属极片形成电容的两极。

所述基板上还设有接地铜箔线路，所述接地铜箔线路末端位于所述环形金属极片的中心处，正对上方的柱形凸块。

本实用新型还可以通过以下技术措施来实现：包括按键、上PCB板和下PCB板，上、下PCB板的导电铜箔相对，导电铜箔形成电容的两极；所述两PCB板之间设置弹性橡胶支撑件，使两PCB板之间保持一个电容检测间距，按压所述按键从而改变所述电容检测间距的距离值，产生按压力与电容量变化之间的转换输出。

所述下PCB板上分设至少两个互相分离的导电铜箔，各个导电铜箔在方形区域内或在圆形区域内均匀间隔分布；每个分离的导电铜箔与上PCB板之间各自设置弹性橡胶支撑件；上、下PCB板的导电铜箔之间形成至少两个电容。

所述上PCB板的导电铜箔连接有接地线。

本实用新型对比现有技术，有如下优点：

1、本实用新型可以容易地应用于普遍按键设计上，主要是附加一个按钮以传递压力，采用了弹性材质以作电介质材，所以为电容结构附加了电极极间距离和回复静态距离的功能，其它如回弹机理均由电容性压力感测单元内弹性橡胶完成，所以，本实用新型利用弹性材质改变电极间的距离，这里没有电介质的变化，电容量只随间距变动；结构简单而且按材质可作适度调节传输曲线，以获得不同手感的效果；

2、本实用新型可实现按压力的连续变化，转换为电容的连续变化，达到无级输出控制。同时，通过检测电容的输出变化，可以对应出按压力的变化，可以实现不同按压力输出不同的控制功能。

3、本实用新型的电容式压力传感转换装置中的弹性按键设置了接地机构，即，弹性按键的底面作为电容的上层金属极片接地，所以测量中的讯号能有效的得到优良的抗干扰效果，对抗电磁波干扰或抗静电电击表现了良好的接地性能，能有效降低干扰和其它误触发问题；

4、本实用新型为其相对于其它诸如电阻式或电感式设计有着优越的节能表现：本方法能按设定于闲置时进入超低功耗模式运作，使应用的电耗降低至仅对施加压力量作检测并能设定触发门阀使其只对设定压力作反应并唤醒其它部件，这使应用设计得以更有效节能并能快速响应触发动作。同时亦解决了使用者的误触发事故问题，作用仍涉及节能，而门阀值可自由设定以适应不同应用要求；

5、本实用新型实现将低端单片机的电子设备结合电容式压力传感转换装置，充分利用低端单片机的计算处理能力，改善数据处理效率，从而在一般单片机上实现电容式压力传感转换装置并具有高分辨率输出；在不作太大的结构改良下，在现有的遥控器可达成360度全方位定位的功能。

附图说明

图1是本实用新型中弹性按键和PCB板的实施例一的竖向剖面示意图；

图2是本实用新型中弹性按键和PCB板的实施例二的竖向剖面示意图；

图3是本实用新型中弹性按键和PCB板的实施例三的竖向剖面示意图；

图4是图3和图4所示PCB板的俯视图；

图5本实用新型中实施例四的竖向剖面示意图；

图6在现有遥控器上采用本实用新型的360度导航键示意图。

具体实施方式

如图1所示实施例一，弹性按键1采用方块型，沿着方块型四周向下延伸至PCB基板4的弹性橡胶片11作为支撑件，支撑件用于使两PCB基板之间保持一个电容检测间距，按压所述弹性按键从而改变所述电容检测间距的距离值，产生按压力与电容量变化之间的转换输出。弹性按键的底面与PCB基板4上的导电铜箔线路3相对，且底面上涂覆有导电涂层2，导电涂层2要连接接地线，导电涂层2可以选用炭涂料层。导电涂层与导电铜箔线路形成电容的两极。另外，也可采用弹性按键1与PCB基板之间设置海绵橡胶作为支撑件。

上述实施例的原理如下：上述导电涂层与导电铜箔相当于两片金属导体，中间介质材料具有良好回复能力的现成的橡胶（Cellular Rubber）材料，其作用同时兼具电介质及位置记忆功能，一块金属片的连接到地GND，另一块金属片连接到电容感应芯片IC的通道输入口，两者间以弹性橡胶支撑隔离；此结构可形成物理意义上的电容。当压力作用于此感应部件上，橡胶则可看作为一弹簧物体，发生形变，压力越大，形变越厉害；橡胶会作反作用力给施力方，以达到平衡。

由于电容公式C=KS/d，这里K为电介质常数，S为电极面积，d为两极间的距离。本实用新型中的电介质是空气，k是固定不变的，在改变d的值时，能改变C的值；而改变d的值与施加压力也成线性关系，从而可以计算施加的力度。当上方施加压力，由于原来两极相距为d0，而施加压力后为d1，得到一新的C值，所以施与不同压力F，就能直接改变d值，作用于本结构单元上的压力F与电容值变化量△C成一定的正比线性关系，但因橡胶机械特性有限制，不能无限压缩，所以线性度存在局限性，正比范围有局限，一般在600克以下的静态施压下均可表现良好线性度。这样从本结构单元的电气输出就能对应测得一模拟输出，作为F的一种转化值，实现电容式压力传感转换输出。

如图2所示的实施例二，弹性按键1的底面为外凸的半球体底面，弹性半球体12作为弹性介质支撑件；弹性半球体表面涂覆有导电涂层2；PCB基板4上的导电铜箔线路3为带缺口的环形金属极片，环形金属极片位于半球形底面的正下方，且环形金属极片的外直径等于或大于半球形底面的直径；半球体表面的导电涂层与环形金属极片形成电容的两极。PCB基板4上的接地结构如图4所示，即，设有接地铜箔线路，接地铜箔线路的末端5位于环形金属极片的圆心处，正对上方半球形底面的中心位置，接地铜箔线路经环形金属极片的缺口连接地端。当弹性按键被按压下降时，首先底面半球体的中央部分接触该接地铜箔线路的末端，一方面使电容的一极接地，另一方面帮助弹性按键回弹原始状态。当改变弹性按键按压力，半球体表面的导电涂层与环形金属极片之间的间距就会改变，具体的原理和上述实施例一类同，实现电容式压力传感转换输出。

如图3所示的实施例三，弹性按键1的底面中央设有柱形弹性凸块13，柱形弹性凸块13作为弹性介质支撑件；柱形弹性凸块表面涂覆有导电涂层2；PCB板4上的导电铜箔线路3为带缺口的环形金属极片，且环形金属极片位于弹性按键的底面的正下方，且环形金属极片与弹性按键的底面的投影形状一致；柱形弹性凸块表面的导电涂层与环形金属极片形成电容的两极。PCB板上设有接地结构如图4所示，即，设有接地铜箔线路，接地铜箔线路末端5位于环形金属极片的中心处，正对上方的柱形凸块；接地铜箔线路经环形金属极片的缺口连接地端。弹性按键被按压下降时，首先底面凸块接触该接地铜箔线路的末端，一方面使电容的一极接地，另一方面帮助弹性按键回弹原始状态。当改变弹性按键按压力，柱形弹性凸块与环形金属极片之间的间距就会改变，具体的原理和上述实施例一类同，实现电容式压力传感转换输出。

上述实施例二、三中弹性按键可选用导电的硅橡胶（Silicon Rubber）材料制成，这样可以不用在按键上涂覆有导电涂层，实现同样的效果。

如图5所示的实施例四，包括按键6、上PCB板8和下PCB板10，上、下PCB板的导电铜箔相对，下PCB板10分设四个分离的导电铜箔，四个导电铜箔在圆形区域内均匀间隔分布，也可在一个方形区域内均匀或对称分布；每个分离的导电铜箔与PCB板之间各自设置橡胶9作为弹性介质支撑件；上、下PCB板的导电铜箔之间形成四个电容的两极。上PCB板的导电铜箔连接有接地线，四个弹性介质支撑件可用交叉的固定支架安装固定，在上极片与按键之间还可以加设橡胶缓冲垫片7，以改善按压的手感。对于本实施例其中单个电容而言，每个橡胶支撑件使两PCB板之间保持一个电容检测间距，通过按压改变电容检测间距的距离值，产生按压力与电容量变化之间的转换输出，这与上述实施例一是类同的。对于四个电容而言，可达成360度全方位定位的功能；四个检测单元在按键压下连动条件下可以透过简单的插值推算法得出施压点的x，y坐标值，而加上原有的Z轴坐标(F与d成正比)，则施压点的x，y，z便轻易得到了。

本实用新型可更简单直接且更有效算出更准确的x，y，z位置，其重点在于直接算出对应座标而无需间接取值。例如有市面传感器件为20mm面积，就只能有20mm面积的感测能力，并无法调节，而由于本实用新型是基于按键本身的独立感测，所以能随实际按键距离调节感测面积以至分辨率，大大提升了三轴应用的灵活性。

采用上述实施例结构，可以在低端单片机上实现高分辨率电容式压力传感的方法，单片机设备包括主控单片机模块（MCU）、自检式容性感测模块和至少两个电容式压力传感转换装置，主控单片机模块控制自检式容性感测模块并获取该自检式容性感测模块从电容式压力传感转换装置上采集得到的原始数据，然后主控单片机对原始数据进行触摸压力的变换计算，得到触摸点的受压量及位置，即触摸点的压力行程。上述主控单片机模块、自检式容性感测模块均可选用现有常用的型号，如常用电视等遥控器上采用的这些模块。

上述变换计算过程为：将压力行程变化导致电容量变化输出，再将这些检测到的电容量变化对应转换成按压点的x、y、z轴三维位置参量。如图5中采用四个电容式压力传感转换单元，假设z1，z2，z3，z4为四个独立检测单元的通道输入端检测得到的电容值读数，即对应为各自的电容两极间距作为Z轴的输出。按压位置假设成xt，yt；sw1(x1，y1)，sw2(x2，y2)，sw3(x3，y3)，sw4(x4，y4)各自代表在按压的状态下，相对各检测单元的x，y距值；由于在施加xt，yt坐标的力后，除可简易读出其平均压力，更可按比例算出施力点位置，此比例按插值（Interpolation）分辨率算法便可算出(x，y)坐标，如此，按压点的(x，y，z)便得出了。这样不但能提供x，y平面坐标，还能提供Z轴的输出，即压力值作输出，这样就完成了3维导航操控设计。

如图5中采用四个电容式压力传感转换单元，还可采用另一种变换计算过程为：将压力导致的行程变化转换成电容量变化输出，再将这些检测到的电容量变化对应转换成按压点的x、y轴的偏移量Δx,Δy，偏移量Δx和Δy利用简单的加减运算得出,所有结果均相对之前一个取样结果；Z轴的输出和上述方法一样，以这些相对偏移量Δx、Δy和Z轴也可用作为导航键设计。

如图5中采用四个电容式压力传感转换单元，还可采用另一种变换计算过程为：将压力导致的行程变化转换成电容量变化输出，再将这些检测到的电容量变化对应转换成按压点在x、y坐标四个象限内圆周中的角度位置。在原始状态，四个电容式压力传感转换单元可以认为在同一平面，当有按压力时，各电容式压力传感转换单元之间就存在一个角度，由于按压产生的电容变化值比例对应这些角度值比例，将测得的电容值比例按角度比例的演算，便能得出各传感转换单元间的角比例值了，亦能作为输出，加上上述方法一样得到Z轴的输出，以圆周360度作导航键设计（见图6）。在此基础上，使用内存查表来对应所有角度,单元越多越好，对每分解角度做校准测角,利用记忆查表法进行对映，可实现更高的分辨率。

上述方法的实施方式中，电容式压力传感转换单元在两个以上便足以准确定位，当然，越多分辨率会越高。在转换角度的输出中，实验证明采用四个电容式压力传感转换单元能得到远优于9度的分辨率。

本实用新型可以应用于遥控器，在现行开关式按键设计基础上，更新了按键的机械结构，剔除了电容性结构部分，包括除去上方金属极片和介质胶件，原胶件接触面改变成为半球体面，在其表面仍涂上导电材料(炭涂料)或者半球体直接用导电材料制造，使其在施加压力时，如同产生极间距离改变，达到利用容性检测的方法传递压力讯息，同时按键亦提供了形状复位的能力。

另外也本实用新型可用作无级控制键等，按压力的连续变化，转换为电容的连续变化，达到无级控制。还可当一个压力以不同力度作用代表不同的功能表现，如对一个光标的控制：1）轻力度时，光标则以慢速向上移动；2）中力度时，光标则以中速向上移动；3）重力度时，光标则以快速向上移动；等等如此类推。

本实用新型的实施方式不限于此，在本实用新型上述基本技术思想前提下，按照本领域的普通技术知识和惯用手段对本实用新型内容所做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本实用新型权利保护范围之内。

Claims

1.一种电容式压力传感转换装置，其特征在于：包括弹性按键和基板，弹性按键的底面为导电层，与所述基板上的导电铜箔相对，所述导电涂层与所述导电铜箔形成电容的两极；所述弹性按键和基板之间设有弹性介质支撑件，使所述弹性按键与所述基板之间保持一个电容检测间距，按压所述弹性按键从而改变所述电容检测间距的距离值，产生按压力与电容量变化之间的转换输出。

2.根据权利要求1所述的电容式压力传感转换装置，其特征在于：所述支撑件为沿着所述弹性按键四周向下延伸至所述基板的弹性橡胶片。

3.根据权利要求1所述的电容式压力传感转换装置，其特征在于：所述弹性按键的底面为外凸的弹性半球体，所述弹性半球体作为弹性介质支撑件；弹性半球体表面涂覆有导电涂层或者弹性半球体为导电体；所述基板上的导电铜箔为带缺口的环形金属极片，且所述环形金属极片位于所述半球体的正下方，半球体表面与环形金属极片形成电容的两极。

4.根据权利要求3所述的电容式压力传感转换装置，其特征在于：所述基板上还设有接地铜箔线路，所述接地铜箔线路的末端位于所述环形金属极片的圆心处，正对上方半球体底面的中心位置。

5.根据权利要求1所述的电容式压力传感转换装置，其特征在于：所述弹性按键的底面中央设有柱形弹性凸块，所述柱形弹性凸块作为弹性介质支撑件；柱形弹性凸块表面涂覆有导电涂层；所述基板上的导电铜箔线路为带缺口的环形金属极片，且所述环形金属极片位于弹性按键柱形凸块的正下方，且所述环形金属极片与所述弹性按键的底面的投影形状一致；柱形弹性凸块表面的导电涂层与环形金属极片形成电容的两极。

6.根据权利要求5所述的电容式压力传感转换装置，其特征在于：所述基板上还设有接地铜箔线路，所述接地铜箔线路末端位于所述环形金属极片的中心处，正对上方的柱形凸块。

7.根据权利要求3或5所述的电容式压力传感转换装置，其特征在于：所述导电涂层为炭涂料层。

8.一种电容式压力传感转换装置，其特征在于：包括按键、上PCB板和下PCB板，上、下PCB板的导电铜箔相对，导电铜箔形成电容的两极；所述两PCB板之间设置弹性橡胶支撑件，使两PCB板之间保持一个电容检测间距，按压所述按键从而改变所述电容检测间距的距离值，产生按压力与电容量变化之间的转换输出。

9.根据权利要求8所述的电容式压力传感转换装置，其特征在于：所述下PCB板分设至少两个互相分离的导电铜箔，各个导电铜箔在方形区域内或在圆形区域内均匀间隔分布；每个分离的导电铜箔与上PCB板之间各自设置弹性橡胶支撑件；上、下PCB板的导电铜箔之间形成至少两个电容。

10.根据权利要求9所述的电容式压力传感转换装置，其特征在于：所述上PCB板的导电铜箔连接有接地线。