CN209264161U - 应变感应组件及设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于应变感应结构技术领域，涉及应变感应组件及设备。应变感应组件中的电桥电路的两组相对桥臂，每一组相对桥臂中的两个应变感应电阻的长度方向相互平行，不同组的相对桥臂相互垂直。相对桥臂的布局设计合理，两组相对桥臂的应变方向相反，使得电桥电路的输出信号是差分的，仅仅取决于应变感应电阻的相对变化率，而对应变感应电阻本身绝对值不敏感。该应变感应组件有输出信号强且稳定、抗共模干扰、更好的检测灵敏度和信噪比等好处，非常适合一维应力场的应用场景，如细长条形平面基板。由于采用上述的应变感应组件，所以该设备也能准确地对呈长条形的待测面板测量应变，而且输出信号强且稳定，抗共模干扰。

Description

应变感应组件及设备

技术领域

本实用新型属于应变感应结构技术领域，更具体地说，是涉及应变感应组件及具有该应变感应组件的设备。

背景技术

参阅图1、图2，现有的压力应变计的核心传感器单元，通常是由4个(组)应变感应电阻(R1、R2、R3、R4)构成的电桥电路，这些应变感应电阻在受到应力时，是有方向性的，即：当应变感应电阻之长与应力拉伸方向相互一致时，电阻值会增大；当应变感应电阻之长与应力拉伸方向相互垂直时，电阻值会减小；因此这个电桥电路的四个应变感应电阻的布局，是有方向性要求的。电桥电路的输入输出电压公式为：

Vdo＝Vee*[R3/(R1+R3)-R4/(R2+R4)] (式1)

其中，Vdo为输出电压，Vee为输入电压。

为简化方便推导计算，设前述应变感应电阻的增大和减少的量相等，分别记为+△R和-△R，那么由于应变感应电阻一般变化量很小，会有：△R<<R。

传统经典的电阻桥布局是这样的，已经历了20～30年的应用检验，广泛描述在一些论文、专利，甚至也写进了教科书中，这个布局理论推导也很完备。参阅图3，当把含有电阻桥检测传感器的压力应变计模块，贴焊装在某种平面基板上，在方形基板1上施加压力，则形成了图4所示的近似同心环形的二维应力场，电阻桥在此二维应力场中表现如图5。很明显，在方形平面基板上的二维应力场中的应变感应电阻有如下特点：

R1＝R4＝R-△R；

R2＝R3＝R+△R；

将上述公式代入(式1)，得：

Vdo＝Vee*[R3/(R1+R3)-R4/(R2+R4)]

＝Vee*[(R+△R)/2R-(R-△R)/2R]

＝Vee*△R/R (式2)

图5传统经典电阻桥布局中可推导出二维应力场中，电桥电路输出电压为：

Vdo＝Vee*△R/R

传统经典电阻桥布局，仅仅适合于二维应力场的应用场景，其缺点是：不适合一维应力场的应用场景，比如图6所示的长条形基板10，在中间施加压力时，细长条形基板的形变特点是近似一维的。如果继续采用传统的电阻桥布局，其结果参考图7。很明显，则可以得到：

R1＝R4＝R2＝R3＝R+△R；

将上述公式代入(式1)，得：

Vdo＝Vee*[R3/(R1+R3)-R4/(R2+R4)]

＝Vee*[(R+△R)/2R-(R+△R)/2R]

＝Vee*△0/R≈0 (式3)

此结果表明，两组桥臂电阻的变化量是同向的，互相抵消，电桥输出差分信号很小，接近于零。现有的压力应变计核心传感器单元，即电阻桥的应变电阻的布局，在一维应力场的应用场景中表现不佳的缺点，现有传统经典的电阻桥应变电阻之设计布局具有局限性。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种应变感应组件及设备，以解决现有技术电阻桥在一维应力场的应用场景中输出差分信号很小的技术问题。

本实用新型实施例提供一种应变感应组件，包括用于与长条形零件抵接且跟随长条形零件变形的长条形基板、及至少四个安装于所述长条形基板且用于检测所述长条形基板的形变的应变感应电阻，其中四个所述应变感应电阻电连接形成电桥电路，所述电桥电路中的四个所述应变感应电阻形成两组相对桥臂，每一组所述相对桥臂中的两个所述应变感应电阻的长度方向相互平行，其中一组所述相对桥臂中的所述应变感应电阻的长度方向与另外一组所述相对桥臂中的所述应变感应电阻的长度方向相互垂直。

可选地，其中一组所述相对桥臂中的所述应变感应电阻的长度方向与所述长条形基板的长度方向相互平行；另外一组所述相对桥臂中的所述应变感应电阻的长度方向与所述长条形基板的长度方向相互垂直。

可选地，所述电桥电路中的四个所述应变感应电阻对称分布。

可选地，所述电桥电路中的四个所述应变感应电阻的长度方向延长线形成十字型；

或者，所述电桥电路中的四个所述应变感应电阻的长度方向延长线形成矩形。

可选地，所述电桥电路中的四个所述应变感应电阻相互间隔设置。

可选地，所述电桥电路中的四个所述应变感应电阻之间的中部区域形成敏感感应区。

可选地，所述长条形基板为柔性电路板或印制电路板。

可选地，所述应变感应电阻为印刷设置于所述长条形基板的应变感应电阻；

或者，所述长条形基板的表面设有硅晶芯片，所述硅晶芯片具有焊盘，所述应变感应电阻设于所述硅晶芯片的表面，所述焊盘与所述应变感应电阻之间电连接。

本实用新型提供的应变感应组件中的上述一个或多个技术方案至少具有如下技术效果之一：应变感应组件中的电桥电路的两组相对桥臂，每一组相对桥臂中的两个应变感应电阻的长度方向相互平行，不同组的相对桥臂相互垂直。相对桥臂的布局设计合理，两组相对桥臂的应变方向相反，使得电桥电路的输出信号是差分的，仅仅取决于应变感应电阻的相对变化率(即△R/R)，而对应变感应电阻本身绝对值(R)不敏感。该应变感应组件有输出信号强且稳定、抗共模干扰、更好的检测灵敏度和信噪比等好处，非常适合一维应力场的应用场景，如细长条形平面基板。

本实用新型实施例提供一种设备，包括呈长条形的待测面板及上述的应变感应组件，所述长条形基板连接于所述待测面板。

可选地，所述长条形基板通过粘接胶连接于所述待测面板。

本实用新型提供的设备中的上述一个或多个技术方案至少具有如下技术效果之一：由于采用上述的应变感应组件，所以该设备也能准确地对呈长条形的待测面板测量应变，而且输出信号强且稳定，抗共模干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为电桥电路的示意图；

图2为电桥电路中应用的长条形电阻的受力示意图；

图3为现有技术提供的电桥电路应用于方形基板的结构示意图；

图4为二维应力场的应用场景例子(方形基板受压)的示意图；

图5为现有技术提供的电桥电路设于图4的方形基板时应变感应电阻的受力示意图；

图6为一维应力场的应用场景例子(细长条基板受压)的示意图；

图7为现有技术提供的电桥电路设于图6的细长条基板时应变感应电阻的受力示意图；

图8为本实用新型实施例提供的应变感应组件的结构示意图；

图9为本实用新型另一实施例提供的应变感应组件的结构示意图；

图10为本实用新型实施例提供的设备的结构示意图；

图11为本实用新型另一实施例提供的设备的结构示意图；

图12为图11的设备中应用的硅晶芯片的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在本实用新型实施例的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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实用新型实施例中的具体含义。

请参阅图8及图9，本实用新型实施例提供一种应变感应组件，包括用于与长条形零件抵接且跟随长条形零件变形的长条形基板10、及至少四个安装于长条形基板10且用于检测长条形基板10的形变的应变感应电阻，其中四个应变感应电阻电连接形成电桥电路，电桥电路中的四个应变感应电阻形成两组相对桥臂，一组相对桥臂记为R2和R3，另一组相对桥臂记为R1和R4；每一组相对桥臂中的两个应变感应电阻的长度方向相互平行，R2与R3互相平行，R1与R4互相平行；其中一组相对桥臂中的应变感应电阻的长度方向与另外一组相对桥臂中的应变感应电阻的长度方向相互垂直，(R2、R3)与(R1、R4)互相垂直.。

应变感应组件中的电桥电路的两组相对桥臂，每一组相对桥臂中的两个应变感应电阻的长度方向相互平行，不同组的相对桥臂相互垂直。相对桥臂的布局设计合理，两组相对桥臂的应变方向相反，使得电桥电路的输出信号是差分的，仅仅取决于应变感应电阻的相对变化率(即△R/R)，而对应变感应电阻本身绝对值(R)不敏感。该应变感应组件有输出信号强且稳定、抗共模干扰、更好的检测灵敏度和信噪比等好处，非常适合一维应力场的应用场景，如细长条形平面基板。

需要说明的是，长条形零件可以是手持移动设备的侧边压力按键和各种显示面板设备的侧边压力按键等等。

在本实用新型另一实施例中，其中一组相对桥臂中的应变感应电阻(R2、R3)的长度方向与长条形基板10的长度方向相互平行，应变感应电阻(R2、R3)的应力拉伸方向与长度方向相平行；另外一组相对桥臂中的应变感应电阻(R1、R4)的长度方向与长条形基板10的长度方向相互垂直，应变感应电阻(R1、R4)的应力拉伸方向与长度方向相垂直。该方案容易设置应变感应电阻，而且两组相对桥臂的应变方向相反，使得电桥电路的输出信号是差分的，仅仅取决于应变感应电阻的相对变化率(即△R/R)，而对应变感应电阻本身绝对值(R)不敏感。

在本实用新型另一实施例中，电桥电路中的四个应变感应电阻对称分布。该方案容易设置应变感应电阻，使得应变感应组件能有更好的检测灵敏度和信噪比。

请参阅图8，在本实用新型另一实施例中，电桥电路中的四个应变感应电阻的长度方向延长线形成十字型。在这种细长条形平面基板上的一维应力场中的应变感应电阻有如下特点：

R1＝R4＝R-△R；

R2＝R3＝R+△R；

将以上公式代入(式1)中，得：

Vdo＝Vee*[R3/(R1+R3)-R4/(R2+R4)]

＝Vee*[(R+△R)/2R-(R-△R)/2R]

＝Vee*△R/R (式4)

这个电桥电路的输出信号Vdo是差分的，仅仅取决于应变电阻的相对变化率(即△R/R)，而对应变电阻本身绝对值(即R)不敏感。

请参阅图9，在本实用新型另一实施例中，电桥电路中的四个应变感应电阻的长度方向延长线形成矩形。图9的理论解算过程与图8是一样的，最终都可以近似求解得到：

Vdo＝Vee*[R3/(R1+R3)-R4/(R2+R4)]

＝Vee*[(R+△R)/2R-(R-△R)/2R]

＝Vee*△R/R (式5)

这个电桥电路的输出信号Vdo是差分的，仅仅取决于应变电阻的相对变化率(即△R/R)，而对应变电阻本身绝对值(即R)不敏感。

上述两种布局已经在应用中获得实践论证，该应变感应组件有输出信号强且稳定、抗共模干扰、更好的检测灵敏度和信噪比等好处，非常适合一维应力场的应用场景。

在本实用新型另一实施例中，与应变感应电阻的连线匹配得很好，可以起到很好的抑制共模干扰信号的作用。

在本实用新型另一实施例中，电桥电路中的四个应变感应电阻相互间隔设置。该方案便于各个应变感应电阻跟随长条形基板10变形，产生足够的变形以使全桥电路输出信号。

在本实用新型另一实施例中，电桥电路中的四个应变感应电阻之间的中部区域形成敏感感应区10a。在敏感感应区10a按压，能更有效地获得应变感应，让应变感应组件输出信号强且稳定，抗共模干扰，更好的检测灵敏度和信噪比。实际上，整个长条形基板10都是感应区，长条形基板10上的各处应变造成的变形，都可以感应到，仅仅强度各不相同而已。其中，敏感感应区10a是最强最敏感的感应区，能感应到最大的应变。

在本实用新型另一实施例中，长条形基板10为柔性电路板或印制电路板。该结构能更方便地安装应变感应电阻，长条形基板10跟随长条形零件变形，并通过应变感应电阻形成的电桥电路去检测应变大小。可以理解地，长条形基板10还可以为其它结构，只要是长条形结构并能跟随长条形零件变形即可。

在本实用新型另一实施例中，应变感应电阻为印刷设置或其它成型工艺设置于长条形基板10的应变感应电阻。具体地，应变感应电阻可以为应变薄膜电阻或应变片或其它应变感应电阻。

在本实用新型另一实施例中，长条形基板10的表面设有硅晶芯片20，硅晶芯片20具有焊盘21，应变感应电阻设于硅晶芯片20的表面，焊盘21与应变感应电阻之间电连接。该方案的应变感应组件输出信号强且稳定，抗共模干扰，更好的检测灵敏度和信噪比。具体地，采用标准SMT贴装工艺制作。一般是在硅单晶上采用注入或者扩散来进行掺杂，获得低掺杂P型或N型的电阻，作为应变感应电阻。应变感应电阻金属连线22连接应变感应电阻形成电桥电路，并通过铜箔焊盘与连线23跟长条形基板10连接，实现信号传递。这种硅晶芯片20上的掺杂硅型应变感应电阻对压力应变很敏感，但也具有方向性，需要遵循上述实施例提供的布局思路，如图12：芯片厚度一般为100um至300um之间，越薄越灵敏，但是也越薄越易碎，需要权衡折衷考虑。

在本实用新型另一实施例中，提供一种设备，包括呈长条形的待测面板30及上述的应变感应组件，长条形基板10连接于待测面板30。由于采用上述的应变感应组件，所以该设备也能准确地对呈长条形的待测面板30测量应变，而且输出信号强且稳定，抗共模干扰。

在本实用新型另一实施例中，长条形基板10通过粘接胶40连接于待测面板30。粘接胶40便于应变感应组件装配于待测面板30，而且粘接胶40能有效地将待测面板30的变形传递至长条形基板10，让长条形基板10的应变感应电阻变形，并让电桥电路输出信号。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.应变感应组件，其特征在于，包括用于与长条形零件抵接且跟随长条形零件变形的长条形基板、及至少四个安装于所述长条形基板且用于检测所述长条形基板的形变的应变感应电阻，其中四个所述应变感应电阻电连接形成电桥电路，所述电桥电路中的四个所述应变感应电阻形成两组相对桥臂，每一组所述相对桥臂中的两个所述应变感应电阻的长度方向相互平行，其中一组所述相对桥臂中的所述应变感应电阻的长度方向与另外一组所述相对桥臂中的所述应变感应电阻的长度方向相互垂直。

2.如权利要求1所述的应变感应组件，其特征在于，其中一组所述相对桥臂中的所述应变感应电阻的长度方向与所述长条形基板的长度方向相互平行；另外一组所述相对桥臂中的所述应变感应电阻的长度方向与所述长条形基板的长度方向相互垂直。

3.如权利要求1所述的应变感应组件，其特征在于，所述电桥电路中的四个所述应变感应电阻对称分布。

4.如权利要求1所述的应变感应组件，其特征在于，所述电桥电路中的四个所述应变感应电阻的长度方向延长线形成十字型；

或者，所述电桥电路中的四个所述应变感应电阻的长度方向延长线形成矩形。

5.如权利要求1至4任一项所述的应变感应组件，其特征在于，所述电桥电路中的四个所述应变感应电阻相互间隔设置。

6.如权利要求1至4任一项所述的应变感应组件，其特征在于，所述电桥电路中的四个所述应变感应电阻之间的中部区域形成敏感感应区。

7.如权利要求1至4任一项所述的应变感应组件，其特征在于，所述长条形基板为柔性电路板或印制电路板。

8.如权利要求1至4任一项所述的应变感应组件，其特征在于，所述应变感应电阻为印刷设置于所述长条形基板的应变感应电阻；

或者，所述长条形基板的表面设有硅晶芯片，所述硅晶芯片具有焊盘，所述应变感应电阻设于所述硅晶芯片的表面，所述焊盘与所述应变感应电阻之间电连接。

9.设备，其特征在于，包括呈长条形的待测面板及如权利要求1至8任一项所述的应变感应组件，所述长条形基板连接于所述待测面板。

10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述长条形基板通过粘接胶连接于所述待测面板。