CN210442010U - 硅芯片压力感应装置及设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于压力感应技术领域，涉及硅芯片压力感应装置及设备。在硅芯片压力感应装置中，刚性结构包括间隔设置的刚性块，相邻两个刚性块之间形成应变放大区，在应变放大区的两个安装面分别设置两个第一硅压力感应芯片，四个第一硅压力感应芯片连接形成第一全桥电路。在使用时将刚性结构贴合在被测物体上，被测物体受力变形，刚性结构的应变集中在应变放大区，第一硅压力感应芯片产生形变并由第一全桥电路输出信号，第一全桥电路电连接于信号处理电路，进而检测刚性结构的形变并得出被测物体的作用力。该硅芯片压力感应装置及具有该硅芯片压力感应装置的设备，容易制作与安装，可以灵敏地检测被测物体的微小形变，精准识别压力。

Description

硅芯片压力感应装置及设备

技术领域

本实用新型属于压力感应技术领域，涉及硅芯片压力感应装置及具有该硅芯片压力感应装置的设备。

背景技术

硅芯片压力传感器在压力感应领域有着广泛的应用，可以检测被测物体在一定程度的形变。硅有着极高的应变系数，但是如何充分利用这个高应变系数一直是一个难题，目前多在芯片内部做结构来对压力感应进行放大，然而，现有的硅芯片压力传感器的灵敏度不够高，制作与安装麻烦。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种硅芯片压力感应装置，以解决现有的硅芯片压力传感器的灵敏度不够高，制作与安装麻烦的技术问题。

本实用新型实施例提供一种硅芯片压力感应装置，包括：

刚性结构，用于与被测物体贴合且跟随被测物体变形，所述刚性结构包括沿X轴间隔设置的刚性块，相邻两个所述刚性块之间形成应变放大区，所述刚性结构具有两个在Z轴上相对设置的安装面，其中一个所述安装面作为与被测物体的贴合面；以及

第一硅压力感应芯片，至少一个所述应变放大区的两个所述安装面分别设置有两个所述第一硅压力感应芯片，对应于同一个所述应变放大区的四个所述第一硅压力感应芯片连接形成第一全桥电路，位于同一所述安装面上的两个所述第一硅压力感应芯片作为一组相对桥臂；所述第一全桥电路电连接于信号处理电路以检测所述刚性结构的形变并得出被测物体的作用力。

可选地，所述硅芯片压力感应装置还包括设置于所述刚性块上且与所述第一硅压力感应芯片对应靠近设置的第二硅压力感应芯片；至少两个相邻设置的所述应变放大区的两个所述安装面分别设置有两个所述第一硅压力感应芯片；

相邻于所述应变放大区的每一个所述刚性块的两个所述安装面分别设置有一个所述第二硅压力感应芯片，相邻于同一个所述应变放大区的两个所述刚性块上的四个所述第二硅压力感应芯片连接的第二全桥电路，位于同一所述安装面上的两个所述第二硅压力感应芯片作为一组相对桥臂；所述第二全桥电路与所述第一全桥电路对应以使该第二全桥电路的输出量作为该第一全桥电路的温度补偿量。

可选地，所述第一硅压力感应芯片与所述第二硅压力感应芯片均包括硅片及两个分别设于所述硅片正面的两端部的电极。

可选地，两个所述安装面上均设有柔性基材，所述第一硅压力感应芯片与所述第二硅压力感应芯片安装于对应的所述柔性基材。

可选地，所述硅片的背面粘贴在所述柔性基材上，所述电极通过导电浆电连接至所述柔性基材上。

可选地，两个所述柔性基材通过一个母基材弯折形成。

可选地，所述柔性基材与所述安装面之间通过胶体粘接。

可选地，所述第一硅压力感应芯片的长度方向与所述刚性块的排列方向相互平行。

可选地，所述刚性结构为钢片、铝片、玻璃片或FR4片。

本实用新型实施例提供一种设备，包括上述的硅芯片压力感应装置。

本实用新型实施例提供的硅芯片压力感应装置及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：在硅芯片压力感应装置中，刚性结构包括间隔设置的刚性块，相邻两个刚性块之间形成应变放大区，在应变放大区的两个安装面分别设置两个第一硅压力感应芯片，四个第一硅压力感应芯片连接形成第一全桥电路。在使用时将刚性结构贴合在被测物体上，被测物体受力变形，刚性结构的应变集中在应变放大区，第一硅压力感应芯片产生形变并由第一全桥电路输出信号，第一全桥电路电连接于信号处理电路，进而检测刚性结构的形变并得出被测物体的作用力。硅的应变系数可高达200，第一硅压力感应芯片灵敏度特别高。该硅芯片压力感应装置及具有该硅芯片压力感应装置的设备，容易制作与安装，可以非常灵敏地检测被测物体的微小形变，精准识别压力，电路简单，低成本。

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为本实用新型实施例提供的硅芯片压力感应装置中应用的第一硅压力感应芯片(第二硅压力感应芯片)的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的硅芯片压力感应装置中应用的第一硅压力感应芯片(第二硅压力感应芯片)与柔性基材的装配示意图；

图3为本实用新型实施例提供的硅芯片压力感应装置的装配示意图；

图4为图3的硅芯片压力感应装置的立体结构图；

图5为图4的硅芯片压力感应装置的电路图；

图6为本实用新型另一实施例提供的硅芯片压力感应装置的立体结构图；

图7为图6的硅芯片压力感应装置中应用的第一全桥电路图；

图8为图6的硅芯片压力感应装置中应用的第二全桥电路图。

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3至图5，本实用新型实施例提供一种硅芯片压力感应装置，其包括刚性结构10与第一硅压力感应芯片R11(R12、R13、R14)。刚性结构10用于与被测物体(图未示)贴合且跟随被测物体变形，刚性结构10包括沿X轴间隔设置的刚性块11，相邻两个刚性块11之间形成应变放大区12，刚性结构10具有两个在Z轴上相对设置的安装面10a(10b)，其中一个安装面10a作为与被测物体的贴合面。至少一个应变放大区12的两个安装面10a(10b)分别设置有两个第一硅压力感应芯片R11、R14(R12、R13)，对应于同一个应变放大区12的四个第一硅压力感应芯片R11、R14(R12、R13)连接形成图4所示的第一全桥电路，位于同一安装面10a(10b)上的两个第一硅压力感应芯片R11、R14(R12、R13)作为一组相对桥臂；第一全桥电路电连接于信号处理电路以检测刚性结构10的形变并得出被测物体的作用力。其中，X轴与Z轴相互垂直。

本实用新型提供的硅芯片压力感应装置，与现有技术相比，在硅芯片压力感应装置中，刚性结构10包括间隔设置的刚性块11，相邻两个刚性块11之间形成应变放大区12，在应变放大区12的两个安装面10a(10b)分别设置两个第一硅压力感应芯片R11、R14(R12、R13)，四个第一硅压力感应芯片R11、R14(R12、R13)连接形成第一全桥电路。在使用时将刚性结构10贴合在被测物体上，被测物体受力变形，刚性结构10的应变集中在应变放大区12，第一硅压力感应芯片R11、R14(R12、R13)产生形变并由第一全桥电路输出信号，第一全桥电路电连接于信号处理电路，进而检测刚性结构10的形变并得出被测物体的作用力。目前的金属应变片应变系数为2，硅的应变系数可高达200，第一硅压力感应芯片R11(R12、R13、R14)灵敏度特别高。该硅芯片压力感应装置及具有该硅芯片压力感应装置的设备，容易制作与安装，可以非常灵敏地检测被测物体的微小形变，精准识别压力，电路简单，低成本。

需要说明的是，信号处理电路与电桥电路电连接，对硅压力感应芯片的电信号进行分析处理，并将力模拟信号转换为力数字信号，这部分属于现有技术。

在本申请另一实施例中，刚性结构10具有一定刚性，应变放大区12为镂空区域，第一硅压力感应芯片R11、R12、R13、R14设于应变放大区12。被测物体在受到作用力时，刚性结构10跟随被测物体变形，被测物体在应变放大区12的变形放大，便于由第一硅压力感应芯片R11、R12、R13、R14形成的第一全桥电路检测刚性结构10的变形。具体地，刚性结构10可以为钢片、铝片、玻璃片、FR4片或其他复合刚性材料，按需选用。

在本实用新型另一实施例中，对于一个应变放大区12，设置四个第一硅压力感应芯片R11、R12、R13、R14连接形成图4所示的第一全桥电路，能够实现Z轴与Y轴方向不同维度的压力感应。其中，X轴、Y轴与Z轴两两相互垂直。可得：

Vp1＝VS1*R12/(R11+R12)；Vn1＝VS1*R14/(R13+R14)；

ΔU1＝Vp1-Vn1；ΔU5＝Vp1+Vn1；

当只有Z轴方向受到正向压力的时候，R11和R14电阻阻值减小，R12和R13电阻阻值增大，从而使得Vp1增大，Vn1减小，Vp1和Vn1变化大小相同且方向相反。ΔU1得到一个正信号，即为Z轴方向的压力。检测到的Y轴方向压力值ΔU5为0。

当只有Y轴方向受到力的作用的时候，R11和R13电阻均减小，R12和R14电阻均增大，即Vp1和Vn1同向等值变化，所以检测到的Z轴方向压力值ΔU1为0，而ΔU5为Y轴方向的压力值。

请参阅图6至图8，在本实用新型另一实施例中，为了避免压力感应装置在高低温环境下受到温度漂移的影响，这个实施例提供温度补偿的方案，使得在异常恶劣的温环境下压力感应装置的压力信号不失真，温漂小。具体地，硅芯片压力感应装置还包括设置于刚性块11上且与第一硅压力感应芯片R11、R14(R12、R13)对应靠近设置的第二硅压力感应芯片R31、R34(R32、R33)；至少两个相邻设置的应变放大区12，其中一个应变放大区12的两个安装面10a(10b)分别设置有两个第一硅压力感应芯片R11、R14(R12、R13)，另外一个应变放大区12的两个安装面10a(10b)分别设置有两个第一硅压力感应芯片R21、R24(R22、R23)；

相邻于应变放大区12的每一个刚性块11的两个安装面10a(10b)分别设置有一个第二硅压力感应芯片R31、R34(R32、R33)，相邻于同一个应变放大区12的两个刚性块11上的四个第二硅压力感应芯片R31、R34(R32、R33)连接的第二全桥电路，位于同一安装面10a(10b)上的两个第二硅压力感应芯片R31、R34(R32、R33)作为一组相对桥臂；

相邻于另一个应变放大区12的其中一个刚性块11的两个安装面10a(10b)已经分别设置有R34(R33)，另外一个刚性块11的两个安装面10a(10b)再分别设置R41(R42)，相邻于该应变放大区12的两个刚性块11上的四个第二硅压力感应芯片R41、R34(R42、R33)连接形成另一个第二全桥电路，位于同一安装面10a(10b)上的两个第二硅压力感应芯片R41、R34(R42、R33)作为一组相对桥臂；第二全桥电路与第一全桥电路对应以使该第二全桥电路的输出量作为该第一全桥电路的温度补偿量。

图7所示的第一全桥电路图，可得：

Vp1＝VS1*R12/(R11+R12)；Vn1＝VS1*R14/(R13+R14)；

Vp2＝VS1*R22/(R21+R22)；Vn2＝VS1*R24/(R23+R24)；

ΔU1＝Vp1-Vn1；ΔU2＝Vp2-Vn2；

当在Z轴方向受到正向压力的时候，R11和R14电阻阻值减小，R12和R13电阻阻值增大，从而使得Vp1增大，Vn1减小，ΔU1得到一个正信号，同理ΔU2。

图8所示的第二全桥电路图，可得：

Vp3＝VS1*R32/(R31+R32)；

Vn3＝VS1*R33/(R33+R34)；

Vp4＝VS1*R42/(R41+R42)；

ΔU3＝Vp3-Vn3；ΔU4＝Vp4-Vn3；

由于R31，R32，R33，R34，R41，R42均放置在刚性块11上，所以有正向压力的时候，ΔU3和ΔU4均没有压力信号。

而当Z轴两面有温度变化的时候，由于第一硅压力感应芯片R11、R14(R12、R13)对应第二硅压力感应芯片R31、R34(R32、R33)靠近设置，R31温度特性与R11一致，R32温度特性与R12一致，ΔU3和ΔU4的变化就是温度改变引起的变化。

最终温度补偿信号的结果：

在Z轴方向的补偿后的压力值为：

ΔU1’＝ΔU1-ΔU3；ΔU2’＝ΔU2-ΔU4

通过第二全桥电路的信号进行补偿可以得到一个去除温度信号的纯压力信号，有效地解决由温度效应产生的信号失真。

请参阅图1至图3，在本实用新型另一实施例中，第一硅压力感应芯片R11、R14(R12、R13)与第二硅压力感应芯片均包括硅片21及两个分别设于硅片21正面的两端部的电极22。硅的应变系数可高达200，第一硅压力感应芯片与第二硅压力感应芯片的灵敏度特别高。具体地，将硅压力感应芯片打磨成厚度仅十到几十微米量级的薄片，每个硅压力感应芯片内部仅只包含一个或者一组电阻，只包含两个电极22，电极22用金属镀膜引出，该结构容易成型与装配。

请参阅图3，在本实用新型另一实施例中，两个安装面10a(10b)上均设有柔性基材31，第一硅压力感应芯片R11、R14(R12、R13)与第二硅压力感应芯片安装于对应的柔性基材31。将附有硅压力感应芯片的柔性基材31，通过胶体压合到一定尺寸大小的分立的刚性块11上，第一硅压力感应芯片R11、R14(R12、R13)正对或相邻设于应变放大区12，第二硅压力感应芯片正对于刚性块11，组成压力感应装置，该结构容易成型。具体地，柔性基材31可以是FPC(柔性电路板)、PET(耐高温聚酯薄膜)、PI膜(聚酰亚胺薄膜)或其它平整度较好的柔性基材31，按需选用。

请参阅图1、图2，在本实用新型另一实施例中，硅片21的背面通过胶体40粘贴在柔性基材31上，电极22通过银浆或者碳浆等导电浆23电连接至柔性基材31上。这种方式容易装配，而且连接可靠。

请参阅图3，在本实用新型另一实施例中，两个柔性基材31通过一个母基材30弯折形成。将硅压力感应芯片附于一张母基材30上，然后将母基材30的中心翻折后将两个内表面黏合到两个安装面10a(10b)，加工简单，成本低。

请参阅图3，在本实用新型另一实施例中，柔性基材31与安装面10a(10b)之间通过胶体粘接。该结构便于刚性结构10与柔性基材31的连接，并且在被测物体受作用力而变形时让柔性基材31与刚性结构10跟随被测物体变形。该胶体可以是环氧胶膜、502胶、热固胶、硅胶等材料，按需选用。

请参阅图3，在本实用新型另一实施例中，第一硅压力感应芯片R11、R14(R12、R13)的长度方向与刚性块11的排列方向相互平行。该结构容易装配硅压力感应芯片，并且在按压被测物体时第一硅压力感应芯片R11、R14(R12、R13)的变形量更大，更好地输出压力信号。

在本实用新型另一实施例中，提供一种设备，包括上述的硅芯片压力感应装置。由于本设备采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此同样具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

在本实用新型另一实施例中，被测物体为面板或边框。实现面板或边框的作用力感应。面板或边框可以采用玻璃、塑料、陶瓷等非金属材料制作。面板可以为具有刚性结构10的触摸屏、显示器或其他电子终端。边框可以为各种电子终端的边框。通过将力传感器与面板或边框连接，能够在实现精准识别触控压力的大小，为电子终端在产品应用、人机交互及消费体验上扩展了应用空间。用户通过触按触摸屏、显示器或电子终端，可以直接获得精确地作用力级别及量数。

在本实用新型另一实施例中，刚性结构10通过胶体(图未示)贴合到被测物体的表面，容易装配。被测物体在受到作用力时，刚性结构10跟随被测物体变形，应变放大区12的变形放大，第一硅压力感应芯片与第二硅压力感应芯片的阻抗随之发生改变，全桥电路电连于信号处理电路，进而产生压力信号，分析压力信号的特征便可识别作用力的方向、大小和位置。具体地，胶体可以为VHB、双面胶、502胶、热固胶等，按需选用。

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.硅芯片压力感应装置，其特征在于，包括：

刚性结构，用于与被测物体贴合且跟随被测物体变形，所述刚性结构包括沿X轴间隔设置的刚性块，相邻两个所述刚性块之间形成应变放大区，所述刚性结构具有两个在Z轴上相对设置的安装面，其中一个所述安装面作为与被测物体的贴合面；以及

第一硅压力感应芯片，至少一个所述应变放大区的两个所述安装面分别设置有两个所述第一硅压力感应芯片，对应于同一个所述应变放大区的四个所述第一硅压力感应芯片连接形成第一全桥电路，位于同一所述安装面上的两个所述第一硅压力感应芯片作为一组相对桥臂；所述第一全桥电路电连接于信号处理电路以检测所述刚性结构的形变并得出被测物体的作用力。

2.如权利要求1所述的硅芯片压力感应装置，其特征在于，所述硅芯片压力感应装置还包括设置于所述刚性块上且与所述第一硅压力感应芯片对应靠近设置的第二硅压力感应芯片；至少两个相邻设置的所述应变放大区的两个所述安装面分别设置有两个所述第一硅压力感应芯片；

相邻于所述应变放大区的每一个所述刚性块的两个所述安装面分别设置有一个所述第二硅压力感应芯片，相邻于同一个所述应变放大区的两个所述刚性块上的四个所述第二硅压力感应芯片连接的第二全桥电路，位于同一所述安装面上的两个所述第二硅压力感应芯片作为一组相对桥臂；所述第二全桥电路与所述第一全桥电路对应以使该第二全桥电路的输出量作为该第一全桥电路的温度补偿量。

3.如权利要求2所述的硅芯片压力感应装置，其特征在于，所述第一硅压力感应芯片与所述第二硅压力感应芯片均包括硅片及两个分别设于所述硅片正面的两端部的电极。

4.如权利要求3所述的硅芯片压力感应装置，其特征在于，两个所述安装面上均设有柔性基材，所述第一硅压力感应芯片与所述第二硅压力感应芯片安装于对应的所述柔性基材。

5.如权利要求4所述的硅芯片压力感应装置，其特征在于，所述硅片的背面粘贴在所述柔性基材上，所述电极通过导电浆电连接至所述柔性基材上。

6.如权利要求4所述的硅芯片压力感应装置，其特征在于，两个所述柔性基材通过一个母基材弯折形成。

7.如权利要求4至6任一项所述的硅芯片压力感应装置，其特征在于，所述柔性基材与所述安装面之间通过胶体粘接。

8.如权利要求1至6任一项所述的硅芯片压力感应装置，其特征在于，所述第一硅压力感应芯片的长度方向与所述刚性块的排列方向相互平行。

9.如权利要求1至6任一项所述的硅芯片压力感应装置，其特征在于，所述刚性结构为钢片、铝片、玻璃片或FR4片。

10.设备，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的硅芯片压力感应装置。

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