CN210862999U - 一种薄膜微压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种薄膜微压力传感器，属于压力传感器技术领域。所述薄膜微压力传感器包括相对设置的至少一对膜片，两个膜片的相对面上分别设有QTC材料和探测电极；其中一个膜片可形变、另一个膜片不可形变；可形变的膜片连接有力传导单元，所述力传导单元包括容腔及填充在其中的灌充液；所述力传导单元用于接受外力按压，并将外力传导至可形变的膜片，以使可形变的膜片以连接点为中心产生形变，进而使两个所述膜片相互贴紧或远离。本实用新型利用液体传导各向同性的属性，即便手指作用在传感器膜片的不同位置，或者手指以不同姿势作用在传感器膜片上，都能在灌充液的作用下实现均匀传导的效果，确保测量的准确性和一致性。

Description

一种薄膜微压力传感器

技术领域

本实用新型涉及压力传感器技术领域，尤其涉及一种薄膜微压力传感器。

背景技术

压力传感器(Pressure Transducer)是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。现在市面上已经出现薄膜压力传感器，即在两片膜的相对面之间设置对压力敏感的材料，通过挤压膜片，改变两片膜之间的压力和接触面积，从而实现对压力的测量。

然而，现有的薄膜压力传感器在使用时存在一致性差的问题。手指在不同的点位进行触摸时，由于手指相对膜片的姿势不同，即便是在相同压力的情况下也可能测得不同的压力值，导致测量失准；人手直接传递压力，存在不均匀的问题。

有鉴于此，急需一种新的技术方案来解决上述技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决上述现有技术中存在的问题，提供一种薄膜微压力传感器。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种薄膜微压力传感器，其包括相对设置的至少一对膜片，两个所述膜片的相对面上分别设有QTC材料和探测电极；其中一个所述膜片设置为可形变的，另一个膜片设置为不可形变的；所述可形变的膜片还连接有力传导单元，所述力传导单元包括一封闭的容腔及填充在其中的灌充液；

所述力传导单元用于接受外力按压，并将外力传导至所述可形变的膜片，以使所述可形变的膜片以连接点为中心产生形变，进而使两个所述膜片相互贴紧或远离。

作为进一步的改进，所述薄膜微压力传感器还包括传感器本体，所述传感器本体的至少一侧设有内腔、外腔及连通二者的通道；

所述膜片设置在所述内腔中；所述力传导单元设置在所述内腔、所述通道及所述外腔三者形成的连通腔体中。

作为进一步的改进，所述不可形变的膜片贴附在所述内腔的底壁上，所述底壁为刚性壁；

所述可形变的膜片悬空设置在所述内腔中，且所述可形变的膜片的边缘与所述内腔的内侧壁密封连接；

所述外腔的开口处设有一弹性膜，所述弹性膜的边缘与所述外腔的内周壁密封连接；

所述弹性膜与所述可形变的膜片之间的封闭腔体形成所述容腔。

作为进一步的改进，所述可形变的膜片贴附在所述内腔的底壁上，所述底壁为柔性壁；

所述不可形变的膜片贴附在所述内腔的顶壁上，所述顶壁设置为向所述底壁的方向凸出的弧形；

所述外腔的开口处设有一弹性膜，所述弹性膜的边缘与所述外腔的内周壁密封连接；

所述弹性膜与所述可形变的膜片之间的封闭腔体形成所述容腔。

作为进一步的改进，所述灌充液为硅油、甘油或任意一种不导电液体。

作为进一步的改进，所述探测电极包括间隔排列的多条导电棒，相邻两条所述导电棒分别连接正极引线和负极引线；全部所述导电棒形成探测区。

作为进一步的改进，所述探测区为圆形、矩形或任意一种几何形状。

作为进一步的改进，所述导电棒为碳棒。

作为进一步的改进，所述传感器本体呈扁平状，所述通道的轴线垂直于所述传感器本体所在的平面。

作为进一步的改进，所述通道的数目设为一个，且所述通道位于所述传感器本体的中心轴线上；

或者，所述通道的数目设为多个，且多个所述通道呈中心对称地分布在所述传感器本体的中心轴线周围。

相比于现有技术，本实用新型带来如下有益效果：

本实用新型的薄膜微压力传感器，包括至少一对相对设置的膜片，两个膜片的相对面上分别设置有PTC材料和探测电极，二者相互贴紧或远离，从而实现对外部压力的探测；本实用新型的力传导单元包括容腔及填充在其中的灌充液，作用在传感器上的外部压力被灌充液所吸收，即便手指作用在传感器膜片的不同位置，或者手指以不同姿势作用在传感器膜片上，都能在灌充液的作用下实现均匀传导的效果，确保测量的准确性和一致性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本实用新型实施例一的薄膜微压力传感器的结构剖视图；

图2示出了本实用新型实施例一的薄膜微压力传感器在压力作用下的状态示意图；

图3示出了本实用新型实施例一的薄膜微压力传感器的探测电极的结构示意图；

图4示出了本实用新型实施例二的薄膜微压力传感器的结构剖视图；

图5至图7示出了本实用新型实施例二的薄膜微压力传感器在左侧、右侧及两侧受力情况下的三种状态示意图；

图8示出了本实用新型实施例三的薄膜微压力传感器的结构剖视图；

图9示出了本实用新型实施例三的薄膜微压力传感器在压力作用下的状态示意图；

图10示出了本实用新型实施例四的薄膜微压力传感器的结构剖视图；

图11示出了本实用新型实施例四的薄膜微压力传感器在左侧受力情况下的状态示意图。

主要元件符号说明：

1-传感器本体；11-内腔；111-内侧壁；12-外腔；121-内周壁；13-通道；14-底壁；15-弹性膜；16-顶壁；21-可形变的膜片；22-不可形变的膜片；31-容腔；50-探测电极；51-碳棒；52-正极引线；53-负极引线。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，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元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本实用新型的核心是在薄膜微压力传感器上增加包括灌充液的力传导单元，力传导单元的主要原理是利用液体对压力的吸收和分散作用，实现对外部压力进行均匀传导的效果，以解决现有技术中由于手指直接作用传感器带来的压力传导不均匀、各处测量值失准的问题。

实施例一

请参阅图1及图2，本实施例提供一种薄膜微压力传感器，包括传感器本体1，以及设置在传感器本体1上的一对膜片及一个力传导单元。以下描述以图1的方位为参照。

具体的，所述传感器本体1的一侧设有内腔11、外腔12及连通二者的通道13。传感器本体1采用刚性绝缘材料制成，如塑料、玻璃等。

所述一对膜片的其中一个设置为可形变的，另一个设置为不可形变的。所述形变是指膜片受到外力而在法向上引起形状变化。

其中，所述可形变的膜片21悬空设置在所述内腔11中，且所述可形变的膜片21的边缘与所述内腔11的内侧壁111密封连接。

所述不可形变的膜片22贴附在所述内腔11的底壁14上，所述底壁14与所述传感器本体1的材质一样，底壁14为刚性壁。

具体在本实施例中，所述可形变的膜片21下表面设有探测电极50，所述不可形变的膜片22上表面涂覆有QTC材料。可以理解的是，在其它实施例中，所述探测电极50和所述QTC材料可以对调设置。

所述力传导单元包括一密封的容腔31及填充在容腔31中的灌充液(图中未标识)。

具体的，所述传感器本体1的外腔12开口处设有一弹性膜15，所述弹性膜15的边缘与所述外腔12的内周壁121密封连接。所述弹性膜15可以由具有一定弹性、且耐磨的膜片制成，例如硅膜片等。

所述弹性膜15与所述可形变的膜片21之间的封闭腔体形成力传导单元的容腔31，容腔31内填充有灌充液。所述灌充液可选用任意一种不导电液体，例如硅油、甘油等。

力传导单元的上端用于接受外力按压，即手指作用在所述弹性膜15上；外力被灌充液吸收并传导至所述可形变的膜片21上，可形变的膜片21在外力作用下以连接点为中心产生形变，进而使两个膜片从相互远离的位置变为相互贴紧的位置，由于两个膜片之间设置有QTC材料和探测电极50，进而改变二者之间的压力和接触面积，从而能够测得对应的传感信号。

本实施例的薄膜微压力传感器，通过力传导单元的灌充液吸收并传导外部压力，利用液体对力的传导具有各向同性的属性，即便手指作用在传感器膜片的不同位置，或者手指以不同姿势作用在传感器膜片上，都能在灌充液的传导作用下实现均匀传导的效果，确保测量的准确性和一致性。

需要说明的是，所述QTC材料是指量子通道合成物(Quantum TunnellingComposite，简称QTC)，是市面上已经出现的一种新型力敏材料，能够感应两片膜之间的压力和接触面积，进而输出可供测量的电阻值。一般而言，两片膜之间的压力越大、接触面积越大，则测得的电阻值越小；反之，则测得的电阻值越大。

请参阅图3，所述探测电极50包括间隔排列的多条导电棒，相邻两条所述导电棒分别连接正极引线52和负极引线53；全部所述导电棒形成探测区。

具体在本实施例中，所述导电棒为碳棒51，全部碳棒51形成的探测区呈圆形。

探测电极50与QTC材料的工作原理为：只要两个相邻的碳棒51同时接触所述QTC材料，就能形成探测回路，通过仪表能够测得对应的电阻值。

按压两个膜片，使二者相互贴紧，进而使QTC材料与多条碳棒51相互贴紧，在不同压力和接触面积下能测得对应的电阻值。通过对电阻值的变化来计算外部压力的大小。

本实施例的测量原理及过程描述如下：

从上至下施加压力F，压力F作用在弹性膜15上，使灌充液从外腔12流向内腔11，所述可形变的膜片21在灌充液的推动下向下凸起形变，进而带动其上的碳棒51与不可形变的膜片22的QTC材料相互贴紧，在此过程中电阻值呈逐渐增大的变化，平衡时，可测得电阻值的改变量。

需要说明的是，可形变的膜片21具有一定的弹性强度，足够支撑灌充液的重力，即，在没有外力作用的情况下，膜片不会有明显的形变。

实施例二

请参阅图4至图7，本实施例提供一种薄膜微压力传感器，包括传感器本体1，以及设置在传感器本体1上的两对膜片及两个力传导单元。以下描述以图4的方位为参照。

具体的，本实施例的传感器本体1的左右两侧均设有内腔11、外腔12及连通二者的通道13，两侧的设置呈对称关系，每一侧的设置情况与实施例一一致。

如图4所示，左右两侧的内腔11共用一个底壁14，该底壁14为刚性壁，即不可形变。所述底壁14的左右两侧表面均贴附有不可形变的膜片22，且该不可形变的膜片22上均涂覆有所述QTC材料。

左右两个内腔11的中间均设有一可形变的膜片21，该可形变的膜片21可在左右方向上形变，具体的，该可形变的膜片21的边缘与对应内腔11的内侧壁111密封连接。

左右两个外腔12的开口处均对应设有一弹性膜15，所述弹性膜15的边缘与对应外腔12的内周壁121密封连接。

同一侧的弹性膜15和可形变的膜片21之间的封闭腔体形成该侧力传导单元的容腔31，容腔31内填充有灌充液。

本实施例的薄膜微压力传感器在使用时，两侧的结构分别独立工作，测量结果可叠加，从而可增大总的测量值。

具体测量过程描述如下：

1)请参阅图5，左侧施加压力F作用在弹性膜15上，左侧的弹性膜15向右形变，挤压灌充液从外腔12流向内腔11，所述可形变的膜片21在灌充液的推动下向右凸起形变，进而带动其上的碳棒51与该侧底壁14上的QTC材料相互贴紧，从而可测得电阻值的改变量。

2)请参阅图6，右侧与左侧的情况一样，此处不再赘述。

3)请参阅图7，当手指同时从左右两侧对传感器施加压力F时，假设左侧的结构测得的电阻改变量是ΔR1，右侧的结构测得的电阻改变量是ΔR2，则整个传感器测得的电阻改变量则为ΔR1+ΔR2，相同压力情况下，整个传感器能够获得约两倍的测量值，从而可在一定程度上提高传感器的探测灵敏度。

上述两个实施例中的通道13均只设有一个，且所述通道13位于所述传感器本体1的中心轴线上。外部压力F的着力点可以是弹性膜15上的任意一点，但经过灌充液的传导，可形变的膜片21上各个点接收到的压力值都相等，都等于压力F；同时，可形变的膜片21将以连接点为中心产生形变，所述连接点是指通道13的轴线与可形变的膜片21的相交点，即膜片产生形变的位置不变，进而可避免由于外部压力F作用在不同着力点而带来的不同测量值的问题。

当然，在其它一些实施例中，所述通道13可以设置多个，多个通道13呈中心对称地分布在所述传感器本体1的中心轴线周围。与设置一个通道13情况类似的，外部压力F的着力点可以是弹性膜15上的任意一点，经过灌充液的传导，可形变的膜片21上各个点接收到的压力值都相等，都等于压力F；同时，可形变的膜片21将以多个连接点为中心产生形变，所述多个连接点是指多个通道13的轴线与可形变的膜片21的相交点，即膜片产生形变的位置不变，进而可避免由于外部压力F作用在不同着力点而带来的不同测量值的问题。

实施例三

请参阅图8及图9，本实施例提供一种薄膜微压力传感器，包括传感器本体1，以及设置在传感器本体1上的一对膜片及一个力传导单元。以下描述以图8的方位为参照。

本实施例的薄膜微压力传感器与实施例一的区别之处在于：

所述内腔11的底壁14为柔性壁，即该底壁14可在法向上产生形变。

所述可形变的膜片21贴附在所述内腔11的底壁14上，并可随之一起形变；所述不可形变的膜片22贴附在所述内腔11的顶壁16上。两个膜片上分别设有QTC材料和探测电极50，具体在本实施例中，所述可形变的膜片21上涂覆有QTC材料，所述不可形变的膜片22上设置有探测电极50。所述探测电极50的设置与实施例一一致，此处不再赘述。

所述内腔11的顶壁16设置为向下凸出的弧形，以使两个膜片在初始状态下处于相互贴紧的位置。

本实施例的其它结构设置于实施例一一致。

本实施例的工作原理及过程描述如下：

从上至下施加压力F，压力F作用在弹性膜15上，使灌充液从外腔12流向内腔11，外腔12体积减小、内腔11体积增大，所述底壁14在灌充液的推动下向下凸起形变，使底壁14远离顶壁16，进而两个膜片相互远离，在此过程中，电阻值呈逐渐增大地变化，平衡时，可测得电阻值的改变量。

需要说明的是，所述底壁14具有一定的弹性强度，足够支撑灌充液的重力，即，在没有外力作用的情况下，所述底壁14不会有明显的形变。

实施例四

请参阅图10及图11，本实施例提供一种薄膜微压力传感器，包括传感器本体1，以及设置在传感器本体1上的两对膜片及两个力传导单元。以下描述以图10的方位为参照。

具体的，本实施例的传感器本体1的左右两侧均设有内腔11、外腔12及连通二者的通道13，两侧的设置呈对称关系，每一侧的设置情况与实施例三一致。

如图10所示，左右两侧的内腔11共用一个底壁14，该底壁14为柔性壁，即可在左右方向上形变。所述底壁14的左右两侧表面均贴附有可形变的膜片21，且该可形变的膜片21上均涂覆有所述QTC材料。

左右两个内腔11的顶壁16上均贴附有一不可形变的膜片22，该不可形变的膜片22上设置有探测电极50，如碳棒51。

左右两个外腔12的开口处均对应设有一弹性膜15，所述弹性膜15的边缘与对应外腔12的内周壁121密封连接。

同一侧的弹性膜15和可形变的膜片21之间的封闭腔体形成该侧力传导单元的容腔31，容腔31内填充有灌充液。

由于所述底壁14是柔性壁，因此本实施例的左右两个容腔31可协同形变。

请参阅图11，以左侧施加压力F为例，压力F作用在左侧的弹性膜15上，使灌充液从外腔12流向内腔11，左侧外腔12体积减小、左侧内腔11的体积增大，所述底壁14向右凸起形变，使得底壁14远离左侧的顶壁16——因此，左侧测得的电阻值呈逐渐增大地变化；与此同时，右凸的底壁14挤压右侧的内腔11，使灌充液从内腔11流向右侧的外腔12，右侧外腔12体积增大，进而推动右侧的弹性膜15向右凸起形变，在此过程中，底壁14与右侧的顶壁16相互贴紧——因此，右侧测得的电阻值呈逐渐减小地变化。

平衡时，可测得最终的电阻值的改变量，假设左侧测得的电阻改变量是ΔR1，右侧测得的电阻改变量是ΔR2，则整个传感器测得的电阻改变量则为ΔR1+ΔR2，相比于仅设置一对膜片的情况，本实施例的薄膜微压力传感器能够获得约两倍的测量值，从而可在一定程度上提高传感器的探测灵敏度。

右侧施加压力F的情况与左侧情况相同，此处不再赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型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必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种薄膜微压力传感器，其特征在于，包括相对设置的至少一对膜片，两个所述膜片的相对面上分别设有QTC材料和探测电极；其中一个所述膜片设置为可形变的，另一个膜片设置为不可形变的；所述可形变的膜片还连接有力传导单元，所述力传导单元包括一封闭的容腔及填充在其中的灌充液；

所述力传导单元用于接受外力按压，并将外力传导至所述可形变的膜片，以使所述可形变的膜片以连接点为中心产生形变，进而使两个所述膜片相互贴紧或远离。

2.如权利要求1所述的薄膜微压力传感器，其特征在于，还包括传感器本体，所述传感器本体的至少一侧设有内腔、外腔及连通二者的通道；

所述膜片设置在所述内腔中；所述力传导单元设置在所述内腔、所述通道及所述外腔三者形成的连通腔体中。

3.如权利要求2所述的薄膜微压力传感器，其特征在于，所述不可形变的膜片贴附在所述内腔的底壁上，所述底壁为刚性壁；

所述可形变的膜片悬空设置在所述内腔中，且所述可形变的膜片的边缘与所述内腔的内侧壁密封连接；

所述外腔的开口处设有一弹性膜，所述弹性膜的边缘与所述外腔的内周壁密封连接；

所述弹性膜与所述可形变的膜片之间的封闭腔体形成所述容腔。

4.如权利要求2所述的薄膜微压力传感器，其特征在于，所述可形变的膜片贴附在所述内腔的底壁上，所述底壁为柔性壁；

所述不可形变的膜片贴附在所述内腔的顶壁上，所述顶壁设置为向所述底壁的方向凸出的弧形；

所述外腔的开口处设有一弹性膜，所述弹性膜的边缘与所述外腔的内周壁密封连接；

所述弹性膜与所述可形变的膜片之间的封闭腔体形成所述容腔。

5.如权利要求1-4任一项所述的薄膜微压力传感器，其特征在于，所述灌充液为硅油、甘油或任意一种不导电液体。

6.如权利要求1-4任一项所述的薄膜微压力传感器，其特征在于，所述探测电极包括间隔排列的多条导电棒，相邻两条所述导电棒分别连接正极引线和负极引线；全部所述导电棒形成探测区。

7.如权利要求6所述的薄膜微压力传感器，其特征在于，所述探测区为圆形、矩形或任意一种几何形状。

8.如权利要求6所述的薄膜微压力传感器，其特征在于，所述导电棒为碳棒。

9.如权利要求2所述的薄膜微压力传感器，其特征在于，所述传感器本体呈扁平状，所述通道的轴线垂直于所述传感器本体所在的平面。

10.如权利要求9所述的薄膜微压力传感器，其特征在于，所述通道的数目设为一个，且所述通道位于所述传感器本体的中心轴线上；

或者，所述通道的数目设为多个，且多个所述通道呈中心对称地分布在所述传感器本体的中心轴线周围。

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