WO2021185004A1 - 一种压力感应装置及压力感应设备 - Google Patents
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Abstract
一种压力感应装置（20）及压力感应设备，压力感应装置（20）包括一个或多个压力感应片（10）和承载压力感应片（10）的第一基板（22），压力感应片（10）和第一基板（22）通过焊接进行连接，该焊接的焊点用于形变传递和电信号传输，压力感应片（10）包括至少一个半导体薄膜（12），半导体薄膜（12）内集成有信号测量电路，信号测量电路用于检测形变的形变量并输出可被识别的电信号。将信号测量电路集成在半导体薄膜（12）里，可以减小结构体积，有利于提高产品的集成度，并有利于产品的小型化。
Description
本申请要求于2020年3月19日在美国专利局提交的、申请号为62/992,000、发明名称为“混合应变传感系统”的美国专利申请，以及于2020年8月11日在美国专利局提交的、申请号为63/064,086、发明名称为“新型混合传感系统”的美国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
本申请属于传感器领域，更具体地说，是涉及压力感应装置及压力感应装置。
应变式力敏传感器，是将应变片粘贴在传感器弹性体上形成的，比如称重、加速度及压力等传感器，应变片的性能直接决定了这种类型传感器的性能。
目前的压力电阻按键方案有如桥式支撑结构均存在着需要根据结构定制，指纹压力按键上需要泡棉和结构支撑，体积大不利于小型化，通用性不强，高度依赖于面板结构等问题。
本申请实施例的目的之一在于：提供一种压力感应装置及压力感应设备，以解决现有技术中存在的压力电阻按键方案需要定制结构，体积大不利于小型化，通用性不强的问题。
为解决上述技术问题，本申请实施例采用的技术方案是：
第一方面，提供了一种压力感应装置，包括一个或多个压力感应片和承载所述压力感应片的第一基板，所述压力感应片和所述第一基板通过焊接的方式连接，该焊接焊点用于形变传递和电信号传输，所述压力感应片包括：
第二基板，具有上表面和所述上表面相对的下表面；
至少一个半导体薄膜，设置于所述第二基板的下表面和/或上表面，至少一个所述半导体薄膜内集成有信号测量电路，所述信号测量电路用于检测所述形变的形变量输出可被识别的所述电信号；及
多个用于与所述第一基板焊接的焊盘，所述焊盘设置于所述第二基板的上表面，且与所述半导体薄膜导电连接。
第二方面，提供了一种压力感应设备，具有一操控面板，还包括上述的压力感应装置， 所述压力感应装置粘贴于所述操控面板内表面，能跟随所述操控面板形变。
第三方面，提供了另一种压力感应设备，具有一操控面板以及粘贴于所述操控面板内表面的操控面板控制电路板，还包括上述的压力感应装置，所述压力感应装置的第一基板为所述操控面板控制电路板，且所述压力感应装置的所述第二基板跟随所述操控面板控制电路板形变。
本申请应变感应装置/设备可以通过基板设置在任意设备上，当压力感应装置/设备发生形变时，通过焊盘将形变传递至压力感应片上，不需要定制结构，通用性强；另外，将信号检测电路集成在半导体薄膜里，可以大大减少结构体积，有利于提高产品的集成度，有利于产品的小型化。
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或示范性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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本申请实施例一提供的压力感应装置的结构示意图；
图2为图1所示的压力感应装置中的第一种压力感应片的结构示意图；
图3为图2所示压力感应片的俯视图；
图4为本申请实施例一提供的第二种压力感应片的结构示意图；
图5为图4所示的压力感应片的俯视图；
图6为本申请实施例三提供的第三种压力感应片的结构示意图；
图7为图6所示的压力感应片的俯视图；
图8是图1至图7中的压力感应装置中应用的信号测量电路的示意图；
图9是图1的压力感应装置中应用的信号测量电路的示意图；
图10是图1的压力感应装置中应用的信号测量电路的示意图；
图11是图1的压力感应装置中应用的信号测量电路的示意图；
图12是图1的压力感应装置中应用的信号测量电路的示意图；
图13是图1的压力感应装置中应用的信号测量电路的示意图；
图14为本申请实施例提供的压力感应设备的结构示意图；
图15为图14所示的压力感应设备的俯视图。
为了使本申请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，对本申请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申请，并不用于限定本申请。
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”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，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申请的限制，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的具体含义。术语“第一”、“第二”仅设置为便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。为了说明本申请所述的技术方案，以下结合具体附图及实施例进行详细说明。
电阻温度系数(temperature coefficient of resistance，TCR)表示电阻当温度改变1℃时，电阻值的相对变化，单位为ppm/℃(即10^-6/℃)。电阻应变计的灵敏度系数(gauge factor，GF)表示电阻应变计的单位应变所引起的应变片电阻相对变化，其中，
dR/R为电阻变化率，ε为材料的机械应变；有效灵敏度系数(Effective gauge factor，GF_eff)为实际电阻变化与假设半导体薄膜对结构强度无影响时的理想应变之比。对于特定结构，外力给定时，结构的变形确定。但贴上弹性模量较大的半导体薄膜比如硅(Si)后，一般Si的变形小于载体结构变形。且随着薄膜厚度的增大，薄膜处的应变变形越小，对应的电阻变化减小，即有效GF随着薄膜厚度增加而减小。
实施例一：
请参阅图1，在较佳的实施方式中压力感应装置20包括一个或多个压力感应片10和承载压力感应片10的第一基板22，压力感应片10和第一基板22通过焊接的方式连接，具体可以是通过SMT(Surface Mount Technology，表面贴装技术)的方式，该焊接的焊点用于形变传递和电信号传输。压力感应片10包括：第二基板11、至少一个半导体薄膜12和多个用于与第一基板22焊接的焊盘13。第二基板11具有上表面和所述上表面相对的下表面；半导体薄膜12设置于第二基板11的下表面和/或上表面，至少一个半导体薄膜12内集成有信号测量电路，信号测量电路用于检测形变的形变量输出可被识别的电信号；该多 个焊盘13设置于第二基板11的上表面，且与半导体薄膜12导电连接。
具体地，将半导体薄膜12通过粘贴、印刷方式单面或者双面印刷在第二基板11上，通过焊接工艺将压力感应片10焊接到第一基板22，半导体薄膜12通过焊盘13感应曲率变化和电信号传输。
其中，第一基板22为FPC(Flexible Printed Circuit，柔性电路板简称)、PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)、金属基板或陶瓷基板。压力感应片10为电阻式、电容式或电感式。
请参阅图1至图3，半导体薄膜12设置在基板11表面中部，焊盘13是围设在半导体薄膜12的周围。
在一个实施方式中，第二基板11为玻璃板、陶瓷板、PCB板、铝基板或硅片，半导体薄膜12以粘贴或印刷的方式设置于第二基板11上。半导体薄膜12为集成有信号检测电路，信号检测电路包括感测元件、放大电路和补偿电路等，其中，感测元件包括应变感应电阻，温度检测元件等。
请参阅图2及图3，在一个压力感应片10上设置一个半导体薄膜12，其可以设置在第二基板11的上表面或下表面(图示例中是设置在下表面)，而焊盘13可以设置两个，分别作为半导体薄膜12的输入、输出端子，当然也可以设置4个焊盘13。
请参阅图4和图5，在另外一个实施例中，四个半导体薄膜12可以同时设置于第二基板11的上表面或下表面。在其他实施例中，请参阅图6和图7，四个半导体薄膜12也可以两个设置于第二基板11的上表面，另外两个设置于第二基板11的下表面。该实施例中，半导体薄膜12的数量至少为二，其中至少一个半导体薄膜12设置于第二基板11的下表面，另外的半导体薄膜12设置于第二基板11的上表面，各半导体薄膜12相邻分布。
半导体薄膜12包括硅(Si)薄膜、锗(Ge)薄膜，砷化镓(GaAs)薄膜、氮化镓(GaN)薄膜、碳化硅(SiC)薄膜、硫化锌(ZnS)薄膜、或者氧化锌(ZnO)薄膜中的至少一项。其中，例如硅薄膜，本身应变系数很高，但硬度太大，力或应变传递至其上时会使信号输出减小很多。将其减薄能减小其刚度，增加其对力或应变的响应率，并可直接贴合于例如印刷电路板或柔性电路板等材料表面进行力或应变的测量。半导体薄膜12的厚度n＜70um，或n＜50um，或n＜30um，或n＜25um，或n＜20um，或n＜15um，或n＜10um。
在一些实施例中，感测元件包括一个应变感应电阻，单个电阻的测量电路，可以测量单个电阻的阻值，作为信号输出，比如，欧姆表测电阻、伏安法测电阻、RC电路测电阻、RC振荡电路测电阻、RLC并联谐振电路测电阻等方式，按需选用。欧姆表测电阻与伏安法测电阻为直接测量电阻的方式，相应的电阻测量电路属于常规技术。
信号测量电路设计如下：
①请参阅图8，信号测量电路包括一个应变感应电阻R和一个定值电容C串联或并联组成的RC电路。利用RC电路测量电阻，RC电路的时间常数为：τ＝RC依据上述公式，已知电容的电容量C，则可以通过测量到的时间常数τ反算出电阻阻值R。
②请参阅图9，信号测量电路包括一个应变感应电阻R、一个定值电容C和放大器，将RC串、并联选频网络和放大器结合起来，放大器可采用集成运算放大器。RC串并联选频网络接在运算放大器的输出端和同相输入端之间，构成正反馈，R
F、R’接在运算放大器的输出端和反相输入端之间，构成负反馈。正反馈电路和负反馈电路构成一文氏电桥振荡电路，运算放大器的输入端和输出端分别跨接在电桥的两对角线上。该文氏电桥振荡电路的输出频率为：
频率f
0对电阻阻值R的变化非常敏感。依据上述公式，已知电容的电容量C，则可以通过测量到的频率f
0反算出电阻阻值R。
③请参阅图10，信号测量电路包括一个应变感应电阻R、一个定值电感L和一个定值电容C，组成RLC谐振电路是将RL串联电路和电容器C并联的电路。该RLC谐振电路的角频率为：
依据上述公式，已知电感的电感量L和电容的电容量C，则可以通过测量出的角频率ω反算出电阻阻值R。
感测元件包括两个电阻，比如包括一个应变感应电阻与一个参考电阻串联形成的分压电路；或者包括两个所述应变感应电阻串联形成的分压电路；或者包括一个所述应变感应电阻与一个参考电阻并联形成的分流电路，或者包括两个所述应变感应电阻并联形成的分流电路。
在一个实施例中，信号测量电路包括两个应变感应电阻组成的串联分压电路或并联分流电路时，其中一个应变感应电阻为正应变系数感应电阻，另一个为负应变系数感应电阻；或两个感应电阻具有不同的应变系数。
信号测量电路设计如下：
请参阅图10，两个电阻构成串联分压电路，采用恒压源，在V+与V-两端加以输入电压U
i，检测Vo处的电势，或测量Vo与地之间的输出电压U
o，有输入输出电压公式：
请参阅图11，两个电阻构成并联分流电路，采用恒流源，在I+与I-两端加以输入电流I，测量R
1支路上的输出电流I
1，有输入输出电流公式：
请参阅图12，感测元件包括四个电阻R1、R2、R3和R4，其中可以是，包括一个应变感应电阻与三个参考电阻电连接的惠斯通电桥；或者，包括两个应变感应电阻与两个参考电阻电连接形成的半桥电路；或者，包括四个应变感应电阻电连接形成的全桥电路；或者，包括三个应变感应电阻与一个参考电阻电连接形成的电桥电路。
在一个实施例中，四个应变感应电阻组成的电桥电路，中两个应变感应电阻为正应变系数感应电阻，另两个为负应变系数感应电阻；或四个电阻具有不同的应变系数。
信号测量电路设计如下：
4个电阻组成的电桥电路，如图12，输出电压公式为：
其中，U
i为Vcc电压，U
0为Vm+和Vm-的压差。另外，在四个应变感应电阻电连接形成的全桥电路中，对于四个应变感应电阻的选取有很多种方式，只需满足上述公式中的U
0在产生形变时发生变化即可。其中几种典型方式：
R1、R4为正应变系数感应电阻，R2、R3为负应变系数感应电阻；或R1、R4为负应变系数感应电阻，R2、R3为正应变系数感应电阻；或R1、R4为正(或负)应变系数感应电阻，R2、R3为零应变系数感应电阻。
进一步地，半导体薄膜12上还可以设置温度检测元件，感测元件还包括一个温度检测元件，温度检测元件用于所在位置的温度并输出温度检测信号。温度检测元件可用于测量局部温度，还可以将温度信息用于由于温度造成的结构膨胀进行输出信号补偿，使得力学测量更加准确。而且，当设置有温度检测元件时，还可以检测局部的温度信号，结合热传导规律，推算出所需测量位置的温度信息。
进一步地，信号测量电路还包括与感测元件连接，用于将感测部件输出的信号进行放大的放大电路。进一步地，信号测量电路还包括补偿电路，其输入端与所述放大电路的输出端耦合，用于根据所述放大电路输出的信号对所述感测部件的输出电压失衡进行补偿。
请参阅图1，压力感应片10可以通过焊盘13设置在具有第二基板11的任意压力感应 装置20上，第二基板11可以是装置的承载板或电路板，当压力感应装置20的第二基板11发生形变时，通过焊盘13将形变传递至压力感应片10上，压力感应片10的半导体薄膜12的电学参数就发生变化，使得压力感应片10的输出信号就发生变化，不需要定制结构，通用性强；另外，将信号检测电路集成在半导体薄膜12里，可以大大减少结构体积，有利于提高产品的集成度，有利于产品的小型化。
实施例二：
此外，请参阅图13和图14，还公开了一种压力感应设备，压力感应设备具有操控面板21以及上述的压力感应装置20，所述压力感应装置20粘贴于所述操控面板21内表面，能跟随操控面板21形变。
实施例三：
此外，请参阅图13和图14，还公开了另一种压力感应设备，压力感应设备具有一操控面板21以及粘贴于操控面板21内表面的操控面板控制电路板以及上述的压力感应装置20，压力感应装置20的第一基板22为操控面板控制电路板，且压力感应装置20的第二基板11跟随操控面板控制电路板形变。
在上述实施例二和三提供的压力感应设备具体使用过程中，客户根据操控面板21形状设计操控面板控制电路板(即第一基板)22，再将压力感应片10通过焊盘13焊接到客户操控面板控制电路板22上。再通过双面胶23等粘合剂将客户操控面板控制电路板22粘在操控面板21上。其原理如下，操控面板21受到来自外界的压力后发生形变，此形变通过双面胶传递至客户操控面板控制电路板22上，再通过焊盘13传递至压力感应片10的第二基板11上，进而引起第二基板11上的半导体薄膜12阻值、电容值或电感值发生变化，。
焊锡及传感器基板可使操控面板控制电路板22上的变形放大，也就是说压力感应片10的第二基板11的曲率大于操控面板控制电路板22的基板的曲率，进而可使半导体薄膜12双面布置方案的信号放大。请参阅图10和图11，通过有限元模拟发现，压力感应片10的第二基板11的曲率比操控面板控制电路板22的基板的曲率要大20％～100％。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (13)
- 一种压力感应装置，其特征在于，包括一个或多个压力感应片和承载所述压力感应片的第一基板，所述压力感应片和所述第一基板通过焊接的方式连接，该焊接焊点用于形变传递和电信号传输，所述压力感应片包括：第二基板，具有上表面和所述上表面相对的下表面；至少一个半导体薄膜，设置于所述第二基板的下表面和/或上表面，至少一个所述半导体薄膜内集成有信号测量电路，所述信号测量电路用于检测所述形变的形变量输出可被识别的所述电信号；及多个用于与所述第一基板焊接的焊盘，所述焊盘设置于所述第二基板的上表面，且与所述半导体薄膜导电连接。
- 如权利要求1所述的压力感应装置，其特征在于：所述半导体薄膜包括硅(Si)薄膜、锗(Ge)薄膜，砷化镓(GaAs)薄膜、氮化镓(GaN)薄膜、碳化硅(SiC)薄膜、硫化锌(ZnS)薄膜、或者氧化锌(ZnO)薄膜中的至少一项。
- 如权利要求1所述的压力感应装置，其特征在于：所述半导体薄膜的厚度n＜70um，或n＜50um，或n＜30um，或n＜25um，或n＜20um，或n＜15um，或n＜10um。
- 如权利要求1所述的压力感应装置，其特征在于：所述第一基板为FPC、PCB、金属基板或陶瓷基板。
- 如权利要求1所述的压力感应装置，所述多个焊盘沿所述第二基板的上表面的周边布置。
- 如权利要求1所述的压力感应装置，其特征在于：所述第二基板为玻璃板、陶瓷板、PCB板、铝基板或硅片。
- 如权利要求1所述的压力感应装置，其特征在于：所述半导体薄膜的数量至少为二，其中至少一个所述半导体薄膜设置于所述第二基板的下表面，另外的所述半导体薄膜设置于所述第二基板的上表面，各所述半导体薄膜相邻分布。
- 如权利要求1或6所述的压力感应装置，其特征在于：所述信号测量电路包括感测部件；一所述感测部件包括一个应变感应电阻；或者，一所述感测部件包括一个应变感应电阻和一个定值电容串联或并联组成的RC电路；或者，一所述感测部件包括一个应变感应电阻、一个定值电感和一个定值电容组成的 谐振电路；或者，一所述感测部件包括一个应变感应电阻与一个参考电阻串联形成的分压电路；或者，一所述感测部件包括两个所述应变感应电阻串联形成的分压电路；或者，一所述感测部件包括一个所述应变感应电阻与一个参考电阻并联形成的分流电路；或者，一所述感测部件包括两个所述应变感应电阻并联形成的分流电路；或者，一所述感测部件包括一个所述应变感应电阻与三个参考电阻电连接的惠斯通电桥；或者，一所述感测部件包括两个所述应变感应电阻与两个参考电阻电连接形成的半桥电路；或者，一所述感测部件路包括四个所述应变感应电阻电连接形成的全桥电路；或者，一所述感测部件路包括三个所述应变感应电阻与一个参考电阻电连接形成的电桥电路。
- 如权利要求8所述的压力感应装置，其特征在于，所述感测元件还包括一个温度检测元件，所述温度检测元件用于所在位置的温度并输出温度检测信号。
- 如权利要求8所述的压力感应装置，其特征在于，所述信号测量电路还包括与所述感测元件连接，用于将所述感测部件输出的信号进行放大的放大电路。
- 如权利要求10所述的压力感应装置，其特征在于，所述信号测量电路还包括补偿电路，其输入端与所述放大电路的输出端耦合，用于根据所述放大电路输出的信号对所述感测部件的输出电压失衡进行补偿。
- 一种压力感应设备，具有一操控面板，其特征在于，还包括权利要求1至11任一项所述的压力感应装置，所述压力感应装置粘贴于所述操控面板内表面，能跟随所述操控面板形变。
- 一种压力感应设备，具有一操控面板以及粘贴于所述操控面板内表面的操控面板控制电路板，其特征在于，还包括权利要求1至11任一项所述的压力感应装置，所述压力感应装置的第一基板为所述操控面板控制电路板，且所述压力感应装置的所述第二基板跟随所述操控面板控制电路板形变。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 21771235 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 21771235 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |