[發明專利]電容式力傳感器

有效

• 申請號: 201580056049.1
• 申請日: 2015-11-09
• 公開（公告）號: CN107076626B
• 公開（公告）日: 2019-05-28
• 發明（設計）人: T·舒爾特海斯;J·丁寧格爾
• 申請（專利權）人: 普瑞有限公司
• 主分類號: G01L5/00
• 分類號: G01L5/00;G01L1/14
• 代理公司: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 44205
• 代理人: 鄭勇

本發明涉及一種電容式力傳感器(1)，具有基面體(2)、平面的且可彈性變形的膜片體(3)、布置于基面體和膜片體(3)之間的彼此隔開的兩個隔片(4)，其中膜片體(3)通過隔片(4a、4b)支撐在基面體(2)上并且膜片體(3)至少超出于一個隔片(4a)并形成一自由端(5)，并且在隔片(4a、4b)之間的區域中于膜片體(3)和基面體(2)之間構成了空腔(8)，使得在隔片(4a、4b)之間的區域對膜片體(3)施加力F時膜片體(3)能夠彎曲，并且其中在自由端(5)上設置第一電極，在基面體上設置第二電極(7)，其中第一電極和第二電極構成了一個測量電容隨力F的作用而變化的測量電容器(9)，以及還設置了讓第一電極和第二電極產生電接觸的裝置(6)。

本發明涉及一種電容式力傳感器，其結構包括一個基面體以及一個平面的、可彈性變形的膜片體。在已知的力傳感器中，膜片體通過一個或者多個隔片緊貼在基面體上，所以膜片體和基面體之間就形成一個空腔，該空腔分別受膜片體的一側和基面體的一側的限制。在向膜片體施力時，空腔的容積發生變化。限定空腔的基面體和膜片體表面通常都有一個金屬層或者涂層，以此構成具有測量電容的測量電容器的彼此相對的電極。空腔填入電介質，例如空氣。

由于膜片體具有一定的彈性，在力的作用下會彎曲。因此電極彼此的距離會發生變化，受空腔或電極限定的電容器的電容也將產生相應的改變。相應的電容式力傳感器通常都是電子裝置的一部分，因此已知的做法是，用一塊電路板構成基面體和附屬的電極，如從US5,134,886A所知的那樣。這種力傳感器的缺點是，設計為在力的作用下彎曲的空腔同時也影響著測量電容。因此機械和電測量特性會相互影響。這在電容式力傳感器的機械或者電設計方面是個缺點。

因此，人們需要可以將機械耐用性和熱耐用性分開設計的、同時具有這兩種特性的電容式力傳感器。這一任務通過權利要求1所述的操作元件得到解決。各有利的設計方案分別為從屬權利要求的內容。需要指出的是，專利權利要求中單獨列出的特征可以按任意技術上合理的方式彼此組合，闡述本發明的其它設計方案。說明書，尤其是結合附圖的說明書，對發明的特點進行了額外的闡述和具體化。

本發明涉及一種電容式力傳感器。根據本發明所述的電容式力傳感器具有基面體以及平面的、可彈性變形的膜片體。此外，基面體和膜片體之間還設計有兩個彼此間隔布置的隔片，其中膜片體通過隔片支撐在基面體上。膜片體至少超出于一個隔片，并且超出部分構成了一個自由端。在膜片體和基面體之間，隔片之間的區域中形成有空腔，使得當力作用于隔片之間區域的膜片體上時，膜片體可以彎曲，并且在自由端上設計有第一電極，基面體上設計了第二電極，在此，第一和第二電極限定了一個隨力的作用而變化的測量電容。例如，測量電容會因局部彎曲產生的自由端相對于第二電極的位置變化而發生改變。此外，根據本發明，還設計了讓第一和第二電極產生電接觸的裝置。本發明意義上的“平面”指的是，有兩個維度的尺寸明顯比其余維度的大，例如至少大10個因數。例如，膜片體在最后所述的維度中尺寸小于2mm，例如1.5或者1.0mm，更優選的則是小于1mm，例如0.5mm。膜片體可被設計為方形平面結構。

由于采用本發明的設計，力的作用和測量電容在空間上有分隔，所以有利于獨立地對機械特性和電特性進行設置。例如，機械特性是由膜片體的設計決定的，例如材料選擇、尺寸、強度、隔片之間的凈尺寸選擇、膜片體和基面體之間的間隔；而電特性則可以通過自由端突出部分的尺寸、相對于基面體的方向和距離進行調整。

此外，根據本發明的力傳感器設計還允許在膜片體的介于隔片之間的區域布置一個缺口。該缺口不影響測量電容。

在優選實施例中，基面體是一塊電路板，第二電極通過金屬涂層或者電路板的金屬層形成。本發明意義上的電路板具有不導電的單層或者多層電路板基質，上面或者里面布有導電層，最好是金屬層。而第二電極則布置于，例如膜片體自由端的下方，最好上布置于面向自由端的電路板一面上。根據另一實施例，導電層則嵌入電路板基質中。而在另一實施例中，導電層還要覆蓋不導電的保護漆。例如，金屬層可以是設計于朝向膜片體的電路板基質表面上的銅涂層。此外，該銅層還可以鍍金。這一導電層或者涂層界定了第二電極，即力傳感器中測量電容隨力而變化的電容器的至少兩個電極中的一個。