壓力傳感器和可穿戴設備的製作方法

2023-06-07 21:02:01

本申請涉及傳感器領域，具體而言，涉及一種壓力傳感器和可穿戴設備。

背景技術：

用於智能可穿戴電子設備的壓力傳感器已有相關報導。其主要的局限性在於壓力開關導通壓強單一，無法應用於多個導通壓力閾值的應用場景；並且，這些壓力傳感器的輸出信號連續模擬信號，需進行模數轉換轉換為數位訊號才能進行後續的信號處理。

技術實現要素：

本申請的主要目的在於提供一種壓力傳感器和可穿戴設備，以解決現有技術中的壓力傳感器無法應用於多個導通壓力閾值場景的問題。

為了實現上述目的，根據本申請的一個方面，提供了一種壓力傳感器，該壓力傳感器包括：電路板，包括電極區域，上述電極區域包括間隔設置的多個電極對；導電彈性結構，設置在上述電路板的一側，包括第一區域，上述第一區域包括導電部，當未向上述導電彈性結構施加壓力時，上述導電部與各上述電極對處於隔離狀態，使得各上述電極對處於斷開狀態，當向上述導電彈性結構施加大於導通壓力閾值的壓力時，上述導電彈性結構發生形變，使得上述導電部與至少一個上述電極對接觸，使得至少一個上述電極對導通，不同的上述電極對的導通壓力閾值不同。

進一步地，上述電極區域位於上述電路板的中心區域，上述電極區域在與上述電路板的厚度方向垂直的第一平面的投影位於上述導電部在上述第一平面的投影的內部或與上述導電部在上述第一平面的投影重合。

進一步地，上述電極區域包括多個陰極與多個陽極，上述陰極與上述陽極一一對應，且一個上述陰極與對應的上述陽極形成一個上述電極對；或者上述電極區域包括一個陰極與多個陽極，一個上述陰極分別與多個上述陽極形成上述多個上述電極對；或者上述電極區域包括一個陽極與多個陰極，一個上述陽極分別於多個上述陰極形成上述多個上述電極對。

進一步地，上述電極區域包括N個上述電極對，其中，第X-1個上述電極對在上述電極區域的投影位於第X個上述電極對在上述電極區域的投影的內部，且第X+1個上述電極對中的上述陰極位於第X個上述電極對的上述陰極的遠離第X-1個上述電極對的上述陰極的一側，且第X+1個上述電極對中的上述陽極位於第X個上述電極對的上述陽極的遠離第X-1個上述電極對的上述陽極的一側。

進一步地，各上述陰極與各上述陽極包括弧段、豎直段以及連接在上述弧段與上述豎直段之間的傾斜段。

進一步地，上述電極區域包括一一對應的上述陰極與上述陽極，各上述陰極或各上述陽極的上述傾斜段在同一條直線上。

進一步地，各上述陰極與各上述陽極依次包括第一水平段、第一垂直段、第二水平段以及第二垂直段，其中，上述第一水平段與上述第二水平段平行，上述第一垂直段與上述第二垂直段平行，且上述第一垂直段連接在上述第一水平段與第二水平段之間，上述第二水平段連接在上述第一垂直段與上述第二垂直段之間。

進一步地，各上述電極對包括一一對應的上述陰極與上述陽極，各上述陰極或各上述陽極的上述第二水平段在同一條直線上。

進一步地，上述第一區域包括多個第一子區域，上述電極區域包括多個電極子區域，上述第一子區域與上述電極子區域一一對應設置，且當未向上述導電彈性結構施加壓力時，不同的上述第一子區域與對應位置的上述電極子區域之間的間距不同。

進一步地，上述電路板還包括圍繞上述電極區域設置的非電極區域，上述導電彈性結構還包括圍繞上述第一區域設置的第二區域，上述壓力傳感器還包括：連接部，設置在上述非電極區域與上述第二區域之間，用於固定連接上述非電極區域與上述第二區域。

進一步地，上述連接部為壓敏性膠粘帶。

進一步地，上述電路板還包括圍繞上述電極區域設置的非電極區域，上述壓力傳感器還包括：彈性固定件，設置在上述非電極區域上且圍繞上述導電彈性結構，用於固定上述導電彈性結構與上述電路板。

進一步地，上述彈性固定件為彈性固定圈。

根據本申請的另一方面，提供了可穿戴設備，包括壓力傳感器，該壓力傳感器為任一種上述的壓力傳感器。

應用本申請的技術方案，本申請中的壓力傳感器的電路板包括多個電極對，不同的電極對對應的導通壓力閾值不同，即嚮導電彈性結構施加不同的壓力(該壓力大於導通壓力閾值)時，不同的電極對導通，例如當電路板包括三個電極對，分別為第一電極對、第二電極對與第三電極對，這三個電極對對應第一導通壓力閾值、第二導通壓力閾值與第三導通壓力閾值，當嚮導電彈性結構施加的壓力小於第一導通壓力閾值時，導電彈性結構發生形變，但不足以讓導電區域與任何一個電極對接觸，即三個電極對均不導通，當施加的壓力大於第一導通壓力閾值且小於第二導通壓力閾值時，導電彈性結構發生形變使得第一電極對與導電區域接觸，進而使得第一電極對導通，當壓力逐漸增大且介於第二導通壓力閾值與第三導通壓力閾值之間時，導電彈性結構的形變逐漸增大，使得第二電極對與導電區域接觸，進而使得第二電極對也導通，當壓力繼續增大且大於第三導通壓力閾值時，導電彈性結構的形變進一步增大，使得第三電極對與導電區域接觸，進而使得第三電極對也導通。通過對導電彈性結構施加的壓力逐漸增大時，依次導通不同的電極對，進而能夠應用於多個導通壓力閾值的場景。

附圖說明

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用於解釋本申請，並不構成對本申請的不當限定。在附圖中：

圖1示出了根據本申請的一種實施例提供的壓力傳感器的結構示意圖；

圖2示出了本申請的另一種實施例提供的壓力傳感器在不同工作狀態時的結構示意圖；

圖3示出了本申請的再一種實施例提供的壓力傳感器在不同工作狀態時的結構示意圖；

圖4示出了本申請的又一種實施例提供的壓力傳感器在不同工作狀態時的結構示意圖；

圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)、圖5(d)、圖5(e)與圖5(f)示出了本申請的六種實施例提供電路板的結構示意圖；以及

圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)、圖6(d)與圖6(e)示出了本申請的五種實施例提供的導電彈性結構的結構示意圖。

其中，上述附圖包括以下附圖標記：

1、電路板；2、導電彈性結構；3、連接部；4、彈性固定件；11、電極區域；12、非電極區域；21、第一區域；22、第二區域；10、電極對；101、陰極；102、陽極；01、弧段；02、傾斜段；03、豎直段；04、第一水平段；05、第一垂直段；06、第二水平段；07、第二垂直段；210、第一子區域；110、電極子區域。

具體實施方式

應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這裡所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這裡所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括複數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語「包含」和/或「包括」時，其指明存在特徵、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術所介紹的，現有技術中的壓力傳感器無法應用於多個導通電壓閾值的場景，為了解決如上的技術問題，本申請提出了一種壓力傳感器和可穿戴設備。

本申請的一種典型的實施方式中，提供了一種壓力傳感器，如圖1所示，該壓力傳感器包括：電路板1，包括電極區域11與導電彈性結構2，其中，上述電極區域11包括多個間隔設置的電極對10；導電彈性結構2設置在上述電路板1的一側，包括第一區域21，上述第一區域21包括導電部，如圖2至圖4示出了本申請的壓力傳感器在不同狀態(未施加壓力以及施加不同的壓力對應的狀態)時的結構示意圖，當未向上述導電彈性結構2施加壓力時，上述導電部與各上述電極對10處於隔離狀態，使得各上述電極對10處於斷開狀態，當向上述導電彈性結構2施加大於導通壓力閾值的壓力時，上述導電彈性結構2發生形變，上述導電部與至少一個上述電極對10接觸，使得至少一個上述電極對10導通，不同的上述電極對10的導通壓力閾值不同。

上述的壓力傳感器的電路板包括多個電極對，不同的電極對對應的導通壓力閾值不同，即嚮導電彈性結構施加不同的壓力(該壓力大於導通壓力閾值)時，不同的電極對導通，例如當電路板包括三個電極對，分別為第一電極對、第二電極對與第三電極對，這三個電極對對應第一導通壓力閾值、第二導通壓力閾值與第三導通壓力閾值，當未嚮導電彈性結構施加壓力時，導電彈性結構未發生形變，導電彈性結構的導電部與電極區域中的各電極對處於隔離狀態，壓力傳感器處於斷路狀態，當嚮導電彈性結構施加的壓力小於第一導通壓力閾值時，導電彈性結構發生形變，但不足以讓導電區域與任何一個電極對接觸，即三個電極對均不導通，當施加的壓力大於第一導通壓力閾值且小於第二導通壓力閾值時，導電彈性結構發生形變使得第一電極對與導電區域接觸，進而使得第一電極對導通，當壓力逐漸增大且介於第二導通壓力閾值與第三導通壓力閾值之間時，導電彈性結構的形變逐漸增大，使得第二電極對與導電區域接觸，進而使得第二電極對也導通，當壓力繼續增大且大於第三導通壓力閾值時，導電彈性結構的形變進一步增大，使得第三電極對與導電區域接觸，進而使得第三電極對也導通。

通過對導電彈性結構施加的壓力逐漸增大時，依次導通不同的電極對，進而使得該壓力傳感器能夠應用於多個導通壓力閾值的場景。當壓力撤除時，導電彈性結構復位，電極對與導電部恢復隔離的狀態。

另外，壓力傳感器的導通壓力閾值的範圍以及導通壓力閾值的階躍精度(即相鄰電極對對應的兩個導通壓強閾值之間的差值)可以通過電路板上的電極對中的電極的形狀、大小、高低、密度及分布來調節。另外，還可以通過改變導電彈性結構的電學性能、力學性能及幾何結構來調節壓力傳感器的壓強測量範圍、重複性及遲滯。

並且，現有技術中的壓力傳感器輸出的信號為連續模擬信號，這些模擬信號需模數轉換變成數位訊號才能方便後續數據的處理，而本申請中的壓力傳感器輸出的信號本身就是階躍式信號，無需進行模數轉換就可方便進行後續的數位化處理，可以簡化後續的信號處理系統。

本申請中的導電彈性結構可以包括由導電材料形成的導電層與由彈性材料形成的彈性體，其中，導電層作為導電部，具體地，導電層通過層壓、塗覆、粘合、注塑或共混等成型加工工藝與彈性材料複合形成導電彈性結構，另外，可以根據實際情況選擇不同電阻率的材料。

本申請中的導電彈性結構還可以包括由導電材料與彈性材料形成的複合材料的導電部，具體可以通過共混、層壓、塗覆、粘合或注塑形成彈性導電結構。

本申請中的導電彈性結構中的彈性材料可以是聚氨酯樹脂、聚氨酯軟泡、矽橡膠、聚丙烯酸樹脂、彈性嵌段共聚物與彈性金屬中一種或多種，上述彈性導電結構具有優良的回彈性、耐疲勞性以及機械性能；上述導電彈性結構可以通過結構設計、電學性能和力學性能來調整壓力傳感器的導通壓力閾值範圍、重複性和遲滯。

本申請中的電路板可為柔性電路板、非柔性電路板或帶有印刷導電層的薄膜或板材。電路板包括電極區域，電極區域包括電極對，通過調整電極對中電極的寬窄、密度、分布及厚度來調節導通壓力閾值的範圍以及相鄰的電極對對應的導通壓力閾值之間的差值。另外，本領域技術人員可以根據實際情況選擇不同電阻率的導電材料形成電極對中的電極。

本申請中的導電部與電極區域在第一平面上的投影只要滿足「有重合的部分，並且該重合的部分對應的電極區域必須包括至少兩個電極對」即可，這樣才可以實現多個導通壓力閾值場景的應用。

具體地，在滿足上述條件的基礎上，導電部與電極區域在第一平面上的投影的面積的大小可以根據實際情況具體設置。例如導電部在第一平面上的投影面積可以小於電極區域在第一平面上的投影的面積，也可以大於電極區域在第一平面上的投影的面積。

為了實現電極區域中的各電極對均導通，進一步保證該壓力傳感器可以應用在多個導通電壓閾值的場景中。本申請的一種實施例中，如圖2所示，上述電極區域11位於上述電路板1的中心區域，上述電極區域11在第一平面的投影位於上述導電部在上述第一平面的投影的內部或與上述導電部在上述第一平面的投影重合，第一平面為與上述電路板1的厚度方向垂直的平面。

需要說明的是，本申請中的每個電極對對應兩個電極，一個陰極，一個陽極，並且，電極區域中的多個電極對中的陽極與陰極並不一定是一一對應的，即陰極與陽極的數目不一定相同，還可以是一對多，即一個陽極對應多個陰極或一個陰極對應多個陽極，例如電極區域中包括五個陰極與一個陽極，這一個陽極與五個陰極中的每一個都形成一個電極對，進而形成該電極區域中的五個電極對；還可以是多對多，即多個陽極對應多個陰極，例如電極區域包括兩個陰極與四個陽極，其中，每個陰極對應兩個陽極，每個陰極與對應的陽極形成一個電極對，進而形成該電極區域中的四個電極對。

本申請的一種實施例中，如圖5(a)、圖5(c)、圖5(d)與圖5(e)所示，上述電極區域包括多個陽極102與多個陰極101，且陽極102與上述陰極101一一對應，且一個上述陽極102與對應的上述陰極101形成一個電極對10。

本申請的另一種實施例中，上述電極區域包括一個陰極與多個陽極，一個上述陰極分別與多個上述陽極形成上述多個電極對，或者上述電極區域包括一個陽極與多個陰極，一個上述陽極分別於多個上述陰極形成上述多個電極對，圖5(b)示出的是一個陽極102對應多個陰極101的情況。

本申請的一種具體的實施例中，如圖5(a)至圖5(f)所示，上述電極區域11包括N個上述電極對10，分別是第一個電極對、第二個電極對、…第X-1個電極對、第X個電極對、第X+1個電極對…第N個電極對，各上述電極對10包括一個陰極101與一個陽極102，第X-1個上述電極對10在上述電極區域11的投影位於第X個上述電極對10在上述電極區域11的投影的內部，且第X+1個上述電極對10中的陰極101位於第X個上述電極對10的陰極101的遠離第X-1個上述電極對10的陰極101的一側，且第X+1個上述電極對10中的陽極102位於第X個上述電極對10的陽極102的遠離第X-1個上述電極對10的陽極102的一側。這樣將電極對依次遠離電極區域的中心設置且將各電極對陰極與陽極分別設置在該中心的兩側，當對導電彈性體施加的壓力逐漸增大時，電極對依次導通，進一步確保了該壓力傳感器能夠應用於多個導通壓力閾值的場景中。

本申請的另一種實施例中，如圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)、圖5(d)與圖5(e)所示，各上述陰極101與各上述陽極102包括弧段01、豎直段03以及連接在上述弧段01與上述豎直段03之間的傾斜段02。

為了簡化該壓力傳感器的製作工藝，本申請的一種實施例中，當上述電極區域包括一一對應的上述陰極與陽極時，各上述陰極或各上述陽極的上述傾斜段在同一條直線上，如圖5(a)、圖5(c)與圖5(e)示出了各陰極101的傾斜段02在同一條直線上的情況；圖5(d)示出了各陽極102的傾斜段02在同一條直線上的情況。

但是，上述的陰極與陽極並不一定限於均具有弧段、傾斜段以及豎直段的結構，本領域技術人員可以根據實際情況選擇二者的具體結構，可以均具有上述的結構，也可以均不具有上述的結構，也可以是其中的一個具有上述結構。

本申請中的另一種實施例中，如圖5(f)所示，上述各上述陰極101與各上述陽極102依次包括第一水平段04、第一垂直段05、第二水平段06以及第二垂直段07，其中，上述第一水平段04與上述第二水平段06平行，上述第一垂直段05與上述第二垂直段07平行，且上述第一垂直段05連接在上述第一水平段04與第二水平段06之間，上述第二水平段06連接在上述第一垂直段05與上述第二垂直段07之間。

為了簡化該壓力傳感器的製作工藝，本申請的一種實施例中，當上述電極區域包括一一對應的上述陰極與陽極時，各上述陰極或各上述陽極的上述第二水平段在同一條直線上，圖5(f)示出了各陽極102的第二水平段06在同一條直線上。

當然，陰極與陽極並不一定限於均具有第一水平段、第一垂直段、第二水平段以及第二垂直段的結構，本領域技術人員可以根據實際情況選擇二者的具體結構，可以均具有上述的結構，也可以均不具有上述的結構，也可以是其中的一個具有上述結構。

本申請的再一種實施例中，如圖2所示，上述電路板1還包括非電極區域12，上述非電極區域12圍繞上述電極區域11設置。非電極區域的設置方便電路板與導電彈性結構的固定。

本申請的電路板包括基底與設置在基底中或者基底表面上的多個電極對，多個電極對間隔設置，且多個電極對所在的區域即為電極區域。本申請中的電路板中除了電極的結構以及設置方式與現有技術中的不同之外，電路板的其他的特徵，比如電極的材料以及基底的材料均與現有技術中的相同，此處就不再贅述了。

本申請中的導電彈性結構的形狀可以是任何可以實現本申請的技術效果的形狀，可以是圓柱體、長方體或者不規則的形狀。本領域技術人員可以根據實際情況設置合適形狀的導電彈性結構。

本申請的一種實施例中，如圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)、圖6(d)與圖6(e)所示，上述第一區域21靠近上述電極區域11的表面為曲面或平面，上述第一區域21的遠離上述電極區域11的表面為曲面或平面。

本申請中的另一種實施例中，如圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)、圖6(d)與圖6(e)所示，上述第二區域22靠近上述電路板的表面突出於第一區域靠近電路板的表面，上述第一區域21的遠離上述電極區域11的表面突出於上述第二區域22的遠離上述電極區域11的表面。

為了更好地將上述彈性導電結構固定在上述電路板上，本申請的一種實施例中，如圖2與圖4所示，上述導電彈性結構2還包括圍繞上述第一區域21設置的第二區域22，當未向上述導電彈性結構2施加壓力時，在上述電路板1的厚度方向上，上述第一區域21的靠近上述電極區域11的表面與上述電路板1之間的距離為D1，上述第二區域22的靠近上述電極區域11的表面與上述電路板1之間的距離為D2，D1>D2。

本申請的又一種實施例中，如圖3與圖4所示，上述第一區域21包括多個第一子區域210，且當未向上述導電彈性結構2施加壓力時，不同的上述第一子區域210與對應位置的電極區域11之間的間距不同，這裡的「對應位置」就是指正對下方的。

為了更好地控制多個電極對的導通，本申請的一種實施例中，如圖3與圖4所示，上述電極區域11包括多個電極子區域110，上述第一子區域210與上述電極子區域110一一對應設置，且不同的上述第一子區域210與對應位置的上述電極子區域110之間的間距不同，這裡的「對應位置」就是指正對下方的。

由於電極對可以是設置在基底的表面上，也可以是設置在基底中，因此，上述的電極子區域可以是只包括電極的區域，也可以是包括基底與電極的區域。當是只包括電極的區域時，通過將電極設置為不同的厚度進而實現與電路板或者第一子區域之間的間距不同，如圖5(d)與圖5(e)所示。

另外需要說明的是，包括電極子區域的壓力傳感器並不一定包括第一子區域，也可以不包括第一子區域，第一子區域與電極子區域均可以單獨存在於壓力傳感器中，也可以同時存在於壓力傳感器中，本領域技術人員可以根據實際情況進行設置。

為了更好地將導電彈性結構固定在電路板上，本申請的一種實施例中，如圖2與圖4所示，上述壓力傳感器還包括連接部3，設置在上述非電極區域12與上述第二區域22之間，用於固定連接上述非電極區域12與上述第二區域22。

本申請中的連接部的材料可以是金屬材料、有機材料和/或無機非金屬材料，連接件使電路板與導電彈性結構連接的方式可為粘接、榫接、焊接、鉸接、鎖扣以及螺紋連接中的一種或多種。

為了以簡單的方式實現電路板與導電彈性結構連接，上述連接部的原料為高分子材料，上述連接方式為粘接。具體的連接部可選用溶劑型膠粘帶、乳液型膠粘帶、熱熔型膠粘帶、壓敏型膠粘帶、壓延型膠粘帶或反應型膠粘帶。

本申請的另一種實施例中，上述連接部為壓敏性膠粘帶，這樣可以更進一步確保導電彈性結構與電路板的連接的可靠性。

為了進一步使得壓力傳感器中的電路板、導電彈性結構牢固地連接在一起，且進一步保證增強壓力傳感器的抗剪切性能、抗衝擊性能以及疲勞性能。本申請的一種實施例中，如圖1與圖2所示，上述壓力傳感器還包括彈性固定件4，彈性固定件4設置在上述非電極區域12上且圍繞上述導電彈性結構2，用於固定上述導電彈性結構2與上述電路板1。

上述彈性固定件的材料可選用丙烯酸樹脂、環氧樹脂、熱熔膠、不飽和聚酯、室溫硫化矽橡膠與高溫硫化矽橡膠中的一種或多種。

為了簡化工藝，本申請中的一種實施例中，彈性固定件的材料選擇室溫硫化矽橡膠，該材料可通過點膠、塗覆、粘合、注塑等工藝複合到導電板上且圍繞彈性導電結構。

本申請的再一種實施例中，如圖1所示，上述彈性固定件4為彈性固定圈。彈性固定圈結構簡單，安裝方便。

本申請中的壓力傳感器的製作方法可以是任何可以得到該壓力傳感器的方法，具體的一種實施例中，壓力傳感器的製備方法包括以下步驟：將導電層與彈性體材料經過成型加工工藝製備成到點彈性結構；當採用粘結的方式將導電彈性結構與電路板固定連接時，在粘結後，對彈性導電結構施加一定時長的法向壓力(平行電路板的厚度方向)，以增加粘合強度，採用連接件將導電彈性結構與電路板固定連接。

另一種具體的實施例中，上述製作方法還包括將上述彈性固定件的材料經工藝複合到導電彈性結構的周圍且位於電路板上。

本申請的再一種典型的實施方式中，提供了一種可穿戴設備，該可穿戴設備包括壓力傳感器，上述壓力傳感器為任一種上述的壓力傳感器。

該可穿戴設備具有多個導通壓力閾值，使得其的實用性更強，且該可穿戴設備中的壓力傳感器的輸出信號由於是階躍式信號，所以後期不需要經過模數轉換，使得該設備中的信號處理裝置更簡單。

具體地，該可穿戴設備可以是智能鞋、智能鞋墊、智能襪子、智能坐墊以及智能服裝等可穿戴智能紡織品。但是並不限於上述提到的這些可穿戴設備，本領域技術人員可以根據實際情況將上述壓力傳感器應用在任何可以應用的領域中。

從以上的描述中，可以看出，本申請上述的實施例實現了如下技術效果：

1)、本申請中的壓力傳感器能夠應用於多個導通壓力閾值的場景，且壓力傳感器輸出的信號本身就是階躍式信號，無需進行模數轉換就可方便進行後續的數位化處理，可以簡化後續的信號處理系統。

2)、本申請的可穿戴設備具有多個導通壓力閾值，使得其的實用性更強，且該可穿戴設備中的壓力傳感器的輸出信號由於是階躍式信號，所以後期不需要經過模數轉換，使得該設備中的信號處理裝置更簡單。

以上所述僅為本申請的優選實施例而已，並不用於限制本申請，對於本領域的技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護範圍之內。