电容式压力感测装置以及电子设备的制作方法

1.本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种电容式压力感测装置以及电子设备。


背景技术：

2.电容式压力传感器是一种利用电容作为敏感元件，将被测压力转换成电容值改变的压力传感器。目前市面上的电容式压力传感器一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的两个电极板，当电极板感受压力而改变两个电极板之间的距离时，两个电极板之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电容量成一定关系的电信号。然而，这种结构的电容式压力传感器通常只能够对作用在电极板或者电极板所在平面上的按压进行检测，对于其他一些方向的按压，例如作用在两个电极板之间的按压，压力传感器将无法准确地感测，因此现有的压力传感器的压力感测区域较小，对于不同方向压力的检测能力有限。


技术实现要素：

3.本申请的目的在于提出一种电容式压力感测装置以及电子设备，以解决上述问题。本申请通过以下技术方案来实现上述目的。
4.第一方面，本申请实施例提供了一种电容式压力感测装置，包括弹性载体、第一电容极板和第二电容极板，弹性载体为围合形态，包括分别位于弹性载体两端的第一端面和第二端面，且第一端面和第二端面相互错开；第一电容极板沿第一端面至第二端面的方向设置于弹性载体；第二电容极板沿第二端面至第一端面的方向设置于弹性载体，第一电容极板和第二电容极板在弹性载体的径向上的重合面积随弹性载体的形变发生变化。
5.第二方面，本申请实施例提供了一种电子设备，包括壳体以及第一方面所述的电容式压力感测装置，电容式压力感测装置设置于壳体。
6.相对于现有技术，本申请实施例提供的电容式压力感测装置，包括弹性载体、第一电容极板和第二电容极板，弹性载体可受压发生形变，第一电容极板和第二电容极板在弹性载体的径向上的重合面积随弹性载体的形变发生变化，进而导致第一电极板和第二电极板构成的电容器的电容大小发生变化，因此通过检测电容大小即可感测作用在弹性载体上的压力，实现压力感测功能。另外，在弹性载体周向的任意位置按压都能够引起弹性载体发生形变，因此电容式压力感测装置能够对作用在弹性载体周向任意位置的压力进行感测，压力感测区域大大增加。
附图说明
7.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的附图。
8.图1是本申请实施例提供的电容式压力感测装置的结构示意图。
9.图2是图1所示实施例提供的电容式压力感测装置沿a
‑
a方向截面图。
10.图3是图1所示实施例提供的电容式压力感测装置在受压时沿a
‑
a方向的截面图。
11.图4是本申请另一实施例提供的电容式压力感测装置的剖面图。
12.图5是图4所示实施例提供的电容式压力感测装置在受压时的剖面图。
13.图6是本申请又一实施例提供的电容式压力感测装置的剖面图。
14.图7是本申请再一实施例提供的电容式压力感测装置的剖面图。
15.图8是本申请再一实施例提供的电容式压力感测装置的局部剖面图。
16.图9是本申请实施例提供的电容式压力感测装置的又一剖面图。
17.图10是本申请实施例提供的电子设备的剖面图。
具体实施方式
18.下面详细描述本申请的实施方式，所述实施方式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方式是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
19.为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
20.请一并参阅图1和图2所示，本申请实施例提供的电容式压力感测装置100包括弹性载体110、第一电容极板120和第二电容极板130，弹性载体110为围合形态，弹性载体110包括分别位于弹性载体110的第一端面111和第二端面112，且第一端面111和第二端面112相互错开。
21.第一电容极板120沿第一端面111至第二端面112的方向(参照第一方向x1)设置于弹性载体110，第二电容极板130沿第二端面112至第一端面111的方向(参照第二方向x2)设置于弹性载体110，第一电容极板120和第二电容极板130在弹性载体110的径向上的重合面积随弹性载体110的形变发生变化。
22.本实施例中，弹性载体110可以是全包围结构以形成围合形态，第一端面111和第二端面112位于弹性载体110的周向两端。在一些实施方式中，弹性载体110也可以是未受压时为非全包围结构，例如第一端面111和第二端面112在弹性载体110未受压时相对设置形成开口，在弹性载体110受压后，第一端面111和第二端面112沿相反方向移动，弹性载体110再形成全包围结构。
23.弹性载体110用于承受外界压力，在外界压力的作用下，弹性载体110发生形变，进而带动第一电容极板120和第二电容极板130在弹性载体110的径向上的重合面积发生变化。而在外界压力消失后，弹性载体110在弹性恢复力的作用下恢复原状，第一电容极板120和第二电容极板130可以恢复到初始位置。
24.示例性的，结合图2和图3所示，当弹性载体110未受到外界压力的作用时，第一电容极板120和第二电容极板130位于初始位置，第一电容极板120和第二电容极板130在弹性载体110的径向上的重合面积可以为s
11
。当弹性载体110受到外界压力的作用时，弹性载体
110可以收拢变形，第一电容极板120和第二电容极板130同步发生移动，第一电容极板120和第二电容极板130在弹性载体110的径向上的重合面积可以为s
12
。
25.第一电容极板120和第二电容极板130在弹性载体110的径向上的重合部分可以构成一个电容器，根据电容计算公式：c＝εs/d，其中，c为电容大小，s为第一电极板120和第二电极板130在弹性载体110的径向上的重合面积(例如s
11
或者s
12
)，d为第一电极板120和第二电极板130在弹性载体110的径向上的间隔距离，ε为第一电极板120和第二电极板130之间介电层的介电常数)可知，当重合面积发生变化时(例如由s
11
变为s
12
)，电容器的电容大小c发生变化。因此，作用在弹性载体110的压力将导致第一电极板120和第二电极板130之间的电容大小发生变化，电容式压力感测装置100通过感测电容大小即可感测作用在弹性载体110上的压力，实现压力感测功能。由于在弹性载体110周向的任意位置按压都能够引起弹性载体110发生形变，进而被电容式压力感测装置100所感测，因此电容式压力感测装置100能够对作用在弹性载体110周向任意位置上的压力进行检测，压力感测区域大大增加。
26.弹性载体110可受压收拢，并带动第一端面111和第二端面112沿相反的方向移动，例如第一端面111沿第二方向x2移动，第二端面112沿第一方向x1移动。第一电容极板120和第二电容极板130在弹性载体110的径向上的重合面积可以与弹性载体110所承受的压力成正相关。
27.作为一种示例，在弹性载体110未受到外界压力的作用时，第一电容极板120和第二电容极板130在弹性载体110的径向上的重合面积最小(例如s
11
)；而在按压弹性载体110后，随着压力的不断增大，第一电容极板120和第二电容极板130在弹性载体110的径向上的重合面积越大(例如由s
11
增大为s
12
)，而第一电容极板120和第二电容极板130所形成的电容大小与第一电容极板120和第二电容极板130在弹性载体110的径向上的重合面积正相关，此时可直接根据电容值的变化趋势判断外界压力值的变化趋势，例如当电容值增大时，可以确定外界压力值也是增大的，当电容值减小时，外界压力也是减小，检测结果清楚直观。
28.当然，也可以根据电容值的大小计算出外界压力值的大小，例如电容式压力感测装置100还可以包括存储模块(未示出)，存储模块预存储有电容值与压力值的映射表，映射表中不同的电容值对应不同的压力值，当电容式压力感测装置100获取到一个电容值时，可以在映射表中查找该电容值，并将查找到的该电容值对应的压力值作为检测到的外界压力值，从而能够根据检测到的电容值的大小获取外界压力值的大小。在一些实施方式中，存储模块也可以预存储有电容值与压力值的关系式，根据关系式在输入一个电容值后可直接计算出压力值大小。
29.请参阅图4和图5所示，在一些实施例中，第一电容极板120和第二电容极板130在弹性载体110的径向上的重合面积也可以与弹性载体110所承受的压力成负相关。
30.例如，在弹性载体110未受到外界压力的作用时，第一电容极板120和第二电容极板130在弹性载体110的径向上的重合面积最大(例如s
21
)。而在按压弹性载体110后，随着压力的不断增大，第一电容极板120和第二电容极板130在弹性载体110的径向上的重合面积越小(例如由s
21
减小为s
22
)，导致第一电容极板120和第二电容极板130所形成的电容越小，通过预先建立的电容值与压力值的映射表或者电容值与压力值的关系式，同样可以通过检
测电容值的大小获取外界压力值的大小。
31.仍请参阅图1和图2所示，弹性载体110可以包括沿弹性载体110的径向相互间隔的第一层113和第二层114，第一层113包括第一端面111，第二层114包括第二端面112，第一电容极板120设置于第一层113，第二电容极板130设置于第二层114。
32.电容式压力感测装置100通过第一层113和第二层114分别实现第一电容极板120和第二电容极板130的承载，当弹性载体110受压收拢时，第一层113和第二层114沿相反的方向移动，进而带动第一电容极板120和第二电容极板130在弹性载体110的径向上的重合面积发生变化。
33.弹性载体110还可以包括连接部115，第一层113、连接部115和第二层114依次连接并呈围合形态，连接部115可以用作支撑座以固定电容式压力感测装置100。示例性的，当电容式压力感测装置100用于检测作用在电子设备壳体上的按压力时，可以将连接部115固定连接于该电子设备壳体，完成电容式压力感测装置100的组装固定，在弹性载体110受压时，弹性载体110以连接部115与电子设备壳体的连接处为支点发生形变。
34.弹性载体110可以为弹性带体116，弹性载体110为由弹性带体116卷曲形成的螺旋结构。在一些实施方式中，可以通过螺旋结构的卷曲程度改变弹性载体110的外径，使得弹性载体110可以收容于不同内径的壳体内，实现对该壳体的压力检测，通用性强。另外，螺旋结构可以保证弹性载体110在受压后可收拢变形(卷曲程度增大)，而在外力撤销后可以恢复原状(卷曲程度减小)，进而增强弹性载体110的弹性形变能力。
35.弹性带体116可以经过卷曲成型形成呈螺旋结构的弹性载体110，第一层113和第二层114可以分别位于弹性载体110周向的两个自由端。当弹性载体110为螺旋结构时，第一层113、连接部115和第二层114均为弧形板，且第一层113、连接部115和第二层114的弧长之和等于弹性带体116的长度。
36.本实施例中，第一电容极板120的一侧可以与第一端面111平齐，第一电容极板120的另一侧沿第一端面111至第二端面112的方向(参照第一方向x1)延伸。第二电容极板130的一侧可以与第二端面112平齐，第二电容极板130的另一侧沿第二端面112至第一端面111的方向(参照第二方向x2)延伸。
37.在一些实施方式中，第一电容极板120也可以凸出于第一端面111外，或者相对于第一端面111沿第一端面111至第二端面112的方向缩进。第二电容极板130也可以凸出于第二端面112外，或者相对于第二端面112沿第二端面112至第一端面111的方向缩进。
38.本实施例中，第一电容极板120的弧长和第二电容极板130的弧长可以根据实际需求进行设置，只要保证第一电容极板120和第二电容极板130在弹性载体110的周向上具有足够的间隙，以使得第一电容极板120和第二电容极板130保持相互绝缘即可。
39.请参阅图6所示，在一些实施例中，弹性载体110也可以为框体结构。具体地，连接部115包括第一连接臂1151、第二连接臂1152和连接底板1153，第一连接臂1151和第二连接臂1152相对设置，连接底板1153连接于第一连接臂1151和第二连接臂1152之间，并与第一连接臂1151和第二连接臂1152呈角度连接，例如第一连接臂1151和第二连接臂1152可以均垂直于连接底板1153。
40.第一层113和第二层114可以均为弧形板，第一层113连接于第一连接臂1151背离连接底板1153的一侧，第二层114连接于第二连接臂1152背离连接底板1153的一侧，且第一
层113和第二层114的圆心均位于弹性载体110内。当以连接底板1153为支点时，按压第一层113、第二层114、第一连接臂1151或者第二连接臂1152均可以使得弹性载体110受压收拢，而在以第一层113或者第二层114为支点时，按压连接底板1153也可以使得弹性载体110受压收拢，进而被电容式压力感测装置100所感测。因此当弹性载体110为框体结构时，电容式压力感测装置100也能够对作用在弹性载体110周向任意位置上的压力进行感测。
41.请参阅图7所示，在一些实施例中，当弹性载体110为螺旋结构时，弹性载体110还可以包括第三层117，第三层117的数量可以为一个或者多个，第一层113和第二层114以及第三层117可以沿弹性载体110的径向依次排列。第一电容极板120可以设置于第一层113和第二层114，第二电容极板130可以设置于第三层117，且第一电容极板120和第二电容极板130在弹性载体110的周向上间隔设定距离以实现绝缘。
42.本实施例中，当第一电容极板120和第二电容极板130对应的圆心角度数至少有一个小于360
°
时，第一电容极板120和第二电容极板130构成电容的有效面积等于弧长最小的电容极板的面积。以图7为示例进行说明，第二电容极板130对应的圆心角度数小于360
°
，且第二电容极板130的弧长小于第一电容极板120的弧长，则第一电容极板120和第二电容极板130构成电容的有效面积等于第二电容极板130的面积。当第一电容极板120和第二电容极板130对应的圆心角度数均大于360
°
时，第一电容极板120和第二电容极板130构成电容的有效面积为位于内层的电容极板的单圈(圆心角度数等于360
°
)面积。
43.本实施例中，第一电容极板120和第二电容极板130可以是柔性电极薄膜，通过减薄厚度可以使得第一电容极板120和第二电容极板130具有一定的弯曲变形能力，可以在弹性载体110的带动下与弹性载体110同步发生变形。
44.在一些实施方式中，第一电容极板120和第二电容极板130的材料可以选用金、铂、镍、银、铟、导电碳中的一种或多种的组合材料形成，第一电容极板120和第二电容极板130可以通过印刷、粘接等方式形成于弹性载体110。
45.仍请参阅图2所示，第一层113在弹性载体110未受压时至少部分和第二层114在弹性载体110的径向上重合。例如，第一层113位于弹性载体110的外层，第二层114位于弹性载体110的内层，第一层113和第二层114在弹性载体110的径向上部分重合。由此，在弹性载体110受压时，第一层113可以沿着第二层114移动，第二层114可以沿着第一层113移动，从而能够对第一层113和第二层114起到导向作用，使得弹性载体110在受压后进行的是卷曲程度不断增大的收拢变形，而不发生其他变形，例如弹性载体110被压扁等。
46.第一层113可以包括第一表面1131，第二层114可以包括第二表面1141，第一表面1131和第二表面1141位于弹性载体110的同一侧，第一电容极板120贴合于第一表面1131，第二电容极板130贴合于第二表面1141，弹性载体110采用弹性介电材料制成。弹性载体110位于第一电容极板120和第二电容极板130之间的部分用作电容器的绝缘介质层，第一电容极板120、弹性载体110和第二电容极板130在弹性载体110的径向上的重合部分构成一个电容器。本实施例中，弹性载体110即可以用于承接外部压力，也可以充当构成电容的绝缘介质层，结构设计巧妙实用。
47.弹性载体110可以采用橡胶或者pe(polyethylene，聚乙烯)、tpe(thermoplastic elastomer，热塑性弹性体)、聚对苯二甲酸乙二醇酯弹性等材料制成，这些材料既符合绝缘电解质的要求，也具有一定的柔韧性，在制成弹性载体110后，可以使得弹性载体110能够弯
曲变形。
48.请参阅图8所示，在一些实施例中，第一层113包括第一表面1131，第二层114包括第二表面1141，第一表面1131和第二表面1141位于弹性载体110的相背两侧，第一电容极板120贴合于第一表面1131，第二电容极板130贴合于第二表面1141，第一电容极120和第二电容极板130之间设有介质层140。第一电容极120、第二电容极板130和介质层140在弹性载体110的径向上的重合部分构成电容。
49.本实施例中，弹性载体110可以采用任意的具有弹性的材料制成，只要能够保证第一电容极板120和第二电容极板130之间相互绝缘即可，而不必考虑是否符合绝缘电介质的要求，材料可选择范围增大。介质层140可以是空气层，也可以是聚乙烯、聚氯乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯等具备一定弹性的绝缘介质层，使得介质层140具备一定的形变能力，可以与弹性载体110同步发生形变。
50.在一些实施方式中，当介质层140为空气层时，第一电容极板120和第二电容极板130在弹性载体110的径向上相互间隔即可形成介质层140。当介质层140为绝缘介质层时，介质层140可以贴合于第一电容极板120或者第二电容极板130，并位于第一电容极板120和第二电容极板130之间，介质层140的弧长可以等于弧长最小的电容极板。
51.请参阅图9所示，电容式压力感测装置100还可以包括按压部150，按压部150与弹性载体110相抵，通过按压按压部150可以使得弹性载体110发生形变。按压部150用于增大电容式压力感测装置100的承压表面，使得电容式压力感测装置100可以感测作用在弹性载体110外的压力，而不局限于感测作用在弹性载体110上的压力。
52.按压部150可以包括相对设置的按压板151和支撑板152，弹性载体110抵持于按压板151和支撑板152之间。按压板151用于承压，支撑板152用于固定弹性载体110，使得弹性载体110在受压后可以收拢变形，而不是发生整体移动。
53.当电容式压力感测装置100用于感测作用在电子设备上的压力时，按压板151可以与电子设备的受压面相互贴合，例如当电子设备的受压面为平面时，按压板151可以为平板结构；当电子设备的受压面为弧面时，按压板151可以为弧形板结构，使得受压面任意位置的按压均能够通过按压板151传递到弹性载体110，引起弹性载体110发生形变，进而使得电容式压力感测装置100可以感测作用在受压面任意位置的压力。
54.支撑板152的数量可以是一个或者多个，当支撑板152的数量为一个时，支撑板152可以与按压板151相对设置。当支撑板152的数量为多个时，多个支撑板152可以沿弹性载体110的周向排列设置，并均与弹性载体110相抵，用于对弹性载体110进行限位，避免弹性载体110在受压后不发生收拢变形而是被压扁。
55.弹性载体110还可以具有空腔119，电容式压力感测装置100还可以包括限位件160，限位件160设置于空腔119内，限位件160在弹性载体110形变时可与弹性载体110相抵，避免因外界压力过大而导致弹性载体110被压扁。
56.限位件160可以大致为柱状结构，限位件160的轴线方向与弹性载体110的轴线方向一致，限位件160的大小可以根据空腔119的大小进行适应性调整。空腔119除了用于收容限位件160外，还可以用作电子器件的存储空间，以提高空间利用率。
57.电容式压力感测装置100还包括电容检测电路(未示出)，电容检测电路与第一电容极板120和第二电容极板130电性连接。电容检测电路用于检测第一电容极板120和第二
电容极板130所构成的电容器的电容大小，并输出检测结果。本实施例中，电容检测电路可以收容于空腔119内，并通过连接线与第一电容极板120和第二电容极板130建立电连接。
58.请参阅图10所示，本申请实施例还提供一种电子设备200，电子设备200可以是任一具有触控功能的电子设备。例如，电子设备200可以是智能手机、平板电脑、可穿戴设备、电子阅读器以及车载设备等。
59.电子设备200包括壳体210以及电容式压力感测装置100，电容式压力感测装置100设置于壳体210，用于感测作用在壳体210上的按压力。
60.当壳体210为围合形态并与弹性载体110相互适配时，壳体210的内壁可以与弹性载体110相互贴合，此时作用在壳体210外周面任意位置的按压均能够引起弹性载体110发生形变，进而被电容式压力感测装置100所感测。而对于背景技术中所描述的传统压力传感器而言，则需要在壳体210布置多个压力传感器才能够实现对外周面任意位置的按压进行感测，而电容式压力感测装置100只需一个即可实现，结构更加简单，安装也更加方便。示例性的，壳体210可以为筒状结构，弹性载体110可以为螺旋结构，壳体210的内径与弹性载体110的外径大致相等。
61.当然，壳体210也可以是其他结构，例如智能手机、平板电脑等常用的长方体结构。此时，弹性载体110可以与壳体210部分贴合，作用在壳体210上的按压同样能够引起弹性载体110发生形变，进而被电容式压力感测装置100所感测。电子设备200可以包括多个电容式压力感测装置100，多个电容式压力感测装置100可以均匀布置在壳体210内，以提高压力检测灵敏度。
62.电子设备200还可以包括控制电路，控制电路与电容检测电路电连接，电容检测电路用于检测第一电容极板120和第二电容极板130之间的电容值，并发送到控制电路。控制电路还可以存储有电容阈值，用于判断电容检测电路检测的电容值是否大于电容阈值；若超过，则判定壳体210被按压，进而控制执行按压操作对应的响应动作，避免误触。
63.关于电容式压力感测装置100的详细结构特征请参阅上述实施例的相关描述。由于电子设备200包括上述实施例中的电容式压力感测装置100，因而具有电容式压力感测装置100所具有的一切有益效果，在此不再赘述。
64.以上所述，仅是本申请的较佳实施例而已，并非对本申请作任何形式上的限制，虽然本申请已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本申请，任何本领域技术人员，在不脱离本申请技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本申请技术方案内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本申请技术方案的范围内。