图八 电感式压力传感原理

线圈绕在铁芯上，铁芯和衔铁都由导磁材料制成，衔铁与铁芯之间的气隙距离为d，由电磁感应定律可知，线圈电感量近似计算公式为：

其中：

N为绕制在铁芯上的线圈匝数

μ0为空气的磁导率

Ae为铁芯截面积

d为铁芯与衔铁之间的气隙厚度

L为线圈电感量

可见只要改变铁芯和衔铁之间的气隙或气隙截面积就可以改变磁路的气隙磁阻。

当压力作用于衔铁上，衔铁和铁芯之间的气隙d发生变化，引起气隙中的磁阻发生变化，从而导致线圈电感量的变化。再由处理电路，常用的处理电路有交流电桥式、变压器式以及谐振式等，把这个电感的变化转化成相应的电信号输出，从而达到判断按压动作的目的。

电感式压力传感器，具有结构相对简单，没有活动的电触点，寿命长，工作可靠。其致命缺点是自身频率响应低，不适合需要快速动态检测的应用场景。

4.3 红外式压力传感器检测技术

红外式压力传感器检测技术是利用红外线的物理特性进行按压位移检测的传感器检测技术。

红外线是一种不可见光，具有光线的所有特性，比如透射、反射、折射、散射、吸收等等。红外传感器根据红外光产生的方式可以分为主动式红外传感器和被动式红外传感器。在红外式压力传感器检测技术中，使用的是主动式红外传感器。

主动式红外传感器技术主要采用一发一收的系统结构，发射机是由电源、发光源和光学系统组成，接收机由光学系统、光电传感器、放大器、信号处理等部分组成。发射机中的红外发光二极管在电源的激发下发出一束经调制的红外光束，被红外接收机接收，把光信号转成电信号，经电路处理后传输给MCU处理。从而在发射机和接收机之间形成一条红外光束组成的警戒线。正常情况下，接收机接收到一个稳定的光信号，当发射机和接收机发生错位时，或红外光反射、折射距离变化时，必然会全部或部分遮挡红外光束，使得接收机接收到的红外信号发生变化，输出的电信号的强度会因此发生变化，从而检测出发生位移。

在使用主动式红外传感器检测位移时，需要保证以下条件：

① 发射机和接收机的安装位置需要处于同一平面，且夹角固定，确保发射机发射出的红外光被接收机有效接收。

②当发生位移时，需要发射机和接收机之间的位移要有足够的大的位移行程，确保红外信号的变化能被检测出来。由于需要机械位移行程，结构上就会存在空隙，就会带来防水问题，这就需要增加额外的结构设计来解决防水问题。

③在不同使用温度环境中，发射机发射出的红外光束不能出现明显的变化。对于环境温度过低的场景，需要专用的加热器以保证探测器的正常工作。

④在整个产品的使用周期中，需要为红外检测系统提供一个相对干净、密封的工作环境，以避免出现水汽、灰尘的脏乱情况，确保在相同位移行程的条件下，产生的信号变化量一致。

综上所述，利用红外检测技术实现压感操作，存在如下痛点：

①结构不能设计成一体式结构，存在防水问题。

②对红外光发射装置和接收装置安装位置要求位于同一平面，且夹角固定，精度要求高，增加生产装配难度。

③需要增加额外的防尘、防水设计，以达到防尘防水要求，减少红外光束反射。

④发光管线性度差，软件算法复杂。

⑤系统复杂，功耗高，器件多，成本高。不能使用在高密度按键区域。

4.4 MEMS压力传感器检测技术

MEMS压力传感器检测方案，是一种高灵敏度的、高集成的、采用硅工艺的压力检测方案。通过MEMS元器件作为敏感器件，将触摸表面的形变转化成电压变化，通过芯片内部电路将电压模拟量转化为数字量，再通过芯片内置的比较器，对按压操作进行判断。

该方案优点在于能检测出触摸按压面板的微小形变，在理想情况下具有高灵敏度的特性，同时硬件设计简单，无设计门槛。与此同时，在产品设计、生产过程及性能方面存在如下问题，限制了其大规模在汽车应用的可行性：

①传感器芯片尺寸小，厚度薄，强度小，导致芯片在运输、保压甚至是用户使用过程中非常容易损坏，这是高可靠性要求的汽车应用中首要规避的问题。

②如图九所示，传感器采用面贴在触摸按压面板下方方案时，双面胶需要足够的保压时间和压强进行激活，由于MEMS芯片表面受力强度有限，保压贴合难度高。

图九 MEMS压力传感器面贴叠层结构

③如图十所示，传感器采用简支梁方案将力从触摸面板直接传导作用在传感器表面时，由于MEMS芯片表面受力强度有限，设计上要求简支梁末端与传感器表面的位移行程控制在0.1mm±0.05mm范围内。对结构、装配精度提出了很高的要求，大大增加了生产难度和生产成本。

图十 MEMS压力传感器 简支梁叠层结构

④由于sensor布局在芯片底部，焊锡高低，焊接饱满程度对芯片灵敏度的影响非常大，对焊接工艺要求高。

⑤MEMS压力传感器输出的是经过ADC采集的数字信号，无法直接测量传感器桥臂电阻，可测量程度较低。

⑥对于较大面积的智能表面应用来说，需要多颗传感器覆盖整面，MEMS压力传感器采用传感器与测量芯片合封方式，无法实现单颗芯片支持多路压感传感器，导致整体成本较高。

4.5 惠斯通电桥柔性压力传感器检测技术

4.5.1 基本原理

惠斯通电桥柔性压力传感器，是一种基于压阻式材料的微压力传感器，采用惠斯通电桥结构，将触摸表面的按压形变转化成电压变化的模拟量。可同时检测拉伸或压缩两种应变，如果受到的是压缩力，其电阻值会限制变小；如果受到的是拉伸力，其电阻值会显著变大。

传感器的原理如图十一所示：

图十一 惠斯通电桥传感原理

传感器产生的信号与曲率的关系为：

其中：

K:应变系数

ε：应变

Vcc：传感器供电电压

该压力传感器检测技术中，影响检测灵敏度的关键因数有两个，一是传感器供电质量，二是温度的影响，传感器电阻值随温度变化，如果桥臂上的电阻在不同温度区域内，电阻值温度变化不同，会带来测量误差。上海泰矽微电子有限公司的TCAE31A从硬件以及软件两个方面很好的解决了这两个问题，TCAE31A芯片内部提供了一个高质量低纹波的电源专供传感器。温度对传感器的影响，则可通过泰矽微提供的软件算法实时进行基线修正和补偿。

基于TCAE31A低至3.6uV的电压分辨率和传感器的灵敏度，有效量程曲率半径可达0.91至1944米，具有极高的灵敏度和形变及压力承受能力。

4.5.2 独特优势

惠斯通电桥柔性压力传感器检测技术具有如下优点：

①高灵敏度，面板微小的形变即可产生变化较大的电压差，可直接检测面板形变。

②面板材质要求宽松，适用性强。

③面板一体化，易实现整体防水。

④易安装，可选择面贴方式贴附在触摸按压面板下方，也可贴附在PCB上，选择简支梁方式将力传导到PCB上，简支梁作用点不需作用在传感器上。

柔性压力传感器面贴方案叠层结构如图十二所示：

图十二 柔性压力传感器面贴叠层结构

柔性压力传感器简支梁方案叠层结构如图十三所示：