智能汽車壓力觸控的研究分析和實(shí)現(xiàn)

黃拓夏 李灝

【摘? 要】本文以智能汽車壓力觸控領(lǐng)域?yàn)楸尘?，提出一種適用于車載壓力觸控應(yīng)用的具有高靈敏度、高線性度、大結(jié)構(gòu)容差、高穩(wěn)定性的壓力傳感器。該壓力傳感器利用懸臂梁結(jié)構(gòu)作為形變載體，由金屬?gòu)椘腿嵝詰?yīng)變感應(yīng)薄膜組成。當(dāng)對(duì)傳感器進(jìn)行力或位移輸入時(shí)，得到與輸入相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定電壓輸出。傳感器靈敏度為17μV/（V·μm），在全量程范圍內(nèi)線性相關(guān)系數(shù)R2≥0.995，組裝結(jié)構(gòu)容差達(dá)到1.2mm。該傳感器為車載壓力觸控和車輛壓力檢測(cè)的各種應(yīng)用場(chǎng)景提供了一種觸控精準(zhǔn)、組裝便捷、穩(wěn)定可靠、低成本的實(shí)現(xiàn)方式。

【關(guān)鍵詞】智能汽車；壓力觸控；懸臂梁；壓力/位移傳感器；結(jié)構(gòu)容差

中圖分類號(hào)：U463.6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-8639（ 2023 ）04-0001-05

【Abstract】This paper takes the field of intelligent vehicle pressure touch control as the background，as such we propose a force sensor with high sensitivity，high linearity，large structural tolerance，and high stability. With a cantilever structure as a deformation carrier，the force sensor is composed of metal spring and flexible strain sensing films. When a force/displacement is applied to the sensor，a differential voltage output is obtained through a Wheatstone Bridge. The sensitivity of the sensor is 17μV/（V·μm），and maintains a high linearity throughout the entire measurement range with linear correlation coefficient R2≥0.995；this leads to a high tolerance for structure assemblies of 1.2mm. The sensor provides an accurate，easy to assemble，and low-cost implementation method for various application scenarios of vehicle-mounted force touch and vehicle pressure detection.

【Key words】smart car；force touch；cantilever beam；pressure/displacement sensor；structural tolerance

1? 緒論

隨著汽車新四化進(jìn)程不斷推進(jìn)，全球汽車產(chǎn)業(yè)電動(dòng)化、智能化的腳步越來越快，全球新能源汽車市場(chǎng)迎來快速增長(zhǎng)。汽車智能化革命是繼電腦、智能手機(jī)之后第3代大型移動(dòng)智能終端產(chǎn)業(yè)化變革，這一變革將引發(fā)一系列的產(chǎn)業(yè)鏈連鎖反應(yīng)，帶動(dòng)更多上下游產(chǎn)業(yè)的變革。媒體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2021～2025年，全球汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模將以10%的CAGR增長(zhǎng)；到2025年，全球汽車半導(dǎo)體將達(dá)到735.2億美元的市場(chǎng)規(guī)模（圖1）。

新能源汽車對(duì)傳統(tǒng)汽車的顛覆式變革，除了實(shí)現(xiàn)動(dòng)力能源從“石化能源”到“清潔能源”的系統(tǒng)性變革，同時(shí)也在實(shí)現(xiàn)從“載人功能性產(chǎn)品”向“智慧化交互終端”的代際突破?！捌囍腔壑锌卮笃痢弊鳛槠嚾藱C(jī)交互的重要載體，因其整體美觀、系統(tǒng)故障更小及功能集成度更高，在特斯拉、蔚來、比亞迪、小鵬等眾多造車新勢(shì)力的強(qiáng)勢(shì)推動(dòng)下日漸普及。隨著特斯拉率先開啟新能源汽車的人機(jī)交互技術(shù)革新，傳統(tǒng)汽車座艙中各種復(fù)雜且老式的功能性物理按鍵被化繁為簡(jiǎn)，同時(shí)又將更多廣播APP、信息交流、車載娛樂系統(tǒng)、電話、導(dǎo)航地圖等應(yīng)用功能，匯集于汽車智慧中控屏之中，通過更為簡(jiǎn)潔的多點(diǎn)觸控操作模式，塑造了全新的人車智能交互體驗(yàn)。

汽車智能壓感觸控日漸普及的原因在于：符合持續(xù)創(chuàng)新的汽車內(nèi)飾設(shè)計(jì)的趨勢(shì)變化，打造了無實(shí)體按鍵、一體化、防誤觸的座艙人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)更高級(jí)、極簡(jiǎn)化而又更人性化的汽車中控設(shè)計(jì)需求，使得汽車座艙實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)約美觀且更具科技感。圖2為智慧座艙的三大趨勢(shì)。

因此，人們看到在新能源汽車上，越來越多的傳統(tǒng)汽車物理按鍵正在逐漸被智能觸控按鍵替代。實(shí)際在汽車整車上，智能觸控按鍵的應(yīng)用不止于駕駛座艙中控屏，還包括汽車座椅、尾門、汽車內(nèi)外飾、智能表面等功能區(qū)域，同樣也在逐漸從傳統(tǒng)物理按鍵轉(zhuǎn)變?yōu)楫?dāng)下流行的智能觸控開關(guān)或按鍵。如圖3所示。

車載壓力觸控按鍵作為汽車智能化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，在特斯拉、蔚來、比亞迪、小鵬等眾多造車新勢(shì)力的推動(dòng)下，已經(jīng)越來越多應(yīng)在新能源汽車產(chǎn)品當(dāng)中（圖4），并在未來的汽車前裝市場(chǎng)的智能座艙領(lǐng)域有著可預(yù)見的廣泛需求。事實(shí)上壓力感應(yīng)在汽車上的應(yīng)用也不只是按鍵觸控，還有座椅壓力檢測(cè)、安全帶拉力檢測(cè)、方向盤握力檢測(cè)、油壓檢測(cè)、胎壓檢測(cè)、氣囊壓力檢測(cè)等。汽車的正常使用離不開車輛內(nèi)部信息的有效傳遞以及分析，壓力傳感器的存在就是為了能夠有效進(jìn)行車輛在工況條件下的各種數(shù)據(jù)的有效獲取以及分析，保證車輛在實(shí)際運(yùn)行過程中能夠安全上道，減少行車故障的出現(xiàn)[1]，而汽車智能壓感觸控更是與壓力傳感器密不可分。

智能壓感觸控設(shè)計(jì)和壓力車載傳感器的應(yīng)用能夠有效減少越來越多車載應(yīng)用帶來的各類繁瑣操作，在人車交互體驗(yàn)上更加簡(jiǎn)單、智能和友好。因此，無論是設(shè)計(jì)美觀、用戶體驗(yàn)，還是未來趨勢(shì)，汽車智能壓感觸控與檢測(cè)是科技發(fā)展的歷史必然。

2? NDT微距壓力傳感器

NDT微距壓力傳感器是一款利用懸臂梁結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)壓力傳感功能的裝置。在合適參數(shù)的懸臂梁表面設(shè)置應(yīng)變檢測(cè)單元，通過檢測(cè)懸臂梁表面的應(yīng)變，來檢測(cè)作用于其上的力或位移。

2.1? 懸臂梁結(jié)構(gòu)

懸臂梁是一種簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)，梁的一端為不產(chǎn)生軸向、垂直位移和轉(zhuǎn)動(dòng)的固定支座，另一端為自由端。在其自由端受到力的作用后，梁會(huì)發(fā)生形變，其撓度、表面應(yīng)變、轉(zhuǎn)角等參數(shù)與作用力的關(guān)系如圖5所示[2]。

正是由于各參數(shù)與作用力之間存在特定關(guān)系，利用懸臂梁這種機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過直接或間接檢測(cè)撓度、表面應(yīng)變、轉(zhuǎn)角等參數(shù)，就可以檢測(cè)到作用在其上的力。

電阻應(yīng)變式位移傳感器是一種由電阻應(yīng)變片和彈性敏感元件組合起來的傳感器。將應(yīng)變片粘貼在彈性敏感元件上，當(dāng)彈性元件受到外力作用時(shí)，產(chǎn)生位移和變形，并由此產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，電阻應(yīng)變片又將應(yīng)力與應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化，使傳感器輸出與外力或自由端位移相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)[3]。懸臂梁是一種常見且具有優(yōu)良力學(xué)特性的機(jī)械結(jié)構(gòu)和彈性敏感元件，利用懸臂梁和應(yīng)變感應(yīng)裝置結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的壓力或位移檢測(cè)，如原子力顯微鏡、光線布拉格光柵位移傳感器等。

2.2? 構(gòu)造和原理

NDT微距壓力傳感器由一個(gè)金屬懸臂梁彈片和FPC組成，在FPC上設(shè)置有NDT壓感電阻（Piezo-resistive）。將金屬懸臂梁彈片頂部抵觸在物體內(nèi)側(cè)，當(dāng)物體受力時(shí)將發(fā)生形變，金屬?gòu)椘捎谖矬w形變而被壓縮發(fā)生彎曲，同時(shí)帶動(dòng)FPC和其上的NDT壓感電阻發(fā)生形變，NDT壓感電阻發(fā)生形變時(shí)其阻值也相應(yīng)產(chǎn)生變化，通過相關(guān)電路連接即可轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。如圖6所示。

NDT壓感電阻是一種高分子半導(dǎo)體材料，可通過噴涂、印刷等方式成型于各種基材上，材料厚度約10μm。其具有高應(yīng)變系數(shù)（gauge factor≈10）、可檢測(cè)拉伸/壓縮應(yīng)變、高線性度等特征，是一項(xiàng)NDT獨(dú)創(chuàng)高性能技術(shù)。

在懸臂梁彈片一側(cè)的FPC上設(shè)置有4個(gè)NDT壓感電阻，電阻兩兩并排設(shè)置，R1、R4設(shè)置在靠近懸臂梁自由端，R2、R3設(shè)置在靠近懸臂梁固定端。電路上，4個(gè)NDT壓感電阻組成惠斯通電橋，將電阻阻值的變化轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的電壓輸出。由于懸臂梁受力彎曲時(shí)不同位置的應(yīng)變大小不同，R2/3的阻值變化也會(huì)與R1/4的阻值變化不同，這樣S+和S-兩端的電壓差值也就發(fā)生了變化，產(chǎn)生了電壓信號(hào)。在傳感器底部也設(shè)置了相應(yīng)的焊盤，可以直接SMT焊接進(jìn)行機(jī)械固定和電連。如圖7、圖8所示。

彈片在被壓縮時(shí)發(fā)生彎曲，可簡(jiǎn)化為懸臂梁力學(xué)模型。其輸出電壓ΔU與輸入力F之間的關(guān)系推導(dǎo)如圖9及公式所示。

2.3? 高線性度

通過公式可以發(fā)現(xiàn)，（a2/3-a1/4）表示的是R1/4和R2/3之間的間距，為定值，且其他參數(shù)都是常數(shù)，所以電壓輸出信號(hào)ΔU與輸入呈線性關(guān)系，且在懸臂梁彎曲變形的過程中也始終保持著幾乎線性的關(guān)系（以10μm位移為例，其cosθ變化只有1.4×10-4%。

2.4? 高穩(wěn)定性

NDT壓感電阻在懸臂梁上兩兩并排設(shè)置，這樣有利于傳感器傳感特性的穩(wěn)定。在生產(chǎn)、組裝、使用、時(shí)效等過程中，不能完全保證懸臂梁根部固定位置、懸臂梁端部施力位置的絕對(duì)一致性以及其永久不變形。根據(jù)應(yīng)變公式，4個(gè)電阻所在位置的應(yīng)變都會(huì)因?yàn)閍的不同或變化而不同或發(fā)生變化。但是可以發(fā)現(xiàn)無論上述情況下怎么變化，因?yàn)閍2/3與a1/4的差值恒定，兩組電阻R1/4和R2/3所在位置的應(yīng)變之差也恒定，而電壓只與兩組電阻位置之差、應(yīng)變之差相關(guān)，也會(huì)保持穩(wěn)定，從而可以得出結(jié)論：傳感器輸出對(duì)組裝、使用過程具有高穩(wěn)定性和可靠性。

2.5? 大結(jié)構(gòu)容差

NDT微距壓力傳感器具有大的結(jié)構(gòu)尺寸容差特性，這樣對(duì)公差的要求比較低，方便組裝和設(shè)計(jì)，適用更多場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)和組裝、更低的成本。

NDT微距壓力傳感器之所以具有大的結(jié)構(gòu)尺寸容差特性，是由于其在大的位移輸入范圍內(nèi)保持線性輸出關(guān)系。不會(huì)因?yàn)轭A(yù)壓過盈度的不同而導(dǎo)致傳感器靈敏度不同。由之前的公式可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)裝配過盈度不同時(shí)，電壓輸出與輸入之間比例系數(shù)只受cosθ影響，而當(dāng)d從0～1mm時(shí)其cosθ的變化只有4.3%。這一特性也保證了長(zhǎng)期使用時(shí)的可靠性：若傳感器底部到物體間距（過盈度）發(fā)生變化，其傳感靈敏度幾乎不變。

3? 傳感器性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1? 靈敏度

靈敏度（sensitivity）：?jiǎn)挝患?lì)電壓下每單位位移的電壓輸出。使用單位為μV/（V·μm）。NDT微距壓力傳感器靈敏度高，可以檢測(cè)非常微小的形變，觸發(fā)位移小至1μm、力度小至克級(jí)，是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量的重要性能特征之一。圖10為位移10μm時(shí)的輸出信號(hào)。

式中：Δu——壓力傳感器輸出電壓的變化量；U——激勵(lì)電壓的大小；d——施加位移大小。

3.2? 線性度

線性度（linearity）：表示輸出信號(hào)與輸入力/位移之間的線性相關(guān)關(guān)系，計(jì)算公式如下。

R2=SSreg / SStotal

式中：SSreg——regression sum of squares回歸平方和；SStotal——Total sum of square總平方和。

NDT微距壓力傳感器在很大的輸入范圍內(nèi)具有高線性度，在不同的初始位移值（安裝過盈度）時(shí)具有相同的靈敏度（圖11中直線斜率表示傳感器靈敏度）。這樣使得單個(gè)傳感器不會(huì)因?yàn)槌跏嘉灰瓢l(fā)生變化而變化，多個(gè)傳感器不會(huì)因?yàn)槌跏嘉灰撇煌煌?，具有高可靠性和一致性。另外還具有簡(jiǎn)單的校準(zhǔn)方式和算法，是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量的重要性能特征之一。

3.3? 量程

量程：表示可輸入位移的范圍。NDT微距壓力傳感器具有大的量程，可以使得可識(shí)別輸入壓力范圍更大，實(shí)現(xiàn)多級(jí)壓力觸控。如圖12所示。

3.4? 結(jié)構(gòu)容差

結(jié)構(gòu)容差：裝配時(shí)允許的組裝公差，1.2mm。由于NDT微距壓力傳感器在很大的輸入范圍之內(nèi)保持線性輸出，其允許的組裝公差也很大，這樣可以適用更廣的場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)和組裝、更低的組裝成本。

3.5? 電橋電阻

電橋電阻（Bridge Resistance）：VCC和GND之間的測(cè)量電阻。NDT微距壓力傳感器具有較大的電橋電阻，可以使其幾乎不受線路上導(dǎo)通電阻的影響，且具有較低的功耗。如圖13所示。

3.6? 噪聲

噪聲：噪聲電壓大小與電阻阻值、帶寬、溫度（開爾文）的平方根成比例關(guān)系。通常會(huì)量化其每1Hz帶寬內(nèi)的噪聲，也就是其頻譜密度。噪聲單位為V/rtHz，將傳感器放置在屏蔽盒中并使用頻譜分析儀測(cè)量。NDT微距壓力傳感器噪聲低，是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量的重要性能特征之一。如圖14所示。

4? 在智能汽車上的應(yīng)用

4.1? 應(yīng)用場(chǎng)景

將NDT微距壓力傳感器設(shè)置于智能汽車中需要實(shí)現(xiàn)壓力感應(yīng)功能的部位即可得到實(shí)現(xiàn)。各種需要進(jìn)行操控的部件如顯示屏、方向盤、中控、車門鍵等，感知司乘人員坐姿、身高、習(xí)慣的座椅，車架承重的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、胎壓監(jiān)測(cè)、碰撞安全監(jiān)測(cè)等場(chǎng)景都是NDT微距壓力傳感器適用的場(chǎng)景。如圖15所示。

4.2? 應(yīng)用示例

4.2.1? 中控屏壓感觸控

在中控顯示屏上實(shí)現(xiàn)壓感觸控，如圖16所示，可以在中框和屏之間設(shè)置若干個(gè)傳感器，傳感器底座固定于中框，彈片自由端與屏接觸。當(dāng)有力作用于屏?xí)r，屏將會(huì)彎曲變形，對(duì)傳感器彈片施加力和位移，傳感器會(huì)得到相應(yīng)的輸出信號(hào)，配合屏的電容信息可以準(zhǔn)確得到按壓的位置和力度。傳感器的數(shù)量可以根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行選取。

4.2.2? 車載按鍵壓力觸控

在車載按鍵上實(shí)現(xiàn)壓感觸控，如圖17所示，可以在按鍵下方設(shè)置若干個(gè)傳感器，傳感器底座固定于內(nèi)部結(jié)構(gòu)件，彈片自由端與貼合在按鍵面板內(nèi)部的電容薄膜接觸，傳感器可以避開透光字符孔位置。當(dāng)手按壓按鍵時(shí)，按鍵面板將會(huì)彎曲變形，對(duì)傳感器彈片施加力和位移，傳感器會(huì)得到相應(yīng)的輸出信號(hào)，配合按鍵電容的電容信息，可以精準(zhǔn)識(shí)別按壓動(dòng)作以及防誤觸功能。傳感器的數(shù)量可以根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行選取，示例中3個(gè)按鍵選用2個(gè)傳感器。

4.2.3? 車門把手壓力觸控

在車載按鍵上實(shí)現(xiàn)壓感觸控，如圖18所示，門把手內(nèi)外殼下方各設(shè)置一個(gè)傳感器，傳感器底座固定于內(nèi)部結(jié)構(gòu)件，彈片自由端與門把手內(nèi)外殼接觸。當(dāng)手按壓門把手外側(cè)壓力觸控區(qū)域時(shí)，外側(cè)傳感器識(shí)別響應(yīng)，門把手伸出；當(dāng)手拉門把手時(shí)，對(duì)門把手內(nèi)側(cè)施加壓力，內(nèi)側(cè)傳感器識(shí)別響應(yīng)，打開門鎖。

4.3? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

其他應(yīng)用場(chǎng)景與前述3種類似。在設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)仿真：對(duì)所需面板施加某一大小力的作用，得到面板的變形位移，根據(jù)傳感器的靈敏度即可得到實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下的靈敏度，且可以根據(jù)需求對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整來得到合適的靈敏度。如圖19所示。

5? 總結(jié)

NDT微距壓力傳感器具有靈敏度高、線性度高、噪聲小、量程和結(jié)構(gòu)容差大的性能特點(diǎn)，以及高穩(wěn)定性、高可靠性、對(duì)組裝精度要求低、安裝便捷等優(yōu)點(diǎn)，是智能汽車壓感觸控實(shí)現(xiàn)的優(yōu)選方案。

NDT微距壓力傳感器，針對(duì)汽車座艙中控臺(tái)、顯示屏、方向盤、按鍵、門把手、尾板、座椅、車架承重等應(yīng)用場(chǎng)景，提供更真實(shí)的智能壓感觸控體驗(yàn)，使駕駛員實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的人機(jī)交互操作，塑造全新的人車智能交互體驗(yàn)。

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（編輯? 楊? 景）