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湃睿PMDS-Fx传感器在电动牙刷上的应用

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电动牙刷、冲牙器等产品市场的爆发性增长,显示全球人口正在越来越关注牙齿/口腔的健康问题。

根据资料显示,中国电动牙刷市场规模呈现逐年上涨的态势,2017年中国电动牙刷市场规模为43亿元,2021年中国电动牙刷市场规模上涨为125亿元,同比2020年上涨50.6%。

随着国民收入的增加,对生活质量和身体健康的需求增加,中国电动牙刷市场规模也在上涨。预计2022年中国电动牙刷市场规模为185亿元。

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2017-2022年中国电动牙刷市场规模及预测情况

数据来源:公开资料整理

虽然市面上各种电动牙刷的品质以及价格差异都非常大。电动牙刷的工作原理其实并不复杂,去除刷头和外壳之后,我们可以看到其内部主要部件,如下图:

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工作原理:电池驱动振动电机带动振动头以一定频率和幅度做周期振动,振动头带动牙刷头振动以达到清洗牙齿的目的。控制电路可以改变振动的频率,幅度和工作周期来适配不同使用者的爱好。那么振动电机的驱动,电机-振动头-刷头的运动传递,以及最终与人体口腔的互动决定了牙刷的使用体验及清洗效能。

其中,用于刷头扭矩(BHT: brush head’s torque)测量的轴应力/应变传感器,用于取代机械结构的防水按键(WPK: waterproof keystroke)是湃睿半导体(Prime-Semi)微应力/应变融合传感器片上系统 PMDS-Fx 的主要关注方向。

湃睿半导体为领先的品牌制造商提供包括传感器芯片、驱动程序、集成开发环境、结构(系统)设计优化、量产工艺建议、专利支持等在内的交钥匙方案如下。

轴应力

(BHT)

基于轴应力的刷头扭矩测量,是电动牙刷实现用户画像(user profiling)的充要条件。配合 6-DoF 的惯性传感器,电动牙刷可以相对精准的感知以下用户行为特征:

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以上用户行为特征的单一或组合适用(用户画像),使得最终产品能够实现真正个性化的功能落地,甚至是对专业化的齿科治疗过程予以支持和配合。

微应力/应变传感器 PMDS-F2 在电动牙刷电机轴上的典型适配结构如下图(1)至图(2) 所示

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此外,基于合理的材料选择与结构设计,以及合理的轴应力灵敏度与分辨率/精度预期, 也可以将 PMDS-F2 直接贴装在 PCB 上,而 PCB 与电机及电机轴整体形成良好的应力/应变传 递关系,如下图(3)示意。

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图(3)通过 PCB 感知电机轴应力的示意图

这种方式的最大优点在于,电机轴无需进行加工以获得传感器芯片贴装所需的平面,因 而不会影响其刚度。此外,通过标准化的 PCB 贴装而非焊接胶实现传感器芯片的装配,在工 艺成本上也会更加合理。

当然,通过电机轴-电机壳体-PCB 之间的刚性连接来传递牙刷头产生的应力/应变,对系 统的整体结构设计颇具挑战,需要在电路布局与结构设计之间进行平衡。

综上,对于电动牙刷轴应力测量的适用结构建议如下表(1)。

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防水按键

(WPK)

图片与传统的机械式按键相比,基于压感原理的防水按键具备以下优势:

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微应力/应变传感器 PMDS-F3 在电动牙刷防水按键中的典型适配结构如下图所示。

对于可开盖结构的应用,可以将 PCB 背面(没有元器件的一面)直接粘贴在按键位置的中心;对于无法开盖的结构来说,可以用过盈配合将 PCB 紧贴外壳进行定位和装配。

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图片 防水按键结构示意图

与竞争方案相比,基于 PMDS-F3 的防水按键方案具备以下优点:

  • 单芯片融合传感器方案

  • 更小 PCB 尺寸

  • 更低系统功耗

  • 更优化的成本

传感器芯片

与传统的基于惠斯通电桥原理的压阻应变片(不论是 MEMS 形式,还是柔性涂层形式)方案相比,PMDS-Fx 具备以下优势:

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系统框图

PMDS-Fx 系列微应力/应变融合传感器 SoC 的功能模块,主要包括应力/应变、电容、温度敏感单元,以及内置微处理器、底层与应用固件如下:

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图片PMDS-Fx 系统功能框图