電動牙刷、沖牙器等產(chǎn)品市場的爆發(fā)性增長，顯示全球人口正在越來越關(guān)注牙齒/口腔的健康問題。

根據(jù)資料顯示，中國電動牙刷市場規(guī)模呈現(xiàn)逐年上漲的態(tài)勢，2017年中國電動牙刷市場規(guī)模為43億元，2021年中國電動牙刷市場規(guī)模上漲為125億元，同比2020年上漲50.6%。

隨著國民收入的增加，對生活質(zhì)量和身體健康的需求增加，中國電動牙刷市場規(guī)模也在上漲。預(yù)計2022年中國電動牙刷市場規(guī)模為185億元。

2017-2022年中國電動牙刷市場規(guī)模及預(yù)測情況

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

雖然市面上各種電動牙刷的品質(zhì)以及價格差異都非常大。電動牙刷的工作原理其實并不復(fù)雜，去除刷頭和外殼之后，我們可以看到其內(nèi)部主要部件，如下圖：

工作原理：電池驅(qū)動振動電機帶動振動頭以一定頻率和幅度做周期振動，振動頭帶動牙刷頭振動以達到清洗牙齒的目的。控制電路可以改變振動的頻率，幅度和工作周期來適配不同使用者的愛好。那么振動電機的驅(qū)動，電機-振動頭-刷頭的運動傳遞，以及最終與人體口腔的互動決定了牙刷的使用體驗及清洗效能。

其中，用于刷頭扭矩（BHT: brush head’s torque）測量的軸應(yīng)力/應(yīng)變傳感器，用于取代機械結(jié)構(gòu)的防水按鍵（WPK: waterproof keystroke）是湃睿半導(dǎo)體（Prime-Semi）微應(yīng)力/應(yīng)變?nèi)诤蟼鞲衅髌舷到y(tǒng) PMDS-Fx 的主要關(guān)注方向。

湃睿半導(dǎo)體為領(lǐng)先的品牌制造商提供包括傳感器芯片、驅(qū)動程序、集成開發(fā)環(huán)境、結(jié)構(gòu)（系統(tǒng)）設(shè)計優(yōu)化、量產(chǎn)工藝建議、專利支持等在內(nèi)的交鑰匙方案如下。

軸應(yīng)力

（BHT）

基于軸應(yīng)力的刷頭扭矩測量，是電動牙刷實現(xiàn)用戶畫像（user profiling）的充要條件。配合 6-DoF 的慣性傳感器，電動牙刷可以相對精準的感知以下用戶行為特征：

以上用戶行為特征的單一或組合適用（用戶畫像），使得最終產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)真正個性化的功能落地，甚至是對專業(yè)化的齒科治療過程予以支持和配合。

微應(yīng)力/應(yīng)變傳感器 PMDS-F2 在電動牙刷電機軸上的典型適配結(jié)構(gòu)如下圖（1）至圖（2） 所示

此外，基于合理的材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及合理的軸應(yīng)力靈敏度與分辨率/精度預(yù)期， 也可以將 PMDS-F2 直接貼裝在 PCB 上，而 PCB 與電機及電機軸整體形成良好的應(yīng)力/應(yīng)變傳 遞關(guān)系，如下圖（3）示意。

圖（3）通過 PCB 感知電機軸應(yīng)力的示意圖

這種方式的最大優(yōu)點在于，電機軸無需進行加工以獲得傳感器芯片貼裝所需的平面，因 而不會影響其剛度。此外，通過標準化的 PCB 貼裝而非焊接膠實現(xiàn)傳感器芯片的裝配，在工 藝成本上也會更加合理。

當然，通過電機軸-電機殼體-PCB 之間的剛性連接來傳遞牙刷頭產(chǎn)生的應(yīng)力/應(yīng)變，對系 統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計頗具挑戰(zhàn)，需要在電路布局與結(jié)構(gòu)設(shè)計之間進行平衡。

綜上，對于電動牙刷軸應(yīng)力測量的適用結(jié)構(gòu)建議如下表（1）。

防水按鍵

（WPK）

與傳統(tǒng)的機械式按鍵相比，基于壓感原理的防水按鍵具備以下優(yōu)勢：

微應(yīng)力/應(yīng)變傳感器 PMDS-F3 在電動牙刷防水按鍵中的典型適配結(jié)構(gòu)如下圖所示。

對于可開蓋結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，可以將 PCB 背面（沒有元器件的一面）直接粘貼在按鍵位置的中心；對于無法開蓋的結(jié)構(gòu)來說，可以用過盈配合將 PCB 緊貼外殼進行定位和裝配。

防水按鍵結(jié)構(gòu)示意圖

與競爭方案相比，基于 PMDS-F3 的防水按鍵方案具備以下優(yōu)點：

單芯片融合傳感器方案

更小 PCB 尺寸

更低系統(tǒng)功耗

更優(yōu)化的成本

傳感器芯片

與傳統(tǒng)的基于惠斯通電橋原理的壓阻應(yīng)變片（不論是 MEMS 形式，還是柔性涂層形式）方案相比，PMDS-Fx 具備以下優(yōu)勢：

系統(tǒng)框圖

PMDS-Fx 系列微應(yīng)力/應(yīng)變?nèi)诤蟼鞲衅?SoC 的功能模塊，主要包括應(yīng)力/應(yīng)變、電容、溫度敏感單元，以及內(nèi)置微處理器、底層與應(yīng)用固件如下：

PMDS-Fx 系統(tǒng)功能框圖
審核編輯：湯梓紅