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

根據資料顯示，中國電動牙刷市場規(guī)模呈現逐年上漲的態(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)模及預測情況

數據來源：公開資料整理

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

工作原理：電池驅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）測量的軸應力/應變傳感器，用于取代機械結構的防水按鍵（WPK: waterproof keystroke）是湃睿半導體（Prime-Semi）微應力/應變融合傳感器片上系統(tǒng) PMDS-Fx 的主要關注方向。

湃睿半導體為領先的品牌制造商提供包括傳感器芯片、驅動程序、集成開發(fā)環(huán)境、結構（系統(tǒng)）設計優(yōu)化、量產工藝建議、專利支持等在內的交鑰匙方案如下。

軸應力

（BHT）

基于軸應力的刷頭扭矩測量，是電動牙刷實現用戶畫像（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），使得最終產品能夠實現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。

微應力/應變傳感器 PMDS-F2 在電動牙刷電機軸上的典型適配結構如下圖（1）至圖（2） 所示

此外，基于合理的材料選擇與結構設計，以及合理的軸應力靈敏度與分辨率/精度預期， 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力/應變傳 遞關系，如下圖（3）示意。

圖（3）通過 PCB 感知電機軸應力的示意圖

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生的應力/應變，對系 統(tǒng)的整體結構設計頗具挑戰(zhàn)，需要在電路布局與結構設計之間進行平衡。

綜上，對于電動牙刷軸應力測量的適用結構建議如下表（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：

微應力/應變傳感器 PMDS-F3 在電動牙刷防水按鍵中的典型適配結構如下圖所示。

對于可開蓋結構的應用，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；對于無法開蓋的結構來說，可以用過盈配合將 PCB 緊貼外殼進行定位和裝配。

防水按鍵結構示意圖

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 系列微應力/應變融合傳感器 SoC 的功能模塊，主要包括應力/應變、電容、溫度敏感單元，以及內置微處理器、底層與應用固件如下：

PMDS-Fx 系統(tǒng)功能框圖