中国电动牙刷市场规模逐年上涨，湃睿PMDS-Fx传感器在电动牙刷上的应用了解下

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。

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：

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：


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


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。


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）。

防水按键
（WPK）
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：


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。

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：

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：

PMDS-Fx 系统功能框图