CN102047088B - 挠曲变形传感设备和使用挠曲变形传感设备的用户接口 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于测量表面的挠曲变形的传感设备。这种传感设备可用作便携式电子设备中的用户接口。所述传感设备包括至少一个单元。所述单元包括第一电极，中心电极，第二电极，置于所述第一电极和所述中心电极之间的第一传感层，置于所述中心电极和所述第二电极之间的第二传感层，连接到所述第一、第二和所述中心电极的电路。所述电路被配置为测量所述第一电极和所述中心电极之间的第一电信号以及所述第二电极和所述中心电极之间的第二电信号。所述第一电信号和所述第二电信号中的至少一个响应施加在所述传感设备上的外部应力。

Description

挠曲变形传感设备和使用挠曲变形传感设备的用户接口

技术领域

本公开涉及传感设备。特别地，本公开涉及能够测量表面的挠曲变形的传感设备，以及使用这种传感设备作为用户接口的便携式电子设备。

背景技术

用户接口是电子设备的非常重要的部分。用户如何轻松舒适地使用该接口来控制电子设备可以最终决定电子设备的实用性、认可度和用户体验。用户与用户接口之间存在多种交互方法，并且正在不断开发新的交互方法。人的本性决定了人与外部对象之间最自然的交互是通过人的皮肤。因此，如果可以设计一种与用户的皮肤层无缝集成并且响应皮肤的扭曲来传送信号的用户接口，将是首选的。进一步地，如果接口的操作不影响或危及用户的普通手势和行为，这样的接口是优选的。

当诸如橡胶薄板(人体皮肤类似物)的平面弹性对象在施加的外力作用下被弯曲或拉伸时，它形成复杂的变形形状。这种变形形状包含关于外力的强度和方向的信息。通过实时监控变形形状，有可能获得外力作用下的变形过程的动态信息。测量诸如三维(3D)对象的拉力、压力和挠曲的值，通常需要在该对象上放置复杂的传感器组。用于测量机械对象的构造的传统系统或者基于应变仪阵列，或者基于光学扫描方法。在这些方法中，小型化和集成化水平相对较低。在使用应变仪的情况中，测量设备的便携性潜力是有限的。在使用光学扫描方法的情况中，来自不同传感器的数字化读取被用作基于机械结构模型计算构造的基础。构造的计算取决于系统的复杂性和自由度的数量。此外，光学系统(例如，照相机)需要特定长度来聚焦受监控对象，这限制了该系统的操作规模，并且要求将照相机置于受监控对象外。

因而需要一种用于感测复杂的3D挠曲变形的传感器模块，其具有用于便携式电子设备中的高度小型化和集成化水平。

本公开一般涉及设计和制造能够检测对象的复杂3D挠曲变形的传感器模块。出于使用本发明概念的目的，假设这种对象具有大的易受压缩、弯曲、拉伸、折叠等的表面区域。例如，这种对象可以是平板(橡胶或塑料)、圆柱体、或球体。传感器模块利用材料的压电效应，借助纳米技术和该材料在微米到纳米尺度(以下称为纳米级)的操作能力实现对该材料的最佳设置。通过高度小型化和集成化水平，传感器模块例如可用作用于便携式电子设备的用户接口或传感单位。作为特别应用，本发明的传感器模块可用于手势识别和手/手指运动跟踪。

发明内容

本发明第一方面提供了一种装置。所述装置包括至少一个单元。所述单元包括第一电极，中心电极，第二电极，置于所述第一电极和所述中心电极之间的第一传感层，置于所述中心电极和所述第二电极之间的第二传感层，连接到所述第一、第二和所述中心电极的电路，所述电路被配置为测量所述第一电极和所述中心电极之间的第一电信号以及所述第二电极和所述中心电极之间的第二电信号。所述第一电信号和所述第二电信号中的至少一个响应施加在所述单元上的外部应力。

在所述装置中，所述第一传感层和所述第二传感层每一个可以包括压电材料。所述压电材料可以包括所述压电材料的高长宽比微晶。所述高长宽比微晶可以具有1-100纳米的直径和1-1000微米的长度，并且所述高长宽比微晶可以是氧化锌(ZnO)纳米线、钛酸钡(BaTiO₃)纳米线或碳纳米管。

在所述装置中，所述第一传感层可以包括在平行于所述第一传感层的第一方向上基本对齐的压电微晶，所述第二传感层可以包括在平行于所述第二传感层的第二方向上基本对齐的压电微晶。所述第一方向和所述第二方向相互不平行。

所述第一电信号可以是所述第一电极和所述中心电极之间的电压差，所述第二电信号可以是所述第二电极和所述中心电极之间的电压差。替代地，所述第一电信号可以是所述第一电极和所述中心电极之间的电阻变化，所述第二电信号可以是所述第二电极和所述中心电极之间的电阻变化。

在所述装置中，所述第一电信号和所述第二电信号中的至少一个与施加在所述单元上的所述外部应力成比例。

所述装置可以进一步包括多个单元。所述多个单元被设置成具有多行和多列的二维阵列。所述第一和所述第二电极每一个包括多个带状电极，并且每一个带状电极跨所述单元的列扩展。所述中心电极包括多个带状电极，并且每一个带状电极跨所述单元的行扩展。所述第一电极的所述多个带状电极的每一个连接到第一总线。所述第二电极的所述多个带状电极的每一个连接到第二总线。所述中心电极的所述多个带状电极的每一个连接到第三总线。所述电路经由所述第一、第二或所述第三总线连接到所述带状电极的每一个。所述电路可被配置为测量所述第一电极和所述中心电极之间的每一个单元的所述第一电信号，以及所述第二电极和所述中心电极之间的每一个单元的所述第二电信号。

在上述装置中，所述第一传感层和所述第二传感层每一个可以跨所述多列和所述多行扩展。所述第一传感层可以包括在平行于所述第一传感层的第一方向上基本对齐的压电微晶，所述第二传感层包括在平行于所述第二传感层的第二方向上基本对齐的压电微晶，并且所述第一方向和所述第二方向相互不平行。

进一步地，所述第一方向可以是平行于所述行的方向，所述第二方向可以是平行于所述列的方向。

每一个单元的所述第一电信号以及每一个单元的所述第二电信号中的至少一个与所述外部应力成比例，所述信号用于计算该装置响应外部应力的挠曲变形。

本发明第二方面提供了一种电子设备。该电子设备包括被配置为接受用户输入的用户接口。该用户接口包括上述公开的装置。所述用户输入被转换成所述第一电信号和所述第二电信号中的至少一个，用于向该设备传送。

在上述电子设备中，所述接口可以是安装到人体一部分的弹性传感器模块。所述人体一部分的运动产生用于控制所述电子设备的外部应力。

本发明第三方面提供了一种方法。该方法包括：响应外部应力生成第一电信号和第二电信号中的至少一个；测量所述第一电信号和所述第二电信号；以及计算作为所述施加的应力的结果的挠曲变形。所述应力被施加在装置上以引起所述装置的挠曲变形。所述装置包括至少一个单元。所述单元包括第一电极，中心电极，第二电极，置于所述第一电极和所述中心电极之间的第一传感层，置于所述中心电极和所述第二电极之间的第二传感层，连接到所述第一、第二和所述中心电极的电路。所述电路被配置为测量所述第一电极和所述中心电极之间的所述第一电信号，以及所述第二电极与所述中心电极之间的所述第二电信号。

在该方法中，所述第一传感层和所述第二传感层每一个可以包括压电材料的高长宽比微晶。所述第一传感层可以包括在平行于所述第一传感层的第一方向上基本对齐的压电微晶。所述第二传感层可以包括在平行于所述第二传感层的第二方向上基本对齐的压电微晶。所述第一方向和所述第二方向相互不平行。

在所述方法中，测量所述第一电信号和所述第二电信号可以包括测量所述第一电极与所述中心电极之间的电压差，以及所述第二电极与所述中心电极之间的电压差。替代地，测量所述第一电信号和所述第二电信号可以包括测量所述第一电极与所述中心电极之间的电阻变化，以及所述第二电极与所述中心电极之间的电阻变化。

所述第一电信号和所述第二电信号中的至少一个可以与施加在所述单元上的所述外部应力成比例。

在所述方法中，所述装置可以进一步包括多个单元。所述多个单元可被设置成具有多行和多列的二维阵列。所述第一和所述第二电极每一个可以包括多个带状电极，并且每一个带状电极可以跨所述单元的列扩展。所述中心电极可以包括多个带状电极，并且每一个带状电极可以跨所述单元的行扩展。所述第一电极的所述多个带状电极的每一个可连接到第一总线，所述第二电极的所述多个带状电极的每一个可连接到第二总线，所述中心电极的所述多个带状电极的每一个可连接到第三总线，所述电路经由所述第一、第二或所述第三总线可连接到所述带状电极的每一个。测量所述第一电信号和所述第二电信号可以进一步包括测量所述第一电极与所述中心电极之间的每一个单元的所述第一电信号，以及所述第二电极与所述中心电极之间的每一个单元的所述第二电信号。

在所述方法中，所述第一传感层和所述第二传感层每一个可以跨所述多列和所述多行扩展。所述第一传感层可以包括在平行于所述第一传感层的第一方向上基本对齐的压电微晶，所述第二传感层可以包括在平行于所述第二传感层的第二方向上基本对齐的压电微晶。所述第一方向和所述第二方向相互不平行。

在所述方法中，所述第一方向可以是平行于所述行的方向，所述第二方向可以是平行于所述列的方向。每一个单元的所述第一电信号以及每一个单元的所述第二电信号中的至少一个与所述外部应力成比例。

所述方法可以进一步包括在预定时间间隔重复测量所述第一电信号和所述第二电信号，以及在所述时间间隔计算挠曲变形。

所述方法可以进一步包括使用所述第一电信号和/或所述第二电信号控制电子设备。

本发明第四方面提供了一种计算机程序产品。所述计算机程序产品包括在其上存储供电子设备使用的程序代码的计算机可读存储介质。所述程序代码包括用于测量第一电信号和第二电信号的指令，以及用于计算作为外部应力的结果的挠曲变形的指令。在装置上施加所述应力，以引起所述装置的所述挠曲变形。所述装置包括至少一个单元，所述单元包括第一电极，中心电极，第二电极，置于所述第一电极和所述中心电极之间的第一传感层，置于所述中心电极和所述第二电极之间的第二传感层，以及连接到所述第一、第二和所述中心电极的电路。所述电路被配置为测量所述第一电极与所述中心电极之间的所述第一电信号，以及所述第二电极与所述中心电极之间的所述第二电信号。响应所述外部应力，生成所述第一电信号和所述第二电信号中的至少一个。

附图说明

考虑随后结合附图呈现的详细说明书，本发明的特征和优势将变得显而易见，在所述附图中：

图1(a)示意性地示出简单的压电传感器；

图1(b)是所述压电传感器的电子模型；

图2(a)示意性地示出与外部应力有关的压电薄膜传感层；

图2(b)示出所述传感层中的任意应力；

图2(c)示意性地示出3D中要跟踪的表面，所述表面具有在放置在所述表面上的灵敏度轴上错位的两个传感层；

图3是根据本发明的传感器模块的单个单元的截面图；

图4是根据本发明的多单元传感器模块的示意性透视图；

图5是根据本发明的所述多单元传感器模块的示意性顶视图；

图6示意性地示出根据本发明的所述传感器模块的电路设计；

图7示意性地示出根据本发明的管状传感器模块；

图8(a)是人手的皮肤变形的示例性等高线图；

图8(b)示出包裹在人手指上用作用户接口的管状传感器模块；以及

图9示出圆柱坐标系。

具体实施方式

压电效应是一些材料(尤其是晶体和特定陶瓷)响应施加的机械应力产生电势的能力。该效应具有有用的应用，例如生成和检测声音、生成高电压、生成电子频率、微量天平、以及对光学组件的超精细聚焦。

压电传感器是一种使用压电效应通过将压力、加速度、拉力或力量转换成电信号来测量它们的设备。图1(a)示出能够响应外部应力产生电荷的简单压电传感器。当压电材料接收外部应力时，置于压电材料上的电极检测到电荷，电荷量与应力的强度有关。如图1(b)所示，压电传感器可被建模为直接与施加的力量、压力或应力成比例的电压源V。然后，输出信号与该机械力相关，就好像它已通过等效电路。该电路的模型包括传感器的机械构造和其他非理想的效应。电感L_m是由于感振质量(seismicmass)和传感器本身的惯性引起。C_e与传感器的机械弹性成反比。C₀表示传感器的静态电容，由无限大小的惯性质量引起。R_i是传感器元件的绝缘泄漏电阻。

现在参考图2(a)，当薄层压电材料接收应力ρ时，例如当它沿长度方向(方向1)弯曲时，它响应该应力产生电荷Q。取决于压电材料的特性，Q可以与施加的应力的量成比例。电荷Q可以是正的或负的。所产生的电荷的极性(+/-)可用于指示弯曲的方向(即，弯曲曲线是凹的还是凸的)。

现在参考图2(b)，如果应力ρ在任意方向上，它可被视为在方向1(在x轴)上具有分量ρ₁，在方向2(在y轴)上具有分量ρ₂，以及在方向3(在z轴)上具有分量ρ₃。通过施加的应力ρ_n(n＝1、2或3)产生的电荷密度D(＝所生成的电荷Q除以压电薄层的活动面积A)可通过等式1描述：

$D=\frac{Q}{A}{d}_{3n}{\mathrm{\ρ}}_n(n=1.2.\mathrm{or}3)---\left(1\right)$

其中d是压电系数。

压电系数d在不同方向上可以不同。这就是所谓的各向异性行为。压电材料的各向异性行为主要发生在微晶压电材料中。在这种材料中，所产生的电荷视施加应力的方向变化。各向异性行为在上述等式1中通过依赖于方向的压电系数d_3n描述，其中n表示方向1、2或3。

一般来说，当薄压电层弯曲时，它形成曲率κ_n。薄膜上施加的应力ρ_n通过E-薄膜的杨氏模量、l-薄膜的厚度、以及κ_n-所述层的曲率来描述，如等式2所示：

${\mathrm{\ρ}}_n=\frac{\mathrm{El}}{2}{\mathrm{\κ}}_n---\left(2\right)$

将等式(2)代入等式(1)中，沿方向n弯曲的曲率和弯曲的类型(凸或凹)可以通过测量所产生的电荷量和电荷极性来确定。

从图2(b)中可看出，当压电薄层沿任意方向弯曲时，它形成方向1(x轴)上的曲率κ₁和方向2(y轴)上的曲率κ₂。产生累积电荷Q，其可以通过等式3描述：

$Q=\frac{\mathrm{ElA}}{2}(d_{31}{\mathrm{\κ}}_1+d_{32}{\mathrm{\κ}}_2)---\left(3\right)$

因此所检测的电荷Q是多方向刺激的结果，它呈现了对各方向电荷的总和。

对弯曲方向没有限制。所需要的是一种用于解决这种集中电荷并且提供合理方式将特定电荷关联到特定刺激方向的简化模型。图2(c)示出具有表面S的对象。两个传感层1和2置于该表面上，以便当该对象弯曲时，传感层1和2也弯曲到相同程度。假设由于上面提到的压电材料的各向异性行为，传感层1在沿方向1弯曲时更敏感(即，产生更多电荷)，传感层2在沿方向2弯曲时更敏感(即，产生更多电荷)。方向1和2相互不平行。如果该对象沿图2(c)所示的任意方向A弯曲，并且如果每一个传感层主要响应一个方向上的应力，则层1将产生与方向1上的应力分量ρ₁成比例的电荷密度D₁，层2将产生与方向2上的应力分量ρ₂成比例的电荷密度D₂。电荷密度的大小和极性表示表面S在传感层位置处的挠曲变形的程度和方向。

因此，传感表面的复杂变形可以通过将一个或多个传感设备置于该表面上来实现。每一个传感设备包括两个单独的相互堆叠的传感层。每一个传感层主要对单个方向(传感方向)敏感，两个这样的方向错位，优选地具有大的夹角或相互垂直。通过组合两个(或多个)预定传感方向，有可能实现用于检测3D中表面的复杂共形变形的系统。

基于上述原理构建传感器模块。传感器模块包括两个传感层。每一个传感层是通过压电材料制成的薄膜。每一个薄膜层包括大量的被称为纳米线的高长宽比压电微晶。纳米线在特定方向上对齐。例如，可以通过在基底上将纳米线进行液分散，在施加的电场下，干燥液体含量来将纳米线用基质材料(hostingmaterial)包扎，制成该传感层。基质材料可以是聚合物，或任何类似的柔软弹性材料。也可以采用将纳米线对齐的其他技术，只要有效和可行就行。

适合本发明的传感材料包括氧化锌(ZnO)纳米线、钛酸钡(BaTiO₃)纳米线、或碳纳米管(CNT)等。这些纳米线或纳米管应具有高的长度-直径长宽比。例如，普通ZnO纳米线的长宽比(长度/直径)从10到1000(通常～5微米长，直径50纳米)，这使得它们对于沿长度的弯曲天生敏感。通过在一个预定方向上将纳米线内部对齐，压电层会对沿该对齐方向的弯曲极其敏感。换言之，纳米线的对齐轴决定针对弯曲的灵敏度轴。

在非常少的情况下，本发明的传感器模块包括一个功能单位，即一个单元(cell)。图3中示出该单元的截面图。该单元100包括顶部电极10、第一传感层20、中心电极30、第二传感层40和底部电极50。第一传感层20和第二传感层40包括对齐的压电纳米线。第一传感层20和第二传感层40中的纳米线的对齐方向至少不应该相互平行，优选地，它们之间具有大的夹角或相互垂直。

当在单元上施加外部应力引起单元的变形(弯曲)时，响应于该弯曲，第一传感层20在顶部电极10与中心电极30之间产生第一电压V₁，或者顶部电极10与中心电极30之间的电阻R₁变化ΔR₁量。同样，第二传感层40在底部电极50与中心电极30之间产生第二电压V₂，或者底部电极50与中心电极30之间的电阻R₂变化ΔR₂量。V₁(或ΔR₁)和V₂(或ΔR₂)可通过分别连接到顶部电极10和中心电极30的电路35以及连接到中心电极30和底部电极50的电路55测量。取决于弯曲方向，产生正/负(+/-)电荷。因而，有可能确定弯曲的方向(凸/凹)和弯曲的曲率。

本发明的传感器模块可通过多个单元来构建。例如，传感器模块中的单元可被设置为如图4、5和6所示的二维阵列(N列×M行；N，M≥1)。现在参考图4，传感器模块1000包括顶部电极层100、第一传感层200、中心电极层300、第二传感层400和底部电极层500。顶部电极层100包括第一数量(N)的被设置为在第一方向(例如，沿y方向)上相互平行的带状电极。底部电极层500和顶部电极层100一样，包括相同数量(N)的在相同y方向上设置的平行带状电极。顶部电极层100中的每一个带状电极跨传感层与底部电极层500中的相应带状电极对齐，以便顶部和底部带状电极对覆盖单元的列(如图6所示)。中心电极层300包括第二数量(N)的在第二方向(例如，沿x方向)上设置的平行带状电极。数量M可以与数量N相同或不同。中心电极层300中的每一个带状电极与顶部电极层100和底部电极层500中的每一个带状电极交叉，以便它覆盖单元的行(如图6所示)。可以通过在弹性薄膜基底上图案化高导电金属条来制造带状电极层100、300和500。

现在参考图5，虽然不作要求，传感层200和400可以遍及传感器模块连续。传感层200和400中纳米线关于带状电极层方向的对齐方向不受限制，只要第一传感层200和第二传感层400的纳米线对齐方向不相互平行即可。传统设置是使这两个方向相互垂直。例如，如图5所示，第一传感层200中的纳米线可被设置为在y方向上平行于第一电极层100中的带状电极。第二传感层400中的纳米线可被设置为在x方向上平行于中心电极层300中的带状电极。因此，本发明的传感器模块包含两个内在对齐压电纳米线层的组，所述两个内在对齐压电纳米线层的组能够检测和分配特定轴的电荷，能够检测和监控3D中的复杂挠曲变形。

进一步，可以使用柔软的导电材料填充纳米线层与带状电极层之间的空间，以提供分散的压电纳米线的机械完整性，并提高从纳米线向带状电极收集电荷的效率。

现在参考图6，传感单元阵列通过双x-总线读出架构组网。顶部电极层100中的带状电极分别连接到第一x-总线150。底部电极层500中的带状电极分别连接到第二x-总线550。中心电极层300中的带状电极分别连接到y-总线350。总线150、350和550连接到控制电路750。对于传感器模块1000的单元(i，j)，控制电路750被配置为测量电压对V₁(i，j)和V₂(i，j)，其中：

V₁(i，j)＝V_ti-V_cj

V₂(i，j)＝V_bi-V_cj

其中，V_ti是顶部电极层100中第i个带状电极的电压，V_bi是底部电极层500中第i个带状电极的电压，V_cj是中心电极层300中第j个带状电极的电压。

当在单元(i，j)附近施加引起变形的外部应力时，电压V₁(i，j)和V₂(i，j)中的至少一个响应外部应力的强度。从单元的电压测量中获得的数据可用于跟踪传感器模块的挠曲变形。如果传感器模块被置于与表面密切接触，则该表面的挠曲变形可以通过该传感器模块来测量。

替代地，代替测量电压，传感器模块的单元中的电阻变化，也可用于跟踪挠曲变形。再次参考图6，对于传感器模块1000的单元(i，j)，控制电路750也可被配置为测量电阻对R₁(i，j)和R₂(i，j)，其中R₁(i，j)是顶部电极层100中第i个带状电极与中心电极层300中第j个带状电极之间的电阻，R₂(i，j)是底部电极层500中第i个带状电极与中心电极层300中第j个带状电极之间的电阻。当在单元(i，j)附近施加引起变形的外部应力时，电阻变化ΔR₁(i，j)和ΔR₂(i，j)中的至少一个响应外部应力的强度。从单元的电阻变化测量中获得的数据可用于跟踪传感器模块的挠曲变形。

进一步，可以以特定频率重复进行数据测量或读出的方式进一步配置控制电路750，以便获得的电压或电阻数据是可用于实时测量变形过程的实时数据。例如，～50赫兹的采样率可用于具有合理精度的实时测量。

除上述单元的二维阵列类型设置外，传感器模块的其他形状和设置也是可行的，可以在不背离本发明范围的情况下进行设计。例如，传感器模块可在图7所示的中空管状形状中形成。电极层、传感层以及可能的读出总线可被设置成符合管状形状。管状传感器模块特征在于半径r和长度L。代替使用上述x-y坐标，可以在两个圆柱体坐标z和中描述管状传感器模块中的单元，其中z是从管的一端沿管的轴的距离，是夹角。从单元(z，)测量的两个电压信号或两个电阻变化信号的适当组合以及特定数学转换公式的应用，提供了对管的3D复杂共形变形的检测(见附录1，关于圆柱坐标系和转换公式的信息)。

这种管状传感器模块可围绕曲形或圆柱状表面放置，用于测量该表面的共形变形。图8(a)示出人手的皮肤变形的等高线图。手势通过皮肤变形来表示。皮肤变形可被检测并转换成用于通信或设备控制的电信号。图8(b)示出围绕手指包裹的管状传感器模块。手指的弯曲和运动可被传感器模块检测并定性转换成电信号。该信号可用作指挥电子设备的指示符。

因为传感器模块可以形成许多可能形状，可以将它特别设计成适合用户的手指、手臂、身体等。上述管状形状只是一个例子。其他可能的形状和设置包括手套、可穿戴式身体包裹、弹性触摸屏、球、手柄等。当传感器模块附着于其上的人体部分移动、弯曲、挤压或拉伸时，它促使传感器模块生成特定电信号。如果传感器模块被用作电子设备的用户接口，该信号可用于控制该电子设备。传感元件的密度(例如，传感器模块中的单元数或表面的单位面积中的单元数)决定变形测量的空间分辨率。除了使用包括多个单元的单个传感器模块外，还可以将多个传感器模块组网形成系统。模块或系统可以包括从几个单元到组网的数百单元，以形成所谓的挠曲传感层(FSL)。单元和模块的正确选择取决于最终应用和服务的要求。最简单的设备可能涉及一个或几个模块，具有设置在条上的适中的单元密度，适用于腕表型用户接口应用，等等。较高的单元密度(10/cm²)可用于对用户皮肤变形的高分辨率跟踪。

电子设备可以使用计算机程序产品来控制本发明的接口。该计算机程序产品至少包括在其上存储供该电子设备使用的程序代码的计算机可读存储介质。所述程序代码包括用于测量单元(i，j)的V₁(i，j)和V₂(i，j)或单元(i，j)的ΔR₁(i，j)和ΔR₂(i，j)的指令，以及用于计算作为外部应力的结果的挠曲变形的指令。可以在预定时间间隔自动重复该测量。从单元的测量中获得的数据可用于跟踪传感器模块的挠曲变形，或作为控制电子设备的指挥信号。

要理解，上述设置仅仅说明其教导的原理的应用。特别应当理解，尽管只示出了几个例子，但其教导不限于这些例子。在不背离本发明公开范围的情况下，本领域技术人员可以设计出许多修改和替代设置。

附录1

用于共形变形观测的数学转换

如上所述，两个传感层被置于三个带状电极层(顶部/中间/底部)之间，使得能够通过使用两个单向灵敏度轴(灵敏度方向被标记为1和2)对表面进行复杂变形检测。单向灵敏度通过将纳米线在传感层中高度对齐来实现。换言之，灵敏度轴决定了两个主要方向，在所述两个主要方向处，共形挠曲可以通过κ1和κ2(分别是方向1和2上的弯曲的曲率)示出。为了数学运算的简化，到圆柱坐标系的转换受到推荐。例如，如果传感器模块是围绕圆柱体包裹的(见图9)，则传感层的曲率可以表示为：

${\mathrm{\κ}}_1=\frac{1+\sin 2\mathrm{\θ}}{2r}$

${\mathrm{\κ}}_2=\frac{1-\sin 2\mathrm{\θ}}{2r}---\left(4\right)$

其中，

-θ是传感层的中心轴与圆柱体的中心轴的夹角，

-r是圆柱体的半径，

-κ1和κ2分别是沿方向1和2的曲率。

可以通过使用具有两个预定传感方向(1，2)的系统去卷积(de-convolute)对复杂变形的感测。这两个方向是错位的，可以相互垂直放置。在对传感层施加外部应力和变形的情况中，弯曲的半径和夹角可以计算如下：

$r=\frac{C_1}{S_1+S_2}---\left(5\right)$

和

$\mathrm{\θ}=C_{2}S{\mathrm{in}}^{-1}\left(C_3\frac{S_1-S_2}{S_1+S_2}\right)---\left(6\right)$

其中，(S₁，S₂)是直接测量的变量(电压和/或电阻)，C₁、C₂和C₃是校准系数。

Claims (24)

1.一种用于测量挠曲变形的装置，包括至少一个单元，所述单元包括：

第一电极，

中心电极，

第二电极，

置于所述第一电极和所述中心电极之间的第一传感层，

置于所述中心电极和所述第二电极之间的第二传感层，

连接到所述第一、第二和所述中心电极的电路，所述电路被配置为测量所述第一电极和所述中心电极之间的第一电信号以及所述第二电极和所述中心电极之间的第二电信号，以及

其中，所述第一电信号和所述第二电信号中的至少一个响应施加在所述单元上的外部应力，以及

其中，所述第一传感层和所述第二传感层每一个包括压电材料的高长宽比微晶。

2.根据权利要求1的装置，其中，所述高长宽比微晶具有1-100纳米的直径和1-1000微米的长度。

3.根据权利要求1的装置，其中，所述高长宽比微晶是氧化锌(ZnO)纳米线、钛酸钡(BaTiO₃)纳米线或碳纳米管。

4.根据权利要求1的装置，其中，所述第一传感层包括在平行于所述第一传感层的第一方向上基本对齐的压电微晶，所述第二传感层包括在平行于所述第二传感层的第二方向上基本对齐的压电微晶，以及其中所述第一方向和所述第二方向相互不平行。

5.根据权利要求1的装置，其中，所述第一电信号是所述第一电极和所述中心电极之间的电压差，所述第二电信号是所述第二电极和所述中心电极之间的电压差。

6.根据权利要求1的装置，其中，所述第一电信号是所述第一电极和所述中心电极之间的电阻变化，所述第二电信号是所述第二电极和所述中心电极之间的电阻变化。

7.根据权利要求1的装置，其中，所述第一电信号和所述第二电信号中的至少一个与施加在所述单元上的所述外部应力成比例。

8.根据权利要求1的装置，其中

所述装置包括多个单元，所述多个单元被设置成具有多行和多列的二维阵列，

所述第一和所述第二电极每一个包括多个带状电极，并且每一个带状电极跨所述单元的列扩展，

所述中心电极包括多个带状电极，并且每一个带状电极跨所述单元的行扩展，

所述第一电极的所述多个带状电极的每一个连接到第一总线，

所述第二电极的所述多个带状电极的每一个连接到第二总线，

所述中心电极的所述多个带状电极的每一个连接到第三总线，

其中，所述电路经由所述第一、第二或所述第三总线连接到所述带状电极的每一个，以及

其中，所述电路被配置为测量所述第一电极和所述中心电极之间的每一个单元的所述第一电信号，以及所述第二电极和所述中心电极之间的每一个单元的所述第二电信号。

9.根据权利要求8的装置，其中，所述第一传感层和所述第二传感层每一个跨所述多列和所述多行扩展，以及其中，所述第一传感层包括在平行于所述第一传感层的第一方向上基本对齐的压电微晶，所述第二传感层包括在平行于所述第二传感层的第二方向上基本对齐的压电微晶，以及其中，所述第一方向和所述第二方向相互不平行。

10.根据权利要求9的装置，其中，所述第一方向是平行于所述行的方向，所述第二方向是平行于所述列的方向。

11.根据权利要求8的装置，其中，每一个单元的所述第一电信号以及每一个单元的所述第二电信号中的至少一个与所述外部应力成比例，并且所述信号用于计算所述装置响应外部应力的挠曲变形。

12.一种电子设备，包括被配置为接受用户输入的用户接口，其中，所述用户接口包括权利要求1所述的装置，以及其中，所述用户输入被转换成所述第一电信号和所述第二电信号中的至少一个，用于向所述设备传送。

13.根据权利要求12的电子设备，其中，所述接口是安装到人体一部分的弹性传感器模块，以及其中，所述人体一部分的运动产生用于控制所述电子设备的所述外部应力。

14.一种测量挠曲变形的方法，包括：

响应外部应力生成第一电信号和第二电信号中的至少一个；

测量所述第一电信号和所述第二电信号；以及

计算作为所述外部应力的结果的挠曲变形，

其中，所述应力被施加在装置上以引起所述装置的所述挠曲变形，所述装置包括至少一个单元，所述单元包括：

第一电极，

中心电极，

第二电极，

置于所述第一电极和所述中心电极之间的第一传感层，

置于所述中心电极和所述第二电极之间的第二传感层，

连接到所述第一、第二和所述中心电极的电路，所述电路被配置为测量所述第一电极和所述中心电极之间的所述第一电信号，以及所述第二电极与所述中心电极之间的所述第二电信号，以及

其中，所述第一传感层和所述第二传感层每一个包括压电材料的高长宽比微晶。

15.根据权利要求14的方法，其中，所述第一传感层包括在平行于所述第一传感层的第一方向上基本对齐的压电微晶，所述第二传感层包括在平行于所述第二传感层的第二方向上基本对齐的压电微晶，以及其中，所述第一方向和所述第二方向相互不平行。

16.根据权利要求14的方法，其中，测量所述第一电信号和所述第二电信号包括测量所述第一电极与所述中心电极之间的电压差，以及所述第二电极与所述中心电极之间的电压差。

17.根据权利要求14的方法，其中，测量所述第一电信号和所述第二电信号包括测量所述第一电极与所述中心电极之间的电阻变化，以及所述第二电极与所述中心电极之间的电阻变化。

18.根据权利要求14的方法，其中，所述第一电信号和所述第二电信号中的至少一个与施加在所述单元上的所述外部应力成比例。

19.根据权利要求14的方法，其中，所述装置进一步包括多个单元，所述多个单元被设置成具有多行和多列的二维阵列，所述第一和所述第二电极每一个包括多个带状电极，并且每一个带状电极跨所述单元的列扩展，所述中心电极包括多个带状电极，并且每一个带状电极跨所述单元的行扩展，所述第一电极的所述多个带状电极的每一个连接到第一总线，所述第二电极的所述多个带状电极的每一个连接到第二总线，所述中心电极的所述多个带状电极的每一个连接到第三总线，所述电路经由所述第一、第二或所述第三总线连接到所述带状电极的每一个，以及

其中，测量所述第一电信号和所述第二电信号进一步包括测量所述第一电极与所述中心电极之间的每一个单元的所述第一电信号，以及所述第二电极与所述中心电极之间的每一个单元的所述第二电信号。

20.根据权利要求19的方法，其中，所述第一传感层和所述第二传感层每一个跨所述多列和所述多行扩展，以及其中所述第一传感层包括在平行于所述第一传感层的第一方向上基本对齐的压电微晶，所述第二传感层包括在平行于所述第二传感层的第二方向上基本对齐的压电微晶，以及其中，所述第一方向和所述第二方向相互不平行。

21.根据权利要求20的方法，其中，所述第一方向是平行于所述行的方向，所述第二方向是平行于所述列的方向。

22.根据权利要求19的方法，其中，每一个单元的所述第一电信号以及每一个单元的所述第二电信号中的至少一个与所述外部应力成比例。

23.根据权利要求14的方法，其进一步包括在预定时间间隔重复测量所述第一电信号和所述第二电信号，以及在所述时间间隔计算挠曲变形。

24.根据权利要求14的方法，其进一步包括：

使用所述第一电信号和/或所述第二电信号控制包括被配置为接受用户输入的用户接口的电子设备，其中所述用户接口包括所述装置。