CN104978065B - 具有应变消除的透明力传感器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及具有应变消除的透明力传感器。一种用于检测设备表面上施加的力的透明力传感器。该透明力传感器包括具有沿第一方向定向的应变消除特征件阵列的透明力敏感膜。该透明力敏感膜由透明压电材料形成，该透明压电材料当沿主方向应变时呈现显著减少的净电荷。该力传感器还包括设置在透明力敏感膜一侧上的显示元件。

Description

具有应变消除的透明力传感器

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年4月7日提交的且名称为“Transparent Force Sensor withStrain Relief”的美国临时专利申请No.61/976,285、2014年1月13日提交的且名称为“Force Sensor Using a Transparent Force-Sensitive Film”的美国临时专利申请No.61/926,905、2014年2月7日提交的且名称为“Temperature Compensating TransparentForce Sensor”的美国临时专利申请No.61/937,465、2014年2月12日提交的且名称为“Temperature Compensating Transparent Force Sensor”的美国临时专利申请No.61/939,257、2014年2月19日提交的且名称为“Multi-Layer Temperature CompensatingTransparent Force Sensor”的美国临时专利申请No.61/942,021的优先权，其中每个申请通过引用其全部被结合于此。

技术领域

本申请一般涉及力感测，并且具体涉及利用具有一个或多个应变消除特征件的透明力敏感膜的力感测。

背景技术

移动设备通常包括用于向设备提供用户输入的一个或多个组件和显示屏。在一些情况下，为用户在覆盖设备的显示器或其他部分的表面上提供触摸输入是有利的。一些传统的触摸传感器被配置成利用电容性感测技术检测表面上触摸的存在和位置。然而，许多传统的触摸传感器不能够确定与触摸关联的力的大小或程度。

发明内容

一个示例实施例包括一种用于检测设备表面上的力的透明力传感器。施加的力可以是由于设备外表面上的触摸造成的。所述透明力传感器包括具有沿第一方向定向的狭缝特征件阵列的透明力敏感膜。所述透明力敏感膜可以由透明压电材料形成，所述透明压电材料当沿主方向应变时呈现显著减少的净电荷。所述力传感器还可以包括相对透明力敏感膜一侧设置的显示元件。所述力传感器还可以集成到用户输入设备中，例如包括触摸板、跟踪板、键盘等。

在一些实施例中，所述压电材料呈现依赖于应变方向的电荷极性。在一些情况下，所述压电材料当沿第一应变方向向上弯曲时呈现正电荷，并且当沿大体垂直于第一应变方向的第二应变方向向上弯曲时呈现负电荷。在一些实施例中，所述压电材料是聚L丙交酯(PLLA)或聚D丙交酯(PDLA)聚合物膜材料。所述压电材料可以是被拉成膜板的PLLA聚合物材料。

一些示例实施例涉及具有设置在透明力敏感膜之上的第一电极和设置在透明力敏感膜之下的第二电极的透明力传感器。所述传感器还可以包括与第一电极和第二电极电耦接的感测电路。在一些实施例中，所述感测电路被配置成检测透明力敏感膜由于所述设备上的力造成的电特性的改变。在一些实施例中，所述电特性是电荷。

一些示例实施例涉及一种用于检测施加到设备上的力的透明力传感器，所述透明力传感器包括：形成所述设备的外表面的一部分的盖，以及设置在所述盖之下并且具有沿第一方向定向的应变消除特征件阵列的透明力敏感膜。所述透明力敏感膜可以由压电材料形成，所述压电材料当沿主方向应变时呈现显著减少的净电荷。所述力传感器还可以包括设置在所述透明力敏感膜之下的显示元件。在一些情况下，所述应变消除特征件是沿所述第一方向定向的狭缝特征件。所述应变消除特征件可以包括沿所述第一方向定向的凹陷沟道特征件。在一些情况下，所述应变消除特征件可以包括沿所述第一方向布置的穿孔特征件。

一些示例实施例涉及一种透明力传感器，所述透明力传感器包括具有沿第一方向定向的狭缝特征件阵列的第一透明力敏感膜。所述透明力敏感膜可以由压电材料形成，所述压电材料当沿第一主方向定向时呈现显著减少的净电荷。所述传感器还可以包括具有沿第二方向定向的狭缝特征件阵列的第二透明力敏感膜。所述第二透明力敏感膜可以由压电材料形成，所述压电材料当沿第二主方向定向时呈现显著减少的净电荷。在一些情况下，所述第一方向大体垂直于所述第二方向。在一些情况下，所述第一主方向大体垂直于所述第二主方向。在一些实施例中，所述第一方向离所述第一主方向近似45度，并且所述第二方向离所述第二主方向近似45度。

在一些实施例中，所述传感器包括设置在所述第一透明力敏感膜之上的盖；以及设置在所述第二透明力敏感膜之下的显示元件，其中所述第二透明力敏感膜设置在所述第一透明力敏感膜之下。所述传感器还可以包括设置在所述第一透明力敏感膜之上的顶部电极，设置在所述第一透明力敏感膜之下的中间电极，以及设置在所述第二透明力敏感膜之下的底部电极。在一些示例实施例中，所述传感器还可以包括设置在所述顶部电极和所述第一透明力敏感膜之间的第一光学透明胶；以及设置在所述中间电极和所述第一透明力敏感膜之间的第二光学透明胶。

在一些实施例中，所述传感器包括电耦接到所述顶部电极、中间电极和底部电极的感测电路。所述感测电路可以被配置成检测所述第一透明力敏感膜和第二透明力敏感膜由于所述设备上的力造成的电特性的变化。在一些实施例中，所述第一透明力敏感膜被配置成当垂直于所述第一方向应变时产生电荷，并且所述第二透明力敏感膜被配置成当垂直于所述第二方向应变时产生电荷。在一些情况下，所述感测电路被配置成测量触摸的大小。

附图说明

图1绘出了具有与显示元件结合的力传感器的示例电子设备。

图2A-C绘出了具有依赖于应变方向的电荷极性的透明力感测膜的电荷特性的例子。

图3A-B绘出了具有大体沿Y方向定向的应变消除特征件阵列的力敏感膜。

图4A-B绘出了具有大体沿X方向定向的应变消除特征件阵列的力敏感膜。

图5A-C绘出了与显示器堆叠集成的力敏感膜的例子。

图6绘出了示例电子设备的组件。

具体实施方式

在以下的例子描述中，对附图做出参考，在附图中通过说明示出可以实践的特定例子。要理解，在不背离各种例子的范围的情况下，可以使用其他例子并且可以进行结构改变。

本文提供的例子可以用于检测和测量用户对设备的触摸的力。特别地，该例子包括用于利用力敏感膜检测施加到设备上的力的数量和/或位置的设备和系统。一个示例系统可以包括用于响应于膜的变形产生电荷的透明力敏感膜。一些实施例与力传感器有关，所述力传感器包括从透明力敏感膜形成的用于检测施加到设备上的力的数量的一个或多个层。在一个例子中，透明力敏感膜是与电子设备的显示元件集成的或相对电子设备的显示元件布置的。电子设备例如可以是移动电话、可穿戴电子设备、健康监视设备、平板计算设备、计算机显示器、计算输入设备(诸如触摸板、键盘或鼠标等)、触摸板或屏、一个或多个按钮等。在一些情况下，透明或非透明力敏感膜与非显示组件集成，以在外壳的表面或设备的其他表面上形成触摸敏感表面。在一些实施例中，力敏感膜与触摸板、触控面板或设备的其他触摸敏感表面集成。在一个例子中，力敏感膜与笔记本计算机系统的触摸板集成。

一般且广泛地，可以利用确定触摸的力的力传感器，在电子设备的显示器、外壳或其他表面上感测触摸。可以将估计的力的大小或程度用作电子设备的输入信号或输入数据。这可以允许通过单个触摸或输入设备的多个不同的输入，以便设备的响应和/或输出可以随输入的力变化。因此，例如这可以允许将施加在给定点的第一力解释为第一输入类型或命令，同时将相同点处的第二力(在数量上不同于第一力)解释为第二输入类型或命令。因而，即使他们出现在相同的点并且可以使用相同的输入设备，设备对所述两个输入的响应或输出可以是不同的。

透明力敏感膜通常是呈现响应于膜的变形或偏转而可变化的电特性的顺应材料。透明力敏感膜可以由压电、压阻性、电阻性或其他应变敏感材料形成。透明电阻性膜可以通过用透明导电材料涂覆衬底形成。可能的透明导电材料例如包括聚乙烯二氧噻吩(PEDOT)、铟锡氧化物(ITO)、碳纳米管、石墨烯、银纳米线、其他金属纳米线等。可能的衬底材料例如包括玻璃或像聚对苯二甲酸乙二醇脂(PET)或环烯烃聚合物(COP)的透明聚合物。通常，当压阻性或电阻性膜应变时，膜的电阻根据应变而变化。该电阻可以采用电路来测量。这样，透明压阻性或电阻性膜可以以与应变仪类似的方式使用。如果不需要透明，则可以使用其他膜材料，例如包括用于导电膜的康铜(Constantan)和卡马(Karma)合金，并且聚酰亚胺可以用作衬底。非透明应用包括跟踪板或显示元件背面上的力感测。

在一些实施例中，透明力敏感膜呈现依赖于膜应变所沿的方向的不同的电荷极性。如以下关于图2A-C更详细的解释，在一些情况下，当膜沿主方向向上弯曲或向下弯曲或者向上偏转或向下偏转时，膜可以呈现大体为零的净电荷。在一些情况下，当沿主方向应变时，膜呈现显著减少的净电荷。例如，与其他方向相比，当在主方向上应变时，膜可以呈现显著更少的净电荷。

在一些情况下，膜可以呈现依赖于应变方向的电荷极性。例如，膜可以呈现具有依赖于相对于主方向弯曲的方向的极性生的电荷。特别地，当膜相对于主方向以第一角度向上弯曲时，电荷具有第一极性，并且当膜以一角度例如在与第一角度相反的方向向上弯曲时具有第二相反极性。在一个所示的例子中，主方向可以离X和Y方向(彼此垂直)近似45度定向。沿X方向向上弯曲膜会导致具有第一极性(例如，正或负)的表面电荷。沿Y方向(垂直于X方向)向上弯曲膜会导致具有第二相反极性(例如，负或正)的表面电荷。呈现这些特性的示例透明膜包括聚交酯聚合物，诸如聚L丙交酯(PLLA)和聚D丙交酯(PDLA)聚合物等。通常，透明和非透明力敏感膜在此可以称作“力敏感膜”或简单地称作“膜”。

在一些实施例中，力敏感膜被图案化为线、像素或其他几何元件阵列，所述线、像素或其他几何元件在此称作膜元件。膜元件或力敏感膜的区域还可以利用导电迹线或电极连接到感测电路。通常，力敏感膜响应于施加到设备上的力呈现可测量的电特性的改变。在一个例子中，随着力施加到设备上，一个或多个膜元件偏转或变形。与一个或多个膜元件或膜电极电通信或以其他方式电连接的感测电路，被配置成检测和测量膜由于偏转造成的电特性的改变。基于测量的膜的电特性，可以计算估计的力的数量。在一些情况下，估计的力表示设备上触摸的大小，并且被用作设备的图形用户界面或其他方面的输入。

在一些情况下，力敏感膜被图案化为像素元件，每个像素元件包括大致沿一个方向定向的迹线阵列。这种配置可以称作压阻性或电阻性应变仪配置。通常，在这种配置中，力敏感膜是电阻响应于应变而改变的材料。电阻的改变可以是由于施加的应变导致的几何形状的变化。例如，根据泊松效应，可以出现长度的增加同时截面面积减少。电阻的改变还可以归因于材料由于施加的应变导致的固有电阻率的变化。例如，施加的应变可以使电子更容易或更难跃迁通过材料。整体效应是总电阻随着由于施加的力导致的应变而改变。此外，在压阻性生或电阻性应变仪配置中，每个像素可以由响应于沿特定轴的应变对准的力敏感膜图案形成。例如，如果要测量沿x轴的应变，则像素应当使其大部分迹线长度与x轴对准。

在一些实施例中，力敏感膜可以由固体材料板形成，并且与设置在力敏感膜的一个或多个表面上的电极图案电通信。电极例如可以用于将固体材料板的区域电连接到感测电路。这种配置可以称作压电应变配置。在这种配置中，当应变时力敏感膜可以产生电荷。力敏感膜还可以根据应变的程度而产生不同数量的电荷。在一些情况下，全部总电荷是由于沿各种轴的应变而产生的电荷的叠加。

一个或多个力敏感膜可以与设备的显示元件集成或附接到设备的显示元件，该显示元件可以包括其他类型的传感器。在一个典型的实施例中，显示元件还包括被配置成检测一个或多个触摸的位置的触摸传感器。利用根据在此描述的一些实施例的触摸传感器和一个或多个透明力敏感膜，可以估计设备的显示元件上触摸的位置和大小以及触摸的力。

图1绘出了具有集成到显示元件110中的力传感器的示例电子设备100。在该例子中，电子设备100包括安装在设备壳体101中的显示元件110。显示元件110可通常称作显示器，并且用于将可视内容呈现给电子设备100的用户。显示元件110可包括各种设备，诸如液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)显示器、有机发光二极管(OLED)显示器等。如以下更详细地解释的，电子设备还包括与显示元件110集成的一个或多个透明力感测层150。在一些情况下，显示元件110设置在一个或多个透明力感测层的一侧上或相对于一个或多个透明力感测层设置。可以经由例如包括压敏粘合层、塑料层、玻璃层、导电层或其他材料的一个或多个其他层，将一个或多个力敏感层附接到显示元件110的表面。此外，如以下关于图5A-C更详细地描述的，一个以上的力敏感膜可被用于形成与电子设备100的显示元件110集成的力传感器。

如前提及的，透明力感测膜可以呈现依赖于膜应变所沿的方向的不同的电荷极性。图2A-C绘出了用于具有依赖于应变方向的电荷极性的透明力感测膜(膜200)的电荷特性的例子。在以下的例子中，膜200是通过张量(tensor)指示的沿主方向拉伸的PLLA压电膜，主方向210在图2A-C中示出。在一些情况下，主方向的定向是由于沿着单个(主)方向大体对准膜的聚合物链的拉伸过程。

如图2A-B所示，膜200产生具有依赖于应变相对于主方向210的方向的不同极性的表面电荷。在该例子中，响应于膜200沿X方向向下弯曲，膜200在膜200的顶表面上产生正电荷(+)。响应于这种偏转，还在膜200的底表面上产生负电荷(-)。

如图2B所示，当膜200沿Y方向向下弯曲时，电荷极性反转。特别地，响应于膜200沿Y方向向下弯曲，膜200在膜200的顶表面上产生负电荷(-)。响应于这种偏转，还在膜200的底表面上产生正电荷(+)。虽然图2A-B绘出了向下弯曲时膜200的电荷特性，但当膜200沿X或Y方向向上弯曲时，会造成类似的反极性。

在该例子中，如果膜200沿主方向210向上或向下弯曲，则产生零净电荷。在一些情况下，当沿主方向210应变时，膜200呈现显著减少的净电荷。膜200的单轴应变特性可以是由于大体与主方向210对准的聚合物链的定向。主方向210在图2A-C中绘出为离X和Y方向近似45度，X和Y方向大体彼此垂直，并且通常沿矩形板的边缘定向。然而，这实际上仅仅是示例的，并且在其他实施例中，主方向210可以沿着相对于X和Y方向的不同定向，并且膜200可以由非矩形的、弯曲的或不同形状的板形成。

而且，如图2C所示，如果膜200在X和Y方向都向下弯曲，则产生的相反电荷大体可以彼此抵消。在该例子中，在X和Y方向上大体相等的弯曲在膜200的顶表面和底表面造成零或大体为零的净电荷。这种偏转导致的形状可以描述成圆顶形、伞盖形、凹形、或凸形，这取决于描述的上下文。

如果膜200被用作触摸传感器应用中的力敏感膜，则如图2C绘出的膜200的零净电荷特性会是不期望的。例如，设备表面发生的触摸会使膜变形成通常的凹形或凹陷。因为得到的电荷大体是零净电荷(或通过净电荷效应显著减少)，所以耦接到膜的感测电子电路可能不能够检测触摸的出现和/或触摸力的大小。

这种问题的一个解决方案可以是提供沿力敏感膜的一个方向定向的应变消除特征件阵列。图3A-B和图4A-B绘出了具有大体沿X或Y方向定向的应变消除特征件阵列的力敏感膜。通过在力敏感膜中包括一个或多个应变消除特征件，可以将膜中的应变大体隔离到单个方向。如以下关于图5A-C的传感器配置的更详细地描述，具有应变消除特征件的一个或多个力敏感膜可被用于检测触摸力的出现和大小，而没有以上关于图2C描述的限制。

图3A-B绘出了由压电材料形成的力敏感膜(膜300)，所述压电材料当沿主方向310应变时呈现零电荷或显著减少的净电荷。如图3A所示，膜300包括形成为槽特征件的应变消除特征件阵列。虽然应变消除特征件302描述为槽特征件，但也可以使用其他类型的特征件。例如，该特征件可以形成为凹陷沟道特征件、穿孔特征件、或者形成为材料中大体沿着膜的一个或多个方向消除应变的其他类型的间隙。

作为应变消除特征件302的结果，膜300可以沿第一方向呈现净电荷，并且沿不同的第二方向呈现零、大体为零或显著减少的净电荷。如图3A所示，膜300具有大体沿Y方向定向的应变消除特征件。如果膜300沿Y方向向下弯曲或偏转，则在膜300的顶表面上产生负表面电荷(-)，并且在膜300的底表面上产生正表面电荷(+)。类似地，沿Y方向向上弯曲会在顶表面上造成正表面电荷，在膜300的底表面上造成负表面电荷。

如图3B所示，如果膜300沿X方向向下弯曲或偏转，则在膜300的顶表面和底表面上产生零、大体为零或显著减少的净电荷。因而，应变消除特征件可被用以响应于大体沿单个方向(在这种情况下是Y方向)的偏转来隔离膜。结果，在X和Y方向上出现的偏转不会造成如以上关于图2C讨论的零净电荷。当检测或测量造成膜300中凹圆顶形偏转的触摸力的大小时，这可以是有利的。

图4A-B中绘出的类似配置仅用于具有沿X方向(而不是Y方向)定向的应变消除特征件402的膜400。图4A-B还绘出了由压电材料形成的力敏感膜(膜400)，所述压电材料当沿主方向410(没有应变消除特征件)应变时呈现零或显著减少的净电荷。如图4A-B所示，膜400沿X方向的弯曲或偏转造成膜400的表面上的正(或负)电荷。如图4B所示，膜沿Y方向的弯曲或偏转造成膜400的表面上的零或大体为零的净电荷。因而，在该例子中，膜400的应变响应沿X方向可以是大体隔离的。

可以将关于图3A-B和图4A-B描述的一个或多个力敏感膜集成到力传感器中，该力传感器被配置成检测和/或测量触摸力的大小。在一个典型的实施例中，力敏感膜与设备的显示元件部分集成、或邻近显示元件部分放置，所述显示元件在此称作“显示器堆叠”或简单地“堆叠”。力敏感膜可以通过例如与附接到显示器堆叠的衬底或板附接来与显示器堆叠集成。替代地，在某些实施例中，力敏感膜可以放置在显示器堆叠中。以下关于图5A-C提供与显示器堆叠集成的力敏感膜的例子。虽然以下的例子是关于与显示器堆叠集成的力敏感膜提供的，但是在其他实施例中，力敏感膜也可以与设备的除显示器堆叠之外的部分结合。例如，类似的力敏感膜配置可以与非显示元件(诸如跟踪板、触摸板或设备的其他触摸敏感表面等)集成。

图5A绘出了集成到显示器堆叠500中的力敏感膜的例子。在该例子中，显示器堆叠500包括与显示元件501结合的两个力敏感膜510、520。如上所述，显示元件501例如可以包括LCD显示器、LED显示器、OLED显示器等。在一些情况下，显示器堆叠500直接附接到显示元件501的表面。然而，在其他例子中，在图5A中绘出的显示元件501和显示器堆叠的其他组件之间可以具有额外的组件或层。而且，可以将一个或多个其他组件或层设置在显示器堆叠500的顶部，例如包括盖玻璃层、另一个传感器层、光学调节层或其他组件层。

由无消除的板形式的压电材料形成两个力敏感膜510、520，所述压电材料当沿主方向(519,529)应变时呈现零或显著减少的净电荷。在该例子中，(无消除的)压电材料呈现依赖于应变方向的电荷极性。在该例子中，两个力敏感膜510、520包括在彼此不同的方向上定向的应变消除特征件。特别地，力敏感膜510包括大体沿Y方向定向的应变消除特征件阵列，并且力敏感膜520包括大体沿X方向定向的应变消除特征件阵列。如以上关于图3A-B和图4A-B描述的，利用具有沿一个方向定向的应变消除特征件的膜可以帮助隔离所述膜在该方向上的应变响应。因此，具有大体与Y轴对准的应变消除特征件的力敏感膜510可被用于测量主更在Y方向上出现的应变，并且隔离应变消除特征件的方向的横向方向上出现的应变。类似地，具有沿X轴的应变消除特征件的力敏感膜520可被用于测量主更在X方向上出现的应变，同时消除或最小化沿应变消除特征件的方向的横向方向上的应变。

在该例子中，还将两个力敏感膜510、520的主方向519、529彼此不同地定向。特别地，以大体离Y轴-45度定向的主方向519将力敏感膜510放置在堆叠500中。以大体离Y轴+45度定向的主方向529将另一个力敏感膜520放置在堆叠500中。这种配置导致力敏感膜510、520在应变时具有相同的电场方向。结果，中间电极(522b和512a)可以在传感器内连接或电耦合。虽然图5A中绘出的主方向519和529通常以+/-45度定向，但是如果中间电极522b和512a在传感器内是独立连接的，主方向也可以是不同定向的。而且，在一些情况下，例如如果在堆叠500内具有足够的电容性耦合，不必具有两个电极522b和512a。

在一些情况下，测量X和Y方向这两者上的应变是期望的。例如，当边界条件可以变化时，X和Y方向上应变的和可以代表施加到堆叠的顶表面上的力的更稳健且可再现的指示。例如，如果堆叠(板形)仅由相反的侧边支撑，则堆叠主要沿未支撑的轴弯曲和呈现应变。因而，只要侧边是支撑的，则应变仅沿大体垂直于侧边的轴是非零的。

两个力敏感膜510、520可被用于检测和测量显示器堆叠500上力的大小。特别地，如图5A的堆叠500中配置的两个力敏感膜510、520可被用于检测由显示器堆叠500的表面上的触摸造成的凹陷。而且，通过利用具有彼此垂直定向的应变消除特征件的两个力敏感膜510、520，可以改善传感器对一些偏转的响应。例如，利用两个力敏感膜510、520可以改善可服从一个或多个边界条件的传感器的可靠性，如上所述。

如图5A所示，堆叠500包括在示例的配置中安排的其他组件或层。在堆叠500中，将光学透明胶(OCA)层511a、511b设置在力敏感膜510的任一侧上。相似地，两个OCA层521a、521b设置在另一个力敏感膜520的任一侧上。OCA层511a-b和521a-b用于粘结或连接到邻近的层，以形成堆叠500。

如图5A所示，堆叠500还包括用于每个力敏感膜的一对电极层。特别地，两个电极层512a和512b设置在力敏感膜510的任一侧上。类似地，两个另一个电极层522a、522b设置在另一个力敏感膜520的任一侧上。电极层512a-b和522a-b可以被可操作地耦接到被配置成检测由力敏感膜510、520的偏转产生的电气特性(诸如电荷或电流等)的改变的感测电路。电极层512a-b和522a-b可以由诸如沉和或形成在衬底上的铟锡氧化物(ITO)等的透明导电材料形成。在该例子中，电极层512a-b在各自的衬底层513a-b上形成，以及电极层522a-b在各自的衬底层523a-b上形成。衬底层513a-b和523a-b可以由聚对苯二甲酸乙二醇脂(PET)板或其他透明板材料形成。在该例子中，附加的OCA层515用于将堆叠500的顶部和底部组件粘结在一起。在一些实施例中，衬底523a可以形成显示器堆叠的盖。在其他实施例中，衬底523a经由一个或多个其他层附接到单独的盖元件。

图5B-C绘出了示例的替代堆叠配置。如图5B所示，堆叠530包括与显示元件501集成的两个力敏感膜540、550。类似于以上关于图5A所述的，两个力敏感膜540、550由压电材料形成，压电材料当沿主方向(549,559)应变时呈现零或显著减少的净电荷。而且，类似于前面的例子，每个力敏感膜540、550包括彼此垂直定向的应变消除特征件阵列。因而，堆叠530还可以被用于检测和测量堆叠530上触摸力的大小。

在图5B中绘出的示例堆叠530中，在单个衬底层545的任一侧上形成电极层552b和542a。在一个例子中，利用双侧ITO工艺(也称作DITO工艺)形成电极层552b和542a。这种配置减少了形成堆叠所需要的层的数目，并且还消除了将堆叠的顶部组件和底部组件粘结时对中间OCA层的需要。因而，图5B的堆叠530与图5A的堆叠500相比可以具有减少的厚度。

如图5B所示，堆叠530还包括设置在力敏感膜540的任一侧上的OCA层541a和541b。类似地，OCA层551a和551b设置在另一个力敏感膜550的任一侧上。堆叠530还包括设置在力敏感膜540任一侧上的电极层542a和542b。类似地，电极层552a和552b设置在另一个力敏感膜550的任一侧上。底部电极层542a和542b分别形成在衬底层545和543上。类似地，顶部电极层552a和552b分别形成在衬底层553和545上。可以利用类似于以上关于图5A的堆叠500描述的材料和技术形成OCA层、电极层和衬底层。在一些实施例中，上衬底553可以形成显示器堆叠530的盖。在其他实施例中，上衬底553经由一个或多个其他层附接到单独的盖元件。

图5C绘出了第三个示例堆叠560。如图5C所示，堆叠560包括与显示元件501集成的两个力敏感膜570、580。类似于以上关于图5A描述的，两个力敏感膜570、580由压电材料形成，所述压电材料当沿主方向(579,589)应变时呈现零或显著减少的净电荷。而且，类似于两个前面的例子，每个力敏感膜570、580包括彼此垂直定向的应变消除特征件阵列。因而，堆叠560还可被用于检测和测量堆叠560上触摸力的大小。

在图5C中绘出的示例堆叠560中，两个力敏感膜570、580共享在衬底层593上形成的公共电极层592。公共电极层592可以用作公共接地或参考层。替代地，外部电极层572和582可以用作接地层，并且保护堆叠560的内部组件免受电气干扰。这种配置进一步减少了形成堆叠所需要的层的数目，并且还消除了需要形成的电极层的数目。因而，图5C的堆叠560与图5A的堆叠500和图5B的堆叠530相比可以具有减少的厚度。

如图5C所示，堆叠560还包括设置在力敏感膜570的任一侧上的OCA层571a和571b。类似地，OCA层581a和581b设置在另一个力敏感膜580的任一侧上。堆叠560还包括电极层572和设置在力敏感膜570任一侧上的共享的电极层592。类似地，电极层582和共享的电极层592设置在另一个力敏感膜580的任一侧上。底部电极层572形成在衬底层573上，而顶部电极层582形成在衬底层583上。可以利用类似于以上关于图5A的堆叠500描述的材料和技术形成OCA层、电极层和衬底层。在一些实施例中，上衬底583可以形成电子堆叠560的盖。在其他实施例中，上衬底583经由一个或多个其他层附接到单独的盖元件。

图6绘出了示例电子设备600的组件。图6中绘出的图示可以对应于上述便携式电子设备(包括图1中描述的设备100)的组件。然而，图6还可以更一般地表示被配置成利用力传感器的其他类型的设备。例如，电子设备600可以代表用于移动电话、可穿戴电子设备、健康监视设备、平板计算设备、笔记本计算机、桌面计算机的组件子集。

如图6所示，设备600包括可操作地连接到计算机存储器604和计算机可读介质606的处理单元602。处理单元602可以经由电子总线或桥可操作地连接到存储器604和计算机可读介质606组件。处理单元602可以包括被配置成响应于计算机可读指令执行操作的一个或多个计算机处理器或微处理器。处理单元602可以包括设备的中央处理单元(CPU)。附加或替代地，处理单元602可以包括设备内的其他处理器，所述设备包括专用集成电路(ASIC)和其他微控制器设备。

存储器604可以包括各种类型的非暂态计算机可读存储介质，例如包括随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程存储器(例如，EPROM和EEPROM)或闪存。存储器604被配置成存储计算机可读指令、传感器值和其他永久的软件元素。计算机可读介质606还包括各种类型的非暂态计算机可读存储介质，例如包括硬盘驱动存储设备、固态存储设备、便携式磁存储设备或其他类似的设备。计算机可读介质606还可以被配置成存储计算机可读指令、传感器值和其他永久的软件元素。

在该例子中，处理单元602被操作以读取存储在存储器604和/或计算机可读介质606上的计算机可读指令。计算机可读指令可以使处理单元602适应于指导或控制以上关于图6所述的感测和显示操作。计算机可读指令可被提供为计算机程序产品、软件应用等。

如图6所示，设备100还包括显示器608和输入设备610。显示器608可以包括液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)显示器、发光二极管(LED)显示器、有机电致发光(OEL)显示器或其他类型的显示元件。如果显示器608是LCD，则显示器还可以包括被控制以提供不同等级的显示亮度的背光组件。如果显示器608是OLED或LED类型的显示器，则可以通过控制提供给显示元件的电信号来控制显示器的亮度。

输入设备610被配置成将用户输入提供给设备100。输入设备610可以代表被配置成还将用户输入提供给设备600的力传感器620的设备，设备610也可以被一般化地描述为输入设备。输入设备610可以例如包括触摸按钮、键盘、小键盘或其他触摸输入设备。设备600可包括其他输入设备，例如包括电源按钮、音量按钮、回位(home)按钮、滚轮和相机按钮。

如图6所示，设备还包括可被配置成检测和测量施加于设备表面上的力的力传感器620。根据在此描述的一些实施例，力传感器620可以包括至少一个透明力敏感膜，所述透明力敏感膜被配置成响应于施加到设备表面上的力相对于彼此偏转。以上关于图2A-C、3A-B和4A-B描述了示例力敏感膜。根据在此描述的一些实施例，力传感器620可以包括被结合到显示器堆叠中并且被配置成检测显示器盖(玻璃)上的触摸的一个或多个力敏感膜。以上关于图5A-C中绘出的实施例描述了具有结合的力传感器的示例显示器堆叠。

如图6所示，设备600还包括可操作地耦接到力传感器620的感测电路630。在一些实施例中，感测电路630被配置成检测传感器620的一个或多个透明力敏感膜由于设备上的力引起的电特性的变化。例如，感测电路630可以经由一个或多个电极可操作地耦接到透明力敏感膜，并且包括被配置成检测透明力敏感膜的表面上电荷的改变的电路。该电路可以包括可用作可被配置成放大电流中的微小变化的电荷累加器或电流积分器的组件。电路还可以包括一个或多个模拟数字转换器组件，用于将模拟电荷或电压信号转换成数字信号或输出。电路630还可以包括被用于操作力传感器620并且将感测电路630的输出传递到设备600的处理单元602和/或存储器604的一个或多个可编程组件和存储器。

虽然已经参照各种实施例描述了本发明，但是要理解，这些实施例是说明性的，并且本公开的范围不限于此。许多变种、修改、添加和改进都是可能的。更一般地，根据本公开的实施例已经在特定实施例的上下文中描述。可以用不同术语描述或在本公开的各种实施例中以不同的步骤分离或组合功能。这些和其他变种、修改、添加和改进可以落入到随后的权利要求限定的本公开的范围内。

Claims (17)

1.一种用于检测设备表面上的触摸力的力传感器，所述力传感器包括：

具有形成为力敏感膜并沿第一方向定向的狭缝特征件阵列的力敏感膜，其中所述力敏感膜由压电材料形成，所述压电材料当沿主方向应变时呈现显著减少的净电荷，其中所述第一方向离所述主方向近似45度。

2.如权利要求1所述的力传感器，还包括设置在所述力敏感膜一侧上的显示元件。

3.如权利要求1所述的力传感器，其中所述压电材料呈现依赖于应变方向的电荷极性。

4.如权利要求1所述的力传感器，其中所述压电材料当沿第一应变方向向上弯曲时呈现正电荷，并且当沿大体垂直于所述第一应变方向的第二应变方向向上弯曲时呈现负电荷。

5.如权利要求1所述的力传感器，其中所述压电材料是聚L丙交酯(PLLA)或聚D丙交酯(PDLA)聚合物膜材料。

6.如权利要求1所述的力传感器，还包括：

设置在所述力敏感膜之上的第一电极；

设置在所述力敏感膜之下的第二电极；以及

与所述第一电极和第二电极电耦接的感测电路，其中所述感测电路被配置成检测所述力敏感膜由于所述设备上的力造成的电特性的改变。

7.如权利要求6所述的力传感器，其中所述电特性是电荷。

8.一种用于检测施加到设备上的力的力传感器，所述力传感器包括：

形成所述设备的外表面的一部分的盖；

力敏感膜，所述力敏感膜设置在所述盖之下并且具有设置在所述力敏感膜内且沿第一方向定向的应变消除特征件阵列，其中所述力敏感膜由压电材料形成，所述压电材料当沿主方向应变时呈现显著减少的净电荷，其中所述第一方向离所述主方向近似45度，以及

设置在所述力敏感膜之下的显示元件。

9.如权利要求8所述的力传感器，其中所述应变消除特征件是沿所述第一方向定向的狭缝特征件。

10.如权利要求8所述的力传感器，其中所述应变消除特征件是沿所述第一方向定向的凹陷沟道特征件。

11.如权利要求8所述的力传感器，其中所述应变消除特征件是沿所述第一方向布置的穿孔特征件。

12.一种用于检测设备上的触摸力的力传感器，所述力传感器包括：

具有形成为力敏感膜并且沿第一方向定向的狭缝特征件阵列的第一力敏感膜，其中所述力敏感膜由压电材料形成，所述压电材料当沿第一主方向定向时呈现显著减少的净电荷，其中所述第一方向离所述第一主方向近似45度；以及

具有形成为力敏感膜并且沿第二方向定向的狭缝特征件阵列的第二力敏感膜，其中所述第二力敏感膜由压电材料形成，所述压电材料当沿第二主方向应变时呈现显著减少的净电荷，其中所述第二方向离所述第二主方向近似45度；

其中所述第一方向大体垂直于所述第二方向，并且其中所述第一主方向大体垂直于所述第二主方向。

13.如权利要求12所述的力传感器，还包括：

设置在所述第一力敏感膜之上的盖；以及

设置在所述第二力敏感膜之下的显示元件，其中所述第二力敏感膜设置在所述第一力敏感膜之下。

14.如权利要求12所述的力传感器，还包括：

设置在所述第一力敏感膜之上的顶部电极；

设置在所述第一力敏感膜之下的中间电极；

设置在所述第二力敏感膜之下的底部电极；以及

电耦接到所述顶部电极、中间电极和底部电极的感测电路，其中所述感测电路被配置成检测所述第一力敏感膜和第二力敏感膜由于所述设备上的力造成的电特性的改变。

15.如权利要求14所述的力传感器，其中所述第一力敏感膜被配置成当垂直于所述第一方向应变时产生电荷，并且所述第二力敏感膜被配置成当垂直于所述第二方向应变时产生电荷。

16.如权利要求14所述的力传感器，其中所述感测电路被配置成测量触摸的大小。

17.如权利要求14所述的力传感器，还包括：

设置在所述顶部电极和所述第一力敏感膜之间的第一光学透明胶；以及

设置在所述中间电极和所述第一力敏感膜之间的第二光学透明胶。