CN108151929A - 应变片传感器及显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种应变片传感器及显示装置，属于显示技术领域。本发明的应变片传感器，包括：压力应变片；所述压力应变片至少包括第一区域和第二区域；其中，所述压力应变片在第一区域的电阻温度系数为正值，在第二区域的电阻温度系数为负值。这样以来，当手指按压应变片传感器时，压力应变片在第一区域的电阻值的变化量与在第二区域的电阻值的变化量是相反的，此时至少可以减少或者完全消手指与应变片传感器的温度差所导致的压力应变片的电阻变化值，给所测量的手指的压力所产生的压力应变片的电阻变化值造成误差，进而使得所检测的触控信息更加精准。
Description
技术领域
本发明属于显示技术领域，具体涉及一种应变片传感器及显示装置。
背景技术
触摸屏因具有易操作性、直观性和灵活性等优点，已成为个人移动通讯设备和综合信息终端，如平板电脑、智能手机，以及超级笔记本电脑等主要人机交互手段。触摸屏根据不同的触控原理可分为电阻触摸屏、电容触摸屏、红外触摸屏和表面波(SAW)触摸屏等四种主要类型。其中，电容触摸屏具有多点触控的功能，反应时间快，使用寿命长和透过率较高，用户使用体验优越，同时随着工艺的逐步成熟，良品率得到显著提高，电容屏价格日益降低，目前已成为中小尺寸信息终端触控交互的主要技术。
但是，发明人发现通过应变片传感器以实现触控显示，是触控领域的一块短板，因此发明人对此进行了研究，提出一种采用电阻应变片作为应变片传感器，应用至触控屏中的技术方案。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种实现精准触控检测的应变片传感器及显示装置。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种应变片传感器，包括：压力应变片；所述压力应变片至少包括第一区域和第二区域；其中，所述压力应变片在第一区域的电阻温度系数为正值，在第二区域的电阻温度系数为负值。
优选的是，所述压力应变片包括电阻丝；其中，电阻丝在第一区域的电阻温度系数为正值，在第二区域的电阻温度系数为负值。
进一步优选的是，所述电阻丝的总长度为L；所述电阻丝在第一区域的长度为La，所述电阻丝在第二区域的长度为Lb；且La+Lb＝L；其中，La和Lb满足以下公式：
其中，αa为电阻丝在第一区域的电阻温度系数；αb为电阻丝在第二区域的电阻温度系数；βa为电阻丝在第一区域的应变灵敏系数；βb为电阻丝在第二区域的应变灵敏系数；ΔLa为电阻丝在第一区域，单位压力的形变率，ΔLb为电阻丝在第二区域，单位压力的形变率。
进一步优选的是，所述电阻丝的材料包括锰白铜，且位于所述第一区域的锰白铜和位于所述第二区域的锰白铜的温度系数不同；或者，
位于所述第一区域的电阻丝的材料为锰白铜，位于所述第二区域的电阻丝的材料为镍。
进一步优选的是，所述电阻丝包括至少两个部分，每一个部分电阻丝按照弓字形排布，分别用于感应不同方向的压力；且电阻丝的每一部分均包括第一区域和第二区域；或者，
所述电阻丝按照螺旋状排布。
优选的是，所述应变片传感器还包括：与所述压力应变片并排设置的对比应变片；所述对比应变片与所述压力应变片的结构相同。
进一步优选的是，所述应变片传感器还包括：还包括差分放大单元；其中，所述差分放大单元用于将该所述应变片传感器中的压力应变片与对比应变片所输出电阻信号转化为压力信号，并对压力信号进行放大，并通过读取线进行输出。
进一步优选的是，所述差分放大单元为惠斯通电桥检测电路；其中，所述压力应变片和所述对比应变片分别用作所述惠斯通电桥检测电路的电桥中的两个电阻。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种显示装置，包括相对设置的第一基板和第二基板，设置在所述第一基板与所述第二基板相对的侧面上的多个应变片传感器，以及多条读取线和多条控制线；其中，
所述应变片传感器为上述的任意一种所述的应变片传感器；
在每个所述应变片传感器的压力应变片与所述第二基板之间的压力传导柱；所述压力传导柱，用于在其所对应的所述应变片传感器发生按压时，将压力传导至所述压力应变片上；
每个所述应变片传感器用于在所述控制线上所输入的控制号的控制下被选通，并通过读取线读取所述压力应变片的压力信号大小关系，以确定触控点发生的位置。
优选的是，所述第一基板和所述第二基板中的一者为阵列基板，另一者为彩膜基板；或者，所述第一基板和所述第二基板中的一者为COA基板，另一一者为对盒基板；亦或者，所述第一基板与所述第二基板中的一者为有机电致发光二极管背板，另一者为对盒基板。
本发明具有如下有益效果：
由于本发明的应变片传感器中的压力应变片在第一区域的电阻温度系数为正值，在第二区域的电阻系数为负值，这样以来，当手指按压应变片传感器时，压力应变片在第一区域的电阻值的变化量与在第二区域的电阻值的变化量是相反的，此时至少可以减少或者完全消手指与应变片传感器的温度差所导致的压力应变片的电阻变化值，给所测量的手指的压力所产生的压力应变片的电阻变化值造成误差，进而使得所检测的触控信息更加精准。
附图说明
图1为本发明的实施例1的一种应变片传感器的示意图；
图2为本发明的实施例1的另一种应变片传感器的示意图；
图3为本发明的实施例1的再一种应变片传感器的示意图；
图4为本发明的实施例1的应变片传感器中的惠斯通电桥检测电路图；
图5为本发明的实施例2的显示装置的结构示意图；
图6为本发明的实施例2的显示装置的俯视图。
其中附图标记为：1、应变片传感器；11、压力应变片；111、压力应变片的第一区域；112、压力应变片的第二区域；12、对比应变片；121、对比应变片的第一区域；122、对比应变片的第二区域；13、压力传导柱；10、第一基板；20、第二基板；30、控制线；40、读取线。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
结合图1和2所示，本实施例提供一种应变片传感器1，包括压力应变片1，该压力应变片1上至少包括第一区域111和第二区域112；该压力应变片1在第一区域111的电阻温度系数为正值，在第二区域112的电阻系数为负值。
之所以如此设置是因为，由于当外界环境温度变化时，压力应变片1的阻值也会发生变化，其表达式为：Rt＝(R+αΔt)；其中，α为电阻温度系数，R为该压力应变片1的材料在某一特定温度下的电阻值，Δt为改变温度后与特定温度的温度差值，Rt为改变温度后的应变片的电阻值。因此，在将应变片传感器1应用至触控基板中时，当手指按压时，手指的压力和手指与应变片传感器1的温度差，这两个物理量均会应变片传感器1中的应变片的电阻产生作用，此时，手指与应变片传感器1的温度差所导致的压力应变片1的电阻变化值，将会给所测量的手指的压力所产生的压力应变片1的电阻变化值造成误差，从而导致所检测的触控信息不准确。而在本实施例中，压力应变片1在第一区域111的电阻温度系数为正值，在第二区域112的电阻系数为负值，这样以来，当手指按压应变片传感器1时，压力应变片1在第一区域111的电阻值的变化量与在第二区域112的电阻值的变化量是相反的，此时至少可以减少或者完全消手指与应变片传感器1的温度差所导致的压力应变片1的电阻变化值，给所测量的手指的压力所产生的压力应变片1的电阻变化值造成误差，进而使得所检测的触控信息更加精准。
以下提供一种优选的应变片传感器1的结构，该应变片传感器1的压力应变片1包括电阻丝；其中，电阻丝在第一区域111的电阻温度系数为正值，在第二区域112的电阻温度系数为负值。特别优选的是，压力应变片1仅具有第一区域111和第二区域112，也就是说电阻丝仅包括第一区域111和第二区域112，且第一区域111和第二区域112的电阻温度系数恰好能够使得在温度发生变化时，电阻丝在第一区域111的电阻变化量和第二区域112的电阻量互为相反数，也即电阻丝的整体电阻值恰好没有改变，因此，可以完全消手指与应变片传感器1的温度差所导致的压力应变片1的电阻变化值，给所测量的手指的压力所产生的压力应变片1的电阻变化值造成误差，从而使得所检测的触控信息更加精准。
在此需要说明的是，第一区域111和第二区域112的个数相同，且二者均可以一个或者多个，当第一区域111和第二区域112均为多个时，这两者是交替设置的。
以下介绍一下如何设置第一区域111的电阻丝的长度和第二区域112的电阻丝的长度。
如下述公式，即应变片传感器1受到压力和温度共同作用时的电阻丝的电阻表达式：
Rt＝R(1+L×ΔL×β)(1+αΔt)；
其中，Rt为应变片传感器1受到压力和温度共同作用时的电阻丝的总电阻值；R为应变片传感器1未受到压力和温度共同作用时的电阻丝的总电阻值；L为电阻丝的长度，ΔL为单位压力下，单位长度的电阻丝引起的形变量(也即形变率)，β为电阻丝的应变灵敏系数；从该公式中可以看到，如果温度和压力同时作用于压力应变片1时，则压力应变片1的所受到的压力是与温度相关的，因此会影响到压力触控检测的精度。
假设本实施例中，压力应变片1的电阻丝的总长度为L；所述电阻丝在第一区域111的长度为La，所述电阻丝在第二区域112的长度为Lb；且La+Lb＝L。电阻丝在第一区域111、第二区域112在受到压力和温度作用时的电阻值，如以下公式：
Rta＝Ra(1+La×ΔLa×βa)(1+αaΔt)；
Rtb＝Rb(1+Lb×ΔLb×βb)(1+αbΔt)；
其中，αa为电阻丝在第一区域111的电阻温度系数；αb为电阻丝在第二区域112的电阻温度系数；βa为电阻丝在第一区域111的应变灵敏系数；βb为电阻丝在第二区域112的应变灵敏系数；ΔLa为电阻丝在第一区域111，单位压力的形变率，ΔLb为电阻丝在第二区域112，单位压力的形变率，Δt温度变化量。
电阻丝的总电阻等于电阻丝在第一区域111、第二区域112在受到压力和温度作用时的电阻值之和，也即如以下公式：
Rta+Rtb＝Ra(1+La×ΔLa×βa)(1+αaΔt)+Rb(1+Lb×ΔLb×βb)(1+αbΔt)。
与此可知，若想应变片的电阻与温度无关，则必须使得其与Δt无关，即需要满足以下公式：
Ra(1+La×ΔLa×βa)αaΔt+Rb(1+Lb×ΔLb×βb)αbΔt＝0。
因此，则要求La和Lb满足以下公式：
从上式可以看到，右边所有符号都是已知数，则La和Lb可以唯一确定。因此，总可以找到一个合适的长度关系，使得该压力应变片1的电阻值变化与温度无关；同时，可以选取合适的材料，也即选择温度系数符号相反的材料分别作为La和Lb对应的电阻丝的区域。
具体的，将压力F引入到上述公式中，进行修正得到：
若想要所选取的第一区域的电阻丝的长度La与压力F无关，则需要满足：
Ra×αa+Rb×αb＝0即可。
而根据电阻公式：故很容易满足Ra×αa+Rb×αb＝0。
具体的，只要选定电阻温度系数符号相反的两种材料，然后设定它们的横截面积，即可做到Ra×αa+Rb×αb＝0。
所以说，在本实施例中最有选的是，Ra×αa+Rb×αb＝0。
具体的，在本实施例中优选的位于第一区域111和第二区域112的电阻丝的材料均为锰白铜，但位于第一区域111和第二区域112的锰白铜的温度系数不同，且符号相反；在此需要说明的是，根据不同退火温度，可以设计出不同的温度系数的锰白铜材料。或者，位于第一区域111和第二区域112的电阻丝的材料也可以分别为锰白铜和镍。当然，第一区域111和第二区域112的电阻丝的材料也不局限于以上两种情况，只要是第一区域111的电阻温度系数为正值，在第二区域112的电阻温度系数为负值的材料即可。
其中，在本实施例中优选的压力应变片1上的电阻丝至少包括两部分，分别用于感应不同方向的压力。优选的，如图1所示，本实施例中的压力应变片1上的电阻丝也可以是螺旋状排布。当然，如图2所示，压力应变片1上的电阻丝至少两部分的走线可以为弓字形排布。
之所以采用这种电阻丝的排布方式是因为，当手指压在触控基板上时，触控基板产生形变后会受到来自不同方向的拉力，但是总可以将这些力分解为两个互相垂直的分量x、y；基于此，将应电阻丝设计成可以感受互相垂直的走线的图案，这样电阻上的y方向的走线用来感知来自y方向的力，而x方向走线则用来感知来自x方向的力，这样可以最大程度的收集到压力信息。当然电阻丝也可以设计成其他的形式，比如设计成辐射状图案，只要能最大限度的采集到压力信息即可。
由于本实施例中应变片传感器1，在仅具有一个压力应变片1时已经排除了温度的干扰，因此对于一些应用来说，在只使用具有一个压力应变片1的应变片传感器1，而不设置对比应变片12也是可行的；这样还可以节省触控面板上的使用空间。
如图3所示，作为本实施例中另一种优选的应变片传感器1的结构，其包括并排设置的压力应变片1和对比应变片12。其中，压力应变片1和对比应变片12(对比应变片12上的第一区域为121，第二区域为122)的结构完全一样。而压力应变片1具有用于上述压力应变片1相同的结构，也即该应变片传感器1的压力应变片1和对比应变片12均在第一区域111的电阻温度系数为正值，在第二区域112的电阻系数为负值，这样以来，当手指按压应变片传感器1时，压力应变片1在第一区域111的电阻值的变化量与在第二区域112的电阻值的变化量是相反的，此时至少可以减少或者完全消手指与应变片传感器1的温度差所导致的压力应变片1的电阻变化值，给所测量的手指的压力所产生的压力应变片1的电阻变化值造成误差，进而使得所检测的触控信息更加精准。
其中，该应变片传感器1还包括差分放大单元，该差分放大单元用于将与应变传感器中的压力应变片1和对比应变片12所输出电阻信号转化为压力信号，并对压力信号进行放大，并通过读取线40进行输出。之所以设置差分放大单元的原因是，应变传感器中的压力应变片1和对比应变片12在受到按压时，其电阻值的发生变化，而对比应变片12上的电阻值不变，此时采用差分放大单元则可以将压力应变片1和对比应变片12中一者的电阻值进行反相，之后再叠加放大，此时可以更为精准的检测到应变片传感器1上的压力信号发生改变，以更好的确定触控点的位置。
其中，如图4所示，应变片传感器1中还包括一个开关单元，该开关单元可以为开关晶体管T1；上述的所述差分放大单元为惠斯通电桥检测电路；其中，压力应变片1和对比应变片12分别用作所述惠斯通电桥检测电路的电桥中的两个电阻。具体的，如图4所示，应变片传感器1中的压力应变片1作为第三电阻R3、对比应变片12作为第四电阻R4，这两者与第一电阻R1和第二电阻R2构成惠斯通电桥检测电路中的电桥，其中，该电桥的第一端连接电源电压端，第二端连接开关晶体管T1的第一极，第三端连接低电压端(或者接地)，第四端则通过第六电阻R6与比较放大器的正向输入端连接；开关晶体管的通过第五电阻R5与比较放大器的反向输入端连接，开关晶体管T1的控制极则连接控制线30；第七电阻R7一端连接在第五电阻R5与比较放大器的反向输入端之间，另一端连接在比较放大器的输出端；第八电阻R8的一端接在第六电阻R6与比较放大器的正向输入端之间，另一端则连接参考电压；比较放大器的正向输出的信号给读取线40。当控制线30打开时，可以通过后续的惠斯通电桥检测电路的中的比较放大器得到压力信号，后续再经过调理，采集单元对各个读取线40上的压力信号采集后并进行模数转换，进入处理单元做进一步的处理，以确定触控点的位置。
实施例2：
结合图5和6所示，本实施例提供一种显示装置，其包括相对设置的第一基板10和第二基板20，设置在所述第一基板10与所述第二基板20相对的侧面上的多个应变片传感器1，以及多条读取线40和多条控制线30；在每个所述应变片传感器1的压力应变片1与所述第二基板20之间的压力传导柱13；所述压力传导柱13，用于在其所对应的所述应变片传感器1发生按压时，将压力传导至所述压力应变片1上；每个所述应变片传感器1用于在所述控制线30上所输入的控制号的控制下被选通，并通过读取线40读取所述压力应变片1的压力信号大小关系，以确定触控点发生的位置。
触控基板中的多条所述控制线30和多条所述读取线40交叉且绝缘设置，并在交叉位置处限定出一个应变片传感器1；以每个应变片传感器1包括压力应变和对比应变片12为例进行说明，其中，每个应变片传感器1中还包括开关晶体管；每个所述开关晶体管的第一极与其对应的压力应变和对比应变片12电性连接，位于同一列的所述开关晶体管的第二极与同一条读取线40连接，位于同一行的所述开关晶体管的控制极与同一条控制线30连接。采用这种方式，布线简单，且容易检测到触控点的位置。具体的，假若给第一行控制线30通入工作信号，此时位于第一行的应变片传感器1中的开关晶体管打开，此时当其中一条读取现读取到第X个应变片传感器1的压力应变和对比应变片12的压力信号发生变化，则可以判断出是第一行的第X个应变片传感器1的位置发生触控。不难看出这种方式简单、易于实现。
其中，第一基板10和第二基板20中的一者为阵列基板，另一者为彩膜基板；或者，第一基板10和第二基板20中的一者为COA基板，另一一者为对盒基板；亦或者，第一基板10与第二基板20中的一者为有机电致发光二极管背板，另一者为对盒基板。
在此需要说明的是，当第一基板10为OLED背板时，应变片传感器1中的开关晶体管可与OLED驱动电路中的开关晶体管采用同步形成，此时并不会增加工艺步骤，且可以节约成本，利于量产化。其中，每个应变片传感器1的压力应变和对比应变片12则可以通过贯穿开关晶体管上方的绝缘层与开关晶体管的漏极连接。而且，开关晶体管可与OLED驱动电路中的开关晶体管最好具有不同的开关特性，即一者为N型管，另一者为P型管，此时可以将这两种晶体管采用同一控制线30控制，以使在两者在显示和触控过程中分时复用，互不影响。同理，第一基板10还可以为阵列基板或者COA基板，原理与OLED背板相似，在此不再详细描述。
其中，本实施例的显示装置可以为液晶面板、OLED面板、电子纸、手机、平板电脑、电视机、显示器、笔记本电脑、数码相框、导航仪等任何具有显示功能的产品或部件。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种应变片传感器，包括：压力应变片；其特征在于，所述压力应变片至少包括第一区域和第二区域；其中，所述压力应变片在第一区域的电阻温度系数为正值，在第二区域的电阻温度系数为负值。
2.根据权利要求1所述的应变片传感器，其特征在于，所述压力应变片包括电阻丝；其中，电阻丝在第一区域的电阻温度系数为正值，在第二区域的电阻温度系数为负值。
3.根据权利要求2所述的应变片传感器，其特征在于，所述电阻丝的总长度为L；所述电阻丝在第一区域的长度为La，所述电阻丝在第二区域的长度为Lb；且La+Lb＝L；其中，La和Lb满足以下公式：
其中，αa为电阻丝在第一区域的电阻温度系数；αb为电阻丝在第二区域的电阻温度系数；βa为电阻丝在第一区域的应变灵敏系数；βb为电阻丝在第二区域的应变灵敏系数；ΔLa为电阻丝在第一区域，单位压力的形变率，ΔLb为电阻丝在第二区域，单位压力的形变率。
4.根据权利要求2所述的应变片传感器，其特征在于，所述电阻丝的材料包括锰白铜，且位于所述第一区域的锰白铜和位于所述第二区域的锰白铜的温度系数不同；或者，
位于所述第一区域的电阻丝的材料为锰白铜，位于所述第二区域的电阻丝的材料为镍。
5.根据权利要求2所述的应变片传感器，其特征在于，所述电阻丝包括至少两个部分，每一个部分电阻丝按照弓字形排布，分别用于感应不同方向的压力；且电阻丝的每一部分均包括第一区域和第二区域；或者，
所述电阻丝按照螺旋状排布。
6.根据权利要求1所述的应变片传感器，其特征在于，还包括：与所述压力应变片并排设置的对比应变片；所述对比应变片与所述压力应变片的结构相同。
7.根据权利要求6所述的应变片传感器，其特征在于，还包括差分放大单元；其中，所述差分放大单元用于将该所述应变片传感器中的压力应变片与对比应变片所输出电阻信号转化为压力信号，并对压力信号进行放大，并通过读取线进行输出。
8.根据权利要求7所述的应变片传感器，其特征在于，所述差分放大单元为惠斯通电桥检测电路；其中，所述压力应变片和所述对比应变片分别用作所述惠斯通电桥检测电路的电桥中的两个电阻。
9.一种显示装置，其特征在于，包括相对设置的第一基板和第二基板，设置在所述第一基板与所述第二基板相对的侧面上的多个应变片传感器，以及多条读取线和多条控制线；其中，
所述应变片传感器为权利要求1-8中任一项所述的应变片传感器；
在每个所述应变片传感器的压力应变片与所述第二基板之间的压力传导柱；所述压力传导柱，用于在其所对应的所述应变片传感器发生按压时，将压力传导至所述压力应变片上；
每个所述应变片传感器用于在所述控制线上所输入的控制号的控制下被选通，并通过读取线读取所述压力应变片的压力信号大小关系，以确定触控点发生的位置。
10.根据权利要求9所述的显示装置，其特征在于，所述第一基板和所述第二基板中的一者为阵列基板，另一者为彩膜基板；或者，所述第一基板和所述第二基板中的一者为COA基板，另一一者为对盒基板；亦或者，所述第一基板与所述第二基板中的一者为有机电致发光二极管背板，另一者为对盒基板。
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