CN109642835A - 手指热补偿的全桥应变仪阵列 - Google Patents

Abstract

一种具有应变仪阵列的力传感器，所述应变仪阵列包括按照全桥配置布置的力感测电极，所述全桥配置包括第一电阻器类型中的至少两个和第二电阻器类型中的至少两个，其中第一电阻器类型中的至少两个形成第一力感测节点，并且第二电阻器类型中的至少两个形成第二力感测节点，通信地耦合到力感测电极的处理系统，所述处理系统被配置成接收来自第一力感测节点的第一信号和来自第二力感测节点的第二信号，其中第一信号包括热响应，并且第二信号包括热响应和施加的力，以及通过比较第一信号和第二信号来移除热响应以获得施加的力。

Description

手指热补偿的全桥应变仪阵列

技术领域

本发明一般涉及电子设备。

背景技术

包括接近传感器设备（通常也称为触摸板或触摸传感器设备）的输入设备广泛用于多种电子系统中。接近传感器设备通常包括常常由表面区分的感测区，其中接近传感器设备确定一个或多个输入对象的存在、位置和/或运动。接近传感器设备可用于为电子系统提供界面。例如，接近传感器设备常常用作较大计算系统的输入设备（诸如集成在笔记本或台式计算机中或外设于笔记本或台式计算机的不透明触摸板）。接近传感器设备也常常用于较小计算系统（诸如集成在蜂窝电话中的触摸屏）中。

发明内容

通常，在一个方面中，本发明涉及一种力传感器，其包括应变仪阵列，所述应变仪阵列包括按照全桥配置布置的力感测电极，所述全桥配置包括第一电阻器类型中的至少两个和第二电阻器类型中的至少两个，其中第一电阻器类型中的至少两个形成第一力感测节点，并且第二电阻器类型中的至少两个形成第二力感测节点，通信地耦合到力感测电极的处理系统，所述处理系统被配置成接收来自第一力感测节点的第一信号和来自第二力感测节点的第二信号，其中第一信号包括热响应，并且第二信号包括热响应和施加的力，以及通过比较第一信号和第二信号来移除热响应以获得施加的力。

通常，在一个方面中，本发明涉及一种输入设备，其包括显示器，所述显示器被配置成将信息呈现给用户；输入表面；在输入表面的感测区域中按照全桥应变仪阵列布置的多个压阻电极，所述压阻电极包括第一电阻器类型中的至少两个和第二电阻器类型中的至少两个，其中第一电阻器类型中的至少两个形成第一力感测节点，并且第二电阻器类型中的至少两个形成第二力感测节点，以及通信地耦合到显示器和输入设备的处理系统，所述处理系统被配置成接收来自第一力感测节点的第一信号和来自第二力感测节点的第二信号，其中第一信号包括热响应，并且第二信号包括热响应和施加的力，以及通过比较第一信号和第二信号来移除热响应以获得施加的力。

通常，在一个方面中，本发明涉及一种处理系统，其包括传感器电路，所述传感器电路通信地耦合到按照全桥应变仪阵列布置的多个力感测电极，所述力感测电极包括第一电阻器类型中的至少两个和第二电阻器类型中的至少两个，其中第一电阻器类型中的至少两个形成第一力感测节点，并且第二电阻器类型中的至少两个形成第二力感测节点，以及处理器，其被配置成接收来自第一力感测节点的第一信号和来自第二力感测节点的第二信号，其中第一信号包括热响应，并且第二信号包括热响应和施加的力，以及通过比较第一信号和第二信号来移除热响应以获得施加的力。

根据下面的描述和所附权利要求，本发明的其它方面将是显而易见的。

附图说明

图1示出了根据一个或多个实施例的框图。

图2.1示出了根据一个或多个实施例的电路图。

图2.2示出了根据本发明的一个或多个实施例的对应于图2.1的电路图的表。

图3示出了根据一个或多个实施例的流程图。

图4.1、图4.2和图4.3示出了根据一个或多个实施例的按照第一拓扑结构的全桥配置的压阻元件的阵列的示例。

图5.1、图5.2和图5.3示出了根据一个或多个实施例的按照第二拓扑结构的全桥配置的压阻元件的阵列的示例。

图6.1、图6.2和图6.3示出了根据一个或多个实施例的按照第三拓扑结构的全桥配置的压阻元件的阵列的示例。

具体实施方式

现在将参照附图详细描述本发明的具体实施例。为了一致性，各种图中的相似元件由相似的参考标号表示。

在本发明的实施例的以下详细描述中，阐述了许多特定细节以便提供对本发明的更透彻理解。然而，对于本领域普通技术人员而言将显而易见的是，可以在没有这些特定细节的情况下实践本发明。在其它实例中，未详细描述众所周知的特征以避免不必要地使描述复杂化。

在整个申请中，序数（例如，第一、第二、第三等）可用作元件（即，本申请中的任何名词）的形容词。序数的使用不是要暗示或创建元件的任何特定顺序，也不是要将任何元件限制为仅是单个元件，除非明确地公开，诸如通过使用术语“之前”、“之后”、“单个”和其它这样的术语。相反，序数词的使用是要在元件之间进行区分。作为示例，第一元件不同于第二元件，并且第一元件可以包含多于一个元件并且按照元件的排序在第二元件之后（或之前）。

各种实施例提供促进改进的可用性的输入设备和方法。特别地，一个或多个实施例针对使用各种力传感器电极来检测输入力的设备。更具体地，本发明的一个或多个实施例针对能够进行真正多个点力检测的设备。在一个或多个实施例中，例如，力传感器电极定位在电子系统的显示器中并且被按照全电阻桥的阵列布置。在一个或多个实施例中，例如，全电阻桥的阵列在同一传感器衬底上具有空间相关的相邻压阻电极。每个全桥的所有四个电极共享相同或类似的热特性，并且因此，对由手指在输入设备上按下引起的热漂移做出相同的响应。同时，跨彼此对角线地布置的电极对共享相同的力响应，而电极的相对的对角线对不具有力响应。在一个或多个实施例中，利用这样的布置，通过跨桥差分地感测，移除了热漂移，而同时，由于手指施加压力而引起的压阻改变被放大。

现在转到附图，图1是根据本发明的实施例的示例性输入设备（100）的框图。输入设备（100）可以被配置成向电子系统（未示出）提供输入。如在本文档中所使用的那样，术语“电子系统”（或“电子设备”）宽泛地指代能够电子地处理信息的任何系统。电子系统的一些非限制性示例包括所有大小和形状的个人计算机，诸如台式计算机、膝上型计算机、上网本计算机、平板电脑、网络浏览器、电子书阅读器和个人数字助理（PDA）。附加示例电子系统包括复合输入设备，诸如包括输入设备（100）和独立操纵杆或按键开关的物理键盘。另外的示例电子系统包括外围设备，诸如数据输入设备（包括远程控制和鼠标）和数据输出设备（包括显示屏和打印机）。其它示例包括远程终端、信息站和视频游戏机（例如，视频游戏控制台、便携式游戏设备等）。其它示例包括通信设备（包括蜂窝电话，诸如智能电话）和媒体设备（包括记录器、编辑器和播放器，诸如电视机、机顶盒、音乐播放器、数码相框和数码相机）。另外，电子系统可以是输入设备的主机或从机。

输入设备（100）可以被实现为电子系统的物理部分，或者可以与电子系统在物理上分离。此外，输入设备（100）的部分作为电子系统的一部分。例如，确定模块的全部或部分可以在电子系统的设备驱动器中实现。视情况而定，输入设备（100）可使用以下中的任何一个或多个与电子系统的部分通信：总线、网络和其它有线或无线互连。示例包括I2C、SPI、PS/2、通用串行总线（USB）、蓝牙、RF和IRDA。

在图1中，输入设备（100）被示出为被配置为感测由感测区（120）中的一个或多个输入对象（140）提供的输入的接近传感器设备（通常也被称为“触摸板”或“触摸传感器设备”）。示例输入对象包括手指和触控笔，如图1中所示。在整个说明书中，使用输入对象的单数形式。尽管使用单数形式，但感测区（120）中存在多个输入对象。此外，哪些特定输入对象在感测区中可以在一个或多个手势的过程中改变。例如，第一输入对象可以在感测区中以执行第一手势，随后，第一输入对象和第二输入对象可以在上表面感测区中，并且最后，第三输入对象可以执行第二手势。为避免不必要地使描述复杂化，使用输入对象的单数形式并且指代所有以上变化。

感测区（120）包含输入设备（100）之上、周围、之中和/或附近的任何空间，其中输入设备（100）能够检测用户输入（例如，由一个或多个输入对象（140）提供的用户输入）。特定感测区的大小、形状和位置可以逐个实施例而极大地变化。

在一些实施例中，感测区（120）从输入设备（100）的表面沿一个或多个方向延伸到空间中，直到信噪比阻碍充分准确的对象检测。输入设备的表面上方的延伸可以被称为上表面感测区。在各种实施例中，此感测区（120）沿特定方向延伸到的距离可以大约是小于毫米、数毫米、数厘米或更多，并且可随着所使用的感测技术的类型和所期望的准确度而显著地变化。因此，一些实施例感测输入，所述输入包括与输入设备（100）的任何表面不接触、与输入设备（100）的输入表面（例如，触摸表面）接触、与耦合有某个量的施加力或压力的输入设备（100）的输入表面相接触和/或其组合。在各种实施例中，输入表面可以由传感器电极位于其内的壳体的表面、由施加在传感器电极或任何壳体之上的面板等提供。在一些实施例中，感测区（120）在被投影到输入设备（100）的输入表面上时具有矩形形状。

输入设备（100）可利用传感器部件和感测技术的任何组合来检测感测区（120）中的用户输入。输入设备（100）包括用于检测用户输入的一个或多个感测元件。作为若干非限制性示例，输入设备（100）可使用电容性、倒介电、电阻、电感、磁、声学、超声和/或光学技术。

一些实施方式被配置成提供跨越一维、二维、三维或更高维的空间的图像。一些实施方式被配置成提供沿特定轴或平面的输入的投影。此外，一些实施方式可被配置成提供一个或多个图像与一个或多个投影的组合。

在输入设备（100）的一些电阻实施方式中，柔性且导电的第一层由一个或多个间隔元件与导电第二层分离。在操作期间，跨层创建一个或多个电压梯度。按压柔性第一层可使其充分偏转以在层之间创建电接触，从而导致反映层之间的（一个或多个）接触点的电压输出。这些电压输出可用于确定位置信息。

在输入设备（100）的一些电感实施方式中，一个或多个感测元件获得由谐振线圈或线圈对感应的回路电流。电流的幅度、相位和频率的某个组合然后可以用于确定位置信息。

在输入设备（100）的一些电容实施方式中，施加电压或电流以创建电场。附近的输入对象引起电场的改变，并且产生电容性耦合的可检测改变，其可以被检测为电压、电流等的改变。

一些电容实施方式利用电容性感测元件的阵列或其它规则或不规则图案来创建电场。在一些电容实施方式中，分离的感测元件可欧姆地短接在一起以形成较大的传感器电极。一些电容实施方式利用电阻片，其可以是均匀电阻的。

一些电容实施方式利用基于传感器电极与输入对象之间的电容性耦合的改变的“自电容”（或“绝对电容”）感测方法。在各种实施例中，传感器电极附近的输入对象更改传感器电极附近的电场，因而改变所测量的电容性耦合。在一个实施方式中，绝对电容感测方法通过相对于参考电压（例如，系统接地）调制传感器电极以及通过检测传感器电极与输入对象之间的电容性耦合而操作。参考电压可以是基本上恒定的电压或变化的电压，以及在各种实施例中；参考电压可以是系统接地。使用绝对电容感测方法获取的测量结果可以被称为绝对电容性测量结果。

一些电容实施方式利用基于传感器电极之间的电容性耦合的改变的“互电容”（或“跨电容”）感测方法。在各种实施例中，传感器电极附近的输入对象更改传感器电极之间的电场，因而改变所测量的电容性耦合。在一个实施方式中，互电容感测方法通过检测一个或多个发射器传感器电极（也称为“发射器电极”或“发射器”）与一个或多个接收器传感器电极（也称为“接收器电极”或“接收器”）之间的电容性耦合而操作。发射器传感器电极可相对于参考电压（例如，系统接地）被调制以发射发射器信号（也称为“感测信号”）。接收器传感器电极可相对于参考电压保持基本上恒定以促进所产生信号的接收。参考电压可以是基本上恒定的电压，以及在各种实施例中；参考电压可以是系统接地。在一些实施例中，发射器传感器电极均可被调制。发射器电极相对于接收器电极被调制以发射发射器信号以及促进所产生信号的接收。所产生信号可包括对应于一个或多个发射器信号和/或对应于一个或多个环境干扰源（例如，其它电磁信号）的（一个或多个）效应。（一个或多个）效应可以是发射器信号、由一个或多个输入对象和/或环境干扰引起的发射器信号的改变或其它这样的效应。传感器电极可以是专用发射器或接收器，或者可以被配置为既发射又接收。使用互电容感测方法获取的测量结果可被称为互电容测量结果。

此外，传感器电极可以是变化形状和/或尺寸的。传感器电极的相同形状和/或尺寸可以在或可以不在相同的组中。例如，在一些实施例中，接收器电极可以是相同形状和/或尺寸的，然而在其它实施例中，接收器电极可以是变化形状和/或尺寸的。

在图1中，处理系统（110）被示出为输入设备（100）的一部分。处理系统（110）被配置成操作输入设备（100）的硬件以检测感测区（120）中的输入。处理系统（110）包括一个或多个集成电路（IC）和/或其它电路部件的部分或全部。例如，用于互电容传感器设备的处理系统可包括被配置成利用发射器传感器电极发射信号的发射器电路，和/或被配置成利用接收器传感器电极接收信号的接收器电路。此外，用于绝对电容传感器设备的处理系统可包括被配置成将绝对电容信号驱动到传感器电极上的驱动器电路，和/或被配置成利用那些传感器电极接收信号的接收器电路。在一个或多个实施例中，用于组合的互电容和绝对电容传感器设备的处理系统可以包括上述互电容电路和绝对电容电路的任意组合。在一些实施例中，处理系统（110）还包括电子可读指令，诸如固件代码、软件代码等。在一些实施例中，组成处理系统（110）的部件定位在一起，诸如在输入设备（100）的（一个或多个）感测元件附近。在其它实施例中，处理系统（110）的部件在物理上分离，其中一个或多个部件接近于输入设备（100）的（一个或多个）感测元件，而一个或多个部件在别处。例如，输入设备（100）可以是耦合到计算设备的外围设备，并且处理系统（110）可以包括被配置成在计算设备的中央处理单元以及与中央处理单元分离的一个或多个IC（可能具有相关联的固件）上运行的软件。作为另一示例，输入设备（100）可以物理地集成在移动设备中，并且处理系统（110）可以包括作为移动设备的主处理器的一部分的电路和固件。在一些实施例中，处理系统（110）专用于实现输入设备（100）。在其它实施例中，处理系统（110）还执行其它功能，诸如操作显示屏、驱动触觉致动器等。

处理系统（110）可以被实现为操作处理系统（110）的不同功能的模块的集合。每个模块可以包括作为处理系统（110）的一部分的电路、固件、软件或其组合。在各种实施例中，可以使用模块的不同组合。例如，如图1中所示，处理系统（110）可包括处理器（150）和传感器电路（160）。处理器（150）可以包括下列功能性：确定至少一个输入对象何时在感测区中、确定信噪比、确定输入对象的位置信息、识别手势、基于手势确定要执行的动作、手势的组合或其它信息和/或执行其它操作。

传感器电路（160）可包括用以驱动感测元件以发射发射器信号以及接收所产生信号的功能性。例如，传感器电路（160）可以包括耦合到感测元件的电路。传感器电路（160）可以包括例如发射器和接收器。发射器可包括发射器电路，所述发射器电路耦合到感测元件的发射部分。接收器可包括接收器电路，所述接收器电路耦合到感测元件的接收部分并且可包括用以接收所产生信号的功能性。

尽管图1示出了处理器（150）和传感器电路（160），但是根据本发明的一个或多个实施例，可以存在可替换的或附加的元件/模块。这样的可替换的或附加的模块可对应于与以上讨论的模块中的一个或多个不同的模块或子模块。示例可替换的或附加的模块包括硬件操作模块，其用于操作诸如传感器电极和显示屏的硬件；数据处理模块，其用于处理诸如传感器信号和位置信息的数据；报告模块，其用于报告信息；以及识别模块，其被配置成识别手势（诸如模式改变手势）；以及模式改变模块，其用于改变操作模式。此外，各种模块可以组合在分离的集成电路中。例如，第一模块可以至少部分地包括在第一集成电路内，并且分离的模块可以至少部分地包括在第二集成电路内。此外，单个模块的部分可以跨越多个集成电路。在一些实施例中，处理系统作为整体可以执行各种模块的操作。

在一些实施例中，处理系统（110）直接通过引起一个或多个动作来响应于感测区（120）中的用户输入（或没有用户输入）。示例动作包括改变操作模式以及诸如光标移动、选择、菜单导航和其它功能之类的图形用户界面（GUI）动作。在一些实施例中，处理系统（110）向电子系统的某部分（例如，向与处理系统（110）分离的电子系统的中央处理系统，如果存在这样的分离中央处理系统）提供关于输入（或没有输入）的信息。在一些实施例中，电子系统的某个部分处理从处理系统（110）接收的信息以对用户输入起作用，诸如以促进全范围的动作，包括模式改变动作和GUI动作。在一个或多个实施例中，电子系统包括如图2.1中描述的一个或多个部件。

例如，在一些实施例中，处理系统（110）操作输入设备（100）的（一个或多个）感测元件以产生指示感测区（120）中的输入（或没有输入）的电信号。处理系统（110）可以在产生提供给电子系统的信息中对电信号执行任何适当量的处理。例如，处理系统（110）可以数字化从传感器电极获得的模拟电信号。作为另一示例，处理系统（110）可执行滤波或其它信号调节。作为又一示例，处理系统（110）可减去或以其它方式计及基线，使得信息反映电信号与基线之间的差异。作为又一些示例，处理系统（110）可确定位置信息、确定力信息、将输入识别为命令、识别笔迹等。

如本文中所使用的“位置信息”宽泛地包含绝对位置、相对位置、速度、加速度和其它类型的空间信息。示例性“零维”位置信息包括近/远或接触/无接触信息。示例性“一维”位置信息包括沿轴的位置。示例性“二维”位置信息包括平面中的运动。示例性“三维”（3D）位置信息包括空间中的瞬时或平均速度。另外的示例包括空间信息的其它表示。还可以确定和/或存储关于一种或多种类型的位置信息的历史数据，包括例如随时间跟踪位置、运动或瞬时速度的历史数据。

如本文中所使用的“力信息”旨在宽泛地包含力信息，而不管格式。例如，可以为每个对象提供力信息作为矢量或标量。作为另一示例，力信息可被提供作为确定的力已经或尚未越过阈值量的指示。作为其它示例，力信息还可以包括用于手势识别的时间历史分量。如下面将更详细地描述的那样，来自处理系统的位置信息和力信息可以用于促进全范围的界面输入，包括使用接近传感器设备作为用于选择、光标控制、滚动和其它功能的指点设备。

在一些实施例中，输入设备（100）利用由处理系统（110）或由某一其它处理系统操作的附加输入部件来实现。这些附加输入部件可提供用于感测区（120）中的输入的冗余功能性或一些其它功能性。图1示出感测区（120）附近的按钮（130），其可用于促进使用输入设备（100）选择项目。其它类型的附加输入部件包括滑块、球、轮、开关等。相反地，在一些实施例中，输入设备（100）可以在不利用其它输入部件的情况下实现。

在一些实施例中，输入设备（100）包括触摸屏界面，并且感测区域（120）与显示屏的有源区域的至少一部分重叠。例如，输入设备（100）可以包括覆盖显示屏的基本上透明的传感器电极，并且为相关联的电子系统提供触摸屏界面。显示屏可以是能够向用户显示视觉界面的任何类型的动态显示器，并且可以包括任何类型的发光二极管（LED）、有机LED（OLED）、阴极射线管（CRT）、液晶显示器（LCD）、等离子、电致发光（EL）或其它显示技术。输入设备（100）和显示屏可以共享物理元件。例如，一些实施例可以利用相同的电部件中的一些用于显示和感测。在各种实施例中，显示设备的一个或多个显示电极可被配置成用于显示更新和输入感测二者。作为另一示例，显示屏可以部分地或全部地由处理系统（110）操作。

应当理解的是，虽然在全功能装置的上下文中描述了本发明的许多实施例，但是本发明的机制能够以多种形式被分发为程序产品（例如，软件）。例如，本发明的机制可以被实现和分发为在由电子处理器可读的信息承载介质（例如，由处理系统（110）可读的非瞬态计算机可读和/或可记录/可写信息承载介质）上的软件程序。另外，无论用于执行分发的介质的特定类型如何，本发明的实施例同样适用。例如，用于执行本发明的实施例的按照计算机可读程序代码的形式的软件指令可以全部或部分地、临时或永久地存储在非瞬态计算机可读存储介质上。非瞬态、电子可读介质的示例包括各种盘、物理存储器、存储器、存储棒、存储卡、存储模块和/或任何其它计算机可读存储介质。电子可读介质可以基于闪速存储技术、光学存储技术、磁性存储技术、全息存储技术或任何其它存储技术。

虽然图1中未示出，但是处理系统、输入设备和/或主机系统可以包括一个或多个计算机处理器、相关联的存储器（例如，随机存取存储器（RAM）、高速缓存存储器、闪速存储器等）、一个或多个存储设备（例如，硬盘、诸如致密盘（CD）驱动器或数字多功能盘（DVD）驱动器之类的光学驱动器、闪速存储棒等）以及许多其它元件和功能性。（一个或多个）计算机处理器可以是用于处理指令的集成电路。例如，（一个或多个）计算机处理器可以是处理器的一个或多个核或微核。此外，一个或多个实施例的一个或多个元件可以定位在远程位置并且通过网络连接到其它元件。此外，本发明的实施例可以在具有若干节点的分布式系统上实现，其中本发明的每个部分可以定位在分布式系统内的不同节点上。在本发明的一个实施例中，节点对应于不同的计算设备。可替换地，节点可对应于具有相关联的物理存储器的计算机处理器。节点可以可替换地对应于具有共享的存储器和/或资源的计算机处理器或计算机处理器的微核。

在图2.1中，根据本发明的一个或多个实施例描绘了电路图。具体地，电路图具有两种类型的电阻器（电阻器‘a’和电阻器‘b’），其按照如所示的桥配置来放置。在本发明的一个或多个实施例中，类型‘a’电阻器对可以共享共同属性或特性，并且类型‘b’电阻器对也可以共享共同属性或特性。更具体地，在一个或多个实施例中，电阻器类型‘a’仅响应于热漂移，例如，当手指在输入设备的特定感测区域上被向下按压时，导致在该感测区中创建“热点”或热漂移。另一方面，电阻器类型‘b’响应于热漂移和由手指在输入表面上向下按压所生成的力二者。换言之，跨彼此对角地定位的电阻器‘b’对共享相同的力响应，而沿横向方向的另一电阻器‘a’对具有相反的力响应或至少没有力响应。因此，所有四个电阻器共享相同或类似的热特性，但力响应在对角的电阻器对中不同。

在本发明的一个或多个实施例中，针对电阻器‘a’和电阻器‘b’可以通过使用不同材料来创建这样的模式。本领域技术人员将理解的是，不同导电材料上的不同程度的压阻效应是本领域众所周知的。因此，分别变化电阻类型‘a’和‘b’的材料导致一对响应于热漂移和力二者，而另一对电阻材料仅响应于热漂移。这样的材料的示例可包括但不限于透明金属，诸如ITO和PEDOT：PSS。碳纳米管和石墨烯是其它可能性。在本发明的范围内，通常用作绝缘层的SiOx也可以被看作是至少若干兆欧姆的电阻器。

在替换的实施例中，可以通过变化电阻器的几何形状来实现电阻器对的模式，其中例如，类型‘b’的电阻器具有比类型‘a’的电阻器小得多的几何形状覆盖区。

在图2.1中，示出了四个节点V1、V2、V3和V4。将正电压VDD施加到节点V1且将接地GND施加到节点V3（例如，如图2.2的对应表中所示），并且使用本领域中众所周知的基本欧姆定律及分压器原理，可测量和观察电压V4-V2的电压差或电压改变。换句话说，来自第一力感测节点（V4）的第一信号和来自第二力感测节点（V2）的第二信号可以由诸如以上图1中描述的处理器的处理器接收。第一信号可以包括热响应，而第二信号包括热响应和施加的力的测量。

根据本发明的一个或多个实施例，图2.1中所示出的基本电路图用于形成压阻电极的应变仪阵列，其中表示为‘a’和‘b’的两种电极按照菊链连接交替。术语“电极”宽泛地指任何感测元件，例如电容性触摸感测电极、或压阻电极或用于感测的任何其它合适的金属元件。压阻电极具有这样的属性：凭借该属性当施加机械应变（例如，由手指触摸输入设备所施加的压力）时，显示了压阻电极的电阻率的改变。根据以上图1的描述，节点和电阻器一起形成可用于电容性触摸感测或力感测的电极。全桥布置由例如如图2.1中所示布置的四个电极和四个电阻器形成。如将在图4.1、图4.2、图4.3、图5.1、图5.2、图5.3、图6.1、图6.2和图6.3的示例中解释的那样，压阻电极的阵列可以按照各种拓扑结构形成。

图3示出了根据本发明的一个或多个实施例的消除压阻电极的应变仪阵列中的热漂移的过程的流程图。

最初，在ST 310中，扫描输入设备的输入表面上的有源区域或二维感测区中的阵列桥，以确定对象的位置的定位，并且以观察在感测区中施加力的对象的力响应和热响应。感测区可以是这样的区，在该区周围，在输入表面上存在用户的“热点”或者手指按压。可替换地，感测区可以是能够接收触摸/力输入的整个输入表面。

在ST 320中，移除或抵消形成全桥阵列的四个电极的热响应。如上所述，当对象触摸输入设备的感测区时，所有四个电极具有相同的（等效的）热响应。然而，在全桥构造中跨彼此对角地定位的仅一对电极具有对由同一对象施加的力的响应。在本发明的一个或多个实施例中，跨电极的全桥应变仪阵列计算电压差（即，电压的改变）导致热响应的抵消（或消除），使得仅保持力响应并且可以独立于热漂移来观察力响应。本领域技术人员将理解的是，热响应的抵消是分压器原理/方程的结果，所述分压器原理/方程用于计算跨全桥电极配置的差分电压，如以上关于图2所描述的那样。

作为在ST320中执行的计算的结果，力响应仅可以在ST330中观察到。在本发明的一个或多个实施例中，跨桥差分地感测同等地移除了耦合到每个电极的任何热漂移，而同时由于手指施加压力而引起的压阻改变被放大（例如，加倍或成四倍）。

在ST340中，关于输入设备的感测区中的所有桥的阵列是否已经被扫描做出确定。在一个或多个实施例中，如果足够的模拟前端可用于从每个桥捕获多个输出，则可以完全同时扫描桥的阵列。因此，如果同时扫描所有阵列（ST340），则该过程结束。可替换地，可通过每次扫描改变桥构造（即，改变向其施加电压并且在其上测量电压的节点）来渐次地扫描桥的阵列（ST350）。然后，可以在前端多路复用输出以获得总扫描感测区的结果。参见例如图4.2和图5.2。

以下示例论证了本发明的各种实施例，并不意味着以任何方式限制本发明。在下面讨论的每个示例中，按照全桥配置的压阻元件的阵列被嵌入到电容性电极的现有拓扑结构中，其已经为输入设备（诸如以上图1中描述的输入设备）上的电容性触摸感测能力而存在。

在图4.1、图4.2和图4.3中，根据本发明的一个或多个实施例描绘了压阻电极的示例一维阵列。图4.1、图4.2和图4.3示出了压阻电极的阵列嵌入其中的示例第一拓扑结构。在一个或多个实施例中，在图4.1、图4.2和图4.3的拓扑结构中，电容性电极本身（电极的金属部分）也是压阻元件。

在图4.1中，示出了类似于图2.1的电路的电路，其中表示为‘a’和‘b’的两种类型的电极按照菊链配置交替。如以上在图2.1中所描述的那样，根据手指施加的压力和相关联的热效应的电阻改变在两种类型的电极之间是不同的。在本发明的一个或多个实施例中，电极‘a’仅对热漂移敏感，而电极‘b’对热漂移和施加的机械压力二者都敏感。可以或者通过变化每种类型的电极的几何形状图案/覆盖区或者通过变化电极的材料使得电极‘a’的固有材料属性不同于电极‘b’的固有材料属性来使这两种类型的电极之间的响应特性不同。

继续图4.1，在一个节点处施加VDD（406），并且在相对节点处施加GND（408）。如以上在图3中所描述的那样，通过跨节点V+（402）和V-（404）差分地测量电压，热效应被抵消，而由施加的压力单独引起的电阻改变被加倍。在本发明的一个或多个实施例中，为了防止输出电压离开原定进程（derailing），可以将被称为DC偏移电阻器（410）的为（Ra+Rb）/2欧姆的附加参考电阻器添加到电路。DC偏移电阻器使输出电压集中在近似VDD/2附近。

图4.2示出了电极‘a’和‘b’的几何形状覆盖区。如在附图中可见，电极“a”作为比电极“b”更大的几何形状覆盖区。在电极（410）的中间的圆圈表示由手指将机械压力施加到感测区上所引起的“热点”。在图4.2中，手指覆盖四个电极，形成全桥配置的两个类型‘a’和两个类型‘b’。在本发明的一个实施例中，在空间上接近在输入表面上施加压力的对象来形成全桥。当扫描多个电极时，来自每个节点的信号被多路复用并馈送到通用模数转换器（GPADC）中以获得输出结果。本领域技术人员将理解的是，对于图4.1-图4.3中所示出的拓扑结构，如果容纳这样的同时输出的硬件电路（模数转换器）是可用的，则可以同时扫描所有阵列。换句话说，多路复用是可选的，并且仅仅是为了节省所需的GPADC的数量的目的。

图4.3的表对应于图4.1中所示出的电极。在一个实施例中，该表通过向所示出的节点施加VDD和GND并对应地测量跨桥的差分电压来示出如何扫描电极的阵列。例如，VDD可以被施加到V1、V5、V9…V（1+4n），并且GND被施加到V3、V7、V11…V（3+4n），由此允许跨V2-V4的电压差的测量。类似地，当VDD被施加到V5、GND被施加到V7时，可以获得跨V4-V6的电压差。该过程继续进行，直到已经扫描所有的桥来获得输出结果，该输出结果表示跨所扫描的桥阵列的施加的力的测量结果，该所扫描的桥阵列在空间上接近在输入表面上施加机械压力的对象。

本领域技术人员将理解的是，在输入设备的输入表面上施加压力的对象可以是用户的手指。因为手指与热量相关联，所以由手指引起的温度漂移比二维输入设备表面的温度漂移更多。然而，本发明不限于该对象是用户的手指。在一个或多个实施例中，在不脱离本发明的范围的情况下，对象可以是能够在下层的压阻元件中引起热响应的任何其它合适的对象。例如，对象可以是产生热量的触控笔。

在图4.1、图4.2和图4.3的描绘中，形成应变仪的电极也可用作电容性传感器的发射器。因此，在本发明的一个或多个实施例中，在图4.1-图4.3的拓扑结构中，电阻器类型‘b’可以具有相对于电阻器类型‘a’的电阻值的非常大的电阻值。以此方式，包含电阻器类型‘a’的感测电极可以主要用于电容性感测（电荷泵），而包含电阻器类型‘b’的感测电极可以用于最小化从一个‘a’电极到另一个‘a’电极的电荷的泄漏。

此外，第一类型（‘a’）的电极可耦合到第二类型（‘b’）的电极。此外，在图4.1、图4.2和图4.3的第一拓扑结构中，也充当压阻元件的电极本身可以具有不同的材料属性，以实现‘a’和‘b’之间的不同压阻响应。本领域技术人员将理解的是，压阻元件或层也可以独立于输入设备中的电容性传感器而形成。这在下面的图5和图6中进一步讨论。

在一个或多个实施例中，图5.1、图5.2和图5.3的拓扑结构图示了压阻电极的二维阵列，其中压阻元件嵌入在相邻电极之间的介质中，所述相邻电极是独立的绝缘层或衬底。更具体地，压阻层可以被直接放置在每个电极之上或之下，其中电极仅充当探针点以获得测量结果。在本发明的一个或多个实施例中，如图5.2中所示，压阻层可以是PEDOT：PSS层，其由两种离聚物的聚合物混合物组成。该混合物中的一种成分由作为磺化聚苯乙烯的聚苯乙烯磺酸钠制成。本领域技术人员将理解的是PEDOT：PSS仅是示例，并不意味着限制本发明。在不脱离本发明的范围的情况下，压阻层可以是在施加机械压力时显示电阻率改变的任何半导体或金属材料。

在图5.1、图5.2和图5.3的拓扑结构中（并且也在下面讨论的图6的拓扑结构中），电容性触摸电极是金属元件，而压阻电极是两个金属电容性触摸电极之间的高电阻绝缘层的那些。在这些拓扑结构中，形成应变仪的电极还可用于形成矩阵传感器（例如，集成在显示器内的传感器）的电极。在这样的实施例中，第一类型（‘a’）的电极可以耦合到第二类型（‘b’）的电极，并且与电阻类型（‘b’）交互的电极的金属探针元件可以相互交叉，而电阻类型（‘a’）不相互交叉或者可以不那么相互交叉。换句话说，金属探针（而不是压阻元件“a”和“b”本身，其在金属探针相互交叉的上方或下方的层中）相互交叉。

如可以在图4.2和图5.2之间的拓扑结构的差异中观察到的那样，在图5.2中，类型‘a’的电阻器拉开用于电容性感测的每个金属元件（元件11-33），以“L”的形状示出，而类型‘b’的电阻器处于两个相邻金属电极之间（即，一个电阻器类型‘b’处于电极11和电极21之间，另一个处于电极21和电极31之间，另一个处于电极12和电极22之间等）。这与图4.1、图4.2和图4.3的拓扑结构形成对比，其中用于电容性感测的金属电极与压阻元件相同。因此，在图5.2中，可以观察到类型‘a’的电极和类型‘b’的电极的几何形状覆盖区的差异。本领域技术人员将理解的是，尽管利用不同几何形状示出了两种类型的电极，但是它们也可以具有相同的几何形状覆盖区。

根据图5.3的表，在图5.1、图5.2及图5.3的示例中执行将VDD和GND施加到各种节点以及计算跨全桥阵列的节点的电压差的相同过程，如以上关于图4.1、图4.2及图4.3所描述的那样。与以上的图4.1、图4.2和图4.3一样，多个节点可以被渐次地扫描并多路复用，或者在给定足够数量的模数转换器的情况下可以同时扫描，以获得表示手指在输入设备的表面上向下按压所施加的机械压力的测量的结果，因为当计算电压差时，热响应被抵消。作为示例，所采用的多路复用器的数量可以是n-1，其中n是电容性节点的行计数。

在一个或多个实施例中，为了从图5.1和图5.2中的类型‘a’的电极和类型‘b’的电极获得不同压阻响应，可以利用（leveraged）泊松效应。泊松效应规定当材料沿一个方向被压缩时，材料倾向于沿垂直于压缩方向的其它两个方向扩张。因此，当从输入表面的顶部施加压力时，跨一个方向上的电阻改变沿另一横向方向产生相反极性的改变。可以利用该关系来获得两个电极类型的响应的差异，以隔离或放大施加的力的测量。在一个或多个实施例中，通过利用诸如图5.1、图5.2和图5.3的二维配置的二维配置中的泊松效应对施加的力信号的放大可以是使用图4.1、图4.2和图4.3的一维配置的对施加的力信号的放大的两倍。

在本发明的一个或多个实施例中，如图5.1、图5.2和图5.3中所示出的二维应变仪阵列例如被配置成提供2D力图像。

在图6.1、图6.2和图6.3中，根据本发明的一个或多个实施例描绘了压阻电极的另一示例二维阵列。图6.1、图6.2和图6.3示出了其中嵌入压阻电极（602）的阵列的示例第三拓扑结构。在一个或多个实施例中，在图6.1、图6.2和图6.3的拓扑结构中，两个正交电极之间的介质是压阻元件（602），其是独立的绝缘层。换句话说，压阻应变仪在一个垂直定位的电极和一个水平定位的电极之间的横截面中形成。

图6.1描绘了其中发射电极和接收电极按照栅网配置示出的电路图，其中列R1-R3为触摸接收电极而行T1-T3为发射电极。两个（例如，R1、T1）的交点表示电容性触摸节点608。在该配置中，以及在图5.1的配置中，在每一个全桥应变仪仅进行一次测量时，在中间观察到压阻力节间（606），所述全桥应变仪包括类型‘a’的一对电阻器和类型‘b’的一对电阻器。如上所述，两对电阻器形成全桥，使得所测量的“力”与节间606相关联。图6.1的右侧示出了等效于由行T1-T3和列R1-R3形成的节点布置的电路。等效电路类似于以上关于图2.1和图4.1所讨论的那些电路。

在图6.2中，可以观察到压阻元件“a”对比“b”的几何形状覆盖区的差异。矩形形状‘b’下的面积小于正方形“a”下面的面积。在图2的示例中，第一类型‘a’和第二类型‘b’的电极的形状按照传感器电极交替。在输入设备的感测区上施加压力的对象的“热点”（604）被示出为覆盖四个电极的圆圈。这四个电极形成以上讨论的全桥配置，使得可以计算电压差以确定全桥阵列上的施加的力。在图6.3中，表格示出了向每个扫描（扫描1-扫描n-1，其中n是电容性节点的行计数）施加VDD和GND。在图6.1的配置中，跨行T施加电压，并且跨相邻行T施加GND。因此，在第一扫描中，例如，跨线T1施加VDD，而跨线T2施加GND。然后跨R1-R2、R2-R3等测量差分电压。因而，可以跨多个桥获得更多的同时测量结果。在扫描2中，VDD和GND施加被转移到下一个来使VDD被施加在节点T2上，并且GND被施加到节点T3。跨相同的R1-R2、R2-R3等测量差分电压。如图6.2中所示，对用于每个扫描的每对电阻器的输出进行多路复用以获得施加的力的作为结果的测量结果。

如可在图5.1与图6.1之间的拓扑结构的差异中观察到，在图6.1中，在R1-R3的垂直列与水平行T1-T3之间沿垂直方向测量电阻的改变。相反地，在图5.2的拓扑结构中，沿更水平的方向测量电阻的改变。这是由于在每个不同的拓扑结构中压阻层（502，602）的放置。

对于图6.1-图6.3的拓扑结构，时分复用（多次扫描）是强制的。因为多个金属探针部分欧姆地短接在一起（定义电极的行和列），所以当同时进行对所有行的电压的施加时，不可能将在列的特定对上进行的测量关于施加有电压（VDD和GND）的行的特定对相关联。因此，在任何给定的情况下，仅有一对行被施加有电压，并且所有其它行需要被三态化，以免对测量结果产生任何效应。例如，对于扫描1，仅T1被施加有VDD，而T2被施加有GND，并且所有其余的（即T3、T4…Tn）都是浮置的，如图6.3的表中所示。

在本发明的一个实施例中，在图5-图6的拓扑结构中，电阻器类型‘a’和‘b’二者都是与电容性感测电极的实体分离的实体。结果，它们的电阻可相对于电容性感测电极的电阻高得多（Rb>>Ra>>Rcap)。

在本发明的一个或多个实施例中，图4.1、图4.2和图4.3、图5.1、图5.2和图5.3以及图6.1、图6.2和图6.3的示例中的任一个中的全桥应变仪阵列的电极可以是可以用于显示更新和力感测的显示电极（例如，分段的Vcom的分段）。相同电极还可用于如以上关于图1所描述的电容性感测。这允许通过利用电容性触摸电极之间的共享电极角色的真正的多点力执行，所述电容性触摸电极也用于通过实现以上示例中所示出的压阻元件层来检测力。此外，感测节点的“节距”可对应于感测区上正在被感测的输入对象的大小，使得由输入对象与整个节点交互。

在图5.1、图5.2和图5.3以及图6.1、图6.2和图6.3的拓扑结构中，两个电极之间越多压阻元件并联，由于压阻效应，可以观察到越小的电阻改变。本领域普通技术人员将理解的是，在以上讨论的所有三种拓扑结构中，电极的几何形状可以被不同地设计，以在‘a’和‘b’之间实现不同的压阻响应。此外，电极之间的独立压阻元件可以具有不同的材料属性以实现‘a’和‘b’之间的不同压阻响应。

虽然已经相对于有限数量的实施例描述了本发明，但是已经受益于本公开的本领域技术人员将理解的是，可以设计不脱离如本文中所公开的本发明的范围的其它实施例。因此，本发明的范围应当仅由所附权利要求限定。

Claims (20)

1.一种力传感器，包括：

应变仪阵列，所述应变仪阵列包括按照全桥配置布置的力感测电极，所述全桥配置包括：

第一电阻器类型中的至少两个和第二电阻器类型中的至少两个，

其中所述第一电阻器类型中的所述至少两个形成第一力感测节点，并且所述第二电阻器类型中的所述至少两个形成第二力感测节点；

处理系统，其通信地耦合到所述力感测电极，所述处理系统被配置成：

接收来自所述第一力感测节点的第一信号和来自所述第二力感测节点的第二信号，其中所述第一信号包括热响应，并且所述第二信号包括所述热响应和施加的力；以及

通过比较所述第一信号和所述第二信号来移除所述热响应以获得所述施加的力。

2.根据权利要求1所述的力传感器，其中比较所述第一信号和所述第二信号包括：

跨所述第一力感测节点和所述第二力感测节点测量差分电压。

3.根据权利要求1所述的力传感器，其中所述第二电阻器类型包括比所述第一电阻器类型更大的几何形状覆盖区。

4.根据权利要求1所述的力传感器，其中所述第一电阻器类型包括与所述第二电阻器类型不同的材料。

5.根据权利要求1所述的力传感器，其中所述应变仪阵列的所述力感测电极是压阻电极。

6.根据权利要求1所述的力传感器，其中所述第一电阻器类型具有比所述第二电阻器类型更大的电阻。

7.根据权利要求1所述的力传感器，其中所述第一电阻器类型中的所述至少两个耦合到所述第二电阻器类型中的所述至少两个。

8.根据权利要求7所述的力传感器，其中所述第二电阻器类型中的所述至少两个彼此相互交叉。

9.根据权利要求1所述的力传感器，其中所述应变仪阵列被配置成提供2D力图像。

10.一种输入设备，包括：

显示器，其被配置成向用户呈现信息；

输入表面；

多个压阻电极，所述多个压阻电极在所述输入表面的感测区域中按照全桥应变仪阵列布置，所述压阻电极包括：

第一电阻器类型中的至少两个和第二电阻器类型中的至少两个，

其中所述第一电阻器类型中的所述至少两个形成第一力感测节点，并且所述第二电阻器类型中的所述至少两个形成第二力感测节点；以及

处理系统，其通信地耦合到所述显示器和所述输入设备，所述处理系统被配置成：

接收来自所述第一力感测节点的第一信号和来自所述第二力感测节点的第二信号，其中所述第一信号包括热响应，并且所述第二信号包括所述热响应和施加的力；以及

通过比较所述第一信号和所述第二信号来移除所述热响应以获得所述施加的力。

11.根据权利要求10所述的输入设备，其中所述处理系统还被配置成操作所述力感测电极以用于电容性感测模式。

12.根据权利要求10所述的输入设备，其中比较所述第一信号和所述第二信号包括：

跨所述第一力感测节点和所述第二力感测节点测量差分电压。

13.根据权利要求10所述的输入设备，其中所述应变仪阵列被配置成提供2D力图像。

14.根据权利要求10所述的输入设备，其中所述热响应是由输入对象在所述压阻电极上施加所述施加的力而引起的。

15.根据权利要求14所述的输入设备，其中由所述用户的所述输入对象与由所述第一力感测节点和所述第二力感测节点形成的所述全桥阵列的整体交互。

16.根据权利要求10所述的输入设备，其中所述第二电阻器类型包括比所述第一电阻器类型更大的几何形状覆盖区。

17.根据权利要求10所述的输入设备，其中所述第一电阻器类型包括与所述第二电阻器类型不同的材料。

18.一种处理系统，包括：

传感器电路，其通信地耦合到按照全桥应变仪阵列布置的多个力感测电极，所述力感测电极包括：

第一电阻器类型中的至少两个和第二电阻器类型中的至少两个，

其中所述第一电阻器类型中的所述至少两个形成第一力感测节点，并且所述第二电阻器类型中的所述至少两个形成第二力感测节点；以及

处理器，其被配置为：

接收来自所述第一力感测节点的第一信号和来自所述第二力感测节点的第二信号，其中所述第一信号包括热响应，并且所述第二信号包括所述热响应和施加的力；以及

通过比较所述第一信号和所述第二信号来移除所述热响应以获得所述施加的力。

19.根据权利要求18所述的处理系统，其中所述处理系统还被配置成操作所述力感测电极以用于电容性感测模式。

20.根据权利要求18所述的处理系统，其中比较所述第一信号和所述第二信号包括：

跨所述第一力感测节点和所述第二力感测节点测量差分电压。