CN115210547A - 力感测系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于对由力传感器输出的输出信号中的热效应进行补偿的补偿电路。补偿电路包括监测电路，所述监测电路被配置为监测电阻式力传感器和处理电路的一个或多个电气参数。处理电路被配置为基于一个或多个监测的电气参数来确定力传感器的绝对电阻值，并且至少部分地基于确定的绝对电阻值来调整力传感器系统的一个或多个操作参数。

Description

力感测系统

技术领域

本公开涉及力感测系统领域。

背景技术

诸如移动电话、平板计算机等电子装置通常包括一个或多个机械开关或按钮(即，用户输入换能器)，用于接收用户输入，例如用于调整装置输出的音频的音量。此类机械开关和按钮具有许多缺点，包括：容易因进入水、灰尘和其他碎屑而损坏；由于机械磨损而导致使用寿命有限；以及与一些其他类型的用户输入换能器相比大小和/或成本相对较大。

力传感器越来越多地被用作传统机械开关和按钮的替代品，作为用户输入换能器来检测诸如触摸、按钮按压等用户输入。与机械开关、按钮和其他类型的用户输入换能器或装置相比，力传感器通常不易受老化的不利影响，因为它们通常不包括移动零件，或者包括比机械开关或按钮少的移动零件。

另外，力传感器通常可以以这样的方式实施，即，不存在水、灰尘或其他碎屑可以通过其进入传感器或包含传感器的装置的间隙(即，不连续性)，使得力传感器特别适合其中防止水、灰尘和其他碎屑进入很重要的应用。例如，电阻式力传感器可以通过将电阻式墨水的图案印刷到合适的衬底或载体上来实施。

此外，力传感器通常比具有等同功能的机械开关、按钮等占据更少的物理空间，并且因此使用力传感器可以增加装置的其他部件可用的空间量，或者减小装置的整体大小，这两者在诸如移动电话等现代小形状因子装置的设计和开发中都是主要优点，对于移动电话来说，在有限的空间量中集成多种不同的功能是一直存在的挑战。

另外，力传感器的使用可以通过允许识别按钮按压的形状和力并将其映射到特定功能来实现特征内容增强，并且可以允许例如将电话的整个边缘实现为连续的“按钮”条，从而提升装置功能和用户体验。

因此，力传感器表示替代传统机械开关和按钮的可行且具有商业吸引力的用户输入换能器。然而，使用力传感器作为输入装置提出了其他挑战。本公开的实施方案旨在至少部分地解决这些挑战中的一些挑战。

根据第一方面，本发明提供一种用于对力传感器系统中的电阻式力传感器上的热效应进行补偿的补偿电路，所述补偿电路包括：

监测电路，所述监测电路被配置为监测所述电阻式力传感器的一个或多个电气参数；以及

处理电路，其中所述处理电路被配置为：

基于所述一个或多个监测的电气参数来确定所述力传感器的绝对电阻值；并且

至少部分地基于所确定的绝对电阻值来调整所述力传感器系统的一个或多个操作参数。

一个或多个监测的电气参数可以包括通过力传感器的电流。

另外或替代地，一个或多个监测的电气参数可以包括力传感器两端的电压。

处理电路可以被配置为基于力传感器的确定的绝对电阻值与初始绝对电阻值之间的偏移值来确定补偿因子。

处理电路可以被进一步配置为应用补偿因子来调整力传感器系统的一个或多个操作参数，以便生成补偿的力传感器输出信号。

处理电路可以被进一步配置为处理补偿的力传感器输出信号，以确定补偿的力传感器输出信号是否对应于有效用户输入。

处理电路可以被配置为将补偿的力传感器输出信号与阈值进行比较，以确定补偿的力传感器输出信号是否对应于有效用户输入。

处理电路可以被配置为将补偿的力传感器输出信号与有效用户输入的已知签名进行比较，以确定补偿的力传感器输出信号是否对应于有效用户输入。

一个或多个操作参数可以包括以下各项中的一项或多项：

模拟增益；

数字增益；

时间常数；

用户输入信号有效性阈值；

滤波器系数；

截止频率；

力传感器的操作点；

力传感器的偏置电压；以及

力传感器的偏置电流。

处理电路可以被进一步配置为：

监测所述力传感器的输出电压；并且

基于所确定的绝对电阻值和所监测的输出电压来调整所述力传感器系统的所述一个或多个操作参数。

处理电路可以被配置为基于力传感器的确定的绝对电阻值与初始绝对电阻值之间的偏移值来确定热梯度补偿因子。

热梯度补偿因子可以包括要应用到确定的绝对电阻值以生成补偿的绝对电阻值的比例因子。

处理电路可以被配置为基于补偿的绝对电阻值和监测的电压来确定信号有效性度量。

处理电路可以被配置为将信号有效性度量与信号有效性阈值进行比较。

处理电路可以被配置为使得能够在信号有效性度量超过信号有效性阈值时处理力传感器输出信号或补偿的力传感器输出信号。

处理电路可以被配置为将力传感器输出信号或补偿的力传感器输出信号与阈值进行比较，以确定补偿的力传感器输出信号是否对应于有效用户输入。

处理电路可以被配置为将力传感器输出信号或补偿的力传感器输出信号与有效用户输入的已知签名进行比较，以确定补偿的力传感器输出信号是否对应于有效用户输入。

处理电路可以操作以响应于预定条件至少部分地基于确定的绝对电阻值来调整力传感器系统的一个或多个操作参数。

预定条件可以基于以下各项中的一项或多项：

所述力传感器的所确定的绝对电阻值与预定阈值的比较；

所述力传感器的所述绝对电阻的相对变化随时间推移与目标变化的比较；

所述力传感器的所确定的绝对电阻与所述力传感器的输出电压的比较；或者

多个不同力传感器的所述绝对电阻的比较。

根据第二方面，本发明提供一种用于对力传感器系统中的电阻式力传感器上的热效应进行补偿的补偿电路，所述补偿电路包括：

监测电路，所述监测电路被配置为监测所述力传感器的绝对电阻；以及

放大器电路，所述放大器电路被配置为放大由所述电阻式力传感器输出的输出信号，其中所述放大器电路的增益基于所述力传感器的所述绝对电阻而变化。

根据第三方面，本发明提供一种用于对力传感器系统中的电阻式力传感器上的热效应进行补偿的补偿电路，所述补偿电路包括：

监测电路，所述监测电路被配置为监测所述力传感器的绝对电阻；以及

处理电路，所述处理电路被配置为处理由所述电阻式力传感器输出的输出信号，其中所述处理电路被配置为监测所述输出信号的电压并且基于所确定的绝对电阻值和所监测的输出电压来调整所述力传感器系统的一个或多个操作参数。

根据第四方面，本发明提供一种集成电路，其包括根据第一方面至第三方面中任一项的补偿电路。

根据第五方面，本发明提供一种力传感器电路，其包括根据第一方面至第三方面中任一项的电阻式力传感器和补偿电路。

根据第六方面，本发明提供一种包括根据第五方面的力传感器电路的装置。

装置可以包括移动电话、平板计算机、膝上型计算机、便携式媒体播放器、游戏装置、游戏控制器、车载娱乐系统或电池供电装置。

根据第七方面，本发明提供一种电阻式力传感器，其包括布置在电桥中的多个电阻，其中所述电阻使得施加到所述传感器的力引起所述电桥的相对侧的电阻值的相等且相反的变化。

根据第八方面，本发明提供一种根据权利要求26所述的电阻式力传感器，其中所述多个电阻包括四个电阻，并且其中所述电阻被布置在传感器衬底上，使得当力被施加到所述传感器时，两个电阻处于张紧状态，并且两个电阻处于压缩状态。

电阻中的每个电阻可以被成形为使得当力被施加到力传感器时，处于压缩状态的两个电阻的电阻值的变化与处于张紧状态的两个电阻的电阻值的变化相等且相反。

另外或替代地，电阻中的每个电阻的大小可以被设定成使得当力被施加到力传感器时，处于压缩状态的两个电阻的电阻值的变化与处于张紧状态的两个电阻的电阻值的变化相等且相反。

另外或替代地，电阻中的每个电阻的电阻率或电阻值被配置成使得当力被施加到力传感器时，处于压缩状态的两个电阻的电阻值的变化与处于张紧状态的两个电阻的电阻值的变化相等且相反。

根据第九方面，本发明提供一种电阻式力传感器，其包括多个电阻，所述多个电阻被布置成使得当多个电阻中的一个或多个电阻的电阻率由于作用力而改变时，所述电阻式力传感器的绝对电阻不改变。

附图说明

现在将参考附图严格地仅通过举例的方式来描述本发明的实施方案，在附图中：

图1是差分电阻式力传感器的示意性表示；

图2a和图2b示出了力传感器布置；

图2c示出了安装在主机装置的壁上的力传感器；

图2d示出了作用力对图2c的安装的力传感器的效应；

图3示意性地示出了使用粘合剂安装在主机装置的壁上的力传感器，其中热源靠近主机装置的壁；

图4示出了温度对电阻式力传感器的绝对电阻值的效应以及所产生的力传感器灵敏度的变化；

图5是示出力传感器系统的示意框图，所述力传感器系统包括电阻式力传感器和用于对力传感器上的热效应进行补偿的补偿电路；

图6是示出操作的流程图，所述操作由处理电路执行以处理由力传感器输出的信号，从而补偿由于温度变化而引起的力传感器灵敏度的变化；

图7示出了存在温度梯度和存在有效用户输入时力传感器的绝对电阻值之间的差异，以及存在温度梯度和存在有效用户输入时力传感器的差分输出电压之间的差异；

图8是示出操作的流程图，所述操作由处理电路执行以处理由力传感器输出的信号来补偿力传感器中温度梯度的效应；

图9以图形方式示出了由处理电路执行的一些操作的效应；

图10是示出力传感器系统的示意图，所述力传感器系统包括电阻式力传感器和用于对力传感器上的热效应进行补偿的替代补偿电路；以及

图11是示出力传感器系统的示意图，所述力传感器系统包括电阻式力传感器和用于对力传感器上的热效应进行补偿的其他替代补偿电路。

具体实施方式

首先参考图1，力传感器总体上以100示出。在所示的示例中，力传感器100是电阻式力传感器，其包括被布置成惠斯通电桥配置的第一电阻102、第二电阻104、第三电阻106和第四电阻108(在120处以虚线轮廓示出)。因此，第一电阻102和第二电阻104串联连接在从诸如电池的电压源接收偏置电压Vbias(通常经由诸如低压差稳压器(LDO)的稳压器)的第一供电轨或端子110与耦接到诸如地(Gnd)的参考电压的第二供电轨或端子112之间，从而形成第一电阻式分压器，所述第一电阻式分压器在串联连接的第一电阻102与第二电阻104之间的节点114处产生第一输出电压Vp。类似地，第三电阻106和第四电阻108串联连接在第一供电轨或端子110与第二供电轨或端子112之间，从而形成第二电阻式分压器(与第一分压器并联)，所述第二电阻式分压器在串联连接的第三电阻106与第四电阻108之间的节点116处产生第二输出电压Vn。

可以将电阻102、104、106、108选择成使得第一电阻102的值R1与第二电阻104的值R2的比率等于第三电阻106的值R3与第四电阻108的值R4的比率，即，R1:R2＝R3:R4。因此，在力传感器100的使用中，当没有力被施加到力传感器100时，第一输出电压Vp的值等于第二输出电压Vn的值，使得传感器100的差分输出电压Vout(即，Vp–Vn)等于零。当力被施加到力传感器100时，一个或多个电阻102-108的电阻值R1-R4发生变化，使得第一输出电压Vp的大小与第二输出电压Vp的大小不同，并且因此力传感器100的差分输出电压Vout取某个非零值，所述非零值是所施加的力的量的函数。以这种方式，力传感器100能够输出差分传感器输出电压信号Vout，其指示施加到力传感器100的力的大小。

力传感器100可以被配置成使得当力被施加时，电阻中的两个电阻(例如，第一电阻102和第四电阻108)处于压缩状态，并且因此它们的电阻值与没有力被施加时它们的电阻值相比减小，而其他两个电阻(例如，第二电阻104和第三电阻106)处于张紧状态，使得它们的电阻值与没有力被施加时它们的电阻值相比增大。以这种方式，当力被施加到力传感器100时，差分输出电压Vout可以被最大化，这可以帮助增加正确检测力传感器100上的用户输入的可能性。

差分输出电压Vout由下游模拟或数字处理电路处理，例如以基于差分输出电压Vout检测用户输入(例如，在力传感器100上的按压或触摸)。

上述类型的力传感器(其中一些电阻在力被施加时可能处于压缩状态，而其他电阻可能处于张紧状态)通常被配置为其中电阻沿着作用力的轴线堆叠的多层传感器，其中电阻之间的材料厚度是已知的。因此，当包含堆叠的电阻的传感器由于作用力而弯曲时，弯曲的内半径上的电阻处于压缩状态，而弯曲的外半径上的那些电阻处于张紧状态。

对于上述类型的力传感器和图1所示的力传感器，力传感器100的绝对电阻值可以根据力传感器两端的电压和通过力传感器的电流来定义。例如，在图1的示例力传感器100中，绝对电阻值可以定义为：

Rabsolute＝Vbias/Isense，

其中Vbias是施加到力传感器100的偏置电压并且Isense是通过力传感器100的电流。

图2a示意性地示出了电阻式力传感器200的前表面，并且示出了定位在传感器衬底210的前侧上的惠斯通电桥120的第一电阻102和第四电阻108。图2b示意性地示出了电阻式力传感器200的后侧，示出了定位在传感器衬底210的后侧上的惠斯通电桥的第二电阻104和第三电阻106。

上述类型的在图2a和2b中示出的力传感器通常被安装到诸如移动电话、平板计算机或膝上型计算机等主机装置的面向外的壁的内表面，使得施加到壁的力被传递到力传感器200。在图2c中示出了此类布置，图2c示出了安装到主机装置的壁220的力传感器200。图2d(以夸张的方式)示出了施加到壁220的力230的效果，示出了力传感器200的第一电阻102和第四电阻108由于作用力230而处于压缩状态，而力传感器200的第二电阻104和第三电阻106由于作用力230而处于张紧状态。

可以使用粘合剂240将力传感器200贴附到主机装置的壁220，如图3所示。在以这种方式使用粘合剂240将力传感器200贴附到壁220的情况下，当主机装置暴露于热源(其在图3中由热源300表示)时，包含力传感器200的用户输入换能器对作用力的灵敏度可能会降低。

热源300可以在主机装置的外部，例如散热器、用户的身体(例如，如果主机装置存放在用户的口袋中)，或者如果用户的手指比主机装置热(例如，如果主机装置的主体或机箱是冷的)，所述热源甚至是主机装置上的用户的手指。

替代地，热源300可以在主机装置的内部。例如，主机装置的处理电路和/或电池在使用主机装置期间可能会变热，尤其是在延长的使用时段期间。

当暴露于热源300(无论是在主机装置的外部还是内部)时，粘合剂240可能软化。由于这种软化，为了产生给定的输出电压Vout而必须施加到力传感器200附接到的壁220的力的量可能大于在没有热源300的情况下必须施加到力传感器200以产生该输出电压的力的量。因此，在存在热源300的情况下，包含图2c所示类型的力传感器布置的用户输入换能器的灵敏度可能降低。这是不期望的，因为所产生的用户输入换能器对用户输入的非均匀响应可能导致较差的用户体验。

另外，力传感器200的温度变化将引起组成电阻102-108的电阻值发生变化，这可能会导致力传感器200的灵敏度发生变化。

后一种效应在图4中示出，其中最上面的曲线图410示出力传感器(迹线412)的温度的增加导致力传感器的绝对电阻值(迹线414)的对应增加。

图4最下方的曲线图示出了力传感器的温度的增加对产生给定力传感器输出电压所需的作用力的效应。从迹线422可以看出，在没有任何补偿的情况下，产生给定的力传感器输出电压所需的作用力随着力传感器200的温度的增加而增加。迹线424示出了当力传感器200的温度增加时需要应用以保持均匀响应(迹线426)的补偿因子。

另外，热源300(在主机装置外部或内部)的存在可能会引起力传感器200内的温度梯度(在图3中由箭头310表示)，这可能会导致输出电压Vout中可能被错误地解释为包含力传感器200的用户输入换能器上的用户输入(触摸、按压等)的变化。

例如，如图2c所示，力传感器200的第一电阻102和第四电阻108定位在主机装置的壁220附近，并且力传感器200的第二电阻104和第三电阻106与第一电阻102和第四电阻108物理上分开力传感器衬底210的厚度。因此，当主机装置存在热源300时，第一电阻102和第四电阻108的温度将不同于第二电阻104和第三电阻106的温度一定时间段，所述时间段持续直到在力传感器200内达到热平衡(即，直到所有电阻102-108处于相同温度)。因此，在此时段期间，力传感器200内将存在温度梯度，使得热源300的加热效应对第一电阻102和第四电阻108的电阻值影响比对第二电阻104和第三电阻106的电阻值的影响大。

如将理解的，如果热源在主机装置内部(例如，如果主机装置的内部电路或内部电池充当热源)，使得第二电阻104和第三电阻106在第一电阻102和第四电阻108之前暴露于升高的温度，则可能出现相反方向的温度梯度。

由于力传感器200的输出电压Vout根据构成力传感器的各个电阻102-108的电阻值而变化，因此任何不同等影响电阻102-108的热效应都可能导致输出电压Vout中可能被错误地解释为指示包含力传感器200的用户输入换能器上的用户输入(诸如触摸或按压)的变化。

图5是示出包括补偿电路的电路的示意框图，所述补偿电路用于处理力传感器输出信号以补偿由上述类型的电阻式力传感器输出的输出电压Vout中的热效应。

在图5中总体上以500示出的电路包括上述类型的力传感器200，所述力传感器从第一电压轨502接收偏置电压Vbias。差分放大器电路510的输入耦接到力传感器200的差分输出，并且差分放大器电路510操作以放大力传感器200输出的差分电压Vout并且输出放大的输出信号Vamp。

电路500还包括补偿电路520，所述补偿电路包括电流传感器电路530、模数转换器(ADC)电路540和信号处理电路550。

电流传感器电路530串联耦接在力传感器200与第二电压轨504之间，所述第二电压轨向电路500提供参考电压(例如，地或0伏参考电压)。电流传感器电路530可以包括例如具有已知电阻值的电流感测电阻器以及被配置为测量电流感测电阻器两端的电压降的相关联电压检测电路。应当理解，尽管图5中所示的示例执行低侧电流感测，但其他示例可以执行高侧电流感测，如本领域技术人员将理解和了解的。

电流传感器电路530被配置为向ADC电路540输出指示通过力传感器200的电流Isense的电流感测信号。ADC电路540进而将电流感测信号转换成指示电流Isense的数字信号，并且将该数字信号输出到信号处理电路550，用于补偿由于力传感器200上的热效应而引起的传感器灵敏度的变化和/或由力传感器200输出的差分电压Vout的误差，如以下将详细描述的。

将理解，如果电流传感器电路530包括其自己的ADC电路并且因此被配置为输出指示电流Isense的数字信号，则可以省略ADC电路540。替代地，如果信号处理电路550是模拟信号处理电路，也可以省略ADC电路540。

信号处理电路550(如上所指示)(可以是模拟信号处理电路或可以是数字信号处理电路或两者的组合)被配置为监测放大器电路510的输出，以确定力传感器200是否已经接收到诸如按压、触摸等有效用户输入。

为此目的，信号处理电路550可以被配置为以预定的采样频率对由放大器电路510输出的信号进行采样，并且基于样本的值确定力传感器200是否已经接收到有效用户输入。例如，信号处理电路550可以被配置为将每个样本值与预定阈值或与有效用户输入的一个或多个预定签名的一个或多个值进行比较，以便确定样本值是否对应于有效用户输入的样本值。

如果信号处理电路550确定力传感器200已经接收到有效用户输入，则所述信号处理电路可以向例如主机装置的下游处理电路输出指示有效用户输入的信号，所述下游处理电路可响应于检测到有效用户输入而采取适当的动作。

如上所述，热效应可能对包含力传感器200的用户输入换能器的灵敏度产生不利影响。信号处理电路550被配置为补偿此类热效应，以便对用户输入换能器的灵敏度变化进行补偿和/或降低错误检测用户输入换能器上的用户输入的风险。

通过确定力传感器200的当前绝对电阻值并且将当前绝对电阻值与力传感器的已知或预定初始绝对电阻值(例如在电路500的初始校准期间确定的值)进行比较，信号处理电路550可以确定在处理传感器输出信号之前或期间要应用的补偿因子，以补偿用户输入换能器的灵敏度变化。

另外，信号处理电路550可以结合力传感器200的输出电压Vout使用确定的当前绝对电阻值来确定输出电压Vout的变化是由于有效用户输入引起的还是由于力传感器200中的温度梯度而出现的，并且可以相应地改变用于检测有效用户输入的机制，从而降低误检测用户输入的风险。

图6是示出操作的流程图，所述操作由信号处理电路550执行以补偿可能由于力传感器200上的热效应而引起的用户输入换能器的灵敏度变化。

信号处理电路550被配置为基于已知偏置电压Vbias和通过力传感器200的电流Isense(如电流传感器电路530在特定采样时刻或在特定的采样时段内所确定的)来确定力传感器200的当前绝对电阻值。因此，信号处理电路550根据以下计算确定(操作610)力传感器200的当前绝对电阻值Rcurrent：

Rcurrent＝Vbias/Isense。

在操作620处，信号处理电路550检索初始绝对传感器电阻Rinitial。初始绝对传感器电阻Rinitial可以是例如由信号处理电路550确定的传感器200的绝对电阻的校准值，其中力传感器200处于已知温度并且存储在与信号处理电路550相关联的存储器、寄存器等中。

在操作630处，信号处理电路550通过从初始绝对传感器电阻Rinitial减去确定的当前绝对传感器电阻Rcurrent来确定绝对传感器电阻偏移值Roffset，即：

Roffset＝Rcurrent–Rinitial。

在操作640处，信号处理电路550基于确定的偏移值Roffset确定补偿因子。由信号处理电路550应用(操作650)补偿因子，以便对力传感器200的输出Vout上的热效应进行补偿。

补偿因子可以是应用于放大器电路510以调整放大器电路510的增益的模拟增益补偿因子，以便“标准化”放大器电路510输出的信号，从而至少部分地对力传感器200的输出Vout上的热效应进行补偿。

另外或替代地，补偿因子可以改变一个或多个其他参数，诸如数字增益、时间常数、一个或多个用户输入信号有效性阈值、一个或多个滤波器系数、截止频率等，这些参数可以用于通过信号处理电路550和/或放大器电路510将传感器输出信号Vout处理成输出信号Vout和/或输出信号Vout的样本。

此外，补偿因子可以另外或替代地用于调整力传感器200的操作点(例如，偏置电压或偏置电流)以至少部分地对力传感器的输出Vout上的热效应进行补偿。

在操作650处，信号处理电路550确定补偿的或标准化的输出信号(例如，如上所述放大器电路510或信号处理电路550将补偿施加到的样本值)是否对应于有效用户输入。例如，信号处理电路550可以将补偿的样本值与有效用户输入的已知签名的值进行比较，以确定所述补偿的样本值是否对应于有效用户输入。替代地，信号处理电路550可以将补偿的样本值与阈值进行比较以确定所述补偿的样本值是否对应于有效用户输入。

如果信号处理电路550确定补偿的样本值对应于有效用户输入，则在操作670处，指示检测到有效用户输入的输出信号由信号处理电路550输出到下游处理电路。

否则，信号处理电路550不输出输出信号，或者替代地，在操作680处，指示没有检测到有效用户输入的输出信号可以由信号处理电路550输出到下游处理电路。

因此，信号处理电路550能够补偿可能由于力传感器200上的热效应而引起的灵敏度变化。

信号处理电路550还能够补偿可能由于力传感器200中的热梯度而引起的误差，如现在将参考图7至图9描述的。

图7(在最上面的曲线图710中)示出了由于力传感器200中的温度梯度而引起的力传感器200的绝对电阻值的变化与由于有效用户输入而出现的力传感器200的绝对电阻值的变化之间的差异。图7(在最下面的曲线图720中)还示出了由于力传感器200中的温度梯度而引起的力传感器200的输出电压Vout的变化与由于有效用户输入而引起的力传感器200的输出电压Vout的变化之间的差异。

从曲线图710的部分712可以看出，力传感器200中温度梯度的效应是力传感器200的绝对电阻值相对较大地增加。这是因为力传感器200的所有组成电阻102-108的电阻值由于力传感器的温度变化而都以相同的方式变化。因此，在存在热源(例如，热源300)的情况下，所有电阻102-108的电阻值都将增加(但是程度不同，这是由于力传感器200中的热梯度)，导致力传感器200的绝对电阻值相对较大地增加。

相反地，从曲线图710的部分714可以看出，当力传感器200经受诸如按压或触摸的有效用户输入时，力传感器200的绝对电阻值的变化小于由于力传感器200中的温度梯度而引起的变化。这是因为由于用户施加的作用力而处于张紧状态的电阻104、106的电阻值的增加对力传感器200的绝对电阻值的影响至少部分地被由于作用力而处于压缩状态的电阻102、108的电阻值的减小所抵消。

力传感器200中温度梯度的另一个效应是力传感器200的差分输出电压Vout的增加相对较小，如从曲线图720的部分722可见。这也是因为力传感器的所有组成电阻102-108的电阻值由于力传感器的温度变化而都以相同的方式变化。因此，在存在热源(例如，热源300)的情况下，所有电阻102-108的电阻值都将增加(但是程度不同，这是由于力传感器200中的热梯度)，这会导致在节点114处产生的电压Vp与在节点116处产生的电压Vn之间的差异相对较小，并且因此力传感器200的差分输出电压Vout的变化相对较小。

相反地，如曲线图720的部分724所示，当力传感器200经受诸如按压或触摸的有效用户输入时，力传感器200的差分输出电压Vout的变化远大于由于力传感器200中的温度梯度而引起的变化。这是因为由于用户施加的作用力而处于张紧状态的电阻104、106的电阻值增加，并且由于作用力而处于压缩状态的电阻102、108的电阻值减小，输出电压Vp和Vn在不同方向上移动(例如，Vp增加并且Vn减少，或反之亦然)。因此，当力传感器200经受有效用户输入时，力传感器200的差分输出电压Vout发生相对较大的变化。

通过监测力传感器200的绝对电阻值和力传感器200的差分输出电压Vout，信号处理电路550能够区分力传感器200中热梯度的效应和力传感器200上有效用户输入的效应，并且因此能够减少错误用户输入检测的可能性，如现在将参考图8和图9描述的那样。

图8是示出操作的流程图，所述操作由信号处理电路550执行以补偿力传感器200中热梯度的效应，以便降低错误用户输入检测的风险，而图9以图形方式示出了由信号处理电路550执行的操作中的一些操作的效应。

导致确定绝对传感器电阻偏移值Roffset的操作810-830类似于图6的对应操作610-630，并且因此这里将不再详细描述。

在操作840处，信号处理电路确定要应用到力传感器200的确定的当前绝对电阻值Rcurrent的热梯度补偿因子。例如，热梯度补偿因子可以是要应用到Rcurrent的比例因子。

在操作850处，信号处理电路550将热梯度补偿因子应用到确定的当前绝对电阻值Rcurrent，以生成补偿的绝对电阻值Rcomp。补偿的绝对电阻值Rcomp(或指示其的信号)可以以本领域普通技术人员熟悉的方式进行处理。例如，可以应用一项或多项增益和/或一个或多个时间常数和/或一个或多个阈值。

在操作860处，信号处理电路550基于补偿的绝对传感器电阻值Rcomp和传感器输出电压Vout来确定信号有效性度量。例如，信号有效性度量ValidSignal可以通过从对应的补偿的绝对传感器电阻值Rcomp中简单减去传感器输出电压Vout值来确定，即：

ValidSignal＝RComp–Vout。

因此，信号有效性度量考虑了力传感器200的绝对电阻值和力传感器200的差分输出电压Vout，并且因此可以用于区分有效用户输入和由于力传感器200中热梯度引起的效应。如本领域普通技术人员将理解的，可以以考虑力传感器200的绝对电阻值和力传感器200的差分输出电压Vout两者的任何其他方式来计算信号有效性度量。此外，补偿的绝对传感器电阻值Rcomp(或其表示的信号)可以经受独立滤波以去除噪声或在计算出信号有效性度量之前更好地确定电阻签名。

在操作865处，将信号有效性度量与预定的信号有效性阈值进行比较以便确定力传感器的绝对电阻值和力传感器的输出电压Vout是否对应于有效用户输入或力传感器200中热梯度的效应。

如果信号有效性度量超过信号有效性阈值，如图9的曲线图910的部分912所示，则信号处理电路550确定检测到的变化不是由于热梯度而引起的，并且因此所述信号处理电路实现传感器差分输出电压Vout数据(即，传感器差分输出电压Vout的采样值)(在操作870处)的通过，用于进一步处理，以确定是否已经接收到有效用户输入。

如果是，则处理移动到与上述操作650类似的操作880，其中信号处理电路550确定样本值(如上所述放大器电路510或信号处理电路550已经对其施加了补偿)是否对应于有效用户输入。如果是，则在操作890处，指示检测到有效用户输入的输出信号由信号处理电路550输出到下游处理电路(如图9的曲线图920的部分922所示)。否则，信号处理电路550不输出输出信号(如图9的曲线图920的部分924所示)，或者替代地，在操作895处，指示没有检测到有效用户输入的输出信号可以由信号处理电路550输出到下游处理电路。

如果在操作865处，信号处理电路550确定信号有效性度量不超过信号有效性阈值，如图9的曲线图900的部分914所示，则信号处理电路550确定检测到的变化由于热梯度而引起，并且因此处理移动到操作895，因为没有检测到有效用户输入。

图10是示出包括替代补偿电路的电路的示意框图，所述替代补偿电路用于处理力传感器输出信号以补偿由上述类型的电阻式力传感器输出的输出电压Vout中的热效应。

在图10中总体上以1000示出的电路包括上述类型的力传感器200，所述力传感器接收已知的偏置电流Ibias。差分放大器电路510的输入耦接到力传感器200的差分输出，并且差分放大器电路510操作以放大力传感器200输出的差分电压Vout并且输出放大的输出信号。

电路1000还包括补偿电路1020，所述补偿电路包括电压监测电路1030、模数转换器(ADC)电路1040和信号处理电路1050。

电压监测电路1030(在所示的示例中执行高侧电压检测，但同样可以被配置为执行低侧电压检测)被配置为向ADC电路1040输出电压感测信号，所述电压感测信号指示力传感器200两端的电压VSensor。ADC电路1040进而将电压感测信号转换成指示电压VSensor的数字信号，并且将该数字信号输出到信号处理电路1050。

如本领域普通技术人员将理解的，如果电压传感器电路1030包括其自己的ADC电路并且因此被配置为输出指示力传感器200两端的电压的数字信号，则可以省略ADC电路1040。如果信号处理电路1050是模拟信号处理电路，也可以省略ADC电路1040。

信号处理电路1050(如上所指示)(可以是模拟信号处理电路或替代地可以是数字信号处理电路)被配置为监测放大器电路510的输出，以确定力传感器200是否已经接收到诸如按压、触摸等有效用户输入。信号处理电路1050通常以上面参考图6至图9所描述的方式操作，区别在于偏置电流Ibias是已知的并且测量了力传感器两端的电压VSensor。因此，在操作610和810中，力传感器200的绝对电阻由信号处理电路1050根据以下计算来计算：

Rabsolute＝VSensor/Ibias。

信号处理电路执行的用于对由力传感器200上的热效应引起的改变的灵敏度进行补偿和/或用于降低由力传感器200中的热梯度引起的用户输入检测中的误报的可能性的所有其他操作如上文参考图6至图9所描述。

图11是示出了包括其他替代补偿电路的电路的示意框图，所述替代补偿电路用于处理力传感器输出信号以补偿由上述类型的电阻式力传感器输出的输出电压Vout中的热效应。

在图11中总体上以1100示出的电路包括上述类型的力传感器200，所述力传感器接收偏置电压Vbias。差分放大器电路510的输入耦接到力传感器200的差分输出，并且差分放大器电路510操作以放大力传感器200输出的差分电压Vout并且输出放大的输出信号。

电路1100还包括补偿电路1120，所述补偿电路包括电压监测电路1030、模数转换器(ADC)电路1040和上面参考图10描述的类型的信号处理电路1150，以及上面参考图5描述的类型的电流传感器电路530和ADC电路540。

电压监测电路1030被配置为向ADC电路1040输出指示力传感器200两端的电压VSensor的电压感测信号。ADC电路1040进而将电压感测信号转换成指示电压VSensor的数字信号，并且将该数字信号输出到信号处理电路1150。

如果电压传感器电路1030包括其自己的ADC电路并且因此被配置为输出指示力传感器200两端的电压的数字信号，则可以省略ADC电路1040。替代地，如果信号处理电路1150是模拟信号处理电路，也可以省略ADC电路1040。

电流传感器电路530被配置为向ADC电路540输出指示通过力传感器200的电流Isense的电流感测信号。ADC电路540进而将电流感测信号转换成指示电流Isense的数字信号，并且将该数字信号输出到信号处理电路1150。

如果电流传感器电路530包括其自己的ADC电路并且因此被配置为输出指示电流Isense的数字信号，则可以省略ADC电路540。替代地，如果信号处理电路1150是模拟信号处理电路，也可以省略ADC电路540。

图11中所示的示例包括高侧电压监测电路和低侧电流监测电路，但是本领域普通技术人员将理解，其他示例可以包括高侧电流监测电路和低侧电压监测电路，或高侧或低侧电压和电流监测电路。

信号处理电路1150(如上所指示)(可以是模拟信号处理电路或替代地可以是数字信号处理电路)被配置为监测放大器电路510的输出，以确定力传感器200是否已经接收到诸如按压、触摸等有效用户输入。信号处理电路1150通常以上述方式可操作，区别在于测量了通过力传感器200的电流Isense和力传感器两端的电压VSensor两者。因此，在操作610和810中，力传感器200的绝对电阻由信号处理电路1150根据以下计算来计算：

Rabsolute＝–VSensor/Isense。

信号处理电路执行的用于对由力传感器200上的热效应引起的改变的灵敏度进行补偿和/或用于降低由力传感器200中的热梯度引起的用户输入检测中的误报的可能性的所有其他操作如上文参考图6至图9所描述。

上面的讨论描述了对力传感器200上的热效应进行动态补偿，但是应该理解，也可以在包含力传感器200和电路500、1000、1100的系统的初始校准期间执行上述技术，并且可以使用上述技术偶尔或之后周期性地重新校准此类系统。

上述补偿技术可以响应于多个条件触发，例如：如果力传感器200的绝对电阻的测量值或确定值超过预定阈值；如果力传感器200的绝对电阻的相对变化随时间推移与目标变化不同；基于力传感器200的绝对电阻与力传感器200的差分输出电压Vout的比较；多个不同力传感器的绝对电阻的比较；或以上因素中的任何两种或多种因素的组合。

为了进一步提高包含如上所述的力传感器和补偿电路的系统的性能，可以采用改进的力传感器。

如上文参考图1所述，电阻式力传感器包括被布置成惠斯通电桥配置的第一电阻102、第二电阻104、第三电阻106和第四电阻108。在根据本公开的改进的力传感器中，惠斯通电桥可以被设计成使得当力被施加到力传感器(例如，通过用户按压力传感器或安装力传感器的主机装置的壁)时引起的弯曲应力导致处于压缩状态的电阻102、108的电阻值的变化，所述变化与处于张紧状态的电阻104、106的电阻值的变化相等且相反。

在此类布置中，当施加力时，力传感器的绝对电阻不会发生变化，并且因此力传感器的绝对电阻的任何变化将仅由于力传感器的温度变化而引起。因此，此类布置可以改进对可能影响力传感器的温度变化的检测。此类布置还可以改进对力传感器中温度梯度的检测，因为输出电压的任何变化以及力传感器的绝对电阻的变化必须是由于温度梯度。

可以调整电阻102-104的各种性质以便实现该效果。例如，可以将电阻102-104中的每个电阻的形状选择成使得当力被施加到力传感器时引起的弯曲应力导致处于压缩状态的电阻102、108的电阻值发生变化，所述变化与处于张紧状态的电阻104、106的电阻值的变化相等且相反。另外或替代地，可以选择电阻102-108中的每个电阻的大小来实现该效果。此外，可以选择电阻102-108中的每个电阻的电阻率或电阻值来实现该效果。可以选择或调整电阻102-108的任何单一性质或这些性质的任何组合以实现期望的效果。

上面参考图5至图11描述的补偿电路可以设置为独立模块或电路，所述独立模块或电路可以耦接到力传感器电路。替代地，补偿电路或模块可以设置在具有力传感器电路的封装件中。例如，补偿电路可以与力传感器安装在共同衬底(例如印刷电路板等)上，从而形成组合的力传感器/补偿电路或模块。作为其他替代方案，补偿电路或模块和/或力传感器电路可以设置在具有力感测信号采集和/或处理电路的封装件中。

补偿电路(无论是设置为独立模块还是与力传感器一起封装)可以设置为使用一个或多个力传感器作为用户输入换能器的装置(例如，便携式装置诸如移动电话、平板计算机或膝上型计算机、便携式媒体播放器、车载娱乐系统、游戏装置或控制器等)的一部分。此类装置通常由电池供电。

如将从前述讨论中理解的，本公开提供了一种用于补偿力传感器的输出中的热效应的有效机制，因此能够准确地检测力传感器输出中的期望的感测信号。

应该注意，上述实施方案是说明而不是限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不背离所附权利要求书的范围的情况下设计许多替代实施方案。词语“包括”不排除存在除了权利要求中列出的那些之外的要素或步骤，“一个”或“一种”不排除多个/种，并且单个特征或其他单元可以实现权利要求书中叙述的若干单元的功能。权利要求书中的任何附图标记或标签不应被解释为限制其范围。

Claims (31)

1.一种用于对力传感器系统中的电阻式力传感器上的热效应进行补偿的补偿电路，所述补偿电路包括：

监测电路，所述监测电路被配置为监测所述电阻式力传感器的一个或多个电气参数；以及

处理电路，其中所述处理电路被配置为：

基于所述一个或多个监测的电气参数来确定所述力传感器的绝对电阻值；并且

至少部分地基于所确定的绝对电阻值来调整所述力传感器系统的一个或多个操作参数。

2.根据权利要求1所述的补偿电路，其中所述一个或多个监测的电气参数包括通过所述力传感器的电流。

3.根据权利要求1或2所述的补偿电路，其中所述一个或多个监测的电气参数包括所述力传感器两端的电压。

4.根据前述权利要求中任一项所述的补偿电路，其中所述处理电路被配置为基于所述力传感器的所确定的绝对电阻值与初始绝对电阻值之间的偏移值来确定补偿因子。

5.根据权利要求4所述的补偿电路，其中所述处理电路被进一步配置为应用所述补偿因子来调整所述力传感器系统的所述一个或多个操作参数，以便生成补偿的力传感器输出信号。

6.根据权利要求5所述的补偿电路，其中所述处理电路被进一步配置为处理所述补偿的力传感器输出信号，以确定所述补偿的力传感器输出信号是否对应于有效用户输入。

7.根据权利要求6所述的补偿电路，其中所述处理电路被配置为将所述补偿的力传感器输出信号与阈值进行比较，以确定所述补偿的力传感器输出信号是否对应于有效用户输入。

8.根据权利要求6所述的补偿电路，其中所述处理电路被配置为将所述补偿的力传感器输出信号与有效用户输入的已知签名进行比较，以确定所述补偿的力传感器输出信号是否对应于有效用户输入。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的补偿电路，其中所述一个或多个操作参数包括以下各项中的一项或多项：

模拟增益；

数字增益；

时间常数；

用户输入信号有效性阈值；

滤波器系数；

截止频率；

所述力传感器的操作点；

所述力传感器的偏置电压；以及

所述力传感器的偏置电流。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的补偿电路，其中所述处理电路被进一步配置为：

监测所述力传感器的输出电压；并且

基于所确定的绝对电阻值和所监测的输出电压来调整所述力传感器系统的所述一个或多个操作参数。

11.根据权利要求10所述的补偿电路，其中所述处理电路被配置为基于所述力传感器的所确定的绝对电阻值与初始绝对电阻值之间的偏移值来确定热梯度补偿因子。

12.根据权利要求11所述的补偿电路，其中所述热梯度补偿因子包括要应用到所确定的绝对电阻值以生成补偿的绝对电阻值的比例因子。

13.根据权利要求12所述的补偿电路，其中所述处理电路被配置为基于所述补偿的绝对电阻值和所监测的电压来确定信号有效性度量。

14.根据权利要求13所述的补偿电路，其中所述处理电路被配置为将所述信号有效性度量与信号有效性阈值进行比较。

15.根据权利要求14所述的补偿电路，其中所述处理电路被配置为使得能够在所述信号有效性度量超过所述信号有效性阈值时处理力传感器输出信号或补偿的力传感器输出信号。

16.根据权利要求15所述的补偿电路，其中所述处理电路被配置为将所述力传感器输出信号或所述补偿的力传感器输出信号与阈值进行比较，以确定所述补偿的力传感器输出信号是否对应于有效用户输入。

17.根据权利要求15所述的补偿电路，其中所述处理电路被配置为将所述力传感器输出信号或所述补偿的力传感器输出信号与有效用户输入的已知签名进行比较，以确定所述补偿的力传感器输出信号是否对应于有效用户输入。

18.根据前述权利要求中任一项所述的补偿电路，其中所述处理电路能够操作以响应于预定条件至少部分地基于所确定的绝对电阻值来调整所述力传感器系统的所述一个或多个操作参数。

19.根据权利要求18所述的补偿电路，其中所述预定条件基于以下各项中的一项或多项：

所述力传感器的所确定的绝对电阻值与预定阈值的比较；

所述力传感器的绝对电阻的相对变化随时间推移与目标变化的比较；

所述力传感器的所确定的绝对电阻与所述力传感器的输出电压的比较；或者

多个不同力传感器的所述绝对电阻的比较。

20.一种用于对力传感器系统中的电阻式力传感器上的热效应进行补偿的补偿电路，所述补偿电路包括：

监测电路，所述监测电路被配置为监测所述力传感器的绝对电阻；以及

放大器电路，所述放大器电路被配置为放大由所述电阻式力传感器输出的输出信号，其中所述放大器电路的增益基于所述力传感器的所述绝对电阻而变化。

21.一种用于对力传感器系统中的电阻式力传感器上的热效应进行补偿的补偿电路，所述补偿电路包括：

监测电路，所述监测电路被配置为监测所述力传感器的绝对电阻；以及

处理电路，所述处理电路被配置为处理由所述电阻式力传感器输出的输出信号，其中所述处理电路被配置为监测所述输出信号的电压并且基于所确定的绝对电阻值和所监测的输出电压来调整所述力传感器系统的一个或多个操作参数。

22.一种集成电路，其包括根据前述权利要求中任一项所述的补偿电路。

23.一种力传感器电路，其包括根据权利要求1至21中任一项所述的电阻式力传感器和补偿电路。

24.一种装置，其包括根据权利要求23所述的力传感器电路。

25.根据权利要求24所述的装置，其中所述装置包括移动电话、平板计算机、膝上型计算机、便携式媒体播放器、游戏装置、游戏控制器、车载娱乐系统或电池供电装置。

26.一种电阻式力传感器，其包括布置在电桥中的多个电阻，其中所述电阻使得施加到所述传感器的力引起所述电桥的相对侧的电阻值的相等且相反的变化。

27.根据权利要求26所述的电阻式力传感器，其中所述多个电阻包括四个电阻，并且其中所述电阻布置在传感器衬底上，使得当所述力被施加到所述传感器时，两个电阻处于张紧状态，并且两个电阻处于压缩状态。

28.根据权利要求26或27所述的电阻式力传感器，其中所述电阻中的每个电阻被成形为使得当所述力被施加到所述力传感器时，处于压缩状态的所述两个电阻的电阻值的变化与处于张紧状态的所述两个电阻的电阻值的变化相等且相反。

29.根据权利要求26至28中任一项所述的电阻式力传感器，其中所述电阻中的每个电阻的大小被设定成使得当所述力被施加到所述力传感器时，处于压缩状态的所述两个电阻的所述电阻值的变化与处于张紧状态的所述两个电阻的所述电阻值的变化相等且相反。

30.根据权利要求26至29中任一项所述的电阻式力传感器，其中所述电阻中的每个电阻的电阻率或电阻值被配置为使得当所述力被施加到所述力传感器时，处于压缩状态的所述两个电阻的所述电阻值的变化与处于张紧状态的所述两个电阻的所述电阻值的变化相等且相反。

31.一种电阻式力传感器，其包括多个电阻，所述多个电阻被布置成使得当所述多个电阻中的一个或多个电阻的电阻率由于作用力而改变时，所述电阻式力传感器的绝对电阻不改变。

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