DE112015000387B4

DE112015000387B4 - Elektronische Vorrichtung mit einem temperaturausgleichenden optisch transparenten Kraftsensor

Info

Publication number: DE112015000387B4
Application number: DE112015000387.8T
Authority: DE
Inventors: Sinan Filiz; James E. Pedder; Charley T. Ogata; John Stephen Smith; Dhaval Chandrakant Patel; Shin John Choi; Brian Q. Huppi; Christopher J. Butler; Martin P. Grunthaner
Original assignee: Apple Inc
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2014-01-13
Filing date: 2015-01-12
Publication date: 2022-10-27
Anticipated expiration: 2035-01-13
Also published as: US20170269757A1; US10466829B2; US9542028B2; AU2015204591B2; AU2015204591C1; AU2018200783A1; US20160147352A1; CN104880266A; WO2015106183A1; AU2015100030A4; AU2015100011A4; CN105899923B; US20160147353A1; DE102015200240A1; CN104880266B; CN204461655U; HK1214009A1; CN104866134B; CN205091721U; US20160139717A1

Abstract

Elektronische Vorrichtung mit einem optisch transparenten Kraftsensor, Folgendes umfassend:ein erstes transparentes Substrat;eine erste kraftsensible Schicht, die relativ zum ersten transparenten Substrat angeordnet ist;ein zweites transparentes Substrat, das unterhalb des ersten transparenten Substrats angeordnet ist;eine zweite kraftsensible Schicht, die relativ zum zweiten transparenten Substrat angeordnet ist;eine kompatible Schicht, die zwischen dem ersten und dem zweiten transparenten Substrat angeordnet ist; undeine Sensorschaltung, die konfiguriert ist, um eine relative elektrische Reaktion zwischen der ersten kraftsensiblen Schicht und der zweiten kraftsensiblen Schicht zu vergleichen, um eine geschätzte temperaturkompensierte Kraft zu berechnen, und um Termperaturschwankungen der elektronischen Vorrichtung mit Hilfe des temperaturkompensierten Schätzwerts der Kraft zu kompensieren.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht Priorität gegenüber dem US-Absicherungspatent (Provisional Patent Application) Nr. 61/926905, eingereicht am 13. Januar 2014 mit dem Titel „Force Sensor Using a Transparent Force-Sensitive Film“, dem US-Absicherungspatent (Provisional Patent Application) Nr. 61/937465, eingereicht am 7. Februar 2014 mit dem Titel „Temperature Compensating Transparent Force Sensor“, dem US-Absicherungspatent (Provisional Patent Application) Nr. 61/939257, eingereicht am 12. Februar 2014 mit dem Titel „Temperature Compensating Transparent Force Sensor“, dem US-Absicherungspatent (Provisional Patent Application) Nr. 61/942021, eingereicht am 19. Februar 2014 mit dem Titel „Multi-Layer Temperature Compensating Transparent Force Sensor“ und dem US-Absicherungspatent (Provisional Patent Application) Nr. 62/024566, eingereicht am 15. Juli 2014 mit dem Titel „Strain-Based Transparent Force Sensor“, deren Offenbarungen in ihrer Gesamtheit jeweils durch Verweis hierin übernommen werden.
TECHNISCHES GEBIET
Hierin beschriebene Ausführungsformen betreffen allgemein die Krafterfassung und insbesondere eine elektronische Vorrichtung mit einem temperaturausgleichenden optisch transparenten Kraftsensor mit zwei oder mehr transparenten, kraftsensiblen, durch eine kompatible Schicht getrennten Komponenten nach den unabhängigen Ansprüchen.
HINTERGRUND
Viele elektronische Vorrichtungen schließen die eine oder andere Art von Benutzereingabevorrichtungen ein, einschließlich beispielsweise Schaltflächen, Schiebern, Scroll-Rädern und ähnlicher Vorrichtungen oder Benutzereingabeelemente. Einige Vorrichtungen können einen berührungssensiblen Sensor einschließen, der Teil eines Anzeigebildschirms oder darin integriert ist. Der berührungssensible Sensor kann es einem Benutzer ermöglichen, direkt mit Benutzerschnittstellen-Vorrichtungen zu interagieren, die auf dem Anzeigebildschirm vorgelegt werden. Einige traditionelle berührungssensible Sensoren stellen jedoch möglicherweise nur eine Berührungsposition am Gerät bereit. Außer der Berührungsposition erzeugen viele traditionelle Berührungssensoren eine Ausgabe, die binärer Art ist. Das heißt, dass die Berührung vorliegt oder nicht.
In einigen Fällen kann es vorteilhaft sein, die Kraft einer Berührung zu erkennen und zu messen, mit der eine Fläche beaufschlagt wird, um eine nichtbinäre Berührungseingabe bereitzustellen. Es kann jedoch mehrere Herausforderungen in Zusammenhang mit der Implementierung eines Kraftsensors in einer elektronischen Vorrichtung geben. Beispielsweise können Temperaturschwankungen in der Vorrichtung oder Umgebung ein nicht akzeptables Ausmaß von Variabilität bei den Kraftmessungen einführen. Falls der Kraftsensor in ein Display oder ein transparentes Medium integriert ist, kann es zudem schwierig sein, sowohl eine Erkennungsleistung als auch eine optische Leistung in einem kompakten Formfaktor zu erzielen.
US 2013/0234968 A1 offenbart eine Eingabevorrichtung mit: Mittel zum Durchführen einer Nullpunktkorrektur an den Sensorausgängen der Lastsensoren, wenn ein Absolutwert eines Betrages einer Ausgangsänderung jedes Lastsensors nicht mehr als ein vorbestimmter Schwellenwert a während einer bestimmten Messzeitperiode ist; Mittel zum Berechnen von Positionsdaten und zum Berechnen einer Gesamtlast Z der Lastsensoren unter Verwendung der Sensorausgänge; Mittel zum Bestimmen, daß die Berechnungsdatenstücke normal sind, wenn der Absolutwert des Betrags der Änderung der Gesamtlast nicht größer als der Schwellenwert beta ist; Mittel zum Bestimmen, daß eine Eingabe in den Berechnungsdatenstücken vorhanden ist, wenn der Absolutwert der Gesamtlast nicht kleiner als der Schwellenwert gamma ist; und Mittel zum Entfernen einer vorbestimmten Anzahl von ersten und letzten Datenstücken in den Berechnungsdatenstücken.
US 2013/0082970 A1 offenbart einen Touchscreen-Anzeigesensor, der ein transparentes berührungsempfindliches Element, das auf der Oberfläche eines transparenten Substrats angeordnet ist, und ein kraftempfindliches Element umfasst, das innerhalb des transparenten berührungsempfindlichen Elements angeordnet ist wobei das Kraftsensorelement enthält zwei Sätze von Bändern aus Mikromesh und kann ein druckempfindliches Material zwischen den Bändern aus Mikromesh enthalten, und die Bänder aus Mikronetz enthalten Spuren eines metallischen Leiters, und die Sätze von Bändern aus Mikronetz sind voneinander beabstandet und befinden sich auf im Wesentlichen parallelen Ebenen.
KURZDARSTELLUNG
Hierin beschriebene Ausführungsformen können sich auf einen optisch transparenten Kraftsensor, der als Eingabe für eine elektronische Vorrichtung verwendet werden kann, beziehen, diesen einschließen oder dessen Form annehmen. Der optisch transparente Kraftsensor kann konfiguriert sein, um Temperaturschwankungen unter Verwendung von zwei oder mehr kraftsensiblen Schichten zu kompensieren, die auf entgegengesetzten Seiten einer kompatiblen Schicht angeordnet sind. Bei einigen Ausführungsformen werden anisotrope, piezoelektrische Materialien verwendet, um Temperaturschwankungen zu kompensieren.
Gemäß der Erfindung schließt eine elektronische Vorrichtung einen optisch transparenten Kraftsensor ein, der ein erstes transparentes Substrat und eine relativ zum ersten transparenten Substrat angeordnete, erste kraftsensible Schicht hat. Der Sensor hat auch ein zweites transparentes Substrat, das unterhalb des ersten transparenten Substrats angeordnet ist, sowie eine relativ zum zweiten transparenten Substrat angeordnete, zweite kraftsensible Schicht. Eine kompatible Schicht ist zwischen dem ersten und dem zweiten transparenten Substrat angeordnet. Der Sensor schließt auch eine Sensorschaltung ein, die konfiguriert ist, um eine relative elektrische Reaktion zwischen der ersten kraftsensiblen Schicht und der zweiten kraftsensiblen Schicht zu vergleichen, um eine geschätzte temperaturkompensierte Kraft zu berechnen, und um Termperaturschwankungen der elektronischen Vorrichtung mit Hilfe des temperaturkompensierten Schätzwerts der Kraft zu kompensieren.
Bei einigen Ausführungsformen ist das erste transparente Substrat konfiguriert, um sich als Reaktion auf die Kraft einer Berührung zu biegen, und die kompatible Schicht verformt sich, um eine Spannung oder einen Druck des zweiten transparenten Substrats zu verringern. In einigen Fällen erfährt das erste transparente Substrat einen ersten Spannungsbetrag, der größer ist als beim zweiten transparenten Substrat, das einen zweiten, reduzierten Spannungsbetrag erfährt. In einigen Fällen biegt sich das erste transparente Substrat als Reaktion auf die Kraft einer Berührung in einem größeren Ausmaß als das zweite transparente Substrat.
Bei einigen Ausführungsformen ist die erste kraftsensible Schicht als Reaktion auf die Kraft einer Berührung unter Spannung platziert, und die zweite kraftsensible Schicht ist als Reaktion auf die Kraft einer Berührung unter Druck platziert. Bei einigen Ausführungsformen leitet die kompatible Schicht Wärme zwischen der ersten kraftsensiblen Schicht und der zweiten kraftsensiblen Schicht, um eine im Wesentlichen gleichförmige Temperaturverteilung zu erzielen. Bei einigen Ausführungsformen sind die erste und die zweite kraftsensible Komponente aus Materialien hergestellt, die im Wesentlichen identische Temperaturwiderstandskoeffizienten haben. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die kompatible Schicht ein optisch klares Haftmittel. Bei einigen Ausführungsformen ist die kompatible Schicht aus einem Material gebildet, das einen Schubmodul hat, der weniger als ein Zehntel des Schubmoduls des ersten transparenten Substrats ist. Bei einigen Ausführungsformen ist die erste kraftsensible Schicht aus einem ersten Array aus geradlinigen, kraftsensiblen Komponenten gebildet, und die zweite kraftsensible Schicht ist aus einem zweiten Array aus geradlinigen, kraftsensiblen Komponenten gebildet.
Gemäß der Erfindung ist eine elektronische Vorrichtung mit einem optisch transparenten Kraftsensor vorgesehen. Der Kraftsensor schließt eine Abdeckung (oder eine Kraft aufnehmende Schicht) und ein erstes transparentes Substrat ein, das unterhalb der Abdeckung (oder der Kraft aufnehmenden Schicht) angeordnet ist. Ein erstes Array aus kraftsensiblen Komponenten ist relativ zum ersten transparenten Substrat angeordnet. Ein zweites transparentes Substrat ist unterhalb des ersten transparenten Substrats angeordnet, und ein zweites Array aus kraftsensiblen Komponenten ist relativ zum zweiten transparenten Substrat angeordnet. Eine kompatible Schicht ist zwischen dem ersten und dem zweiten transparenten Substrat angeordnet. Der Sensor schließt auch eine Sensorschaltung ein, die konfiguriert ist, um eine relative elektrische Reaktion zwischen Strukturen des ersten Arrays kraftsensibler Komponenten und des zweiten Arrays kraftsensibler Komponenten zu vergleichen, und um Termperaturschwankungen der elektronischen Vorrichtung mit Hilfe des temperaturkompensierten Schätzwerts der Kraft zukompensieren. In einigen Fällen ist ein Anzeigeelement unterhalb des zweiten transparenten Substrats angeordnet. Bei einigen Ausführungsformen schließt das erste Array kraftsensibler Komponenten eine Untergruppe kraftsensibler Randkomponenten ein, die entlang eines Randes des ersten Arrays positioniert sind. Die kraftsensiblen Randkomponenten können aus Bahnen gebildet sein, die entlang einer zum Rand im Wesentlichen senkrechten Richtung ausgerichtet sind. Bei einigen Ausführungsformen schließt das erste Array kraftsensibler Komponenten eine Untergruppe kraftsensibler Eckkomponenten ein, die an Ecken des ersten Arrays entlang positioniert sind. Die kraftsensiblen
Eckkomponenten können aus Bahnen gebildet sein, die entlang einer diagonalen Richtung ausgerichtet sind.
Gemäß der Erfindung ist eine elektronische Vorrichtung mit einem optisch transparenten Kraftsensor vorgesehen, der ein erstes transparentes Substrat einschließt sowie eine erste kraftsensible Schicht, die relativ zum ersten transparenten Substrat angeordnet ist, ein zweites transparentes Substrat, das unterhalb des ersten transparenten Substrats angeordnet ist, und eine zweite kraftsensible Schicht, die relativ zum zweiten transparenten Substrat angeordnet ist. Der Sensor schließt auch eine Sensorschaltung ein, die konfiguriert ist, um eine Spannung zwischen der ersten kraftsensiblen Schicht und der zweiten kraftsensiblen Schicht zu erkennen, um eine geschätzte temperaturkompensierte Kraft zu berechnen, und um Termperaturschwankungen der elektronischen Vorrichtung mit Hilfe des temperaturkompensierten Schätzwerts der Kraft zu kompensieren. Gemäß der Erfindung ist die erste kraftsensible Schicht aus einem anisotropen, piezoelektrischen Film gebildet, und die zweite kraftsensible Schicht ist aus einem isotropen, piezoelektrischen Film gebildet.
Bei einigen Ausführungsformen schließt der Sensor auch eine dritte kraftsensible Schicht ein, die relativ zur zweiten kraftsensiblen Schicht angeordnet ist; und eine vierte kraftsensible Schicht, die relativ zur dritten kraftsensiblen Schicht angeordnet ist. Die dritte kraftsensible Schicht kann aus einem isotropen, piezoelektrischen Film gebildet sein, und die vierte kraftsensible Schicht kann aus einem anisotropen, piezoelektrischen Film gebildet sein. Bei einigen Ausführungsformen schließt der Sensor auch ein drittes transparentes Substrat ein, das zwischen der zweiten kraftsensiblen Schicht und der dritten kraftsensiblen Schicht angeordnet ist. In einigen Fällen hat die erste kraftsensible Schicht eine erhöhte Sensibilität gegenüber Verformungen entlang einer ersten Richtung, und die vierte kraftsensible Schicht hat eine erhöhte Sensibilität gegenüber Verformungen entlang einer zweiten Richtung. Die erste Richtung kann im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Richtung sein.
Figurenliste
Im Folgenden wird Bezug genommen auf repräsentative Ausführungsformen, die in den beigefügten Figuren dargestellt sind. Es sollte verstanden werden, dass die folgenden Beschreibungen nicht als die Ausführungsformen auf eine einzige bevorzugte Ausführungsform einschränkend beabsichtigt sind. Es ist dagegen beabsichtigt, dass Alternativen, Modifikationen und Äquivalente abgedeckt werden, wie sie innerhalb des Geistes und Schutzumfangs der beschriebenen, durch die beigefügten Ansprüche definierten Ausführungsformen eingeschlossen sein können.

1 zeigt eine beispielhafte elektronische Vorrichtung.
2A zeigt eine Draufsicht auf eine beispielhafte kraftsensible Struktur, die ein Raster optisch transparenter, kraftsensibler Komponenten einschließt.
2B zeigt eine detaillierte Draufsicht auf eine optisch transparente, serpentinenförmige, kraftsensible Komponente, die in der beispielhaften kraftsensiblen Struktur eingesetzt werden kann, die dargestellt ist in 2A.
2C zeigt eine Seitenansicht eines Abschnitts einer beispielhaften kraftsensiblen Struktur einer Vorrichtung entlang des Abschnitts A-A aus 1.
3A zeigt eine vergrößerte, detaillierte Seitenansicht der beispielhaften kraftsensiblen Struktur aus 2C.
3B zeigt eine vergrößerte, detaillierte Seitenansicht der beispielhaften kraftsensiblen Struktur aus 2C, die als Reaktion auf eine beaufschlagte Kraft verformt wurde.
4 zeigt eine Draufsicht auf eine alternative beispielhafte, kraftsensible Struktur, die zwei zueinander senkrechte Schichten einschließt, die jeweils mehrere optisch transparente, kraftsensible Komponenten einschließen.
5A zeigt eine Seitenansicht eines Abschnitts einer alternativen beispielhaften, kraftsensiblen Struktur einer Vorrichtung entlang des Abschnitts A-A aus 1.
5B zeigt eine Seitenansicht eines Abschnitts einer alternativen beispielhaften, kraftsensiblen Struktur einer Vorrichtung entlang des Abschnitts A-A aus 1.
5C zeigt eine Seitenansicht eines Abschnitts einer alternativen beispielhaften, kraftsensiblen Struktur einer Vorrichtung entlang des Abschnitts A-A aus 1.
5D zeigt eine Seitenansicht eines Abschnitts einer alternativen beispielhaften, kraftsensiblen Struktur einer Vorrichtung entlang des Abschnitts A-A aus 1.
5E zeigt eine Seitenansicht eines Abschnitts einer alternativen beispielhaften, kraftsensiblen Struktur einer Vorrichtung entlang des Abschnitts A-A aus 1.
5F zeigt eine Seitenansicht eines Abschnitts einer alternativen beispielhaften, kraftsensiblen Struktur einer Vorrichtung entlang des Abschnitts A-A aus 1.
5G zeigt eine Seitenansicht eines Abschnitts einer alternativen beispielhaften, kraftsensiblen Struktur einer Vorrichtung entlang des Abschnitts A-A aus 1.
5H zeigt eine Seitenansicht eines Abschnitts einer alternativen beispielhaften, kraftsensiblen Struktur einer Vorrichtung entlang des Abschnitts A-A aus 1.
5I zeigt eine Seitenansicht eines Abschnitts einer alternativen beispielhaften, kraftsensiblen Struktur einer Vorrichtung entlang des Abschnitts A-A aus 1.
6A-D zeigt eine detaillierte Draufsicht auf eine optisch transparente, serpentinenförmige, kraftsensible Komponente mit verschiedenen Schlangenmustern, die in der beispielhaften, kraftsensiblen Struktur eingesetzt werden kann, die dargestellt ist in 2A.
7 zeigt eine Draufsicht auf eine beispielhafte, kraftsensible Struktur, die ein Raster optisch transparenter, kraftsensibler Komponenten zur Kraftdetektion einschließt, die in unterschiedlichen Richtungen angeordnet sind.
8 zeigt ein vereinfachtes Signal-Ablaufdiagramm einer temperaturkompensierenden und optisch transparenten Kraftsensorschaltung.
9 ist ein Prozess-Ablaufdiagramm mit der Darstellung beispielhafter Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines temperaturkompensierenden und optisch transparenten Kraftsensors.
10 ist ein Prozess-Ablaufdiagramm mit der Darstellung beispielhafter Schritte eines Verfahrens zum Betrieb eines temperaturkompensierenden Kraftsensors.
11 ist ein zusätzliches Prozess-Ablaufdiagramm mit der Darstellung beispielhafter Schritte eines Verfahrens zum Betrieb eines temperaturkompensierenden Kraftsensors.
12 zeigt eine Seitenansicht eines Abschnitts einer alternativen beispielhaften, kraftsensiblen Struktur, die ein einzelnes piezoelektrisches Element einschließt.
13 zeigt eine Seitenansicht eines Abschnitts einer alternativen beispielhaften, kraftsensiblen Struktur, die ein mehrschichtiges piezoelektrisches Element einschließt.
14 zeigt eine Seitenansicht eines Abschnitts einer alternativen beispielhaften, kraftsensiblen Struktur, die ein mehrschichtiges piezoelektrisches Element einschließt.
15 zeigt eine Seitenansicht eines Abschnitts einer alternativen beispielhaften, kraftsensiblen Struktur, die ein mehrschichtiges piezoelektrisches Element einschließt.

Die Verwendung der gleichen oder ähnlichen Bezugsziffern in unterschiedlichen Figuren verweist auf ähnliche, verwandte oder identische Elemente.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hierin beschriebene Ausführungsformen können sich auf einen Kraftsensor beziehen oder dessen Form annehmen, der in Komponenten einer elektronischen Vorrichtung integriert ist, um eine berührungssensible Fläche auf der Vorrichtung zu bilden. Einige Ausführungsformen behandeln einen Kraftsensor, der Temperaturschwankungen kompensieren kann, und der zur Integration in ein Display oder ein transparentes Medium einer elektronischen Vorrichtung optisch transparent sein kann. Bestimmte, hierin beschriebene Ausführungsformen behandeln auch kraftsensible Strukturen, die eine oder mehrere kraftsensible Komponenten zur Detektion eines Umfangs einer Kraft einschließen, mit der eine Vorrichtung beaufschlagt wird. Bei einem Beispiel ist eine transparente, kraftsensible Komponente in ein Anzeigeelement einer elektronischen Vorrichtung integriert oder daneben angeordnet. Die elektronische Vorrichtung kann beispielsweise ein Mobiltelefon, ein Tablet-Computer, ein Computer-Display, ein Notebook-Computer, ein Desktop-Computer, eine Computereingabevorrichtung (wie ein Touchpad, eine Tastatur oder eine Maus), eine am Körper tragbare Vorrichtung, eine Gesundheitsüberwachungsvorrichtung, eine Sportzubehörvorrichtung usw. sein.
Allgemein und weitreichend kann ein vom Benutzer veranlasstes Berührungsereignis auf einem Display, einem Gehäuse oder einer anderen, einer elektronischen Vorrichtung zugeordneten Fläche unter Verwendung eines Kraftsensors erkannt werden, der eingerichtet ist, um den Umfang der Kraft des Berührungsereignisses zu bestimmen. Der bestimmte Kraftumfang kann als Eingabesignal, Eingabedaten oder andere Eingabeinformation für die elektronische Vorrichtung verwendet werden. Bei einem Beispiel kann ein Eingabeereignis mit starker Kraft im Vergleich zu einem Eingabeereignis mit geringer Kraft unterschiedlich interpretiert werden. Beispielsweise kann ein Mobiltelefon einen Anzeigebildschirm mit einem Eingabeereignis mit starker Kraft entsperren, und es kann über ein Eingabeereignis mit geringer Kraft die Audioausgabe anhalten. Die Reaktionen oder Ausgaben der Vorrichtungen können sich daher in Abhängigkeit von den beiden Eingaben unterscheiden, auch wenn sie an der gleichen Stelle erfolgen und die gleiche Eingabevorrichtung verwenden können. Bei weiteren Beispielen kann eine Änderung der Kraft als zusätzlicher Typ eines Eingabeereignisses interpretiert werden. Beispielsweise kann ein Benutzer einen Kraftsensor einer am Körper tragbaren Vorrichtung in die Nähe einer Arterie halten, um den Blutdruck oder die Herzfrequenz zu bewerten. Es versteht sich, dass ein Kraftsensor zum Erfassen einer Vielzahl von Benutzereingaben verwendet werden kann.
Bei vielen Beispielen kann ein Kraftsensor in eine berührungssensible elektronische Vorrichtung integriert und in der Nähe eines Displays der Vorrichtung angeordnet oder in einen Display-Stack integriert sein. Dementsprechend kann der Kraftsensor bei einigen Ausführungsformen aus optisch transparenten Materialien hergestellt sein. Beispielsweise kann ein optisch transparenter Kraftsensor mindestens eine Kraft aufnehmende Schicht einschließen, sowie ein erstes und ein zweites Substrat, die jeweils mindestens ein optisch transparentes Material einschließen, wobei jedes Substrat eine erste bzw. eine zweite kraftsensible Komponente einschließt. Bei vielen Beispielen kann das erste Substrat unterhalb der Kraft aufnehmenden Schicht angeordnet sein, sodass die erste kraftsensible Komponente bei Beaufschlagung der Kraft aufnehmenden Schicht mit einer Kraft eine Biegung, einen Zug, einen Druck oder eine andere mechanische Verformung erfahren kann. Auf diese Weise kann eine untere Schicht des ersten Substrats eine Ausdehnung erfahren, und eine obere Schicht des ersten Substrats kann eine Stauchung erfahren. Anders ausgedrückt heißt dies, dass sich das erste Substrat um seine neutrale Achse biegen und dabei Druck- und Zugkräfte erfahren kann.
Eine transparente, kraftsensible Komponente kann aus einem kompatiblen Material gebildet sein, das mindestens eine messbare elektrische Reaktion aufweist, die sich mit einer Verformung, einer Biegung oder einem Schub der Komponente ändert. Die transparente, kraftsensible Komponente kann aus einem piezoelektrischen, piezoresistiven, resistiven oder anderen dehnungssensiblen Material gebildet sein, das mit einem Substrat verbunden oder darauf ausgebildet ist, und das elektrisch oder operativ mit einer Sensorschaltung zum Messen einer Änderung in der elektrischen Reaktion des Materials gekoppelt ist. Potenzielle Substratmaterialien schließen beispielsweise Glas oder transparente Polymere ein, wie zum Beispiel Polyethylenterephthalat (PET) oder Cyclo-Olefin-Polymer (COP). Beispielhafte transparente, leitfähige Materialien schließen Polyethylendioxythiophen (PEDOT) ein, sowie Indium-Zinnoxid (ITO), Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, piezoresistive Halbleitermaterialien, piezoresistive Metallmaterialien, Silbernanodraht, andere metallische Nanodrähte und Ähnliches. Transparente Materialien können in Sensoren verwendet werden, die in ein Display oder in ein anderes Anzeigeelement einer Vorrichtung integriert oder eingebaut sind. Falls keine Transparenz erforderlich ist, können andere Komponentenmaterialien verwendet werden, einschließlich beispielsweise Constantan und Karma-Legierungen für die leitfähige Komponente, und ein Polyimid kann als Substrat verwendet werden. Nicht transparente Anwendungen schließen die Krafterfassung auf Trackpads oder hinter Anzeigeelementen ein. Transparente und nicht transparente, kraftsensible Komponenten werden hierin allgemein als „kraftsensible Komponenten“ oder einfach als „Komponenten“ bezeichnet.
Transparente, kraftsensible Komponenten können durch Beschichten eines Substrats mit einem transparenten, leitfähigen Material, durch Anbringen eines transparenten, leitfähigen Materials oder durch anderweitig erfolgenden Auftrag eines derartigen Materials auf das Substrat gebildet werden. Bei einigen Ausführungsformen können die kraftsensiblen Komponenten relativ zur unteren Fläche eines ersten Substrats und relativ zu einer oberen Fläche eines zweiten Substrats ausgebildet werden. Die kraftsensiblen Komponenten des ersten und des zweiten Substrats können einander gegenüberliegend ausgerichtet sein. Bei einigen Implementierungen kann sich das erste Substrat als Reaktion auf eine Berührung durch einen Benutzer biegen. Die Biegung des ersten Substrats kann bewirken, dass sich die untere Fläche des ersten Substrats unter Spannung ausdehnt, was bewirken kann, dass sich die transparente, kraftsensible Komponente (relativ zur unteren Fläche angeordnet) ebenfalls ausdehnt, erweitert oder anderweitig geometrisch infolge der Biegung ändert.
In einigen Fällen kann die kraftsensible Komponente als Reaktion auf eine Biegung nach unten Spannung gesetzt werden, da die Komponente unterhalb der neutralen Achse der Krümmung des Substrats positioniert ist. Die unter Spannung befindliche, transparente, kraftsensible Komponente kann bei mindestens einer elektrischen Eigenschaft eine Änderung erfahren, wie beispielsweise dem Widerstand. Bei einem Beispiel erhöht sich der Widerstand der transparenten, kraftsensiblen Komponente linear mit einer Zunahme der von der Komponente erfahrenen Spannung. Bei einem anderen Beispiel verringert sich der Widerstand der transparenten, kraftsensiblen Komponente linear mit einer Zunahme der von der Komponente erfahrenen Spannung. Es ist ersichtlich, dass unterschiedliche transparente Materialien unterschiedliche Änderungen bei unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften erfahren können, und dass sich demgemäß die Auswirkungen der Spannung von Ausführungsform zu Ausführungsform ändern können.
Bei einigen Ausführungsformen können die kraftsensiblen Komponenten aus einem piezoresistiven oder resistiven Material gebildet sein. Bei einigen Implementierungen ändert sich der Widerstand der Komponente in Abhängigkeit von der Dehnung, wenn das piezoresistive oder resistive Material gedehnt wird. Die Änderung des Widerstands kann unter Verwendung einer Abtastschaltung gemessen werden, die konfiguriert ist, um kleine Änderungen des Widerstands der kraftsensiblen Komponenten zu messen. In einigen Fällen kann die Abtastschaltung eine Brückenschaltungskonfiguration einschließen, die konfiguriert ist, um die Differenzialänderung beim Widerstand zwischen zwei oder mehr kraftsensiblen Komponenten zu messen. Falls die Beziehung zwischen elektrischem Widerstand, Temperatur und mechanischer Dehnung des Komponentenmaterials bekannt ist, lässt sich die Änderung der Differenzialdehnung ε_x - ε_y ableiten. In einigen Fällen kann die Differenzialdehnung Änderungen bei Dehnung oder Widerstand aufgrund von Temperaturänderungen berücksichtigen, die annulliert werden können, falls die beiden Elemente ähnliche thermische Eigenschaften haben und bei der Aussetzung mit Differenzialdehnung aufgrund der Zugentlastungsschicht eine ähnliche Temperatur aufweisen. Auf diese Weise kann eine transparente, piezoresistive oder resistive Komponente als temperaturkompensierender Kraftsensor verwendet werden.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann ein Widerstandselement unter Verwendung eines Spannungsteilers oder einer Brückenschaltung gemessen werden. Beispielsweise kann eine Spannung V_g über dem Ausgang der beiden parallelen Spannungsteiler gemessen werden, die mit einer Spannungsversorgung V_s verbunden sind. Einer der Spannungsteiler kann zwei Widerstände mit bekanntem Widerstandswert R₁ und R₂ einschließen, und der andere Spannungsteiler kann ein erstes Dehnwiderstandselement R_x und ein zweites Dehnwiderstandselement R_y einschließen. Eine Spannung kann zwischen einem Knoten zwischen R₁ und R₂ und einem Knoten zwischen R_x und R_y gemessen werden, um kleine Änderungen im relativen Widerstand zwischen den beiden Dehnelementen zu erkennen. In einigen Fällen kann eine zusätzliche Sensorschaltung (einschließlich einer Verarbeitungseinheit) verwendet werden, um die mechanische Dehnung aufgrund einer Kraft auf der Oberfläche basierend auf dem relativen Widerstand zwischen zwei Dehnelementen zu berechnen. In einigen Fällen kann die Sensorschaltung die mechanische Dehnung schätzen, während Umweltauswirkungen, wie zum Beispiel Temperaturschwankungen, reduziert oder eliminiert werden.
Bei einigen Ausführungsformen können Paare von Spannungsteilern verwendet werden, um eine Vollbrücke zu bilden, um die Ausgabe einer Vielzahl von Sensoren zu vergleichen. Auf diese Weise können vorliegende Fehler infolge von Temperaturdifferenzen zwischen Sensoren im Wesentlichen reduziert oder eliminiert werden, ohne dedizierte Fehlerkorrekturschaltung oder spezielle Verarbeitungssoftware zu erfordern. Bei einigen Ausführungsformen kann eine elektrische Reaktion aufgrund der Kraft einer Berührung gemessen werden, und ein Algorithmus kann eingesetzt werden, um eine relative Reaktion zu vergleichen und die Auswirkungen der Temperaturänderungen zu beseitigen. Bei einigen Ausführungsformen können sowohl Differenzmessungen der Komponenten als auch Messungen ihrer individuellen Reaktionen vorgenommen werden, um die entsprechende Differenzialdehnung sowie auch die Temperatur zu extrahieren. In einigen Fällen kann ein Algorithmus die unterschiedlichen und individuellen Reaktionen verwenden, um eine geschätzte Kraft zu berechnen, die die Auswirkungen beispielsweise aufgrund der Differenzen beim Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Komponentenmaterialien beseitigt.
Bei einigen Ausführungsformen ist die kraftsensible Komponente strukturiert in einem Array aus Linien, Pixeln oder anderen geometrischen Elementen, die hierin als „Komponentenelemente“ bezeichnet sind. Die Regionen der kraftsensiblen Komponente oder der Komponentenelemente können auch unter Verwendung von elektrisch leitfähigen Bahnen oder Elektroden mit Abtastschaltung verbunden sein. In einigen Fällen sind die leitfähigen Bahnen oder Elektroden auch aus transparenten, leitfähigen Materialien gebildet. Bei einigen Ausführungsformen kann Abtastschaltung über die elektrisch leitfähigen Bahnen und/oder die Elektroden in elektrischer Kommunikation mit dem einen oder mehreren Komponentenelementen sein. Wie weiter oben erwähnt, kann die Abtastschaltung eingerichtet sein, um die Änderung der elektrischen Eigenschaft oder der Reaktion (zum Beispiel Widerstand) der Komponente aufgrund der beaufschlagten Kraft zu erkennen und zu messen.
In einigen Fällen können die kraftsensiblen Komponenten in Pixelelementen strukturiert sein, wobei jedes Pixelelement ein Array aus Bahnen einschließt, die generell entlang einer Richtung ausgerichtet sind. Diese Konfiguration kann als eine piezoresistive oder resistive Dehnungsmesskonfiguration bezeichnet werden. Generell kann die kraftsensible Komponente bei dieser Konfiguration aus einem Material zusammengesetzt sein, dessen Widerstand sich als Reaktion auf Dehnung auf bekannte Weise ändert. Beispielsweise können einige Materialien als Reaktion auf Dehnung eine lineare Änderung im Widerstand aufweisen. Einige Materialien können als Reaktion auf Dehnung eine logarithmische oder exponentielle Änderung im Widerstand aufweisen. Einige Materialien können auf unterschiedliche Weise eine Änderung im Widerstand aufweisen. Beispielsweise kann die Änderung im Widerstand auf eine Änderung in der Geometrie zurückgehen, die sich aus der beaufschlagten Dehnung ergibt, wie zum Beispiel einer Zunahme der Länge in Kombination mit einer Abnahme der Querschnittsfläche, die gemäß der poissonschen Annahme eintreten kann. Die Änderung im Widerstand kann auch auf eine Änderung der inhärenten Widerstandsfähigkeit des Materials durch die beaufschlagte Dehnung zurückgehen.
Bei einigen Ausführungsformen kann sich die Ausrichtung der dehnungssensiblen Elemente von einem Teil des Arrays zu einem anderen ändern. Beispielsweise können Elemente in den Ecken Bahnen haben, die ausgerichtet sind, um auf Dehnung bei 45 Grad bezüglich einer Zeile (oder Spalte) des Arrays sensibel zu reagieren. Auf ähnliche Weise können Elemente entlang der Kante des Arrays Bahnen einschließen, die auf zur Kante oder Begrenzung senkrechte Dehnung äußerst sensibel sind. In einigen Fällen können Elemente eine aus einer Vielzahl von schlangenförmigen Bahnkonfigurationen einschließen, die konfiguriert sein können, um auf eine Kombination der Dehnungen entlang mehrerer Achsen sensibel zu reagieren. Die Ausrichtung der Bahnen in den dehnungssensiblen Elementen kann in Abhängigkeit von der Ausführungsform unterschiedliche Winkel haben.
Die Pixelelemente können Bahnmuster haben, die konfiguriert sind, um die Dehnungssensibilität entlang mehrerer Achsen zu überdecken, um Änderungen in Grenzbedingungen des Sensors oder Schäden an der Vorrichtung zu erkennen. Falls beispielsweise ein Element, eine Komponente oder ein Substrat wegen einer Beschädigung der physischen Kante einer Vorrichtung weniger eingeengt wird, kann die Sensibilität der Dehnungsreaktion in der X-Richtung höher werden, während die Sensibilität der Dehnungsreaktion in der Y-Richtung geringer werden kann. Falls das Pixelelement jedoch konfiguriert ist, um sowohl in der X- als auch in der Y-Richtung zu reagieren, kann die kombinierte Reaktion der zwei oder mehr Richtungen (die eine lineare oder sonstige Kombination sein kann) die Verwendung des Sensors erleichtern, selbst nachdem Schäden oder Änderungen in den Grenzbedingungen des Substrats aufgetreten sind.
Bei einigen Ausführungsformen kann die kraftsensible Komponente auf einem festen Materialblatt gebildet sein, und sie kann in elektrischer Kommunikation mit einem Elektrodenmuster platziert sein, das auf einer oder mehreren Flächen der kraftsensiblen Komponente angeordnet ist. Die Elektroden können beispielsweise verwendet werden, um eine Region des festen Materialblatts elektrisch an die Abtastschaltung zu koppeln. Eine Elektronenkonfiguration kann verwendet werden, um eine Ladungsreaktion unter Dehnung zu messen. In einigen Fällen kann die kraftsensible Komponente in Abhängigkeit vom Grad der Dehnung unterschiedliche Ladungsmengen erzeugen. Die Summe der Gesamtladung kann eine Überlagerung der durch Dehnung entlang verschiedener Achsen erzeugten Ladung wiedergeben.
Bei einigen Ausführungsformen kann die kraftsensible Komponente in Abschnitte eines Anzeigeelements integriert oder daneben platziert sein, das hierin allgemein als „Display-Stack“ oder einfach „Stack“ bezeichnet ist. Eine kraftsensible Komponente kann in einen Display-Stack integriert sein, indem sie beispielsweise auf einem Substrat oder Blatt angebracht ist, das mit dem Display-Stack verbunden ist. Auf diese Weise wird eine Zugdehnung durch alle Schichten mit guter Dehnungsübertragung unterhalb der neutralen Achse übertragen, wenn sich der Display-Stack als Reaktion auf eine beaufschlagte Kraft biegt.
Alternativ dazu kann die kraftsensible Komponente bei bestimmten Ausführungsformen innerhalb des Display-Stacks platziert sein. Obwohl hierin bestimmte Beispiele mit Bezug auf eine in einen Display-Stack integrierte, kraftsensible Komponente bereitgestellt sind, kann die kraftsensible Komponente bei anderen Ausführungsformen in einen anderen Abschnitt der Vorrichtung als den Display-Stack integriert sein.
Bei bestimmten Ausführungsformen können ein oder mehrere kraftsensible Komponenten in ein Anzeigeelement einer Vorrichtung integriert oder damit verbunden sein, das andere Arten von Sensoren einschließen kann. Bei einigen Ausführungsformen kann ein Anzeigeelement einen berührungssensiblen Sensor einschließen, der enthalten ist, um die Position von einem oder mehreren vom Benutzer veranlassten Berührungsereignissen zu erkennen. Unter Verwendung eines Berührungssensors in Kombination mit der transparenten, kraftsensiblen Komponente gemäß einigen hierin beschriebenen Ausführungsformen können Position und Umfang einer Berührung auf einem Anzeigeelement einer Vorrichtung geschätzt werden.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung sowohl berührungssensible Elemente als auch kraftsensible Elemente relativ zu einer Fläche einschließen, die mitwirken kann, um die Genauigkeit der Kraftsensoren zu verbessern. In einigen Fällen können die Informationen von den berührungssensiblen Elementen in Kombination mit gespeicherten Informationen zum Ansprechverhalten der Fläche verwendet werden, um die auf die Fläche ausgeübte Kraft zu rekonstruieren. Beispielsweise kann die durch den Berührungssensor bestimmte Position in Verbindung mit einer Gruppe von in einem Speicher gespeicherten Gewichtungskoeffizienten verwendet werden, um die an den entsprechenden Stellen beaufschlagte Kraft abzuschätzen. Eine unterschiedliche Berührungsposition kann in Verbindung mit einer unterschiedlichen Gruppe aus Koeffizienten verwendet werden, die das Ansprechverhalten der Dehnungssensoren gewichten, um eine Berührungskraft an der betreffenden Stelle vorherzusagen. Bei bestimmten Beispielen kann der zum Berechnen der Kräfte auf der Fläche verwendete Algorithmus zumindest teilweise auf den durch den Berührungssensor bereitgestellten Informationen sowie auf gespeicherten Informationen aus der Kalibrierung der Anzeige oder auf während der Betriebszeit der Sensoren erfassten und gespeicherten Informationen basieren. In einigen Fällen können die Sensoren während eines Zeitraums, der einer Berührungsangabe durch die Berührungssensoren vorangeht, kraftfrei kalibriert werden.
Eine Herausforderung im Zusammenhang mit der Verwendung einer kraftsensiblen Komponente oder eines Films in einem Display-Stack ist, dass sich die gegebene elektrische Eigenschaft (zum Beispiel Widerstand) als Reaktion auf Temperaturänderungen ändern kann, wenn die elektronische Vorrichtung zwischen verschiedenen Orten transportiert oder von einem Benutzer verwendet wird. Jedes Mal, wenn ein Benutzer den Touchscreen berührt, kann der Benutzer beispielsweise örtlich die Temperatur des Bildschirms und der kraftsensiblen Komponente erhöhen. Bei anderen Beispielen können unterschiedliche Umgebungen (zum Beispiel innen oder außen) die elektronische Vorrichtung unterschiedlichen Umgebungstemperaturen aussetzen. Bei noch weiteren Beispielen kann eine Temperaturzunahme infolge von durch elektronische Komponenten oder Systeme der Vorrichtung erzeugter Wärme auftreten.
In einigen Fällen kann sich die kraftsensible Komponente auch als Reaktion auf Änderungen bei anderen Umgebungsbedingungen, wie zum Beispiel Änderungen der Feuchtigkeit oder des Luftdrucks, ausdehnen oder zusammenziehen. In den folgenden Beispielen ist die elektrische Eigenschaft ein Widerstand, und die variable Umgebungsbedingung ist die Temperatur. Die hierin beschriebenen Techniken und Verfahren können jedoch auch auf andere elektrische Eigenschaften angewandt werden, wie zum Beispiel Kapazität oder Induktion, die durch Änderungen anderer Umgebungsbedingungen beeinflusst werden können.
Bei einigen Implementierungen kann eine Änderung der Temperatur oder anderer Umgebungsbedingungen sowohl lokal als auch global zu einer Ausdehnung oder Zusammenziehung der kraftsensiblen Komponente, des Gehäuses der elektronischen Vorrichtung und/oder anderer Komponenten in der Nähe der betreffenden Komponente führen, die wiederum die von der Abtastschaltung gemessene, elektrische Eigenschaft (zum Beispiel den Widerstand) ändern kann. In vielen Fällen können die Änderungen der elektrischen Eigenschaft aufgrund einer Temperaturänderung Änderungen der elektrischen Eigenschaft infolge einer Eingabekraft verschleiern. Beispielsweise kann eine Biegung eine Verringerung oder eine Zunahme des Widerstands oder der Impedanz der kraftsensiblen Komponente hervorrufen. Eine Temperaturänderung kann ebenfalls eine Verringerung oder eine Zunahme des Widerstands oder der Impedanz der kraftsensiblen Komponente hervorrufen. Als Folge davon können sich die beiden Effekte gegenseitig auslöschen, oder alternativ dazu können sie sich gegenseitig verstärken, was zu einem insensiblen oder hypersensiblen Kraftsensor führt. Eine ähnliche Verringerung oder Zunahme des Widerstands oder der Impedanz der kraftsensiblen Komponente könnte beispielsweise auch durch eine Temperaturzunahme der kraftsensiblen Komponente infolge von durch andere Elemente der Vorrichtung erzeugter Wärme hervorgerufen werden.
In einigen Fällen können auch mechanische Änderungen infolge von Temperaturschwankungen die elektrische Leistungscharakteristik des Sensors beeinflussen. Insbesondere können Temperaturschwankungen der kraftsensiblen Komponente zu Änderungen der Dehnkraft auf die kraftsensiblen Komponenten führen. Beispielsweise kann sich eine erwärmte, kraftsensible Komponente ausdehnen, und eine abgekühlte, kraftsensible Komponente kann sich zusammenziehen, wodurch auf die Komponente eine Dehnkraft ausgeübt wird. Diese Dehnkraft kann eine Änderung bei Widerstand, Impedanz, Strom oder Spannung bewirken, die durch die dazugehörige Abtastschaltung gemessen werden kann, und sie kann die Leistungscharakteristik des Kraftsensors beeinflussen.
Eine Lösung besteht in der Berücksichtigung von Umgebungseffekten über das Bereitstellen von mehr als einer kraftsensiblen Komponente, die den gleichen oder im Wesentlichen gleichen Umgebungsbedingungen unterzogen wird. Eine erste kraftsensible Komponente kann als Referenzpunkt oder Umwelt-Referenznorm dienen, während die Dehnung einer zweiten kraftsensiblen Komponente gemessen wird. Bei einigen Implementierungen können beide kraftsensiblen Komponenten aus im Wesentlichen identischen Materialien hergestellt sein, sodass die Referenzkomponente auf die Umgebung in der gleichen Weise reagiert wie die gerade gemessene Komponente. Beispielsweise kann in einigen Fällen jede der beiden Komponenten eingerichtet sein, um identische oder fast identische Wärmeausdehnungskoeffizienten zu haben. Auf diese Weise können die mechanischen und geometrischen Änderungen, die sich aus Temperaturänderungen ergeben, als Differenz zwischen den Komponenten gemessen werden. Da jeder Sensor den gleichen oder einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, kann sich bei einigen Implementierungen jeder Sensor auf im Wesentlichen identische Weise ausdehnen oder zusammenziehen. Unter Verwendung einer geeigneter Sensorschaltung und/oder Sensorverarbeitung können Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften jedes Sensors infolge der Temperatur im Wesentlichen kompensiert, annulliert, reduziert oder eliminiert werden.
Bei einigen Ausführungsformen kann ein erster Sensor (mit einer oder mehreren kraftsensiblen Komponenten) unterhalb einer Fläche positioniert oder angeordnet sein, die eine Eingabekraft empfängt. Unterhalb des ersten Sensors kann eine kompatible Schicht positioniert sein, die aus einem thermisch leitfähigen Material gebildet ist. Unterhalb der kompatiblen Schicht kann ein zweiter Sensor (mit einer oder mehreren kraftsensiblen Komponenten) positioniert sein, der als Referenzsensor wirken kann. Bei einigen Ausführungsformen führt die thermische Leitfähigkeit der kompatiblen Schicht zu einer im Wesentlichen gleichmäßigen Temperatur zwischen dem ersten und dem zweiten Sensor. Die kompatible Schicht kann auch einen wesentlichen Teil der Verformung des ersten Sensors verteilen oder anderweitig absorbieren, sodass der zweite Sensor in wesentlich geringerem Ausmaß gebogen oder verformt wird. In einigen Fällen kann der zweite Sensor wesentlich reduzierte Zugkräfte erfahren, und bei einigen Implementierungen kann er auch überhaupt keine wesentliche Zugkraft erfahren.
Bei einigen Ausführungsformen kann eine kompatible Schicht verwendet werden, um die Übertragung von Dehnung durch einen Stack zu reduzieren, sodass Schichten unterhalb der kompatiblen Schicht reduzierte Dehnung erfahren, sich aber weiterhin in gewissem Ausmaß verformen. In einigen Fällen können Sensorkomponenten unterhalb der kompatiblen Schicht, die mit der oberen Fläche eines Substrats verbunden sind, infolge der (reduzierten) Biegung Druckkräften ausgesetzt sein. Derartige Druckkräfte können den gegenteiligen Effekt der Zugdehnung in den Schichten oberhalb der kompatiblen Schicht haben. In einigen Fällen kann eine dehnungsbasierte elektrische Eigenschaft einer unteren Sensorkomponente das entgegengesetzte Vorzeichen einer oberen Sensorkomponente haben, die auf einer gegenüberliegenden Seite der kompatiblen Schicht und einer unteren Fläche eines entsprechenden Substrats angeordnet ist. Ein ähnlicher Effekt lässt sich erzielen, indem die oberen Sensorkomponenten auf einer oberen Fläche eines (ersten) entsprechenden Substrats und die unteren Sensorkomponenten auf einer unteren Fläche eines (zweiten) entsprechenden Substrats platziert werden. Beim Vergleich der Signale der beiden Sensoren kann das Temperatursignal als im Gleichtakt erfolgende Änderung erscheinen, und die Dehnung kann als differenzabhängige Änderung erscheinen. Somit kann die entsprechende Messung verwendet werden, um Temperaturschwankungen zu kompensieren.
1 zeigt eine beispielhafte elektronische Vorrichtung 100. Die elektronische Vorrichtung 100 kann ein Display 104 einschließen, das in einem Gehäuse 102 angeordnet oder positioniert ist. Das Display 104 kann einen Stack aus mehreren Elementen einschließen, einschließlich beispielsweise eines Anzeigeelements, einer Berührungssensor-Schicht, einer Kraftsensor-Schicht und anderer Elemente. Das Display 104 kann ein Flüssigkristallanzeigeelement (LCD-Element), ein organisches Leuchtdiodenelement (OLED-Element), ein Elektrolumineszenz-Display (ELD) und Ähnliches einschließen. Das Display 104 kann auch andere Schichten zum Verbessern der strukturellen oder optischen Leistung des Displays einschließen, einschließlich beispielsweise Glasfolien, Polymerfolien, Polarisatorfolien, Farbmasken und Ähnlichem. Das Display 104 kann auch in eine Abdeckung 106 integriert oder eingebaut sein, die einen Teil der externen Fläche der Vorrichtung 100 bildet.
Beispielhafte Display-Stacks mit der Darstellung einiger beispielhafter Schichtelemente sind detaillierter weiter unten mit Bezug auf 2-5 beschrieben.
Bei einigen Ausführungsformen sind ein Berührungssensor und/oder ein Kraftsensor im Display 104 integriert oder eingebaut. Bei einigen Ausführungsformen aktiviert der Berührungs- und/oder Kraftsensor eine berührungssensible Fläche auf der Vorrichtung 100. Im vorliegenden Beispiel wird ein Berührungs- und/oder Kraftsensor verwendet, um eine berührungssensible Fläche über mindestens einem Teil der Außenfläche der Abdeckung 106 zu bilden. Der Berührungssensor kann beispielsweise einen kapazitiven Berührungssensor, einen resistiven Berührungssender oder eine andere Vorrichtung einschließen, die konfiguriert ist, um das Auftreten und/oder die Position einer Berührung auf der Abdeckung 106 zu erkennen. Der Kraftsensor kann einen dehnungsbasierten Kraftsensor ähnlich den hierin beschriebenen Kraftsensoren einschließen.
Bei einigen Ausführungsformen können alle Schichten des Displays 104 mit einem optisch transparenten Haftmittel zusammengefügt werden. Bei anderen Ausführungsformen können alle Schichten des Displays 104 auf separaten Substraten angebracht oder aufgetragen werden, die miteinander laminiert oder verbunden sein können. Das Display 104 kann zum Verbessern der strukturellen oder optischen Leistung des Displays auch andere Schichten einschließen, einschließlich beispielsweise Glasfolien, Polarisatorfolien, Farbmasken und Ähnlichem.
2A zeigt eine Draufsicht auf eine beispielhafte, kraftsensible Struktur 200, die ein Raster optisch transparenter, kraftsensibler Komponenten einschließt. Die kraftsensible Struktur 200 kann in ein Display einer elektronischen Vorrichtung integriert oder eingebaut sein, wie z. B. bei dem weiter oben mit Bezug auf 1 beschriebenen Beispiel. Entsprechend der Darstellung in 2A schließt die kraftsensible Struktur 200 ein Substrat 210 ein, auf dem eine Vielzahl individueller, kraftsensibler Komponenten 212 angeordnet ist. Bei diesem Beispiel kann das Substrat 210 ein optisch transparentes Material sein, wie zum Beispiel Polyethylenterephthalat (PET), Glas, Saphir, Diamant und Ähnliches. Die kraftsensiblen Komponenten 212 können aus transparenten, leitfähigen Materialien hergestellt sein, einschließlich beispielsweise Polyethylendioxythiophen (PEDOT), Indium-Zinnoxid (ITO), Kohlenstoffnanoröhren, Gallium-Zinkoxid, Indium-Gallium-Zinkoxid, Graphen, piezoresistivem Halbleitermaterial, piezoresistivem Metallmaterial, Nickel-Nanodrähten, Platin-Nanodrähten, Silbernanodraht, anderen metallischen Nanodrähten und Ähnlichem. Bei bestimmten Ausführungsformen können die kraftsensiblen Komponenten 212 zumindest teilweise anhand von Temperatureigenschaften ausgewählt sein. Beispielsweise kann das für die kraftsensiblen Komponenten 212 ausgewählte Material einen negativen Koeffizienten der Temperaturbeständigkeit haben, sodass bei zunehmender Temperatur der Materialwiderstand abnimmt.
Entsprechend der Darstellung in 2A können die kraftsensiblen Komponenten 212 als ein Array aus geradlinigen Pixelelementen gebildet sein, obwohl andere Formen und Array-Muster ebenfalls verwendet werden könnten. Bei vielen Beispielen kann jede individuelle, kraftsensible Komponente 212 eine Form und/oder ein Muster haben, die/das von der Position der kraftsensiblen Komponente 212 im Array abhängig ist. Beispielsweise kann die kraftsensible Komponente 212 bei einigen Ausführungsformen als Serpentinenmuster aus Bahnen geformt sein, wie zum Beispiel in 2B. Die kraftsensible Komponente 212 kann mindestens zwei Elektroden 212a, 212b zur Verbindung mit einer Abtastschaltung einschließen. In anderen Fällen kann die kraftsensible Komponente 212 ohne Verwendung von Elektroden mit Abtastschaltung elektrisch verbunden sein. Beispielsweise kann die kraftsensible Komponente 212 unter Verwendung von Leiterbahnen, die als Teil der Komponentenschicht ausgebildet sind, mit der Abtastschaltung verbunden sein.
2C zeigt eine Seitenansicht eines Teils der beispielhaften, kraftsensiblen Struktur 200 entlang des Abschnitts A-A aus 1. Entsprechend der Darstellung in diesem Querschnitt kann ein erstes Substrat 210 unterhalb einer Kraft aufnehmenden Schicht 240 angeordnet sein. Die Kraft aufnehmende Schicht 240 kann der Abdeckung 106 entsprechen, die in 1 dargestellt ist. In einigen Fällen ist die Kraft aufnehmende Schicht 240 konfiguriert, um eine Kraft direkt vom Benutzer zu empfangen, und in einigen Fällen ist die Kraft aufnehmende Schicht 240 konfiguriert, um eine Kraft über eine andere Schicht oder Komponente des Stacks zu empfangen, die relativ zu einer Fläche der Kraft aufnehmenden Schicht 240 angeordnet ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die Kraft aufnehmende Schicht 240 aus einem Material mit hohen Dehnungsübertragungseigenschaften hergestellt sein. Beispielsweise kann die Kraft aufnehmende Schicht 240 aus einem harten oder anderweitig starren Material hergestellt sein, wie zum Beispiel Glas, Kunststoff oder Metall, sodass eine ausgeübte Kraft effektiv durch die Kraft aufnehmende Schicht 240 auf die unterhalb angeordneten Schichten übertragen werden kann.
Entsprechend der Darstellung in 2C kann eine kompatible Schicht 202 unterhalb der Kraft aufnehmenden Schicht 240 und des ersten Substrats 210 mit einem Array aus individuellen, kraftsensiblen Komponenten 212 angeordnet sein. Die kompatible Schicht 202 kann aus einem kompatiblen Material gebildet sein, das konfiguriert ist, um Dehnung als Reaktion auf die Kraft einer Berührung zu komprimieren und/oder zu entlasten. Beispielsweise kann die kompatible Schicht 202 konfiguriert sein, um Schub und/oder Dehnung zwischen dem ersten Substrat 210 und dem zweiten Substrat 220 zu entlasten. Bei einigen Ausführungsformen kann die kompatible Schicht 202 aus einem Elastomer mit geringer Eindruckhärte gebildet sein. Bei einem nicht einschränkenden Beispiel kann das Elastomer eine Eindruckhärte von weniger als 25 Shore A haben. Bei einigen Ausführungsformen hat die kompatible Schicht 202 einen Elastizitätsmodul, der geringer als ein Viertel des Elastizitätsmoduls des ersten Substrats 210 ist. Bei einigen Ausführungsformen hat die kompatible Schicht 202 einen Elastizitätsmodul, der geringer als ein Fünftel des Elastizitätsmoduls des ersten Substrats 210 ist. Bei einigen Ausführungsformen hat die kompatible Schicht 202 einen Elastizitätsmodul, der geringer als ein Zehntel des Elastizitätsmoduls des ersten Substrats 210 ist. Bei einigen Ausführungsformen hat die kompatible Schicht 202 einen Elastizitätsmodul, der geringer als ein Zwanzigstel des Elastizitätsmoduls des ersten Substrats 210 ist.
Bei einigen Ausführungsformen kann die kompatible Schicht 202 aus einem kompatiblen Haftmittel hergestellt sein. Bei einigen Ausführungsformen kann das kompatible Haftmittel ein optisch klares Haftmittel sein. Beispielsweise kann die kompatible Schicht 202 aus einem Acrylhaftmittel mit einer Dicke von weniger als 200 µm hergestellt sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die kompatible Schicht 202 weniger als 100 µm sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die kompatible Schicht etwa 50 µm dick sein. Bei anderen Ausführungsformen kann eine dünnere Haftmittelschicht verwendet werden. In einigen Fällen kann das für die kompatible Schicht 202 verwendete Material einen variablen Elastizitätsmodul haben. Beispielsweise kann die kompatible Schicht 202 in einem Abschnitt besonders nachgiebig sein, und sie kann in einem anderen Abschnitt besonders unnachgiebig sein. Auf diese Weise kann die kompatible Schicht eingerichtet werden, um über ihre gesamte Dicke einen variablen Elastizitätsmodul einzuschließen. Bei einer Ausführungsform kann die kompatible Schicht 202 aus einer Anzahl unabhängiger Schichten hergestellt sein, die jeweils eine unterschiedliche relative Nachgiebigkeit haben. Beispielsweise kann ein Haftmittel mit geringerer Eindruckhärte oberhalb eines Haftmittels mit höherer Eindruckhärte geschichtet sein. Bei einigen Ausführungsformen kann das Material der kompatiblen Schicht 202 zumindest teilweise anhand seines Elastizitätsmoduls ausgewählt werden. Bei bestimmten Ausführungsformen gilt dies beispielsweise für einen besonders niedrigen Elastizitätsmodul, sodass die kompatible Schicht 202 außergewöhnlich nachgiebig, aber auch ausreichend elastisch ist, um einen Spalt zwischen den Schichten des Stacks beizubehalten.
Bei einigen Ausführungsformen kann das Material der kompatiblen Schicht 202 aus Schichten mit unterschiedlichen Dicken und elastischen Eigenschaften zusammengesetzt sein. Die Materialschichtung kann die Nachgiebigkeit der kompatiblen Schicht 202 erhöhen. Beispielsweise kann die Nachgiebigkeit der Schicht bei zunehmender Schichtung der kompatiblen Schicht 202 zunehmen. Auf ähnliche Weise kann die Nachgiebigkeit der kompatiblen Schicht 202 abnehmen, wenn das Material dünn aufgetragen wird. Bei einigen Beispielen kann die kompatible Schicht aus Schichten eines Acrylhaftmittels hergestellt sein, dass mit einer Dicke von 15 µm pro Schicht aufgetragen wird. Bei einigen Ausführungsformen kann eine kompatible Schicht aus 15 µm Acrylhaftmittel eine Nachgiebigkeit haben, die etwa 55 % des Elastizitätsmoduls der gleichen Schicht bei 125 µm ist.
Entsprechend der Darstellung in 2C ist unterhalb der kompatiblen Schicht 202 ein zweites Substrat 220 mit einer Vielzahl darauf positionierter individueller, kraftsensibler Komponenten 222 angeordnet. Ähnlich wie beim ersten Substrat 210, kann das zweite Substrat 220 aus einem optisch transparentes Material hergestellt sein, wie zum Beispiel Polyethylenterephthalat (PET). Bei diesem Beispiel können die kraftsensiblen Komponenten 222 als ein Array aus geradlinigen Pixelelementen gebildet sein, die jeweils vertikal mit einer entsprechenden individuellen, kraftsensiblen Komponente 212 des Arrays ausgerichtet sind. Bei vielen Beispielen kann jede individuelle, kraftsensible Komponente 222 eine ausgewählte Form annehmen. Beispielsweise kann die kraftsensible Komponente 222 bei bestimmten Ausführungsformen in einem Serpentinenmuster angeordnete Bahnen einschließen, das dem für die kraftsensible Komponente 212 aus 2B ähnelt.
Entsprechend der Darstellung in 2C können die kraftsensiblen Komponenten 212, 222 mit einer Abtastschaltung 105 verbunden sein, die konfiguriert ist, um Änderungen bei einer elektrischen Eigenschaft von jeder der kraftsensiblen Komponenten 212, 222 zu erkennen. Bei diesem Beispiel kann die Abtastschaltung 105 konfiguriert sein, um Änderungen beim Widerstand der kraftsensiblen Komponente 212, 222 zu erkennen, die zum Abschätzen einer Kraft, mit der die Vorrichtung beaufschlagt wird, verwendet werden können. In einigen Fällen kann die Abtastschaltung 105 auch konfiguriert sein, um Informationen zur Position der Berührung basierend auf der relativen Differenz bei der Widerstandsänderung einer entsprechenden kraftsensiblen Komponente 212 bereitzustellen.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Abtastschaltung 105 eingerichtet sein, um eine relative Messung zwischen dem elektrischen Ansprechverhalten der kraftsensiblen Komponente 212 und dem elektrischen Ansprechverhalten der kraftsensiblen Komponente 222 zu bestimmen. In einigen Fällen kann das elektrische Ansprechverhalten aufgrund der Kraft einer Berührung bei kraftsensiblen Komponenten, die auf entgegengesetzten Seiten der kompatiblen Schicht 202 angeordnet sind, unterschiedlich sein. Beispielsweise kann entsprechend der Beschreibung weiter oben eine Kraft an der Kraft aufnehmenden Schicht 240 empfangen werden. Aufgrund der Starrheit der Kraft aufnehmenden Schicht 240 kann eine Kraft, die an der Kraft aufnehmenden Schicht 240 empfangen wird, und die die Kraft aufnehmende Schicht 240 verformt, auch bewirken, dass sich das erste Substrat 210 biegt. Da die kraftsensible Komponente 212 am ersten Substrat 210 befestigt ist, biegt sich auch die kraftsensible Komponente 212 und leitet die Kraft zur kompatiblen Schicht 202 weiter. Aufgrund der Nachgiebigkeit (zum Beispiel der elastischen Eigenschaften) der kompatiblen Schicht 202 kann sich die kompatible Schicht 202 jedoch verformen und mindestens einen Teil des durch die Kraft der Berührung verursachten Schubs oder der Dehnung im Stack absorbieren. Daraufhin kann die kompatible Schicht 202 eine reduzierte Dehnung in der kraftsensiblen Komponente 222, die unterhalb der kompatiblen Schicht 202 angeordnet ist, bewirken. In einigen Fällen kann die (untere) kraftsensible Komponente 222 eine Verformung und/oder Dehnung erfahren, die im Vergleich zur Verformung und/oder Dehnung der kraftsensiblen Komponente 212 signifikant reduziert ist. Somit wirkt die kompatible Schicht 202 als Dehnungssicherung zwischen den beiden kraftsensiblen Komponenten 212, 222.
Zusätzlich kann die kompatible Schicht 202 die Temperatur zwischen einer kraftsensiblen Komponente 212 und einer entsprechenden kraftsensiblen Komponente 222, die innerhalb des Arrays ähnlich positioniert ist, normalisieren. Insbesondere kann die kompatible Schicht 202 Wärme zwischen den kraftsensiblen Komponenten 212, 222 leiten, sodass sich eine im Wesentlichen gleichmäßige Temperaturverteilung zwischen entsprechenden oberen und unteren Komponenten ergibt. Bei einigen Implementierungen können die Temperatur der kraftsensiblen Komponente 212 und die Temperatur der kraftsensiblen Komponente 222 im Wesentlichen gleich sein.
In einigen Fällen erleichtern sowohl die thermische Leitfähigkeit als auch die mechanische Nachgiebigkeit der kompatiblen Schicht 202 Messungen, die eine Dehnungssensorverschiebung reduzieren oder eliminieren können, die sich entweder örtlich oder global über die Struktur aus einer Temperaturänderung ergibt. Insbesondere kann die Messung einer relativen Änderung des elektrischen Ansprechverhaltens der kraftsensiblen Komponenten auf beiden Seiten der kompatiblen Schicht 202 verwendet werden, um Temperaturschwankungen des Sensors zu kompensieren. Beispielsweise können die erste und die zweite kraftsensible Komponente 212, 222 bei einer Ausführungsform eine Änderung des Widerstands als Reaktion auf eine Änderung der Dehnung und/oder der Temperatur hervorrufen. Die relative Änderung des elektrischen Ansprechverhaltens kann unter Verwendung einer Spannungsteiler-Schaltkonfiguration gemessen werden. Beispielsweise können die erste und die zweite kraftsensible Komponente 212, 222 in einer Spannungsteilerkonfiguration als resistive Elemente angeschlossen sein. In einigen Fällen kann die kraftsensible Komponente 212 als an Masse angeschlossener Widerstand R_ground des Spannungsteilers dienen, und die kraftsensible Komponente 222 kann als spannungsbezogener Widerstand R_supply des Spannungsteilers dienen. Die Spannung an Mittelpunkt der kraftsensiblen Komponente 212 und der kraftsensiblen Komponente 222 kann durch Multiplizieren der Versorgungsspannung V_supply mit dem Verhältnis des massebezogenen Widerstands zum Gesamtwiderstand (d. h. spannungsbezogener Widerstand summiert mit dem massebezogenen Widerstand) berechnet werden. Beispielsweise lässt sich die Spannung am Mittelpunkt des Spannungsteilers V_out bei einem vereinfachten Beispiel unter Verwendung der folgenden Gleichung finden: $V_{o u t} = V_{s u p p l y} (\frac{R_{g r o u n d}}{R_{g r o u n d} + R_{s u p p l y}}) .$
Durch den Umstand, dass sich der Widerstand der resistiven Elemente R_ground und R_supply (oder der kraftsensiblen Komponente 212 bzw. der kraftsensiblen Komponente 222) als Reaktion auf die Kraft und als Reaktion auf die Temperatur ändert, kann der Widerstand jedes der Elemente sowohl in Abhängigkeit von der Kraft (d. h. Dehnung) als auch in Abhängigkeit von der Temperatur bei einem vereinfachten Beispiel unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet werden: $R_{m e a s u r e d} ≅ R_{b a s e l i n e} (1 + α \cdot (T_{a c t u a l} - T_{b a s e l i n e}) (1 + g \cdot ε_{a p p l i e d}),$
wobei R_baseline ein Basis-Referenzwiderstand ist, α der Temperaturkoeffizient des Widerstands ist, g der Dehnungskoeffizient des Widerstands ist und ε_applied die Dehnkraft ist, mit der die Struktur beaufschlagt wird. Die durch Gleichung 2 beschriebene Annäherung zeigt, dass der Basis-Widerstand R_baseline sowohl von R_ground als auch von R_supply sowohl durch die Temperatur als auch durch die Dehnkraft, mit der das Material beaufschlagt wird, verändert werden kann. In einigen Fällen lässt sich eine Annäherung an die Temperaturänderung erzielen durch das Produkt des Temperaturkoeffizienten des Widerstands α des für die kraftsensible Komponente ausgewählten Materials und der Ist-Temperatur T_actual des Elements. Auf ähnliche Weise lässt sich eine Annäherung an den Dehnungseffekt durch das Produkt des Dehnungskoeffizienten des Widerstands g und der Dehnkraft ε_applied, mit der das Element beaufschlagt wird, erreichen.
Durch die Kombination von Gleichung 2 und Gleichung 1 und die Eingabe der bekannten Größen V_supply, R_baseline, α, und g und der gemessenen Größen V_out sind die Dehnkraft, mit der jedes Element ε₂₁₂ und ε₂₂₂ beaufschlagt wird, und die Ist-Temperatur jedes Elements T₂₁₂ und T₂₂₂ die einzigen verbleibenden unbekannten Variablen, die sich weiter vereinfachen lassen als Differenz der Dehnung Δε zwischen den kraftsensiblen Komponenten 212, 222 und Differenz der Temperatur ΔT zwischen den kraftsensiblen Komponenten 212, 222.
Bei einigen Implementierungen führt die thermische Leitfähigkeit der kompatiblen Schicht 240 zu einer im Wesentlichen gleichmäßigen Temperatur zwischen gegenüberliegenden kraftsensiblen Komponenten 212, 222. Somit kann die Temperaturdifferenz ΔT in einigen Fällen näherungsweise funktionell als Null angenommen werden. Weiter kann, da die Nachgiebigkeit der kompatiblen Schicht 240 die durch die kraftsensible Komponente 222 erfahrene Dehnung wesentlich reduziert, die Dehnkraft ε₂₂₂ in einigen Fällen näherungsweise funktionell mit Null angenommen werden. Auf diese Weise ist die einzige verbleibende Unbekannte die Dehnkraft ε₂₁₂, die von der kraftsensiblen Komponente 212 erfahren wird. Dementsprechend kann ε₂₁₂ unter Verwendung eines Algorithmus oder einer Schaltung entsprechend den weiter oben erörterten Beziehungen berechnet werden und zum Berechnen einer Messung oder Schätzung der Kraft eingesetzt werden. Wie weiter oben erörtert, kann die Messung oder Schätzung der Kraft als Benutzereingabe für die elektronische Vorrichtung verwendet werden.
3A zeigt eine vergrößerte, detaillierte Seitenansicht der beispielhaften kraftsensiblen Struktur aus 2B. Entsprechend der Darstellung in 3A ist eine kraftsensible Komponente 212 entlang einer unteren Fläche des ersten Substrats 210 angeordnet, dass selbst an einer unteren Fläche einer Kraft aufnehmenden Schicht 240 haftet oder anderweitig daran befestigt ist. Gegenüber der ersten kraftsensiblen Komponente 212 ist eine zweite kraftsensible Komponente 222, die an einem zweiten Substrat 210 haftet. Zwischen den kraftsensiblen Komponenten 212, 212 ist eine kompatible Schicht 202 positioniert. Wenn eine Kraft F empfangen wird, können die Kraft aufnehmende Schicht 240, das erste Substrat 210 und die kraftsensible Komponente 212 sich mindestens teilweise entsprechend der Darstellung beispielsweise in 3B biegen. Infolge der Nachgiebigkeit der kompatiblen Schicht 202 biegt sich die kraftsensible Komponente 222 möglicherweise nicht als Reaktion auf die Kraft F. In einigen Fällen kann sich die kraftsensible Komponente 222 infolge der Nachgiebigkeit der kompatiblen Schicht 202 biegen, jedoch in einem geringeren Ausmaß als die kraftsensible Komponente 212.
Bei einigen Ausführungsformen ist die Verformung der kraftsensiblen Komponente 222 ungefähr gleich der Verformung der kraftsensiblen Komponente 212. Infolge des Vorliegens der kompatiblen Schicht 202 wird jedoch ein Teil der Dehn- und/oder Schubkräfte, die durch die Kraft F bewirkt und durch die kraftsensible Komponente 212 erfahren werden, möglicherweise nicht auf die untere kraftsensible Komponente 222 übertragen.
4 zeigt eine Draufsicht auf ein alternatives Beispiel einer kraftsensiblen Struktur 400, die zwei Schichten mit quer zueinander verlaufenden Elementen einschließt. Entsprechend der Darstellung in 4 schließt jede Schicht mehrere optisch transparente, kraftsensible Komponenten 412, 422 ein, die in einem linearen Array oder Muster angeordnet sind. Eine der Schichten kann als eine Anzahl von Zeilen angeordnet sein, während die andere als eine Anzahl von Spalten angeordnet ist. Wie mit Bezug auf 2A erwähnt, werden andere geeignete Konfigurationen kraftsensibler Komponenten berücksichtigt. Beispielsweise kann der Winkel zwischen den kraftsensiblen Komponenten 412, 422 im Wesentlichen entsprechend der Darstellung in 4 senkrecht sein. Bei einigen Ausführungsformen kann der Winkel unterschiedlich sein, oder die kraftsensiblen Komponenten 412, 422 können im Wesentlichen ausgerichtet sein.
5A zeigt eine Seitenansicht eines Abschnitts einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer kraftsensiblen Struktur einer Vorrichtung entlang des Abschnitts A-A aus 1. Entsprechend der Darstellung in diesem Querschnitt kann ein erstes Substrat 510 unterhalb einer Kraft aufnehmenden Schicht 540 angeordnet sein. Die Kraft aufnehmende Schicht 540 kann der Abdeckung 106 entsprechen, die in 1 dargestellt ist, oder sie kann unterhalb der Abdeckung 106 aus 1 liegen. Entsprechend der Darstellung in 5A schließt das erste Substrat 510 eine Vielzahl individueller, kraftsensibler Komponenten 512 ein. Die individuellen, kraftsensiblen Komponenten 512 können aus einem piezoresistiven oder anderen dehnungssensiblen Material hergestellt sein. Beispielsweise können die kraftsensiblen Komponenten 512 aus Silicium, Germanium oder Indium-Zinnoxid hergestellt sein.
Die Kraft aufnehmende Schicht 540 kann aus einem Material wie Glas, Polycarbonat oder einem ähnlichen, transparenten Substrat gebildet sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die Kraft aufnehmende Schicht 540 als Schicht innerhalb eines Display-Stacks integriert sein. In einigen Fällen ist die Kraft aufnehmende Schicht 540 die Abdeckung (Glas) eines Display-Stacks. Die Kraft aufnehmende Schicht 540 kann aus einem Material mit hohen Dehnungsübertragungseigenschaften hergestellt sein. Beispielsweise kann die Kraft aufnehmende Schicht 540 aus einem harten oder anderweitig starren Material hergestellt sein, wie zum Beispiel Glas oder Kunststoff, sodass eine ausgeübte Kraft effektiv durch die Kraft aufnehmende Schicht 540 auf die unterhalb angeordneten Schichten übertragen werden kann. Die Kraft aufnehmende Schicht 540 kann auch konfiguriert sein, um sich als Reaktion auf eine Kraft zu biegen, mit der die Kraft aufnehmende Schicht 540 beaufschlagt wird.
Unterhalb der Kraft aufnehmenden Schicht 540, des ersten Substrats 510 und der Vielzahl individueller, kraftsensibler Komponenten 512 ist eine kompatible Schicht 502. Die kompatible Schicht 502 kann aus einer beliebigen Anzahl geeigneter, kompatibler Materialien hergestellt sein. Beispielsweise kann bei einigen Ausführungsformen ein Elastomer mit geringer Eindruckhärte verwendet werden (bei einem Beispiel kann das Elastomer eine Eindruckhärte von weniger als 25 Shore haben). Bei einigen Beispielen kann die kompatible Schicht aus einem optisch klaren Haftmittel mit geringem Modul, einem optisch klaren flüssigen Haftmittel, einem Siliciummaterial, einem Harzmaterial oder einem Gelmaterial hergestellt sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die kompatible Schicht 502 mit einer Dicke gebildet sein, die eingerichtet ist, um einen bestimmten Bereich von Kräften zu absorbieren, mit denen eine Kraft aufnehmende Schicht beaufschlagt wird. Bei einigen Ausführungsformen kann die Dicke der kompatiblen Schicht 502 auch von einer oder mehreren Überlegungen abhängig sein, einschließlich beispielsweise Elastizität, thermischer Leitfähigkeit, elektrischer Leitfähigkeit, elektrischer Isolierung oder anderen elektrischen, thermischen oder mechanischen Eigenschaften.
Unterhalb der kompatiblen Schicht 502 und piezoresistiver, kraftsensibler Komponenten 512 kann eine Vielzahl individueller, kraftsensibler Komponenten 522 auf einem zweiten Substrat 520 positioniert sein. Die individuellen, kraftsensiblen Komponenten 522 können aus einem dehnungssensiblen Material hergestellt sein. Bei einer derartigen Ausführungsform können die kraftsensiblen Komponenten 512 des ersten Substrats 510 aus einem von den kraftsensiblen Komponenten 522 des zweiten Substrats unterschiedlichen Material hergestellt sein.
Die kraftsensiblen Komponenten 512, 522 können operativ mit der Abtastschaltung 505 verbunden sein, die konfiguriert ist, um Änderungen bei einer elektrischen Eigenschaft oder dem elektrischen Ansprechverhalten von jeder der kraftsensiblen Komponenten 512, 522 zu erkennen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Abtastschaltung 505 eingerichtet sein, um Änderungen beim Widerstand der kraftsensiblen Komponenten 515, 522 beispielsweise durch einen Spannungsteiler (d. h. Halbbrücke) zu erkennen.
Bei einigen Ausführungsformen kann ein piezoresistives Element von kraftsensiblen Komponenten 512, 522 pyroelektrischen Effekten unterliegen, wie zum Beispiel bei Änderungen der Temperatur des Sensors, der Vorrichtung oder der Umgebung. Dementsprechend können sich die elektrischen Eigenschaften (zum Beispiel Widerstand) der kraftsensiblen Komponenten 512, 522 bei Temperaturschwankungen ändern. Bei einigen Beispielen können die elektrischen Eigenschaften oder das elektrische Ansprechverhalten von kraftsensiblen Komponenten 512, 522, die sich mit der Temperatur ändern, auch durch den Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) beeinflusst werden. Somit können die elektrischen Eigenschaften der kraftsensiblen Komponenten 512, 522 in einigen Fällen ausgedrückt werden als Modell der Summe des pyroelektrischen Effekts, des CTE-Effekts und des Effekts von Dehnung infolge einer durch einen Benutzer beaufschlagten Kraft. Bei einigen Ausführungsformen können sich die elektrischen Eigenschaften oder das elektrische Ansprechverhalten der kraftsensiblen Komponenten 512, 522 mit der Temperatur sowie als Reaktion auf die Kraft einer Berührung ändern. Beispielsweise können sich elektrische Eigenschaften oder das Ansprechverhalten der kraftsensiblen Komponenten 512, 522 infolge von Änderungen der physischen Abmessungen der kraftsensiblen Komponenten 512, 522 ändern, die durch Temperaturschwankungen bewirkt sind (zum Beispiel Ausdehnung oder Zusammenziehen der kraftsensiblen Komponenten 512, 522 durch Wärmeausdehnung). Zusätzlich können sich die elektrischen Eigenschaften oder das Ansprechverhalten der kraftsensiblen Komponenten 512, 522 infolge von Temperaturschwankungen aufgrund einer Pyroelektrizität oder eines pyroelektrischen Effekts ändern. Somit kann die direkt von den kraftsensiblen Komponenten 512, 522 gemessene Dehnung bei einem Beispiel als Summe der folgenden drei Komponenten näherungsweise bestimmt werden: $ε_{m e a s u r e d} ≅ ε_{u s e r} + ε_{p y r o} + ε_{C T E} .$
wobei ε_measured die Messung oder Schätzung der Dehnung ist, ε_user die Dehnung durch die Kraft der Berührung ist, ε_pyro die Dehnung durch den pyroelektrischen Effekt ist und ε_CTE die Dehnung durch den Wärmeausdehnungskoeffizienten ist. In einigen Fällen reduziert, löscht, eliminiert oder kompensiert eine Messung oder Schätzung der durch den Benutzer beaufschlagten Kraft anderweitig den pyroelektrischen Effekt und/oder den CTE-Effekt.
Auf ähnliche Weise kann bei einigen Ausführungsformen das dehnungssensible Material der kraftsensiblen Komponenten 522 Änderungen beim Widerstand infolge von Temperaturänderungen unterliegen. Derartige Änderungen können als Änderungen bezeichnet werden, die sich aus dem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands (TCR) des für die kraftsensiblen Komponenten 522 ausgewählten Materials ergeben. Auf ähnliche Weise kann der CTE die kraftsensiblen Komponenten 522 veranlassen, sich als Reaktion auf die Temperatur und den Effekt einer Dehnung infolge einer durch den Benutzer beaufschlagten Kraft physisch auszudehnen oder zusammenzuziehen. Auf diese Weise kann sich der Widerstand der kraftsensiblen Komponenten 522 direkt mit der Temperatur ändern, die physischen Abmessungen der kraftsensiblen Komponenten 522 (und damit der Widerstand) können sich mit der Temperatur ändern (zum Beispiel durch Ausdehnen oder Zusammenziehen der kraftsensiblen Komponenten 522), und die Dimensionen der kraftsensiblen Komponenten 522 können sich als Reaktion auf durch einen Benutzer beaufschlagte Kräfte ändern. Somit kann die in Abhängigkeit vom Widerstand der kraftsensiblen Komponenten 512 gemessene Dehnung bei einem Beispiel als Summe von drei Komponenten näherungsweise bestimmt werden: $ε_{m e a s u r e d} ≅ ε_{u s e r} + ε_{T C R} + ε_{C T E}$
wobei ε_measured die Messung oder Schätzung der Dehnung ist, e"._"" die Dehnung durch die Kraft der Berührung ist, ε_TCR die Dehnung durch den Temperaturkoeffizienten des Widerstands ist und ε_CTE die Dehnung durch den Wärmeausdehnungskoeffizienten ist. In einigen Fällen reduziert, löscht, eliminiert oder kompensiert eine Messung oder Schätzung der durch den Benutzer beaufschlagten Kraft anderweitig den TCR-Effekt und/oder den CTE-Effekt.
Bei einigen Ausführungsformen können der TCR-Effekt oder der pyroelektrische Effekt oder beide Effekte um mehrere Größenordnungen größer sein als alle Dehnungsänderungen infolge einer vom Benutzer beaufschlagten Kraft. Trotz der Differenzen beim Maßstab kann die beaufschlagte Kraft jedoch, da die Eigenschaften beider Materialien bekannt sind, berechnet werden, weil Temperatur und beaufschlagte Kraft die einzigen unbekannten Variablen sind (zum Beispiel unter Verwendung der Gleichungen 1 und 2). Das heißt, dass Temperaturschwankungen beide Gruppen kraftsensibler Komponenten 512, 522 in einem im Wesentlichen ähnlichen Ausmaß beeinflussen können, während infolge der Kraft durch eine Berührung erfahrene Dehnung aufgrund der kompatiblen Schicht 512 abweichen kann und unter Verwendung der weiter oben erörterten Gleichungen 1 und 2 berechnet oder geschätzt werden kann. Somit kann eine Messung oder Schätzung der Kraft einer Berührung verschiedene Temperatureffekte reduzieren, löschen, eliminieren oder anderweitig kompensieren, einschließlich beispielsweise des pyroelektrischen Effekts, des TCR-Effekts und/oder des CTE-Effekts.
5B zeigt eine Seitenansicht eines Abschnitts einer beispielhaften Ausführungsform einer kraftsensiblen Struktur einer Vorrichtung entlang des Abschnitts A-A aus 1. Wie in 5A kann eine Vielzahl kraftsensibler Komponenten 512 unterhalb eines Substrats 510 angeordnet sein, das eine Kraft von einer Kraft aufnehmenden Schicht 540 empfangen kann. Die Abtastschaltung 505 kann eingerichtet sein, um eine Änderung bei einer elektrischen Eigenschaft der kraftsensiblen Komponenten 512 entsprechend der vorstehenden Erörterung zu messen. Die Abtastschaltung 505 kann auch mit einem Temperatursensor 524 gekoppelt sein. Der Temperatursensor 524 kann mit den kraftsensiblen Komponenten 512 thermisch gekoppelt sein. Beispielsweise kann der Temperatursensor 524 bei einer Ausführungsform innerhalb des Substrats 510 eingeschlossen sein. Bei einem anderen Beispiel kann der Temperatursensor unterhalb der kraftsensiblen Komponenten 512 oder an anderer Stelle innerhalb des Stacks eingeschlossen sein. Die durch den Temperatursensor 524 bereitgestellte Temperaturmessung kann verwendet werden, um einen Kompensationsfaktor zu berechnen, der auf die Dehnungsmessung der kraftsensiblen Komponenten 512 angewandt werden kann. Auf diese Weise können Temperatureffekte kompensiert werden, und die temperaturbedingte Dehnung infolge einer Benutzereingabe kann akkurat gemessen werden.
Bei einigen Ausführungsformen können die kraftsensiblen Komponenten 512 auch als Abschnitte eines kapazitiven Touchscreens dienen. Beispielsweise können die kraftsensiblen Komponenten 512 in einem ersten Modus betrieben werden, um auf der Kraft aufnehmenden Schicht beaufschlagte Kraft zu messen. In einem zweiten Modus können die kraftsensiblen Komponenten 512 jedoch als kapazitiver Sensor arbeiten, der eingerichtet ist, um eine Bildschirmberührung durch einen Benutzer zu erkennen. Obwohl die kraftsensiblen Komponenten 512 in der Darstellung so ausgerichtet sind, dass sie von der unteren Fläche der Kraft aufnehmenden Schicht 540 weg weisen, versteht es sich, dass alternative Ausführungsformen berücksichtigt sind. Beispielsweise können die kraftsensiblen Komponenten 512 bei einer Ausführungsform so ausgerichtet sein, dass sie auf die untere Fläche der Kraft aufnehmenden Schicht 540 weisen.
5C zeigt eine Seitenansicht eines Abschnitts einer beispielhaften Ausführungsform einer kraftsensiblen Struktur einer Vorrichtung entlang des Abschnitts A-A aus 1. Wie in 5A kann eine Vielzahl kraftsensibler Komponenten 512 unterhalb eines ersten Substrats 510 angeordnet sein, das eine Kraft von einer Kraft aufnehmenden Schicht 540 empfangen kann. Darunter kann eine erste Zwischenschicht 502 sein, die oberhalb eines zweiten Substrats 520 positioniert ist, das selbst eine Vielzahl kraftsensibler Komponenten 522 einschließen kann, die darauf angeordnet sind. Unter dem zweiten Substrat kann eine zweite Zwischenschicht 502 positioniert sein. Unter der zweiten kompatiblen Schicht 502 kann ein drittes Substrat 530 angeordnet sein. Das dritte Substrat 530 kann eine Vielzahl kraftsensibler Komponenten 532 einschließen. Obwohl drei Schichten von Substraten gezeigt sind, können bestimmte Ausführungsformen weitere Schichten einschließen. Bei vielen Ausführungsformen können eine oder mehrere der Zwischenschichten 502 aus einem kompatiblen Material hergestellt sein.
Bei Ausführungsformen mit dieser Konfiguration oder verwandten Schichtkonfigurationen kann die Temperatur kompensiert werden, in dem der Temperaturgradient zwischen der ersten, der zweiten und der dritten Schicht bestimmt wird. Wenn beispielsweise ein Benutzer eine Kraft beaufschlagt, kann an jeder der drei Schichten eine Dehnung gemessen werden. Wie weiter oben erläutert, kann die gemessene Dehnung unerwünschte Temperatureffekte einschließen. Dementsprechend kann die Temperatur durch Messen der Differenz zwischen den gemessenen Dehnungen der ersten, der zweiten und der dritten Schicht abgeleitet und kompensiert werden.
5D zeigt eine Seitenansicht eines Abschnitts einer beispielhaften Ausführungsform einer kraftsensiblen Struktur einer Vorrichtung entlang des Abschnitts A-A aus 1. Wie in 5A kann eine Vielzahl kraftsensibler Komponenten 512 unterhalb eines ersten Substrats 510 angeordnet sein, das durch eine thermische Trennschicht 526 eine Kraft von einer Kraft aufnehmenden Schicht 540 empfangen kann. Die thermische Trennschicht 526 kann eingerichtet sein, um mechanische Kraft von der Kraft aufnehmenden Schicht 540 ohne Wärmeübertragung zum ersten Substrat 510 nach unten zu versetzen. Entsprechend der Darstellung kann die thermische Trennschicht einen Luftspalt zwischen der unteren Fläche der Kraft aufnehmenden Schicht 540 und dem ersten Substrat 510 schaffen. Auf diese Weise können die Temperatur des ersten und des zweiten Substrats 510, 520 und die entsprechenden Schichten der kraftsensiblen Komponenten 512, 522 zumindest teilweise von den Umgebungsbedingungen isoliert werden, wodurch die Genauigkeit und Performance des Kraftsensors verbessert werden kann.
5E zeigt eine Seitenansicht eines Abschnitts einer beispielhaften Ausführungsform einer kraftsensiblen Struktur einer Vorrichtung entlang des Abschnitts A-A aus 1. Bei einer derartigen Ausführungsform schließt eine einzelne, die Dehnung erfassende Schicht eine Anzahl von Dehnungssensoren 512 ein, die unterschiedliche Dehnungs- und/oder thermische Eigenschaften an unterschiedlichen Positionen um das Substrat 510 aufweisen. Beispielsweise kann der Dehnungssensor 512a eine vom Dehnungssensor 512b abweichende Geometrie haben. Der Unterschied bei der Geometrie kann aus einer beliebigen Anzahl von Gründen gewählt werden. Beispielsweise kann eine größere Dehnungssensor-Geometrie für Abschnitte des Substrats 510 erforderlich sein, bei denen größere Verformungen als bei anderen Abschnitten des Substrats erwartet werden.
Bei einem Beispiel können unterschiedliche Geometrien für unterschiedliche Dehnungssensoren basierend darauf ausgewählt werden, welche elektronischen Komponenten unterhalb der kraftsensiblen Struktur angeordnet sein können, wenn die Struktur in einer elektronischen Vorrichtung eingeschlossen ist. In anderen Fällen können unterschiedliche Geometrien für unterschiedliche erwartete Krafteingabeflächen vorliegen. Beispielsweise können bestimmte Ausführungsformen eine Kraftabtastfläche einschließen, die konzipiert ist, um sensibler zu sein als eine zweite Kraftabtastfläche. Dementsprechend kann die Geometrie von Dehnungssensoren, die in diesen beiden Flächen eingeschlossen sind, unterschiedlich sein. Auf diese Weise können unterschiedliche Regionen eines Substrats 510 unterschiedliche Dehnungssensoren 512 einschließen. Dehnungssensoren können in Geometrie, Ausrichtung, Material oder anderen Eigenschaften unterschiedlich sein.
5F zeigt eine Seitenansicht eines Abschnitts einer beispielhaften Ausführungsform einer kraftsensiblen Struktur einer Vorrichtung entlang des Abschnitts A-A aus 1. Wie in 5A kann eine Vielzahl kraftsensibler Komponenten 512 unterhalb eines ersten Substrats 510 angeordnet sein, das eine Kraft von einer Kraft aufnehmenden Schicht 540 empfangen kann. Unterhalb des ersten Substrats 510 kann eine kompatible Schicht 502 positioniert sein, unter der ein zweites Substrat 520 positioniert sein kann. Entlang einer oberen Fläche des zweiten Substrats 520 kann eine erste Vielzahl kraftsensibler Komponenten 522 ähnlich der in 2C angeordnet sein. Entlang einer oberen Fläche des zweiten Substrats 520 kann eine zweite Vielzahl kraftsensibler Komponenten 522 positioniert sein. Bei einer derartigen Ausführungsform können die kraftsensiblen Komponenten 512 in Zusammenhang mit der ersten Vielzahl kraftsensibler Komponenten 522 auf die Weise gemessen werden, die im Wesentlichen mit Bezug auf 2C beschrieben ist. Beispielsweise kann die Messung bei bestimmten Ausführungsformen durch eine Halbbrücke erfolgen.
Dabei oder daran anschließend kann die Differenz zwischen der ersten Vielzahl kraftsensibler Komponenten 522 gegen die zweite Vielzahl kraftsensibler Komponenten 522 gemessen werden. Diese können beispielsweise unter Verwendung einer Halbbrücke oder alternativ dazu mit einer Viertelbrücke gemessen werden (d. h. dass die zweite Vielzahl kraftsensibler Komponenten 522 unabhängig von der ersten Vielzahl gemessen wird). Auf diese Weise können Temperatureffekte kompensiert werden, und die Dehnung infolge einer Krafteingabe durch einen Benutzer kann gemessen werden.
5G zeigt eine Seitenansicht eines Abschnitts einer beispielhaften kraftsensiblen Struktur einer Vorrichtung entlang des Abschnitts A-A aus 1. Wie in 5A kann eine Vielzahl kraftsensibler Komponenten 512 unterhalb einer Kraft aufnehmenden Schicht 540 angeordnet sein. Bei einer derartigen Ausführungsform kann die Kraft aufnehmende Schicht eine Abdeckung (zum Beispiel Deckglas) sein, die einem Display-Stack einer tragbaren, elektronischen Vorrichtung zugeordnet ist. Unterhalb der Abdeckung kann eine kompatible Schicht 502 angeordnet sein, unter der ein zweites Substrat 520 positioniert sein kann. Bei einer derartigen Ausführungsform kann die kompatible Schicht 502 eine dem Display-Stack zugeordnete Flüssigkristallschicht sein. Entlang des Substrats 520 kann eine Vielzahl kraftsensibler Komponenten positioniert sein. Bei einer derartigen Ausführungsform kann das Substrat eine dem Display-Stack zugeordnete Dünnfilmtransistor-Schicht sein. Auf diese Weise kann eine kraftsensible Struktur direkt in einen Display-Stack für eine tragbare, elektronische Vorrichtung integriert sein.
5H zeigt eine Seitenansicht eines Abschnitts einer beispielhaften Ausführungsform einer kraftsensiblen Struktur einer Vorrichtung entlang des Abschnitts A-A aus 1. Mit Bezug auf 5G kann eine Vielzahl kraftsensibler Komponenten 512 oberhalb einer Kraft aufnehmenden Schicht 540 angeordnet sein, die das einem Display-Stack zugeordnete Deckglas sein kann. Unterhalb des ersten Substrats 510 kann eine kompatible Schicht 502 positioniert sein, die eine mit dem Display-Stack assoziierte Flüssigkristallschicht sein kann. Unterhalb des ersten Substrats 502 kann ein Substrat 520 sein, das eine mit dem Display-Stack assoziierte Dünnfilmtransistor-Schicht sein kann. Entlang einer unteren Fläche der Dünnfilmtransistor-Schicht kann eine Vielzahl kraftsensibler Komponenten 512 sein. Auf diese Weise kann eine kraftsensible Struktur direkt in einen Display-Stack für eine tragbare, elektronische Vorrichtung integriert sein.
5I zeigt eine Seitenansicht eines Abschnitts einer beispielhaften Ausführungsform einer kraftsensiblen Struktur einer Vorrichtung entlang des Abschnitts A-A aus 1. Bei einer derartigen Ausführungsform kann die Abtastschaltung 505 Differenzen zwischen einer kraftsensiblen Komponente 512 und einer kraftsensiblen Komponente 522 messen, die nicht vertikal ausgerichtet sind. Auf diese Weise kann die Abtastschaltung progressiv eine einzelne kraftsensible Komponente 512 gegen eine Anzahl kraftsensibler Komponenten 522 abtasten.
6A bis 6C zeigen eine detaillierte Draufsicht auf verschiedene optisch transparente, serpentinenförmige Geometrien für eine kraftsensible Komponente, die in der beispielhaften kraftsensiblen Struktur aus 2A eingesetzt werden kann.
Beispielsweise kann die kraftsensible Komponente 612 mindestens zwei Elektroden 612a, 612b zur Verbindung mit einer Abtastschaltung einschließen, oder die kraftsensible Komponente 212 kann in anderen Fällen ohne Verwendung von Elektroden mit Abtastschaltung elektrisch verbunden sein. Beispielsweise kann die kraftsensible Komponente 212 unter Verwendung von Leiterbahnen, die als Teil der Komponentenschicht ausgebildet sind, mit der Abtastschaltung verbunden sein.
6A zeigt eine Draufsicht auf eine schlangenförmige Geometrie, die entlang der Y-Achse dehnungssensibel ist. Auf diese Weise kann die kraftsensible Komponente 612, wenn die kraftsensible Komponente 612 in der X-Achsenrichtung gedehnt wird, möglicherweise keinen wesentlichen Zug erfahren. Wenn die kraftsensible Komponente 612 in der Y-Achsenrichtung gedehnt wird, kann dagegen eine Dehnung erkannt und gemessen werden. Es ist ersichtlich, dass Winkeldehnung (zum Beispiel Dehnung entlang eines 45 Grad-Pfades) die kraftsensible Komponente 612 in einem Ausmaß dehnen kann, das zur Vektorkomponente der Dehnung entlang der Y-Achse proportional oder gleich dieser ist. In ähnlicher Weise zeigt 6B eine Draufsicht auf eine schlangenförmige Geometrie, die entlang der X-Achse dehnungssensibel ist, und die möglicherweise entlang der Y-Achse nicht besonders dehnungssensibel ist. 6C zeigt eine Draufsicht auf eine schlangenförmige Geometrie, die entlang der X-Achse und der Y-Achse dehnungssensibel sein kann.
6D zeigt eine Draufsicht auf eine schlangenförmige Geometrie, die entlang eines 45 Grad-Winkels dehnungssensibel sein kann. Es ist ersichtlich, dass obwohl 45 Grad gezeigt sind, jeder Winkel oder jede Kombination von Winkeln eingesetzt werden kann. Beispielsweise kann eine Ausführungsform die Winkelstellung eines Dehnungssensors 612 entlang eines 80 Grad-Winkels einschließen. Eine weitere Ausführungsform kann einen Dehnungssensor mit mehreren getrennten Abschnitten ähnlich 6C einschließen, wobei ein Abschnitt 45 Grad abgewinkelt und ein anderer Abschnitt 75 Grad abgewinkelt ist. Bei vielen Ausführungsformen können der Winkel oder die Kombination von Winkeln der Ausrichtung für unterschiedliche kraftsensible Komponenten zumindest teilweise basierend auf der Position der bestimmten, kraftsensiblen Komponente entlang der Fläche einer elektronischen Vorrichtung ausgewählt werden.
Beispielsweise zeigt 7 eine Draufsicht auf eine beispielhafte, kraftsensible Struktur, die ein Raster optisch transparenter, kraftsensibler Komponenten 712 einschließt, die in einer Vielzahl von Richtungen ausgerichtet sind, um Dehnung entlang der jeweiligen Richtungen zu erkennen. Beispielsweise kann die kraftsensible Komponente 712a Bahnen aufweisen, die ausgerichtet sind, um Dehnung entlang eines 45 Grad-Winkels zu erkennen, während die kraftsensible Komponente 712b Bahnen aufweisen kann, die ausgerichtet sind, um Dehnung entlang eines 45 Grad-Winkels zu erkennen. Bei einem anderen Beispiel kann die kraftsensible Komponente 712c für die Erkennung entlang eines beliebigen Winkels zwischen 0 und 45 Grad eingerichtet sein.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Ausrichtung der Abtastelemente oder Bahnen der kraftsensiblen Komponenten der Position der kraftsensiblen Komponente relativ zum Gehäuse einer elektronischen Vorrichtung entsprechen. Die Ausrichtung der Dehnungssensibilität kann konfiguriert sein, um beispielsweise der vorhergesagten Dehnung infolge der Grenzbedingungen oder Einschränkungen des Kraftsensors zu entsprechen. Beispielsweise kann eine kraftsensible Komponente, die in der Nähe der Kante eines Bildschirms innerhalb eines Display-Stacks positioniert ist, in Bezug auf eine kraftsensible Komponente, die in der Mitte des Displays positioniert ist, unterschiedlich ausgerichtet sein. In einigen Ausführungsformen entsprechend der Darstellung in 7 ist die Ausrichtung der kraftsensiblen Komponenten ungefähr senkrecht zu einer Kante des Kraftsensors.
In einigen Ausführungsformen entsprechend der Darstellung in 7 kann das Raster aus einem Array von Komponenten gebildet sein, das eine Untergruppe kraftsensibler Randkomponenten 712c einschließt, die entlang eines Randes des ersten Arrays positioniert sind. In einigen Fällen sind die kraftsensiblen Randkomponenten 712c aus Bahnen gebildet, die entlang einer zum Rand im Wesentlichen senkrechten Richtung ausgerichtet sind. Entsprechend der Darstellung in 7 kann das Array kraftsensibler Komponenten eine Untergruppe kraftsensibler Eckkomponenten 712a, 712b einschließen, die an Ecken des Arrays oder Rasters entlang positioniert sind. In einigen Fällen sind die kraftsensiblen Eckkomponenten 712a, 712b aus Bahnen gebildet, die entlang einer diagonalen Richtung ausgerichtet sind.
8 zeigt ein vereinfachtes Signal-Ablaufdiagramm eines temperaturkompensierenden und optisch transparenten Kraftsensors in Form einer Wheatstone-Brücke. Bei einigen Ausführungsformen kann eine Spannung Vg über dem Ausgang der beiden parallelen Spannungsteiler gemessen werden, die mit einer Spannungsversorgung Vs verbunden sind. Einer der Spannungsteiler kann zwei Widerstände mit bekanntem Widerstand R₃, R₄ einschließen, und der andere Spannungsteiler kann zwei variable Widerstände einschließen, die in diesem Beispiel den variablen Kraft- und Temperaturwiderstand der kraftsensiblen Komponenten 212, 222 entsprechend der Darstellung beispielsweise in 2A-3 wiedergeben. Durch Einsetzen beispielsweise der weiter oben beschriebenen Gleichung 2 in Gleichung 1 und nach Eingabe der bekannten Größen V_supply (Vs.), R_baseline, a, g, R₃ und R₄ und der gemessenen Größe V_out (Vg.) wird die Dehnkraft ε₂₁₂, mit der das kraftsensible Element 212 beaufschlagt wird, zur einzigen verbleibenden Unbekannten.
Dementsprechend kann die Dehnung infolge der Kraft der Berührung berechnet oder geschätzt und zum Schätzen der Kraft auf der Fläche der Vorrichtung verwendet werden.
9 ist ein Prozess-Ablaufdiagramm mit der Darstellung beispielhafter Vorgänge eines Prozesses 900 zur Herstellung eines temperaturkompensierenden und optisch transparenten Kraftsensors. Der Prozess 900 kann verwendet werden, um eine oder mehrere der vorstehend mit Bezug auf 2-5 beschriebenen Sensor-Ausführungsformen zu konstruieren oder herzustellen. Insbesondere kann der Prozess 900 verwendet werden, um einen Kraftsensor mit einer kompatiblen Schicht zu konstruieren, der zum Messen der Kraft einer Berührung und zum Kompensieren von Temperaturschwankungen eingesetzt werden kann.
Im Vorgang 902 kann ein erstes Substrat ausgewählt oder erhalten werden. Wie weiter oben erörtert, kann ein Substrat aus einem optisch transparenten und im Wesentlichen starren Material gebildet sein. Übereinstimmend mit hierin beschriebenen Ausführungsformen ist das Substrat insofern starr, als es bei Beaufschlagung einer Kraft nicht komprimierbar ist. Das Substrat ist jedoch flexibel, und es ist konfiguriert, um sich als Reaktion auf eine Kraft zu verformen oder zu biegen, mit der eine Fläche der Vorrichtung beaufschlagt wird, in der der Kraftsensor installiert oder anderweitig integriert ist. Potenzielle Substratmaterialien schließen beispielsweise Glas oder transparente Polymere ein, wie zum Beispiel Polyethylenterephthalat (PET) oder Cyclo-Olefin-Polymer (COP).
Beim Vorgang 904 wird eine transparente, kraftsensible Struktur auf eine Fläche des ersten Substrats angewandt. Bei einigen Ausführungsformen ist die transparente, kraftsensible Struktur ein piezoresistives oder dehnungssensibles Material, das relativ zu einer Fläche des ersten Substrats aufgetragen, ausgebildet, angebracht oder anderweitig befestigt wird. In einigen Fällen ist die kraftsensible Struktur aus einem transparenten, leitfähigen Material gebildet. Beispielhafte transparente, leitfähige Materialien schließen Polyethylendioxythiophen (PEDOT) ein, sowie Indium-Zinnoxid (ITO), Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, piezoresistive Halbleitermaterialien und piezoresistive Metallmaterialien, Silbernanodraht, andere metallische Nanodrähte und Ähnliches. Die transparenten, kraftsensiblen Strukturen können als Blatt aufgetragen werden, oder sie können in einem Array auf der Fläche des ersten Substrats strukturiert sein.
Im Vorgang 906 wird ein zweites Substrat ausgewählt oder erhalten. Das zweite Substrat kann im Wesentlichen ähnlich dem Substrat sein, das mit Bezug auf den weiter oben beschriebenen Vorgang 902 ausgewählt oder erhalten wurde. Bei einigen Ausführungsformen kann das zweite Substrat weniger flexibel als das erste Substrat sein. Insbesondere ist es bei einigen Ausführungsformen nicht erforderlich, dass sich das zweite Substrat als Reaktion auf die Kraft einer Berührung auf der Vorrichtung verformt oder biegt.
Beim Vorgang 908 wird eine transparente, kraftsensible Struktur auf eine Fläche des zweiten Substrats angewandt. Der Vorgang 908 ist im Wesentlichen ähnlich dem Vorgang 904. Bei einigen Ausführungsformen sind die transparenten, kraftsensiblen Strukturen auf einer Fläche des zweiten Substrats angeordnet, die zum ersten Substrat weist, wenn die Schichten kombiniert oder in die endgültige Sensorkonfiguration zusammengesetzt werden.
Im Vorgang 910 ist eine kompatible Schicht zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat angeordnet. Bei einigen Ausführungsformen ist die kompatible Schicht aus einer oder mehreren Schicht(en) eines optisch klaren Haftmittels gebildet. Beispielsweise können mehrere Schichten eines optisch klaren Haftmittelfilms zusammen gestapelt oder laminiert werden, um die kompatible Schicht zu bilden. Bei einigen Ausführungsformen ist die kompatible Schicht in flüssiger oder Gelform, und sie kann injiziert oder anderweitig zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat angeordnet werden. Bei einigen Ausführungsformen schließt der Vorgang 910 einen Härtungsprozess ein, bei dem die kompatible Schicht einem Härtemittel unterzogen wird und/oder im Zeitverlauf aushärten kann.
10 ist ein Prozess-Ablaufdiagramm mit der Darstellung beispielhafter Vorgänge eines Prozesses 1000 zum Betrieb eines temperaturkompensierenden Kraftsensors. Der Prozess 1000 kann beispielsweise verwendet werden, um einen oder mehrere der mit Bezug auf 2-5 weiter oben beschriebenen Kraftsensoren zu betreiben. Insbesondere kann der Prozess 1000 verwendet werden, um die Kraft einer Berührung auf einer Vorrichtung zu berechnen oder zu schätzen und Änderungen oder Effekte der Temperatur zu kompensieren.
Im Vorgang 1002 kann ein Auftreten einer Berührung durch einen Benutzer erkannt werden. Die Berührung kann beispielsweise unter Verwendung eines Berührungssensors erkannt werden. Der Berührungssensor kann beispielsweise einen eigenkapazitiven, wechselseitig kapazitiven, resistiven oder anderen Typ eines Berührungssensors einschließen. Bei einigen Ausführungsformen kann das Auftreten einer Berührung durch den Kraftsensor erkannt werden. Beispielsweise kann eine Änderung bei Dehnung oder Widerstand oder eine Änderung der Dehnung von einer oder mehreren kraftsensiblen Strukturen des Sensors zum Erkennen des Auftretens einer Berührung verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen ist der Vorgang 1002 nicht erforderlich. Beispielsweise können die anderen Vorgänge des Prozesses 1000 in sich regulär wiederholenden oder irregulären Intervallen ausgeführt werden, ohne zuerst zu bestimmen, ob eine Berührung vorliegt. Beispielsweise kann der Prozess 1000 ausgeführt und eine beaufschlagte Kraft Null berechnet oder geschätzt werden, die auf das Fehlen oder Ausbleiben einer Berührung auf der Vorrichtung zurückgehen kann.
Im Vorgang 1004 kann eine relative Messung zwischen zwei oder mehr kraftsensiblen Strukturen erhalten werden. Entsprechend der Beschreibung weiter oben beispielsweise mit Bezug auf 2A-C, 3A-B, 5A-I und 8 a kann eine relative Messung unter Verwendung eines Spannungsteilers, einer Halbbrücke, einer Vollbrücke oder einer anderen ähnlichen Schaltungskonfiguration erhalten werden. Bei einigen Ausführungsformen wird eine elektrische Messung jeder individuellen, kraftsensiblen Struktur erhalten, und die Messungen werden unter Verwendung von Software, Firmware oder einer Kombination aus Software/Firmware und Schaltungs-Hardware verglichen.
In Vorgang 1006 kann eine Kraftschätzung berechnet werden. Bei einigen Ausführungsformen kompensiert die Kraftschätzung Änderungen bei thermischen Effekten einschließlich beispielsweise eines pyroelektrischen Effekts, eines TCR-Effekts und/oder eines CTE-Effekts entsprechend der Beschreibung weiter oben mit Bezug auf die Gleichungen 3 und 4. Insbesondere kann die in Vorgang 1004 erhaltene relative Messung in Kombination mit den Gleichungen 1 und 2 zum Berechnen einer geschätzten Dehnkraft verwendet werden. Die geschätzte Dehnkraft kann anschließend verwendet werden, um beispielsweise unter Verwendung einer bekannten Korrelation zwischen der Dehnung der entsprechenden kraftsensiblen Struktur und einer beaufschlagten Kraft eine beaufschlagte Kraft abzuschätzen. Beispielsweise kann die Dehnung einer geschätzten Biegung des Substrats (und anderer relevanter Schichten des Display/Sensor-Stacks) entsprechen, die einer relativen Kraft auf einer Fläche der Vorrichtung entsprechen kann.
11 ist ein weiteres Prozess-Ablaufdiagramm mit der Darstellung beispielhafter Schritte eines Prozesses 1100 zum Betrieb eines temperaturkompensierenden Kraftsensors. Im Vorgang 1102 kann eine Position einer Berührung durch einen Benutzer identifiziert werden. Die Position einer Berührung durch einen Benutzer kann beispielsweise unter Verwendung eines eigenkapazitiven Berührungssensors, eines wechselseitig kapazitiven Berührungssensors, eines resistiven Berührungssensors und Ähnlichem bestimmt werden.
Im Vorgang 1104 a kann eine relative Messung zwischen zwei oder mehr kraftsensiblen Strukturen erhalten werden. Entsprechend der Beschreibung weiter oben beispielsweise mit Bezug auf 2A-C, 3A-B, 5A-I und 8 a kann eine relative Messung unter Verwendung eines Spannungsteilers, einer Halbbrücke, einer Vollbrücke oder einer anderen ähnlichen Schaltungskonfiguration erhalten werden. Bei einigen Ausführungsformen wird eine elektrische Messung jeder individuellen, kraftsensiblen Struktur erhalten, und die Messungen werden unter Verwendung von Software, Firmware oder einer Kombination aus Software/Firmware und Schaltungs-Hardware verglichen.
In Vorgang 1106 wird ein Kraftschwerpunkt berechnet. Beispielsweise kann die in Vorgang 1104 erhaltene relative Messung verwendet werden, um den Schwerpunkt der beaufschlagten Kraft bei 1106 näherungsweise zu bestimmen. Bei einigen Ausführungsformen kann die in Vorgang 1102 erhaltene Position der Berührung durch den Benutzer verwendet werden, um den Schwerpunkt der beaufschlagten Kraft näherungsweise zu bestimmen. Bei einigen Ausführungsformen kann der geometrische Schwerpunkt aller Berührungen eines Mehr-Berührungs-Ereignisses verwendet werden, um den Schwerpunkt der beaufschlagten Kraft näherungsweise zu bestimmen. Anschließend können die gemessene Kraft und der Kraftschwerpunkt im Vorgang 1108 zur elektronischen Vorrichtung weitergeleitet oder anderweitig übermittelt werden.
12 stellt einen beispielhaften einschichtigen Piezo-Dehnungssensor dar. Der Piezo-Film 1202 kann zwischen dem oberen Substrat 1210 und dem unteren Substrat 1220 eingelegt und über ein Haftmittel, wie zum Beispiel einem optisch klaren Haftmittel 1206, 1208, mit jedem dieser Substrate verbunden sein. Generell wird durch die Dehnkraft auf dem Piezo-Film 1202 ein elektrisches Feld generiert und durch eine Kombination von Lasten in jeder dieser drei Hauptrichtungen erzeugt (in dieser Erörterung bezeichnet als T1, T2 und T3). Das Feld D₃ kann wie folgt dargestellt werden: $D_{3} = d_{31} T_{1} + d_{32} T_{2} + d_{33} T_{3} + p_{3} Δ T,$
wobei ΔT eine Temperatursensibilität des Films ist, D eine Messung der elektronischen Verschiebung ist, und d₃₁, d₃₂ und d₃₃ piezoelektrische Koeffizienten des Films in Bezug auf die drei Achsen sind. Somit kann der Sensor ein Signal infolge einer Änderung der Temperatur erzeugen, das von einem durch eine mechanische Dehnung erzeugten Signal nicht zu unterscheiden ist.
13 gibt einen beispielhaften bimorphen Piezo-Dehnungssensor wieder. Zwei Schichten Piezo-Film 1312,1322 können zusammen laminiert sein, um eine dehnungssensible Differenzialvorrichtung zu erzeugen, die verwendet werden kann, um den Temperatureffekt bei Dehnungsmessungen zu reduzieren, und um somit eine aus Dehnungsmessungen resultierende Kraft zu schätzen. Die Piezo-Filme 1312, 1322 können über ein Haftmittel (nicht dargestellt), wie zum Beispiel einem optisch klaren Haftmittel, aneinander befestigt sein. In ähnlicher Weise kann jeder Film an einem Substrat 1310, 1320 über ein Haftmittel (wiederum nicht dargestellt) befestigt sein. Im Gegensatz zu bestimmten, weiter oben beschriebenen Ausführungsformen sind optisch klare Haftmittel oder andere eingreifende Schichten zwischen den Piezo-Filmen nicht erforderlich, um kompatibel zu sein. Beispielsweise kann das zwischen den Piezo-Filmen 1312 und 1322 angeordnete, optisch klare Haftmittel starr oder anderweitig nicht nachgiebig sein.
Der Piezo-Film 1312 aus 13 kann anisotrop sein. Beispielsweise können die Piezo-Filme 1312, 1322 gedehnt werden, um ihre Polymerketten entweder einachsig oder zweiachsig auszurichten. Bei Dehnung ist der piezoelektrische Effekt des Films aufgrund mechanischer Beanspruchung wesentlich stärker in der Dehnungsrichtung als in der Querrichtung. Bei einigen Ausführungsformen kann der piezoelektrische Effekt in der Dehnungsrichtung zehnmal größer sein als in der Querrichtung.
Durch die Verwendung zweiachsiger und/oder einachsiger anisotroper Piezo-Filme in einem kraftsensiblen Stack kann ein Sensor geschaffen werden, der in nur einer Dehnungsrichtung sensibel ist oder, anders ausgedrückt, der auf Dehnung in einer Richtung wesentlich sensibler ist als auf Dehnungen in anderen Richtungen. Somit können anisotrope Piezo-Filme entsprechend der Darstellung in 13 und 14 selektiv gedehnt werden, um in einer ausgewählten Richtung besonders sensibel auf Dehnung zu reagieren.
Entsprechend der Darstellung in 13 ist der Piezo-Film 1312 anisotrop (z. B. gedehnt), und der Piezo-Film 1322 ist isotrop (z. B. nicht gedehnt). Die Dehnungsrichtung des Films 1312 kann quer zu den dargestellten Pfeilen verlaufen. Generell erzeugt die Kombination eines anisotropen Piezo-Films 1312 und eines isotropen Piezo-Films 1322 entsprechend der Konfiguration und Darstellung in 13 eine elektronische Verschiebung D₃ (die zum Messen von Dehnung verwendet wird) entsprechend der folgenden Gleichung: $D_{3} - (d_{31}^{A} - d_{31}^{B}) T_{1} + (d_{32}^{A} - d_{32}^{B}) T_{2}^{0} + (d_{33}^{A} - d_{33}^{B}) T_{3}^{0} + (p_{3}^{A} - p_{3}^{B}) \overset{0}{Δ T}$
Somit entfällt die Temperaturabhängigkeit der elektronischen Verschiebung wie auch die Sensibilität des elektrischen Feldes auf andere Richtungen als die erwünschte Richtung. Anders ausgedrückt heißt dies, dass da die elektronischen Verschiebungen der Filme effektiv auf Null reduziert sind, alle Temperatureffekte zwischen den Filmen effektiv eliminiert werden können.
14 zeigt noch einen weiteren beispielhaften temperaturunabhängigen Dehnungssensor, der verwendet werden kann, um Kraft in zwei Dimensionen abzuschätzen. Hierbei sind die Filme 1402, 1404 identisch mit den in 13 dargestellten Piezo-Filmen 1312, 1322. Der Film 1408 ist jedoch in einer Richtung relativ zum Film 1402 um 90 Grad versetzt gedehnt, und der Film 1406 ist isotrop.
Durch das Messen der Spannung zwischen den Filmen 1404 und 1406 (zum Beispiel unter Verwendung der Elektrode 1434), der Spannung an der Verbindung des Films 1402 und des oberen Substrats 1410 (zum Beispiel unter Verwendung der Elektrode 1432) und der Spannung an der Verbindung des Films 1408 und des unteren Substrats 1420 (zum Beispiel unter Verwendung der Elektrode 1436) kann die in zwei Richtungen beaufschlagte Dehnkraft (wie zum Beispiel um neunzig Grad versetzt oder bei alternativen Ausführungsformen in anderen gewünschten Winkeln) bestimmt werden. Auf diese Weise können Kraftsensibilität und Messung durch Dehnungsabtastung an zwei Achsen bereitgestellt werden. Weiter kann die Struktur eine temperaturunabhängige Messung der Dehnkraft in beiden Achsen bereitstellen, da die Schichten die Pyroelektrizität der verschiedenen Piezo-Filme kompensieren. Wie in 13 kann die temperaturunabhängige Messung das Ergebnis der elektronischen Verschiebungen der Filme sein, die effektiv auf Null reduzieren und dadurch effektiv alle Temperatureffekte eliminieren.
15 zeigt noch einen weiteren beispielhaften, temperaturunabhängigen Dehnungssensor, der verwendet werden kann, um Kraft in zwei Dimensionen abzuschätzen. Hierbei können die Filme 1502, 1504, 1506 und 1508 mit den entsprechend bezeichneten Filmen aus 14 identisch sein. Jedoch kann ein Substrat 1530 zwischen dem Stack aus Film 1502 und 1504 und dem Stack aus Film 1506 und 1508 positioniert sein. Entsprechend der Darstellung in 15 können die Elektroden 1532, 1534, 1536 und 1538 verwendet werden, um die Spannung an der Verbindung entsprechender Schichten zu messen. Auf diese Weise kann der Dehnungssensor zwischen zwei unterschiedlichen Dehnungsrichtungen unterscheiden. Die unterschiedlichen Richtungen können bei bestimmten Ausführungsformen für die Richtungserkennung der taktilen Dehnung verwendet werden.
Wie in 13 und 14 kann die temperaturunabhängige Messung durch den beispielhaften Sensor aus 15 das Ergebnis der elektronischen Verschiebungen der Filme sein, die effektiv auf Null reduzieren und dadurch alle Temperatureffekte effektiv eliminieren.
Auf ähnliche Weise können weitere Schichten zu Ausführungsformen wie den in 14 und 15 dargestellten hinzugefügt werden, um Sensibilität in Bezug auf weitere Richtungen hinzuzufügen. Beispielsweise kann eine zusätzliche Schicht eingerichtet sein, um auf in Bezug auf die erste oder zweite Schicht um 45 Grad versetzte Dehnung sensibel zu reagieren.
Es versteht sich, dass obwohl vorstehend viele Ausführungsform mit Bezug auf optisch transparente Kraftsensoren offenbart sind, die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren ebenso gut für lichtundurchlässige Kraftsensoren gelten können, oder für Kraftsensoren, bei denen keine Transparenz gefordert ist. Beispielsweise können die hierin beschriebenen Kraftsensoren unterhalb eines Display-Stacks oder innerhalb des Gehäuses einer Vorrichtung eingeschlossen sein. Beispielsweise kann eine elektronische Vorrichtung eingerichtet sein, um darauf zu reagieren, dass ein Benutzer ein Gehäuse einer elektronischen Vorrichtung drückt oder mit Druck beaufschlagt. Ein derartiger Kraftsensor muss nicht bei allen Ausführungsformen transparent sein. Noch weiteren Ausführungsformen können einen durchscheinenden Kraftsensor einschließen. Beispielsweise kann eine Kraftsensorkomponente mit einer Tinte dotiert sein, sodass der Kraftsensor in einer bestimmten Farbe oder Farbengruppe erscheint. Bei noch weiteren Ausführungsformen kann der Kraftsensor wahlfrei transparent, durchscheinend oder lichtundurchlässig sein.
Hierin beschriebene Ausführungsformen können mittels einer beliebigen Anzahl geeigneter Herstellungsprozesse ausgebildet sein. Beispielsweise kann eine kraftsensible Struktur bei einer Ausführungsform in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess ausgebildet werden, der das Auftragen eines kraftsensiblen Materials in einem ausgewählten Muster auf einem Substrat, das Binden des Substrats an eine oder mehrere zusätzliche Schichten oder Komponenten einer elektronischen Vorrichtung und das Vereinzeln der Ausgabe des Rolle-zu-Rolle-Prozesses in eine Vielzahl individueller, kraftsensibler Strukturen einschließt.
Es versteht sich, dass obwohl vorstehend viele Ausführungsformen offenbart sind, die vorgestellten Vorgänge und Schritte in Bezug auf hierin beschriebene Verfahren und Techniken beispielhaft und dementsprechend nicht erschöpfend sein sollen. Es versteht sich weiter, dass alternative Schrittreihenfolgen oder weniger oder zusätzliche Schritte für bestimmte Ausführungsformen erforderlich oder erwünscht sein können.
Obwohl die vorstehende Offenbarung anhand verschiedener beispielhafter Ausführungsformen und Implementierungen beschrieben ist, versteht es sich, dass die verschiedenen, in einer oder mehreren der individuellen Ausführungsformen beschriebenen Merkmale, Aspekte und Funktionsumfänge nicht hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit auf die besondere Ausführungsform, mit der sie beschrieben sind, beschränkt sind, sondern stattdessen allein oder in verschiedenen Kombinationen auf eine oder mehrere der anderen Ausführungsformen der Erfindung angewandt werden können, und zwar unabhängig davon, ob derartige Ausführungsformen beschrieben sind oder nicht, und ob derartige Merkmale als Teil einer beschriebenen Ausführungsform vorgestellt werden oder nicht. Die Breite und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung sollen daher nicht durch beliebige, vorstehend beschriebene, beispielhafte Ausführungsformen eingeschränkt sein, sondern sind stattdessen durch die hierin vorgelegten Ansprüche definiert.

Claims

Elektronische Vorrichtung mit einem optisch transparenten Kraftsensor, Folgendes umfassend: ein erstes transparentes Substrat; eine erste kraftsensible Schicht, die relativ zum ersten transparenten Substrat angeordnet ist; ein zweites transparentes Substrat, das unterhalb des ersten transparenten Substrats angeordnet ist; eine zweite kraftsensible Schicht, die relativ zum zweiten transparenten Substrat angeordnet ist; eine kompatible Schicht, die zwischen dem ersten und dem zweiten transparenten Substrat angeordnet ist; und eine Sensorschaltung, die konfiguriert ist, um eine relative elektrische Reaktion zwischen der ersten kraftsensiblen Schicht und der zweiten kraftsensiblen Schicht zu vergleichen, um eine geschätzte temperaturkompensierte Kraft zu berechnen, und um Termperaturschwankungen der elektronischen Vorrichtung mit Hilfe des temperaturkompensierten Schätzwerts der Kraft zu kompensieren.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste transparente Substrat konfiguriert ist, um sich als Reaktion auf eine Kraft einer Berührung zu biegen, und wobei sich die kompatible Schicht verformt, um eine Spannung oder einen Druck des zweiten transparenten Substrats zu verringern.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das erste transparente Substrat einen ersten Spannungsbetrag erfährt, der größer ist als beim zweiten transparenten Substrat, das als Reaktion auf die Kraft einer Berührung einen zweiten Spannungsbetrag erfährt.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die kompatible Schicht einen Luftspalt einschließt, und wobei sich das zweite transparente Substrat nicht verformt.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste kraftsensible Schicht als Reaktion auf die Kraft einer Berührung unter Spannung gesetzt wird, und die zweite kraftsensible Schicht als Reaktion auf die Kraft einer Berührung unter Druck gesetzt wird.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die kompatible Schicht konfiguriert ist, um Wärme zwischen der ersten kraftsensiblen Schicht und der zweiten kraftsensiblen Schicht zu leiten, um eine im Wesentlichen gleichförmige Temperaturverteilung zu erzielen.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste kraftsensible Schicht aus einem ersten Array aus geradlinigen, kraftsensiblen Komponenten gebildet ist; und die zweite kraftsensible Schicht aus einem zweiten Array aus geradlinigen, kraftsensiblen Komponenten gebildet ist.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das erste und das zweite transparente Substrat aus Glas hergestellt sind.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die erste und zweite kraftsensible Komponente aus einem Indium-Zinnoxid hergestellt sind.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die erste und zweite kraftsensible Komponente aus einem piezoresistiven Material hergestellt sind.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das erste Array aus geradlinigen, kraftsensiblen Komponenten und das zweite Array aus geradlinigen kraftsensiblen Komponenten zumindest teilweise hergestellt sind aus einem Material der Gruppe bestehend aus Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, piezoresistiven Halbleitern und piezoresistiven Metallen.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das erste Array aus gradliningen, kraftsensiblen Kompopnenten und das zweite Array aus gradliningen, kraftsensiblen Komponenten aus Materialien hergestellt sind, die im Wesentlichen identische Temperaturwiderstandskoeffizienten haben.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die kompatible Schicht ein optisch klares Haftmittel umfasst.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die kompatible Schicht aus einem Material gebildet ist, das einen Schubmodul hat, der weniger als ein Zehntel des Schubmoduls des ersten transparenten Substrats beträgt.
Elektronische Vorrichtung mit einem optisch transparenten Kraftsensor, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: eine Abdeckung; ein erstes transparentes Substrat, das unterhalb der Abdeckung angeordnet ist; ein erstes Array aus kraftsensiblen Komponenten, das relativ zum ersten transparenten Substrat angeordnet ist; ein zweites transparentes Substrat, das unterhalb des ersten transparenten Substrats angeordnet ist; ein zweites Array aus kraftsensiblen Komponenten, das relativ zum zweiten transparenten Substrat angeordnet ist; und eine kompatible Schicht, die zwischen dem ersten und dem zweiten transparenten Substrat angeordnet ist; und eine Sensorschaltung, die konfiguriert ist, um eine relative elektrische Reaktion zwischen Komponenten des ersten Arrays kraftsensibler Komponenten und des zweiten Arrays kraftsensibler Komponenten zu vergleichen, um eine geschätzte temperaturkompensierte Kraft zu berechnen, und um Temperaturschwankungen der elektronischen Vorrichtung mit Hilfe des temperaturkompensierten Schätzwerts der Kraft zu kompensieren.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 15, ferner Folgendes umfassend: ein Anzeigeelement, das unterhalb des zweiten transparenten Substrats angeordnet ist.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das erste Array kraftsensibler Komponenten eine Untermenge kraftsensibler Randkomponenten einschließt, die entlang eines Randes des ersten Arrays positioniert sind, wobei die kraftsensiblen Randkomponenten aus Bahnen gebildet sind, die entlang einer Richtung ausgerichtet sind, die im Wesentlichen senkrecht zum Rand verläuft.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das erste Array kraftsensibler Komponenten eine Untermenge kraftsensibler Eckkomponenten einschließt, die an Ecken des ersten Arrays positioniert sind, wobei die kraftsensiblen Eckkomponenten aus Bahnen gebildet sind, die entlang einer diagonalen Richtung ausgerichtet sind.
Elektronische Vorrichtung mit einem optisch transparenten Kraftsensor, Folgendes umfassend: ein erstes transparentes Substrat; eine erste kraftsensible Schicht, die relativ zum ersten transparenten Substrat angeordnet ist; ein zweites transparentes Substrat, das unterhalb des ersten transparenten Substrats angeordnet ist; eine zweite kraftsensible Schicht, die relativ zum zweiten transparenten Substrat angeordnet ist; und eine Sensorschaltung, die konfiguriert ist, um eine Spannung zwischen der ersten kraftsensiblen Schicht und der zweiten kraftsensiblen Schicht zu erkennen, um eine geschätzte, temperaturkompensierte Kraft zu berechnen, und um Termperaturschwankungen der elektronischen Vorrichtung mit Hilfe des temperaturkompensierten Schätzwerts der Kraft zu kompensieren, wobei die erste kraftsensible Schicht aus einem anisotropen, piezoelektrischen Film gebildet ist, und die zweite kraftsensible Schicht aus einem isotropen, piezoelektrischen Film gebildet ist.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 19, ferner Folgendes umfassend: eine dritte kraftsensible Schicht, die relativ zur zweiten kraftsensiblen Schicht angeordnet ist; und eine vierte kraftsensible Schicht, die relativ zur dritten kraftsensiblen Schicht angeordnet ist, wobei die dritte kraftsensible Schicht aus einem isotropen, piezoelektrischen Film gebildet ist, und die vierte kraftsensible Schicht aus einem anisotropen, piezoelektrischen Film gebildet ist.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 20, ferner Folgendes umfassend: ein drittes transparentes Substrat, das zwischen der zweiten kraftsensiblen Schicht und der dritten kraftsensiblen Schicht angeordnet ist.
Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei die erste kraftsensible Schicht eine erhöhte Sensibilität auf Dehnung entlang einer ersten Richtung aufweist, die vierte kraftsensible Schicht eine erhöhte Sensibilität auf Dehnung entlang einer zweiten Richtung aufweist, und die erste Richtung im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Richtung ist.