TWI645326B

TWI645326B - 電阻式力感測電路與電阻式力感測設備

Info

Publication number: TWI645326B
Application number: TW104112386A
Authority: TW
Inventors: 陳彥呈; 鄭智聰
Original assignee: 利永環球科技股份有限公司
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2015-04-17
Publication date: 2018-12-21
Also published as: US9542056B2; TW201545039A; US20150338967A1

Abstract

本發明為一種電阻式力感測電路及電阻式力感測設備。此電路包含複數個感測電路輸入端、複數個感測電路輸出端以及複數個電阻器單元。每個電阻器單元包含力敏電阻器、第一邊電阻器以及第二邊電阻器。力敏電阻器、第一邊電阻器及第二邊電阻器的第一端於一個節點上互相電連接，力敏電阻器的第二端電連接到感測電路輸入端中的一個，而第一邊電阻器及第二邊電阻器的第二端分別地電連接到兩個相鄰的感測電路輸出端。第一邊電阻器及第二邊電阻器為大致具有相等電阻的一對電阻器。電阻式力感測設備包含實現電阻式力感測電路功能的結構。

Description

電阻式力感測電路與電阻式力感測設備

本發明大體上係關於一種感測於實體上施加之輸入力的電阻式力感測電路及其電阻式力感測設備。

目前，觸碰感測已經成功地應用於許多領域，如可攜式裝置輸入、醫療顯示器及電子銷售點(point of sale,POS)系統。觸碰控制包含：電阻式，電容式，光學式等。電阻式感測具有通過力敏電阻器(force-sensing resistor,FSR)來進行觸碰位置及輸入力值感測的優點。雖然早期的電阻式觸碰控制技術只能夠感測一個觸碰點，但最近各種解決方案已能提供多個觸控或力感測點。

然而，於許多情況下，當具有簡單FSR矩陣電路的輸入裝置包含多點力感測功能時，輸出值會被輸入壓力點的數量及力水平所影響。也就是說，即使使用者於裝置的一點上施加相同的力，該點的輸出值可以基於感測表面的剩餘部分如何被觸碰而改變。當觸碰點的位置沒有被觸碰但系統卻有輸出時，即是所謂的「鬼點(ghost point)」現象。此外，具有簡單FSR陣列或矩陣電路的輸入裝置於每個輸入點或部分之間可能會有干擾輸出值及消耗更多功率的高漏電流。

雖然已經有許多解決方案以克服上述的問題，但此類解決方案通常利用到額外的組件，如運算放大器，或複雜的演算法。所以，除了增加了故障的機會，此類解決方案的生產及維護的成本將無可避免地會變得更高。

所以，本發明的主要目的為提供一種電阻式力感測電路及其電阻式力感測設備，係以簡單的電路配置及演算法實現多點力感測功能。

為了達致上述目的，本發明提供了一種包含複數個感測電路輸入端、複數個感測電路輸出端以及複數個電阻器單元的電阻式力感測電路。每個電阻器單元包含力敏電阻器、第一邊電阻器以及第二邊電阻器。力敏電阻器、第一邊電阻器及第二邊電阻器的第一端於一個節點上互相電連接，力敏電阻器的第二端電連接到一個感測電路輸入端，而第一邊電阻器及第二邊電阻器的第二端分別地電連接到兩個相鄰的感測電路輸出端。第一邊電阻器及第二邊電阻器具有大致相等的電阻值。

於本發明的優選實施例中，複數個感測電路輸入端被配置為矩陣的列，而感測電路輸出端中的感測電路輸出端被配置為矩陣的行。於另一個實施例中，複數個感測電路輸入端被配置為矩陣的行，而感測電路輸出端被配置為列。於兩個實施例中，複數個力敏電阻器單元代表了由感測電路輸入端的及相鄰的感測電路輸出端之間的兩個邊電阻器的節點形成的交叉點所定義的矩陣元素。

於本發明的優選實施例中，感測電路輸入端電連接到驅動電路，其中驅動電路順序地驅動感測電路輸入端，而感測電路輸出端電連接到掃描電路，其中掃描電路順序地測量感測電路輸出端的電壓。

於本發明的優選實施例中，於電阻式力感測電路中所使用的力敏電阻器對於相同的力水平基本上具有相同的電阻值。

於本發明的優選實施例中，驅動電路順序地驅動感測電路輸入端而掃描電路順序地測量感測電路輸出端的輸出電壓值。也就是說，在同一時間只有一個電阻器單元(或一個力輸入點)接收驅動電壓並給出電壓訊號，其中電壓訊號可以為類比的。於每個電阻器單元的掃描過程中，由於所測量的輸出電壓隨著感測電路輸入端的數量增加而下降，所以可以應用電壓調整方法加以調整。類似地，電壓調整方法可以用於更精確地決定輸入力水平。

於本發明的優選實施例中，驅動電路可以包含數位至類比轉換器，而電壓調整方法可以包括通過數位至類比轉換器來增加驅動電壓。

於本發明的優選實施例中，掃描電路可以包含基於參考電壓將類比電壓訊號轉換為數位化電壓訊號的類比至數位轉換器，而電壓調整方法可以包括調整參考電壓。

本發明進一步提供了包含複數個感測輸出電極、複數個感測輸入電極及複數個電阻器結構的電阻式力感測設備。電阻器結構中的每個包含力敏電阻器部分、第一邊電阻器部分及第二邊電阻器部分，其中當力輸入以足夠的大小施加於對應於力敏電阻器結構的位置上時，力敏電阻器部分變成電連接到感測輸入電極中的一個，第一及第二邊電阻器部份電連接到力敏電阻器部分，而第一及第二邊電阻器部份分別地電連接兩個相鄰的感測輸出電極。第一及第二邊電阻器部分具有大致相等的電阻值。

於本發明的優選實施例中，複數個感測輸入電極為複數個並排地佈置的導電帶，而複數個感測輸出電極為複數個並排地佈置的導電帶並垂直於複數個感測輸入電極。

於本發明的優選實施例中，電阻式力感測設備的所有的第一邊電阻器部分及第二電阻器部分基本上為連續的。

於本發明的優選實施例中，電阻式力感測設備進一步包含複數個間隔器。於一個感測點上，如果於電阻式力感測設備的部分沒有力輸入，間隔器將使感測輸入電極與對應於電阻式力感測設備的部分的電阻器結構彼此分離，使得對應於電阻式力感測設備的部分的感測輸入電極及感測輸出電極形成開路。

根據本發明的電阻式力感測電路及其電阻式力感測設備被提供以於多點上檢測力輸入的位置及水平，使得本發明具有以下的優點：

(1)本發明的電阻式力感測電路可以於每個電阻器單元中利用一對兩個電性等同的電阻器使得電阻式力感測電路及電阻式力感測設備可以用簡單的電路結構及掃描方法實現多點力感測功能。

(2)本發明的電阻式力感測電路可以於驅動電路中利用數位至類比轉換器或於掃描電路中利用類比至數位轉換器，使得當感測電路輸出端的數量增加或需要精確的測量時解決電壓訊號下降的問題。

(3)本發明的電阻式力感測設備可以藉由一對邊電阻分離感測力輸入的電阻器單元以減低電阻器單元之間的漏電流，從而減低電阻器單元之間的干擾。

(4)本發明的電阻式力感測設備可以利用連續的邊電阻部分以簡化生產過程，從而減低生產的成本。

A0/A1/A2/A3‧‧‧感測電路輸出端

A00/A01/A02/A03/A04‧‧‧感測輸出電極

D0/D1/D2‧‧‧感測電路輸入端

D00/D01/D02/D03‧‧‧感測輸入電極

D0u/D0d‧‧‧電源

FSR0-FSR8‧‧‧力敏電阻器

FSR00-FSR08‧‧‧力敏電阻器部分

RR0/RR1/RR2‧‧‧接地電阻

R0-R8‧‧‧電阻器單元

R01-R81‧‧‧第一邊電阻器

R02-R82‧‧‧第二邊電阻器

Vref‧‧‧參考輸入端

30/50‧‧‧電阻器結構

31/51‧‧‧第一邊電阻器部分

32/52‧‧‧第二邊電阻器部分

33/53‧‧‧間隔器

34/54‧‧‧間隙

200‧‧‧驅動電路

210‧‧‧數位至類比轉換器(DAC)

300‧‧‧掃描電路

310‧‧‧類比至數位轉換器(ADC)

400‧‧‧微控制器單元(MCU)

本發明的詳細結構、操作原理及效果現在將參照於如下表示本發明的各種實施例的附圖更詳細地描述於下文中。

第1圖為用於多點上感測力的傳統的電阻式力感測電路的示意性電路圖；第2圖為表示沿第1圖的電路的一點及多點力輸入的情況下掃描輸出值相對於每個力敏電阻器的電阻值的關係圖表；第3圖為根據本發明的第一實施例的用於多點上感測力水平的電阻式力感測電路的示意性電路圖；第4圖為根據本發明的第二實施例的用於多點上感測力水平的電阻式力感測電路的示意性電路圖；第5A圖及第5B圖為於兩種不同的掃描配置下第4圖的電阻式力感測電路的等效電路的示意性電路圖；第6圖為表示沿第4圖的電路的一點及多點力輸入的情況下掃描輸出值相對於每個力敏電阻器的電阻值的關係圖表；第7圖為根據本發明的第三實施例的用於多點上感測力的電阻式力感測電路的示意性電路圖；第8圖為表示於第四實施例中解決電壓訊號下降問題的方法的流程圖。

第9圖為根據本發明的第五實施例的具有多點力感測功能的電阻式力感測設備的示意性俯視圖；第10圖為沿第9圖的A-A'線的電阻式力感測設備的橫截面圖；第11圖為根據本發明的第六實施例的具有多點力感測功能的電阻式力感測設備的示意性俯視圖；第12圖為一個電阻器單元及連接到對應於第11圖的圓形虛線部分的電阻性設備的電阻器單元結構的電極的示意圖。

本發明的技術內容將藉由以下實施例的詳細描述及如下相關附圖的說明而變得清晰。類似的元件將於相關的附圖中表示為相同的參考標號。

參照於用於多點上感測力的傳統的電阻式力感測電路的示意性電路圖的第1圖，電阻式力感測電路具有感測電路輸入端D0、D1及D2、感測電路輸出端A0、A1及A2、力敏電阻器FSR0至FSR8以及接地電阻器RR1、RR2及RR3。感測電路輸入端D0、D1及D2與感測電路輸出端A0、A1及A2的交叉點定義了力感測點，其中力敏電阻器FSR0至FSR8分別地將感測電路輸入端D0、D1及D2電連接到感測電路輸出端A0、A1及A2。接地電阻器RR1、RR2及RR3防止了當力感測電阻FSR0至FSR8的電阻值過小時感測電路輸入端D0、D1及D2僅通過小電阻就電連接到接地端而受到損壞。

於測試中，簡單的掃描方法用於測試傳統電阻式力感測電路。感測電路輸入端D0、D1及D2電連接到驅動電路，而感測電路輸出端A0、A1及A2電連接到掃描電路。驅動及掃描電路順序地掃描電阻式力感測電路。也就是說，驅動電路順序地提供DC電壓到感測電路輸入端中的一個，而其它感測電路輸入端保持較低的電壓或被接地。掃描電路順序地測量感測電路輸出端的電壓值。舉例來說，首先，驅動電路提供3.3V的DC電壓到感測電路輸入端D0，而掃描電路測量感測電路輸出端A0的電壓值並發送所測量的電壓值到電壓值可以被存儲的地方(例如內建於微控制器單元中的記憶體)。第二，驅動電路提供3.3V的DC電壓到感測電路輸入端D0，而掃描電路測量感測電路輸出端A1的電壓值並發送所測量的電壓值到電壓值可以被存儲的地方。然後，DC電源施加於感測電路輸入端D0而感測電路輸出端A2的電壓值被讀取及存儲。於感測電路輸入端D0及感測電路輸出端A2被掃描之後，驅動電路提供3.3V的DC電壓到感測電路輸入端D1，而掃描電路測量感測電路輸出端A0的電壓值並發送所測量的電壓值到電壓值可以被存儲的地方。整個掃描過程遵循此次序直到最後的交叉點，也就是說於第1圖中的感測電路輸入端D2及感測電路輸出端A2被掃描。

當使用者施力於感測電路輸入端D0、D1及D2與感測電路輸出端A0、A1及A2的一個交叉點上時，對應於該交叉點的力敏電阻器FSR0至FSR8中的一個改變其電阻值；所以，與力敏電阻器相關的掃描輸出值會改變。例如，如果使用者施力於感測電路輸入端D1與感測電路輸出端A1的交叉點上時，力敏電阻器FSR4的電阻值會改變。所以，於掃描過程期間，當感測電路輸入端D1被施加DC電壓時，由輸出驅動電路所讀取的感測電路輸出端A1的電壓值將隨著力敏電阻器FSR4的變化的電阻變化而改變，並且結果可以用作推導出於掃描週期中存在外力輸入於電阻式力感測電路。此外，隨著輸出電壓值的變化，如果輸出電壓變化與電阻變化之間的關係及電阻變化與所施加的力的大小之間的關係為已知的話，那麼於交叉點的位置上的所施加的力的大小也可以被推導出來。此種關係可以藉由預先於電阻式力感測電路的每個交叉點位置上測試不同大小的力所獲得。

第2圖為表示沿第1圖的電路的一點及多點力輸入的情況下掃描輸出值相對於每個力敏電阻器的電阻值的關係圖表。此圖表表示了第1圖的電阻式力感測電路的測試結果。測試設定如下：感測電路輸入端的驅動電壓為3.3V，而從感測電路輸出端所提供的類比電壓訊號於0至1024的範圍中被數位化，也就是說，當類比訊號值為3.3V時，數位化後存儲的測試結果為1024，當類比訊號值為0V時，數位化後存儲的測試結果為0，而當類比訊號值為於0~3.3V的範圍內時，數位化後存儲的測試結果線性地對應於類比輸出電壓值。於第2圖中表示了數位化的電壓訊號值相對於電阻值的關係。接地電阻RR0、RR1及RR2的電阻值為20k Ohm。於一點力感測測試中，只有一個力敏電阻器具有有限的電阻值，而其他的力敏電阻器具有無限大的電阻值，或者可以視為開路，而於多點力感測測試中，所有力敏電阻器皆具有有限的電阻值以模擬具有不同大小的力輸入的所有點，其中每個力敏電阻器的電阻值為：FSR0=20k歐姆、FSR1=51k歐姆、FSR2=120k歐姆、FSR3=27k歐姆、FSR4=30k歐姆、FSR5=200k歐姆、FSR6=24k歐姆、FSR7=82k歐姆及FSR8=100k歐姆。於一點力感測測試中，當力敏電阻器的電阻變得更小時(對應於於力敏電阻器上所施加的更大的力)，輸出測試結果會變大。對於具有多點力感測功能的理想裝置或電路來說，不論其他點是否有力輸入，當施加同一力水平時，在單個感測點上的力感測測試及多點力感測測試中的一個感測點上的力感測測試的結果應該為相同的。換句話說，由於相同的力輸入應該與力感測輸入端的相同的電阻值相關，所以如果在對應於該感測點的力敏電阻器的電阻值為相同的，那麼無論同一個電路中其他的力敏電阻器的電阻值如何變化，對應於力敏電阻器的輸出值應該理想地為相同的。然而，如於第2圖中可見，當電阻值為20k歐姆、24k歐姆及27k歐姆時，數位化的電壓訊號286、238及212的個別值會小於296，其為對應於FSR4=30k歐姆的數位化電壓訊號值，而當電阻值為100k歐姆時，數位化的電壓訊號138 的值為大於108，其為對應於FSR8=82k歐姆，所以於多點力感測測試的情況下並不存在上述的電阻值相對於輸出值的關係。除此之外，從第2圖中，並不能夠推導出電阻值與輸出值之間的關係為一對一的關係，所以即使數位化的電壓訊號值為已知的，也難以決定力敏電阻器的對應電阻值，以致不能夠直接地獲得有關所施加的力的大小的訊息。

參照於為根據本發明的第一實施例的用於於多點上感測力輸入的電阻式力感測電路的示意性電路圖的第3圖，本發明的第一實施例的電阻式力感測電路包含複數個感測電路輸入端D0、D1及D2、複數個感測電路輸出端A0至A3以及複數個電阻器單元R0至R8。電阻器單元R0至R8中的每個分別地包含力敏電阻器FSR0至FSR8、第一邊電阻器R01至R81以及第二邊電阻器R02至R82。於電阻器單元R0中，力敏電阻器FSR0、第一邊電阻器R01及第二邊電阻器R02的第一端於一個節點上互相電連接，力敏電阻器FSR0的第二端電連接到感測電路輸入端D0，而第一邊電阻器R01及第二邊電阻器R02的第二端分別地電連接到兩個相鄰的感測電路輸出端A0及A1。第一邊電阻器及第二邊電阻器R01及R02為一對具有大致相等電阻的電阻器。在第3圖的電路中，其他電阻器單元R1至R8的配置與如以上所描述的電阻器單元R0相同或類似。

於本優選的實施例中，複數個感測電路輸入端D0、D1及D2被配置成矩陣中的行，而感測電路輸出端A0、A1、A2及A3被配置成矩陣中的列，或複數個感測電路輸入端D0、D1及D2被配置為矩陣中的列，而感測電路輸出端A0、A1、A2及A3被配置為矩陣中的行。複數個電阻器單元R0至R8被配置為由感測電路輸入端D0、D1及D2與於感測電路輸出端A0、A1、A2及A3中相鄰的感測電路輸出端之間的兩個邊電阻器的節點的交叉點所定義的矩陣單元。

第4圖為根據本發明的第二實施例的用於於多點上感測力的電阻式力感測電路的示意性電路圖。除了進一步包含了電連接到於第3圖中所示的電路結構的驅動電路200、掃描電路300及微控制器單元(MCU)400之外，於第4圖中的第二實施例的電阻式力感測電路為類似於第一實施例的電阻式力感測電路。

於本優選的實施例中，感測電路輸入端D0、D1及D2電連接到驅動電路200，其中驅動電路200順序地掃描感測電路輸入端D0、D1及D2，而感測電路輸出端A0至A3電連接到掃描電路300，其中掃描電路300順序地測量感測電路輸出端A0到A3。MCU400可以連接到驅動電路200及掃描電路300以進一步控制驅動電路200或處理來自掃描電路300的電壓訊號。

類似於第1圖的傳統電阻式力感測電路的掃描過程可以用於本發明的第二實施例的電阻式力感測電路上，但是需要進行簡單的演算法以將從不同的力敏電阻器FSR0至FSR8中所得出的輸出值分離。此種演算法的其中一個例子將參照以下的附圖而被描述。於這種情況下，不為輸出驅動電路所驅動的感測電路輸出端會接地。由於第一及第二電阻器R01至R81及R02至R82存在，傳統的電阻式力感測電路中的接地電阻(如第1圖的接地電阻RR0、RR1及RR2)並不需要。

第5A圖及第5B圖為於兩種不同的掃描配置下第4圖的電阻式力感測電路的等效電路的示意性電路圖。參照於第5A圖及第5B圖，於此實施例中所使用的掃描方法將詳細地描述。於以下描述中，掃描步驟D0A0表示：其中感測電路輸入端D0為驅動輸入端(也就是說，於感測電路輸入端D0上提供來自驅動電路200的驅動電壓)及感測電路輸出端A0為掃描輸出端(也就是說，來自感測電路輸出端A0的電壓訊號輸出由掃描電路300所測量)。於下文中，於掃描步驟D0A0中，來自感測電路輸出端A0的類比電壓訊號可以進一步數位化，而所輸出端的數位化電壓訊號值以f(D0A0)表示。此外，所有第一及第二邊電阻器基本上具有相等的電阻值的條件被假定(否則，演算法將會變得更複雜，但仍有可能進行)。其他的掃描步驟及數位化的輸出電壓值遵循以上的表達式。於掃描步驟D0A0中，等效電路類似於第5A圖的電路。來自驅動電路200的驅動電壓提供於感測電路輸入端D0上。於第5A圖中，只有表示力感應電阻器FSR0、FSR3、FSR6。其它力敏電阻器基本上接地，使得其將不會受感測電路輸出端A0影響。在此，兩個電阻器單元R3及R6可以分別地形成兩個等效電阻器KR3及KR6，而等效電阻器KR3及KR6的電阻值基本上由第一邊電阻器R31及R61以及第二邊電阻器R32及R62的電阻值所決定。例如，如果電阻值R31=R32=20k歐姆，那麼無論力感測電阻FSR3的電阻值如何改變，等效電阻器KR3的電阻值也是位於10k~20k歐姆的範圍內。接著，請參照於為掃描步驟D0A1中的電路圖的第5B圖。由於電路為線性的，所掃描的電壓訊號可以被視為兩個DC驅動電壓電源的線性疊加結果。除了於第5B圖中的來自上DC電源D0u的電壓訊號值(於下文中被稱為f(FSR0))為來自節點的電壓的數位化的電壓訊號值，其中第一邊電阻R01及五個電阻器單元R1、R2、R3、R4及R5並聯地連接，於第5B圖中由上DC電源D0u(於這種情況下，另一個DC電源D0d被視為閉迴路)所見的等效電路事實上類似於第5A圖的電路。於第5B圖中，來自下DC電源D0d(於這種情況下，另一DC電源D0u被視為閉迴路)的電壓訊號值於下文中被稱為f(FSR3)。為來自節點的電壓訊號的數位化電壓訊號值，其中第一邊電阻R21及五個電阻器單元R0、R3、R6、R5及R7並聯地連接。如以上所描述，在此所提及的所有電阻器單元可以被視為等效電阻器。於第5A圖中，由於並聯的等效電阻器的電阻值小於一個邊電阻器的電阻值，使得通過第一邊電阻器R01及第二邊電阻器R02的電流隨著並聯及電連接到邊電阻器R02的等效電阻器的數量變化通常具有微小變化，而所有的邊電阻器的電阻值基本上為相等的，於第5B圖中數位化電壓訊號f(D0A0)的值對來自上DC電源D0u的電壓訊號f(FSR0)的值的比例應該與於第5A圖中電阻器單元並聯電連接到第一邊電阻器R01的數量對於第5B圖中電阻器單元並聯電連接到第一邊電阻器R01的數量的比例成反比。為了實用的目的，f(D0A0)的值除以2可以假設為等於f(FSR0)(事實上，f(D0A0)的值應該除以(2n-1)/(n-1)，其中n為感測電路輸入的數量，但是隨著n增大，除數會接近2。此外，可以從以下測試結果中看出除數=2的簡化於n=3的情況下作用良好，因此f(D0A0)的值除以2等於f(FSR0)為好的假設)。因此，f(FSR0)的值可以從f(D0A0)的值中所獲得，而隨後f(FSR1)的值可以從f(D0A1)減去f(FSR0)所獲得。於一點力輸入的情況下，f(FSR1)的值接近於電壓訊號值，其中只有力敏電阻器FSR1具有有限的電阻值而其它力敏電阻器具有無限大的電阻值，這是因為電阻器單元R0、R3、R6、R4及R7的等效電阻器KR0、KR3、KR6、KR4及KR7的電阻值被第一邊電阻器R01、R31、R61、R41及R71與第二邊電阻器R02、R32、R62、R42及R72的電阻值鎖定。所以，f(FSR1)的值與力敏電阻器FSR1的電阻值之間的關係可以藉由於力感應電阻器FSR1的位置上進行一點力輸入測試所獲得，並隨後力敏電阻器FSR1與力輸入端的大小之間的關係藉由於電阻式力感測電路中所使用的力敏電阻器所決定。也就是，力敏電阻器FSR1的電阻值可以由f(FSR1)的值所決定，而於對應於FSR1的位置上所施加的力輸入的大小可以由力敏電阻器FSR1的電阻值所決定。同樣的方法可以用於其他的力敏電阻器以決定於對應於其它的力敏電阻器的位置上所施加的力水平。

於方程表達式中，演算法可以被寫成：f(FSR0)=f(D0A0)/2，f(FSR1)=f(D0A1)-f(FSR0)及f(FSR2)=f(D0A2)-f(FSR1)或f(FSR3)=f(D0A3)/2(因為掃描步驟D0A3的等效電路基本上與第4A圖中的電路為相同的)。通式可寫為：f(FSRi,0)=f(DiA0)/2，f(FSRi,(j+1))=f(DiA(j+1))-f(FSRi,j)及f(FSRi,(m-1))=f(DiA(m-1))-f(FSRi,(m-2))或f(FSRi,(m-1))=f(DiAm)/2，0≦i≦n，0≦j≦m，其中n為感測電路輸入端的數量減去1，m為感測電路輸出端的數量減去1，及FSRi,j表示對應於掃描步驟DiRj的位置的力敏電阻器。

於此優選的實施例中，於電阻式力感測電路中所使用的力敏電阻器基本上為相同的或對於同一力水平具有相等的電阻值。

如果於電阻式力感測電路中所使用的力敏電阻器基本上為相同的或於同一力輸入中具有相等的電阻值，那麼，一點力輸入測試只需要於一個力敏電阻器上進行，就可以獲得數位化電壓訊號值與力敏電阻器的電阻值之間的關係。於是，測試結果可以被推廣，而此種由試驗所獲得的結果可以用於決定於其它點上所施加的力水平。

值得一提的是，基本上不改變本發明的電阻式力感測電路的功能的情況下，於本發明的電阻式力感測電路中的任何額外的元件應該包含於本發明的範圍中。例如，於每個電阻器單元中於力敏電阻器與第一及第二邊電阻器的節點之間可以有其它相同的串聯連接的電阻器。

第6圖為表示沿第4圖的電路的一點及多點力輸入的情況下掃描輸出值相對於每個力敏電阻器的電阻值的關係圖表。垂直軸的值為以上所提及的演算法所獲得的值f(FSR)，而水平軸的值為力敏電阻器的不同電阻值。於一點力輸入測試及多點力輸入測試兩者中，力敏電阻器及用於掃描的DC電壓輸入的設定值與傳統的電阻式力感測電路的設定值為相同的。第一及第二邊電阻器的電阻值為全部等於20k歐姆。可以從第6圖中看出，除了FSR=200k歐姆，一點力輸入測試及多點力輸入測試兩者的結果幾乎為相同的，其中多點力輸入測試的數位化電壓訊號值稍微低於一點力輸入測試的數位化電壓訊號值。然而，數位化電壓訊號值相對於電阻值的趨勢仍然保持，而誤差位於可接受的範圍內。所以，於相對於某個力感測的位置上的力輸入的大小仍然可以藉由預先參照於所進行的一點力輸入測試的結果所推導出來。

值得一提的是，感測電路輸入端的配置及兩個相鄰的感測電路輸出端的間隙不一定為矩陣。參照於為根據本發明的第三實施例的用於於多點上感測力的電阻式力感測電路的示意性電路圖的第7圖。於第7圖中，感測電路輸入端D0、D1及D2被配置為同心環，而感測電路輸出端A0、A1及A2被配置為徑向線。於感測電路輸入端D0、D1及D2，感測電路輸出端A0、A1及A2，力敏電阻器FSR0至FSR8以及第一及第二邊電阻器R01至R81及R02至R82之間的電連接關係為類似於第3圖中的電路。力敏電阻器、第一及第二邊電阻器仍然可以藉由於一點上互相連接形成電阻器單元，例如，於第7圖中所示的力敏電阻器FSR3，以及第一及第二邊電阻器R31及R32。於本實施例中所使用的掃描方法可以為與第一實施例相同的，但是演算法需要相應地進行修改。由於每個掃描步驟的等效電路類似於第5B圖中的電路，所以此種修改的演算法的其中之一種可以如下推導出：f(FSR0)=(f(D0A0)+f(D0A1)+f(D0A2))/2-f(D0A2)，f(FSR3)=(f(D0A0)+f(D0A1)+f(D0A2))/2-f(D0A0)，f(FSR6)=(f(D0A0)+f(D0A1)+f(D0A2))/2-f(D0A1)。通式可寫為，f(FSRi,j)=(對於同一感測電路輸入端Di的掃描步驟的f(DiAj)的值的總和)/2-(對於同一感測電路輸入端Di及感測電路輸入端...，A(j-3)、A(j-1)、A(j+2)、A(j+4)...的掃描步驟的f(DiAj)的值的總和)，0≦i≦n，0≦j≦m及其中n為感測電路輸入端的數量減去1，m為感測電路輸出端的數量減去1，及FSRi,j表示對應於掃描步驟DiRj的位置的力敏電阻器。應當注意的是，以上的演算法只適用於感測電路輸出端的數量為奇數的情況。

當需要增加感測點的數量時，感測電路輸入端的數量通常也相應地增加。當感測電路輸入端的數量增加時，輸出電壓也會降低。例如，如果於某一力水平下一個電阻器的輸出電壓(於數位化之前)及於電阻式力感測電路中具有三個感測電路輸入端的驅動電壓為大約200mV，那麼於同一力水平下相同的電阻器單元的輸出電壓及於電阻式力感測電路中具有六個感測電路輸入端的驅動電壓為大約100mV。如果輸出電壓太低，則可能會引致電阻式力感測電路於決定真正的力水平的困難。為了解決電壓訊號下降的問題，可以採用一些電壓調整的方法。另一方面，相同或類似的電壓調整可以於需要檢測某一力水平的微小變化的情況中使用。

第8圖為表示如何解決第四實施例的電壓訊號下降的問題的流程圖。參照於第8圖，於第四實施例中用於解決電壓訊號下降問題的方法將逐步描述。於本實施例中的電阻式力感測電路具有第4圖中的電路結構，及驅動電路200進一步包含數位至類比轉換器(DAC)210，而掃描電路300進一步包含類比至數位轉換器(ADC)310。此外，電阻式力感測電路進一步包含複數個測試點(未被表示)。測試點電連接到驅動電路200及掃描電路300。具體地說，測試點可以具有與電阻器單元相同的電路結構，而設定測試力可以施加於測試點上。可選地，測試點可以具有與電阻器單元相同的電路結構，但是具有設定電阻值的電阻器替代FSR。

於步驟S1中，驅動電路200及掃描電路300順序地掃描並測量測試點，而掃描電路300從每個測試點中接收電壓訊號。於步驟S2中，掃描電路300的ADC 310將類比電壓訊號從一個測試點轉換為數位化測試訊號並發送數位化測試訊號到MCU 400。於步驟D1中，MCU 400決定數位化測試訊號的數位化測試值是否大於設定閾值。如果不是的話，可以實行電壓調整方法，而然後步驟S2及D1可以重複進行以決定電壓調整是否操作以使數位化電壓值大於設定閾值。於數位化測試值大於設定閾值之後，電阻式力感測會檢查是否所有測試點於步驟D2中都被掃描。如果不是的話，上述的步驟會對其他測試點重複。步驟D2可以確保從各測試點之間得出的最低輸出電壓中的數位化測試值會大於設定閾值。於步驟S4中，於所有測試點的掃描過程完成之後，電阻式力感測電路可以開始掃描真正的力輸入點並然後測量及計算數位化訊號以獲得真正的力水平。由於測量及計算的方法於前面已經描述，所以在此詳細的描述會被省略。值得一提的是，本發明並不受限於以上的流程，例如，可以實行真正的力輸入點(也就是說，對應於使用者使用時輸入的力的力輸入點)的掃描過程而掃描過程的類比輸出可以首先被存儲，並然後於掃描測試點及實行電壓調整方法之後，相應地將來自真正的力輸入點的類比電壓訊號數位化。

具體地說，電壓調整方法可以包含通過於驅動電路200中的DAC 210增加驅動電壓。例如，如果MCU 400發現來自一個測試點的數位化測試值低於設定閾值，DAC 210會於步驟S4中將驅動電壓加倍並從而將數位化測試值加倍。以上過程重複進行直至數位化測試值大於設定閾值。

電壓調整方法可以包含根據掃描電路300的ADC 310的參考電壓將電壓訊號轉換為數位化訊號，其中ADC 310可以包含參考輸入端Vref。例如，如果MCU 400發現來自一個測試點的數位化測試值低於設定閾值，那麼於參考輸入端Vref所提供的參考電壓於步驟S4中會減半並從而將數位化測試值加倍。以上過程重複進行直至數位化測試值大於設定閾值。

此外，值得一提的是，電壓調整方法可以包括通過DAC 200及ADC 300同時調整數位化電壓訊號值。

如之前所提及，電壓調整方法可以用於實現更精確的力感測。例如，於第8圖中的方法可以掃描兩個分別地接收兩個預定的力水平輸入的測試點，而於第8圖中的步驟D1可以改變為：「來自兩個測試點的數位化測試值之間的差>設定閾值電壓？」所以，因為兩個預定的力水平為已知的，從兩個預定的力水平中所產生的數位化測試值之間的差可以按期望的範圍改變大小。

參照於為根據本發明的第五實施例的具有多點力感測功能的電阻式力感測設備的示意性俯視圖的第9圖，及為沿第9圖的A-A'線的電阻式力感測設備的橫截面圖的第10圖。本發明的第五實施例的電阻式力感測設備包含複數個感測輸入電極D00、D01及D02、複數個感測輸出電極A00至A03以及複數個電阻器結構。於第10圖中，電阻器結構10包含力敏電阻器部分FSR03、第一邊電阻器部分31以及第二邊電阻器部分32，其中當力以足夠的大小施加於對應於力敏電阻器結構FSR03的位置上時，力敏電阻器部分FSR03電連接到感測輸入電極D01，第一及第二邊電阻器部分31及32電連接到力敏測電阻器部分，而第一及第二邊電阻器部分31及32分別地電連接兩個相鄰的感測輸出電極A00及A01。第一及第二邊電阻器部分31及32為電性相同的電阻。在第9圖中，其他的電阻器結構具有與電阻器結構30相同或類似的結構。

於本優選的實施例中，複數個感測輸入電極為複數個並排地佈置的導電帶，而複數個感測輸出電極為複數個並排地佈置的導電帶並垂直於複數個感測輸入電極。如於第8圖中所示，於電阻式力感測設備中所包含的電阻器結構可以被視為一個3×3矩陣，其中矩陣的列由感測輸入電極D00、D01及D02所定義，而矩陣的行由帶狀中的感測輸出電極A00至A03的間隙所定義。然而，本發明並不受限於此，並且矩陣結構的尺寸可以很容易地擴展。

於本優選的實施例中，電阻式力感測設備進一步包含驅動電路200及掃描電路300。驅動電路200電連接到並順序地掃描及驅動感測輸入電極D00、D01及D02，而掃描電路300電連接到並順序地測量感測輸出電極A00至A03。

本電阻式力感測設備所公開的結構是為了實現以上所公開的電阻式力感測電路。電阻式力感測設備的複數個感測輸入電極D00、D01及D02對應於複數個感測電路輸入端D0、D1及D2。複數個感測輸出電極A00至A03對應於複數個感測電路輸出端A0至A3。感測輸入及輸出電極D00至D02及A00至A03可以形成為並排地佈置具有良好導電性的帶材，如金屬帶。複數個電阻器結構對應於複數個電阻器單元R0至R8。力敏電阻器部分FSR00、FSR01等對應於力敏電阻器FSR0至FSR8的功能，其為電阻值隨著力水平的大小而改變，如來自手指的力。第一邊電阻器部分對應於第一電阻器R01至R81，而第二邊電阻器部分對應於第二電阻器R02至R82。驅動電路200及掃描電路300的功能與以上提及的相同或類似。所以，具合適演算法的電阻式力感測設備能夠實現多點力感測功能。

於本優選的實施例中，第一邊電阻器部分及第二邊電阻器部分為具有高電阻的材料，而電阻式力感測設備的所有或部分的第一邊電阻器部分及第二邊電阻器部分基本上為連續的。

為了預防或減低不同電阻器結構之間的漏電流，第一邊及第二邊電阻器部分可以具有高電阻。所以，由於流經具有高電阻的材料的電流難以變得足夠高以影響電阻式力感測電路或電阻式力感測設備的輸出結果，所以漏電流可被預防或減低。此外，第一邊及第二邊電阻器部分的材料可以為相同的，並且此種材料可以通常為具有高電阻的材料。於這種情況下，電阻器結構應該被佈置成以足夠的距離互相分隔開，讓材料填充，使得具有足夠電阻的結構可以於電阻器結構之間形成。

於第10圖中，第一邊及第二邊電阻器部分31及32可以為完全地或部分地連續的，而且第一邊及第二邊電阻器部分31及32較佳地可藉由網版印刷製程來製作。相較於其他製程(如沉積或蝕刻製程)，網版製程具有較低的生產成本。在此實施例中，由於第一邊及第二邊電阻器部分31及32為連續的，故可有效減少利用網版印刷之次數或簡化網版之圖形而進一步降低成本。值得一提的是，當有足夠的力於第10圖中的感測輸入電極D01的部分上時，力敏電阻器部分FSR01上面的電阻器結構可以被視為於感測輸入電極D01與力敏電阻器FSR01之間串聯連接的簡單電阻器，並因此等效電路配置不會隨著額外的電阻器結構而改變，或額外的電阻器結構及力敏電阻器部分FSR01可以被一起考慮成電路中的等效力敏電阻器。

於本優選的實施例中，電阻式力感測設備進一步包含複數個間隔器。如果沒有力施加於電阻式力感測設備的部分上，那麼間隔器會將感測輸入電極D00、D01及D02從對應於電阻式力感測設備的部分的電阻器結構分隔開，使得對應於電阻式力感測設備的部分的感測輸入電極D00、D01及D02以及感測輸出電極A00至A04電性地形成開路。

再次參照於第10圖，由於沒有施力於感測輸入電極D01的部分上，所以間隔器33會從電阻器結構10中將感測輸入電極D01分隔開。當具有足夠大小的力於感測輸入電極D01的部分上時，感測輸入電極D01的部分被壓低並碰觸電阻器結構30的上表面，並隨後感測輸入電極D01及感測輸出電極A00及A01通過電阻器結構30形成迴路。所以，當沒有施力於感測輸入電極D01的部分上時，間隙34於感測輸入電極D01與電阻器結構30之間出現並且於掃描過程期間將沒有電流流經電阻器結構30，而電阻式力感測設備所消耗的電力可以減低。但是應當注意的是，於感測輸入電極與電阻器結構之間的間隙，及力敏電阻器部分可以一致被視為等效力敏電阻器，而當所施加的力的大小不足夠大或沒有施力於對應於等效力敏電阻器的位置上時，此種等效力敏電阻器具有無限大的電阻。

第11圖為根據本發明的第六實施例的具有多點力感測功能的電阻式力感測設備的示意性俯視圖，而第12圖為一個電阻器單元及連接到第11圖的圓形虛線中的電阻式力感測設備的電阻器單元結構的電極的示意圖。

於本實施例中，可以看出不止第五實施例的結構，其他結構也可以實現以上提及的電阻式力感測電路及方法，如本發明的第六實施例的電阻式力感測設備的結構。如於第11圖中所示，於電阻式力感測設備中所包含的電阻器結構可以被視為一個4×4矩陣，而定義矩陣的方法為類似於第9圖中的本發明的第五實施例。值得一提的是，於第11圖中的第六實施例的電阻器結構00至80基本上為互相分隔開，換句話說，其可以被空氣(可視為以上所提及的高電阻材料的等效物)互相分隔開。然而，本發明並不受限於此，其它具有高電阻的材料仍然可以用於分隔開本發明的電阻式力感測設備的電阻器結構。此外，第一邊及第二邊電阻器部分如於第12圖中所示的第一及第二邊電阻器部分51及52為不連續的。所以，雖然製造過程的複雜性可能會增加，但是這樣可以更容易將第一及第二邊電阻器部分的電阻值微調並將其保持電性相同或相似。間隔器53及間隙54為類似於第10圖中所示的結構中的對應物，因此描述會被省略。

此外，電阻式力感測設備可以於驅動電路200中包含DAC，或於掃描電路300中包含ADC。所以，電阻式力感測設備可以實行如於電路描述中所提及的電壓調整方法。由於操作已經於以上的描述中描述，所以於此詳細的描述會被省略。

綜合以上的描述，本發明的電阻式力感測設備可以整體地包含電阻式力感測電路的基本元件，並實現電阻式力感測電路的多點力感測功能。同時，可以預防或減低於電阻器結構之間的漏電流。電阻式力感測設備的結構藉由使用傳統的製造技術可以很簡易地製造，並且由於其結構簡單，整個設備可以很容易地按比例縮小。

當於本發明中的具體實施例的設備已經藉由參考附圖進行了描述，於不背離於本專利申請範圍中所闡述的本發明的範圍及精神下，可以由本領域中的技術人員作出各種修改及變化。修改及變化應該限於由本發明說明書所限定的範圍內。

Claims

一種電阻式力感測電路，其包含：複數個感測電路輸入端；複數個感測電路輸出端；以及複數個電阻器單元，該電阻器單元中的每個包含一力敏電阻器、一第一邊電阻器及一第二邊電阻器，其中該力敏電阻器、該第一邊電阻器及該第二邊電阻器的第一端於一節點上互相電連接，該力敏電阻器的一第二端電連接到該感測電路輸入端中的一個，該第一邊電阻器及該第二邊電阻器的第二端分別地電連接到該感測電路輸出端的兩個相鄰的感測電路輸出端，而該第一邊電阻器及該第二邊電阻器為一對具有大致上相等的電阻的電阻器，並且該複數個電阻器單元中的該力敏電阻器係互相分隔開；其中當施加同一力水平時，在單個感測點上的力感測測試及多點力感測測試中的力感測測試的結果為相同的。
如申請專利範圍第1項所述之電阻式力感測電路，其中該複數個感測電路輸入端被配置成一矩陣中的行，而該感測電路輸出端被配置成列，或該複數個感測電路輸入端被配置成一矩陣中的列，而該感測電路輸出端被配置成行，並且該複數個電阻器單元被配置成由該感測電路輸入端與相鄰的感測電路輸出端之間的兩個邊電阻器的該節點形成的交叉點所定義的矩陣單元。
如申請專利範圍第1項所述之電阻式力感測電路，其進一步包含：一驅動電路，電連接到並順序地驅動該複數個感測電路輸入端；以及一掃描電路，電連接到並順序地測量該複數個感測電路輸出端。
如申請專利範圍第3項所述之電阻式力感測電路，其中於該電阻式力感測電路中所使用的該力敏電阻器為基本上相同的或對於同一力水平具有相等的電阻值。
如申請專利範圍第3項所述之電阻式力感測電路，其中該驅動電路進一步包含提供一可變驅動電壓的一數位至類比轉換器。
如申請專利範圍第3項所述之電阻式力感測電路，其中該掃描電路進一步包含基於一可變參考電壓將從該感測電路輸出的一類比電壓訊號轉換為一數位電壓訊號的一類比至數位轉換器。
一種電阻式力感測設備，其包含：複數個感測輸入電極；複數個感測輸出電極；以及複數個電阻器結構，該電阻器結構中的每個包含一力敏電阻器部分、一第一邊電阻器部分及一第二邊電阻器部分，其中該力敏電阻器部分電連接到該複數個感測輸入電極之一，該第一及第二邊電阻器部分電連接到該力敏電阻器部分，該第一及第二邊電阻器部分分別地電連接該複數個感測輸出電極之兩個相鄰的感測輸出電極，而該第一及第二邊電阻器部分基本上具有相等的電阻值，並且該複數個電阻器結構中的該力敏電阻器部分係互相分隔開；其中當施加同一力水平時，在單個感測點上的力感測測試及多點力感測測試中的力感測測試的結果為相同的。
如申請專利範圍第7項所述之電阻式力感測設備，其中該複數個感測輸入電極為並排地佈置的複數個導電帶，而該複數個感測輸出電極為並排地佈置並垂直於該複數個感測輸入電極的複數個導電帶。
如申請專利範圍第7項所述之電阻式力感測設備，其進一步包含：一驅動電路，電連接到並順序地驅動該感測輸入電極；以及一掃描電路，電連接到並順序地測量該感測輸出電極。
如申請專利範圍第9項所述之電阻式力感測設備，其中該驅動電路進一步包含提供一可變驅動電壓的一數位至類比轉換器。
如申請專利範圍第9項所述之電阻式力感測設備，其中該掃描電路進一步包含基於一可變參考電壓將一類比電壓訊號轉換為一數位電壓訊號的一類比至數位轉換器。
如申請專利範圍第7項所述之電阻式力感測設備，其中該第一邊電阻器部分及該第二邊電阻器部分基本上為連續的。
如申請專利範圍第7項所述之電阻式力感測設備，其進一步包含：複數個間隔器，其設置於該複數個電阻器結構與該複數個感測輸入電極間，並使該複數個電阻器結構中之該力敏電阻器部分可開關地電連接到該複數個感測輸入電極，其中當沒有力施加於對應於該電阻器結構的一位置上或所施加於該位置上的力不足時，每個間隔器會將該感測輸入電極及該電阻器結構分隔開，使得該感測輸入電極及對應於該電阻器結構的該感測輸出電極電性地形成一開路。