[0003] 本发明涉及一种力感测装置和包括力感测装置的电子设备。

[0004] 力感测装置被用于许多应用中，并且可以以许多不同的形状、尺寸和不同的技术设置，每种力感测装置具有他们自己的局限性。

[0005] 现有的力感测装置的局限性在于，传统的力传感器通常采用接触电阻(当连接部件时在接触点处产生的电阻)作为关键机构，通过该关键机构可以产生变化的电阻。在这种情况下，这些类型的力传感器对机械界面材料的变化(例如但不限于硬度和粗糙度)敏感。

[0006] 这可能导致力传感器的稳定性问题，因为传感器的输出取决于这些机械特性如何随着周围环境的变化而改变。这种环境的示例可以是施加恒定的力，同时升高环境温度。由于机械材料特性的变化改变了接触电阻，这将导致测量的传感器电阻的变化。其他环境或场景可以产生类似的结果。

[0007] 因此仍然需要能够避免这些问题，并且不依赖于部件之间的接触电阻的替代的力感测装置。

[0015] 图1

[0016] 本申请提出了一种力感测装置，该力感测装置消除或最小化这种力感测装置的接触电阻分量，从而独立于传感器周围的波动和变化的环境条件而提高传感器的稳定性。

[0017] 图1示出了与传统装置一致的基于接触电阻的力感测装置101。在传统的力传感器中，低或中等电阻率电极102与高电阻基层103组合。

[0018] 图1中的示例示出了典型的基于接触电阻的力感测装置101的简化侧视图构造。图1的基于接触电阻的传感器构造包括界面的两侧，第一侧包括低或中等电阻率电极102，该低或中等电阻率电极102进一步包括正电压电极和接地电极。

[0019] 力感测装置101的第二侧包括高电阻率材料，该高电阻率材料具有使接触电阻成为这种传感器设计中的关键机构所需的电阻率。

[0020] 在使用中，向力感测装置101施力，当电极102与基层103接触时电流流动。电流流动的范围由电极102和基层103之间的界面处的压力控制，该压力由施加的力产生。这种传统构造对所使用的界面材料的机械特性的变化非常敏感。

[0021] 这是由于这样的事实，即力感测装置基于接触电阻，当材料被压在一起时，接触电阻出现在电极102和基层103之间的界面处的接触点处。施加的力影响电极和基层的两个表面之间的微触点的数量。

[0022] 这种类型的现有技术布置的主要问题是，虽然在施加力时材料的电阻率改变，但接触电阻随着力感测装置经历环境变化或不同场景而改变。例如，在较高的温度下，部件材料可能更软，这影响了基于材料硬度的接触电阻。在一个示例中，如果材料硬度降低百分之三十(30％)，则接触电阻降低大约百分之三十(30％)。这是固件或软件解决方案难以克服的显著且不期望的性能变化。

[0023] 因此，图1示出了基于接触电阻的力感测装置，该力感测装置具有包括相互交叉的指状物的低至中等电阻率层，以及高电阻率层(例如包括量子隧穿复合材料的高电阻率层)。

[0024] 图2

[0025] 为了提供对温度较不敏感的力感测装置，本文描述的本发明消除了触及跨过存在于力感测装置中的气隙的材料之间的界面处的电阻。

[0026] 图2示出了无接触电阻力感测装置的简化侧视图构造。

[0027] 力感测装置201包括第一电极层202和第二电极层203。每个电极层提供界面(interface)的交替侧(alternate side)，界面被配置为结合在一起并且接触以响应于施加的力提供电力输出。

[0028] 力感测装置201还包括第一调节器(moderator)层204和第二调节器层205。在本实施例中，电极层202包括具有第一电阻率的材料，并且电极层203包括具有第二电阻率的压敏材料。第一电阻率为中等或较低，而与第一电阻率相比，第二电阻率较高。在本实施例中，电极层202和电极层203被布置为彼此分开且通过气隙206分离，并且被配置为在将施加的力施加到力感测装置201的时候结合在一起。气隙206位于第一调节器层204和第二调节器层205之间。

[0029] 调节器层204包括施加到电极层202的第一导电材料，而调节器层205包括施加到电极层203的第二导电材料。

[0030] 在本实施例中，调节器层204与电极层202紧密接触，在这种情境下，这被认为指示电极层和调节器层的界面之间缺乏接触电阻。类似地，调节器层205与电极层203紧密接触。

[0031] 在本实施例中，气隙206将界面的两侧分离，并且电极层202和电极层203间隔开一定距离布置。这样，调节器层204和调节器层205也彼此间隔开一定距离布置。此外，电极层202和电极层203分别设置在第一衬底207和第二衬底208上。衬底通过传统间隔元件或类似物间隔开，这确保在没有施加的力的情况下保持气隙206。

[0032] 在本实施例中，调节器层204和调节器层205适当地对齐以确保调节器层204和调节器层205之间的接触仅响应于对力感测装置施加的力而发生，此时气隙206减小并最小化。

[0033] 在本实施例中，调节器层204和205具有非常低的电阻率。在一个实施例中，这是通‑7常小于10 欧姆‑米(Ωm)的电阻率值，这意味着当调节器层204和调节器层205以非紧密方式彼此接触时，接触电阻极小，因为其绝对值取决于界面的接触侧的电阻率的总和。如果力感测装置的一侧具有高电阻(如在一些传统系统中)，则该电阻在总体中占主导地位，从而导致接触电阻较大。因此，在本实施例中，由于界面的两侧都具有低电阻，所以电阻率的总和也较低。这样，通过引入低电阻率的调节器层204和205提供了两个电极之间的接触界面，本文描述的力感测装置基本上没有接触电阻。

[0034] 通过引入调节器层204和调节器层205，所得到的力感测装置不能仅基于接触电阻，否则当界面的两个相对侧接触时将发生电短路。因此，在调节器层203相对于界面的相对侧上，电极层203需要具有高电阻率。通常，调节器层203还包括不受形状或分布限制的较小特征。相反，调节器层204可包括一系列图案。在一个实施例中，这样的图案可以基本上类似于调节器层203。还可以利用替代布置，但是，在各种情况下，调节器层203和调节器层204被配置为在力感测装置的两个半部之间的界面处提供唯一的接触。

[0035] 在使用中，当将力施加到力感测装置201的上表面209时，电极层202和调节器层204被带向调节器层205和电极层203。力感测装置201连接到电路，使得当调节器层204和调节器层205接触时电流能够流动。电流流动的范围不受接触界面处的压力的控制，而是受宏观接触面积的控制。这确保力感测装置201的构造对在接触界面(进行接触的点)处使用的材料的机械特性的变化不敏感。

[0036] 为了确保力感测装置表现出相对于力的电阻变化，必须具有随着接触界面处的力的变化而改变的宏观接触面积(macroscopic contact area)。这不同于在基于接触电阻的传统力感测装置中观察到的微观“真实”接触面积变化。宏观接触面积被定义为使得调节器层204和调节器层205被认为接触的气隙足够小的面积。

[0037] 随着施加的力的变化而改变的增加的宏观接触面积导致通过电极层203的高电阻率材料的并联电流路径的数量增加。因此，这种并联电流路径的数量增加将导致第一电极层203和第二电极层204之间的总电阻随之减小。

[0038] 因此，力感测装置201提供了一种解决方案，通过去除电极层203的高电阻率材料，使其不再是接触界面处的直接接触，并且用提供较低电阻率的相应调节器层205来代替它，以实现这些效果。

[0039] 图3

[0040] 图3中示出了力感测装置201的俯视图，示出了电极层202和调节器层204的示例实施例和布置。

[0041] 在本实施例中，调节器层204的第一导电材料包括银基材料，例如银基油墨。电极层202的具有第一电阻率的材料包括碳基材料。

[0042] 在本实施例中，包括调节器层204的第一导电材料以图3所示的印刷图案的形式设置。在该特定实施例中，印刷图案包括多个点301，但是应当理解，也可以使用替代图案。在替代实施例中，例如，印刷图案包括多个相互交叉的指状物。

[0043] 在本实施例中，电极层202包括多个相互交叉的指状物302。在印刷图案还包括多个相互交叉的指状物的实施例中，应当理解，多个相互交叉的指状物中的每一个可以基本上类似并且彼此对准。

[0044] 图4

[0045] 图4中示出了从力感测装置201的下侧观察的另一平面图。该图显示了调节器层205和电极层203的布置。

[0046] 在本实施例中，调节器层205的第二导电材料包括银基材料，例如银基油墨。这种材料可以基本上类似于调节器层204的导电材料。电极层203的压敏材料包括量子隧穿材料，例如，可从申请人Peratech Holdco Ltd获得的商标为 的量子隧穿复合材料。

[0047] 在本实施例中，调节器层205以印刷图案的形式设置，并且如图所示，印刷图案包括多个点401，这些点对应于前面参照图3描述的调节器层204的多个点301。点图案避免了当调节器层204和调节器层205接触时力感测装置短路，从而力迫使电流在电极层203的较高电阻材料内沿路径流动。

[0048] 在本实施例中，将银基油墨点图案印刷到与图3所示的点布置对齐的量子隧穿材料上。在本实施例中，这提供了银对银接触，该银对银接触通过确保在点之间产生并联路径来消除接触电阻，从而允许电流流过高电阻率材料。

[0049] 这实际上这给出了电路中并联电阻器数量增加的效果。电阻随着并联电阻器的数量增加而减小，并且因此，力感测装置使得电阻减小。

[0050] 图5

[0051] 图5示出了根据本发明的实施例的包括键盘502的典型电子设备501。

[0052] 在本实施例中，电子设备501可以是台式计算机、笔记本电脑或任何其他合适类型的可以利用键盘的电子设备。键盘502包括多个键503，用户可以利用键503向电子设备501提供输入，并且随后向电子设备501的显示器504提供输出。

[0053] 在本实施例中，多个键503中的每一个包括如本文所述的根据本发明的力感测装置。力感测装置可以被用作键盘膜的一部分，其中在向多个键503中的任何一个施加力时提供力敏响应。由此，即使在环境条件改变的情况下，本文描述的力感测装置也可以提供更适当和稳定的响应。