电子设备以及应变仪的制作方法

1.本公开涉及应变仪传感器的领域，并且特别涉及由电阻器的模式形成的应变仪传感器，该电阻器的模式为应变仪传感器提供在操作温度的范围上提供一致读数的能力。


背景技术：

2.触摸屏被广泛用在智能电话、智能手表、平板计算机和笔记本计算机中。触摸屏典型地以层级方式形成，其中显示层(用于显示内容和提示用户输入)被触摸矩阵覆盖，该触摸矩阵使用电容感测来接收所述用户输入。
3.在一些情况中，可能期望触摸屏的某区域不仅对触摸本身敏感，而且对触摸的压力敏感。例如，这可以被用于例如提供“虚拟”主页按钮或音量控制按钮或ai键，而无需使用物理按钮，该物理按钮将消耗原本可以由触摸屏占用的设备顶面、左面或右面的区域。为了促进该功能性，应变仪可以被合并在该触摸屏内。希望通过替换物理按键，可以改善设备设计。
4.样本双侧应变仪2在图1a中被示出并且在图1b中被电描绘，其中可以看出的是，双侧应变仪2包括惠斯通电桥4，该惠斯通电桥4被形成在柔性印刷电路板(fpcb)5内，该柔性印刷电路板5绕两个间隔开的基底3a和3b弯曲。双侧应变仪2可以被定位在任何合适或期望的设备内。
5.惠斯通电桥4包括被定位为邻近基底3a和3b的上表面的电阻器r1和r2，以及被定位在基底3a和3b的下表面上的电阻器r3和r4。注意，电阻器r1至r4全部被定位以便跨基底3a和3b之间的空间4而延伸，以使fpcb 5和其惠斯通电桥4能够在应力下变形。
6.惠斯通电桥4的电连接在图1b中被图示。这里，可以看出，针对惠斯通电桥4，电阻器r1和r4通过节点p1串联连接在电压vs和接地gnd之间，电阻器r3和r2通过节点n1串联连接在电压vs与接地gnd之间，并且串联连接的电阻器r1以及r4与串联连接的电阻器r3以及r2并联。节点p1和n1为电桥4提供输出。
7.当物理力在向下的方向上被施加给双侧应变仪2的顶部时fpcb 5被变形，使得在电阻器r1和r2上的应变相对于在电阻器r3和r4上的应变而改变。结果是电阻器r1和r2的电阻相对于电阻器r3和r3的电阻的改变，并且在节点p1与n1之间的电压差分形成，使得电压vp1-vn1是可测量的，并且根据该电压，被施加给双侧应变仪2的力的方向以及该力的幅度可以被确定。在利用可忽略的物理力进行触摸的情况下，在节点p1与n1之间的最小电压差分形成，使得电压vp1-vn1是可忽略的；因此，在常温处，双侧应变仪2能够在具有物理力的触摸与具有可忽略的物理力的触摸之间进行区分。
8.在常温范围下，双侧应变仪2的该设计通常正确运行。然而，如图1c至图1d所示，在操作温度的正常范围之外的温度下会出现问题(诸如极冷或极热条件)。
9.在这些条件下，无论fpcb 5是否弯曲(因此，无论触摸是具有压力的触摸还是仅具有接触而没有压力的触摸)，由于在用户的手指与双侧应变仪2的环境温度之间的温度差足以引起所述电压差分，在点p1与n1之间的电压差分是可测量的并且类似。因此，在正常操作
温度范围之外，双侧应变仪2可能无法在具有可忽略的物理力的触摸与具有物理力的触摸之间进行区分，使得双侧应变仪2针对其大多数预期用途(例如，检测利用物理力进行的触摸)而不可用。
10.因此，需要对该领域进行进一步的开发。


技术实现要素：

11.本公开的目的是提供电子设备和应变仪，以至少部分地解决现有技术中存在的上述问题。
12.本公开的一方面公开了一种电子设备，包括：应变仪，包括：基底层，包括位于相同平面中但彼此间隔开的第一基底和第二基底；以及柔性印刷电路板，包括第一惠斯通电桥和第二惠斯通电桥，所述柔性印刷电路板绕所述基底层的端部而包覆，使得所述柔性印刷电路板与所述第一基底和所述第二基底的顶侧以及所述第一基底和所述第二基底的底侧二者接触；其中所述柔性印刷电路板定位所述第一惠斯通电桥，使得所述第一惠斯通电桥中的两个电阻器被定位，以使这两个电阻器从所述第一基底的顶侧跨到所述第二基底的顶侧，并且使得所述第一惠斯通电桥中的剩余电阻器仅被定位在所述第一基底的顶侧上；以及其中所述柔性印刷电路板定位所述第二惠斯通电桥，使得所述第二惠斯通电桥中的两个电阻器被定位，以使这两个电阻器从所述第一基底的底侧跨到所述第二基底的底侧，并且使得所述第二惠斯通电桥中的剩余电阻器仅被定位在所述第一基底的底侧上。
13.根据一个或多个实施例，电子设备还包括应变仪控制器，被配置为：测量在所述第一惠斯通电桥的第一输出与第二输出之间的电压差；测量在所述第二惠斯通电桥的第一输出与第二输出之间的电压差；将在所述第一惠斯通电桥与所述第二惠斯通电桥之间的电压差分确定为在针对所述第一惠斯通电桥的电压差与针对所述第二惠斯通电桥的电压差之间的差。
14.根据一个或多个实施例，其中所述应变仪控制器被配置为根据在所述第一惠斯通电桥的电阻器与所述第二惠斯通电桥的电阻器之间的确定的所述电压差分来确定被施加给所述应变仪的力的幅度和方向。
15.根据一个或多个实施例，其中所述第一惠斯通电桥和所述第二惠斯通电桥被耦合在电源电压与接地之间。
16.根据一个或多个实施例，其中所述第一惠斯通电桥包括：第一电阻器，被定位以便从所述第一基底的顶侧跨到所述第二基底的顶侧；第二电阻器，被定位以便仅被定位在所述第一基底的顶侧上；第三电阻器，被定位以便从所述第一基底的顶侧跨到所述第二基底的顶侧；以及第四电阻器，被定位以便仅被定位在所述第一基底的顶侧上；其中所述第一电阻器和所述第二电阻器被串联耦合在电源电压与接地之间，其中所述第一惠斯通电桥的第一输出被电连接在所述第一电阻器与所述第二电阻器之间；以及其中所述第三电阻器和所述第四电阻器被串联耦合在所述电源电压与接地之间，其中所述第一惠斯通电桥的第二输出被电连接在所述第三电阻器与所述第四电阻器之间。
17.根据一个或多个实施例，其中所述第一电阻器和所述第四电阻器在物理上被彼此平行定位；并且其中所述第二电阻器和所述第三电阻器在物理上被彼此平行定位。
18.根据一个或多个实施例，其中所述第二惠斯通电桥包括：第五电阻器，被定位以便
从所述第一基底的底侧跨到所述第二基底的底侧；第六电阻器，被定位以便仅被定位在所述第一基底的底侧上；第七电阻器，被定位以便从所述第一基底的底侧跨到所述第二基底的底侧；以及第八电阻器，被定位以便仅被定位在所述第一基底的底侧上；其中所述第五电阻器和所述第六电阻器被串联耦合在电源电压与接地之间，其中所述第二惠斯通电桥的第一输出被电连接在所述第五电阻器与所述第六电阻器之间；以及其中所述第七电阻器和所述第八电阻器被串联耦合在所述电源电压与接地之间，其中所述第二惠斯通电桥的第二输出被电连接在所述第七电阻器与所述第八电阻器之间。
19.根据一个或多个实施例，其中所述第六电阻器和所述第七电阻器在物理上被彼此平行定位，并且其中所述第五电阻器和所述第八电阻器在物理上被彼此平行定位。
20.本公开的另一方面提供了一种应变仪，包括：基底层，包括彼此间隔开的第一基底和第二基底；以及第一柔性印刷电路板部分，与所述第一基底和所述第二基底的顶侧接触，所述第一柔性印刷电路板部分具有形成在其中的第一惠斯通电桥；其中所述第一柔性印刷电路板部分定位所述第一惠斯通电桥，使得所述第一惠斯通电桥中的两个电阻器被定位，以使这两个电阻器从所述第一基底的顶侧跨到所述第二基底的顶侧；以及第二柔性印刷电路板部分，与所述第一基底和所述第二基底的底侧接触，所述第二柔性印刷电路板部分具有形成在其中的第二惠斯通电桥；其中所述第二柔性印刷电路板定位所述第二惠斯通电桥，使得所述第二惠斯通电桥中的两个电阻器被定位，以使这两个电阻器从所述第一基底的底侧跨到所述第二基底的底侧。
21.根据一个或多个实施例，其中所述第一惠斯通电桥和所述第二惠斯通电桥被耦合在电源电压与接地之间。
22.根据一个或多个实施例，其中所述第一惠斯通电桥包括：第一电阻器，被定位以便从所述第一基底的顶侧跨到所述第二基底的顶侧；第二电阻器，被定位以便仅被定位在所述第一基底的顶侧上；第三电阻器，被定位以便从所述第一基底的顶侧跨到所述第二基底的顶侧；以及第四电阻器，被定位以便仅被定位在所述第一基底的顶侧上；其中所述第一电阻器和所述第二电阻器被串联耦合在电源电压与接地之间，其中所述第一惠斯通电桥的第一输出被电连接在所述第一电阻器与所述第二电阻器之间；以及其中所述第三电阻器和所述第四电阻器被串联耦合在所述电源电压与接地之间，其中所述第一惠斯通电桥的第二输出被电连接在所述第三电阻器与所述第四电阻器之间。
23.根据一个或多个实施例，其中所述第一电阻器和所述第四电阻器在物理上被彼此平行定位；并且其中所述第二电阻器和所述第三电阻器在物理上被彼此平行定位。
24.根据一个或多个实施例，其中所述第二惠斯通电桥包括：第五电阻器，被定位以便从所述第一基底的底侧跨到所述第二基底的底侧；第六电阻器，被定位以便仅被定位在所述第一基底的底侧上；第七电阻器，被定位以便从所述第一基底的底侧跨到所述第二基底的底侧；以及第八电阻器，被定位以便仅被定位在所述第一基底的底侧上；其中所述第五电阻器和所述第六电阻器被串联耦合在电源电压与接地之间，其中所述第二惠斯通电桥的第一输出被电连接在所述第五电阻器与所述第六电阻器之间；以及其中所述第七电阻器和所述第八电阻器被串联耦合在所述电源电压与接地之间，其中所述第二惠斯通电桥的第二输出被电连接在所述第七电阻器与所述第八电阻器之间。
25.根据一个或多个实施例，其中所述第六电阻器和所述第七电阻器在物理上被彼此
平行定位，并且其中所述第五电阻器和所述第八电阻器在物理上被彼此平行定位。
26.本公开的又一方面提供了一种电子设备，包括：应变仪，包括：基底层，包括位于相同平面中的第一基底和第二基底；柔性印刷电路板，包括第一惠斯通电桥和第二惠斯通电桥，所述柔性印刷电路板与所述第一基底和所述第二基底的顶侧以及所述第一基底和所述第二基底的底侧二者接触；其中所述柔性印刷电路板定位所述第一惠斯通电桥，使得所述第一惠斯通电桥中的两个电阻器被定位，以使这两个电阻器从所述第一基底的顶侧跨到所述第二基底的顶侧，并且使得所述第一惠斯通电桥中的剩余电阻器仅被定位在所述第一基底的顶侧上；其中所述柔性印刷电路板定位所述第二惠斯通电桥，使得所述第二惠斯通电桥中的两个电阻器被定位，以使这两个电阻器从所述第一基底的底侧跨到所述第二基底的底侧，并且使得所述第二惠斯通电桥中的剩余电阻器仅被定位在所述第一基底的底侧上；应变仪控制器，被配置为：测量在所述第一惠斯通电桥的第一输出与第二输出之间的电压差；测量在所述第二惠斯通电桥的第一输出与第二输出之间的电压差；以及将在所述第一惠斯通电桥与所述第二惠斯通电桥之间的电压差分确定为在针对所述第一惠斯通电桥的电压差与针对所述第二惠斯通电桥的电压差之间的差。
27.根据一个或多个实施例，其中所述第一惠斯通电桥包括：第一电阻器，被定位以便从所述第一基底的顶侧跨到所述第二基底的顶侧；第二电阻器，被定位以便仅被定位在所述第一基底的顶侧上；第三电阻器，被定位以便从所述第一基底的顶侧跨到所述第二基底的顶侧；以及第四电阻器，被定位以便仅被定位在所述第一基底的顶侧上。
28.根据一个或多个实施例，其中所述第一电阻器和所述第四电阻器在物理上被彼此平行定位；并且其中所述第二电阻器和所述第三电阻器在物理上被彼此平行定位。
29.根据一个或多个实施例，其中所述第二惠斯通电桥包括：第五电阻器，被定位以便从所述第一基底的底侧跨到所述第二基底的底侧；第六电阻器，被定位以便仅被定位在所述第一基底的底侧上；第七电阻器，被定位以便从所述第一基底的底侧跨到所述第二基底的底侧；以及第八电阻器，被定位以便仅被定位在所述第一基底的底侧上。
30.利用本公开的实施例，即使在极端操作温度处，在不存在力的情况下，对双侧应变仪的触摸也不导致电阻器的电阻改变。
附图说明
31.图1a包括现有技术的双侧应变仪在正常操作温度处经受具有力的触摸的侧视图。
32.图1b是图1a的现有技术的双侧应变仪的惠斯通电桥的电连接的示意图。
33.图1c包括现有技术的双侧应变仪在极端操作温度处经受没有力的触摸的侧视图。
34.图1d是图1c的现有技术的双侧应变仪的惠斯通电桥的电连接的示意图。
35.图2a包括本文中所公开的双侧应变仪在正常操作温度处经受具有力的触摸的侧视图。
36.图2b是图2a的双侧应变仪的惠斯通电桥的电连接的示意图。
37.图2c包括本文中所公开的双侧应变仪在极端操作温度处经受没有力的触摸的侧视图。
38.图2d是图2c的双侧应变仪的惠斯通电桥的电连接的示意图。
39.图3是合并本文中所公开的双侧应变仪的电子设备的框图。
具体实施方式
40.以下公开使本领域技术人员能够制造和使用本文中所公开的主题。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，本文中所描述的一般原理可以应用于除以上详述的实施例和应用之外的实施例和应用。本公开不旨在限于所示出的实施例，而应被赋予与本文中所公开或所建议的原理和特征一致的最宽范围。
41.现在参考图2a描述双侧应变仪12，其中可以看出，双侧应变仪12包括绕两个间隔开的基底13a至13b而定位的、在柔性印刷电路板(fpcb)15内的两个惠斯通电桥14和15。在基底13a与13b之间的自由空间被图示并且由附图标记6标记，并且应注意的是，在空间6内不包含任何组件或层。
42.惠斯通电桥14包括电阻器r1至r4。特别地，电阻器r2和r3完全被定位在基底13a的顶表面上，并且电阻器r1和r4在基底13a与13b的顶表面之间跨空间6而延伸。类似地，惠斯通电桥15包括电阻器r5至r8。这里，电阻器r5和r8完全被定位在基底13a的底表面上，并且电阻器r6和r7在基底13a与13b的底表面之间跨空间6而延伸。
43.惠斯通电桥14和15的电连接在图2b中被图示。这里，可以看出，针对惠斯通电桥14，电阻器r1和r2通过节点p3串联连接在电压vs与接地gnd之间，电阻器r3和r4通过节点n3串联连接在电压vs与接地gnd之间，并且串联连接的电阻器r1以及r2与串联连接的电阻器r3以及r4并联。节点p3和n3是惠斯通电桥14的输出。类似地，针对惠斯通电桥15，电阻器r5和r6通过节点p4串联连接在电压vs与接地gnd之间，电阻器r7和r8通过节点n4串联连接在电压vs与接地gnd之间，并且串联连接的电阻器r5以及r6与串联连接的电阻器r7以及r8并联。节点p4和n4是惠斯通电桥15的输出。
44.在正常操作温度(在0℃与40℃之间)处，如图2a所示，在向下方向上对双侧应变仪12的顶部施加物理力的情况下fpcb 15被变形，使得在电阻器r1至r4上的应变相对于在电阻器r5至r8上的应变而改变。更详细地，由于电阻器r1、r4、r6和r7在基底13a与13b之间跨空间6而延伸的事实，在电阻器r1和r4上的应变相对于在电阻器r6和r7上的应变的改变大于在电阻器r2和r3上的应变相对于在电阻器r5和r8上的应变的改变。
45.结果是电阻器r1和r4的电阻相对于电阻器r2和r3的电阻的改变，并且在节点p3与n3之间的电压差分形成，使得电压vp3-vn3是可测量的。类似地，取决于物理力施加的位置和幅度，也存在电阻器r6和r7的电阻相对于电阻器r5和r8的电阻的改变、在节点p4和n4之间的电压差的形成、以及可测量的电压vp4-vn4。因此，根据电压vp3-vn3和vp4-vn4，在正常操作温度处，可以确定施加给双侧应变仪12上的力的方向以及该力的幅度。在利用可忽略的物理力进行触摸的情况下，在节点p3与n3之间以及在节点p4与n4之间的最小电压差分形成，使得电压vp3-vn3和vp4-vn4是可忽略的；因此，在常温处，双侧应变仪12能够在具有物理力的触摸与具有可忽略的物理力的触摸之间进行区分。
46.特别地，可以确定电压δu，并且由此，通过在节点p3和n3处的电压与在节点p4和n4处的电压的数学组合以产生δu，可以确定施加给双侧应变仪12的力的上述方向以及该力的幅度。
47.从数学上讲，δu可以通过以下来计算：
48.δu1＝vs*[r2/(r1 r2)]
[0049]
δu2＝vs*[r4/(r3 r4)]
[0050]
δuout＝δu1-δu2
[0051]
δu3＝vs*[r6/(r5 r6)]
[0052]
δu4＝vs*[r8/(r7 r8)]
[0053]
δuin＝δu3-δu4
[0054]
δu＝δuout δuin
[0055]
注意，极端操作温度(小于0℃或大于40℃)在经历具有压力的触摸时不改变双侧应变仪12的操作，因为力的施加改变了电阻器r1至r4相对于彼此以及相对于电阻器r5至r8的电阻。
[0056]
关于没有被施加向下力的触摸，在极端操作温度(小于0℃或大于40℃)处，如图2c至2d所示，当双侧应变仪12的顶部被触摸但没有被施加向下力时，fpcb 15不变形，这意味着触摸不导致惠斯通电桥14的电阻器的电阻的改变。此外，从用户手指(处于大约36.5℃)到惠斯通电桥14的热传递是到电阻器r1至r4中的所有电阻器，因此由于热传递对电阻器r1至r4加热而导致的电阻器r1至r4的电阻改变彼此类似。因此，在惠斯通电桥14的节点n3与n4之间的电压差分是可忽略的，并且因此vp3-vn3是可忽略的。
[0057]
此外，由于第二惠斯通电桥15的电阻器r5和r8被定位在基底13a的底表面上，并且电阻器r6和r7在基底13a与13b的底表面之间延伸，所以电阻器r5至r8不受到在用户手指与双侧应变仪12本身的环境温度之间的温度差。因此，即使在极端操作温度处，在不存在力的情况下，对双侧应变仪12的触摸也不导致电阻器r5至r8的电阻改变，这意味着电压vp4-vn4是可忽略的。这个的结果是，δu将是可忽略的(因为vp3-vn3也是可忽略的)，并且因此可以将没有力的触摸与利用力进行的触摸进行区分。即使在由于热传递而在节点n3与p3之间形成不可忽略的电压差分的情况下，由于vp3-vn3与vp4-vn4的数学组合，在节点n3与p3之间的不可忽略的电压差的影响被降低，使得δu将仍是足以可忽略的，以能够将具有力的触摸与没有力的触摸进行区分。
[0058]
本文中所描述的应变仪12可以与电子设备20(诸如智能电话、智能手表、可穿戴设备、平板计算机或笔记本计算机)合并，如图3所示。实际上，应变仪12可以被合并在触摸屏或电子设备20的触摸屏内，或可以被合并在电子设备20的外壳内，例如以创建在电子设备20的侧面或背面上的音量按钮、电源按钮或虚拟助手激活按钮，而无需常规的物理按钮。电子设备20可以包括应变仪控制器21，该应变仪控制器21用于：读取在节点vp3、vn3和vp4、vn4处的电压；计算如以上所描述的δu；确定被施加给应变仪12的力的方向以及来自δu的该力的幅度，并且将所确定的力的方向和幅度报告给电子设备20内的微处理器23。
[0059]
本文公开了一种包括应变仪的电子设备。应变仪包括：基底层，包括位于相同平面中但彼此间隔开的第一基底和第二基底；柔性印刷电路板，包括第一惠斯通电桥和第二惠斯通电桥，柔性印刷电路板绕基底层的端部而包覆，使得柔性印刷电路板与第一基底和第二基底的顶侧以及第一基底和第二基底的底侧二者接触。柔性印刷电路板定位第一惠斯通电桥，使得第一惠斯通电桥中的两个电阻器被定位，以使这两个电阻器从第一基底的顶侧跨到第二基底的顶侧，并且使得第一惠斯通电桥中的剩余电阻器仅被定位在第一基底的顶侧上。柔性印刷电路板定位第二惠斯通电桥，使得第二惠斯通电桥中的两个电阻器被定位，以使这两个电阻器从第一基底的底侧跨到第二基底的底侧，并且使得第二惠斯通电桥中的剩余电阻器仅被定位在第一基底的底侧上。
[0060]
电子设备可以包括应变仪控制器，被配置为：测量在第一惠斯通电桥的第一输出与第二输出之间的电压差；测量在第二惠斯通电桥的第一输出与第二输出之间的电压差；将在第一惠斯通电桥与第二惠斯通电桥之间的电压差分确定为在针对第一惠斯通电桥的电压差与针对第二惠斯通电桥的电压差之间的差。
[0061]
应变仪控制器可以被配置为根据在第一惠斯通电桥电阻器与第二惠斯通电桥电阻器之间的所确定的电压差分来确定被施加给应变仪的力的幅度和方向。
[0062]
第一惠斯通电桥和第二惠斯通电桥可以被耦合在电源电压与接地之间。
[0063]
第一惠斯通电桥可以至少由以下项形成：第一电阻器，被定位以便从第一基底的顶侧跨到第二基底的顶侧；第二电阻器，被定位以便仅被定位在第一基底的顶侧上；第三电阻器，被定位以便从第一基底的顶侧跨到第二基底的顶侧；以及第四电阻器，被定位以便仅被定位在第一基底的顶侧上。第一电阻器和第二电阻器可以串联耦合在电源电压与接地之间，其中第一惠斯通电桥的第一输出电连接在第一电阻器与第二电阻器之间。第三电阻器和第四电阻器可以串联耦合在电源电压与接地之间，其中第一惠斯通电桥的第二输出电连接在第三电阻器与第四电阻器之间。
[0064]
第一电阻器和第四电阻器在物理上被彼此平行定位，并且第二电阻器和第三电阻器在物理上被彼此平行定位。
[0065]
第二惠斯通电桥至少由以下项形成：第五电阻器，被定位以便从第一基底的底侧跨到第二基底的底侧。第六电阻器，被定位以便仅被定位在第一基底的底侧上；第七电阻器，被定位以便从第一基底的底侧跨到第二基底的底侧；以及第八电阻器，被定位以便仅被定位在第一基底的底侧上。第五电阻器和第六电阻器串联耦合在电源电压与接地之间，其中第二惠斯通电桥的第一输出电连接在第五电阻器与第六电阻器之间。第七电阻器和第八电阻器串联耦合在电源电压与接地之间，其中第二惠斯通电桥的第二输出电连接在第七电阻器与第八电阻器之间。
[0066]
第六电阻器和第七电阻器在物理上被彼此平行定位，并且其中第五电阻器和第八电阻器在物理上被彼此平行定位。
[0067]
尽管已针对有限数目的实施例描述了本公开，但受益于本公开的本领域技术人员将理解，不脱离如本文中所公开的本公开的范围的其他实施例可以被设想。因此，本公开的范围将仅由所附权利要求限制。