一种力学感应板

摘要

本发明涉及一种力学感应板，在第一板体的第一滑动面、第二板体的第二滑动面上分别设置第一导电膜、第二导电膜，第一导电膜、第二导电膜分别被图形化为相对应的多个第一应变电阻、第二应变电阻，并且在第一滑动面、第二滑动面之间设置具有流动性的消剪层。受外力按压时，第一滑动面、第二滑动面发生相对滑动，第一板体、第二板体各自发生弯曲，第一导电膜被拉伸而导致其正应力值变小，第二导电膜被压缩而导致其正应力值变大，第一应变电阻、第二应变电阻产生非常清晰的差分信号，提高了探测按压力的准确度与敏感度；消剪层具有流动性，消剪层能够设置得非常薄，保证了其温度的一致性，使差分信号能够更准确地反映出手指在力学感应板之上的按压力。

权利要求

1.一种力学感应板，其特征为：包括平行设置的第一板体、第二板体，以及第一导电膜、第二导电膜和消剪层；第一板体的内侧面为第一滑动面，第二板体的外侧面为第二滑动面，第一导电膜、第二导电膜分别设置在第一滑动面、第二滑动面上，第一导电膜、第二导电膜分别被图形化为相对应的多个第一应变电阻、第二应变电阻，第一应变电阻、第二应变电阻的电阻值分别与第一导电膜、第二导电膜的正应力值构成单调函数；消剪层设置在第一滑动面、第二滑动面之间，消剪层为具有流动性的凝聚态物质层，消剪层的厚度为3～50微米。

2.如权利要求1所述的力学感应板，其特征是：还包括感测电路，所述第一应变电阻、第二应变电阻与感测电路电连接，感测电路被配置为测量第一应变电阻、第二应变电阻的差分变化，并能够根据第一应变电阻、第二应变电阻的差分变化分析出第一板体外侧受到的按压力。

3.如权利要求1所述的力学感应板，其特征是：所述消剪层为液态层。

4.如权利要求3所述的力学感应板，其特征是：所述消剪层为液晶层。

5.如权利要求4所述的力学感应板，其特征是：还包括第一配向层、第二配向层，第一配向层、第二配向层分别设置在所述第一滑动面、第二滑动面之上，并且第一配向层覆盖所述各个第一应变电阻，第二配向层覆盖所述各个第二应变电阻。

6.如权利要求5所述的力学感应板，其特征是：还包括电极机构，电极机构为分别设置在第一板体内侧面以及第二板体外侧面的一对电极，或者，电极机构为设置在第一板体内侧面或第二板体外侧面上的共面电极，当电极机构施加一定的驱动电压时，所述液晶层中的液晶分子至少部分为水平排列。

7.如权利要求1所述的力学感应板，其特征是：所述消剪层还设有球形支撑物。

8.如权利要求1所述的力学感应板，其特征是：所述消剪层处于负压状态。

9.如权利要求1所述的力学感应板，其特征是：所述消剪层的厚度3～10微米。

10.如权利要求1所述的力学感应板，其特征是：所述第一板体、第二板体的厚度相同。

说明书

一种力学感应板

技术领域

[0001] 本发明涉及一种传感器，尤其涉及一种力学感应板。

背景技术

[0002] 现有技术中的力学感应板，一般包括相互重叠的第一导电膜、第二导电膜，第一导电膜、第二导电膜分别被图形化为相互重叠其相对应的第一应变电阻、第二应变电阻，第一应变电阻、第二应变电阻的电阻值分别与第一导电膜、第二导电膜的正应力值构成单调函数，由此，当出现施加在力学感应板之上的压力，如用手指按压力学感应板的表面时，力学感应板的弯曲会导致第一导电膜、第二导电膜之上的正应力发生变化，可根据第一应变电阻、第二应变电阻的电阻值的变化，来对该压力进行探测，其中，由于第一导电膜、第二导电膜相互重叠，并且第一导电膜、第二导电膜处于不同的面上，当力学感应板发生弯曲时，第一导电膜、第二导电膜的应力存在差别，因此，可利用第一应变电阻、第二应变电阻所存在的差分信号来克服由于温度变化对测试结果造成的影响(假设第一、二应变电阻之间的温度差别非常小)，从而使得压力的测量结果更加准确。

[0003] 图1A、图1B为目前一种力学感应板的结构示意图，如图1A所示，第一导电膜01、第二导电膜02之间由基板03隔开，如图1B所示，当力学感应板发生弯曲时，其应力中性面06如图1B所示，第一导电膜01、第二导电膜02分为呈现为压缩应力和拉伸应力，第一导电膜01、第二导电膜02的正应力变化方向相反，因此具有明显的应力差，然而，由于第一导电膜01、第二导电膜02之间隔开了较大的距离，使得当温度变化时(如手指按压时，体温造成的温度变化)，第一应变电阻04、第二应变电阻05之间存在较大的热传递时间，其温度存在较大的差别，使得测量的结果的瞬态准确不高。

[0004] 图2A、图2B为目前另一种力学感应板的结构示意图，如图2A所示，其第一导电膜011、第二导电膜012由一层非常薄的绝缘层013隔开，因此第一应变电阻014、第二应变电阻
015之间的温度差别非常小，如图2B所示，当力学感应板发生弯曲时，其应力中性面016处于基板017的中间位置，由于第一导电膜011、第二导电膜012之间的面间距非常小，第一导电膜011、第二导电膜012产生的不仅都为拉伸应力，并且第一导电膜011、第二导电膜012应力的变化值非常接近，同样使得测量结果不准确。

[0005] 因此，对于这种力学传感器，为了减少第一导电膜、第二导电膜的温度差，需要减少第一导电膜、第二导电膜的面间距，而为了提高第一导电膜、第二导电膜之间的应力差，则需要增加第一导电膜、第二导电膜之间的面间距，这种矛盾的存在，使得其很难获得准确的测量结果。

发明内容

[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种力学感应板，这种力学感应板能够克服第一导电膜与第二导电膜之间的温度差、压力差的矛盾，使压力的测量更加准确。采用的技术方案如下：

[0007] 一种力学感应板，其特征为：包括平行设置的第一板体、第二板体，以及第一导电膜、第二导电膜和消剪层；第一板体的内侧面为第一滑动面，第二板体的外侧面为第二滑动面，第一导电膜、第二导电膜分别设置在第一滑动面、第二滑动面上，第一导电膜、第二导电膜分别被图形化为相对应的多个第一应变电阻、第二应变电阻，第一应变电阻、第二应变电阻的电阻值分别与第一导电膜、第二导电膜的正应力值构成单调函数；消剪层设置在第一滑动面、第二滑动面之间，消剪层为具有流动性的凝聚态物质层，消剪层的厚度为3～50微米。

[0008] 上述的外是指靠近操作者的一侧，而内则是指远离操作者的一侧，例如，对于第一板体来说，第一板体的内侧面远离操作者。

[0009] 上述力学感应板可设置在电子设备的显示器的下方，或显示器盖板与显示器之间，尤其是可以做为显示器的盖板覆盖在显示器之上，甚至与显示器结合在一起。

[0010] 上述第一板体、第二板体可以为玻璃、蓝宝石、钻石、SiO2或者类似聚对苯二甲酸乙二醇脂(PET)或者环烯聚合物(COP)的透明聚合物制作而成的板体。

[0011] 上述第一导电膜、第二导电膜的材料可以为透明导电材料，如聚3，4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)、铟-锡氧化物(ITO)、碳纳米管、石墨烯、镓锌氧化物、铟镓锌氧化物、其它掺杂的或无日期(undated)的金属氧化物、压阻半导体材料、压阻金属材料、银纳米线、铂纳米线，镍纳米线、其它金属纳米线等，或者为非透明导电材料，如康铜、卡马(Karma)合金、掺杂多晶硅或非晶硅或单晶硅或者用于导电部件的其它半导体材料。

[0012] 上述消剪层为有流动性的凝聚态物质层，具体来说，消剪层可以为液态或准液态，如各种液态油、水、液态胶、液态有机溶剂或液晶，也可以为能够在剪切力的作用下流动的准液态，如粘稠度较高的油脂或胶，或者，为液态与准液态的混合态，如液态油与高粘稠度胶的混合物。

[0013] 上述正应力表示第一导电膜、第二导电膜内部的拉伸/压缩应力，应力为正值表示存在压缩应力，应力为负值表示存在拉伸应力。

[0014] 由于消剪层设置在第一绝缘层、第二绝缘层之间，消剪层为具有流动性的凝聚态物质层消剪层，当力学感应板受外力按压而弯曲时，第一滑动面、第二滑动面发生相对滑动，第一滑动面、第二滑动面之间的剪切力传递被彻底消除，第一板体、第二板体各自发生弯曲，具体来说，第一板体、第二板体弯曲时的应力中性面分别处于第一板体、第二板体的中间，使得第一导电膜被拉伸而导致其正应力值变小，第二导电膜被压缩而导致其正应力值变大，从而使得第一应变电阻、第二应变电阻的变化方向相反，第一应变电阻、第二应变电阻产生非常清晰的差分信号，由此提高了探测按压力的准确度与敏感度；另一方面，消剪层采用具有流动性的凝聚态物质层，消剪层能够设置得非常薄(例如，将消剪层的厚度设置为10微米以下)，从而使得第一滑动面、第二滑动面之间的距离能够设置得非常小（即是能够设置得非常贴近），因而能够减少第一滑动面、第二滑动面之间热传递的时间，使得手指按压时，相对应的第一应变电阻、第二应变电阻的温度基本一致，保证了其温度的一致性，避免了温度变化对其差分信号的影响，使其差分信号能够更准确地反映出手指在力学感应板之上的按压力。

[0015] 作为本发明的优选方案，还包括感测电路，所述第一应变电阻、第二应变电阻与感测电路电连接，感测电路被配置为测量第一应变电阻、第二应变电阻的差分变化，并能够根据第一应变电阻、第二应变电阻的差分变化分析出第一板体外侧受到的按压力。具体地，感测电路可以被配置为测量第一应变电阻、第二应变电阻之间电阻差分变化的电桥电路，如果已知第一应变电阻、第二应变电阻的电阻值、温度和应力之间的关系，则可以推导出电阻差分变化与应力之间的关系并省略去温度的影响，这样，该差分变化可推导出力学感应板表面受到的按压力。

[0016] 作为本发明的优选方案，所述消剪层为液态层。将消剪层设置为液态层，具体来说，消剪层可以为各种液态油、水、液态胶、液态有机溶剂或液晶，这样，消剪层能够在非常短的时间之内消除第一滑动面、第二滑动面之间的剪切力，使得差分信号能够更加准确地反应出手指的按压力。

[0017] 作为本发明进一步的优选方案，所述消剪层为液晶层。将消剪层设置为液晶层，当液晶层中的液晶呈现为水平排列时，相比于一般的油类，液晶层具有更高的流动性。由此，其能够进一步在非常短的时间之内消除第一滑动面、第二滑动面之间的剪切力，使得差分信号能够更加准确地反应出手指的按压力。

[0018] 作为本发明更进一步的优选方案，还包括第一配向层、第二配向层，第一配向层、第二配向层分别设置在所述第一滑动面、第二滑动面之上，并且第一配向层覆盖所述各个第一应变电阻，第二配向层覆盖所述各个第二应变电阻。第一配向层、第二配向层对液晶层中的液晶分子具有水平的锚定作用，使得液晶层中的液晶分子呈现为水平排列。第一配向层、第二配向层可以为经过定向摩擦的水平配向聚酰亚胺层，当液晶分子与其接触时，其在定向摩擦的方向上呈现为水平排列，由此可以使得液晶层中的液晶分子大部分呈现为水平排列，使得液晶分子在面向上的流动性更大，由此，其可进一步在非常短的时间之内消除第一滑动面、第二滑动面之间的剪切力，使得差分信号能够更加准确地反应出手指的按压力。

[0019] 作为本发明再更进一步的优选方案，还包括电极机构，电极机构为分别设置在第一板体内侧面以及第二板体外侧面的一对电极，或者，电极机构为设置在第一板体内侧面或第二板体外侧面上的共面电极，当电极机构施加一定的驱动电压时，所述液晶层中的液晶分子至少部分为水平排列。在设置电极机构的情况下，一般还应在第一滑动面与第一配向层之间设置第一绝缘层，在第二滑动面与第二配向层之间设置第二绝缘层，使得电极机构与各个第一应变电阻、第二应变电阻之间绝缘。电极机构无论采用何种设计，当其施加一定电压时，至少能够使液晶层中的液晶分子出现一定的水平排列，由此可使液晶分子在面向上的流动性更大，其可进一步在非常短的时间之内消除第一滑动面、第二滑动面之间的剪切力，使得差分信号能够更加准确地反应出手指的按压力。

[0020] 作为本发明的优选方案，所述消剪层还设有球形支撑物。球形支撑物能够保持消剪层的厚度，由此使第一应变电阻、第二应变电阻之间不容易短路，而将支撑物设置为球状，其允许第一滑动面、第二滑动面发生相互滑动时，其起到一定的滚珠作用，不仅能够更好地保持第一滑动面、第二滑动面之间的零剪切力，还能够减少第一导电膜、第二导电膜的磨损。

[0021] 作为本发明的优选方案，所述消剪层处于负压状态。将消剪层设置为负压状态，也就是说，使得液态的消剪层的内部压力小于大气压，其有利于保持第一滑动面、第二滑动面的相互贴紧，而避免其在弯曲的情况下，发生面与面的分离。

[0022] 作为本发明的优选方案，所述消剪层的厚度3～10微米。将消剪层的厚度设置为小于10微米，能够保证相对应的第一应变电阻、第二应变电阻之间的热传递时间足够小，由此可保证其温度的一致。

[0023] 作为本发明的优选方案，所述第一板体、第二板体的厚度相同。将第一板体、第二板体的厚度配置为相同，使得第一应变电阻、第二应变电阻随应力变化的变化率更为接近，因此，其各自电阻变化的数量级一致，其更加方便探测电路的数据处理。

[0024] 本发明与现有技术相比，具有如下优点：

[0025] 由于消剪层设置在第一绝缘层、第二绝缘层之间，消剪层为具有流动性的凝聚态物质层消剪层，当力学感应板受外力按压而弯曲时，第一滑动面、第二滑动面发生相对滑动，第一滑动面、第二滑动面之间的剪切力传递被彻底消除，第一板体、第二板体各自发生弯曲，使得第一导电膜被拉伸而导致其正应力值变小，第二导电膜被压缩而导致其正应力值变大，从而使得第一应变电阻、第二应变电阻的变化方向相反，第一应变电阻、第二应变电阻产生非常清晰的差分信号，由此提高了探测按压力的准确度与敏感度；另一方面，消剪层采用具有流动性的凝聚态物质层，消剪层能够设置得非常薄，从而使得第一滑动面、第二滑动面之间的距离能够设置得非常小，因而能够减少第一滑动面、第二滑动面之间热传递的时间，使得手指按压时，相对应的第一应变电阻、第二应变电阻的温度基本一致，保证了其温度的一致性，避免了温度变化对其差分信号的影响，使其差分信号能够更准确地反映出手指在力学感应板之上的按压力。

附图说明

[0026] 图1A、图1B是现有技术中一种力学感应板的结构示意图；

[0027] 图2A、图2B是现有技术中另一种力学感应板的结构示意图；

[0028] 图3是本发明优选实施方式的结构示意图；

[0029] 图4是图3沿A-A的剖面图；

[0030] 图5是图4中第一板体受外力按压的示意图；

[0031] 图6是第一应变电阻、第二应变电阻的结构示意图。

具体实施方式

[0032] 下面结合附图和本发明的优选实施方式做进一步的说明。

[0033] 如图3、图4、图5所示，这种力学感应板，包括平行设置的第一板体1、第二板体2，以及第一导电膜3、第二导电膜4、消剪层5、球形支撑物6、第一配向层7、第二配向层8、感测电路（图3、图4、图5中未画出）和电极机构9；第一板体1、第二板体2的厚度相同；第一板体1的内侧面为第一滑动面10，第二板体2的外侧面为第二滑动面11，第一导电膜3、第二导电膜4分别设置在第一滑动面10、第二滑动面11上，如图6所示，第一导电膜3、第二导电膜4分别被图形化为相对应的多个第一应变电阻301、第二应变电阻401，第一应变电阻301、第二应变电阻401均为迂回结构，第一应变电阻301、第二应变电阻401的两端分别设有往外延伸的引出端302、402，第一应变电阻301、第二应变电阻401的电阻值分别与第一导电膜3、第二导电膜4的正应力值构成单调函数；第一配向层7、第二配向层8分别设置在第一滑动面10、第二滑动面11之上，并且第一配向层7覆盖各个第一应变电阻301，第二配向层8覆盖各个第二应变电阻401；消剪层5为液晶层5′，液晶层5′设置在第一配向层7、第二配向层8之间（由于第一配向层7、第二配向层8分别设置在第一滑动面10、第二滑动面11之上，因此，液晶层5′也就设置在第一滑动面10、第二滑动面11之间），液晶层5′的厚度5微米（3～50微米都可以），液晶层5′处于负压状态；球形支撑物6设置在液晶层5′中；电极机构9为设置在第二板体2外侧面（或第一板体1内侧面）上的共面电极，当电极机构9施加一定的驱动电压时，液晶层5′中的液晶分子至少部分为水平排列，在第一滑动面10与第一配向层7之间还设置有第一绝缘层12，在第二滑动面11与第二配向层8之间还设置有第二绝缘层13，使得电极机构9与各个第一应变电阻301、第二应变电阻401之间绝缘；第一应变电阻301、第二应变电阻401的引出端302、402分别与感测电路电连接，感测电路被配置为测量第一应变电阻301、第二应变电阻401的差分变化，并能够根据第一应变电阻301、第二应变电阻401的差分变化分析出第一板体1外侧受到的按压力。

[0034] 如图5所示，由于作为消剪层5的液晶层5′设置在第一配向层7、第二配向层8之间，液晶层5′具有流动性，当力学感应板受外力按压而弯曲时，第一滑动面10、第二滑动面11发生相对滑动，第一滑动面10、第二滑动面11之间的剪切力传递被彻底消除，第一板体1、第二板体2各自发生弯曲，具体来说，第一板体1、第二板体2弯曲时的应力中性面14、15分别处于第一板体1、第二板体2的中间，使得第一导电膜3被拉伸而导致其正应力值变小，第二导电膜4被压缩而导致其正应力值变大，从而使得第一应变电阻301、第二应变电阻401的变化方向相反，第一应变电阻301、第二应变电阻401产生非常清晰的差分信号，由此提高了探测按压力的准确度与敏感度；另一方面，液晶层5′由于具有流动性，液晶层5′能够设置得非常薄(例如，将液晶层5′的厚度设置为10微米以下)，从而使得第一滑动面10、第二滑动面11之间的距离能够设置得非常小（即是能够设置得非常贴近），因而能够减少第一滑动面10、第二滑动面11之间热传递的时间，使得手指按压时，相对应的第一应变电阻301、第二应变电阻401的温度基本一致，保证了其温度的一致性，避免了温度变化对其差分信号的影响，使其差分信号能够更准确地反映出手指在力学感应板之上的按压力。

[0035] 另外，将消剪层5设置为液晶层5′，当液晶层5′中的液晶呈现为水平排列时，相比于一般的油类，液晶层5′具有更高的流动性。由此，其能够进一步在非常短的时间之内消除第一滑动面10、第二滑动面11之间的剪切力，使得差分信号能够更加准确地反应出手指的按压力。进一步设置第一配向层7、第二配向层8，当液晶分子与其接触时，其在定向摩擦的方向上呈现为水平排列，由此可以使得液晶层5′中的液晶分子大部分呈现为水平排列，使得液晶分子在面向上的流动性更大，由此，其可进一步在非常短的时间之内消除第一滑动面10、第二滑动面11之间的剪切力，使得差分信号能够更加准确地反应出手指的按压力。更进一步地，设置电极机构9，当电极机构9施加一定电压时，至少能够使液晶层5′中的液晶分子出现一定的水平排列，由此可使液晶分子在面向上的流动性更大，其可进一步在非常短的时间之内消除第一滑动面10、第二滑动面11之间的剪切力，使得差分信号能够更加准确地反应出手指的按压力。

[0036] 另外，球形支撑物能够保持液晶层5′的厚度，由此使第一应变电阻301、第二应变电阻401之间不容易短路，而将支撑物设置为球形支撑物6，其允许第一滑动面10、第二滑动面11发生相互滑动时，其起到一定的滚珠作用，不仅能够更好地保持第一滑动面10、第二滑动面11之间的零剪切力，还能够减少第一导电膜3、第二导电膜4的磨损。

[0037] 另外，将液晶层5′设置为负压状态，也就是说，使得液晶层5′的内部压力小于大气压，其有利于保持第一滑动面10、第二滑动面11的相互贴紧，而避免其在弯曲的情况下，发生面与面的分离。

[0038] 在其它实施方式中，消剪层5可以为其它的液态或准液态，如各种液态油、水、液态胶、液态有机溶剂，也可以为能够在剪切力的作用下流动的准液态，如粘稠度较高的油脂或胶，或者，为液态与准液态的混合态，如液态油与高粘稠度胶的混合物。

[0039] 在其它实施方式中，电极机构9为分别设置在第一板体1内侧面以及第二板体2外侧面的一对电极。

[0040] 此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其各部分名称等可以不同，凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。