CN107850499A - 电子设备中的透明应变传感器 - Google Patents

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M·沃斯古瑞特凯恩
J·S·史密斯
S·费利兹
J·E·皮德尔
许廷军
温肖楠
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Abstract

本发明提供了可被包括在电子设备中的一个或多个应变传感器。每个应变传感器包括应变敏感元件和直接连接到所述应变敏感元件的一个或多个应变信号线。所述一个或多个应变传感器用于检测施加到所述电子设备、所述电子设备中的部件和/或所述电子设备的输入区域或表面上的力。应变敏感元件被形成为或处理成具有第一仪表系数，并且所述一个或多个应变信号线被形成为或处理成具有不同的第二仪表系数。除此之外或另选地，应变敏感元件被形成为或处理成具有第一导电率，并且所述一个或多个应变信号线被形成为或处理成具有不同的第二导电率。

Description

电子设备中的透明应变传感器
相关专利申请的交叉引用
本专利合作条约主申请要求于2015年7月21日提交的名称为“TransparentStrain Sensors in an Electronic Device”的美国临时专利申请62/195,030以及于2015年8月11日提交的名称为“Transparent Strain Sensors in an Electronic Device”的美国非临时性专利申请14/823,910的优先权，所述专利申请的内容据此全文以引用方式并入本文。
技术领域
本文所述的实施方案总体涉及电子设备。更具体地讲，本发明实施方案涉及电子设备中的一个或多个透明应变传感器。
背景技术
应变仪或应变传感器用于检测或测量对象上的应变。通常，应变传感器的电阻与其正经受的压缩力和张力成比例地变化。应变传感器的仪表系数表示材料对应变的敏感度。换句话讲，仪表系数指示应变传感器的电阻随应变而变化的程度。仪表系数越高，电阻变化越大。更高的仪表系数允许检测和测量更大范围的应变。
在一些情况下，期望应变传感器由透明材料制成。例如，当应变传感器位于应变传感器可由用户(例如，通过显示器)可视地检测到的区域中时，可使用透明应变传感器。然而，用于形成透明应变传感器的一些材料具有低仪表系数或者零仪表系数。
发明内容
一个或多个透明应变传感器可被包括在电子设备中。如本文所用，术语“应变传感器”是指应变敏感元件和直接连接到应变敏感元件的一个或多个应变信号线。在一个实施方案中，该一个或多个应变传感器用于检测施加到电子设备、电子设备中的部件诸如输入按钮和/或电子设备的输入区域或表面的力。在一个非限制性示例中，包括一个或多个应变传感器的力感测设备可被结合到电子设备的显示叠堆中。当用户正在观看显示器时，该一个或多个应变传感器可被定位在显示叠堆的对用户可见的区域中。如此，该一个或多个透明应变传感器可由一种透明导电材料或者两种或更多种透明导电材料形成。
在一些实施方案中，每个透明应变敏感元件被形成为或处理成具有第一仪表系数和第一导电率。每个透明应变信号线被形成为或处理成具有不同的第二仪表系数和不同的第一导电率。例如，在一个实施方案中，形成透明应变敏感元件的一种或多种透明材料可比至少一个透明应变信号线的一种或多种透明材料具有更高的仪表系数，而透明应变敏感元件的导电率可小于一个或多个透明应变信号线的导电率。因此，透明应变敏感元件被配置为对应变比一个或多个透明应变信号线更敏感，并且该一个或多个透明应变信号线被配置为更有效地传输信号。
在一个方面，透明应变传感器包括透明应变敏感元件和直接连接到应变敏感元件的透明应变信号线。透明应变敏感元件被形成为包括具有第一仪表系数的第一透明导电材料。透明应变信号线由具有第二仪表系数的第二透明导电材料形成。在一个实施方案中，第一仪表系数可大于第二仪表系数。除此之外或另选地，第一透明导电材料可具有第一电阻，并且第二透明导电材料可具有第二电阻，其中第一电阻大于第二电阻。在一个非限制性示例中，透明应变敏感元件可由透明GZO膜或透明AZO膜形成，并且至少一个透明应变信号线由透明ITO膜形成。
在另一方面，透明应变传感器可由混合透明导电材料形成，该混合透明导电材料包括具有第一仪表系数和第一电阻的至少一个第一透明导电段和具有第二仪表系数和第二电阻的至少一个第二透明导电段。第一透明导电段连接到第二透明导电段。第一仪表系数可大于第二仪表系数并且第一电阻大于第二电阻。
在另一方面，透明应变传感器可包括透明应变敏感元件和直接连接到该透明应变敏感元件的至少一个透明应变信号线。透明应变敏感元件和一个或多个透明应变信号线可由相同的透明导电材料形成，但应变敏感元件中和/或至少一个应变信号线中的一种或多种透明导电材料可掺杂有一种或多种掺杂物以改变透明导电材料的仪表系数和/或导电率。因此，透明应变敏感元件和至少一个透明应变信号线可具有不同的仪表系数和/或电导率。在一些实施方案中，透明应变敏感元件的仪表系数大于至少一个应变信号线的仪表系数。除此之外或另选地，透明应变敏感元件可具有第一电阻，并且一个或多个透明应变信号线可具有第二总电阻，其中第一电阻大于第二电阻。
在又一方面，一种用于制造透明应变传感器的方法可包括：在基板上提供透明应变敏感元件并且提供透明应变信号线，该透明应变信号线直接连接到基板上的透明应变敏感元件。透明应变敏感元件由具有第一仪表系数的一种或多种透明导电材料形成。透明应变信号线由具有不同的第二仪表系数的一种或多种透明导电材料形成。
在另一方面，一种用于制造透明应变传感器的方法可包括：在基板上提供透明应变敏感元件，其中该透明应变敏感元件包括一种或多种透明导电材料；以及提供透明应变信号线，该透明应变信号线直接连接到基板上的应变敏感元件。对透明应变敏感元件的一种或多种透明导电材料进行处理以增加透明应变敏感元件的仪表系数。在一个非限制性示例中，可对该一种或多种透明导电材料进行激光退火处理以增加透明应变敏感元件的结晶度，这导致更高的仪表系数。在一些实施方案中，透明应变信号线也可由相同或不同的一种或多种透明导电材料形成，并且可对透明应变信号线的一种或多种透明导电材料进行处理以增加透明应变信号线的导电率。
在又一方面，一种用于制造透明应变传感器的方法可包括：在基板上提供透明应变敏感元件并且提供直接连接到基板上的应变敏感元件的透明应变信号线。该透明应变信号线由一种或多种透明导电材料形成。可对透明应变信号线的该一种或多种透明导电材料进行处理以增加透明应变信号线的导电率。在一个非限制性示例中，该一种或多种透明导电材料可掺杂有一种或多种掺杂物，该一种或多种掺杂物降低应变信号线的总电阻，这继而增加了透明应变信号线的导电率。
在又一方面，电子设备可包括覆盖玻璃和定位在覆盖玻璃下方的应变感测结构。应变感测结构可包括基板、定位在基板的第一表面上的第一透明应变敏感元件和定位在基板的第二表面上的第二透明应变敏感元件。一个或多个透明应变信号线连接到每个透明应变敏感元件。在一些实施方案中，第一透明应变敏感元件和第二透明应变敏感元件的仪表系数比透明应变信号线的仪表系数大。感测电路电连接到透明应变信号线，而控制器可操作地连接到感测电路。控制器被配置为基于从感测电路接收到的信号来确定施加到覆盖玻璃上的力的大小。在一些实施方案中，当用户正在观看显示器时，第一透明应变敏感元件和第二透明应变敏感元件以及透明应变信号线被定位在显示叠堆的对用户可见的区域中。
附图说明
通过以下结合附图的具体实施方式，本公开将易于理解，其中类似的附图标号指示类似的结构元件，并且其中：
图1示出了可包括一个或多个应变传感器的电子设备的一个示例；
图2示出了适用于在电子设备的显示叠堆中使用的示例性应变敏感结构的平面图；
图3示出了可在图2所示的示例性应变敏感结构中使用的光学透明螺线形应变敏感元件的一个示例的平面图；
图4是图2中所示区域的放大视图；
图5是用于制造应变传感器的第一方法的流程图；
图6是适于用作图2所示的应变敏感结构的第一应变敏感结构沿图4中的线AA截取的简化横截面图；
图7是适于用作图2所示的应变敏感结构的第二应变敏感结构沿图4中的线AA截取的简化横截面图；
图8是适于用作图2和图4所示的应变敏感元件的应变敏感元件的第三示例的平面图；
图9是用于制造应变传感器的第二方法的流程图；
图10是用于制造应变传感器的第三方法的流程图；
图11是用于制造应变传感器的第四方法的流程图；
图12是可包括一个或多个应变传感器的电子设备的例示性框图；
图13是包括应变传感器的示例性显示叠堆的横截面图；
图14是响应力的应变敏感结构的简化横截面图；并且
图15是可操作地连接到应变传感器的感测电路的简化示意图。
具体实施方式
现在将具体地参考在附图中示出的代表性实施方案。应当理解，以下描述并非旨在将实施方案限制于一个优选实施方案。相反，其旨在涵盖可被包括在由所附权利要求限定的所述实施方案的实质和范围内的另选形式、修改形式和等同形式。
以下公开内容涉及包括一个或多个应变传感器的电子设备，该一个或多个应变传感器被配置为基于施加到电子设备、电子设备中的部件和/或电子设备的输入区域上的力的大小来检测应变。作为一个示例，该一个或多个应变传感器可被结合到电子设备的显示叠堆中，并且显示屏的顶表面的至少一部分可以是输入区域。在一些实施方案中，当用户正在观看显示器时，该一个或多个透明应变传感器位于显示叠堆的对用户可见的区域中。如本文所用，术语“应变传感器”包括应变敏感元件和物理地或直接连接到应变敏感元件的至少一个应变信号线。此外，“光学透明”和“透明”被广义地定义为包括透明、半透明或者肉眼不可辨的材料。
在一些实施方案中，每个应变敏感元件被形成为或处理成具有第一仪表系数和第一导电率。每个应变信号线被形成为或处理成具有不同的第二仪表系数和不同的第一导电率。例如，在一个实施方案中，形成应变敏感元件的一种或多种材料可比至少一个应变信号线的一种或多种材料具有更高的仪表系数，而应变敏感元件的导电率可小于一个或多个应变信号线的导电率。因此，应变敏感元件被配置为对应变比一个或多个应变信号线更敏感，并且一个或多个应变信号线被配置为更有效地传输信号。在非限制性示例中，应变敏感元件可由透明GZO膜或透明AZO膜形成，而至少一个应变信号线由透明ITO膜形成。
在一些实施方案中，应变敏感元件或应变信号线的仪表系数和/或导电率可至少部分地基于包括一个或多个应变传感器的电子设备或该电子设备中的部件的结构和/或操作条件。
在另一个实施方案中，可在应变敏感元件和一个或多个应变信号线形成之后对应变敏感元件和/或连接到应变敏感元件的一个或多个应变信号线进行处理。在非限制性示例中，用于形成应变敏感元件和一个或多个应变信号线的材料可以是相同的一种或多种材料，并且对应变敏感元件中的一种或多种材料和/或应变信号线中的一种或多种材料进行处理以调整该经处理的部件的导电率和/或仪表系数。在一个实施方案中，可对应变敏感元件进行激光退火处理以增加应变敏感元件的结晶度，这导致更高的仪表系数。除此之外或另选地，该一个或多个应变信号线可掺杂有一种或多种掺杂物，该一种或多种掺杂物降低该一个或多个应变信号线的总电阻，这继而增加了该一个或多个应变信号线的导电率。
并且在另一个实施方案中，可调整用于形成应变敏感元件和/或一个或多个应变信号线的构造过程中的一个或多个参数，以增加该部件的仪表系数和/或导电率。例如，在一个实施方案中，当将应变敏感元件沉积到基板上时可增加氧气的流速。较高的氧气流速可降低应变敏感元件中载流子浓度和/或载流子的迁移率。在另一个实施方案中，可调整用于形成应变敏感元件和/或一个或多个应变信号线的材料的厚度，以增加该部件的仪表系数或导电率。
方向性术语，诸如“顶部”、“底部”、“前部”、“后部”、“头部”、“尾部”等参考所述一个或多个附图的取向来使用。因为本文所述的实施例的部件可以多个不同的取向定位，所以方向性术语仅用于说明的目的并且不以任何方式进行限制。当结合显示器或设备的层一起使用时，方向性的术语旨在被广泛地解释，并且因此不应当被解释为排除一个或多个居间层或其他居间特征部或元件的存在。因此，被描述为形成在、定位在或设置在另一个层上或上方或者被描述为形成在、定位在、设置在另一个层下或下方的给定层可由一个或多个附加的层或元件与后一个层分开。
以下参考图1至图15来论述这些和其他实施方案。然而，本领域的技术人员将容易地理解，本文相对于这些附图所给出的详细描述仅出于说明性目的，而不应被理解为是限制性的。
图1示出了可包括一个或多个应变传感器的电子设备的一个示例。在例示的实施方案中，电子设备100被实现为智能电话。其他实施方案可以不同方式来实现该电子设备。例如，电子设备可以是膝上型计算机、平板计算设备、可穿戴计算设备、智能手表、数字音乐播放器、显示器输入设备、遥控设备以及包括一个或多个应变传感器的其他类型的电子设备。
电子设备100包括围绕显示器104和一个或多个输入/输出(I/O)设备106(示出为按钮)的外壳102。外壳102可形成电子设备100的内部部件的外表面或部分外表面，并可至少部分地围绕显示器104。外壳102可由可操作地连接在一起的一个或多个部件形成，诸如前件和后件。另选地，该外壳102可由可操作地连接到显示器104的单个件形成。
显示器104可使用任何合适的显示器来实现，包括但不限于使用液晶显示器(LCD)技术、发光二极管(LED)技术、有机发光显示器(OLED)技术或有机电致发光(OEL)技术的多触摸感测触摸屏设备。
在一些实施方案中，I/O设备106可采取home按钮的形式，其可为机械按钮、软按钮(例如，不能物理地移动但仍接受输入的按钮)、显示器上的图标或图像等等。此外，在一些实施方案中，按钮可集成为电子设备的覆盖玻璃的一部分。虽然在图1中未示出，但电子设备100可包括其他类型的I/O设备，诸如麦克风、扬声器、相机以及一个或多个端口(诸如网络通信端口和/或电源线端口)。
应变传感器可被包括在电子设备100的一个或多个位置中。例如，在一个实施方案中，一个或多个应变传感器可被包括在I/O设备106中。一个或多个应变传感器可用于测量施加到I/O设备106上的力的大小和/或力的变化。除此之外或另选地，一个或多个应变传感器可被定位在外壳的至少一部分下方，以检测施加到外壳上的力和/或力的变化。除此之外或另选地，一个或多个应变传感器可被包括在显示器104的显示叠堆中。一个或多个应变传感器可用于测量施加到显示器或显示器的一部分上的力的大小和/或力的变化。如前所述，应变传感器包括应变敏感元件和物理地或直接连接到应变敏感元件的至少一个应变信号线。
在一个非限制性示例中，显示器的整个顶表面可以是被配置为从用户接收一个或多个力输入的输入区域。图2示出了适用于在显示叠堆中使用的示例性应变敏感结构的平面图。应变敏感结构200可包括形成在基板202之中或之上的独立光学透明应变敏感元件204的栅格。应变敏感元件204可形成在基板202的一个或两个表面的至少一部分之中或之上。基板202可由任何合适的一种或多种材料形成。在一个实施方案中，基板202由光学透明材料诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)形成。
如前所述，应变敏感元件204被配置为基于施加到显示器的输入区域上的力的大小来检测应变。应变敏感元件204可由一种或多种透明导电材料例如聚乙烯氧基噻吩(PEDOT)、掺锡氧化铟(ITO)膜、掺镓氧化锌(GZO)膜、掺铝锌氧化物(AZO)膜、碳纳米管、石墨烯、银纳米线、其他金属纳米线等形成。在某些实施方案中，应变敏感元件204可至少部分地基于温度特性来选择。例如，为透明应变敏感元件204所选择的材料可具有负温度系数的电阻，使得电阻随温度升高而减小。
在该示例中，透明应变敏感元件204被形成为直线型感测元件阵列，但也可使用其他形状和阵列图案。在许多示例中，每个单独的应变敏感元件204可具有所选择的形状和/或图案。例如，在某些实施方案中，应变敏感元件204可以以螺线形图案(诸如图3所示的图案)沉积。在其他实施方案中，应变敏感元件204可具有不同的图案或配置。
应变敏感元件204可包括被配置为物理地或直接连接到一个或多个应变信号线(未示出)的至少两个电极300、302。该一个或多个应变信号线可连接到导电接触件206，该导电接触件可操作地将应变敏感元件204连接到感测电路(未示出)。导电接触件206可以是连续接触件或者可被形成为围绕或部分围绕应变敏感元件204的阵列的区段。在其他实施方案中，应变敏感元件204可电连接到感测电路而无需使用电极。例如，应变敏感元件204可使用被形成为膜层的一部分的导电迹线连接到感测电路。
现在参见图4，其示出了图2所示区域208的放大视图。每个应变敏感元件204的电极300、302分别使用应变信号线400、402连接到导电接触件206。应变敏感元件204和物理地或直接连接到应变敏感元件204的应变信号线400、402一起形成应变传感器404。在一些实施方案中，应变敏感元件204和/或一个或多个应变信号线400、402的仪表系数和/或导电率可至少部分地基于应变敏感结构200的配置、包括一个或多个应变传感器的电子设备的操作条件和/或该电子设备中的部件(例如，显示器)的操作条件。
图5是用于制造应变传感器的第一方法的流程图。首先，提供一个或多个应变敏感元件，该一个或多个应变敏感元件具有已被形成为或处理成具有第一导电率和第一仪表系数的材料或材料组合(框500)。接下来，如框502中所示，提供直接连接到每个应变敏感元件的一个或多个应变信号线，其中该一个或多个应变信号线包括已被形成为或处理成具有不同的第二导电率和不同的第二仪表系数的材料或材料组合。结合图6至图11更详细地描述了此类应变敏感元件和一个或多个应变信号线的各种实施方案。
在一个实施方案中，每个应变敏感元件的一种或多种材料具有比至少一个应变信号线的一种或多种材料的导电率更低的导电率。例如，每个应变敏感元件的一种或多种材料可比至少一个应变信号线的一种或多种材料具有更高的电阻。此外，应变敏感元件的第一仪表系数高于连接到应变敏感元件的至少一个应变信号线的第二仪表系数。因此，应变敏感元件对应变比一个或多个应变信号线更敏感，并且该一个或多个应变信号线被配置为更有效地传输信号。在非限制性示例中，应变敏感元件可由透明GZO膜或透明AZO膜形成，并且至少一个应变信号线由透明ITO膜形成。
现在参见图6，其示出了适于用作图2所示的应变敏感结构200的第一应变敏感结构沿图4中的线AA截取的简化横截面图。应变敏感结构600包括设置在基板202的表面上的应变敏感元件204。应变敏感元件204连接到至少一个应变信号线400。如前所述，应变敏感元件204由具有第一导电率和第一仪表系数的材料或材料组合制成，并且至少一个应变信号线400由具有不同的第二导电率和不同的第二仪表系数的材料或材料组合制成。
至少一个应变信号线400连接到导电接触件206。在一些实施方案中，导电接触件由铜制成并且被定位在电子设备的不可见区域中(例如，在显示器的不可见区域中)。电介质或绝缘层602可设置在至少一个应变信号线400和应变敏感元件204的至少一部分上方。绝缘层602可用作应变信号线400和应变敏感元件204的保护层。在应变敏感元件和一个或多个应变信号线由基本上透明的一种或多种材料形成的实施方案中，绝缘层602可由具有与应变敏感元件204和/或至少一个应变信号线400的折射率基本上匹配的折射率的材料或材料组合制成。
图7是适于用作图2所示的应变敏感结构200的第二应变敏感结构沿图4中的线AA截取的简化横截面图。除了应变敏感元件204之外，应变敏感结构700与图6所示的应变敏感结构600类似。在图7的实施方案中，应变敏感元件204是包括位于两个导电材料层704之间的绝缘材料层702的交替的多层透明导电结构。每个导电材料层704可由具有第一导电率和第一仪表系数的材料或材料组合制成。在一些实施方案中，应变敏感元件204的多层结构被配置为比图6中的应变敏感元件204(例如，导电材料的固体层)具有更低的总电阻同时仍提供更高的仪表系数。在一个非限制性示例中，每个透明导电材料层可由透明GZO膜或透明AZO膜形成。
连接到应变敏感元件204的应变信号线400可由具有与应变敏感元件204的多层结构的总导电率和仪表系数不同的导电率和仪表系数的材料或材料组合形成。如前所述，应变敏感元件204的总导电率可小于一个或多个应变信号线的导电率，而应变敏感元件204的仪表系数可大于一个或多个应变信号线的仪表系数。
在图6和图7所示的实施方案中，应变敏感元件具有比连接到应变敏感元件的至少一个应变信号线的仪表系数更高的仪表系数。更高的仪表系数允许应变敏感元件对应变比一个或多个应变信号线更敏感。另外，在一些实施方案中，一个或多个应变信号线的导电率高于应变敏感元件的导电率。因为较高的导电率，该一个或多个应变信号线有效地将由应变敏感元件产生的信号传输到导电接触件206。
现在参见图8，其示出了适于用作图2和图4所示的应变敏感元件204的应变敏感元件的第三示例的平面图。应变敏感元件800是由两种或更多种具有不同特性的材料形成的混合应变敏感元件。在例示的实施方案中，混合应变敏感元件800中的一个区段802由具有第一导电率和第一仪表系数的第一导电材料制成，而另一区段804由具有不同的第二导电率和不同的第二仪表系数的第二导电材料制成，其中第一导电率大于第二导电率并且第二仪表系数大于第一仪表系数。
直接连接到混合应变敏感元件的一个或多个应变信号线被形成为或处理成具有与应变敏感元件的总仪表系数和总导电率不同的仪表系数和导电率。例如，应变敏感元件具有比至少一个应变信号线的仪表系数更大的总仪表系数。较高的总仪表系数允许应变敏感元件对应变比一个或多个应变信号线更敏感。另外，在一些实施方案中，一个或多个应变信号线的导电率高于应变敏感元件的总导电率。基于较高的导电率，一个或多个应变信号线可将由应变敏感元件产生的信号有效地传输到导电接触件206(参见图2和图4)。
区段802、804可具有相同的尺寸，或者一个区段(例如，区段802)可具有不同于另一区段(例如，区段804)的尺寸的尺寸。例如，一个区段可比另一区段更长，这可导致特定的仪表系数和/或导电率。在一些实施方案中，该特定的仪表系数可以是等于或大于阈值仪表系数的仪表系数。该特定的仪表系数和/或导电率可至少部分地基于包括一个或多个混合应变传感器的电子设备或该电子设备中的部件的结构和/或操作条件。在一个实施方案中，至少两个相同的区段(例如，至少两个区段802)可具有不同的尺寸。因此，至少一个区段802可具有不同于另一区段802的尺寸和/或至少一个区段804可具有不同于另一区段804的尺寸。在另一个实施方案中，所有的区段可具有不同的尺寸。并且在一些实施方案中，混合应变敏感元件800可由三种或更多种具有不同特性的材料形成。
图6至图8所示的实施方案的应变传感器由两种或更多种不同的材料形成。材料针对特定的仪表系数和/或电导率来选择。其他实施方案可通过在应变敏感元件和一个或多个应变信号线形成之后对应变敏感元件和/或连接到应变敏感元件的一个或多个应变信号线进行处理来制造应变传感器。例如，在一些实施方案中，用于形成应变敏感元件和应变信号线的材料是相同的材料，并且对应变敏感元件和/或应变信号线进行处理以调整该经处理的部件的导电率和/或仪表系数。图9和图10所示的方法分别对应变敏感元件和一个或多个应变信号线进行处理。
图9是用于制造应变传感器的第二方法的流程图。首先，如框900所示，提供应变敏感元件和连接到应变敏感元件的一个或多个应变信号线。应变敏感元件和一个或多个应变信号线均由一种或多种合适的材料形成。如前所述，在一些实施方案中，应变敏感元件和一个或多个应变信号线由相同的材料例如透明导电氧化物膜形成。接下来，如框902所示，对应变敏感元件进行处理以增加应变敏感元件的仪表系数。可使用增加应变敏感元件的仪表系数的任何合适的技术来对应变敏感元件进行处理。例如，在一个实施方案中，对应变敏感元件进行激光退火处理以增加应变敏感元件的结晶度，这导致更高的仪表系数。
图10是用于制造应变传感器的第三方法的流程图。首先，如框900所示，提供应变敏感元件和连接到应变敏感元件的一个或多个应变信号线。应变敏感元件和一个或多个应变信号线均由一种或多种合适的材料形成。如前所述，在一些实施方案中，应变敏感元件和一个或多个应变信号线由相同的材料例如透明导电氧化物膜形成。
接下来，如框1000所示，对该一个或多个应变信号线进行处理以增加该一个或多个应变信号线的导电率。可使用增加一个或多个应变信号线的导电率的任何合适的技术来对一个或多个应变信号线进行处理。例如，在一个实施方案中，该一个或多个应变信号线掺杂有一种或多种掺杂物，该一种或多种掺杂物降低该一个或多个应变信号线的总电阻，这继而增加了该一个或多个应变信号线的导电率。例如，该一种或多种掺杂物可扩散到一个或多个应变信号线中以增加该一个或多个应变信号线的导电率。
在又一些实施方案中，可调整用于形成应变敏感元件和/或一个或多个应变信号线的构造过程中的一个或多个参数，以增加该部件的仪表系数和/或导电率。图11是用于制造应变传感器的第四示例性方法的流程图。首先，调整用于在基板上形成应变敏感元件的过程的一个或多个参数，以产生具有较高仪表系数的应变敏感元件。例如，在一个实施方案中，当将应变敏感元件沉积到基板上时增加氧气的流速。较高的氧气流速可降低应变敏感元件中载流子浓度和/或载流子的迁移率。在另一个实施方案中，调整用于形成应变敏感元件的材料的厚度以增加应变敏感元件的仪表系数和/或降低电阻。例如，可将应变敏感元件中的材料形成为较薄的层以产生较低的电阻率。
接下来，如框1102所示，一个或多个应变信号线被形成在基板上并且连接到应变敏感元件。可改变用于形成一个或多个应变信号线的构造过程中的一个或多个参数以增加该一个或多个应变信号线的导电率。除此之外或另选地，可在形成之后对该一个或多个应变信号线进行处理以增加该一个或多个应变信号线的导电率。
在一些实施方案中，可在基板(例如，图2中的基板202)的表面上方或延伸整个表面形成整片的透明导电氧化物膜，并且选择待处理以产生应变敏感元件和/或应变信号线的膜的区域或面积。例如，可在透明导电氧化物膜上方形成掩模，其中移除与应变敏感元件的位置对应的掩模的选定区域。然后可对透明导电氧化物膜的暴露的选定区域进行掺杂，以在整片的透明导电氧化物膜中产生应变敏感元件。可选择一种或多种掺杂物以产生具有特定仪表系数或者具有等于或大于阈值仪表系数的仪表系数的应变敏感元件。类似地，可移除与应变信号线的位置对应的掩模的选定区域，并且可对透明导电氧化物膜的暴露的选定区域进行掺杂，以在整片的透明导电氧化物膜中产生应变信号线。可选择一种或多种掺杂物以产生具有特定导电率或者具有等于或大于阈值导电率的导电率的应变信号线。
在其他实施方案中，可在基板(例如，图2中的基板202)的表面上方形成两个或更多个透明导电氧化物膜片，并且选择待处理以产生应变敏感元件和/或应变信号线的膜的区域或面积。例如，可在透明导电氧化物膜的至少一部分上形成具有对应于应变敏感元件的位置的开口的掩模。然后可对透明导电氧化物膜的暴露区域进行掺杂以在整片的透明导电氧化物膜中产生应变敏感元件。可在导电氧化物薄膜片的至少一部分上方形成第二掩模。第二掩模可在对应于应变信号线的位置的位置处具有开口。可对透明导电氧化物膜的暴露选定区域进行掺杂以产生应变信号线。
现在参见图12，其示出了可包括一个或多个应变传感器的电子设备的例示性框图。如前所述，一个或多个应变传感器可位于电子设备的各种部件上和/或一个或多个不同位置处，以检测施加在部件上或电子设备上的力。所示的电子设备1200可包括一个或多个处理设备1202、存储器1204、一个或多个输入/输出(I/O)设备1206、电源1208、一个或多个传感器1210、网络通信接口1212和显示器1214，其中将更详细地讨论每个部件。
该一个或多个处理设备1202可控制电子设备1200的一些或所有操作。一个或多个处理设备1202可直接或间接地与设备的基本上所有部件进行通信。例如，一个或多个***总线1216或其他通信机构可提供一个或多个处理设备1202、存储器1204、一个或多个I/O设备1206、电源1208、一个或多个传感器1210、网络通信接口1212和/或显示器1214之间的通信。至少一个处理设备可被配置为基于从一个或多个应变传感器接收到的信号来确定施加到I/O设备1206、显示器和/或电子设备1200上的力的大小和/或力的变化。
一个或多个处理设备1202可以实现为能够处理、接收或传输数据或指令的任何电子设备。例如，一个或多个处理设备1202可为微处理器、中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)或多个此类设备的组合。如本文所述，术语“处理设备”意在涵盖单个处理器或处理单元、多个处理器、多个处理单元或其他适当配置的一个或多个计算元件。
存储器1204可存储可由电子设备1200使用的电子数据。例如，存储器1204可存储电子数据或内容诸如音频文件、文档文件、定时和控制信号、操作设置和数据以及图像数据。存储器1204可被配置为任何类型的存储器。仅以举例的方式，存储器1204可以实现为任何组合形式的随机存取存储器、只读存储器、闪存存储器、可移除存储器或其他类型的存储元件。
一个或多个I/O设备1206可将数据传输到用户或另一个电子设备或从用户或另一个电子设备接收数据。一个或多个示例性I/O设备1206包括但不限于触摸感测设备，诸如触摸屏或触控板、一个或多个按钮、麦克风、触觉设备、扬声器和/或力感测设备1218。力感测设备1218可包括一个或多个应变传感器。该一个或多个应变传感器可被配置为前文结合图2至图11所述的应变传感器中的一者。
作为一个示例，图1所示的I/O设备106可包括力感测设备1218。如前所述，力感测设备1218可包括根据图2至图11所示的实施方案中的一者来配置的一个或多个应变传感器。可基于从一个或多个应变传感器接收到的一个或多个信号来确定施加到I/O设备106上的力的大小和/或所施加的力的大小的变化。
电源1208可利用能够向电子设备1200提供能量的任何设备来实现。例如，电源1208可为一个或多个电池或可再充电电池，或将电子设备连接至另一电源诸如壁式电源插座的连接缆线。
电子设备1200还可包括基本上被定位在电子设备1200之上或之中的任何位置处的一个或多个传感器1210。一个或多个传感器1210可被配置为基本上感测任何类型的特性，诸如但不限于图像、压力、光、热、接触、力、温度、湿度、移动、相对运动、生物识别数据等。例如，一个或多个传感器1210可以是图像传感器、温度传感器、光或光学传感器、加速器、环境传感器、陀螺仪、磁体、健康监测传感器等。在一些实施方案中，一个或多个传感器1210可包括力感测设备，该力感测设备包括一个或多个应变传感器。该一个或多个应变传感器可被配置为前文结合图2至图11所述的应变传感器中的一者。
作为一个示例，图1所示的电子设备可包括在外壳102的至少一部分之中或之下的力感测设备1220。力感测设备1220可包括一个或多个应变传感器，该一个或多个应变传感器可被配置为前文结合图2图11所述的应变传感器中的一者。可基于从一个或多个应变传感器接收到的一个或多个信号来确定施加到外壳102上的力的大小和/或所施加的力的大小的变化。
网络通信接口1212可促进向或从其他电子设备进行数据传输。例如，网络通信接口可经由无线网络和/或有线网络连接来传输电子信号。无线和有线网络连接的示例包括但不限于蜂窝网络、Wi-Fi、蓝牙、红外、RFID、以太网和NFC。
显示器1214可向用户提供视觉输出。显示器1214可使用任何合适的技术来实现，该显示器包括但不限于使用液晶显示器(LCD)技术、发光二极管(LED)技术、有机发光显示器(OLED)技术、有机电致发光(OEL)技术或另一类型的显示技术的多触摸感测触摸屏。在一些实施方案中，显示器1214可充当允许用户与电子设备1200进行交互的输入设备。例如，显示器可包括触摸感测设备1222。触摸感测设备1222可允许显示器充当触摸显示器或多触摸显示器。
除此之外或另选地，显示器1214可包括力感测设备1224。在一些实施方案中，力感测设备1224被包括在显示器1214的显示叠堆中。力感测设备1224可包括一个或多个应变传感器。可基于从一个或多个应变传感器接收到的一个或多个信号来确定施加到显示器1214上或设置在显示器上方的覆盖玻璃上的力的大小和/或所施加的力的大小的变化。该一个或多个应变传感器可被配置为前文结合图2至图11所述的应变传感器中的一者。
应当注意，图12仅为示例性的。在其他示例中，电子设备可包括比图12中所示的那些部件更少或更多的部件。除此之外或另选地，电子设备可被包括在***中，并且图12中所示的一个或多个部件与电子设备独立但与电子设备进行通信。例如，电子设备可操作性地与单独的显示器连接或通信。作为另一示例，可在与电子设备分开的存储器中存储一个或多个应用程序或数据。在一些实施方案中，独立的存储器可在基于云端的***中或在相关联的电子设备中。
如前所述，包括一个或多个应变传感器的力感测设备可以被包括在显示器(例如，图1中的显示器104)的显示叠堆中。图13示出了包括应变传感器的示例性显示叠堆的横截面图。显示叠堆1300包括定位在前偏光器1302上方的覆盖玻璃1301。覆盖玻璃1301可以是由任何合适的材料例如玻璃、塑料、蓝宝石或其组合制成的柔性可触摸表面。覆盖玻璃1301可通过从用户接收触摸和力输入来充当触摸感测设备和力感测设备的输入区域。用户可利用一个或多个手指或利用另一元件诸如触笔来触摸覆盖玻璃1301或向其施加力。
粘合剂层1304可被设置在覆盖玻璃1301与前偏光器1302之间。可为粘合剂层使用任何合适的粘合剂，例如光学透明粘合剂。显示层1306可被定位在前偏光器1302下方。如前所述，显示层1306可采取多种形式，包括液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)显示器以及有机发光二极管(OLED)显示器。在一些实施方案中，显示层1306可由玻璃形成，或具有玻璃基板。本文所述的实施方案包括多点触摸触摸屏LCD显示层。
另外，显示层406可包括一个或多个层。例如，显示层406可包括VCOM缓冲层、LCD显示层、以及设置在该显示层上方和/或下方的导电层。在一个实施方案中，导电层可包括氧化铟锡(ITO)层。
后偏光器1308可被定位在显示层1306下方，并且应变敏感结构1310可被定位在后偏光器1308下方。应变敏感结构1310包括基板1312，该基板具有在基板1312的第一表面1316上的第一组独立透明应变传感器1314和在基板1312的第二表面1320上的第二组独立透明应变传感器1318。在例示的实施方案中，第一组透明应变传感器和第二组透明应变传感器位于显示叠堆的对用户可见的区域中。如前所述，应变传感器包括应变敏感元件和物理地或直接连接到应变敏感元件的一个或多个应变信号线。在例示的实施方案中，第一表面1316和第二表面1320分别是基板1312的相对的顶表面和底表面。粘合剂层1322可将基板1312附接到后偏光器1308。
如前所述，应变传感器可形成为直线型应变传感器阵列。第一组独立应变传感器1314中的每个应变敏感元件与第二组独立应变传感器1318中的相应一个应变敏感元件垂直对准。在许多实施方案中，每个单独的应变敏感元件可采取所选择的形状。例如，在某些实施方案中，应变敏感元件可类似于图3中所示的螺线形图案以螺线形图案沉积。
背光单元1324可被设置在(例如，附接到)应变敏感结构1310下方。背光单元1324可被配置为支撑不包括应变敏感元件的基板1312的一个或多个部分。例如，如图13所示，背光单元1324可支撑基板1312的端部。其他实施方案可以不同方式来配置背光单元。
应变传感器通常通过导电连接器1328连接到感测电路1326。感测电路1326被配置为检测每个应变敏感元件的电特性的变化。在该示例中，感测电路1326可被配置为检测应变敏感元件的电阻的变化，该应变敏感元件可与施加到覆盖玻璃1301上的力相关联。在一些实施方案中，感测电路1326还可被配置为基于应变传感器1314、1318的电阻变化的相对差值来提供有关触摸的位置的信息。
如前所述，在一些实施方案中，应变敏感元件由透明导电氧化物膜形成。当将力施加到输入区域(例如，覆盖玻璃1301)时，平面应变敏感结构1310发生应变，并且透明导电氧化物膜的电阻与应变成比例地变化。如图14所示，该力可使应变敏感结构1310略微弯曲。应变敏感结构1310的底表面1400在顶表面1402压缩时伸长。应变敏感元件测量表面的伸长或压缩，并且这些测量结果可与施加到输入区域上的力的大小相关。
两个垂直对准的应变敏感元件(例如，1330和1332)形成应变感测设备1334。感测电路1326可被适配为接收来自每个应变感测设备1334的信号并且确定每个应变感测设备的电特性的差异。例如，如上所述，可在覆盖玻璃1301处接收力，这继而使得应变敏感结构1310弯曲。感测电路1326被配置为基于从一个或多个应变感测设备1334接收到的信号来检测一个或多个应变感测设备的电特性(例如，电阻)的变化，而这些变化与施加到覆盖玻璃1301上的力相关。
在例示的实施方案中，在应变敏感结构1310与背光单元1324之间存在间隙1336。应变测量基本上测量基板1312的顶表面1316上的点处的力加上来自底部的基板1312的底表面1320上的该点处的力。当存在间隙1336时，底表面1320上没有力。因此，顶表面1316上的力与底表面1320上的力可独立地测量。在另选的实施方案中，当显示叠堆1300不包括间隙1336时应变敏感结构1310可被定位在显示层上方。
其他实施方案可以不同方式来配置应变敏感结构。例如，应变敏感结构可在基板的表面上仅包括一组应变敏感元件。处理设备可被配置为基于从该组应变敏感元件接收到的信号来确定施加到输入区域上的力的大小或力的变化。
现在参见图15，其示出了可操作地连接到应变感测设备的感测电路的简化示意图。包括两个垂直对准的应变敏感元件的应变感测设备1334(参见图13)可被建模成被配置为分压器的两个电阻器R感测。参考分压器1502包括两个参考电阻器RREF。作为一个示例，应变感测设备1334和参考分压器1502可以被建模成惠斯通电桥电路，其中应变感测设备1334形成惠斯通电桥电路的一个半电桥，并且参考分压器1502形成惠斯通电桥电路的另一半电桥。其他实施方案可以不同的方式对应变传感器和参考电阻器进行建模。例如，应变敏感结构可仅包括一组应变敏感元件，并且特定的应变敏感元件和参考电阻器可被建模成惠斯通半桥电路。
第一参考电压(VREF_TOP)在节点1504处被接收，第二参考电压(VREF_BOT)在节点1506处被接收。由感测电路1512来接收应变感测设备1334的节点1508处的力信号和参考分压器1502的节点1510处的参考信号。感测电路1512被配置为基于两个分压器的力和参考信号的差值来检测应变感测设备1334的电特性(例如，电阻)的变化。这些变化可与施加到电子设备的相应输入区域(例如，图12中的覆盖玻璃1201)上的力的大小相关。
尽管已具体参考各种实施方案的某些特征对各种实施方案进行了详述，但是应当理解，在本公开的实质和范围内可进行变型和修改。例如，一个或多个应变敏感元件可由非金属不透明材料形成。除此之外或另选地，可在一个层上形成一个或多个应变敏感元件，并且在另一层上形成一个或多个应变信号线，从而使应变敏感元件和对应的一个或多个应变信号线不是共面的(在不同的平面表面上)。可通过***一个或多个层形成通孔，以在应变敏感元件和应变信号线之间产生电接触件。
尽管本文已描述了具体实施方案，但应当注意，本专利申请并不限于这些实施方案。具体地，在兼容的情况下，相对于一个实施例所述的任何特征还可用于其他实施例。同样地，在兼容的情况下，可交换不同实施例的特征。

Claims (24)

1.一种定位在电子设备的可见区域中的透明应变传感器，所述透明应变传感器包括：
透明应变敏感元件，所述透明应变敏感元件由具有第一仪表系数的第一透明导电材料构成；
透明应变信号线，所述透明应变信号线直接连接到所述透明应变敏感元件并由具有第二仪表系数的第二透明导电材料构成，其中所述第一仪表系数大于所述第二仪表系数。
2.根据权利要求1所述的透明应变传感器，其中所述第一透明导电材料具有第一电阻，并且所述第二透明导电材料具有第二电阻，并且所述第一电阻大于所述第二电阻。
3.根据权利要求1所述的透明应变传感器，其中所述第一透明导电材料和所述第二透明导电材料各自包括透明导电氧化物膜。
4.根据权利要求3所述的透明应变传感器，其中所述第一透明导电材料包括掺镓氧化锌膜和掺铝氧化锌膜中的一者。
5.根据权利要求3所述的透明应变传感器，其中所述第二透明导电材料包括氧化铟锡膜。
6.根据权利要求3所述的透明应变传感器，其中所述第一透明导电材料包含多层透明导电结构，所述多层透明导电结构包括设置在两个透明导电氧化物膜之间的绝缘层。
7.根据权利要求2所述的透明应变传感器，其中所述应变信号线中的所述第二透明导电材料被处理以产生所述第二电阻。
8.根据权利要求7所述的透明应变传感器，其中所述第二透明导电材料掺杂有一种或多种掺杂物以产生所述第二电阻。
9.根据权利要求1所述的透明应变传感器，其中所述应变敏感元件的所述第一透明导电材料被处理以产生所述第一仪表系数。
10.根据权利要求8所述的透明应变传感器，其中所述应变敏感元件的所述第一透明导电材料被激光退火以产生所述第一仪表系数。
11.根据权利要求1所述的透明应变传感器，其中所述电子设备的所述可见区域包括所述电子设备的显示叠堆。
12.一种定位在电子设备的可见区域中的透明应变传感器，所述透明应变传感器包含混合透明导电材料，所述混合透明导电材料包括具有第一仪表系数和第一电阻的第一透明导电段和连接到所述第一导电段的具有第二仪表系数和第二电阻的第二导电段，其中所述第一仪表系数大于所述第二仪表系数并且所述第一电阻大于所述第二电阻。
13.根据权利要求12所述的透明应变传感器，还包括至少一个透明应变信号线，所述至少一个透明应变信号线直接连接到所述透明应变传感器，其中所述至少一个透明信号线具有第三仪表系数和第三电阻，其中所述第三电阻小于所述第一电阻和所述第二电阻。
14.根据权利要求12所述的透明应变传感器，其中所述电子设备的可见区域包括所述电子设备的显示叠堆。
15.一种用于制造透明应变传感器的方法，所述方法包括：
在基板上提供透明应变敏感元件，其中所述透明应变敏感元件包含具有第一仪表系数的一种或多种透明导电材料；以及
提供透明应变信号线，所述透明应变信号线直接连接到所述基板上的所述透明应变敏感元件，其中所述透明应变信号线包含具有不同的第二仪表系数的一种或多种透明导电材料。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述透明应变敏感元件中的所述一种或多种透明导电材料具有第一电阻，并且所述透明应变信号线中的所述一种或多种透明导电材料具有第二电阻，所述第一电阻大于所述第二电阻。
17.一种用于制造透明应变传感器的方法，所述方法包括：
在基板上提供透明应变敏感元件，其中所述透明应变敏感元件包含一种或多种透明导电材料；
提供透明应变信号线，所述透明应变信号线直接连接到所述基板上的所述透明应变敏感元件；以及
对所述透明应变敏感元件的所述一种或多种透明导电材料进行处理以增加所述透明应变敏感元件的仪表系数。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述透明应变信号线由相同的一种或多种透明导电材料构成。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括对所述透明应变信号线的所述一种或多种透明导电材料进行处理以增加所述透明应变信号线的导电率。
20.根据权利要求17所述的方法，其中对所述透明应变敏感元件的所述一种或多种透明导电材料进行处理以增加所述透明应变敏感元件的仪表系数包括对所述透明应变敏感元件的所述一种或多种透明导电材料进行激光退火以增加所述透明应变敏感元件的仪表系数。
21.一种用于制造透明应变传感器的方法，所述方法包括：
在基板上提供透明应变敏感元件；
提供透明应变信号线，所述透明应变信号线直接连接到所述基板上的所述透明应变敏感元件，其中所述透明应变信号线包含一种或多种透明导电材料；以及
对所述透明应变信号线的所述一种或多种透明导电材料进行处理以增加所述透明应变信号线的导电率。
22.根据权利要求21所述的方法，其中对所述透明应变敏感元件的所述一种或多种透明导电材料进行处理以增加所述透明应变敏感元件的仪表系数包括对所述透明应变敏感元件的所述一种或多种透明导电材料进行激光退火以增加所述透明应变敏感元件的仪表系数。
23.一种电子设备，包括：
显示器的显示叠堆，所述显示叠堆包括：
覆盖玻璃；和
应变感测结构，所述应变感测结构定位在所述覆盖玻璃下方，所述应变感测结构包括基板、定位在所述基板的第一表面上的第一透明应变敏感元件和定位在所述基板的第二表面上的第二透明应变敏感元件；和
一个或多个透明应变信号线，所述一个或多个透明应变信号线直接连接到每个透明应变敏感元件，其中所述第一透明应变敏感元件和所述第二透明应变敏感元件的仪表系数大于所述透明应变信号线的仪表系数，并且其中在观看所述显示器时所述第一透明应变敏感元件和所述第二透明应变敏感元件以及所述透明应变信号线被定位在可见的区域中；
感测电路，所述感测电路电连接到所述透明应变信号线；和
控制器，所述控制器可操作地连接到所述感测电路并被配置为基于从所述感测电路接收到的所述信号来确定施加到所述覆盖玻璃上的力的大小。
24.根据权利要求23所述的电子设备，其中所述第一透明应变敏感元件和所述第二透明应变敏感元件各自由掺镓氧化锌膜和掺铝氧化锌膜中的一者构成，并且所述透明应变信号线由铟锡氧化物膜构成。
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