[发明专利]挠曲变形传感设备和使用挠曲变形传感设备的用户接口

说明书

技术领域

本公开涉及传感设备。特别地，本公开涉及能够测量表面的挠曲变形的传感设备，以及使用这种传感设备作为用户接口的便携式电子设备。

背景技术

用户接口是电子设备的非常重要的部分。用户如何轻松舒适地使用该接口来控制电子设备可以最终决定电子设备的实用性、认可度和用户体验。用户与用户接口之间存在多种交互方法，并且正在不断开发新的交互方法。人的本性决定了人与外部对象之间最自然的交互是通过人的皮肤。因此，如果可以设计一种与用户的皮肤层无缝集成并且响应皮肤的扭曲来传送信号的用户接口，将是首选的。进一步地，如果接口的操作不影响或危及用户的普通手势和行为，这样的接口是优选的。

当诸如橡胶薄板(人体皮肤类似物)的平面弹性对象在施加的外力作用下被弯曲或拉伸时，它形成复杂的变形形状。这种变形形状包含关于外力的强度和方向的信息。通过实时监控变形形状，有可能获得外力作用下的变形过程的动态信息。测量诸如三维(3D)对象的拉力、压力和挠曲的值，通常需要在该对象上放置复杂的传感器组。用于测量机械对象的构造的传统系统或者基于应变仪阵列，或者基于光学扫描方法。在这些方法中，小型化和集成化水平相对较低。在使用应变仪的情况中，测量设备的便携性潜力是有限的。在使用光学扫描方法的情况中，来自不同传感器的数字化读取被用作基于机械结构模型计算构造的基础。构造的计算取决于系统的复杂性和自由度的数量。此外，光学系统(例如，照相机)需要特定长度来聚焦受监控对象，这限制了该系统的操作规模，并且要求将照相机置于受监控对象外。

因而需要一种用于感测复杂的3D挠曲变形的传感器模块，其具有用于便携式电子设备中的高度小型化和集成化水平。

本公开一般涉及设计和制造能够检测对象的复杂3D挠曲变形的传感器模块。出于使用本发明概念的目的，假设这种对象具有大的易受压缩、弯曲、拉伸、折叠等的表面区域。例如，这种对象可以是平板(橡胶或塑料)、圆柱体、或球体。传感器模块利用材料的压电效应，借助纳米技术和该材料在微米到纳米尺度(以下称为纳米级)的操作能力实现对该材料的最佳设置。通过高度小型化和集成化水平，传感器模块例如可用作用于便携式电子设备的用户接口或传感单位。作为特别应用，本发明的传感器模块可用于手势识别和手/手指运动跟踪。

发明内容

本发明第一方面提供了一种装置。所述装置包括至少一个单元。所述单元包括第一电极，中心电极，第二电极，置于所述第一电极和所述中心电极之间的第一传感层，置于所述中心电极和所述第二电极之间的第二传感层，连接到所述第一、第二和所述中心电极的电路，所述电路被配置为测量所述第一电极和所述中心电极之间的第一电信号以及所述第二电极和所述中心电极之间的第二电信号。所述第一电信号和所述第二电信号中的至少一个响应施加在所述单元上的外部应力。

在所述装置中，所述第一传感层和所述第二传感层每一个可以包括压电材料。所述压电材料可以包括所述压电材料的高长宽比微晶。所述高长宽比微晶可以具有1-100纳米的直径和1-1000微米的长度，并且所述高长宽比微晶可以是氧化锌(ZnO)纳米线、钛酸钡(BaTiO₃)纳米线或碳纳米管。

在所述装置中，所述第一传感层可以包括在平行于所述第一传感层的第一方向上基本对齐的压电微晶，所述第二传感层可以包括在平行于所述第二传感层的第二方向上基本对齐的压电微晶。所述第一方向和所述第二方向相互不平行。

所述第一电信号可以是所述第一电极和所述中心电极之间的电压差，所述第二电信号可以是所述第二电极和所述中心电极之间的电压差。替代地，所述第一电信号可以是所述第一电极和所述中心电极之间的电阻变化，所述第二电信号可以是所述第二电极和所述中心电极之间的电阻变化。

在所述装置中，所述第一电信号和所述第二电信号中的至少一个与施加在所述单元上的所述外部应力成比例。

所述装置可以进一步包括多个单元。所述多个单元被设置成具有多行和多列的二维阵列。所述第一和所述第二电极每一个包括多个带状电极，并且每一个带状电极跨所述单元的列扩展。所述中心电极包括多个带状电极，并且每一个带状电极跨所述单元的行扩展。所述第一电极的所述多个带状电极的每一个连接到第一总线。所述第二电极的所述多个带状电极的每一个连接到第二总线。所述中心电极的所述多个带状电极的每一个连接到第三总线。所述电路经由所述第一、第二或所述第三总线连接到所述带状电极的每一个。所述电路可被配置为测量所述第一电极和所述中心电极之间的每一个单元的所述第一电信号，以及所述第二电极和所述中心电极之间的每一个单元的所述第二电信号。