压力检测装置及智能终端的制作方法

本发明涉及输入设备技术领域，特别涉及一种压力检测装置及智能终端。

背景技术：

电容式触控技术通过检测电容能够感知用户手指或者其他导电物体是否存在，只需手指轻触即可实现相应功能。目前，触控屏已经广泛应用于电子设备，以实现触控操作。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

(1)现有电子设备的输入维度单一，不能同时进行多维度的输入，压力检测不够准确，

(2)单纯的手指触控功能应用场景单一，与电子设备集成多种应用功能的技术发展趋势不符。

技术实现要素：

本发明实施方式的目的在于提供一种压力检测装置及智能终端，提高了压力检测的检测精度；同时，该压力检测装置应用于智能终端时能够实现智能终端的多功能化。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种压力检测装置，包括：驱动电源、差分电路、压力计算单元以及至少一个压力传感器；每个压力传感器包括第一极板、第二极板、第三极板、第一弹性介质层以及第二弹性介质层；第一极板位于第二极板及第三极板之间，第一弹性介质层设置于第一极板与第二极板之间，第二弹性介质层设置于第一极板与第三极板之间；其中，第一极板分别与第二极板、第三极板形成两个检测电容；压力传感器连接于驱动电源与差分电路的输入端之间；差分电路的输出端连接于压力计算单元；其中，第一极板受到外界施加的按压力时，压力传感器输出两个检测电容两端的检测电压；差分电路输出两个检测电压的电压差值；压力计算单元根据电压差值计算按压力。

本发明的实施方式还提供了一种智能终端，包括第一实施方式中的压力检测装置。

本发明实施方式相对于现有技术而言，第一极板受到外界施加的按压力时产生位移或形变，此时，第一极板与第二极板、第一极板与第三极板之间形成的两个检测电容发生变化，压力传感器对应输出两个检测电压；差分电路据此输出电压差值，再由压力计算单元计算出按压力；从而提高了压力检测的检测精度；同时，该压力检测装置应用于智能终端时能够实现智能终端的多功能化。

另外，第一极板连接于驱动电源，第二极板与第三极板分别连接于差分电路的输入端。

另外，压力检测装置还包括：至少一充电开关与至少一放电开关；第一极板接地；第二极板与第三极板分别通过充电开关连接至驱动电源，且分别通过放电开关连接至差分电路的输入端。

另外，充电开关的数目为二个，第二极板与第三极板分别通过二个充电开关连接于驱动电源；和/或放电开关的数目为二个，第二极板与所述第三极板分别通过二个放电开关连接于差分电路的输入端；其中，充电开关闭合时，两个检测电容进行充电；放电开关闭合时，所述两个检测电容进行放电。

另外，充电开关的数目为一个且充电开关为双刀双掷开关；和/或放电开关的数目为一个且放电开关为双刀双掷开关；其中，充电开关闭合时，两个检测电容进行充电；放电开关闭合时，两个检测电容进行放电。

另外，压力检测装置还包含两个可调电容；两个可调电容分别与两个检测电容并联连接；其中，两个可调电容用于调节两个检测电容所在通路的电容值，以使得在第一极板未受到外界施加的按压力时，两个检测电容所在通路的初始电容相等。在本实施例中，通过调节两个可调电容可以克服制造装配过程中的公差导致的检测误差。

另外，在第一极板未受到外界施加的按压力时，两个检测电容所在通路的初始电容不相等；压力检测装置还包括一个可调电容，可调电容与初始电容较小的通路上的检测电容并联连接；其中，可调电容用于调节与可调电容并联连接的检测电容所在通路的电容值，以使得在第一极板未受到外界施加的按压力时，两个检测电容所在通路的初始电容相等。本实施例提供了克服制造装配过程中的公差导致的检测误差的另一种实现方式。

另外，压力传感器的数目为多个；压力检测装置还包括切换单元；多个压力传感器通过切换单元可切换地连接至差分电路。本实施例通过切换单元可以将多个压力传感器输出的多个检测电压可切换地连接到差分电路，从而简化电路结构。

另外，智能终端为主动笔；主动笔还包括笔壳、笔芯以及绝缘笔帽；压力检测装置安装在笔壳中；笔芯的一端固定于压力传感器的第一极板；绝缘笔帽套设于笔芯的另一端且与壳体具有预设距离；预设距离大于或等于第一极板的最大形变距离；其中，绝缘笔帽受到外界施加的按压力后，通过笔芯作用于压力传感器的第一极板。本实施例将传统的主动笔与压力检测装置相结合，使传统的主动笔能够模拟真笔书写，灵敏度和精确率更高。

另外，智能终端为包括指纹识别的装置；包括指纹识别的装置还包括用于识别用户指纹的指纹识别模组与按压件；按压件的一端连接于指纹识别模组，另一端连接于压力传感器的第一极板；其中，指纹识别模组受到外界施加的按压力后，通过按压件作用于压力传感器的第一极板。本实施例将传统的指纹识别模组与压力检测装置相结合，使传统的指纹识别模组能够感知按压力大小，从而实现了指纹识别模组的多维度输入。

另外，智能终端为移动终端；移动终端还包括终端壳体、显示模组以及多个按压件；压力检测装置设置于终端壳体内，且压力传感器的数目与按压件的数目相同；多个按压件的一端分别固定于显示模组，另一端分别固定于多个压力传感器的第一极板；其中，显示模组受到外界施加的按压力后，通过多个按压件作用于多个压力传感器的第一极板。本实施例将传统的移动终端与压力检测装置相结合，使传统的智能终端具有高精度电子秤的功能，集成了更多的功能应用，扩展了智能终端的应用场景，有助于提升用户体验。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的压力检测装置的方框图；

图2是根据本发明第一实施例中的压力传感器的结构示意图；

图3是根据本发明第一实施例的包括外壳的压力传感器的第一种结构示意图；

图4是图3中的压力传感器的俯视图；

图5是根据本发明第一实施例中的包括外壳的压力传感器的第二种结构示意图；

图6是根据本发明第二实施例的压力检测装置的电路原理图；

图7是根据本发明第三实施例的压力检测装置的电路原理图；

图8是根据本发明第四实施例的压力检测装置的方框图；

图9是根据本发明第六实施例的智能终端的结构示意图；

图10是根据本发明第七实施例的智能终端的结构示意图；

图11是根据本发明第八实施例的智能终端的侧视图；

图12是根据本发明第八实施例的智能终端的俯视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施例涉及一种压力检测装置，如图1、图2所示，本实施例中的压力检测装置包括：驱动电源2、差分电路3、压力计算单元4以及至少一个压力传感器1。

本实施例中的每个压力传感器1包括第一极板11、第二极板12、第三极板13、第一弹性介质层以及第二弹性介质层；第一极板11位于第二极板12及第三极板13之间，第一弹性介质层设置于第一极板11与第二极板12之间，第二弹性介质层设置于第一极板11与第三极板13之间；其中，第一极板11分别与第二极板12、第三极板13形成两个检测电容c1与c2。第一极板11受到外界施加的按压力f时，压力传感器1输出两个检测电容c1与c2两端的检测电压。其中，第二极板12、第三极板13的中间可以分别开设一开口14(如图2中所示)，以供外界对第一极板11施加按压力；然不限于此，可以选择在第二极板12、第三极板13中的一个上开设开口，或者，第二极板12、第三极板13无需开设开口，外界可以通过第一极板的侧边对第一极板施加按压力。

压力传感器1连接于驱动电源2与差分电路3的输入端之间；差分电路3的输出端连接于压力计算单元4；其中，第一极板11受到外界施加的按压力f时，压力传感器1输出两个检测电容c1与c2两端的检测电压；差分电路3输出两个检测电压的电压差值；压力计算单元4根据电压差值计算按压力f。

较佳的，本实施例中弹性介质层可以是空气。于实际应用时，压力检测装置外壳接地，因此可以将空气作为优选的介质层。当然，还可以选择其他弹性介质，然本实施方式对此不作具体限制。

实际上的，如图3、图4、图5所示，压力传感器1还可以包括形成有腔体的外壳15。本实施例中的压力传感器1的结构可以有两种结构形式。

图3所示为压力传感器1的第一种结构形式。压力传感器1包括形成有腔体的外壳15，外壳15由金属材料制成，腔体的上腔壁和下腔壁分别设有绝缘层16；外壳15的中间形成有悬臂，该悬臂的两端分别固定于腔体的左腔壁和右腔壁，该悬臂相当于图2中的第一极板11。其中，上腔壁和下腔壁上分别具有连通于上的开口14。

图4为本实施例中图3中压力传感器结构的俯视图，包括外壳15和开口14。在其他实施例中，压力传感器1的结构并不限于本实施例中提供的结构，可以为一个圆筒状、方形、椭圆、菱形等其他形状。

图5所示为压力传感器1的第二种结构形式，压力传感器1包括形成有腔体的外壳15，外壳15由非金属材料制成，外壳15中间的悬梁内设置有金属层，即，可以理解为金属层通过悬梁固定于腔体的左腔壁和右腔壁，该金属层相当于图2中的第一极板11；腔体的上腔壁和下腔壁分别设有导电层，分别相当于图2中的第二极板12与第三极板13。较佳的，第二极板12与第三极板13可以分别通过一个绝缘层16设置于腔体的上腔壁和下腔壁。其中，上腔壁和下腔壁上分别具有连通于上的开口14。

本实施方式中，绝缘层16与导电层可以由柔性电路板实现。具体而言，柔性电路板的基板直接固定在腔壁上，形成绝缘层16；柔性电路板的露铜区形成导电层，即，露铜区分别形成第二极板12与第三极板13。然而，本实施方式对绝缘层16、第二极板12及第三极板13的具体实现形式不作任何限定，第二极板12与第三极板13的材质和形状可以相同，也可以不相同。

如下是对本实施方式的压力传感器1的作动方式与原理的具体说明。

第一极板11与第二极板12之间的距离为d1，第一极板11与第三极板13之间的距离为d2。本实施例中，第一极板11、第二极板12以及第三极板13的结构、尺寸和材质均相同；且d1、d2也相同；然本实施例对此不作任何限制。

当未对第一极板11施加按压力时，第一极板11不会产生形变或位移，此时，d1＝d2，c1＝c2，压力传感器1输出的两个检测电压相等。

具体地，当第三极板13具有开口14时，外部按压件穿过开口14向第一极板11施加向上的按压力f，第一极板11产生向上的位移，位移量为δd。此时，第一极板11与第二极板12之间的距离由按压前的d1变小成按压后的(d1-δd)，d2变大成(d2+δd)，对应的c1变为(c1+δc1)，c2变为(c2-δc2)，此时，两个检测电容c1与c2之间的变化量为δc＝(c1+δc1)-(c2-δc2)＝δc1+δc2。当δd相对于d1、d2的值很小的的时候，有如下关系，其中k为常数，与三个极板的结构、尺寸和材质直接相关，f为向第一极板11施加的按压力。

δc＝kf

在本实施例中还可以通过两个检测电容之间差值的正负判断施加于第一极板11上按压力f的方向。当第二极板12上具有开口14时，外部按压件穿过开口14向第一极板11施加与按压力f相反的的按压力时，第一极板11向下产生一定的形变或位移，位移量为δd。此时，第一极板11与第二极板12之间的距离由按压前的d1变大成按压后的(d1+δd)，d2变小成(d2-δd)，对应的c1变为(c1-δc1)，c2变为(c2+δc2)，此时，两个检测电容的变化量为δc＝(c1-δc1)-(c2+δc2)＝-(δc1+δc2)。当δd相对于d1、d2的值很小的的时候，有如下关系，其中k为常数，与三个极板的结构、尺寸和材质直接相关，f为向第一极板11施加的按压力。

δc＝-kf

另外，本实施例提供的压力传感器对环境条件的变化，如温度变化等，具有很好的抑制效果。具体地，假设在温度为t1的时候，c1-c2＝δc；温度变化为t2的时候，c1和c2都会发生变化，分别为c1+δc1和c2+δc2，再由于第一极板11和第二极板12、第三极板13的电极形状和面积完全一样，所以δc1＝δc2，这样c1+δc1-(c2+δc2)＝c1+-c2+(δc1-δc2)＝δc，由此可知，环境温度的变化不会影响检测电容c1和检测电容c2的差值，即，温度不同时，压力传感器1输出的电容差值不变，从而大大提高了测量电路的抗干扰能力，提高了电路的测量精度。

由上述分析可知，本实施例提供的压力传感器1中检测电容c1与检测电容c2的差值δc与施加于第一极板11的按压力f直接线性相关，由于检测电容c1与检测电容c2对应输出的两个检测电压的电压差值δv与电容差值δc成正相关，因此，电压差值δv与按压力f也呈线性相关。本实施例中压力传感器的结构设计使得压力传感器输出的检测电压与按压力线性相关，能够抑制环境条件变化对电路检测造成的影响，稳定性更好，可以广泛应用于高温、低温、强辐射等恶劣环境中。

本实施方式与现有技术相比，采用了差分电路可以有效抑制环境条件变化给电路检测造成的影响。由于差分电路的两个输入端是两个电信号的输入，这两个信号的差值是电路的有效输入信号，如果存在干扰信号，会对两个输入的电信号均产生相同的干扰，通过计算二者的差值，这样就把对两个检测电容的共模干扰抵消掉，降低电路内部共模噪声，使干扰信号的有效输入为零。

当然，本实施方式中的差分电路既可以由全差分放大器实现，也可由两路单端放大器实现差分检测，详细不再赘述。

本发明的第二实施例涉及一种压力检测装置，图6为本实施例中压力检测装置利用自容检测的电路原理图。本实施例中，压力检测装置还包含：充电开关100b和充电开关200b、放电开关100d和放电开关200d。

在本实施例中，以充电开关数目设置为两个、放电开关数目设置为两个举例说明。图6中c1等效于图2中的检测电容c1，图6中c2等效于图2中检测电容c2；图6中c1和c2接地的一端等效于图2中的第一极板；图6中c1通过充电开关100b连接于驱动电源2的一端等效于图1中的第二极板，c2通过充电开关200b连接于驱动电源2的一端等效于图1中的第三极板，充电开关100b和充电开关200b用于在压力检测时对c1和c2进行充电处理；其中，c1与差分电路3的正向输入端vin+通过放电开关100d连接，c2与差分电路3的反向输入端vin-通过放电开关200d连接，放电开关100d和放电开关200d用于在压力检测时对c1和c2进行放电处理；差分电路3的输出端连接于压力计算单元4。

具体地，充电开关100b、充电开关200b闭合且放电开关100d、放电开关200d断开，对c1、c2充电；充电开关100b、充电开关200b断开且放电开关100d、放电开关200d闭合，c1、c2进入放电状态。

当然，在其他实施例中，充电开关或放电开关的数目并不限于本实施方式中的描述。充电开关的数目也可设置为一个，且一个充电开关为双刀双掷开关；和/或放电开关的数目也可设置为一个，且一个放电开关为双刀双掷开关，均能实现与本实施例中描述的技术方案相同的技术效果；需要说明的是，充电开关的数目与放电开关的数目可以相等，也可以不相等。

本实施例中，较佳的，压力检测装置还包括可调电容100c、可调电容200c，c1电连接于可调电容100c，c2电连接于可调电容200c，根据对可调电容100c、可调电容200c的调节，可以调整c1与c2在压力检测时电容值的大小匹配关系。

具体而言，由于压力传感器在装配时存在一定的误差，即在没有施加按压力时，检测电容c1与检测电容c2之间存在差值。由于装配误差导致的电容差值就会传输给差分电路，从而引起错误的电信号传输。此时，通过调整可调电容100c和可调电容200c之间的匹配关系，比如，单独调节可调电容100c，和/或，同时调节第二可调电容200c，使得没有施加按压力时，差分电路的输出为0。

需要说明的是，在其他实施例中，并不必须同时配置有可调电容100c、可调电容200c，也可以择一进行配置。比如，可以在设计时将检测电容c1的电容值小于检测电容c2的电容值，此时，压力检测装置包含可调电容100c，100c与检测电容c1并联连接，在没有施加按压力时，通过可调电容100c的调整，保证差分电路的输出为0。

本实施例中压力检测装置包含的压力传感器为用于自容检测的结构，其实际应用中的结构形式可参考图3，此时，图3中的外壳15连接于接地层(由于外壳的悬梁作为第一极板11，即相当于第一极板11接地)，两个导电层分别连接于驱动电源2(相当于第二极板12与第三极板13连接于驱动电源2)，因此使得电路结构更加比较简单。

本发明第三实施例涉及一种压力检测装置，图7为本实施例中压力检测装置利用互容检测的电路原理图。在本实施例中，压力传感器的第一极板(请参考图5)连接于驱动电源2；压力传感器的第二极板(请参考图5)连接于差分电路3的正向输入端vin+，第三极板13(请参考图5)连接于差分电路3的反向输入端vin-；差分电路3的输出端连接于压力计算单元4。

本实施例中，较佳的，压力检测装置还包括可调电容100c、可调电容200c，详细分析请参见本发明第二实施例，在此不再赘述。

本实施例中压力检测装置包含的压力传感器为用于互容检测的结构，其实际应用中的结构形式可参考图5，即，相当于图5中的压力传感器的金属层(即第一极板11)连接于驱动电源2。与自容检测原理相比，压力传感器的第一极板连接于驱动电源2，因此不会产生寄生负载电容，所以本实施例的压力检测装置具有更高的电容变化率，检测精度更高。

本发明第四实施例涉及一种压力检测装置，方框示意图如图8所示。本实施例是对第一实施方式的改进，主要改进之处在于：压力检测装置中的压力传感器的数目为多个，压力检测装置还包括有切换单元5，用于将多个压力传感器可切换地连接于差分电路3。

具体地，在压力检测装置的实际应用中，可能存在多个受力点，因此需设置多个压力传感器，当存在多个受力点时，每个压力传感器分别输出两个检测电压；在第一时刻，切换单元5将第一个压力传感器的两个检测电压传给差分电路3；第二时刻，切换单元5将第二个压力传感器的两个检测电压传给差分电路3；依次类推，切换单元5将多个压力传感器输出的两个检测电压可切换地连接于差分电路3，便于压力计算单元4计算按压力。

本发明第五实施例涉及一种智能终端，例如可以为主动笔、智能手机等。本实施例中的智能终端包括第一至第四任一实施方式中的压力检测装置。

与现有技术相比，本实施例提供的智能终端能够实现多维度输入，扩大了压力检测装置的应用场景。

本发明第六实施方式涉及一种智能终端，本实施方式是对第五实施方式的改进，主要改进之处在于：本实施例的智能终端为主动笔，主动笔包括第一至第四任一实施方式中的压力检测装置，主动笔的结构示意图如图9所示，主动笔还包括：笔壳901、笔芯902以及绝缘笔帽903。

压力检测装置安装在笔壳中；笔芯902的一端固定于压力传感器的第一极板11；绝缘笔帽903套设于笔芯902的另一端且与壳体具有预设距离904；预设距离904大于或等于第一极板11的最大形变距离；其中，绝缘笔帽903受到外界施加的按压力后，通过笔芯902作用于压力传感器的第一极板11。

具体而言，本实施例中，压力传感器包括外壳，压力传感器的外壳直接固定于笔壳901中；于实际应用中，压力传感器的外壳也可以与笔壳901一体成型。笔芯902的一端穿过第三极板上的开口且固定于压力传感器的第一极板11；绝缘笔帽903套设于笔芯902的另一端且与笔壳901具有预设距离904，其中，预设距离904大于或等于第一极板11发生形变时的最大形变距离。需要说明的时，笔芯902的一端也可以固定于压力传感器的第一极板11的侧壁，即第三极板上的无需形成开口，也可以实现通过笔芯902的一端对压力传感器的第一极板11施加按压力。

当按压力施加在绝缘笔帽903上，会通过笔芯902作用于压力传感器的第一极板11，此时笔尖的最大行程范围为预设距离904。与现有技术相比，利用本实施例中压力检测装置的主动笔笔尖结构设计十分简单，由于在传统的主动笔中增设了压力传感器结构，使得主动笔可以感知压力，且笔头行程很小，因而书写体验和真笔接近，可以获得良好的用户体验。

本发明的第七实施例涉及一种智能终端，本实施方式是对第五实施方式的改进，主要改进之处在于：本实施例的智能终端为包括指纹识别的装置，包括指纹识别的装置包括第一至第四任一实施方式中的压力检测装置。

如图10所示，包括指纹识别的装置还包括用于识别用户指纹的指纹识别模组1002与按压件1001；按压件1001的一端连接于指纹识别模组1002，另一端连接于压力传感器的第一极板11；其中，指纹识别模组1002受到外界施加的按压力f后，通过按压件1001作用于压力传感器的第一极板11。

具体地，压力传感器位于指纹识别模组1002的下面，手指1003按压指纹识别模组1002，按压力f通过按压件1001传导到压力传感器，根据本发明第一实施例至第四实施例的原理即可以检测出手指的按压力f大小。于实际应用中，也可将本实施例中的压力检测装置在移动终端上做成单纯的压力按键，从而增加一个线性输入维度。

需要说明的是，本实施方式中的按压件需在外部作用力下触发带动第一极板产生位移,按压件可以是直接集成/位于指纹识别模组上、或者独立于指纹识别模组。例如，可以直接按压指纹识别模组的表面，通过机械结构带动第一极板产生位移。

采用本实施例的智能终端，可以实现智能终端的力度感知，可以识别是点击动作还是按压动作，是轻压还是重压动作，从而调出对应的功能，增加了智能终端的线性输入维度。

本发明的第八实施例涉及一种智能终端，本实施方式是对第五实施方式的改进，主要改进之处在于：本实施例中的智能终端为移动终端，移动终端包括第一至第四任一实施方式中的压力检测装置。

移动终端结构示意图如图11所示，移动终端还包括终端壳体1103、显示模组1104以及多个按压件；压力检测装置设置于终端壳体1103内，且压力传感器的数目与按压件的数目相同；多个按压件的一端分别固定于显示模组1104，另一端分别固定于多个压力传感器的第一极板11；其中，显示模组1104受到外界施加的按压力f后，通过多个按压件作用于多个压力传感器的第一极板11。

具体地，在本实施例中，将按压件的数量设置为四个举例说明，如图12所示，四个按压件分别为1101、1102、1106和1107。按压力f施加在显示模组1104上时，由于移动终端外壳1103和显示模组1104没有直接接触，即显示模组1104能够相对于移动终端外壳1103上下移动；压力f通过显示模组1104传导到压力传感器1101、1102、1106、1107上，使压力传感器中第一极板受力发生形变，四个压力传感器输出检测电压，根据本发明第一实施例至第四实施例的原理即可以检测出按压力f大小。换句话说，这种压力检测装置不仅可以用来感知手指触控的压力大小，如果配合带有计量功能的专用软件还可以使传统的移动终端具有高精度电子秤的功能，实现了移动终端集成多种应用功能的目的，极大的扩展了移动终端的应用场景，有助于提升用户体验。

需要说明的是，本实施方式中的按压件需在外部作用力下触发带动第一极板产生位移,按压件可以是直接集成/位于显示模组上、或者独立于显示模组。例如，可以直接按压移动终端显示模组的表面，通过机械结构带动第一极板产生位移。

值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。