專利名稱：以電流模式檢測電阻式壓力傳感元件的指示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有電阻式壓力傳感元件的指示裝置，特別涉及一種以電流模式檢測電阻式壓力傳感元件的指示裝置。
背景技術(shù)：
壓力傳感元件已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在筆記本電腦及其他電子產(chǎn)品上。例如，壓力傳感元件應(yīng)用于筆記本電腦的指示裝置，可取代鼠標(biāo)的功能，使用手指施予壓力在具有壓力傳感元件的指示裝置上，可控制在上下左右方向的壓力，以對應(yīng)鼠標(biāo)游標(biāo)的移動。而壓力傳感元件可分為電阻式與電容式。已有的技術(shù)著重在以分壓原理檢測電阻式壓力傳感元件，或以電流檢測電容式壓力傳感元件。
圖1是電阻式壓力傳感元件的示意圖，其在壓力面板10下的不同方位上放置電阻RX+、RX-、RY+及RY-，響應(yīng)手指施予壓力在壓力面板10，使電阻RX+、RX-、RY+及RY-受壓力影響而變形，致使其電阻值改變。圖2是電阻式壓力傳感元件受力坐標(biāo)的示意圖。將壓力傳感元件施予壓力的方向定為X軸、Y軸及Z軸。根據(jù)X軸及Y軸的方向，分別放置電阻RX+、RX-、RY+及RY-，以檢測在X軸、Y軸及Z軸施予壓力的數(shù)值。當(dāng)施予X+方向的壓力于壓力傳感元件時，電阻RX+電阻值增加且RX-電阻值減少；當(dāng)施予Z-方向的壓力于壓力傳感元件時，電阻RX+、RX-、RY+及RY-的電阻值同時增加。
目前此類型的指示裝置主要分成四線式及六線式的指示裝置，以分壓原理設(shè)計。圖3是公知的四線式的指示裝置20的電路圖。參考電阻22連接在壓力傳感元件23與電源Vs之間，壓力傳感元件23包括電阻RX+、RX-、RY+及RY-，電阻RX+及RY+一端連接參考電阻22，電阻RX-及RY-的一端接地。電阻RX+、RX-、RY+及RY-的電阻值必須相等，因此須以精密電阻作補(bǔ)償。運(yùn)算放大器24的輸入端24a連接在電阻RX+及RX-之間，運(yùn)算放大器26的輸入端26a連接在電阻RY+及RY-之間，運(yùn)算放大器28的輸入端28a連接在電阻RX+及RY+之間。運(yùn)算放大器24、26及28的輸入端24b、26b及28b連接參考電壓Vdac經(jīng)電阻30及32分壓后的電壓，以由參考電壓Vdac輸入不同的電壓值，以檢測X軸、Y軸及Z軸的壓力值。電阻34串接電容36后與電阻32并聯(lián)，電容36連接在晶體管38的漏極與源極之間，晶體管38的柵極連接控制信號。以檢測X軸為例，參考電壓Vdac輸入電壓值，使運(yùn)算放大器24動作，檢測電阻RX+及RX-的分壓結(jié)果。在開始檢測X軸壓力時，計數(shù)器(圖中未示)重置狀態(tài)且晶體管38開路，此時運(yùn)算放大器24的輸入端24b電壓隨電容36充電而上升，當(dāng)運(yùn)算放大器24轉(zhuǎn)態(tài)時，停止計數(shù)器的計數(shù)，其數(shù)值即為檢測在X軸方向上的壓力值。同理，可由相同的檢測方式檢測Y軸及Z軸方向上的壓力值。
圖4是公知的六線式的指示裝置40的電路圖，參考電阻42連接在壓力傳感元件43與電源ZM之間，壓力傳感元件43包括電阻RX+、RX-、RY+及RY-，電阻RX-連接電阻RX+、RY-及RY+，電源XP、XM、YP及YM分別連接電阻RX+、RX-、RY+及RY-，電阻RX+、RX-、RY+及RY-的電阻值必須相等，因此須以精密電阻作補(bǔ)償。運(yùn)算放大器44的輸入端44a連接在電阻RX+及RX-之間，另一輸入端44b連接參考電壓Vdac經(jīng)電阻46及48分壓后的電壓，以由參考電壓Vdac提供一電平。參考電壓Vdac是經(jīng)過補(bǔ)償?shù)碾妷?，并利用分壓原理檢測X軸、Y軸及Z軸的壓力值。以檢測X軸為例，電源ZM、YP及YM不給任何電位，電源XP提供高電位，電源XM提供零電位，使運(yùn)算放大器44的輸入端44a在未受壓力的電位為(XP+XM)/2。而X軸在受壓力影響下，電阻RX+及RX-隨之變動，六線式的指示裝置40即針對分壓比例判斷施加的壓力值，經(jīng)由運(yùn)算放大器44將分壓的電壓放大，再由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器50將分壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。同理，在檢測Y軸壓力時，電源ZM、XP及XM不給任何電位，電源YP提供高電位，電源YM提供零電位，使運(yùn)算放大器44的輸入端44a在未受壓力的電位為(YP+YM)/2；在檢測Z軸壓力時，電源YP及YM不給任何電位，電源ZM提供高電位，電源XP及XM提供零電位，使運(yùn)算放大器44的輸入端44a在未受壓力的電位為(XP+ZM)/2。
在此類傳統(tǒng)的指示裝置中，其壓力傳感元件以分壓原理檢測壓力值，因此，在四線式或六線式的指示裝置中，壓力傳感元件所使用的參考電阻必須是精密電阻，且各個檢測電阻RX+、RX-、RY+及RY-必須相等，但是在電阻的制作工藝上會產(chǎn)生飄移，通常需要額外串接電阻作補(bǔ)償，使電阻RX+、RX-、RY+及RY-的電阻值相等。因此，一種新的指示裝置成為我們所期望的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的，在于提出一種以電流模式檢測電阻式壓力傳感元件的指示裝置，該壓力傳感元件的電阻不需使用精密電阻，以降低成本。
根據(jù)本發(fā)明，一種以電流模式檢測電阻式壓力傳感元件的指示裝置包括電流源供應(yīng)電流；多組電阻響應(yīng)受壓而改變電阻值，該多組電阻被選擇性地連接該電流，在未受壓時產(chǎn)生一參考電壓，在受壓時產(chǎn)生一差分電壓；差分信號檢測器檢測該差分電壓產(chǎn)生差分信號；以及模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換該差分信號成一數(shù)字信號。


對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，從以下所作的詳細(xì)敘述配合附圖，本發(fā)明將能夠更清楚地被了解，其上述及其他目的及優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯，其中圖1是電阻式壓力傳感元件的示意圖；圖2是電阻式壓力傳感元件受力坐標(biāo)的示意圖；圖3是公知的四線式的指示裝置的電路圖；圖4是公知的六線式的指示裝置的電路圖；圖5是本發(fā)明的系統(tǒng)方塊圖；圖6是本發(fā)明以電流模式檢測電阻式壓力傳感元件的指示裝置的功能方塊圖；圖7顯示差分信號檢測器66的內(nèi)部組成；圖8是本發(fā)明檢測X軸方向的壓力值的等效電路；以及圖9是本發(fā)明檢測電阻端電壓的直流電平示意圖。
附圖標(biāo)記說明10壓力面板20四線式的指示裝置22參考電阻
23壓力傳感元件24運(yùn)算放大器24a輸入端24b輸入端26運(yùn)算放大器26a輸入端26b輸入端28運(yùn)算放大器28a輸入端28b輸入端30電阻32電阻34電阻36電容38晶體管40六線式的指示裝置42參考電阻43壓力傳感元件44運(yùn)算放大器44a輸入端44b輸入端50模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器52微控制器54 SRAM56 ROM58數(shù)字方塊60以電流模式檢測壓力傳感元件的指示裝置61壓力傳感元件62多路復(fù)用器64電流源66差分信號檢測器
6602電壓轉(zhuǎn)換器6604電壓/電流轉(zhuǎn)換器68 補(bǔ)償器70 放大器72 模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器74 微控制器80 原電阻值所檢測的電壓電平82 電阻值增加所檢測的電壓電平84 電阻值減少所檢測的電壓電平具體實(shí)施方式
圖5是本發(fā)明的系統(tǒng)方塊圖，本系統(tǒng)包括微控制器52、SRAM54、ROM56、數(shù)字方塊58及以電流模式檢測壓力傳感元件的指示裝置60，微控制器52、SRAM54及ROM56與電流模式檢測壓力傳感元件的指示裝置60之間以數(shù)字方塊58作為接口。
圖6是以電流模式檢測壓力傳感元件的指示裝置60的功能方塊圖，包括壓力傳感元件61，其具有電阻RX+、RX-、RY+及RY-，分別代表X+、X-、Y+及Y-方向。電阻RX+兩端為X1+及X2+，電阻RX-兩端為X1-及X2-，電阻RY+兩端為Y1+及Y2+，電阻RY-兩端為Y1-及Y2-。在未以手指施予壓力時，電阻RX+、RX-、RY+及RY-的電阻值大約相等。多路復(fù)用器62，其輸入端連接電阻RX+、RX-、RY+及RY-，以選擇要檢測的電阻。電流源64，連接多路復(fù)用器62的輸出，以提供電流I流至被選擇的電阻RX+、RX-、RY+及RY-。電流源64控制電流I的變化，以在壓力傳感元件61未受壓時，控制電流I流經(jīng)電阻RX+、RX-、RY+及RY-產(chǎn)生電壓Vs。差分信號檢測器66的輸入端連接多路復(fù)用器62的輸出，以檢測電阻兩端的端電壓(V1-V2)，將端電壓(V1-V2)減去電壓Vs以得到差分電壓ΔV。補(bǔ)償器68與放大器70連接差分信號檢測器66的輸出，以分別補(bǔ)償及放大差分電壓ΔV。模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器72連接放大器70的輸出端，以將放大器70輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并通過數(shù)字方塊58交由微控制器52處理。以電流模式檢測電阻式壓力傳感元件的指示裝置60在整合的技術(shù)上，可與電容式觸摸屏的控制IC整合。圖7顯示差分信號檢測器66的內(nèi)部組成，包含電壓轉(zhuǎn)換器6602及電壓/電流轉(zhuǎn)換器6604，電壓轉(zhuǎn)換器6602可以使用例如電壓位移器，其在壓力傳感元件61未受壓時，調(diào)整壓力傳感元件61的電阻壓差至電壓Vs，電壓/電流轉(zhuǎn)換器6604轉(zhuǎn)換該差分電壓成一電流信號，可以使用例如傳導(dǎo)放大器來實(shí)現(xiàn)。
圖8是本發(fā)明檢測X軸方向的壓力值時的等效電路。多路復(fù)用器62選擇連接電阻RX+的兩端X1+及X2+輸入，電流源64提供電流I，在未施予壓力時，電流源64的電流I使電阻RX+產(chǎn)生電壓Vs，電流源64由電流鏡電路或其他電路產(chǎn)生。電流源64具有多種變化，例如16*16種變化，其可調(diào)變電流I，以在壓力傳感元件61未受壓時，控制電流I流經(jīng)電阻RX+、RX-、RY+及RY-產(chǎn)生電壓Vs。電流源64通過電路的切換加減調(diào)變電流I的變化，因此，對于電阻RX+、RX-、RY+及RY-的制作工藝飄移不敏感，不影響以電流模式檢測壓力傳感元件的指示裝置60的準(zhǔn)確度。電流源64通過差分信號檢測器66檢測電阻RX+的端電壓(V1-V2)，以在未施予壓力時，調(diào)變電流I使電阻RX+的端電壓(V1-V2)等于Vs，以調(diào)整電壓V1及V2的壓差。在以手指施予壓力時，差分信號檢測器66檢測電壓V1及V2的壓差，將電壓V1及V2的壓差減去電壓Vs以得到差分電壓ΔV，并以放大器70將差分電壓ΔV放大。補(bǔ)償器68對差分電壓ΔV作精密的補(bǔ)償，由于電流補(bǔ)償控制較電壓補(bǔ)償控制不容易受噪聲影響，因此，補(bǔ)償器68是以電流方式控制，再者，具有電路裝置設(shè)計容易的優(yōu)點(diǎn)。再經(jīng)由模擬對/數(shù)字轉(zhuǎn)換器72將電流值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
根據(jù)圖8，以電流模式檢測壓力傳感元件的指示裝置60在未施予壓力時，由電流源64提供電流I，以使X1+及X2+兩端的電壓V1及V2的壓差為Vs，且固定電流在Is。在施予壓力時，電阻RX+響應(yīng)壓力產(chǎn)生變形，其電阻值隨之改變，因此，電壓V1及V2的壓差隨電阻RX+的電阻值改變，指示裝置60通過差分信號檢測器66檢測電壓V1及V2的壓差，并將壓差減去電壓Vs得到差分電壓ΔV。由于電流源64將電流I固定為Is，因此檢測差分電壓ΔV可知電阻RX+的變化量ΔR，本發(fā)明的工作原理，即是配合上述電流原理及電阻RX+、RX-、RY+及RY-的檢測可檢測壓力的變化。檢測X軸是根據(jù)電阻RX+及RX-的變化，檢測Y軸是根據(jù)電阻RY+及RY-的變化，檢測Z軸是根據(jù)電阻RX+、RX-、RY+及RY-的變化。
圖9是本發(fā)明檢測電阻端電壓的直流電平示意圖，根據(jù)電流源64調(diào)整電流I，在電阻未受壓力而變形時，使電壓V1約為2.16V，電壓V2約為1.16V，根據(jù)原電阻值所檢測的電壓電平80，其壓差A(yù)為V1-V2，即A＝(V1-V2)＝1V (EQ-1)。在電阻受壓力變形而增加時，電壓V1大于2.16V，電壓V2小于1.16V，根據(jù)電阻值增加所檢測的電壓電平82，其壓差為V1-V2，即B＝(V1-V2)＝1V+ΔR×I(EQ-2)，其中，ΔR代表電阻的變化量。在電阻受壓力變形而減少時，電壓V1小于2.16V，電壓V2大于1.16V，根據(jù)電阻值減少所檢測的電壓電平84，其壓差C為V1-V2，即C＝(V1-V2)＝1V-ΔR×I(EQ-3)，其中，ΔR代表電阻的變化量。依照圖7以檢測變化量ΔR，并使用本發(fā)明的動作分析的結(jié)果，可檢測施加壓力的方向及力量。本發(fā)明的動作包括在電阻RX+的電阻值增加，電阻RX-的電阻值減少，代表受力方向?yàn)閄+。在電阻RX+的電阻值減少，電阻RX-的電阻值增加，代表受力方向?yàn)閄-。在電阻RY+的電阻值增加，電阻RY-的電阻值減少，代表受力方向?yàn)閅+。在電阻RY+的電阻值減少，電阻RX-的電阻值增加，代表受力方向?yàn)閅-。在電阻RX+、RX-、RY+及RY-的電阻值同時增加時，代表受力方向?yàn)閆-。在各方向的電阻為相互對稱性電阻。
本發(fā)明以電流模式檢測壓力傳感元件的指示裝置的應(yīng)用電路簡單，且由于主要是以電流方式控制且檢測差分信號，因此較公知的指示裝置具有更佳的抗噪聲能力。再者，本發(fā)明使用電流模式檢測壓力，不需使用精準(zhǔn)的參考電阻及額外的運(yùn)算放大器，而且公知的指示裝置，是應(yīng)用分壓原理，對于電阻制作過程的飄移極為敏感，是公知技術(shù)的一大缺點(diǎn)，而本發(fā)明以電流模式檢測壓力，對于電阻制作過程的飄移不敏感，有極大的改進(jìn)。
以上對于本發(fā)明的較佳實(shí)施例所作的敘述是為闡明的目的，而無意限定本發(fā)明所精確揭露的形式，基于以上的教導(dǎo)或從本發(fā)明的實(shí)施例學(xué)習(xí)而作修改或變化是可能的，實(shí)施例是為解說本發(fā)明的原理以及讓本領(lǐng)域普通技術(shù)人員以各種實(shí)施例利用本發(fā)明在實(shí)際應(yīng)用上而選擇及敘述，本發(fā)明的技術(shù)思想企圖由以下的權(quán)利要求及其等效來決定。
權(quán)利要求
1.一種以電流模式檢測電阻壓力傳感元件的指示裝置，包括電流源，供應(yīng)電流；多組電阻，響應(yīng)受壓而改變電阻值，該多組電阻被選擇性地連接該電流，在未受壓時產(chǎn)生一參考電壓，在受壓時產(chǎn)生一差分電壓；差分信號檢測器，以檢測該差分電壓產(chǎn)生一差分信號；以及模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，以轉(zhuǎn)換該差分信號成一數(shù)字信號。
2.如權(quán)利要求1所述的指示裝置，更包括多路復(fù)用器，連接該多組電阻，以選擇該多組電阻連接該電流。
3.如權(quán)利要求1所述的指示裝置，其中該差分信號是電流信號。
4.如權(quán)利要求1所述的指示裝置，其中該差分信號檢測器包括電壓轉(zhuǎn)換器，以在該多組電阻未受壓時，調(diào)整該多組電阻上的壓差至該參考電壓；以及電壓/電流轉(zhuǎn)換器，以轉(zhuǎn)換該差分電壓成一電流信號。
5.如權(quán)利要求3所述的指示裝置，更包括補(bǔ)償器，以微調(diào)該參考電壓；以及電流放大器，以放大該電流信號。
6.如權(quán)利要求1所述的指示裝置，其中該多組電阻的電阻值大約相等。
7.如權(quán)利要求1所述的指示裝置，其中該多組電阻的電阻值不相等。
8.如權(quán)利要求1所述的指示裝置，其中該多組電阻包括相互對稱性電阻。
9.如權(quán)利要求1所述的指示裝置，其中該多組電阻每一組表示一方向。
全文摘要
一種以電流模式檢測電阻式壓力傳感元件的指示裝置，包括電流源、多組電阻、多路復(fù)用器、差分信號檢測器、放大器、補(bǔ)償器、以及模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器。利用該電流源提供電流給該多組電阻中被多路復(fù)用器選取的一個以產(chǎn)生參考電壓，并響應(yīng)受壓產(chǎn)生因電阻值變化而改變的差分電壓給差分信號檢測器，利用該補(bǔ)償器補(bǔ)償差分信號檢測器的輸出，并以該放大器放大補(bǔ)償后的信號，最后將此信號通過該模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字值，并交由一微控制器處理，以檢測該差分電壓作為壓力感測的基準(zhǔn)。
文檔編號G01L1/18GK1595085SQ0315845
公開日2005年3月16日 申請日期2003年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月10日
發(fā)明者簡永烈, 陳建和, 林育民 申請人:義隆電子股份有限公司