专利名称：以电流模式检测电阻式压力传感元件的指示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有电阻式压力传感元件的指示装置，特别涉及一种以电流模式检测电阻式压力传感元件的指示装置。
背景技术：
压力传感元件已经被广泛地应用在笔记本电脑及其他电子产品上。例如，压力传感元件应用于笔记本电脑的指示装置，可取代鼠标的功能，使用手指施予压力在具有压力传感元件的指示装置上，可控制在上下左右方向的压力，以对应鼠标游标的移动。而压力传感元件可分为电阻式与电容式。已有的技术着重在以分压原理检测电阻式压力传感元件，或以电流检测电容式压力传感元件。
图1是电阻式压力传感元件的示意图，其在压力面板10下的不同方位上放置电阻RX+、RX-、RY+及RY-，响应手指施予压力在压力面板10，使电阻RX+、RX-、RY+及RY-受压力影响而变形，致使其电阻值改变。图2是电阻式压力传感元件受力坐标的示意图。将压力传感元件施予压力的方向定为X轴、Y轴及Z轴。根据X轴及Y轴的方向，分别放置电阻RX+、RX-、RY+及RY-，以检测在X轴、Y轴及Z轴施予压力的数值。当施予X+方向的压力于压力传感元件时，电阻RX+电阻值增加且RX-电阻值减少；当施予Z-方向的压力于压力传感元件时，电阻RX+、RX-、RY+及RY-的电阻值同时增加。
目前此类型的指示装置主要分成四线式及六线式的指示装置，以分压原理设计。图3是公知的四线式的指示装置20的电路图。参考电阻22连接在压力传感元件23与电源Vs之间，压力传感元件23包括电阻RX+、RX-、RY+及RY-，电阻RX+及RY+一端连接参考电阻22，电阻RX-及RY-的一端接地。电阻RX+、RX-、RY+及RY-的电阻值必须相等，因此须以精密电阻作补偿。运算放大器24的输入端24a连接在电阻RX+及RX-之间，运算放大器26的输入端26a连接在电阻RY+及RY-之间，运算放大器28的输入端28a连接在电阻RX+及RY+之间。运算放大器24、26及28的输入端24b、26b及28b连接参考电压Vdac经电阻30及32分压后的电压，以由参考电压Vdac输入不同的电压值，以检测X轴、Y轴及Z轴的压力值。电阻34串接电容36后与电阻32并联，电容36连接在晶体管38的漏极与源极之间，晶体管38的栅极连接控制信号。以检测X轴为例，参考电压Vdac输入电压值，使运算放大器24动作，检测电阻RX+及RX-的分压结果。在开始检测X轴压力时，计数器(图中未示)重置状态且晶体管38开路，此时运算放大器24的输入端24b电压随电容36充电而上升，当运算放大器24转态时，停止计数器的计数，其数值即为检测在X轴方向上的压力值。同理，可由相同的检测方式检测Y轴及Z轴方向上的压力值。
图4是公知的六线式的指示装置40的电路图，参考电阻42连接在压力传感元件43与电源ZM之间，压力传感元件43包括电阻RX+、RX-、RY+及RY-，电阻RX-连接电阻RX+、RY-及RY+，电源XP、XM、YP及YM分别连接电阻RX+、RX-、RY+及RY-，电阻RX+、RX-、RY+及RY-的电阻值必须相等，因此须以精密电阻作补偿。运算放大器44的输入端44a连接在电阻RX+及RX-之间，另一输入端44b连接参考电压Vdac经电阻46及48分压后的电压，以由参考电压Vdac提供一电平。参考电压Vdac是经过补偿的电压，并利用分压原理检测X轴、Y轴及Z轴的压力值。以检测X轴为例，电源ZM、YP及YM不给任何电位，电源XP提供高电位，电源XM提供零电位，使运算放大器44的输入端44a在未受压力的电位为(XP+XM)/2。而X轴在受压力影响下，电阻RX+及RX-随之变动，六线式的指示装置40即针对分压比例判断施加的压力值，经由运算放大器44将分压的电压放大，再由数/模转换器50将分压值转换为数字值。同理，在检测Y轴压力时，电源ZM、XP及XM不给任何电位，电源YP提供高电位，电源YM提供零电位，使运算放大器44的输入端44a在未受压力的电位为(YP+YM)/2；在检测Z轴压力时，电源YP及YM不给任何电位，电源ZM提供高电位，电源XP及XM提供零电位，使运算放大器44的输入端44a在未受压力的电位为(XP+ZM)/2。
在此类传统的指示装置中，其压力传感元件以分压原理检测压力值，因此，在四线式或六线式的指示装置中，压力传感元件所使用的参考电阻必须是精密电阻，且各个检测电阻RX+、RX-、RY+及RY-必须相等，但是在电阻的制作工艺上会产生飘移，通常需要额外串接电阻作补偿，使电阻RX+、RX-、RY+及RY-的电阻值相等。因此，一种新的指示装置成为我们所期望的。

发明内容
本发明的主要目的，在于提出一种以电流模式检测电阻式压力传感元件的指示装置，该压力传感元件的电阻不需使用精密电阻，以降低成本。
根据本发明，一种以电流模式检测电阻式压力传感元件的指示装置包括电流源供应电流；多组电阻响应受压而改变电阻值，该多组电阻被选择性地连接该电流，在未受压时产生一参考电压，在受压时产生一差分电压；差分信号检测器检测该差分电压产生差分信号；以及模拟/数字转换器转换该差分信号成一数字信号。


对于本领域普通技术人员而言，从以下所作的详细叙述配合附图，本发明将能够更清楚地被了解，其上述及其他目的及优点将会变得更明显，其中图1是电阻式压力传感元件的示意图；图2是电阻式压力传感元件受力坐标的示意图；图3是公知的四线式的指示装置的电路图；图4是公知的六线式的指示装置的电路图；图5是本发明的系统方块图；图6是本发明以电流模式检测电阻式压力传感元件的指示装置的功能方块图；图7显示差分信号检测器66的内部组成；图8是本发明检测X轴方向的压力值的等效电路；以及图9是本发明检测电阻端电压的直流电平示意图。
附图标记说明10压力面板20四线式的指示装置22参考电阻
23压力传感元件24运算放大器24a输入端24b输入端26运算放大器26a输入端26b输入端28运算放大器28a输入端28b输入端30电阻32电阻34电阻36电容38晶体管40六线式的指示装置42参考电阻43压力传感元件44运算放大器44a输入端44b输入端50模拟/数字转换器52微控制器54 SRAM56 ROM58数字方块60以电流模式检测压力传感元件的指示装置61压力传感元件62多路复用器64电流源66差分信号检测器
6602电压转换器6604电压/电流转换器68 补偿器70 放大器72 模拟/数字转换器74 微控制器80 原电阻值所检测的电压电平82 电阻值增加所检测的电压电平84 电阻值减少所检测的电压电平具体实施方式
图5是本发明的系统方块图，本系统包括微控制器52、SRAM54、ROM56、数字方块58及以电流模式检测压力传感元件的指示装置60，微控制器52、SRAM54及ROM56与电流模式检测压力传感元件的指示装置60之间以数字方块58作为接口。
图6是以电流模式检测压力传感元件的指示装置60的功能方块图，包括压力传感元件61，其具有电阻RX+、RX-、RY+及RY-，分别代表X+、X-、Y+及Y-方向。电阻RX+两端为X1+及X2+，电阻RX-两端为X1-及X2-，电阻RY+两端为Y1+及Y2+，电阻RY-两端为Y1-及Y2-。在未以手指施予压力时，电阻RX+、RX-、RY+及RY-的电阻值大约相等。多路复用器62，其输入端连接电阻RX+、RX-、RY+及RY-，以选择要检测的电阻。电流源64，连接多路复用器62的输出，以提供电流I流至被选择的电阻RX+、RX-、RY+及RY-。电流源64控制电流I的变化，以在压力传感元件61未受压时，控制电流I流经电阻RX+、RX-、RY+及RY-产生电压Vs。差分信号检测器66的输入端连接多路复用器62的输出，以检测电阻两端的端电压(V1-V2)，将端电压(V1-V2)减去电压Vs以得到差分电压ΔV。补偿器68与放大器70连接差分信号检测器66的输出，以分别补偿及放大差分电压ΔV。模拟/数字转换器72连接放大器70的输出端，以将放大器70输出的模拟信号转换为数字信号，并通过数字方块58交由微控制器52处理。以电流模式检测电阻式压力传感元件的指示装置60在整合的技术上，可与电容式触摸屏的控制IC整合。图7显示差分信号检测器66的内部组成，包含电压转换器6602及电压/电流转换器6604，电压转换器6602可以使用例如电压位移器，其在压力传感元件61未受压时，调整压力传感元件61的电阻压差至电压Vs，电压/电流转换器6604转换该差分电压成一电流信号，可以使用例如传导放大器来实现。
图8是本发明检测X轴方向的压力值时的等效电路。多路复用器62选择连接电阻RX+的两端X1+及X2+输入，电流源64提供电流I，在未施予压力时，电流源64的电流I使电阻RX+产生电压Vs，电流源64由电流镜电路或其他电路产生。电流源64具有多种变化，例如16*16种变化，其可调变电流I，以在压力传感元件61未受压时，控制电流I流经电阻RX+、RX-、RY+及RY-产生电压Vs。电流源64通过电路的切换加减调变电流I的变化，因此，对于电阻RX+、RX-、RY+及RY-的制作工艺飘移不敏感，不影响以电流模式检测压力传感元件的指示装置60的准确度。电流源64通过差分信号检测器66检测电阻RX+的端电压(V1-V2)，以在未施予压力时，调变电流I使电阻RX+的端电压(V1-V2)等于Vs，以调整电压V1及V2的压差。在以手指施予压力时，差分信号检测器66检测电压V1及V2的压差，将电压V1及V2的压差减去电压Vs以得到差分电压ΔV，并以放大器70将差分电压ΔV放大。补偿器68对差分电压ΔV作精密的补偿，由于电流补偿控制较电压补偿控制不容易受噪声影响，因此，补偿器68是以电流方式控制，再者，具有电路装置设计容易的优点。再经由模拟对/数字转换器72将电流值转换为数字信号。
根据图8，以电流模式检测压力传感元件的指示装置60在未施予压力时，由电流源64提供电流I，以使X1+及X2+两端的电压V1及V2的压差为Vs，且固定电流在Is。在施予压力时，电阻RX+响应压力产生变形，其电阻值随之改变，因此，电压V1及V2的压差随电阻RX+的电阻值改变，指示装置60通过差分信号检测器66检测电压V1及V2的压差，并将压差减去电压Vs得到差分电压ΔV。由于电流源64将电流I固定为Is，因此检测差分电压ΔV可知电阻RX+的变化量ΔR，本发明的工作原理，即是配合上述电流原理及电阻RX+、RX-、RY+及RY-的检测可检测压力的变化。检测X轴是根据电阻RX+及RX-的变化，检测Y轴是根据电阻RY+及RY-的变化，检测Z轴是根据电阻RX+、RX-、RY+及RY-的变化。
图9是本发明检测电阻端电压的直流电平示意图，根据电流源64调整电流I，在电阻未受压力而变形时，使电压V1约为2.16V，电压V2约为1.16V，根据原电阻值所检测的电压电平80，其压差A为V1-V2，即A＝(V1-V2)＝1V (EQ-1)。在电阻受压力变形而增加时，电压V1大于2.16V，电压V2小于1.16V，根据电阻值增加所检测的电压电平82，其压差为V1-V2，即B＝(V1-V2)＝1V+ΔR×I(EQ-2)，其中，ΔR代表电阻的变化量。在电阻受压力变形而减少时，电压V1小于2.16V，电压V2大于1.16V，根据电阻值减少所检测的电压电平84，其压差C为V1-V2，即C＝(V1-V2)＝1V-ΔR×I(EQ-3)，其中，ΔR代表电阻的变化量。依照图7以检测变化量ΔR，并使用本发明的动作分析的结果，可检测施加压力的方向及力量。本发明的动作包括在电阻RX+的电阻值增加，电阻RX-的电阻值减少，代表受力方向为X+。在电阻RX+的电阻值减少，电阻RX-的电阻值增加，代表受力方向为X-。在电阻RY+的电阻值增加，电阻RY-的电阻值减少，代表受力方向为Y+。在电阻RY+的电阻值减少，电阻RX-的电阻值增加，代表受力方向为Y-。在电阻RX+、RX-、RY+及RY-的电阻值同时增加时，代表受力方向为Z-。在各方向的电阻为相互对称性电阻。
本发明以电流模式检测压力传感元件的指示装置的应用电路简单，且由于主要是以电流方式控制且检测差分信号，因此较公知的指示装置具有更佳的抗噪声能力。再者，本发明使用电流模式检测压力，不需使用精准的参考电阻及额外的运算放大器，而且公知的指示装置，是应用分压原理，对于电阻制作过程的飘移极为敏感，是公知技术的一大缺点，而本发明以电流模式检测压力，对于电阻制作过程的飘移不敏感，有极大的改进。
以上对于本发明的较佳实施例所作的叙述是为阐明的目的，而无意限定本发明所精确揭露的形式，基于以上的教导或从本发明的实施例学习而作修改或变化是可能的，实施例是为解说本发明的原理以及让本领域普通技术人员以各种实施例利用本发明在实际应用上而选择及叙述，本发明的技术思想企图由以下的权利要求及其等效来决定。
权利要求
1.一种以电流模式检测电阻压力传感元件的指示装置，包括电流源，供应电流；多组电阻，响应受压而改变电阻值，该多组电阻被选择性地连接该电流，在未受压时产生一参考电压，在受压时产生一差分电压；差分信号检测器，以检测该差分电压产生一差分信号；以及模拟/数字转换器，以转换该差分信号成一数字信号。
2.如权利要求1所述的指示装置，更包括多路复用器，连接该多组电阻，以选择该多组电阻连接该电流。
3.如权利要求1所述的指示装置，其中该差分信号是电流信号。
4.如权利要求1所述的指示装置，其中该差分信号检测器包括电压转换器，以在该多组电阻未受压时，调整该多组电阻上的压差至该参考电压；以及电压/电流转换器，以转换该差分电压成一电流信号。
5.如权利要求3所述的指示装置，更包括补偿器，以微调该参考电压；以及电流放大器，以放大该电流信号。
6.如权利要求1所述的指示装置，其中该多组电阻的电阻值大约相等。
7.如权利要求1所述的指示装置，其中该多组电阻的电阻值不相等。
8.如权利要求1所述的指示装置，其中该多组电阻包括相互对称性电阻。
9.如权利要求1所述的指示装置，其中该多组电阻每一组表示一方向。
全文摘要
一种以电流模式检测电阻式压力传感元件的指示装置，包括电流源、多组电阻、多路复用器、差分信号检测器、放大器、补偿器、以及模拟/数字转换器。利用该电流源提供电流给该多组电阻中被多路复用器选取的一个以产生参考电压，并响应受压产生因电阻值变化而改变的差分电压给差分信号检测器，利用该补偿器补偿差分信号检测器的输出，并以该放大器放大补偿后的信号，最后将此信号通过该模拟/数字转换器转为数字值，并交由一微控制器处理，以检测该差分电压作为压力感测的基准。
文档编号G01L1/18GK1595085SQ0315845
公开日2005年3月16日 申请日期2003年9月10日 优先权日2003年9月10日
发明者简永烈, 陈建和, 林育民 申请人:义隆电子股份有限公司