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具有感测的集成可变形电极结构的输入装置

申请号 CN201280046102.6 申请日 2012-08-29 公开(公告)号 CN103814350B 公开(公告)日 2017-12-29
申请人 辛纳普蒂克斯公司; 发明人 R.J.博伦德; N.K.维贾亚尚克; J.K.雷诺; L-H.谢; S.库马;
摘要 提供促进改进的输入装置性能的装置和方法。装置和方法利用设置在第一衬底上的第一 电极 和第二电极以及可 变形 电极结构。可变形电极结构重叠第一电极和第二电极,以限定第一电极与第二电极之间的可变电容,该可变电容随可变形电极结构的变形而变化。可变形电极结构包括间隔组件,其配置成提供可变形电极结构与第一电极和第二电极之间的间隔。最后,传输组件配置成使得偏置传输组件使可变形电极结构变形并且改变可变电容。可变电容的测量能够用来确定与偏置传输组件的 力 有关的力信息。
权利要求

1.一种输入装置,包括:
第一电极和第二电极,设置在第一衬底上;以及
变形电极结构,所述可变形电极结构包括:
电极组件,所述电极组件重叠所述第一电极和所述第二电极以限定所述第一电极与所述第二电极之间随所述可变形电极结构的变形而改变的可变电容;
间隔组件,所述间隔组件与所述第一衬底接触,并且其提供所述电极组件和所述第一电极与所述第二电极两者之间的间隔;以及
传输组件,配置成使得用户施加的偏置所述传输组件的使所述可变形电极结构变形并且改变所述第一电极和所述第二电极之间的所述可变电容。
2.如权利要求1所述的输入装置,其中,所述第一电极包括发射器电极,以及其中所述第二电极包括接收器电极。
3.如权利要求1所述的输入装置,其中,所述可变形电极结构还包括配置成在物理上耦合到所述第一衬底的附连组件。
4.如权利要求1所述的输入装置,其中,所述可变形电极结构和所述传输组件整体地形成。
5.如权利要求1所述的输入装置,其中,所述可变形电极结构和所述传输组件由单件材料来形成。
6.如权利要求1所述的输入装置,还包括设置在所述可变形电极结构的所述电极组件与所述第一和第二电极之间的第三电极,所述第三电极通过绝缘体与所述第一和第二电极分隔,其中所述第三电极被配置成在操作期间电浮置。
7.如权利要求1所述的输入装置,还包括:
多个电容传感器电极,其被配置成检测感测区中的物体;以及
处理系统,所述处理系统被通信地耦合到所述多个电容传感器电极、所述第一电极和所述第二电极,其中所述处理系统被配置成:
确定所述可变电容的电容值,并且从所述电容值来确定针对所述用户施加的力的力信息;以及
操作所述多个电容传感器电极,以感测所述感测区中的物体。
8.一种输入装置,包括:
发射器电极和接收器电极,设置在第一衬底上;
可变形电极结构,其包括:
电极组件,所述电极组件重叠所述发射器电极和所述接收器电极的至少一部分,以限定所述发射器电极与所述接收器电极之间的可变电容;
间隔组件,所述间隔组件与所述第一衬底接触,并且其提供所述电极组件与所述发射器电极和所述接收器电极两者之间的间隔;以及
传输组件,所述传输组件被配置成使得用户施加的偏置所述传输组件的力使所述可变形电极结构相对于所述发射器电极和所述接收器电极变形并且改变所述发射器电极和所述接收器电极之间的所述可变电容;以及
处理系统,其被通信地耦合到所述发射器和接收器电极,并且被配置成:
确定所述可变电容的电容值;以及
通过测量所述可变电容来确定针对所述用户施加的力的力信息。
9.如权利要求8所述的输入装置,其中,所述可变形电极结构和所述传输组件整体地形成。
10.如权利要求8所述的输入装置,其中,所述可变形电极结构由单件材料来形成。
11.如权利要求8所述的输入装置,还包括设置在所述可变形电极结构的所述电极组件与所述发射器电极和所述接收器电极之间的浮置电极,所述浮置电极通过绝缘体与所述发射器电极和所述接收器电极分隔,其中所述浮置电极被配置成在操作期间电浮置。
12.如权利要求8所述的输入装置,还包括:
多个电容传感器电极,其被配置成检测感测区中的物体,
其中所述处理系统还被通信地耦合到所述多个电容传感器电极,并且其中所述处理系统还被配置成操作所述多个电容传感器电极,以感测所述感测区中的物体。
13.一种输入方法,包括:
提供设置在第一衬底上的第一电极和第二电极;以及
将可变形电极结构附加至所述衬底,所述可变形电极结构包括:
电极组件,所述电极组件重叠所述第一电极和所述第二电极以限定所述第一电极与所述第二电极之间随所述可变形电极结构的变形而改变的可变电容;
间隔组件,所述间隔组件与所述第一衬底接触,并且其提供所述电极组件与所述第一电极和所述第二电极两者之间的间隔;以及
传输组件,所述传输组件被配置成使得用户施加的偏置所述传输组件的力使所述可变形电极结构变形并且改变所述第一电极和所述第二电极之间的所述可变电容。
14.如权利要求13所述的输入方法,其中,所述可变形电极结构和所述传输组件整体地形成。
15.如权利要求13所述的输入方法,其中,所述可变形电极结构由单件材料来冲压,以将所述单件材料成形为所述可变形电极结构。
16.如权利要求13所述的输入方法,其中,所述可变形电极结构由单件材料来模压,以将所述单件材料成形为所述可变形电极结构。
17.如权利要求13所述的输入方法,还包括提供设置在所述可变形电极结构的所述电极组件与所述第一和第二电极之间的第三电极,所述第三电极通过绝缘体与所述第一和第二电极分隔,其中所述第三电极被配置成在操作期间电浮置。
18.如权利要求13所述的输入方法,还包括在所述第一衬底上提供第一批多个电容传感器电极,所述第一批多个电容传感器电极配置成检测感测区中的物体。

说明书全文

具有感测的集成可变形电极结构的输入装置

[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2011年9月21日提交的美国非临时专利申请No.13/238783的优先权。

技术领域

[0003] 一般来说,本发明涉及电子装置,更具体来说,涉及输入装置、例如接近传感器装置和力传感器装置。

背景技术

[0004] 接近传感器装置(通常又称作触摸传感器装置)广泛用于各种电子系统中。接近传感器装置通常包括经常通过表面来区分的感测区,其中能够检测输入物体。示例输入物体包括手指触控笔等。接近传感器装置能够利用基于电容、电阻、电感、光、声和/或其它技术的一个或多个传感器。此外,接近传感器装置可确定感测区中的单个输入物体或者同时在传感器区中的多个输入物体的存在、位置和/或运动。
[0005] 接近传感器装置能够用来实现对关联电子系统的控制。例如,接近传感器装置常常用作较大计算系统的输入装置,较大计算系统包括:笔记本计算机和台式计算机。接近传感器装置也常常用于较小系统中,包括:手持系统,例如个人数字助理(PDA)、远程控件;以及通信系统,例如无线电话和文本消息传递系统。接近传感器装置越来越多地用于媒体系统(例如CD、DVD、MP3、视频或其它媒体记录器或播放器)中。接近传感器装置能够是计算系统的整体部分或者外设,接近传感器装置与计算系统交互。
[0006] 在过去,一些接近传感器采用检测和确定施加到传感器表面的力的附加能力来实现。例如,通过测量增加的电容(其是在将手指压在表面上时的增加接触面积的结果)进行外加力的估计。遗憾的是,当使用这些技术来估计外加力时,这些接近传感器的一些实现具有有限精度。由于有问题的精度,这类传感器在使用这种所确定力作为确定用户输入的基础方面通常具有有限能力。这限制接近传感器装置用作输入装置的灵活性。因此,需要接近传感器装置的改进,以及具体来说是接近传感器装置确定和响应外加力的指示的能力的改进。
[0007] 通过以下与附图和上述技术领域及背景结合的详细描述和所附权利要求书,其它期望特征和特性将变得显而易见。

发明内容

[0008] 提供促进改进的输入装置性能的装置和方法。该装置和方法利用设置在第一衬底上的第一电极和第二电极以及可变形电极结构。可变形电极结构重叠第一电极和第二电极,以限定第一电极与第二电极之间的可变电容,该可变电容随可变形电极结构的变形而变化。可变形电极结构包括间隔组件,其配置成提供可变形电极结构与第一电极和第二电极之间的间隔。最后,传输组件配置成使得偏置传输组件使可变形电极结构变形并且改变可变电容。可变电容的测量能够用来确定与偏置传输组件的力有关的力信息。
[0009] 在另一个实施例中,该装置和方法利用设置在第一衬底上的发射器电极和接收器电极以及可变形电极结构。可变形电极结构重叠发射器电极和接收器电极的至少一部分,以限定发射器电极与接收器电极之间的可变电容,该可变电容随可变形电极结构的变形而变化。
[0010] 在一些实施例中,可变形电极结构包括间隔组件以及传输组件。间隔组件是可变形电极结构的一部分,并且配置成提供可变形电极结构与发射器电极和接收器电极之间的间隔。另外,在一些实施例中,传输组件也是可变形电极结构的一部分,并且配置成使得偏置传输组件的力使可变形电极结构相对于发射器和接收器电极变形并且改变可变电容。可变电容的测量能够用来确定与偏置传输组件的力有关的力信息。
[0011] 在一些实施例中,处理系统在通信上耦合到可变形电极以及第一和第二电极,其中处理系统配置成确定可变电容的电容值,并且从电容值来确定力信息。
[0012] 在一个具体实施例中,输入装置和方法采用电容传感器电极来实现。在这种实施例中,电容传感器电极可配置成确定处于感测区中的物体的位置信息。在各个实现中,电容传感器电极可在第一衬底或者其它衬底上实现。这些实现提供在接近传感器与力传感器之间共享组件的潜在优点。换句话说,这些实现允许力感测以较低附加成本和复杂度来添加到接近传感器。
[0013] 因此,各个实施例通过促进一个或多个输入物体的力信息的确定,来提供改进的输入装置性能。

附图说明

[0014] 下面将结合附图来描述本发明的优选示范实施例,其中,相似的标号表示相似的元件,以及附图包括:
[0015] 图1A-C是按照本发明的一个实施例的力传感器的截面侧视图和顶视图;
[0016] 图2A-B是按照本发明的一个实施例的力传感器的截面侧视图和顶视图;
[0017] 图3A-B是按照本发明的实施例的力传感器的截面侧视图;
[0018] 图4是按照本发明的一个实施例的力传感器的截面侧视图;
[0019] 图5是按照本发明的一个实施例的力传感器的截面侧视图;
[0020] 图6A-B是按照本发明的一个实施例的力传感器的截面侧视图和示意图;
[0021] 图7是按照本发明的实施例的输入装置的框图;以及
[0022] 图8-9是按照本发明的实施例的输入装置的截面侧视图和顶视图。

具体实施方式

[0023] 以下具体实施方式实际上只是示范性的,而不是要限制本发明或者本发明的应用和使用。此外,并不是意在通过前面的技术领域、背景技术、发明内容或者以下具体实施方式中提供的任何明确表达或暗示的理论进行限制。
[0024] 提供促进改进的输入装置性能的装置和方法。具体来说,装置和方法按照节省成本和有效的方式来为输入装置提供力感测。现在来看图1A和图1B,示出输入装置100的截面和局部顶视图。输入装置100包括第一衬底102、可变形电极结构104、第一电极108和第二电极110。可变形电极结构104重叠第一电极108和第二电极110,以限定第一电极108与第二电极110之间的可变电容,该可变电容随可变形电极结构104的变形而变化。可变形电极结构104包括电极组件112和间隔组件114。间隔组件114配置成提供可变形电极结构104的电极组件112与第一电极108和第二电极112之间的间隔。可变形电极结构104是可变形的,使得偏置使可变形电极结构104变形并且改变可变电容。可变电容的测量能够用来确定与力偏置有关的力信息。
[0025] 这种力偏置的一个示例在图1C中示出。如本图所示,偏置可变形电极结构104的力120使可变形电极结构104变形,从而允许可变形电极结构104的电极组件112相对于第一电极108和第二电极110移动。当可变形电极结构104与第一电极108和第二电极110之间的距离发生变化时,部分由可变形电极结构104、电极108和110所限定的可变电容发生变化。因此,电极之间的可变电容的测量能够用来确定提供偏置力的物体的力信息。
[0026] 在一些实施例中,第一电极108包括发射器电极,而第二电极110包括接收器电极。在这些实施例中,可变电容是第一电极108与第二电极110之间的跨电容,该跨电容通过从第一电极108传送信号并且采用第二电极110接收所产生信号来测量。第一电极108与第二电极110之间的这个可变电容随可变形电极结构104的变形而变化,并且因此跨电容能够被测量并且用来确定力信息。
[0027] 在图1的所示实施例中,可变形电极结构包括电极组件112以及间隔组件114。一般来说,电极组件112的配置促进朝第一电极108和第二电极110的变形,因而提供可测量的可变电容。间隔组件114的配置是使得间隔组件114提供电极组件112与第一电极108和第二电极110之间的所需空间,从而允许可变形电极结构104的变形。
[0028] 如上所述,间隔组件114和电极组件112均是同一可变形电极结构104的组成部分。作为示例,可变形电极结构104可使用诸如冲压或模压之类的形成过程、从单件材料来形成。在这些实施例中,单件材料可成形为提供可变形电极结构104的电极组件112以及间隔组件114。下面将论述可用来形成可变形电极结构104的这类技术的详细示例。
[0029] 如上所述,在一些实施例中,输入装置还包括传输组件。一般来说,传输组件配置成使得偏置传输组件的力使可变形电极结构104相对于第一电极108和第二电极110变形,以改变可变电容。在一些实施例中,这个传输组件实现为独立元件,该独立元件在物理上耦合到可变形电极结构104,以促进响应外加力的变形。
[0030] 在其它实施例中,传输组件作为可变形电极结构的一部分来形成。作为示例,可变形电极结构(其包括电极组件、间隔组件和传输组件)可使用诸如冲压和模压之类的形成过程、从单件材料来形成。在这些实施例中,单件材料可再次成形为提供全部三个主要组件,包括电极组件、间隔组件和传输组件。下面将参照图2-3来论述这类实施例的详细示例。
[0031] 在一些实施例中,处理系统在通信上耦合到可变形电极结构104以及第一电极108和第二电极110,其中处理系统配置成确定可变电容的电容值,并且从电容值来确定力信息。下面将参照图7来论述这种实施例的详细示例。
[0032] 在一些实施例中,输入装置和方法采用附加电容传感器电极来实现。在这种实施例中,电容传感器电极可配置成确定处于感测区中的物体的位置信息。在各个实现中,电容传感器电极可在第一衬底102或者其它近邻的衬底上实现。这些实现提供在接近传感器与力传感器之间共享组件的潜在优点。换句话说,这些实现允许力感测以较低附加成本和复杂度来添加到接近传感器。将参照图8和图9来论述这类实施例的示例。
[0033] 应当注意,图1A-1D所示的示例实现只是能够使用的一种类型的配置。例如,输入装置100示出具有基本上圆形但没有整体传输组件的实现。现在来看图2,示出输入装置200的第二实施例。具体来说,图2A和图2B示出输入装置200的截面和局部顶视图。输入装置100包括第一衬底202、可变形电极结构204、第一电极208和第二电极210。可变形电极结构204重叠第一电极208和第二电极210,以限定第一电极208与第二电极210之间的可变电容,该可变电容随可变形电极结构204的变形而变化。
[0034] 在这个实施例中,可变形电极结构204包括电极组件212、间隔组件214和传输组件216。间隔组件214配置成提供可变形电极结构204的电极组件212与第一电极208和第二电极210之间的间隔。可变形电极结构204是可变形的,使得传输组件216的偏置使可变形电极结构204变形并且改变可变电容。可变电容的测量能够用来确定与偏置传输组件216的力有关的力信息。
[0035] 偏置传输组件216的力的增加使可变形电极结构204变形,从而允许可变形电极结构204的电极组件112相对于第一电极208和第二电极210移动。当可变形电极结构204与第一电极208和第二电极210之间的距离发生变化时,部分由可变形电极结构204、电极208和210所限定的可变电容发生变化。因此,电极之间的可变电容的测量能够用来确定提供偏置力的物体的力信息。在一些实施例中,第一电极208包括发射器电极,而第二电极210包括接收器电极。在这些实施例中,可变电容是第一电极208与第二电极210之间的跨电容,该跨电容通过从第一电极108传送信号并且采用第二电极210接收所产生信号来测量。第一电极
208与第二电极210之间的这个可变电容随偏置传输组件216并且引起可变形电极结构204的变形的力而变化。因此,跨电容能够被测量并且用于确定力信息。
[0036] 在图2的所示实施例中,可变形电极结构204包括电极组件212、间隔组件214和传输组件216。一般来说,电极组件212的配置促进朝第一电极208和第二电极210的变形,因而提供可测量的可变电容。间隔组件214的配置是使得间隔组件214提供可变形电极结构204与第一电极208和第二电极210之间的所需空间。
[0037] 如上所述,电极组件212、间隔组件214和传输组件216全部是同一可变形电极结构204的组成部分。作为示例,可变形电极结构204可使用诸如冲压或模压之类的形成过程、从单件材料来形成。在这些实施例中,单件材料可成形为提供全部作为一件材料的电极组件
112、间隔组件214和传输组件。下面将论述可用来形成可变形电极结构204的这类技术的详细示例。
[0038] 在一些实现中,这种输入装置200能够具有对力的比较线性的响应。也就是说,当力施加到传输组件216并且偏置可变形电极结构204时,电容的所产生变化是电极组件212与第一和第二电极108、210之间的相对移动量的函数。同样,偏置量是施加到传输组件216的力的函数。通过适当选择材料和几何结构,能够设计电容的所测量变化与外加力之间的较大线性响应。经过这样实现,输入装置200可提供外加力的准确有用量度。
[0039] 在一个典型实现中,触摸层以及在一些情况下的其它附加层覆盖传输组件216。在这些实施例中,输入物体、例如手指通过这些附加层来施加力,但是以其它方式将力“直接”施加到传输组件216。传输组件216将那个力“传送”到电极组件212,从而使电极组件212相对于第一电极208和第二电极210移动。
[0040] 最后,应当注意,虽然图1示出具有基本上圆形的可变形电极结构104的输入装置100,以及虽然图2示出具有基本上矩形的可变形电极结构204的输入装置200,但是这类形状和配置只是可实现的多种形状和配置的两个示例。
[0041] 在图2的实施例中,输入装置200包括具有整体传输组件216的可变形电极结构204。在那个所示示例中,传输组件216包括可变形电极结构204的一部分,其经过弯曲以提供传输组件216。但是,这只是这种传输组件的一个示例。现在来看图3,示出与可变形电极结构集成的传输组件的其它示例。具体来说,图3A示出一个输入装置300,其包括第一衬底
302、可变形电极结构304、第一电极308和第二电极310。在这个所示实施例中,可变形电极结构304包括整体传输组件316。这种整体传输组件316再次能够通过从单件材料形成整个可变形电极结构来创建。但是,在这个实施例中,传输组件316不只是可变形电极结构304的弯曲部分,而是具有明显附加材料厚度和形状的元件。
[0042] 图3A示出输入装置350的另一个示例,该输入装置包括具有整体传输组件356的可变形电极结构354。在这个实施例中,传输组件356包括具有附加厚度的可变形电极结构354的一部分。
[0043] 这些再次只是采用整体传输组件来形成的可变形电极结构的示例,并且可使用多种其它形状、结构和配置。
[0044] 最后,应当注意,在这各个实施例中,由输入物体所施加的力可“直接”或“间接”施加到传输组件。在“间接”实施例中,通过输入物体朝背衬结构推送输入装置、例如朝固定衬底推送整个输入装置,来施加力。相比之下,在“直接”实施例中,力直接施加到传输组件。在这些实施例中,力可通过一个或多个中间层来传送,但是力最终直接施加到传输组件。
[0045] 在图1-3的实施例中,各种输入装置包括具有整体间隔组件的可变形电极结构。在这些示例中,间隔组件包括经过弯曲以提供可变形电极结构与第一和第二电极之间的间隔的可变形电极结构的部分。但是,这些只是这种传输组件的一些示例。现在来看图4,示出与可变形电极结构集成的传输组件的另一个示例。具体来说,图4示出一个输入装置400,其包括第一衬底402、可变形电极结构404、第一电极408和第二电极410。在这个所示实施例中,可变形电极结构404包括间隔组件414。这种整体间隔组件414再次能够通过从单件材料形成整个可变形电极结构来创建。
[0046] 在这个实施例中,附连组件420配置成在物理上耦合到第一衬底。在这个所示实施例中,附连组件420是间隔组件的扩展。但是,这只是一个示例,并且可使用其它实现。此外,间隔组件的其它实现是可能的。例如,可变形电极结构可采用具有多种其它形状、结构和配置的整体间隔组件来形成。
[0047] 以上所述的各种输入装置包括具有整体间隔组件的可变形电极结构。这些可变形电极结构能够采取多种形式和结构。例如,除了以上所示的形状和结构之外,还可实现多种特征以促进可变形电极结构的重复变形。这些特征包括多种形状和材料。作为一个示例,一个或多个开口可在可变形电极结构中形成,以促进重复变形。
[0048] 现在来看图5,示出可变形电极结构的另一个示例。具体来说,图5示出可变形电极结构502的透视图,该可变形电极结构502包括多个开口520、星形传输元件522和多个凹口524。一般来说,多个开口520可在可变形电极结构中形成,以促进电极结构502朝第一和第二电极的可靠变形。因此,开口的存在能够改进装置的可靠性和使用期限。
[0049] 同样,星形传输元件522提供一种整体结构,其接收外加力,并且使可变形电极结构104的电极组件相对于第一和第二电极变形。传输元件的星形只是能够使用的传输元件的形状的一个示例。具体来说,根据从所使用材料所预期的变形性质,能够使用传输元件的各种适当形状。这种整体传输组件522再次能够通过从单件材料形成整个可变形电极结构502来创建。
[0050] 形成多个凹口524,以提供用于附连到基础衬底的附连点。在使用这些附连点中,可使用各种附连方法、例如焊接。此外,多个凹口的一个或多个可用作定位可变形电极结构502的对齐导向装置。
[0051] 当然,这些只是可添加到这种电极结构的附加形状和结构的类型的一些示例。例如,可提供具有多种其它形状、结构和配置的开口和其它元件。
[0052] 上述各个实施例提供促进力信息的准确确定的可变形电极结构。这些可变形电极结构一般包括整体共同形成的电极组件和间隔组件。另外,在一些实施例中,包括各种开口、附连组件和传输组件的其它特征可随可变形电极结构整体地形成。
[0053] 多种不同技术和材料可用来形成这类结构。例如,一般期望从具有较高屈服强度和弹性性质的导电材料来形成可变形电极结构。较高屈服强度允许可变形电极结构重复地变形并且返回到原始形状。这类材料的示例包括一般称作“弹簧”的各种钢。其它示例包括不锈钢、铍、磷青铜等。
[0054] 此外,多种不同技术可用来形成这类结构,而与所使用的特定技术无关。例如,过程(例如冲压)可用来形成可变形电极结构。一般来说,冲压使用诸如压床或冲压机之类的装置、从片材来形成特定形状和结构。这类过程可通过一个步骤形成可变形电极结构,或者可使用多级操作来形成复合形状和结构。在任何情况下,冲压可用来从单片材料来形成可变形电极结构,并且因此可用来整体共同形成电极组件、间隔组件和传输组件。
[0055] 在一些实施例中,可使用特定类型的冲压。例如,在一些实施例中,可使用称作模压的一种精确形式的冲压。在模压中,大量力用来使加工件可塑地变形,使得它适应模具。这种技术提供较高容差的可制造性的潜在优点。
[0056] 如以上所述,在一些实施例中,第一电极包括发射器电极,而第二电极包括接收器电极。在这些实施例中,可变电容是第一电极与第二电极之间的跨电容,其通过从第一电极传送信号并且采用第二电极接收所产生信号来测量。这些跨电容感测方法有时又称作“互电容感测方法”。跨电容感测方法通过检测将一个或多个发射电极与一个或多个接收电极耦合的电场线(并且因而通过检测周围电场)进行操作。输入物体可引起电场的变化,并且产生跨电容耦合的变化,该变化是通过跨电容感测方法可检测的。例如,跨电容感测方法可检测诸如电压电流的变化等的变化。
[0057] 在具有第一组传感器电极和第二组传感器电极的一个实施例中,第一组传感器电极传送电信号,而第二组传感器电极接收电信号。在这个实施例中,第一组传感器电极的至少一个传感器电极进行电传送,以及第二组传感器电极的至少一个传感器电极接收所产生信号。进行传送的第一组传感器电极中的传感器电极有时称作“发射传感器电极”、“驱动传感器电极”、“发射器”或者“驱动器”—至少对于它们进行传送的期间是这样。也可使用其它名称,包括先前名称的缩写或组合(例如“驱动电极”或“驱动器电极”)。进行接收的第二组传感器电极中的传感器电极有时称作“接收传感器电极”、“接收器电极”或“接收器”—至少对于它们进行接收的期间是这样。类似地,也可使用其它名称,包括先前名称的缩写或组合。
[0058] 在一些实施例中,可包含附加特征,以改进装置的性能。现在来看图6A和图6B,示出输入装置600,其包括第一衬底602、可变形电极结构604、发射器电极608、接收器电极610、浮置电极620和绝缘层622。具体来说,图6A示意示出这些组件,而图6B示出作为具有关联电容的电路图的组成部分的电极组件。具体来说,图6B示出发射器电极608与浮置电极
620之间的电容Ct、接收器电极610与浮置电极620之间的电容Cr以及可变形电极结构604与浮置电极620之间的可变电容Cx。
[0059] 在这个实施例中,浮置电极620配置成在操作期间电浮置(即,与其它电组件欧姆地绝缘)。“电浮置”是要表示浮置电极与输入装置的其它电路元件之间不存在明显欧姆接触,使得在正常情况下没有有意义的电荷量能够流动到浮置电极上或者从其中流走。当然,存在于导电浮置电极上的任何电荷仍然能够在电场存在的情况下自行重新分布。因此,可偏转电极电容地耦合到发射器和接收器电极,但是它没有明显地欧姆地耦合到那些或其它电路元件,并且它不要求到其它电路元件的任何布线或者其它形式的电连接。一般来说,这个实施例按照与以上所述相似的方式进行操作,其中添加了用来创建可变形电极结构604与浮置电极之间的可变电容的浮置电极,可变电容能够被测量以确定施加到可变形电极结构604的力。
[0060] 参照图1-6所示和所述的各个实施例特别可适用于组合接近感测以及力感测两者的输入装置。在这类实施例中,电容传感器电极可配置成确定处于感测区中的物体的位置信息。在各个实现中,电容传感器电极可在图1-6所述的输入装置的各种衬底上实现,如下面将进行描述。这类实现提供的显著潜在优点在于,关键组件可在接近传感器与(一个或多个)力传感器之间共享。换句话说,这些实现允许力感测以较低附加成本和复杂度来添加到接近传感器。
[0061] 现在来看图7,框图示出将接近传感器与多个力传感器相结合的输入装置716。输入装置716使用接近传感器以及力传感器两者来提供电子系统的接口。输入装置716具有处理系统719、输入表面721、感测区718以及靠近感测区718所实现的四个力传感器720。如下面将更详细描述,力传感器720的每个可采用以上和以下所述的力感测输入装置的各个实施例的任一个来实现,并且因而可配置成提供多种力感测。此外,应当注意,一个或多个力传感器可设置在输入表面721的周边的内部或外部。图7中未示出的是感测电极阵列,其适合电容地感测在感测区718中的物体。
[0062] 输入装置716适合通过响应所感测物体的位置以及这类物体所施加的力而促进数据输入,来提供用户界面功能性。具体来说,处理系统719配置成确定由感测区718中的传感器所感测的物体的位置信息。然后,这个位置信息能够由系统700用来提供大范围的用户界面功能性。此外,处理系统719配置成从力传感器720所确定的力的量度来确定物体的力信息。然后,这个力信息也能够由系统700用来提供大范围的用户界面功能性。例如,通过响应物体在感测区中的外加力的不同等级而提供不同的用户界面功能。
[0063] 输入装置716对一个或多个输入物体(例如手指、触控笔等)的输入敏感,例如感测区718中的输入物体714的位置。感测区718包含输入装置716之上、周围、之中和/或附近的任何空间,其中输入装置716能够检测用户输入(例如由一个或多个输入物体714所提供的用户输入)。特定感测区的尺寸、形状和位置可以逐个实施例极大地改变。在一些实施例中,感测区718沿一个或多个方向从输入装置714的表面延伸到空间中,直到信噪比阻止充分准确的物体检测。在各个实施例中,这个感测区718沿特定方向所延伸的距离可以是大约小于一毫米、数毫米、数厘米或者以上,并且可随所使用的感测技术的类型和预期的精度而极大地改变。因此,一些实施例感测包括没有与输入装置714的任何表面相接触、与输入装置714的输入表面(例如触摸表面)相接触、与耦合某个量的外加力或压力的输入装置714的输入表面相接触和/或它们的组合的输入。在各个实施例中,可由传感器电极所在的壳体的表面、由施加在传感器电极或者任何壳体之上的夹层结构面板等,来提供输入表面。
[0064] 输入装置714可利用传感器组件和感测技术的任何组合来检测感测区718中的用户输入。输入装置714包括用于检测用户输入的一个或多个感测元件。作为若干非限制性示例,输入装置714可使用电容、倒介电、电阻、电感、磁、声、超声和/或光学技术。
[0065] 一些实现配置成提供跨越一维、二维、三维或更高维的空间的图像。一些实现配置成提供沿特定轴或平面的输入的投影。
[0066] 在输入装置714的一些电阻实现中,柔性和导电第一层通过一个或多个隔离元件与导电第二层分隔。在操作期间,跨层创建一个或多个电压梯度。按压柔性第一层可使它充分偏斜以便在层之间创建电接触,从而产生反映层之间的接触点的电压输出。这些电压输出可用于确定位置信息。
[0067] 在输入装置714的一些电感实现中,一个或多个感测元件拾取(pick up)由谐振线圈或线圈对所感应的回路电流。电流的幅值、相位频率的某个组合则可用来确定位置信息。
[0068] 在输入装置714的一些电容实现中,施加电压或电流以创建电场。附近的输入物体引起电场的变化,并且产生电容耦合的可检测变化,该可检测变化可作为电压、电流等的变化来检测。
[0069] 一些电容实现利用电容感测元件的阵列或者其它规则或不规则图案来创建电场。在一些电容实现中,独立感测元件可欧姆地短接在一起,以便形成较大传感器电极。一些电容实现利用电阻片,该电阻片可以是电阻均匀的。
[0070] 一些电容实现利用基于传感器电极与输入物体之间的电容耦合的变化的“自电容”(或“绝对电容”)感测方法。在各个实施例中,传感器电极附近的输入物体改变传感器电极附近的电场,因而改变所测量电容耦合。在一个实现中,绝对电容感测方法通过相对参考电压(例如系统地)来调制传感器电极以及通过检测传感器电极与输入物体之间的电容耦合进行操作。
[0071] 一些电容实现利用基于传感器电极之间的电容耦合的变化的“互电容”(或者“跨电容”)感测方法。在各个实施例中,传感器电极附近的输入物体改变传感器电极之间的电场,因而改变所测量电容耦合。在一个实现中,跨电容感测方法通过下列步骤进行操作:检测一个或多个发射器传感器电极(又称作“发射器电极”或“发射器”)与一个或多个接收器传感器电极(又称作“接收器电极”或“接收器”)之间的电容耦合。发射器传感器电极可相对于参考电压(例如系统地)来调制,以传送发射器信号。接收器传感器电极可相对于参考电压基本上保持为恒定,以促进所产生信号的接收。所产生信号可包括与一个或多个发射器信号和/或与一个或多个环境干扰源(例如其它电磁信号)对应的影响。传感器电极可以是专用发射器或接收器,或者可配置成既传送又接收。
[0072] 图7中,处理系统719示为输入装置716的一部分。处理系统719配置成操作输入装置716的硬件,以检测感测区718中的输入。处理系统719包括一个或多个集成电路(IC)的部分或全部和/或其它电路组件。例如,互电容传感器装置的处理系统可包括:发射器电路,配置成采用发射器传感器电极来传送信号;和/或接收器电路,配置成采用接收器传感器电极来接收信号。在一些实施例中,处理系统719还包括电子可读指令,例如固件代码、软件代码等。在一些实施例中,组成处理系统719的组件共同位于例如输入装置716的感测元件的附近。在其它实施例中,处理系统719的组件在物理上是独立的,其中一个或多个组件靠近输入装置716的感测元件,而一个或多个组件在其它位置。例如,输入装置716可以是耦合到台式计算机的外设,并且处理系统719可包括配置成运行于台式计算机的中央处理单元上的软件以及与中央处理单元分离的一个或多个IC(也许具有关联固件)。作为另一个示例,输入装置716可在物理上集成到电话中,并且处理系统719可包括作为电话的主处理器的一部分的电路和固件。在一些实施例中,处理系统719专用于实现输入装置716。在其它实施例中,处理系统719还执行其它功能,例如操作显示屏幕、驱动触觉致动器等。
[0073] 处理系统719可实现为处理该处理系统719的不同功能的一组模。各模块可包括作为处理系统719的一部分的电路、固件、软件或者它们的组合。在各个实施例中,可使用模块的不同组合。示例模块包括:硬件操作模块,用于操作诸如传感器电极和显示屏幕之类的硬件;数据处理模块,用于处理诸如传感器信号和位置信息之类的数据;以及报告模块,用于报告信息。其它示例模块包括:传感器操作模块,配置成操作感测元件以检测输入;识别模块,配置成识别诸如模式变化手势之类的手势;以及模式变更模块,用于变更操作模式。
[0074] 在一些实施例中,处理系统719直接通过引起一个或多个动作,来响应感测区718中的用户输入(或者没有用户输入)。示例动作包括变更操作模式以及诸如光标移动、选择、菜单导航和其它功能之类的GUI动作。在一些实施例中,处理系统719向电子系统的某个部分(例如向电子系统中与处理系统719分离的中央处理系统,若这种独立中央处理系统存在的话)提供与输入(或者没有输入)有关的信息。在一些实施例中,电子系统的某个部分处理从处理系统719所接收的信息,以便对用户输入起作用,例如促进全系列的动作,包括模式变更动作和GUI动作。
[0075] 例如,在一些实施例中,处理系统719操作输入装置716的感测元件,以便产生指示感测区718中的输入(或者没有输入)的电信号。处理系统719可在产生提供给电子系统的信息中对电信号执行任何适当量的处理。例如,处理系统719可数字化从传感器电极所得到的模拟电信号。作为另一个示例,处理系统719可执行滤波或者其它信号调节。作为又一个示例,处理系统719可减去或者以其它方式考虑基准,使得信息反映电信号与基准之间的差。作为又一些示例,处理系统719可确定位置信息,将输入识别为命令,识别笔迹等。
[0076] 本文所使用的“位置信息”广义地包含绝对位置、相对位置、速度、加速度和其它类型的空间信息。示范“零维”位置信息包括近/远或者接触/无接触信息。示范“一维”位置信息包括沿轴的位置。示范“二维”位置信息包括平面中的运动。示范“三维”位置信息包括空间中的瞬时或平均速度。其它示例包括空间信息的其它表示。还可确定和/或存储与一种或多种类型的位置信息有关的历史数据,包括例如随时间来跟踪位置、运动或者瞬时速度的历史数据。
[0077] 同样,如本文所使用的术语“力信息”预计广义地包含与格式无关的力信息。例如,力信息能够对各物体、作为向量或纯量来提供。作为另一个示例,力信息能够作为关于所确定力已经超过或者尚未超过阈值量的指示来提供。作为其它示例,力信息还能够包括用于手势识别的时间历史分量。如下面将更详细描述,来自处理系统的位置信息和力信息可用来促进全范围的界面输入,包括接近传感器装置用作用于选择、光标控制、卷动和其它功能的指向装置。
[0078] 在一些实施例中,输入装置716采用由处理系统719或者由另外某种处理系统所操作的附加输入组件来实现。这些附加输入组件可提供用于感测区718中的输入的冗余功能性或者另外某种功能性。
[0079] 在一些实施例中,输入装置716包括触摸屏界面,并且感测区718重叠显示屏幕的工作区的至少一部分。例如,输入装置716可包括覆盖显示屏幕、基本上透明的传感器电极,并且提供用于关联电子系统的触摸屏界面。显示屏幕可以是能够向用户显示可视界面的任何类型的动态显示器,并且可包括任何类型的发光二极管(LED)、有机LED(OLED)、阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、等离子体、电致发光(EL)或者其它显示技术。输入装置716和显示屏幕可共享物理元件。例如,一些实施例可将相同电组件的一部分用于显示和感测。作为另一个示例,显示屏幕可部分或全部由处理系统719来操作。
[0080] 应当理解,虽然在全功能设备的上下文中描述本发明的许多实施例,但是本发明的机制能够作为各种形式的程序产品(例如软件)来分配。例如,本发明的机制可作为电子处理器可读的信息承载介质上的软件程序来实现和分配(例如,处理系统719可读的非暂时计算机可读和/或可记录/可写信息承载介质)。另外,本发明的实施例同样适用,而与用于执行分配的介质的特定类型无关。非暂时的电子可读介质的示例包括各种光盘、存储棒、存储卡、存储模块等。电子可读介质可基于闪速、光、磁、全息或者任何其它存储技术。
[0081] 如上所述,输入装置716可采用电容感测电极的多种不同类型和布置来实现。列举几个示例,电容感测装置可采用电极阵列来实现,其中电极阵列在多个衬底层上形成,包括用来形成力传感器的相同层的部分。作为一个具体实施例,用于沿一个方向(例如“X”方向)进行感测的电极可在第一层上(例如在图1-6的第一衬底或者任何其它适当衬底的第一侧上)形成,而用于沿第二方向(例如“Y”方向)进行感测的电极在第二层上(例如在第一衬底或者任何其它适当衬底的另一侧上)形成。
[0082] 在其它实施例中,用于X和Y感测的电极可在同一层上形成,其中那个同一层包括图1-6所述衬底的任一个。在又一些实施例中,电极可设置成用于仅沿一个方向、例如沿X或者Y方向进行感测。在又一个实施例中,电极可设置成通过极坐标来提供位置信息,例如“r”和“θ”(作为一个示例)。在这些实施例中,电极本身通常设置成圆或者其它环形以提供“θ”,其中单独电极的形状用来提供“r”。另外,可使用多种不同的电极形状,包括成形为细线、矩形、菱形、楔形等的电极。最后,多种导电材料和制作技术可用来形成电极。作为一个示例,电极通过在衬底上的铜或ITO的沉积和蚀刻来形成。
[0083] 现在来看图8,示出输入装置800的截面和顶视图。输入装置800采用各靠近一端的两个力传感器840、860以及力传感器之间的接近传感器880来实现。在这个实施例中,第一力传感器840具有基本上圆形,而第二力传感器880具有基本上矩形,但是这些只是可使用形状的类型的示例。
[0084] 输入装置800包括第一衬底802。每个力传感器包括第一电极808、第二电极810和可变形电极结构804。在这些实施例中,可变形电极结构804包括电极组件和间隔组件。间隔组件配置成提供可变形电极结构804与第一电极808和第二电极812之间的间隔。可变形电极结构804是可变形的,使得可变形电极结构804的偏置引起可变电容的变化。可变电容的测量能够用来确定力信息。
[0085] 在力传感器之间的是电容感测电极882的阵列。在所示实施例中,电容传感器电极阵列包括第一批多个电极884和第二批多个电极886,其均设置在同一层(衬底802上)中。在那些实施例中,第一批多个电极884可包括发射器电极,而第二批多个电极886可包括接收器电极。具体来说,第一批多个电极884包括沿第一方向所设置的一行互连菱形电极。同样,第二批多个电极886包括通过跳线888所连接并且沿与第一方向垂直的第二方向所设置的一行菱形电极。在这样配置时,电极促进感测区中的物体的电容检测以及从那个电容检测的位置信息的确定。
[0086] 回到力传感器,如同上述实施例一样,可变形电极结构804、第一电极808和第二电极810限定可变电容的至少一部分。这个可变电容的测量可被确定并且用来确定与偏置力传感器的力有关的力信息。具体来说,当输入物体施加力时,可变形电极结构804相对于第一电极808和第二电极810移动,因而改变可变电容。变化可变电容的测量能够用来确定在对应力传感器处的力信息。来自多个传感器840和860的力信息能够相结合,以确定用来施加压力的物体的力信息。
[0087] 重要的是要注意,在这个示例中,接近传感器880和力传感器840、860共享共同元件。具体来说,第一衬底802在所有装置之间共享。此外,电容感测电极882以及第一电极808和第二电极810全部可在第一衬底的同一侧上形成(未示出)。因此,将力传感器添加到接近传感器所需的边际成本和增加复杂度比较低。在各种衬底材料和电极已经存在于接近传感器中的情况下,情况尤其是这样。
[0088] 应当注意,虽然图8示出全部接近传感器880电极在衬底802与力传感器840和860不同的一侧上形成的一个示例,但是这只是一个示例实现。例如,各种电容和力感测电极可改为设置在同一衬底的同一侧上或者设置在多个不同衬底上。
[0089] 给出几个示例,在一些实施例中,电极可在同一衬底的相对侧上形成。在这些实施例中,电容传感器电极可在第一衬底802或者任何其它适当衬底的两侧上形成。
[0090] 现在来看图9,示出输入装置900的截面图。输入装置900再次采用各靠近一端的两个力传感器940、960以及力传感器之间的接近传感器980来实现。在这个实施例中,两个力传感器940、960和接近传感器980在第一衬底902的同一侧上形成,而每个力传感器的传输元件在物理上耦合到第二衬底904。
[0091] 在图9的实施例中,来自输入物体的力(通过箭头906所示)“间接”施加到力传感器940和960的传输组件。具体来说,偏置力朝第二衬底904推送输入装置900,并且因而将力间接施加到传输组件。具体来说,由手指或其它物体所施加的力使力间接施加到传输组件,这又使电极组件再次相对于第一和第二电极移动。这引起可变电容的变化,使得变化可变电容的测量能够用来确定与输入物体所施加的力有关的力信息。
[0092] 应当注意,上述附图所示的装置元件不一定按比例绘制。此外,应当注意,各个图示是典型装置会包含的内容的简化表示。例如,各个图示示出挤入各种衬底中或者顶部的电极。应当理解,这类图示用来示出各种电极沉积到什么衬底上。本领域的技术人员理解,这类电极并不阻止各种衬底均匀地接触,图示也并不暗示各种电极以某种方式挤入可接触电极的衬底。
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