專利名稱：撓性電容傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種撓性電容傳感器。更具體地，本發(fā)明涉及一種適于大規(guī) 模制造的電容傳感器，其物理上具有撓性，同時(shí)應(yīng)用上也具有靈活性，并且， 其基于傳感器的電容變化感測(cè)壓力的增量改變。
背景技術(shù)：
此處所使用的傳感器這個(gè)術(shù)語(yǔ)指代對(duì)環(huán)境改變做出反應(yīng)的系統(tǒng)。壓力傳 感器利用各種物理原理對(duì)所施加的作用力或壓力做出反應(yīng)。光學(xué)傳感器在所 施加的作用力下改變它們的光學(xué)性質(zhì)。類似地，電阻性的或者簡(jiǎn)單阻性的傳 感器的電阻在所施加的作用力下改變。當(dāng)施加了壓力時(shí)，壓電電阻傳感器測(cè) 量壓電電阻材料的電阻的變化。
電容傳感器改變電容。這可以是響應(yīng)于所施加的作用力而改變；也可以 是響應(yīng)于與具有相對(duì)較大的電容的物體的接近而改變，例如，此物體是人。 電容傳感器還能夠使用阻性和電容性感測(cè)的組合，其中，當(dāng)電容改變時(shí)，測(cè) 量電阻。
例如，已知在觸摸屏和電梯按鍵中使用了電容傳感器。通?；趦蓚€(gè)原 理之一改變電容。第一種方法涉及通過(guò)與大電容物體，通常是人通過(guò)其手指， 進(jìn)行直接的電氣接觸來(lái)改變由傳感系統(tǒng)監(jiān)控的電容。在某些情況下，這種類 型的傳感器還具有檢測(cè)物體與觸摸傳感器的接近的功能，而不需要與觸摸傳 感器進(jìn)行物理接觸。由于這些系統(tǒng)常常需要人和傳感系統(tǒng)之間的直接接觸， 如果，例如人戴著手套，這些系統(tǒng)將不能發(fā)揮作用。此外，電容耦合可能不 太適于量化測(cè)量所施加的壓力或接近程度，而是能夠進(jìn)行二值(開/關(guān))傳感。
第二種方法使用由可壓縮的彈性的絕緣體分開的兩個(gè)導(dǎo)體平面。這種組 合形成一個(gè)電容器，其電容部分取決于導(dǎo)體平面之間的距離。絕緣體在壓力 下的壓縮改變平面之間的電容，這可由傳感系統(tǒng)檢測(cè)到。通過(guò)校準(zhǔn)被施加了 作用力或壓力時(shí)的壓縮，此系統(tǒng)能夠用于量化與傳感器交互的作用力或壓 力。
近年來(lái)，人們對(duì)所謂的"智能織物"的興趣越來(lái)越大，這種"智能織物"使電子器件具有物理?yè)闲?。它們?cè)试S電子器件集成到已存在的織物中，而不 是作為分離的電子器件。智能織物的 一種例子是當(dāng)不使用時(shí)可以巻起的計(jì)算 機(jī)鍵盤。
智能織物以及其它需要撓性的應(yīng)用都需要撓性傳感器。例如，在Cohen 的美國(guó)專利4,703,757以及Reimer和Danisch的美國(guó)專利5,917,180中已經(jīng)描 述了撓性光學(xué)壓力傳感器?？梢詮挠?guó)的Iver Heath的Eleksen有限公司購(gòu) 買到基于兩個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體平面的電氣接觸的撓性傳感器。可以從英國(guó)likely 的Softswitch有卩艮公司購(gòu)買到使用壓電電阻原理的撓性壓力傳感器。在Post 等的美國(guó)專利6,210,771中描述了基于人體電容的撓性電容傳感器。在 Goldman等的 一 系列美國(guó)專利中描述了利用導(dǎo)體平面之間的間隔變化的撓 性電容傳感器。這些專利教示了撓性導(dǎo)電層和絕緣層的使用，但是它們沒(méi)有 教示出可用于確定位置的系統(tǒng)，也沒(méi)有教示具有多個(gè)傳感器(超出復(fù)制單個(gè) 傳感器的簡(jiǎn)單情況)的系統(tǒng)。本說(shuō)明書中引用的所有專利文獻(xiàn)的全部?jī)?nèi)容由 此結(jié)合在本文中作為參考，如同在本文中全文闡述一樣。
因此，仍然存在對(duì)于具有好的空間分辨率、能夠量化所施加的壓力或作 用力的大面積撓性電容性壓力傳感器的需求。此處，我們通過(guò)描述利用多個(gè) 傳感器構(gòu)造撓性電容性傳感系統(tǒng)的多種方法來(lái)解釋那些問(wèn)題，此處的多個(gè)傳 感器檢測(cè)所施加的作用力或壓力的存在，并且能夠確定所施加的作用力或壓 力的大小和位置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了電容性觸摸傳感器的許多缺點(diǎn)。本發(fā)明提供了一種廉價(jià)、 重量輕、撓性電容傳感器以及一種高效的、低開銷的制造方法。本發(fā)明是適 于大規(guī);漠制造的電容傳感器，其物理上具有撓性(flexible)，同時(shí)應(yīng)用上也具 有靈活性(flexible),并且，其基于傳感器的電容變化來(lái)感測(cè)壓力的增量。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于能夠裝配這些組件，即，活動(dòng)層、絕緣層，以及 參考層，以在大規(guī)模制造處理中形成本電容傳感器的方式?？梢苑奖愕匾宰?動(dòng)化的方式進(jìn)行涂覆、粘合以及絲網(wǎng)印刷操作。這些操作能夠制造非常大的 電容傳感器陣列或大的織物，從中可以切割出單個(gè)的傳感器或傳感器陣列。
本發(fā)明的另一個(gè)重要的特征是與穿透連接器的使用兼容，以快速方便地 將跡線(trace)和參考平面連接到電容計(jì)(電氣測(cè)量系統(tǒng))，從而無(wú)需定制的電氣連接，就可以從本傳感器施加或測(cè)量電信號(hào)。
本發(fā)明的再一個(gè)特征是使用電容而不是電阻來(lái)感測(cè)接觸。電阻通常需要
兩個(gè)導(dǎo)電表面接觸；電容，在一些實(shí)施例中，不僅不需要觸摸，而且在本發(fā)
明的一些實(shí)施例中甚至不需要與傳感器進(jìn)行物理接觸，而是僅需要按鍵與用 戶的手指接近。電容還可以用于測(cè)量接觸的壓力，而不僅是接觸事件本身。
本發(fā)明的還一個(gè)特征是能夠定位交互的位置。這有幾個(gè)用處。這使得用 戶能夠進(jìn)一步定義交互的源，諸如，確定乘客在座椅中的位置。這還使用戶 能夠?qū)⒉煌墓δ苜x予傳感器的不同區(qū)域，從而，例如，可以使用單個(gè)傳感 器來(lái)創(chuàng)建控制各種功能的觸摸屏。
參考附圖仔細(xì)閱讀優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述后，電子電路和電容電路領(lǐng)域 的專業(yè)人員將會(huì)清楚這些以及其它特征及其優(yōu)點(diǎn)。


附圖結(jié)合在本說(shuō)明書中并組成本說(shuō)明的一部分，附圖示出了根據(jù)本發(fā)明 的幾種示例性結(jié)構(gòu)和步驟，并且，其與以上給出的本發(fā)明的一般性描述以及
以下闡述的詳細(xì)描述一起，用于解釋本發(fā)明的原理，其中
圖1A是電容傳感器的說(shuō)明性示意圖，此電容傳感器具有連接到電容計(jì)
的導(dǎo)電參考層和活動(dòng)層，和撓性的、彈性的絕緣層，還示出了可選的外部層； 圖1B是具有其它絕緣層和參考層的電容傳感器的橫截面示意圖； 圖2示出了電容壓力傳感器的一種實(shí)施例，其中，導(dǎo)電元件形成柵格結(jié)
構(gòu)；
圖3A示出了電容壓力傳感器的一種實(shí)施例，其中，導(dǎo)電元件形成蛇形 帶狀結(jié)構(gòu)；
圖3B示出了電容壓力傳感器的一種實(shí)施例，其中，導(dǎo)電元件形成螺旋 形結(jié)構(gòu)；
圖4A示出了電容壓力傳感器的一種實(shí)施例，其中，導(dǎo)電元件形成階梯 形結(jié)構(gòu)；
圖4B示出了電容壓力傳感器的一種實(shí)施例，其中，導(dǎo)電元件形成嵌套 的蛇形帶狀結(jié)構(gòu)；
圖5示出了電容壓力傳感器的一種實(shí)施例，其中，導(dǎo)電元件形成導(dǎo)體平 面，用于三角測(cè)量；圖6是具有可變寬度的蛇形帶狀的示意圖7是階梯形的示意圖，其中，元件具有不同寬度的區(qū)域；
圖8A是識(shí)別用于確定用戶交互的位置的撓性傳感器的電氣參量的示意
圖8B是識(shí)別用于確定用戶交互的位置的撓性傳感器和電容計(jì)的電氣參 量的示意圖。
在各個(gè)視圖中，盡可能地用相同的附圖標(biāo)記指示相同的元件。
具體實(shí)施例方式
在所施加的壓力足以壓縮傳感器時(shí)，撓性電容傳感器的電容發(fā)生變化。 在某點(diǎn)以下，所施加的作用力的強(qiáng)度與電容的變化程度相關(guān)。在另一種替代 實(shí)施例中，還測(cè)量電阻以確定在傳感器上的用戶交互的位置。電容計(jì)監(jiān)控本 撓性電容傳感器，以確定是否發(fā)生了電容變化以及該變化的程度。
現(xiàn)參考圖1A，該圖示出了電容壓力傳感器IO的一種實(shí)施例，其主要包 括第一導(dǎo)電層101，撓性的彈性的絕緣層102，以及第二導(dǎo)電層108。電容壓 力傳感器IO還可以包括位于傳感器10的一側(cè)或兩側(cè)上的保護(hù)層104。第一 導(dǎo)電層101和第二導(dǎo)電層108電氣連接到電容計(jì)14。
在本發(fā)明一種實(shí)施例中，撓性的彈性的絕緣層102是薄的、有撓性、有 彈性的薄膜，其厚度小于250微米，優(yōu)選的是在8到250微米之間，并且， 對(duì)于一些應(yīng)用，優(yōu)選的是在8到50微米之間。此薄膜基本上沒(méi)有氣泡，意 味著薄膜不包含泡沫。此薄膜可以是硅酮薄膜(silicone film)，諸如，從馬 薩諸塞州South Deerfield的Deerfield Urethane可獲得的7 mil厚的Duraflex PT9300薄膜?？蓧嚎s性使得傳感器的電容可被所施加的作用力改變。當(dāng)施 加了 50到150bar之間的負(fù)載時(shí)，此絕緣薄膜優(yōu)選地被壓縮50%。此范圍使 得電容計(jì)能夠讀取可接受的信號(hào)。
在另一種實(shí)施例中，撓性的彈性的絕緣層102可以是彈性的并且在高度 方向可壓縮的封閉或敞開的蜂窩狀泡沫(cell foam )。 一些泡沫化的材料包括， 但不限于，聚氨酯泡沫、硅酮、橡膠。當(dāng)施加0.5到l.Obar之間的負(fù)載時(shí)， 絕緣泡沫優(yōu)選地壓縮50%。
在本發(fā)明的另一種實(shí)施例中，絕緣層是撓性的彈性的間隔織物。本申請(qǐng) 中定義的"間隔織物"是具有由間隙分開的上下表面的織物，其中，間隙是由間隔紗線或纖維支撐的。間隔織物或織物的其它層可以是紡織材料、針織 材料、無(wú)紡材料、栽絨材料等。在一些實(shí)施例中，間隔織物是雙針座針織、 針刺無(wú)織造織物，或者h(yuǎn)i-loft無(wú)紡織物，其中， -使一些纖維有意地指向豎直 方向。這些紡織品可以是扁平的或者展現(xiàn)出堆疊形狀(pile)。在一些實(shí)施例 中，間隔織物可以具有1 mm到10 cm之間的厚度，優(yōu)選為1 mm到1 cm之 間?？梢杂弥T如聚酯(polyester)、尼龍(nylon)、羊毛(wool)、棉花(cotton)、絲 (silk)、聚丙烯(polypr叩ylene)、人造絲(rayon)、 lyocell、聚乙烯(聚交酯) (poly(lactide))、丙烯酸(acrylic)等天然或合成纖維形成這樣的紡織材料，包括 包含了這些天然和合成纖維的混合物和組合物的紡織材料。當(dāng)施加了 0.07 到1.4 bar之間的負(fù)載時(shí)，間隔織物優(yōu)選地壓縮50%，并且當(dāng)施加了 0.14 bar 負(fù)載時(shí)，壓縮10%到50%之間。這些范圍使得可由電容計(jì)讀取可接受的信號(hào)。
撓性的彈性的絕緣層102的電阻(從絕緣層102的一側(cè)到其另一側(cè))優(yōu) 選為109歐姆或者更大。撓性的彈性的絕緣層的絕緣常數(shù)越大，電容性壓力 傳感器IO的電容就越大。這使得傳感器可辨別較小的信號(hào)，從而可以辨別 所施加的較小的作用力，使得系統(tǒng)更加靈敏。
可以使用撓性的彈性的絕緣層上的導(dǎo)電涂層、固有導(dǎo)電薄膜或織物、或 者薄膜或織物上的導(dǎo)電涂層，來(lái)制造導(dǎo)電層101和108。在一些配置中，導(dǎo) 電層101和108優(yōu)選的是連續(xù)的。在另一些配置中，導(dǎo)電層101和108可以 包含獨(dú)立的分散的導(dǎo)電區(qū)域。
可以通過(guò)向撓性的彈性的絕緣層102上涂布導(dǎo)電涂層，或者通過(guò)以本領(lǐng) 域技術(shù)人員所熟知的任何方式進(jìn)行層壓(laminating)，將單獨(dú)的織物或薄膜應(yīng) 用于撓性的彈性的絕緣層102，來(lái)形成導(dǎo)電層101和108。優(yōu)選地，在層之 間使用粘合劑。這些粘合劑可以包括活性的聚氨酯(urethane)粘合劑或者低熔 點(diǎn)的聚合材料。例如，可以通過(guò)輪轉(zhuǎn)照相凹版印刷、刮刀涂布、粉末涂覆或 者作為網(wǎng)狀，來(lái)涂覆粘合劑，這取決于粘合劑的形式。
在一種實(shí)施例中，通過(guò)在撓性的彈性的絕緣層102上的導(dǎo)電涂層，或者 粘合到撓性的彈性的絕緣層102上的薄膜或織物上的導(dǎo)電涂層，來(lái)制作導(dǎo)電 層101和108。這使得傳感器更薄更輕，這對(duì)于便攜式應(yīng)用來(lái)說(shuō)是很重要的。 這也可以簡(jiǎn)化裝配或者降低開銷。可以通過(guò)絲網(wǎng)印刷刷布，采用輥?zhàn)?、噴鍍?浸漬、掩蔽(masking)、真空鍍膜、真空沉積或者任何其它已知的涂覆墨水的 方式來(lái)涂覆導(dǎo)電墨水。導(dǎo)電層101和108優(yōu)選地由可印刷的導(dǎo)電材料形成，優(yōu)選的是碳基(carbon-based)墨水，銀基(silver-based)墨水，或者是碳基墨水 和銀基墨水的組合。此墨水可以是任何導(dǎo)電墨水，通常是通過(guò)將樹脂或者粘 合劑與諸如金、銀、銅、石墨粉、炭黑、鎳或者其它金屬或合金等粉末狀導(dǎo) 電材料相混合而形成的。丙烯酸脂粘合劑中的石墨是用于絲網(wǎng)印刷導(dǎo)電層 101和108的充分導(dǎo)電并且費(fèi)用低廉的材料。
在另一種實(shí)施例中，由固有導(dǎo)電薄膜或織物制作導(dǎo)電層101和108。例 如， 一些固有導(dǎo)電薄膜和織物包括，例如，金屬化的織物、涂布有固有導(dǎo)電 聚合體的加碳石蠟薄膜織物、從撓性導(dǎo)電紗線或者涂布有4艮的紗線構(gòu)造的織 物。優(yōu)選地，利用熱塑性的、熱固的、壓力靈敏的或者UV可復(fù)原的粘合劑， 將薄膜或織物粘合到撓性的彈性的絕緣層上。可以用同樣的導(dǎo)電材料或者上 述材料的任意組合來(lái)制作導(dǎo)電層101和108。如果需要，也可以在同一層內(nèi) 使用多種材料的組合。
如果不使用導(dǎo)電層101和108的電阻來(lái)確定用戶與撓性電容壓力傳感器 IO進(jìn)行交互的位置，則導(dǎo)電層101和108的電阻可以盡可能的低。其通常低 于10,000歐姆。如果使用電阻來(lái)確定位置，則導(dǎo)電層101和108的電阻通常 將高得多，盡管通常低于l兆歐。
為了監(jiān)控圖2、 3A、 3B、 4A、 4B、 5、 6以及7的電容傳感器中的電容 變化，將第一電壓施加到第一導(dǎo)電層101，將第二電壓施加到第二導(dǎo)電層108。 在第一導(dǎo)電層101和/或第二導(dǎo)電層108上存在不止一個(gè)導(dǎo)電區(qū)域的情況下， 各個(gè)區(qū)域?qū)@得單獨(dú)的電壓(例如，第三、第四、第五等電壓)。在存在不 止一個(gè)區(qū)域的情況下，優(yōu)選地，將電壓按順序施加到這些區(qū)域。更優(yōu)選地， 順序地施加電壓，并且使它們大致相等。優(yōu)選地，施加到第一導(dǎo)電層IOI的 電壓至少與施加到第二導(dǎo)電層108的電壓有0.1伏特的差值，更優(yōu)選地，此 差值為1伏特。
在電容傳感器上可以有其它層，諸如第二撓性的彈性的絕緣層106和第 三導(dǎo)電層107,如圖1B所示。第二撓性的彈性的絕緣層106位于第二導(dǎo)電 層108上與第一絕緣層102相反的一側(cè)。第三導(dǎo)電層107與第二絕緣層106 相鄰，處于與第二導(dǎo)電層108相反的一側(cè)。第二絕緣層106和第三導(dǎo)電層107 在第二導(dǎo)電層108和第三導(dǎo)電層107之間產(chǎn)生電容，這增加了總電容，從而 提高了傳感器IO的靈敏度。各個(gè)導(dǎo)電層可以有一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電元件。
用于第二撓性的彈性的絕緣層106和第三導(dǎo)電層107的材料可以與前述絕緣層和導(dǎo)電層的材料相同，并具有相同的物理性質(zhì)。電容計(jì)14連接到各
個(gè)導(dǎo)電層101、 108和107。將第一電壓施加于第一導(dǎo)電層101，將第二電壓 施加于第二導(dǎo)電層108，并且，如果存在第三導(dǎo)電層，將第三電壓施加于第 三導(dǎo)電層107,其中第一和第二電壓具有至少0.1伏特的差值，而第二和第 三電壓具有至少0.1伏特的差值。優(yōu)選地，第一和第三電壓相等。優(yōu)選地， 第一和第三電壓形成參考電壓，并在電容傳感器10工作期間保持恒定。在 一種實(shí)施例中，參考電壓保持等于地面電壓或者傳感器環(huán)境的地電壓。這用 于最好地將電容傳感器IO與外部干擾和電氣放電隔離開。
第一和第三導(dǎo)電層101和107分別與第二導(dǎo)電層108形成分離的電容器。 優(yōu)選地，在各個(gè)導(dǎo)電層101和107上的第一和第三電壓是相等的，從而兩個(gè) 分離的電容器電氣并聯(lián)。這簡(jiǎn)化了測(cè)量計(jì)14的需求，其將這兩個(gè)分離的電 容器作為具有較大電容的單個(gè)電容器。較大的電容通常將改善傳感器的靈敏 度，這是在第二導(dǎo)電層108的兩側(cè)上包含導(dǎo)電層的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。第一導(dǎo)電層101 和第三導(dǎo)電層107也保護(hù)電容傳感器10不受干擾。
傳感器10可包括進(jìn)一步增加的另一個(gè)撓性的彈性的絕緣層以及另一個(gè) 導(dǎo)電層，從而進(jìn)一步改進(jìn)靈敏度。這樣的層的數(shù)目通常受限于增加的層所帶 來(lái)的增加的開銷、復(fù)雜度、厚度或者硬度。
在用可壓縮絕緣體制作的傳感器10的情況下，傳感器的電容與撓性的 彈性的絕緣層102的壓縮反向變化。作用于檢測(cè)器的作用力將壓縮撓性的彈 性的絕緣層102,從而增加第一導(dǎo)電層101和第二導(dǎo)電層108之間的電容。 當(dāng)消除作用力或者僅僅減輕作用力時(shí)，第一導(dǎo)電層101和第二導(dǎo)電層108之 間的分隔距離增加，并且電容傳感器10的電容減小。絕緣體被壓縮的區(qū)域 將被稱為"活動(dòng)區(qū)"。
撓性的彈性的絕緣層102優(yōu)選為撓性的彈性的層或薄膜。與本發(fā)明相關(guān) 的"撓性的"被定義為意指柔韌的，并且能夠通過(guò)其最薄的維度充分彎曲， 并且返回到扁平構(gòu)造。優(yōu)選地，傳感器中的各個(gè)元件或?qū)泳菗闲缘摹?彈 性的，，被定義為意指材料在多次壓縮的每一次之后基本上返回其初始厚度， 不管這種壓縮出現(xiàn)在材料的一部分還是整個(gè)材料上。在此申請(qǐng)中，絕緣體意
指不允許電流流過(guò)的材料，并在存在電勢(shì)差的情況下支持電場(chǎng)。"薄膜"或 "泡沫"被定義為撓性材料，其主要只有兩個(gè)維度，即， 一個(gè)維度的長(zhǎng)度顯 著小于其在其它兩個(gè)維度上的長(zhǎng)度。泡沫包括其內(nèi)部的相當(dāng)大的部分中的空隙空間，這樣，泡沫通常是可以很好地被壓縮的。薄膜被定義為幾乎沒(méi)有或 沒(méi)有空隙空間。
絕緣層102的彈性對(duì)于重復(fù)使用和持久性非常重要。撓性很重要，從而 可以在需要撓性的應(yīng)用中使用此傳感器，諸如，裝配在模制儀表板周圍，或 者在作為智能織物的一部分的衣服上。優(yōu)選地，撓性的彈性的絕緣層能夠彎
曲到曲率半徑范圍從20mm到5mm,并且更優(yōu)選地，彎曲到曲率半徑范圍 乂人10 mm到4 mm,甚至更優(yōu)選范圍為5 mm到1 mm。
在圖2中，下文稱為"柵格"，各導(dǎo)電層可包含多個(gè)導(dǎo)電元件(也稱為 活動(dòng)元件或活動(dòng)區(qū))，其在物理上和電氣上;f皮此隔離。第一方向活動(dòng)元件201 是一個(gè)導(dǎo)電層中的導(dǎo)電元件，例如，第一導(dǎo)電層101中的導(dǎo)電元件，第二方 向活動(dòng)元件202是第二導(dǎo)電層中的導(dǎo)電元件，例如，第二導(dǎo)電層108中的導(dǎo) 電元件。第一方向活動(dòng)元件201和第二方向活動(dòng)元件202是在不同的方向， 從而相互跨越。各導(dǎo)電層上的活動(dòng)元件201和202在空間上和電氣上彼此分 離。導(dǎo)電層101和108中活動(dòng)元件201和202之外的區(qū)域不導(dǎo)電。 一個(gè)導(dǎo)電 層中的元件覆蓋另 一個(gè)導(dǎo)電層中的元件，但是它們由撓性的彈性的絕緣層 102 (圖2中未示出)進(jìn)行電氣隔離。圖中示出了元件201和202之間一個(gè) 重疊區(qū)域，例如，被示為活動(dòng)區(qū)210。只要是第一方向元件201與第二方向 元件202覆蓋的地方，都可出現(xiàn)其它活動(dòng)區(qū)。通過(guò)活動(dòng)元件201a與活動(dòng)元 件202a的重疊，定義活動(dòng)區(qū)210。各個(gè)元件201和202可以是直的或者彎曲 的，并與測(cè)量計(jì)14具有單獨(dú)的電氣連接。
在圖2中，第一方向活動(dòng)元件201垂直于第二方向活動(dòng)元件202。雖然 這是通常的情況，但實(shí)際上元件可以是任意配置，只要存在重疊區(qū)域并且給 定層中的元件在物理上和電氣上是分離的。優(yōu)選地，第一方向活動(dòng)元件201 和第二方向活動(dòng)元件202以5度到175度之間的角度相互交叉。在一種實(shí)施 例中，第一方向元件與第二方向元件以90度交叉。
測(cè)量計(jì)14具有連接到各個(gè)第一方向元件201和各個(gè)第二方向元件202 的單獨(dú)的連接?？蓪㈦妷喉樞虻厥┘拥礁鱾€(gè)第一方向元件201和各個(gè)第二方 向元件202。當(dāng)在活動(dòng)區(qū)施加作用力時(shí)，可以根據(jù)連接到測(cè)量計(jì)14的哪個(gè)連 接與電容的改變相關(guān)聯(lián)，來(lái)確定活動(dòng)區(qū)的位置。例如，如果將作用力施加于 活動(dòng)區(qū)210,則第一方向元件201a和第二方向元件202a之間的電容將下降。 測(cè)量計(jì)14能夠;險(xiǎn)測(cè)到該下降。施加于活動(dòng)區(qū)210的作用力將不會(huì)影響任何其它成對(duì)的第一方向活動(dòng)元件201和第二方向活動(dòng)元件202之間的電容；因 此，作用力可被關(guān)聯(lián)到具體的活動(dòng)區(qū)210。
優(yōu)選地，第一方向活動(dòng)元件201 ^隻蓋導(dǎo)電層101的至少80%，第二方向 活動(dòng)元件202覆蓋另一導(dǎo)電層108的至少80°/。，以提供大的總活動(dòng)區(qū)。通常， 第一方向活動(dòng)元件201和第二方向活動(dòng)元件202的長(zhǎng)寬比大于5: 1,并且優(yōu) 選地，位于相同的導(dǎo)電層上的元件的物理分隔至少為lmm。
如圖1B所示以及以上所描述，可以利用三個(gè)導(dǎo)電層制作圖2的柵格。 這種情況下，第一導(dǎo)電層101包含第一方向活動(dòng)元件201,第一方向活動(dòng)元 件201至少包含第一和第二導(dǎo)電元件，第三導(dǎo)電層107包含第二方向活動(dòng)元 件202，第二方向活動(dòng)元件202至少包含第四和第五導(dǎo)電元件。第二導(dǎo)電層 108是與柵格的全部活動(dòng)區(qū)相重疊的連續(xù)的導(dǎo)電區(qū)域(第三導(dǎo)電元件)。在第 一導(dǎo)電層101和第二導(dǎo)電層108之間以及第三導(dǎo)電層107和第二導(dǎo)電層108 之間測(cè)量電容。
圖3A示出的配置將被稱為"蛇形帶"。此實(shí)施例中，將導(dǎo)電層配置為在 導(dǎo)電層上盤旋(wind)的單個(gè)活動(dòng)元件230。在圖3A的配置中，活動(dòng)元件 230是平行長(zhǎng)度的來(lái)回盤旋。在圖3B中示出了另一個(gè)例子，其中活動(dòng)元件 230是螺旋形。實(shí)際上，能夠覆蓋全部期望的活動(dòng)區(qū)的任意構(gòu)造都是可以接 受的。假設(shè)蛇形帶在第一導(dǎo)電層101上，第二導(dǎo)電層108可以是連續(xù)的，并 且至少應(yīng)該在每個(gè)期望的活動(dòng)區(qū)中覆蓋活動(dòng)元件230。可以逆轉(zhuǎn)各個(gè)導(dǎo)電層 的角色。即，第一導(dǎo)電層101可以是連續(xù)的，而第二導(dǎo)電層108可以是階梯 形或帶形構(gòu)造。這有利于將傳感器IO與外部的電磁干擾隔離。
通過(guò)利用測(cè)量計(jì)14確定從所施加的作用力，例如，施加的作用力235， 到連接231的電阻，以利用蛇形帶來(lái)確定所施加的作用力的位置?？蛇x地， 可以使用連接232改進(jìn)所施加的作用力的位置。這種情況下，可以利用從作 用力235到連接231以及從作用力235到連接232的電阻來(lái)確定用戶交互的 點(diǎn)。
圖4A所示的另一個(gè)實(shí)施例，下文稱為"階梯形"，由一系列不交叉的活 動(dòng)元件220組成，這些元件都包含在同一導(dǎo)電層中，例如，第一導(dǎo)電層IOI。 圖中示出活動(dòng)元件220是相同的并且平行的。然而，雖然這種布置在概念上 最簡(jiǎn)單，線路無(wú)需相同或者平行，但是它們必須電氣上相互隔離。另一個(gè)導(dǎo) 電層，例如，第二導(dǎo)電層108應(yīng)該基本覆蓋各個(gè)元件220，但其不需要包含分離的區(qū)域，并且可以是連續(xù)的。測(cè)量計(jì)14與各個(gè)元件220有獨(dú)立的連接， 并與第二導(dǎo)電層108有另一個(gè)連接。
為了便于討論，我們定義沿著活動(dòng)元件220的位置為"平行"位置，并 且垂直于該位置的位置我們將稱之為"垂直"位置?？梢栽诟鱾€(gè)活動(dòng)元件220 上順序地施加電壓，并且可由電阻計(jì)14監(jiān)控各個(gè)元件220與另一個(gè)導(dǎo)電層 之間的電容。對(duì)元件之一 (活動(dòng)元件220a，在活動(dòng)元件上的作用力施加點(diǎn)處 標(biāo)注"X" 225 )施加作用力將改變?cè)c第二導(dǎo)電層108之間的電容。此電 容變化可與被施加了作用力的特定元件220a相關(guān)聯(lián)，提供有關(guān)引起電容變 化的所施加作用力的垂直位置的信息。例如，施加作用力225將改變第一活 動(dòng)元件220a的電容，這可由測(cè)量計(jì)14通過(guò)連接222或連接221來(lái)檢測(cè)。
為了確定沿著活動(dòng)元件220a的交互225的平行位置，還可以產(chǎn)生從各 個(gè)元件到測(cè)量計(jì)14的第二連接(在活動(dòng)元件220a上示出為221 )。利用連接 221和222,可以利用電阻來(lái)確定^^所施加的作用力225到活動(dòng)元件220a的 各端的距離。如果已知活動(dòng)元件220a的長(zhǎng)度，這就提供了所施加的作用力 的平行位置的兩個(gè)度量，降低了數(shù)值的不確定性。與垂直位置相結(jié)合，這樣 就在傳感器10的平面上確定性地對(duì)所施加的作用力進(jìn)行定位。
在本發(fā)明的另一種實(shí)施例中，使用圖4B所示的嵌套蛇形帶構(gòu)造。在此 構(gòu)造中，導(dǎo)電層包含第一蛇形活動(dòng)元件230和第二蛇形活動(dòng)元件236。在連 接231和232處，建立測(cè)量計(jì)14到第一蛇形活動(dòng)元件230的獨(dú)立的連才妄， 并在連接237和238處，建立測(cè)量計(jì)14到第二蛇形活動(dòng)元件236的獨(dú)立連 接。因此，比起等效的階梯形，嵌套蛇形帶可以具有更少的連接，并且又比 等效的單個(gè)蛇形帶靈敏度更好。盡管圖4B僅示出了兩個(gè)嵌套的蛇形活動(dòng)元 件，根據(jù)需要也可以有更多個(gè)。各個(gè)嵌套的蛇形活動(dòng)元件可以是任何形狀， 而不必和其它的嵌套蛇形活動(dòng)元件形狀相同，只要它們?nèi)吭谖锢砩虾碗姎?上相互隔離即可。
如圖1B所示以及以上描述，可以利用三個(gè)導(dǎo)電層分別構(gòu)造圖4A的階 梯形、圖3A的蛇形帶，以及圖4B的嵌套蛇形帶。這種情況下，第一導(dǎo)電 層101和第三導(dǎo)電層107包含活動(dòng)導(dǎo)電元件。第二導(dǎo)電層108是連續(xù)導(dǎo)電區(qū) 域，其覆蓋活動(dòng)元件的所有活動(dòng)區(qū)。測(cè)量第一導(dǎo)電層101與第二導(dǎo)電層108 之間的電容以及第三導(dǎo)電層107與第二導(dǎo)電層108之間的電容。導(dǎo)電層101 中的活動(dòng)導(dǎo)電元件可以是相同的，并且可以與導(dǎo)電層107中的活動(dòng)導(dǎo)電元件配準(zhǔn)，即，它們可以完全重疊，這種情況下，如上所述，三層構(gòu)造提高了傳 感器IO的靈敏度。
可替代地，此布置可以反轉(zhuǎn)。第一導(dǎo)電層101和第三導(dǎo)電層107可以是 連續(xù)的導(dǎo)電區(qū)域，其覆蓋包含在第二導(dǎo)電層108中的全部活動(dòng)導(dǎo)電元件。
確定所施加作用力的位置的另一個(gè)方法是通過(guò)三角測(cè)量。圖5示出了利 用三角測(cè)量的傳感器。此構(gòu)造中，第一和第二導(dǎo)電層101和108均包括相互 重疊的大導(dǎo)電區(qū)域。這兩層中的至少一層具有至少三個(gè)到測(cè)量計(jì)14的寬間 隔的連接240。圖5示出了具有四個(gè)連接240 (標(biāo)注為240a、 240b、 240c以 及240d)的具體例子。利用各個(gè)連接240 (a-d)進(jìn)行獨(dú)立的測(cè)量。在每次測(cè) 量中，使用測(cè)量計(jì)14確定連接和所施加的作用力245之間的電阻。然后， 比較電阻，以確定所施加的作用力的位置。優(yōu)選地，電容計(jì)至少在兩個(gè)方向 上確定位置，以完全確定所施加的作用力在傳感器平面中的位置。
應(yīng)注意，傳感器10的靈每文度，其與電容的相對(duì)變化相關(guān)，將隨著活動(dòng) 區(qū)相對(duì)于全部導(dǎo)電區(qū)域的比例的增加而增加。將導(dǎo)電區(qū)域定義為施加了監(jiān)控 電壓的第一導(dǎo)電層101或第二導(dǎo)電層108的區(qū)域?？梢酝ㄟ^(guò)測(cè)量計(jì)14來(lái)監(jiān) 控電容的變化，這可隨后啟動(dòng)期望的響應(yīng)，諸如，激活收音機(jī)等電子裝置。
圖6示出了進(jìn)一步通過(guò)增加活動(dòng)區(qū)在全部導(dǎo)電區(qū)域中的百分比來(lái)增加蛇 形帶的靈敏度的方法。這可通過(guò)改變導(dǎo)電元件的寬度與長(zhǎng)度之比來(lái)實(shí)現(xiàn)?？?以將活動(dòng)區(qū)255—一存在用戶交互的區(qū)域一一制作成由諸如連接帶256的薄 的導(dǎo)電帶連接的更大的導(dǎo)電區(qū)域。對(duì)于生成這樣的導(dǎo)性帶，圖案化的導(dǎo)電涂 層特別有效。應(yīng)注意，活動(dòng)區(qū)不需要沿著蛇形帶250均勻間隔，也不需要大 小統(tǒng)一。在251端和252端建立到測(cè)量計(jì)14的連接。盡管圖中示出了蛇形 帶250采用平行連接帶256的盤旋形式，但應(yīng)理解，覆蓋所有期望區(qū)域的任 意構(gòu)造都是可接受的。此原理也可用于階梯形構(gòu)造。圖7示出了這樣的例子。 階梯形260的用戶交互區(qū)域255經(jīng)由連接帶266連接到261端和262端。
在階梯形上使用蛇形帶是一種在簡(jiǎn)單性和靈敏性之間折中的方法。此蛇 形帶比較簡(jiǎn)單，僅有兩個(gè)到測(cè)量計(jì)14的連接，僅需要一次或兩次測(cè)量，以 ;險(xiǎn)測(cè)并定位所施加的作用力。階梯形將在傳感器10的類似區(qū)域上提供更好 的靈壽丈度。和在階梯形中一樣，通過(guò)將導(dǎo)電層劃分為多個(gè)導(dǎo)電元件，減小了 任意一個(gè)導(dǎo)電元件的區(qū)域。這增加了由所施加的作用力覆蓋的導(dǎo)電元件的比 例，如上所述，增加了靈壽丈度。在撓性的彈性的絕緣層102的邊緣處，使用穿透連接器(未示出)來(lái)建
立導(dǎo)電層101和108的電氣接觸。穿透連接器的工作原理在電子學(xué)領(lǐng)域中是 公知的。當(dāng)與外面涂覆有絕緣體的導(dǎo)體建立電氣連接時(shí)，使用穿透連接器"剌 穿(bite)"絕緣體到達(dá)內(nèi)部的導(dǎo)體。穿透連接器將具有齒，其作用于導(dǎo)電層 101和108,并且如果存在第三導(dǎo)電層107，也可能作用于第三導(dǎo)電層107。 在本發(fā)明的另一種實(shí)施例中，在導(dǎo)電層101、 108和/或107中有多個(gè)導(dǎo)電區(qū) 域，連接器中的分離的齒可接觸各個(gè)分離的區(qū)域，從而當(dāng)對(duì)各個(gè)區(qū)域或多個(gè) 區(qū)域施加了壓力時(shí)，可以使用測(cè)量計(jì)14來(lái)感測(cè)電容的改變。穿透連接器的 使用簡(jiǎn)化了大規(guī)模制造。
穿透連接器使得可經(jīng)由測(cè)量計(jì)14與導(dǎo)電層101、 107以及108之間的連 接器將本發(fā)明的撓性電容傳感器10連接到電容計(jì)14。電容計(jì)14測(cè)量撓性的 彈性的絕緣層102兩端的電壓，并將此電壓與參考電壓進(jìn)行比較。如果絕緣 層102兩端的電容改變，例如，如果有壓力施加于電容傳感器10,則絕^^層 102兩端的電壓也將改變?；趨⒖茧妷汉蛽闲缘膹椥缘慕^緣層102兩端的 標(biāo)稱電壓之間的變化差值生成電壓輸出信號(hào)。隨著作用于電容傳感器10的 作用力減小以及絕緣層102擴(kuò)張至其初始尺寸，電容下降，過(guò)程逆轉(zhuǎn)。
可以通過(guò)各種電學(xué)方法來(lái)測(cè)量該布置中的檢測(cè)器的電容，這里將討論其 中的兩種方法。電氣測(cè)量利用了導(dǎo)電層的電阻不變、僅各個(gè)檢測(cè)器的電容變 化這個(gè)事實(shí)。因而，各種情形的可測(cè)量RC時(shí)間常數(shù)特性僅由于檢測(cè)器的電 容改變而發(fā)生變化。、一種方法是電壓偏移法；另一種是頻率響應(yīng)中的相位偏 移法。
在第一種方法中，也就是我們所稱的電壓偏移法中，我們使用一系列連 接到跡線的電阻器。電容計(jì)14尋找以下任何一個(gè)量(I)在傳感器IO放電 期間，獲取跡線和檢測(cè)器的設(shè)定電壓下降的時(shí)間；(2)在從傳感器10開始 放電算起的設(shè)定時(shí)間內(nèi)，跡線和檢測(cè)器的電壓的下降；(3)在傳感器10的 充電期間，獲取跡線和檢測(cè)器的電壓的設(shè)定上升的時(shí)間；或者(4)在從傳 感器10開始充電算起的設(shè)定時(shí)間內(nèi)，跡線和檢測(cè)器的電壓的上升。這四個(gè) 量中的任何一個(gè)都能夠用來(lái)確定RC時(shí)間常數(shù)，從而測(cè)量檢測(cè)器的電容變化。
在相位偏移法中，將隨時(shí)間變化的電壓信號(hào)作用于活動(dòng)層。將接地的電 阻器連接到參考層。使用電阻器來(lái)測(cè)量所施加的信號(hào)與通過(guò)活動(dòng)層的延遲信 號(hào)之間的相位偏移。由于活動(dòng)層中電容的存在導(dǎo)致了延遲，可以使用延遲的變化來(lái)確定電容的變化。也可以比較初始信號(hào)和延遲信號(hào)的幅度來(lái)得到關(guān)于 系統(tǒng)狀態(tài)的更多信息。
如技術(shù)領(lǐng)域中所公知的，電壓信號(hào)的一般形式包括脈沖、正弦波以及方
波。通常，交流電壓信號(hào)的頻率將大于10kHz。
確定所施加作用力的位置的方法取決于確定所施加的作用力與測(cè)量計(jì) 14和導(dǎo)電層的連接之間的導(dǎo)電層的電阻。當(dāng)電容器(這種情況下，兩個(gè)導(dǎo)電 層101和108)兩端施加了電壓Vo時(shí)，電容器兩端的電壓緩慢變化。由時(shí)間 常數(shù)RC確定變化的速率，其中C是電容，R是電路的電阻。具體地，每過(guò) RC秒鐘，電壓的改變將為因子e,其中e是歐拉常數(shù)，約為2.718。
如果導(dǎo)電層具有有限的電阻，則電路電阻R將包括從所施加的作用力與 到連接之間的導(dǎo)電層部分到測(cè)量計(jì)14的電阻。例如，考慮圖8A,傳感器的 示意性電子表示。由撓性的彈性的絕緣層(未示出)隔開導(dǎo)電層401和408。 所施加的作用力410改變作用點(diǎn)處的電容C。測(cè)量計(jì)14通過(guò)連4妾411、 412、 413和414 4企測(cè)此變化。
在導(dǎo)電層401上，所施加的作用力410和連4妄411之間的電阻是R1^ 類似地，所施加的作用力410和連接412之間的電阻是RlR。在導(dǎo)電層408 上，所施加的作用力410和連接413之間的電阻是R2L，而所施加的作用力 410和連接414之間的電阻是R2R。從連接到測(cè)量計(jì)14的直線表示具有可忽 略的電阻的電線。根據(jù)使用了哪個(gè)連接，完整的電路可具有四個(gè)不同的總電 路電阻Rl= (R1L+R2 L), R2= (R1L+R2R), R3= (R1R+R2L)，或者R4= (R1R+R2R)。這是有四個(gè)未知電阻RU、 R1R、 R2L、 R2r的四個(gè)等式的系 統(tǒng)，從而可以唯一確定這四個(gè)電阻。^f艮設(shè)已知沿著導(dǎo)電層的電阻和沿著該層 的距離之間的關(guān)系，即，所確定的電阻和從施加的作用力410到連接點(diǎn)的距 離之間的關(guān)系，各個(gè)電阻提供了所施加的作用力410的位置測(cè)量。
應(yīng)注意，各個(gè)導(dǎo)電層提供了對(duì)所施加的作用力410的位置的兩種測(cè)量。 因此，僅需要有限電阻的一個(gè)導(dǎo)電層即可使用此方法定位所施加的作用力 410，并且第二層可以具有非常低(可忽略)的電阻。假設(shè)具有有限電阻的 兩個(gè)層增加了對(duì)于位置的超定(over-determination )。通過(guò)研究圖8B中的簡(jiǎn) 化的傳感器的電氣示意圖，可以更好地理解圖8A中的傳感器行為，其中， 圖8B通過(guò)假-沒(méi)導(dǎo)電層401的導(dǎo)電性非常高，并為電路貢獻(xiàn)可忽略的電阻， 示出了簡(jiǎn)化的傳感器。并且，當(dāng)測(cè)量電阻R2L時(shí)，測(cè)量計(jì)14已經(jīng)被擴(kuò)展以示出其狀態(tài)。具體地，將連接414設(shè)置為接地，并將電壓Vo施加于連接411。 通常，測(cè)量計(jì)具有高輸入阻抗。即，RM遠(yuǎn)大于電路中的其它電阻。這 種情況下，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電路分析可以看出，連接413處的電壓V與所施加的電 壓Vo相關(guān)，其中V=VQ/(l+l/(w*C*R2R2))， w是所施加的電壓Vo的頻率。理 想的情況下，為了使傳感器IO對(duì)所施加的作用力410的位置變化具有最高 的靈敏度，電壓V將對(duì)R2R的值具有最高的靈敏度，這是V的等式中取決 于所施加的作用力410的位置的唯一的量。對(duì)此等式的進(jìn)一步分析顯示，在 w小時(shí)，V對(duì)數(shù)值較小的R2R不靈敏，即，對(duì)于導(dǎo)電層408的右側(cè)不靈敏。 類似地，對(duì)于高頻w和較小數(shù)值的R2L+R2R,除了很小以及很大的R2r但， V對(duì)R2R不靈敏，即，在導(dǎo)電層408的中心，靈敏度較低。因此，為了確保 導(dǎo)電層408各處都有好的靈敏度，優(yōu)選地，施加具有中等大小頻率的電壓， 并利用有限電阻的材料來(lái)構(gòu)造導(dǎo)電層408。
盡管僅對(duì)于一個(gè)具有有限電阻的導(dǎo)電層的簡(jiǎn)化情況進(jìn)行了此分析，但 是，對(duì)于圖8A所示的兩個(gè)導(dǎo)電層都具有有限電阻的更一般的情況，這個(gè)結(jié) 論也成立。如圖1B所示，如果使用其它導(dǎo)電的并且撓性的、彈性的絕緣層， 此結(jié)^侖也正確。
具有有限電阻的導(dǎo)電層通常在連接點(diǎn)之間具有10-1,000,000歐姆的電 阻，優(yōu)選地，為100-100,000歐姆，更優(yōu)選地，為1,000-10,000歐姆?？梢?結(jié)合階梯形、蛇形帶、三角測(cè)量或者其它構(gòu)造來(lái)實(shí)施本發(fā)明的利用電阻確定 位置的方法。在導(dǎo)電區(qū)域是帶狀的情況下，與階梯形或蛇形帶中的情況一樣， 可以通過(guò)已知的方式，例如，以圖3B所示的方式，改變帶的寬度來(lái)進(jìn)一步 區(qū)分右側(cè)和左側(cè)的電阻。
數(shù)字信息、衰減時(shí)間常數(shù)或者相位偏移表示網(wǎng)絡(luò)的電阻-電容性質(zhì)的連 續(xù)時(shí)間變化，以及，傳感器10的狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)更好的信噪比，可以對(duì)連 續(xù)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行平均和過(guò)濾。
時(shí)間常數(shù)法和相位偏移容易出現(xiàn)電^f茲干擾和寄生電容。因此，信號(hào)的噪 聲內(nèi)容會(huì)模糊真實(shí)的情況。執(zhí)行間隔采樣，此間隔是由微控制器中的可設(shè)置 的中斷定義的。通過(guò)奈奎斯特準(zhǔn)則規(guī)定的采樣，此準(zhǔn)則決定了采樣理論以及 高頻情形的數(shù)字重建，可以成功地獲取發(fā)生頻率低于采樣頻率的一半的事 件。在單個(gè)采樣時(shí)刻，幾個(gè)微秒量級(jí)的多次采樣分別平均在一起，以減少由 模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及小的電磁效應(yīng)引起的錯(cuò)誤?？梢砸怨潭ǖ臅r(shí)間間隔進(jìn)行采樣，或者，更有利地，可以以隨機(jī)間隔進(jìn)行采樣，從而使噪聲頻譜與采樣間 隔的相關(guān)性不會(huì)4艮高。
然后，將采樣的數(shù)據(jù)傳送到有限脈沖響應(yīng)濾波器或者無(wú)限脈沖響應(yīng)濾波 器。這些濾波器進(jìn)一步降低了來(lái)自諸如電源線等來(lái)源的噪聲和干擾對(duì)采樣數(shù) 據(jù)的影響。這樣，可以通過(guò)更好的估計(jì)相位偏移或時(shí)間常數(shù)來(lái)確定對(duì)檢測(cè)器 電容的更好的估計(jì)。
級(jí)聯(lián)不同的濾波器允許對(duì)數(shù)據(jù)有不同的解釋。例如，^f吏用一組濾波器消 除或忽略系統(tǒng)的長(zhǎng)期性改變(例如，撓性的彈性的絕緣層102中的彈力的逐 漸損失)，從而提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)，同時(shí)，其它濾波器隔離短期改變(例如，
按壓傳感器10)。選擇不同的濾波器是對(duì)筒單采樣和閾值比較的顯著改進(jìn)。 電容傳感器IO通常需要校準(zhǔn)。因?yàn)榛鶞?zhǔn)電容由于環(huán)境變化、材料變化
以及外部電^f茲場(chǎng)而隨時(shí)間漂移，所以需要校準(zhǔn)。特別是在泡沫制成的絕緣材 料中，盡管使用了具有最小蠕變和磁滯的泡沫，電容還是會(huì)隨時(shí)間變化。能 夠進(jìn)行重新校準(zhǔn)的傳感器總是比不能重新校準(zhǔn)的傳感器更魯棒、更靈敏。
有三種校準(zhǔn)傳感器10的方法。第一種方法是在制造時(shí)規(guī)劃校準(zhǔn)設(shè)置。 第二種方法是每當(dāng)系統(tǒng)對(duì)其自身的一部分進(jìn)行初始化時(shí)，即，在啟動(dòng)時(shí)，校 準(zhǔn)傳感器10，這在較長(zhǎng)的時(shí)間尺度上有效降低了由于一些變動(dòng)引起的錯(cuò)誤。 在第三種方法中，通過(guò)濾除外部電氣噪聲以及忽略無(wú)意的接觸或其它觸碰， 來(lái)對(duì)變化的條件連續(xù)校準(zhǔn)傳感器10。市場(chǎng)上已經(jīng)可購(gòu)買到被設(shè)計(jì)成用于感測(cè) 電容并集成了連續(xù)的自校準(zhǔn)、噪聲過(guò)濾以及重新校準(zhǔn)的電子模塊。
傳感器IO可以包括其它絕緣層104，也稱為覆蓋層。這些層不以任何顯 著的方式對(duì)傳感器10的電氣屬性作出貢獻(xiàn)。外部層的功能可以包括視覺(jué)或 者觸覺(jué)的美觀、保護(hù)作用，并作為用戶接口?？梢詻](méi)有這樣的層，也可以有 一個(gè)或者多個(gè)這樣的層。如下所述，可以由不同材料制成多個(gè)層，以提供不 同的功能。優(yōu)選地，覆蓋層是織物。此織物可以是任何已知的構(gòu)造，包括但 不限于針織物、紡織物，或者無(wú)紡織物。
可以涂敷、層壓、縫合電氣絕緣的一個(gè)或多個(gè)外部層104，或者以其他 方式將其應(yīng)用于傳感器的外部表面。可以用任意材料以任意方式構(gòu)造這些 層，使傳感器的整體撓性保持在可接受的水平。通常，這些材料將保留本發(fā) 明的電容傳感器典型的薄的外形?？捎糜诟采w層104的可能的材料包括紡織 品、皮革或者其它獸皮、薄膜，或者涂層。在傳感器的頂部和底部這兩者或者其中之一上可以有外部層104。絕緣層可以分別是多種材料和層的合成， 并且外部層的頂部和底部不需要是同樣的結(jié)構(gòu)。
可以在傳感器最外部的層104上打印裝飾性的圖形或信息，例如，關(guān)于 電容傳感器IO或者顯示器，或者應(yīng)用或連接了電容傳感器IO的其它裝置的 信息或指令。通常，電容傳感器IO的頂部表面，呈現(xiàn)給用戶的表面，將包 括指示各個(gè)檢測(cè)器的位置和功能的圖形?？梢赃x擇提供裝飾性和功能性方面 的材料。除了美觀，絕緣外部層104還可以提供保護(hù)性功能，諸如，防磨損 和抗擊打、防污染、防溢灑和液體、防紫外輻射退化等?？梢允褂孟嗨频牟?料制作電容傳感器10的底層，以用于與頂層類似的功能，除了通常不包括 裝飾性或信息圖形之外。
本發(fā)明的范圍應(yīng)包括結(jié)合了本發(fā)明的原理設(shè)計(jì)特征的所有變形，并且， 由所附的權(quán)利要求的范圍確定本發(fā)明的范圍和界限。因此，還應(yīng)理解，本文 描述的發(fā)明性概念是可互換的，并且/或者，在本發(fā)明的其它置換中可以同時(shí) 使用這些發(fā)明性概念，并且，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，無(wú)需脫離本發(fā)明的 精神或者范圍，根據(jù)之前對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的描述，就會(huì)清楚其它變形和替換。
權(quán)利要求
1. 一種撓性的電容性傳感柵格，包括撓性的彈性的絕緣層，其具有第一和第二側(cè)面；所述絕緣層的第一側(cè)面上的第一導(dǎo)電層，其至少包括第一和第二導(dǎo)電元件，其中，所述第一導(dǎo)電元件與第二導(dǎo)電元件電氣隔離；以及所述絕緣層的第二側(cè)面上的第二導(dǎo)電層，其至少包括第三和第四導(dǎo)電元件，其中，所述第三導(dǎo)電元件與第四導(dǎo)電元件電氣隔離，其中，所述第三元件至少部分地覆蓋所述第一和第二元件，并且，所述第四元件至少部分地覆蓋所述第一和第二元件，并且，其中，通過(guò)所述撓性的彈性的絕緣層將所述第三和第四元件與所述第一和第二元件電氣隔離。
2. 如權(quán)利要求1所述的撓性的電容性傳感柵格，進(jìn)一步包括電氣連 接到各個(gè)導(dǎo)電元件的電容計(jì)。
3. 如權(quán)利要求1所述的撓性的電容性傳感柵格，其中，所述導(dǎo)電元 件的長(zhǎng)寬比大于5: 1。
4. 如權(quán)利要求1所述的撓性的電容性傳感柵格，其中，所述第三導(dǎo) 電元件以5到175度之間的角度與所述第一和第二導(dǎo)電元件交叉。
5. 如權(quán)利要求4所述的撓性的電容性傳感柵格，其中，所述第四導(dǎo) 電元件以5到175度之間的角度與所述第一和第二導(dǎo)電元件交叉。
6. 如權(quán)利要求1所述的撓性的電容性傳感柵格，其中，所述導(dǎo)電元 件形成柵格。
7. 如權(quán)利要求1所述的撓性的電容性傳感柵格，其中，所述傳感柵 格進(jìn)一步包括至少一個(gè)位于所述第一導(dǎo)電層上與絕緣體相反一側(cè)的覆蓋層。
8. 如權(quán)利要求7所述的撓性的電容性傳感柵格，其中，所述覆蓋層 包括織物。
9. 如權(quán)利要求1所述的撓性的電容性傳感柵格，其中，各個(gè)導(dǎo)電元 件分別具有1兆歐或更低的電阻。
10. 如權(quán)利要求1所述的撓性的電容性傳感柵才各，其中，所述絕緣層包括間隔織物。
11. 一種撓性的電容性傳感柵格，包括 撓性的彈性的絕緣層，其具有第一和第二側(cè)面；所述絕緣層的第 一側(cè)面上的第 一導(dǎo)電層，其至少包括第 一和第二導(dǎo)電元 件，其中，所述第一導(dǎo)電元件與所述第二導(dǎo)電元件電氣隔離；所述絕緣層的第二側(cè)面上的第二導(dǎo)電層，其至少包括第三導(dǎo)電元件； 第二彈性的絕緣層，其第一側(cè)面被連接到所述第二導(dǎo)電層；以及 第三導(dǎo)電層，其至少包括位于所述第二彈性的絕緣層的第二側(cè)面上的第 四和第五導(dǎo)電元件，其中，所述第四導(dǎo)電元件與所述第五導(dǎo)電元件電氣隔離， 其中，所述第一、第二、第四和第五導(dǎo)電元件形成柵-格，并且所述第三導(dǎo)電 元件至少位于所述第一和第二導(dǎo)電元件與所述第四和第五導(dǎo)電元件重疊的 位置處。
12. 如權(quán)利要求11所述的撓性的電容性傳感柵格，進(jìn)一步包括電氣連 接到各個(gè)導(dǎo)電元件的電容計(jì)。
13. —種撓性的電容傳感器，包括 撓性的彈性的絕緣層，其具有第一和第二側(cè)面；所述絕緣層的第一側(cè)面上的第一導(dǎo)電層，其包括至少一個(gè)第一導(dǎo)電元件；所述絕緣層的第二側(cè)面上的第二導(dǎo)電層；其中，所述第一導(dǎo)電元件至少 部分地與所述第二導(dǎo)電層重疊；以及電氣連接到所述導(dǎo)電元件的電容計(jì)，其中，所述電容計(jì)測(cè)量所述第一導(dǎo) 電層和所述第二導(dǎo)電層之間電容的變化，并且，其中，所述電容計(jì)在沿著所 述第一導(dǎo)電層的第一導(dǎo)電元件的方向確定用戶交互的點(diǎn)的位置。
14. 如權(quán)利要求13所述的撓性的電容傳感器，其中，所述電容計(jì)在一個(gè)方向上確定位置。
15. 如權(quán)利要求13所述的撓性的電容傳感器，其中，所述電容計(jì)在至 少兩個(gè)方向上確定位置。
16. 如權(quán)利要求13所述的撓性的電容傳感器，其中，所述電容計(jì)分別 將電壓施加于所述第一導(dǎo)電元件或所述第二導(dǎo)電層上的2個(gè)或更多的不同位 置，并根據(jù)來(lái)自各個(gè)施加的電壓的信號(hào)值來(lái)確定用戶交互的位置。
17. 如權(quán)利要求13所述的撓性的電容傳感器，其中，所述第一導(dǎo)電元 件具有蛇形形狀。
18. 如權(quán)利要求13所述的撓性的電容傳感器，其中，所述第一導(dǎo)電元 件具有螺旋形狀。
19. 如權(quán)利要求13所述的撓性的電容傳感器，其中，所述第一導(dǎo)電元 件的寬度隨著該元件的長(zhǎng)度而變化。
20. 如權(quán)利要求13所述的撓性的電容傳感器，其中，所述傳感器進(jìn)一 步包括第二彈性的絕緣層和第三導(dǎo)電層，所述第二撓性的絕緣層的第 一側(cè)面 連接到與所述第一絕緣層相反的第一導(dǎo)電層，第三導(dǎo)電層至少包括位于所述 第二彈性的絕緣層的第二側(cè)面上的第三導(dǎo)電元件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適于大規(guī)模制造的撓性的彈性的電容傳感器。該傳感器包括絕緣體、絕緣層的第一側(cè)面上的導(dǎo)電層、絕緣層的第二側(cè)面上的導(dǎo)電層，以及電容計(jì)，該電容計(jì)與上述兩個(gè)導(dǎo)電層電連接，以檢測(cè)在對(duì)檢測(cè)器施加作用力時(shí)的電容變化。導(dǎo)電層被配置為確定所施加的作用力的位置。可以對(duì)傳感器進(jìn)行屏蔽，以減小外部干擾的影響。
文檔編號(hào)G06F3/044GK101421692SQ200780013038
公開日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2007年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月10日
發(fā)明者D·布魯斯·威爾遜, 布賴恩·A·馬齊奧, 艾爾弗雷德·R·迪安吉利斯 申請(qǐng)人:美利肯公司