專利名稱：電容式接近觸覺(jué)傳感器的制作方法
電容式接近觸覺(jué)傳感器與有關(guān)申請(qǐng)的對(duì)照本申請(qǐng)要求同一發(fā)明人的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/150，580的優(yōu)先權(quán)，于2009年 2月6日以相同的題目提交。本申請(qǐng)將其全部以參考的方式并入。
背景技術(shù)：
本發(fā)明總體上涉及電容式接近傳感器。更特別地，本發(fā)明的傳感器利用覆蓋有一層可壓縮的不傳導(dǎo)材料的接近陣列傳感器，允許其檢測(cè)附近的傳導(dǎo)對(duì)象、以及通過(guò)這種對(duì)象作用到傳感器表面上的作用力。電容式接觸傳動(dòng)器通常被用作消費(fèi)類電子設(shè)備的輸入設(shè)備。例如蘋果公司的 iPhone，就是一種使用接近接觸傳感器輸入設(shè)備制作而成的具有改良的用戶界面的廣泛使用的設(shè)備。雖然這種電容式接觸傳感器的靈敏度在檢測(cè)附近傳導(dǎo)對(duì)象的存在或不存在的方面非常高，但是他們不能被用于有效地測(cè)量由對(duì)象作用到傳感器表面上的漸進(jìn)力。接近傳感器被用于現(xiàn)有技術(shù)中的其他已知的應(yīng)用中，例如，如圖1所示的包含由行及列所形成的柵格式電極的電容式接觸面板。其提供了非常靈敏的對(duì)象檢測(cè)，因?yàn)樵谑褂媒拥氐幕騻鲗?dǎo)對(duì)象，如手指、裸露的腳或金屬時(shí)，感應(yīng)機(jī)構(gòu)在傳感器的電學(xué)性質(zhì)中。盡管如此，這種接近效果不能測(cè)量由對(duì)象，如腳，所作用的壓力或力。然而，通過(guò)整合所有的測(cè)量，其有效地提供了腳的尺寸，而不是人的體重-稱重性能的研究顯示出他們是不精確的。他們的讀數(shù)也極其依靠人是否穿著襪子。觸覺(jué)陣列傳感器在另一方面，確實(shí)可測(cè)量實(shí)際接觸壓力并且能將它們合并到接觸力中。然而，對(duì)于許多常見(jiàn)的應(yīng)用，例如用于力-傳感電阻(FSR)，他們的表現(xiàn)總是不夠準(zhǔn)確。觸覺(jué)陣列傳感器的另一個(gè)缺點(diǎn)是其制造的難度及復(fù)雜性?，F(xiàn)有技術(shù)中觸覺(jué)傳感器陣列傳感器(相同發(fā)明人的美國(guó)專利No. 7，609，178)的橫斷面視圖如圖2所示。它包括通過(guò)間隔105與第二電極103分開(kāi)的第一電極101。通過(guò)對(duì)象104在區(qū)域110內(nèi)對(duì)電極的壓縮，導(dǎo)致兩個(gè)電極之間電容量的變化，此變化隨后被控制單元所檢測(cè)。高度靈敏的觸覺(jué)傳感器的這種設(shè)計(jì)需要一個(gè)模塑的結(jié)構(gòu)用來(lái)支撐接地電極 (ground electrode)。通過(guò)結(jié)合所有壓力測(cè)量結(jié)果，一個(gè)總的力或重量可以被推算出來(lái)。類似這種需要高靈敏度和對(duì)抗大的切變應(yīng)力的應(yīng)用，例如當(dāng)一個(gè)人跨步及步行在傳感器上， 提出了一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)榻拥仉姌O可能由安裝好的基板上脫層。因此，存在一個(gè)高度靈敏以及可靠的傳感器的需求，其制造簡(jiǎn)單，且能提供作為觸覺(jué)傳感器的精確性以及接近傳感器的靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于通過(guò)提供一種新穎的電容式接近觸覺(jué)傳感器，可將接觸檢測(cè)以及力量測(cè)量功能融入一個(gè)單獨(dú)的設(shè)備中，以克服現(xiàn)有技術(shù)中這些和其他的缺點(diǎn)。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種通過(guò)接地的或用電的傳導(dǎo)對(duì)象，其中包含人的身體的一部分，具有感應(yīng)接觸以及測(cè)量接觸力的能力的電容式觸覺(jué)傳感器。本發(fā)明的進(jìn)一步的目的在于提供一個(gè)可符合簡(jiǎn)單的制造過(guò)程的電容式接近觸覺(jué)傳感器。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于一個(gè)具有統(tǒng)一的靈敏度的電容接近觸覺(jué)傳感器。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一個(gè)柔韌的、且能圍繞一個(gè)平面或曲面或在其上面彎曲或折疊的電容式接近觸覺(jué)傳感器。本發(fā)明的傳感器包括一個(gè)電容感應(yīng)電極層以及一個(gè)可壓縮的不傳導(dǎo)層。當(dāng)傳導(dǎo)對(duì)象被放置在附近時(shí)，接近傳感器在電容感應(yīng)電極和傳導(dǎo)對(duì)象之間形成，允許檢測(cè)接觸位置。 同時(shí)，對(duì)象所作用的力引起了不傳導(dǎo)層的壓縮。電容式觸覺(jué)傳感器在感應(yīng)電極和傳動(dòng)對(duì)象之間形成，其中具有不傳導(dǎo)層的。感應(yīng)電極和傳導(dǎo)對(duì)象之間的測(cè)量電容允許確定對(duì)象與電極之間的間隔。相應(yīng)地，知道了間隔可從已知的不傳導(dǎo)材料的可壓縮參數(shù)計(jì)算在那個(gè)位置的作用力。結(jié)合材料被壓縮和接觸被檢測(cè)的多個(gè)位置的力量數(shù)據(jù)可計(jì)算總的接觸力或?qū)ο蟮闹亓俊?br>

通過(guò)參考下面對(duì)引用的附圖的詳細(xì)描述，可以了解本發(fā)明主旨的更加完整的理解及其各種優(yōu)點(diǎn)，其中圖1是現(xiàn)有技術(shù)中接近傳感器的整體描繪，圖2是現(xiàn)有技術(shù)中電容式觸覺(jué)傳感器的整體圖示，圖3是傳導(dǎo)對(duì)象放置在其上的本發(fā)明的傳感器的整體圖示，圖4示出了本發(fā)明的傳感器的一個(gè)作為壓力映射墊的實(shí)際應(yīng)用，圖5示出了本發(fā)明的傳感器的一個(gè)作為用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用的力測(cè)量輸入設(shè)備，圖6A和6B示出了本發(fā)明的傳感器的一個(gè)作為壓力分布式測(cè)量鞋墊傳感器的實(shí)際應(yīng)用，圖7A和7B示出了本發(fā)明傳感器的一個(gè)作為柔韌浴室秤的實(shí)際應(yīng)用，圖8示出了本發(fā)明的傳感器的一個(gè)作為用于與沙袋一塊使用的沖擊力測(cè)量傳感器實(shí)際應(yīng)用，及最后圖9示出了本發(fā)明的傳感器在坐墊里的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用。本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述本發(fā)明的詳細(xì)描述參考附圖如下，在附圖中，相同的元件由相同的附圖文字和數(shù)
字表不。圖3描繪了包含兩個(gè)主要元件-至少一個(gè)電容感應(yīng)電極層10以及可壓縮不傳導(dǎo)層20的本發(fā)明的傳感器的整體圖示。電容感應(yīng)電極層10以類似傳統(tǒng)接近傳感器陣列的方式形成。它包括一些當(dāng)傳導(dǎo)對(duì)象30被放置在附近時(shí)，能夠測(cè)量電學(xué)和電容特性的位置(像素)。像素的具體數(shù)量以及它們的設(shè)計(jì)很大程度上取決于特定的應(yīng)用；它們中的一些實(shí)例在下面被更詳細(xì)的描述。源自單個(gè)像素的信號(hào)通過(guò)電纜(未示出)被傳輸至控制單元(未示出)。在一些實(shí)際應(yīng)用中，控制單元合并至傳感器設(shè)備本身并安裝在附近，可選地作為傳感器本身安裝在同一支撐基板的上面。通常為接觸傳感器建立的任何電容感應(yīng)集成電路 (IC)都能用于本發(fā)明?？蓧嚎s層的厚度以及傳感器元件的尺寸都能被如此調(diào)整，當(dāng)對(duì)象產(chǎn)生接觸時(shí)，源自接近效應(yīng)的信號(hào)在集成電路的噪聲水平內(nèi)。在這種構(gòu)造中，接近效應(yīng)被最小化，且傳感器表現(xiàn)為類似可測(cè)量接觸壓力和力的傳統(tǒng)觸覺(jué)傳感器?？蓧嚎s不傳導(dǎo)層20放置在電極層10的上方。它可像聚亞安酯(polyurethane) 泡沫層一樣簡(jiǎn)單。重要地，預(yù)先知道此層的可壓縮參數(shù)。材料選擇，厚度，以及可壓縮性都基于特定實(shí)際應(yīng)用的需要被選擇-參見(jiàn)以下實(shí)例。除了聚亞安酯之外，硅或熱塑性彈性泡沫也能夠使用。重要的是正確地評(píng)估對(duì)于每一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的最小和最大接觸力。在材料和厚度選擇之后的指導(dǎo)原則是確?？蓧嚎s層在其彈性漸進(jìn)變形范圍內(nèi)形變。應(yīng)選擇足夠柔軟的，在預(yù)期的最小接觸力下至少部分形變以便提供用于特殊用途的充分的靈敏度。同時(shí)，最大預(yù)期接觸力不應(yīng)該使材料超出其漸進(jìn)壓縮范圍。超出漸進(jìn)壓縮范圍可能導(dǎo)致不好的傳感器性能或至少引起傳感器讀數(shù)達(dá)到飽和狀態(tài)，因此引起輸出信號(hào)錯(cuò)誤。將已知的力或壓力應(yīng)用到將與傳感器接觸的使用對(duì)象上的傳統(tǒng)校準(zhǔn)過(guò)程提供了一個(gè)校準(zhǔn)曲線，在此以數(shù)字計(jì)數(shù)的傳感器輸出能夠被轉(zhuǎn)化為壓力或力。將與傳感器接觸的對(duì)象是預(yù)先已知的對(duì)于正確使用這種傳感器是很重要的。本發(fā)明的傳感器有效地結(jié)合了接近傳感器的功能以及電容測(cè)量觸覺(jué)傳感器的功能。當(dāng)傳導(dǎo)對(duì)象30被放置在可壓縮層20上，一個(gè)特定的力被作用在傳感器表面之上，可壓縮層20在區(qū)域31之上、對(duì)象30之下變形。傳感器的接近感應(yīng)接觸檢測(cè)部分利用傳導(dǎo)對(duì)象 30的緊密存在，作為可用作第一輸入信號(hào)的接觸位置的傳統(tǒng)已知的檢測(cè)。同時(shí)，在電極層10和傳導(dǎo)對(duì)象30之間的電容感應(yīng)電路允許確定在被區(qū)域31所包圍的許多點(diǎn)之上的其間的間隙。在通過(guò)測(cè)量電容所確定的間隙的每個(gè)點(diǎn)上，局部的力可能隨后由已知的可壓縮層20的壓縮特征所計(jì)算出來(lái)。結(jié)合整個(gè)區(qū)域31上的力的數(shù)據(jù)點(diǎn)，可計(jì)算出對(duì)象30按壓本發(fā)明的傳感器的總的接觸力，即使對(duì)象30可能具有不規(guī)則形狀。接觸力能夠用作第二輸入信號(hào)，獨(dú)立于由傳感器的接近檢測(cè)部分所產(chǎn)生的第一輸入信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明的方法，接觸位置以及接觸力的檢測(cè)可由以下步驟完成a.提供包含電極層和暴露于傳導(dǎo)對(duì)象的可壓縮不傳導(dǎo)層的電容式接近觸覺(jué)傳感器；可壓縮層的特征在于具有由最小接觸力和最大接觸力所限定的漸進(jìn)壓縮范圍，b.通過(guò)在最小接觸力和最大接觸力之間的一定范圍內(nèi)的傳導(dǎo)對(duì)象的接觸力的實(shí)際應(yīng)用，利用傳感器的電學(xué)性能以及基于傳導(dǎo)對(duì)象的緊密接近，檢測(cè)接觸的位置，c.測(cè)量遍及在對(duì)象和傳感器之間的接觸區(qū)域的電容，d.由電容數(shù)據(jù)計(jì)算變形的可壓縮層的厚度分布，e.由不傳導(dǎo)層的厚度分布以及預(yù)定的壓縮性能計(jì)算在接觸區(qū)域上的力的分布，以及f.由力的分布數(shù)據(jù)計(jì)算接觸力?？蛇x擇地，基于與已知的作用力相關(guān)的電容測(cè)量，校準(zhǔn)曲線能夠被創(chuàng)建以確定接觸力。重要地，電極層和可壓縮不傳導(dǎo)層都是彈性的，使得整個(gè)傳感器具有彈性。這有利于用在本發(fā)明的一些潛在的實(shí)際應(yīng)用中，除了被說(shuō)明的許多應(yīng)用外。例如，用于測(cè)量口內(nèi)的舌頭所施加的力的傳感器可以被創(chuàng)建，該傳感器利用聚亞安酯的熱成型層密封或在水溶性防護(hù)涂層中浸漬。下面的描述提供了本發(fā)明實(shí)施例。圖4說(shuō)明了本發(fā)明的傳感器用于檢測(cè)當(dāng)一個(gè)人走在傳感器上時(shí)，人的腳下面的壓力分布的一般應(yīng)用。在此實(shí)例中，腳扮演了傳導(dǎo)對(duì)象30 的角色?？蓧嚎s層的厚度和剛度被選擇適應(yīng)在典型的人類重量范圍下可壓縮層的凹陷，人類重量的范圍例如201bs到4001bs。腳30對(duì)層20的壓縮被轉(zhuǎn)化成在傳感器變形區(qū)域31 上的許多的電容測(cè)量結(jié)果。這些測(cè)量結(jié)果用于計(jì)算層20的厚度分布，然后利用層20材料的壓縮性能，壓力分布可通過(guò)控制單元被計(jì)算出來(lái)。這個(gè)實(shí)際應(yīng)用最重要的優(yōu)勢(shì)在于有或者沒(méi)有襪子都不會(huì)明顯改變傳感器的讀數(shù)。重要地，可壓縮層20的存在也允許有層20內(nèi)部所固有發(fā)生的變形力的局部重新分布。這一點(diǎn)使得對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)的傳感器，本發(fā)明的傳感器的更統(tǒng)一的靈敏度。知道在傳感器表面之上人的腳的壓力分布能被應(yīng)用到許多應(yīng)用實(shí)例中。本發(fā)明一個(gè)有用的實(shí)例是可記錄一個(gè)行走中的人的腳的壓力分布的鞋墊。這個(gè)傳感器如圖6A(側(cè)視圖)和6B(頂視圖)所示。老人的靈活性的退化是摔跤和受傷的主要原因。研究表明，步法的變化常常先于摔跤的實(shí)際事件。許多設(shè)備已知被用于步法監(jiān)視。如圖6所示的簡(jiǎn)單且不顯眼的鞋墊可被用于作為短期的或長(zhǎng)期的步法監(jiān)視工具。這種傳感器也能被用作一種簡(jiǎn)單制作的鞋墊觸覺(jué)傳感器，其可利用壓力分布信息來(lái)監(jiān)視平衡，壓瘡，表現(xiàn)，動(dòng)力，力量，以及重量。一個(gè)典型的鞋墊的設(shè)計(jì)包括至少一個(gè)或優(yōu)選的多個(gè)感應(yīng)區(qū)域41到46，以監(jiān)視腳下的多個(gè)點(diǎn)上的壓力。鞋墊傳感器可以通過(guò)要求人分別舉起每一只腳，以及用兩只腳平衡的站立，而用重量輕松的校準(zhǔn)。通過(guò)將人的重量記入處理單元，在一只腳上的全部的重量，在一只腳上一半的重量以及沒(méi)有重量都可被校準(zhǔn)。本發(fā)明的傳感器的另一個(gè)有用的實(shí)例在于制作有彈性的，耐用的以及薄的浴室體重秤。它可以像毯子一樣被放置，允許人們?cè)谏厦鏌o(wú)絆跌的走。由于其薄的性質(zhì)，它能被放置在更方便的位置用來(lái)測(cè)量某人的自身的重量，例如在浴室的中間，或可能甚至在一些不可避免的地方(在門的入口附近)。傳感器的柔韌性使得它可以不平坦的表面操作，例如具有不平坦地面的老房子。當(dāng)走在秤上時(shí)，泡沫的可壓縮性將提供柔軟及緩和的感覺(jué)。這種浴室秤的設(shè)計(jì)如作為頂視圖的圖7A所示，以及說(shuō)明其柔韌性的透視圖如圖7B所示。本發(fā)明的電容式接近觸覺(jué)傳感器能夠被用做類似于傳統(tǒng)接近觸覺(jué)輸入設(shè)備，但是具有用于力量檢測(cè)的額外好處。概念地，這種應(yīng)用如圖5所示。在這個(gè)例子中，用戶的手指是傳導(dǎo)對(duì)象30。這種對(duì)常見(jiàn)接近接觸傳感器的簡(jiǎn)單的增強(qiáng)對(duì)于通過(guò)生成位置輸入信號(hào)和漸進(jìn)的力量信號(hào)的個(gè)人移動(dòng)設(shè)備以及游戲控制器是非常有價(jià)值的。這種力量強(qiáng)度信號(hào)相應(yīng)地能用于控制如滾動(dòng)的速度或字符或車輛速度等參數(shù)。對(duì)于類似于吉他英雄(Guitar Hero) 的游戲，當(dāng)用戶的手的位置被認(rèn)為遵循一系列預(yù)設(shè)程序的動(dòng)作時(shí)，通過(guò)要求人不只要遵循動(dòng)作的順序，而且要控制不同強(qiáng)度的作用的壓力或力，一個(gè)更高級(jí)別的難度可被設(shè)定。這種依從的層的附加好處是自然的觸覺(jué)反饋，用戶可以獲得與在操作傳感器的過(guò)程中通過(guò)壓縮泡沫的動(dòng)作所獲得的相同的更柔軟的及更緩和的感覺(jué)。圖8示出了使用更厚的可壓縮層設(shè)計(jì)用于承受來(lái)自用拳猛擊動(dòng)作的沖擊力的一個(gè)實(shí)例。這種應(yīng)用允許創(chuàng)建一種力量及能量監(jiān)視器用于訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)員。對(duì)于拳擊的應(yīng)用，本發(fā)明的傳感器可選擇地并入拳擊手套中(圖中未示出)。圖9示出了裝備了壓力分布監(jiān)視器的座位。通過(guò)將電容電極插入到坐墊的底部作為依從的不傳導(dǎo)層20，人的臀部可充當(dāng)傳導(dǎo)對(duì)象30，作為第二電極及然后形成電容式接近觸覺(jué)傳感器。這種構(gòu)造能作為低廉及可靠的手段來(lái)檢測(cè)車輛中的前面座位上乘客的存在以啟動(dòng)或禁用各個(gè)安全氣囊。用作這種實(shí)際應(yīng)用的超出其他類型的傳感器的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)在于其基于測(cè)量重量。當(dāng)一個(gè)重物，而不是人，放置在座位上時(shí)，如一堆書(shū)或旅行包，本發(fā)明的傳感器不會(huì)打開(kāi)安全氣囊。本發(fā)明的壓力監(jiān)視座位或僅僅坐墊也能用于輪椅或適合被用在醫(yī)院病床上，來(lái)監(jiān)視壓力水平以防止壓瘡。盡管此處本發(fā)明采用特定的實(shí)施例進(jìn)行了闡述，但是應(yīng)理解為這些實(shí)施例僅僅用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的原理及實(shí)際應(yīng)用。因此應(yīng)當(dāng)理解，在不超出本發(fā)明的精神和范圍的情況下， 對(duì)說(shuō)明性的實(shí)施例的修改以及其他裝置的設(shè)計(jì)均用附加權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種電容式接近觸覺(jué)傳感器，其包含電極層和暴露于傳導(dǎo)對(duì)象的可壓縮不傳導(dǎo)層， 所述可壓縮層限定了接觸力的漸進(jìn)可壓縮范圍，其中當(dāng)通過(guò)所述傳導(dǎo)對(duì)象作用于所述可壓縮層上的接觸力在所述漸進(jìn)可壓縮范圍內(nèi)時(shí)，通過(guò)所述電極層和所述傳導(dǎo)對(duì)象之間的可壓縮不傳導(dǎo)層，在所述電極層和所述傳導(dǎo)對(duì)象之間形成電容傳感器，其中所述傳感器產(chǎn)生接觸信號(hào)以及代表所述接觸力的力信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述電極層包含電極陣列，每個(gè)電極都能檢測(cè)通過(guò)所述傳導(dǎo)對(duì)象的接觸，以及測(cè)量其與所述對(duì)象之間的電容。
3.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述電極層和所述可壓縮不傳導(dǎo)層是柔韌的。
4.權(quán)利要求1所述的傳感器可適應(yīng)于作為一個(gè)柔韌的重量秤。
5.權(quán)利要求1所述的傳感器可適應(yīng)于作為用于監(jiān)視人的腳下面的壓力分布的鞋墊。
6.權(quán)利要求1所述的傳感器可適應(yīng)于作為用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品的輸入設(shè)備。
7.權(quán)利要求1所述的傳感器可適應(yīng)于作為拳擊力量監(jiān)視器。
8.權(quán)利要求1所述的傳感器可適應(yīng)于作為壓力監(jiān)視坐墊。
9.權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述可壓縮不傳導(dǎo)層由泡沫制成。
10.權(quán)利要求9所述的傳感器，其中所述泡沫選自由硅泡沫，聚亞安酯泡沫，以及熱塑性彈性泡沫。
全文摘要
一種新穎的電容式接近觸覺(jué)傳感器由電極層10以及可壓縮不傳導(dǎo)層20所形成。放置傳導(dǎo)對(duì)象30與傳感器接觸，在傳感器表面31上應(yīng)用接觸力，由于通過(guò)電極層10和對(duì)象30之間的可壓縮不傳導(dǎo)層20，在電極層10以及對(duì)象30之間形成電容測(cè)量傳感器，允許檢測(cè)接觸的位置(作為傳統(tǒng)接近傳感器)以及測(cè)量接觸力(作為觸覺(jué)陣列傳感器)。該傳感器的有利應(yīng)用包括用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品的輸入設(shè)備，柔韌的、及薄的重量秤，行走時(shí)用于監(jiān)測(cè)腳的壓力分布的鞋墊，壓力監(jiān)視坐墊以及其他。
文檔編號(hào)G06F3/044GK102308270SQ201080006914
公開(kāi)日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2010年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月6日
發(fā)明者哲·S·桑 申請(qǐng)人:壓力分布系統(tǒng)公司