使用電容傳感器的剪力檢測(cè)的制作方法
【專利說明】使用電容傳感器的剪力檢測(cè) 優(yōu)先權(quán)ig息
[0001] 本申請(qǐng)要求2013年3月14日提交的美國(guó)非臨時(shí)專利申請(qǐng)序號(hào)13/827138的優(yōu)先 權(quán)，并通過引用將其結(jié)合到本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明一般涉及電子裝置，以及更具體來說涉及配置成檢測(cè)剪力（shear force) 的輸入裝置。
【背景技術(shù)】
[0003] 包括接近傳感器裝置（通常又稱作觸摸板或觸摸傳感器裝置）的輸入裝置廣泛用 于多種電子系統(tǒng)中。接近傳感器裝置通常包括常常通過表面來區(qū)分的感測(cè)區(qū)，其中接近傳 感器裝置確定一個(gè)或多個(gè)輸入物體的存在、位置和/或運(yùn)動(dòng)。接近傳感器裝置可用來提供 用于電子系統(tǒng)的接口。例如，接近傳感器裝置常常用作較大計(jì)算系統(tǒng)的輸入裝置（例如筆 記本或臺(tái)式計(jì)算機(jī)中集成的或者作為其外設(shè)的不透明觸摸板）。接近傳感器裝置還常常用 于較小計(jì)算系統(tǒng)（例如蜂窩電話中集成的觸摸屏）中。
[0004] 接近傳感器裝置能夠用來實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)的控制。例如，接近傳感器裝置常 常用作較大計(jì)算系統(tǒng)的輸入裝置，較大計(jì)算系統(tǒng)包括：筆記本計(jì)算機(jī)和臺(tái)式計(jì)算機(jī)。接近傳 感器裝置也常常用于較小系統(tǒng)中，較小系統(tǒng)包括：手持系統(tǒng)，例如個(gè)人數(shù)字助理（PDA)、遙 控器；以及通信系統(tǒng)，例如無線電話和文本消息傳遞系統(tǒng)。接近傳感器裝置越來越多地用于 媒體系統(tǒng)中，例如CD、DVD、MP3、視頻或其他媒體記錄器或播放器。接近傳感器裝置能夠是 它與其交互的計(jì)算系統(tǒng)的整體部分或者外設(shè)。
[0005] 當(dāng)前已知的接近傳感器具有例如通過提供耦合到傳感器表面的一個(gè)或多個(gè)力傳 感器、例如應(yīng)變稱重傳感器、壓電晶體力換能器等，來檢測(cè)和確定施加到傳感器表面的力的 能力。還已知通過測(cè)量當(dāng)手指壓在表面上時(shí)產(chǎn)生于增加接觸面積的增加電容，來估計(jì)外加 力。與使用這些技術(shù)來估計(jì)外加力關(guān)聯(lián)的缺點(diǎn)包括有限精度和復(fù)雜構(gòu)造。因此，這類傳感 器在其將這種所確定力用作確定用戶輸入的基礎(chǔ)的能力有限。這限制接近傳感器裝置用作 輸入裝置的靈活性。因此，需要接近傳感器裝置的改進(jìn)，以及具體來說是接近傳感器裝置確 定和響應(yīng)外加力的指示的能力的改進(jìn)。
[0006] 通過結(jié)合附圖和上述技術(shù)領(lǐng)域及背景的以下詳細(xì)描述和所附權(quán)利要求書，其他期 望特征和特性將變得顯而易見。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 提供促進(jìn)改進(jìn)的輸入裝置性能的裝置和方法。輸入裝置利用設(shè)置在第一襯底上的 至少一個(gè)傳感器電極來感測(cè)裝置的感測(cè)區(qū)中的輸入物體。第一襯底在物理上耦合到第二襯 底，并且配置成響應(yīng)施加到輸入表面的力而平移。多個(gè)力傳感器電極設(shè)置在第一襯底上，使 得它們重疊第二襯底的導(dǎo)電部分，并且與導(dǎo)電部分形成可變電容。引起第一襯底相對(duì)于第 二襯底平移的、施加到輸入表面的力改變多個(gè)力傳感器電極與第二襯底的導(dǎo)電部分之間的 距離（和/或在之間的重疊面積）。多個(gè)力傳感器的每個(gè)力傳感器可配置成測(cè)量第一襯底 相對(duì)于第二襯底的法向和/或平面平移。
[0008] 按照本發(fā)明的輸入裝置呈現(xiàn)確定施加到傳感器表面的力的切向、法向和/或旋轉(zhuǎn) 分量的改進(jìn)能力。施加到輸入表面的力的種類的測(cè)量可用來為用戶提供增加的輸入功能 性。
【附圖說明】
[0009] 下面將結(jié)合附圖來描述本發(fā)明的優(yōu)選示范實(shí)施例，其中，相似的標(biāo)號(hào)表示相似的 元件，以及附圖包括：
[0010] 圖1是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例、包括輸入裝置的示范系統(tǒng)的框圖；
[0011] 圖2示出按照本發(fā)明的一實(shí)施例的輸入裝置的頂視圖和剖面圖；
[0012] 圖3示出按照本發(fā)明的一實(shí)施例的輸入裝置的頂視圖和剖面圖；
[0013] 圖4A和圖4B示出按照本發(fā)明的一實(shí)施例的輸入裝置的相應(yīng)頂視圖；
[0014] 圖5A-圖示出按照本發(fā)明的一實(shí)施例的輸入裝置的相應(yīng)頂視圖；
[0015] 圖6A-6F示出按照本發(fā)明的一實(shí)施例、配置成檢測(cè)第一襯底相對(duì)于第二襯底的偏 轉(zhuǎn)的力傳感器的各種備選實(shí)施例；以及
[0016] 圖7示出按照本發(fā)明的一實(shí)施例的第二襯底以及第二襯底上的導(dǎo)電部分的布置 的多個(gè)實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 以下詳細(xì)描述實(shí)際上只是示范性的，而不是要限制本發(fā)明或者本發(fā)明的應(yīng)用和使 用。此外，并不是意在通過前面的技術(shù)領(lǐng)域、背景、概述或者以下詳細(xì)描述中提供的任何明 確表達(dá)或暗示的理論進(jìn)行限制。
[0018] 本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例提供促進(jìn)改進(jìn)可用性的輸入裝置和方法。
[0019] 現(xiàn)在來看附圖，圖1是按照本發(fā)明的實(shí)施例、將接近傳感器與多個(gè)力傳感器相組 合的示范輸入裝置100的框圖。輸入裝置100使用接近傳感器以及力傳感器來提供電子系 統(tǒng)的接口。如本文檔所使用的術(shù)語(yǔ)"電子系統(tǒng)"或（或"電子裝置"）廣義地表示能夠電子 地處理信息的任何系統(tǒng)。電子系統(tǒng)的一些非限制性示例包括所有尺寸和形狀的個(gè)人計(jì)算 機(jī)，例如臺(tái)式計(jì)算機(jī)、膝上型計(jì)算機(jī)、上網(wǎng)本計(jì)算機(jī)、平板、Web瀏覽器、電子書閱讀器和個(gè)人 數(shù)字助理（PDA)。附加示例電子系統(tǒng)包括合成輸入裝置，例如包括輸入裝置100和獨(dú)立操縱 桿或按鍵開關(guān)的物理鍵盤。其他示例電子系統(tǒng)包括諸如數(shù)據(jù)輸入裝置（包括遙控和鼠標(biāo)） 和數(shù)據(jù)輸出裝置（包括顯示屏幕和打印機(jī)）之類的外圍設(shè)備。其他示例包括遠(yuǎn)程終端、信 息亭和視頻游戲機(jī)（例如視頻游戲控制臺(tái)、便攜游戲裝置等）。其他示例包括通信裝置（包 括蜂窩電話、例如智能電話）和媒體裝置（包括記錄器、編輯器和播放器、例如電視機(jī)、機(jī)頂 盒、音樂播放器、數(shù)碼相框和數(shù)碼相機(jī)）。另外，電子系統(tǒng)可是輸入裝置的主機(jī)或從機(jī)。
[0020] 輸入裝置100能夠?qū)崿F(xiàn)為電子系統(tǒng)的物理部分，或者能夠與電子系統(tǒng)在物理上分 隔。適當(dāng)?shù)兀斎胙b置100可使用下列的任一個(gè)或多個(gè)與電子系統(tǒng)的部分進(jìn)行通信：總線、 網(wǎng)絡(luò)和其他有線或無線互連。示例包括I 2c、SPI、PS/2、通用串行總線（USB)、藍(lán)牙、RF和 IRDAo
[0021] 圖1中，輸入裝置100示為接近傳感器裝置（又常常稱作"觸摸板"或"觸摸傳感 器裝置"），其配置成感測(cè)由一個(gè)或多個(gè)輸入物體140在感測(cè)區(qū)120中提供的輸入。示例輸 入物體包括手指和觸控筆，如圖1所示。輸入裝置100具有處理系統(tǒng)110、具有輸入表面118 的感測(cè)區(qū)120以及靠近感測(cè)區(qū)所實(shí)現(xiàn)的四個(gè)力傳感器150。如下面將更詳細(xì)描述，力傳感器 150的每個(gè)可采用以下所述的力傳感器的各個(gè)實(shí)施例的任一個(gè)來實(shí)現(xiàn)。此外，應(yīng)當(dāng)注意，雖 然力傳感器150示為處于輸入表面118外部，但是在其他實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)力傳感器可 設(shè)置在輸入表面118的周邊之內(nèi)。同樣，應(yīng)當(dāng)注意，雖然圖1示出設(shè)置在輸入表面118附近 的四個(gè)力傳感器150,但是在以下所述的其他實(shí)施例中，更多或更少的力傳感器可被提供， 并且可設(shè)置在相對(duì)輸入表面118的各種布置上。圖1中未示出的是感測(cè)電極陣列，其適合 電容地感測(cè)在感測(cè)區(qū)120中的物體。
[0022] 輸入裝置100適合通過響應(yīng)所感測(cè)輸入物體以及這類物體所施加的力而促進(jìn)數(shù) 據(jù)輸入，來提供用戶界面功能性。具體來說，處理系統(tǒng)Iio配置成確定與感測(cè)區(qū)120進(jìn)行交 互的物體的位置信息。然后，這個(gè)位置信息能夠由電子系統(tǒng)用來提供大范圍的用戶界面功 能性。
[0023] 此外，處理系統(tǒng)110配置成從力傳感器150所確定的力的量度來確定輸入物體的 力信息。然后，這個(gè)力信息也能夠由電子系統(tǒng)用來提供大范圍的用戶界面功能性。例如，通 過響應(yīng)輸入物體在感測(cè)區(qū)中的外加力的不同等級(jí)/方向而提供不同的用戶界面功能。
[0024] 感測(cè)區(qū)120包含輸入裝置100之上、周圍、之中和/或附近的任何空間，在其中輸 入裝置100能夠檢測(cè)用戶輸入（例如由一個(gè)或多個(gè)輸入物體140所提供的用戶輸入）。特 定感測(cè)區(qū)的尺寸、形狀和位置可依據(jù)各個(gè)實(shí)施例極大地改變。在一些實(shí)施例中，感測(cè)區(qū)120 沿一個(gè)或多個(gè)方向從輸入裝置100的表面延伸到空間中，直到信噪比阻止充分準(zhǔn)確的物體 檢測(cè)。在各個(gè)實(shí)施例中，這個(gè)感測(cè)區(qū)120沿特定方向所延伸的距離可以是大約小于一毫米、 數(shù)毫米、數(shù)厘米或者以上，并且可隨所使用的感測(cè)技術(shù)的類型和期望的精度而極大地改變。 因此，一些實(shí)施例感測(cè)包括沒有與輸入裝置100的任何表面相接觸、與輸入裝置100的輸入 表面（例如觸摸表面）相接觸、與耦合某個(gè)量的外加力或壓力的輸入裝置100的輸入表面 相接觸和/或它們的組合的輸入。在各個(gè)實(shí)施例中，可由傳感器電極所在的殼體的表面、由 施加在傳感器電極或者任何殼體之上的面板等，來提供輸入表面。在一些實(shí)施例中，感測(cè)區(qū) 120在投射到輸入裝置100的輸入表面上時(shí)具有矩形形狀。
[0025] 輸入裝置100可利用傳感器組件和感測(cè)技術(shù)的任何組合來檢測(cè)感測(cè)區(qū)120中的用 戶輸入。輸入裝置100包括用于檢測(cè)用戶輸入的一個(gè)或多個(gè)感測(cè)元件。作為若干非限制性 不例，輸入裝置100可使用電容、倒介電、電阻、電感、磁、聲、超聲和/或光學(xué)技術(shù)。一些實(shí) 現(xiàn)配置成提供跨越一維、二維、三維或更高維的空間的圖像。一些實(shí)現(xiàn)配置成提供沿特定軸 或平面的輸入的投影。
[0026] 在輸入裝置100的一些電阻實(shí)現(xiàn)中，柔性和導(dǎo)電第一層通過一個(gè)或多個(gè)隔離元件 與導(dǎo)電第二層分隔。在操作期間，跨層創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)電壓梯度。按壓柔性第一層可使它 充分偏斜，以在層之間創(chuàng)建電接觸，從而產(chǎn)生反映層之間的（一個(gè)或多個(gè)）接觸點(diǎn)的電壓輸 出。這些電壓輸出可用來確定位置信息。
[0027] 在輸入裝置100的一些電感實(shí)現(xiàn)中，一個(gè)或多個(gè)感測(cè)元件拾取由諧振線圈或線圈 對(duì)所感應(yīng)的回路電流。電流的幅值、相位和頻率的某個(gè)組合則可用來確定位置信息。
[0028] 在輸入裝置100的一些電容實(shí)現(xiàn)中，施加電壓或電流以創(chuàng)建電場(chǎng)。附近的輸入物 體引起電場(chǎng)的變化，并且產(chǎn)生電容耦合的可檢測(cè)變化，其可作為電壓、電流等的變化來檢 測(cè)。
[0029] -些電容實(shí)現(xiàn)利用電容感測(cè)元件的陣列或者其他規(guī)則或不規(guī)則圖案來創(chuàng)建電場(chǎng)。 在一些電容實(shí)現(xiàn)中，獨(dú)立感測(cè)元件可歐姆地短接在一起，以便形成較大傳感器電極。一些電 容實(shí)現(xiàn)利用電阻片，其可以是電阻均勻的。
[0030] 一些電容實(shí)現(xiàn)利用基于傳感器電極與輸入物體之間的電容耦合的變化的"自電 容"或（或"絕對(duì)電容"）感測(cè)方法。在各個(gè)實(shí)施例中，傳感器電極附近的輸入物體改變傳 感器電極附近的電場(chǎng)，因而改變所測(cè)量電容耦合。在一個(gè)實(shí)現(xiàn)中，絕對(duì)電容感測(cè)方法通過相 對(duì)參考電壓（例如系統(tǒng)地）來調(diào)制傳感器電極以及通過檢測(cè)傳感器電極與輸入物體之間的 電容耦合進(jìn)行操作。
[0031] -些電容實(shí)現(xiàn)利用基于傳感器電極之間的電容耦合的變化的"互電容"（或"跨電 容"）感測(cè)方法。在各個(gè)實(shí)施例中，傳感器電極附近的輸入物體改變傳感器電極之間的電場(chǎng)， 因而改變所測(cè)量電容耦合。在一個(gè)實(shí)現(xiàn)中，跨電容感測(cè)方法通過下列步驟進(jìn)行操作：檢測(cè)一 個(gè)或多個(gè)發(fā)射器傳感器電極（又稱作"發(fā)射器電極"或"發(fā)射器"）與一個(gè)或多個(gè)接收器傳 感器電極（又稱作"接收器電極"或"接收器"）之間的電容耦合。發(fā)射器傳感器電極可相 對(duì)于參考電壓（例如系統(tǒng)地）來調(diào)制，以傳送發(fā)射器信號(hào)。接收器傳感器電極可相對(duì)于參 考電壓基本上保持為恒定，以促進(jìn)所產(chǎn)生信號(hào)的接收。所產(chǎn)生信號(hào)可包括與一個(gè)或多個(gè)發(fā) 射器信號(hào)和/或與一個(gè)或多個(gè)環(huán)境干擾源（例如其他電磁信號(hào)）對(duì)應(yīng)的（一個(gè)或多個(gè)）影 響。傳感器電極可以是專用發(fā)射器或接收器，或者可配置成既傳送又接收。
[0032] 圖1中，處理系統(tǒng)110示為輸入裝置100的一部分。處理系統(tǒng)110配置成操作輸 入裝置100的硬件，以檢測(cè)感測(cè)區(qū)120中的輸入。處理系統(tǒng)110包括一個(gè)或多個(gè)集成電路 (IC)的部分或全部和/或其他電路組件。例如，互電容傳感器裝置的處理系統(tǒng)可包括：發(fā) 射