CN102105852A - 用于电子装置的单侧电容式力传感器 - Google Patents

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Abstract

电容式力传感器(100)包括：基板(101)，其上布置有限定电容的至少一个电极对(102，103)。基板(101)相对于第一板(106)固定。驱动电路(104)被配置为向电极对(102，103)施加相对于电路接地(105)的电压。通过顺应性部件(108，109)将第一板(106)与耦合到电路接地(105)的第二板(107)分离。顺应性部件(108，109)被配置为在允许第一板(106)相对第二板(107)物理移动的同时，对抗压缩力(110)。然后，电容性检测电路(111)被配置为当压缩顺应性部件(108，109)时检测电容的改变。然后，根据电容的改变和顺应性部件(108，109)的弹簧常数来确定压缩力(110)。

Description

用于电子装置的单侧电容式力传感器
技术领域
本发明大体上涉及一种电容式传感器，更具体地，涉及一种采用布置在基板上的电容器对来确定接触力的大小的电容式力传感器。
背景技术
包括移动电话和个人数字助理(PDA)的便携式电子装置随着与这些装置相关的技术持续地进步而变得越来越复杂。例如，直到最近，移动电话的用户接口还包括十二个至十五个机械按钮。然而，今天，许多便携式装置已包括全QWERTY键盘。此外，一些便携式电子装置采用根本没有机械键的触摸感应屏。用户仅用触摸塑料或玻璃表面，而不是按下机械按钮。然后，诸如电容式触摸传感器的触摸感应电路确定用户手指或手写笔(stylus)的位置。然后，处理器将手指或手写笔的位置与虚拟键盘相关联，以确定键击。例如，在共同转让的于2007年2月27日提交的名为“Adaptable User Interface and Mechanism for a Portable Electronic Device”的共同未决美国专利申请No.11/679,228中描述了这种电容式传感器，通过引用将其合并于此。
尽管电容式触摸传感器可用于确定类似手指和手写笔的对象的几何位置，但是他们不能提供所施加的接触力的指示。在许多装置中，必须使用力感应电阻器或开关来检测接触力。然而，当用户接口仅包括固定的玻璃或塑料片时，力感应电阻器展现出一些不太理想的特性。例如，力感应电阻器通常具有取决于材料和制造公差的非线性响应。另外，力感应电阻器较为昂贵，从而增加了整个电子装置的成本。
因此，需要一种能够检测和确定接触力的改进的低成本触摸感应接口。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的电容式力传感器的一个示例。
图2示出根据本发明的实施例的适合于沉积在基板上的电容电极图案的一个示例。
图3和图4分别示出在休息时和处于按压下的根据本发明的电感式力传感器的一个实施例以及与之相关的电场线。
图5示出根据本发明的实施例的适合与电子装置一起使用的触摸感应用户接口的一个示例。
图6示出根据本发明的实施例的具有触摸感应用户接口的一个电子装置的分解图。
图7和图8示出根据本发明的实施例的使用电容式力传感器来确定碰撞接触力的一种方法。
技术人员将理解，为了简明和清楚示出附图中的元件，未必将其按比例绘制。例如，可以相对于其他元件放大附图中一些元件的尺寸，以帮助理解本发明的实施例。
具体实施方式
在详细描述根据本发明的实施例之前，应该注意到，实施例主要在于与电容性地检测接触力相关的方法步骤和装置构件的组合。因此，在附图中已经通过传统符号适当表示了装置构件和方法步骤，附图仅示出那些与用于理解本发明的实施例相关的特定细节，从而不会使对于从在此的描述中获益的本领域的普通技术人员而言显而易见的细节的模糊了本公开。
将理解，在此描述的本发明的实施例可以包括一个或多个传统处理器以及独特的存储程序指令，其控制所述一个或多个处理器以与某些非处理器电路协作来实现在此描述的电容性力检测的实施例的部分、大部分或全部功能。可选地，可以通过没有存储程序指令的状态机或者在一个或多个特定用途集成电路(ASIC)中实现部分或全部功能，其中，各个功能或某些功能的一些组合被实现为定制逻辑。当然，可以使用两种方法的组合。此外，尽管可能由例如可用时间、当前技术和经济因素激励了大量努力和许多设计选择，但是可以预期的是，本领域的技术人员在于此公开的概念和原理的指导下，将能够容易地以最少实验产生这种软件指令和程序以及ASIC。
现将详细描述本发明的实施例。参照附图，在所有视图中，相同的标号指示相同的部件。如在此描述和整个权利要求中使用的，除非上下文另有明确规定，下面的术语采用在此与之明确相关的含义：不定冠词“a”、“an”以及定冠词“the”的含义包括复数指代，“在……中”的含义包括“在……中”和“在……上”。诸如第一和第二、顶部和底部等的关系术语可以仅用于将一个实体或行为与另一实体或行为相区分，而不一定要求或暗示在这些实体或行为之间的任何实际关系或顺序。另外，在此，在括号中所示的参考指示符指示除所讨论的那个附图之外的附图中所示的构件。例如，在讨论附图A时谈到装置(10)将指示在除图A之外的附图中示出的元件10。
本发明的实施例提供一种如下的系统，其用于电容性地检测在触摸感应用户接口上施加的接触力，所述触摸感应用户接口例如便携式电子装置的触摸感应用户接口。系统的一个实施例包括：顺应性(compliance)部件，诸如弹簧或泡棉垫片，以及用于检测电容改变的系统。顺应性部件在一组或多组电极与参考地平面之间建立间隙。顺应性部件还建立施加力与间隙高度之间的关系。
在一个实施例中，电容式感应电路包括至少两个电极。为了讨论简单，这些电极在此将被称为“X”电极和“Y”电极。在一个实施例中，X电极和Y电极布置在同一平面内。例如，它们可以布置在基板上。适合的基板包括：柔性(flexible)基板，诸如，聚合物封装的铜；或刚性基板，诸如，FR4型玻璃纤维。通过将X电极和Y电极均布置在一个基板上(注意的是，它们可以被布置在基板的各个层上)，X电极和Y电极被布置在电极与参考地平面之间存在的空气间隙的单侧上。
当驱动电路激励电极中的一个例如X电极时，在X电极与Y电极之间建立电场。此电场限定了可以利用电容式感应电路进行测量的“X电极到Y电极”电容。电容式感应电路是本领域已知的。电容式感应电路的一个示例是电荷转移电容式感应电路，尽管对于从本公开获益的本领域的技术人员而言显而易见还可以使用其他等效的电容式感应电路。
在一个实施例中，顺应性部件在X-Y电极对与参考地平面之间建立间隙。参考地平面可以仅是连接到电路接地或共用节点的材料的导电部分。当驱动X电极时，不仅在X电极与Y电极之间建立电场，而且在X电极与参考地平面之间以及在Y电极与参考地平面之间建立电场。当压缩顺应性部件时，可能由于在用户接口上发生的(incident)接触力而导致X电极与Y电极之间的间隙减小。结果是，X电极与地之间以及Y电极与地之间的耦合增加，从而减少可测量的X-Y电容。因此，顺应性部件建立接触力与位移之间的关系。然后，电容性检测电路可以感应位移的改变。通过测量X电极与Y电极之间的电容改变，系统可以确定位移的改变，且因此确定施加到输入面的力。
现转到图1，图1示出根据本发明的电容式力传感器100的一个实施例。电容式力传感器100包括：基板101，具有布置在其上的至少一个电极对102、103。在一个实施例中，电极对102、103包括多个电极对。电极对102、103的数量和放置将取决于应用。可以按照阵列配置来放置多个电极对。另外，可以根据策略来沿基板放置多个电极对，所述策略例如在图标或用户促动目标之下。
如上所述，基板101可以是柔性基板或刚性基板。例如，在一个实施例中，基板101是印刷布线板，诸如FR4电路板或聚合物封装的柔性基板。在此实施例中，电极对102、103可以被布置在基板101上，或可以通过传统印刷布线板制造技术来蚀刻。注意到，电极对102、103的电极可以被布置在多层基板的不同层上。
在此配置中，沿在板107与电极对102、103之间存在的空气间隙114的同一侧布置电极对102、103。该种“一侧”电容性感应排列提供了若干优点。第一，由于基于基板的电极制造成本低，因此非常符合成本效益。当蚀刻印刷布线板的导电线路时，仅涉及改变掩模以在需要时添加电极。不需要构建具有相对彼此移动且必须在制造时进行调谐的大金属电容器板的复杂电气结构。导电线路还可以利用通常为电子构件所固有的地平面。
第二，当电极102、103均布置在基板101的单侧上时，由于在制造电极本身时可以制造来自驱动电路的线路，因此简化了到各个电极的电连接。注意到，在许多应用中，其中，电极对的阵列与电容式力传感器100一起使用，多层基板的益处在于，一层可以用于电极，而其他层可以在电极与电路构件之间路由导电线路。
第三，基板堆中的导电平面可以用作屏蔽件，以防止外部对象干扰电容性测量。
暂且转到图2，图2示出适合与本发明的实施例一起使用的电极图案200的一个示例性实施例。电极图案200包括X电极102和Y电极103。在图2的说明性实施例中，按照多指交错配置，X电极102和Y电极103被布置在基板的同一侧上的同一平面内。注意到，这只是适合与本发明一起使用的一种电极图案200。其他图案对于从本公开的获益的本领域的技术人员而言将是显而易见的。例如，X电极102可以被放置在基板的一层上，而Y电极103被放置在另一层上。
现在转回图1，基板101连接到第一板106。各种材料可以用于制造第一板106，包括玻璃、塑料、金属、玻璃纤维或其他材料。第一板106可以包括屏蔽件，诸如导电金属层，其被配置为屏蔽电极对102、103，以使其不与处于第一板106附近的对象发生电容性耦合。(对于电容式传感器，诸如用户手指的对象可以像地平面一样操作。这样，电子装置中电容式力传感器100的一个适合位置是在诸如液晶显示器的显示器之下，在其中，屏蔽该电容式力传感器100免受用户手指的影响。虽然液晶显示器是一种适合用于屏蔽电容式力传感器100的显示器，但对于从本公开获益的本领域的普通技术人员而言显而易见的是，还可以使用其他显示器，包括有机发光二极管显示器。除了使用显示器用于屏蔽之外，另一选择是使用第一板106中的屏蔽。)例如，第一板106可以包括诸如金属的电屏蔽件。在使用金属的情况下，金属可以连接到电路接地105，或者耦合到驱动电路104的信号轨。
注意到，在期望屏蔽件的情况下，基板101还可以被配置为屏蔽电极对102、103，以使其不与处于第一板106附近的对象发生电容性耦合。例如，基板101与电极对102、103相对的一侧上可以具有均匀间隔和均匀设置的电极网格113，所述电极网格113例如环形或方形导电材料的行和列，并且其正好与电极对102、103相对。然后，此网格可以耦合到驱动电极102，即，X电极，从而当X电极被驱动时被驱动电路104驱动，或者被耦合到另一电极103。这种配置起到增加X电极与Y电极之间的初始电容性耦合的效果，从而增加传感器的敏感度。
基板101与第一板106之间的机械连接使得电极对102、103在物理上相对于第一板106被固定。例如，基板101可以机械地连接到第一板106，以使第一板106与电极对102、103之间的距离在力施加到电容式力传感器100上时保持不变。第一板106与基板101之间的适当耦合包括粘合剂和胶水。
驱动电路104被配置为向电极对102、103中的一个施加具有相对于电路接地105而测量的幅度的电压。在一个实施例中，沿基板101布置驱动电路104。在其他实施例中，驱动电路104可以被布置在其他位置，并利用延伸跨基板101的电引线对电极对102、103和驱动电路104进行耦联。例如，驱动电路104可以被配置为向X电极102提供特征性的、基于频率的信号。示例性信号包括AC波、方波、阶跃函数、或随时间改变的其他适合信号。
图1所示的顺应性部件，如顺应性部件108、109，被布置在第一板106和第二板107之间。在一个实施例中，第二板107包括导电材料，诸如铜或镍，其被耦合到电路接地105。如下所述，此接地连接可以用于改变与电极对102、103相关的电场线的形状。当第一板106和第二板107一起移动时，第二板107本质上改变了电极对102、103之间建立的电场线的形状。这种电场线112的形状的改变被测量作为电极对102、103的电容的改变。
顺应性部件108、109被配置为在允许第一板106响应于压缩力110而相对于第二板107物理上移动的同时，将第一板106和第二板107机械地分离。注意到，虽然如图1所示压缩力110施加到第一板106，但是电容式力传感器100可以被反转，使得压缩力110施加到第二板107。
在一个实施例中，顺应性部件108、109包括可压缩衬垫，诸如由类似泡沫橡胶的弹性体制成的衬垫。然而，对于从本公开获益的本领域的普通技术人员而言明显的是，本发明不限于此。可以单独采用其他的弹簧类型装置，或者可以采用弹性类型装置的组合，作为顺应性部件108、109。此外，可以定制用作顺应性部件108、109的材料和装置，以增强两个板106、107相对彼此的运动。例如，可压缩衬垫可以与片簧或弹簧垫圈组合，以提供如下的非各向同性响应，在其中，在板106、107一起移动的动态特性与板106、107分开移动时的动态特性不同。设计者可能期望其中的一个比另一个快。可替代地，设计者可以期望非线性响应。例如，设计者可能期望板106、107最初快速移动，随后较慢地移动。例如，可以使用泡沫、金属、橡胶等材料的组合来提供这种响应。
然后，电容性检测电路111连接到电极对102、103。电容性检测电路111被配置为响应于驱动电路104的信号施加来检测电极对102、103的电容的测量或指示。这样，电容性检测电路111可以检测当压缩顺应性部件108、109时电容的改变。因为在电极对102、103的各个电极与地之间的耦合幅度随着在电极对102、103与接地的第二板107之间的距离变化，所以电容发生改变。这样，电容与第一板106的位移之间存在关系。通过确定板106、107的休息位置与板106、107的压缩位置之间的电容改变，电容性检测电路111可以确定电容的改变。在已知顺应性部件108、109的弹簧常数的情况下，可以将该电容的改变转换为位移值。
现转到图3和图4，可以更容易看出所述位移的确定。图3示出处于休息的根据本发明的实施例的电容式力传感器100的一个实施例，而图4示出由于压缩力110被施加到第一板106而导致处于压缩状态的电容式力传感器100。在图3和图4所述的实施例中，第一板106包括导电材料层306，其连接到电路接地。(注意到，第一板106同样可以耦合到信号线，诸如，耦合到X电极)。第二板107包括金属板，诸如钢板，其被耦合到电路接地105。
在图3和图4中，通过场线示出当驱动电路(104)将信号施加到电极对102、103中的一个时所建立的电场。在图3中，场线301、302、303、304、305表示休息场。当板106、107间隔休息距离320时，这些线301、302、303、304、305在电极对102、103之间耦合。
转到图4，当压缩板106、107时，在电极102、103与第二板107之间的距离420减小。由于第二板107耦合到电路接地105，因此板107截断(short)一些场线。其结果是，电场的形状改变——这通过以耦合在电极102、103之间的较少的电场线来表示出来。在图4中，场线401、402表示此场。压缩力110的施加使顺应性部件108、109变形，导致电极102、103相对于钢板107的位移(由距离320与距离420之间的差所示)。然后，由电容性检测电路(111)将此位移感应为电极对102、103之间的电容的减少。处理电路能够使用顺应性部件108、109的弹簧常数进行简单的电容到位移的计算。
当需要测量接触力和接触位置两者时，电容式触摸传感器可以与所述电容式触摸传感器结合。现转到图5，图5示出这种实施例。尽管在此电容式触摸传感器作为一个适合的“触摸位置”确定装置来使用，但是对于从本公开获益的本领域的普通技术人员而言显而易见的是，本发明不限于此。还可以使用其他触摸传感器，包括，但不限于光学传感器、表面声波传感器或电阻触摸屏。
在图5，可以看见图1的电容式力传感器100。电容式力传感器100位于诸如移动电话或PDA的便携式电子装置的壳体501内。电容式触摸传感器502被布置在第一板106之上和用作电子装置的主面的面板部件(fascia member)503之下。在一个实施例中，面板部件503可以被配置为相对于壳体501轻微移动，以适应电容式力传感器100的活动。在此实施例中，密封件、耦合件或衬垫可以用于将面板部件503密封到壳体501。可以为电容式触摸传感器的触摸传感器502被配置为用于检测对象沿装置的接近位置。
面板部件503是电子装置的罩或壳体，其可以是可拆卸或是不可拆卸的。在电子装置包括触摸感应输入的情况下，面板部件503被配置为接收用户的手指或手写笔的“触摸”。在一个示例性实施例中，面板部件503是薄的刚性材料，诸如钢化玻璃或塑料。在其他实施例中，可以使用薄柔性材料，诸如透明或半透明的塑料薄膜。为了提供装饰、文字、图形和其他可视指示符，可以在面板部件503的后部面上布置选择性的印刷。也可能由于各种原因期望在前部面上进行印刷。例如，可能期望精细的纹理印刷或覆盖印刷，以在电子装置的顶上提供半透明的粗糙覆层(matte finish)。此覆层用于防止装饰被尖物或指纹弄坏。面板部件503还可以包括紫外线屏障或其他过滤器。
在电容式触摸传感器用作触摸传感器502的情况下，在一个实施例中，通过在基板上沉积小电容板电极来构建电容式触摸传感器，该电容式触摸传感器被配置为用于检测对象沿第一板106(或在电容式力传感器100反转的情况下沿着第二板107)的接近位置。例如，铟锡氧化物电极可以被印刷在基板上。当用户的手指或手写笔接近面板部件503时，装置中的控制电路检测触摸传感器502上的特定面板组合的电容的改变。例如，触摸传感器502可以在一般模式下用于检测对象相对于面板部件503的一般的接近位置，尽管电容式力传感器100也可以提供此功能。更经常地，触摸传感器502将在特定模式下使用，其中，特定电容器板对可用于检测对象沿面板部件503的长度和宽度的位置。
注意到，触摸传感器502和电容式力传感器100可以集成为单个构件。通过使用多层基板，诸如多层印刷布线板，各种电容传感器和屏蔽件可以结合到单个基板上。例如，用于测量力的电容式力传感器100的至少一个电极对(102，103)可以沿这种印刷布线板的下侧进行布置。当需要时，屏蔽件可以被并入作为印刷布线板的内层。然后，用作触摸传感器502的电容式传感器可以被放置在印刷布线板的顶上。
现转到图6，图6示出根据本发明的实施例的诸如移动电话、个人数字助理或便携式计算机的电子装置600的分解图，所述电子装置600具有至少一个电容式力传感器100，用于确定接触力。为了讨论的目的，图6的电子装置600将被描述为具有触摸感应接口。这种装置是在此描述的电容式触摸传感器的适合应用。然而，对于从本公开获益的本领域的技术人员而言显而易见的是，电容式力传感器100不仅可以使用在该种应用上。其他用户接口，包括具有键盘或其他控制器的那些用户接口也可以从本发明的实施例获益。
从电子装置600的顶部开始，面板部件601被配置为接收来自用户的触摸输入。面板部件601至少跨越电子装置的一部分。在一个实施例中，面板部件将跨越电子装置600的主面，或主面的一部分。可以使用钢化玻璃、塑料或其他适合材料制造面板部件601。在一个实施例中，面板部件601是刚性面板部件，并且包括导电材料，诸如铟锡氧化物材料，其耦合到电子装置600内的接地节点，以用于屏蔽。
接下来，电子装置600包括可选的电容式触摸传感器层602。当期望不仅确定从用户接收的接触力，而且还确定用户接触的位置时，可以包括电容式触摸传感器层602。电容式触摸传感器层602布置在面板部件601的至少一部分之下，诸如在用户接口区域之下。电容式触摸传感器层602被配置为检测与用户手指或手写笔相对应的沿电子装置600的位置。
在许多实施例中，电子装置600将包括高分辨率显示器606，用于向用户呈现信息。此外，可以可选地使用低分辨率显示器607，用于向用户呈现虚拟键盘和其他用户接口信息，如上述引用的共同转让的未决申请‘228中所述。在一个实施例中，由于显示器可以用于如上所述的屏蔽目的，因此基板101的至少一部分可以放置在显示器之下(在显示器606之下，或者显示器607之下，或者在这两者之下)。
接下来，可以看见电容式力传感器100。在一个实施例中，电容式力传感器包括基板101，其被放置在面板部件601之下。基板101可以耦合到第一板106。可选地，上部构件可以用作第一板106，从而不需要附加构件。
图6所示的基板101相对于面板部件601被固定，从而在用户促动用户接口时，面板部件601与基板101之间的间隔保持固定。基板101包括布置在其上的至少一个电极对。在图6示出的实施例中，所述至少一个电极对包括在基板101的底部上按照阵列配置布置的多个电极对。在一个实施例中，阵列包括多个电极对传感器。可以按照多种方式来排列多个传感器，其包括按照列和行的方式，随机的方式，或根据用户可能促动的用户接口的部位的方式。
在一个实施例中，基板101是柔性基板。在一个实施例中，按照交错的图案，如图2所示，一个电极与另一个电极交错地，沿柔性基板布置电极对。
然后，在基板101之下布置导电板107，导电板107耦合到电子装置600的接地节点。顺应性部件108、109将基板101与导电板107分开，并且在其之间提供空气间隙。在一个实施例中，顺应性部件108、109包括可压缩材料和金属弹簧的组合。例如，可压缩泡沫和片簧组合适合于顺应性部件108、109。明显的是，除了此组合之外，可以使用单个顺应性部件。
可以看见电子电路603。电子电路603包括电容式感应电路604。可以通过微处理器、可编程逻辑或其他控制电路来实现的电容式感应电路604被电耦合到电极对，并从电极对接收输入。可以执行相关存储器中存储的嵌入式固件的电容式感应电路604被配置为当顺应性部件107被压缩时确定电极对的电容性耦合。然后，将此“压缩后”的电容与“放松状态”的电容进行比较，以确定施加到如上所述面板部件601上的力的量。
在一个实施例中，包括也可以是微处理器、可编程逻辑或其他控制器的处理电路605，且处理电路605能够与电容式感应电路604一起操作。处理电路605被配置有可执行代码来确定接触力，该接触力取决于顺应性部件108、109的压缩量。相关存储器(未示出)中存储的可执行固件可以用于对处理电路605进行编程，以作出力确定。例如，作为在电容式力传感器100处于休息状态时的电容量度的参考电容可以被存储在存储器中。当压缩顺应性部件108、109时，电容式感应电路604使用电荷转移感应技术或其他适合的电容感应方式来确定压缩电容。然后，压缩电容被转发到处理电路605。
然后，处理电路605基于压缩电容与参考电容之间的改变来确定接触力的幅度。这可以通过如下步骤来实现：从存储器获得与顺应性部件108、109相关联的弹簧因子(例如，弹簧常数)，然后确定顺应性部件108、109的压缩量，通过采用压缩量和弹簧因子来确定接触力的幅度。也可以进行其他计算。例如，可以将寿命补偿因子应用于弹簧因子，以补偿随时间的弹性损失。
为此，处理电路605或电容式感应电路604可以被配置为当接触力超过预定阈值时，提供装置促动信号。例如，为了消除不慎触摸操作，处理电路605可以被配置为确定接触力是否超过诸如0.10lbs的预定阈值。当这样配置时，除非接触超过此力，否则处理电路605不向电子装置600的中央控制器或处理器提供促动信号。
现转到图7，图7示出根据本发明的实施例的用于确定施加到诸如电子装置的表面的表面的接触力的方法700。所述方法适合于编码为在电子装置内的处理器上可执行的固件或软件。上面已经描述了许多步骤，因此在此将简要阐述。
在步骤701，提供一种包括通过顺应性部件分开的刚性表面和导电接地板的触摸感应设备。还提供了基板。与表面保持固定关系的所述基板包括至少一个电极对。在一个实施例中，可以按照交错几何布局而配置的所述至少一个电极对被布置在通过基板和导电接地板限定的空气间隙的一侧上的单个基板上。注意到，所述至少一个电极对可以包括多个电极对，可以按照列或行的阵列配置放置各个电极对。
在步骤702，提供能够与所述至少一个电极对一起操作的电容式感应电路。如上所述，电容式感应电路被配置为用于检测与电极对相关的电容值。
在步骤704，当顺应性部件处于休息状态时，电容式感应电路获得与所述至少一个电极对相关的参考电容。可以通过当顺应性部件处于休息状态时进行测量来实时确定此参考电容。可选地，可以在制造或校准处理期间，将参考电容存储到存储器中。
在步骤704，电容式感应电路确定当接触力施加到表面从而压缩顺应性部件时的压缩电容。在步骤705，电容式感应电路基于压缩电容与参考电容之间的改变来确定接触力的幅度。
现转到图8，将更加详细地分析确定接触力的一个说明性实施例。在步骤801，电容式感应电路获得与顺应性部件相关的弹簧因子。通常，当制造电容式力传感器时，此弹簧力部件将被存储在存储器中。在步骤802，电容式感应电路如上所述基于压缩电容与参考电容之间的改变来确定顺应性部件的压缩量，通过采用压缩量和弹簧因子来确定接触力的幅度。如上所述，当确定接触力时，电容式感应电路可以将寿命补偿因子应用于弹簧因子。
现有技术的电容式力传感器采用传统的平行板电容器，其中，形成电容的两个电极位于电介质材料(空气间隙)的相对侧上。与这种现有技术传感器相比，本发明的实施例提供了多种优点。如上所述，在单基板上，可以在单基板的一层或在多层上，按照受控制的和高成本效率的方式放置本发明的实施例的电容器对。这样，在接地平面与基板之间存在的空气间隙的一侧上布置电容器对。与在空气间隙的任一侧上布置电容板相比，这种配置机械上更简单且更强健。接下来，可以按照阵列定向配置本发明的实施例的电极对，并且可以容易地且高成本效率地屏蔽这些电极对免受诸如用户手指的对象的影响。
还存在其他优点。第一，本发明的实施例可以被优化为，使用以多阵列配置的电极和弹簧的组合来在平面触摸表面诸如钢化玻璃上感应运动。接下来，可以配置顺应性部件的弹簧活动，以使其在处于压缩时与放松相比具有不同特性。交错的电极配置允许精确、容易、独立的电子校准，以提供更加统一的接触力计算。
此外，如上所述，用于确定对象的接近位置的电容式传感器可以与电容式力传感器组合。这样，触摸感应用户接口可以被设计为具有位置和力感应能力。对于简单的触摸感应键盘应用，电容式触摸传感器层和电容式力传感器的组合可以按照独特的方式一起运行。在电容式触摸传感器和电容式力传感器的输出与AND逻辑组合的情况下，可以减少由于无意中与用户接口接触而导致的不意图的误操作的概率。
在电子装置包括触摸感应用户接口诸如触摸屏的情况下，本发明的实施例在选择该装置的各种功能时，不需要不自然的“点击手势”。例如，可以通过先确定用户的手写笔或手指的接近位置来实现这种效果。然后，处理电路可以确定接触是否在有效区域内以及接触是否相应于特定用户促动目标或图标。在这种情况下，电容式力感应电路可以被配置为仅当超过预定力阈值时促动图标。
在上述说明书中，已经描述了本发明的特定实施例。然而，本领域的普通技术人员将理解，在不脱离在此阐述的权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以进行各种修改和改变。因此，尽管已经示出和描述了本发明的优选实施例，但是明显的是，本发明不限于此。在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，本领域的技术人员可以进行各种修改、改变、变形、替换和等价。因此，按照说明性而非限制性的方式理解说明书和附图，所有这些修改被认为包括在本发明的范围内。益处、优点、问题解决方案或可能引起任何益处、优点或解决方案发生或者变得更加明显的任何(一个或多个)元素不被解释为任何或全部权利要求的关键、要求或本质的特征或元素。

Claims (20)

1.一种电容式力传感器，包括：
基板，所述基板上布置有限定电容的至少一个电极对；
驱动电路，所述驱动电路被配置为向所述至少一个电极对施加相对于电路接地的电压；
第一板，所述第一板相对所述基板固定；
第二板，所述第二板电连接到所述电路接地；
顺应性部件，所述顺应性部件被布置在所述第一板与所述第二板之间，所述顺应性部件被配置为将所述第一板与所述第二板机械地分离，且在允许所述第一板响应于压缩力相对所述第二板物理地移动的同时对抗所述压缩力；以及
电容性检测电路，所述电容性检测电路被配置为当压缩所述顺应性部件时检测电容的改变，其中，所述电容取决于所述第一板与所述第二板之间的距离。
2.如权利要求1所述的电容式力传感器，其中，所述至少一个电极对包括第一电极和第二电极，其中，所述第一电极和所述第二电极均被布置在所述基板与所述第二板之间存在的空气间隙的同一侧上的单个基板上。
3.如权利要求1所述的电容式力传感器，其中，所述顺应性部件包括成型的弹性材料。
4.如权利要求1所述的电容式力传感器，其中，所述顺应性部件包括金属或塑料弹簧机械中的一种。
5.如权利要求1所述的电容式力传感器，其中，所述第一板由玻璃、塑料、金属或玻璃纤维中的一种制成。
6.如权利要求5所述的电容式力传感器，还包括：电屏蔽件，所述电屏蔽件被配置为电屏蔽所述至少一个电极对以免与处于所述第一板附近的对象电容性耦合。
7.如权利要求6所述的电容式力传感器，其中，所述第一板包括所述电屏蔽件，其中，所述电屏蔽件包括耦合到所述电路接地的导电材料，或者包括电气驱动电路耦合层。
8.如权利要求1所述的电容式力传感器，还包括：电容式触摸传感器，所述电容式触摸传感器被配置为检测对象的接近位置。
9.如权利要求1所述的电容式力传感器，其中，所述至少一个电极对包括被布置在所述基板的第一侧上的第一电极和第二电极，还包括在所述至少一个电极对之上沿所述基板的第二侧布置的电极网格，其中，所述电极网格电耦合到所述第一电极或者所述第二电极中的一个。
10.一种具有触摸感应用户接口的电子装置，所述触摸感应用户接口包括：
面板部件，所述面板部件被配置为接收触摸输入，所述面板部件跨越电子装置的面的至少一部分；
基板，所述基板被布置在所述面板部件之下，且相对于所述面板部件固定，所述基板上布置有至少一个电极对；
导电板，所述导电板被耦合到接地节点，被布置在所述电子装置内，且通过空气间隙与所述基板在物理上分离；
顺应性部件，所述顺应性部件被布置在所述面板部件与所述导电板之间；以及
电容感应电路，所述电容感应电路能够与所述至少一个电极对一起操作，被配置为当压缩所述顺应性部件时确定所述至少一个电极对的电容性耦合。
11.如权利要求10所述的电子装置，还包括处理电路，所述处理电路能够与所述电容感应电路一起操作，被配置为确定与触摸输入相关的接触力，其中，所述接触力取决于所述顺应性部件的压缩量。
12.如权利要求11所述的电子装置，其中，所述处理电路还被配置为在所述接触力超过预定接触力阈值的情况下提供装置促动信号。
13.如权利要求11所述的电子装置，其中，所述电子装置还包括显示器，所述显示器布置在所述面板部件之下，其中，所述基板被布置在所述显示器之下。
14.如权利要求11所述的电子装置，还包括触摸传感器层，所述触摸传感器层被布置在所述面板部件的至少一部分之下，所述电容式触摸传感器层被配置为检测与所述触摸输入相应的、沿所述面板部件的所述至少一部分的位置。
15.如权利要求11所述的电子装置，其中，所述至少一个电极对包括多个电极对，其中，沿所述基板以阵列方式来布置所述多个电极对的部分。
16.如权利要求11所述的电子装置，其中，所述面板部件包括具有导电材料的刚性面板部件，其中，所述导电材料连接到所述接地节点。
17.如权利要求11所述的电子装置，其中，所述基板包括柔性基板，在所述柔性基板的一侧上布置有所述至少一个电极对，其中，所述至少一个电极对包括第一电极和第二电极，其中，所述第一电极与所述第二电极交错。
18.一种确定施加到表面的接触力的方法，所述方法包括步骤：
提供触摸感应设备，所述触摸感应设备包括通过顺应性部件分离的所述表面和导电接地板，所述触摸感应设备还包括被布置在与所述表面保持固定关系的基板上的至少一个电极对；
提供电容式感应电路，所述电容式感应电路被耦合到能够与之一起操作的所述至少一个电极对；
当所述顺应性部件处于休息状态时，获得与所述至少一个电极对相关的参考电容；
当所述接触力施加到所述表面从而压缩所述顺应性部件时，通过所述电容式感应电路来确定压缩电容；以及
基于所述压缩电容与所述参考电容之间的改变来确定所述接触力的幅度。
19.如权利要求18所述的方法，其中，确定所述接触力的幅度的步骤包括步骤：
获得与所述顺应性部件相关的弹簧因子；
基于所述压缩电容与所述参考电容之间的改变来确定所述顺应性部件的压缩量；以及
使用所述压缩量和所述弹簧因子来确定所述接触力的幅度。
20.如权利要求19所述的方法，其中，确定所述接触力的幅度的步骤包括步骤：将寿命补偿因子应用于所述弹簧因子。
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