CN105009051A - 使用电容传感器的剪力检测 - Google Patents

Abstract

一种具有重叠输入表面的感测区的输入装置包括第一衬底、在物理上耦合到第一衬底的第二衬底以及设置在第一衬底上并且配置成检测感测区中的输入物体的传感器电极。第一力传感器包括设置在第一衬底上的第一电极以及与第一电极电容地耦合的第二衬底的第一导电部分。第一导电部分配置成相对于第一电极移动，使得第一力传感器的第一可变电容响应沿与触摸表面平行的第一方向施加到输入表面的力而发生变化。

Description

使用电容传感器的剪力检测

优先权信息

本申请要求2013年3月14日提交的美国非临时专利申请序号13/827138的优先权，并通过引用将其结合到本文中。

技术领域

本发明一般涉及电子装置，以及更具体来说涉及配置成检测剪力(shear force)的输入装置。

背景技术

包括接近传感器装置(通常又称作触摸板或触摸传感器装置)的输入装置广泛用于多种电子系统中。接近传感器装置通常包括常常通过表面来区分的感测区，其中接近传感器装置确定一个或多个输入物体的存在、位置和/或运动。接近传感器装置可用来提供用于电子系统的接口。例如，接近传感器装置常常用作较大计算系统的输入装置(例如笔记本或台式计算机中集成的或者作为其外设的不透明触摸板)。接近传感器装置还常常用于较小计算系统(例如蜂窝电话中集成的触摸屏)中。

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，较小系统包括：手持系统，例如个人数字助理(PDA)、遥控器；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中，例如CD、DVD、MP3、视频或其他媒体记录器或播放器。接近传感器装置能够是它与其交互的计算系统的整体部分或者外设。

当前已知的接近传感器具有例如通过提供耦合到传感器表面的一个或多个力传感器、例如应变称重传感器、压电晶体力换能器等，来检测和确定施加到传感器表面的力的能力。还已知通过测量当手指压在表面上时产生于增加接触面积的增加电容，来估计外加力。与使用这些技术来估计外加力关联的缺点包括有限精度和复杂构造。因此，这类传感器在其将这种所确定力用作确定用户输入的基础的能力有限。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。

通过结合附图和上述技术领域及背景的以下详细描述和所附权利要求书，其他期望特征和特性将变得显而易见。

发明内容

提供促进改进的输入装置性能的装置和方法。输入装置利用设置在第一衬底上的至少一个传感器电极来感测装置的感测区中的输入物体。第一衬底在物理上耦合到第二衬底，并且配置成响应施加到输入表面的力而平移。多个力传感器电极设置在第一衬底上，使得它们重叠第二衬底的导电部分，并且与导电部分形成可变电容。引起第一衬底相对于第二衬底平移的、施加到输入表面的力改变多个力传感器电极与第二衬底的导电部分之间的距离(和/或在之间的重叠面积)。多个力传感器的每个力传感器可配置成测量第一衬底相对于第二衬底的法向和/或平面平移。

按照本发明的输入装置呈现确定施加到传感器表面的力的切向、法向和/或旋转分量的改进能力。施加到输入表面的力的种类的测量可用来为用户提供增加的输入功能性。

附图说明

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：

图1是按照本发明的一个实施例、包括输入装置的示范系统的框图；

图2示出按照本发明的一实施例的输入装置的顶视图和剖面图；

图3示出按照本发明的一实施例的输入装置的顶视图和剖面图；

图4A和图4B示出按照本发明的一实施例的输入装置的相应顶视图；

图5A-图5D示出按照本发明的一实施例的输入装置的相应顶视图；

图6A-6F示出按照本发明的一实施例、配置成检测第一衬底相对于第二衬底的偏转的力传感器的各种备选实施例；以及

图7示出按照本发明的一实施例的第二衬底以及第二衬底上的导电部分的布置的多个实施例。

具体实施方式

以下详细描述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、概述或者以下详细描述中提供的任何明确表达或暗示的理论进行限制。

本发明的各个实施例提供促进改进可用性的输入装置和方

法。

现在来看附图，图1是按照本发明的实施例、将接近传感器与多个力传感器相组合的示范输入装置100的框图。输入装置100使用接近传感器以及力传感器来提供电子系统的接口。如本文档所使用的术语“电子系统”或(或“电子装置”)广义地表示能够电子地处理信息的任何系统。电子系统的一些非限制性示例包括所有尺寸和形状的个人计算机，例如台式计算机、膝上型计算机、上网本计算机、平板、Web浏览器、电子书阅读器和个人数字助理(PDA)。附加示例电子系统包括合成输入装置，例如包括输入装置100和独立操纵杆或按键开关的物理键盘。其他示例电子系统包括诸如数据输入装置(包括遥控和鼠标)和数据输出装置(包括显示屏幕和打印机)之类的外围设备。其他示例包括远程终端、信息亭和视频游戏机(例如视频游戏控制台、便携游戏装置等)。其他示例包括通信装置(包括蜂窝电话、例如智能电话)和媒体装置(包括记录器、编辑器和播放器、例如电视机、机顶盒、音乐播放器、数码相框和数码相机)。另外，电子系统可是输入装置的主机或从机。

输入装置100能够实现为电子系统的物理部分，或者能够与电子系统在物理上分隔。适当地，输入装置100可使用下列的任一个或多个与电子系统的部分进行通信：总线、网络和其他有线或无线互连。示例包括I²C、SPI、PS/2、通用串行总线(USB)、蓝牙、RF和IRDA。

图1中，输入装置100示为接近传感器装置(又常常称作“触摸板”或“触摸传感器装置”)，其配置成感测由一个或多个输入物体140在感测区120中提供的输入。示例输入物体包括手指和触控笔，如图1所示。输入装置100具有处理系统110、具有输入表面118的感测区120以及靠近感测区所实现的四个力传感器150。如下面将更详细描述，力传感器150的每个可采用以下所述的力传感器的各个实施例的任一个来实现。此外，应当注意，虽然力传感器150示为处于输入表面118外部，但是在其他实施例中，一个或多个力传感器可设置在输入表面118的周边之内。同样，应当注意，虽然图1示出设置在输入表面118附近的四个力传感器150，但是在以下所述的其他实施例中，更多或更少的力传感器可被提供，并且可设置在相对输入表面118的各种布置上。图1中未示出的是感测电极阵列，其适合电容地感测在感测区120中的物体。

输入装置100适合通过响应所感测输入物体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110配置成确定与感测区120进行交互的物体的位置信息。然后，这个位置信息能够由电子系统用来提供大范围的用户界面功能性。

此外，处理系统110配置成从力传感器150所确定的力的量度来确定输入物体的力信息。然后，这个力信息也能够由电子系统用来提供大范围的用户界面功能性。例如，通过响应输入物体在感测区中的外加力的不同等级/方向而提供不同的用户界面功能。

感测区120包含输入装置100之上、周围、之中和/或附近的任何空间，在其中输入装置100能够检测用户输入(例如由一个或多个输入物体140所提供的用户输入)。特定感测区的尺寸、形状和位置可依据各个实施例极大地改变。在一些实施例中，感测区120沿一个或多个方向从输入装置100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120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期望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100的任何表面相接触、与输入装置100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100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面板等，来提供输入表面。在一些实施例中，感测区120在投射到输入装置100的输入表面上时具有矩形形状。

输入装置100可利用传感器组件和感测技术的任何组合来检测感测区120中的用户输入。输入装置100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100可使用电容、倒介电、电阻、电感、磁、声、超声和/或光学技术。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。

在输入装置100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，以在层之间创建电接触，从而产生反映层之间的(一个或多个)接触点的电压输出。这些电压输出可用来确定位置信息。

在输入装置100的一些电感实现中，一个或多个感测元件拾取由谐振线圈或线圈对所感应的回路电流。电流的幅值、相位和频率的某个组合则可用来确定位置信息。

在输入装置100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，其可作为电压、电流等的变化来检测。

一些电容实现利用电容感测元件的阵列或者其他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，其可以是电阻均匀的。

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(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。

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“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(例如其他电磁信号)对应的(一个或多个)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。

图1中，处理系统110示为输入装置100的一部分。处理系统110配置成操作输入装置100的硬件，以检测感测区120中的输入。处理系统110包括一个或多个集成电路(IC)的部分或全部和/或其他电路组件。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110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110的组件共同位于例如输入装置100的(一个或多个)感测元件的附近。在其他实施例中，处理系统110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100的(一个或多个)感测元件，而一个或多个组件在其他位置。例如，输入装置100可以是耦合到台式计算机的外设，并且处理系统110可包括配置成运行于台式计算机的中央处理器上的软件以及与中央处理器分隔的一个或多个IC(也许具有关联固件)。作为另一个示例，输入装置100可在物理上集成到电话中，并且处理系统110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110专用于实现输入装置100。在其他实施例中，处理系统110还执行其他功能，例如操作显示屏幕、驱动触觉致动器等。

处理系统110可实现为操控处理系统110的不同功能的一组模块。各模块可包括作为处理系统110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。其他示例模块包括：传感器操作模块，配置成操作(一个或多个)感测元件以检测输入；识别模块，配置成识别例如模式变更手势等的手势；以及模式变更模块，用于变更操作模式。

在一些实施例中，处理系统110直接通过引起一个或多个动作，来响应感测区120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、菜单导航和其他功能之类的GUI动作。在一些实施例中，处理系统110向电子系统的某个部分(例如向电子系统中与处理系统110分隔的中央处理系统，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110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。

例如，在一些实施例中，处理系统110操作输入装置100的(一个或多个)感测元件，以便产生指示感测区120中的输入(或者没有输入)的电信号。处理系统110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110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110可执行滤波或者其他信号调节。作为又一个示例，处理系统110可减去或者以其他方式考虑基准，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110可确定位置信息，将输入识别为命令，识别笔迹等。

如本文所使用的“位置信息”广义地包含绝对位置、相对位置、速度、加速度和其他类型的空间信息。示范“零维”位置信息包括近/远或接触/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。其他示例包括空间信息的其他表示。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。

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。具体来说，力信息可包括施加到输入表面的法向、切向和旋转力。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。作为其他示例，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、滚动、GUI导航和其他功能的指针装置。

在一些实施例中，输入装置100采用由处理系统110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120中的输入的冗余功能性或者某种其他功能性。虽然图1中未示出，但是感测区120附近按钮能够用来促进使用输入装置100对项目的选择。其他类型的附加输入组件包括滑块、球、轮、开关等。相反，在一些实施例中，输入装置100可以在没有其他输入组件的情况下实现。

在一些实施例中，输入装置100包括触摸屏界面，并且感测区120重叠显示屏幕的有效区的至少一部分。例如，输入装置100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)或者其他显示技术。输入装置100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110来操作。

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110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，本发明的实施例同等地适用，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、全息或者任何其他存储技术。

如上所述，输入装置100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(例如在第一衬底或者任何其他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他适当衬底的另一侧上)形成，。

在其他实施例中，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以下所述衬底的任一个。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“г”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他环形以提供“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。

现在来看图2，示出输入装置200的顶视图和剖面图。输入装置采用第一衬底241、第二衬底242以及两个力传感器250-1和250-2来实现。第一衬底241在物理上耦合到第二衬底242，并且配置成响应施加到输入表面220的力而相对于第二衬底242移动。输入装置还配置成例如使用设置在第一衬底242上的电容感测电极来感测感测区(感测区未示出)中的输入物体。

第一衬底241配置成沿多个方向和/或维度相对于第二衬底242移动。施加到输入表面220的力能够在具有沿箭头262的分量的第一方向以及在具有沿箭头264的分量的第二方向移动第一衬底241。例如，第一衬底241沿第一方向262相对于第二衬底242的移动响应沿与输入表面220平行的第一方向所施加的力而发生。同样，沿与输入表面220平行的第二方向所施加的力引起第一衬底241沿第二方向264的移动。施加到输入表面220的力(其具有沿第一和第二方向所定向的力分量)将产生沿第一262和第二264两个方向的移动的组合。此外，沿与输入表面220垂直的方向所施加的力引起第一衬底241沿正交方向260相对第二衬底242的移动。

在所示实施例中，第一和第二衬底经由弹簧290在物理上耦合。但是，这只是可用来允许第一衬底241沿第一方向262和/或第二方向262相对于衬底242移动的耦合机制的一个示例。用于耦合第一和第二衬底、允许沿第一和/或第二方向的移动的各种方法是可能的，并且是本发明所考虑的。例如，第一和第二衬底可采用粘合剂或机械链接在物理上耦合。

在图2的实施例中，示出第一和第二力传感器250-1和250-2。力传感器250-1包括第一力传感器电极251，以及力传感器250-2包括第一力传感器电极252，两种第一力传感器电极均设置在第一衬底241上。力传感器250-1和250-2还包括第二衬底的导电部分、示为项256和257，其分别电容地耦合到第一力传感器电极251和第二力传感器电极252。因此，第一力传感器电极251和第一导电部分256形成第一可变电容(未示出)，以及第二力传感器电极252和第二导电部分257形成第二可变电容(未示出)。

第一衬底241响应施加到输入表面220的力的移动引起第一可变电容256和第二可变电容257的至少一个的变化。可变电容的变化的测量用来确定施加到输入表面220的力。例如，第一衬底241沿第一方向262相对于第二衬底242的移动基于沿第一方向262的移动方向以不同方式来改变第一可变电容256和第二可变电容257。在沿第一方向262的向上方向的移动将增加第一力传感器250-1的可变电容，而降低第二力传感器250-2的可变电容。相反，在沿第一方向262的向下方向的移动将降低第一力传感器250-1的可变电容，而增加第二力传感器250-2的可变电容。

可变电容的变化部分地通过力传感器电极与每个力传感器250-1和250-2的导电部分之间的重叠的距离和/或面积的变化来确定。因此，每个力传感器的(一个或多个)可变电容的测量能够用来确定将力施加到输入表面220的(一个或多个)物体的力信息。在一些实现中，力传感器的可变电容能够具有对力的相对线性响应。也就是说，当力施加到输入表面从而引起第一衬底241相对于第二衬底242的移动时，电容的所产生变化是第一衬底241与第二衬底242之间的相对移动量的函数。同样，移动量也可以是施加到输入表面220的力的函数。通过适当选择力传感器250-1和250-2的材料和几何结构，输入装置200可提供外加力的准确有用量度。在图3的实施例中描述更详细示例。

如以下将更详细描述，由每个力传感器所形成的可变电容的测量可包括绝对或“自电容”测量。在这种实施例中，力传感器电极相对参考电压来调制，以及力传感器电极与导电物体(例如，导电部分、例如可变电容256和257)之间的电容耦合的变化指示力传感器电极相对于导电物体的移动。在其他实施例中，由每个力传感器所形成的可变电容的测量可包括互电容或“跨电容”测量。在这种实施例中，力传感器的至少两个力传感器电极形成相互之间的电容耦合，以及导电物体(例如，导电部分、例如256和257)的存在能够改变电容耦合的幅值。

在本发明的各个实施例中，力传感器包括设置在第二衬底上的导电部分(例如图2中的导电部分256和257)，第二衬底至少部分重叠每个力传感器的力传感器电极。每个力传感器的导电部分的位移和/或平移改变(i)重叠面积和/或(ii)力传感器电极与导电部分之间的间距。如将参照图7更详细描述，固定到非导电第二衬底的导电部分在功能上可相当于导电第二衬底的非导电部分。例如，参照图2，在另一个实施例中，第二衬底242可以是导电的，而“导电部分”256和257可以是非导电的。这种布置对于力感测目的在功能上是等效的，因为设置在第一衬底上的(一个或多个)力传感器电极与第二衬底上的导电材料之间的电容耦合的变化在功能上相当于到具有非导电部分、至少部分重叠力传感器电极的导电第二衬底的耦合。

现在来看图3，示出输入装置300的顶视图和剖面图。输入装置采用耦合到第二衬底342并且相对于第二衬底342是可移动的第一衬底341来实现。施加到输入表面320的力能够将第一衬底341沿第一方向362、第二方向364和/或第三方向360移动。具体来说，施加到输入表面320的法向力分量将引起沿第三方向360的移动，以及施加到输入表面320的切向力分量将引起沿第一方向362和/或第二方向364的移动。

输入装置300还采用四个力传感器350-1、350-2、350-3和350-4来实现。每个力传感器包括第一力传感器电极，其电容地耦合到第二衬底的第一导电部分。这在图3中对第一力传感器350-1来示出，第一力传感器350-1包括第一传感器电极351-1，其电容地耦合到第二衬底342的第一导电部分356-1。另外，示出第一传感器电极351-1与第一导电部分356-1之间的重叠面积353-1。为了说明的清楚起见，力传感器350-2、350-3和350-4具有相似布置，这在图3中没有具体列举。

每个力传感器的可变电容能够基于第一衬底相对于第二衬底的移动、将力传感器电极与导电部分分隔的距离以及力传感器电极与导电部分之间的重叠面积来测量。在图3的实施例中，第一和第二衬底通过距离“d”和介质(例如空气)来分隔。为了简洁起见，使每个力感测电极和导电部分成为矩形，以及重叠面积(如重叠面积353-1所例示)因而为：A＝l*l＝l²。每个力传感器电极与导电部分之间的电容耦合可通过等式1a-d来建模为：

(等式1a)   $C_{350-1}({\mathrm{\δ}}_x,{\mathrm{\δ}}_y,{\mathrm{\δ}}_z)\≈\frac{\mathrm{\ϵ}(A+l(-{\mathrm{\δ}}_x+{\mathrm{\δ}}_y\left)\right)}{d-{\mathrm{\δ}}_z}$

(等式1b)   $C_{350-2}({\mathrm{\δ}}_x,{\mathrm{\δ}}_y,{\mathrm{\δ}}_z)\≈\frac{\mathrm{\ϵ}(A+l({\mathrm{\δ}}_x+{\mathrm{\δ}}_y\left)\right)}{d-{\mathrm{\δ}}_z}$

(等式1c)   $C_{350-3}({\mathrm{\δ}}_x,{\mathrm{\δ}}_y,{\mathrm{\δ}}_z)\≈\frac{\mathrm{\ϵ}(A+l(-{\mathrm{\δ}}_x-{\mathrm{\δ}}_y\left)\right)}{d-{\mathrm{\δ}}_z}$

(等式1d)   $C_{350-4}({\mathrm{\δ}}_x,{\mathrm{\δ}}_y,{\mathrm{\δ}}_z)\≈\frac{\mathrm{\ϵ}(A+l({\mathrm{\δ}}_x-{\mathrm{\δ}}_y\left)\right)}{d-{\mathrm{\δ}}_z}$

其中，第一衬底沿第一方向362的移动定义为δ_y，沿第二方向364的移动定义为δ_x，以及沿第三方向360的移动定义为δ_z。电容耦合响应沿第一、第二和/或第三方向(362、364、360)的位移而改变。如果忽略δ_y*δ_x的二阶项，则可变电容可通过等式2a-d来建模为：

(等式2a)   ${\mathrm{\ΔC}}_{350-1}({\mathrm{\δ}}_x,{\mathrm{\δ}}_y,{\mathrm{\δ}}_z)\≈\frac{\mathrm{\ϵ}}{d-{\mathrm{\δ}}_z}(A\frac{{\mathrm{\δ}}_z}{d}+l(-{\mathrm{\δ}}_x+{\mathrm{\δ}}_y\left)\right)\≈\frac{\mathrm{\ϵ}}{d}(A\frac{{\mathrm{\δ}}_z}{d}+l(-{\mathrm{\δ}}_x+{\mathrm{\δ}}_y\left)\right)$

(等式2b)   ${\mathrm{\ΔC}}_{350-2}({\mathrm{\δ}}_x,{\mathrm{\δ}}_y,{\mathrm{\δ}}_z)\≈\frac{\mathrm{\ϵ}}{d-{\mathrm{\δ}}_z}(A\frac{{\mathrm{\δ}}_z}{d}+l({\mathrm{\δ}}_x+{\mathrm{\δ}}_y\left)\right)\≈\frac{\mathrm{\ϵ}}{d}(A\frac{{\mathrm{\δ}}_z}{d}+l({\mathrm{\δ}}_x+{\mathrm{\δ}}_y\left)\right)$

(等式2c)   ${\mathrm{\ΔC}}_{350-3}({\mathrm{\δ}}_x,{\mathrm{\δ}}_y,{\mathrm{\δ}}_z)\≈\frac{\mathrm{\ϵ}}{d-{\mathrm{\δ}}_z}(A\frac{{\mathrm{\δ}}_z}{d}+l(-{\mathrm{\δ}}_x-{\mathrm{\δ}}_y\left)\right)\≈\frac{\mathrm{\ϵ}}{d}(A\frac{{\mathrm{\δ}}_z}{d}+l(-{\mathrm{\δ}}_x-{\mathrm{\δ}}_y\left)\right)$

(等式2d)   ${\mathrm{\ΔC}}_{350-4}({\mathrm{\δ}}_x,{\mathrm{\δ}}_y,{\mathrm{\δ}}_z)\≈\frac{\mathrm{\ϵ}}{d-{\mathrm{\δ}}_z}(A\frac{{\mathrm{\δ}}_z}{d}+l({\mathrm{\δ}}_x-{\mathrm{\δ}}_y\left)\right)\≈\frac{\mathrm{\ϵ}}{d}(A\frac{{\mathrm{\δ}}_z}{d}+l({\mathrm{\δ}}_x-{\mathrm{\δ}}_y\left)\right)$

等式2a-d能够按照矩阵形式写作等式3：

(等式3)   $\mathrm{\Δ}C=\frac{\mathrm{\ϵ}}{d}\left[\begin{array}{ccc}-l& l& \frac{A}{d}\\ l& l& \frac{A}{d}\\ -l& -l& \frac{A}{d}\\ l& -l& \frac{A}{d}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\δ}}_x\\ {\mathrm{\δ}}_y\\ {\mathrm{\δ}}_z\end{array}\right]\≡M\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\δ}}_x\\ {\mathrm{\δ}}_y\\ {\mathrm{\δ}}_z\end{array}\right]$

等式3的矩阵M为满秩，从而允许通过计算下式来确定第一衬底341相对于第二衬底342的移动：

(等式4)   $\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\δ}}_x\\ {\mathrm{\δ}}_y\\ {\mathrm{\δ}}_z\end{array}\right]={\left(M^{T}M\right)}^{-1}{M}^T\mathrm{\Δ}C$

因此，力传感器350-1、350-2、350-3和350-4的可变电容的测量能够用来确定第一衬底341相对于第二衬底342的位移。基于所确定位移以及附连机构(其将第一和第二衬底耦合在一起)的机械性质，可确定施加到输入表面320的力。在一些实施例中，接触输入表面320的输入物体的位置信息可由设置在第一衬底341上的电容传感器电极(未示出)来确定。电容传感器电极也可用来确定施加到输入表面320的力。在一些实施例中，将力施加到输入表面的各输入物体的力信息可单独确定；也就是说，力可基于每个输入物体来确定。

结合图2和图3所述的力传感器实现基于力传感器的可变电容的变化来检测施加到输入装置的输入表面的力。具体来说，第一衬底相对于第二衬底的移动引起：(i)力传感器电极与导电部分之间的重叠面积的变化；和/或(ii)力传感器电极与导电部分之间的距离的变化。情形(i)和(ii)将改变力传感器的每个的可变电容。通过适当地配置力传感器电极，可确定沿第一、第二和/或第三方向(362、364、360)的“正”或“负”位移。具体来说，图3所示的力传感器设计成对于沿第一方向362和第二方向364的“正”或“负”位移是敏感的(即，在电容耦合方面改变)。为了简洁起见，沿第三方向360的位移能够被认为是单向的，因为第一衬底341从缺省/静止位置的任何位移将必然在沿第三方向360的正方向“向下”发生。

表1概括输入装置300的每个力传感器响应五个运动程度(即，五种类型的单独运动)的可变电容行为：

表1：因位移引起的力传感器行为

因此，来自所有力传感器的组合测量可用来确定第一衬底的位移(即，力)的幅值以及位移的方向,如通过力传感器电极相对每个力传感器的导电部分的布置所确定的。

现在来看图4A，示出输入装置400A的顶视图。输入装置400的结构与图2和图3的输入装置200、300相似。输入装置400A包括耦合到第二衬底442的第一衬底441。第一衬底441包括输入表面(未示出)，并且配置成沿平面方向相对于第二衬底442移动(即，不考虑垂直“z”位移)。输入装置400还包括多个力传感器450-1、450-2、450-3和450-4。每个力传感器包括设置在第一衬底441上的第一力传感器电极，第一力传感器电极与第二衬底442的第一导电部分形成可变电容。例如，力传感器450-1包括力传感器电极451-1，其电容地耦合到导电部分456-1。力传感器450-2、450-3和450-4包括力传感器电极和导电部分的类似组件，为了清楚起见而没有列举。

图4A所示的力传感器450-1、450-2、450-3和450-4分别与图2和图3所示的力传感器250-X和350-X有所不同。当非法向(非正交)力施加到输入装置400A的输入表面从而引起第一衬底441沿第一方向462和/或第二方向464相对于第二衬底442的移动时，力传感器450-1、450-2、450-3和450-4配置成使得与力传感器的每个关联的可变电容响应沿第一方向462和第二方向464其中之一的移动而保持基本上恒定。具体来说，参照力传感器450-1，第一力传感器电极451-1与第一导电部分456-1之间的重叠面积(列举为重叠面积453-1)没有响应第一衬底441沿第方向462的运动而发生变化。因此，力传感器450-1的可变电容没有响应沿第一方向的运动而显著变化。类似地，力传感器450-3的可变电容没有响应第一衬底441沿第二方向464的运动而发生变化。

在一个实施例中，将力施加到输入表面的输入物体引起第一衬底441仅沿第一方向462和/或第二方向464的运动(垂直和旋转运动不存在)。两个力传感器、例如力传感器450-1和450-3的可变电容的测量能够用来确定第一衬底441沿第一462和第二464两个方向的位移。基于所确定位移，能够确定施加到输入表面的力的测量。通过按照特定配置布置力传感器电极，可确定沿第一和/或第二方向(462、464)的“正”或“负”位移。具体来说，图4所示的力传感器450-1和450-3呈现对第一衬底沿第一方向462和第二方向464从中立或“缺省”位置相对于第二衬底的“正”或“负”位移的敏感性(即，在电容耦合方面改变)。

在另一个实施例中，将力施加到输入表面的输入物体引起第一衬底441沿第一方向462、第二方向464的运动以及第一衬底441相对于第二衬底442的旋转(列举为运动方向466)。在这种实施例中，第一衬底441配置成响应施加到输入装置400A的输入表面的非法向力而相对于第二衬底442旋转。例如，第一衬底441配置成绕经过处于输入表面中心的点467的轴(垂直于图4A的平面)旋转。点467和旋转轴的位置可以是输入表面上或者甚至输入表面外部的任何位置。点467的位置通过附连机构(其耦合第一和第二衬底)来确定。第一衬底441的旋转位移的测量可通过力传感器450-1和450-3的至少一个来确定。第一衬底441的顺时针(“正”)和逆时针(“负”)旋转通过力传感器450-1和450-3的至少一个的可变电容的变化来确定。

表2概括力传感器450-1和450-3响应第一衬底441响应六种不同类型的单独运动而沿第一方向462(δ_x)、第二方向464(δ_x)和旋转方向466(δ_θ)的运动的可变电容响应。

表2：因位移引起的力传感器450-1和450-3响应

因此，来自力传感器450-1和450-3的组合测量可用来确定第一衬底的位移(即，力)的幅值以及位移的方向。这是力传感器电极相对每个力传感器的导电部分的布置的函数。

虽然以上针对图4A所述的实施例包括两个力传感器以确定第一衬底441响应施加到输入表面的力的不同类型的运动，但是在一些情况下，沿所有三个方向(462、464和466)的组合(即，被组合或聚合)移动产生测量的组合，其中沿每个方向的特定位移是不易辨别的。应当理解，虽然第一力传感器450-1对沿第一方向462的移动的效果是不受影响的，并且第二力传感器450-3对沿第二方向464的移动的效果是不受影响的，但是没有力传感器对沿旋转方向466的移动是不受影响的。此外，每个力传感器450-1和450-3响应沿任一个方向的运动而按照相同方式(即，两种传感器均具有其可变电容的相同变化(+或-))对顺时针(+δ_θ)和逆时针(-δ_θ)运动是敏感的。这个问题的直接方式涉及一个或多个力传感器的添加。例如，在包括力传感器450-1、450-2和450-3的一实施例中，电容响应(即，力传感器的可变电容的变化)可概括为表3所述：

表3：因位移引起的力传感器450-1、450-2和450-3响应第三力传感器450-2的使用实现没有任何限制地确定第一衬底441沿所有三个方向(462、464和466)的组合移动。

如以上参照图3所述，与每个力传感器关联的可变电容能够基于第一衬底相对于第二衬底的移动、将每个力传感器电极与各导电部分分隔的距离以及每个力传感器电极与各导电部分之间的重叠面积来测量。参照图4A，与图3不同，力传感器450-1、450-2、450-3和450-4的可变电容响应至少一种类型的运动而保持基本上恒定，运动类型包括第一方向462和第二方向464。

在一个实施例中，如以上参照图4A所述，将力施加到输入表面的输入物体引起第一衬底441仅沿第一方向462和/或第二方向464的横向运动(垂直和旋转运动不存在)。在这个示例中，S_450-1、S_450-2、S_450-3、S_450-4分别表示四个力传感器450-1、450-2、450-3和450-4的可变电容的测量。第一衬底441沿第一方向462和第二方向464相对于第二衬底442的位移能够通过等式5a-b来建模：

(等式5a)  δ_X≈k(S_450-1-S_450-2)

(等式5b)  δ_Y≈k(S_450-3-S_450-4)

其中，常数k通过将第一和第二衬底441、442耦合在一起的附连机构的机械性质来确定。注意，为了简洁起见而可忽略二阶影响，以及与第一衬底的尺寸相比，第一衬底441的位移较小。

在另一个实施例中，如以上参照图4A所述，施加到输入表面的力引起第一衬底441沿第一方向462和第二方向464的运动以及第一衬底441相对于第二衬底442的旋转(表示为旋转运动466)(垂直运动不存在)。第一衬底441沿旋转方向466的位移能够通过等式5c来建模：

(等式5c)   δ_θ≈k(S_450-1+S_450-2+S_450-3+S_450-4)

为了简洁起见，等式5c假定点467所定义的旋转轴位于第一衬底441的输入表面的几何中心，并且力传感器450-1、450-2、450-3和450-4绕点467对称地定位。类似计算技术能够用于其他几何结构，其中第一衬底441的旋转不是绕衬底的中心，和/或力传感器不是绕旋转的几何中心对称地定位。

在如上所述的图4A的实施例中，没有涉及第一衬底441相对于第二衬底442的垂直运动。换言之，施加到输入表面的法向力没有将第一衬底441移动到更靠近第二衬底442，并且因而没有改变所述力传感器的任一个中的力传感器电极与导电部分之间的距离。如果这种运动存在，则力传感器的每个的电容行为也经受第一衬底441的垂直位移。结果，沿所有三个方向(462、464和466)的组合移动连同垂直位移(没有列举，但是与垂直方向260和360相似)产生测量的组合，其中不能确定沿每个方向的特定位移。

现在来看图4B，描述一实施例，其还允许施加到第一衬底441的输入表面的法向力从而引起朝第二衬底442的垂直位移。图4B所示的输入装置400B与图4A的输入装置相似，并且为了简洁起见而仅例举附加特征。输入装置400B配置成允许第一衬底441沿与输入表面垂直的方向相对于第二衬底442的移动(与输入表面220/320和垂直运动260/360相似)。输入表面和第一衬底441相对于第二衬底442的垂直(竖直)运动引起力传感器450-1、450-2、450-3和450-4的可变电容的变化。如以上针对图4A所述，力传感器的每个的可变电容响应沿第一方向462和第二方向464其中之一的移动而保持基本上恒定，以及在图4B的实施例中，由力传感器450-1、450-2、450-3和450-4所呈现的可变电容也响应沿垂直方向的运动而变化。在以下所述的其他实施例中，可实现力传感器，其形成没有响应垂直运动而变化的至少一个可变电容被描述。

输入装置400B还包括四个力传感器450-5、450-6、450-7和450-8，其配置成使得力传感器的每个的可变电容响应沿第一方向462和第二方向464的移动而保持基本上恒定。换言之，力传感器450-5、450-6、450-7和450-8仅对第一衬底相对于第二衬底的垂直运动是敏感的。具体来说，参考力传感器450-5，第一力传感器451-5与第二衬底442的第一导电部分456-5之间的重叠面积没有因第一衬底441的横向和/或旋转运动而变化。表4概括图4B所示输入装置400B的电容响应(即，力传感器的可变电容的变化)：

表4：因输入装置400B的位移引起的力传感器行为

在这个示例中，Z_450-5、Z_450-6、Z_450-7、Z_450-8分别表示四个力传感器450-5、450-6、450-7和450-8的可变电容的测量。四个力传感器450-1、450-2、450-3和450-4的可变电容的测量(S_450-1、S_450-2、S_450-3、S_450-4)取决于第一衬底441相对于第二衬底442的横向和垂直运动，并且能够描述为：

${\tilde{S}}_{450-1}=S_{450-1}+f_{450-1}(S_{450-1},Z_{450-5},Z_{450-6},Z_{450-7},Z_{450-8})$

${\tilde{S}}_{450-2}=S_{450-2}+f_{450-2}(S_{450-4},Z_{450-5},Z_{450-6},Z_{450-7},Z_{450-8})$

(等式6a)    ${\tilde{S}}_{450-3}=S_{450-3}+f_{450-3}(S_{450-3},Z_{450-5},Z_{450-6},Z_{450-7},Z_{450-8})$

${\tilde{S}}_{450-4}=S_{450-4}+f_{450-4}(S_{450-4},Z_{450-5},Z_{450-6},Z_{450-7},Z_{450-8})$

如果施加到输入表面的力没有引起第一衬底441相对于第二衬底442的任何垂直运动，则：

(等式6b) ${\tilde{S}}_{450-3}=S_{450-3},{\tilde{S}}_{450-4}=S_{450-4},{\tilde{S}}_{450-2}=S_{450-2},{\tilde{S}}_{450-1}=S_{450-1}$

因为：

(等式6c)   f_L(S_L,0,0,0,0)＝0 f_R(S_R,0,0,0,0)＝0

f_T(S_T,0,0,0,0)＝0 f_B(S_B,0,0,0,0)＝0

此外，如果第一衬底441相对于第二衬底的偏转的机械模型是完全线性的，则f_L(0,Z_TL,Z_TR,Z_BL,Z_BR)、f_R(0,Z_TL,Z_TR,Z_BL,Z_BR)、f_T(0,Z_TL,Z_TR,Z_BL,Z_BR)和f_B(0,Z_TL,Z_TR,Z_BL,Z_BR)将是四个力传感器450-5、450-6、450-7和450-8的线性组合。因此，在垂直偏转存在的情况下，第一衬底沿所有三个方向(462、464和466)相对于第二衬底的位移能够使用等式5a-c来确定。

在以上图4B所述的实施例中，假定第一衬底的垂直运动是不均匀的。换言之，第一与第二衬底之间的距离响应沿垂直方向施加到输入表面的力的变化跨输入表面不是基本上相等的。沿垂直方向并且在输入表面的几何中心施加到输入表面的力可引起均匀垂直偏转；而在输入表面的角所施加的相同力可引起基本上不同量的垂直偏转(如例如在跨输入表面的不同位置所测量)。第一衬底与第二衬底之间的输入装置和附连机构的机械性质不仅确定第一衬底配置成移动的方向，而且还确定所允许运动的类型。例如，在各个实施例中，输入装置可配置成允许横向运动、旋转运动和/或垂直运动(均匀和不均匀)。在给定以上实施例的描述的情况下应当理解，配置成测量第一衬底相对于第二衬底的偏转的力传感器的类型、数量和布置应当基于响应对输入装置的输入表面所赋予的力而允许的运动的类型来选择。

图5A-5D示出具有配置成检测第一衬底相对于第二衬底的运动的力传感器的不同布置的输入装置的各个实施例。用于所示配置中的力传感器的布置和类型取决于输入装置配置用于的输入表面的类型。例如，在图5A的实施例中，输入装置允许：(i)不均匀垂直平移；(ii)沿第一和第二方向的横向运动；以及(iii)响应施加到输入表面的力的旋转运动。输入装置包括八个力传感器。八个力传感器的四个是“Z传感器”，其对横向或旋转运动是不受影响的(即，它们只能感测垂直运动)。其他四个力传感器是“剪切传感器”，其中至少一个对沿一个方向的横向运动是不受影响的，以及至少另一个对沿第二方向的横向运动是不受影响的。此外，四个“剪切传感器”的每个对旋转运动是敏感的。图5A中使用的力传感器的布置和类型实现沿方向(i)-(iii)的偏转量以及对输入表面所赋予的力(其引起输入表面的偏转)的测量和确定。

在另一个示例中，在图5B的实施例中，输入装置允许(i)不均匀垂直平移以及(ii)沿第一和第二方向的横向运动。输入装置包括八个力传感器。八个力传感器的四个是“Z传感器”，其对横向或旋转运动是不受影响的(即，它们只能感测垂直运动)。其他四个力传感器是“剪切传感器”，其中至少一个对沿一个方向的横向运动是不受影响的，以及至少另一个对沿第二方向的横向运动是不受影响的。输入装置的全部力传感器对第一衬底绕其中心相对于第二衬底的旋转是不受影响的。图5B中使用的力传感器的布置和类型实现沿方向(i)-(ii)的偏转量以及对输入表面所赋予的力(其引起输入表面的偏转)的测量和确定。

在另一个示例中，在图5C的实施例中，输入装置允许(i)均匀垂直平移和(ii)沿第一和第二方向的横向运动以及(iii)响应施加到输入表面的力的旋转运动。输入装置包括五个力传感器。力传感器之一是“Z传感器”，其对横向或旋转运动是不受影响的(能够仅感测垂直运动)。由于第一衬底相对于第二衬底的垂直平移是均匀的，所以一个“Z”力传感器能够确定其他力传感器的任一个的可变电容因垂直位移引起的变化。力传感器的四个是“剪切”传感器，其中至少一个对沿一个方向的横向运动是不受影响的，以及至少另一个对沿第二方向的横向运动是不受影响的。图5C中使用的力传感器的布置和类型实现沿方向(i)-(iii)的偏转量以及对输入表面所赋予的力(其引起输入表面的偏转)的测量和确定。

在又一示例中，在图5D的实施例中，输入装置允许：(i)均匀垂直平移，(ii)沿第一和第二方向的横向运动，以及(iii)响应施加到输入表面的力的旋转运动。输入装置包括五个力传感器。力传感器之一是“Z传感器”，其对横向或旋转运动是不受影响的(能够仅感测垂直运动)。由于第一衬底相对于第二衬底的垂直平移是均匀的，所以一个“Z”力传感器能够确定其他力传感器的任一个的可变电容因垂直位移引起的变化。力传感器的四个是“剪切”传感器，其中至少一个对沿一个方向的横向运动是不受影响的，以及至少另一个对沿第二方向的横向运动是不受影响的。图5D中使用的力传感器的布置和类型实现沿方向(i)-(iii)的偏转量以及对输入表面所赋予的力(其引起输入表面的偏转)的测量和确定。

在参照图1-5所述的各个实施例中，与每个力传感器关联的可变电容可用来确定第一衬底相对于第二衬底的偏转和/或平移量。类似地，每个力传感器的可变电容可用来确定施加到输入装置的输入表面的力。在图1-5所述的实施例中，每个力传感器包括设置在第一衬底上的第一力传感器电极以及设置在第二衬底上的导电部分。图6示出配置成检测第一衬底相对于第二衬底的偏转的力传感器的各个备选实施例。

来看图6A-F，示出能够由输入装置用来确定第一衬底相对于第二衬底的偏转和/或平移的力传感器的多个实施例。例如，图6A-B的力传感器610包括第一力传感器电极611、第二力传感器电极612和导电区614。力传感器610可实现为上述输入装置的一部分，其中第一和第二力传感器电极611、612设置在第一衬底上，以及第二衬底包括导电部分614。力传感器610的第一可变电容在第一力传感器电极611与第二力传感器电极612之间形成。响应导电部分614的移动，第一可变电容因(i)第一与第二衬底之间的距离(因而力传感器电极611、612与导电部分614之间的距离)的变化和/或(ii)导电部分614与第一和第二力传感器电极611、612之间的重叠区的变化而发生变化。

在图6A-B的实施例中，第一可变电容可产生于第一力传感器电极611与第二力传感器电极612之间的跨电容耦合，其中第一力传感器电极611配置成传送感测信号，并且第二力传感器电极612配置成接收所产生信号。由力传感器电极612所接收的所产生信号包括导电部分614对所接收的所产生信号的影响。例如，图6A中，在导电部分将始终响应第一衬底相对于第二衬底的横向运动而重叠力传感器电极的假设下，力传感器610基本上是垂直位移传感器。换言之，力传感器610对导电部分614的横向运动是不受影响的。相反，包括与力传感器610相似操作的传感器电极的图6B的力传感器620对导电部分614相对于传感器电极611和612的横向和垂直运动是敏感的。

图6C示出力传感器的另一个备选实施例。力传感器630包括第一、第二、第三和第四力传感器电极(611-1、611-2、612-1和612-2)和导电部分614。第一和第三力传感器611-1和612-3形成第一可变电容，以及第二和第四力传感器电极形成第二可变电容。第一和第二可变电容值可对应于基于导电部分614相对于力传感器电极的偏转和/或平移而改变的电极对之间的跨电容耦合。力传感器630基本上是力传感器610和620与单个导电部分614的共享的组合。

图6D示出力传感器的另一个备选实施例。力传感器640与没有力传感器电极之一的力传感器630相似。力传感器640包括第一、第二和第三力传感器电极(611-1、611-2和612-1)和导电部分614。第一和第三力传感器611-1和612-3形成第一可变电容，以及第二和第三力传感器电极611-1和612-1形成第二可变电容。具体来说，第三力传感器电极612-1配置成传送传感器信号，以及第一力传感器电极611-1和第二力传感器电极611-2各配置成接收相应所产生信号。由力传感器电极611-1和611-2所接收的所产生信号分别表示第一和第二可变电容。导电部分614相对于第一、第二和第三力传感器电极的移动可改变可变电容。具体来说，导电部分与力感测电极之间的垂直运动将改变第一和第二可变电容，而横向运动将仅改变第二可变电容(因为第一和第三力传感器电极611-1、612-1与导电部分之间的距离的重叠面积没有发生变化)。

图6E示出力传感器的另一个备选实施例。力传感器650包括第一力传感器电极611-1，第一力传感器电极611-1基本上包围第二力传感器电极612-2，第二力传感器电极612-2基本上包围第三力传感器电极611-1。导电部分614重叠第一、第二和第三力传感器电极的每个的至少部分。导电部分614包括内部非导电区域。响应导电部分614及其内部非导电区域相对于第一、第二和第三力传感器电极的横向移动，力传感器电极的至少一个与导电部分之间的重叠面积改变。在一个实施例中，第二力传感器电极612-1配置成传送感测信号，以及第一和第三力传感器电极611-1和611-2各配置成接收指示可变电容(即，第一力传感器电极与第二力传感器电极之间形成的第一可变电容以及第二力传感器电极与第三力传感器电极之间形成的第二可变电容)的所产生信号。第一和/或第二可变电容的变化的测量能够用来确定第一衬底的垂直和/或横向运动量，其中力传感器电极设置在第一衬底上，以及第二衬底包括导电部分。

图6F示出按照本发明的力传感器的另一个实施例。在一个实施例中，力传感器660包括设置在输入装置的第一衬底上的四个力传感器电极611-1、611-2、611-3和611-4以及设置在输入装置的第二衬底上的导电部分614。四个力传感器电极的每个配置成形成与导电部分614的可变电容。具体来说，四个力传感器电极的每个配置成形成与导电部分614的可变电容。响应第一衬底(包括力传感器电极)相对于第二衬底(包括导电部分)的移动，可变电容将发生变化。力传感器的可变电容的变化的测量可用来确定第一衬底相对于第二衬底的偏转和/或平移量。

在另一个实施例中，力传感器660包括设置在输入装置的第一衬底上的8个力传感器电极(611-1、611-1、611-1、611-1、612-1、612-2、612-3和612-4)以及设置在输入装置的第二衬底上的导电部分614。每对力传感器电极(例如力传感器电极611-1和611-2)配置成形成可变电容，其响应导电部分614的移动而改变。因此，四个可变电容在力传感器660中形成；以及力传感器660的第一、第二、第三和/或第四可变电容的测量能够用来确定第一衬底(其上设置了力传感器电极)相对第二衬底(其包括导电部分)的垂直和/或横向运动量。

在上述输入装置和力传感器的各个实施例中，力传感器包括导电部分，其相对于力传感器的(一个或多个)力传感器电极进行偏转和/或平移。这个导电部分的偏转和/或平移取决于第二衬底相对于输入装置的第一衬底的运动。图7示出第二衬底742以及第二衬底742上的导电部分的布置的多个实施例。具体来说，图7示出设置在非导电第二衬底上的导电部分以及设置在导电第二衬底上的非导电部分的功能等效性(可互换性)。

图7示出示范第二衬底的两个不同实施例。在一个实施例中，折线左边所示的是导电的第二衬底742。在另一个实施例中，折线右边所示的是非导电的第二衬底742。虽然有可能具有带相似性质(例如，半导电和半非导电)的第二衬底，但是图7主要示出任一个实施例中的第二衬底的功能和设计。图7还示出按照图2-6所述的力传感器的实施例的四个力传感器(750-1、750-2、750-3、750-4)。每个力传感器包括设置在第一衬底上的至少一个力传感器电极(为了清楚起见而未示出，但是与图2-6的第一衬底(例如241、341等)相似)。至少一个力电极的区域在图7的全部四个力传感器中示为虚线。如上所述，输入装置的每个力传感器配置成形成与第二衬底的导电部分的至少一个可变电容。以下描述示出这个导电部分的可能布置。

在第一实施例中，图7的第一力传感器750-1包括至少一个力传感器电极751-1，以及导电的第二衬底742包括非导电部分754-1。在一些实施例中，这个非导电部分754-1可以是第二衬底中的孔径或者设置在第二衬底上的绝缘体。因此，第一力传感器电极751-1部分重叠导电衬底742的非导电部分754-1和导电部分。响应第二衬底沿第一方向(例如方向764)相对于第一衬底(未示出)以及至少一个力传感器电极751-1的运动，至少一个力传感器电极751-1与衬底742的导电部分之间的重叠面积发生变化。这引起至少一个力传感器电极751-1与第二衬底742的导电部分之间形成的可变电容的变化。具体来说，沿第一方向764的运动将引起第二衬底742的非导电部分754-1之间更大/更小的重叠面积，并且因而引起第二衬底742的导电部分与至少一个力传感器电极751-1之间的对应更小/更大的重叠面积。可变电容的变化的测量可用来确定第一衬底(未示出)与第二衬底742之间的横向运动量。

在第二实施例中，图7的第二力传感器750-2包括至少一个力传感器电极751-2，以及导电的第二衬底742包括非导电部分754-2。在一些实施例中，非导电部分754-2可以是第二衬底上的孔径或者设置在第二衬底上的绝缘体。因此，第二力传感器电极751-2部分重叠导电衬底742的非导电部分754-2和导电部分。响应第二衬底沿第一方向(例如方向764)相对于第一衬底(未示出)以及至少一个力传感器电极751-2的运动，至少一个力传感器电极751-2与衬底742的导电部分之间的重叠面积发生变化。这将引起至少一个力传感器电极751-2与第二衬底742的导电部分之间形成的可变电容的变化。

在第三实施例中，图7的第三力传感器750-3包括至少一个力传感器电极751-3以及设置在非导电第二衬底742上的导电部分756-3。因此，第三力传感器电极751-3部分重叠非导电衬底742的导电部分756-3。响应第二衬底沿第一方向(例如方向764)相对于第一衬底(未示出)以及至少一个力传感器电极751-3的运动，至少一个力传感器电极751-3与第二衬底742的导电部分756-3之间的重叠面积发生变化。这引起至少一个力传感器电极751-3与第二衬底742的导电部分756-3之间形成的可变电容的变化。具体来说，沿第一方向764的运动引起第二衬底742的导电部分756-3与至少一个力传感器电极751-3之间更大/更小的重叠面积，从而改变力传感器750-3的可变电容。可变电容的变化的测量可用来确定第一衬底(未示出)与第二衬底742之间的横向运动量。

在第四实施例中，图7的第四力传感器750-4包括至少一个力传感器电极751-4以及设置在非导电第二衬底742上的导电部分756-4。因此，第四力传感器电极751-4部分重叠非导电衬底742的导电部分756-4。响应第二衬底沿第一方向(例如方向764)相对于第一衬底(未示出)以及至少一个力传感器电极751-4的运动，至少一个力传感器电极751-4与第二衬底742的导电部分756-4之间的重叠面积发生变化。这引起至少一个力传感器电极751-4与第二衬底742的导电部分756-4之间形成的可变电容的变化。具体来说，沿第一方向764的运动引起第二衬底742的导电部分756-3与至少一个力传感器电极751-4之间更大/更小的重叠面积，从而改变力传感器750-4的可变电容。可变电容的变化的测量可用来确定第一衬底(未示出)与第二衬底742之间的横向运动量。

在本文所述的全部实施例中，多种不同材料和技术能够用来形成各种电极。例如，第一、第二、第三和/或第四电极能够使用多种材料沉积技术来形成。作为其他示例，诸如金属或导电氧化物之类的导电材料可溅射或电镀在衬底上，并且经过蚀刻以留下预期电极图案。在其他示例中，电极材料能够例如通过丝网印刷直接印制在衬底上。在又一示例中，电极材料可直接嵌入对应衬底中。最后，在又一些实施例中，电极结构可单独形成，并且然后附连到适当衬底。

此外，在本文所述的各个实施例中，设置在第一衬底上的力传感器电极用来确定施加到输入装置的输入表面的旋转和/或横向力。在如上所述的一些实施例中，对输入装置的输入表面所赋予的垂直力可能因第一与第二衬底之间的耦合机构的机械布置而没有赋予第一衬底与第二衬底之间的任何相对运动。这种布置可以是有益的，因为垂直位移所需的空间允许更薄的输入装置。但是，测量对输入表面的外加力的法向分量的期望可单独通过第一衬底来促进。例如，在一个实施例中，第一衬底可包括传感器电极的第一、第二和第三阵列，其中第一和第二阵列用来确定与感测区中的输入物体有关的位置信息。第三阵列以及传感器电极的第一和第二阵列的至少一个能够用来测量施加到输入表面的法向力。例如，第一衬底可包括柔顺组件(其中包括传感器电极的第一和第二阵列)以及可压缩组件(其将柔顺组件与传感器电极的第三阵列分隔)。响应施加到输入表面的力，柔顺组件可朝传感器电极的第三阵列偏转，从而引起第一和第二阵列的至少一个与传感器电极的第三阵列之间的电容耦合的变化。电容耦合的变化的测量能够用来确定对输入表面所赋予的力的法向分量。所确定法向分量可采用所确定横向和/或旋转分量(如力传感器电极所确定)来补充，以提供感测区中的输入物体的力信息。

多种材料可用于输入装置中的各种其他衬底。可使用常用衬底材料，例如聚酰亚胺(以名称销售)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯、玻璃纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、金属、塑料、玻璃等。多种材料可用来提供输入装置中的电极。作为具体示例，各种电极可使用诸如ITO(氧化铟锡)、银或碳导电墨水和铜之类的导电材料来形成图案。此外，在形成电极中可使用任何适当的图案形成过程，包括溅射沉积、印刷和蚀刻。

因此提供一种电容输入装置，其配置成感测感测区中的输入物体。该电容输入装置包括：第一衬底，具有由感测区所重叠的输入表面；以及第二衬底，在物理上耦合到第一衬底。第一衬底还包括：至少一个传感器电极，配置成以电容方式检测感测区中的输入物体；力传感器电极的第一子集；以及力传感器电极的第二子集。第二衬底包括至少一个导电部分，其配置成响应施加到输入表面的横向力而相对第一衬底横向移动。

一种用于输入装置的处理系统包括传感器模块和确定模块。该处理系统的传感器模块配置成操作设置在第一衬底上的至少一个传感器电极，以便检测输入装置的感测区中的输入物体。例如，传感器模块可配置成使用至少一个传感器电极来执行绝对和/或跨电容感测，以感测该感测区中的输入物体。传感器模块还配置成使用设置在第二衬底上的多个力传感器电极来执行绝对和/或跨电容感测。在一个实施例中，传感器模块配置成使用来自多个力传感器电极的第一子集的第一力传感器电极来传送发射器信号。处理系统还配置成使用来自多个力传感器电极的第二子集的第一力传感器电极来接收所产生信号。

处理系统的确定模块可配置成基于在多个力传感器电极的第二子集的第一力传感器电极所接收的第一所产生信号来确定第一力值。第一所产生信号基于第一子集的至少一个力传感器电极、第二子集的第一力传感器电极与第二衬底的第一导电部分之间的电容耦合。确定模块还配置成基于根据第一衬底响应施加到输入表面的横向力而相对于第二衬底的横向运动的第一所产生信号的变化来确定第一力值。

处理系统的确定模块可配置成基于在多个力传感器电极的第二子集的第二力传感器电极所接收的第二所产生信号来确定第二力值。第二所产生信号基于第一子集的至少一个力传感器电极、第二子集的第二力传感器电极与第二衬底的第二导电部分之间的电容耦合。确定模块还配置成基于根据第一衬底响应施加到输入表面的力而相对于第二衬底的横向运动的第二所产生信号的变化来确定第二力值。

处理系统的确定模块还可配置成基于第一和第二力值来确定施加到输入表面的横向力。确定模块还可配置成使用至少一个传感器电极来确定感测区中的输入物体的位置信息，并且基于位置信息、第一力值和第二力值来确定感测区中的输入物体的力信息。

在一些实施例中，处理系统的确定模块还可配置成基于在力传感器电极的第二子集的第三力传感器电极所接收的第三所产生信号来确定第三力值。第三所产生信号基于第一子集的至少一个力传感器电极、第二子集的第三力传感器电极与第二衬底的第二导电部分之间的电容耦合。确定模块还配置成基于根据第一衬底响应施加到输入表面的力而相对于第二衬底的垂直运动的第三所产生信号的变化来确定第三力值。

确定模块可配置成基于第一、第二和第三力值的至少一个来确定施加到输入表面的横向力。在一个实施例中，确定模块配置成确定沿第一和第二方向施加到输入表面的横向力分量。沿第一方向的横向力分量基于第一和第三力值。沿第二方向的横向力分量基于第二和第三力值。

在一些实施例中，确定模块还配置成基于在力传感器电极的第二子集的第三力传感器电极所接收的第三所产生信号来确定第三力值。第三所产生信号基于第一子集的至少一个传感器电极、第二子集的第三力传感器电极与第二衬底的第三导电部分之间的电容耦合。确定模块还配置成基于根据第一衬底响应施加到输入表面的力而相对于第二衬底的旋转运动的第三所产生信号的变化来确定第三力值。

在一些实施例中，处理系统可配置成基于所确定力信息来实现用户界面动作。例如，处理系统可基于所确定位置和力信息来实现显示器上的GUI的使用。在一些实施例中，处理系统可配置成响应施加到输入表面的横向、垂直和旋转力和/或横向和旋转力的不同方向而实现不同的界面动作。因此，横向力信息可用于摇摄、导航等。旋转力信息能够用来旋转界面元素或者实现类似导向的功能性。多种独特界面动作能够映射到处理系统所测量的横向、旋转和/或垂直力的动态或静态测量。

因此，提供本文所提出的实施例和示例，以说明本发明及其各种应用，并且使本领域的技术人员能够实施和利用本发明。但是，本领域的技术人员将会知道，仅为了便于说明和举例而提供以上描述和示例。如所提出的描述不是意在涵盖本发明的各个方面或者将本发明局限于所公开的精确形式。

Claims (20)

1.一种具有感测区的输入装置，该感测区与所述输入装置的输入表面重叠，所述输入装置包括：

第一衬底；

第二衬底，在物理上耦合到所述第一衬底；

设置在所述第一衬底上的至少一个传感器电极，所述至少一个传感器电极配置成检测所述感测区中的输入物体；

第一力传感器，包括：

设置在所述第一衬底上的第一力传感器电极；以及

与所述第一力传感器电极电容地耦合的所述第二衬底的第一导电部分，所述第一导电部分配置成相对于所述第一力传感器电极移动，使得所述第一力传感器的第一可变电容响应沿与所述触摸表面平行的第一方向施加到所述输入表面的力而发生变化；以及

第二力传感器，包括：

设置在所述第一衬底上的第二力传感器电极；以及

与所述第二力传感器电极电容地耦合的所述第二衬底的第二导电部分，所述第二导电部分配置成相对于所述第二力传感器电极移动，使得所述第二力传感器的第二可变电容响应沿与所述第一方向不同并且与所述输入表面平行的第二方向施加到所述输入表面的力而发生变化。

2.如权利要求1所述的输入装置，其中，沿与所述输入表面垂直的方向施加到所述输入表面的力将所述第一力传感器电极相对于所述第一导电部分移动以及将所述第二力传感器电极相对于所述第二导电部分移动，并且改变所述第一和第二可变电容的至少一个。

3.如权利要求1所述的输入装置，所述第一力传感器还包括：

所述第一力传感器电极与所述第一导电部分之间的第一重叠面积，所述第一重叠面积配置成响应所述第一衬底与所述第二衬底之间的平行相对运动而改变。

4.如权利要求3所述的输入装置，所述第二力传感器还包括：

所述第二力传感器电极与所述第二导电部分之间的第二重叠面积，所述第二重叠面积配置成响应所述第一衬底与所述第二衬底之间的平行相对运动而保持基本上恒定。

5.如权利要求3所述的输入装置，所述第二力传感器还包括：

所述第二力传感器电极与所述第二导电部分之间的第二重叠面积，所述第二重叠面积配置成响应所述第一衬底与所述第二衬底之间的旋转相对运动而改变。

6.如权利要求1所述的输入装置，其中，所述第二衬底由导电材料组成，以及所述第一力传感器还包括：

所述第一力传感器电极与所述第二衬底中形成的孔径之间的第一重叠面积，其中沿与所述输入表面平行的方向所施加的力改变所述第一重叠面积，并且改变所述第一可变电容。

7.如权利要求1所述的输入装置，其中，所述第一力传感器的所述第二衬底的所述第一导电部分包括设置在所述第二衬底上的导电材料。

8.如权利要求1所述的输入装置，所述第二力传感器还包括：

设置在所述第一衬底上的第三第一力传感器电极，所述第三力传感器电极电容地耦合到所述第二力传感器电极，并且配置成相对于所述第二导电部分移动，使得所述第二可变电容响应所述第一衬底与所述第二衬底之间的平行相对运动而发生变化。

9.如权利要求1所述的输入装置，还包括：

处理系统，在通信上耦合到所述至少一个传感器电极以及所述第一和第二力传感器电极，所述处理系统配置成：

确定所述感测区中的输入物体的位置信息；

基于所述第一可变电容来确定第一电容值并且基于所述第二可变电容来确定第二电容值；以及

使用所述第一和第二电容值来确定施加到所述输入表面的所述力的力信息。

10.一种包括感测区的输入装置，所述感测区与所述输入装置的输入表面重叠，所述输入装置包括：

设置在第一衬底上的至少一个传感器电极，所述至少一个传感器电极配置成检测所述输入装置的所述感测区中的输入物体；

设置在所述第一衬底上的多个力传感器电极，所述第一衬底在物理上耦合到第二衬底，并且配置成相对于所述第二衬底移动；

第一可变电容，包括：

设置在所述第一衬底上的所述多个力传感器电极的至少一个力传感器电极与所述第二衬底的第一导电部分之间的电容耦合；

第二可变电容，包括：

设置在所述第一衬底上的所述多个力传感器电极的至少一个力传感器电极与所述第二衬底的第二导电部分之间的电容耦合；

其中沿与所述输入表面平行的第一方向施加到所述输入表面的力将所述第一衬底相对于所述第二衬底移动，并且改变所述第一和第二可变电容的至少一个。

11.如权利要求10所述的输入装置，其中，所述第一可变电容响应沿与所述输入表面平行的第一方向施加到所述输入表面的所述力而保持基本上恒定，其中所述第一衬底相对于所述第二衬底的移动包括平行相对运动。

12.如权利要求11所述的输入装置，其中，沿与所述输入表面垂直的方向施加到所述输入表面的力将所述第一衬底相对于所述第二衬底移动，并且改变第一可变电容。

13.如权利要求12所述的输入装置，其中，所述第二可变电容响应沿与所述输入表面垂直的方向施加到所述输入表面、引起所述第一衬底相对于所述第二衬底的移动的所述力而保持基本上恒定。

14.如权利要求10所述的输入装置，其中，所述第一可变电容包括：

设置在所述第一衬底上的所述多个力传感器电极的至少两个力传感器电极与所述第二衬底的所述第一导电部分之间的电容耦合；以及

其中所述第二可变电容包括：

设置在所述第一衬底上的所述多个力传感器电极的至少两个力传感器电极与所述第二衬底的所述第二导电部分之间的电容耦合。

15.如权利要求10所述的输入装置，还包括：

第三可变电容，包括：

设置在所述第一衬底上的所述多个力传感器电极的至少一个力传感器电极与所述第二衬底的第三导电部分之间的电容耦合；以及

其中所述第一与第二衬底之间响应沿与所述输入表面平行的所述第一方向所施加的所述力的旋转相对移动改变所述第三可变电容。

16.一种用于输入装置的处理系统，所述输入装置包括由感测区所重叠的输入表面；所述处理系统包括：

传感器模块，包括力传感器电路，所述传感器模块配置成：

操作设置在所述输入装置的第一衬底的第一表面的至少一个传感器电极，以便以电容方式检测所述感测区中的输入物体；

使用设置在所述第一衬底的第二表面上的多个力传感器电极的第一子集来传送发射器信号，所述第二表面与所述第一表面相对；

使用设置在所述第二表面上的所述多个力传感器电极的第二子集来接收所产生信号；

确定模块，配置成：

基于在所述第二子集的第一力传感器电极所接收的第一所产生信号来确定第一力值，其中所述第一所产生信号响应物理上耦合到所述第一衬底并且配置成相对于所述第一衬底移动的第二衬底的第一导电部分的横向运动而改变，所述第一导电部分设置成与所述第二子集的所述第一力传感器电极相对；

基于在所述第二子集的第二力传感器电极所接收的第二所产生信号来确定第二力值，其中所述第二所产生信号响应所述第二衬底的第二导电部分的横向运动而改变，所述第二导电部分设置成与所述第二子集的所述第二力传感器电极相对；以及

基于所述第一和第二力值来确定施加到所述输入表面的横向力。

17.如权利要求16所述的处理系统，其中，所述确定模块还配置成：

使用所述至少一个传感器电极来确定所述感测区中的输入物体的位置信息；

基于所述位置信息、所述第一力值和所述第二力值来确定所述感测区中的输入物体的力信息；以及

基于所述所确定力信息来实现用户界面动作。

18.如权利要求16所述的处理系统，其中，所述确定模块还配置成：

基于在所述第二子集的第三力传感器电极所接收的第三所产生信号来确定第三力值，其中所述第三所产生信号响应所述第二衬底的所述第二导电部分的垂直运动而改变，所述第二导电部分设置成与所述第二子集的所述第三力传感器电极相对；以及

基于所述第一、第二和第三力值来确定施加到所述输入表面的所述横向力。

19.如权利要求18所述的处理系统，其中，所述确定模块配置成通过下列步骤来确定施加到所述输入表面的所述横向力：

基于所述第一和第三力值来确定沿第一方向到所述输入表面的横向力分量；以及

基于所述第二和第三力值来确定沿第二方向到所述输入表面的横向力分量。

20.如权利要求16所述的处理系统，其中，所述确定模块还配置成：

基于在所述第二子集的第三力传感器电极所接收的第三所产生信号来确定第三力值，其中所述第三所产生信号响应所述第二衬底的第三导电部分的横向运动而改变，所述第三导电部分设置成与所述第二子集的所述第三力传感器电极相对；以及

基于至少所述第一和第三力值来确定施加到所述输入表面的旋转力。