CN105278735B - 采用力成像的接近感测的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

描述用于操作电子系统的方法、系统和装置，该电子系统包括柔顺组件，其具有输入表面、传感器电极的第一阵列、传感器电极的第二阵列和传感器电极的第三阵列。输入装置还包括与柔顺组件分隔开的导电衬底以及布置在柔顺组件与导电衬底之间的顺应性组件。响应输入物体在输入表面上所施加的压力，柔顺组件和传感器电极的第一、第二、第三阵列局部变形并且顺应性组件局部压缩，使得导电衬底与来自第一、第二和第三阵列的每个的至少一个电极之间的间距减小。

Description

采用力成像的接近感测的装置和方法
技术领域
一般来说，本发明涉及电子装置，以及更具体来说，涉及传感器装置并且将传感器装置用于产生用户界面输入。
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，在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，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。
一些输入装置除了确定与输入装置的感测区进行交互的输入物体的“X-Y”坐标信息之外，还具有检测沿“Z”方向的外加力的能力。但是，在当前已知的力/接近输入装置中，各种触摸和力电极布置在两个或更多衬底上，由此增加当前已知的力使能的输入装置的成本和复杂度。因此需要一种具有降低制造成本和复杂度的接近传感器。
发明内容
本发明的实施例提供促进改进装置可用性的装置和方法。装置和方法通过在战略上将触摸感测和力感测电极布置在单个柔顺(pliable)衬底(或层压板)上，来提供改进的用户界面功能性，其带有将衬底与导电层分隔的顺应性组件(compliant component)。响应外加力，触摸和力电极向导电层移动，按照可检测方式来改变力电极与导电层之间的电容。其他实施例包括附加浮动电极层，其布置在力电极与导电层之间，以增强力感测电极的可变电容以及因此改变压力灵敏度。可置换空气隙也可布置在力像素与导电衬底之间，并且配置成响应外加压力而增加力像素的电容率并且因此增加力响应。
附图说明
下面将结合附图来描述本发明的优选示例性实施例，其中，相似的标号表示相似的元件，以及附图包括：
图1是按照一实施例的、包括输入装置和处理系统的示例性电子系统的框图；
图2是示出按照本发明的一实施例的触摸传感器和/或力传感器像素的示例性电极阵列的示意图；
图3是按照一实施例的、包括柔顺电极层、导电衬底以及布置在它们之间的顺应性组件的输入传感器层叠的示意截面图；
图4是按照一实施例的、图3的输入传感器层叠的示意截面图，示出响应外加压力的电极层的局部变形和顺应性组件的局部压缩；
图5是按照一实施例的、包括柔顺电极层压层(其包括力像素并且承载柔顺面板)、与电极层相对的导电层和弹性层(布置在它们之间，具有隔离点)的输入传感器层叠的示意截面图；以及
图6是按照一实施例的、还包括覆盖力像素的浮动电极层的、图5的层叠的示意截面图。
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、背景技术、发明内容或者以下具体实施例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输入装置和方法，其促进简单构造、降低成本和增强力感测能力，从而产生改进的可用性。通过将三个电极阵列(触摸接收器、力接收器和公共发射器)布置在单个衬底或层压板上，可降低装置成本和复杂度。响应外加压力，柔顺电极衬底在外加力附近变形，使得全部三个电极阵列在没有各自阵列之间的可感知相对移动的情况下移动。也就是说，触摸像素和力像素一致地向导电衬底移动，由此促进力像素与导电衬底之间的力感测，而无需损害触摸(位置)感测。
通过为输入装置提供在外加力附近局部可压缩的顺应性(例如弹性)层，从而减小力像素与导电衬底之间的距离，由此影响力像素与导电衬底之间的可变电容，可促进力灵敏度。作为力像素与导电衬底之间的上述交互的补充或替代，空气隙(例如通过隔离点或微结构所形成)可配置成局部顺应在力像素周围，由此响应外加压力而增加接近力像素的介电常数(电容率)。具体来说，由于空气从包围或接近力像素的体积被置换，所以局部介电常数变成通过与间隔结构和/或弹性材料(其填充所置换空气体积)关联的相对较高介电常数来支配。介电常数的这个变化响应在输入表面的外加压力而促进增强的力成像。
在其他实施例中，浮动电极层可放置在力像素与导电衬底之间。在一个实施例中，浮动层包括欧姆隔离的浮动孤岛(每一个排在相应的力像素之上)阵列。这样，可减轻隔离点(其趋向于响应外加压力而增加与力像素关联的可变电容)与力像素和导电衬底间的减小距离(其趋向于响应外加压力而降低与力像素关联的可变电容)之间的竞争效应。具体来说，覆盖力像素的浮动电极有效地掩蔽变化介电常数的电效应免受与力像素关联的可变电容影响。因此，浮动电极的添加减轻上述竞争行为，从而与没有浮动电极的相同层叠相比，引起响应外加压力的力像素的可变电容的较大变化。
现在来看附图，图1是按照本发明的实施例的示例性输入装置100的框图。输入装置100可配置成向电子系统(未示出)提供输入。如本文档所使用的术语“电子系统”(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、平板电脑、网络浏览器、电子书阅读器和个人数字助理(PDA)。附加示例电子系统包括复合输入装置，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(包括遥控器和鼠标)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、便携式游戏装置等)。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、编辑器和诸如电视机、机顶盒、音乐播放器的播放器、数码相框和数码相机)。另外，电子系统可以是输入装置的主机或从机。
输入装置100可以实现为电子系统的物理部分，或者可以与电子系统在物理上分隔。视情况而定，输入装置100可利用下述的任一项或多项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。
在一优选实施例中，输入装置100实现为力使能触摸板系统，其包括处理系统110和感测区120。感测区120(又常常称作“触摸板”)配置成感测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、拇指、手掌和触控笔。感测区120按图示例示为矩形，但是，应当理解，感测区可在触摸板的表面上具有任何便利形式并且按照任何预期布置，和/或以其他方式与触摸板集成。
感测区120包括用于检测力和接近性的传感器，如以下结合图2更详细描述。感测区120可包含输入装置100之上(例如悬浮)、周围、之中和/或附近的任何空间，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、形状和位置可以逐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。在各种实施例中，这个感测区120沿特定方向延伸的距离可以大约小于一毫米、数毫米、数厘米或更多，并且可随所使用的感测技术的类型和预期的精度而极大地改变。因此，一些实施例感测输入，其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、与耦合一定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。在各种实施例中，输入表面可由传感器电极位于其中的壳体的表面，由应用在传感器电极或者任何壳体之上的面板来提供等。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。
输入装置适合通过响应所感测物体的位置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，处理系统配置成确定由感测区中的传感器所感测的物体的位置信息。这个位置信息可随后由系统使用来提供大范围的用户界面功能性。此外，处理系统配置成从感测区中的传感器所确定的力的量度来确定物体的力信息。这个力信息也可随后由系统使用来提供大范围的用户界面功能性，例如通过响应由物体在感测区中的外加力的不同等级而提供不同用户界面功能。此外，处理系统可配置成确定在感测区中感测的一个以上物体的输入信息。输入信息可基于力信息、位置信息、感测区中和/或与输入表面相接触的输入物体的数量以及一个或多个输入物体触摸或接近输入表面的时长的组合。输入信息可随后由系统使用来提供大范围的用户界面功能性。
输入装置对一个或多个输入物体(例如手指、触控笔等)的输入敏感，例如感测区中的输入物体的位置。感测区包含输入装置之上、周围、之中和/或附近的任何空间，在其中输入装置能够检测用户输入(例如由一个或多个输入物体所提供的用户输入)。特定感测区的尺寸、形状和位置可以逐个实施例极大地改变。在一些实施例中，感测区沿一个或多个方向从输入装置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。在各种实施例中，这个感测区沿特定方向所延伸的距离可以是大约小于一毫米、数毫米、数厘米或更多，并且可随所使用的感测技术的类型和预期的精度而极大地改变。因此，一些实施例感测输入，其包括没有与输入装置的任何表面相接触、与输入装置的输入表面(例如触摸表面)相接触、与耦合某个量的外加力的输入装置的输入表面相接触和/或它们的组合。在各种实施例中，输入表面可由传感器电极位于其中的壳体的表面，由应用在传感器电极或者任何壳体之上的面板来提供。
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中或者以其他方式与触摸板关联的用户输入(例如力、接近性)。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可使用电容性、电阻性、电感性、磁、声、超声和/或光学技术。
在输入装置100的一些电阻性实现中，柔顺且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，一个或多个电压梯度跨多层产生。按压柔顺第一层可使其充分弯曲而产生多层之间的电接触，导致反映多层之间的接触点的电压输出。这些电压输出可用于确定位置信息。
在输入装置100的一些电感性实现中，一个或多个感测元件获得由谐振线圈或线圈对引起的环路电流。电流的幅值、相位和频率的某个组合可随后用来确定位置信息。
在输入装置100的一些电容性实现中，施加电压以产生电场。附近的输入物体引起电场的变化，并且产生电容性耦合的可检测变化，其可作为电压、电荷等的变化来检测。
一些电容性实现利用电容性感测元件的阵列或者其他规则或不规则图案来产生电场。在一些电容性实现中，独立感测元件可欧姆地短接在一起，以形成更大传感器电极。一些电容性实现利用电阻片，其可以是电阻均匀的。
一些电容性实现利用基于传感器电极与输入物体之间的电容性耦合的变化的“自电容”或(或“绝对电容”)感测方法。在各种实施例中，传感器电极附近的输入物体改变传感器电极附近的电场，因而改变所量得的电容性耦合。在一个实现中，绝对电容感测方法通过相对基准电压(例如系统接地)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性耦合来进行操作。
一些电容性实现利用基于传感器电极之间的电容性耦合的变化的“互电容”(或“跨电容”)感测方法。在各种实施例中，传感器电极附近的输入物体改变传感器电极之间的电场，因而改变所量得的电容性耦合。在一个实现中，跨电容性感测方法通过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”)之间的电容性耦合来进行操作。发射器传感器电极可相对于基准电压(例如系统接地)来调制，以传送发射器信号。接收器传感器电极可相对于基准电压大体上保持恒定，以促进结果信号的接收。结果信号可包括对应于一个或多个发射器信号和/或对应于一个或多个环境干扰源(例如其他电磁信号)影响。传感器电极可以是专用的发射器或接收器，或者可配置成既传送又接收。
还应当理解，输入装置可采用多种不同的方法来实现，以确定给予到输入装置的输入表面上的力。例如，输入装置可包括接近输入表面布置并且配置成表示施加到输入表面上的绝对的力或力变化的电信号的机构。在一些实施例中，输入装置可配置成基于输入表面相对于固定导体(例如输入表面下的显示屏幕)的弯曲来确定力信息。在一些实施例中，输入表面可配置成关于一个或多个轴弯曲。在一些实施例中，输入表面可配置成按照大体上均匀或者不均匀方式弯曲。
图1中，处理系统110示为输入装置100的部件。但是，在其他实施例中，处理系统可位于触摸板与其配合操作的主电子装置中。处理系统110配置成操作输入装置100的硬件，以检测来自感测区120的各种输入。处理系统110包括一个或多个集成电路(IC)和/或其他电路组件的部分或全部。例如，用于互电容传感器装置的处理系统可包括：发射器电路，配置成以发射器传感器电极来传送信号；和/或接收器电路，配置成以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的组件定位在一起，例如在输入装置100的感测元件附近。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可包括配置成在台式计算机的中央处理单元上运行的软件以及与该中央处理单元分隔的一个或多个IC(也许具有关联固件)。作为另一个示例，输入装置100可在物理地集成到电话中，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可实现为处理处理系统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。在各种实施例中，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之类的手势；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)。示例动作包括改变操作模式以及诸如光标移动、选择、菜单导航和其他功能的图形用户界面(GUI)动作。在一些实施例中，处理系统110向电子系统的某个部件(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)提供关于输入(或者没有输入)的信息。在一些实施例中，电子系统的某个部件处理从处理系统110所接收的信息，以按用户输入进行驱动，例如促进全范围的动作，包括模式变更动作和GUI动作。动作的类型可包括但不限于指向、叩击、选择、点击、双击、平移、缩放和滚动。可能动作的其他示例包括动作(例如点击、滚动、缩放或平移)的发起和/或速率或速度。
例如，在一些实施例中，处理系统110操作输入装置100的感测元件，以产生指示感测区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量的处理。例如，处理系统110可对从传感器电极获得的模拟电信号进行数字化。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计及基线，使得信息反映电信号与基线之间的差。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。
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、加速度以及特别是与感测区中的输入物体的存在有关的其他类型的空间信息。示例性“零维”位置信息包括近/远或接触/无接触信息。示例性“一维”位置信息包括沿轴的位置。示例性“二维”位置信息包括平面中的运动。示例性“三维”位置信息包括空间中的瞬时或平均速度。进一步的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”意在广义地包含与格式无关的力信息。例如，力信息可以作为向量或纯量为各输入物体来提供。作为另一个示例，力信息可以作为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，包括将接近传感器装置用作用于选择、光标控制、滚动和其他功能的指向装置。
同样，如本文所使用的术语“输入信息”意在广义地包含对任何数量的输入物体的、与格式无关的、时间、位置和力信息。在一些实施例中，输入信息可对单独输入物体来确定。在其他实施例中，输入信息包括与输入装置进行交互的输入物体的数量。
在一些实施例中，输入装置100采用由处理系统110或者由某个其他处理系统所操作的附加输入组件来实现。这些附加输入组件为感测区120中的输入提供冗余功能性或者某个其他功能性。例如，按钮130可放置在感测区120附近，并且用来促进使用输入装置102的项目的选择。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，电子系统100包括触摸屏界面，并且感测区120覆盖显示屏幕的有源区的至少一部分。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，虽然本发明的许多实施例在全功能设备的上下文中描述，但是本发明的机理能够作为多种形式的程序产品(例如软件)来分配。例如，本发明的机理可作为电子处理器可读的信息承载介质(例如，处理系统110可读的非暂时计算机可读和/或可记录/可写的信息承载介质)上的软件程序来实现和分配。另外，无论用于执行分配的介质的特定类型，本发明的实施例同样适用。非暂时性、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。
还应当理解，输入装置可采用多种不同方法来实现，以确定给予到输入装置的输入表面上的力。例如，输入装置可包括接近输入表面布置并且配置成表示施加到输入表面上的绝对的力或力的变化的电信号的机构。在一些实施例中，输入装置可配置成基于输入表面相对于导体(例如输入表面下的显示屏幕)的弯曲来确定力信息。在一些实施例中，输入表面可配置成关于一个或多个轴弯曲。在一些实施例中，输入表面可配置成按照基本上均匀或者不均匀方式弯曲。
如上所述，在一些实施例中，电子系统的某个部分处理从处理系统所接收的信息，以确定输入信息，并且按用户输入动作、例如促进全范围的动作。例如，在一些实施例中，输入物体的输入信息(包括力值F、位置X、Y以及接触时间T)可引起第一动作。虽然输入物体的输入信息(包括力值F’、位置X’、Y’以及接触时间T’)(其中符号值与非符号值唯一地不同)也可引起第一动作。此外，输入物体的输入信息(包括力值F、位置X’、Y以及接触时间T’)可引起第一动作。虽然以下示例描述可基于包括力、位置等的值的特定范围的输入信息来执行的动作，但是应当领会，不同输入信息(如上所述)可引起相同动作。此外，相同类型的用户输入可基于输入信息的分量来提供不同功能性。例如，F、X/Y和T的不同值可引起相同类型的动作(例如平移、缩放等)，那种类型的动作可基于所述值或其他值(例如更快地缩放、更慢地平移等)以不同方式来表现。
如上所述，本发明的实施例能够采用用于检测力和/或位置信息的电容性传感器电极的多种不同类型和布置来实现。列举几个示例，输入装置能够采用在多个衬底层上形成的电极阵列来实现，其中典型地，用于沿一个方向(例如“X”方向)进行感测的电极形成于第一层，而用于沿第二方向(例如“Y”方向)进行感测的电极形成于第二层。在其他实施例中，用于X和Y感测的传感器电极能够形成于同一层上。在又一些实施例中，传感器电极能够被布置仅沿一个方向感测，例如要么沿X要么沿Y方向进行感测。在又一个实施例中，传感器电极能够被布置按极坐标来提供位置信息，例如“r”和“θ”(作为一个示例)。在这些实施例中，传感器电极本身通常按圆或者其他环形的形状来布置以提供“θ”，其中个体传感器电极的形状用来提供“r”。
另外，能够使用多种不同的传感器电极形状，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能够用来形成传感器电极。作为一个示例，通过在衬底上导电油墨的沉积来形成传感器电极。
在一些实施例中，输入装置包括传感器装置，其配置成检测用户与装置进行交互的接触区域和位置。输入传感器装置还可配置成检测与用户有关的位置信息，例如手和任何手指相对于传感器装置的输入表面(或者感测区)的位置和移动。
在一些实施例中，输入装置用作间接交互装置。间接交互装置可控制与输入装置(例如膝上型计算机的触摸板)分离的显示器上的GUI动作。在一个实施例中，输入装置可作为直接交互装置进行操作。直接交互装置控制位于接近传感器(例如触摸屏)之下的显示器上的GUI动作。间接的与直接的之间存在各种适用性差异，其许多可混淆或防止输入装置的完全操作。例如，通过在接近传感器之上移动输入物体，间接输入装置可用来将光标定位在按钮之上。这间接地进行，因为输入的运动没有覆盖显示器上的响应。在类似情况下，通过将输入物体直接放置在触摸屏上的预期按钮之上或上面，直接交互装置可用来将光标定位在按钮之上。
继续参照图1，处理系统110包括传感器模块和确定模块。传感器模块配置成从与感测区120关联的传感器接收结果信号。确定模块配置成处理数据，并且确定位置信息和力信息。本发明的实施例可以用来实现主机装置上的多种不同能力。具体来说，它可以用来实现光标定位、滚动、拖曳、图标选择、关闭桌面的窗口、使计算机进入睡眠模式或者执行任何其他类型的模式切换或界面动作。
图2示出按照一些实施例、配置成感测与接近图案的物体关联位置(或力)的传感器电极图案的一部分。为了说明和描述的清楚起见，图2示出图案(例如阵列)200，其包括定义像素阵列214的多个发射器电极220A-C和多个接收器电极210A-D。在接近感测的上下文中，接收器电极210用作触摸传感器电极，以及像素阵列214产生表示输入物体的位置信息的触摸图像。在力感测的上下文中，接收器电极210用作力传感器电极，以及像素阵列214产生表示输入物体的力信息的力图像。
发射器电极220和接收器电极210典型地相互欧姆地隔离。也就是说，一个或多个绝缘体将发射器电极与接收器电极分隔，并且防止它们相互电短接。在一些实施例中，接收器电极210和发射器电极220通过布置在其之间的交迭区的绝缘材料来分隔；在这样的构造中，电极接合(或像素)可采用连接相同电极的不同部分的跳线来形成。在一些实施例中，发射器电极和接收器电极通过一层或多层绝缘材料来分隔。在一些其他实施例中，发射器和接收器电极通过一个或多个衬底来分隔；例如，它们可布置在同一衬底的相对侧上或者在层压在一起的不同衬底上。此外，传感器电极的一个或多个可以既用于电容感测又用于更新显示器。备选地，传感器电极可在单层设计中实现，其中传感器电极在感测区中没有重叠。
现在参照图3，输入装置300包括柔顺电极层301、可压缩或顺应性层308(例如弹性硅酮)和导电衬底310。电极层301包括感测电极各自的第一、第二和第三阵列302、304和306。在所例示的实施例中，第一阵列302包括多个触摸接收器电极314，第二阵列304包括多个发射器电极303，以及第三阵列306包括多个力接收器电极316。将会领会，各触摸接收器电极314可电容性地耦合到各发射器电极以形成触摸像素，并且每个力接收器电极316可电容性地耦合到各发射器电极以形成力像素。在这个上下文中，触摸图像可包括多个各自的触摸像素314，以及力图像可包括多个各自的力像素316。
现在参照图3和图4，当力像素与导电衬底310之间的距离因外加压力而变化时，与每个力像素316关联的可变电容发生变化。例如，在外加压力不存在(图3)的情况下，每个力像素316布置成离导电衬底310的某个距离312。响应输入物体402所施加的压力(图4)，力像素与导电衬底之间的距离在输入物体附近发生变化。
更具体来说，图4示出输入装置400，其包括柔顺电极层401、顺应性组件408和导电衬底410。柔顺组件401包括感测电极各自的第一、第二和第三阵列402、404和406。在所例示的实施例中，第一阵列402包括多个触摸接收器电极，第二阵列404包括多个发射器电极，以及第三阵列306包括多个力接收器电极。响应外加压力，柔顺组件401以及第一、第二和第三阵列402-406在接近输入物体402的区域444中局部变形，并且顺应性组件408在接近输入物体402的区域422中局部压缩。因此，导电衬底与阵列402-406的至少一个之间的间距(距离)减小。
在所例示的实施例中，三个阵列402-406共同(例如作为单个系统)移动，使得阵列之间的间距没有响应外加压力而可感知地发生变化。结果是，力像素420(在区域422中)与导电衬底410之间的距离424响应外加压力而减小，引起指示外加压力的幅值的力像素的可变电容的可测量变化。还应当注意，导电衬底410与各触摸像素416和各发射器电极420之间的距离类似地响应外加压力而减小。
图5是输入传感器层叠500的示意截面图，其中输入传感器层叠500包括柔顺层501、与柔顺层501相对的导电层510以及具有多个隔离点509、布置在柔顺层501与导电层510之间的弹性层508。柔顺层501可包括配置成作为单个层来响应输入力的单个衬底或层压板，也就是说，柔顺层响应外加压力而局部变形，使得各种电极阵列之间的相对距离保持为基本上恒定。
柔顺层501包括柔顺面板512、触摸像素的第一阵列514、发射器电极的第二阵列516以及力像素的第三阵列518。在所例示的实施例中，第一和第二阵列布置在柔顺(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯、或PET)衬底520的相对侧上，以及第三阵列布置在与衬底520相邻的介电层522上。在一实施例中，导电衬底510可以是在刚性衬底524上支承的连续片电极。在各种实施例中，导电衬底保持在恒定电位，例如保持在局部或系统接地。
响应输入物体526(例如手指、外加压力，非导电或导电触控笔)所施加的压力，外加力附近的一个或多个力像素518局部变形并且移动到更接近导电衬底510，由此改变与一个或多个力像素关联的可测量可变电容。
图5所示的实施例还包括多个隔离点509或者其他微结构，其包括包围或者以其他方式接近力像素的体积中的空气隙511。响应外加压力，空气从包围一个或多个力像素的局部体积中排空，并且由弹性材料508和/或柔顺组件501(其特征可在于大于空气的介电常数)置换。因此，与外加压力的区域中的力像素关联的可变电容按照可测量方式发生变化。但是，本领域的技术人员将会理解，可变电容(▲C)趋向于随着较高介电材料置换空气而增加，而▲C趋向于随着力像素移动到更接近导电衬底而降低。相应地，隔离点的使用在导电衬底不存在的情况下可以是更适当的。备选地，隔离点的电效应可通过浮动电极的附加层来减轻，如以下结合图6所述。
图6是输入传感器层叠600的示意截面图，其中输入传感器层叠600包括柔顺层601、与柔顺层601相对的导电层610以及具有多个隔离点609、布置在柔顺层601与导电层610之间顺应性组件(弹性层)608。柔顺层601可包括单个衬底或层压板，如以上结合图5所述。
柔顺层601包括柔顺面板612、电极的第一阵列614、电极的第二阵列616以及电极的第三阵列618。在所例示的实施例中，第一和第二阵列布置在柔顺(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯、或PET)衬底620的相对侧上，以及第三阵列布置在与衬底620相邻的第一介电层622上。但是，在一些实施例中，传感器电极的第一阵列614可布置在柔顺面板612的一侧上。在一实施例中，第一电极阵列614包括触摸接收器电极阵列，第三阵列618包括力接收器电极阵列，以及第二阵列616包括发射器电极阵列。因此，第二阵列616的电极与第三阵列618的电极形成可变电容，以形成力像素阵列(参见图2)。
响应输入物体626所施加的压力，柔顺层601局部变形，从而使第三阵列618的一个或多个传感器电极(在外加力附近)局部变形，以便局部变形并且移动到更接近导电衬底610，由此降低与一个或多个力像素关联的可测量可变电容。
同时，可测量电容趋向于随着较高介电隔离材料置换所影响力像素附近的空气而增加。为了中和隔离点的电效应，多个浮动电极640可插入力像素618与导电衬底610之间。具体来说，浮动电极层可包括欧姆隔离的浮动孤岛(每一个被设置在相应的力像素618之上)阵列。在所例示的实施例中，浮动电极层是柔顺层601的一部分，通过第二介电层630与其分隔。浮动电极640的存在基本上掩蔽或减轻电介质变化的电效应，同时促进与外加压力附近的力像素关联的可测量▲C的降低。
因此，提供电子系统的输入装置，其包括：具有输入表面的柔顺组件、传感器电极的第一阵列、传感器电极的第二阵列和传感器电极的第三阵列；导电衬底，与柔顺组件分隔开；以及顺应性组件，布置在柔顺组件与导电衬底之间；其中响应输入物体施加到输入表面的压力，柔顺组件以及传感器电极的第一、第二和第三阵列局部变形，并且顺应性组件局部压缩，使得导电衬底与分别来自第一、第二和第三阵列的每个的至少一个电极之间的间距减小。
在一实施例中，导电衬底包括保持在基本上恒定的例如局部或壳体地电位的电位的表面。
在一实施例中，输入装置还包括处理系统，其通信地耦合到传感器电极的第一、第二和第三阵列，并且配置成：将感测信号传送到传感器电极的第二阵列的至少子集上；从传感器电极的第一阵列的至少子集接收包括接近输入表面的输入物体存在的效应的第一结果信号；以及从传感器电极的第三阵列的至少子集接收包括来自输入物体在输入表面上的力的效应的第二结果信号。
在一实施例中，力的效应包括在下列的至少一项之间形成的可变电容的变化：第二阵列中的电极的子集与第三阵列中的电极的子集；以及第三阵列中的电极的子集与导电衬底。
在一实施例中，第一和第二结果信号对应于单个所传送信号。
在一实施例中，处理系统还配置成从至少第一结果信号确定输入物体位置以及从第二结果信号确定输入物体力。
在一实施例中，顺应性组件包括局部可压缩的弹性衬底。
在一实施例中，输入装置还包括凸起结构的阵列，其中凸起结构的阵列布置在下列的至少一项上：弹性衬底，并且延伸到柔顺组件；以及柔顺组件，并且延伸到弹性衬底。
在一实施例中，凸起结构的阵列包括布置在包围凸起结构的阵列的体积中的气体，使得响应输入物体在输入表面上施加压力，弹性衬底和柔顺组件的至少一个配置成变形到该体积的区域中，局部置换气体的至少一部分，并且由此增加与该区域关联的有效介电常数。
在一实施例中，传感器电极的第一和第三阵列沿第一方向定向，以及传感器电极的第二阵列沿与第一方向基本上正交的第二方向定向，并且其中第一阵列的电极基本上覆盖第三阵列的电极。
在一实施例中，输入还包括布置在下列的一项之间的柔性显示器：第一阵列与第二阵列；第二阵列与第三阵列；以及第三阵列与顺应性组件。
在一实施例中，第一阵列和第二阵列布置在柔顺组件的相对侧上，以及第三阵列布置在耦合到柔顺组件的第一绝缘层上。在一些实施例中，柔性显示器可布置在第一和第二阵列之下，但是在传感器电极的第三阵列之上，并且还可包括传感器电极的第四阵列，其配置成与电极的第三阵列电容性耦合，以形成多个力像素。在一些实施例中，也可使用多个浮动电极和导电衬底/片。
在一实施例中，输入装置还包括浮动电极的第四阵列，其插入传感器电极的第三阵列与导电衬底之间。
在一实施例中，第二和第三阵列重叠，以形成多个力像素，此外，其中第四阵列的各浮动电极布置在各自的力像素下面。
在一实施例中，浮动电极的第四阵列布置在下列的至少一项上：柔顺组件的底面，并且通过第二绝缘层与第三阵列分隔；以及顺应性组件的顶面。
在一实施例中，输入装置还包括处理系统，其通信地耦合到传感器电极的第一、第二和第三阵列，并且配置成：将感测信号传送到传感器电极的第二阵列的至少子集上；从传感器电极的第一阵列的至少子集接收包括接近输入表面的输入物体存在的效应的第一结果信号；以及从传感器电极的第三阵列的至少子集接收包括来自输入物体在输入表面上的力的效应的第二结果信号；其中力的效应包括在浮动电极与下列的至少一项之间所形成的可变电容的变化：i)传感器电极的第三阵列的子集；以及ii)导电衬底。
还提供输入装置，其包括：柔顺组件，具有输入表面、触摸接收器电极的第一阵列、发射器电极的第二阵列和力接收器电极的第三阵列；基本上恒定电位的导电衬底，与柔顺组件分隔开；以及可压缩弹性衬底，布置在柔顺组件与导电衬底之间；其中响应输入物体在输入表面上所施加的力，柔顺组件局部变形并且弹性衬底局部压缩，使得第一、第二和第三阵列的相对位置保持基本上恒定。
在一实施例中，输入装置还包括处理系统，其配置成：从传感器电极的第一阵列的至少子集接收包括接近输入表面的输入物体存在的效应的第一结果信号；从传感器电极的第三阵列的至少子集接收包括来自输入物体在输入表面上的力的效应的第二结果信号；以及从至少第一结果信号确定输入物体位置并且从第二结果信号确定输入物体力。
在一实施例中，第二和第三阵列重叠，以形成多个力像素，输入装置还包括多个浮动电极，各布置在力像素各自的一个与导电衬底之间。
还提供一种处理系统，用于与包括下列项的类型的输入装置一起使用：i)柔顺组件，具有输入表面、触摸接收器电极的第一阵列、发射器电极的第二阵列和力接收器电极的第三阵列；ii)恒定电位的导电衬底，与柔顺组件分隔开；以及iii)可压缩弹性衬底，布置在柔顺组件与导电衬底之间，使得响应输入物体在输入表面上施加的力，柔顺组件局部变形并且弹性衬底局部压缩，从而使导电衬底与分别来自第一、第二和第三阵列的每个的至少一个电极之间的间距减小。处理系统通信地耦合到第一、第二和第三阵列，并且配置成：从第一阵列接收第一结果信号，第一结果信号包括接近输入表面的输入物体存在的效应；从第二阵列接收第二结果信号，第二结果信号包括来自输入物体在输入表面上的力的效应；以及从至少第一结果信号确定输入物体位置并且从第二结果信号确定输入物体力。
在一实施例中，输入装置还包括柔性显示器，以及处理系统还配置成使用第一和第二阵列的至少一个来更新柔性显示器。在一些实施例中，柔性显示器可布置在第一和第二阵列之下，但是在传感器电极的第三阵列之上，并且还可包括传感器电极的第四阵列，其配置成与电极的第三阵列电容性耦合，以形成多个力像素。在一些实施例中，也可使用多个浮动电极和导电衬底/片。
因此，提供本文中提出的实施例和示例，以便最好地说明本发明及其特定应用，并且由此使本领域的技术人员能够实施和使用本发明。但是，本领域的技术人员将会知道，上述说明和示例只是用于说明和举例。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。通过所公开的本发明的说明和实施，本领域的技术人员将会清楚地知道本发明的其他实施例、使用和优点。

Claims (14)

1.一种用于电子系统的输入装置，包括：
柔顺组件，包括：
输入表面、
多个发射器电极、
在所述多个发射器电极之上的多个触摸接收器电极、
在所述多个发射器电极之下的力接收器电极、以及
在所述多个力接收器电极的至少一个之下的浮动电极；
导电衬底，与所述柔顺组件分隔开；以及
顺应性组件，其包括多个空气隙并且布置在所述柔顺组件与所述导电衬底之间，其中顺应性组件响应输入物体向所述输入表面所施加的力而局部变形，
其中所述力将所述浮动电极推向所述导电衬底，从而减小所述导电衬底和所述浮动电极之间的间距，并且
其中所述力使多个凸起结构变形到包围所述多个凸起结构的一体积中，从而局部地置换所述体积中的气体并且增加与所述浮动电极和所述导电衬底之间的区域相关联的有效介电常数；以及
通信地耦合到第一多个发射器电极，多个触摸接收器电极和多个力接收器电极的处理系统，并且被配置为：
将感测信号发送到所述多个发射器电极的子集上；
从所述多个触摸接收器电极的子集接收包括接近所述输入表面的输入物体存在的电容效应的第一结果信号；和
从所述多个力接收器电极的子集接收第二结果信号，所述第二结果信号包括增加的有效介电常数和所述浮动电极与所述导电衬底之间的减小的空间的电容效应，
其中所述第一和第二结果信号至少基于传输到所述多个发射器电极的子集上的感测信号。
2.如权利要求1所述的输入装置，其中，所述导电衬底包括保持在基本上恒定电位的表面。
3.如权利要求1所述的输入装置，其中，所述力改变在选自以下的组中的至少一个之间形成的可变电容：
多个发射器电极的子集和多个力接收器电极的子集；和
多个力接收器电极的子集和导电衬底。
4.如权利要求1所述的输入装置，其中，所述处理系统还配置成至少从所述第一结果信号确定输入物体位置以及从所述第二结果信号确定所述力。
5.如权利要求1所述的输入装置，其中所述多个凸起结构中的每一个是间隔点。
6.如权利要求1所述的输入装置，其中，所述多个触摸接收器电极和所述多个力接收器电极沿第一方向定向，其中所述多个发射器电极在与所述第一方向大致正交的第二方向上定向，并且其中所述多个触摸接收器电极与所述多个力接收器电极基本上重叠。
7.如权利要求1所述的输入装置，进一步包括设置在选自以下的组中的至少一个之间的柔性显示器：
所述多个触摸接收器电极和所述多个发射器电极；
所述多个发射器电极和所述多个力接收器电极；和
所述多个力接收器电极和所述顺应性组件。
8.如权利要求1所述的输入装置，其中，其中所述顺应性组件还包括基板和第一介电层，其中所述多个触摸接收器电极和所述多个发射器电极设置在所述基板的相对侧上，并且所述多个力接收器电极设置在所述第一介电层上。
9.如权利要求1所述的输入装置，其中所述多个发射器电极和所述多个力接收器电极重叠以形成多个力像素。
10.如权利要求8所述的输入装置，其中所述顺应性组件还包括第二介电层，并且其中所述浮动电极设置在所述第二介电层的底表面上。
11.根据权利要求1所述的输入装置，其中所述柔顺组件还包括：
弹性体层；和
多个空气隙，位于所述凸起结构之间；
其中所述多个凸起结构设置在所述弹性体层上并朝向所述浮动电极延伸。
12.一种输入装置，包括：
具有输入表面的顺应性组件，触摸接收器电极的第一阵列，发射器电极的第二阵列，力接收器电极的第三阵列和浮动电极的第四阵列；
与所述顺应性组件间隔开的基本恒定电位的导电衬底；
设置在柔软部件和导电性基板之间的可压缩弹性体层，
其中所述可压缩弹性体层响应于输入物体在所述输入表面上施加的力而局部压缩，从而增加所述浮动电极的第四阵列与所述导电衬底之间的区域中的有效介电常数，
其中所述顺应性组件响应于所述力局部而变形，使得所述第一阵列，第二阵列和第三阵列的相对位置基本上保持不变，
其中所述浮动电极的第四阵列响应于所述力朝向所述导电衬底移动，从而减小所述浮动电极的第四阵列与所述导电衬底之间的距离；和
处理系统，被配置为：
从所述触摸接收器电极的第一阵列的子集接收包括接近所述输入表面的输入对象存在的电容效应的第一结果信号；
从所述力接收器电极的第三阵列的子集接收第二结果信号，所述第二结果信号包括所述增加的介电常数的电容效应和所述浮动电极的第四阵列与所述导电衬底之间的距离减小；和
至少从所述第一结果信号确定输入对象位置并从所述第二结果信号确定所述力，
其中所述第一结果信号和第二结果信号至少基于传输到所述发射器电极的第二阵列的子集上的感测信号。
13.一种处理系统，用于与输入装置一起使用，输入装置包括：i)柔顺组件，具有输入表面、触摸接收器电极的第一阵列、发射器电极的第二阵列、力接收器电极的第三阵列和浮动电极的第四阵列；ii)恒定电位的导电衬底，与所述柔顺组件分隔开；以及iii)可压缩弹性体层，布置在所述柔顺组件与所述导电衬底之间，使得响应输入物体在所述输入表面上所施加的力，所述柔顺组件局部变形并且所述弹性体层局部压缩，从而使所述导电衬底与来自所述浮动电极的第四阵列中的至少一个电极之间的间距减小、在所述浮动电极的第四阵列和所述导电衬底之间的区域中的有效介电常数增加；
所述处理系统通信地耦合到所述第一、第二和第三阵列并且被配置为：
在所述发射器电极的第二阵列的至少一个电极上传输感测信号；
从所述第一阵列接收第一结果信号，所述第一结果信号包括接近输入表面的输入物体存在的电容效应；
从所述第三阵列接收第二结果信号，所述第二结果信号包括间隔减小和介电常数增加的电容效应；和
至少从所述第一结果信号确定输入对象位置并从所述第二结果信号确定所述力，
其中所述第一结果信号和第二结果信号至少基于传输到所述发射器电极的第二阵列的所述至少一个电极上的感测信号。
14.如权利要求13所述的处理系统，其中：
所述输入装置还包括柔性显示器；以及
所述处理系统还配置成使用所述第一阵列和第二阵列的至少一个来更新所述柔性显示器。
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