CN105518424B - 用于利用力成像的接近感测的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

描述了用于操作电子系统的方法、系统和装置，所述电子系统包括：第一多个传感器电极，其被布置在第一层中并且被配置为检测所述输入装置的输入表面处的输入对象，所述第一多个传感器电极包括发射器电极的第一子集；第二多个传感器电极，其被配置为检测被施加至所述输入表面的力并且被配置用于与发射器电极的所述第一子集电容性耦合；以及可压缩的介电体，其被配置为响应于被施加至所述输入表面的力而压缩。所述发射器电极与所述第二多个传感器电极之间的所述电容性耦合被配置为响应于所述作用力而变化。

Description

用于利用力成像的接近感测的装置和方法
相关申请
本申请要求2013年6月28日提交的美国非临时专利申请No. 13/930,749的优先权。
技术领域
本发明一般涉及电子装置，并且更特别地涉及传感器装置和使用传感器装置用于产生用户接口输入。
背景技术
包括接近传感器装置（通常也被称为触摸板或触摸传感器装置）的输入装置被广泛地使用在各种各样的电子系统中。接近传感器装置典型地包括感测区域，常常由表面界定，在该感测区域中，所述接近传感器装置确定一个或多个输入对象的存在、位置和/或运动。接近传感器装置可以被用于为所述电子系统提供接口。例如，接近传感器装置常常被用作用于较大的计算系统（诸如被集成在笔记本或台式计算机中或外接至笔记本或台式计算机的不透明触摸板）的输入装置。接近传感器装置也常常被用在较小的计算系统（诸如被集成在蜂窝式电话中的触摸屏）中。
所述接近传感器装置能够被用于使得相关联的电子系统能够被控制。例如，接近传感器装置常常被用作用于较大的计算系统的输入装置，所述较大的计算系统包括：笔记本计算机和台式计算机。接近传感器装置也常常被用在较小的系统中，包括：诸如个人数字助理（PDAs）的手持系统，远程控制器，以及诸如无线电话和文本消息传递系统的通信系统。越来越多地，接近传感器装置被用在媒体系统中，诸如CD、DVD、MP3、视频或其他媒体记录器或播放器。所述接近传感器装置可以被集成或外接至其与之交互的计算系统。
一些输入装置除了确定针对与所述输入装置的感测区域交互的输入对象的“X-Y”坐标信息之外也具有检测“Z”方向上的作用力的能力。然而，在目前已知的力/接近输入装置中，所述力传感器的灵敏度和精确度的局限限制了目前已知的力使能的输入装置的灵活性和可用性。因此，需要具有增强的力感测灵敏度的接近传感器。
发明内容
本发明的实施例提供了有助于改进的装置可用性的装置和方法。所述装置和方法通过在力发射器电极和力接收器电极之间战略性地布置弹性体层和一层刚性间隔点来提供改进的用户接口功能性。响应于作用力，所述发射器电极和接收器电极被推压得更靠近在一起，以可检测的方式改变其之间的电容。同样地响应于作用力，所述弹性体填充所述间隔点之间的体积，随作用力而变地改变所述发射器电极和接收器电极之间的有效介电常数。
与所述接近传感器相关联的处理系统可以被配置为检测由下列引起的电容的变化：i）所述发射器电极和接收器电极之间的距离的变化以及ii）所述发射器电极和接收器电极之间的有效介电常数的变化。以此方式，可以获得针对一个或多个输入对象的力信息。
附图说明
在下文中将结合附图描述本发明的优选的示例性实施例，其中同样的标记指示同样的元件，并且：
图1是根据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是根据实施例的示例性处理系统的示意图；
图3是根据实施例的包括被布置在力发射器电极层和力接收器电极层之间的弹性体层和一层间隔点的输入传感器层叠的分解图；
图4是根据实施例的具有被夹在力发射器电极层和力接收器电极层之间的可压缩介电层并且显示了被布置在所述刚性力传感器基底层上的间隔点的示例性输入传感器的横截面视图；
图5是根据实施例的图4的输入传感器的横截面视图，但是具有被布置在柔韧的基底层上的间隔点；
图6是根据实施例的力发射器电极层和力接收器电极层之间的距离对作用力的图，示出了当空气被弹性体替代时有效介电常数与电容之间的反向关系；
图7是根据实施例的输入传感器层叠的一部分的示意性横截面视图，显示了在没有作用力的情况下的围绕示例性间隔点和弹性体层的局部化的区域；以及
图8是根据实施例的图7的层叠的示意性横截面视图，显示了响应于作用力填充所述间隔点周围的体积的弹性体。
具体实施方式
下面详细的描述在本质上仅仅是示例性的，并且不是意在限制本发明或本发明的应用和使用。此外，没有意在通过在前述的技术领域、背景技术、发明内容或下面的详细描述中呈现的任何明示的或暗示的理论约束本发明。
本发明的各种实施例提供了输入装置和方法，其有助于增强的力感测能力，以及因此改进的可用性。可以通过提供具有柔性的（或柔韧的）顶层和弹性体层的输入装置来增强力灵敏度，该弹性体层响应于作用压力而局部地贴合在所述间隔点周围。随着所述弹性体层贴合在所述间隔点周围并且使空气离开围绕所述间隔点的体域，所述发射器电极和接收器电极之间的区域中的介电常数变得被所述弹性体支配。此介电常数的改变（被耦合于所述发射器电极和接收器电极之间的距离的改变）有助于响应于输入表面的弯曲或平移的增强的力成像。
现在转至附图，图1是根据本发明的实施例的示例性输入装置100的框图。所述输入装置100可以被配置为向电子系统（未示出）提供输入。如本文档中所使用的，术语“电子系统”（或“电子装置”）广义上指的是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实例包括所有尺寸和形状的个人计算机，诸如台式计算机、便携式计算机、上网本计算机、平板电脑、网络浏览器、电子书阅读器以及个人数字助理(PDAs)。附加的实例电子系统包括复合输入装置，诸如包括输入装置100和独立的操纵杆或键盘开关的物理键盘。另外的实例电子系统包括外围设备，诸如数据输入装置（包括远程控制器和鼠标）和数据输出装置（包括显示屏和打印机）。其他实例包括远程终端、信息站和视频游戏机（例如，视频游戏控制台、便携式赌博装置等等）。其他实例包括通信装置（包括蜂窝式电话，诸如智能电话）和媒体装置（包括记录仪、编辑器和播放器，诸如电视机、机顶盒、音乐播放器、数字相框以及数字照相机）。此外，所述电子系统可以是主机或对所述输入装置的从属设备。
所述输入装置100可以被实现为所述电子系统的物理部分，或者可以与所述电子系统在物理上分离。视情况而定，所述输入装置100可以使用下列中的任何一个或多个与所述电子系统的一些部分通信：总线、网络以及其他有线或无线互连。实例包括I2C、SPI、PS/2，通用串行总线（USB）、蓝牙、RF以及IRDA。
在优选的实施例中，所述输入装置100被实现为力使能的触摸板系统，包括处理系统110和感测区域120。感测区域120（也常常被称为“触摸板”）被配置为感测在所述感测区域120中由一个或多个输入对象140提供的输入。实例输入对象包括手指、拇指、手掌以及触笔。所述感测区域120被示意性地示出为矩形；然而，应被理解的是：所述感测区域可以具有任何方便的形式并且以在所述触摸板的表面上和/或否则与所述触摸板集成的任何期望的布置。
感测区域120包括用于检测力和接近的传感器，如下面结合图2更详细地描述的。感测区域120可以包含在所述输入装置100上方（例如，悬停）、周围、内部和/或附近的任何空间，在其中所述输入装置100能够检测用户输入（例如，由一个或多个输入对象140提供的用户输入）。特定的感测区域的尺寸、形状和位置可以随实施例的不同而相差大地变化。在一些实施例中，所述感测区域120从所述输入装置100的表面沿一个或多个方向延伸到直至信号噪声比足够阻止精确的对象检测的空间中。在各种实施例中，此感测区域120沿特定方向延伸至其的距离可以是小于毫米、若干毫米、若干厘米或更大的数量级，并且可以随所使用的感测技术的类型和所期望的精确度而显著地变化。因此，一些实施例感测输入，该输入包括未与所述输入装置100的任何表面接触、与所述输入装置100的输入表面（例如，触摸表面）接触、与和一些量的作用力或压力相耦合的所述输入装置100的输入表面接触、和/或其组合。在各种实施例中，可以由所述传感器电极驻留于其内的壳体的表面、由在所述传感器电极或任何壳体之上施加的面板等等提供输入表面。在一些实施例中，所述感测区域120当被投射到所述输入装置100的输入表面上时具有矩形形状。
所述输入装置适合于通过促进响应于被感测的对象的位置和由这样的对象施加的力的数据输入来提供用户接口功能性。特别地，所述处理系统被配置为确定由传感器在所述感测区域中感测到的针对对象的位置信息。此位置信息随后可以被所述系统使用以提供宽范围的用户接口功能性。此外，该处理系统被配置为从由所述传感器在所述感测区域中确定的力的测量值来确定针对对象的力信息。此力信息随后也可以被所述系统使用以提供宽范围的用户接口功能性，例如，通过响应于由对象在所述感测区域中施加的力的不同等级来提供不同的用户接口功能。此外，该处理系统可以被配置为确定针对在所述感测区域中感测到的多于一个的对象的输入信息。输入信息可以基于下列的组合：所述力信息、所述位置信息、所述感测区域中和/或与所述输入表面接触的输入对象的数量、以及一个或多个输入对象正触摸或接近所述输入表面的持续时间。输入信息随后可以被所述系统使用以提供宽范围的用户接口功能性。
所述输入装置对一个或多个输入对象（例如，手指、触笔等等）的输入（诸如所述感测区域内的输入对象的位置）是敏感的。所述感测区域包含所述输入装置上方、周围、内部和/或附近的任何空间，在其中所述输入装置能够检测用户输入（例如，由一个或多个输入对象提供的用户输入）。特定的感测区域的大小、形状和位置可以随实施例的不同而相差大地变化。在一些实施例中，所述感测区域从所述输入装置的表面沿一个或多个方向延伸到直至信号噪声比足够阻止精确的对象检测的空间中。在各种实施例中，此感测区域沿特定方向延伸至其的距离可以是小于毫米、若干毫米、若干厘米或更大的数量级，并且可以随所使用的感测技术的类型和所期望的精确度而显著地变化。因此，一些实施例感测输入包括：未与所述输入装置的任何表面接触、与所述输入装置的输入表面（例如，触摸表面）接触、与和一些量的作用力相耦合的输入装置的输入表面接触、和/或其组合。在各种实施例中，可以由所述传感器电极驻留于其内的壳体的表面、由在所述传感器电极或任何壳体上施加的面板提供输入表面。
所述输入装置100可以利用传感器部件和感测技术的任何组合来检测所述感测区域120中或者否则与所述触摸板相关联的用户输入（例如，力、接近）。所述输入装置100包括用于检测用户输入的一个或多个感测元件。作为若干非限制性的实例，所述输入装置100可以使用电容性的、电阻性的、电感性的、磁性的、声学的、超声的和/或光学技术。
在所述输入装置100的一些电阻性的实现中，柔性的且导电的第一层被一个或多个间隔元件与导电的第二层分离开。在操作期间，跨越所述层产生一个或多个电压梯度。按压所述柔性的第一层可以使其充分偏转以在所述层之间产生电接触，产生反映所述层之间的（一个或多个）接触点的电压输出。这些电压输出可以被用于确定位置信息。
在所述输入装置100的一些电感性的实现中，一个或多个感测元件拾取由调谐线圈或一对线圈感应的回路电流。所述电流的幅度、相位和频率的一些组合则可以被用于确定位置信息。
在所述输入装置100的一些电容性的实现中，电压被施加以产生电场。附近的输入对象引起所述电场的改变，并且产生电容性耦合的可检测的改变，其可以被检测为电压、电荷等等的改变。
一些电容性的实现利用电容性感测元件的阵列或其他规则的或不规则的图案以产生电场。在一些电容性的实现中，单独的感测元件可以一起被欧姆地短路以形成较大的传感器电极。一些电容性的实现利用电阻性的片材，其可以是一致电阻性的。
一些电容性的实现基于传感器电极和输入对象之间的电容性耦合的变化而利用“自电容”（或“绝对电容”）感测方法。在各种实施例中，所述传感器电极附近的输入对象改变所述传感器电极附近的电场，因此改变所测量的电容性耦合。在一个实现中，绝对电容感测方法通过相对于参考电压（例如，系统接地）调制传感器电极、并且通过检测所述传感器电极与输入对象之间的电容性耦合而操作。
一些电容性实现基于传感器电极之间的电容性耦合的变化而利用“互电容”（或“反电容”）感测方法。在各种实施例中，所述传感器电极附近的输入对象改变所述传感器电极之间的电场，因此改变所测量的电容性耦合。在一个实现中，反电容感测方法通过检测一个或多个发射器传感器电极（也被称为“发射器电极”或“发射器”）与一个或多个接收器传感器电极（也被称为“接收器电极”或“接收器”）之间的电容性耦合而操作。发射器传感器电极可以相对于参考电压（例如，系统接地）而被调制以发送发射器信号。接收器传感器电极可以相对于所述参考电压而被实质上保持恒定以有助于结果信号的接收。结果信号可以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）的（一个或多个）影响。传感器电极可以是专用的发射器或接收器，或者可以被配置为发送和接收两者。
也应被理解的是：所述输入装置可以用各种不同的方法来实现以确定施加到所述输入装置的输入表面上的力。例如，所述输入装置可以包括被布置在靠近所述输入表面并且被配置为提供表示被施加到所述输入表面上的力的绝对值或变化的电信号的机制。在一些实施例中，所述输入装置可以被配置为基于所述输入表面相对于静态导体（例如，在所述输入表面下面的显示屏）的凹陷来确定力信息。在一些实施例中，所述输入表面可以被配置为围绕一个或多个轴偏转。在一些实施例中，所述输入表面可以被配置为以实质上一致的或不一致的方式偏转。
在图1中，处理系统110被显示为所述输入装置100的一部分。然而，在其他实施例中，所述处理系统可以位于所述触摸板利用其操作的主电子装置中。所述处理系统110被配置为操作所述输入装置100的硬件来检测来自所述感测区域120的各种输入。所述处理系统110包括一个或多个集成电路（ICs）的部分或全部和/或其他电路部件。例如，用于互电容传感器装置的处理系统可以包括被配置为用发射器传感器电极发送信号的发射器电路，和/或被配置为用接收器传感器电极接收信号的接收器电路）。在一些实施例中，所述处理系统110也包括电可读的指令，诸如固件代码、软件代码、和/或类似物。在一些实施例中，组成所述处理系统110的部件被定位在一起，诸如所述输入装置100的（一个或多个）感测元件附近。在其他实施例中，处理系统110的部件在物理上分离，其中一个或多个部件靠近输入装置100的（一个或多个）感测元件，并且一个或多个部件在别处。例如，所述输入装置100可以是被耦接至台式计算机的外围设备，并且所述处理系统110可以包括被配置为在所述台式计算机的中央处理单元上运行的软件和与所述中央处理单元分离的一个或多个ICs（也许具有相关联的固件）。作为另一实例，所述输入装置100可以在物理上被集成在电话中，并且所述处理系统110可以包括电路和固件，其是所述电话的主处理器的一部分。在一些实施例中，所述处理系统110专用于实现所述输入装置100。在其他实施例中，所述处理系统110也执行其他功能，诸如操作显示屏、驱动触觉致动器等等。
所述处理系统110可以被实现为一组模块，其操纵所述处理系统110的不同的功能。每个模块可以包括是所述处理系统110的一部分的电路、固件、软件、或其组合。在各种实施例中，可以使用模块的不同组合。实例模块包括用于操作诸如传感电极和显示屏的硬件的硬件操作模块、用于处理诸如传感器信号和位置信息的数据的数据处理模块、以及用于报告信息的报告模块。另外的实例模块包括被配置为操作（一个或多个）感测元件来检测输入的传感器操作模块、被配置为识别诸如模式改变手势的手势的识别模块、以及用于改变操作模式的模式改变模块。
在一些实施例中，所述处理系统110通过引起一个或多个动作而直接响应于所述感测区域120中的用户输入（或用户输入的缺乏）。实例动作包括改变操作模式，以及图形用户界面（GUI）动作，诸如光标移动、选择、菜单导航和其他功能。在一些实施例中，所述处理系统110将关于所述输入（或输入的缺乏）的信息提供给所述电子系统的某部分（例如，提供给与所述处理系统110分离的所述电子系统的中央处理系统，如果存在这样的独立的中央处理系统）。在一些实施例中，所述电子系统的某部分处理从所述处理系统110接收的信息以对用户输入起作用，诸如促进全范围的动作，包括模式改变动作和GUI动作。动作的类型可以包括，但不限于，指向、轻敲、选择、单击、双击、扫视、缩放和滚动。其他可能的动作的实例包括动作的启动和/或速率或速度，诸如点击、滚动、缩放或扫视。
例如，在一些实施例中，所述处理系统110操作所述输入装置100的（一个或多个）感测元件来产生指示所述感测区域120中的输入（或输入的缺乏）的电信号。所述处理系统110在产生被提供给所述电子系统的信息时可以对所述电信号执行任何适当量的处理。例如，所述处理系统110可以将从所述传感器电极获得的模拟电信号数字化。作为另一实例，所述处理系统110可以执行滤波或其他信号调节。作为又另一实例，所述处理系统110可以减去基线或者否则计及基线，以致所述信息反映所述电信号和所述基线之间的差异。作为又另外的实例，所述处理系统110可以确定位置信息、识别作为命令的输入、识别手写等等。
如此处所使用的“位置信息”广义上包含绝对位置、相对位置、速度、加速度以及其他类型的空间信息，尤其是关于所述感测区域中的输入对象的存在。示例性的“零-维”位置信息包括近/远或接触/无接触信息。示例性的“一-维”位置信息包括沿着轴线的位置。示例性的“二-维” 位置信息包括平面中的运动。示例性的“三-维” 位置信息包括在空间中的瞬时或平均速度。另外的实例包括空间信息的其他表示 。关于一个或多个类型的位置信息的历史数据也可以被确定和/或存储，包括例如跟踪随时间的位置、运动或瞬时速度的历史数据。
同样地，如此处所使用的术语“力信息”意在广义地包含无关格式的力信息。例如，可以为每个输入对象提供所述力信息，作为矢量或标量。作为另一实例，该力信息可以被提供作为如下指示：所确定的力已经越过或未越过阈值量。作为其他实例，所述力信息也可以包括被用于手势识别的时间历史分量。如将在下面被更详细地描述的，来自所述处理系统的位置信息和力信息可以被用来促进全范围的接口输入，包括使用接近传感器装置作为指向设备用于选择、光标控制、滚动、以及其他功能。
同样地，如此处所使用的术语“输入信息”意在广义地包含针对任何数量的输入对象的无关格式的时间、位置和力信息。在一些实施例中，可以针对单个输入对象确定输入信息。在其他实施例中，输入信息包括与所述输入装置相互作用的输入对象的数量。
在一些实施例中，用由所述处理系统110或由一些其他处理系统操作的附加的输入部件来实现所述输入装置100。这些附加的输入部件可以对所述感测区域120中的输入提供冗余的功能性，或一些其他功能性。例如，按钮130可以被置于所述感测区域120附近并且被用于促进使用所述输入装置102选择项目。其他类型的附加的输入部件包括滑块、球、轮、开关等等。相反地，在一些实施例中，可以在没有其他输入部件的情况下实现所述输入装置100。
在一些实施例中，所述电子系统100包括触摸屏接口，并且所述感测区域120与显示屏的有效区域的至少一部分重叠。例如，所述输入装置100可以包括覆盖所述显示屏的实质上透明的传感器电极并且为相关联的电子系统提供触摸屏接口。所述显示屏可以是能够向用户显示可视接口的任何类型的动态显示器，并且可以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）或其他显示技术。所述输入装置100和所述显示屏可以共享物理元件。例如，一些实施例可以利用相同的电部件中的一些来显示和感测。作为另一实例，可以由所述处理系统110部分地或完全地操作所述显示屏。
应被理解的是：尽管本发明的许多实施例在全功能的设备的上下文中被描述，本发明的机制能够以各种形式被分发为程序产品 (例如，软件)。例如，本发明的机制可以被实现和分发为可由电子处理器读取的信息承载介质（例如，可由所述处理系统110读取的非瞬时计算机可读和/或可记录/可写的信息承载介质)上的软件程序。此外，无关被用于实施所述分发的介质的特定类型，本发明的实施例同等地适用。非瞬时电可读的介质的实例包括各种盘、记忆棒、存储卡、存储模块等等。电可读的介质可以基于闪存、光学、磁性、全息、或任何其他存储技术。
也应被理解的是：所述输入装置可以用各种不同的方法来实现以确定施加至所述输入装置的输入表面上的力。例如，所述输入装置可以包括被布置在靠近所述输入表面并且被配置为提供表示被施加至所述输入表面上的力的绝对值或变化的电信号的机制。在一些实施例中，所述输入装置可以被配置为基于所述输入表面相对于导体（例如，在所述输入表面下面的显示屏）的凹陷来确定力信息。在一些实施例中，所述输入表面可以被配置为围绕一个或多个轴偏转。在一些实施例中，所述输入表面可以被配置为以实质上一致或非一致的方式偏转。
如上面所描述的，在一些实施例中，所述电子系统的某部分处理从所述处理系统接收的信息来确定输入信息并且对用户输入起作用，诸如促进全范围的动作。例如，在一些实施例中，包括力值F、位置X,Y以及接触时间T的针对输入对象的输入信息可以导致第一动作。而包括力值F’、位置X’,Y’以及接触时间T’（其中主值唯一地不同于非主值）的针对输入对象的输入信息也可以导致所述第一动作。此外，包括力值F、位置X’,Y以及接触时间T’的针对输入对象的输入信息可以导致第一动作。尽管下面的实例描述了可以基于包括特定范围的值的针对力、位置等等的输入信息执行的动作，应被理解的是：不同的输入信息（如上面所描述的）可以导致相同的动作。此外，相同类型的用户输入可以基于所述输入信息的分量来提供不同的功能性。例如，F、X/Y以及T的不同值可以导致相同类型的动作（例如，扫视、缩放等等），该类型的动作可以基于所述值或其他值而发生不同的行为（例如，较快缩放、较慢扫视等等）。
如上面所注意到的，本发明的实施例可以用各种不同类型和布置的用于检测力和/或位置信息的电容性传感器电极来实现。为了列举若干实例，所述输入装置可以用形成在多个基底层上的电极阵列来实现，典型地，其中用于沿一个方向（例如，“X”方向）感测的电极被形成在第一层上，而用于沿第二方向（例如，“Y”方向）感测的电极被形成在第二层上。在其他实施例中，用于X和Y两者感测的传感器电极可以被形成在同一层上。在又另外的实施例中，所述传感器电极可以被布置用于仅沿一个方向感测，例如，沿X方向或Y方向。在又另一实施例中，所述传感器电极可以被布置用以提供沿极坐标的位置信息，诸如以“г”和“θ”作为一个实例。在这些实施例中，所述传感器电极自身通常被布置在圆环中或其他环形形状以提供“θ”，其中各个传感器电极的形状被用来提供“r”。
并且，各种不同的传感器电极形状可以被使用，包括形如细线、矩形、菱形、楔形等等的电极。最后，各种导电材料和制造技术可以被用于形成所述传感器电极。作为一个实例，通过在基底上沉积导电墨水来形成所述传感器电极。
在一些实施例中，所述输入装置包括被配置为检测与所述装置交互的用户的接触面积和位置的传感器装置。所述输入传感器装置可以进一步被配置为检测关于所述用户的位置信息，诸如手和任何手指相对于所述传感器装置的输入表面 (或感测区域) 的位置和移动。
在一些实施例中，所述输入装置被用作间接的交互装置。间接的交互装置可以控制独立于所述输入装置的显示器（例如，便携式计算机的触摸板）上的GUI 动作。在一个实施例中，所述输入装置可以操作为直接的交互装置。直接的交互装置控制在接近传感器之下的显示器（例如，触摸屏）上的GUI 动作。在间接和直接之间存在各种可用性差异，其中的更多可能混淆或阻止所述输入装置的完全操作。例如，间接的输入装置可以被用于通过在接近传感器之上移动输入对象来在按钮之上定位光标。这被间接地进行，因为所述输入的运动不与所述显示器上的响应重叠。在相似的情况下，直接的交互装置可以被用于通过直接将输入对象放置在触摸屏上的所期望的按钮上方或上面而在按钮之上定位光标。
现在参考图1和图2，所述处理系统110包括传感器模块202和确定模块204。传感器模块202被配置为接收来自与感测区域120相关联的传感器的结果信号。确定模块204被配置为处理所述数据，并且确定位置信息和力信息。本发明的实施例可以被用于在所述主装置上启用各种不同的能力。特别地，其可以被用于启用光标定位、滚动、拖动、图标选择、关闭桌面上的窗口、将计算机放置入睡眠模式中、或者执行任何其他类型的模式切换或接口动作。
现在参考图3，输入装置300包括柔韧部件302、可压缩的介电层304 (例如，弹性体硅)，以及刚性力传感器基底306。所述柔韧部件302可以包括覆盖所述触摸表面和显示器(未被显示)的盖板，诸如液晶二极管 (LCD) 显示器。第一组力电极（例如发射器电极308）被布置在所述柔韧部件302的下侧上(或接近所述柔韧部件302)，并且第二组力电极（例如接收器电极310）被布置在基底306上。在各种实施例中，一组触摸接收器电极(在图3中未被显示)也可以被布置在所述柔韧部件302上或接近所述柔韧部件302。
在所示出的实例中，每个发射器电极和每个接收器电极被配置为形成局部化的电容的区域，被称为“像素”。在一些实施例中，所述局部化的电容的区域可以由于所述感测区域中的输入对象的存在而变化。在一些实施例中，所述局部化的电容的区域可以由于被施加至所述柔韧部件上的压力而变化。在另外的实施例中，所述力接收器电极和触摸接收器电极中的一个或两者可以被细分成多个各自区段或像素来增强从所述触摸和力接收器电极得到的触摸和力感测信息的分辨率。被施加至所述发射器电极308 中的一个的驱动信号导致电容性耦合至接收器电极310。此电容性耦合至少部分地基于所述周围层的介电值、所述驱动信号的幅度、以及所述电极之间的距离。
继续参考图3，一层间隔点312被插入在所述第一组力电极308与所述第二组力电极310之间。由输入对象(在图3中未被显示)施加给柔韧部件302的顶部的力导致所述弹性体层304压缩并且在所述作用力的附近围绕一个或多个间隔点312局部地变形。也就是说，一个或多个间隔点实质上被所述弹性体层围绕，将空气移开紧邻的区域并且用弹性体材料填充该区域。因为所述弹性体材料的介电常数(也被称为电容率)不同于(例如，高于)空气的介电常数，所述透入间隔点的区域中的有效介电常数响应于作用力而变化。此电容率的局部变化（与所述发射器电极和接收器电极之间的距离的变化关联）导致响应于作用力的局部电容的可检测的变化。
更特别地，并且现在参考图4，示例性的输入传感器层叠400的横截面视图包括柔性的面板402 (例如，塑料)、传感器基底层404 (例如，由聚乙烯对苯二甲酸酯 (PET)制成的柔性聚酯膜)、弹性体层408、以及刚性(例如，塑料)力传感器基底层410。传感器基底层404支撑一组触摸传感器电极405（例如，触摸接收器电极）和第一组力传感器电极406，其可以被配置为充当触摸传感器发射器电极和力传感器发射器电极两者。
在所示出的实施例中，所述力传感器基底层410支撑第二组电极414（例如，力接收器电极）以及间隔点阵列412。在没有由输入对象416施加的力的情况下，围绕所述间隔点的区域417被诸如空气的气体占据。如下面结合图6-8更详细地描述的，作用力导致所述作用力附近的一个或多个间隔点透入到所述弹性体层408中并且移开周围的空气，由此改变(例如，增加)所述局部有效介电常数，导致表示作用力的大小的第二组传感器电极414的电容的可测量的变化。
图5示出了示例性输入传感器层叠500的可替代的配置，其包括柔性面板502、柔性传感器基底层504、弹性体层508、以及刚性力传感器基底层510。传感器基底层504支撑触摸接收器电极505和发射器电极506。在图5中所显示的可替代实施例中，所述触摸传感器基底层504支撑间隔点阵列512，以致所述弹性体层508被夹在所述力传感器基底510和所述间隔点512之间。在没有由输入对象516施加的力的情况下，围绕所述间隔点的区域517包括气体(例如，空气)。
图6描绘了当间隔点朝向所述弹性体移动并且透入所述弹性体以及周围的空气被所述可压缩的弹性体材料替代时，至输入表面上的作用力F(X-轴604)和距离(602)的变化、力发射器电极和力接收器电极之间的介电常数(610)和所产生的电容(608)的图600。更特别地，当力发射器电极层与力接收器电极层之间的局部距离随作用力而减小时，所述有效介电值急剧增加，直到空气被所述作用力附近的弹性体材料替代，如所述图的空气位移区域612中所显示的。其后，当附加的力(大于力水平F1的力) 被施加并且所述力发射器电极层和所述力接收器电极层之间的距离进一步减小至距离D1以下时，所述弹性体材料压缩，导致所述有效介电常数的更平缓的改变(或根本没有变化)，如线610的区域614中所显示的。
继续参考图6，线608显示力发射器电极和力接收器电极之间的电容随着空气被所述作用力附近的弹性体材料替代而急剧增加，如所述图的空气移位区域612中所显示的。当附加的力被施加时，所述发射器电极和所述接收器电极之间的距离进一步减小并且所述弹性体材料压缩，导致所述电容的更平缓的变化，如线608的区域614中所显示的。区域614中的此电容的平缓变化主要归因于所述发射器电极和接收器电极之间的距离的减少，因为所述介电常数实质上不随所述弹性体材料被压缩而改变。
图7是输入传感器层叠700的一部分的示意性横截面视图，显示了在没有作用力的情况下的弹性体层和示例性间隔点。更特别地，层叠700包括弹性体层702、间隔点706、以及空气间隙704。在所示出的实例中，所述弹性体层702具有3的介电常数(电容率“p”)，以及2个介电厚度单位的厚度t;空气间隙704的特征在于1的介电常数（电容率“p”）和1个介电厚度单位的厚度t。换句话说，所述弹性体层702表示2个介电厚度单位的电容率3，并且所述空气间隙704表示1个介电厚度单位的电容率1。
针对平行板电容器，电容与电容率成比例，并且与所述板之间的间隔成反比。因此，可以说所述空气间隙704(1个厚度单位的电容率1)等同于3个厚度单位的电容率3。因此，所述层叠700的有效电容率等于总共5个厚度单位的电容率3(归因于所述空气间隙的3个厚度单位的电容率3，加上归因于所述弹性体的2个厚度单位的电容率3)。
图8是图7的所述层叠的示意性横截面视图，其显示了响应于对应于力水平F1（参见图6）的作用力，所述间隔点透入所述弹性体并且所述弹性体填充围绕所述间隔点的体域。更特别地，层叠800显示了在没有空气间隙的情况下被弹性体层802围绕的间隔点806。所述层叠800的有效电容率的特征在于2个厚度单位的电容率3。图7和图8示出了从5个厚度单位的电容率3(层叠700)转至2个厚度单位的电容率3(层叠800)，其对应于3个厚度单位的差值(5-3=2)，而仅将所述层叠压缩单个厚度单位(3-2=1)。
在实施例中，所述间隔点的厚度（高度）可以处于大约50微米到大约250微米的范围内，并且所述弹性体层的厚度可以处于大约两倍于所述间隔点的厚度的范围内，尽管其他尺寸是可能的并且被此公开考虑。
因此提供了用于电子系统的输入装置，其包括柔韧部件，所述柔韧部件具有输入表面和被配置为感测接近所述输入表面的输入对象的第一多个传感器电极；支撑基底，其与所述柔韧部件间隔开并且具有被配置为检测被施加至所述输入表面的力的第二多个传感器电极；以及间隔层，其被布置在所述柔韧部件与所述支撑基底之间，所述间隔层包括弹性体子层和多个刚性点。
在实施例中，所述第一多个传感器电极包括被配置为发送感测信号的至少一个电极和被配置为接收第一类型的结果信号的至少一个电极，并且所述第二多个传感器电极包括被配置为接收第二类型的结果信号的至少一个电极。另外，所述第一类型的结果信号可以包括接近所述触摸表面的输入对象的影响，并且所述第二类型的结果信号可以包括被施加至所述输入表面的力的影响。
在另一实施例中，所述多个刚性点从所述柔韧部件的表面延伸，并且所述第一多个电极中的至少第一子集被插入在所述刚性点之间。
在另一实施例中，所述第一多个电极中的至少第一子集与所述刚性点的至少一部分重叠。
在另外的实施例中，所述弹性体基底邻近于所述支撑基底并且覆盖所述第二多个传感器电极。
在又另外的实施例中，所述多个刚性点从所述支撑基底的表面延伸，所述第二多个电极中的至少第一子集被插入在所述刚性点之间，并且所述第二多个电极中的至少第一子集覆盖所述刚性点的至少一部分。
在另一实施例中，所述弹性体基底邻近于所述柔韧部件并且覆盖所述第一多个传感器电极的至少一部分。
在实施例中，所述间隔层包括被布置在围绕所述刚性点的体域中的气体。响应于被施加至所述输入表面的压力，所述弹性体基底被配置为变形进入到所述体域的一部分中，局部地移开所述气体。
在另外的实施例中，响应于所施加的压力，被配置为发送感测信号的所述至少一个电极与被配置为接收第二类型的结果信号的所述至少一个电极之间的所测量的电容实质上至少部分地由于与被配置为发送感测信号的所述至少一个电极和被配置为接收第二类型的结果信号的所述至少一个电极之间的区域相关联的有效介电常数的增大而变化。
在实施例中，所述弹性体基底的特征在于在2至3的范围中（并且针对氯丁橡胶大约7）的介电常数，所述气体的特征在于大约1的介电常数，所述刚性点的高度处在大约50至250微米的范围内，并且所述弹性体子层的厚度对点高度的比率处在大约1.5:1至3:1的范围内。
在另一实施例中，所述柔韧部件包括至少一个基底，并且被配置为发送感测信号的所述至少一个电极与被配置为接收第二类型的结果信号的所述至少一个电极被布置在下列中的一个上：所述至少一个基底的单侧；所述至少一个基底的相对的侧；或单独的基底上。
在实施例中，所述输入装置进一步包括被通信地耦接至所述第一和第二多个传感器电极的处理系统，所述处理系统包括被配置为如下的传感器模块：将感测信号驱动到所述第一多个感测电极中的所述第一子集上；接收来自所述第一多个感测电极中的第二子集的第一类型的结果信号；以及接收来自所述第二多个传感器电极的第二类型的结果信号。所述处理系统也可以包括确定模块，其被配置为根据所述第一和第二类型的结果信号确定针对所述感测区域中的输入对象的位置信息和力信息。
在另外的实施例中，所述第一和第二结果信号对应于相同的被驱动的信号。
也提供了输入装置，其包括：柔韧层，所述柔韧层具有被配置为检测所述输入装置的感测区域中的输入对象的第一多个传感器电极，所述第一多个传感器电极包括发射器电极的子集。所述输入装置也包括：支撑基底，其具有被配置为检测被施加至所述输入表面的力并且被配置用于与所述发射器电极的子集电容性耦合的第二多个传感器电极；间隔层，其包括弹性体介电子层和具有被气体围绕的多个微结构的微结构子层，所述间隔层被布置在所述柔韧层与所述支撑基底之间并且被配置为响应于被施加至所述输入表面的力而压缩；以及处理系统，其被通信地耦接至所述第一和第二多个电极。在实施例中，所述处理系统被配置为将感测信号驱动到发射器电极的子集上，并且从所述第二多个感测电极接收结果信号，所述结果信号包括所述输入表面上的作用力的影响。在实施例中，所述结果信号表示所述发射器电极与所述第二多个传感器电极之间的电容性耦合的变化。
在另外的实施例中，所述弹性体介电子层的特征在于第一电容率并且所述气体的特征在于小于所述第一电容率的第二电容率，其中所述发射器电极与所述第二多个传感器电极之间的电容性耦合的变化至少部分地归因于作为所述作用力的结果的所述间隔层的有效电容率的变化。
提供了用于与下述类型的输入装置一起使用的处理系统，该类型的输入装置包括：多个发射器电极；第一多个传感器电极，其被配置为检测输入表面处的输入对象；第二多个传感器电极，其被配置为检测被施加至所述输入表面的力；以及间隔层，其包括平坦的弹性体子层和被气体围绕的刚性点子层，所述间隔层被布置在所述柔韧层与所述支撑基底之间并且被配置为响应于被施加至所述输入表面的力而偏转。所述处理系统可以被通信地耦接至所述发射器电极以及所述第一和第二多个传感器电极并且被配置为：将感测信号驱动到发射器电极的所述子集上；接收来自所述第二多个电极的结果信号；以及测量由所述间隔层在偏转期间的有效电容率的变化导致的所述发射器电极与所述第二多个传感器电极之间的电容性耦合的变化。
因此，此处所提出的实施例和实例被呈现，以便最佳地解释本发明以及其特定的应用，并且由此使得本领域技术人员能够实施并使用本发明。然而，本领域技术人员将认识到：前面的描述和实例仅仅为了例示和实例的目的已被呈现。如所提出的描述不是意在是穷尽的或将本发明限制于所公开的精确的形式。根据所公开的发明的说明书和实践，本发明的其他实施例、用途和优势对本领域技术人员而言将是显而易见的。

Claims (38)

1.一种用于电子系统的输入装置，包括：
柔韧部件，其具有输入表面和被配置为感测接近所述输入表面的输入对象的第一多个传感器电极，其中所述第一多个传感器电极包括至少第一子集和至少第二子集，所述至少第一子集全部被配置为被用感测信号驱动，所述至少第二子集被配置为接收第一类型的结果信号；
支撑基底，其与所述柔韧部件间隔开并且具有被配置为检测被施加至所述输入表面的力的第二多个传感器电极，其中所述第二多个传感器电极包括被配置为接收第二类型的结果信号的至少一个电极；以及
间隔层，其被布置在所述柔韧部件与所述支撑基底之间，所述间隔层包括弹性体子层和多个刚性点。
2.根据权利要求1所述的输入装置，其中，所述第一类型的结果信号包括接近所述输入表面的输入对象的影响，并且其中所述第二类型的结果信号包括被施加至所述输入表面的力的影响。
3.根据权利要求1或2所述的输入装置，其中，所述多个刚性点从所述柔韧部件的表面延伸。
4.根据权利要求3所述的输入装置，其中，所述第一多个传感器电极中的所述至少第一子集被插入在所述刚性点之间。
5.根据权利要求3所述的输入装置，其中，所述第一多个传感器电极中的所述至少第一子集与所述刚性点的至少一部分重叠。
6.根据权利要求3所述的输入装置，其中，所述弹性体子层邻近于所述支撑基底并且覆盖所述第二多个传感器电极。
7.根据权利要求1或2所述的输入装置，其中，所述多个刚性点从所述支撑基底的表面延伸，并且所述第二多个传感器电极中的至少第一子集被插入在所述刚性点之间。
8.根据权利要求7所述的输入装置，其中，所述第二多个传感器电极中的所述至少第一子集与所述刚性点的至少一部分重叠。
9.根据权利要求7所述的输入装置，其中，所述弹性体子层邻近于所述柔韧部件并且覆盖所述第一多个传感器电极的至少一部分。
10.根据权利要求1或2所述的输入装置，其中，所述间隔层包括被布置在围绕所述刚性点的体域中的气体，并且进一步其中，响应于被施加至所述输入表面的压力，所述弹性体子层被配置为变形进入到所述体域的一部分中，局部地移开所述气体。
11.根据权利要求10所述的输入装置，其中在被配置为被用所述感测信号驱动的第一电极和被配置为接收所述第二类型的结果信号所述至少第一电极之间存在测量的电容，所述第一电极在所述第一子集中，并且其中，响应于施加的压力，所测量的电容实质上至少部分地归因于与所述第一电极和所述至少一个电极之间的区域相关联的有效介电常数的增大而变化。
12.根据权利要求11所述的输入装置，其中，所述弹性体子层的特征在于在2至7的范围中的介电常数，并且所述气体的特征在于介电常数为1。
13.根据权利要求1或2所述的输入装置，其中，所述刚性点的高度处在50至250微米的范围内，并且所述弹性体子层的厚度对点高度的比率处在1.5:1至3:1的范围内。
14.根据权利要求1或2所述的输入装置，其中，所述柔韧部件包括至少一个基底，并且其中，被配置为发送所述感测信号的所述第一子集和被配置为接收所述第二类型的结果信号的所述至少一个电极被布置在下列中的一个上：
所述至少一个基底的单侧；
所述至少一个基底的相对的侧；以及
单独的基底。
15.根据权利要求1或2所述的输入装置，进一步包括处理系统，其被通信地耦接至所述第一多个传感器电极和所述第二多个传感器电极，所述处理系统包括：
传感器模块，其被配置为：
将所述感测信号驱动到所述第一子集上；
接收来自所述第二子集的所述第一类型的结果信号；以及
接收来自被配置为接收所述第二类型的结果信号的所述至少一个电极的第二类型的结果信号；以及
确定模块，其被配置为根据所述第一类型的结果信号和所述第二类型的结果信号确定针对感测区域中的输入对象的位置信息和力信息。
16.根据权利要求15所述的输入装置，其中，所述第一类型的结果信号和所述第二类型的结果信号对应于相同的感测信号。
17.一种输入装置，包括：
柔韧层，其包括被配置为检测所述输入装置的感测区域中的输入对象的第一多个传感器电极，所述第一多个传感器电极包括发射器电极的子集；
支撑基底，其包括被配置为检测被施加至输入表面的力并且被配置用于与所述发射器电极的子集电容性耦合的第二多个传感器电极；
间隔层，其包括弹性体介电子层和具有被气体围绕的多个微结构的微结构子层，所述间隔层被布置在所述柔韧层和所述支撑基底之间并且被配置为响应于被施加至所述输入表面的力而压缩；以及
处理系统，其被通信地耦接至所述第一多个传感器电极和所述第二多个传感器电极，并且被配置为：
将感测信号驱动到发射器电极的所述子集上；并且
使用所述第二多个传感器电极接收结果信号，所述结果信号包括所述感测信号和所述输入表面上的作用力的影响；
其中，所述结果信号表示发射器电极的所述子集与所述第二多个传感器电极之间的电容性耦合的变化。
18.根据权利要求17所述的输入装置，其中，所述弹性体介电子层的特征在于第一电容率并且所述气体的特征在于小于所述第一电容率的第二电容率，并且进一步其中，所述发射器电极的子集与所述第二多个传感器电极之间的电容性耦合的变化至少部分地归因于作为所述作用力的结果的所述间隔层的有效电容率的变化。
19.一种用于与下述类型的输入装置一起使用的处理系统，该类型的输入装置包括：多个发射器电极；第一多个传感器电极，其被配置为接收第一类型的结果信号以检测输入表面处的输入对象；第二多个传感器电极，其被配置为接收第二类型的结果信号以检测被施加至所述输入表面的力；以及间隔层，其包括平坦的弹性体子层和被气体围绕的刚性点子层，所述间隔层被布置在柔韧层与支撑基底之间并且被配置为响应于被施加至所述输入表面的力而偏转，所述处理系统被通信地耦接至所述多个发射器电极以及所述第一多个传感器电极和所述第二多个传感器电极并且被配置为：
将感测信号驱动到所述多个发射器电极上；
使用所述第二多个传感器电极接收结果信号；以及
测量由所述间隔层在偏转期间的有效电容率的变化导致的所述多个发射器电极与所述第二多个传感器电极之间的电容性耦合的变化。
20.一种用于电子系统的输入装置，包括：
柔韧部件，其具有输入表面、显示器和被配置为感测接近所述输入表面的输入对象并且更新所述显示器的第一多个传感器电极，其中所述第一多个传感器电极包括至少第一子集和至少第二子集，所述至少第一子集全部用感测信号驱动，所述至少第二子集被配置为接收第一类型的结果信号；
支撑基底，其与所述柔韧部件间隔开并且具有被配置为检测被施加至所述输入表面的力的第二多个传感器电极，其中所述第二多个传感器电极包括至少一个被配置为接收第二类型的结果信号的电极；以及
间隔层，其被布置在所述柔韧部件与所述支撑基底之间，其中，响应于被施加至所述输入表面的力，所述柔韧部件偏转到所述间隔层中。
21.根据权利要求20所述的输入装置，其中，所述间隔层包括气体。
22.根据权利要求20所述的输入装置，其中，所述第一类型的结果信号包括接近所述输入表面的输入对象的影响，并且其中所述第二类型的结果信号包括被施加至所述输入表面的力的影响。
23.根据权利要求20、21、或22所述的输入装置，进一步包括被布置在所述间隔层中的多个刚性结构。
24.根据权利要求23所述的输入装置，其中，所述第二多个传感器电极被插入在所述多个刚性结构之间。
25.根据权利要求23所述的输入装置，其中，所述第二多个传感器电极与所述多个刚性结构重叠。
26.根据权利要求20、21、或22所述的输入装置，其中，所述第二多个传感器电极被配置为被电容性地耦接至所述柔韧部件的导线。
27.根据权利要求23所述的输入装置，其中，所述多个刚性结构从所述支撑基底的表面延伸。
28.根据权利要求20、21、或22所述的输入装置，其中，所述间隔层包括被布置在由多个刚性结构围绕的体域中的气体，并且进一步其中，响应于被施加至所述输入表面的压力，所述柔韧部件被配置为变形进入到所述体域的一部分中，局部地移开所述气体。
29.根据权利要求28所述的输入装置，其中在被配置为被用所述感测信号驱动的第一电极和被配置为接收所述第二类型的结果信号所述至少一个电极之间存在测量的电容，所述第一电极在所述第一子集中，并且其中，响应于被施加至所述输入表面的力，所测量的电容归因于与所述第一电极和被配置为接收所述第二类型的结果信号的所述至少一个电极之间的区域相关联的有效介电常数的增大而变化。
30.根据权利要求23所述的输入装置，其中，所述多个刚性结构的高度处在50至250微米的范围内。
31.根据权利要求20、21、或22所述的输入装置，其中，所述第一子集和被配置为接收所述第二类型的结果信号的所述至少一个电极被布置在下列中的一个上：
所述显示器的单侧；以及
所述显示器的相对的侧。
32.根据权利要求20、21、或22所述的输入装置，进一步包括处理系统，其被通信地耦接至所述第一多个传感器电极和所述第二多个传感器电极，所述处理系统包括：
传感器模块，其被配置为：
使用所述第一多个传感器电极更新所述显示器；
将所述感测信号发送到所述第一多个传感器电极的所述第一子集上；
接收来自传感器电极的所述第二子集的所述第一类型的结果信号；以及
接收来自所述第二多个传感器电极的所述第二类型的结果信号；以及
确定模块，其被配置为根据所述第一类型的结果信号和所述第二类型的结果信号确定针对感测区域中的输入对象的位置信息和力信息。
33.根据权利要求32所述的输入装置，其中，所述第一类型的结果信号和所述第二类型的结果信号对应于相同的感测信号。
34.一种用于电容触摸屏装置的处理系统，所述电容触摸屏装置包括：
柔韧部件，其包括被配置为检测输入装置的感测区域中的输入对象的第一多个传感器电极；
支撑基底，其包括被配置为检测被施加至输入表面的力的第二多个传感器电极；
间隔层，其被布置在所述柔韧部件与所述支撑基底之间，其中，所述柔韧部件被配置为响应于被施加至所述输入表面的力而偏转到所述间隔层中，其中，所述处理系统被配置为：
将感测信号发送到所述第一多个传感器电极的第一子集上；
接收来自所述第一多个传感器电极的第二子集的第一结果信号，所述第一结果信号包括所述装置的所述输入表面上的感测信号和对象的影响；以及
接收来自所述第二多个传感器电极的至少子集的第二结果信号，所述第二结果信号包括响应于被施加至所述输入表面的力的发射器电极的子集和导线之间的电容性耦合的变化的影响。
35.根据权利要求34所述的处理系统，进一步被配置为更新所述电容触摸屏装置的显示器。
36.根据权利要求35所述的处理系统，其中，至少所述第一多个传感器电极的一部分被用于更新所述显示器。
37.根据权利要求35所述的处理系统，进一步被配置为基于根据所述第一结果信号和所述第二结果信号确定的位置信息和力信息更新所述显示器。
38.根据权利要求34至37中的任一个权利要求所述的处理系统，其中发射器电极的所述子集和所述导线之间的电容性耦合的改变包括与发射器电极的所述子集和所述导线之间的区域相关联的有效介电常数的增大的影响。
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