CN106527787B - 力感测结构和包括该力感测结构的力感测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种力感测结构和包括该力感测结构的力感测装置。力感测结构用于侦测力传感器上方物体的接近量，和由物体作用于力触摸传感器上的力。力传感器结构包括第一电极和第一电容材料层。第一电容材料层邻近第一电极设置。当物体接近力触摸传感器时，力触摸传感器根据其产生的第一电容变化量侦测物体的接近量，且当物体接触力传感器并使第一电容材料层变形时，力触摸传感器根据所述物体与所述力触摸传感器之间产生的第二电容变化量侦测物体作用的力。

Description

力感测结构和包括该力感测结构的力感测装置
技术领域
本发明要求2015年9月9日向美国智慧财产局提交的美国临时案申请号第62/216,055号和2015年9月24日向美国智慧财产局提交的美国临时案申请号第62/222,965号等案的优先权，其全部内容都并入此文作为参考。
本发明涉及一种力感测结构和包括该力感测结构的力感测装置，更具体地说，涉及一种能够根据电容变化量感测物体的接近量和由物体作用的力的力感测结构和包含该力感测结构的力感测装置。
背景技术
力感测结构通常出现在包括用于数据输入的输入单元和用于数据输出的输出单元的各种类型的电子装置中。这样的输入单元的典型例子可以是键按钮单元，并且输出单元的典型例子可以是包括液晶显示器(LCD)模块的显示单元。
此外，按钮用于在被用户接触时使得设备改变与该按钮相关联的状态。按压或选择按钮可以激活或解除激活设备的某个状态，并使得相关联的动作被执行。不按压或选择按钮可以让设备处于其当前状态，而不执行相关联的动作。
最近，触摸屏装置已经发展为能够执行数据输入/输出(I/O)并且在相同位置显示数据的设备，从而明显减小电子装置的尺寸并且使得其功能多样化。在这样的触摸屏装置中，透明触摸面板设置在LCD模块上从而能够同时执行输入和输出。基于触摸面板的物理结构和操作模式，触摸面板总体被划分成多种类型，例如电阻式触摸面板和电容式触摸面板。
通常，触摸屏装置用于输入并接收通过使用用户的手指输入的数据，并且，常规触控设备仅仅提供触摸屏幕上的项目的更精细的方法。虽然触摸感测技术提供通过用户直觉的方式来输入信号，但需要通过执行软件的界面来提供按钮。因此，力感测功能更进一步的发展使得用户使用手指时能有更多的选项进行输入。
然而，需要将额外的力触摸传感器纳入常规的力感测模块的设计中，并且无法缩减触摸感测装置的厚度，使得电子装置的体积受限。
因而，现有技术还有待改进和提高。
发明内容
针对上述技术问题，本申请的主要目的在于提供一种力感测结构和包括该力感测结构的力感测装置，其能够根据电容变化检测物体的接近量和由物体作用的力。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
根据本公开的一个目的，提供一种力感测结构。所述力感测结构包括力触摸传感器，用于检测物体从上方向所述力触摸传感器的接近量和由所述物体向所述力触摸传感器作用的力，力触摸传感器包括第一电极，与所述物体相隔一间隙设置，以及第一电容材料层，相邻所述第一电极设置。当所述物体接近所述力传感器，所述力传感器根据其产生的第一电容变化感测所述物体的所述接近量，且当所述物体接近所述力触摸传感器且部分力作用于所述第一电容材料层时，所述力触摸传感器根据所述物体与所述力触摸传感器之间产生的第二电容变化感测由所述物体作用的力。
优选地，所述第一电容材料层设置在所述第一电极上。
优选地，所述第一电容材料层是由压容材料制成，且当所述物体接近所述力触摸传感器且部分力作用于所述第一电容材料层时，所述力触摸传感器根据所述第二电容变化检测由所述物体作用的力，且所述第二电容变化与所作用的力大小实质上正相关。
优选地，所述第一电极设置在所述第一电容材料层上。
优选地，所述力感测结构还包括设置在所述第一电容材料层下方的基底层，和设置在所述第一电极上方的绝缘层，所述基底层和所述物体接地，当所述物体接近所述力触摸传感器且部分力作用于所述第一电容材料层时，力触摸传感器根据所述第二电容变化检测由所述物体作用的力。
优选地，力感测结构还包括设置在所述第一电容材料层下方的第二电极。所述第一电容材料层至少与所述第一电极和所述第二电极的其中之一接触，且所述力触摸传感器根据设置在所述第一电极和所述第二电极之间产生的所述第二电容变化检测所述物体作用的力。
优选地，力感测结构还包括设置在所述第一电极上的绝缘层，和与所述第一电极和所述第二电极电连接的开关。当所述开关关闭且所述物体接地时，所述第一电极与所述第二电极短路，所述力触摸传感器根据所述第一电极和所述第二电极之间产生的所述第二电容变化检测作用于所述物体的力。
优选地，当所述开关打开且所述第一电极接地时，所述力触摸传感器根据所述第二电极和第一电容材料层之间产生的所述第二电容变化检测作用于所述物体的力。
优选地，力感测结构还包括在所述第一电容材料层和所述第一电极之间的空气间隙，所述空气间隙的部分被第二电容材料层填充。
优选地，所述力感测结构还包括在所述第一电容材料层和所述第一电极之间的空气间隙，所述空气间隙是以第二电容材料层填充的。
优选地，所述物体为可形变的，当力作用于所述物体时，所述物体的一部分靠近所述第一电极，且所述力触摸传感器根据所述第一电容变化检测作用于所述物体的力，且当所述物体进一步接近所述第一电极时，所述力触摸传感器根据所述第二电容变化检测作用于所述物体的力，且所述第二电容变化是因转移至所述第一电容材料层的力所造成。
优选地，所述物体为可形变的且实质上片状的，当力作用于所述物体，所述物体对应于力作用的位置的部分靠近所述第一电极，且所述力触摸传感器根据所述第一电容变化检测作用于所述物体的力，且当所述物体进一步接近所述第一电极，所述力触摸传感器根据所述第二电容变化检测作用于所述物体的力，且所述第二电容变化是因转移至所述第一电容材料层的力所造成。
优选地，所述力感测结构还包括设置在所述第一电极和所述第一电容材料层之间的第二电极，设置在所述第一电极和所述第二电极之间的绝缘层，以及设置在所述第一电容材料层下方的第三电极。当所述物体靠近所述力触摸传感器时，所述力触摸传感器根据在所述第一电极和所述物体之间产生的第一电容变化检测所述物体的接近量，并且当所述物体接近所述力触摸传感器并作用部分的力于所述第一电容材料层时，所述力触摸传感器根据所述第二电极和所述第三电极之间产生的第二电容变化检测作用于所述物体的力。
优选地，所述力感测结构还包括在所述第二电极和所述第三电极之间的空气间隙，所述空气间隙是部分或完全以第二电容材料层填充。
根据本公开的另一目的，提供一种力感测装置。力感测装置包括多个传感器单元，用于检测从上方接近所述力感测装置的物体的接近量和由所述物体作用于所述力感测装置的力，并且各传感器单元包括上述的力感测结构，驱动电路，通过多条驱动线与各所述传感器单元连接从而将驱动信号依序作用于所述多条驱动线，感测电路，通过多条感测线连接于各所述传感器单元，所述感测电路用于接收多个感测信号，所述多个感测信号是通过检测由各所述传感器单元感测的所述第一电容变化和所述第二电容变化所产生的，以及处理器，用于从所述感测电路接收所述多个感测信号以判断所触摸的位置、接近量和作用的力。
优选地，所述力感测结构还包括设置在所述第一电容材料层下方的第二电极，且所述多个传感器单元的多个所述第一电极和多个所述第二电极是由设置在相同行或列中对应的传感器单元所共享。
优选地，所述多个传感器单元彼此机械性的充分隔离。
优选地，所述力感测装置还包含设置在所述第一电极上的第二电极，设置在所述第一电极和所述第二电极之间的绝缘层，以及设置在所述第一电容材料层下方接地的基底。当所述物体靠近所述力触摸传感器时，所述力触摸传感器根据所述第一电极和所述物体之间产生的所述第一电容变化检测所述物体的接近量，并且当所述物体接近所述力触摸传感器并作用部分的力于所述第一电容材料层时，所述力触摸传感器根据在所述第一电极和所述第二电极之间产生的第二电容变化检测作用于物体的力。
优选地，所述力感测装置还包括封装所述力感测装置的外壳，且至少一在所述外壳内支撑所述力感测结构的支撑结构。
优选地，所述力感测装置还包括：保护玻璃，设置在所述多个传感器单元上；显示模块，设置在所述多个传感器单元和所述保护玻璃之间，且附着于所述保护玻璃；以及第一框体，设置于所述多个传感器单元下方且设置有用于容置所述显示模块和所述多个传感器单元的第一凹槽。
优选地，所述多个传感器单元设置在所述第一凹槽中，且所述多个传感器单元贴附于所述显示模块和所述第一凹槽的表面中的一个。
优选地，所述力感测装置还包括设置在所述保护玻璃下方且在所述第一凹槽中的第二框体，所述第二框体具有用于容置所述显示模块的第二凹槽。
优选地，所述力感测装置还包括与所述多个传感器单元相邻的缓冲层。
优选地，所述缓冲层包括料片和至少一个减震垫。
优选地，所述力感测装置还包括设置在所述显示模块下方且与所述多个传感器单元相邻的缓冲层。
优选地，所述缓冲层还包括发泡片。
优选地，所述缓冲层还包括至少一个力结合特性。
如上所述，本发明所提供的一种力感测结构和包括该力感测结构的力感测装置，与现有技术相比具有一个或多个以下优点。
1.可通过包含双重检测模式的单一传感器检测接近量和作用的力。力感测结构的接近模式和接触模式都能根据其中的电容变化量检测接近量和作用的力，因此可省略额外的力感测装置(或传感器)，并且可进一步缩减力感测模块的厚度。
2.通过在力感测装置的机械结构中添加缓冲层或缓冲结构，在任何组件的刚体部分直接接触传感器膜时可避免结构上的损坏。额外的金属部件也可包括在力感测结构中，从而作为另一电容性感测结构的电极来调整感测模式、感测信号强度和信噪比，并且侧边力感测功能也可通过采用本发明的力感测结构来实现。
附图说明
本发明的详细结构、操作原理和功效，可参阅本发明说明书附图及实施例的详细说明而获得清楚地了解。
图1A到图1I为本发明所提供的力感测结构的第一实施例的示意图和传感器上电容对力的曲线图。
图2A到图2O为本发明所提供的力感测结构的第二实施例的示意图和传感器上电容对力的曲线图。
图3A到图3F为本发明所提供的力感测结构的第三实施例的示意图。
图4A到图4E为本发明所提供的力感测装置的第一实施例的示意图。
图5A到图5L为本发明所提供的力感测装置的第二实施例的示意图。
图6A到图6B为本发明所提供的侧向力感测装置的实施例的示意图。
具体实施方式
下文中将参考附图详细说明本公开的实施例，使得本发明所属领域技术人员能了解本发明。本领域技术人员应理解，所述的实施例可以在不脱离本申请的精神与范畴下，以各种不同的方式进行修改。
除非上下文清楚地标明否则，如此处所采用的，单数形式“一个”、“一”、“该”也用于包括复数形式。进一步应当理解，当用于此处时，“包含”、“包含着”、“包括”和/或“包括着”指定了存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部件和/或其组合。进一步应当理解，虽然本文使用术语第一和第二描述各种组件，但所述的组件不限于这些术语。这些术语仅用于区别此组件与另一组件。
为了清楚起见和描述简洁，在附图中可能省略了一些部分，并且相同的附图标记指示相同或相似的部分。在附图中，层、膜、面板、区域等的厚度为了清楚起见可能被夸大但这些并不限制本发明的实施方式。如果诸如层、膜、区域或基底的组件被称为位于另一个组件"上"，则其可直接地位于另一组件上，或可存在插入的组件。
请参阅图1A到图1I，其为本发明的力感测结构的第一实施例的示意图和传感器上电容对力的曲线图。如图1A所示，力感测结构1包含第一电容材料层102和第一电极104，且第一电极104与物体OBJ间隙隔开。当力作用于物体OBJ时，该物体OBJ靠近力感测结构1，且力感测结构1根据第二电容C2的电容变化检测物体OBJ的接近量。详细来说，力感测结构1可做为自容传感器，当物体OBJ，例如，手指，接近力感测结构1，第一电极104可电容性的连接于物体OBJ，并造成电荷自第一电极104分流至物体OBJ。其结果是，位于力感测结构1的电容值提升。当物体OBJ更靠近第一电容材料层102时，分流的电荷量持续提升，并继续造成电容的持续提升。因此，当感测电路侦测到力感测结构1处的电容上升时，表明物体OBJ靠近力感测结构1。如图1B所示，物体OBJ的接近量会造成如图1B的“接近模式”的电容的变化量。
进一步地，当物体OBJ接触力感测结构1并使第一电容材料层102形变时，力感测结构1根据第一电容C1的变化量检测由物体OBJ作用的力。第一电容材料层102的厚度随着力增加而减少，因此，第一电容C1的电容值提升，如图1B的“接触模式”所示，因此，物体OBJ的接近量和作用于物体OBJ的力可通过计算总电容C的电容变化量来决定。
优选的，物体OBJ可包含金属或半导电材料，其能够与第一电极104感生出电容。需要注意的是，物体OBJ可能并非由金属组成，使得物体OBJ仅能在接近模式下被检测。
请参阅图1C，当第一电容材料层102被力感测结构1'的压容材料层102'所取代时，其能够改变传感器上电容变化量ΔC对于力的特性。例如，当物体OBJ接触力感测结构1'并改变压容材料层102'的厚度时，力感测结构1'根据所述第一电容C1的变化量检测由物体OBJ作用的力，所述第一电容C1的变化量与作用的力大小呈线性关系，如图1D所示。
在本发明的另一实施方式中，如图1E所示，物体OBJ可以是片状且可挠曲的，并且在物体OBJ和力感测结构之间的间隙可以利用通常在触摸面板中应用的必要材料来填充。当物体OBJ两端被固定，且当力作用于物体OBJ时，物体OBJ的一部分被所作用的力弯曲。此处，第二电容C2可能改变为C2'，其电容量的变化所代表所作用的力也可在接近模式中被检测，并且力感测结构的挠性可进一步提升。
请继续参照图1F，图1F为本发明的力感测结构的第一实施例的第三实施方式。力感测结构1"包含第一电容材料层102、第一电极104、绝缘层106和基底层108。在实施例中，物体OBJ和基底层108为接地的。第一电极104通过绝缘层106来避免与接地的物体产生短路，并且在基底层108和第一电极104之间产生的第一电容C1，和在第一电极104和物体OBJ之间产生的第二电容C2为串联的，因此，总电容C＝(C1*C2)/(C1+C2)。与上述实施例类似的，物体OBJ的接近量和作用于物体OBJ的力可根据电容变化量ΔC和所作用的力之间的关系来检测，其电容量的变化如图1G所示。
类似于图1C和图1D，请参阅图1H和1I，第一电容材料层102被力感测结构1'"中的压容材料层102'取代，并且电容变化量和所作用的力的关系由于图1H和1I中的压容材料层102'的存在，也可以线性表示。
请参阅图2A到2O,其为本发明的力感测结构的第二实施例的示意图和传感器上电容对力的曲线图。如图2A-2C所示，力感测结构2包含第一电容材料层202、第一电极204和第二电极206。第一电容材料层202设置在第一电极204和第二电极206之间。当力作用于物体OBJ时，其依序靠近力感测结构2，而第二电容C2依序改变为C2'和C2"，并且第一电容C1随着第一电容材料层202厚度的减少，改变为C1'，如图2A到图2C所示，并且总电容C、第一电容C1和第二电容C2的电容变化量ΔC对所作用的力之间的关系可如图2D所示。因此，物体OBJ的接近量和作用于物体OBJ上的力可根据电容变化量被检测。
类似于图1H和1I，请参阅图2E和图2F，第一电容材料层202也可被力感测结构2'中的压容材料层202'所取代，使得传感器上电容变化量ΔC对于力的特性可被改变。例如，当物体OBJ接触力感测结构2'并改变压容材料层202'的厚度时，力感测结构2'根据第一电容C1的变化量检测由物体OBJ作用的力，其具有对于作用的力的线性关系，如图2F所示。
此外，根据图2G，空气间隙GAP置入力感测结构2"的第一电极204和第一电容材料层202之间，并且间隙电容C1a和第一电容C1b在其间形成。请参阅图2H，当力作用于物体OBJ时，其靠近第一电极204，第二电容C2改变为C2"，并且第一电极204进一步接触第一电容材料层202，使得间隙电容C1a改变为C1a"。请参阅图2I，在第一电容材料层202的厚度因所作用的力减少之后，第一电容C1b改变为C1b'。此处，请参阅图2J，空气间隙GAP的电容特性可通过第一电容材料层202来调整，其中间隙电容C1a和第一电容材料层202是串联的，总电容C可通过下式C＝(C1a*C1b)/(C1a+C1b)C2来计算。
详细来说，在物体OBJ和第一电容材料层202之间的间隙变化，和在第一电极204和第一电容材料层202之间的间隙变化可通过力感测结构来感测，并且作用于物体OBJ上的力也可藉此被感测。因此，电容测量电路应为自容性和互容性电容测量电路。
类似的，第一电容材料层202可被力感测结构2'"中的压容材料层202'取代，并且传感器上电容变化量ΔC对于力的特性可被改变。例如，当物体OBJ接触力感测结构2'"并改变压容材料层202'的厚度时，力感测结构2'"根据第一电容C1b的变化量检测由物体OBJ作用的力，其具有对于作用的力大小的线性关系，如图2K和2L所示。
请参考图2M和图2N，在力感测结构的其他实施例中，还可包含第二电容材料层203，并且空气间隙GAP也可置入第一电容材料层202和第二电容材料层203之间[如图2M中的(1)和(2)所示]。因此，物体OBJ的接近量和作用于物体OBJ上的力可以用类似方式被检测。需要注意的是，物体OBJ可为片状和可挠曲的，当物体OBJ两端被固定，物体OBJ的一部分被所作用的力所弯曲从而将第二电容C2改变为C2'，因此可检测所作用的力。
请参考图2O，力感测结构还包含绝缘层211，并且开关SW电连接于第一电极204和第二电极206之间。当开关SW关闭且物体OBJ接地，第一电极204与第二电极206短路，力感测结构根据第一电极204和第二电极206之间产生的电容变化量来检测作用于物体OBJ的力。当开关SW打开且第一电极204接地，力感测结构根据物体OBJ和第一电极204之间产生的电容变化量，通过使用自容检测来检测物体OBJ的接近量，并且根据第二电极206和第一电容材料层202之间的产生电容变化量检测作用于物体OBJ的力。
图3A到图3F为本公开的力感测结构的第三实施例的示意图。如图3A所示，力感测结构3依序包括第一电极304、绝缘层310、第二电极306、电容材料层302和第三电极308。通过采用在第一电极304和第二电极306之间的互电容检测来检测物体位置信息，以及通过采用在第二电极306和第三电极308之间的互电容检测来检测作用于物体OBJ的力，由于上文已做详细描述，在此不再赘述。
例如，第一电极304可连接于第一接收端RX1，第二电极306可连接于传送端TX，并且第三电极308可连接于第二接收端RX2。在此配置中，当力作用于物体OBJ以靠近第一电极304时，可通过采用第一电极304和第二电极306之间的互电容检测来检测力的位置，并且当物体OBJ接触第一电极304并将部分的力作用于电容材料层302时，通过采用在第二电极306和第三电极308之间的互电容检测，可检测所作用的力。
请参阅图3B，其为本发明的力感测结构的第三实施例的另一示意图。如图3B所示，第三电极308还与电容材料层302以空气间隙GAP分隔，并且设置在第二电极306的边缘区域的两个垫片312用于支撑第二电极306。类似于上述实施例，第一电极304可连接于第一接收端RX1，第二电极306可连接于传送端TX，并且第三电极308可连接于第二接收端RX2。在此配置中，当力作用于物体OBJ以靠近第一电极304时，可通过采用第一电极304和第二电极306之间的互电容检测来检测力的位置，并且当物体OBJ接触第一电极304并将部分的力作用于电容材料层302时，通过采用互电容检测，可根据在第二电极306和第三电极308之间的电容材料层302和空气间隙GAP的变化检测所作用的力。
更进一步的参考图3C，其类似于图3B，除了空气间隙GAP介于两个电容材料层302之间。类似的，第一电极304可连接于第一接收端RX1，第二电极306可连接于传送端TX，并且第三电极308可连接于第二接收端RX2。在此配置中，当力作用于物体OBJ使物体OBJ靠近第一电极304时，可通过采用第一电极304和第二电极306之间的互电容检测来检测力的位置，并且当物体OBJ接触第一电极304并将部分的力作用于两电容材料层302时，通过采用互电容检测，可根据在第二电极306和第三电极308之间两个电容材料层302和空气间隙GAP的变化检测所作用的力。
请转参考图3D，其展示了图3A的变形。图3D中，第一电极304可连接于第一传送-接收端TRX1，第二电极306接地从而将第一电极304和第三电极308的检测隔离，并且第三电极308可连接于第二传送-接收端TRX2。在此配置中，当力作用于物体OBJ以靠近第一电极304时，可通过采用第一电极304的自电容检测来检测力的位置(即所作用的力的x和y位置)，并且当物体OBJ接触第一电极304并将部分的力作用于电容材料层302时，通过采用第三电极308的自电容检测，可检测所作用的力(即沿着z方向作用的力)。值得注意的是，第一电极304、第二电极306和第三电极308的配置可通过自电容检测和互电容检测来修改，以实现分别在x、y和z方向作用的力的检测。
类似于图3A在图3D中的变形，图3B和图3C以类似于图3D的方式修改如图3E和图3F所示。第一电极304连接于第一传送-接收端TRX1，第二电极306接地从而将第一电极304和第三电极308的检测隔离，并且第三电极308可连接于第二传送-接收端TRX2。在此配置中，当力作用于物体OBJ以靠近第一电极304时，可通过采用第一电极304的自电容检测来检测力的位置(即所作用的力的x和y位置)，并且当物体OBJ接触第一电极304并将部分的力作用于电容材料层302时，通过采用第三电极308的自电容检测，可根据空气间隙GAP和电容材料层302的变化，检测所作用的力(即沿着z方向作用的力)。
图4A到图4E为本公开的力感测装置的第一实施例的示意图。如图4A所示，提供了力感测装置400。力感测装置400包括传感器单元4的矩阵414、驱动电路402、感测电路404和处理器406。传感器单元4的矩阵414是以列与行排列，并且用于检测物体相对于力感测装置400从上方的接近量，且用于检测通过作用于力感测装置400的力，并且各传感器单元4包括上述的力感测结构。驱动电路402通过多条驱动线403连接各传感器单元4，从而将驱动讯号顺序作用于所述多条驱动线403。感测电路404通过多条感测线405连接各传感器单元4，感测电路404用于接收通过检测从各传感器单元4感测的第一电容和第二电容的变化产生的感测信号。
此外，处理器406用于从感测电路404中接收感测讯号从而决定所触摸的位置、接近量和物体作用的力。在本实施例中，多个传感器单元4'可彼此独立，或传感器单元4的矩阵414的各行和各列的第一电极408和第二电极410可通过对应的传感器单元4共享，并且电容材料层是位于第一电极408和第二电极410彼此交错处，且形成力高灵敏性区域412。
此外，多个传感器单元4"能够彼此平行排列，如图4B中的(1)和(2)所示。单一传感器单元4'的布局设计可作为用于多点触摸定位和力感测系统的一维或二维排列图案。
请参阅图4C到4E，其为本发明的力感测装置的横截面图。请参阅图4C和4D，上述力感测装置还可根据图4A改变，力感测装置的多个第一电极408、多个第一电容材料层412和第二电极410可选择的彼此分隔设置从而在基底418上形成传感器单元4、4'或4"的矩阵414，且其中的基底418可以是力感测装置400的外壳，并且可以接地。类似的，通过使用接近量检测的机制，可根据电容变化测量在物体OBJ和传感器单元4、4'或4"的矩阵414之间的间隙变化，并且通过使用上述自电容检测及互电容检测个别的测量检测在物体OBJ和个别的传感器单元4、4'或4"之间的间隙G1、G2和G3。当较大的力作用于物体OBJ时，间隙G1、G2和G3的电容将会饱和，然而，由于电容值在其间上升，将可通过个别的传感器单元4、4'或4"感测增加的力。
请参考图4E，物体OBJ还可包含由金属材料制成的第三电极416，并且也可作为另一电容性感测结构的电极以调整感测模式、感测信号强度和信噪比。此外，可将特定的电压作用于第三电极416从而改变它的电压位准，也可使感测模式成为可调整的。例如，当第三电极416接地，即第三电极416的电压位准等同0，通过采用自电容检测，可检测作用力产生的接近量。
图5A到5L为本公开的力感测装置的第二实施例的示意图。为了将显示模块，例如常规的液晶显示器模块、发光二极管模块、有机发光二极管显示器模块和主动矩阵有机发光二极管显示器模块等集成至力感测装置中，需要防护玻璃、中框和外壳来保护和支撑力感测装置的结构。因此，用于实现上述接近量检测和力检测所保留的空间、厚度和结构稳定性应在设计时纳入考虑。
根据图5A，其顺序的绘示了力感测装置在不同量值的作用力下的简化结构，该力感测装置包括有显示模块LCM、传感器膜S和用于支撑结构的中框FRM1，其中，传感器膜S包括如上文所描述的力感测结构和相关的电路。如图所示，接地的显示模块LCM与传感器膜S以空气间隙GAP分隔，并且传感器膜S贴附于接地的中框。此处，显示模块LCM作为片状和可挠曲的物体，并且中框FRM1作为前述的基底层。因此，电容C5和C6形成如图所示，随着作用的力提升，空气间隙GAP减少并造成电容C5和C6的电容变化量。因此，可检测显示模块LCM的接近量和所作用的力。值得注意的是，传感器膜S可贴附于显示模块LCM和中框FRM1的其中之一，同时还可以用类似方式检测显示模块LCM的接近量和所作用的力，由于上文已作详细描述，在此不再赘述。通过采用此结构，即使空气间隙为紧密的(显示模块LCM接触中框FRM1)，仍可检测接近量与作用的力。
请参考图5B到图5L，力感测装置的结构实施例将在下文中说明。从图5B可见，力感测装置501A包含保护玻璃CG、支撑件SUP、显示模块DPM、传感器膜5和中框MF。中框MF被划分为中央区域和边缘区域，并且在中央区域具有用于容纳显示模块DPM和传感器膜5的空腔，中框MF的边缘区域形成有用于容纳保护玻璃CG的凹部，且保护玻璃CG通过支撑件SUP贴附和固定于中框MF的边缘区域。在本实施例中，显示模块DPM贴附于保护玻璃CG，传感器膜5贴附于中框MF的腔体底面，并且与显示模块DPM以空气间隙GAP分隔。空气间隙GAP的厚度可根据需求设计(从0至数毫米)。当力作用于保护玻璃CG，空气间隙GAP的厚度减少，更甚至紧闭，并且可根据电容变化量检测保护玻璃CG的接近量，且也可通过传感器膜5以类似于图5A的方式检测在该处作用的力。此外，在图5C中，力感测装置501B中的传感器膜5也可贴附于显示模块DPM，也可类似的检测显示模块DPM的接近量和作用的力，由于上文已进行详细描述，在此不再赘述。
请参考图5D中的(I)，力感测装置501C-I还包含围绕显示模块DPM的金属框层ML，并且金属框层ML的底面贴附于传感器膜5。类似于图4E，金属框层ML也可作为另一电容性感测结构的电极以调整感测模式、感测信号强度和信噪比。虽然传感器膜如图5D中的(I)所示是贴附于金属框层ML的底面，但也可贴附于中框MF，如图5D中的(II)的力感测装置501C-II中所示，同时还可以利用类似方式检测显示模块DPM的接近量和所作用的力，由于上文已进行详细描述，在此不再赘述。
请参阅图5E，其为从图5B修改的实施例。如图5E中的(I)所示力感测装置501D-I还包括设置在传感器膜5和中框MF之间的缓冲层BL。缓冲层BL的下表面可通过粘合剂贴附于传感器膜5和中框MF。此外，缓冲层BL可作为其间的软垫从而在显示模块DPM接触传感器膜5时避免构造上的损坏，并且缓冲层BL包括至少一个力集中特征。同时还可以利用类似方式检测显示模块DPM的接近量和所作用的力，由于上文已进行详细描述，在此不再赘述。虽然缓冲层BL如501D-I所示贴附于传感器膜5，缓冲层BL也可相对传感器膜5和显示模块DPM设置在不同位置上，如力感测装置501D-II至501D-V所示[如图5E中的(II)至(V)所示]。
请参阅图5F，其为从图5D修改的实施例。力感测装置501E-I(如图5F中的(I))还包括设置在传感器膜5和金属框层ML之间的缓冲层BL。缓冲层BL的下表面可通过黏合剂贴附于传感器膜5。此外，缓冲层BL可作为其间的软垫从而在金属框层ML接触传感器膜5时避免构造上的损坏，并且缓冲层BL包括至少一个力集中特征。同时还可以利用类似方式检测金属框层ML的接近量和所作用的力，由于上文已进行详细描述，在此不再赘述。虽然缓冲层BL如501E-I所示贴附于传感器膜5，缓冲层BL也可相对传感器膜5和金属框层ML设置在不同位置上，如力感测装置501E-II至501E-IV所示[如图5F中的(II)至(IV)所示]。
请参阅图5G，其为从图5E修改的实施例。在力感测装置501F-I中[如图5G中的(I)所示]，缓冲层BL可被由多个减震垫BP形成的缓冲结构取代。多个减震垫BP可贴附于传感器膜5和中框MF。传感器膜5被减震垫BP支撑并固定，并且仅有空气间隙GAP2形成在减震垫BP之间，从而在传感器膜5直接接触中框MF时避免结构上的损坏。同时还可以利用类似方式检测显示模块DPM的接近量和所作用的力，由于上文已进行详细描述，在此不再赘述。此外，力感测装置501F-II[如图5G中的(II)所示]为力感测装置501F-I的变化实施例。挠性板PL进一步的设置在传感器膜5和减震垫BP之间，并且传感器膜5与显示模块DPM分隔。当显示模块DPM接触传感器膜5时，也可避免结构上的损坏。
请参阅图5H，其为从图5F修改的实施例。多个减震垫BP设置于传感器膜5和金属框层ML之间从而取代缓冲层BL。减震垫BP可贴附于力感测装置501G-I[如图5H中的(I)所示]的传感器膜5和金属框层ML。传感器膜5的所有区域为减震垫BP所支撑和固定。仅有空气间隙GAP2形成在减震垫BP之间，从而在中框MF直接接触传感器膜5时避免结构上的损坏。同时还可以利用类似方式检测显示模块DPM的接近量和所作用的力，由于上文已进行详细描述，在此不再赘述。类似地，即使减震垫BP和传感器膜5的位置交换，如力感测装置501G-II所示[如图5H中的(II)所示]，也可避免结构上的损坏。
请参阅图5I，其为从图5F修改的实施例。在力感测装置501H-I中[如图5I中的(I)所示]，中框MF的空腔还可容纳传感器膜5和缓冲层BL。缓冲层BL贴附于传感器膜5并与显示模块DPM分隔。形成空气间隙GAP1和GAP2从而在显示模块DPM直接接触传感器膜5时，以及金属框层ML直接接触中框MF时避免结构上的损坏。在变化的情况中，例如力感测装置501H-II至501H-IV[如图5I中的(II)至(IV)所示]，可省略缓冲层BL，或可改变缓冲层BL的位置。同时还可以利用类似方式检测显示模块DPM的接近量和所作用的力，由于上文已进行详细描述，在此不再赘述。
请参阅图5J，其为从图5I修改的实施例。在力感测装置501I-I[如图5J中的(I)所示]中，缓冲层BL可被减震垫BP取代。类似于图5I中缓冲层BL的作用，减震垫BP用作缓冲结构，并且也形成有空气间隙GAP1和GAP2，从而在显示模块DPM直接接触传感器膜5，以及金属框层ML直接接触中框MF时避免结构上的损坏。此外，力感测装置501I-II[如图5J中的(II)所示]为力感测装置501I-I的变化实施例，金属框层ML的边缘区域为减震垫BP所支撑并固定于中框MF。金属框层ML和中框MF可形成空气间隙GAP1和GAP2，从而在显示模块DPM直接接触传感器膜5，以及金属框层ML直接接触中框MF时避免结构上的损坏。同时还可以利用类似方式检测显示模块DPM的接近量和所作用的力，由于上文已进行详细描述，在此不再赘述。
请参阅图5K，其为从图5H修改的实施例。在力感测装置501J中，中框MF的空腔可进一步容纳传感器膜5，并且缓冲结构包括挠性板PL和减震垫BP。挠性板PL的边缘区域为减震垫BP所支撑并固定于金属框层ML。挠性板PL和减震垫BP可于其间形成空气间隙GAP2从而在显示模块DPM直接接触传感器膜5时避免结构上的损坏。此外，金属框层ML与中框MF以空气间隙GAP3分隔。同时还可以利用类似方式检测显示模块DPM的接近量和所作用的力，由于上文已进行详细描述，在此不再赘述。
优选地，表1示出图5B至5K中的所有组件的结构性尺度(即厚度范围)作为参照，但不限于以下所描述的范围：
表1：
组件 厚度范围(毫米)
保护玻璃 0.30～1.10
金属框层 0.10～0.15
保护玻璃+显示器 1.00～2.60
软垫 0.10～1.0
传感器 0.07～0.18
减震垫 0.01～0.15
平板 0.10～0.20
空气间隙 0.11～0.35
密封剂 0.10～0.22
海绵胶 0.14～0.25
中框 0.20～0.52
虽然在实施例中，减震垫BP的数量示出为两个，但减震垫可如图5L所示以不同方式实现[如图5L中的(1)至(3)所示]，其中，减震垫BP可以相对于金属框层ML的不同方向设置，并且也可占满整个金属框层ML。
图6A到图6B为本公开的侧向力感测装置的实施例的示意图。机械结构601包含如图5A到图5K所描述的力感测装置，典型地设置在外壳SH中，并且外壳SH还可容纳其他电子组件。为了取代常规的侧边按键并提供侧边力感测面板，在图1A到图3F中描述的力感测结构包含于传感器膜6中，其设置在外壳SH的内表面。如图6A和图6B所示，侧边力感测面板以两种不同方式实现。传感器膜6可贴附于内侧支撑件ISUP，内侧支撑件ISUP可被固定于外壳SH的底表面和机械结构601从而间接固定传感器膜6，使得可在外壳SH的侧边部分被按压时，根据电容变化量检测外壳SH的侧边部分的接近量。
另一种实现侧边力感测面板的方式是将传感器膜6通过内侧支撑件ISUP'固定于外壳SH的侧边内表面。内侧支撑件ISUP'可形成空气间隙GAP，并且可以利用类似方式检测外壳SH的侧边内表面的接近量和所作用的力，由于上文已进行详细描述，在此不再赘述。
综上所述，根据本发明的力感测结构和力感测装置，可通过包含双重检测模式的单一传感器检测接近量和作用的力。力感测结构的接近模式和接触模式都能根据其中的电容变化量检测接近量和作用的力，因此可省略额外的力感测装置(或传感器)，并且可进一步缩减力感测模块的厚度。
此外，通过在力感测装置的机械结构中添加缓冲层或缓冲结构，在任何组件的刚体部分直接接触传感器膜时可避免结构上的损坏。额外的金属部件也可包括在力感测结构中，以作为另一电容性感测结构的电极从而来调整感测模式、感测信号强度和信噪比，并且侧边力感测功能也可通过采用本发明的力感测结构来实现。
虽然已经参考附图充分地描述了示例，但是应当注意到本发明并不限于所描述的实施例。与上述详细的说明相比，本发明的由权利要求书的含义、范围、及其均等概念导出的所有变更或变形都要解释为包含在本发明的范围之内。

Claims (23)

1.一种力感测结构，其特征在于，包括：
力触摸传感器，用于检测物体从上方向所述力触摸传感器的接近量和由所述物体向所述力触摸传感器作用的力，所述力触摸传感器包括：
第一电极，与所述物体相隔一间隙设置；
第一电容材料层，相邻所述第一电极设置，且所述第一电极设置在所述第一电容材料层上；以及
第二电极，设置在所述第一电容材料层下方，其中，所述第一电容材料层至少与所述第一电极和所述第二电极的其中之一接触，
当所述物体接近所述力触摸传感器，所述力触摸传感器根据其产生的第一电容变化感测所述物体的所述接近量，
且当所述物体接近所述力触摸传感器且部分力作用于所述第一电容材料层时，所述力触摸传感器根据第二电容变化感测由所述物体作用的力，其中所述第二电容变化是在所述物体与所述力触摸传感器之间、所述第一电极和所述第二电极之间或所述第二电极和第一电容材料层之间产生或由转移至所述第一电容材料层的力所造成。
2.根据权利要求1所述的力感测结构，其特征在于，所述第一电容材料层是由压容材料制成，且当所述物体接近所述力触摸传感器且部分力作用于所述第一电容材料层时，所述力触摸传感器根据所述第二电容变化检测由所述物体作用的力，且所述第二电容变化与所作用的力大小实质上正相关。
3.根据权利要求1所述的力感测结构，其特征在于，所述力感测结构还包括设置在所述第一电极上的绝缘层，和与所述第一电极和所述第二电极电连接的开关，当所述开关关闭且所述物体接地时，所述第一电极与所述第二电极短路，所述力触摸传感器根据所述第一电极和所述第二电极之间产生的所述第二电容变化检测作用于所述物体的力。
4.根据权利要求3所述的力感测结构，其特征在于，当所述开关打开且所述第一电极接地时，所述力触摸传感器根据所述第二电极和第一电容材料层之间产生的所述第二电容变化检测作用于所述物体的力。
5.根据权利要求1所述的力感测结构，其特征在于，所述力感测结构还包括在所述第一电容材料层和所述第一电极之间的空气间隙，所述空气间隙的一部分被第二电容材料层填充。
6.根据权利要求1所述的力感测结构，其特征在于，所述力感测结构还包括在所述第一电容材料层和所述第一电极之间的空气间隙，所述空气间隙是以第二电容材料层填充的。
7.根据权利要求1所述的力感测结构，其特征在于，所述物体为可形变的，当力作用于所述物体时，所述物体的一部分靠近所述第一电极，且所述力触摸传感器根据所述第一电容变化检测作用于所述物体的力，且当所述物体进一步接近所述第一电极时，所述力触摸传感器根据所述第二电容变化检测作用于所述物体的力，且所述第二电容变化由转移至所述第一电容材料层的力所造成。
8.根据权利要求1所述的力感测结构，其特征在于，所述物体为可形变的且实质上片状的，当力作用于所述物体，所述物体对应于力作用的位置的部分靠近所述第一电极，且所述力触摸传感器根据所述第一电容变化检测作用于所述物体的力，且当所述物体进一步接近所述第一电极，所述力触摸传感器根据所述第二电容变化检测作用于所述物体的力，且所述第二电容变化是因转移至所述第一电容材料层的力所造成。
9.一种力感测结构，其特征在于，包括：
力触摸传感器，用于检测物体从上方向所述力触摸传感器的接近量和由所述物体向所述力触摸传感器作用的力，所述力触摸传感器包括：
第一电极，与所述物体相隔一间隙设置；
第一电容材料层，设置在所述第一电极下；
第二电极，设置在所述第一电极和所述第一电容材料层之间；
绝缘层，设置在所述第一电极和所述第二电极之间；
第三电极，设置在所述第一电容材料层下方，
当所述物体靠近所述力触摸传感器时，所述力触摸传感器根据在所述第一电极和所述物体之间产生的第一电容变化检测所述物体的接近量，及
当所述物体接近所述力触摸传感器并作用部分的力于所述第一电容材料层时，所述力触摸传感器根据所述第二电极和所述第三电极之间产生的第二电容变化检测作用于所述物体的力。
10.根据权利要求9所述的力感测结构，其特征在于，所述力感测结构还包括在所述第二电极和所述第三电极之间的空气间隙，所述空气间隙是部分或完全以第二电容材料层填充。
11.一种力感测装置，其特征在于，包括：
多个传感器单元，用于检测从上方接近所述力感测装置的物体的接近量和由所述物体作用于所述力感测装置的力，各传感器单元包括：
如权利要求1所述的力感测结构；
驱动电路，通过多条驱动线与各所述传感器单元连接从而将驱动信号依序作用于所述多条驱动线；
感测电路，通过多条感测线连接于各所述传感器单元，所述感测电路用于接收多个感测信号，所述多个感测信号是通过检测由各所述传感器单元感测的所述第一电容变化和所述第二电容变化所产生的；以及
处理器，用于从所述感测电路接收所述多个感测信号以判断所触摸的位置、接近量和作用的力。
12.根据权利要求11所述的力感测装置，其特征在于，所述多个传感器单元的多个所述第一电极和多个所述第二电极是由设置在相同行或列中对应的传感器单元所共享。
13.根据权利要求11所述的力感测装置，其特征在于，所述多个传感器单元彼此机械性的充分隔离。
14.一种力感测装置，其特征在于，包括：
多个传感器单元，用于检测从上方接近所述力感测装置的物体的接近量和由所述物体作用于所述力感测装置的力，各传感器单元包括：
力感测结构，所述力感测结构包括：
力触摸传感器，用于检测物体从上方向所述力触摸传感器的接近量和由所述物体向所述力触摸传感器作用的力，所述力触摸传感器包括：
第一电极，与所述物体相隔一间隙设置；
第一电容材料层，相邻所述第一电极设置；
第二电极，设置在所述第一电极上；
绝缘层，设置在所述第一电极和所述第二电极之间；以及
接地的基底，设置在所述第一电容材料层下方；
当所述物体靠近所述力触摸传感器时，所述力触摸传感器根据所述第一电极和所述物体之间产生的所述第一电容变化检测所述物体的接近量，
且当所述物体接近所述力触摸传感器并作用部分的力于所述第一电容材料层时，所述力触摸传感器根据在所述第一电极和所述第二电极之间产生的第二电容变化检测作用于物体的力。
15.根据权利要求14所述的力感测装置，其特征在于，还包括封装所述力感测装置的外壳，且至少一在所述外壳内支撑所述力感测结构的支撑结构。
16.根据权利要求14所述的力感测装置，其特征在于，还包括：
保护玻璃，设置在所述多个传感器单元上；
显示模块，设置在所述多个传感器单元和所述保护玻璃之间，且附着于所述保护玻璃；以及
第一框体，设置于所述多个传感器单元下方且设置有用于容置所述显示模块和所述多个传感器单元的第一凹槽。
17.根据权利要求16所述的力感测装置，其特征在于，所述多个传感器单元设置在所述第一凹槽中，且所述多个传感器单元贴附于所述显示模块和所述第一凹槽的表面中的一个。
18.根据权利要求17所述的力感测装置，其特征在于，还包括设置在所述保护玻璃下方且在所述第一凹槽中的第二框体，所述第二框体具有用于容置所述显示模块的第二凹槽。
19.根据权利要求16所述的力感测装置，其特征在于，还包括与所述多个传感器单元相邻的缓冲层。
20.根据权利要求19所述的力感测装置，其特征在于，所述缓冲层包括料片和至少一个减震垫。
21.根据权利要求16所述的力感测装置，其特征在于，还包括设置在所述显示模块下方且与所述多个传感器单元相邻的缓冲层。
22.根据权利要求19所述的力感测装置，其特征在于，所述缓冲层包括发泡片。
23.根据权利要求19所述的力感测装置，其特征在于，所述缓冲层包括至少一个力结合特性。
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