CN109813346B - 多级电容式传感器 - Google Patents

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Abstract

一种多层结构的多级电容式传感器，包括用户接触界面、第一电容式传感器、与所述第一电容式传感器在远离所述用户接触界面方向间隔设置的第二电容式传感器及导电构件。所述导电构件设置在所述第一、第二电容式传感器之间。在用户接触表面处施加力的情况下，导电构件和第二电容传感器相对运动，使得它们之间的距离被改变以在第二电容传感器处产生可检测的电容变化。

Description

多级电容式传感器
技术领域
本发明涉及一种多级电容式传感器，特别是而不限于应用于车辆仪表控制面板的多级电容式传感器。本发明还涉及一种使用所述多级电容式传感器的人机交互界面(Human-Machine Interface,HMI)及所述多级电容式传感器的制造方法。
背景技术
汽车通常在仪表盘上或仪表盘后设置开关控制相关功能。传统上，在仪表盘上设置机械开关或旋钮开关以控制空调、导航及音响等功能。但是，机械开关必须要在面板上设置通孔以容置所述开关使得面板不美观，且在面板后需要预留空间以安装所述机械开关。电容式开关同样可用于仪表盘控制，电容式开关可以不影响面板美观的情况下设置在面板后，但是电容式开关容易误触而导致危险。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种不在面板上设置通孔且可避免误触的开关。
一种多级电容式传感器，包括：用户接触界面；第一电容式传感器设置在所述用户接触界面上或临近所述用户接触界面设置，所述第一电容式传感器用作所述用户接触界面的电容式触摸传感器；第二电容式传感器在远离所述用户接触界面方向上与所述第一电容式传感器分离设置；导电构件，设置在所述第一、第二电容式传感器之间，所述导电构件与所述第二电容式传感器分离设置。当在用户接触界面施加力时，所述导电构件与所述第二电容式传感器相对运动，使得所述导电构件与所述第二电容式传感器之间的距离改变，所述第二电容式传感器处产生可检测的电容变化。
优选地，还包括用于安装第一电容式传感器的第一电路基板与安装第二电容式传感器的第二电路基板。
优选地，所述导电构件为可偏转导电构件，所述可偏转导电构件与所述第一电路基板耦合且相对所述第二电容式传感器偏转。
优选地，还包括设置在所述第一、第二电路基板之间的间隔元件，所述间隔元件在所述可偏转导电构件与所述第二电容式传感器之间定义收容腔以收容所述可偏转导电构件。
优选地，所述导电构件直接安装在所述第一电路基板上。
优选地，所述导电构件印刷在所述第一电路基板上。
优选地，所述导电构件安装在附接在所述第一电路基板的导电膜上。
优选地，还包括附设在所述第二电路基板上的加强件。
优选地，还包括将所述第一电路基板固定到所述用户接触界面的粘结层。
优选地，所述第二电路基板为柔性电路基板。
优选地，还包括设置在所述第二电路基板或临近所述第二电路基板设置的后置偏转元件，其中，当在所述用户界面施加力时，所述第二电路基板通过所述后置偏转元件偏转。
优选地，所述用户接触界面设置至少一个突起，其中，当在所述用户界面施加力时，所述第二电路基板通过所述至少一个突起偏转。
优选地，所述导电构件为导电网格、连续的导电板或介电层上的涂层。
优选地，包括多个第一电容式传感器，所述多个第一电容式传感器通过一公共电连接相连。
优选地，包括多个第二电容式传感器，所述多个第二电容式传感器通过一公共电连接相连。
优选地，至少一导电构件与第二电容式传感器安装在机械移动元件上，当在所述用户接触界面施加力时，所述机械移动元件移动。
优选地，还包括与用户接触界面耦合的突起，所述导电构件安装在所述突起上以在所述用户接触界面被施加力时相对所述第二电容式传感器移动。
一种人机交互界面，包括：如前述任意一项所述的多级电容式传感器，所述用户接触界面设置在控制面板上。
优选地，所述用户接触界面为车辆仪表盘控制面板。
一种多级电容式传感器的制造方法，包括：
提供第一电容式传感器；
提供与所述第一电容式传感器耦合的导电构件；
提供第二电容式传感器；
将导电构件定位于所述第一、第二电容式传感器之间，所述导电构件与所述第二电容式传感器间隔设置；及
将所述第一电容传感器固定在用户接触表面处或附近，所述第一电容式传感器用作所述用户接触界面的电容式触摸传感器，并且在用户接触表面处施加力的情况下，导电构件和第二电容传感器相对运动，使得它们之间的距离被改变以在第二电容传感器处产生可检测的电容变化。
本发明提供的人机界面使用的多级电容式传感器的多级操作有利地减少了传统上使用电容式控制传感器误触发导致的错误，从而提高了传感器的有效性。
附图说明
图1为本发明一实施例的多级电容式传感器的截面示意图。
图2为本发明一实施例的应用于车辆仪表盘的人机交互界面示意图。
图3是本发明一实施例的多级电容式传感器的截面示意图。
图4是本发明一实施例的多级电容式传感器的截面示意图。
图5是本发明一实施例的多级电容式传感器的截面示意图。
图6是本发明一实施例的多级电容式传感器的截面示意图。
图7是本发明一实施例的多级电容式传感器截面示意图。
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。可以理解，附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。附图中显示的连接仅仅是为便于清晰描述，而并不限定连接方式。
图1是本发明一实施例的多级电容式传感器10。所述电容式传感器10可以用作人机交互界面(Human-Machine Interface,HMI)触控面板的一部分。所述电容式传感器10可用于，但不限于车辆仪表盘的控制面板。所述多级电容式传感器10可以经两步触发执行相关功能。当用户接近所述多级电容式传感器10时，所述多级电容式传感器10并未被触发。当首次接触时，所述多级电容式传感器10确定用户手指的位置，但直到用户施加力至所述多级电容式传感器10时，所述多级电容式传感器10被触发。
所述多级电容式传感器10是多层结构的传感器。具体地，所述多级电容式传感器包括用于与所述多级电容式传感器10交互的用户接触界面12、设置在所述用户接触面12上或与所述用户接触界面12临近设置的第一电容传感器14。所述用户接触界面12由用户接触元件形成。所述第一电容传感器14用作所述用户接触界面12的电容触控传感器以实现所述多级电容式传感器10的第一级动作。所述用户接触界面12最好设置在汽车仪表盘的用户接触元件16上，即面板上。所述用户接触元件16可以是在用户按压时产生形变的任意材料，如皮革、木材、薄金属或塑料材料。用户接触界面可以形成在与所述多级电容式传感器10结合的任意用户接触元件上。
所述第一电容传感器14优选的由第一电路基板18支撑，更优地，所述第一电容传感器14直接安装在所述第一电路基板18上。在其他实施方式中，所述第一电容传感器14可以印刷到所述第一电路基板18上。在一实施方式中，所述第一电路基板18由所述粘合剂层20连接到用户接触元件16，所述粘合剂层20优选的围绕或封装所述第一电容传感器14以防止潜在的短路现象。
优选地，所述第一电路基板18为柔性电路基板，如聚合物厚膜、纸或FR4电路板。可选地，所述第一电路基板18可以省略，所述第一电容传感器14可以设置在所述用户接触界面12的背面上直接与用户接触元件接触，即所述第一电容传感器14直接设置在用户接触元件16的背面。
所述多级电容式传感器10在远离用户接触界面12一侧设置偏转导电构件22。所述偏转导电构件22与所述第一电路基板18耦合或关联设置以使用户在所述用户接触界面12施加力时使所述偏转导电构件22产生远离所述用户接触界面12方向的形变。
可以理解，所述偏转导电构件22可以不与所述第一电路基板18相连，而是在所述偏转导电构件22与所述第一电路基板18之间设置中间件，例如在所述第一电路基板18上附接安装膜以使所述偏转导电构件22与所述用户接触界面12耦合。
优选地，所述偏转导电构件22由导电网格形成。可以理解，其他适当的导电元件均可构成所述偏转导电构件22，如连续的导电材料板。进一步地，所述偏转导电构件22可以设置为一介电层上的涂层。
第二电容传感器24在远离所述用户界面12的方向上与所述第一电容传感器14分离设置，以使所述偏转导电构件22设置在所述第一与第二电容传感器14、24之间。所述第二电容传感器24优选地固定在所述第二电路基板26上，所述偏转导电构件22可以在用户按压时朝向所述第二电容传感器14形变。
优选地，所述第二电路基板26为柔性基板，如聚合物厚膜、薄膜纸、FR4基板等。
优选地，所述偏转导电构件22与所述第二电容传感器24之间设置至少一个开关间隔元件28。所述开关间隔元件28与所述第一电路基板18、所述第二电路基板26相连以形成收容腔30用于容置所述第二电容传感器24。
在一实施方式中，所述第二电路基板26安装在一后置加强元件32上，所述后置加强元件32可以是刚性材料片以阻止所述第二电容传感器24在所述用户接触界面12的被施加力时产生形变。优选地，所述第二电路基板26粘接在所述后置加强元件32上。所述后置加强元件32可以用作第二电路基板，例如，当使用刚性印刷电路基板时。
应当理解，如果形成在汽车仪表盘的用户接触元件16上的用户接触界面12与所述后置加强元件32结合设置，则所述间隔元件28可以省略。所述收容腔30由所述用户接触界面12与所述后置加强元件32定义。
具有所述多级电容式传感器10的开关作为人机交互界面的一部分可以按如下步骤操作：用户接触所述用户接触界面选择由人机交互界面控制的电子装置的某一功能。所述第一电容传感器14检测用户接触位置但不触发相关功能。
当施加力至所述用户接触界面12时，如手指按压、触控笔按压等，相关功能被触发。这是通过所述偏转导电构件22发生形变偏转到所述收容腔30中以改变所述偏转导电构件22与所述第二电容传感器24之间的相对距离实现的。这导致所述第二电容传感器24处的可检测变化以触发所述电子装置的相关功能。需要注意的是，所述第二电容传感器24并未发生形变或比所述偏转导电构件22的形变程度小；当用户施加力时，所述偏转导电构件22与所述第二电容传感器24之间的距离发生变化。
所述多级电容式传感器10具有第一、第二逐步激活的开关设置，使通过选取所述多级电容式传感器10的层结构调节灵敏度成为可能。例如，通过改变所述间隔元件28的厚度、收容腔的面积及/或深度、用户接触元件16与后置加强元件32之间的距离以选择性调节各个阶段的灵敏度。
所述多级电容式传感器10可以按照如下方法制造。所述第一电容传感器14可以固定在所述第一电路基板18上，所述偏转导电构件22与所述第一电路基板18结合设置，优选地，使所述偏转导电构件22与所述第一电容传感器14分离以使所述第一电容传感器14电绝缘。
所述第二电容传感器24固定在所述第二电路基板26上，所述第一、第二电路基板18、26相互连接以使所述偏转导电构件22位于所述第一与第二电容传感器14、24之间，所述偏转导电构件22与所述第二电容传感器24分离设置。优选地，使用互连第一、第二电路基板18、26的间隔元件28来实现连接。
所述第一电路基板18固定设置在所述用户接触界面12上，所述用户接触界面12可以是汽车仪表盘的面板。所述第一电容传感器14设置在用户接触界面12上或临近所述用户接触界面12设置，使得所述用户接触界面12设置成电容式触摸传感器。可选择地，所述第一电容传感器14可以直接固定在所述用户接触元件上以定义所述用户接触界面12。
如前所述，当所述用户接触界面12被施加力时，所述偏转导电构件22可以向所述第二电容传感器24形变以改变所述偏转导电构件22与所述第二电容传感器24之间的距离以在所述第二电容传感器24处产生可侦测的形变。
用于汽车仪表盘的人机交互界面可以通过将电容开关组合34粘结在所述仪表盘面板的背面。所述电容开关组合34包括第一电容传感器14、第一电路基板18、偏转导电构件22、间隔元件28、第二电容传感器24、第二电路基板26及加强元件32。
虽然在上述实施例中描绘了单个开关和传感器设置，但是应当理解，可以连接多个电容传感器；这种设置通常用于滑块型电容控制装置中。这样，可以提供多个第一电容传感器和/或多个第二电容传感器，从而改善多级电容传感器的功能。多个传感器中的任何一个可以通过公共连接连接在一起，以实现滑块型功能。
图2为多级电容式传感器10集成到机动车辆仪表盘100的示意图。车辆内的各种不同指示器可以呈现在显示屏136上，例如加速度计或温度计。
在机动车辆上还可设置多个用户界面138用于接收驾驶员或乘客的输入指令。所述多个用户界面138可以使用前述多级开关。所述用户界面138可以是，但不限于导航系统140、音频系统142、车辆空调控制144、及仪表盘显示器146。所述用户界面138在相关电子装置的控制面板上形成用户接触界面12。
通过在用户界面138设置所述多级电容式传感器10可避免触发开关的误操作，且仪表盘100的面板不需要形成通孔，从而允许改善视觉美感。
虽然到目前为止已经结合使用偏转导电构件的布置描述了本发明，但是应当理解，传感器的重要特征是偏转导电构件和第二电容传感器之间存在相对运动，从而实现多级电容感测。下面介绍本发明的一些替代实施例。
图3示出了按钮型多级电容式传感器210。为简化描述，本实施例描述的与图1所示的多级电容式传感器10相同或相似的部件使用相同的标记。
在该多级电容式传感器210中，用户接触界面212和用户接触元件216可相对于仪表盘面板248移动，所述多级电容式传感器210安装在仪表盘面板248内。第一电容传感器214，第一电路基板218和导电构件222优选地刚性地安装到用户接触界面212的后表面。
然后，第二电容传感器224和第二电路基板226优选地安装到后置加强元件232上，但是可以使用任何适当的支撑，以便与导电构件222间隔开并且不与导电构件222连接。
当所述用户接触界面212被施加力时，如手指按压，使整个可移动接触单元偏转，所述可移动接触单元至少包括用户接触元件216，第一电容传感器214和导电构件222。
所述多级电容式传感器210还包括连接到用户接触元件216并从用户接触元件216延伸的耦合突起250。所述耦合突起250通过弹簧252固定在所述后置加强件232上。如此可以避免过大的力施加到所述用户接触元件上，从而避免所述导电构件222与第二电容传感器的接触。这样有利于所述可移动接触单元回复到初始位置。
图4示出了另一实施例的多级电容式传感器310。为简化描述，本实施例描述的与图1所示的多级电容式传感器10相同或相似的部件使用相同的标记。
在所述多级电容式传感器310中设置可移动接触单元。所述可移动接触单元至少包括形成用户接触界面312的用户接触元件316、第一电容传感器314、第一电路基板318及导电构件322。所述可移动接触单元可向第二电容传感器324、第二电路基板326及后置加强件332移动，在本实施方式中，所述导电构件322与第二电容传感器324之间的距离是可变的。
在本实施例中，所述多级电容式传感器310还包括设置在或与所述用户接触界面312或用户接触元件316临近设置的抓握元件354。用户可以通过所述抓握元件354操作所述可移动接触单元。在本实施例中为可抓握的手柄，在其他实施例中可以为旋钮、刻度盘等。
图5示出了另一实施例的多级电容式传感器410。为简化描述，本实施例描述的与图1所示的多级电容式传感器10相同或相似的部件使用相同的标记。
在所述多级电容式传感器410中设置可移动接触单元。所述可移动接触单元至少包括形成用户接触界面412的用户接触元件416、第一电容传感器414、第一电路基板418及导电构件422。在所述用户接触元件416的背面设置突出部450。
所述第二电路基板426为柔性或至少部分为柔性电路基板。所述第二电路基板426与所述突出部450接触。所述第二电容传感器424固定在所述第二电路基板426上。用户在用户接触界面412处施加力能够将突出部450推向所述第二电路基板426，使第二电容传感器424偏离导电构件422，从而导致电容的可检测变化。
应当理解，如果使用可偏转的面板作为用户接触元件416，则所述可移动的接触单元可以省略。在面板足够的弯曲度可允许突出部450相对于第二电容传感器424的移动。
图6示出了另一实施例的多级电容式传感器510。为简化描述，本实施例描述的与图1所示的多级电容式传感器10相同或相似的部件使用相同的标记。
第一电容传感器514、第一电路基板518及导电构件522优选地刚性固定在所述用户接触元件516上。但是，所述第二电路基板526为固定在导电构件522上的柔性电路基板，或者以其他方式与所述用户接触元件516耦合，使得施加在用户接触界面上力推动所述第二电路基板526远离所述用户接触元件516。在本实施例中，通过粘接层556实现这种固定。所述粘合剂层556允许在导电构件522和第二电路基板526之间形成腔530。
然后提供后置偏转元件558，其在用户接触界面512处施加力的情况下可与所述第二电路基板526接触，使得第二电容传感器524朝向导电构件522偏转，从而导致可检测的电容变化。
图7示出了另一实施例的多级电容式传感器610。为简化描述，本实施例描述的与图1所示的多级电容式传感器10相同或相似的部件使用相同的标记。
提供可移动接触单元，其中承载用户接触界面612的用户接触元件616在其后表面上设置有至少一个，优选地，设置多个第一电容传感器614。这里，第一电容传感器614直接粘附到用户接触元件616，用户接触元件616可以用作第一电路基板。
在本实施例中，提供至少一个，这里是两个突出部650，其通过弹簧652安装，每个突出部650上具有一安装元件660。所述安装元件660在突出部650的侧面延伸。优选地，所述安装件660可以沿远离第一电容传感器614的方向延伸，尽管可以考虑更传统的“三明治”结构。导电构件622安装到相应的安装元件660。
所述第二电容传感器624安装在所述第二电路基板626上，如前所述为刚性电路基板，所述可移动接触单元使所述导电构件朝向或远离所述第二电容传感器624运动，以产生可检测的变化电容。
应当理解，多级开关技术可以容易地应用于可以使用可触摸检测的面板或可触摸检测的优选柔性的膜接口的所有领域。此外，用户接触界面12可以包括触摸屏。
应当理解，可以为多级电容式传感器10中使用的每个电触点提供任何电接触形式的组合，这取决于其功能，例如单个短路焊盘，多个接触焊盘，以及有和没有电介质间隔物，并且上述联系方式不应被视为详尽的列表。
使用形成显示屏的一部分的用户接触界面12作为设备的用户界面的一部分的优点之一是它通常至少部分透明或半透明。因此，可以在开关内提供照明元件，例如LED组件，其照亮显示器和/或用户界面，帮助用户快速识别开关的功能。
因此，可以提供一种多级电容式传感器，特别适合用作汽车环境中电子设备的控制开关。多级电容式传感器需要触摸来选择功能然后施加力以确认用户的选择。这有利地消除了与车辆中的电容式传感器的错误触发而导致的问题。并且也不需要在车辆仪表盘面板上钻孔，以设置机械或旋转开关，因此可以在不损害操作功能的前提下保持面板均匀。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种多级电容式传感器，包括：
用户接触界面；
第一电容式传感器设置在所述用户接触界面上或临近所述用户接触界面设置，所述第一电容式传感器用作所述用户接触界面的电容式触摸传感器；
第二电容式传感器在远离所述用户接触界面方向上与所述第一电容式传感器分离设置；
导电构件，设置在所述第一、第二电容式传感器之间，所述导电构件与所述第二电容式传感器分离设置；
当在用户接触界面施加力时，所述导电构件与所述第二电容式传感器相对运动，使得所述导电构件与所述第二电容式传感器之间的距离改变，所述第二电容式传感器处产生可检测的电容变化；
所述第二电容式传感器位于一电路基板上，所述电路基板为柔性电路基板，所述多级电容式传感器还包括设置在所述电路基板或临近所述电路基板设置的后置偏转元件，在所述用户接触界面处施加力的情况下，所述后置偏转元件与所述电路基板接触，使得第二电容式传感器朝向所述导电构件偏转。
2.如权利要求1所述的多级电容式传感器，其特征在于，还包括用于安装第一电容式传感器的另一电路基板，所述第一电容式传感器、所述另一电路基板及所述导电构件刚性固定在所述用户接触界面上。
3.如权利要求2所述的多级电容式传感器，其特征在于，所述导电构件直接安装在所述另一电路基板上。
4.如权利要求3所述的多级电容式传感器，其特征在于，所述导电构件印刷在所述另一电路基板上。
5.如权利要求2所述的多级电容式传感器，其特征在于，所述导电构件安装在附接在所述另一电路基板的导电膜上。
6.如权利要求2所述的多级电容式传感器，其特征在于，还包括将所述另一电路基板固定到所述用户接触界面的粘结层。
7.如权利要求1所述的多级电容式传感器，其特征在于，所述后置偏转元件具有向所述电路基板突出的弯曲的表面。
8.如权利要求1所述的多级电容式传感器，其特征在于，所述电路基板固定在所述导电构件上。
9.如权利要求1所述的多级电容式传感器，其特征在于，所述导电构件为导电网格、连续的导电板或介电层上的涂层。
10.如权利要求1所述的多级电容式传感器，其特征在于，包括多个第一电容式传感器，所述多个第一电容式传感器通过一公共电连接相连。
11.如权利要求1所述的多级电容式传感器，其特征在于，包括多个第二电容式传感器，所述多个第二电容式传感器通过一公共电连接相连。
12.一种多级电容式传感器，包括：
用户接触界面；
第一电容式传感器设置在所述用户接触界面上或临近所述用户接触界面设置，所述第一电容式传感器用作所述用户接触界面的电容式触摸传感器；
第二电容式传感器在远离所述用户接触界面方向上与所述第一电容式传感器分离设置；
导电构件，设置在所述第一、第二电容式传感器之间，所述导电构件与所述第二电容式传感器分离设置；
当在用户接触界面施加力时，所述导电构件与所述第二电容式传感器相对运动，使得所述导电构件与所述第二电容式传感器之间的距离改变，所述第二电容式传感器处产生可检测的电容变化；
所述多级电容式传感器还包括与所述用户接触界面耦合的突起，所述导电构件安装在所述突起上以在所述用户接触界面被施加力时相对所述第二电容式传感器移动。
13.一种人机交互界面，包括：如前述任意一项所述的多级电容式传感器，所述用户接触界面设置在控制面板上。
14.如权利要求13所述的人机交互界面，其特征在于，所述用户接触界面为车辆仪表盘控制面板。
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