CN110471556A - 传感器装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种传感器装置(100)，包括：多个电极部分(10a、10b、10c)，配置为提供一个或多个电信号；和非导电材料(20)，设置在所述多个电极部分上或上面；其中，响应于(i)所述多个电极部分中的至少一个与接近或接触所述非导电材料的导电物体(40)之间的电容变化，和/或(ii)所述多个电极部分中的至少一个和所述多个电极部分中的至少另一个之间的电容变化，提供一个或多个电信号。还公开了包括上述传感器装置的系统以及一种制造上述传感器装置的方法。

Description

传感器装置及方法
技术领域
本发明总体上涉及一种传感器装置，并且特别地但非排他地涉及一种能够执行触摸位置感测和压力/力感测的传感器。本发明还涉及制造所述装置的方法，使用所述传感器装置感测电信号的方法以及包括所述装置的系统。
背景技术
触觉传感器提供了一种通过与传感器的物理交互来获取信息的方式，并且常用于诸如移动和计算设备、机器人和控制系统之类的应用中。这些传感器可以基于压阻、压电、电容和弹性阻感测来工作(操作)。例如，在电容式触摸开关中，人只需要触摸传感器，这会改变传感器内的电容并触发开关。现在有各种压敏材料可供选择用于压力开关(切换)和感测，包括量子隧穿复合材料。这些传感器被用于软机器人、重型机械和可穿戴设备。已经开发了包括导电油墨的实例以将灵敏度集成到材料本身之内并产生出“软电子技术”。三维(3D)(虚拟现实)界面也是已知的。
申请人的早期申请PCT/EP2016/025067公开了一种触摸传感器装置，所述触摸传感器装置包括平面导电材料片或由平面导电材料片组成，所述平面导电材料片具有3D纹理化表面，所述3D纹理化表面被配置为响应于导电物体(例如，一个人的手指)在材料表面上的移动和/或材料自身的变形而产生电信号的变化。材料的其他区域可以是3D形式，并且可以用于压力感测。来自这些设备的感测电信号可用于控制应用中。
许多不同的电子设备需要通过触摸界面进行电子控制。一些电子设备具有集成控制，例如，在电动剃须刀中。其他电子设备是远程连接的，例如无线触摸控制器。已知许多不同的用于触摸感测的控制方法和系统，包括键盘、电容式触控板、显示器触控板、操纵杆等。这些界面中的大多数包括一个或多个外部注塑成型的刚性塑料部件，例如，外壳、按钮、按键等，作用于下面的偏置构件，例如弹簧或软泡沫致动层，其又反过来作用于下面的印刷电路板(PCB)，以在触摸致动并完成电子电路时，产生可读电压信号。
这些控制器由于其相对简单的结构和可操作性而很方便，并且被广泛使用。然而，它们存在许多缺点。特别地，现有的触摸感测技术严重依赖于使用大量迹线、电极和传感器。此外，所使用的材料以及制造方法可以极大地将触摸界面产品的形式限制为主要是扁平且刚性的，这限制了其在某些应用中的使用。例如，它们通常采用模制的硬封装材料，硬封装材料不可变形，因此不向用户提供软压力触觉反馈。此外，在控制器壳体上/中设置任何按钮、操纵杆、按键等的情况下，控制面(特征)和壳体之间的间隙易于被水、灰尘和其他污物进入。特别是某些应用，例如汽车内部，需要较长的寿命和可靠性，并且任何间隙都可能允许这些污物进入并导致容纳在内部的电子电路的故障。
如果采取措施解决这一问题，就不可避免地导致成本和复杂性增加。这通常是不期望的，特别是在大规模生产的低价值电子产品中以及已经繁忙和充满竞争的商业市场中。例如，在US8994648中，柔软的弹性基底层覆盖在力传感器阵列的顶部，当被配置时，所述力传感器阵列可以产生描述触摸压力和位置的电信号，但是嵌入的传感器和布线的数量以及对它们的校准需求意味着高生产成本。这种布置还可能局限于应用于坚固的平面底座的某些3D轮廓，以便力传感器可靠地工作。例如，可能难以实现悬垂 3D结构、手持3D设备或具有剧烈曲率的表面。
从功能上讲，大多数触摸界面产品只允许模块化压力感测或XY触摸位置感测，并采用测压元件电子传感器。在软件控制/导航、虚拟现实(Virtual Reality，VR)控制和汽车内部控制等情况下，3D触摸交互(即X、Y和Z 感测)和其他手势交互的检测和使用可以增加另一个控制维度并显著改善用户效率和体验。挑战在于用具有更少的电极/迹线和传感器元件同时产生自然触感的柔和触摸反馈和2D或3D模拟触摸压力信号。
考虑到前述内容，设计了本发明的各方面和实施方式。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种传感器装置。所述传感器可包括多个电极部分，所述多个电极部分配置为提供一个或多个电信号。所述传感器还可以包括设置在所述多个电极部分上或上面的非导电材料。所述传感器装置可以被配置为响应于所述多个电极部分中的至少一个与邻近或接触非导电材料的导电物体之间的电容变化而提供一个或多个电信号。可选地或另外地，所述传感器装置可以被配置为响应于所述多个电极部分中的至少一个与所述多个电极部分中的至少另一个之间的电容变化而提供一个或多个电信号。
所述传感器装置可包括一个或多个电极。所述多个电极部分可以形成一个或多个电极的至少一部分。不同的电极部分可以在相同或不同的电极上。所述多个电极部分中的一个或多个可以物理地和/或电气连接。所述多个电极部分中的一个或多个可以与一个或多个其他电极部分物理地和/或电气断开。所述多个电极部分中的每一个可以形成同一电极的至少一部分。或者，所述多个电极部分中的每一个可以是单独电极或形成单独电极的至少一部分。或者，所述传感器装置可包括多个电极，其中每个电极包括所述多个电极部分中的一个或多个。
所述多个电极部分中的一个或多个可以由可热成形导电材料形成或包括可热成形导电材料。所述非导电材料可由可热成形材料形成或包括可热成形材料。
例如，所述多个电极部分中的一个或多个和/或所述非导电材料可以由非沉积、非电镀、非蒸镀且非生长的材料形成或包括非沉积、非电镀、非蒸镀且非生长的材料。
有利地，导电的所述电极可以是非金属的并且可完全模制成任何预定的3D形状。可以专门选择或设计所述形状以提供不同的用户交互功能(例如，触摸感测、触控板、压力感测和推/拉/扭转开关)。此外，与传统的感测技术相比，使用基本上大的非金属电极减少了生产所述传感器装置所需的金属轨道/线的数量，并显著地简化了所述传感器装置的制造。所述电极可以用可热成形非导电材料包覆成型，所述材料是柔性的、柔韧的和可变形的，以提供柔软的触摸反馈。柔性还允许导电电极之间的一定程度的相对运动，这可以在使用额外的机械部件的情况下提供额外的机械功能(例如，响应于用户推动或拉动电极而改变间隙尺寸)。电极的3D设计还允许设备响应于与导电物体和/或非导电物体的相互作用而操作。有利地，所述传感器装置的操作依赖于分离的电极部分之间的电容相互作用和/或导电物体(例如用户的手指)与所述电极部分中的一个或多个之间的电容相互作用。
因此，与所述电极部分的相互作用涉及导电物体靠近和/或在非导电材料上的移动，和/或向非导电材料施加力或压力。通过将一个电极部分推向另一个电极部分以改变它们之间的电容的导电物体或非导电物体可以实现力的感测(例如Z方向)。触摸感测(例如，XY方向)依赖于在电极部分附近处的/移动的导电物体(例如，手指)。这两种功能可以组合使用或单独使用，例如，在所述装置的相同或不同区域。因此，本发明的方面和实施方式有利地同时提供模拟(或数字)位置触摸(XY)感测和压力/力(Z) 感测。电极部分用于所有感测测量，但是以不同的方式。触摸感测在诸如触控板和例如用于推/拉/扭转开关的压力/力感测之类的应用中可能特别有用。
可以通过模制工艺形成多个电极部分和/或非导电材料中的一个或多个。所述非导电材料可以包覆成型在所述多个电极部分上或上面。
所述多个电极部分中的至少一个和/或所述非导电材料可以至少部分地具有三维构型。另外，所述多个电极部分中的至少一个可以至少部分地具有平面构型。例如，所述电极部分中的一个或多个和/或所述非导电材料可具有例如大于薄膜或涂层(例如印刷油墨)的厚度，例如大于0.5毫米或1 毫米。所述电极部分的一个或多个和/或所述非导电材料可以形成为层。所述层的厚度可以是基本均匀的或不均匀的。所述非导电材料可以形成在所述多个电极部分上或上面，以便基本上符合所述多个电极部分中的一个或多个的轮廓。所述非导电材料还可以形成在所述电极部分之间。
所述多个电极部分和所述非导电材料可以选择性地或优选地通过模制形成，以包括一个或多个用户交互区域。所述一个或多个用户交互区域可以是或包括诸如触控板之类的触摸交互区域25、或诸如推、拉、扭转和/或拨动开关之类的力交互区域。
在各个例如相邻的电极部分之间可能存在间隙。例如，一个电极部分可以通过间隙与另一个电极部分分开。还可以在所述间隙中设置所述非导电材料。或者，所述间隙可以是或包括空隙或气隙。在一个实施方式中，所述电极部分基本上在同一平面内，其中，它们之间的间隙在同一平面内。在其他实施方式中，所述电极部分和所述间隙不需要布置在同一平面中。
所述多个电极部分中的一个或多个可以被配置为响应于施加到所述非导电材料的力或压力而相对于至少一个其他电极部分移动。所述非导电材料可以与所述一个或多个电极部分相邻。所述一个或多个电极部分之间的相对运动可能导致它们之间的电容变化。电容变化提供所述一个或多个电信号的变化。
当施加力或压力(例如，施加到非导电材料)时，所述电极部分的一个或多个的移动可以改变间隙。间隙的变化可导致所述电极部分之间的电容变化，所述电容变化可在所述一个或多个电信号中检测到。
所述传感器装置还可包括突出部。所述突出部可以形成在所述非导电材料中。所述突出部可以被配置或布置成供用户抓握、移动和/或施加力或压力(例如，推、拉、挤压/压缩、扭转)。例如，所述突出部可以具有用户可以抓握/移动的特定3D形状。所述传感器装置可以配置成使得所述突出部的移动可以引起所述一个或多个电极部分与所述多个电极部分中的至少另一个之间的相对移动。例如，所述多个电极部分中的一个或多个可以延伸进入所述突出部中。
所述传感器装置可以配置成检测所述突出部的推、拉和/或扭转运动。例如，施加到所述突出部的每种类型的移动或力可以导致所述一个或多个电信号中的唯一和/或可识别的变化。
所述传感器装置还可以被配置为响应于导电物体在所述非导电材料上的移动而提供所述一个或多个电信号的变化。所述导电物体可以与所述非导电材料的表面接触或者邻近所述非导电材料的表面。例如，所述导电物体可以在所述多个电极部分中的至少一个上或在一定范围之内，以便与所述多个电极部分中的至少一个电容性地相互作用。
所述多个电极部分中的至少一个可以被成形和布置成响应于导电物体在非导电材料上的线性和/或圆周运动而提供所述一个或多个电信号。
所述多个电极部分中的至少一个可包括一个或多个凹陷(中空处)和/ 或凹部，以在所述电极部分上的任何两个给定点之间提供预定电阻。例如，可以存在形成规则阵列的多个凹陷和/或凹部。所述一个或多个凹陷和/或凹部可以限定所述两个点之间的非线性导电路径。可选地或另外地，所述一个或多个凹陷和/或凹部可以在所述两个点之间限定多个线性和/或非线性导电路径。
所述多个电极部分中的至少一个可以是或包括复杂形状和/或重复几何图案，以在任何两个给定点之间提供预定电阻。
有利地，将所述电极部分中的一个或多个形成为复杂形状、和/或形成为具有一个或多个凹陷和/或凹部，在不改变所述导电材料的电阻率的情况下可以增大所述电极部分上的任何两个给定点之间的电阻。当导电物体在两点之间的距离上行进时，增大所述两点之间的电阻增大了所述电信号的变化，因此增加了所述传感器装置的灵敏度和/或位置感测分辨率。
每个电极/电极部分可以形成为简单形状或复杂形状。至少两个相邻的电极部分可以被配置为在一个或多个方向上叠置，彼此接触或不接触。例如，所述一个或多个方向可以是X，Y或Z方向，或任何其他方向。所述至少两个相邻电极部分可以配置成彼此交叉。所述交叉部分可以配置成不与导电物体占据同一叠置区域。所述电极部分可以具有一个或多个可以插入彼此之间的指状物或突出部。
可选地或另外地，所述多个电极部分和/或所述非导电材料可以至少部分地具有三维异形表面。所述一个或多个电信号可以响应于所述导电物体在所述非导电材料的表面上的移动而改变。
所述非导电材料可由基本上柔性的、可变形的或柔韧的材料形成或包括基本上柔性的、可变形的或柔韧的材料。例如，所述非导电材料可以至少在厚度方向上可变形。或者，所述非导电材料可由基本上刚性的材料形成或包括基本上刚性的材料。
所述多个电极部分可由基本上刚性的导电材料形成或包括基本上刚性的导电材料。或者，所述多个电极部分可由基本上柔性的、可变形的或柔韧的导电材料形成或包括基本上柔性的、可变形的或柔韧的导电材料。例如，所述导电材料可以至少在厚度方向上可变形。
所述可热成形导电材料可以是或包括以下中的一种或多种：包含导电材料的硅橡胶、导电天然橡胶和导电塑料材料。例如，所述导电塑料材料可以是或包括导电聚氨酯、导电热塑性弹性体和导电丙烯腈丁二烯苯乙烯中的一种或多种。
所述非导电材料可以是或包括硅橡胶、天然橡胶、塑料材料和热成形织物或合成皮革中的一种或多种。例如，所述塑料材料可以是或包括聚氨酯、热塑性弹性体和热塑性聚氨酯中的一种或多种。
根据本发明的第二方面，提供了一种制造根据第一方面的传感器装置的方法。所述方法可包括包覆成型工艺。所述包覆成型工艺可以包括在所述多个电极部分上形成所述非导电材料，或在所述非导电材料上形成所述多个电极部分。所述方法可以包括首先形成所述多个电极部分或所述非导电材料，然后在首先形成的所述多个电极部分或所述非导电材料上形成所述多个电极部分中的另一个或所述非导电材料。
根据本发明的第三方面，提供了一种使用根据第一方面的传感器装置感测电信号的方法。所述方法可以包括选择性地将导电物体置于所述非导电材料附近、与所述非导电材料接触和/或在所述非导电材料上。可选地或另外地，所述方法可以进一步包括选择性地向所述非导电材料施加力或压力，以引起所述多个电极部分中的至少一个与多个电极部分中的至少另一个之间的相对移动。
根据本发明的第四方面，提供了一种系统，包括根据第一方面的传感器装置和测量设备。在使用中，所述测量设备可以被配置为从所述传感器装置接收一个或多个电信号。所述测量设备可以包括指令，所述指令用于在一段时间内处理来自所述传感器装置的所述一个或多个电信号，并且根据所述一个或多个电信号中的变化或特性确定用导电物体在所述传感器装置上的触摸的位置、所述导电物体在所述传感器装置上的移动速度、所述导电物体的移动方向、施加在所述非导电材料上的压力、和/或所述多个电极部分中的至少一个相对于所述多个电极部分中的另一个的移动方向。
根据本发明的第五方面，提供一种汽车控制系统，包括根据第一方面的传感器装置。
根据本发明的第六方面，提供了一种虚拟现实控制系统，包括根据第一方面的传感器装置。
在本发明的各个方面和实施方式的上下文中描述的特征可以一起使用和/或可以互换。类似地，为简洁起见，当在单个实施方式的上下文中描述的特征时，这些特征也可以单独设置或以任何合适的子组合设置。结合装置描述的特征可具有关于方法可定义的对应特征，并且具体设想这些实施方式。
附图说明
为了能够很好地理解本发明，现在参考附图仅通过示例的方式来讨论实施方式，其中：
图1示出了现有技术的传感器装置，其包括一层导电材料；
图2示出了根据本发明实施方式的传感器装置的横截面图，所述传感器装置包括由一层非导电材料覆盖的导电材料层；
图3(a)和3(b)示出了具有纹理化表面的图2的传感器装置；
图3(c)示出了从图3(a)和3(b)的传感器装置产生的示例输出信号；
图4(a)示出了传感器装置的横截面图，所述传感器装置包括位于非导电材料层下面的多个单独的导电电极；
图4(b)示出了另一传感器装置的横截面图，所述传感器装置包括位于非导电材料层下面的多个连接的导电电极；
图5示出了另一传感器装置的横截面图，所述传感器装置包括位于非导电材料层下面的多个导电电极；
图6显示了另一种传感器装置；
图7(a)示出了图6的传感器装置的一部分的半透明视图；
图7(b)示出了来自图6的传感器装置的导电电极的俯视图；
图7(c)示出了来自图7(a)的传感器装置的相应示例性输出信号；
图8(a)示出了图6的传感器装置的另一部分的半透视图；
图8(b)示出了来自图8(a)的传感器装置的导电电极；
图8(c)示出了来自图8(a)的传感器装置的相应示例性输出信号；
图9示出了来自图7(a)和8(a)的传感器装置的示例性输出信号；
图10(a)显示了另一种传感器装置；
图10(b)示出了图10(a)的传感器装置的半透明视图；
图10(c)示出了由图10(a)的传感器装置可检测的示例性用户交互；
图11(a)示出了手持传感器装置的半透明视图；
图11(b)示出了图11(a)的传感器装置的一部分的简化图；
图12(a)、12(b)、13(a)和13(b)示出了手持传感器装置的其他示例；
图14(a)和14(b)示出了导电电极的示例；
图15(a)示出了用于导电电极的示例性多点测量的配置；
图15(b)示出了来自导电电极的多点测量的相应示例性输出信号；
图16(a)、16(b)、17和18示出了导电电极的其他示例；以及
图19(a)至19(g)示出了纹理化表面的其他示例。
具体实施方式
本发明的方面和实施方式包括由用户与之交互的非导电“界面”层覆盖的导电“感测”材料层。所述导电感测材料可以形成分立电极的网络，所述分立电极由非导电界面材料结合、支撑和电隔离，以形成完整的无缝组件。这些层被布置成为用户提供具有宽范围的触摸感测和用户触觉交互功能的界面设备。
理解本发明的关键在于智能导电感测材料的使用，所述智能导电感测材料被设计和形成为具有特定的3D形状(例如横截面、轮廓和/或表面轮廓)和电阻率，所述电阻率允许任何两个给定点之间的电阻以在其他情况下无法实现的方式被区分。如下文更详细说明的，3D形状可以在轮廓上基本上是平面的、和/或包括重复的表面异形图案、凹陷和/或网状或网格阵列型结构。另外，所述导电感测材料的3D形状可以允许所述装置在变形时表现出某些预期的机械性能，例如延展性和/或柔韧性，以扩展感测技术的功能。由所述导电感测材料形成的电极的3D设计允许装置响应于与导电物体和/或非导电物体的相互作用而工作。
取决于应用，所述导电感测材料可以是刚性的、柔软的、柔韧的和/或可变形的。界面材料可以是刚性的，但优选是柔软的、柔韧的和/或可变形的，以便为用户提供柔软的触觉反馈和其他装置功能。
图1示出了在布线或感测点30处连接到测量设备50的一片导电感测材料10。如申请人的早期申请PCT/EP2016/025067中所公开的，在导电感测材料10的表面上接触、按压和/或移动导电物体40(例如，如所示的人的手指)引起在布线或感测点30处测量的输出信号的可检测的变化。如图1所示，输出信号55优选地是诸如电容或电压读数的时变电信号。在这种情况下，用导电物体40触摸所述导电感测材料10使所述导电感测材料接地，导致表面上接触区域的电容和/或电压的变化，这种变化可以被所述测量设备50检测为输出信号55的变化。所述读数与接触面积成比例。在该示例中，所述导电感测材料10是柔软的且为压敏的。在导电感测材料10上更加用力地按压可导致所述输出信号55的更大变化。
导电材料10可以以任何预定的3D形状形成，并且可以包括 3D异形或纹理化表面，所述3D异形或纹理化表面被配置为响应于导电物体40在其上的移动而在所述输出信号55中产生定制的独特变化，如PCT/EP2016/025067中所述。可以检测输出信号55 的独特变化并将这种独特变化转换成信号以控制电子设备/系统，例如，音量、移动或灯光控制。从纹理化表面产生的独特输出信号55还可以用于帮助确定导电物体40的位置以及移动的速度和方向。所述纹理化表面还可以在人操纵或触摸时提供触觉反馈。
电容式触摸感测依赖于所述导电物体40与导电材料10接触或接近。因此，上述感测概念也适用于所述导电材料10被非导电材料20覆盖的情况。
在图2中示出了描绘了多层的传感器装置100的本发明的实施方式。在这种情况下，导电物体40在非导电材料20的表面上的接触、按压和/或移动导致输出信号55的可检测变化。其中，所述导电物体40与所述导电材料10电容性地相互作用以改变接触区域的电压和/或电容，并引起所述输出信号55的可检测变化。产生的输出信号55与所述导电物体40与所述导电材料10的叠置面积成比例。产生的所述输出信号55也与所述导电物体40和所述导电材料10之间的间隔成反比。
所述传感器装置100将仅响应所述导电物体40与所述非导电材料20的表面21的接触或触摸。所述传感器装置100还可以响应于所述导电物体40与所述非导电材料20的表面21的接近程度。例如，传感器装置100可以检测所述导电物体40在所述非导电材料20的表面21的预定范围内的存在。在所述非导电材料20基本上是软的或可变形的情况下，所述传感器装置100还可以是压力/ 力敏感的。也就是说，在所述非导电材料20的表面21上更加用力地按压，例如由于导电物体40和所述导电材料10之间的间隔减小和/或下面的导电材料10的任何变形，可以产生更强的输出信号55。
尽管图1和图2示出了在所述导电材料10上具有单个布线或感测点30的布置，即单点测量，但是在导电材料10上可以存在两个或更多个布线或感测点30并且用于多点测量。每个布线或感测点30可以提供单独的、不同的输出信号55，测量设备50可以检测并处理所述输出信号以确定触摸位置以及移动的速度和/或方向。
所述测量设备50可以包括计算或处理设备(例如，一个或多个微控制器)，并且可以被配置为存储用于启用对从传感器装置 100接收的输出信号的处理的指令。例如，所述计算或处理设备可以被配置为近乎实时地从一个或多个部分的导电材料10上的一个或多个布线或感测点30接收的输出信号导出触摸位置、速度和方向。
所述测量设备50可以包括处理器、存储设备和非暂时性机器可读存储介质(未示出)。所述机器可读存储介质可以包括控制所述处理器如何接收输入数据并将输入数据(来自所述传感器装置 100的输出信号)转换成输出数据或控制数据的指令，例如，所述输出数据输出至显示器、连接的打印设备上在或通过音频输出，所述控制数据用于辅助设备或系统。
所述传感器装置100还可以通过一个或多个电线或电子连接器(未示出)连接到包括信号处理装置的中间处理设备，所述信号处理装置对来自传感器装置100的输出信号进行转换。然后，中间设备可以通过适当的连接手段(例如USB端口或无线技术) (有线或无线地)连接到测量设备50。所述无线技术可以是蓝牙、 WiFi、IR等。所述测量设备50可以被配置为显示测量的信号和/ 或代表所述信号的信息和/或提供由所述信号促使的与软件应用的交互。
取决于应用，所述导电材料10可以是基本上刚性的、柔软的、可变形的和/或柔性的。所述导电材料10可以是或包括可热成形材料。在实施方式中，所述导电材料10可以是或包括：含有诸如导电颗粒和任选的碳填料之类的导电材料的硅橡胶；混有石墨或碳纳米管(Carbon Nanotubes，CNT)的硅橡胶；导电橡胶；和/或包括导电聚氨酯、导电热塑性弹性体(ThermoPlastic Elastomer，TPE) 和/或导电丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)的导电塑料。所述材料可具有一定范围的硬度特性(例如取决于硅基)，具有可控的电导率 (例如取决于导电材料含量)。所述导电材料10还可包括可拉伸的织物层和/或例如位于其一侧上的导电涂料。
所述导电层10可以是单一材料或由单一材料形成，和/或由单模成型形成，而不需要任何部件组装。导电材料10的电导率可以在导电材料10上并且穿过导电材料10变化。换句话说，可以调制整块导电材料10的电导率。这可以通过改变导电材料10内的导电组分的浓度来实现，以便提供不同电导率的区域。这也可以通过调节导电组分或分离导电区域(例如，将导电材料施加到一片导电材料上的多个分离区域)来实现。不同电导率的区域将产生不同的电输出信号55。因此，即使导电材料10的两个区域以相同的方式成形，如果这些区域具有不同的电导率，则在这些区域的表面上移动导电物体40将产生不同的电信号使得可以区分这些区域。在这种可选/补充方式中，可以检测移动中的手指/物体的位置。
导电材料10可以部分地包括非导电区域。因此，本发明的实施方式可以为导电材料10中一个区域或多个区域提供与其余材料相比相对更高电导率或更低电导率、零电导率或接近零电导率。
取决于应用，所述非导电材料20可以是基本上刚性的、柔软的、可变形的和/或柔性的。所述非导电材料20可以是或包括可热成形材料。在实施方式中，所述非导电材料20可以是或包括：硅橡胶；天然橡胶；和/或包括聚氨酯、TPE、HytrelTM(杜邦公司生产的一种TPE)、热塑性塑料聚氨酯(TPU)和/或热成形织物或合成皮革的塑料材料。所述非导电材料20可具有一系列硬度特性(例如取决于硅基)。
所述导电材料10和/或所述非导电材料20可以通过模制工艺形成，例如，注塑、热成型、挤出、压模、吹模和/或热压。有利地，这种热成形工艺使得所述导电材料10和/或所述非导电材料 20以相对低的成本在大面积上高度重复地形成大量的几乎任意 3D形状。
可选地或另外地，3D打印工艺可用于形成所述导电材料10 和/或所述非导电材料20层的至少一部分。在需要复杂形状和细节的情况下，3D打印可能是合适的。
或者，成形过程可包括一个或多个切割步骤。例如，可以首先模制所述导电材料10，然后将所述导电材料切割成预定的3D 形状和/或图案。可以使用任何已知的减法切割工艺，例如激光切割、铣削或蚀刻。
在一个实施方式中，首先形成所述导电材料10，然后在所述导电材料10上形成所述非导电材料20。这种工艺可以称为“包覆成型”。在这种情况下，要求是所述非导电材料层20(即，包覆成型层)的成型温度低于所述导电材料层10的成型温度，以避免所述导电材料层10的回流以及导电材料层10和非导电材料层20的互相混合。可选地，可以存在所述导电材料10形成在所述非导电材料20上的应用。在任一情况下，必须首先模制具有更高模制温度的材料。
可选地或另外地，所述导电材料10和/或所述非导电材料20 可以单独形成，然后组装或粘合在一起。例如，在两种材料的模制温度相似或者在非导电材料层20的顶部需要附加的导电材料层 10或者相反的情况下，这可能是必须的。
如上所述，所述传感器装置100的所述导电材料10和/或所述非导电材料20可以以任意预定义的3D形状形成，并且可以包括 3D异形或纹理化表面，所述3D异形或纹理化表面被配置为响应于导电物体40在其上的移动在输出信号55中产生独特的变化，和/或在人操纵或触摸时提供触觉反馈。在图3(a)和3(b)中分别示出了具有非导电层20的异形表面21和导电层10的异形表面 11的传感器装置100的示例。异形表面11、21可以是有纹理的，例如具有规则或不规则的几何图案。几何图案可以通过所述导电材料10的表面11上的隆起和/或凹陷的变化形成。几何图案可以包括多个不连续和/或起伏。如图3(a)和3(b)所示，几何图案可包括以图案方式横跨表面11的多个峰12和谷14。峰12和谷 14的高度、深度和/或宽度不必相等。在图19(a)-19(g)中示出了3D异形表面的其他示例(尽管仅示出了导电材料10，但是应当理解，示例图案同样适用于非导电层20)。
无论导电材料10的表面11还是非导电材料20的表面21是异形/纹理化的，由于导电物体40和所述导电材料10之间的相互作用的电容性质，可以产生输出信号55的独特且可识别的变化。图3c示出了输出信号55的变化类型的简单图示，这种变化类型可以通过在具有纹理化表面11或表面21的传感器装置100上移动导电物体40观察到(例如，如图3(a)、3(b)和图19(a)-19 (g)中的任何一个)。所述测量设备50可以被配置为对所述输出信号55进行解释以确定导电物体40的位置以及移动的速度和方向。例如，所述测量设备50可以被配置为对所述输出信号55中的振荡或峰值/谷值的数量和/或其频率进行计数，将观察到的时变信号和/或信号特性与预先存储的轮廓数据相匹配。
图4(a)示出了包括导电材料10的示例性传感器装置200，所述导电材料10已被模制(或切割)以形成多个单独的导电部分或元件10a、10b、10c，所述导电部分或元件被所述非导电材料 20覆盖(或包覆)。尽管示出了三个导电元件，但是所述传感器装置200可以包括任意数量的导电元件。每个导电元件10a、10b、 10c可以通过非导电材料20与相邻元件10a、10b、10c物理地分离和电绝缘。这样，每个导电部分或元件10a、10b、10c可以形成分离(单一)电极的一部分。可选地或另外地，每个导电元件10a、10b、10c可以物理地和/或电连接，如再图4(b)所中示意性地示出的。在这种情况下，每个导电部分或元件10a、10b、10c 可以形成同一电极的一部分。
多个导电元件10a、10b、10c中的每一个可以在相应的布线或感测点30a、30b、30c处连接到测量设备50。以这种方式，多个导电元件10a、10b、10c形成可连接到测量设备50的感测电极的网络，用于在延伸区域上执行触摸感测测量。
有利地，电极网络10可以同时使用具有预定义的3D电极形状、间隔和布置的单个模具用上述热成形工艺形成。或者，每个电极10可以单独地形成/模制并在随后使用非导电材料20的包覆模制工艺之前组装到位。
在使用中，当导电物体40靠近、触摸非导电材料20的表面 21或在非导电材料20的表面21上移动时，从可以检测到的一个或多个布线或感测点30a、30b、30c产生输出信号，输出信号可以以近乎实时地被测量设备50检测。所述测量设备50可以被配置为顺序地(即，逐个)扫描所述传感器装置200上的每个布线或感测点30a、30b、30c，以分别测量每个输出信号。例如，所述测量设备50可以包括多路复用器功能。与导电物体40的通常移动速度相比，扫描频率可以足够高，以最小化任何测量滞后，使得用户感知测量/检测是实时的。例如，扫描速率可以在100-200Hz 的范围内。取决于应用，扫描速率可能更慢或更快。
有利地，逐个扫描布线或感测点30a、30b、30c确保每次向/ 从一个布线或感测点30a、30b、30c发送和/或接收信号，因此在任何给定布线或感测点对之间不形成短路。扫描方法还允许导电元件10a、10b、10c物理连接，因此可以使用一个模具模制，例如，如图4(b)所示。下面将参考图14-18更详细地讨论扫描方法。
尽管图4(a)和4(b)中的每个导电元件10a、10b、10c被示出为具有单个布线或感测点30a，30b，30c，但是在其他示例中，每个导电元件10a、10b、10c可以具有任何数量的布线或感测点，每个布线或感测点从导电元件10a、10b、10c中的关键(策略性) 点向测量设备50提供单独的输出信号55。另外，尽管图4(a) 和4(b)示出了连接到单个测量设备50的每个导电元件10a、10b、 10c，但是在其他示例中，可以使用多于一个测量设备50从所述或每个导电元件10a、10b、10c上的所述或每个布线或感测点30a、 30b、30c测量所述输出信号55。
图5示出了另一个示例性传感器装置300，所述传感器装置 300包括由非导电材料20覆盖的三个导电元件或部分10a、10b、 10c。每个导电元件10a、10b、10c具有相应的接线或感测点30a， 30b，30c，用于连接到测量设备50。三个导电元件10a、10b、10c 基本上并排布置，以在相邻的导电元件之间形成间隙g1和g2。间隙g1和g2可以设计为使得可以在给定的一对相邻导电元件10a、 10b、10c之间测得预定电容。
在传感器装置300中，非导电材料20可以是基本上柔软的和 /或可变形的，以允许导电元件10a、10b、10c中一个或多个的相对位置由用户改变/操纵。一对相邻导电元件10a、10b、10c之间的任何改变间隙g1和/或间隙g2的相对移动将引起所述一对或每对之间的电容的变化，该变化可以由测量设备50检测。这样，传感器装置300的工作依赖于相邻导电元件10a、10b、10c之间的电容相互作用，而不是导电物体40(例如用户的手指)与导电元件10a、10b、10c之间的电容相互作用。这样，传感器装置300 可以响应于经由导电物体40或非导电物体(例如，用户戴手套的情况下)的用户交互来提供变化的输出信号55。尽管在图5中示出了三个导电元件10a、10b、10c，但是应当理解，传感器装置 300可以替代地包括两个导电元件，在它们之间具有单个间隙，或者包括多于三个导电元件。此外，尽管图5中将导电元件10a、10b、 10c示为分离的元件，但是在可选的实施方式中，导电部分中的一个或多个可以物理地和/或电气连接(例如参见图11(b))。
优选地，所述传感器装置300包括至少一个突出部310，以为用户提供杠杆或抓握点310，以移动导电元件10a、10b、10c中的一个或多个。在图5的示例中，所述传感器装置包括单个突出部 310，并且中心导电元件10b延伸到突出部310内。因此，用户可以抓住突出部310并通过倾斜、拉、动或扭转动作使突出部移动，以使非导电材料20变形并引起输出信号的变化。在该示例中，与所述非导电材料20相比，所述导电材料10可以是基本刚性的，使得所述非导电材料20可以围绕导电元件10a、10b、10c变形。例如，所述导电材料10可包括ABS或TPU。
在一个实施方式中，延伸到所述突出部310中的导电元件10b 可以在执行测量时接地。将由用户操纵/移动的导电元件10b接地，例如通过屏蔽它，可以最小化用户的手指可能对来自其他导电元件10a、10c的输出信号的任何电容影响。
如下文参照图8更详细地描述的，当导电材料10基本上是刚性的时，通过在所述导电元件10a、10b、10c的至少一个中集成一个或多个关键凹陷和/或突出(悬垂)结构，所述导电元件10a、 10b、10c中的所述至少一个导电元件被设计成在用户施加力移动所述至少一个导电元件时卷绕、弯曲或变形。
传感器装置100、200、300中可以包括附加的机械部件和/或电气部件以增强对用户的视觉反馈和/或触觉反馈，例如LED、印刷图标、用于推/拉/扭转相互作用和/或触觉反馈的可移动部件，这在下文会进行更详细的讨论。例如，这些附加部件可以在包覆成型工艺中集成到非导电材料20中。
由于所述形成工艺，所述非导电材料20和由所述导电材料10 形成的电极20可以采用任意3D形状并且符合任何印迹或表面。这使得传感器设备100、200、300能够被设计和形成为具有特定的3D形状并且可以与另一个3D形状的部件完全集成，例如，汽车内部。它还允许以其他方式可能无法实现的方式区分任何两个给定点之间的导电材料10的电阻。
图6示出了可以形成汽车内部的控制系统的一部分的组件 1000。组件1000包括装置2000，所述装置2000包括三个触摸开关210(例如，用于选择要控制的镜子)以及轮形触控板220(例如用于控制所选择的镜子)。组件1000还包括装置3000，所述装置3000包括一对推/拉按钮310，所述推/拉按钮310可用于例如窗控制。在图6所示的视图中，整个组件1000具有非导电材料20 的外层，并为用户提供触觉触摸界面。非导电材料20可以包括具有纹理化表面的一个或多个区域(如图6所示)，以向用户标记或指示触控板220，帮助确定用户手指的位置和/或向用户提供触觉反馈。
图7(a)示出了装置2000的半透明视图，揭示了非导电材料 520内的导电元件10。触摸开关210和触控板220的位置是可见的。触摸开关210可以以与传感器装置100类似的方式操作。即，当用户用导电物体触摸非导电材料20的表面时，来自下方的每个导电元件10的输出信号的变化可以被检测到并被用于生成控制信号。
图7(b)示出了形成触控板220的一部分的导电元件或导电部分10(为清楚起见，省略了顶部的非导电材料20)。如图所示，触控板220包括四个分立的导电元件，其形成四个传感器电极S1、 S2、S3、S4。每个电极S1、S2、S3、S4包括至少一个相应的布线或感测点30a、30b、30c、30d，用于连接到测量设备50(未示出)。
装置2000以与传感器装置200类似的方式操作。在使用中，当用户用导电物体40(例如手指)触摸20触控板220并使其围绕触控板220移动时，导电物体40相对于每个接线或感测点30a、 30b、30c、30d的位置改变。由于传感器电极S1、S2、S3、S4的设计，当导电物体40在触控板220上移动时，例如，在粗箭头所表示的方向上移动时，导电物体40和每个传感器电极S1、S2、 S3、S4的导电材料10之间的叠置区域改变，导致来自每个传感器电极S1、S2、S3、S4的输出信号的相应变化。这种变化可能基本上是平滑的。测量设备50可以被配置为所述输出信号进行解释，以确定导电物体40的位置以及移动的速度和方向。尽管图7(b) 中示出了单独的导电元件/电极，但是在其他实施方式中，可以使用具有多个导电元件或部分的单个电极，并且可以以类似的方式操作，例如参见图11(b)的触控板520。
图7(c)示出了当导电物体40在所述触控板220的非导电材料的表面上以顺时针圆周方向(如图7(b)中的粗箭头所示)并以恒定速度移动时，从图7(b)的传感器电极S1、S2、S3、S4 布置观察到的相对于时间的输出信号性能的示例。来自每个单独电极S1、S2、S3、S4的输出信号被指示并以连续的模拟方式平滑地改变。当导电物体40直接定位在每个传感器电极S1、S2、S3、 S4的相应布线或感测点30a、30b、30c、30d上或附近时，观察到输出信号55的最大幅度或变化。随着导电物体40远离每个传感器电极S1、S2、S3、S4的相应布线或感测点30a、30b、30c、30d 移动，输出信号幅度减小。
可以理解，来自每个传感器电极S1、S2、S3、S4的时变输出信号55的精确形式将取决于导电物体40移动的速度。然而，对于恒定速度的移动，来自每个传感器电极S1、S2、S3、S4的输出信号可以在时间上基本对称，或者在时间上不对称，这取决于传感器电极S1、S2、S3、S4的设计。在图7(b)中，传感器电极 S1、S2、S3、S4具有不对称设计，导致输出信号随时间不对称。在这种情况下，每个传感器电极S1、S2、S3、S4具有多个远离布线或感测点30a、30b、30c、30d延伸的指状突起。每对相邻传感器电极S1、S2、S3、S4的指状突起是相互交叉的，使得存在叠置区域(由图7(b)中的虚线框A表示)，其中导电物体40可以同时与来自相邻两个传感器电极S1、S2、S3、S4的导电材料10相互作用。这允许测量设备50在轨迹板220周围的任何点处确定导电物体40的位置、速度和移动方向。如图7(b)所示，在布线或感测点30a的任一侧指状突起30b、30c、30d的布置是不对称的，随着时间的推移导致不对称的输出信号。这可以进一步帮助确定导电物体40的移动的速度和方向。
尽管在图7(b)的示例中示出了指状突起，但是应当理解，可以使用传感器电极S1、S2、S3、S4的多种不同设计来实现上述检测原理。此外，应当理解，尽管图7(b)中示出了四个传感器电极S1、S2、S3、S4，但是通常可以使用两个或更多个传感器电极。
图8(a)示出了装置3000的放大的半透明视图，揭示了用于推/拉按钮之一的非导电材料20内的导电元件10a、10b、10c。导电元件10a、10b、10c形成三个传感器电极S1、S2、S3，在相邻的导电元件之间设置有间隙g1和g2，如图8(b)中更清楚地示出。每个传感器的电极S1、S2、S3具有一个或多个布线或感测点 30。装置3000包括由非导电材料20形成的突出部310(在这种情况下，以推/拉按钮的形式)，其中，中心导电元件10b(传感器电极S2)延伸到突出部310中。在所述示例中，所述非导电材料20 是柔性的和可变形的(例如，由TPE形成或包括TPE)，并且所述导电材料10是相对刚性的(例如由或包含ABS或TPE)。特别地，在所述示例中，设计了延伸到突出部310中的导电元件10b的3D 形状通过整合不同厚度的部分、凹陷320以及悬垂结构330来卷绕和变形。
装置3000以与传感器装置300类似的方式操作。在使用中，当用户与拉/按钮相互作用使突出部310和内部导电元件10b移动时(例如，沿图8(b)所示的任一方向)，间隙g1、g2之间的非导电材料20变形。这改变了相邻传感器电极S1、S2、S3之间的间隙g1和/或g2，导致输出信号的可测量的变化。延伸到突出部 310中的导电元件10b可以在使用期间接地，以最小化用户的手指可能对两个间隙g1、g2之间的电容的任何影响。
图8(c)示出了当用户推或拉按钮时可从图8(b)的传感器电极S1、S2、S3布置观察到的输出信号对时间的示例。来自电极 S1和S2的输出信号被指示并以连续模拟方式平滑地改变，类似于传感器装置2000。
在使用中，当用户与装置2000和/或3000交互时，测量设备 50可以被配置为执行信号处理算法以确定触摸位置，移动速度和/ 或触摸手势。
有利地，上述装置100、200、2000、3000还可以包括附加的用户反馈元件。用户反馈可以是触觉、视觉和/或音频，以响应于用户触摸或与检测到的与装置100、200、2000、3000的交互而向用户提供物理、视觉和/或音频刺激。附加的用户反馈元件可以在模制过程中集成在非导电材料10中。
在一个示例中，装置100、200、2000、3000还可以包括响应于用户触摸或与装置交互而被激活的一个或多个发光设备(例如， LED)。参考图6，例如，当用户触摸触摸开关210中的一个时，例如，触摸开关210中的一个触摸开关210以选择要调节的镜子，LED可以激活以给出已经选择了哪个按钮/开关/镜子的视觉指示。
触觉反馈元件可以是或包括触觉反馈组件。触觉反馈组件可以是任何触觉技术。例如，触觉反馈组件可以是或包括振荡器、振动器、马达、扁平马达、压电模块、偏心旋转质量(eccentric rotating mass，ERM)马达和/或线性共振致动器(linear resonantactuator，LRA)。触觉反馈元件可以响应于检测到的预定义交互，例如，触摸按钮210或移动推拉按钮3000，向用户提供物理刺激。
可选地或另外地，用户反馈的强度(触觉、视觉、音频和/或其他)可以是渐进的或根据检测到的相关输出信号的大小来调节。图9中示出了如何针对装置3000实现渐进/调节反馈的示例，其示出了来自传感器电极S1对时间的输出信号。当用户按下(或抬起) 按钮310导致间隙g1、g2中的非导电材料20变形时，产生具有变化幅度的连续输出信号(压力信号)。通过定义输出信号的各种阈值，例如，当与用户施加的力或电极S1、S2、S3行进的距离成比例时，每个阈值可用于激活不同类型和/或不同强度的用户反馈效果。在触觉反馈的情况下，所述方法可以允许装置3000模仿通常在机械按钮中感觉到的调制触摸反馈。例如，装置3000的触觉反馈可以根据用户手指行进距离提供“点击”。因此，可以感觉到装置3000的机械表现，而不需要机械部件组件，从而降低了生产成本。用户反馈(触觉、视觉、音频和/或其他)对于所描述的任何装置100、200、2000、300中的任一个可以以类似的方式实现。
图10(a)示出了包括扭转手柄或突出手柄410的装置4000 的示例。扭转手柄410可以用于例如控制汽车内部的座位和/或照明。如图所示，装置4000覆盖有非导电材料20。设备4000还可以包括一个或多个触摸按钮和/或触控板420。触摸按钮和/或触控板420可以用于例如选择要控制的座位或灯光。非导电材料20可包括轨迹板420上方的纹理化表面，以向用户标记或指示触控板 420，帮助确定用户手指的位置和/或向用户提供触觉反馈。如参考前述示例所描述的，附加的用户反馈元件可以集成在传感器装置 4000中(例如，在非导电材料20中)。
装置4000支持的用户交互在图10(c)中示出。如图所示，扭转手柄410可操作为检测扭转手柄410的旋转以及扭转手柄410 的线性倾斜(推/拉)。图10(b)示出装置4000的半透明视图，揭示所述非导电材料20内的所述导电元件10。为了提供扭转手柄的功能，扭转手柄410包括一对传感器装置300A，其以与图5和 8的装置300和3000类似的方式操作。每个传感器装置300A包括三个导电元件10a、10b、10c，在相邻的导电元件之间设置有间隙g1和g2。与传感器装置300和3000一样，传感器装置300A 被配置成当间隙g1和/或g2内的非导电材料20由于用户移动所述扭转手柄410而变形时，产生来自导电元件10a，10b，10c的输出信号的变化。用于检测传感器装置300A的移动的间隙g1和g2 可以位于图10(b)所示的位置A和/或B(以及另一传感器装置 300A上的相应位置A'和/或B')上)。所述配置可以有效地检测用户将所述扭转手柄410弯曲到任一侧，并且顺时针或逆时针扭转所述扭转手柄410。具体地，当用户朝向一侧推/拉所述扭转手柄410时，位置A和A'(和/或B和B')处的间隙g1同时减小/增加 (在相同意义上)。当用户沿一个方向(顺时针/逆时针)扭转所述扭转手柄410时，一个传感器装置300A上的位置A(和/或B)处的间隙g1减小/增加，而另一个传感器装置300A上位置A'(和/ 或B')处的间隙g1)同时增加/减少(即在相反方向上)。
如参考装置300和3000所描述的，每个传感器装置300A产生能够确定力/倾斜方向的输出信号。设置两个传感器装置300A 意味着当用户扭转或推动/拉动所述扭转手柄410时，每个传感器装置300A将分别在相反或相同的方向上偏转，从而允许区分两种类型的运动。
在图10的示例中，所述非导电材料20基本上是柔软的、柔性的和可变形的(例如由TPE或硅橡胶形成或包括TPE或硅橡胶)。相比之下，导电材料10可以是基本上刚性的(例如由ABS、 TPE形成或包括ABS、TPE)。或者，导电材料10也可以是柔性的和可变形的(例如由硅橡胶、TPU或TPE形成或包括硅橡胶、 TPU或TPE)。
图11(a)示出了另一示例性装置5000的半透明视图，示出了形成在所述非导电材料20内的所述导电元件10。每个导电元件 10具有一个或多个如图所示的布线或感测点30。每个布线或感测点30可以连接到测量设备50(未示出)。装置5000可以是手持式控制器，所述手持式控制器包括一个或多个装置510、520、530，适于响应于多个用户手和/或手指姿势提供控制信号。例如，所述装置5000可以适用于虚拟现实(Virtual Reality，VR)控制应用。
装置5000可以包括线性触控板510。触控板510可以以与传感器装置100类似的方式操作，并且响应于用户在所述非导电材料20的表面上的触摸、移动、将手指(导电物体)按压在所述表面上或者在跨表面按压手指(导电物体)，例如在粗箭头指示的方向上，而提供输出信号。所述输出信号可用于确定用户手指的移动的位置、速度和/或方向。在所示的示例中，触控板510包括单个导电元件10。所述导电元件10的形状可以根据应用来设计，例如，定义导电元件10的特定触摸行进距离和/或触控板有效感测区域的尺寸之间的特定电阻。导电元件10形成单个电极。然而，所述电极可包括多个电极部分，例如，每个部分对应于电极上的不同位置。如图所示，触控板510的导电元件10可以是或包括基本上弯曲的S形或蛇形的轨道。在所述示例中，S形轨道的每个部分可以是或包括电极部分。或者，触控板510的导电元件10可以是或包括基本上线性/矩形的轨道(未示出)。
有利地，通过具有S形轨道510，可以控制两个给定触摸位置之间的电阻(例如，对于在图11(a)中示出的方向上移动的手指)，并且大于它在基本线性轨迹上的电阻。具体地，导电轨迹的电阻由R＝ρ*L/A给出，其中ρ是材料电阻率(电阻率是固定的)，L 是长度，A是横截面积。通过具有S形轨迹，整体(即，未拆开的)长度L增加并且横截面积A减小，从而增加任何两个固定点之间的电阻。当用户触摸或按压轨迹510时，因此放大了两个给定触摸点之间或特定触摸行进距离的输出信号15的变化。这实现了触摸位置感测的更高空间分辨率。
装置5000还可以包括触控板轮520。触控板轮520可以以与触控板轮220类似的方式操作，并且响应于用户在所述非导电材料20的表面上的触摸、移动、将手指(导电物体)按压在所述表面上或者在跨表面按压手指(导电物体)，例如在粗箭头指示的方向上，而提供输出信号。所述导电元件10的设计允许在触控板轮 520的整个区域上确定触摸位置、线性和圆形运动。由每个布线或感测点30提供的输出信号可以指示用户的手指相对于相应布线或感测点30的位置。测量设备(未示出)可以被配置为对来自每个布线或感测点30的输出信号进行解释和组合，以确定用户的手指在触控板轮520上的位置、方向和/或移动。触控板轮520是具有多个布线或感测点30的单个整体导电元件10。所述导电元件10 是包括多个电极部分(即所述触控板轮的每个臂可以是电极部分)。尽管图11(a)中示出了四个布线或感测点30，但是触控板轮520可以包括两个或更多个布线或感测点30。此外，尽管图11 (a)中示出为包括具有多个布线或感测点30的单个整体导电元件10，但在其他示例(未示出)中，触控板轮520可包括多个单独的导电元件或导电部分10，例如以与图7(b)所示类似的方式排列。
装置5000还可以包括一个或多个按钮530。所述按钮或每个按钮530可以以与装置300和3000类似的方式操作，以响应于导电元件10的部分之间的间隙g1(也参见图11(b))内的非导电材料20的变形而提供输出信号。与装置300、3000相比，按钮530 的间隙g1形成在同一导电元件10的部分之间，如图11(b)中更清楚地显示。在使用中，用户例如在图(b)中用粗箭头表示的方向上向非导电材料20施加力或压力，使非导电材料20变形并改变间隙g1。这导致测量装置50可以在输出信号中检测到的电容变化。与装置300和3000一样，按钮530可以提供输出信号的变化，而不管施加压力/力的物体是否是导电的或不导电的。
图12(a)和12(b)示出了手持控制装置6000的一个例子，所述手持控制装置6000合并了一个或多个导电元件10作为被非导电材料20覆盖的感测电极。所述手持控制装置6000可以被成形为由用户手抓握，并且包括一个或多个手指触摸装置610、620，所述一个或多个手指触摸装置被配置和布置成检测来自用户的手指和/或拇指的单独的触摸交互。例如，所述手持控制装置6000 可以包括一个或多个手指触摸装置610。如图12(b)所示，所述或每个手指触摸装置610可以布置在所述手持控制装置6000的手柄部分中。所述手指触摸装置610或每个手指触摸装置610可以包括在所述非导电材料外部20下方的导电元件10a，并且可以以与传感器装置100或200类似的方式操作。所述手持控制装置6000 还可以包括一个或多个拇指触摸装置620。所述或每个拇指触摸装置620可以包括在非导电材料外部20下方的一个或多个导电元件 10b，并且以与传感器装置100或200类似的方式操作。所述触摸装置610和620的所述或每个导电元件10a和10b可以包括一个或更多布线或感测点(未示出)以提供一个或多个输出信号。例如，如图12(a)和12(b)所示，所述非导电材料20可以是或包括纹理化的或3D异形表面。
图13(a)和13(b)示出了手持控制装置7000的另一个例子，所述手持控制装置7000合并了一个或多个导电元件10作为被非导电材料20覆盖的感测电极。所述手持控制装置7000可以被成形为由用户手佩戴，并且包括一个或多个触摸装置710、720，所述一个或多个触摸装置710、720被配置和布置成检测来自用户的手指和/或拇指的单独的触摸和/或运动交互。类似于手持控制装置6000，手持控制装置7000可以包括一个或多个拇指触摸装置720，每个拇指触摸装置720具有一个或多个具有一个或多个布线或感测点的导电元件10b。
在两个手持控制装置6000和7000中，感测装置610和710 分别布置在用户的手的内部或外部。感测装置610和710内的每个导电元件有意地布置在紧靠各个手指的位置，使得当手指弯曲或伸展时，一个或两个导电元件可以测量从手指对所述感测装置 610、710的接触和/或接近。接近感测功能要求感测算法更灵敏并且检测由导电物体40移动靠近感测装置610、710而引起的较小变化，而不直接收缩非导电材料20的表面。
手持控制装置6000和7000可以适合于响应于多个用户手和/ 或手指姿势来提供控制信号。例如，手持控制装置6000和7000 可以适用于VR控制应用。
如前所述，每个导电元件10可以包括一个或多个布线或感测点，以提供单独的输出信号，所述输出信号可以由测量装置50接收、解释和组合，以确定触摸位置、速度和/或方向。图14(a) 和14(b)示出了具有多个布线或感测点的导电元件10的示例，每个布线点用作感测点E1、E2、E3、E4。导电材料10可以形成为特定形状以提供电阻。
类似于装置5000的S形导电轨迹510，通过设置孔、凹陷、凹部、和/或重复的几何图案/轨迹，导电元件10上的任何两个给定点之间的电阻可以在不改变的电阻率的情况下来增大。通过增加任何两个给定触摸位置之间的电阻，当导电物体40移过所述距离时，输出信号的变化增大。以这种方式，改善了传感器装置的灵敏度和空间/位置感测分辨率。
在图14(a)和14(b)所示的示例中，导电元件10以网状或阵列类型的几何形状形成。尽管在图14(a)和14(b)中示出了基本上正方形和六边形的网状几何形状，但是应当理解，可以实现任何规则的重复图案。图16(a)和16(b)中示出了另外的示例几何形状。此外，尽管在图14(a)、14(b)、16(a)和16 (b)中示出了四个布线或感测点，但是可以使用两个或更多个布线或感测点。图17示出了具有一个布线或感测点E1的导电元件10的示例几何形状。由于使用规则图案，输出信号变化可以与手指行进距离成比例。
图18示出了具有不同尺寸的孔而不是使用重复图案的导电元件10的示例几何形状。不规则的孔图案可能导致输出信号模式的不均匀变化，这意味着输出信号变化不再与手指移动距离成比例。在触控板根据其被触摸的位置可能需要不同的灵敏度的情况下，这可能是有利的。
图14至18公开了导电元件10的例子。导电元件10包括大量复杂的重复或非重复的几何形状/孔。所述配置可以控制具有固定电阻率的均匀感测材料10上的两个给定点之间的电阻，因此实现了期望的触摸感测分辨率。随后用非导电材料20对导电元件10 实施方式进行包覆成型，非导电材料20主要形成用作触敏触控板的平面。这些实施方式的优点在于，它仅需要单片导电材料10来实现与传统触控板相似的分辨率，传统触控板需要更多导电迹线/ 电极/传感器并因此需要更多组件。
图14-18中所示的几何形状可以应用于任何触控板实施方式的导电元件或导电部分10。
每个布线或感测点E1、E2、E3、E4可以连接到测量设备50，如图15(a)所示。所述测量设备50可以被配置为顺序地扫描并测量来自每个布线或感测点E1、E2、E3、E4的输出信号。以这种方式，每次只有一个布线或感测点E1、E2、E3、E4可以有效地连接到测量设备50。例如，当从一个布线或感测点E1、E2、E3、 E4测量输出信号时，一个或多个其他(非活动)布线或感测点E1、 E2、E3、E4可以与测量设备50断开连接。这可以通过由测量设备50或软件控制的一个或多个开关电路来实现。所述开关电路可以在测量设备50的内部，或者在连接到测量设备50并由软件控制的外部中间单元中。在图15(a)所示的示例中，测量设备50 包括微控制器51和一个或多个开关元件SW1、SW2、SW3、SW4。每个布线或感测点E1、E2、E3、E4经由相应的开关元件SW1、 SW2、SW3、SW4连接到微控制器52的相应输入。可以控制所述或每个开关元件SW1、SW2、SW3、SW4以在相应的布线或感测点E1、E2、E3、E4连接到微控制器51的第一状态和所述相应的布线或感测点E1、E2、E3、E4从所述微控制器断开而且所述相应控制器输入端接地的第二状态之间切换。例如，所述或每个开关元件SW1、SW2、SW3、SW4可以具有连接到相应微控制器输入的一个输入端以及两个输出端，第一输出端在相应的布线或感测点E1、E2、E3、E4处连接到所述导电材料10，第二个输出接地。在第一状态下，开关输入端连接到第一输出端，而在第二状态，开关输入端连接到第二输出端。所述或每个开关元件SW1、SW2、SW3、SW4可以是或包括通用晶体管或其他无源电子元件。尽管示出了特定示例开关配置，但是应当理解，可以以其他方式和/或使用其他有源部件或无源部件来实现上述开关操作。
图15(b)示出了使用所描述的切换过程在微控制器51处接收的示例输出信号与时间的关系。微控制器51逐个读取来自每个布线或感测点E1、E2、E3、E4的输出信号。如图所示，所述扫描过程可以循环连续循环。在切换到下一个布线或感测点E1、E2、 E3、E4之前，可以在某个预定时间段内读取来自每个布线或感测点E1、E2、E3、E4的输出信号。开关频率可以足够高，使得人将输出信号读数感知为连续的。例如，根据应用，开关频率可以在100Hz和200Hz之间。这可能足够高以提供实时结果。软件程序可以配置为将扫描信号作为定时组读取，参见图15(b)，每个“组”由多个(n)信号读数(E1，E2，E3，E4，......EN)组成。信号读数的数量(n)等于系统(或特定传感器装置)中存在的电极的总数。所述软件程序被配置为通过算法或机器学习方法使用每组信号读数(E1，E2，E3，E4，......En)来计算平面位置坐标(X，Y)。
通过阅读本公开，其他变型和改进对于技术人员将是显而易见的。这些变型和改进可以包括本领域中已知的等效特征和其他特征，并且可以代替或补充本文已经描述的特征使用。
尽管所附权利要求涉及特征的特定组合，但应理解，本发明的公开内容的范围还包括本文无论是明确地还是隐含地或其任何概括公开的任何新颖特征或任何特征的新颖组合，无论是否与任何权利要求中当前要求保护的发明相同，是否与本发明缓解了相同的任何或所有相同的技术问题。
在不同的实施方式的上下文中描述的特征也可以在单个实施方式中组合设置。相反，在单个实施方式的上下文中为简洁起见描述的各种特征也可以单独设置或以任何合适的子组合设置。申请人在此通知，在本申请或由此衍生的任何进一步申请的审查期间，可以对这些特征和/或这些特征的组合形成新的权利要求。
为了完整起见，还指出术语“包括”不排除其他元件或步骤，术语“一个”或“一种”不排除多个，并且权利要求中的任何附图标记不应被解释为对权利要求的范围限制。

Claims (29)

1.一种传感器装置，包括：
多个电极部分，所述多个电极部分配置为提供一个或多个电信号；和
非导电材料，所述非导电材料设置在所述多个电极部分上或上面；
其中，响应于(i)所述多个电极部分中的至少一个电极部分与接近或接触所述非导电材料的导电物体之间的电容变化，和/或(ii)所述多个电极部分中的至少一个电极部分与所述多个电极部分中的至少另一个电极部分之间的电容变化，提供一个或多个电信号。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述多个电极部分形成一个或多个电极的至少一部分。
3.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述多个电极部分中的一个电极部分或多个电极部分由可热成形导电材料形成或包括可热成形导电材料；和/或其中，所述非导电材料由可热成形材料形成或包括可热成形材料。
4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述多个电极部分中的至少一个电极部分和/或所述非导电材料至少部分地具有三维构型。
5.根据权利要求4所述的传感器装置，其中，所述多个电极部分中的所述至少一个电极部分至少部分地具有平面构型。
6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述多个电极部分和所述非导电材料通过模制形成为包括一个或多个用户交互区域。
7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述非导电材料包覆成型在所述多个电极部分上或上面。
8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，在各个电极部分之间存在间隙，以及其中，所述非导电材料进一步设置在所述间隙中。
9.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述多个电极部分中的一个电极部分或多个电极部分被配置为响应于施加到所述非导电材料的力或压力而相对于所述多个电极部分中的至少另一个电极部分移动。
10.根据权利要求9所述的传感器装置，其中，所述电极部分之间的相对移动引起所述电极部分之间的电容变化。
11.根据权利要求9或10所述的传感器装置，其中，当施加力或压力时，所述电极部分中的一个电极部分或多个电极部分的移动使所述间隙改变。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的传感器装置，还包括突出部，所述突出部形成在所述非导电材料中，所述突出部设置成供用户抓握和/或移动；以及
其中，所述多个电极部分中的一个电极部分或多个电极部分延伸到所述突出部中。
13.根据权利要求12所述的传感器装置，其中，所述突出部的移动引起所述多个电极部分中的所述一个电极部分或多个电极部分与所述多个电极部分中的至少另一个电极部分之间的相对移动。
14.根据权利要求13所述的传感器装置，其中，所述传感器装置配置成检测所述突出部的推、拉和/或扭转运动。
15.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述传感器装置配置成响应于导电物体在所述非导电材料上的移动而提供所述一个或多个电信号的变化。
16.根据权利要求15所述的传感器装置，其中，所述多个电极部分中的至少一个电极部分被成形为且布置成响应于所述导电物体在所述非导电材料上的线性和/或圆周运动而提供所述一个或多个电信号。
17.根据权利要求15或16中任一项所述的传感器装置，其中，至少两个相邻电极部分被配置为在一个或多个方向上叠置成彼此接触或不接触。
18.根据权利要求17所述的传感器装置，其中，所述至少两个相邻电极部分配置为彼此交叉。
19.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述多个电极部分包括一个或多个凹陷和/或凹部，以在任意两个给定点之间提供预定的电阻，并且其中，存在形成规则阵列的多个凹陷和/或凹部。
20.根据权利要求19所述的传感器装置，其中，所述多个电极部分中的至少一个包括复杂形状和/或重复几何图案，以在任意两个给定点之间提供预定电阻。
21.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述多个电极部分和/或所述非导电材料至少部分地具有三维异形表面，并且其中，所述电信号响应于所述导电物体在所述非导电材料的表面上的移动而变化。
22.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述非导电材料由基本上刚性的材料或者柔性的、可变形的或柔韧的材料形成，或者，所述非导电材料包括基本上刚性的材料或者柔性的、可变形的或柔韧的材料。
23.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述多个电极部分由基本上刚性的材料或者柔性的、可变形的或柔韧的材料形成，或者，所述多个电极部分包括基本上刚性的材料或柔性的、可变形的或柔韧的材料。
24.根据权利要求3至23中任一项所述的传感器装置，其中，所述可热成形导电材料是或包括包含有导电材料的硅橡胶、导电天然橡胶、以及导电塑料材料中的一种或多种；和/或
其中，非导电材料是或包括硅橡胶、天然橡胶、塑料材料、和热成形织物或合成皮革中的一种或多种。
25.一种制造如权利要求1至24中任一项所述的传感器装置的方法，所述方法包括以下包覆成型工艺：
形成所述多个电极部分或所述非导电材料；以及
在所述多个电极部分或所述非导电材料上形成所述多个电极部分和所述非导电材料中的另一者。
26.一种使用根据权利要求1至24中任一项所述的传感器装置感测电信号的方法，所述方法包括：选择性地使导电物体靠近所述非导电材料、与所述非导电材料接触和/或在所述非导电材料上越过；和/或，选择性地向非导电材料施加力或压力以引起所述多个电极部分中的所述至少一个电极部分与所述多个电极部分中的所述至少另一个电极部分之间的相对移动。
27.一种系统，包括如权利要求1至24中任一项所述的传感器装置以及测量设备，所述测量设备被配置为在使用中从所述传感器装置接收一个或多个电信号，所述测量设备包括指令，所述指令对一段时间内来自所述传感器装置的一个或多个电信号进行处理，并且根据所述一个或多个电信号中的变量或特征来确定导电物体触及所述传感器装置的位置、所述导电物体越过所述传感器装置的移动速度、所述导电物体的移动方向、施加在所述传感器装置上的压力、和/或所述多个电极部分中的至少一个电极部分相对于所述多个电极部分中的另一个电极部分的移动方向。
28.一种汽车控制系统，包括如权利要求1至24中任一项所述的传感器装置。
29.一种虚拟现实控制系统，包括如权利要求1至24中任一项所述的传感器装置。
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