CN111694470A - 电容触摸传感器 - Google Patents

Abstract

本发明题为“电容触摸传感器”。本发明涉及一种电容触摸传感器。该电容触摸传感器可包括通过导电构件与第二衬底分开的第一衬底。该第一衬底可包括第一电极和第二电极。导电构件可与第二衬底直接接触。

Description

电容触摸传感器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年3月15日提交的美国临时专利申请序列号62/819,308的权益，并且将该申请的公开内容以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及电容触摸传感器。

背景技术

具有触摸感测表面的电子设备可利用各种电容感测设备，以允许用户做出选择并通过相对于电容感测元件移动他们的手指(或触笔)来移动物体。互电容触摸传感器不仅具有检测感测表面上触摸事件的能力，而且还具有检测接近事件的能力，其中手指不触摸感测表面但是紧邻感测表面。互电容触摸传感器通过测量传感器的电容和检测指示直接触摸或存在导电物体(例如，手指、手、脚或其它物体)的电容变化来操作。当导电物体与电容传感器接触或紧邻电容传感器时，电容发生变化并检测到导电物体。电路可用于测量电容的变化，并且可利用电容的变化来确定物体接近、接触和/或移动跨过传感器的触摸表面时的位置、压力、方向、手势、速度和加速度。

发明内容

本发明涉及电容触摸传感器。

电容触摸传感器可包括通过导电构件与第二衬底分开的第一衬底。该第一衬底可包括第一电极和第二电极。导电构件可与第二衬底直接接触。

本发明解决的技术问题是当触摸传感器的触摸表面与感测电极相距一定距离时，则常规的电容触摸传感器具有有限的感测能力。

根据第一方面，一种电容触摸传感器包括：第一衬底，该第一衬底包括：互电容传感器，该互电容传感器包括：第一电极；以及能够与第一电极形成电容的第二电极；第二衬底，该第二衬底被布置成与第一衬底相邻；以及导电构件，该导电构件被布置在第一和第二衬底之间并且包衬底含电介质和导电材料；其中：导电构件与第二衬底直接接触；并且导电构件和第一衬底通过气隙隔开。

在一个实施方案中，第一衬底还包括光元件。

在一个实施方案中，导电材料形成于电介质的外表面上。

在一个实施方案中，其中电介质为单个实心结构。

在一个实施方案中，导电构件包括由电介质的内表面限定的中空内部，并且导电材料形成于电介质的内表面上。

在一个实施方案中，导电构件包括多个子构件。

根据第二方面，一种电容触摸传感器包括：第一衬底，该第一衬底包括：互电容传感器，该互电容传感器包括：第一电极；以及能够与第一电极形成电容的第二电极；其中第二电极被定位在与第一电极相同的平面上；第二衬底，该第二衬底被布置成与第一衬底相邻，其中第二衬底包含第一塑性材料；以及导电构件，该导电构件包含电介质和导电材料；其中该导电构件：被布置在第一衬底和第二衬底之间；并且与第二衬底直接接触。

在一个实施方案中，导电构件还包括由第二塑性材料的内表面限定的从导电构件的第一端部延伸至导电构件的第二端部的中空内部，并且导电材料形成于电介质的内表面上。

在一个实施方案中，导电构件和第一衬底由1毫米至10毫米范围内的气隙隔开。

在一个实施方案中，电介质包含第二塑性材料。

本发明实现的技术效果是提供一种电容触摸传感器，当触摸表面与感测电极相距一定距离时，该电容触摸传感器具有增强的感测能力。

附图说明

当结合以下示例性附图考虑时，可参照具体实施方式更全面地了解本技术。在以下附图中，通篇以类似附图标记指代各附图中的类似元件和步骤。

图1代表性地示出了根据本发明技术的示例性实施方案的互电容触摸传感器的侧视图；

图2代表性地示出了根据本发明技术的示例性实施方案的电容触摸传感器的分解图；

图3A代表性地示出了根据本发明技术的示例性实施方案在第一条件下的电容触摸传感器的电场；

图3B代表性地示出了根据本发明技术的示例性实施方案在第二条件下的电容触摸传感器的电场；并且

图4代表性地示出了根据本发明技术的示例性实施方案的导电构件；

图5代表性地示出了根据本发明技术的第一示例性实施方案的导电构件的顶视图；

图6代表性地示出了根据本发明技术的第二示例性实施方案的导电构件的顶视图；

图7代表性地示出了根据本发明技术的第三示例性实施方案的导电构件的顶视图；

图8代表性地示出了根据本发明技术的第四示例性实施方案的导电构件的顶视图；

图9代表性地示出了根据本发明技术的第五示例性实施方案的导电构件的顶视图；

图10代表性地示出了根据本发明技术的另选的导电构件；

图11代表性地示出了根据本发明技术的另选的导电构件；

图12代表性地示出了根据本发明技术的另选的导电构件；并且

图13代表性地示出了根据本发明技术的另选的实施方案的互电容触摸传感器的侧视图。

具体实施方式

本发明技术可按照功能块组件和电路图进行描述。这样的功能块和电路图可以通过被构造成执行指定功能并且实现各种结果的任何数量的部件实现。例如，本发明技术可采用可执行各种功能的各类模数转换器、电容器、放大器、功率源、开关等。根据本发明技术的各个方面的用于电容触摸传感器的方法和装置可结合任何电子设备和/或设备输入应用程序诸如移动电话、音频设备、游戏设备、电视、个人计算机、控制台、信息娱乐中心、控制单元等来操作。此外，本发明技术的各个方面可结合到任何系统(诸如车辆、器具、照明系统或需要电容触摸感测的任何其它系统)中。

参考图1至图3，并且根据本发明技术，触摸传感器100可被配置为互电容传感器以检测物体125。例如，触摸传感器100可包括第一电极200和第二电极205，其中第一电极200和第二电极205形成电容。另外，触摸传感器100可包括被布置为形成多个互电容型传感器的多个第二电极。

触摸传感器100可通过测量第一电极200和第二电极205之间的电容变化来检测物体125。触摸传感器100可形成各种输入设备(诸如按钮、开关、拨盘、滑块、键或键盘、导航垫、触摸面板)，并且可集成到任何设备和/或系统(诸如车辆、器具、照明系统、控制面板等)中。

当可在两个电压电平之间脉冲的功率源(未示出)向第一电极200和第二电极205中的一个提供驱动信号时，两个电极可形成电场300。这样，一个电极作为驱动电极(即，发射电极)操作，另一电极作为接收电极(即，输入电极)操作。当诸如手、指尖、笔尖之类的物体125改变或干扰电场300时，导致第一电极200和第二电极205之间的电容产生变化。因此，电容的变化量可指示“触摸关闭”条件或“触摸开启”条件。

在本发明技术的各种实施方案中，触摸传感器100可被配置为通过使用间接触摸感测方法检测相距一定距离的物体125。例如，触摸传感器100可包括第一衬底110、第二衬底105以及位于第一衬底和第二衬底之间的导电构件115。

第一衬底110可提供稳定的环境以容纳各种电路和元件。例如，第一衬底110可包括第一电极200和第二电极205。根据各种实施方案，第一衬底110可包含印刷电路板或任何其它合适的材料。

根据示例性实施方案，触摸传感器100可包括嵌套在第一电极200内的多个第二电极，诸如第二电极205(1)、205(2)、205(3)，其中第一电极200与每个第二电极205形成电容。换句话讲，每个第二电极205(1)、205(2)、205(3)与单个第一电极200连通。另选地，每个第二电极205(1)、205(2)、205(3)可与相应的第一电极连通。

根据示例性实施方案，第二电极205(1)、205(2)、205(3)可被嵌套在第一电极200内。第二电极205(1)、205(2)、205(3)可通过电介质210与第一电极200分开。然而，在另选的实施方案中，电极200、205可按任何合适的方式布置。

在一个实施方案中，第一衬底110还可包括光元件120，以对第二衬底105的特定区域进行照明。例如，光元件120可包括被布置在第二电极205的中心以(向用户)指示触摸传感器100的最敏感区域的位置的LED(发光二极管)。

第二衬底105可被布置为平行于第一衬底110和/或与其相邻，并且被配置为由物体125直接触摸。例如，第二衬底105可包含塑性材料。在各种实施方案中，第二衬底105包含能够由物体125使其变形的薄型柔性塑性材料。另选地，第二衬底105可包含刚性的塑性材料。

第二衬底105可包括任何合适的形状和形式。例如，第二衬底105可包括平行于第一衬底110的平坦表面，例如如图1所示。另选地，第二衬底105可包括具有一个或多个凸起的表面，例如如图13所示。另外，第二衬底105可包括弯曲和/或折叠以形成期望的形状。可根据特定应用、期望的美学等来选择第二衬底105的特定形状和形式。

参考图1至图13，导电构件115可被配置为提供间接触摸感测激活。导电构件115还可用于将从光元件120发射的光引导到第二衬底105。例如，导电构件115可被布置在第一衬底110和第二衬底105之间，以充当由第一电极200和第二电极205形成的电场300的通道。在各种实施方案中，导电构件115被布置在由第一电极200和第二电极205形成的电场300内。

根据示例性实施方案，导电构件115的第一端部215可与第二衬底105直接接触。导电构件115的第二端部220可通过气隙130与第一衬底110分开。在各种实施方案中，气隙130可在1毫米至10毫米的范围内。另选地，导电构件115的第二端部220可与第一电极200或第二电极205直接接触。

根据示例性实施方案，导电构件115可包含介电材料505(诸如塑性材料或任何其它绝缘材料)。导电构件115可包含任何数量的介电材料或介电材料的组合。例如，在各种实施方案中，导电构件115可包含单个介电材料。然而，在另选的实施方案中，导电构件115可包含多种介电材料(诸如透光/透明塑性材料和不透明(或有色)塑性材料)。例如，导电构件115可包括从第一端部215延伸到第二端部220的透光塑料中心和围绕该透光塑料中心的不透明塑料。

在一个实施方案中，导电构件115可包含单个实心介电材料505，诸如图5中所示。另选地，导电构件115可包括由介电材料505的内表面610限定的中空内部605，诸如图6中所示。在另一个实施方案中，导电构件115可包括多个子构件1100，诸如图12中所示。

导电构件115和/或多个子构件1100可包括任何合适的形状和尺寸。例如，介电材料505可能以矩形或正方形的柱形(例如，如图4所示)、锥形(例如，如图10所示)、圆柱形(例如，如图11所示)或其它任何形状形成。

根据示例性实施方案，导电构件115还可包含导电材料500，诸如金属材料。例如，导电材料500可形成于介电材料505的外表面510和/或介电材料505的内表面610上。导电材料500可包括单个连续的金属涂层/镀层(例如，如图5至图8所示)。另选地，导电材料500可包括多个金属涂层/镀层片段(例如，如图9所示)。

在各种实施方案中，触摸传感器100可结合伴随电路(诸如驱动电路(未示出)和微处理器单元(MPU)(未示出))来操作。例如，驱动电路可生成驱动信号并且将驱动信号施加到一个电极(例如第一电极200)。驱动电路可连接到MPU并且响应来自MPU的各种信号。例如，驱动器可连接到MPU并且接收控制驱动信号的电压的控制信号。例如，控制信号可指示低压(例如，零伏特)驱动信号或高压(例如，大于零伏特)驱动信号。

在各种实施方案中，微处理器可被配置为通过从第二电极205接收输入电容来监测电容的变化。微处理器可将输入电容转换为数字输出，并且将数字输出与预定的阈值进行比较，以确定是否发生“触摸开启”条件。基于数字输出的值，微处理器可确定是否发生“触摸开启”条件。例如，微处理器可根据电容的变化来检测数字输出何时达到和/或超过预定的阈值。一旦数字输出达到或超过预定的阈值，MPU可做出响应。例如，当数字输出达到或超过预定的阈值(可指示“触摸开启”条件)时，MPU可将控制信号发送到输出电路(未示出)，以在开启和关闭之间切换状态。

参考图2和图3，根据本发明技术的示例性实施方案，触摸传感器100可被配置为根据上述互电容感测的原理进行操作。在各种实施方案中，触摸传感器100可被配置为检测单个输入、多个输入和手势，诸如旋转、滚动、轻拂、缩放、拖动等。

在操作时，参考图1和图3A至图3B，触摸传感器100可通过间接感测来检测物体125。例如，当物体125与第二衬底105直接接触时，触摸传感器100检测到物体125。换句话讲，物体125不与第一电极200和第二电极205直接接触以产生触摸条件。当物体125触摸第二衬底105时，由于物体125充当地电位并且导电构件115充当将被重新导向到物体125的电场300的一部分的通道，在第一电极200和第二电极205之间形成的电场300被干扰。这会导致电容减小，并且触摸传感器100将对应的输入信号发送到MPU。

MPU可分析输入信号，以确定该输入信号是对应于“触摸关闭”条件还是“触摸开启”条件。例如，如果电容变化大于或等于预定的阈值，则MPU可确定已发生“触摸开启”条件。在“触摸开启”条件下，触摸传感器100可充当开启或关闭设备的开关。例如，触摸传感器100可操作光源并且打开和关闭光源。在其它应用程序中，在“触摸开启”条件下，MPU可将控制信号发送到主机处理器(未示出)，以触发来自主机处理器的特定响应。

所示和所述特定具体实施方式用于展示所述技术及其最佳模式，而不旨在以任何方式另外限制本技术的范围。实际上，为简洁起见，系统的常规制造、连接、制备和其他功能方面可能未详细描述。此外，多张图中示出的连接线旨在表示各种元件之间的示例性功能关系和/或步骤。在实际系统中可能存在多个替代的或另外的功能关系或物理连接。

在上述描述中，已结合具体示例性实施方案描述了所述技术。然而，可在不脱离所述的本发明技术的范围的情况下作出各种修改和改变。以示例性而非限制性方式考虑说明和附图，并且所有此类修改旨在包括在本技术的范围内。因此，应通过所述的一般实施方案及其在法律意义上的等同形式，而不是仅通过上述具体示例确定所述技术的范围。例如，可以任何适当的顺序执行任何方法或过程实施方案中列举的步骤，并且不限于具体示例中提供的明确顺序。另外，任何系统实施方案中列举的组件和/或元件可以多种排列方式组合，以产生与本发明技术基本上相同的结果，并且因此不限于具体示例中阐述的具体配置。

上文已经针对具体实施方案描述了有益效果、其它优点和问题解决方案。然而，任何有益效果、优点、问题解决方案或者可使任何具体有益效果、优点或解决方案出现或变得更明显的任何要素都不应被解释为关键、所需或必要特征或组成部分。

术语“包含”、“包括”或其任何变型形式旨在提及非排它性的包括，使得包括一系列要素的过程、方法、制品、组合物或装置不仅仅包括这些列举的要素，而且还可包括未明确列出的或此类过程、方法、制品、组合物或装置固有的其它要素。除了未具体引用的那些，本技术的实施所用的上述结构、布置、应用、比例、元件、材料或部件的其它组合和/或修改可在不脱离其一般原理的情况下变化或以其它方式特别适于具体环境、制造规范、设计参数或其它操作要求。

上文已结合示例性实施方案描述了本技术。然而，可在不脱离本技术的范围的情况下对示例性实施方案作出改变和修改。这些和其他改变或修改旨在包括在本发明技术的范围内。

根据第一方面，一种电容触摸传感器包括：第一衬底，该第一衬底包括：互电容传感器，该互电容传感器包括：第一电极；以及能够与第一电极形成电容的第二电极；第二衬底，该第二衬底被布置成与第一衬底相邻；以及导电构件，该导电构件被布置在第一衬底和第二衬底之间并且包含电介质和导电材料；其中：导电构件与第二衬底直接接触；并且导电构件和第一衬底通过气隙隔开。

在一个实施方案中，第一衬底还包括光元件。

在一个实施方案中，第二衬底包含塑性材料。

在一个实施方案中，导电材料形成于电介质的外表面上。

在一个实施方案中，电介质是单个实心结构。

在一个实施方案中，导电构件包括由电介质的内表面限定的中空内部。

在一个实施方案中，导电材料形成于电介质的内表面上。

在一个实施方案中，导电构件包括多个子构件。

根据第二方面，一种电容触摸传感器包括：第一衬底，该第一衬底包括：互电容传感器，该互电容传感器包括：第一电极；以及能够与第一电极形成电容的第二电极；其中第一电极围绕第二电极；第二衬底，该第二衬底被布置成与第一衬底相邻；以及导电构件，该导电构件被布置在第一衬底和第二衬底之间并且包含电介质和导电材料；其中：导电构件与第二衬底直接接触；并且导电构件与第一电极和第二电极中的一个直接接触。

在一个实施方案中，导电构件包括由电介质的内表面限定的中空内部，其中该中空内部基本上与第二电极垂直对准。

在一个实施方案中，导电材料形成于电介质的内表面上。

在一个实施方案中，电介质为单个实心结构，并且导电材料形成于电介质的外表面上。

在一个实施方案中，第二衬底包含塑性材料。

在一个实施方案中，电介质包含塑性材料。

根据第三方面，一种电容触摸传感器包括：第一衬底，该第一衬底包括：互电容传感器，该互电容传感器包括：第一电极；以及能够与第一电极形成电容的第二电极；其中第二电极被定位在与第一电极相同的平面上；第二衬底，该第二衬底被布置成与第一衬底相邻，其中第二衬底包含第一塑性材料；以及导电构件，该导电构件包含电介质和导电材料；其中该导电构件：被布置在第一衬底和第二衬底之间；并且与第二衬底直接接触。

在一个实施方案中，导电构件还包括由第二塑性材料的内表面限定的从导电构件的第一端部延伸至导电构件的第二端部的中空内部。

在一个实施方案中，导电材料形成于电介质的内表面上。

在一个实施方案中，导电材料还形成于电介质的外表面上。

在一个实施方案中，导电构件和第一衬底由1毫米至10毫米范围内的气隙隔开。

在一个实施方案中，电介质包含第二塑性材料。

Claims (10)

1.一种电容触摸传感器，其特征在于包括：

第一衬底，所述第一衬底包括：

互电容传感器，所述互电容传感器包括：

第一电极；和

第二电极，所述第二电极能够与所述第一电极形成电容；

第二衬底，所述第二衬底被布置成与所述第一衬底相邻；和

导电构件，所述导电构件被布置在所述第一衬底和所述第二衬底之间并且包含电介质和导电材料；其中：

所述导电构件与所述第二衬底直接接触；并且

所述导电构件和所述第一衬底通过气隙隔开。

2.根据权利要求1所述的电容触摸传感器，其特征在于所述第一衬底还包括光元件。

3.根据权利要求1所述的电容触摸传感器，其特征在于所述导电材料形成于所述电介质的外表面上。

4.根据权利要求1所述的电容触摸传感器，其特征在于所述电介质为单个实心结构。

5.根据权利要求1所述的电容触摸传感器，其特征在于所述导电构件包括由所述电介质的内表面限定的中空内部，并且所述导电材料形成于所述电介质的所述内表面上。

6.根据权利要求1所述的电容触摸传感器，其特征在于所述导电构件包括多个子构件。

7.一种电容触摸传感器，其特征在于包括：

第一衬底，所述第一衬底包括：

互电容传感器，所述互电容传感器包括：

第一电极；和

第二电极，所述第二电极能够与所述第一电极形成电容；

其中所述第二电极被定位在与所述第一电极相同的平面上；

第二衬底，所述第二衬底被布置成与所述第一衬底相邻，其中所述第二衬底包含第一塑性材料；和

导电构件，所述导电构件包含电介质和导电材料；其中所述导电构件：

被布置在所述第一衬底和所述第二衬底之间；并且

与所述第二衬底直接接触。

8.根据权利要求7所述的电容触摸传感器，其特征在于所述导电构件还包括由第二塑性材料的内表面限定的从所述导电构件的第一端部延伸至所述导电构件的第二端部的中空内部，并且所述导电材料形成于所述电介质的内表面上。

9.根据权利要求7所述的电容触摸传感器，其特征在于所述导电构件和所述第一衬底由1毫米至10毫米范围内的气隙隔开。

10.根据权利要求7所述的电容触摸传感器，其特征在于所述电介质包含第二塑性材料。

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