CN114741007A - 具有力传感器的输入设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有力传感器的输入设备，该输入设备可集成在电子设备中和/或通过有线连接或无线连接可操作地连接到电子设备。该输入设备可包括一个或多个力传感器，该一个或多个力传感器定位在输入设备的盖元件下方或电子设备的输入表面。该输入设备可包括其他部件和/或功能，诸如生物识别传感器和/或开关元件。

Description

具有力传感器的输入设备
本申请是国际申请日为2017年3月27日、国家申请号为201780014481.3、发明名称为“具有力传感器的输入设备”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本专利合作条约专利申请要求2016年3月31日提交的名称为“Force Sensor inan Input Device”(输入设备中的力传感器)的美国非临时专利申请No.15/087,306的优先权，该专利申请的内容据此全文以引用方式并入本文。
技术领域
本发明所述实施方案总体涉及力感测。更具体地讲，本发明实施方案涉及输入设备中的力传感器。
背景技术
许多电子设备包括用于接收用户输入的一个或多个输入设备。诸如智能电话、平板计算设备、膝上型计算机、可穿戴通信和健康设备、导航设备和显示器的设备可包括或连接到输入设备。例如，输入设备可向计算系统提供关于用户与图形用户界面(GUI)交互的信息，诸如选择元素、返回至主页以及其他GUI特征部。在另一个实施例中，输入设备可捕获或接收与用户相关联的生物识别数据并向计算系统提供此类生物识别数据。
一般来讲，输入设备的操作是二进制的。例如，键盘的键可被充分按压以塌缩弹片开关并生成输出信号，或者不是这样。输入按钮可被充分按压以关闭开关并选择一个图标，或者不是这样。
二进制输入固有地受到限制，因为它们仅可占用两种状态(存在或不存在、开或关等)。在一些情况下，还检测和测量施加于输入设备的输入力可能是有利的。此外，当通过一连串的值测量力时，检测到的力可充当非二进制输入。
发明内容
输入设备可包括在电子设备中，或者使用有线连接或无线连接可操作地连接到电子设备。输入设备中的一个或多个力传感器被配置为检测施加到盖元件的力输入。盖元件可以是电子设备的外壳的一部分或设置在外壳的孔中的输入设备的输入表面。
力传感器可采用任何合适的力感测技术，诸如电容式、压电式、压阻式、超声和磁力感测技术。在一个实施方案中，力传感器为电容式力传感器。力传感器由包括第一组一个或多个电极的第一电路层和包括第二组一个或多个电极的第二电路层形成。第二组一个或多个电极通过顺应材料(例如，空气、硅层)与第一组一个或多个电极间隔开。第一组中的每个电极在至少一个方向(例如垂直地)与第二组中的相应电极对准，以生成一个或多个电容器。当将力施加到盖元件时，盖元件弯曲或偏转，使得第一组中的至少一个电极移动靠近第二组中的相应电极。由两个电极形成的电容器的电容随着电极之间的距离缩短而变化。从每个电容器感测的力信号表示该电容器的电容测量值。处理设备被配置为接收一个或多个力信号并将一个或多个力信号与被施加于盖元件的力的量相关联。
在一个方面，输入设备包括定位在盖元件下方的指纹传感器。指纹传感器被配置为在手指接近或接触盖元件时捕获手指的指纹。力传感器定位在指纹传感器下方和支撑元件上方。力传感器被配置为检测施加到盖元件上的力输入。
在另一方面，输入设备包括盖元件、定位在盖元件外围边缘周围的一个或多个第一力传感器，以及定位在盖元件下方的第二力传感器。每个第一力传感器被配置为检测施加到盖元件的第一力输入。第二力传感器被配置为检测施加到盖元件的第二力输入。一个或多个第一力传感器和第二力传感器可操作以检测并联、串联或具有时间偏移的力输入。例如，一个力传感器最初可用于检测所施加的力的量。随着所施加力的量的增加，该力传感器达到最大可检测力。此时，可使用另一力传感器来检测所施加的力。另选地，在一些实施方案中，第一力传感器和第二力传感器两者可用于检测达到给定的力的量的力输入，然后可使用其中一个力传感器来检测大于给定的力的量的力输入。
在另一方面，与电子设备一起使用的输入设备可包括盖元件、定位在盖元件下方的指纹传感器，以及定位在指纹传感器下方和支撑元件上方的力传感器。指纹传感器可被配置为在手指接近或接触盖元件时捕获手指的指纹。力传感器可被配置为检测施加到盖元件上的力输入。输入设备还可包括定位在盖元件下方以及围绕指纹传感器至少一部分的顺应层。
在一些实施方案中，输入设备可包括从用户接收除力输入之外的一个或多个输入的附加部件。例如，在一个实施方案中，输入设备包括生物识别传感器。除此之外或另选地，输入设备可包括在施加到盖元件的力输入超过给定的力的量时检测用户输入的开关元件。开关元件可基于检测到的用户输入来生成或传输信号，并且处理设备可基于从开关元件接收的信号来注册用户输入。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，将容易理解本公开，其中类似的参考标号指代类似的结构元件，并且其中：
图1示出了可在一个或多个输入设备中包括力传感器的电子设备的一个实施例；
图2A-图2B示出了适合用于图1中所示的电子设备的第一输入设备的分解图；
图3示出了在输入设备被装配时图2B中所示的输入设备的横截面图；
图4示出了图3中所示的顺应层的一个实施例的分解图；
图5示出了图3中所示的顺应层的另一个实施例的分解图；
图6示出了图3中所示的输入设备的顶视图的一个实施例；
图7示出了图3中所示的输入设备的顶视图的另一个实施例；
图8示出了适合用于图1中所示的电子设备的第二输入设备的分解图；
图9示出了在输入设备被装配时图8中所示的第二输入设备的横截面图；
图10示出了适合用于图1中所示的电子设备的第三输入设备的分解图；
图11示出了在输入设备被装配时图10中所示的第三输入设备的横截面图；以及
图12示出了可在一个或多个输入设备中包括力传感器的电子设备的一个实施例的框图。
图中提供了交叉阴影线以使元件或部件彼此区分。交叉阴影线并不用于表示一种或多种材料的类型或者一种或多种材料的性质。
具体实施方式
现在将具体地参考在附图中示出的代表性实施方案。应当理解，以下描述不旨在将实施方案限制于一个优选实施方案。相反，其旨在涵盖可包括在由所附权利要求限定的所述实施方案的实质和范围内的另选形式、修改形式和等同形式。
以下公开涉及包括一个或多个力传感器的输入设备。输入设备可包括在电子设备中，和/或通过有线连接或无线连接可操作地连接到电子设备。在一个实施方案中，输入设备是输入按钮，但任何合适的输入设备都可包括力传感器。
在特定的实施方案中，力传感器包括形成输入设备的部件叠堆中的两个电路层。电路层相互隔开，并且顺应材料或空气设置在电路层之间。每一个电路层包括一组一个或多个电极，并且一组中的每个电极都在至少一个方向(例如垂直)与另一组中的相应电极对准，以产生一个或多个电容器。当将力施加到输入设备的盖元件时，盖元件弯曲或偏转，这使得一个电路层中的至少一个电极移动靠近另一个电路层中的相应电极。由两个电极形成的电容器的电容随着电极之间的距离变化而变化。从每个电容器感测的力信号表示该电容器的电容测量值。处理设备被配置为接收一个或多个力信号并将一个或多个力信号与被施加于盖元件的力的量相关联。
在另一个实施方案中，力传感器被包括在定位在输入设备内的一个或多个位置的顺应层。在一个非限制性实施例中，当输入设备为输入按钮时，顺应层可定位在输入按钮的周边。顺应层可由设置在两个电路层之间的顺应材料形成。每一个电路层包括一组一个或多个电极，并且一组中的每个电极都在至少一个方向(例如垂直)与另一组中的相应电极对准，以产生一个或多个电容器。当将力施加到输入设备的输入表面时，顺应材料会压缩或变形，这使得一个电路层中的至少一个电极移动靠近另一个电路层中的相应电极。由两个电极形成的电容器的电容随着电极之间的距离缩短而变化。处理设备被配置为接收来自一个或多个电容器的力信号并将力信号与所施加的力的量相关联。
在一些实施方案中，输入设备可包括从用户接收除力输入之外的一个或多个输入的附加部件。例如，在一个实施方案中，输入设备包括生物识别传感器。在一个非限制性实施例中，生物识别传感器是在用户的一根手指(或多根手指)接近和/或接触输入表面时捕获至少一个指纹的指纹传感器。
除此之外或另选地，输入设备可包括可在力输入超过给定的力的量时检测用户输入的开关元件。可使用任何适当的开关元件。例如，输入设备可包括当施加到输入表面的力超过给定量值时塌缩的弹片开关。在塌缩时，弹片开关完成被处理设备检测且被识别为输入(例如选择图标、功能或应用)的电路。
在许多实施方案中，力可充当非二进制输入。力传感器可被配置为检测不同的力的量，并且不同的力的量可与电子设备的不同输入、应用和/或功能相关联。例如，增加施加到输入设备的力的量可用于提高电子设备中的扬声器的声音输出水平。除此之外或另选地，第一力的量可与用于电子设备的第一输入相关联，而不同的第二力的量可与第二输入相关联。例如，第一力的量可用于将电子设备从睡眠状态唤醒，而较大的第二力的量可用于关闭电子设备。除此之外或另选地，增大或减小力的量可用于控制在游戏应用中的操作。例如，增大力的量可提高移动对象在游戏(例如，汽车)中的速度，同时减小力的量可降低移动对象的速度。没有力输入可用作制动功能来阻止对象的移动。
方向性术语，诸如“顶部”、“底部”、“前部”、“后部”、“头部”、“尾部”等参考所述一个或多个附图的取向来使用。因为本文所述的实施例的部件可以多个不同的取向定位，所以方向性术语仅用于说明的目的并且不以任何方式进行限制。当结合输入按钮或传感器的层一起使用时，方向性术语旨在被广泛地解释，并且因此不应当被解释为排除一个或多个居间层或其他居间特征部或元件的存在。因此，被描述为形成在、定位在或设置在另一个层上或上方或者被描述为形成在、定位在、设置在另一个层下或下方的给定层可由一个或多个附加的层或元件与后一个层分开。
以下参考图1-图12来论述这些实施方案和其他实施方案。然而，本领域的技术人员将容易地理解，本文相对于这些附图所给出的详细描述仅出于说明性目的，而不应被理解为是限制性的。
图1示出了可在一个或多个输入设备中包括力传感器的电子设备的一个实施例。在例示的实施方案中，电子设备100被实现为智能电话。其他实施方案可以不同方式来实现该电子设备。例如，电子设备可以是膝上型计算机、平板计算设备、可穿戴计算设备(诸如智能手表或健康助手)、数字音乐播放器、显示器输入设备、遥控设备以及包括一个或多个输入设备的其他类型的电子设备。
电子设备100包括围绕显示器104和输入设备106的外壳102。在一些实施方案中，输入设备106可被配置为输入/输出设备。如本文所用，短语“输入设备”旨在包括输入设备和输入/输出设备两者。
外壳102可形成针对电子设备100的内部部件的外表面或部分外表面，并可至少部分地围绕显示器104和/或输入设备106。外壳102可由可操作地连接在一起的一个或多个部件形成，诸如前件和后件。另选地，外壳102可由可操作地连接到显示器104的单个件形成。
显示器104可以为电子设备100提供视觉输出和/或可以用于接收用户对电子设备的输入。例如，显示器104可以是多点触摸电容感测触摸屏，其可以检测一个或多个用户触摸和/或力输入。显示器104可以是基本上任何尺寸并且可以基本上定位在电子设备100上的任何位置处。显示器104可使用任何合适的显示器来实现，包括但不限于使用液晶显示器(LCD)元件、发光二极管(LED)元件、有机发光显示器(OLED)元件或有机电致发光(OEL)元件的多点触摸感测触摸屏设备。
在一些实施方案中，输入设备106可采取主屏幕按钮的形式，其可以是机械按钮、软按钮(例如，不能物理地移动但仍接受输入的按钮)、显示器上的图标或图像等等。另外，在一些实施方案中，输入设备106可被集成为电子设备的覆盖层108和/或外壳的部分。虽然在图1中未示出，但电子设备100可包括一个或多个其他输入设备(诸如麦克风、扬声器)、其他输入按钮(例如音量、打开-关闭)、相机以及一个或多个端口(诸如网络通信端口和/或电源线端口)。
覆盖层108可被定位在电子设备100的前表面上方。覆盖层108的至少一部分可接收触摸输入和/或力输入。在一个实施方案中，覆盖层108覆盖显示器104和输入设备106。触摸和力输入可由覆盖显示器104的覆盖层108的部分和/或由覆盖输入设备106的覆盖层108的部分接收。在另一个实施方案中，覆盖层108覆盖显示器104，但不覆盖输入设备106。在此类实施方案中，输入设备106可被定位在形成于覆盖层108中的开口或孔110中。输入设备106可接收触摸输入和/或力输入，覆盖显示器104的覆盖层108的部分也可接收触摸输入和/或力输入。
在其他实施方案中，输入设备的输入表面可被集成到外壳102中。例如，输入表面可以是外壳102的部分，其中输入设备的力传感器和其他部件设置在外壳102下方。外壳102中的凹陷或凹槽可指示输入设备的位置(例如，输入按钮)。
力传感器可包括在电子设备100的一个或多个位置中。例如，在一个实施方案中，一个或多个力传感器可包括在输入设备106(和/或电子设备100的其他输入按钮或区域中)。一个或多个力传感器可用于测量施加到输入设备106上的力的量和/或力的变化。除此之外或另选地，一个或多个力传感器可被定位在外壳102至少一部分的下方，以检测被施加到外壳102的力和/或力的变化。除此之外或另选地，一个或多个力传感器可包括在显示器104的显示叠层中。一个或多个力传感器可用于测量施加到显示器104或显示器104的一部分上的力的量和/或力的变化。
本文所述的实施方案包括输入设备106中的一个或多个力传感器。如前所述，输入设备106还可包括附加操作或设备，诸如生物识别传感器、其他电路、支撑元件和/或开关元件。在一个实施方案中，可将各种部件和设备布置在定位在盖元件下方的设备叠层中。
图2A-图2B示出了适合用于图1所示的电子设备的第一输入设备的分解图。参考图2A，输入设备叠层200包括盖元件202和镶边204。在例示的实施方案中，镶边204完全环绕盖元件202的侧面以及盖元件202的顶表面的周边。其他实施方案不限于这种构型。例如，在一个实施方案中，盖元件202的侧面和/或顶表面可部分地被镶边204环绕。另选地，在其他实施方案中可省略镶边204。
盖元件202和镶边204二者可由任何合适的不透明、透明和/或半透明材料形成。例如，盖元件202可由玻璃、塑料或蓝宝石形成，而镶边204可由金属或塑料形成。在一些实施方案中，一个或多个附加层(未示出)可定位在盖元件202下方。例如，当盖元件202由透明材料制成时，不透明油墨层可设置在盖元件202下方。不透明油墨层可隐藏输入设备叠层200中的其他部件，使得不能通过透明盖元件202看到其他部件。
第一电路层206可设置在盖元件202下方。可使用任何适当的电路层。例如，第一电路层206可以是电路板或柔性电路。第一电路层206可包括一个或多个电路、信号线和/或集成电路。在一个实施方案中，第一电路层206包括生物识别传感器208。可使用任何合适类型的生物识别传感器。例如，在一个实施方案中，生物识别传感器是在用户的一根手指(或多根手指)接近和/或接触盖元件202时捕获至少一个指纹的电容指纹传感器。
第一电路层206可通过粘合剂层210附接到盖元件202的底表面。任何合适的粘合剂都可用于粘合剂层。例如，压敏粘合剂层可被用作粘合剂层210。
顺应层212被设置在第一电路层206下方。在一个实施方案中，顺应层212包括形成在顺应层212中的开口214。在设备叠层200被装配时，开口214暴露第一电路层206的顶表面和/或生物识别传感器208。在例示的实施方案中，顺应层212被定位为围绕镶边204的内周边和/或围绕盖元件202的外围边缘(参见图3)。虽然以圆形形状图示，但是顺应层212可具有任何给定形状和/或尺寸，诸如方形或椭圆形。顺应层212在图2中被示为连续顺应层，但其他实施方案并不限于这种构型。在一些实施方案中，可在设备叠层200中使用多个分立的顺应层。除此之外，在一些实施方案中，顺应层212不包括开口214，并且顺应层212延伸跨越输入设备叠层200的至少一部分。例如，顺应层212可延伸跨越盖元件202的底表面、第一电路层206的底表面或盖元件202的底表面(例如围绕盖元件的外围边缘)和第一电路层206的底表面的一部分。
第二电路层218被定位在第一电路层206下方。柔性电路和电路板是可在第二电路层218中使用的电路层的示例。在一些实施方案中，第二电路层218可包括第一电路区部220和第二电路区部222。第一电路区部220和第二电路区部222可彼此电连接。
第一电路区部220可包括第一组被包括在力传感器中的一个或多个力传感器部件。在一些实施方案中，第一电路区部220可电连接到第一电路层206。例如，当第一电路层206包括生物识别传感器208时，生物识别传感器208可电连接到第二电路层218的第一电路区部220。
第二电路区部222可包括附加电路，诸如信号线、电路部件、集成电路等等。在一个实施方案中，第二电路区部222可包括板对板连接器224，用于将第二电路层218电连接到电子设备中的其他电路。例如，第二电路层218可利用板对板连接器224可操作地连接到处理设备。除此之外或另选地，第二电路层218可以可操作地连接到将从第一电路区部220中的一个或多个力传感器部件接收的信号(例如感测信号)传输给处理设备的电路。除此之外或另选地，第二电路层218可以可操作地连接到将信号(例如驱动信号、基准信号)提供给第一电路区部220中一个或多个力传感器部件的电路。
在一些实施方案中，第二电路层218的第一电路区部220可利用粘合剂层216附接到第一电路层206的底表面。在一个非限制性实施例中，可使用管芯粘结膜将第一电路区部220附接到第一电路层206的底表面。
第三电路层226被设置在第二电路层218的第一电路区部220下方。第三电路层226可包括第二组被包括在力传感器中的一个或多个力传感器部件。第三电路层226由支撑元件228支撑和/或附接到支撑元件228。在一个实施方案中，支撑元件228附接到镶边204以产生用于设备叠层200中其他部件的壳体。支撑元件228可利用任何合适的附接机制附接到镶边204。
第一电路区部220中的第一组一个或多个力传感器部件和第三电路层226中的第二组一个或多个力传感器部件一起形成力传感器。力传感器可使用任何合适的力感测技术。示例感测技术包括但不限于电容式、压电式、压阻式、超声和磁性。
在本文所述的实施方案中，力传感器为电容式力传感器。对于电容式力传感器，第一组一个或多个力传感器部件可包括第一组一个或多个电极230，第二组一个或多个力传感器部件包括第二组一个或多个电极232。虽然在图2A和图2B中以方形形状示出，但第一组和第二组一个或多个电极230、232中每个电极可具有任何给定形状(例如矩形、圆形)。除此之外，第一组230和第二组232中的一个或多个电极可以任何给定图案布置(例如一个或多个行和一个或多个列)。
图2A和图2B示出了第一组和第二组一个或多个电极230、232中的两个电极。然而，其他实施方案不限于这种构型。第一组和第二组一个或多个电极230、232均可为单个电极或多个分立电极。例如，如果第一组一个或多个电极是单个电极，则第二组一个或多个电极包括多个分立电极。在一些实施方案中，第二组一个或多个电极可以是单个电极，第一组包括多个分立电极。另选地，第一组和第二组一个或多个电极均可包括多个分立电极。
第一组一个或多个电极230中的每个电极在至少一个方向(例如垂直)与第二组一个或多个电极232中的相应电极对准，以产生一个或多个电容器。当力输入被施加到盖元件202(例如输入设备的输入表面)时，第一组230中的至少一个电极移动得更靠近第二组232中的相应电极，而这会改变一个或多个电容器的电容。从每个电容器感测的力信号表示该电容器的电容测量值。处理设备(未示出)被配置为接收一个或多个力信号，并将一个或多个力信号与被施加于盖元件202的力的量相关联。
在一些实施方案中，力传感器被配置为检测具有至少两个代表不同用户输入的力输入的一系列力输入。例如，第一力输入可选择图标，并且不同的第二力输入可关闭电子设备。除此之外或另选地，在另一个实施例中，第一力输入可产生以第一速度滚动的滚动操作，并且不同的第二力输入可产生以不同的第二速度(例如，更快)滚动的滚动操作。除此之外或另选地，在一些实施方案中，力传感器可替换输入设备中的其他部件。例如，力传感器可替换开关元件。
在其他实施方案中，诸如图2B所示的实施方案中，开关元件234可定位在支撑元件228下方。在施加于盖元件202的力输入超过给定的力的量(例如与缩短第一电路区部220和第三电路层226之间距离关联的力阈值；请参见图3)时，开关元件234注册用户输入。可使用任何适当的开关元件。例如，开关元件234可以是在被施加于盖元件202的力输入超过力阈值时塌缩的弹片开关。在塌缩时，弹片开关完成被处理设备检测且被识别为用户输入(例如选择图标、功能或应用)的电路。在一个实施方案中，弹片开关被布置成使得可塌缩弹片的顶点邻近支撑板228的底表面。在另一个实施方案中，可塌缩弹片的基部可邻近支撑板228的底表面。
图3示出了在输入设备被装配时图2B中所示的输入设备的横截面图。在一些实施方案中，镶边204定位在形成于电子设备的外壳中的孔(例如，图1中的外壳102中的孔1010)中。在例示的实施方案中，镶边204包括从镶边204向内延伸到输入设备叠层的搁架300。顺应层212定位在搁架300和盖元件202的外围边缘之间。顺应层212可由任何合适的一种或多种材料制成。例如，在一个实施方案中，顺应层212为硅层。
在另一个实施方案中，顺应层212可如图4所示形成。顺应材料400可定位在两个中间层402、404之间。外部层406、408可设置在每个中间层402、404上方。在一个非限制性实施方案中，顺应材料400可由硅形成，中间层402、404可由聚酰亚胺形成，并且外层406、408可由热活化膜形成。
图5示出了图3中所示的顺应层的另一个实施例的分解图。顺应材料500可定位在两个电路层502、504之间。第一组一个或多个力传感器部件506在第一电路层502中或上形成。相似地，第二组一个或多个力传感器部件508在第二电路层504中或上形成。在例示的实施方案中，第一组和第二组一个或多个力传感器部件均包括一个或多个电极。
外部层510、512可设置在每个电路层502、504上方。在一个非限制性实施方案中，顺应材料500可由硅形成，每个电路层502、504可由柔性电路形成，该柔性电路包括一组一个或多个电极(例如，230、232)，并且每个外部层510、512可由热活化膜形成。
电路层502、504允许顺应层212充当第二力传感器。第二力传感器可与由第二电路层218、第三电路层226形成的第一力传感器一起串联、并联或时间偏移地使用。例如，一个力传感器(例如，第二力传感器)最初可用于检测施加的力的量。随着所施加力的量的增加，该力传感器达到最大可检测力。此时，可使用另一力传感器(例如，第一力传感器)来检测所施加的力。另选地，在一些实施方案中，第一力传感器和第二力传感器两者可用于检测达到给定的力的量的力输入，然后可使用其中一个力传感器来检测大于给定的力的量的力输入。
第二电容式力传感器与第一电容式力传感器类似地操作。第一组一个或多个电极506中的每个电极在至少一个方向(例如垂直)与第二组一个或多个电极508中的相应电极对准，以产生一个或多个电容器514。如前所述，当用户对盖元件202施加力时，至少一个电容器514的电容会发生变化，因为至少一个电容器514中的电极会移动靠近。用户可利用装置诸如触笔或利用身体部位(例如，一根或多根手指)将力施加到盖元件202。由一个或多个电容器514产生的力信号表示一个或多个电容器514的一个或多个电容测量值。接收一个或多个力信号的处理设备被配置为将一个或多个力信号与被施加于盖元件202的力的量相关联。
返回图3，顺应层212可密封盖元件202的底表面与搁架300的顶表面之间的接口。在一些实施方案中，顺应层212可充当环境密封件，该环境密封件可防止诸如水、化学品和污垢的污染物进入输入设备叠层和/或电子设备。
第一电路层206(具有生物识别传感器208)定位在盖元件202之下，并且第二电路层218定位在第一电路层206下方。第三电路层226设置在第二电路层218下方和支撑元件228上方。在例示的实施方案中，支撑元件228使用紧固件302附接到镶边204。可使用任何合适类型的紧固件，诸如螺钉、焊料和粘合剂。
在例示的实施方案中，间隙304被限定在第二电路层218和第三电路层226之间。间隙304至少部分地由支撑元件228中的向下步骤305形成。如前所述，当力传感器为电容式力传感器时，第一组和第二组一个或多个电极中的一个或多个电极形成电容器。间隙304将第一组和第二组中的电极分开，并且包括用于一个或多个电容器的绝缘材料。可使用任何合适的绝缘材料。例如，绝缘材料可包括但不限于空气、顺应凝胶、顺应材料和/或设置在第二电路层218和第三电路层226之间的一个或多个顺应元件。
在例示的实施方案中，盖元件202和镶边204固定就位，并且在将力施加到盖元件202时不会移动。当将力输入施加到盖元件202时，间隙304允许第二电路层218的第一电路区部220相对于第三电路层226弯曲或偏转。该偏转随着第一电路区部220和第三电路层226中的一个或多个电极形成的一个或多个电容器的电容而变化。
在一些实施方案中，附加电路和/或部件可附接并电连接到第二电路层218。例如，第二集成电路306可附接并电连接到第二电路层218。在一些实施方案中，一些附加电路可使用保护性材料和/或绝缘材料308封装。保护性材料和/或绝缘材料308可过滤来自第二电路层218中或上的信号和电路的噪声。在例示的实施方案中，保护性材料和/或绝缘材料308延伸到在支撑元件228中形成的开口236中(参见图2A-图2B)。
如前面论述的，开关元件234可以设置在支撑元件228的下方。开关元件234被描绘成图3中的弹片开关。如图所示，弹片开关被布置成使得可塌缩弹片的基部邻近(例如附接)支撑板228的底表面。在其他实施方案中，可塌缩弹片的顶点可邻近或接触支撑板228的底表面。
图6示出了图3所示的输入设备的顶视图的一个实施例。为了清楚起见，省略盖元件202。在该示例实施方案中，顺应层212形成为顺应材料的连续环，该连续环定位在镶边204周围(例如，在图3中的镶边204的搁架300上方)。如前所述，顺应层212可充当环境密封件，该环境密封件可防止诸如水、化学品和污垢的污染物进入输入设备叠层和/或电子设备。在此类实施方案中，第一电路层206的拐角600(和/或生物识别传感器208)可设置凹口以确保顺应层212满足环境密封件的所有标准，诸如宽度要求。
粘合剂层210用于将第一电路层206附接到盖元件的底表面。除此之外，在一些实施方案中，第二电路层218延伸超过镶边204并且折叠自身以提供电路层。例如，在一些实施方案中，第三电路层226可以是折叠并定位在支撑元件228上方的第二电路层218的一部分。
图7示出了图3中所示的输入设备的顶视图的另一个实施例。同样，为了清楚起见，省略了盖元件202。在该示例实施方案中，顺应层212形成为分立的顺应层700、702、704、706，这些分立的顺应层被定位在围绕镶边204的不同位置(例如，在图3所示的搁架300上方)。在此类实施方案中，第一电路层206的边缘和拐角不必被修改或进行凹口处理。除此之外或另选地，在一些实施方案中，当将分立的顺应层包括在输入设备中时，生物识别传感器的尺寸或大小可更大。尽管图7中仅示出了四个分立的顺应层，但其他实施方案可包括任意数量的分立顺应层。
环境密封件可使用填充分立的顺应层700、702、704、706周围的以及盖元件202和镶边204之间的间隙708的材料形成。在一个实施方案中，材料是水和耐化学性材料，并且相对于分立的顺应层700、702、704、706是顺应的。环境密封件可防止诸如液体、污垢和灰尘的污染物进入输入设备叠层和/或电子设备。在一个非限制性实施例中，凝胶可用于形成环境密封件。
图8示出了适合用于图1中所示的电子设备的第二输入设备的分解图。输入设备叠层800在图8中被倒转，其中盖元件802示出在图的底部。如前所述，一个或多个附加层804可定位在盖元件802下方。一个或多个附加层可包括但不限于油墨层和/或粘合剂层。
第一电路层806可定位在盖元件802下方(或一个或多个附加层804下方，当第一电路层806包括在输入设备叠层800中时)。第一电路层806可以是任何合适的电路层，诸如电路板或柔性电路。在一个实施方案中，第一电路层806包括在第一电路层806中或上形成且可操作地连接到第一电路层806的生物识别传感器808。在一个非限制性实施例中，生物识别传感器808是指纹传感器。
在一些实施方案中，第一电路层806和生物识别传感器808可模制到塑料模具或外壳809中。塑料外壳809可用作针对第一电路层806和生物识别传感器808的环境密封件。
支撑层810可被设置在第一电路层806下方。支撑层810可包括电连接到第二电路层818的电路812、814、816。第二电路层818可以是柔性电路或电路板。在例示的实施方案中，第二电路层818是柔性电路，该柔性电路包括延伸到镶边824中的开口822中的第二电路层尾部820。
在一些实施方案中，电路812、814和/或816可电连接到第一电路层806上的触点826、828。在一些实施方案中，电路812的至少一部分可延伸到镶边824中的开口830中。电路812、814和/或816可封装有绝缘材料和/或保护性材料(未示出)。
顺应层832被定位在支撑层810下方。在例示的实施方案中，顺应层832包括开口833，该开口允许顺应层832驻留在镶边824的内周边和/或盖元件802的外围边缘周围。虽然以圆形形状图示，但是顺应层832可具有任何给定形状和/或尺寸，诸如方形或椭圆形。如前所述，顺应层832可包括设备叠层800中的多个分立的顺应层。除此之外或另选地，顺应层832可以不包括开口833，使得顺应层832延伸跨越输入设备叠层800的至少一部分。例如，顺应层832可延伸跨越盖元件802的底表面、第一电路层806的底表面或盖元件802的底表面(例如围绕盖元件的外围边缘)和第一电路层806的底表面的一部分。
顺应层832可由任何合适的材料或材料的组合制成。例如，在一个实施方案中，顺应层832可由硅形成。在其他实施方案中，顺应层832可如图4或图5中所示构造。当顺应层832如图5中所示构造时，顺应层832可充当额外的力传感器。
第三电路层834可设置在支撑层810下方。第三电路层834可以是任何合适的电路层，诸如电路板或柔性电路。在例示的实施方案中，第三电路层834是柔性电路，该柔性电路包括延伸到镶边824中的开口822中的电路层尾部836。
镶边824形成容器或夹持器，其中镶边824包括由镶边824的底表面和侧面限定的腔体。当构造时，盖元件802、可选的一个或多个附加层804、第一电路层806、支撑层810、第二电路层818、顺应层832和第三电路层834全部驻留在镶边824的腔体内。镶边824的底表面充当针对第三电路层834的支撑元件。
在一个实施方案中，第二电路层818和第三电路层834均包括被包括在力传感器中的一组一个或多个力传感器部件。力传感器可使用任何合适的感测技术。例如，利用电容式力传感器，第二电路层818和第三电路层834均包括用于感测电容变化的一个或多个电极(未示出)。一个或多个电极可被配置为结合图2A-图2B所示和所描述。处理设备(未示出)接收表示由电极形成的针对一个或多个电容器的电容值的力信号。处理设备(未示出)接收来自一个或多个电容器的力信号，并且将力信号与施加到盖元件802的力的量相关联。
图9示出了在输入设备被装配时图8中所示的第二输入设备的横截面图。在例示的实施方案中，镶边824定位在形成于电子设备的外壳902中的孔900(例如，图1中的外壳102)中。设置在镶边件824内的是盖元件802和输入设备叠层800的各种层(例如，可选的一个或多个附加层804、第一电路层806、支撑层810、第二电路层818、第三电路层834和顺应层832)。第二电路层尾部820与第三电路层尾部836通过开口822延伸出镶边824。第二电路层尾部820和第三电路层尾部836可以可操作地连接到其他电路，诸如处理设备和/或信号发生器。
如前所述，第二电路层818和第三电路层834可包括在力传感器中。第二电路层818和第三电路层834可均包括被包括在力传感器中的一组一个或多个力传感器部件。例如，利用电容式力传感器，第二电路层818和第三电路层834可均包括一组一个或多个电极(未示出)。一个或多个电极可被配置为结合图2A-图2B所示和所描述。
如前所述，第二电路层尾部820和第三电路层尾部836可以可操作地连接到一个或多个处理设备(未示出)。从力传感器(例如，由电极形成的一个或多个电容器)接收的力信号可使用一个电路层尾部(例如，第二电路层尾部820)传输至处理设备。除此之外，可使用其他电路层尾部(例如，第三电路层尾部836)将驱动信号或基准信号传输至力传感器(例如，由电极形成的一个或多个电容器)。
间隙912被限定在第二电路层818和第三电路层834之间。如前所述，当力传感器为电容式力传感器时，间隙912包括用于电容器的绝缘材料，该电容器由第二电路层818和第三电路层834中的多组一个或多个电极形成。当将力输入施加到盖元件802时，间隙912允许第二电路层818相对于第三电路层834移动、弯曲或偏转。该偏转随着第二电路层818和第三电路层834中的一个或多个电极形成的一个或多个电容器的电容而变化。
在例示的实施方案中，第二电路层818通过键合线904电连接到第一电路层806。键合线904可被保护性材料和/或绝缘材料906覆盖或封装。
在一些实施方案中，密封件908可设置在镶边824和外壳902之间。在一个实施方案中，密封件是定位在沿镶边824的外表面形成的压痕910内的O型环。密封件908可充当环境密封件，环境密封件可防止诸如液体、污垢和灰尘的污染物进入输入设备叠层和/或电子设备。
图10示出了适合用于图1中所示的电子设备的第三输入设备的分解图。与图8所示的实施方案类似，输入设备叠层1000被倒转示出，并在该图的底部示出盖元件1002。在一些实施方案中，一个或多个附加层1004可定位在盖元件1002下方。一个或多个附加层可包括但不限于油墨层和/或粘合剂层。
第一电路层1006可定位在盖元件1002下方(或一个或多个附加层1004下方，当第一电路层1006包括在输入设备叠层1000中时)。第一电路层1006可以是任何合适的电路层，诸如电路板或柔性电路。在一个实施方案中，第一电路层1006包括在第一电路层1006中或上形成且可操作地连接到第一电路层1006的生物识别传感器1008。在一个非限制性实施例中，生物识别传感器1008是指纹传感器。
类似于图8中所示的实施方案，第一电路层1006和生物识别传感器1008可模制到塑料模具或外壳1009中。塑料外壳1009可用作针对第一电路层1006和生物识别传感器1008的环境密封件。
支撑层1010可被设置在第一电路层1006下方。支撑层1010可包括电连接到第二电路层1018的电路1012、1014、1016。第二电路层1018可以是柔性电路或电路板。在一些实施方案中，电路1012、1014和/或1016可电连接到第一电路层1006上的一个或两个触点1020和/或1022。在一些实施方案中，电路1012、1014和/或1016的至少一部分可延伸到镶边1026中的开口1024中。
顺应层1028被设置在支撑层1010下方。在例示的实施方案中，顺应层1028包括开口1030，该开口允许顺应层1028驻留在镶边件1026的内周边和/或盖元件1002的外围边缘周围。虽然以圆形形状图示，但是顺应层1028可具有任何给定形状和/或尺寸，诸如方形或椭圆形。如前所述，在一些实施方案中，顺应层1028可被配置为设备叠层1000中的多个分立的顺应层。除此之外或另选地，顺应层1018可以不包括开口1024，使得顺应层1028延伸跨越输入设备叠层1000的至少一部分。例如，顺应层1028可延伸跨越盖元件1002的底表面、第一电路层1006的底表面或盖元件1002的底表面(例如围绕盖元件的外围边缘)和第一电路层1006的底表面的一部分。
顺应层1028可由任何合适的材料或材料的组合制成。例如，在例示的实施方案中，顺应层1028充当力传感器并且按图5所示构造。顺应层1028包括延伸出开口1024的顺应层尾部1032(参见图11)。结合图11更详细地描述了顺应层尾部1032。
当构造时，盖元件1002和输入设备叠层1000的各种层(例如，可选的一个或多个附加层1004、第一电路层1006、支撑层1010和顺应层1028)全部驻留在镶边1026内。图11示出了在输入设备被装配时图10中所示的第三输入设备的横截面图。在例示的实施方案中，镶边1026定位在形成于电子设备的外壳1102中的孔1100(例如，图1中的外壳102)中。设置在镶边1026内的是盖元件1002、第一电路层1006、生物识别传感器1008、支撑层1010、第二电路层1018和顺应层1028。顺应层尾部1032通过开口1024延伸出镶边1026。
在例示的实施方案中，顺应层1028如图5所示构造并且充当电容式力传感器。顺应层尾部1032包括第一柔性电路1104和第二柔性电路1106。第一柔性电路1104和第二柔性电路1106均包括位于顺应层1028的至少一部分中的一个或多个电极，其中顺应层设置在镶边层1026的内周边周围。例如，在一个实施方案中，一个或多个电极可被配置为结合图5所示和所描述。
柔性电路1104、1106可操作地连接到处理设备(未示出)。处理设备被适配为使得基准信号或驱动信号由柔性电路(例如，1104)中的一者传输至该柔性电路中的一个或多个电极。另一个柔性电路(例如，1106)接收来自由电极形成的一个或多个电容器的力信号，并且将力信号传输至处理设备(未示出)。处理设备被适配为将力信号与施加在盖元件1002上的力的量相关联。
在一些实施方案中，密封件1108可设置在镶边1026和外壳1102之间。在一个实施方案中，密封件是定位在沿镶边1026的外表面形成的压痕1110内的O型环。密封件1108可充当环境密封件，环境密封件可防止诸如液体、污垢和灰尘的污染物进入输入设备叠层和/或电子设备。
应当注意，图2和图3、图8和图9以及图10和图11中所示的实施方案仅为示例性的。在其他实施例中，输入设备可包括比图中所描述或所示的那些部件更少或更多的部件。例如，在一些实施方案中，第一电路层206、806、1006和生物识别传感器208、808和1008可被省略。除此之外或另选地，开关元件234可在图2B和图3中所示的实施方案中省略，或者开关元件234可包括在图8和图9和/或图10和图11所示的实施方案中。
尽管输入设备106在图1中作为圆形输入设备示出，但其他实施方案不限于这种构型。输入设备可具有任何给定形状和/或尺寸。类似地，图2-图11所示部件的形状和/或尺寸仅用于例示。每个部件可具有任何给定形状和/或尺寸。
图12示出了可在一个或多个输入设备中包括力传感器的电子设备的一个实施例的框图。电子设备1200可包括一个或多个处理设备1202、存储器1204、一个或多个输入/输出设备1206、电源1208、一个或多个传感器1210、网络/通信接口1212、显示器1214和一个或多个输入设备1216(包括至少一个力传感器1218)。下面更详细地论述这些部件中的每一个。
一个或多个处理器1202可控制电子设备1200的一些或全部操作。一个或多个处理设备1202可直接或间接地与设备的基本上所有部件进行通信。例如，一个或多个系统总线1220或其他通信机构可提供一个或多个处理设备1202、存储器1204、一个或多个输入/输出设备1206、电源1208、一个或多个传感器1210、网络/通信接口1212、显示器1214、输入设备1216和/或一个或多个力传感器1218之间的通信。一个或多个处理设备1202可以实现为能够处理、接收或传输数据或指令的任何电子设备。除此之外，处理设备1202可被配置为接收来自力传感器1218的力信号并将力信号与力的量相关联。例如，一个或多个处理设备1202可以是微处理器、中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)或多个此类设备的组合。如本文所述，术语“处理设备”意在涵盖单个处理器或处理单元、多个处理器、多个处理单元或其他适当配置的一个或多个计算元件。
存储器1204可存储可由电子设备1200使用的电子数据。例如，存储器1204可存储电子数据或内容，诸如音频文件、文档文件、定时和控制信号以及图像数据。存储器1204可被配置为任何类型的存储器。仅以示例的方式，存储器1204可以实现为任何组合形式的随机存取存储器、只读存储器、闪存存储器、可移除存储器或其他类型的存储元件。
一个或多个输入/输出设备1206可将数据传输到用户或另一个电子设备或从用户或另一个电子设备接收数据。示例输入/输出设备1206包括但不限于触摸感测输入设备(诸如触摸屏或触控板)、麦克风、振动或触觉设备和/或扬声器。
电源1208可利用能够向电子设备1200提供能量的任何设备来实现。例如，电源1208可以是一个或多个电池或可再充电电池，或将电子设备连接至另一电源(诸如壁式电源插座)的连接缆线。
电子设备1200还可包括基本上被定位在电子设备1200之上或之中的任何位置处的一个或多个传感器1210。一个或多个传感器1210可被配置为基本上感测任何类型的特性，诸如但不限于图像、气压、光、接触、温度、热、移动、相对运动、生物识别数据等。例如，一个或多个传感器1210可以是图像传感器、温度传感器、光或光学传感器、加速度计、陀螺仪、磁体、气压计、健康监测传感器等。
网络通信接口1212可促进向或从其他电子设备进行数据传输。例如，网络通信接口可经由无线网络和/或有线网络连接来传输电子信号。例如，在一个实施方案中，将通信信号传输到发射器设备和/或接收器设备以允许发射器和接收器设备彼此通信。无线和有线网络连接的示例包括但不限于蜂窝网络、Wi-Fi、蓝牙、红外(IR)、以太网和近场通信(NFC)。
显示器1214可向用户提供视觉输出。显示器1214可利用任何合适的技术来实现，显示器包括但不限于使用液晶显示器(LCD)元件、发光二极管(LED)元件、有机发光显示器(OLED)元件、有机电致发光(OEL)元件，或另一类型的显示器元件的多点触摸感测触摸屏。在一些实施方案中，显示器1214可充当允许用户与电子设备1200进行交互的输入设备。例如，显示器可以是多点触摸触摸屏显示器。
电子设备1200还包括一个或多个输入设备1216。每个输入设备1216可包括力传感器1218，该力传感器被配置为图2和图3、图8和图9或者图10和图11中所示的力传感器的一者。如前所述，处理设备1202可处理从一个或多个力传感器1218接收的力信号并将力信号与力的量相关联。
应当注意，图11仅为示例性的。在其他实施例中，电子设备可包括比图11中所示的那些部件更少或更多的部件。除此之外或另选地，电子设备可包括在系统中，并且图11中所示的一个或多个部件与电子设备分开但与电子设备进行通信。例如，电子设备可操作性地与单独的显示器连接或通信。作为另一个实施例，可在与电子设备分开的存储器中存储一个或多个应用或数据。作为另一个实施例，与电子设备通信的处理设备可控制电子设备中的各种功能和/或处理从电子设备接收的数据。在一些实施方案中，独立的存储器和/或处理设备可位于基于云的系统中或在相关联的电子设备中。
在上述描述中，为了解释的目的，所使用的特定命名提供对所述实施方案的彻底理解。然而，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，实践所述实施方案不需要这些具体细节。因此，出于举例说明和描述的目的，呈现了对本文所述的具体实施方案的前述描述。它们并非旨在是穷举性的或将实施方案限制到所公开的精确形式。对于本领域的普通技术人员而言将显而易见的是，根据上述教导内容，许多修改和变型是可能的。

Claims (18)

1.一种电子设备，包括：
外壳；
覆盖层，所述覆盖层附接到所述外壳并且形成所述电子设备的前表面的至少一部分；
显示器，所述显示器至少部分地被所述外壳围绕并且被设置在所述覆盖层下方；
输入设备，所述输入设备包括由所述显示器显示的图像；
一个或多个力传感器的组，所述一个或多个力传感器围绕所述覆盖层中的开口的外围边缘定位并且被配置为检测施加到所述输入设备的力输入；以及
指纹传感器，所述指纹传感器被定位在包括所述覆盖层和所述显示器的部件的叠层中，并且至少部分地在所述开口中，所述指纹传感器被配置为当手指在所述输入设备上方按压所述覆盖层时捕获指纹。
2.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述一个或多个力传感器的组包括一个或多个电容式力传感器的组。
3.根据权利要求2所述的电子设备，其中所述指纹传感器包括电容式指纹传感器。
4.根据权利要求1所述的电子设备，还包括：
设备叠层；其中：
所述一个或多个力传感器的组包括所述设备叠层中的至少一个力传感器；以及
所述设备叠层包括所述显示器。
5.根据权利要求1所述的电子设备，还包括：
柔性电路；以及
连接器，所述连接器电连接到所述柔性电路；其中：
所述指纹传感器电连接到所述柔性电路，并且经由所述柔性电路电连接到所述连接器。
6.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述显示器包括液晶显示器(LCD)元件。
7.一种电子设备，包括：
外壳；
显示器，所述显示器至少部分地被所述外壳围绕并且被配置为检测触摸输入；
覆盖层，所述覆盖层定位在所述显示器上方并且被配置为接收在所述显示器上方施加到所述电子设备的触摸输入和力输入；
输入设备，包括：
由所述显示器显示的图像；
设置在所述显示器下方的一个或多个力传感器的组；以及
指纹传感器，所述指纹传感器被定位在所述显示器下方并且在所述一个或多个力传感器的组上方，并且被配置为当手指在所述指纹传感器上方按压所述覆盖层时捕获指纹。
8.根据权利要求7所述的电子设备，还包括：
设备叠层；其中：
所述一个或多个力传感器的组包括所述设备叠层中的至少一个力传感器；以及
所述设备叠层包括所述显示器。
9.根据权利要求7所述的电子设备，还包括：
支撑元件；其中：
所述一个或多个力传感器的组中的至少一个力传感器被定位在所述指纹传感器与所述支撑元件之间。
10.根据权利要求7所述的电子设备，其中所述指纹传感器包括电容式指纹传感器。
11.根据权利要求7所述的电子设备，还包括：
具有中心开口的顺应层；其中：
所述指纹传感器被定位在所述中心开口中。
12.根据权利要求7所述的电子设备，还包括：
柔性电路；以及
连接器，所述连接器电连接到所述柔性电路；其中：
所述指纹传感器电连接到所述柔性电路，并且经由所述柔性电路电连接到所述连接器。
13.一种电子设备，包括：
外壳；
设备叠层，包括：
显示器，所述显示器至少部分地被所述外壳围绕并且被配置为检测触摸输入；以及
一个或多个力传感器的组；
输入设备，包括：
由所述显示器显示的图像；以及
生物识别传感器；
覆盖层，所述覆盖层被设置在所述显示器和所述生物识别传感器上方；其中：
所述一个或多个力传感器的组中的至少一个力传感器被设置在所述生物识别传感器下方，其中所述至少一个力传感器被配置为测量施加到所述输入设备的力的量；以及
所述生物识别传感器被配置为捕获与触摸所显示的图像的电子设备的用户相关联的生物识别数据。
14.根据权利要求13所述的电子设备，其中所述至少一个力传感器形成所述输入设备的一部分。
15.根据权利要求13所述的电子设备，其中所述生物识别传感器被设置在所述设备叠层中。
16.根据权利要求13所述的电子设备，其中所述生物识别传感器包括指纹传感器。
17.根据权利要求16所述的电子设备，其中所述指纹传感器被配置为当手指在所述输入设备上方按压所述覆盖层时捕获指纹。
18.根据权利要求13所述的电子设备，其中所述一个或多个力传感器的组包括围绕所述输入设备的中心定位的多个力传感器。
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