CN115808259A - 电容压力传感器 - Google Patents

Abstract

提供了一种使用互电容型的电容压力传感器(1)。所述电容压力传感器(1)包括介电层(2)、接地电极(3)、发送电极(4)、接收电极(5)和控制器(6)。所述发送电极和接收电极具有矩阵结构(图3)。通过所述控制器在所述发射电极和接收电极之间产生电场。当所述介电层因施加于所述接地电极的压力而变形时，所述介电层的电容发生变化。所述控制器检测电容变化的单元检测区域(10)和对应于电容变化的压力。

Description

电容压力传感器

技术领域

本公开涉及一种互电容型电容压力传感器，当介电层受压变形时，该传感器能够通过检测设置在介电层中的发送电极和接收电极之间的电容变化来检测平面中的位置和相应位置处的压力；并且，更特别地，涉及一种具有令人满意的可操作性和令人满意的操作表面外观的电容压力传感器。

背景技术

日本专利公开第No.2015-7562号公开了互电容型电容传感器的发明。该发明的电容传感器包括介电层30、设置在介电层30前侧的前侧电极部32X、以及布置在介电层30背侧的背侧电极部33Y。前侧电极部32X设置在前侧基材32的底表面上，前侧基材32待安装在介电层30的前侧上，背侧电极部33Y设置在背侧基材38的上表面上，背侧基材38待安装在介电层30的背侧上。另外，控制器20用于检测被施加了电压的前侧电极部32X与背侧电极部33Y之间的电容，并且用于通过介电层30受压变形时电容的变化测量压力。

发明内容

在日本专利公开第2015-7562号中公开的传统的互电容型电容传感器中，作为操作表面侧的电极的前侧电极部32X配置在前侧基材32的底表面上。换言之，前侧基材32夹在操作表面与将由于操作而变形的介电层30之间。因此，即使用户按压操作表面，由于前侧基材32的存在，介电层30也不太可能变形，使得难以进行精密的压力检测。

这种电容传感器可以具有在操作表面上显示图标(icon)以提高可操作性的结构。然而，在日本专利公开第2015-7562号中公开的电容传感器中，具有介电层30介于前侧电极部分32X和背侧电极部分33Y之间的结构，因此当光源设置在电容传感器的下方并且向上发射光以在操作表面上显示夹在层结构之间的图标的显示层时，至少最靠近操作者的操作表面正下方的前侧电极部32X容易被识别，这导致显示受阻或显示质量下降的问题。

本发明是为了解决上述常规技术的问题而完成的，其目的在于提供一种操作性令人满意且操作表面的外观令人满意的互电容型电容压力传感器。

根据本公开的第一方面的电容压力传感器是互电容型。它包括：介电层；接地电极，其设置在所述介电层的第一表面上以接收任意位置的压力；多个发送电极，其设置在所述介电层的第二表面上，且以预定间隔平行于第一方向排列；多个接收电极，其设置在所述介电层的所述第二表面上，并且以预定间隔平行于第二方向布置，所述第二方向与所述第一方向相交，所述发送电极和所述接收电极彼此相交同时彼此绝缘；和控制器，其被配置为通过驱动所述发送电极在所述发送电极和所述接收电极之间产生电场，并检测当所述介电层由于施加到所述接地电极任意位置的压力而变形时所述介电层的电容的测量值。

根据本公开第二方面的电容压力传感器，其特征在于，在根据第一方面的电容压力传感器中，所述发送电极和所述接收电极具有透光性。

根据本公开第三方面的电容压力传感器，其特征在于，在根据第一方面的电容压力传感器中，所述接地电极均匀且无间隙地形成在所述介电层的所述第一表面上。

根据本公开第四方面的电容压力传感器，其特征在于，在根据第一方面的电容压力传感器中，所述发送电极和所述接收电极分别设置在电极基板的前表面和背表面上，所述电极基板设置在所述介电层的所述第二表面上。

根据本公开第五方面的电容压力传感器，其特征在于，在根据第一方面的电容压力传感器中，所述发送电极和所述接收电极层叠在电极基板的表面上，所述电极基板设置在所述介电层的所述第二表面上，所述发送电极和所述接收电极之间插设绝缘层。

在根据本公开的第一方面的电容压力传感器中，当控制器驱动发送电极时，在发送电极和接收电极之间产生电场。当对接地电极施加压力时，介电层会因压力而变形；发射电极和接收电极之间产生的电场会变化；在与介电层的变形部分对应的位置处，发送电极和接收电极之间的电容发生变化。控制器可以检测电容变化被检测到的位置和在相应位置处与电容变化相对应的压力值。

在这种互电容型电容压力传感器中，发送电极和接收电极集成在介电层的第二表面上。因此，与在介电层的两侧形成电极的情况相比，能够将设置有发送电极和接收电极的基板的数量从两个减少到一个，制造工序变得相对简单。此外，两个电极的对齐相对容易。此外，作为操作表面的传感器表面形成为接地电极，并且接地电极直接设置在介电层的表面上，使得介电层容易在操作接地电极的情况下因压力而变形，并且可以提高检测压力和位置的可靠性和可操作性。

在根据第二方面的电容压力传感器中，当光从传感器的与作为操作表面的接地电极相对的背表面侧照射时，光穿过发送电极和接收电极，并且只要介电层和接地电极由透光材料制成，就可以从传感器表面视觉识别所述光。由于作为操作表面的传感器表面发光，因此能够容易地识别电容压力传感器的位置及其操作表面，提高了操作性。如果显示图案层设置在接地电极下方的层结构的任意位置，则可以在作为操作表面的传感器表面上显示期望的图案。

在根据第三方面的电容压力传感器中，形成作为操作表面的传感器表面的接地电极形成为在介电层的第一表面上具有均匀图案且没有间隙的膜，例如平面薄膜。因此，当按压接地电极时，无论按压位置如何，介电层相对于按压力的变形程度都变得均匀，并且可以进一步提高压力检测和位置检测的可靠性和可操作性。

在根据第四方面的电容压力传感器中，发送电极和接收电极分别设置在一个电极基板的前表面和背表面上，并且电极基板设置在介电层的第二表面上。因此，不需要使发送电极和接收电极绝缘的绝缘结构。因此，与发送电极和接收电极设置在电极基板的一个表面上并且在发送电极和接收电极之间绝缘结构设置的情况相比，可以降低制造成本。

在根据第五方面的电容压力传感器中，发送电极、绝缘层和接收电极层叠在电极基板的一个表面上，该电极基板设置在介电层的第二表面上。因此，可以使用薄膜形成技术高精度地定位发送电极和接收电极。

附图说明

本公开的目的和特征将从以下结合附图给出的实施例描述中变得显而易见，其中：

图1A和图1B示意性地示出了根据一实施例的互电容型电容压力传感器中的电容变化的检测原理；

图2是示出了根据该实施例的电容压力传感器的结构的分解透视图；

图3是示出了根据该实施例的电容压力传感器的电极图案的俯视图；

图4是示出了根据该实施例的电容压力传感器的电极图案形成的操作区域中能够识别位置的单元检测区域的俯视图；

图5示意性地示出了在根据该实施例的互电容型电容压力传感器中具有图标片(icon sheet)的修改；和

图6示意性地示出了在根据该实施例的互电容型电容压力传感器中具有由聚氨酯膜制成的片材的修改。

具体实施方式

将参照图1至图4描述根据本公开实施例的互电容型电容压力传感器1。

首先，将参照1A和1B说明互电容型电容压力传感器1的基本结构以及位置和压力的检测原理。

如图1A所示，电容压力传感器1具有介电层2、设置在作为介电层2的第一表面的上表面上的接地电极3、设置在作为介电层2的第二表面的底表面上同时彼此绝缘的发送电极4和接收电极5，以及控制器6(图1A中未示出，参见图2)，控制器6被配置为驱动发送电极4并响应于来自接收电极5的信号来检测发送电极4和接收电极5之间的电容的测量值。

当控制器6通过方波驱动发送电极4时，在发送电极4和接收电极5之间产生如图1A的虚线所示的电力线，并产生电场。电力线不能通过接地电极3，且电场仅在介电层2中产生。在图1A和1B中，电力线被接地电极3阻挡的位置用“×”表示。

如图1B所示，当传感器的用户例如用手指F向接地电极3施加压力时，介电层2由于压力而变形并且厚度减小。因此，接地电极3与发送电极4/接收电极5之间的距离减小，被接地电极3阻挡的电力线的量增加。因此，介电层2中的电场变弱，发送电极4与接收电极5之间的电容减小。控制器6根据与电容变化对应的检测信号的变化来检测对应位置的压力。

图1A和1B以简化的方式示意性地示出了电容压力传感器1的一部分结构。因此，仅示出了一对发送电极4和接收电极5，并且仅在接地电极3上发送电极4和接收电极5之间的中间位置的正上方的一个位置处可以检测到被按压位置。然而，如稍后将参考的图2至图4描述的那样，如果多对如图1A和1B所示的发送电极4和接收电极5设置在接地电极3的范围内，在与接地电极3被按压的位置对应的位置处发射电极4和接收电极5之间的电容改变，而另一个发射电极和另一个接收电极5之间的电容没有改变，这使得控制器6能够检测到接地电极3被按压的位置。

接下来，将参照图2至图4描述互电容型电容压力传感器1的具体结构。

如图2的分解透视图所示，电容压力传感器1包括介电层2。尽管介电层2可以由橡胶等弹性材料或海绵等泡沫材料制成，但优选使用泡沫材料而不是橡胶，因为有利于检测介电层2在受压容易变形时的位置和压力。此外，在本实施例中，介电层2的材料，例如海绵等，具有所希望的透光性。

接地电极3设置在介电层2的第一表面，即上表面上。接地电极3可以是柔性或弹性的导电的均匀片状构件，例如导电织物。在本实施例中，接地电极3具有所希望的透光性。

在介电层2的第二表面，即底表面，附接有与介电层2大致相同外形的刚性绝缘电极基板7。发送电极4设置在电极基板的底表面上，并且接收电极5设置在电极基板7的上表面上。发送电极4和接收电极5由具有透光结构(如网状)或者具有透光性的导电材料制成，或者由具有透光结构的透光导电材料制成。设置在电极基板7的底表面上的发送电极4被绝缘膜(未示出)覆盖。在本实施例中，电极基板7、发送电极4和接收电极5具有所期望的透光性。

此外，控制器6连接到发送电极4和接收电极5。控制器6驱动发送电极4并响应于来自接收电极5的信号来检测发送电极4和接收电极5之间的电容的测量值。

在上述配置中，电容压力传感器1的接地电极3侧用作传感器表面，作为用户用手指等施加压力的操作区域。将电容压力传感器1的传感器表面侧称为“传感器前表面侧”，将电极基板7的接收电极5侧称为“传感器背表面侧”。

图3是表示发送电极4和接收电极5的电极图案的一个示例的俯视图。

在图3中，发送电极4以浅灰色示出。发送电极4包括具有正方形(或菱形)的第一单元电极4a和具有与所述正方形的一半相同的三角形的第二单元电极4b。在如图3所示，将电极图案在水平方向(称为“第一方向”)上排列成行，并且在竖直方向(称为“第二方向”)上排列成列的情况下，第一单元电极4a和第二单元电极4b规则地排列成3行×5列的排列，第二单元电极4b位于三行中每一行的两端。每行中的五个第一单元电极4a和第二单元电极4b通过在图4中的水平方向上延伸的三条线4c电连接，并且连接到控制器6。第一单元电极4a和第二单元电极4b的数量仅为示例，并且第一单元电极4a和第二单元电极4b可以具有其他形状。

在图3中，接收电极5以深灰色示出。接收电极5包括具有正方形(或菱形)的第一单元电极5a和具有与所述正方形的一半相同的三角形的第二单元电极5b。在与发送电极4的情况类似地，将电极图案排列成行和列的情况下，接收电极5的第一单元电极5a和第二单元电极5b规则地排列成4行×4列的排列，并且第二单元电极5b位于四行中每一列的两端。每列中的四个第一单元电极5a和第二单元电极5b通过在图3中的竖直方向上延伸的四个线5c电连接。第一单元电极5a和第二单元电极5b的数量仅是示例，并且第一单元电极5a和第二单元电极5b可以具有其他形状。尽管发送电极4和接收电极5具有相同的电极图案，但它们也可以具有不同的电极图案。

如上所述，发送电极4的电极图案具有在图3的水平行方向(第一方向)上排列的电极通过线4c连接的结构，并且接收电极5的电极图案具有在图3的竖直列方向(第二方向)上排列的电极通过线5c连接的结构。多行发送电极4和多列接收电极5相互交叉形成矩阵。

图4是单元检测区域10的平面图，该单元检测区域10是能够识别具有上述发送电极4和接收电极5的矩阵结构的传感器表面(操作区域)上的位置的最小单元。为了便于说明，单元检测区域10是由虚线限定的正方形区域。上述图1A和1B示意性地示出了一个单元检测区域10中的发送电极4和接收电极5的结构。在与发送电极4和接收电极5的情况类似地，将图4所示的多个单元检测区域10布置成行和列的情况下，单元检测区域10被布置成6行和8列，并且单元检测区域10的总数为48个。在每个单元检测区域10中，发送电极4和接收电极5对置且两者之间具有间隙S。间隙S被设定为具有预定宽度和预定长度。在每个单元检测区域10中，发送电极4和接收电极5之间的电容由间隙S的宽度和长度、介电层2的材料以及发送电极4/接收电极5和接地电极3之间的距离确定。

接下来，将描述电容压力传感器1的操作和效果。

当控制器6通过方波驱动发送电极4时，如上文参照图1A所描述的，在发送电极4和接收电极5之间产生电力线，并在介电层2中产生电场。由于电力线被接地电极3阻挡，电场仅在介电层2中产生。此时，当传感器的用户用手指对接地电极3施加压力时，介电层2因压力而变形，且厚度减小。因此，接地电极3与发送电极4/接收电极5之间的距离变短，被接地电极3阻挡的电力线的量增加。相应地，介电层2中的电场变弱，发送电极4与接收电极5之间的电容减小。控制器6根据与电容变化对应的检测信号的变化来检测并输出相应位置处的压力。

当接地电极3被按压时，发送电极4和接收电极5之间的电容在对应于按压位置的单元检测区域10中发生变化，因此，按压位置可以通过发送电极4和接收电极5的矩阵结构来指示。此外，可以同时检测两个或多个点，并且检测到的压力可以作为热图输出，其中检测结果的二维数据的值以不同的颜色或阴影可视化。因此，控制器6也可以检测接地电极3被按压并且压力被检测的位置。特别地，在电容压力传感器1中，形成传感器表面的接地电极3在介电层2的第一表面上形成为没有间隙的均匀图案，即平面薄膜。因此，当接地电极3被按压时，介电层2相对于压力的变形程度是均匀的，与按压位置无关。因此，进一步提高了压力和位置检测的可靠性和提高了可操作性。

此外，在电容压力传感器1中，发送电极4和接收电极5形成矩阵结构，因此与自电容型电容压力传感器相比，即使在多个位置同时按压传感器表面时也不会出现重影。

此外，在电容压力传感器1中，如图2所示，接收电极5和发送电极4分别形成在附接于介电层2的底表面的电极基板7的前表面和背表面上。在介电层2的两侧上形成电极的情况下，如现有技术中所述，电极形成在每个基板上，且每个基板附接于介电层2的前表面和背表面。因此，组件数量和步骤数量增加。另一方面，电容压力传感器1仅需要一个电极基板7，因此减少了制造步骤的数量，并且两个电极相对于一个电极基板7的定位变得相对容易。

在电容压力传感器1中，接地电极3直接设置在介电层2的表面，并作为传感器表面，从而当传感器表面受压时，介电层2很容易因压力而变形，并且可以提高压力和位置检测的可靠性和提高可操作性。

此外，在电容压力传感器1中，从传感器的背表面侧照射的光向传感器的表面侧发射时，穿过发送电极4、电极基板7和接收电极5，然后穿过介电层2和接地电极3。这里，作为传感器电极的发送电极4和接收电极5集成在介电层2的远离传感器表面的底表面上。由于电极具有透光性，并且介电层2的上表面上的接地电极3是平坦的，没有特定的图案，因此用户可以视觉识别传感器表面侧的均匀平面发光。换言之，作为操作表面的传感器的整个面均匀发光，因此即使在暗处也容易识别电容压力传感器的存在和操作表面的位置，操作性得到改善。此外，如果在接地电极3下方的层结构中的任意位置设置图标片(显示图案层)，则具有期望形状的图标可以显示在作为操作表面的传感器表面上。图5示意性地示出了在对本实施例的电容压力传感器1的修改，在该修改中，图标片11设置在介电层2与接地电极3之间。在这种情况下，可以通过在接地电极3下面的层中设置图标片11来显示图标，而光在介电层2下面的层中扩散。因此，如图5所示，优选在接地电极3下方和介电层2上方设置图标片11。为了显示图标，不是必须提供图标片11。取而代之地，该图标可以印在接地电极3的背面。

此外，在电容压力传感器1中，当通过按压接地电极3来压缩介电层2并使其厚度减小时，接地电极3与发送电极4/接收电极5之间的距离变得太小，这使得无法检测发送电极4和接收电极5之间的电容。为此，与图6所示的修改相同，在介电层2的底表面与电极基板7之间，设置通过层叠透明聚氨酯膜制成的适当厚度的片材12。由聚氨酯膜制得的片材12比泡沫制得的介电层2硬，且不易变形。因此，即使介电层2被压缩，片材12也能防止变形和厚度变薄，从而可以将接地电极3与发送电极4/接收电极5之间的距离保持为恒定。当聚氨酯膜制成的片材12设置在介电层2的上表面与接地电极3之间时，由于聚氨酯膜很难且几乎不变形，施加于接地电极3的按压力难以传递至介电层2，介电层2几乎不变形。因此，电容的检测受到阻碍，这是不优选的。

在上述实施例的电容压力传感器1中，接收电极5和发送电极4分别设置在电极基板7的前表面和背表面。但是，也可以将发送电极4和接收电极5设置在电极基板7的前表面和背表面中的任一个上，并在两者之间插设绝缘层。在这种情况下，与上述实施例相比，可以使用薄膜形成技术以更高的精度定位发送电极4和接收电极5。

如上所述，电容压力传感器1具有检测用户触摸的传感器表面上的位置处的压力以及使用X和Y坐标的传感器表面上的位置信息的复杂功能，因此可作为多种电子设备的显示设备的输入/输出设备，应用于以下多种目的。例如，可以使用X和Y坐标检测用户在传感器表面上触摸的位置，还可以使用Z坐标检测用户在触摸传感器表面时的手势。换言之，当用户出于预期目的按压传感器表面上的某个位置时，电容压力传感器1将与触摸位置对应的位置信息作为信号而输出。如果需要判断用户的操作是否被正确执行，则检测用户触摸传感器表面时施加的压力，只有当压力超过预定水平时，才会输出与触摸位置对应的信号。作为另一应用示例，电容压力传感器1可以用于检测施加到传感器表面的压力的分布。例如，电容压力传感器1可以设置在机械手的握持区域，在机械手握持物体时可获取机械手握持区域的压力分布数据。获取的数据可用于检测物体的形状或调整握持操作。替代地，电容压力传感器1可以设置在床上，并且可以检测人在床的睡眠区域施加的压力随时间的分布。在这种情况下，可以测量人的睡眠运动，例如辗转反侧，这在护理或医疗领域是有效的。

Claims (5)

1.一种使用互电容型的电容压力传感器，包括：

介电层；

接地电极，其设置在所述介电层的第一表面上以接收任意位置的压力；

多个发送电极，其设置在所述介电层的第二表面上，且以预定间隔平行于第一方向布置；

多个接收电极，其设置在所述介电层的所述第二表面上，并且以预定间隔平行于第二方向布置，所述第二方向与所述第一方向相交，所述发送电极和所述接收电极彼此相交，同时彼此绝缘；和

控制器，其被配置为通过驱动所述发送电极在所述发送电极和所述接收电极之间产生电场，并检测当所述介电层由于施加到所述接地电极的任意位置的压力而变形时所述介电层的电容的测量值。

2.根据权利要求1所述的电容压力传感器，其中，所述发送电极和所述接收电极具有透光性。

3.根据权利要求1所述的电容压力传感器，其中，所述接地电极均匀且无间隙地形成在所述介电层的所述第一表面上。

4.根据权利要求1所述的电容压力传感器，其中，所述发送电极和所述接收电极分别设置在电极基板的前表面和背表面上，所述电极基板设置在所述介电层的所述第二表面上。

5.根据权利要求1所述的电容压力传感器，其中，所述发送电极和所述接收电极层叠在电极基板的表面上，所述电极基板设置在所述介电层的所述第二表面上，所述发送电极和所述接收电极层之间插设绝缘层。

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