CN117075760A - 电容式压力感应装置及其检测方法、电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电容式压力感应装置及其检测方法、电子设备，该装置包括刚性电路板和柔性电路板，刚性电路板包括压感金属镀层和金属连接块，刚性电路板的侧壁上设置有凹槽，压感金属镀层设置在凹槽中；柔性电路板包括滑动感应板，滑动感应板设置有多个沿同一方向分布的滑动感应金属板，滑动感应金属板用于滑动感应检测；刚性电路板与柔性电路板通过金属连接块进行连接，滑动感应金属板与压感金属镀层组成压感电容器。本发明将滑动感应和压力感应检测融为一体，并可在电子设备原有PCB的基础上，只增加一片FPC，生产方式简单，使用成熟工艺进行量产，成本低廉；而且使用一颗电容检测感应芯片就同时完成压感和滑动的检测，操作方便，识别效果好。
Description
技术领域
本发明涉及电容传感器技术领域，尤其是涉及一种电容式压力感应装置以及这种电容式压力感应装置的检测方法、具有这种电容式压力感应装置的电子设备。
背景技术
目前压力感应与滑动感应已经在电子产品的人机交互上广泛应用，特别是在推出了新一代TWS(真正无线立体声)耳机后，其滑动加减音量，压感单击暂停/播放音乐、多击上一曲/下一曲的人机交互，得到了大量消费者的认可。
但目前现有的电子产品中，大多采用单独的压力感应器与滑动感应器进行复合设计，其缺点在于适应性差，每设计一款产品就需要重新设计压力感应器和滑动感应器；或将两种感应器简单地整合到一起做成模组，其缺点在于成本高、空间占用较大，压感和滑动需要不同的检测系统进行检测，系统复杂度高。尤其在佩戴型电子产品中，触摸感应存在容易误触的缺点；而且对滑动的距离有一定要求，例如TWS耳机等电子产品的滑动感应区域不足10mm，即滑动距离不足成年人手指宽度的场景下，对滑动的识别效果较差。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种电容式压力感应装置，使用PCB(刚性电路板)和FPC(柔性电路板)的特殊设计，将电容式压力感应器与电容式滑动感应器结合起来，构成一个可以同时检测压力感应和滑动感应的装置，并提供行之有效的实施方式和检测方法。
根据本发明实施例的电容式压力感应装置，包括刚性电路板和柔性电路板，所述刚性电路板包括压感金属镀层和金属连接块，所述刚性电路板的侧壁上设置有凹槽，所述压感金属镀层设置在凹槽中；所述柔性电路板包括滑动感应板，所述滑动感应板设置有多个沿同一方向分布的滑动感应金属板，所述滑动感应金属板用于滑动感应检测；所述刚性电路板与所述柔性电路板通过所述金属连接块进行连接，至少一个所述滑动感应金属板位于所述凹槽所在的区域内，与所述压感金属镀层组成压感电容器。
根据本发明实施例的电容式压力感应装置，至少具有如下有益效果：在电子设备原有刚性电路板的基础上，仅增加一片柔性电路板，降低成本；生产方式简单，可使用成熟的SMT和回流焊工艺进行量产；检测方式都使用电容检测感应，仅使用一颗电容检测感应芯片就可以同时完成压感和滑动的检测，操作方便，识别效果好。
根据本发明的一些实施例，所述金属连接块的数量为至少两个，至少两个所述金属连接块分别设置在所述凹槽的两边。
根据本发明的一些实施例，所述金属连接块包括第一金属连接块、第二金属连接块、第三金属连接块和第四金属连接块，第一金属连接块和第二金属连接块位于所述凹槽的第一侧，所述第三金属连接块和第四金属连接块位于所述凹槽的第二侧，所述凹槽的第一侧和第二侧相对设置。
根据本发明的一些实施例，所述柔性电路板还包括第一弯折部和第二弯折部，所述第一弯折部和第二弯折部与所述金属连接块连接，所述滑动感应板与所述刚性电路板的侧面平行。
根据本发明的一些实施例，所述第一弯折部设置有第一连接部和第二连接部，所述第二弯折部设置有第三连接部和第四连接部；所述第一连接部与所述第一金属连接块连接，所述第二连接部与所述第二金属连接块连接，所述第三连接部与所述第三金属连接块连接，所述第四连接部与所述第四金属连接块连接。
根据本发明的一些实施例，所述滑动感应金属板的数量为至少两个，所述滑动感应金属板的形状和排列方式为矩形依次排列或者为三角形斜插。
根据本发明的一些实施例，所述滑动感应板包括第一滑动感应金属板、第二滑动感应金属板和第三滑动感应金属板，所述第一滑动感应金属板、所述第二滑动感应金属板和所述第三滑动感应金属板用作自电容的电极板。
根据本发明的一些实施例，所述压感金属镀层与所述第一滑动感应金属板、所述第二滑动感应金属板和所述第三滑动感应金属板构成压感电容，所述第一滑动感应金属板、所述第二滑动感应金属板和所述第三滑动感应金属板至少有一个设置在凹槽对应的区域中。
本发明提供的电容式压力感应装置的检测方法，包括：
获取滑动电容变化量和压感电容变化量，其中，所述滑动电容变化量用于表征所述滑动感应金属板产生的电容变化量，所述压感电容变化量用于表征所述压感金属镀层和所述滑动感应金属板之间产生的电容变化量；
根据所述滑动电容变化量和所述压感电容变化量，执行以下检测步骤：
根据所述滑动电容变化量和预设的第一电容阈值，确定第一检测信号，所述第一检测信号用于表征所述滑动感应金属板是否被触碰；
在所述第一检测信号用于表征所述滑动感应金属板被触碰的情况下，根据所述滑动电容变化量的变化次序，确定触碰顺序；
或者，
根据所述压感电容变化量和预设的第二电容阈值，确定压感触发信号。
根据本发明实施例的电子设备，包括壳体，所述壳体内设置有上述的电容式压力感应装置，壳体外面设置有采用内缩或减薄制作的感应区域。
根据本发明实施例的电子设备，至少具有如下有益效果：将滑动感应和压力感应检测融为一体，并可在电子设备原有刚性电路板的基础上，仅增加一片柔性电路板；生产方式简单，可使用成熟的SMT和回流焊工艺进行量产，成本低廉。检测方式都使用电容检测感应，仅使用一颗电容检测感应芯片就可以同时完成压感和滑动的检测，提高识别效果。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明电容式压力感应装置实施例的结构分解图；
图2是本发明电容式压力感应装置实施例的结构图；
图3是本发明刚性电路板实施例的结构图；
图4是本发明刚性电路板实施例的结构分解图；
图5是本发明柔性电路板实施例的结构图；
图6是本发明柔性电路板实施例的结构分解图；
图7是本发明柔性电路板实施例的折弯结构示意图；
图8是本发明电子设备实施例的结构示意图；
图9是本发明提供的电容式压力感应装置检测方法的主要流程图；
图10是本发明电容式压力感应装置检测方法实施例的详细流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
电容式压感本质上是将压力转换成电容变化的一种装置，使压力的大小可被电容检测感应芯片检测并转化为一定的数值大小。两片有正对面积的金属板即可构成一个最简易的电容，固定其中一片金属板作为定极板，使另一片金属板不固定作为动极板，使极板间的距离可变，即可构成最简易的可变电容，电容极板间距离越小，电容的电容值越大。使动极板与受压力易形变的材料例如产品塑料外壳粘接，或在动极板与产品外壳之间填充如硅胶、泡棉、胶体等柔性材料，即可将外壳的形变转换成动极板的形变或移动，进而改变动极板与定极版构成平板电容的间距即改变了可变电容的容值大小，最终将压力导致的外壳形变转化成了电容的改变完成压力感应。
下面参考图1至图7描述根据本发明实施例的电容式压力感应装置。
本实施例的具体实施方式如下：
如图1和图2所示，根据本发明实施例的电容式压力感应装置，包括刚性电路板和柔性电路板；刚性电路板为普通PCB(刚性印刷电路板)，一般材质为FR4(树脂玻纤复合材料)或PTFE(铁氟龙)等。柔性电路板的一般材质为聚酰亚胺或聚脂薄膜等；刚性电路板与柔性电路板通过SMT焊接工艺或压合工艺进行连接，并利用FPC的可弯折特性，将连接后的FPC在第一弯折部110、第二弯折部111处弯折90°，使其主体与刚性电路板的侧面平行贴近，与刚性电路板的凹槽112形成稳定可控的空隙103；当FPC在外力的作用下发生形变，空隙103跟随FPC形变而导致平均间距发生改变。
如图3和图4所示，刚性电路板包括压感金属镀层105和金属连接块；其中压感金属镀层105为PCB板侧边开槽后，通过沉铜、沉金工艺在其PCB上下边缘及侧面槽内形成附着稳定的金属镀层，是压感电容的实际感应器；将压感金属镀层105通过金属电子线路连接至电容检测感应芯片检测引脚，进行压感电容的检测。
其中金属连接块一般为刚性电路板通过蚀刻工艺制造的金属焊盘，其数量至少两个以上，均匀分布在凹槽112的两边。其数量根据FPC软板上需要连接的滑动感应板的连接部数量进行设置。例如，金属连接块包括第一金属连接块106、第二金属连接块107、第三金属连接块108、第四金属连接块109，用于PCB与FPC连接。
如图5、图6和图7所示，滑动感应板为滑动触摸感应金属板，一般为柔性电路板通过蚀刻工艺制造的金属附着层，其数量至少为两个，其形状和排列方式不固定，除矩形依次排列外，还可以为三角形斜插实现。例如，滑动感应板包括第一滑动感应金属板113、第二滑动感应金属板114和第三滑动感应金属板115，滑动感应板104设置有与刚性电路板连接的第一连接部116、第二连接部117、第三连接部118、第四连接部119。
其中，第一滑动感应金属板113、第二滑动感应金属板114和第三滑动感应金属板115至少有一个设置在凹槽112对应的区域中；例如，图7所示第二滑动感应金属板114与凹槽112相对应；还可以将凹槽112设置足够宽，这时凹槽112能包含第一滑动感应金属板113、第二滑动感应金属板114和第三滑动感应金属板115。
其中，第一连接部116和第二连接部117设置在第一弯折部110背面，第三连接部118和第四连接部119设置在第二弯折部111背面；第一连接部116与第一金属连接块106连接，第二连接部117与第二金属连接块107连接，第三连接部118与第三金属连接块108连接，第四连接部119与第四金属连接块109连接。
通过在PCB和FPC对应的位置设置相同数量的金属焊盘，可以将FPC通过焊接和压合的等工艺固定连接到PCB上，负责组件间连接及电子信号的传输。将这些金属板连接至电容检测感应芯片检测引脚，进行滑动识别电容的检测。当手指靠近时，滑动感应板104耦合了手指的电容而导致电容增大。在柔性电路板基材上依次排列滑动感应金属板，手指滑动经过时，第一滑动感应金属板113、第二滑动感应金属板114和第三滑动感应金属板115上的电容先依次逐渐增大；手指滑过后，电容再依次减小，以此来判定手指滑动的方向。
其中，凹槽112使得FPC在与PCB连接折弯后，压感金属镀层105与FPC上的第一滑动感应金属板113、第二滑动感应金属板114、第三滑动感应金属板115形成空隙103，进而构成一个可变电容Cx1。由平板间电容公式C＝ε0εrS/d(其中，C为电容量(F法拉)，ε0为真空介电常数8.85×10-12F/m，εr为极板间介质的相对介电常数，S为极板的有效面积(㎡)，d为极板间的距离(m))，可知，平板电容电容值与平板间间距成反比，进而推出压感电容随空隙103间距变化公式为ΔC＝ε0εrS/(d+Δd)，由上述公式可知，同样的力造成的形变Δd是固定的，那么当空隙103的平均间距d越小，相同的Δd导致电容的变化量ΔC也就越大，更容易被电容检测感应芯片检测到，所对应的压感电容检测感应灵敏度也越高。一般的电容检测感应芯片的电容可测量范围一般不超过200pf，其空隙103也不能太小，否则会导致其本身的电容值超出测量的量程；那么一般由凹槽112形成的空隙103在无外力的情况下，其间距为0.1～0.4mm之间。在有外力的情况下，空隙103减小，则可变电容Cx1增大，无外力的情况下，FPC回弹至原来形状，空隙103增大至凹槽112所控制的距离，可变电容Cx1减小至原来的值。
如图9所示，本申请实施例的电容式压力感应装置的检测方法的主要流程如下：
S311、获取滑动电容变化量和压感电容变化量，其中，所述滑动电容变化量用于表征所述滑动感应金属板产生的电容变化量，所述压感电容变化量用于表征所述压感金属镀层105和所述滑动感应金属板之间产生的电容变化量；
S312、根据所述滑动电容变化量和预设的第一电容阈值，确定第一检测信号，所述第一检测信号用于表征所述滑动感应金属板是否被触碰；
S313、在所述第一检测信号用于表征所述滑动感应金属板被触碰的情况下，根据所述滑动电容变化量的变化次序，确定触碰顺序；
S314、或者根据所述压感电容变化量和预设的第二电容阈值，确定压感触发信号。
如图8所示，本发明实施例的电子设备，包括壳体220，壳体220内设置有上述的电容式压力感应装置，壳体外面设置有采用内缩或减薄制作的感应区域221，方便用户手指感知压感的按压位置。
先将刚性电路板和柔性电路板通过压合或焊接连接在一起，并将柔性电路板折弯后，将刚性电路板固定在电子设备壳体220内；并在柔性电路板外侧，涂覆胶体或使用泡棉、硅胶等柔性材料填充柔性电路板与电子设备外壳间隙，使柔性电路板与外壳紧密相接，使得外壳因受力按压产生的形变可以使柔性电路板的FPC同样发生形变，进而使压感金属镀层105与第一滑动感应金属板113、第二滑动感应金属板114和第三滑动感应金属板115构成的电容发生变化，来达到将压力转换为电容变化的目的，形成压感传感器。
将压感金属镀层105与第一滑动感应金属板113、第二滑动感应金属板114和第三滑动感应金属板115构成的电容称作压感电容Cp5，其变化量为ΔCp5，其检测方式可以采用自电容或互电容，采用自电容检测，则在扫描压感金属镀层105上的电容时，将第一滑动感应金属板113、第二滑动感应金属板114和第三滑动感应金属板115连接至GND(电线接地端)；采用互电容检测，则在扫描压感金属镀层105上的电容式，将其作为接收端，将第一滑动感应金属板113、第二滑动感应金属板114和第三滑动感应金属板115作为发射端。将第一滑动感应金属板113、第二滑动感应金属板114和第三滑动感应金属板115的电容称作滑动电容Cs13、Cs14、Cs15，其变化量为ΔCs13、ΔCs14、ΔCs15。
请参见图10，为本申请实施例提供了一种电容式压力感应装置的检测方法的详细流程示意图。如图10所示，本申请实施例的检测方法可以包括以下步骤：
S301、进行实始化，检测在没有手指接触时，压感电容Cp5和滑动电容Cs13、Cs14、Cs15的初始值，记录这些初始值；
S302、检测第一滑动感应金属板113、第二滑动感应金属板114和第三滑动感应金属板115上的电容变化量ΔCs13、ΔCs14、ΔCs15；
S303、检测压感金属镀层105上的电容变化量ΔCp5；
S304、当滑动电容的变化量ΔCs13、ΔCs14、ΔCs15至少一个超过了设定阈值，则判定手指已经接触了感应区域221；
S305、如果滑动电容变化量ΔCs13、ΔCs14、ΔCs15没有超过设定阈值，但压感电容变化量ΔCp5超过了设定阈值，则该压力感应是因为非手压原因误触异常，此时重新更新初始值；
S306、在已经判定有手指接触感应区域221的前提下，由于短距离滑动在按压过程中容易发生误判，需优先判断压感电容变化量ΔCp5是否超过了设定阈值；
S307、如果ΔCp5已超过阈值，则判定为压感已触发，输出压感触发事件，结束本次判定；
S308、如果ΔCp5没有超过阈值，则去检测滑动电容变化量ΔCs13、ΔCs14、ΔCs15是否依次超过阈值；
S309、如果存在依次触发的情况，则根据其触发顺序判定手指的滑动方向，输出滑动触发事件，结束本次判定。如果没有依次触发的情况，则判定手指只是放在在感应区域，未进行按压或滑动动作，重新进行检测。
使用上述检测方法，可以有效使用电容式压力感应装置进行手指按压和滑动的检测，并通过一些上层的逻辑处理，将基础的按压、滑动事件处理为单击、双击、左滑、右滑等高级事件并执行相应的动作。压感电容的检测包括单击、双击，双击是通过在预设的时间范围内进行两次单击操作来实现。该检测方法有效进行了压感误触发的检测和处理，并能够在一定程度上减少滑动的误判定，提供较好的用户操作体验。
根据本发明实施例的电子设备，通过采用上述的电容式压力感应装置，将滑动感应和压力感应检测融为一体，并可在电子产品原有刚性电路板的基础上，仅增加一片柔性电路板，成本低廉。生产方式简单，可使用成熟的SMT和回流焊工艺进行量产。检测方式都使用电容检测感应，仅使用一颗电容检测感应芯片就可以同时完成压感和滑动的检测，提高识别效果。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种电容式压力感应装置，其特征在于，包括：
刚性电路板(101)，所述刚性电路板(101)包括压感金属镀层(105)和金属连接块，所述刚性电路板(101)的侧壁上设置有凹槽(112)，所述压感金属镀层(105)设置在凹槽(112)中；
柔性电路板(102)，所述柔性电路板(102)包括滑动感应板(104)，所述滑动感应板(104)设置有多个沿同一方向分布的滑动感应金属板，所述滑动感应金属板用于滑动感应检测，所述刚性电路板(101)与所述柔性电路板(102)通过所述金属连接块进行连接，至少一个所述滑动感应金属板位于所述凹槽(112)所在的区域内，与所述压感金属镀层(105)组成压感电容器。
2.根据权利要求1所述的电容式压力感应装置，其特征在于，所述金属连接块的数量为至少两个，至少两个所述金属连接块分别设置在所述凹槽(112)的两边。
3.根据权利要求2所述的电容式压力感应装置，其特征在于，所述金属连接块包括第一金属连接块(106)、第二金属连接块(107)、第三金属连接块(108)和第四金属连接块(109)，第一金属连接块(106)和第二金属连接块(107)位于所述凹槽的第一侧，所述第三金属连接块(108)和第四金属连接块(109)位于所述凹槽的第二侧，所述凹槽的第一侧和第二侧相对设置。
4.根据权利要求1至3任一项所述的电容式压力感应装置，其特征在于，所述柔性电路板(102)还包括第一弯折部(110)和第二弯折部(111)，所述第一弯折部(110)和第二弯折部(111)与所述金属连接块连接，所述滑动感应板(104)与所述刚性电路板(101)的侧面平行。
5.根据权利要求4所述的电容式压力感应装置，其特征在于，所述第一弯折部(110)设置有第一连接部(116)和第二连接部(117)，所述第二弯折部(111)设置有第三连接部(118)和第四连接部(119)。
6.根据权利要求1所述的电容式压力感应装置，其特征在于，所述滑动感应金属板的数量为至少两个，所述滑动感应金属板的形状和排列方式为矩形依次排列或者为三角形斜插。
7.根据权利要求1或6所述的电容式压力感应装置，其特征在于，所述滑动感应板(104)包括第一滑动感应金属板(113)、第二滑动感应金属板(114)和第三滑动感应金属板(115)，所述第一滑动感应金属板(113)、所述第二滑动感应金属板(114)和所述第三滑动感应金属板(115)用作自电容的电极板。
8.根据权利要求7所述的电容式压力感应装置，其特征在于，所述压感金属镀层(105)与所述第一滑动感应金属板(113)、所述第二滑动感应金属板(114)和所述第三滑动感应金属板(115)构成压感电容，所述第一滑动感应金属板(113)、所述第二滑动感应金属板(114)和所述第三滑动感应金属板(115)至少有一个设置在凹槽(112)对应的区域中。
9.一种电容式压力感应装置的检测方法，其特征在于，基于权利要求1至8任一项所述的电容式压力感应装置，包括：
获取滑动电容变化量和压感电容变化量，其中，所述滑动电容变化量用于表征所述滑动感应金属板产生的电容变化量，所述压感电容变化量用于表征所述压感金属镀层(105)和所述滑动感应金属板之间产生的电容变化量；
根据所述滑动电容变化量和所述压感电容变化量，执行以下检测步骤：
根据所述滑动电容变化量和预设的第一电容阈值，确定第一检测信号，所述第一检测信号用于表征所述滑动感应金属板是否被触碰；
在所述第一检测信号用于表征所述滑动感应金属板被触碰的情况下，根据所述滑动电容变化量的变化次序，确定触碰顺序；
或者，
根据所述压感电容变化量和预设的第二电容阈值，确定压感触发信号。
10.一种电子设备，包括壳体(220)，其特征在于，所述壳体(220)内设置有如权利要求1至8任一项所述的电容式压力感应装置，所述壳体(220)外面设置有感应区域(221)。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202311012043.7A CN117075760A (zh) | 2023-08-11 | 2023-08-11 | 电容式压力感应装置及其检测方法、电子设备 |
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Publications (1)
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|---|---|
| CN117075760A true CN117075760A (zh) | 2023-11-17 |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202311012043.7A Pending CN117075760A (zh) | 2023-08-11 | 2023-08-11 | 电容式压力感应装置及其检测方法、电子设备 |
Country Status (1)
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|---|---|
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2023
- 2023-08-11 CN CN202311012043.7A patent/CN117075760A/zh active Pending
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