电容性控制面板的制作方法

专利名称：电容性控制面板的制作方法
技术领域：
本发明涉及电容性控制面板。更明确地说，本发明涉及并入有触敏和力敏输入 构件的电容性控制面板。
背景技术：
存在对稳健的且美学上合意的用于控制装置的控制面板(用户接口)的不断增加 的需求。近年来，电容性感测技术在此领域中沿用已久并已被接受。包含电容性控制面 板的装置的常见实例是例如用于控制消费型电子装置/家用电器的触敏显示屏幕和触敏
键盘/小键盘。已知电容性控制面板包含触敏输入(例如，电容性位置传感器)和力敏输入(例 如，常规的按钮/开关)。举例来说，由苹果计算机公司(Apple Computer Inc.)制造的
“iPod迷你(iPodmini)”的多个版本具有上覆于若干机械开关上的触敏滚轮。图1示意性地展示此一般类型的控制面板2的截面图。控制面板2安装在待控 制的装置的壁4中。控制面板包含电容性触摸感测元件6，其呈垂直于图1的平面的 环的形式；以及若干常规机械开关8。图1的横截面图中可看见所述机械开关8中的两 者。电容性传感器6和机械开关8耦合到适当的控制电路(未图示)。电容性位置感测元件6形成于充当结构平台10的印刷电路板(PCB)上。平台 PCBlO和电容性感测元件6被外部保护层14覆盖。将平台PCB 10可倾斜地安装在中心 支撑件12上，使得其可在装置的壁4中的开口内移动。支撑件12附接到基底PCB 16。 基底PCB 16和壁4固定在一起。用户的手指触摸感测元件6的位置由电容性传感器控制 电路确定，且用以相应地控制所述装置。机械开关8安装在基底PCB 16上，位于电容性位置感测元件6下方。每一机械 开关8包括安置于中心电极8A上的可变形隔膜8B。每一隔膜延伸远离基底PCB 16到达 其刚好触碰平台PCB 10的下侧的高度。切换动作是通过使选定隔膜变形以使得其接触中 心电极8A来实现的。这是通过在所要开关上方的电容性位置感测元件上向下按压来完成 的。这致使平台PCB 10围绕其中心支撑件12倾斜，且压缩选定开关的隔膜，使所述隔 膜与其中心电极接触。用户可因此根据受控装置的操作方式，通过恰当地使用电容性位置感测元件6 和机械开关8来提供控制指令。图1所示的控制面板2提供紧凑且直观的用户接口，但具有若干缺点。举例来 说，常规按钮开关的使用意味着控制面板仅具有对机械力输入的二元敏感性。也就是 说，控制面板只能指示开关是断开的还是闭合的。不存在对所施加力的量值的类似敏 感性。这限制了控制面板以不同方式响应不同力的灵活性。此外，总体结构相对较复 杂，且两种不同感测技术(即，用于机械力感测的常规开关和用于触摸感测的电容性感 测技术)的使用意味着控制电路的所需复杂性增加，因为其必须能够容纳两种类型的传 感器。
基于电容性感测技术的力传感器是已知的。图2A和图2B示意性地一个此类 电容性力传感器20的截面图。力传感器20安装在基底22上，且包括下部电极26和上 部电极28。下部和上部电极借助可压缩电介质材料24而分离，且连接到电容测量电路 21。如由电容测量电路21测量的下部电极26与上部电极28之间的电容取决于其间距的量值。图2A展示处于松弛状态(未施加力)的力传感器20，且图2B展示施加有垂直 力F的力传感器20。所述力压缩电介质材料24，且因此使下部电极26和上部电极28较 靠近在一起。这表现为电容测量电路21所测得的下部电极26和上部电极28的互电容的 改变。电介质材料24被压缩的程度(且因此电极26、28之间的间距的改变)取决于力 F的量值。因此，来自电容测量电路21的输出提供所施加力F的测量结果。图2A和图2B所示种类的传感器可以各种方式使用，例如用于机械臂抓手的 反馈电路中，或用作汽车轮胎中的气压监视器。然而，将此些力传感器并入控制面板/ 用户接口中的问题在于，不仅对直接施加的力敏感，此些传感器还将对附近的指点物体 (例如用户的手指)所引起的电容变化敏感，即使在传感器上没有按压时也是如此(以与 常规电容性触摸传感器响应接近的物体的方式相同的方式)。

发明内容
在一个实施例中，本发明涉及一种控制面板，其具有响应物体的接近性的触摸 传感器和响应物体所施加的力的力传感器，其中所述控制面板包括感测元件，所述感测 元件包括以如下次序堆叠的层覆盖层；第一电极层，其包括第一力传感器电极；电介 质衬底层，其至少一部分是可压缩的；第二电极层，其包括第二力传感器电极；以及支 撑层，其用于在所述第二力传感器电极附近的支撑位置处支撑所述其它层，其中所述第 一和第二电极层中的至少一者进一步包括第一触摸传感器电极，且其中所述第一和第二 力传感器电极以及所述电介质衬底层的所述可压缩部分与所述支撑位置对准，使得所述 第一和第二力传感器电极的间距取决于施加到所述覆盖层的力的量值，且其中所述控制 面板进一步包括控制器，所述控制器包括第一电容性感测通道，所述第一电容性感测通 道耦合到所述第二力传感器电极，以用于测量所述第二力传感器电极的电容且输出对应 的力传感器输出信号，且所述控制器进一步包括第二电容性感测通道，所述第二电容性 感测通道耦合到所述第一触摸传感器电极，以用于测量所述第一触摸传感器电极的电容 且输出对应的触摸传感器输出信号。在另一实施例中，本发明涉及一种感测物体的接近性和物体所施加的力的方 法，所述方法包括提供感测元件，所述感测元件包括以如下次序堆叠的层覆盖层； 第一电极层，其包括第一力传感器电极；电介质衬底层，其至少一部分是可压缩的；第 二电极层，其包括第二力传感器电极；其中所述第一和第二电极层中的至少一者进一步 包括触摸传感器电极；在所述第二力传感器电极附近的支撑位置处支撑所述感测元件， 其中所述第一和第二力传感器电极以及所述电介质衬底的所述可压缩部分与所述支撑位 置对准，使得所述第一和第二力传感器电极的间距取决于施加到所述覆盖层的力的量 值；测量所述第二力传感器电极的电容，且输出对应的力传感器输出信号；以及测量所 述触摸传感器电极的电容，且输出对应的触摸传感器接近性输出信号。
在又一实施例中，本发明涉及一种用于接近性和力感测的控制面板，其包括 覆盖层；第一电极层，其包括第一力传感器电极；第二力传感器电极；电介质衬底，其 至少一部分是可压缩的，且位于所述第一力传感器电极写第二力传感器电极之间；支撑 层，其经定位以支撑所述第二力传感器电极和在所述第二力传感器电极附近的层，其中 所述电介质衬底的可压缩部分使所述第一力传感器电极与第二力传感器电极分离；触摸 传感器电极，其邻近一层定位且与所述力传感器电极和所述电介质衬底的可压缩部分间 隔开；以及控制器，其包括耦合到所述第二力传感器电极的能够测量其电容且输出对应 的力传感器信号的电容性感测通道，以及耦合到所述触摸传感器电极的能够测量其电容 且输出对应的触摸传感器接近性信号的电容性感测通道。在又一实施例中，本发明涉及一种方法，其包括提供感测元件，所述感测元 件包含覆盖层；第一电极层，其包括第一力传感器电极；第二力传感器电极；电介质 衬底，其至少一部分是可压缩的，且定位于所述第一一力传感器电极与第二力传感器电 极之间；以及触摸传感器电极；在所述第一和第二力传感器电极以及所述电介质衬底的 所述可压缩部分与支撑位置对准的位置处支撑所述感测元件，使得所述第一和第二力传 感器电极的间距取决于施加到所述覆盖层的力的量值；测量所述第二力传感器电极的电 容，且输出对应的力传感器输出信号；以及测量所述触摸传感器电极的电容，且输出对 应的力传感器输出信号。在又一实施例中，本发明涉及一种控制面板，其包括第一电极层，其包含第 一力传感器电极；第二力传感器电极；电介质衬底，其至少一部分是可压缩的，且定位 于所述第一力传感器电极与第二力传感器电极之间；支撑层，其经定位以支撑所述第二 力传感器电极和在所述第二力传感器电极附近的层，其中所述电介质衬底的可压缩部分 使所述第一力传感器电极与第二力传感器电极分离；以及第一触摸传感器电极，其与所 述第一和第二力传感器电极横向分离。


为了更好地理解各种实施例且展示其可如何实施，现在借助于实例来参考附 图，其中图1以截面图示意性地展示并入有电容性触摸传感器和机械按钮开关的已知控 制面板；图2A和图2B示意性地展示分别处于松弛和受挤压状态的已知电容性力传感 器；图3A和图3B示意性地展示具有上覆电场线的表示的实施例中所使用的电容性 传感器分别在无指点物体邻近传感器时和在指点物体邻近传感器时的截面图；图4示意性地展示并入有根据实施例的电容性传感器的装置；图5示意性地展示图4所示的装置的局部截面图；图6A和图6B示意性地展示并入到图4和图5所示的装置中的电容性传感器的 第一侧和第二侧上的电极图案；图7示意性地展示图4所示的装置在来自按压在装置的电容性传感器上的手指的 负载下的局部截面图8示意性地展示根据另一实施例的并入有电容性传感器的装置的局部截面 图；图9示意性地展示图8所示的装置在来自按压在装置的电容性传感器上的手指的 负载下的局部截面图；图10示意性地展示根据另一实施例的并入有电容性传感器的装置的截面图；图11示意性地展示图8所示的装置在来自按压在装置的电容性传感器上的手指 的负载下的截面图；以及图12示意性地展示根据另一实施例的并入有电容性传感器的装置的截面图。
具体实施例方式提供控制面板，其具有响应例如手指等物体的接近性的触摸传感器和响应由所 述物体施加的力的力传感器。接近性传感器和力传感器两者可使用电容性感测，具有相 应的传感器电极。用于触摸传感器的电极借助于可变形或可压缩的电介质而分离，且经 支撑以使得所施加的力引起间距的改变以及触摸传感器电极的电容的对应改变。电容性感测技术大致可视为属于两个类别，即基于测量电极的自电容的技术 (有时称为无源电容性感测技术)，以及基于测量电极之间的互电容的技术(有时称为有 源电容性感测技术)。自电容电容性感测装置依赖于测量感测电极到系统参考电位(地/接地)的电 容。总而言之，自电容电容性传感器使用耦合到电容测量电路的感测电极。每一电容测 量电路测量相关联感测电极到系统参考电位(例如，系统接地)的电容(电容性耦合)。 当不存在靠近感测电极的指点物体时，测得电容具有背景/静态值。此值取决于感测电 极的几何形状和布局，以及到所述感测电极的连接引线等等，以及相邻物体的性质和位 置(例如，与附近接地平面的感测电极接近性)。当指点物体(例如，用户的手指)接近 感测电极时，指点物体充当接近感测电极的虚拟接地。这用以增加感测电极到接地的测 得电容。因此，取测得电容的增加来指示指点物体的存在。这些原理可针对离散(单个 按钮)测量和二维位置敏感电容性传感器。举例来说，多个电极可布置于一表面上，以 提供界定离散感测区域阵列或呈可轮询矩阵配置的电极行和列的电极。互电容电容性传感器与自电容传感器的不同之处在于，互电容电容性传感器是 基于测量两个电极之间(而不是单个感测电极与系统参考电位之间)的电容性耦合。所述 对电极中的一个电极通常称为驱动(或发射)电极，而另一电极通常称为感测(或接收) 电极。驱动电极有时也称为X电极，且感测电极有时也称为Y电极。这在历史上与在 互电容电容性传感器的一些早期实例中不同电极的定向有关。然而，如今有时仍使用所 述术语来区分被驱动电极与感测电极，而不管其定向如何。在基本的互电容型电容性传感器中，为驱动电极供应振荡驱动信号(例如，包 括一个或一个以上方波逻辑电平脉冲)。驱动电极电极与感测电极之间的互电容由驱动信 号的分量电容性耦合到感测电极的程度决定。驱动信号到感测电极的耦合度是通过测量 借助于振荡驱动信号转移到感测电极的电荷的量来确定的。图3A和图3B示意性地展示可根据一些实施例来使用的互电容型电容性传感器 30的区的截面图。传感器30包括电介质衬底32，其具有安装在其下表面(参见图中的定向)上的驱动电极34和安装在其上表面上的感测电极36。驱动电极34在此实例中呈 闭合圆圈的形式，且感测电极36呈具有大致与驱动电极对准的中心开口的环的形式。在 此实例中，传感器提供单个离散圆形触敏区域，但相同的一般原理适用于其它类型的基 于互电容感测技术(例如用于为感测区域内的接近物体提供连续位置估计的技术)的传感
ο图3A和图3B中还展示因施加到驱动电极的驱动信号而连接于驱动电极与感测 电极之间的电场线的示意性表示。事实上，线40提供驱动电极与感测电极之间的电容性 耦合的高度示意性的绘图表示。图3A示意性地展示当不存在邻近传感器30的物体时的 电场。图3B示意性地展示当存在邻近传感器的物体(即，具有到接地的电容Cg的用户 的手指38)时的电场。当不存在邻近传感器的物体时(图3A)，图中所表示的所有电场线均连接于被驱 动电极34与感测电极36之间。然而，当用户的手指38邻近传感器时(图3B)，从衬底 外部经过的电场线中的一些电场线经由手指耦合到接地。因此，较少的场线连接于驱动 电极与感测电极之间，且其间的测得电容性耦合相应地减小。因此，耦合在驱动电极34与感测电极36之间的电荷量的测得改变可用以确定是 否有物体邻近传感器(即，溢出的电场延伸到其中的区的电特性是否已改变)。这是互电 容电容性感测技术的基本原理的概括总结。图4示意性地展示根据实施例的装置50。装置50包括外壳54和控制面板52， 控制面板52提供对触摸的敏感性和对力/压力的敏感性。在此实例中，装置50是移动 (蜂窝式)电话，但实施例同等适用于任何类型的具有控制面板接口的装置/设备。图5示意性地展示沿着5-5截取的图4的装置50的局部截面图(未按比例绘 制)。控制面板52包括感测元件部分56、支撑结构部分58和控制器60。感测元件56包括分层结构，其中层以如下次序堆叠覆盖层62;第一电极层 64，其包括第一力传感器电极70和第一触摸传感器电极80;可压缩电介质衬底66;以 及第二电极层68，其包括第二力传感器电极72和第二触摸传感器电极82。第一和第二 电极层可为直接安装到电介质衬底以界定相应电极的导电材料。或者，第一和第二电极 层可为相应的第一和第二安装片，其上安装有导电材料以界定相应电极。在此实例中， 覆盖面板62是具有约Imm的厚度的透明丙烯酸片，第一和第二电极层包括(例如)由聚 对苯二甲酸乙二酯(PET)形成的相应透明塑料片，其上使用常规制造技术沉积例如氧化 铟锡(ITO)等透明导体，以界定第一和第二力和触摸传感器电极。使用(例如)粘合剂 将覆盖面板接合到其它层。可压缩衬底可为光学硅胶层，例如在第一和第二电极层使用透明粘合剂接合到 所述可压缩衬底的区中具有约100微米到250微米的厚度。因此，此实例的力和触摸传 感器控制面板52的感测元件56是透明的，且根据触摸屏技术的一般原理，可上覆于显示 屏幕(图4中未图示)上。或者或另外，电介质衬底可包含可压缩粘合剂层。支撑结构58在此实例中由装置50的外壳(例如，常规的模制塑料外壳)中的唇 缘提供。支撑结构58经布置以在感测元件的下侧上的第二力传感器电极72附近的支撑 位置处支撑感测元件56。唇缘在此实例中经布置以在其外围附近且围绕其完整周长支撑 感测元件。外围安装还允许(例如)将显示屏幕安装在感测元件后方而不会因支撑结构而变模糊。在此实例中，感测元件在支撑位置处(例如)使用粘合剂接合到支撑结构。 第一力传感器电极70和第二力传感器电极72与支撑位置对准，使得其间距取决于施加到 覆盖层的力(即，压缩电介质衬底的力)的量值。控制器60包括根据(在此实例中)常规的用于电容测量的互电容技术而操作的 电容性驱动和感测通道。所述驱动和感测通道根据常规技术(例如)使用柔性边缘连接 器带和板上迹线而耦合到感测元件的其相应电极，如图5中由框箭头84示意性地指示。控制器因此包括第一驱动通道，其可称为力传感器驱动通道，耦合到第一力传 感器电极，所述电极可因此称为力传感器驱动电极。控制器进一步包括第一感测通道， 其可称为力传感器感测通道，耦合到第二力传感器电极，所述电极可因此称为力传感器 感测电极。控制器进一步包括第二驱动通道，其可称为触摸传感器驱动通道，耦合到第 二触摸传感器电极，所述电极可因此称为触摸传感器驱动电极。控制器进一步包括第二 感测通道，其可称为触摸传感器感测通道，耦合到第一触摸传感器电极，且所述电极可 因此称为触摸传感器感测电极。因此，根据已知的电容性感测技术，控制器60可操作以使用力传感器驱动和感 测通道来测量两个力传感器电极之间的互电容，且可操作以使用触摸传感器驱动和感测 通道来测量两个触摸传感器电极之间的互电容。如下文进一步描述，两个力传感器电极 70、72 (具有相关联元件)提供力传感器(即，对例如通过按压的手指施加到覆盖面板62 的机械力/压力敏感的传感器)。另一方面，两个触摸传感器电极80、82 (具有相关联元 件)提供触摸传感器(即，对例如指点手指等物体的接近性敏感的传感器)。显然，相同 的电容性感测技术可用于力传感器和触摸传感器两者。这简化了控制面板的复杂性。另外(且不同于触摸传感器)，力传感器被布置成其被驱动电极位于衬底的覆盖 面板侧(即，在正常使用中指点/按压物体将从其靠近的侧)。这为力传感器提供了对正 靠近的物体的接近性的减小的敏感性。此外，感测元件56支撑在第二力传感器电极72附近，而不是第二触摸感测电极 附近。这意味着在控制面板的触敏区(如由触摸电极的布置界定)中的电介质衬底在力 被施加到覆盖面板时不被压缩。因此，与原本的情况相比，触摸传感器输出具有对任何 所施加的力的量值的减小的依赖性。控制器60的功能性可由单个集成电路芯片提供，例如经合适编程的通用微处理 器、现场可编程门阵列或专用集成电路，或者可由离散组件提供。原则上，控制面板的触摸传感器方面可包括由单个触摸传感器驱动电极和单个 触摸传感器感测电极提供的单个离散触敏“按钮”，所述两个电极根据常规技术相对于 彼此而布置，使得在感测电极附近的指点物体修改其间的测得电容，例如图3A和图3B 中示意性地表示。然而实际上，根据本发明实施例的控制面板可常常具有多个触摸传感 器驱动电极和多个触摸传感器感测电极，其耦合到相应的多个电容性驱动和感测通道。 触摸传感器的特定设计(例如，其详细的电极图案化)不是非常重要的，且可使用电容性 触摸传感器电极图案化的任何已知设计。因此，虽然上文为了简单而在基于单个触摸传 感器驱动电极和单个触摸传感器感测电极的控制面板的触摸传感器方面的情境中绘示并 描述图5，但将了解，实际上，例如根据电容性触摸传感器技术的已知原理，使用较复杂 的触摸传感器电极图案。
图6A和图6B示意性地展示图5所示的控制面板52的第一电极层64和第二电 极层68。控制器60的一些方面也在这些图中表示。如图6A所示，感测元件在此实例中大体上为矩形，但其特定形状并不重要。第 一(驱动)力传感器电极70呈大体上朝向感测元件的外围的闭环图案。触敏区(由虚线 81概括指示)由根据任何已知设计而布置的多个触摸传感器感测电极80 (图5中展示其单 个实例)界定。第一(驱动)力传感器电极70耦合到控制器60中驱动通道Df。所述 多个触摸传感器感测电极80耦合到对应多个感测通道STh。如图6B所示，朝感测元件的下侧(相对于靠近物体的方向)安置的第二电极层 68与第一电极层64的总大小和形状匹配。第二(感测)力传感器电极72大致类似于第 一电极层64上的上覆第一(驱动)力传感器电极70之处在于，在此实例中其呈大体上朝 向感测元件的外围的闭环的形式。第一和第二力传感器电极布置在其相应的电极层内， 使得当从覆盖面板62的方向观看时，第一力传感器电极70上覆于第二力传感器电极72 上。在此实例中，第一力传感器电极70完全覆盖第二力传感器电极72，因为第二力传感 器电极72的横截面比第一力传感器电极70的横截面薄，且完全在第一力传感器电极70 后方(如图5中示意性地指示)。第二电极层68包括多个触摸传感器驱动电极82(图5 中权展示其单个实例)。这些触摸传感器驱动电极82是根据任何已知设计来布置，以与 第一电极层64上的触摸传感器感测电极80协作，以提供根据常规电容性触摸感测技术的 控制面板52的触摸传感器功能性。如先前所述，实施例可结合电容性传感器中用于提供 触敏功能性的电极的任何已知设计而使用。纯粹为了举例，图6A和图6B示意性地表示 简单的矩阵设计。如图6B中所指示，第二(感测)力传感器电极72耦合到控制器60中的感测通 道SF。所述多个触摸传感器驱动电极82耦合到对应多个电容性驱动通道DTh。因此在使用中，控制器60可操作以测量力传感器电极70、72之间的互电容性耦 合，且基于测得的电容产生对应的力传感器输出信号。控制器还可操作以测量相应的触 摸传感器电极80、82之间的互电容性耦合，且以常见方式基于测得的电容产生对应的触 摸传感器输出信号。为了避免测量之间的可能干扰，控制器可操作以在不同时间测量力 传感器电极70、72之间的互电容性耦合以及相应的触摸传感器电极80、82之间的互电容 性耦合。图7以横截面示意性地展示图4和图5的控制面板52的另一视图。(为了简单 在图7中未展示控制器60)。图7与图5不同之处在于，图7展示处于指点物体90 (此 处，用户的手指)正在对覆盖面板62施加按压力F (如向下箭头92示意性地指示)的状态 的控制面板52。按压力F用以压缩力传感器电极70、72之间的区中的电介质衬底66。 力F不压缩触摸传感器电极80、82之间的区中的电介质衬底66，因为在这些位置不存在 对感测元件的机械支撑以为所施加的力F提供反作用力来压住。因为力传感器电极之间的电介质衬底被压缩，所以力传感器电极移动成较靠近 在一起。因为电极的互电容取决于其间距，所以来自耦合到第二力传感器电极的力传感 器感测通道的输出信号改变。力传感器电极之间的间距且因此其测得的电容将取决于所 施加的力的量值(至少达电介质衬底被完全压缩的极限)。因此，由控制器提供的电容测 量可作为指示所施加力的量值的信号而输出。
然而，因为触摸传感器电极之间(即，控制面板的触摸感测区中)的电介质衬底 不受所施加力的压缩，所以控制面板的触摸传感器功能性不管所施加的力F如何均以相 同方式操作。因此，与触摸传感器电极相关联的由控制器提供的电容测量功能性(即， 驱动和感测通道)可继续操作以输出指示物体的触摸的信号，作为触摸传感器输出信 号。触摸传感器输出信号的性质将以常见方式取决于与触摸传感器功能性相关联的电极 的设计的性质，例如触摸传感器输出信号可包括触摸的估计位置，或仅仅包括整个触摸 传感器对接近一个或一个以上离散触摸感测区域的物体的存在的指示。因此，图4到图7的控制面板提供触摸传感器功能性和力传感器功能性两者。此 外，设计并入有帮助改进触摸测量与力测量的独立性的各种特征。如上文已说明，触敏 区下方(如由触摸传感器电极界定)缺乏对感测元件的结构支撑意味着触摸传感器功能性 基本上与力F的施加无关。在一些实施例中，力传感器输出信号对物体对力传感器电极 的轻微接近性的依赖性可减小(即，靠近电极但不施加力的物体)。这是为了避免对正施 加的力的“错误”确定。控制面板的力传感器功能对接近但不按压的物体的减小的敏感性可在图4到图7 所示的实施例中通过力传感器电极及其驱动和感测通道的相对布置来实现。明确地说，因为第一力传感器电极70是电容性力传感器电极的被驱动电极，且 在正常使用期间位于感测元件的面对物体的侧上，所以第二感测电极72到控制面板上方 的物体的电容的影响通过较大的第一力传感器电极70的屏蔽而减小。这帮助减小由耦合 到第二力传感器电极72的感测通道Sf测得的电容对在力传感器电极附近靠近覆盖面板62 的并不按压在其上的物体的敏感性。此外，如上文所述，从靠近覆盖面板的物体的观点来看，第二力传感器电极72 在此实例中完全在第一力传感器电极70下方，且具有较小的展布范围。此举的重要性在 于第一电极层64上的力传感器驱动电极70与第二电极层68上的力传感器感测电极72之 间的互电容性耦合主要在电介质衬底66的在两个电极之间的具有极少“过溢”的区内。 因此，较薄的第二力传感器电极72的使用往往将从被驱动的第一力传感器电极到第二力 传感器电极的电场耦合集中到其间的区中，其中相对来说极少的电场“溢出”进入覆盖 面板且超过覆盖面板。因此被驱动力传感器电极70大于下伏的感测力传感器电极72的 布置使其之间的互电容性耦合集中，以进一步减小对力传感器电极70、72附近的在覆盖 面板上方的物体的敏感性。这是因为力传感器电极之间的相对极少的耦合在覆盖面板上 方的此区中发生，且因此此处物体的存在具有对测得互电容的减小的影响。发明人还已 经发现，将相对较薄的导体用于感测电极可用以增加所谓的弥散场效应的相对重要性， 且因此增加电容性力传感器对电极间距变化的敏感性。因此，可提供控制面板，其提供指示所施加力的量值但具有对接近物体的轻微 存在的减小敏感性的力传感器输出信号，以及指示物体的接近性但具有对物体所施加的 任何力的减小敏感性的触摸传感器输出信号。此外，力和触摸传感器功能性可以相对较 简单的设计来提供，所述设计可将相同的感测技术用于两种类型的传感器。针对每一类 型的传感器可使用相同的控制电路(即，常规的电容性测量电路)，且此外，可将相同类 型的结构元件用于所述两种类型的传感器。图8和图9分别类似于图5和图7，且将从图5和图7来理解。然而，图8和图9展示根据另一实施例的控制面板100。图8和图9的控制面板100的类似于图5和图7 的控制面板52且将从图5和图7的控制面板52来理解的方面由相同的参考标号指示，且 为了简明而不进一步描述。图8和图9的控制面板100在其电介质衬底和第二电极层的 设计上不同于图5和图7的控制面板52。明确地说，图5和图7的控制面板52中的这些 元件是连续的层，但在图8和图9的控制面板100中，对应元件包括分离的部分。因此，控制面板100包括包含单独部分(即可压缩力传感器部分66B和触摸传感 器部分66A)的电介质衬底。这些部分完全由间隙67分离。实际上，这可通过以连续电 介质层开始且移除其一部分以产生间隙来实现。因此，电介质衬底的力传感器部分66B 和触摸传感器部分66A可由相同材料形成。然而在其它实例中，这两个部分可包括根据 用于制造分层/层压结构的已知技术在感测元件的构造期间单独组装的单独材料。如果 设计的触摸传感器方面是基于无源(自电容)感测技术(例如下文进一步描述)，那么第 二电极层中无需触摸传感器电极，且在此情况下，将无需在控制面板的触摸感测区中包 含电介质衬底的一部分。类似地，控制面板100的第二电极层包括单独部分，即力传感器部分(包括第二 力传感器电极72)和触摸传感器部分(包括第二触摸传感器电极82)。第二电极层中的力 和触摸传感器电极可大体上类似于图5和图7的控制面板52的电极。如同图8和图9的 控制面板100的两个电介质衬底部分66A、66B—样，两个第二电极层部分可通过移除初 始连续电极层的一部分来提供，或可包括单独组装的层，例如具有ITO沉积的个别适当 成形的PET片。图8示意性地展示处于其中指点物体90 (此处为用户的手指)接近传感器但不施 加任何按压力(F = O)的状态的控制面板100。此处，控制面板的触摸传感器方面将提供 指示物体的接近性(例如指示其位置(取决于控制面板的触摸传感器方面的功能性))的 触摸传感器输出信号，而控制面板的力传感器方面将提供指示没有力正被施加的力传感 器输出信号。另一方面，图9示意性地展示处于其中指点物体90正在施加按压力F的状态的 控制面板100。此处，控制面板的触摸传感器方面将提供指示物体的接近性(例如指示其 位置(取决于控制面板的触摸传感器方面的功能性))的触摸传感器输出信号，而控制面 板的力传感器方面将提供指示力F正被施加的力传感器输出信号。图8和图9的控制面板100中的电介质衬底和第二电极层的相应部分之间的间隙 67的重要性在于，其可帮助减小力传感器电极之间的压缩力向电介质衬底的在触摸电极 之间的区的转移。此效应在图7中在参考标号110所识别的区中示意性地说明。此处， 由所施加的力F引起的电介质衬底66的压缩主要在第一力传感器电极与第二力传感器电 极之间，因为这些力传感器电极与由外壳中的唇缘提供的支撑位置对准。然而在一些情 况下，取决于触摸传感器电极与力传感器电极的靠近程度，且还取决于电介质衬底的机 械特性，存在触摸传感器电极之间的区中发生电介质衬底的某种变形的可能性，如图7 中由参考标号110识别的区中示意性地指示。可通过提供例如图8所示的间隙(或局部 间隙)以帮助在机械上隔离触摸传感器电极之间的区中电介质衬底的部分66A与力传感器 电极之间的区中的部分66B来减小此效应。因此，如图9所示，所施加的力F导致力传 感器电极之间的区中电介质衬底的部分66B压缩，而不影响触摸传感器电极80、82的间距。由力F引起的触摸传感器电极的间距变化(例如图7中在区110中所示)改变其互 电容，且因此可干扰控制面板的触摸传感器方面的正常操作。间隙67在此效应成问题的 情况下可帮助减小此效应。在图8和图9所示的设计的变型中，在其它实施例中可使用类似于图5和图7所 示连续电介质层的连续电介质层，但力传感器电极与触摸传感器电极之间(即，在对应 于图8所示的间隙67的位置的区中)具有厚度减小的区。这也可帮助机械上使触摸传感 器电极之间的电介质衬底与力传感器电极与触摸传感器电极之间的电介质衬底的压缩隔 离。将了解，力电极与感测电极之间的电介质衬底的具有减小(包含零)厚度的区无需 沿着力电极与感测电极之间的区的完整范围连续延伸，而是可改为沿着力电极与触摸电 极之间的区的仅一部分延伸。举例来说，具有减小的厚度的区可包括电介质衬底中的一 个或个以上孔或狭槽，其经布置以减小力传感器电极与触摸传感器电极之间的选定位置 处的厚度。在一些实施例中，这可提供(例如)在组装期间处置起来较简单的结构，但 其提供衬底的在力传感器电极之间的区与衬底的在触摸传感器电极之间的区之间的所要 等级的机械隔离。将了解，上述原理适用于许多不同的总体设计。举例来说，力传感器电极不必 位于感测元件的边缘处。通过适当定位的支撑件，力传感器可在任何地方。举例来说，图10和图11分别类似于图5和图7，且将从图5和图7来理解。然 而，图10和图11展示根据另一实施例的控制面板150。图10和图11的控制面板150的 类似于图5和图7的控制面板52且将从图5和图7的控制面板52来理解的方面为了简明 而不进一步描述。然而，图10和图11的控制面板150与图5和图7的控制面板52的不 同之处在于其具有位于感测元件156的中心位置的力传感器电极170、172，以及位于外 围位置的触摸传感器电极180、182。其中并入有控制面板150的装置的外壳154经布置 以在与力传感器电极170、172对准的中心支撑位置158处为感测元件156提供支撑。除 电极和支撑位置的重新布置以外，图10和图11的控制面板150在其它方面以与上文针对 其它实施例的控制面板52、100而描述的相同大体方式操作。然而，当将推力F施加于电 介质衬底时，力传感器电极的中心位置处发生压缩，而不是在先前描述的控制面板52、 100中的外围位置处发生压缩。图12类似于图8且将从图8来理解，但图12展示根据另一实施例的控制面板 150。图12的控制面板150的类似于图8和图9的控制面板100且将从图8和图9的控 制面板100来理解的方面由相同的参考标号指示，且为了简明而不进一步描述。图12 的控制面板150与图8和图9的控制面板100的不同之处在于其第二力传感器电极的放 置。图8和图9的控制面板100的第二力传感器电极72直接安装到可压缩电介质衬底的 下侧。然而，图12的控制面板150改为包括呈导体(例如，铜线)形式的第二力传感器 电极173，其嵌入并入有控制面板150的装置的外壳155内。第二力传感器电极173经由 迹线174连接到控制器60，所述迹线例如为耦合到第二力传感器电极173的暴露部分的 常规跨线导体。图12中的第二力传感器电极173被展示为完全嵌入外壳中，使得实际上 存在第一力传感器电极与第二力传感器电极之间的电介质材料的额外区(即，外壳155的 一部分)。在其它实例中，第二力传感器电极可部分嵌入外壳中，例如凹入通道中。图 12的控制面板150的支撑结构158因此由外壳的在第二力传感器电极173下方的一部分提供。总的来说，将了解，图12的控制面板150以类似于图8和图9的控制面板的方式 起作用。仅有的差异在于用于各种元件的结构组合件，且在两种不同设计可如何操作的 方面没有显著的功能差异。在这点上，将了解，如应用于例如图12所示实施例的实施例 的例如第二电极层等术语不要求包括第二电极层的电极在构造之前一起耦合在单位元件 中，权要求其在功能上布置为可压缩衬底的同一侧上的层(且可以距衬底不同的距离彼 此物理上偏移)。在一些实施例中，可能存在多个单独的力传感器。举例来说，感测元件可支撑 在三个位置处，例如在三角形的顶点处，或在矩形的隅角处(例如，在大体上为矩形的 用户接口的隅角处)。在此些情况下，可在每一位置处提供驱动与感测力传感器电极的一 独立配对，其间具有可压缩电介质材料的适当区。在其它实例中，多个驱动和感测力传 感器电极中的至少一些可耦合在一起，或可使用适当范围的单个电极。举例来说，在其 它方面大致根据图4到图7所示控制面板的控制面板中具有四个力传感器的实施例中，可 使用与图6A所示的力传感器驱动电极70类似的力传感器驱动电极，但在衬底的另一侧上 具有多个分离的力传感器感测电极，从而代替图6A所示的实施例的单个力传感器感测电 极72。举例来说，所述四个力传感器感测电极可提供于力传感器驱动电极的隅角部分下 方，使得可进行四个单独的力测量。此些多个力测量可(例如)用以提供独立的力传感器(例如，用以增加用户接口 的“按钮”的数目)，或区分(三角测量)覆盖面板上的按压的位置。(即使在设计的 触摸传感器方面提供位置敏感性的情况下，也可在力传感器输出信号指示力正被施加时 从触摸传感器输出信号得出施加力的物体的位置。)还将了解，不同实施例中可使用其它种类的电容性感测技术。举例来说，虽然 上述实施例是基于互电容/驱动和感测通道实施方案(有源电容性感测)，但其它实施例 可基于自电容/单个感测通道实施方案(无源电容性感测)。举例来说，可使用到系统 参考电位(接地)的自电容是通过常规自电容电容性感测通道来测量的单个触摸电极(或 多个触摸电极)来提供触摸传感器功能性。触摸电极可能仅在电极层中的一者或另一者 中。力传感器电极可由类似于上文所述的第一和第二力传感器电极提供，但其中第二力 传感器电极耦合到经布置以测量其到接地的电容的力传感器通道，且第一力传感器电极 (即，在感测元件的面对物体的侧上的电极)直接耦合到接地(或其它系统参考电位)。 因此，当第一和第二电极在触摸的施加下而聚到一起时，第二力传感器电极到接地的电 容增加，原因是第一力传感器电极的接近性增加，因此提供对力的敏感性。然而，因为 第一力传感器电极在感测元件的面对物体的侧上且连接到固定电位，所以其用以遮蔽第 二感测电极，使其不受覆盖面板上方不在施加力的物体的接近性影响。因此以类似于上 文所述方式的方式，与原本可能的情况相比，使力传感器对非按压物体的存在的敏感性 变小。将了解，虽然以上实例中的电介质衬底可在其整个限度上压缩，但这仅是为了 便于制造，因为可使用单个层来将力传感器电极与触摸传感器电极间隔开。然而，电介 质衬底的在触摸传感器电极之间的部分无需为可压缩的。举例来说，参见图8，针对图中 所示定向的电介质衬底的右边部分66A可同等地由不可压缩的电介质材料形成，例如可 用于电容性触摸屏幕构造中的任何常规的刚性材料。
实施例因此可用以提供触摸传感器和力传感器输出信号。这些输出信号的使用 将取决于在手边的应用。举例来说，在其中并入有根据实施例的控制而板的装置的文本 输入模式中，手指在所显示的键盘上的位置(如根据已知技术从触摸传感器输出信号确 定)可用以选择字符进行输入，且力的量值可用以确定输入模式，例如轻敲(即，低于预 定义的力阈值)可用以指示小写字母的输入，而重压(提供高于阈值信号的力指示)可用 以指示大写字母的输入。一般来说，来自根据实施例的控制面板的输出信号的使用的性 质可变化，且所述信号可针对在手边的应用以任何适当方式使用。将了解，上文所述的原理适用于供许多类型的装置/器具中使用的控制面板。 举例来说，根据实施例的传感器可在可提供用户接口的任何情形中使用，例如在烤箱、 烤架、洗衣机、转筒式干燥机、洗碗机、微波炉、食物搅拌机、制面包机、饮料机、计 算机、家用视听设备、便携式媒体播放器、PDA、手机、计算机、卫星导航系统、车辆 控制面板等等中使用。还有可能提供类似于上述种类的控制面板，其与其可用于控制的 装置/器具分开提供。举例来说，为了提供对业已存在的器具的升级。还有可能提供可 经配置以操作某一范围的不同器具的通用传感器。
权利要求
1.一种控制面板，其具有响应物体的接近性的触摸传感器和响应物体所施加的力的 力传感器，其中所述控制面板包括感测元件，所述感测元件包括以如下次序堆叠的层覆盖层；第一电极层，其包括第一力传感器电极；电介质衬底层，其至少一部分是可压缩的；第二电极层，其包括第二力传感器电极；以及支撑层，其用于在所述第二力传感器电极附近的支撑位置处支撑所述其它层，其中 所述第一和第二电极层中的至少一者进一步包括第一触摸传感器电极，且其中所述第一 和第二力传感器电极以及所述电介质衬底层的所述可压缩部分与所述支撑位置对准，使 得所述第一和第二力传感器电极的间距取决于施加到所述覆盖层的力的量值，且其中所述控制面板进一步包括控制器，所述控制器包括第一电容性感测通道，所 述第一电容性感测通道耦合到所述第二力传感器电极，以用于测量所述第二力传感器电 极的电容且输出对应的力传感器输出信号，且所述控制器进一步包括第二电容性感测通 道，所述第二电容性感测通道耦合到所述第一触摸传感器电极，以用于测量所述第一触 摸传感器电极的电容且输出对应的触摸传感器输出信号。
2.根据权利要求1所述的控制面板，其中所述控制器进一步包括经布置以将驱动信号 施加到所述第一力传感器电极的第一驱动通道，且其中所述第一感测通道可操作以测量 施加到所述第一力传感器电极的所述驱动信号的分量，所述第一感测通道耦合到所述第 二力传感器电极，使得由所述第一感测通道测得的所述第二力传感器电极的电容是所述 第二力传感器电极与所述第一力传感器电极之间的互电容。
3.根据权利要求1所述的控制面板，其中所述第一力传感器电极被维持于系统参考电 位，且由所述第一感测通道测得的所述第二力传感器电极的所述电容是第二传感器力电 极到所述系统参考电位的自电容。
4.根据权利要求1所述的控制面板，其中所述第一触摸传感器电极被包括于所述第一 电极层中。
5.根据权利要求4所述的控制面板，其中所述第二电极层进一步包括第二触摸传感器 电极，且其中由所述第二感测通道测得的电容性耦合是所述第一触摸传感器电极与所述 第二触摸传感器电极之间的互电容。
6.根据权利要求5所述的控制面板，其中所述控制器进一步包括经布置以将驱动信号 施加到所述第二触摸传感器电极的第二驱动通道，且其中所述第二感测通道可操作以测 量的施加到所述第二触摸传感器电极的所述驱动信号的分量，所述第二感测通道耦合到 所述第一触摸传感器电极，以进而测量所述第一触摸传感器电极与所述第二触摸传感器 电极之间的互电容。
7.根据权利要求1所述的控制面板，其中由所述第二感测通道测得的所述第一触摸传 感器电极的电容是所述第一触摸传感器电极到系统参考电位的自电容。
8.根据权利要求1所述的控制面板，其中所述第一和第二力传感器电极以及所述电介 质衬底层的所述可压缩部分朝向所述感测元件的相对于所述触摸传感器电极的外部边缘 定位。
9.根据权利要求1所述的控制面板，其中所述第一力传感器电极具有比所述第二力传感器电极大的展布范围。
10.根据权利要求1所述的控制面板，其中所述电介质衬底层整体是可压缩的。
11.根据权利要求10所述的控制面板，其中所述电介质衬底层在所述力传感器电极与 所述触摸传感器电极之间的至少一个位置处的厚度小于所述电介质衬底层在其它地方的厚度。
12.根据权利要求1所述的控制面板，其中所述支撑层由其中安装所述感测元件的外 壳中的唇缘提供。
13.根据权利要求1所述的控制面极，其中所述覆盖层、所述第一和第二电极层以及 所述电介质衬底层由透明材料形成。
14.根据权利要求1所述的控制面板，其中所述第一和第二电极层包括导电材料，所 述导电材料直接安装到所述电介质衬底层以界定相应电极。
15.根据权利要求1所述的控制面板，其中所述第一和第二电极层包括相应的第一和 第二安装片，所述安装片上安装有导电材料以界定所述相应电极。
16.根据权利要求15所述的控制面板，其中所述第一和/或第二安装片包括聚对苯二 甲酸乙二酯(PET)。
17.根据权利要求1所述的控制面板，其中所述电介质衬底层包括硅树脂层。
18.根据权利要求1所述的控制面板，其中所述电介质衬底层包括可压缩粘合剂层。
19.根据权利要求1所述的控制面板，其中所述第一触摸传感器电极是提供位置敏感 触摸传感器的触摸传感器电极图案内的元件，且其中所述触摸传感器输出信号是基于所 述第一触摸传感器电极的所述测得电容以及所述位置敏感触摸传感器的所述电极图案内 的其它电极的对应测得电容。
20.一种感测物体的接近性和物体所施加的力的方法，所述方法包括提供感测元件，所述感测元件包括以如下次序堆叠的层覆盖层；第一电极层，其 包括第一力传感器电极；电介质衬底层，其至少一部分是可压缩的；第二电极层，其包 括第二力传感器电极；其中所述第一和第二电极层中的至少一者进一步包括触摸传感器 电极；在所述第二力传感器电极附近的支撑位置处支撑所述感测元件，其中所述第一和第 二力传感器电极以及所述电介质衬底的所述可压缩部分与所述支撑位置对准，使得所述 第一和第二力传感器电极的间距取决于施加到所述覆盖层的力的量值；测量所述第二力传感器电极的电容，且输出对应的力传感器输出信号；以及测量所述触摸传感器电极的电容，且输出对应的触摸传感器接近性输出信号。
21.一种用于接近性和力感测的控制面板，其包括覆盖层；第一电极层，其包括第一力传感器电极；第二力传感器电极；电介质衬底，其至少一部分是可压缩的，且位于所述第一力传感器电极与第二力传 感器电极之间；支撑层，其经定位以支撑所述第二力传感器电极和在所述第二力传感器电极附近的 层，其中所述电介质衬底的可压缩部分使所述第一力传感器电极与第二力传感器电极分罔；触摸传感器电极，其邻近一层定位且与所述力传感器电极和所述电介质衬底的可压 缩部分间隔开；以及控制器，其包括耦合到所述第二力传感器电极的能够测量其电容且输出对应的力传 感器信号的电容性感测通道，以及耦合到所述触摸传感器电极的能够测量其电容且输出 对应的触摸传感器接近性信号的电容性感测通道。
22.根据权利要求21所述的控制面板，其中所述第二力传感器电极在第二电极层上， 所述第二电极层大体上定位于所述电介质衬底的与所述第一电极层相对的侧上。
23.根据权利要求22所述的控制面板，其中所述触摸传感器电极在所述第一或第二电 极层中的一者上。
24.根据权利要求21所述的控制面板，其中所述第二力传感器电极定位于所述支撑层 上或所述支撑层内。
25.—种方法，其包括提供感测元件，所述感测元件包含覆盖层；第一电极层，其包括第一力传感器电 极；第二力传感器电极；电介质衬底，其至少一部分是可压缩的，且定位于所述第一力 传感器电极与第二力传感器电极之间；以及触摸传感器电极；在所述第一和第二力传感器电极以及所述电介质衬底的所述可压缩部分与支撑位置 对准的位置处支撑所述感测元件，使得所述第一和第二力传感器电极的间距取决于施加 到所述覆盖层的力的量值；测量所述第二力传感器电极的电容，且输出对应的力传感器输出信号；以及测量所述触摸传感器电极的电容，且输出对应的力传感器输出信号。
26.—种控制面板，其包括第一电极层，其包含第一力传感器电极；第二力传感器电极；电介质衬底，其至少一部分是可压缩的，且定位于所述第一力传感器电极与第二力 传感器电极之间；支撑层，其经定位以支撑所述第二力传感器电极和在所述第二力传感器电极附近的 层，其中所述电介质衬底的可压缩部分使所述第一力传感器电极与第二力传感器电极分 离；以及第一触摸传感器电极，其与所述第一和第二力传感器电极横向分离。
27.根据权利要求26所述的控制面板，其中所述电介质响应于实质上仅在支撑所述第 二力传感器电极的所述支撑层处的力而压缩。
28.根据权利要求26所述的控制面板，其中所述第一触摸传感器电极安置于所述第一 电极层中，且其中所述控制面板进一步包括第二触摸传感器电极，所述第二触摸传感器 电极通过所述电介质的在施加力时不压缩的部分与所述第一触摸传感器电极分离。
全文摘要
一种用于接近性和力感测的控制面板包含覆盖层；第一电极层，其包含第一力传感器电极；第二力传感器电极，其位于第二电极层中或支撑层上；以及电介质衬底，其至少一部分是可压缩的，且定位于所述第一力传感器电极与第二力传感器电极之间。所述支撑层经定位以在第二力传感器电极支撑位置附近进行支撑，使得所述电介质衬底的压缩以及所述第一和第二力传感器电极的间距取决于施加到所述覆盖层的力的量值。触摸传感器电极位于所述电极层中的一者或一者以上上，使得其电容取决于例如手指等物体的接近性。控制器分别测量所述力和触摸传感器电极的电容，且输出力和触摸接近性信号。
文档编号G06F3/044GK102012772SQ20101027571
公开日2011年4月13日 申请日期2010年9月3日 优先权日2009年9月4日
发明者埃萨特·伊尔马兹, 彼得·斯利曼, 萨米埃尔·布吕内 申请人:爱特梅尔公司