电容式挠曲传感器的制作方法

相关专利申请

本申请要求2018年8月21日提交的、由keithedwincurtis命名为“physicalforcetouchcapacitiveflexsensor”的共同拥有的美国临时专利申请序列号62/720401的优先权，并且据此以引用方式并入本文以用于所有目的。

本公开涉及挠曲传感器，并且更具体地讲，涉及电容式挠曲传感器。

背景技术：

挠曲传感器可用于输入关于使用者的手指、手、手臂和/或腿部的运动的信息。现有技术的挠曲传感器依赖于压敏电阻油墨，并且必须与适形于身体部位的附接设备(例如，使用者的手上的手套)物理地集成。压敏电阻油墨挠曲传感器的输出是基于传感器结构的总挠曲的电阻。这些挠曲传感器在一定程度上是柔性的，但确实需要努力来使它们挠曲。因此，这些电阻油墨挠曲传感器具有一定抗挠曲性，从而降低了运动灵敏度。

挠曲传感器的构造通过多种制造方法来实现，但既耗时又昂贵。现有技术的方法将预构建的挠曲传感器缝合到手套上并安装监测电子器件和该手套。手套必须针对每个使用者单独设定尺寸，并且如果损坏，则必须丢弃整个手套和传感器。由于附接传感器并将它们布线到电子器件所需的复杂方法，因此制造手套的成本也很高。通常，仅约10个挠曲传感器可高性价比地实现在附接设备上，并且通常牺牲手指关节所需的精细细节以节省成本。

技术实现要素：

因此，所需要的是挠曲传感器的更简单、性价比更高的具体实施，优选地能够在手套损坏的情况下重复使用电子器件，并且易于被适配为贴合不同尺寸要求。

根据一个实施方案，一种用于检测挠曲位置变化的装置可包括：具有厚度的柔性非导电基板；多个导电板，该多个导电板邻近柔性非导电基板的第一表面并且选择性地位于该第一表面上；和多个第一电连接部，该多个第一电连接部耦接到多个导电板中的相应导电板，其中当可将挠曲力施加到邻近多个导电板中的至少一个导电板的区域时，执行以下操作中的至少一者：柔性非导电基板在挠曲力施加区域处的厚度可改变；并且多个导电板中的至少一个导电板的面积可改变。

根据另一个实施方案，该装置可包括：第二电连接部，该第二电连接部被适配用于耦接到邻近柔性非导电基板的第二表面的导电表面；其中导电表面、柔性非导电基板和多个导电板形成多个电容式挠曲传感器，并且其中所述多个电容性挠曲传感器中的每个电容性挠曲传感器包括具有电容的电容器，并且当可将挠曲力施加到邻近多个导电板中的至少一个导电板的区域时，相应电容性挠曲传感器的电容改变。

根据另一个实施方案，当可将挠曲力施加到邻近多个导电板中的至少一个导电板的区域时，柔性非导电基板厚度在挠曲力施加区域处减小。根据另一个实施方案，当可将挠曲力施加到邻近多个导电板中的至少一个导电板的区域时，柔性非导电基板在挠曲力施加区域处拉伸，由此邻近挠曲力施加区域的多个导电板中的至少一个导电板的面积增大。

根据另一个实施方案，导电表面可以是使用者的皮肤。根据另一个实施方案，柔性非导电基板可被成形为适形于身体部位。根据另一个实施方案，挠曲力可以是身体部位的位置的变化。根据另一个实施方案，可提供用于测量多个电容性挠曲传感器中的每个电容性挠曲传感器的电容的电容测量电路。根据另一个实施方案，可提供用于存储和处理多个电容性挠曲传感器的所测量的电容的微控制器。根据另一个实施方案，与多个导电板中的每个导电板相关的多个挠曲传感器的所测量的电容可与在相应挠曲力施加区域处施加的相应挠曲力相关联。

根据另一个实施方案，所施加的挠曲力可以来自柔性非导电基板到多个电容性挠曲传感器中的每个电容性挠曲传感器处的区域的运动。根据另一个实施方案，使用者的手上的皮肤表面可以是导电表面，并且柔性非导电基板可成形为使用者的手贴合在其中的手套。根据另一个实施方案，所施加的挠曲力可以是通过使用者的手在手套内的至少一部分的角位置的变化而引起的柔性非导电基板的位移。根据另一个实施方案，使用者的手的至少一部分可选自手指关节、拇指关节、指关节和腕部。根据另一个实施方案，导电表面可被设置在柔性基板的第二表面上。根据另一个实施方案，可提供与多个导电板绝缘并位于多个导电板上方的导电屏蔽件。

根据另一个实施方案，一种用于检测多个位置处的挠曲位置变化的方法可包括以下步骤：提供具有厚度的柔性非导电基板；提供多个导电板，该多个导电板邻近柔性非导电基板的第一表面并且选择性地位于该第一表面上；提供邻近柔性非导电基板的第二表面的导电表面；将多个第一电连接部耦接到多个导电板中的相应导电板；提供具有导电表面、柔性非导电基板和多个导电板的多个电容性挠曲传感器，其中所述多个电容性挠曲传感器中的每个电容性挠曲传感器具有电容；以及测量多个电容性挠曲传感器中的每个电容性挠曲传感器的电容。

根据该方法的另一个实施方案，该方法可包括将至少一个力施加到邻近所述多个电容性挠曲传感器中的至少一个电容性挠曲传感器的至少一个区域的步骤，由此该电容性挠曲传感器的至少一个电容改变。根据该方法的另一个实施方案，该方法可包括将多个电容式挠曲传感器的所测量的电容与施加到邻近该多个电容式挠曲传感器的区域中的每个区域的挠曲力相关联的步骤。根据该方法的另一个实施方案，所施加的挠曲力可表示到邻近所述多个电容式挠曲传感器中的任何一个或多个电容式挠曲传感器的区域的角位置变化。根据该方法的另一个实施方案，该方法可包括检测所测量的电容的变化的步骤。根据该方法的另一个实施方案，该方法可包括当可将挠曲力施加到所述多个电容式挠曲传感器时确定所述多个电容式挠曲传感器中的每个电容式挠曲传感器的电容的变化的步骤。

附图说明

通过参考以下结合附图的描述，可以获得对本公开的更完整的理解，其中：

图1示出了根据本公开的教导内容的人手上的挠曲区域的示意图；

图2示出了根据本公开的教导内容的当握拳时人手上的压缩点的示意图；

图3示出了根据本公开的特定示例性实施方案的在典型应用期间作用于电容性挠曲传感器上的力的示意图；

图4示出了根据本公开的特定示例性实施方案的可在致动期间导致电容性挠曲传感器变形的力的示意图；并且

图5示出了根据本公开的特定示例性实施方案的用于与安装在设备上的多个电容性挠曲传感器进行交互的电路的示意图，该设备用于将电容性挠曲传感器附接到使用者身体的一部分；

图6示出了根据本公开的特定示例性实施方案的针对图5所示的多个电容性挠曲传感器的电子接口的示意性框图；并且

图7示出了根据本公开的特定示例性实施方案的电容性挠曲传感器的操作的示意流程图。

虽然本公开易受各种修改形式和替代形式的影响，但是其特定示例性实施方案已经在附图中示出并且在本文中详细描述。然而，应当理解，本文对特定示例性实施方案的描述并非旨在将本公开限于本文所公开的形式。

具体实施方式

对于虚拟现实界面，本公开的实施方案可包括针对使用者的手指、手、脚部、颈部和手臂的运动传感器。这些运动传感器可包括电容性挠曲传感器，该电容性挠曲传感器的电容在其结构被物理地下压、伸长和/或变形时改变。下压、伸长和变形在本文中将互换使用。

根据本公开的特定示例性实施方案，当将力施加到电容式挠曲传感器时，该电容式挠曲传感器的电容改变。该力导致位于电容器板之间的柔性介电基板的厚度和/或电容器板的板面积改变，从而改变其电容值。例如，由两个平行板构造的电容器的电容c(该两个平行板各自具有面积a并且以距离d分开)由公式表示：c＝εrε0(a/d)，其中εr是板之间材料的介电常数，并且ε0是电常数。如果使面积a变大或使板之间的距离d变小，则电容c将增大。人体主要是εr超过80的水，因此成为电容器板的良好导电表面。

电容式挠曲传感器板可附接到绝缘材料(介电基板)(例如，手套)的表面，并且手套可放置在使用者的手上。然后，使用者的皮肤可充当所有挠曲传感器的接地层或共用电容器板，其中接地层充当一个电容器板，并且传感器板充当另一个电容器板，其间具有可变形电介质(手套材料)。当放置在使用者的手上时，使用者的手(皮肤)可在手套中的某个点处耦接到接地(共用)连接部。当使用者挠曲单个关节时，结果是手套表面(介电基板)的纵向拉伸和/或关节挠曲位置处的压缩，这可导致手套材料(介电基板)在挠曲关节上减薄或压缩，从而引起电容式挠曲传感器在该挠曲关节处的电容的可测量变化。另选地，放置在手套的相对侧(内表面)上的导电涂层可用作尺寸和位置与传感器(顶部)板大致相同的接地层(板)或多个接地板，并且耦接在一起，从而消除了需要电耦接到使用者的手的皮肤的必要性。

仅需要将一个电接触件粘结到手套，这可通过例如但不限于将含银油墨印刷到手套的内部部分上或将导电材料编织到手套中来实现。因此消除了需要必须单独附接到手套的表面的分开制造的传感器，从而降低了成本并允许使用更多传感器，因此导致更准确的运动检测。添加包括挠曲传感器的电容器的导电板的成本也降低，因为该导电板可通过在手套的外层上印刷来添加。优选地，具有其印刷导电传感器板的手套将是一次性的，其中感测电子器件能够从这些传感器板拆卸以用于转移到新的手套/传感器板或用于不同使用者的新尺寸的手套/传感器板。

可例如使用含银油墨来丝网印刷手套的外部，以在每个挠曲点(使用者关节)上方形成多个电容性挠曲传感器板。然后可使用导电粘合剂将监测电子器件附接到手套，以用于与电容式挠曲传感器板中的每个电容式挠曲传感器板进行电接触。单独的导电电极接触件可保持抵靠使用者的皮肤以形成用于电容性挠曲传感器的接地(共用板)连接部。作为另外一种选择，手套的内部可具有导电涂层，该导电涂层提供传感器电容器的共用(接地)板。一旦被使用者佩戴，使用者就可执行简单的关节挠曲序列以将电子器件校准到手套和使用者。

本公开的实施方案还可适于检测人的身体的其他部位(例如但不限于膝部、腿部、髋部、脚部、手臂、肘部、腕部、颈部、躯干)中的运动，并且可与信号处理结合用于检测不寻常的运动或非运动，例如但不限于帕金森症、癫痫、呼吸停止。这些电容性挠曲传感器还可用于在人工刺激下(诸如当在其电刺激期间控制麻痹性腿部肌肉时)对肢体运动进行廉价反馈检测。

导电屏蔽件可被放置在电容性挠曲传感器的导电板上方(例如，电容性挠曲传感器的与共用/接地板相对的导电板的一侧上方)，并且可与电容性挠曲传感器的导电板处于基本上相同的电压。这将减小外部电场影响电容性物理力传感器的操作的效果。

现在参见附图，示意性地示出了示例性实施方案的细节。附图中的相似元件将由相似数字表示，并且类似的元件将由具有不同的小写字母后缀的相似数字表示。

参见图1，其描绘了根据本公开的教导内容的人手上的挠曲区域的示意图。手的关节形成良好的挠曲点，以用于将力施加到电容式挠曲传感器的区域。该力可导致电容性挠曲传感器的结构改变，例如，由于介电基板的拉伸而减小介电基板厚度和/或增大传感器电容器板的面积，这两者均导致其电容值的增大。施加到电容性挠曲传感器的力的量可根据关节的挠曲的角度(量)而变化。因此，可获得与关节的挠曲的角度(量)成比例的电容值范围。关节位置(角度)的校准可与电容性挠曲传感器的对应电容值相关联。

参见图2，其描绘了根据本公开的教导内容的当握拳时人手上的压缩点的示意图。如图2所示，指关节和第一手指关节处的压力点在电容性挠曲传感器所在的对应点处施加压缩压力。如上所述，传感器电容器中的每个传感器电容器可由电容器板放置在可变形电介质上的位置限定。压缩力的量可与关节角度挠曲成比例。

参见图3，其描绘了根据本公开的特定示例性实施方案的在典型应用期间作用于电容性挠曲传感器上的力的示意图。将产生弯曲半径处的力，从而导致该区域压缩并导致介电厚度(d)减小，因此增大电容性挠曲传感器在该位置处的电容。

参考图4，其描绘了根据本公开的特定示例性实施方案的可在致动期间导致电容性挠曲传感器变形的力的示意图。图4示出了拉伸力，该拉伸力可增大电容性挠曲传感器板的面积(a)和/或减小介电厚度(d)，从而改变(增大)相应电容性挠曲传感器的电容值。因此，当关节挠曲时，介电材料(例如，手套)拉伸并变薄，从而更靠近使用者的皮肤(接地板或皮肤板)移动传感器板。拉伸还可增大电容式挠曲传感器板的面积，从而增大其电容。

参考图5，其描绘了根据本公开的特定示例性实施方案的用于与安装在设备上的多个电容性挠曲传感器进行交互的电路的示意图，该设备用于将电容性挠曲传感器附接到使用者身体的一部分。多路复用器502可用于将每个电容式挠曲传感器504耦接到如图6所示的检测和处理电子器件。

参考图6，其描绘了根据本公开的特定示例性实施方案的针对图5所示的多个电容性挠曲传感器的电子接口的示意性框图。微控制器606可用于生成在电容式挠曲传感器504的板上的信号电压并且确定其电容。传感器的电容确定可通过电容分压(cvd)、充电时间测量单元(ctmu)或其他电容测量技术来进行。这些电容值可存储在微控制器和存储器606中，并且用于确定来自力产生设备(例如，使用者的手)的挠曲输入(例如，关节角度位置)。挠曲位置信息可经由无线传输(例如，蓝牙、wifi等)从微控制器606传输。

参见图7，其描绘了根据本公开的特定示例性实施方案的电容性挠曲传感器的操作的示意流程图。在步骤710中，在不将挠曲力施加到邻近电容性挠曲传感器504的区域中的任何区域的情况下，测量多个电容性挠曲传感器504中的每个电容性挠曲传感器的电容。在步骤712中，这些非挠曲力电容可存储在存储器(例如，微控制器和存储器606)中。在步骤714中，在将挠曲力施加到邻近电容性挠曲传感器504的区域的情况下，测量多个电容性挠曲传感器504中的每个电容性挠曲传感器的电容。在步骤716中，这些挠曲力电容可存储在存储器(例如，微控制器和存储器606)中。在步骤718中，所存储的电容变化可与相应挠曲力相关联。在步骤720中，挠曲力或所存储的电容变化可与电容性挠曲传感器中的每个电容性挠曲传感器处的相关的挠曲位置相关联。在步骤722中，可提供关于这些挠曲位置的信息以供另一个应用或过程(例如，视频游戏控制、工具操作、机器或设备控制等)使用。电容变化可表示挠曲位置变化并且可用于其校准。

已根据一个或多个实施方案描述了本公开，并且应当理解，除了明确陈述的那些之外，许多等同物、替代物、变型和修改是可能的并且在本公开的范围内。虽然本公开易受各种修改形式和替代形式的影响，但是其具体示例性实施方案已经在附图中示出并且在本文中详细描述。然而，应当理解，本文对具体示例性实施方案的描述并非旨在将本公开限于本文所公开的特定形式。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于通过使用电容式挠曲传感器来检测挠曲位置变化的装置，包括：

具有厚度的柔性非导电基板；

多个导电板，所述多个导电板邻近所述柔性非导电基板的第一表面并且位于所述第一表面上的预先确定的位置处；

多个第一电连接部，所述多个第一电连接部耦接到所述多个导电板中的相应导电板；

第二电连接部，所述第二电连接部被适配用于耦接到邻近所述柔性非导电基板的第二表面的导电表面；并且

所述导电表面、所述柔性非导电基板和所述多个导电板形成多个电容式挠曲传感器，

其中当将力施加到所述柔性非导电基板的区域时，所述基板的所述区域的厚度将减小，或者邻近所述区域的导电板的尺寸将增大，由此相应电容式挠曲传感器的电容将增大，从而指示施加到所述相应电容式挠曲传感器的所述力。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述导电表面是使用者的皮肤。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的装置，其中所述柔性非导电基板被成形为适形于身体部位。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述力由所述身体部位的位置的变化引起。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，还包括用于测量所述多个电容式挠曲传感器中的每个电容式挠曲传感器的电容的电容测量电路。

6.根据权利要求5所述的装置，还包括用于存储和处理所述多个电容性挠曲传感器的所测量的电容的微控制器。

7.根据权利要求5至6中任一项所述的装置，其中与所述多个导电板中的每个导电板相关的所述多个挠曲传感器的所测量的电容与在施加所述力的所述相应区域处施加的所述相应力相关联。

8.根据权利要求1至3或5至7中任一项所述的装置，其中所施加的力由所述柔性非导电基板到所述多个电容性挠曲传感器中的每个电容性挠曲传感器处的区域的运动引起。

9.根据权利要求1至3或5至8中任一项所述的装置，其中使用者的手上的皮肤表面是所述导电表面，并且所述柔性非导电基板成形为所述使用者的手贴合在其中的手套。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所施加的力是通过所述使用者的手在所述手套内的至少一部分的角位置的变化而引起的所述柔性非导电基板的位移。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述使用者的手的所述至少一部分选自手指关节、拇指关节、指关节和腕部。

12.根据权利要求1至3或5至11中任一项所述的装置，其中所述导电表面被设置在所述柔性基板的所述第二表面上。

13.根据权利要求1所述的装置，还包括与所述多个导电板绝缘并位于所述多个导电板上方的导电屏蔽件。

14.一种用于通过使用电容式挠曲传感器来检测多个位置处的挠曲位置变化的方法，所述方法包括以下步骤：

提供具有厚度的柔性非导电基板；

提供多个导电板，所述多个导电板邻近所述柔性非导电基板的第一表面并且位于所述第一表面上的预先确定的位置处；

提供邻近所述柔性非导电基板的第二表面的导电表面；

将多个第一电连接部耦接到所述多个导电板中的相应导电板；

提供具有所述导电表面、所述柔性非导电基板和所述多个导电板的多个电容性挠曲传感器，其中所述多个电容性挠曲传感器中的每个电容性挠曲传感器具有电容；以及

检测所述多个电容性挠曲传感器中的每个电容性挠曲传感器的所述电容的变化，以确定何时将力施加到邻近所述多个电容性挠曲传感器中的至少一个电容性挠曲传感器的区域。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括在不将力施加到邻近所述多个电容式挠曲传感器的所述区域中的每个区域的情况下以及将力施加到邻近所述多个电容性挠曲传感器的所述区域中的每个区域的情况下测量所述多个电容性挠曲传感器的所述电容的步骤。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所施加的力是由所述柔性非导电基板到邻近所述多个电容式挠曲传感器中的任何一个或多个电容式挠曲传感器的区域的角位置变化引起的。