基于电容感测的力测定的制作方法

基于电容感测的力测定的制作方法
【专利说明】基于电容感测的力测定
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]《专利合作条约》下的本专利申请要求于2013年2月8日提交的标题为“ForceDeterminat1n Based on Capacitive Sensing” 的美国临时性专利申请 61/762，843、以及于2013年9月26日提交的标题为“Layered Force Sensor”的美国临时性专利申请61/883，181的优先权，上述专利的内容全文以引用方式并入本文中。
技术领域
[0003]本专利申请整体涉及感测触摸的力的系统和方法，尤其涉及与设备集成的用于检测和测量施加到设备表面的触摸的量或量值的电容力传感器。
【背景技术】
[0004]触摸设备一般可被表征为能够在设备的表面上接收触摸输入的设备。输入可包括设备上一个或多个触摸的位置，其可被解释为是命令、手势、或其他类型的用户输入。在一个实例中，触摸设备上的触摸输入可被传递到计算系统，并被用来解释与图形用户界面(GUI)的用户交互，包括例如选择显示器上的元素、重新定向或重新定位显示器上的元素、输入文本、和用户输入。在另一实例中，触摸设备上的触摸输入可被传递到计算机系统，并被用于解释用户与应用程序的交互。用户的交互可包括例如操纵音频、视频、照片、展示、文本等等。
[0005]通常，触摸设备上的触摸输入限于触摸在设备上的位置。然而在一些情况下，还检测和测量施加于设备的触摸的力可能是有利的。例如，能够以利用相对较轻的触摸的第一方式来操纵显示器上的计算机生成的对象，或者以利用相对更有力或更敏锐的触摸的第二方式来与对象交互，这对用户来说可能是有利的。以举例的方式，用户利用相对较轻的触摸移动显示器上的计算机生成的对象、然后另选地利用相对更有力或更敏锐的触摸相对于同一计算机选择或调用命令可能是有利的。更一般地，用户能够根据触摸力以多种方式提供输入可能是有利的。例如，用户可提供被解释为轻触摸的第一方式、中等触摸的第二方式、和有力触摸的第三方式等等的输入。另选地，用户能够利用变化的力的量提供模拟输入可能是有利的。这种类型的输入对于例如控制仿真车辆上的加速踏板或者飞行模拟器中飞机的控制表面、或者类似应用可能是有用的。用户能够提供诸如模拟身体运动或换句话说，在虚拟现实(VR)仿真(可能具有触觉反馈)中或在增强现实程序中的输入可能也是有利的。可能还有利的是使用触摸的力来解释多个触摸的相对程度(例如力)和位置，该多个触摸被提供给在触摸设备上同时使用的多个用户界面对象或元素。例如，触摸的力可被用于解释在弹奏乐器的应用中由于用户按压不止一个元素而产生的多个触摸。特别地，多个触摸的力可被用于解释用户在钢琴琴键上的多个触摸。类似地，多个触摸的力可被用于解释在控制机动车辆(具有分开的控制用于加速、制动、打信号灯、和转弯)的应用中用户的多个触摸。

【发明内容】

[0006]本专利申请提供了可被用于测量或确定通过用户接触触摸设备(诸如触敏表面，其一个实例是触摸屏)、或其他压敏输入元件(诸如虚拟模拟控件或键盘)、或其他输入设备而施加的力的量或量值、以及所施加的力的量或量值的变化的技术。这些技术可被结合到使用触摸识别、GUI的触摸元件、以及应用程序的触摸输入或操纵的各种设备(诸如触摸设备、触控板、和触摸屏)中。本专利申请还提供可被用于测量或确定用户在接触触摸设备时所施加的力的量或量值、以及所施加的力的量或量值的变化，并响应于此而提供可供触摸设备的用户使用的附加功能的系统和技术。
[0007]本文所述的某些实施例涉及力传感器，也被称为“力感测结构”或“力敏传感器”。力传感器可与电子设备的外壳集成，其一个实例是触敏电子设备或简称触摸设备。示例性力传感器可包括由可压缩元件或由气隙分开的上部部分和下部部分。上部部分可包括连接到上部电容板的上部主体，下部部分可包括连接到下部电容板的下部主体。在一些情况下，上部部分和下部部分形成可用于测量或检测所施加的力的量或量值的电容器。在其它情况下，上部部分和下部部分附接到另一类型的力传感器，诸如应变仪。可压缩元件通常由柔顺材料或有弹力的材料制成。在一些情况下，可压缩元件被称为“可变形中间主体”、中间元件、或“可压缩层”。
[0008]在一个实施例中，技术可包括提供结合到具有刚性盖玻璃的触摸设备中的力敏传感器。例如，触摸设备可通过测量在盖玻璃的边缘处或在盖玻璃的有效显示区域中盖玻璃的位移来感测在触摸设备上所施加的力。盖玻璃可被设置在弹性或有弹力的基部上，使得所施加的力导致沿盖玻璃的Z轴(例如垂直于盖玻璃的表面)的位移。通过感测沿盖玻璃的边缘的或在盖玻璃的有效显示区域中的点的特定Z位移，可确定所施加的力的[X，Y]位置的近似值。如果多个力在不同位置被施加，则可确定力矩心，由此可确定一个或多个单独力的位置。
[0009]在一个实施例中，盖玻璃相对刚性，并沿附接到一个或多个电容传感器的周边安装。在这种情况下，当力在[Χ，Υ]位置被施加在盖玻璃上时，所施加的力可被分解为在盖玻璃周边的一个或多个边缘处的力矢量，诸如响应于围绕盖玻璃的X或Y轴或者其组合的旋转而可能发生的。在此类情况下，盖玻璃的一个或多个边缘或所述边缘的一部分可被移位，具有可由一个或多个电容传感器测量位移的效应。例如，该一个或多个电容传感器可位于盖玻璃的边缘处的有色盖膜或其他光学不透明或隐藏元件下，而不容易被用户看到。一个或多个电容传感器于是可用于确定相对刚性的盖玻璃的边缘的位移。处理器利用来自那些一个或多个电容传感器的信息，结合来自一个或多个触摸传感器的触摸位置信息，就能够确定所施加的力的量值以及盖玻璃上力被施加于的[Χ，γ]位置。
[0010]在此类实施例中，相对刚性的盖玻璃可被安装在相对有弹力(或换句话讲，弹性)的周边支座上。对于第一实例，周边支座可包括第一电容元件和第二电容元件、以及定位在第一电容元件和第二电容元件之间地可压缩元件诸如相对有弹力的中间元件。相对有弹力的中间元件可包括具有硅元件的微结构、或被构造或以其他方式定位在第一电容元件和第二电容元件之间的其他相对有弹力的元件。对于第二实例，周边支座可包括相对于盖玻璃安装的自电容或互电容电路，其中定位有相对有弹力的元件来缓冲盖玻璃的过多位移。
[0011]在此类情况中，相对刚性的盖玻璃的位移可使相对有弹力的中间元件被压缩或拉伸，这取决于盖玻璃的位移。在这种情况下，盖玻璃的位移可由所述一个或多个电容传感器(不管是互电容的还是自电容的、还是它们的混合的)通过测量盖玻璃与周边支座的基部之间的距离的改变来测量或检测。这就允许从所述一个或多个电容传感器来接收信息的处理器确定盖玻璃的位移的位置和量度。这就允许处理器确定盖玻璃上所施加的力的量值和位置。例如，如果力被施加给盖玻璃，则处理器可响应于盖玻璃的俯仰、倾斜、或偏转的量和角度来确定正在哪个位置施加力、以及正施加多大的力的量度。
[0012]在一个实施例中，盖玻璃可以是相对可变形的，沿周边安装，并配备有在一个或多个[χ，γ]位置处定位在盖玻璃下方的一个或多个力传感器(诸如电容传感器)。力传感器可被用于确定由于盖玻璃上所施加的力而导致的变形的量。例如，所述一个或多个力传感器可包括(相对于用户)定位在盖玻璃下方诸如设置在LCD叠堆或其他显示电路下方的电容传感器。
[0013]在此类情况下，当力被施加到盖玻璃时，所述一个或多个力传感器可测量每个相应[Χ，Υ]位置处盖玻璃的Z位移。在这种配置中，所述一个或多个力传感器可提供表征指示每个[Χ，Υ]位置处盖玻璃的变形的相对量的多-维字段值的信息。根据该信息，处理器或其他电路可确定所施加的力的矩心。根据该信息，处理器或其他电路可确定力正被施加于的一个或多个[χ，γ]位置、以及在每个这样的位置处正施加的力的量值。
[0014]在一个实施例中，所述一个或多个力传感器被配置为相对耐受温度或其他效应的变化。在这种情况下，所述一个或多个力传感器可被保持具有对所施加的力的相对已知的响应量，从而具有相对恒定量的施加力将提供来自所述一个或多个力传感器的相对恒定响应的效应。
[0015]在一个实施例中，盖玻璃上在其边缘处以及在其他位置处的效应基本上可组合地或结合地被测量。在这种情况下，来自盖玻璃的边缘处所述一个或多个电容传感器的信息、以及来自相对于盖玻璃位于其他位置的所述一个或多个电容传感器的信息可组合提供所施加的力的量度。处理器或其它电路于是响应于该信息的组合或结合可确定力正被施加于的一个或多个[χ，γ]位置、以及在每个这样的位置处正被施加的力的量或量值。
[0016]虽然公开了多个实施例(包括其变型形式)，但本领域的技术人员根据示出和描述本公开的示例性实施例的以下详细描述将容易想到本公开的其它实施例。如将认识到，本公开能够在各个明显的方面作出修改，所有修改均不脱离本公开的实质和范围。因此，附图和【具体实施方式】将被视为在实质上是例示性的而不是限制性的。
【附图说明】
[0017]图1示出了示例性触摸设备。
[0018]图2Α示出了具有力感测结构的示例性触摸设备的沿图1中的线1-1截取的剖视图。
[0019]图2Β示出了具有另一力感测结构的示例性触摸设备的沿图1中的线1-1截取的剖视图。
[0020]图3示出了具有力感测结构的示例性触摸设备的沿图2中的线2-2截取的剖视图。
[0021]图4示出了具有力感测结构的示例性触摸设备的沿图2中的线2-2截取的剖视图。
[0022]图5示出了具有力感测结构的示例性触摸设备的沿图2中的线2-2截取的剖视图。
[0023]图6示出了具有电容力传感器的触摸设备的实施例的剖视图。
[0024]图7示出了具有电容力传感器的触摸设备的另一实施例。
[0025]图8示出了具有电容力传感器的触摸设备的另一实施例的剖视图。
[0026]图9示出了触摸I/O设备与计算系统之间的示例性通信。
[0027]图10示出了包括力敏触摸设备的系统的示意图。
[0028]图1lA示出了一示例性操作方法。
[0029]图1lB示出了另一示例性操作方法。
[0030]图12示出了具有电连接器引线的力敏结构。
[0031]图13示出了电连接器引线的剖视图。
[0032]图14示出了制造具有电连接器引线的力敏结构的一示例性方法。
【具体实施方式】
[0033]—般来讲，实施例可采取除了简单的二元感测之外还能够感测力并能够区分多个不同力水平的电子设备的形式。一些实施例可具有将力传感器(例如力敏传感器、力感测元件、或力感测结构)包含在其中的壳体。力传感器可例如包含在设备的一个或多个侧壁或其他表面中形成的沟槽、切口、或孔隙中。在某些实施例中，力感测元件可沿整个周边、侧壁、或侧壁组延伸。例如，力传感器可环绕形成在设备内的内部腔，或者可以其他方式围绕设备的内部延伸。当力被施加在设备的外部(诸如上表面)上时，力传感器可检测到这个力并生成相应的输入信号给该设备。
[0034]—些实施例可结合围绕电子设备的周边间隔开的多个力传感器，而不是单个力感测结构或元件。此外，所述多个力传感器不需要形成连续的阵列或结构，而是可以彼此分立地间隔开。力传感器的数量在不同实施例中可以不同，间隔也可以不同一样。每个力传感器可感测施加在设备某个区域内相邻或附近表面上的力。因此，在两个下面的力传感器之间的点处施加的力可能被这二者感测到。
[0035]—般来讲，力传感器或设备可包括由可压缩元件(例如柔顺性构件)分开的一个或多个电容板、迹线、柔性件等。当力通过设备壳体被传递到力传感器时，可压缩元件可压缩，从而使电容板更靠近到一起。电容板之间距离的这个改变可增大在它们之间所测量的电容值。电路可测量电容值的这个变化，并输出随着电容值变化而改变的信号。处理器、集成电路或其它电子元件可将电容值变化与施加在壳体上的力相关联，从而便于检测、测量、和使用力作为对电子设备的输入。虽然术语“板”可用于描述电容元件，但应当理解，电容元件不需要是刚性的，而相反可以是柔性的(如在迹线或柔性件的情况下)。
[0036]1.术语
[0037]以下术语是示例性的，并不旨在以任何方式进行限制。
[0038]文字“施加的力”及其变型形式一般是指施加于设备表面的触摸的力。一般来讲，所施加的力的程度、量、或量值可利用本文所述的技术来检测和测量。所施加的力的程度、量、或量度无需具有任何特定标度。例如，施加的力的测量可为线性的、对数的或以其他方式非线性的，并且可与施加的力、时间、触摸的位置相关或以其他方式响应于一个或多个因素来周期性地(或以其他方式诸如非周期性地，或换句话讲不时地)被调节。
[0039]文字“手指”及其变型形式一般是指用户的手指、或其他身体部分。例如且非限制地，“手指”可包括用户手指或拇指的任何部分以及用户手的任何部分。“手指”还可包括用户手指、拇指、或手上的任何覆盖物。
[0040]文字“触摸”及其变型形式一般是指对象接触设备表面的动作。对象可包括用户手指、触控笔或其他指向对象。示例性的对象包括硬触控笔、软触控笔、笔、手指、拇指或用户手的其他部分。“触摸”通常具有利用本文所述的技术能检测和测量的所施加的力和位置。
[0041]在阅读了本文档之后，本领域的技术人员将认识到，这些术语的表述将适用于各种技术、方法、物理元件和系统(无论是当前已知的或是其他形式的)，包括本领域的技术人员在阅读本专利申请之后推断出或可推断出的所述各种技术、方法、物理元件和系统的扩展。同样，应当理解，本文所陈述的任何尺寸意在仅仅是实例，并且在不同实施例中可以不同。
[0042]2.力敏设备
[0043]在一个实施例中，力敏设备和系统可包括能够将触摸设备的电路或其他内部元件与外部对象隔离的盖玻璃元件，诸如(在大多数或所有位置)相对透明的物质。术语“玻璃”是指材料的相对硬的片状品质，而并不是将盖玻璃元件的材料限制为仅仅是玻璃材料。盖玻璃元件可由多种材料制成，包括例如玻璃、经过处理的玻璃、塑料、经过处理的塑料、以及蓝宝石。在很多情况下，盖玻璃是透明的，但盖玻璃并非必须是完全透明的或甚至局部透明的。盖玻璃可以基本上直线形状被设置，诸如以覆盖触摸设备的电路以及充当用户的触摸板。盖玻璃也可根据应用而以多种其它形式被形成。
[0044]在一些实施例中，盖玻璃与被配置为检测触摸位置的透明或非透明触摸传感器集成或附接到被配置为检测触摸位置的透明或非透明触摸传感器。透明触摸传感器可以是由一个或多个透明导电线阵列形成的电容触摸传感器。例如，透明触摸传感器可以是由操作地耦接到触摸感测电路的两个横向透明导电线阵列形成的互电容触摸传感器。此类透明触摸传感器能够检测和跟踪盖玻