CN101421692A - 挠性电容传感器 - Google Patents

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D·布鲁斯·威尔逊
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Abstract

本发明涉及一种适于大规模制造的挠性的弹性的电容传感器。该传感器包括绝缘体、绝缘层的第一侧面上的导电层、绝缘层的第二侧面上的导电层，以及电容计，该电容计与上述两个导电层电连接，以检测在对检测器施加作用力时的电容变化。导电层被配置为确定所施加的作用力的位置。可以对传感器进行屏蔽，以减小外部干扰的影响。

Description

挠性电容传感器
技术领域
本发明涉及一种挠性电容传感器。更具体地，本发明涉及一种适于大规模制造的电容传感器，其物理上具有挠性，同时应用上也具有灵活性，并且，其基于传感器的电容变化感测压力的增量改变。
背景技术
此处所使用的传感器这个术语指代对环境改变做出反应的系统。压力传感器利用各种物理原理对所施加的作用力或压力做出反应。光学传感器在所施加的作用力下改变它们的光学性质。类似地，电阻性的或者简单阻性的传感器的电阻在所施加的作用力下改变。当施加了压力时，压电电阻传感器测量压电电阻材料的电阻的变化。
电容传感器改变电容。这可以是响应于所施加的作用力而改变；也可以是响应于与具有相对较大的电容的物体的接近而改变，例如，此物体是人。电容传感器还能够使用阻性和电容性感测的组合，其中，当电容改变时，测量电阻。
例如，已知在触摸屏和电梯按键中使用了电容传感器。通常基于两个原理之一改变电容。第一种方法涉及通过与大电容物体，通常是人通过其手指，进行直接的电气接触来改变由传感系统监控的电容。在某些情况下，这种类型的传感器还具有检测物体与触摸传感器的接近的功能，而不需要与触摸传感器进行物理接触。由于这些系统常常需要人和传感系统之间的直接接触，如果，例如人戴着手套，这些系统将不能发挥作用。此外，电容耦合可能不太适于量化测量所施加的压力或接近程度，而是能够进行二值(开/关)传感。
第二种方法使用由可压缩的弹性的绝缘体分开的两个导体平面。这种组合形成一个电容器，其电容部分取决于导体平面之间的距离。绝缘体在压力下的压缩改变平面之间的电容，这可由传感系统检测到。通过校准被施加了作用力或压力时的压缩，此系统能够用于量化与传感器交互的作用力或压力。
近年来，人们对所谓的“智能织物”的兴趣越来越大，这种“智能织物”使电子器件具有物理挠性。它们允许电子器件集成到已存在的织物中，而不是作为分离的电子器件。智能织物的一种例子是当不使用时可以卷起的计算机键盘。
智能织物以及其它需要挠性的应用都需要挠性传感器。例如，在Cohen的美国专利4,703,757以及Reimer和Danisch的美国专利5,917,180中已经描述了挠性光学压力传感器。可以从英国的Iver Heath的Eleksen有限公司购买到基于两个或多个导体平面的电气接触的挠性传感器。可以从英国Ilkely的softswitch有限公司购买到使用压电电阻原理的挠性压力传感器。在Post等的美国专利6,210,771中描述了基于人体电容的挠性电容传感器。在Goldman等的一系列美国专利中描述了利用导体平面之间的间隔变化的挠性电容传感器。这些专利教示了挠性导电层和绝缘层的使用，但是它们没有教示出可用于确定位置的系统，也没有教示具有多个传感器(超出复制单个传感器的简单情况)的系统。本说明书中引用的所有专利文献的全部内容由此结合在本文中作为参考，如同在本文中全文阐述一样。
因此，仍然存在对于具有好的空间分辨率、能够量化所施加的压力或作用力的大面积挠性电容性压力传感器的需求。此处，我们通过描述利用多个传感器构造挠性电容性传感系统的多种方法来解释那些问题，此处的多个传感器检测所施加的作用力或压力的存在，并且能够确定所施加的作用力或压力的大小和位置。
发明内容
本发明克服了电容性触摸传感器的许多缺点。本发明提供了一种廉价、重量轻、挠性电容传感器以及一种高效的、低开销的制造方法。本发明是适于大规模制造的电容传感器，其物理上具有挠性(flexible)，同时应用上也具有灵活性(flexible)，并且，其基于传感器的电容变化来感测压力的增量。
本发明的一个优点在于能够装配这些组件，即，活动层、绝缘层，以及参考层，以在大规模制造处理中形成本电容传感器的方式。可以方便地以自动化的方式进行涂覆、粘合以及丝网印刷操作。这些操作能够制造非常大的电容传感器阵列或大的织物，从中可以切割出单个的传感器或传感器阵列。
本发明的另一个重要的特征是与穿透连接器的使用兼容，以快速方便地将迹线(trace)和参考平面连接到电容计(电气测量系统)，从而无需定制的电气连接，就可以从本传感器施加或测量电信号。
本发明的再一个特征是使用电容而不是电阻来感测接触。电阻通常需要两个导电表面接触；电容，在一些实施例中，不仅不需要触摸，而且在本发明的一些实施例中甚至不需要与传感器进行物理接触，而是仅需要按键与用户的手指接近。电容还可以用于测量接触的压力，而不仅是接触事件本身。
本发明的还一个特征是能够定位交互的位置。这有几个用处。这使得用户能够进一步定义交互的源，诸如，确定乘客在座椅中的位置。这还使用户能够将不同的功能赋予传感器的不同区域，从而，例如，可以使用单个传感器来创建控制各种功能的触摸屏。
参考附图仔细阅读优选实施例的详细描述后，电子电路和电容电路领域的专业人员将会清楚这些以及其它特征及其优点。
附图说明
附图结合在本说明书中并组成本说明的一部分，附图示出了根据本发明的几种示例性结构和步骤，并且，其与以上给出的本发明的一般性描述以及以下阐述的详细描述一起，用于解释本发明的原理，其中：
图1A是电容传感器的说明性示意图，此电容传感器具有连接到电容计的导电参考层和活动层，和挠性的、弹性的绝缘层，还示出了可选的外部层；
图1B是具有其它绝缘层和参考层的电容传感器的横截面示意图；
图2示出了电容压力传感器的一种实施例，其中，导电元件形成栅格结构；
图3A示出了电容压力传感器的一种实施例，其中，导电元件形成蛇形带状结构；
图3B示出了电容压力传感器的一种实施例，其中，导电元件形成螺旋形结构；
图4A示出了电容压力传感器的一种实施例，其中，导电元件形成阶梯形结构；
图4B示出了电容压力传感器的一种实施例，其中，导电元件形成嵌套的蛇形带状结构；
图5示出了电容压力传感器的一种实施例，其中，导电元件形成导体平面，用于三角测量；
图6是具有可变宽度的蛇形带状的示意图；
图7是阶梯形的示意图，其中，元件具有不同宽度的区域；
图8A是识别用于确定用户交互的位置的挠性传感器的电气参量的示意图；
图8B是识别用于确定用户交互的位置的挠性传感器和电容计的电气参量的示意图。
在各个视图中，尽可能地用相同的附图标记指示相同的元件。
具体实施方式
在所施加的压力足以压缩传感器时，挠性电容传感器的电容发生变化。在某点以下，所施加的作用力的强度与电容的变化程度相关。在另一种替代实施例中，还测量电阻以确定在传感器上的用户交互的位置。电容计监控本挠性电容传感器，以确定是否发生了电容变化以及该变化的程度。
现参考图1A，该图示出了电容压力传感器10的一种实施例，其主要包括第一导电层101，挠性的弹性的绝缘层102，以及第二导电层108。电容压力传感器10还可以包括位于传感器10的一侧或两侧上的保护层104。第一导电层101和第二导电层108电气连接到电容计14。
在本发明一种实施例中，挠性的弹性的绝缘层102是薄的、有挠性、有弹性的薄膜，其厚度小于250微米，优选的是在8到250微米之间，并且，对于一些应用，优选的是在8到50微米之间。此薄膜基本上没有气泡，意味着薄膜不包含泡沫。此薄膜可以是硅酮薄膜(silicone film)，诸如，从马萨诸塞州South Deerfield的Deerfield Urethane可获得的7mil厚的DuraflexPT9300薄膜。可压缩性使得传感器的电容可被所施加的作用力改变。当施加了50到150bar之间的负载时，此绝缘薄膜优选地被压缩50％。此范围使得电容计能够读取可接受的信号。
在另一种实施例中，挠性的弹性的绝缘层102可以是弹性的并且在高度方向可压缩的封闭或敞开的蜂窝状泡沫(cell foam)。一些泡沫化的材料包括，但不限于，聚氨酯泡沫、硅酮、橡胶。当施加0.5到1.0bar之间的负载时，绝缘泡沫优选地压缩50％。
在本发明的另一种实施例中，绝缘层是挠性的弹性的间隔织物。本申请中定义的“间隔织物”是具有由间隙分开的上下表面的织物，其中，间隙是由间隔纱线或纤维支撑的。间隔织物或织物的其它层可以是纺织材料、针织材料、无纺材料、栽绒材料等。在一些实施例中，间隔织物是双针座针织、针刺无织造织物，或者hi-loft无纺织物，其中，使一些纤维有意地指向竖直方向。这些纺织品可以是扁平的或者展现出堆叠形状(pile)。在一些实施例中，间隔织物可以具有1mm到10cm之间的厚度，优选为1mm到1cm之间。可以用诸如聚酯(polyester)、尼龙(nylon)、羊毛(wool)、棉花(cotton)、丝(silk)、聚丙烯(polypropylene)、人造丝(rayon)、lyocell、聚乙烯(聚交酯)(poly(lactide))、丙烯酸(acrylic)等天然或合成纤维形成这样的纺织材料，包括包含了这些天然和合成纤维的混合物和组合物的纺织材料。当施加了0.07到1.4bar之间的负载时，间隔织物优选地压缩50％，并且当施加了0.14bar负载时，压缩10％到50％之间。这些范围使得可由电容计读取可接受的信号。
挠性的弹性的绝缘层102的电阻(从绝缘层102的一侧到其另一侧)优选为109欧姆或者更大。挠性的弹性的绝缘层的绝缘常数越大，电容性压力传感器10的电容就越大。这使得传感器可辨别较小的信号，从而可以辨别所施加的较小的作用力，使得系统更加灵敏。
可以使用挠性的弹性的绝缘层上的导电涂层、固有导电薄膜或织物、或者薄膜或织物上的导电涂层，来制造导电层101和108。在一些配置中，导电层101和108优选的是连续的。在另一些配置中，导电层101和108可以包含独立的分散的导电区域。
可以通过向挠性的弹性的绝缘层102上涂布导电涂层，或者通过以本领域技术人员所熟知的任何方式进行层压(laminating)，将单独的织物或薄膜应用于挠性的弹性的绝缘层102，来形成导电层101和108。优选地，在层之间使用粘合剂。这些粘合剂可以包括活性的聚氨酯(urethane)粘合剂或者低熔点的聚合材料。例如，可以通过轮转照相凹版印刷、刮刀涂布、粉末涂覆或者作为网状，来涂覆粘合剂，这取决于粘合剂的形式。
在一种实施例中，通过在挠性的弹性的绝缘层102上的导电涂层，或者粘合到挠性的弹性的绝缘层102上的薄膜或织物上的导电涂层，来制作导电层101和108。这使得传感器更薄更轻，这对于便携式应用来说是很重要的。这也可以简化装配或者降低开销。可以通过丝网印刷刷布，采用辊子、喷镀、浸渍、掩蔽(masking)、真空镀膜、真空沉积或者任何其它已知的涂覆墨水的方式来涂覆导电墨水。导电层101和108优选地由可印刷的导电材料形成，优选的是碳基(carbon-based)墨水，银基(silver-based)墨水，或者是碳基墨水和银基墨水的组合。此墨水可以是任何导电墨水，通常是通过将树脂或者粘合剂与诸如金、银、铜、石墨粉、炭黑、镍或者其它金属或合金等粉末状导电材料相混合而形成的。丙烯酸脂粘合剂中的石墨是用于丝网印刷导电层101和108的充分导电并且费用低廉的材料。
在另一种实施例中，由固有导电薄膜或织物制作导电层101和108。例如，一些固有导电薄膜和织物包括，例如，金属化的织物、涂布有固有导电聚合体的加碳石蜡薄膜织物、从挠性导电纱线或者涂布有银的纱线构造的织物。优选地，利用热塑性的、热固的、压力灵敏的或者UV可复原的粘合剂，将薄膜或织物粘合到挠性的弹性的绝缘层上。可以用同样的导电材料或者上述材料的任意组合来制作导电层101和108。如果需要，也可以在同一层内使用多种材料的组合。
如果不使用导电层101和108的电阻来确定用户与挠性电容压力传感器10进行交互的位置，则导电层101和108的电阻可以尽可能的低。其通常低于10,000欧姆。如果使用电阻来确定位置，则导电层101和108的电阻通常将高得多，尽管通常低于1兆欧。
为了监控图2、3A、3B、4A、4B、5、6以及7的电容传感器中的电容变化，将第一电压施加到第一导电层101，将第二电压施加到第二导电层108。在第一导电层101和/或第二导电层108上存在不止一个导电区域的情况下，各个区域将获得单独的电压(例如，第三、第四、第五等电压)。在存在不止一个区域的情况下，优选地，将电压按顺序施加到这些区域。更优选地，顺序地施加电压，并且使它们大致相等。优选地，施加到第一导电层101的电压至少与施加到第二导电层108的电压有0.1伏特的差值，更优选地，此差值为1伏特。
在电容传感器上可以有其它层，诸如第二挠性的弹性的绝缘层106和第三导电层107，如图1B所示。第二挠性的弹性的绝缘层106位于第二导电层108上与第一绝缘层102相反的一侧。第三导电层107与第二绝缘层106相邻，处于与第二导电层108相反的一侧。第二绝缘层106和第三导电层107在第二导电层108和第三导电层107之间产生电容，这增加了总电容，从而提高了传感器10的灵敏度。各个导电层可以有一个或多个导电元件。
用于第二挠性的弹性的绝缘层106和第三导电层107的材料可以与前述绝缘层和导电层的材料相同，并具有相同的物理性质。电容计14连接到各个导电层101、108和107。将第一电压施加于第一导电层101，将第二电压施加于第二导电层108，并且，如果存在第三导电层，将第三电压施加于第三导电层107，其中第一和第二电压具有至少0.1伏特的差值，而第二和第三电压具有至少0.1伏特的差值。优选地，第一和第三电压相等。优选地，第一和第三电压形成参考电压，并在电容传感器10工作期间保持恒定。在一种实施例中，参考电压保持等于地面电压或者传感器环境的地电压。这用于最好地将电容传感器10与外部干扰和电气放电隔离开。
第一和第三导电层101和107分别与第二导电层108形成分离的电容器。优选地，在各个导电层101和107上的第一和第三电压是相等的，从而两个分离的电容器电气并联。这简化了测量计14的需求，其将这两个分离的电容器作为具有较大电容的单个电容器。较大的电容通常将改善传感器的灵敏度，这是在第二导电层108的两侧上包含导电层的一个优点。第一导电层101和第三导电层107也保护电容传感器10不受干扰。
传感器10可包括进一步增加的另一个挠性的弹性的绝缘层以及另一个导电层，从而进一步改进灵敏度。这样的层的数目通常受限于增加的层所带来的增加的开销、复杂度、厚度或者硬度。
在用可压缩绝缘体制作的传感器10的情况下，传感器的电容与挠性的弹性的绝缘层102的压缩反向变化。作用于检测器的作用力将压缩挠性的弹性的绝缘层102，从而增加第一导电层101和第二导电层108之间的电容。当消除作用力或者仅仅减轻作用力时，第一导电层101和第二导电层108之间的分隔距离增加，并且电容传感器10的电容减小。绝缘体被压缩的区域将被称为“活动区”。
挠性的弹性的绝缘层102优选为挠性的弹性的层或薄膜。与本发明相关的“挠性的”被定义为意指柔韧的，并且能够通过其最薄的维度充分弯曲，并且返回到扁平构造。优选地，传感器中的各个元件或层均是挠性的。“弹性的”被定义为意指材料在多次压缩的每一次之后基本上返回其初始厚度，不管这种压缩出现在材料的一部分还是整个材料上。在此申请中，绝缘体意指不允许电流流过的材料，并在存在电势差的情况下支持电场。“薄膜”或“泡沫”被定义为挠性材料，其主要只有两个维度，即，一个维度的长度显著小于其在其它两个维度上的长度。泡沫包括其内部的相当大的部分中的空隙空间，这样，泡沫通常是可以很好地被压缩的。薄膜被定义为几乎没有或没有空隙空间。
绝缘层102的弹性对于重复使用和持久性非常重要。挠性很重要，从而可以在需要挠性的应用中使用此传感器，诸如，装配在模制仪表板周围，或者在作为智能织物的一部分的衣服上。优选地，挠性的弹性的绝缘层能够弯曲到曲率半径范围从20mm到5mm，并且更优选地，弯曲到曲率半径范围从10mm到4mm，甚至更优选范围为5mm到1mm。
在图2中，下文称为“栅格”，各导电层可包含多个导电元件(也称为活动元件或活动区)，其在物理上和电气上彼此隔离。第一方向活动元件201是一个导电层中的导电元件，例如，第一导电层101中的导电元件，第二方向活动元件202是第二导电层中的导电元件，例如，第二导电层108中的导电元件。第一方向活动元件201和第二方向活动元件202是在不同的方向，从而相互跨越。各导电层上的活动元件201和202在空间上和电气上彼此分离。导电层101和108中活动元件201和202之外的区域不导电。一个导电层中的元件覆盖另一个导电层中的元件，但是它们由挠性的弹性的绝缘层102(图2中未示出)进行电气隔离。图中示出了元件201和202之间一个重叠区域，例如，被示为活动区210。只要是第一方向元件201与第二方向元件202覆盖的地方，都可出现其它活动区。通过活动元件201a与活动元件202a的重叠，定义活动区210。各个元件201和202可以是直的或者弯曲的，并与测量计14具有单独的电气连接。
在图2中，第一方向活动元件201垂直于第二方向活动元件202。虽然这是通常的情况，但实际上元件可以是任意配置，只要存在重叠区域并且给定层中的元件在物理上和电气上是分离的。优选地，第一方向活动元件201和第二方向活动元件202以5度到175度之间的角度相互交叉。在一种实施例中，第一方向元件与第二方向元件以90度交叉。
测量计14具有连接到各个第一方向元件201和各个第二方向元件202的单独的连接。可将电压顺序地施加到各个第一方向元件201和各个第二方向元件202。当在活动区施加作用力时，可以根据连接到测量计14的哪个连接与电容的改变相关联，来确定活动区的位置。例如，如果将作用力施加于活动区210，则第一方向元件201a和第二方向元件202a之间的电容将下降。测量计14能够检测到该下降。施加于活动区210的作用力将不会影响任何其它成对的第一方向活动元件201和第二方向活动元件202之间的电容；因此，作用力可被关联到具体的活动区210。
优选地，第一方向活动元件201覆盖导电层101的至少80％，第二方向活动元件202覆盖另一导电层108的至少80％，以提供大的总活动区。通常，第一方向活动元件201和第二方向活动元件202的长宽比大于5:1，并且优选地，位于相同的导电层上的元件的物理分隔至少为1mm。
如图1B所示以及以上所描述，可以利用三个导电层制作图2的栅格。这种情况下，第一导电层101包含第一方向活动元件201，第一方向活动元件201至少包含第一和第二导电元件，第三导电层107包含第二方向活动元件202，第二方向活动元件202至少包含第四和第五导电元件。第二导电层108是与栅格的全部活动区相重叠的连续的导电区域(第三导电元件)。在第一导电层101和第二导电层108之间以及第三导电层107和第二导电层108之间测量电容。
图3A示出的配置将被称为“蛇形带”。此实施例中，将导电层配置为在导电层上盘旋(wind)的单个活动元件230。在图3A的配置中，活动元件230是平行长度的来回盘旋。在图3B中示出了另一个例子，其中活动元件230是螺旋形。实际上，能够覆盖全部期望的活动区的任意构造都是可以接受的。假设蛇形带在第一导电层101上，第二导电层108可以是连续的，并且至少应该在每个期望的活动区中覆盖活动元件230。可以逆转各个导电层的角色。即，第一导电层101可以是连续的，而第二导电层108可以是阶梯形或带形构造。这有利于将传感器10与外部的电磁干扰隔离。
通过利用测量计14确定从所施加的作用力，例如，施加的作用力235，到连接231的电阻，以利用蛇形带来确定所施加的作用力的位置。可选地，可以使用连接232改进所施加的作用力的位置。这种情况下，可以利用从作用力235到连接231以及从作用力235到连接232的电阻来确定用户交互的点。
图4A所示的另一个实施例，下文称为“阶梯形”，由一系列不交叉的活动元件220组成，这些元件都包含在同一导电层中，例如，第一导电层101。图中示出活动元件220是相同的并且平行的。然而，虽然这种布置在概念上最简单，线路无需相同或者平行，但是它们必须电气上相互隔离。另一个导电层，例如，第二导电层108应该基本覆盖各个元件220，但其不需要包含分离的区域，并且可以是连续的。测量计14与各个元件220有独立的连接，并与第二导电层108有另一个连接。
为了便于讨论，我们定义沿着活动元件220的位置为“平行”位置，并且垂直于该位置的位置我们将称之为“垂直”位置。可以在各个活动元件220上顺序地施加电压，并且可由电阻计14监控各个元件220与另一个导电层之间的电容。对元件之一(活动元件220a，在活动元件上的作用力施加点处标注“X”225)施加作用力将改变元件与第二导电层108之间的电容。此电容变化可与被施加了作用力的特定元件220a相关联，提供有关引起电容变化的所施加作用力的垂直位置的信息。例如，施加作用力225将改变第一活动元件220a的电容，这可由测量计14通过连接222或连接221来检测。
为了确定沿着活动元件220a的交互225的平行位置，还可以产生从各个元件到测量计14的第二连接(在活动元件220a上示出为221)。利用连接221和222，可以利用电阻来确定从所施加的作用力225到活动元件220a的各端的距离。如果已知活动元件220a的长度，这就提供了所施加的作用力的平行位置的两个度量，降低了数值的不确定性。与垂直位置相结合，这样就在传感器10的平面上确定性地对所施加的作用力进行定位。
在本发明的另一种实施例中，使用图4B所示的嵌套蛇形带构造。在此构造中，导电层包含第一蛇形活动元件230和第二蛇形活动元件236。在连接231和232处，建立测量计14到第一蛇形活动元件230的独立的连接，并在连接237和238处，建立测量计14到第二蛇形活动元件236的独立连接。因此，比起等效的阶梯形，嵌套蛇形带可以具有更少的连接，并且又比等效的单个蛇形带灵敏度更好。尽管图4B仅示出了两个嵌套的蛇形活动元件，根据需要也可以有更多个。各个嵌套的蛇形活动元件可以是任何形状，而不必和其它的嵌套蛇形活动元件形状相同，只要它们全部在物理上和电气上相互隔离即可。
如图1B所示以及以上描述，可以利用三个导电层分别构造图4A的阶梯形、图3A的蛇形带，以及图4B的嵌套蛇形带。这种情况下，第一导电层101和第三导电层107包含活动导电元件。第二导电层108是连续导电区域，其覆盖活动元件的所有活动区。测量第一导电层101与第二导电层108之间的电容以及第三导电层107与第二导电层108之间的电容。导电层101中的活动导电元件可以是相同的，并且可以与导电层107中的活动导电元件配准，即，它们可以完全重叠，这种情况下，如上所述，三层构造提高了传感器10的灵敏度。
可替代地，此布置可以反转。第一导电层101和第三导电层107可以是连续的导电区域，其覆盖包含在第二导电层108中的全部活动导电元件。
确定所施加作用力的位置的另一个方法是通过三角测量。图5示出了利用三角测量的传感器。此构造中，第一和第二导电层101和108均包括相互重叠的大导电区域。这两层中的至少一层具有至少三个到测量计14的宽间隔的连接240。图5示出了具有四个连接240(标注为240a、240b、240c以及240d)的具体例子。利用各个连接240(a-d)进行独立的测量。在每次测量中，使用测量计14确定连接和所施加的作用力245之间的电阻。然后，比较电阻，以确定所施加的作用力的位置。优选地，电容计至少在两个方向上确定位置，以完全确定所施加的作用力在传感器平面中的位置。
应注意，传感器10的灵敏度，其与电容的相对变化相关，将随着活动区相对于全部导电区域的比例的增加而增加。将导电区域定义为施加了监控电压的第一导电层101或第二导电层108的区域。可以通过测量计14来监控电容的变化，这可随后启动期望的响应，诸如，激活收音机等电子装置。
图6示出了进一步通过增加活动区在全部导电区域中的百分比来增加蛇形带的灵敏度的方法。这可通过改变导电元件的宽度与长度之比来实现。可以将活动区255——存在用户交互的区域——制作成由诸如连接带256的薄的导电带连接的更大的导电区域。对于生成这样的导性带，图案化的导电涂层特别有效。应注意，活动区不需要沿着蛇形带250均匀间隔，也不需要大小统一。在251端和252端建立到测量计14的连接。尽管图中示出了蛇形带250采用平行连接带256的盘旋形式，但应理解，覆盖所有期望区域的任意构造都是可接受的。此原理也可用于阶梯形构造。图7示出了这样的例子。阶梯形260的用户交互区域255经由连接带266连接到261端和262端。
在阶梯形上使用蛇形带是一种在简单性和灵敏性之间折中的方法。此蛇形带比较简单，仅有两个到测量计14的连接，仅需要一次或两次测量，以检测并定位所施加的作用力。阶梯形将在传感器10的类似区域上提供更好的灵敏度。和在阶梯形中一样，通过将导电层划分为多个导电元件，减小了任意一个导电元件的区域。这增加了由所施加的作用力覆盖的导电元件的比例，如上所述，增加了灵敏度。
在挠性的弹性的绝缘层102的边缘处，使用穿透连接器(未示出)来建立导电层101和108的电气接触。穿透连接器的工作原理在电子学领域中是公知的。当与外面涂覆有绝缘体的导体建立电气连接时，使用穿透连接器“刺穿(bite)”绝缘体到达内部的导体。穿透连接器将具有齿，其作用于导电层101和108，并且如果存在第三导电层107，也可能作用于第三导电层107。在本发明的另一种实施例中，在导电层101、108和/或107中有多个导电区域，连接器中的分离的齿可接触各个分离的区域，从而当对各个区域或多个区域施加了压力时，可以使用测量计14来感测电容的改变。穿透连接器的使用简化了大规模制造。
穿透连接器使得可经由测量计14与导电层101、107以及108之间的连接器将本发明的挠性电容传感器10连接到电容计14。电容计14测量挠性的弹性的绝缘层102两端的电压，并将此电压与参考电压进行比较。如果绝缘层102两端的电容改变，例如，如果有压力施加于电容传感器10，则绝缘层102两端的电压也将改变。基于参考电压和挠性的弹性的绝缘层102两端的标称电压之间的变化差值生成电压输出信号。随着作用于电容传感器10的作用力减小以及绝缘层102扩张至其初始尺寸，电容下降，过程逆转。
可以通过各种电学方法来测量该布置中的检测器的电容，这里将讨论其中的两种方法。电气测量利用了导电层的电阻不变、仅各个检测器的电容变化这个事实。因而，各种情形的可测量RC时间常数特性仅由于检测器的电容改变而发生变化。一种方法是电压偏移法；另一种是频率响应中的相位偏移法。
在第一种方法中，也就是我们所称的电压偏移法中，我们使用一系列连接到迹线的电阻器。电容计14寻找以下任何一个量：(1)在传感器10放电期间，获取迹线和检测器的设定电压下降的时间；(2)在从传感器10开始放电算起的设定时间内，迹线和检测器的电压的下降；(3)在传感器10的充电期间，获取迹线和检测器的电压的设定上升的时间；或者(4)在从传感器10开始充电算起的设定时间内，迹线和检测器的电压的上升。这四个量中的任何一个都能够用来确定RC时间常数，从而测量检测器的电容变化。
在相位偏移法中，将随时间变化的电压信号作用于活动层。将接地的电阻器连接到参考层。使用电阻器来测量所施加的信号与通过活动层的延迟信号之间的相位偏移。由于活动层中电容的存在导致了延迟，可以使用延迟的变化来确定电容的变化。也可以比较初始信号和延迟信号的幅度来得到关于系统状态的更多信息。
如技术领域中所公知的，电压信号的一般形式包括脉冲、正弦波以及方波。通常，交流电压信号的频率将大于10kHz。
确定所施加作用力的位置的方法取决于确定所施加的作用力与测量计14和导电层的连接之间的导电层的电阻。当电容器(这种情况下，两个导电层101和108)两端施加了电压V0时，电容器两端的电压缓慢变化。由时间常数RC确定变化的速率，其中C是电容，R是电路的电阻。具体地，每过RC秒钟，电压的改变将为因子e，其中e是欧拉常数，约为2.718。
如果导电层具有有限的电阻，则电路电阻R将包括从所施加的作用力与到连接之间的导电层部分到测量计14的电阻。例如，考虑图8A，传感器的示意性电子表示。由挠性的弹性的绝缘层(未示出)隔开导电层401和408。所施加的作用力410改变作用点处的电容C。测量计14通过连接411、412、413和414检测此变化。
在导电层401上，所施加的作用力410和连接411之间的电阻是R1L。类似地，所施加的作用力410和连接412之间的电阻是R1R。在导电层408上，所施加的作用力410和连接413之间的电阻是R2L，而所施加的作用力410和连接414之间的电阻是R2R。从连接到测量计14的直线表示具有可忽略的电阻的电线。根据使用了哪个连接，完整的电路可具有四个不同的总电路电阻：R1＝(R1L+R2L)，R2＝(R1L+R2R)，R3＝(R1R+R2L)，或者R4＝(R1R+R2R)。这是有四个未知电阻R1L、R1R、R2L、R2R的四个等式的系统，从而可以唯一确定这四个电阻。假设已知沿着导电层的电阻和沿着该层的距离之间的关系，即，所确定的电阻和从施加的作用力410到连接点的距离之间的关系，各个电阻提供了所施加的作用力410的位置测量。
应注意，各个导电层提供了对所施加的作用力410的位置的两种测量。因此，仅需要有限电阻的一个导电层即可使用此方法定位所施加的作用力410，并且第二层可以具有非常低(可忽略)的电阻。假设具有有限电阻的两个层增加了对于位置的超定(over-determination)。通过研究图8B中的简化的传感器的电气示意图，可以更好地理解图8A中的传感器行为，其中，图8B通过假设导电层401的导电性非常高，并为电路贡献可忽略的电阻，示出了简化的传感器。并且，当测量电阻R2L时，测量计14已经被扩展以示出其状态。具体地，将连接414设置为接地，并将电压V0施加于连接411。
通常，测量计具有高输入阻抗。即，RM远大于电路中的其它电阻。这种情况下，通过标准电路分析可以看出，连接413处的电压V与所施加的电压V0相关，其中V＝V0/(1+1/(w*C*R2R 2))，w是所施加的电压V0的频率。理想的情况下，为了使传感器10对所施加的作用力410的位置变化具有最高的灵敏度，电压V将对R2R的值具有最高的灵敏度，这是V的等式中取决于所施加的作用力410的位置的唯一的量。对此等式的进一步分析显示，在w小时，V对数值较小的R2R不灵敏，即，对于导电层408的右侧不灵敏。类似地，对于高频w和较小数值的R2L+R2R，除了很小以及很大的R2R值，V对R2R不灵敏，即，在导电层408的中心，灵敏度较低。因此，为了确保导电层408各处都有好的灵敏度，优选地，施加具有中等大小频率的电压，并利用有限电阻的材料来构造导电层408。
尽管仅对于一个具有有限电阻的导电层的简化情况进行了此分析，但是，对于图8A所示的两个导电层都具有有限电阻的更一般的情况，这个结论也成立。如图1B所示，如果使用其它导电的并且挠性的、弹性的绝缘层，此结论也正确。
具有有限电阻的导电层通常在连接点之间具有10-1,000,000欧姆的电阻，优选地，为100-100,000欧姆，更优选地，为1,000-10,000欧姆。可以结合阶梯形、蛇形带、三角测量或者其它构造来实施本发明的利用电阻确定位置的方法。在导电区域是带状的情况下，与阶梯形或蛇形带中的情况一样，可以通过已知的方式，例如，以图3B所示的方式，改变带的宽度来进一步区分右侧和左侧的电阻。
数字信息、衰减时间常数或者相位偏移表示网络的电阻-电容性质的连续时间变化，以及，传感器10的状态。为了实现更好的信噪比，可以对连续的数据流进行平均和过滤。
时间常数法和相位偏移容易出现电磁干扰和寄生电容。因此，信号的噪声内容会模糊真实的情况。执行间隔采样，此间隔是由微控制器中的可设置的中断定义的。通过奈奎斯特准则规定的采样，此准则决定了采样理论以及高频情形的数字重建，可以成功地获取发生频率低于采样频率的一半的事件。在单个采样时刻，几个微秒量级的多次采样分别平均在一起，以减少由模数转换器以及小的电磁效应引起的错误。可以以固定的时间间隔进行采样，或者，更有利地，可以以随机间隔进行采样，从而使噪声频谱与采样间隔的相关性不会很高。
然后，将采样的数据传送到有限脉冲响应滤波器或者无限脉冲响应滤波器。这些滤波器进一步降低了来自诸如电源线等来源的噪声和干扰对采样数据的影响。这样，可以通过更好的估计相位偏移或时间常数来确定对检测器电容的更好的估计。
级联不同的滤波器允许对数据有不同的解释。例如，使用一组滤波器消除或忽略系统的长期性改变(例如，挠性的弹性的绝缘层102中的弹力的逐渐损失)，从而提供稳定的基准，同时，其它滤波器隔离短期改变(例如，按压传感器10)。选择不同的滤波器是对简单采样和阈值比较的显著改进。
电容传感器10通常需要校准。因为基准电容由于环境变化、材料变化以及外部电磁场而随时间漂移，所以需要校准。特别是在泡沫制成的绝缘材料中，尽管使用了具有最小蠕变和磁滞的泡沫，电容还是会随时间变化。能够进行重新校准的传感器总是比不能重新校准的传感器更鲁棒、更灵敏。
有三种校准传感器10的方法。第一种方法是在制造时规划校准设置。第二种方法是每当系统对其自身的一部分进行初始化时，即，在启动时，校准传感器10，这在较长的时间尺度上有效降低了由于一些变动引起的错误。在第三种方法中，通过滤除外部电气噪声以及忽略无意的接触或其它触碰，来对变化的条件连续校准传感器10。市场上已经可购买到被设计成用于感测电容并集成了连续的自校准、噪声过滤以及重新校准的电子模块。
传感器10可以包括其它绝缘层104，也称为覆盖层。这些层不以任何显著的方式对传感器10的电气属性作出贡献。外部层的功能可以包括视觉或者触觉的美观、保护作用，并作为用户接口。可以没有这样的层，也可以有一个或者多个这样的层。如下所述，可以由不同材料制成多个层，以提供不同的功能。优选地，覆盖层是织物。此织物可以是任何已知的构造，包括但不限于针织物、纺织物，或者无纺织物。
可以涂敷、层压、缝合电气绝缘的一个或多个外部层104，或者以其他方式将其应用于传感器的外部表面。可以用任意材料以任意方式构造这些层，使传感器的整体挠性保持在可接受的水平。通常，这些材料将保留本发明的电容传感器典型的薄的外形。可用于覆盖层104的可能的材料包括纺织品、皮革或者其它兽皮、薄膜，或者涂层。在传感器的顶部和底部这两者或者其中之一上可以有外部层104。绝缘层可以分别是多种材料和层的合成，并且外部层的顶部和底部不需要是同样的结构。
可以在传感器最外部的层104上打印装饰性的图形或信息，例如，关于电容传感器10或者显示器，或者应用或连接了电容传感器10的其它装置的信息或指令。通常，电容传感器10的顶部表面，呈现给用户的表面，将包括指示各个检测器的位置和功能的图形。可以选择提供装饰性和功能性方面的材料。除了美观，绝缘外部层104还可以提供保护性功能，诸如，防磨损和抗击打、防污染、防溢洒和液体、防紫外辐射退化等。可以使用相似的材料制作电容传感器10的底层，以用于与顶层类似的功能，除了通常不包括装饰性或信息图形之外。
本发明的范围应包括结合了本发明的原理设计特征的所有变形，并且，由所附的权利要求的范围确定本发明的范围和界限。因此，还应理解，本文描述的发明性概念是可互换的，并且/或者，在本发明的其它置换中可以同时使用这些发明性概念，并且，对于本领域技术人员而言，无需脱离本发明的精神或者范围，根据之前对优选实施例的描述，就会清楚其它变形和替换。

Claims (20)

1.一种挠性的电容性传感栅格，包括：
挠性的弹性的绝缘层，其具有第一和第二侧面；
所述绝缘层的第一侧面上的第一导电层，其至少包括第一和第二导电元件，其中，所述第一导电元件与第二导电元件电气隔离；以及
所述绝缘层的第二侧面上的第二导电层，其至少包括第三和第四导电元件，其中，所述第三导电元件与第四导电元件电气隔离，其中，所述第三元件至少部分地覆盖所述第一和第二元件，并且，所述第四元件至少部分地覆盖所述第一和第二元件，并且，其中，通过所述挠性的弹性的绝缘层将所述第三和第四元件与所述第一和第二元件电气隔离。
2.如权利要求1所述的挠性的电容性传感栅格，进一步包括电气连接到各个导电元件的电容计。
3.如权利要求1所述的挠性的电容性传感栅格，其中，所述导电元件的长宽比大于5:1。
4.如权利要求1所述的挠性的电容性传感栅格，其中，所述第三导电元件以5到175度之间的角度与所述第一和第二导电元件交叉。
5.如权利要求4所述的挠性的电容性传感栅格，其中，所述第四导电元件以5到175度之间的角度与所述第一和第二导电元件交叉。
6.如权利要求1所述的挠性的电容性传感栅格，其中，所述导电元件形成栅格。
7.如权利要求1所述的挠性的电容性传感栅格，其中，所述传感栅格进一步包括至少一个位于所述第一导电层上与绝缘体相反一侧的覆盖层。
8.如权利要求7所述的挠性的电容性传感栅格，其中，所述覆盖层包括织物。
9.如权利要求1所述的挠性的电容性传感栅格，其中，各个导电元件分别具有1兆欧或更低的电阻。
10.如权利要求1所述的挠性的电容性传感栅格，其中，所述绝缘层包括间隔织物。
11.一种挠性的电容性传感栅格，包括：
挠性的弹性的绝缘层，其具有第一和第二侧面；
所述绝缘层的第一侧面上的第一导电层，其至少包括第一和第二导电元件，其中，所述第一导电元件与所述第二导电元件电气隔离；
所述绝缘层的第二侧面上的第二导电层，其至少包括第三导电元件；
第二弹性的绝缘层，其第一侧面被连接到所述第二导电层；以及
第三导电层，其至少包括位于所述第二弹性的绝缘层的第二侧面上的第四和第五导电元件，其中，所述第四导电元件与所述第五导电元件电气隔离，其中，所述第一、第二、第四和第五导电元件形成栅格，并且所述第三导电元件至少位于所述第一和第二导电元件与所述第四和第五导电元件重叠的位置处。
12.如权利要求11所述的挠性的电容性传感栅格，进一步包括电气连接到各个导电元件的电容计。
13.一种挠性的电容传感器，包括：
挠性的弹性的绝缘层，其具有第一和第二侧面；
所述绝缘层的第一侧面上的第一导电层，其包括至少一个第一导电元件；
所述绝缘层的第二侧面上的第二导电层；其中，所述第一导电元件至少部分地与所述第二导电层重叠；以及
电气连接到所述导电元件的电容计，其中，所述电容计测量所述第一导电层和所述第二导电层之间电容的变化，并且，其中，所述电容计在沿着所述第一导电层的第一导电元件的方向确定用户交互的点的位置。
14.如权利要求13所述的挠性的电容传感器，其中，所述电容计在一个方向上确定位置。
15.如权利要求13所述的挠性的电容传感器，其中，所述电容计在至少两个方向上确定位置。
16.如权利要求13所述的挠性的电容传感器，其中，所述电容计分别将电压施加于所述第一导电元件或所述第二导电层上的2个或更多的不同位置，并根据来自各个施加的电压的信号值来确定用户交互的位置。
17.如权利要求13所述的挠性的电容传感器，其中，所述第一导电元件具有蛇形形状。
18.如权利要求13所述的挠性的电容传感器，其中，所述第一导电元件具有螺旋形状。
19.如权利要求13所述的挠性的电容传感器，其中，所述第一导电元件的宽度随着该元件的长度而变化。
20.如权利要求13所述的挠性的电容传感器，其中，所述传感器进一步包括第二弹性的绝缘层和第三导电层，所述第二挠性的绝缘层的第一侧面连接到与所述第一绝缘层相反的第一导电层，第三导电层至少包括位于所述第二弹性的绝缘层的第二侧面上的第三导电元件。
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