DE112007000350T5

DE112007000350T5 - Flexibler kapazitiver Sensor

Info

Publication number: DE112007000350T5
Application number: DE112007000350T
Authority: DE
Inventors: Alfred R. Deangelis; Bruce D. Wilson; Brian A. Davie Mazzeo
Original assignee: Milliken and Co
Current assignee: Milliken and Co
Priority date: 2006-02-10
Filing date: 2007-02-06
Publication date: 2008-12-11
Also published as: US7578195B2; GB0814435D0; KR20080114724A; CN101421692A; GB2448453A; BRPI0707630A2; JP2009526227A; WO2007094993A1; US7395717B2; US20070248799A1; US20080127739A1

Abstract

Flexibles kapazitives Sensor-Gitter, mit:
einer flexiblen, elastischen, dielektrischen Lage mit einer ersten und einer zweiten Seite;
einer ersten leitfähigen Lage auf der ersten Seite der dielektrischen Lage mit zumindest einem ersten und einem zweiten leitfähigen Element, wobei das erste leitfähige Element von dem zweiten leitfähigen Element elektrisch isoliert ist; und
einer zweiten leitfähigen Lage auf der zweiten Seite der dielektrischen Lage mit zumindest einem dritten und einem vierten leitfähigen Element, wobei das dritte leitfähige Element von dem vierten leitfähigen Element elektrisch isoliert ist, wobei das dritte Element das erste und das zweite Element zumindest teilweise überlappt und das vierte Element das erste und das zweite Element zumindest teilweise überlappt, und wobei das dritte und das vierte Element von dem ersten und dem zweiten Element durch die flexible, elastische, dielektrische Lage elektrisch separiert sind.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft einen flexiblen kapazitiven Sensor. Genauer betrifft die Erfindung einen zur Massenherstellung geeigneten kapazitiven Sensor, der beides ist, physikalisch flexibel und flexibel bei seinen Anwendungen, und der inkrementelle Änderungen beim Druck basierend auf den Änderungen der Kapazität des Sensors wahrnimmt.
Hintergrund
Sensoren, wie der Begriff hier verwendet wird, beziehen sich auf Systeme, die auf eine Änderung in der Umgebung reagieren. Drucksensoren reagieren auf eine aufgebrachte Kraft oder einen Druck unter Nutzung einer Vielfalt von physikalischen Prinzipien. Optische Sensoren ändern ihre optischen Eigenschaften unter aufgebrachter Kraft. Ähnlich weisen elektrische Widerstandssensoren, oder einfach Widerstandssensoren, einen elektrischen Widerstand auf, der sich unter aufgebrachter Kraft ändert. Piezowiderstandssensoren messen die Änderung des elektrischen Widerstands von einem Piezowiderstandsmaterial, wenn Druck aufgebracht wird.
Kapazitive Sensoren ändern Kapazität. Dies kann als Reaktion auf eine aufgebrachte Kraft erfolgen; es kann auch als Reaktion auf die Nähe von einem Objekt mit einer relativ großen Kapazität erfolgen, wie beispielsweise eine Person. Kapazitive Sensoren können auch eine Kombination von Widerstandswahrnehmung und kapazitiver Wahrnehmung bzw. Messung verwenden, bei welcher der elektrische Widerstand gemessen wird, wenn sich die Kapazität ändert.
Kapazitive Sensoren sind bekannt und werden zum Beispiel in Tastbildschirmen und Aufzugstasten verwendet. Die Änderung der Kapazität basiert typischerweise auf einem von zwei Prinzipien. Der erste Ansatz bringt ein Ändern der durch das Sensor-System überwachten Kapazität mit sich, durch direkten elektrischen Kontakt mit einem großen kapazitiven Objekt, üblicherweise eine Person durch ihre Finger. In bestimmten Fällen kann diese Art von Sensor auch funktionieren, um die Nähe von einem Objekt an dem Tast-Sensor zu erfassen, wobei kein physikalischer Kontakt mit dem Tast-Sensor erforderlich ist. Weil diese Systeme häufig direkten Kontakt zwischen der Person und den Sensor-System erfordern, können sie nicht wirken, wenn zum Beispiel die Person einen Handschuh trägt. Außerdem kann eine kapazitive Kopplung nicht gut geeignet sein, um den aufgebrachten Druck oder die Nähe quantitativ zu messen, wobei sie aber zu einer binären (ein/aus) Wahrnehmung bzw. Messung imstande ist.
Der zweite Ansatz verwendet zwei leitfähige Ebenen, die durch ein kompressibles bzw. zusammendrückbares, elastisches Dielektrikum getrennt sind. Dieser Verbund bildet einen Kondensator aus, dessen Kapazität teilweise von dem Abstand zwischen den leitfähigen Ebenen abhängt. Die Kompression des Dielektrikums unter Druck ändert die Kapazität zwischen den Ebenen, was durch das Sensor-System erfasst werden kann. Durch Kalibrieren der Kompression mit der aufgebrachten Kraft oder dem Druck, kann dieses System verwendet werden, um die Kraft oder den Druck der Wechselwirkung bzw. Interaktion mit dem Sensor zu quantifizieren.
In den letzten Jahren gab es ein wachsendes Interesse an so genannten „intelligenten Tuchwaren (smart fabrics)", die elektronischen Geräten eine physikalische Flexibilität verleihen. Sie lassen zu, dass ein elektronisches Gerät in eine bestehende Tuchware aufgenommen wird, eher als dass sie ein separates elektronisches Gerät aufweisen. Ein Beispiel von einer intelligenten Tuchware ist eine Computer-Tastatur, die aufgerollt werden kann, wenn sie nicht verwendet wird.
Flexible Sensoren werden für intelligente Tuchwaren und andere Anwendungen benötigt, die Flexibilität erfordern. Flexible optische Drucksensoren wurden zum Beispiel in dem U.S. Patent 4,703,757 an Cohen und U.S. Patent 5,917,180 an Reimer & Danisch beschrieben. Flexible Sensoren, basierend auf einem elektrischen Kontakt von zwei oder mehr leitenden Ebenen, sind von Eleksen Ltd. aus Iver Heath, Vereinigtes Königreich, erhältlich. Flexible Drucksensoren, die Prinzipien des Piezowiderstands nutzen, sind von Softswitch Ltd. aus Ilkely, Vereinigtes Königreich, erhältlich. Ein flexibler kapazitiver Sensor, basierend auf der Kapazität des menschlichen Körpers, ist in dem U.S. Patent 6,210,771 an Post, et al. beschrieben. Ein flexibler kapazitiver Sensor, der die Änderung im Abstand zwischen leitfähigen Ebenen nutzt, ist in einer Reihe von U.S. Patenten an Goldman, et al. beschrieben. Diese Patente lehren die Verwendung von flexiblen leitfähigen und dielektrischen Lagen, aber sie lehren kein System, das verwendet werden kann, um einen Ort bzw. eine Stelle zu bestimmen, noch lehren sie Systeme mit mehrfachen bzw. mehreren Sensoren (über den einfachen Fall von Replikationen von einem einzelnen Sensor hinaus). Sämtliche Patentdruckschriften, auf die in dieser Beschreibung Bezug genommen wird, werden hierdurch spezifisch durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen, als wenn sie hierin in vollem Umfang dargelegt wären.
Somit bleibt ein Bedarf an einem großflächigen flexiblen kapazitiven Drucksensor mit einer guten Raumauflösung, der imstande ist, einen aufgebrachten Druck oder eine Kraft zu quantifizieren. Hier sprechen wir jene Probleme an durch Beschreiben von mehreren Verfahren zum Aufbauen eines flexiblen kapazitiven Mess- bzw. Sensor-Systems mit mehreren Sensoren, welches das Vorhandensein von einer aufgebrachten Kraft oder einem Druck erfasst und imstande ist, die Größenordnung und die Stelle der aufgebrachten Kraft oder des Drucks zu bestimmen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung überwindet viele der Mängel von kapazitiven Tast-Sensoren. Die vorliegende Erfindung stellt einen preiswerten, leichtgewichtigen, flexiblen, kapazitiven Sensor und ein effizientes Verfahren zur Herstellung mit geringen Kosten bereit. Die vorliegende Erfindung ist ein zur Massenherstellung geeigneter kapazitiver Sensor, der beides ist, physikalisch flexibel und flexibel bei seinen Anwendungen, und der inkrementell Druck basierend auf den Änderungen der Kapazität des Sensors wahrnimmt.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Art wie die Komponenten, nämlich die aktive Lage, die dielektrische Lage und die Referenzlage, montiert werden können, um den vorliegenden kapazitiven Sensor bei einem Massenherstellungsprozess auszubilden. Beschichtungs-, Verleimungs- und Siebdruck-Arbeitsgänge können einfach automatisiert werden. Derartige Arbeitsgänge können eine sehr große Anordnung von kapazitiven Sensoren oder eine große Tuchware herstellen, von welcher einzelne Sensoren oder Sensor-Anordnungen abgetrennt werden können.
Ein anderes wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Kompatibilität mit der Verwendung von Penetrations- bzw. Durchdringungsverbindern zum schnellen und einfachen Verbinden von Spuren und der Referenzplatte mit einem Kapazitätsmesser (ein elektrisches Messsystem), so dass elektrische Signale von dem vorliegenden Sensor aufgebracht oder gemessen werden können, ohne die Notwendigkeit für anwenderspezifische elektrische Verbindungen.
Noch ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Nutzung von Kapazität eher als von Widerstand zum Wahrnehmen eines Kontakts. Widerstand erfordert typischerweise, dass sich die zwei leitfähigen Oberflächen berühren; Kapazität erfordert bei einigen Ausführungsformen nicht nur kein Berühren, sondern erfordert bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung noch nicht einmal einen physikalischen Kontakt mit dem Sensor, sondern lediglich Nähe von einer Taste zu dem Finger des Nutzers.
Kapazität kann auch verwendet werden, um den Druck eines Kontakts zu messen und nicht nur die Tatsache eines Kontakts.
Noch ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit die Position von einer Interaktion zu lokalisieren. Dies kann mehrere Nutzen aufweisen. Es kann zulassen, dass man die Quelle der Interaktion weiter definiert, wie beispielsweise ein Bestimmen der Position von einem Insassen in einem Sitz. Es kann auch zulassen, dass man unterschiedliche Funktionen an unterschiedliche Bereiche des Sensors zuteilt, so dass ein einzelner Sensor zum Beispiel verwendet werden kann, um einen Tastbildschirm zu erzeugen, der eine Vielzahl von Funktionen steuert.
Diese und andere Merkmale und ihre Vorteile werden für Fachleute der Technik von elektrischen Schaltkreisen und kapazitiven Schaltkreisen durch ein gründliches Lesen der ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, begleitet durch die folgenden Zeichnungen, offensichtlich werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die begleitenden Zeichnungen, die in diese Beschreibung aufgenommen sind und die einen Teil von ihr bilden, stellen verschiedene beispielhafte Aufbauten und Verfahrensabläufe gemäß der vorliegenden Erfindung dar, und dienen zusammen mit der oben erteilten, allgemeinen Beschreibung der Erfindung und der unten dargelegten, ausführlichen Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern, wobei:
1A eine veranschaulichende schematische Ansicht von einem kapazitiven Sensor ist, mit einer elektrisch leitfähigen Referenzlage und einer aktiven Lage, verbunden mit einem Kapazitätsmesser, und einer flexiblen, elastischen dielektrischen Lage. Optionale äußere Lagen werden auch gezeigt.
1B ist ein schematischer Querschnitt von einem kapazitiven Sensor mit zusätzlichen dielektrischen und Referenzlagen.
2 zeigt eine Ausführungsform von einem kapazitiven Drucksensor, wo die leitfähigen Elemente eine Gitterausgestaltung ausbilden.
3A zeigt eine Ausführungsform von einem kapazitiven Drucksensor, wo die leitfähigen Elemente eine Serpentinenstreifenausgestaltung ausbilden.
3B zeigt eine Ausführungsform von einem kapazitiven Drucksensor, wo die leitfähigen Elemente eine Spiralausgestaltung ausbilden.
4A zeigt eine Ausführungsform von einem kapazitiven Drucksensor, wo die leitfähigen Elemente eine Leiterausgestaltung ausbilden.
4B zeigt eine Ausführungsform von einem kapazitiven Drucksensor, wo die leitfähigen Elemente eine verschachtelte Serpentinenstreifenausgestaltung ausbilden.
5 zeigt eine Ausführungsform von einem kapazitiven Drucksensor, wo die leitfähigen Elemente leitfähige Ebenen zur Triangulierung bzw. Triangulation ausbilden.
6 ist ein Schema von einem Serpentinenstreifen mit variierender Breite.
7 ist ein Schema von einer Leiter, wo die Elemente Bereiche mit unterschiedlichen Breiten aufweisen.
8A ist ein Schema, das die elektrischen Größen des flexiblen Sensors identifiziert, die verwendet werden, um die Stelle von einer Nutzerinteraktion zu bestimmen.
8B ist ein Schema, das die elektrischen Größen des flexiblen Sensors und des Kapazitätsmessers identifiziert, die verwendet werden, um die Stelle von einer Nutzerinteraktion zu bestimmen.
In dem möglichen Umfang werden gleiche Elemente durch gleiche Bezugszeichen überall in den verschiedenen Ansichten bezeichnet.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Der flexible kapazitive Sensor erfährt eine Änderung der Kapazität bei der Aufbringung einer Kraft, die ausreichend ist, um den Sensor zusammenzudrücken. Der Betrag der aufgebrachten Kraft ist bis zu einem Punkt verknüpft mit dem Umfang der Änderung der Kapazität. Bei einer wechselnden Ausführungsform wird der Widerstand auch gemessen, um die Stelle der Nutzerinteraktion auf dem Sensor zu bestimmen. Ein Kapazitätsmesser überwacht den vorliegenden flexiblen kapazitiven Sensor, um zu bestimmen ob es eine Änderung der Kapazität gab und den Umfang bzw. das Ausmaß derjenigen Änderung.
Nun unter Bezugnahme auf 1A wird eine Ausführungsform von einem kapazitiven Drucksensor 10 gezeigt, der im Allgemeinen eine erste leitfähige Lage 101, eine flexible, elastische dielektrische Lage 102 und eine zweite leitfähige Lage 108 umfasst. Der kapazitive Drucksensor 10 kann auch eine Schutzlage 104 auf einer oder beiden Seiten des Sensors 10 umfassen. Die erste leitfähige Lage 101 und die zweite leitfähige Lage 108 sind mit dem Kapazitätsmesser 14 elektrisch verbunden.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die flexible, elastische dielektrische Lage 102 ein dünner, flexibler, elastischer Film, der eine Dicke von weniger als 250 Mikrometer aufweist, vorzugsweise zwischen 8 und 250 Mikrometer, und für einige Anwendungen zwischen 8 und 50 Mikrometer. Dieser dünne Film ist im Wesentlichen frei von Luftfehlstellen, was bedeutet, dass der Film keinen Schaum enthält. Der dünne Film kann ein Silikon-Film sein, wie beispielsweise ein 7 mil dicker Duraflex PT9300 Film, der von Deerfield Urethane aus South Deerfield, Massachusetts, erhältlich ist. Eine Kompressibilität ermöglicht, dass die Kapazität des Sensors durch eine aufgebrachte Kraft verändert wird. Der dielektrische dünne Film wird vorzugsweise um 50% zusammengedrückt, wenn eine Last zwischen 50 und 150 bar aufgebracht wird. Dieser Bereich ermöglicht, dass ein akzeptables Signal durch den Kapazitätsmesser gelesen wird.
Bei einer anderen Ausführungsform kann die flexible, elastische dielektrische Lage 102 ein elastischer und höchst komprimierbarer Schaum mit geschlossenen oder offenen Zellen sein. Einige geschäumte Materialien umfassen, aber sind nicht beschränkt auf, Polyurethan-Schäume, Silikon, Gummi. Der dielektrische Schaum wird vorzugsweise um 50% zusammengedrückt, wenn eine Last zwischen 0,5 und 1,0 bar aufgebracht wird.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die dielektrische Lage eine flexible, elastische Distanz- bzw. Abstandshalter-Tuchware. „Abstandshalter-Tuchware", wie in dieser Anmeldung definiert, ist eine Tuchware, welche obere und untere Bodenlagen durch einen Spalt getrennt aufweist, der durch Abstandshalter-Garne oder Fasern gestützt wird. Die Abstandshalter-Tuchware oder andere Lagen von Tuchware bei dem Aufbau können ein gewebtes, gewirktes, nichtgewebtes Material sein, Nadelflor-Materialien oder dergleichen. Bei einigen Ausführungsformen ist die Abstandshalter-Tuchware eine Doppel-Nadelleiste-Wirkware, genadelter Vliesstoff oder ein hi-loft Vliesstoff, bei dem einige der Fasern zweckmäßig in der vertikalen Richtung ausgerichtet sind. Die Textilie kann flach sein oder kann einen Flor bzw. Pol aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Abstandshalter-Tuchware eine Dicke zwischen 1 mm und 10 cm aufweisen, vorzugsweise zwischen 1 mm und 1 cm. Derartige Textilmaterialien können aus Natur- oder Kunstfasern ausgebildet sein, wie beispielsweise Polyester, Nylon, Wolle, Baumwolle, Seide, Polypropylen, Kunstseide, Lyocell, Poly(Laktid), Akryl und dergleichen, einschließlich Textilmaterialien, die Mischungen und Kombinationen derartiger Natur- und Kunstfasern enthalten. Die Abstandshalter-Tuchware wird vorzugsweise um 50% zusammengedrückt, wenn eine Last zwischen 0,07 und 1,4 bar aufgebracht wird, und wird zwischen 10 und 50% zusammengedrückt, wenn eine 0,14 bar Last aufgebracht wird. Diese Bereiche ermöglichen, dass ein akzeptables Signal durch den Kapazitätsmesser gelesen wird.
Der elektrische Widerstand über die flexible, elastische dielektrische Lage 102 (von einer Seite der dielektrischen Lage 102 zu ihrer gegenüberliegenden Seite) ist vorzugsweise 10⁹ Ohm oder größer. Je größer die Dielektrizitätskonstante der flexiblen, elastischen dielektrischen Lage ist, desto größer ist die Kapazität des kapazitiven Drucksensors 10. Dies kann zulassen, dass der Sensor kleinere Signale unterscheidet, folglich kleinere aufgebrachte Kräfte, was das System empfindlicher macht.
Die leitfähigen Lagen 101 und 108 können hergestellt werden unter Verwendung einer leitfähigen Beschichtung auf der flexiblen, elastischen dielektrischen Lage, eines inhärent leitfähigen Films oder einer Tuchware, oder einer elektrisch leitfähigen Beschichtung auf einem Film oder einer Tuchware. Bei einigen Ausgestaltungen sind die leitfähigen Lagen 101 und 108 vorzugsweise kontinuierlich. Bei anderen können die leitfähigen Lagen 101 und 108 separate und diskrete leitfähige Bereich enthalten.
Die leitfähigen Lagen 101 und 108 können durch Aufbringen von leitfähigen Beschichtungen auf die flexible, elastische dielektrische Lage 102 oder eine separate Tuchware oder einen Film ausgebildet werden, die/der auf die flexible, elastische dielektrische Lage 102 durch Laminieren auf irgendeine Fachleuten bekannte Art aufgebracht wird. Vorzugsweise wird ein Haftmittel zwischen den Lagen verwendet. Diese können reaktive Urethan-Haftmittel oder niedrigschmelzende Polymermaterialien umfassen. Haftmittel können zum Beispiel durch Rotationstiefdruck, Aufstreichen mit einem Messer bzw. Spatel, Pulveraufbringung oder als ein Netz aufgebracht werden, abhängig von der Form des Haftmittels.
Bei einer Ausführungsform sind die leitfähigen Lagen 101 und 108 durch eine elektrisch leitfähige Beschichtung auf der flexiblen, elastischen dielektrischen Lage oder auf einem Film oder einer Tuchware hergestellt, der/die an die flexible, elastische dielektrische Lage 102 angehaftet wird. Dies ermöglicht, dass der Sensor dünner ist und weniger wiegt, wichtig für tragbare Anwendungen. Dies kann auch eine Montage vereinfachen oder Kosten verringern. Die leitfähige Druckfarbe kann durch Siebdruck, Bürsten, Aufbringen durch eine Walze, Sprühen, Eintauchen, Maskieren, Vakuum-Plattieren, Aufdampfen oder irgendein anderes bekanntes Mittel der Aufbringung von Druckfarbe aufgebracht werden. Die leitfähigen Lagen 101 und 108 werden vorzugsweise durch ein druckbares leitfähiges Material ausgebildet, vorzugsweise eine Carbon-basierte Druckfarbe, eine Silber-basierte Druckfarbe oder eine Kombination aus Carbon-basierten und Silber-basierten Druckfarben. Die Druckfarbe kann irgendeine leitfähige Druckfarbe sein, die typischerweise ausgebildet wird durch Mischen von Harzen oder Haftmitteln mit pulverisierten leitfähigen Materialien, wie beispielsweise Gold, Silber, Kupfer, Graphitpulver, Carbon-Black, Nickel oder anderen Metallen oder Legierungen. Graphit in einem Acryl-Bindemittel ist ein ausreichend elektrisch-leitfähiges und kosteneffektives Material für den Siebdruck der leitfähigen Lagen 101 und 108.
Bei einer anderen Ausführungsform werden die leitfähigen Lagen 101 und 108 durch einen inhärent leitfähigen Film oder eine Tuchware hergestellt. Einige inhärent leitfähige Filme und Tuchwaren umfassen zum Beispiel metallisierte Tuchwaren, Carbon-beladene Olefin-Filme, mit leitfähigen Polymeren beschichtete Tuchwaren, aus flexiblen, leitfähigen Garnen oder Silber-beschichteten Garnen aufgebaute Tuchwaren. Vorzugsweise wird der Film oder die Tuchware an die flexible, elastische dielektrische Lage vorzugsweise unter Verwendung eines Thermoplast-, Duroplast-, druckempfindlichen bzw. Haft- oder UV-aushärtbaren Haftmittels angehaftet. Die leitfähigen Lagen 101 und 108 können aus den gleichen leitfähigen Materialien oder aus irgendeiner Kombination der obigen Materialien hergestellt sein. Kombinationen von Materialien können auch innerhalb der gleichen Lage verwendet werden, wenn gewünscht.
Wenn die Widerstände der leitfähigen Lagen 101 und 108 nicht verwendet werden, um die Position der Nutzerinteraktion mit dem flexiblen kapazitiven Drucksensor 10 zu bestimmen, dann kann der elektrische Widerstand der leitfähigen Lagen 101 und 108 so niedrig wie ausführbar sein. Er ist typischerweise weniger als 10.000 Ohm. Wenn der Widerstand verwendet wird, um eine Position zu bestimmen, wird der Widerstand der leitfähigen Lagen 101 und 108 typischerweise viel höher sein, obwohl er üblicherweise immer noch weniger als 1 Megaohm ist.
Um die Änderung der Kapazität in den kapazitiven Sensoren der 2, 3A, 3B, 4A, 4B, 5, 6 und 7 zu überwachen, wird eine erste Spannung an die erste leitfähige Lage 101 angelegt, und eine zweite Spannung wird an die zweite leitfähige Lage 108 angelegt. In dem Fall, dass es mehr als einen leitfähigen Bereich auf der ersten leitfähigen Lage 101 und/oder auf der zweiten leitfähigen Lage 108 gibt, würde dann jeder Bereich eine separate Spannung erhalten (Bsp. eine dritte, vierte, fünfte usw. Spannung). In dem Fall wo es mehr als einen Bereich gibt, werden vorzugsweise die Spannungen aufeinanderfolgend an die Bereiche angelegt. Bevorzugter werden die Spannungen aufeinanderfolgend angelegt und sind im Wesentlichen gleich. Vorzugsweise sind die Spannungen, die an die erste leitfähige Lage 101 angelegt werden, zumindest 0,1 Volt unterschiedlich von den Spannungen, die an die zweite leitfähige Lage 108 angelegt werden, bevorzugter 1 Volt.
Es kann zusätzliche Lagen auf dem kapazitiven Sensor geben, wie beispielsweise eine zweite flexible, elastische dielektrische Lage 106 und eine dritte leitfähige Lage 107, wie in 1B gezeigt. Die zweite flexible, elastische dielektrische Lage 106 ist auf der zweiten leitfähigen Lage 108 auf der Seite gegenüberliegend der ersten dielektrischen Lage 102. Es gibt eine dritte elektrisch leitfähige Lage 107 angrenzend an die zweite dielektrische Lage 106 auf der Seite gegenüberliegend der zweiten leitfähigen Lage 108. Die zweite dielektrische Lage 106 und die dritte leitfähige Lage 107 erzeugen eine Kapazität zwischen der zweiten leitfähigen Lage 108 und der dritten leitfähigen Lage 107, welche die Gesamtkapazität, und daher die Empfindlichkeit des Sensors 10, vergrößert. Jede der leitfähigen Lagen kann ein oder mehr leitfähige Elemente aufweisen.
Die Materialien, die für die zweite flexible, elastische, dielektrische Lage 106 und die dritte elektrisch leitfähige Lage 107 verwendet werden, können die gleichen Materialien sein und die gleichen physikalischen Eigenschaften aufweisen wie die dielektrische Lage und die leitfähigen Lagen, die zuvor beschrieben wurden. Der Kapazitätsmesser 14 ist mit jeder leitfähigen Lage 101, 108 und 107 verbunden. Eine erste Spannung wird an die erste leitfähige Lage 101 angelegt, eine zweite Spannung wird an die zweite leitfähige Lage 108 angelegt, und eine dritte Spannung wird an die dritte leitfähige Lage 107 angelegt, wenn eine existiert, wo die erste und die zweite Spannung einen Unterschied von zumindest 0,1 Volt aufweisen, und die zweite und die dritte Spannung einen Unterschied von zumindest 0,1 Volt aufweisen. Vorzugsweise sind die erste und die dritte Spannung gleich. Vorzugsweise bilden die erste und die dritte Spannung die Referenzspannung aus und werden während des Betriebs des kapazitiven Sensors 10 konstant gehalten. Bei einer Ausführungsform wird die Referenzspannung gleich Erde oder dem Boden der Sensorumgebung gehalten. Dies wird dazu dienen, den kapazitiven Sensor 10 von äußerer Störung und elektrischen Entladungen am besten zu isolieren.
Die erste und die dritte leitfähige Lage 101 und 107 bilden jeweils einen separaten Kondensator mit der zweiten leitfähigen Lage 108 aus. Vorzugsweise sind die erste und die dritte Spannung an jeder der leitfähigen Lagen 101 und 107 gleich, so dass die zwei separaten Kondensatoren elektrisch parallel sind. Dies vereinfacht die Anforderungen des Messgeräts 14, das die zwei separaten Kondensatoren als einen einzelnen Kondensator mit größerer Kapazität behandeln kann. Eine größere Kapazität wird auch typischerweise die Empfindlichkeit des Sensors verbessern, was ein Vorteil des Aufnehmens von leitfähigen Lagen auf beiden Seiten der zweiten leitfähigen Lage 108 ist. Die erste elektrisch leitfähige Lage 101 und die dritte elektrisch leitfähige Lage 107 helfen auch den kapazitiven Sensor 10 vor Störung abzuschirmen.
Der Sensor 10 kann weitere Hinzufügungen von einer anderen flexiblen, elastischen dielektrischen Lage und einer anderen leitfähigen Lage umfassen, um die Empfindlichkeit weiter zu verbessern. Die Anzahl derartiger Lagen ist üblicherweise durch die zusätzlichen Kosten, Komplexität, Dicke oder Steifigkeit beschränkt, welche die zusätzlichen Lagen auferlegen.
In dem Fall, dass der Sensor 10 mit einem zusammendrückbaren Dielektrikum gebaut ist, variiert die Kapazität des Sensors umgekehrt mit der Kompression der flexiblen, elastischen dielektrischen Lage 102. Eine auf den Detektor aufgebrachte Kraft wird die flexible, elastische dielektrische Lage 102 zusammendrücken, womit die Kapazität zwischen der ersten leitfähigen Lage 101 und der zweiten leitfähigen Lage 108 erhöht wird. Wenn die Kraft entfernt wird, oder lediglich vermindert wird, vergrößert sich der Trennungsabstand zwischen der ersten leitfähigen Lage 101 und der zweiten leitfähigen Lage 108, und die Kapazität des kapazitiven Sensors 10 nimmt ab. Der Bereich über den das Dielektrikum zusammengedrückt wird, wird als der „aktive Bereich" bezeichnet werden.
Die flexible, elastische dielektrische Lage 102 ist vorzugsweise eine flexible, elastische Lage bzw. Schicht oder ein Film. „Flexibel", wie auf diese Erfindung bezogen, ist so definiert, dass es biegsam bzw. nachgiebig bedeutet und imstande zu sein, durch ihre dünnste Abmessung im Wesentlichen gebogen zu werden und zu einer flachen Ausgestaltung zurückzukehren. Vorzugsweise ist jedes Element oder Lage in dem Sensor flexibel. „Elastisch" ist so definiert, dass es ein Material bedeutet, das nach jeder von mehreren Komprimierungen, entweder über einen Abschnitt des Materials oder seiner Gesamtheit, zu seiner Anfangsdicke im Wesentlichen zurückkehrt. Dielektrikum bedeutet in dieser Anmeldung ein Material, das nicht zulässt, dass Strom fließt und ein elektrisches Feld bei Vorhandensein von einer Potentialdifferenz unterstützt. Ein „Film" oder „Schaum" ist so definiert, dass er ein flexibles Material ist, das im Wesentlichen zweidimensional in der Ausdehnung ist, das heißt mit einer Länge in einer Dimension, die beachtlich kleiner als seine Längen in den anderen zwei Dimensionen ist. Schäume umfassen Hohlräume bzw. Fehlstellenräume in einem beachtlichen Anteil von ihrem Inneren und sind somit üblicherweise höchst kompressibel. Filme sind so definiert, dass sie wenige oder keine Hohlräume aufweisen.
Die Elastizität der dielektrischen Lage 102 ist wichtig für eine wiederholte Verwendung und Haltbarkeit. Die Flexibilität ist wichtig, so dass der Sensor bei Anwendungen verwendet werden kann, die Flexibilität erfordern, wie beispielsweise Anpassen bzw. Anordnen um ein geformtes Armaturenbrett oder an Kleidung als Teil einer intelligenten Tuchware. Vorzugsweise ist die flexible, elastische dielektrische Lage imstande, zu einem Krümmungsradius gebogen zu werden, der sich zwischen 20 Millimeter (mm) und 5 mm bewegt, und bevorzugter zu einem Bereich von 10 mm bis 4 mm, und noch bevorzugter zu einem Bereich von 5 mm bis 1 mm.
In 2, von hieran als ein „Gitter" bezeichnet, kann jede leitfähige Lage mehrere leitfähige Elemente (auch aktive Elemente oder Bereiche genannt) enthalten, die physikalisch und elektrisch voneinander isoliert sind. Aktive Elemente 201 erster Richtung sind leitfähige Elemente in einer leitfähigen Lage, zum Beispiel der ersten leitfähigen Lage 101, und aktive Elemente 202 zweiter Richtung sind leitfähige Elemente in einer zweiten leitfähigen Lage, zum Beispiel der zweiten leitfähigen Lage 108. Die aktiven Elemente 201 erster Richtung und die aktiven Elemente 202 zweiter Richtung sind in unterschiedlichen Richtungen und kreuzen somit übereinander. Die aktiven Elemente 201 und 202 auf jeder leitfähigen Lage sind räumlich und elektrisch voneinander getrennt. Die Bereiche außerhalb der aktiven Elemente 201 und 202 in der Ebene der leitfähigen Lagen 101 und 108 sind nicht leitend. Die Elemente in einer leitfähigen Lage überlappen Elemente in der anderen leitfähigen Lage, aber sie sind durch die flexible, elastische dielektrische Lage 102 (in 2 nicht gezeigt) elektrisch getrennt. Ein Überlappungsbereich zwischen den Elementen 201 und 202 wird zum Beispiel als aktiver Bereich 210 gezeigt. Zusätzliche aktive Bereiche können auftreten, wo immer ein Element 201 erster Richtung ein Element 202 zweiter Richtung überlappt. Der aktive Bereich 210 ist durch die Überlappung des aktiven Elements 201a mit dem aktiven Element 202a definiert. Jedes der Elemente 201 und 202 kann gerade oder gekrümmt bzw. gebogen sein, und weist eine separate elektrische Verbindung mit dem Messgerät 14 auf.
In 2 sind die aktiven Elemente 201 erster Richtung senkrecht zu den aktiven Elementen 202 zweiter Richtung. Während dies typisch ist, können in der Praxis die Elemente in irgendeiner Ausgestaltung sein, so lange es Überlappungsbereiche gibt und die Elemente in einer gegebenen Lage physikalisch und elektrisch getrennt sind. Vorzugsweise kreuzen die aktiven Elemente 201 erster Richtung und die aktiven Elemente 202 zweiter Richtung einander bei einem Winkel zwischen 5 Grad und 175 Grad. Bei einer Ausführungsform kreuzen die Elemente erster Richtung die Elemente zweiter Richtung bei 90 Grad.
Das Messgerät 14 weist separate Verbindungen mit jedem Element 201 erster Richtung und jedem Element 202 zweiter Richtung auf. Eine Spannung kann aufeinanderfolgend an jedes Element 201 erster Richtung und jedes Element 202 zweiter Richtung angelegt werden. Wenn eine Kraft an einem aktiven Bereich aufgebracht wird, kann die Stelle des aktiven Bereiches bestimmt werden, durch den Verbindungen mit dem Messgerät 14 mit einer Änderung der Kapazität assoziiert werden. Zum Beispiel, wenn eine Kraft auf den aktiven Bereich 210 aufgebracht wird, dann wird sich die Kapazität zwischen dem Element 201a erster Richtung und dem Element 202a zweiter Richtung verringern. Diese Verringerung bzw. Abnahme kann durch das Messgerät 14 erfasst werden. Die an den aktiven Bereich 210 aufgebrachte Kraft wird die Kapazität zwischen irgendeinem anderen Paar der aktiven Elemente 201 erster Richtung und der aktiven Elemente 202 zweiter Richtung nicht beeinflussen; deshalb kann die Kraft mit einem spezifischen aktiven Bereich 210 assoziiert werden.
Vorzugsweise bedecken die aktiven Elemente 201 erster Richtung zumindest 80% der leitfähigen Lage 101 und die aktiven Elemente 202 zweiter Richtung bedecken zumindest 80% der anderen leitfähigen Lage 108, um einen großen aktiven Gesamtbereich vorzusehen. Typischerweise weisen die aktiven Elemente 201 erster Richtung und die aktiven Elemente 202 zweiter Richtung ein Längen- und Seitenverhältnis von größer als 5:1 auf, und vorzugsweise beträgt die physikalische Trennung von Elementen, die sich auf der gleichen leitfähigen Lage befinden, zumindest 1 Millimeter.
Das Gitter von 2 kann unter Verwendung von drei leitfähigen Lagen hergestellt werden, wie in 1B gezeigt und oben beschrieben. In diesem Fall enthält die erste leitfähige Lage 101 die aktiven Elemente 201 erster Richtung, die zumindest erste und zweite leitfähige Elemente enthalten, und die dritte leitfähige Lage 107 enthält die aktiven Elemente 202 zweiter Richtung, die zumindest vierte und fünfte leitfähige Elemente enthalten. Die zweite leitfähige Lage 108 ist ein kontinuierlicher leitfähiger Bereich (das dritte leitfähige Element), der sämtliche der aktiven Bereiche des Gitters überlappt. Die Kapazität wird zwischen der ersten leitfähigen Lage 101 und der zweiten leitfähigen Lage 108 gemessen, sowie zwischen der dritten leitfähigen Lage 107 und der zweiten leitfähigen Lage 108.
3A zeigt eine Ausgestaltung, die als ein „Serpentinenstreifen" bezeichnet wird. Bei dieser Ausführungsform ist die leitfähige Lage als ein einzelnes aktives Element 230 ausgestaltet, das sich über die leitfähige Lage windet. Bei der Ausgestaltung von 3A ist das aktive Element 230 eine Rückwärts- und Vorwärts-Windung von parallelen Längen. Ein anderes Beispiel wird in 3B gezeigt, bei welcher ein aktives Element 230 in der Form von einer Spirale ist. In der Praxis ist irgendeine Ausgestaltung, die sämtliche der gewünschten aktiven Bereiche bedeckt, akzeptabel. Unter der Annahme, dass der Serpentinenstreifen auf der ersten leitfähigen Lage 101 ist, kann die zweite leitfähige Lage 108 kontinuierlich sein und sollte das aktive Element 230 zumindest an jedem gewünschten aktiven Bereich überlappen. Die Rollen von jeder leitfähigen Lage können umgekehrt werden. Das heißt, die erste leitfähige Lage 101 kann kontinuierlich sein, während die zweite leitfähige Lage 108 in der Ausgestaltung der Leiter oder des Streifens ausgebildet sein kann. Dies kann vorteilhaft zum Isolieren des Sensors 10 von äußerer elektromagnetischer Störung sein.
Ein Bestimmen der Stelle der aufgebrachten Kraft unter Verwendung eines Serpentinenstreifens wird ausgeführt durch Bestimmen des Widerstands von der aufgebrachten Kraft, zum Beispiel einer aufgebrachten Kraft 235, zu einer Verbindung 231 durch das Messgerät 14. Eine Verbindung 232 kann optional verwendet werden, um eine Lokalisierung der aufgebrachten Kraft zu verbessern. In diesem Fall nutzt man die Widerstände zum Beispiel von der Kraft 235 zu der Verbindung 231 und von der Kraft 235 zu der Verbindung 232, um den Punkt der Nutzerinteraktion zu bestimmen.
Eine andere Ausführungsform, die in 4A gezeigt und von hieran als eine „Leiter" bezeichnet wird, besteht aus einer Reihe von sich nicht schneidenden aktiven Elementen 220, die alle in der gleichen leitfähigen Lage, zum Beispiel der ersten leitfähigen Lage 101, enthalten sind. Die aktiven Elemente 220 werden als gleichförmig und parallel gezeigt. Während diese Anordnung die einfachste im Konzept ist, müssen die Linien jedoch nicht gleichförmig oder parallel sein, aber sie müssen voneinander elektrisch isoliert sein. Die andere leitfähige Lage, zum Beispiel die zweite leitfähige Lage 108, sollte im Wesentlichen jedes Element 220 überlappen, aber sie muss nicht separate Bereiche enthalten und kann kontinuierlich sein. Das Messgerät 14 weist separate Verbindungen zu jedem Element 220 und eine andere zu der zweiten leitfähigen Lage 108 auf.
Zu Zwecken der Diskussion definieren wir die Stelle entlang der aktiven Elemente 220 als die „parallele" Stelle, und die Stelle orthogonal hierzu werden wir die „senkrechte" Stelle nennen. Eine Spannung kann aufeinanderfolgend an jedes aktive Element 220 angelegt werden, und die Kapazität zwischen jedem Element 220 und der anderen leitfähigen Lage kann durch den Widerstandsmesser 14 überwacht werden. Eine Aufbringung von einer Kraft auf eines der Elemente (aktives Element 220a, mit einem „X" 225 an dem Punkt der aufgebrachten Kraft auf das aktive Element markiert) wird die Kapazität zwischen jenem Element und der zweiten leitfähigen Lage 108 ändern. Die Änderung der Kapazität kann mit dem bestimmten Element 220a assoziiert werden, auf welches die Kraft aufgebracht wurde, wobei Informationen über die senkrechte Stelle der aufgebrachten Kraft bereitgestellt werden, welche die Änderung der Kapazität erzeugt hat. Zum Beispiel wird eine Aufbringung der Kraft 225 die Kapazität des ersten aktiven Elements 220a ändern, was durch das Messgerät 14 durch die Verbindung 222 oder die Verbindung 221 erfasst werden kann.
Um die parallele Stelle der Interaktion 225 entlang des aktiven Elements 220a zu bestimmen, können auch zweite Verbindungen (an dem aktiven Element 220a als 221 gezeigt) von jedem Element zu dem Messgerät 14 ausgeführt werden. Unter Verwendung der Verbindungen 221 und 222, kann der Widerstand verwendet werden, um den Abstand von der aufgebrachten Kraft 225 zu jedem Ende des aktiven Elements 220a zu bestimmen. Wenn die Länge des aktiven Elements 220a bekannt ist, sieht dies zwei Messungen der parallelen Stelle der aufgebrachten Kraft vor, was eine Unsicherheit bei dem Wert verringert. Kombiniert mit der senkrechten Stelle, lokalisiert dies die aufgebrachte Kraft definitiv in der Ebene des Sensors 10.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird eine verschachtelte Serpentinenstreifenausgestaltung verwendet, wie in 4B gezeigt. Bei dieser Ausgestaltung enthält die leitfähige Lage ein erstes aktives Serpentinenelement 230 und ein zweites aktives Serpentinenelement 236. Separate Verbindungen zu dem Messgerät 14 werden mit dem ersten aktiven Serpentinenelement 230 an den Verbindungen 231 und 232 durchgeführt, und mit dem zweiten aktiven Serpentinenelement 236 an Verbindungen 237 und 238. Daher kann der verschachtelte Serpentinenstreifen weniger Verbindungen aufweisen als eine äquivalente Leiter, aber eine größere Empfindlichkeit als ein äquivalenter einzelner Serpentinenstreifen. Obwohl 4B lediglich zwei verschachtelte aktive Serpentinenelemente zeigt, kann es so viele wie gewünscht geben. Jedes verschachtelte aktive Serpentinenelement kann irgendeine Form aufweisen und muss nicht die gleiche Form aufweisen wie die anderen verschachtelten aktiven Serpentinenelemente, so lange wie sie alle physikalisch und elektrisch getrennt voneinander sind.
Die Leiter von 4A, der Serpentinenstreifen von 3A und der verschachtelte Serpentinenstreifen von 4B können unter Verwendung von drei leitfähigen Lagen ausgeführt werden, wie in 1B gezeigt und oben beschrieben. In diesem Fall enthalten die erste leitfähige Lage 101 und die dritte leitfähige Lage 107 die aktiven leitfähigen Elemente. Die zweite leitfähige Lage 108 ist ein kontinuierlicher leitfähiger Bereich, der sämtliche der aktiven Bereiche von den aktiven Elementen überlappt. Die Kapazität wird zwischen der ersten leitfähigen Lage 101 und der zweiten leitfähigen Lage 108 gemessen, sowie zwischen der dritten leitfähigen Lage 107 und der zweiten leitfähigen Lage 108. Die aktiven leitfähigen Elemente in der leitfähigen Lage 101 können identisch und in Lagegenauigkeit mit den aktiven leitfähigen Elementen in der leitfähigen Lage 107 sein, das heißt, sie können sich vollständig überlappen, wobei in diesem Fall der drei-lagige Aufbau die Empfindlichkeit des Sensors 10 erhöht, wie oben beschrieben.
Alternativ kann diese Anordnung umgekehrt sein. Die erste leitfähige Lage 101 und die dritte leitfähige Lage 107 können kontinuierliche leitfähige Bereiche sein, die sämtliche der aktiven leitfähigen Elemente überlappen, welche in der zweiten leitfähigen Lage 108 enthalten sind.
Ein anderes Verfahren zur Bestimmung der Stelle der aufgebrachten Kraft ist mittels Triangulation. Ein Sensor, der Triangulation verwendet, wird in 5 gezeigt. Bei dieser Ausgestaltung umfassen beide, die erste und die zweite leitfähige Lage 101 und 108 große leitfähige Bereiche, die einander überlappen. Zumindest einer der Bögen weist zumindest drei weit beabstandete Verbindungen 240 zu dem Messgerät 14 auf. 5 zeigt ein besonderes Beispiel mit vier Verbindungen 240 (als 240a, 240b, 240c und 240d gekennzeichnet). Separate Messungen werden unter Verwendung von jeder der Verbindungen 240(a–d) durchgeführt. Bei jeder Messung wird das Messgerät 14 verwendet, um den Widerstand zwischen der Verbindung und der aufgebrachten Kraft 245 zu bestimmen. Die Widerstände werden dann verglichen, was eine Bestimmung der Stelle der aufgebrachten Kraft zulässt. Vorzugsweise bestimmt der Kapazitätsmesser eine Position in zumindest zwei Richtungen, wobei die Stelle der aufgebrachten Kraft in der Ebene des Sensors vollständig bestimmt wird.
Es ist anzumerken, dass die Empfindlichkeit des Sensors 10, die mit der relativen Änderung der Kapazität verknüpft ist, zunehmen wird, wenn das Verhältnis des aktiven Bereiches zu dem leitfähigen Gesamtbereich zunimmt. Der leitfähige Bereich ist als der Bereich der ersten leitfähigen Lage 101 oder der zweiten leitfähigen Lage 108 definiert, an welchem eine Überwachungsspannung angelegt wurde. Die Änderung der, Kapazität kann durch das Messgerät 14 überwacht werden, das nachfolgend eine gewünschte Reaktion initiieren kann, wie beispielsweise die Aktivierung von einem elektrischen Gerät, wie beispielsweise ein Radio.
6 zeigt ein Verfahren zur weiteren Vergrößerung der Empfindlichkeit des Serpentinenstreifens durch Erhöhen des Prozentsatzes des leitfähigen Gesamtbereiches, welcher der aktive Bereich ist. Dies wird durch Variieren der Breite des leitfähigen Elements über die Länge des Elements erzielt. Die aktiven Bereiche 255 – wo es Bereiche der Nutzerinteraktion gibt – können als größere leitfähige Bereiche ausgeführt werden, die durch dünne leitfähige Streifen verbunden sind, wie beispielsweise ein Verbindungsstreifen 256. Gemusterte leitfähige Beschichtungen können besonders effektiv zum Erzeugen derartiger leitfähiger Lagen sein. Es ist anzumerken, dass die aktiven Bereiche nicht gleichmäßig entlang dem Serpentinenstreifen 250 beabstandet sein müssen, weder müssen sie eine einheitliche Größe aufweisen.
Verbindungen zu dem Messgerät 14 werden an Enden 251 und 252 ausgeführt. Obwohl der Serpentinenstreifen 250 als eine Windung von parallelen Verbindungsstreifen 256 gezeigt wird, sollte es offensichtlich sein, dass irgendeine Ausgestaltung, die sämtliche der gewünschten aktiven Bereiche bedeckt, akzeptabel ist. Dieses Prinzip kann auch bei der Leiterausgestaltung genutzt werden. Ein Beispiel von diesem wird in 7 gezeigt. Der Nutzerinteraktionsbereich 255 der Leiter 260 ist mit Enden 261 und 262 über einen Verbindungsstreifen 266 verbunden.
Die Verwendung eines Serpentinenstreifens gegenüber einer Leiter ist ein Kompromiss zwischen Einfachheit und Empfindlichkeit. Der Serpentinenstreifen ist einfacher, mit lediglich zwei Verbindungen mit dem Messgerät 14 und wobei er lediglich eine oder zwei Messungen benötigt, um eine aufgebrachte Kraft zu erfassen und zu lokalisieren. Die Leiter wird eine größere Empfindlichkeit über einen ähnlichen Bereich des Sensors 10 vorsehen. Durch Teilen der leitfähigen Lage in mehrere leitfähige Elemente wie bei einer Leiter, ist der Bereich von einem beliebigen leitfähigen Element verringert. Dies erhöht den Anteil des leitfähigen Elements, der durch die aufgebrachte Kraft bedeckt wird, wobei die Empfindlichkeit wie oben beschrieben vergrößert wird.
An dem Rand der flexiblen, elastischen dielektrischen Lage 102 wird ein Durchdringungsverbinder (nicht gezeigt) verwendet, um einen elektrischen Kontakt mit den leitfähigen Lagen 101 und 108 vorzunehmen. Das Prinzip des Betriebs von Durchdringungsverbindern ist in der Elektronik bekannt. Wenn eine elektrische Verbindung mit elektrischen Leitern vorgenommen wird, die mit einer Isolierung beschichtet sind, werden Durchdringungsverbinder verwendet, um sich durch die Isolierung zu der Leiterinnenseite zu „beißen". Durchdringungsverbinder werden Zähne aufweisen, die auf die leitfähigen Lagen 101 und 108 aufgebracht werden, und potentiell auf die dritte leitfähige Lage 107, wenn eine existiert. Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Vielzahl von leitfähigen Bereichen in der/den leitfähigen Lage/n 101, 108 und/oder 107, können separate Zähne in dem Verbinder jeden der separaten Bereiche berühren, so dass das Messgerät 14 verwendet werden kann, um Änderungen bei Kapazitäten wahrzunehmen, wenn Druck auf jeden Bereich oder mehrere Bereiche aufgebracht wird. Die Verwendung eines Durchdringungsverbinders vereinfacht die Herstellung in einem großen Maßstab.
Der Durchdringungsverbinder lässt eine Verbindung des vorliegenden flexiblen kapazitiven Sensors 10 mit dem Kapazitätsmesser 14 zu, über einen Verbinder zwischen dem Messgerät 14 und den leitfähigen Lagen 101, 107 und 108. Der Kapazitätsmesser 14 misst die Spannung über die flexible, elastische dielektrische Lage 102 und vergleicht jene Spannung mit einer Referenzspannung. Wenn sich die Kapazität über die dielektrische Lage 102 ändert, wie beispielsweise wenn ein Druck auf den kapazitiven Sensor 10 aufgebracht wird, ändert sich auch die Spannung über die dielektrische Lage 102. Das Spannungsausgangssignal basiert auf dem Änderungsunterschied zwischen der Referenzspannung und der Nennspannung über die flexible, elastische dielektrische Lage 102. Wenn die auf den kapazitiven Sensor 10 aufgebrachte Kraft verringert wird, und sich die dielektrische Lage 102 in ihre Ausgangsdimensionen ausdehnt, nimmt die Kapazität ab und der Prozess wird umgekehrt.
Die Kapazität der Detektoren bei dieser Anordnung kann durch eine Vielfalt von elektrischen Verfahren gemessen werden, von denen zwei hier diskutiert werden. Die elektrischen Messungen machen Gebrauch von der Tatsache, dass sich der Widerstand der leitfähigen Lagen nicht ändert, lediglich die Kapazität der einzelnen Detektoren. Somit ändert sich das messbare RC-Zeitkonstantencharakteristikum von jedem Ereignis lediglich aufgrund von Änderungen der Kapazität des Detektors. Ein Verfahren ist ein Spannungsverschiebungsverfahren; das andere ist eine Phasenverschiebung beim Frequenzgang.
Bei dem ersten Verfahren, welches wir als das Spannungsverschiebungsverfahren bezeichnen werden, verwenden wir einen Reihenwiderstand, der mit der Spur verbunden ist. Der Kapazitätsmesser 14 sucht nach irgendeinem der folgenden: (1) die Zeit, um eine festgelegte Abnahme der Spannung von der Spur und dem Detektor während einer Entladung des Sensors 10 zu erhalten; (2) die Abnahme der Spannung von der Spur und dem Detektor während eines festgelegten Zeitraums von dem Beginn der Entladung des Sensors 10; (3) der Zeitraum, um eine festgelegte Zunahme der Spannung von der Spur und dem Detektor während des Ladens des Sensors 10 zu erhalten; oder (4) die Zunahme der Spannung von der Spur und dem Detektor während eines festgelegten Zeitraums von dem Beginn der Entladung des Sensors 10. Irgendeine dieser vier messbaren Größen lässt eine Bestimmung der RC-Zeitkonstante zu, und daher eine Messung von der Änderung der Kapazität des Detektors.
Bei dem Phasenverschiebungsverfahren wird ein Zeitvariierendes Spannungssignal an die aktive Lage angelegt. Ein Widerstand zur Erde ist mit der Referenzlage verbunden. Der Widerstand wird verwendet, um die Phasenverschiebung zwischen dem angelegten Signal und dem nacheilenden Signal durch die aktive Lage zu messen. Da die Nacheilung durch das Vorhandensein von Kapazität in der aktiven Lage verursacht wird, kann eine Änderung der Nacheilung verwendet werden, um die Änderung der Kapazität zu bestimmen. Die Amplituden des originalen und nacheilenden Signals können auch verglichen werden, um mehr Informationen über den Zustand des Systems zu liefern.
Wie in der Technik bekannt ist, umfassen gewöhnliche Formen des Spannungssignals Impulse, Sinuswellen und Rechteckwellen. Häufig werden alternierende Spannungssignale eine größere Frequenz als 10 kHz aufweisen.
Verfahren, um die Stelle einer aufgebrachten Kraft zu bestimmen, können abhängen vom Bestimmen des Widerstands der leitfähigen Lage zwischen der aufgebrachten Kraft und der Verbindung zwischen dem Messgerät 14 und der leitfähigen Lage. Wenn eine Spannung V₀ über einen Kondensator (in diesem Fall die zwei leitfähigen Lagen 101 und 108) angelegt wird, dann ändert sich die Spannung über den Kondensator langsam. Die Rate der Änderung wird durch die Zeitkonstante RC bestimmt, wobei C die Kapazität ist und R der Widerstand des Schaltkreises ist. Insbesondere wird sich die Spannung um einen Faktor von e jede RC-Sekunden ändern, wo e die Eulersche Konstante ist, ungefähr 2,718.
Wenn die leitfähige Lage einen endlichen Widerstand aufweist, wird der Schaltkreiswiderstand R den Widerstand von jenem Abschnitt der leitfähigen Lage zwischen der aufgebrachten Kraft und der Verbindung zu dem Messgerät 14 umfassen. Betrachten Sie zum Beispiel 8A, eine schematische elektronische Darstellung von einem Sensor. Leitfähige Lagen 401 und 408 werden durch eine flexible, elastische dielektrische Lage (nicht gezeigt) getrennt. Eine aufgebrachte Kraft 410 ändert die Kapazität C an dem Punkt der Aufbringung. Diese Änderung wird durch das Messgerät 14 durch Verbindungen 411, 412, 413 und 414 erfasst.
An der leitfähigen Lage 401 ist der Widerstand zwischen der aufgebrachten Kraft 410 und der Verbindung 411 R1_L. Ähnlich ist der Widerstand zwischen der aufgebrachten Kraft 410 und der Verbindung 412 R1_R. An der leitfähigen Lage 408 ist der Widerstand zwischen der aufgebrachten Kraft 410 und der Verbindung 413 R2_L, und der Widerstand zwischen der aufgebrachten Kraft 410 und der Verbindung 414 ist R2_R. Die Linien von der Verbindung zu dem Messgerät 14 stellen Drähte mit vernachlässigbarem Widerstand dar. Abhängig davon, welche Verbindungen genutzt werden, kann der vollständige Schaltkreis einen von vier unterschiedlichen Gesamtschaltkreiswiderständen aufweisen: R₁ = (R1_L + R2_L), R₂ = (R1_L + R2_R), R₃ = (R1_R + R2_L) oder R₄ = (R1_R + R2_L). Dies ist ein System aus vier Gleichungen für die vier unbekannten Widerstände R1_L, R1_R, R2_L und R2_R, welche somit eindeutig bestimmt werden können. Unter Annahme von einer bekannten Beziehung zwischen dem Widerstand entlang einer leitfähigen Lage und dem Abstand entlang jener Lage, das heißt zwischen einem bestimmten Widerstand und dem Abstand von aufgebrachter Kraft 410 zu dem Verbindungspunkt, sieht jeder Widerstand ein Maß der Stelle von aufgebrachter Kraft 410 vor.
Es ist anzumerken, dass jede leitfähige Lage zwei Messungen der Stelle der aufgebrachten Kraft 410 vorsieht. Somit ist lediglich eine leitfähige Lage mit endlichem Widerstand notwendig, um dieses Verfahren zu verwenden, um die aufgebrachte Kraft 410 zu lokalisieren, und die zweite Lage kann einen sehr geringen (vernachlässigbaren) Widerstand aufweisen. Ein Versehen von beiden Lagen mit endlichem Widerstand erhöht die Überbestimmung der Stelle. Ein Verhalten des Sensors in 8A kann besser verstanden werden durch Begutachten des elektrischen Schemas in 8B, das einen vereinfachten Sensor zeigt, durch Annehmen, dass die leitfähige Lage 401 höchst leitfähig ist und einen vernachlässigbaren Widerstand zu dem Schaltkreis beiträgt. Auch wurde das Messgerät 14 erweitert, um seinen Zustand zu zeigen, wenn der Widerstand R2_L gemessen wird. Insbesondere ist die Verbindung 414 an Erde festgelegt, während die Spannung V₀ an die Verbindung 411 angelegt wird.
Wie es typisch ist, weist das Messgerät eine hohe Eingangsimpedanz auf. Das heißt, R_M ist viel größer als die anderen Widerstände in dem Schaltkreis. In dem Fall zeigt eine Standard-Schaltkreisanalyse, dass die Spannung V an der Verbindung 413 mit der angelegten Spannung V₀ verknüpft ist, durch V = V0/(1 + 1/(w·C·R2_R ²)), wo w die Frequenz der angelegten Spannung V₀ ist. Idealerweise, damit der Sensor 10 eine maximale Empfindlichkeit für Änderungen der Stelle der aufgebrachten Kraft 410 aufweist, wird die Spannung V eine maximale Empfindlichkeit für den Wert von R2_R aufweisen, welcher die einzige Größe in der Gleichung für V ist, der von der Stelle der aufgebrachten Kraft 410 abhängt. Eine weitere Analyse dieser Gleichung zeigt, dass für kleine w, V nicht empfindlich für R2_R für kleine Werte von R2_R ist, das heißt auf der rechten Seite der leitfähigen Lage 408. Ähnlich, für hohe Frequenzen w und kleine Werte von R2_L + R2_R, ist V nicht empfindlich für R2_R mit Ausnahme von kleinen und großen Werten von R2_R, das heißt eine Empfindlichkeit ist niedrig in der Mitte der leitfähigen Lage 408. Deshalb, um eine gute Empfindlichkeit überall an der leitfähigen Lage 408 sicherzustellen, wird bevorzugt, eine Spannung mit gemäßigt großen Frequenzen anzulegen und die leitfähige Lage 408 aus Materialien mit endlichem Widerstand zu bauen.
Obwohl diese Analyse für den vereinfachten Fall von lediglich einer leitfähigen Lage mit endlichem Widerstand durchgeführt wurde, gelten die Schlussfolgerungen auch für den allgemeineren Fall, der in 8A gezeigt wird, wo beide leitfähige Lagen einen endlichen Widerstand aufweisen. Sie ist auch gültig, wenn zusätzliche leitfähige und flexible, elastische dielektrische Lagen verwendet werden, wie in 1B gezeigt.
Leitfähige Lagen mit endlichem Widerstand werden typischerweise einen Widerstand zwischen Verbindungspunkten von 10–1.000.000 Ohm aufweisen, vorzugsweise 100–100.000 Ohm, bevorzugter 1.000–10.000 Ohm. Das Verfahren der Nutzung des Widerstands, um eine Position zu bestimmen, kann in Verbindung mit der Leiter, dem Serpentinenstreifen, Triangulation oder anderen Ausgestaltungen praktiziert werden. In dem Fall wo der leitfähige Bereich ein Streifen ist, wie bei der Leiter oder dem Serpentinenstreifen, können Widerstände nach rechts und links weiter differenziert werden durch Ändern der Breite des Streifens auf eine bekannte Art und Weise, wie zum Beispiel in 3B gezeigt.
Die digitale Information, die Signalabfallzeit-Zeitkonstante oder die Phasenverschiebung stellt die kontinuierliche Zeitvariation der Widerstands-/Kapazitätseigenschaften des Netzwerks dar, und als solche die Zustände des Sensors 10. Um ein besseres Signal-Geräusch-Verhältnis zu erzielen, können Mittelwertbildung und Filtern auf den kontinuierlichen Datenfluss angewandt werden.
Das Zeitkonstantenverfahren und die Phasenverschiebungen sind anfällig für elektromagnetische Störung sowie Streukapazität. Somit kann der Geräuschgehalt der Signale die wahren Zustände verschleiern. Eine Stichprobenprüfung wird in Intervallen durchgeführt, die durch festlegbare Unterbrechungsbefehle im Microcontroller definiert sind. Durch Stichprobenprüfung, die durch das Nyquist-Kriterium diktiert wird, das die Stichprobenprüfungstheorie und digitale Rekonstruktion von Hochfrequenz-Ereignissen regelt, können Ereignisse, die bei weniger als der Hälfte der Stichprobenprüfungsfrequenz stattfinden, erfolgreich erfasst werden. Zu dem Zeitpunkt der individuellen Stichprobenprüfung werden mehrere Stichproben in der Größenordnung von wenigen Mikrosekunden jeweils zusammen gemittelt, um den Fehler zu verringern, der durch den Analog/Digital-Wandler herbeigeführt wird, sowie kleine elektromagnetische Effekte. Eine Stichprobenprüfung kann in regelmäßigen Zeitintervallen auftreten, oder es kann vorteilhaft sein, Stichprobenprüfungen in zufälligen Intervallen durchzuführen, so dass das Geräuschspektrum nicht gut mit dem Stichprobenprüfungsintervall korreliert ist.
Die abgetasteten Werte werden dann entweder in FIR-Filter oder IIR-Filter durchgeleitet. Diese Filter verringern weiter die Effekte von Geräuschen und Störungen auf die abgetasteten Werte von Quellen, wie beispielsweise Starkstromleitungen. Auf diese Art kann eine bessere Abschätzung der Kapazität des Detektors durch eine bessere Abschätzung der Phasenverschiebung oder Zeitkonstante bestimmt werden.
Eine Kaskadierung unterschiedlicher Filter lässt unterschiedliche Interpretationen der Daten zu. Zum Beispiel wird eine Gruppe von Filtern verwendet, um langfristige Änderungen an dem System (z. B. gradueller Verlust von Elastizität in der flexiblen, elastischen dielektrischen Lage 102) zu entfernen oder zu ignorieren, womit eine stabile Grundlinie vorgesehen wird, während andere Filter kurzfristige Änderungen (z. B. Drücken des Sensors 10) isolieren. Die Auswahl von unterschiedlichen Filtern ist eine wesentliche Verbesserung gegenüber einer einfachen Stichprobenprüfung und einem Vergleich mit einem Schwellenwert.
Der kapazitive Sensor 14 erfordert typischerweise Kalibrierung. Kalibrierung wird benötigt, weil die Grundlinien-Kapazität dazu neigt, über die Zeit abzuweichen bzw. abzudriften, aufgrund von Umweltänderungen, Materialänderungen und äußeren elektromagnetischen Feldern. Insbesondere bei dielektrischen Materialien, die aus Schaum hergestellt sind, ungeachtet der Verwendung von Schäumen mit minimiertem Kriechen und Hysterese, wird sich die Kapazität trotzdem mit der Zeit ändern. Ein Sensor, der nachkalibriert werden kann, wird immer robuster und empfindlicher sein als einer, der es nicht kann.
Es gibt drei Arten den Sensor 10 zu kalibrieren. Die erste Art ist, Kalibrierungseinstellungen zum Zeitpunkt der Herstellung zu programmieren. Ein zweites Verfahren ist, den Sensor 10 jedes Mal zu kalibrieren, wenn das System, von dem er ein Teil ist, sich selbst initialisiert, das heißt beim Hochfahren, und es verringert effektiv Fehler von einigen Variationen bei großen Zeitmaßstäben. Bei dem dritten Verfahren wird der Sensor 10 kontinuierlich für sich ändernde Bedingungen kalibriert, durch Herausfiltern von elektrischem Fremdgeräusch sowie außer Acht lassen des versehentlichen Berührens oder anderen Kontakts. Es gibt kommerziell erhältliche Elektronikmodule, die ausgestaltet sind, um die Kapazität wahrzunehmen und die eine kontinuierliche Selbstkalibrierung, Geräuschfilterung und Nachkalibrierung einschließen.
Der Sensor 10 kann zusätzliche Isolierlage(n) 104 umfassen, auch als Abdecklagen bezeichnet. Diese Lagen tragen nicht zu den elektrischen Eigenschaften des Sensors 10 auf irgendeine signifikante Art bei. Funktionen der äußeren Lage(n) können visuelle oder taktile Ästhetik, Schutz und Wirken als eine Nutzerschnittstelle umfassen. Es kann keine, eine oder mehrere derartiger Lagen geben. Mehrere Lagen können aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein, um unterschiedliche Funktionen vorzusehen, wie unten beschrieben. Vorzugsweise ist die Abdecklage eine Tuchware. Die Tuchware kann irgendeinen bekannten Aufbau aufweisen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, gewirkt, gewebt oder nichtgewebt.
Eine elektrisch isolierende äußere Lage oder Lagen 104 können beschichtet, laminiert, genäht oder anderweitig auf die äußeren Oberflächen des Sensors aufgebracht sein. Diese Lagen können aus irgendwelchen Materialien und auf irgendeine Art und Weise aufgebaut sein, derart dass die Gesamtflexibilität des Sensors akzeptabel bleibt. Üblicherweise werden diese Materialien das dünne Profil beibehalten, das typisch für die kapazitiven Sensoren der Erfindung ist. Mögliche Materialien für die Abdecklage(n) 104 umfassen Textilien, Leder oder andere Felle, Filme oder Beschichtungen. Es kann äußere Lagen 104 auf irgendeiner oder beiden der Oberseite und Unterseite des Sensors geben. Die Isolierlagen können jede ein Verbund aus mehreren Materialien und Lagen sein, und die oberen und unteren äußeren Lagen müssen nicht die gleiche Aufmachung aufweisen.
Dekorative Graphiken oder Informationen, z. B. Informationen über, oder Anweisungen für, den kapazitiven Sensor 10 oder die Anzeige oder ein anderes Gerät, mit dem der kapazitive Sensor 10 angewandt oder verbunden wird, können auf eine äußerste äußere Lage 104 auf den Sensor gedruckt werden. Typischerweise wird die obere Oberfläche des kapazitiven Sensors 10, die Oberfläche, die dem Nutzer präsentiert wird, Graphiken umfassen, um den Ort bzw. die Stelle und Funktion von jedem der Detektoren anzugeben. Das Material kann ausgewählt werden, um beides vorzusehen, dekorative und funktionelle Aspekte. Zusammen mit der Ästhetik, können die äußeren Isolierlage(n) 104 Schutzfunktionen vorsehen, wie beispielsweise Widerstand gegen Abrieb oder Einstiche, Fleckenabstoßung, Schutz gegen Verschüttetes und Flüssigkeiten, Widerstand gegen ultravioletten Abbau usw. Die untere Lage des kapazitiven Sensors 10 kann mit ähnlichen Materialien hergestellt werden, um Funktionen ähnlich der oberen Lage zu erfüllen, außer dass dekorative oder informative Graphiken typischerweise nicht enthalten sind.
Es ist beabsichtigt, dass der Bereich der vorliegenden Erfindung sämtliche Modifikationen umfasst, die ihre hauptsächlichen Designmerkmale aufgenommen haben, und dass der Bereich und Beschränkungen der vorliegenden Erfindung durch den Bereich der angehängten Ansprüche und ihrer Äquivalente zu bestimmen sind. Es sollte deshalb verstanden werden, dass die hierin beschriebenen erfinderischen Konzepte austauschbar sind und/oder sie zusammen in noch anderen Permutationen der vorliegenden Erfindung genutzt werden können, und dass andere Modifikationen und Substitutionen für Fachleute aus der vorangehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen offensichtlich sein werden, ohne von dem Denken oder Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Zusammenfassung
Die Erfindung betrifft einen flexiblen, elastischen kapazitiven Sensor, der zur Massenherstellung geeignet ist. Der Sensor umfasst ein Dielektrikum, eine elektrisch leitfähige Lage auf der ersten Seite der dielektrischen Lage, eine elektrisch leitfähige Lage auf einer zweiten Seite der dielektrischen Lage, und einen Kapazitätsmesser, der mit den zwei leitfähigen Lagen elektrisch verbunden ist, um Änderungen der Kapazität bei Aufbringung von einer Kraft auf den Detektor zu erfassen. Die leitfähigen Lagen sind ausgestaltet, um die Position der aufgebrachten Kraft zu bestimmen. Der Sensor kann abgeschirmt werden, um die Effekte von äußeren Störungen zu verringern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 4703757 [0007]
- US 5917180 [0007]
- US 6210771 [0007]

Claims

Flexibles kapazitives Sensor-Gitter, mit: einer flexiblen, elastischen, dielektrischen Lage mit einer ersten und einer zweiten Seite; einer ersten leitfähigen Lage auf der ersten Seite der dielektrischen Lage mit zumindest einem ersten und einem zweiten leitfähigen Element, wobei das erste leitfähige Element von dem zweiten leitfähigen Element elektrisch isoliert ist; und einer zweiten leitfähigen Lage auf der zweiten Seite der dielektrischen Lage mit zumindest einem dritten und einem vierten leitfähigen Element, wobei das dritte leitfähige Element von dem vierten leitfähigen Element elektrisch isoliert ist, wobei das dritte Element das erste und das zweite Element zumindest teilweise überlappt und das vierte Element das erste und das zweite Element zumindest teilweise überlappt, und wobei das dritte und das vierte Element von dem ersten und dem zweiten Element durch die flexible, elastische, dielektrische Lage elektrisch separiert sind.
Flexibles kapazitives Sensor-Gitter nach Anspruch 1, ferner mit einem Kapazitätsmesser, der mit jedem leitfähigen Element elektrisch verbunden ist.
Flexibles kapazitives Sensor-Gitter nach Anspruch 1, wobei die leitfähigen Elemente ein Längen- und Seitenverhältnis von größer als 5:1 aufweisen.
Flexibles kapazitives Sensor-Gitter nach Anspruch 1, wobei das dritte leitfähige Element das erste und das zweite leitfähige Element bei einem Winkel zwischen 5 und 175 Grad kreuzt.
Flexibles kapazitives Sensor-Gitter nach Anspruch 4, wobei das vierte leitfähige Element das erste und das zweite leitfähige Element bei einem Winkel zwischen 5 und 175 Grad kreuzt.
Flexibles kapazitives Sensor-Gitter nach Anspruch 1, wobei die leitfähigen Elemente ein Gitter ausbilden.
Flexibles kapazitives Sensor-Gitter nach Anspruch 1, wobei das Sensor-Gitter ferner zumindest eine Abdecklage auf der ersten leitfähigen Lage umfasst, auf der Seite gegenüberliegend dem Dielektrikum.
Flexibles kapazitives Sensor-Gitter nach Anspruch 7, wobei die Abdecklage eine Tuchware umfasst.
Flexibles kapazitives Sensor-Gitter nach Anspruch 1, wobei jedes der leitfähigen Elemente jeweils einen Widerstand von 1 Megaohm oder weniger aufweist.
Flexibles kapazitives Sensor-Gitter nach Anspruch 1, wobei die dielektrische Lage eine Abstandshalter-Tuchware umfasst.
Flexibles kapazitives Sensor-Gitter, mit: einer flexiblen, elastischen, dielektrischen Lage mit einer ersten und einer zweiten Seite; einer ersten leitfähigen Lage auf der ersten Seite der dielektrischen Lage mit zumindest einem ersten und einem zweiten leitfähigen Element, wobei das erste leitfähige Element von dem zweiten leitfähigen Element elektrisch isoliert ist; einer zweiten leitfähigen Lage auf der zweiten Seite der dielektrischen Lage mit zumindest einem dritten leitfähigen Element; einer zweiten elastischen, dielektrischen Lage, die an ihrer ersten Seite an der zweiten leitfähigen Lage angebracht ist; und einer dritten leitfähigen Lage mit zumindest einem vierten und einem fünften leitfähigen Element auf der zweiten Seite der zweiten elastischen dielektrischen Lage, wobei das vierte leitfähige Element von dem fünften leitfähigen Element elektrisch isoliert ist, und wobei das erste, das zweite, das vierte und das fünfte leitfähige Element ein Gitter ausbilden, und sich das dritte leitfähige Element zumindest da befindet, wo das erste und das zweite leitfähige Element das vierte und das fünfte leitfähige Element überlappen.
Flexibles kapazitives Sensor-Gitter nach Anspruch 11, ferner mit einem Kapazitätsmesser, der mit jedem leitfähigen Element elektrisch verbunden ist.
Flexibler kapazitiver Sensor, mit: einer flexiblen, elastischen, dielektrischen Lage mit einer ersten und einer zweiten Seite; einer ersten leitfähigen Lage auf der ersten Seite der dielektrischen Lage mit zumindest einem ersten leitfähigen Element; einer zweiten leitfähigen Lage auf der zweiten Seite der dielektrischen Lage; wobei die ersten leitfähigen Elemente zumindest teilweise die zweite leitfähige Lage überlappen; und einem Kapazitätsmesser, der mit den leitfähigen Elementen elektrisch verbunden ist, wobei der Kapazitätsmesser eine Änderung der Kapazität zwischen der ersten leitfähigen Lage und der zweiten leitfähigen Lage misst, und wobei der Kapazitätsmesser die Position von einem Punkt der Nutzerinteraktion entlang des ersten leitfähigen Elements der ersten leitfähigen Lage bestimmt.
Flexibler kapazitiver Sensor nach Anspruch 13, wobei der Kapazitätsmesser eine Position in einer Richtung bestimmt.
Flexibler kapazitiver Sensor nach Anspruch 13, wobei der Kapazitätsmesser eine Position in zumindest zwei Richtungen bestimmt.
Flexibler kapazitiver Sensor nach Anspruch 13, wobei der Kapazitätsmesser separat Spannungen an zwei oder mehr verschiedenen Orten an dem ersten leitfähigen Element oder der zweiten leitfähigen Lage anlegt, und die Position der Nutzerinteraktion aus den Werten von den Signalen von jeder angelegten Spannung bestimmt.
Flexibler kapazitiver Sensor nach Anspruch 13, wobei das erste leitfähige Element eine Serpentinenform aufweist.
Flexibler kapazitiver Sensor nach Anspruch 13, wobei das erste leitfähige Element eine Spiralform aufweist.
Flexibler kapazitiver Sensor nach Anspruch 13, wobei sich die Breite des ersten leitfähigen Elements über die Länge des Elements ändert.
Flexibler kapazitiver Sensor nach Anspruch 13, wobei der Sensor ferner eine zweite elastische, dielektrische Lage umfasst, die an ihrer ersten Seite an der ersten leitfähigen Lage angebracht ist, gegenüberliegend der ersten dielektrischen Lage, und eine dritte leitfähige Lage mit zumindest einem dritten leitfähigen Element auf der zweiten Seite der zweiten elastischen dielektrischen Lage.