CN101421590A - 印刷电容传感器 - Google Patents

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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。该传感器包括绝缘层、绝缘层的第一侧面上的包括检测器和迹线的导电的检测器和迹线层、绝缘层的第二侧面上的导电参考层，以及电容计，该电容计电气连接到迹线，并电气连接到导电参考层，以检测当与检测器交互时的电容变化。可以屏蔽传感器，以减小外部干扰的影响。

Description

印刷电容传感器
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。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，这些系统可能不会发挥作用。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。
另一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，在美国专利4,703,757以及美国专利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，包括美国专利5,449,002，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。
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。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。
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、挠性的电容传感器以及一种高效的、低开销的制造方法。
根据其主要方面，简言之，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。
本发明的一个重要优点在于能够装配这些组件，即，检测器和迹线(trace)层、绝缘层、导电参考层，以及穿透连接器，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。
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1是电容传感器的说明性示意图，此电容传感器具有导电参考层、挠性的弹性的绝缘层以及检测器和迹线层，所有这些层均连接到电容计；
图2是电容传感器的说明性示意图，此电容传感器具有不止一个迹线以及不止一个检测器；
图3是电容传感器的说明性示意图，此电容传感器具有另外的绝缘层和导电参考层；
图4是电容传感器的说明性示意图，此电容传感器在导电参考层中有孔洞，其中，导电参考层与检测器和迹线层中的检测器重叠；
图5是电容传感器的横截面示意图，如图3所示，此电容传感器具有另外的绝缘层和导电参考层，并且还另外具有可选的外部层；
图6是可以在导电层上使用的说明性导电图形，其示出了检测器、迹线，以及参考层连接。
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
图1示出了本发明的电容性压力传感器的一种实施例。挠性的电容传感器2具有绝缘层6，绝缘层6的一侧上有导电参考层8，绝缘层6的另一侧上有检测器和迹线(trace)层4。导电参考层8和检测器和迹线层4的(一个或多个)迹线12被连接到电容计14。
在所施加的压力足以压缩传感器时，挠性电容传感器2的电容发生变化。在某点以下，所施加的作用力的量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14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。
绝缘层6是挠性的、弹性的层或薄膜。与本发明中使用的“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并在存在电势差的情况下支持电场的材料。“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长度或宽度。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6的弹性对于重复使用和持久性非常重要，并且挠性很重要，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，绝缘层6能够弯曲到曲率半径范围从20mm到5mm，优选地，弯曲到曲率半径范围从10mm到4mm，更优选的范围为5mm到1mm。
在本发明一种实施例中，绝缘层是薄的、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(气泡中可充满空气或者其它气体)，意味着薄膜不包含泡沫。此薄膜可以是硅酮薄膜(siliconefilm)，诸如，从马萨诸塞州South Deerfield的Deerfield Urethane可获得的7mil厚的Duraflex PT9300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之间的负荷时，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，绝缘层6可以是挠性的、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、硅酮和橡胶。当施加0.5到1.0bar之间的负荷时，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底层的织物，其中，间隙是由间隔纱线或纤维支撑的。该结构中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之间的负荷时，间隔织物优选地压缩50％，并且当施加了0.14bar负荷时，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。
绝缘层6两端的电阻(从绝缘层6的一侧到其另一侧)优选为109欧姆或者更大。绝缘层的绝缘常数越大，电容性压力传感器2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。
检测器和迹线层4具有一个或多个检测器10以及迹线12，并且，该层具有挠性。检测器10是导电材料的局部区域，迹线12是从检测器10延续到检测器和迹线层4的边缘16的导电材料的连续线路(可以是直线也可以是曲线)。优选地，各个检测器10电气连接到分离的迹线12，并与其它检测器和迹线电气隔离。也可以将检测器10称为按键。
在一些实施例中，存在不止一个检测器10和不止一个迹线12。优选地，各个检测器具有其本身的迹线，并且检测器和迹线与其它检测器和迹线电气隔离，如图2的例子所示。在图2中，将检测器和迹线层4与绝缘层6分离，从而可以看到检测器和迹线的构造。检测器10、32和36分别连接到迹线12、34和38。可以利用各个迹线的单独的针脚，通过穿透连接器(未示出)连接到电容计，而不是通过电容计进行连接，各检测器/迹线对均不与任何其它检测器/迹线对电气连接。
优选地，从检测器10的中心到迹线12到达检测器和迹线层4的边缘16的点处测量到的电导率是一兆欧或更小，更优选地，在0到10,000欧姆之间。然而，检测器10到迹线12的末端的电阻小于绝缘层6两端的电阻就足够了。
可以通过向绝缘层6或者单独的层上涂布导电涂层来形成检测器和迹线层4。该单独的层可以是织物或薄膜，然后可以通过以本领域技术人员所熟知的任何方式进行层压(laminating)，将该层应用于绝缘层6。优选地，在各层之间使用粘合剂，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。
在本发明的一种实施例中，直接在绝缘层6或者在粘合到绝缘层6的薄膜或织物上丝网印刷检测器10和迹线12。此墨水可以是任何导电墨水，其通常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。它们也可以是碳基(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。可以利用各种技术领域中任何已知方法将导电墨水涂覆在基板上，包括但不限于，丝网印刷、使用刷子涂布、使用辊子涂布、喷镀、浸渍、掩蔽(masking)、真空镀膜、真空沉积或者以上的任意组合。
挠性的电容传感器2的导电参考层8可以是绝缘层6上的导电涂层，固有导电的薄膜或织物，或者是后来被粘合到绝缘层6上的薄膜或织物上的导电涂层。在一些构造中，优选地，导电参考层是连续的。在其它构造中，如果需要，在层中可以有开口。优选地，参考层是挠性的。
在一种实施例中，导电参考层8是绝缘层上的导电涂层。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。这里公开的用于检测器10和迹线12的材料也可以用于导电参考层8。在另一种实施例中，导电参考层8是固有导电薄膜或织物。一些固有导电薄膜和织物包括，例如，金属化织物、加碳石蜡薄膜、涂覆有导电聚合物的织物、从诸如不锈钢纱线和涂覆有银的纱线的挠性导电纱线构造的织物。在另一种实施例中，导电参考层8可以是具有导电涂层的薄膜或织物。优选地，利用热塑性的、热固的、压敏的或者UV可复原的粘合剂将该薄膜或织物粘合到绝缘层6。
导电参考层8的电阻通常小于10,000欧姆。如果不使用电容传感器2来确定用户交互的位置，则导电参考层的电阻可以尽可能的小。
此外，可以利用与检测器和迹线层4的检测器10和迹线12对齐放置的其它检测器和迹线(未示出)，对导电参考层8形成图案(pattern)。然而，此方法带来了定位导电参考层8的额外制造复杂度，使其检测器10和迹线12与检测器和迹线层4中的检测器和迹线图案对齐。
在一种实施例中，如图4所示，导电参考层194的层中有孔洞192，此层至少部分覆盖检测器和迹线层104中的检测器110。优选地，孔洞192完全覆盖检测器110，并与检测器110对准。可以有两个或更多的检测器以及两个或更多的孔洞，每个孔洞覆盖一个检测器。
在此构造中，电容传感器的电场线占据了检测器110上方和孔洞192下方的空间。它们容易被接近或进入孔洞192的外部电容性物体干扰，例如，人的手指。这种干扰将改变电容传感器所感应到的电容，并且能够被作为事件检测出来。即使电容性物体不与检测器110进行电气接触，也会引起干扰。本发明的导电参考层194将检测器和迹线层104与外部电容性物体屏蔽开。导电参考层194中覆盖着检测器110的孔洞使电场线集中在检测器上方的区域中，这使得系统对于在检测器110处发生的事件更灵敏，而不容易出现由于检测器的周边物体靠近所导致的错误指示。此外，不包含导电参考层的电容传感器将更容易受到来自外部电磁场、寄生电容、静电以及由于外部电容性物体与迹线的接触等所导致的错误事件的影响。
由于图4所示的电容传感器190中的绝缘层106可由电容性物体的靠近引起电容发生变化，而不是由检测器110与参考层194之间的距离变化而引起的，所以该电容传感器190中的绝缘层106不需要是可压缩的或弹性的。绝缘层6可以是任何适当的薄的、挠性的电阻材料。
图3示出了具有额外的挠性的绝缘层64和导电参考层66的电容传感器62。第二挠性的、弹性的绝缘层64位于检测器和迹线层4上的与初始的绝缘层6相反一侧上。第二导电参考层66在与检测器和迹线层4相反的一侧上与第二绝缘层64相邻。第二挠性的、弹性的绝缘层和第二导电参考层所使用的材料可以是与前述绝缘层和导电参考层所用的相同的材料，并具有相同的物理属性。
可以将其它层，诸如绝缘层，更优选的是挠性的绝缘层，应用于传感器。可以通过涂覆、层压、缝合或者其它方式将绝缘层应用于电容传感器2、30、62或者190的一个或两个外部表面。可以用任意材料以任意方式来构造这些层，从而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。可用于外部层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。绝缘层可以分别是多种材料和多层的合成体，并且外部层的顶部和底部不需要是同样的组成。
可以在传感器最外部的绝缘层上打印装饰性的图形或信息，例如，关于触摸传感器或者显示器，或者应用或连接了触摸传感器的其它装置的信息或指令。通常，传感器的顶部表面，即，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。可以选择既提供装饰性又提供功能性方面的材料。绝缘层的功能可包括视觉和触觉美感、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。
对于电容传感器62，电容计14被连接到导电参考层8、第二导电参考层66以及各个迹线12。导电参考层8为第一电压，迹线12为第二电压，而第二参考层66为第三电压，其中，第一和第二电压至少有0.1伏特的差值，第二和第三电压至少有0.1伏特的差值。在一种实施例中，第一和第二电压的差值至少为1.0伏特，第二和第三电压的差值至少为1.0伏特。优选地，第一和第三电压相等。在一种实施例中，第一和第三电压形成参考电压，并在电容传感器工作期间保持不变。在一种实施例中，参考电压保持等于大地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与外部干扰和放电隔离开。
第一导电参考层8和第二导电参考层66分别与检测器和迹线层4组合，以形成两个分离的电容器。优选地，各个导电参考层上的第一和第三电压相等，使得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。较大的电容通常还将改善传感器的灵敏度，这是在检测器和迹线层4的两侧上包含导电层的一个优点。第二导电参考层66也以与第一导电参考层8相同的方式保护传感器不受干扰。
如果第一导电参考层8在检测器和迹线层4中的各个检测器上有孔洞，并且绝缘体6不可压缩并且不是挠性的，则主要由第二导电参考层66帮助屏蔽传感器不受干扰。
在用可压缩绝缘体制作的传感器的情况下，传感器的电容与绝缘层6的压缩反向变化。作用于检测器10的作用力将压缩绝缘层6，从而增加检测器和迹线层4和导电参考层8之间的电容。当消除作用力或者仅仅减轻作用力时，检测器和迹线层4和导电参考层8之间的分隔距离增加，并且电容传感器2的电容减小。
在绝缘体不可压缩但在覆盖检测器和迹线层4中的检测器10的导电参考层4中有孔洞的情况下，随着诸如人的手指等电容性物体的靠近，电容增加。这两种情况下，测量计14监控电容变化，其能够顺序启动所期望的响应，启动诸如收音机等电子装置。
为了监控电容变化，优选地，将第一电压作用于导电参考层8，将第二电压作用于迹线12。在检测器和迹线层4上存在不止一个迹线的情况下，各个迹线将获得单独的电压(例如，第二、第三、第四、第五等电压)。在存在不止一个迹线的情况下，优选地，将电压按顺序施加到这些迹线。在一种实施例中，顺序地施加电压，并且使它们大致相等。优选地，施加到导电参考层的电压与施加到迹线的电压至少有0.1伏特的差值，或者，在另一种实施例中，此差值为1伏特。
在检测器和迹线层4的边缘，使用穿透连接器(未示出)与迹线12进行电气接触。在电子学中，穿透连接器的工作原理是公知的。当与涂覆有绝缘体的导电体进行电气连接时，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，其作用于迹线12和导电参考层8，并且如果存在导电参考层66，也可能作用于导电参考层66。在一种实施例中，迹线扩展到其它层，以更方便地进行连接。在本发明的另一种实施例中，有多个检测器10和迹线12，连接器中的分离的齿可接触各个分离的迹线，从而当对各个检测器或多个检测器施加压力时，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。
穿透连接器使得可通过将测量计14连接到迹线12以及将测量计14连接到导电参考层8，来将本发明的挠性的电容传感器2连接到电容计14。电容计14测量绝缘层6从检测器10到导电参考层8之间的电压，并将此电压与参考电压进行比较。如果绝缘层6在检测器10处的电容改变，检测器10的电压也改变，则基于参考电压和检测器10的标称电压之间的差值生成电压输出信号。随着作用于检测器10的作用力减小以及绝缘层6扩张至其初始维度，电容下降。
可以通过各种电学方法来测量此布置中检测器的电容，这里将讨论其中的两种方法。电气测量利用了迹线的电阻不变、仅各个检测器的电容变化这个事实。因而，各个检测器和迹线组合的可测量的RC时间常数特性仅由于检测器的电容的改变而发生变化。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)在检测器10放电期间，获取迹线和检测器的设定电压下降的时间；(2)在从检测器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)在检测器10的充电期间，获取迹线和检测器的设定电压上升的时间；或者(4)在从检测器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检测器和迹线层4。将接地的电阻器连接到导电参考层8。使用电阻器测量所施加的信号和通过检测器和迹线层4的延迟信号之间的相位偏移。由于检测器和迹线层4中电容的存在导致了延迟，可以使用该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。优选地，交流电压信号的频率大于10kHz。
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，同样地，检测器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，绝缘层6中的弹性的逐渐损失)，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14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14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14。该方法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14。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。
实施例
实施例1
如图5所示，通过将多层层压在一起制作开关面板。除非特别指出，否则，所有百分比都是指重量。
制作两个相同的弹性的结构，其组成按顺序如下：
I)利用来自墨西哥Polymeross y Derivados的100g/m2的CelFil 100纺丝粘合的聚酯无纺织物制成的保护层104，
II)利用来自明尼苏达州圣保罗的3M公司的100微米厚的Velostat 1704导电薄膜制成的第一导电层101，以及
III)利用来自马萨诸塞州Deerfield Urethane的8密耳厚的DuraflexPT9300的聚氨酯薄膜制成的弹性隔离层102。使用此第一导电层101作为接地平面，以将设备与外部干扰屏蔽开。
接着，使用与保护层104相同的无纺织物开始制作第二导电层108。利用导电性膏剂涂覆此导电层108，该导电性膏剂是由60％的来自北卡罗莱纳州Gastonia的Noveon的Hycar 26-1199粘合剂、10％的来自瑞士Bodio的Timcal的SFG-15石墨以及30％的水的混合物组成的。为了制作此膏剂，将石墨与约10毫升来自南卡罗莱纳州Spartanburg的Milliken Chemical公司的SL 6227分散剂一起加入水中，同时搅拌。接着，加入Hycar粘合剂。最后，加入来自宾夕法尼亚州费城的Rohm和Haas的Acrysol RM-8W增稠剂，直到布氏粘度计测量出的粘度达到12,000cP为止。
将此膏剂丝网印刷在聚酯无纺织物上，以生成图案化的结构，如图6所示。被印刷的是，检测器区域120、迹线122、针脚连接124，以及参考层连接126。印刷后，在强迫通风的烘箱中使此织物干燥15分钟，以除水并使涂层粘合到织物上。接着，导电涂层被涂上来自密歇根Port Huron的AchesonColloids的PE-001银膏。连接穿透针脚连接器(未示出)的凹(female)半部分，使得分离的针脚刺穿来自各个检测器的迹线。
在两个相同的弹性结构之间放置该印刷后的片材，使得无纺保护层104位于所得到的结构的外部。将分离的绝缘铜线连接到各个导电层，以将它们连接到印刷物中的接地连接。利用来自明尼苏达州圣保罗的3M公司的Super77喷雾粘合剂，将相邻层粘合在一起。
将针脚连接器连接到其凸的(male)对应部分，此凸的对应部分连接到被屏蔽的同轴电缆，使得电缆的接地护套连接到第一导电层。中心导体依次被连接到各个迹线。将同轴电缆的另一端插入到Triplett 2102万用表的电容测量口，此口被设置为测量小电容。对各个迹线和参考层之间的电容进行两次测量，第一次为静止状态，然后按压在检测器上，以最大程度地压缩弹性的分隔层。
实施例2
第二结构被制成与实施例1中的结构相同，除了利用来自纽约BallstonSpa的Specialty Silicone Products得到的3密耳厚的M823聚硅酮薄膜代替弹性的隔离层102中的聚合物之外。
实施例3
第二结构被制成与实施例1中的结构相同，除了利用来自西维吉尼亚Huntington的Rubberlite公司得到的44密耳厚的T-1505 HypurCEL聚氨酯泡沫代替弹性的隔离层102中的聚合物之外。
表A示出了实施例1-3中的各个实施例的测量电容。这些数值是在减去从面板到万用表的电缆之间的44皮法电容之后得到的。在图6中示出了印刷的检测器和迹线元件的图案。通过长迹线122和短迹线121将检测器120连接到装置的边缘。还印刷了接地连接126和针脚连接124。
表A：
Figure A200780013045D00181
表A示出了较薄的绝缘体将得到较大的电容，但是，较厚的绝缘体将得到较大的电容相对变化(相对于静态值)。优选的是根据应用环境、所期望的灵敏度，以及检测电子装置的分辨率来设置该厚度。
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)

1.一种电容传感器，包括：
第一挠性的、弹性的绝缘层，其具有第一和第二侧面，厚度为8到250微米之间；
导电的检测器和迹线层，其位于所述第一绝缘层的第一侧面上，该导电的检测器和迹线层包括检测器和迹线；
第一导电参考层，其位于所述第一绝缘层的第二侧面上；以及，
电容计，其电气连接到所述检测器和迹线层，并连接到所述第一导电参考层。
2.如权利要求1所述的电容传感器，其中所述第一导电参考层具有第一电压，并且所述检测器和迹线层具有第二电压，其中，所述第一和第二电压的差值至少为0.1伏特。
3.如权利要求1所述的电容传感器，其中，所述第一绝缘层包括基本上没有空隙的薄膜。
4.如权利要求3所述的电容传感器，其中，当施加50到150bar负荷时，所述第一绝缘层压缩50％。
5.如权利要求1所述的电容传感器，其中，所述导电的检测器和迹线层包括两个或更多单独电气寻址的检测器和迹线。
6.如权利要求5所述的电容传感器，其中，所述电容计电气连接到各个迹线，并电气连接到所述第一导电参考层，其中，所述第一导电参考层具有第一电压，并且所述迹线中的每个迹线具有第二电压。
7.如权利要求1所述的电容传感器，其中，所述导电的检测器和迹线层包括印刷有导电墨水的织物。
8.如权利要求1所述的电容传感器，进一步包括：
第二挠性的、弹性的绝缘层，其位于所述导电的检测器和迹线层上，处于与所述第一挠性的、弹性的绝缘层相反的一侧；
第二导电参考层，其位于所述第二挠性的、弹性的绝缘层上，处于与所述导电的检测器和迹线层相反的一侧；以及
所述电容计，其附加地电气连接到所述第二导电参考层。
9.如权利要求8所述的电容传感器，其中，所述第一导电参考层具有第一电压，所述检测器和迹线层具有第二电压，所述第二参考层具有第三电压，其中，所述第一和第二电压的差值至少为0.1伏特，所述第二和第三电压的差值至少为0.1伏特。
10.一种挠性的电容传感器，包括：
第一挠性的、弹性的绝缘层，其具有第一和第二侧面；
导电的检测器和迹线层，其位于所述第一绝缘层的第一侧面上，该检测器和迹线层至少包括单独电气寻址的两个检测器和迹线；
第一导电参考层，其完全覆盖所述检测器；以及
电容计，其电气连接到各个迹线和所述第一导电参考层。
11.如权利要求10所述的电容传感器，其中，所述第一导电参考层具有第一电压，所述检测器和迹线层具有第二电压，其中，所述第一和第二电压的差值至少为0.1伏特。
12.如权利要求10所述的电容传感器，其中，所述第一挠性的、弹性的绝缘层包括泡沫。
13.如权利要求10所述的电容传感器，其中，当施加了0.14bar的负荷时，所述第一绝缘层压缩10％到50％之间。
14.如权利要求10所述的电容传感器，其中，所述导电的检测器和迹线层包括印刷有导电墨水的织物。
15.如权利要求10所述的电容传感器，进一步包括：
第二挠性的、弹性的绝缘层，其位于所述导电的检测器和迹线层上，处于与所述第一挠性的、弹性的绝缘层相反的一侧；
第二导电参考层，其位于所述第二挠性的、弹性的绝缘层上，处于与所述导电的检测器和迹线层相反的一侧；以及
所述电容计，其附加地电气连接到所述第二导电参考层。
16.如权利要求15所述的电容传感器，其中，所述第一导电参考层具有第一电压，所述检测器和迹线层具有第二电压，所述第二参考层具有第三电压，其中，所述第一和第二电压的差值至少为0.1伏特，并且所述第二和第三电压的差值至少为0.1伏特。
17.一种电容传感器，包括：
第一挠性的、弹性的绝缘层，其具有第一和第二侧面，其中，所述第一绝缘层是间隔织物；
导电的检测器和迹线层，其位于所述第一绝缘层的第一侧面上，该导电的检测器和迹线层包括检测器和迹线；
第一导电参考层，其位于所述第一绝缘层的第二侧面上；以及
电容计，其电气连接到所述检测器和迹线层，并电气连接到第一导电参考层。
18.如权利要求17所述的电容传感器，其中，所述导电的检测器和迹线层包括两个或更多单独电气寻址的检测器和迹线，其中，所述电容计电气连接到各个迹线，并电气连接到所述第一导电参考层，其中，所述第一导电参考层具有第一电压，所述迹线中的每个迹线具有第二电压。
19.如权利要求17所述的电容传感器，其中，所述导电的检测器和迹线层包括印刷有导电墨水的织物。
20.如权利要求17所述的电容传感器，进一步包括：
第二挠性的、弹性的绝缘层，其位于所述导电的检测器和迹线层上，处于与所述第一挠性的、弹性的绝缘层相反的一侧；
第二导电参考层，其位于所述第二挠性的、弹性的绝缘层上，处于与所述导电的检测器和迹线层相反的一侧；以及
所述电容计，其附加地电气连接到所述第二导电参考层。
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