CN102308270B - 电容式接近触觉传感器 - Google Patents

Abstract

一种新颖的电容式接近触觉传感器由电极层10以及可压缩不传导层20所形成。放置传导对象30与传感器接触，在传感器表面31上应用接触力，由于通过电极层10和对象30之间的可压缩不传导层20，在电极层10以及对象30之间形成电容测量传感器，允许检测接触的位置(作为传统接近传感器)以及测量接触力(作为触觉阵列传感器)。该传感器的有利应用包括用于消费类电子产品的输入设备，柔韧的、及薄的重量秤，行走时用于监测脚的压力分布的鞋垫，压力监视坐垫以及其他。

Description

电容式接近触觉传感器

与有关申请的对照

本申请要求同一发明人的美国临时专利申请No.61/150,580的优先权，于2009年2月6日以相同的题目提交。本申请将其全部以参考的方式并入。

发明背景

本发明总体上涉及电容式接近传感器。更特别地，本发明的传感器利用覆盖有一层可压缩的不传导材料的接近阵列传感器，允许其检测附近的传导对象、以及通过这种对象作用到传感器表面上的作用力。

电容式接触传动器通常被用作消费类电子设备的输入设备。例如苹果公司的iPhone，就是一种使用接近接触传感器输入设备制作而成的具有改良的用户界面的广泛使用的设备。虽然这种电容式接触传感器的灵敏度在检测附近传导对象的存在或不存在的方面非常高，但是他们不能被用于有效地测量由对象作用到传感器表面上的渐进力。接近传感器被用于现有技术中的其他已知的应用中，例如，如图1所示的包含由行及列所形成的栅格式电极的电容式接触面板。其提供了非常灵敏的对象检测，因为在使用接地的或传导对象，如手指、裸露的脚或金属时，感应机构在传感器的电学性质中。尽管如此，这种接近效果不能测量由对象，如脚，所作用的压力或力。然而，通过整合所有的测量，其有效地提供了脚的尺寸，而不是人的体重-称重性能的研究显示出他们是不精确的。他们的读数也极其依靠人是否穿着袜子。

触觉阵列传感器在另一方面，确实可测量实际接触压力并且能将它们合并到接触力中。然而，对于许多常见的应用，例如用于力-传感电阻(FSR)，他们的表现总是不够准确。触觉阵列传感器的另一个缺点是其制造的难度及复杂性。

现有技术中触觉传感器阵列传感器(相同发明人的美国专利No.7,609,178)的横断面视图如图2所示。它包括通过间隔105与第二电极103分开的第一电极101。通过对象104在区域110内对电极的压缩，导致两个电极之间电容量的变化，此变化随后被控制单元所检测。高度灵敏的触觉传感器的这种设计需要一个模塑的结构用来支撑接地电极(ground electrode)。通过结合所有压力测量结果，一个总的力或重量可以被推算出来。类似这种需要高灵敏度和对抗大的切变应力的应用，例如当一个人跨步及步行在传感器上，提出了一个巨大的挑战，因为接地电极可能由安装好的基板上脱层。

因此，存在一个高度灵敏以及可靠的传感器的需求，其制造简单，且能提供作为触觉传感器的精确性以及接近传感器的灵敏度。

发明内容

因此，本发明的目的在于通过提供一种新颖的电容式接近触觉传感器，可将接触检测以及力量测量功能融入一个单独的设备中，以克服现有技术中这些和其他的缺点。

本发明的另一个目的在于提供一种通过接地的或用电的传导对象，其中包含人的身体的一部分，具有感应接触以及测量接触力的能力的电容式触觉传感器。

本发明的进一步的目的在于提供一个可符合简单的制造过程的电容式接近触觉传感器。

本发明的另一个目的在于一个具有统一的灵敏度的电容接近触觉传感器。

本发明的另一个目的在于提供一个柔韧的、且能围绕一个平面或曲面或在其上面弯曲或折叠的电容式接近触觉传感器。

本发明的传感器包括一个电容感应电极层以及一个可压缩的不传导层。当传导对象被放置在附近时，接近传感器在电容感应电极和传导对象之间形成，允许检测接触位置。同时，对象所作用的力引起了不传导层的压缩。电容式触觉传感器在感应电极和传动对象之间形成，其中具有不传导层的。感应电极和传导对象之间的测量电容允许确定对象与电极之间的间隔。相应地，知道了间隔可从已知的不传导材料的可压缩参数计算在那个位置的作用力。结合材料被压缩和接触被检测的多个位置的力量数据可计算总的接触力或对象的重量。

附图说明

通过参考下面对引用的附图的详细描述，可以了解本发明主旨的更加完整的理解及其各种优点，其中：

图1是现有技术中接近传感器的整体描绘，

图2是现有技术中电容式触觉传感器的整体图示，

图3是传导对象放置在其上的本发明的传感器的整体图示，

图4示出了本发明的传感器的一个作为压力映射垫的实际应用，

图5示出了本发明的传感器的一个作为用于消费类电子产品的实际应用的力测量输入设备，

图6A和6B示出了本发明的传感器的一个作为压力分布式测量鞋垫传感器的实际应用，

图7A和7B示出了本发明传感器的一个作为柔韧浴室秤的实际应用，

图8示出了本发明的传感器的一个作为用于与沙袋一块使用的冲击力测量传感器实际应用，及最后

图9示出了本发明的传感器在坐垫里的一个实际应用。本发明优选实施例的详细描述

本发明的详细描述参考附图如下，在附图中，相同的元件由相同的附图文字和数字表示。

图3描绘了包含两个主要元件-至少一个电容感应电极层10以及可压缩不传导层20的本发明的传感器的整体图示。电容感应电极层10以类似传统接近传感器阵列的方式形成。它包括一些当传导对象30被放置在附近时，能够测量电学和电容特性的位置(像素)。像素的具体数量以及它们的设计很大程度上取决于特定的应用；它们中的一些实例在下面被更详细的描述。源自单个像素的信号通过电缆(未示出)被传输至控制单元(未示出)。在一些实际应用中，控制单元合并至传感器设备本身并安装在附近，可选地作为传感器本身安装在同一支撑基板的上面。通常为接触传感器建立的任何电容感应集成电路(IC)都能用于本发明。

可压缩层的厚度以及传感器元件的尺寸都能被如此调整，当对象产生接触时，源自接近效应的信号在集成电路的噪声水平内。在这种构造中，接近效应被最小化，且传感器表现为类似可测量接触压力和力的传统触觉传感器。

可压缩不传导层20放置在电极层10的上方。它可像聚亚安酯(polyurethane)泡沫层一样简单。重要地，预先知道此层的可压缩参数。材料选择，厚度，以及可压缩性都基于特定实际应用的需要被选择-参见以下实例。除了聚亚安酯之外，硅或热塑性弹性泡沫也能够使用。重要的是正确地评估对于每一个实际应用的最小和最大接触力。在材料和厚度选择之后的指导原则是确保可压缩层在其弹性渐进变形范围内形变。应选择足够柔软的，在预期的最小接触力下至少部分形变以便提供用于特殊用途的充分的灵敏度。同时，最大预期接触力不应该使材料超出其渐进压缩范围。超出渐进压缩范围可能导致不好的传感器性能或至少引起传感器读数达到饱和状态，因此引起输出信号错误。将已知的力或压力应用到将与传感器接触的使用对象上的传统校准过程提供了一个校准曲线，在此以数字计数的传感器输出能够被转化为压力或力。将与传感器接触的对象是预先已知的对于正确使用这种传感器是很重要的。

本发明的传感器有效地结合了接近传感器的功能以及电容测量触觉传感器的功能。当传导对象30被放置在可压缩层20上，一个特定的力被作用在传感器表面之上，可压缩层20在区域31之上、对象30之下变形。传感器的接近感应接触检测部分利用传导对象30的紧密存在，作为可用作第一输入信号的接触位置的传统已知的检测。

同时，在电极层10和传导对象30之间的电容感应电路允许确定在被区域31所包围的许多点之上的其间的间隙。在通过测量电容所确定的间隙的每个点上，局部的力可能随后由已知的可压缩层20的压缩特征所计算出来。结合整个区域31上的力的数据点，可计算出对象30按压本发明的传感器的总的接触力，即使对象30可能具有不规则形状。接触力能够用作第二输入信号，独立于由传感器的接近检测部分所产生的第一输入信号。

根据本发明的方法，接触位置以及接触力的检测可由以下步骤完成：

a.提供包含电极层和暴露于传导对象的可压缩不传导层的电容式接近触觉传感器；可压缩层的特征在于具有由最小接触力和最大接触力所限定的渐进压缩范围，

b.通过在最小接触力和最大接触力之间的一定范围内的传导对象的接触力的实际应用，利用传感器的电学性能以及基于传导对象的紧密接近，检测接触的位置，

c.测量遍及在对象和传感器之间的接触区域的电容，

d.由电容数据计算变形的可压缩层的厚度分布，

e.由不传导层的厚度分布以及预定的压缩性能计算在接触区域上的力的分布，以及

f.由力的分布数据计算接触力。

可选择地，基于与已知的作用力相关的电容测量，校准曲线能够被创建以确定接触力。

重要地，电极层和可压缩不传导层都是弹性的，使得整个传感器具有弹性。这有利于用在本发明的一些潜在的实际应用中，除了被说明的许多应用外。例如，用于测量口内的舌头所施加的力的传感器可以被创建，该传感器利用聚亚安酯的热成型层密封或在水溶性防护涂层中浸渍。

下面的描述提供了本发明实施例。图4说明了本发明的传感器用于检测当一个人走在传感器上时，人的脚下面的压力分布的一般应用。在此实例中，脚扮演了传导对象30的角色。可压缩层的厚度和刚度被选择适应在典型的人类重量范围下可压缩层的凹陷，人类重量的范围例如20lbs到400lbs。脚30对层20的压缩被转化成在传感器变形区域31上的许多的电容测量结果。这些测量结果用于计算层20的厚度分布，然后利用层20材料的压缩性能，压力分布可通过控制单元被计算出来。这个实际应用最重要的优势在于有或者没有袜子都不会明显改变传感器的读数。

重要地，可压缩层20的存在也允许有层20内部所固有发生的变形力的局部重新分布。这一点使得对比现有技术的传感器，本发明的传感器的更统一的灵敏度。

知道在传感器表面之上人的脚的压力分布能被应用到许多应用实例中。本发明一个有用的实例是可记录一个行走中的人的脚的压力分布的鞋垫。这个传感器如图6A(侧视图)和6B(顶视图)所示。老人的灵活性的退化是摔跤和受伤的主要原因。研究表明，步法的变化常常先于摔跤的实际事件。许多设备已知被用于步法监视。如图6所示的简单且不显眼的鞋垫可被用于作为短期的或长期的步法监视工具。这种传感器也能被用作一种简单制作的鞋垫触觉传感器，其可利用压力分布信息来监视平衡，压疮，表现，动力，力量，以及重量。一个典型的鞋垫的设计包括至少一个或优选的多个感应区域41到46，以监视脚下的多个点上的压力。鞋垫传感器可以通过要求人分别举起每一只脚，以及用两只脚平衡的站立，而用重量轻松的校准。通过将人的重量记入处理单元，在一只脚上的全部的重量，在一只脚上一半的重量以及没有重量都可被校准。

本发明的传感器的另一个有用的实例在于制作有弹性的，耐用的以及薄的浴室体重秤。它可以像毯子一样被放置，允许人们在上面无绊跌的走。由于其薄的性质，它能被放置在更方便的位置用来测量某人的自身的重量，例如在浴室的中间，或可能甚至在一些不可避免的地方(在门的入口附近)。传感器的柔韧性使得它可以不平坦的表面操作，例如具有不平坦地面的老房子。当走在秤上时，泡沫的可压缩性将提供柔软及缓和的感觉。这种浴室秤的设计如作为顶视图的图7A所示，以及说明其柔韧性的透视图如图7B所示。

本发明的电容式接近触觉传感器能够被用做类似于传统接近触觉输入设备，但是具有用于力量检测的额外好处。概念地，这种应用如图5所示。在这个例子中，用户的手指是传导对象30。这种对常见接近接触传感器的简单的增强对于通过生成位置输入信号和渐进的力量信号的个人移动设备以及游戏控制器是非常有价值的。这种力量强度信号相应地能用于控制如滚动的速度或字符或车辆速度等参数。对于类似于吉他英雄(Guitar Hero)的游戏，当用户的手的位置被认为遵循一系列预设程序的动作时，通过要求人不只要遵循动作的顺序，而且要控制不同强度的作用的压力或力，一个更高级别的难度可被设定。这种依从的层的附加好处是自然的触觉反馈，用户可以获得与在操作传感器的过程中通过压缩泡沫的动作所获得的相同的更柔软的及更缓和的感觉。

图8示出了使用更厚的可压缩层设计用于承受来自用拳猛击动作的冲击力的一个实例。这种应用允许创建一种力量及能量监视器用于训练运动员。对于拳击的应用，本发明的传感器可选择地并入拳击手套中(图中未示出)。

图9示出了装备了压力分布监视器的座位。通过将电容电极插入到坐垫的底部作为依从的不传导层20，人的臀部可充当传导对象30，作为第二电极及然后形成电容式接近触觉传感器。这种构造能作为低廉及可靠的手段来检测车辆中的前面座位上乘客的存在以启动或禁用各个安全气囊。用作这种实际应用的超出其他类型的传感器的一个重要优势在于其基于测量重量。当一个重物，而不是人，放置在座位上时，如一堆书或旅行包，本发明的传感器不会打开安全气囊。

本发明的压力监视座位或仅仅坐垫也能用于轮椅或适合被用在医院病床上，来监视压力水平以防止压疮。

尽管此处本发明采用特定的实施例进行了阐述，但是应理解为这些实施例仅仅用来说明本发明的原理及实际应用。因此应当理解，在不超出本发明的精神和范围的情况下，对说明性的实施例的修改以及其他装置的设计均用附加权利要求限定。

Claims (10)

1.一种电容式接近触觉传感器，其包含电极层和暴露于传导对象的可压缩不传导层，所述可压缩不传导层限定了接触力的渐进可压缩范围，其中当通过所述传导对象作用于所述可压缩层上的接触力在所述渐进可压缩范围内且改变其厚度分布时，通过所述电极层和所述传导对象之间的可压缩不传导层，在所述电极层和所述传导对象之间形成电容传感器，其中所述传感器产生两个信号：一个接触位置的信号，以及一个代表所述接触力的接触力的信号，所述接触力的信号通过测量所述电极层和所述传导对象之间的电容产生，当所述不传导层通过所述传导对象形变时，指示所述电极层和所述传导对象之间的间隔并采用所述间隔和所述不传导层的已知可压缩参数计算所述接触力。

2.如权利要求1所述的传感器，其中所述电极层包含电极阵列，每个电极都能检测通过所述传导对象的接触位置，以及测量其与所述对象之间的电容。

3.如权利要求1所述的传感器，其中所述电极层和所述可压缩不传导层是柔韧的。

4.权利要求1所述的电容式接近触觉传感器，所述的电容式接近触觉传感器适应于作为一个柔韧的重量秤。

5.权利要求1所述的电容式接近触觉传感器，所述的电容式接近触觉传感器适应于作为用于监视人的脚下面的压力分布的鞋垫。

6.权利要求1所述的电容式接近触觉传感器，所述的电容式接近触觉传感器适应于作为用于消费类电子产品的输入设备。

7.权利要求1所述的电容式接近触觉传感器，所述的电容式接近触觉传感器适应于作为拳击力量监视器。

8.权利要求1所述的电容式接近触觉传感器，所述的电容式接近触觉传感器适应于作为压力监视坐垫。

9.权利要求1所述的传感器，其中所述可压缩不传导层由泡沫制成。

10.权利要求9所述的传感器，其中所述泡沫选自硅泡沫，聚亚安酯泡沫以及热塑性弹性泡沫。