專利名稱：傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于產生電信號的傳感器，所述電信號指示感測區(qū)內的機械作用的屬性；以及用于產生電信號的方法，所述電信號指示傳感器的感測區(qū)內的機械作用的屬性。
背景技術：
本申請人名下的英國專利No. 2 365 532公開了一種由紡織物制作的柔性字母數字鍵盤。該柔性字母數字鍵盤的構造利用第一和第二紡織物導電層。該文獻教導了提供分離裝置來確保第一和第二導電紡織物層通常分開，并且在機械作用期間允許第一和第二導電層進行接觸。Martinelli等人名下的美國專利No. 5，943，044公開了一種觸摸板組件和方法， 用于產生指示觸摸觸摸板的物體的位置和所施加壓力的信號。觸摸板的組件包括X和Y位置和壓力敏感的半導體電阻傳感器層。位置傳感器層被布置為，在物體觸摸觸摸板時在觸點處形成接觸。對于利用在第一和第二導電層之間的分離裝置的傳感器，已經發(fā)現問題。這種類型的傳感器的生產問題在于，由于提供可靠分離裝置的要求，存在制造開銷。這種類型的傳感器的生產后問題在于，虛假觸發(fā)可能毀壞傳感器的功能。對于被配置為允許一定彎曲程度的傳感器而言，這些問題尤其普遍，因為分離裝置的功能往往比更加剛性的傳感器更快退化。

發(fā)明內容
根據本發(fā)明的第一方面，提供了用于產生電信號的傳感器，所述電信號指示感測區(qū)內的機械作用的位置屬性和范圍屬性，所述傳感器包括多個導電層，所述多個導電層至少包括第一導電層，具有第一導電區(qū)域，所述第一導電區(qū)域具有與其電連接的第一電端子和第二電端子，并被配置為允許沿第一方向在所述第一電端子和所述第二電端子之間建立電位梯度；第二導電層，具有第二導電區(qū)域，所述第二導電區(qū)域具有與其電連接的第三電端子；所述傳感器被配置為使得在所述感測區(qū)內的機械作用期間，在所述第一導電區(qū)域和所述第二導電區(qū)域之間建立電路徑；所述多個導電層中的至少一個是包括量子隧道電導 (qtc)材料的壓力敏感導電層，所述傳感器被配置為使得在所述感測區(qū)內不存在機械作用期間允許導電層之間的接觸。根據本發(fā)明的第二方面，提供了根據上述本發(fā)明第一方面的傳感器，其中，所述第三電端子是片端子。根據本發(fā)明的第三方面，提供了根據上述本發(fā)明第一方面的傳感器，其中，所述第二導電區(qū)域具有與其連接的第四電端子，并被配置為允許沿與所述第一方向實質上垂直的第二方向在所述第三電端子與所述第四電端子之間建立電位梯度。根據本發(fā)明的第四方面，提供了用于產生電信號的方法，所述電信號指示傳感器的感測區(qū)內的機械作用的位置屬性和范圍屬性，所述方法包括以下步驟接收根據上述本發(fā)明第一方面的傳感器；沿所述第一方向，在所述第一電端子與所述第二電端子之間，跨過所述第一導電層建立電位梯度；從所述第三電端子接收第一電壓，以產生第一位置值；處理所述第一位置值，以產生機械作用的第一位置屬性；從所述第一導電層的所述第一電端子和所述第二電端子之一建立電位，以產生第一電流；從所述第二導電層的所述第三電端子測量所述第一電流，以產生第一電流值；從所述第一導電層的所述第一電端子和所述第二電端子中的另一個建立電位，以產生第二電流；從所述第二導電層的所述第三電端子測量所述第二電流，以產生第二電流值；以及與所述第一電流值相結合地處理所述第二電流值，以產生機械作用的范圍屬性。根據本發(fā)明的第五方面，提供了用于產生電信號的方法，所述電信號指示傳感器的感測區(qū)內的機械作用的位置屬性和范圍屬性，所述方法包括以下步驟接收根據上述本發(fā)明第三方面的傳感器；沿所述第一方向，在所述第一電端子與所述第二電端子之間，跨過所述第一導電層建立電位梯度；從所述第二導電層的第三電端子和所述第四電端子之一接收第一電壓，以產生第一位置值；處理所述第一位置值，以產生機械作用的第一位置值；沿所述第二方向，在所述第三電端子與所述第四電端子之間，跨過所述第二導電層建立電位梯度；從所述第一導電層的第一電端子和所述第二電端子之一接收第二電壓，以產生第二位置值；處理所述第二位置值，以產生機械作用的第二位置值；從所述第一導電層的所述第一電端子和所述第二電端子之一建立電位，以產生第一電流；從所述第二導電層的所述第三電端子和所述第二電端子之一測量所述第一電流，以產生第一電流值；從所述第一導電層的所述第一電端子和所述第二電端子中的另一個建立電位，以產生第二電流；從所述第二導電層的所述第三電端子和所述第四點端子中的另一個測量所述第二電流，以產生第二電流值；以及與所述第一電流值相結合地處理所述第二電流值，以產生機械作用的范圍屬性。


圖1示意了用于產生電信號的傳感器，所述電信號指示感測區(qū)內的機械作用的位置屬性和范圍屬性；圖2示意了多個導電層的物理布置的特征；圖3示出了用于向傳感器提供用于指示機械作用的位置屬性和范圍屬性的功能的三端子電學配置；圖4示出了用于利用參照圖3描述的具有三端子電學配置的傳感器來產生機械作用的位置屬性和范圍屬性的過程中的步驟；圖5示意了用于向傳感器提供用于指示機械作用的第一和第二位置屬性以及范圍屬性的功能的四端子電學配置；圖6示出了用于利用參照圖5描述的具有四端子電學配置的傳感器來產生機械作用的第一和第二位置屬性以及范圍屬性的過程中的步驟；
6
圖7-11分別示出了能夠在感測區(qū)中利用的多個導電層的不同布置，每個布置包括包括qtc材料的至少一個層；圖12示出了感測區(qū)布置；圖13示出了利用使用參照圖5描述的四端子電學配置的傳感器和圖12的感測區(qū)布置來產生機械作用的第一和第二位置屬性以及范圍屬性的過程中的步驟；圖14示出了由行和列的矩陣提供的感測區(qū)；圖15示出了利用使用參照圖5描述的四端子電學配置的傳感器和圖14的感測區(qū)布置來產生機械作用的第一和第二位置屬性以及范圍屬性的過程中的步驟；圖16示意了生產傳感器的示例方法；圖17示出了具有這里描述的構造的傳感器的第一應用；圖18示出了柔性傳感器；圖19示出了第一和第二傳感器；圖20示出了圖19的第一和第二傳感器被電連接，以用作單一傳感器；圖21示出了被布置為檢測感測區(qū)內同時多個機械作用的傳感器；圖22示出了被配置為提供實質上圓形感測區(qū)的傳感器；圖23示出了被配置為提供實質上環(huán)形感測區(qū)的傳感器；圖24示出了用于二維感測區(qū)的另一應用；圖25示出了具有實質上三維感測區(qū)的傳感器；以及圖26示出了被配置為識別按壓和手勢的控制器。
具體實施例方式圖 1圖1示意了用于產生電信號的傳感器101，所述電信號指示感測區(qū)內的機械作用的位置屬性和范圍屬性。傳感器101包括多個導電層，所述多個導電層至少包括第一導電層102和第二導電層103。多個導電層中的至少一個是包括量子隧道電導(qtc)材料的壓力敏感導電層。量子隧道電導(qtc)材料的示例的描述可以在本申請人名下的US 6，291，568 和US 6，495，069中找到。該傳感器被配置，以使得在感測區(qū)內不存在機械作用期間允許導電層之間的接觸。如以下進一步詳細描述，傳感器的多個導電層具有電端子的布置(該圖中未示出)。電端子可以被布置為向傳感器提供三端子感測布置，以允許確定機械作用的單一位置值和范圍值。在笛卡爾坐標中，三端子感測布置允許沿X軸或Y軸方向的測量以及沿Z軸方向的測量。電端子可以被布置為向傳感器提供四端子感測布置，以允許確定機械作用的第一和第二位置值以及范圍值。在笛卡爾坐標中，四端子感測布置允許沿X軸方向和Y軸方向的測量，以及沿Z軸方向的測量。因此，傳感器101可以包括與多個導電層的電端子電連接的電接口設備104。傳感器101被配置為對機械促動器進行響應。在實施例中，傳感器被配置為對手指105的促動進行響應。圖 2圖2示意了圖1的導電層102和103的物理布置的特征。
在不存在機械作用期間，導電層被認為處于靜止狀況。在機械作用期間，導電層被認為處于變形狀況。在201處示出了機械作用的實例。在機械作用期間，第一和第二導電層102、103 物理接觸。在202處示出了不存在機械作用的實例。在不存在機械作用期間，第一和第二導電層102、103可以或可以不物理接觸。在不存在機械作用期間，第一和第二導電層之間的任何接觸是由于在靜止狀況下這些層的表面形狀。根據該所示示例，第二導電層103包括量子隧道電導(qtc)材料。qtc材料響應于變形，在于qtc材料沿特定方向具有電阻，并且對于沿該特定方向的特定程度的變形，響應于沿該方向的變形程度的改變而呈現出電阻的改變。qtc材料可以被建模為可變電阻器， 其中電流取決于壓縮、拉伸或扭轉的程度。在所施加的力下，QTC材料的電阻可控且可重復地降低。這里將包括qtc材料的導電層稱為“qctm層”。qtcm層被認為在笛卡爾坐標中沿 X軸和Y軸方向具有平面電阻，并且在笛卡爾坐標中沿Z軸方向具有深度電阻。導電層具有跨過該層的電阻分量和透過該導電層的電阻分量。在傳感器的感測區(qū)內的機械作用期間，qtcm層經歷變形，變形導致平面電阻和深度電阻的局部變化。qtcm層響應于壓力，在于在機械作用的地點處，響應于該機械作用，呈現出深度電阻的改變。可以提供以下qtc材料具有足夠高以抑制電流的靜止狀況深度電阻，但具有足夠低以實現電流測量的變形狀況深度電阻。因此，在處于靜止狀況時，qtc材料可以被建模為絕緣體；而在處于變形狀況時， qtc材料可以被建模為導體。在示例中，qtc材料在靜止狀況下具有IM歐姆的電阻，但是在變形狀況下能夠顯示出低于IOk歐姆的電阻。應當理解，用于具有這里描述構造的傳感器中的特定qtc材料應當被選擇為提供所需的期望靈敏度，以檢測傳感器要檢測的機械作用。qtc材料的電學特性使得能夠在導電層布置的傳感器內利用qtcm層，該導電層布置允許在傳感器處于靜止狀況時qtcm層與另一導電層物理接觸。將對該特征提供的優(yōu)點進行全面討論。該特征的優(yōu)點在于，不需要在qtcm層與另一導電層之間提供分離裝置。在現有技術傳感器中利用的分離層典型地由空氣間隙、通過諸如可以由各個元件的網或圖案提供的絕緣節(jié)點的布置來提供。顯然，可以省去在傳感器制造期間提供分離器層的步驟。這允許通過以下一項或多項的減少來實現傳感器構造中的成本節(jié)約在制造過程中使用的材料、 制造過程的復雜度、制造過程的持續(xù)時間、制造后的測試。此外，省去分離器層提供了特定多個導電層的總厚度的相對減小。反過來，這允許減小傳感器所安裝至的物品(例如移動電話)的尺寸。與現有技術傳感器相比，在沒有分離層的情況下，在機械作用期間施加的力更直接地透過傳感器。因此，不包括qtcm層與另一導電層之間的分離層的傳感器尤其有用于 期望要檢測的機械作用導致相對較小偏轉的應用。圖 3圖3示意了用于向傳感器提供用于指示機械作用的位置屬性和范圍屬性的功能的三端子電學配置。第一導電層102具有第一導電區(qū)域，第一導電區(qū)域具有與其電連接的第一電端子ClB和第二電端子C1T，并被配置為允許沿第一方向Dl在其間建立電位梯度。 第二導電層103具有第二導電區(qū)域，第二導電區(qū)域具有與其電連接的第三電端子R1R。如圖3所示，第一導電層102的第一電端子ClB和第二電端子ClT均為線端子，而第二導電層 103的第三電端子RlR為片端子。在301和302、303和304處分別示意了用于確定機械作用的位置屬性和范圍屬性的布置。在301、302和303處，第一導電層102被示意性表示為電位計，而且第一和第二導電層102、103之間的導電路徑的電阻被示意性表示為可變電阻器在301的布置中，正電壓施加至第一導電層102的電端子ClB ；而第一導電層102 的另一電端子ClT接地，從而沿方向Dl在其間建立電位梯度。在機械作用期間，在機械作用的地點，來自第一導電層102的電壓施加至第二導電層103。對電壓的測量可以從第二導電層103的電端子RlR進行，從而提供電壓VI。Vl與機械作用的中心與第二導電層103 的電端子RlR的距離直接成比例。因此，可以根據Vl導出機械作用的位置屬性。可以認識至IJ，在301的布置中，第一導電層102的電端子的作用可以顛倒。在302的布置中，正電壓施加至第一導電層102的電端子ClB ；而第一導電層102 的另一電端子ClT斷開。在機械作用期間，電流從第一導電層102的電端子ClB通過機械作用的地點流至第二導電層103的電端子R1R。第二導電層103的電端子RlR經由已知值電阻器連接至地。對電壓的測量可以從第二導電層103的電端子RlR進行，從而提供電壓 V2。電壓V2表示跨過該已知值電阻器的電壓降，并與在機械作用期間在第一導電層102的電端子ClT與第二導電層103的電端子RlR之間流動的電流直接成比例。在303的布置中，正電壓施加至第一導電層102的電端子ClT ；而第一導電層102 的另一電端子ClB斷開。第二導電層103的電端子RlR經由已知值電阻器連接至地。在機械作用期間，電流從第一導電層102的電端子ClT通過機械作用的地點流至第二導電層103 的電端子R1R。對電壓的測量可以從第二導電層103的電端子RlR進行，從而提供電壓V3。 電壓V3表示跨過該已知值電阻器的電壓降，并與在機械作用期間在第一導電層102的電端子ClB與第二導電層103的電端子RlR之間流動的電流直接成比例。如304處所示，在機械作用期間通過第一和第二導電層102、103的導電路徑的電阻Rv與所測量的電壓V2和V3之間存在關系。電阻Rv與V2的倒數和V3的倒數之和成比例。在機械作用期間通過第一和第二導電層102、103的導電路徑的電阻Rv取決于于機械作用的所施加力或所施加壓力的幅度以及機械作用的面積。因此，可以從V2和V3導出機械作用的范圍屬性。在針對第一和第二導電層102和103的相同導電區(qū)域的三端子電學配置的備選布置中，第一導電層102的第一和第二電端子C1B、ClT和第二導電層103的第三電端子RlR 均為線端子。在向第二導電層103提供線端子而不是片端子時，發(fā)現感測配置對機械作用的靈敏度將隨著機械作用與線端子的距離減小而增大，因此必須補償這種效應。圖 4 圖4示出了用于利用圖3的具有三端子電學配置的傳感器來產生機械作用的位置屬性和范圍屬性的過程401中的步驟。在步驟402，執(zhí)行圖3的301的電學布置并進行Vl測量，以給出第一位置值。在步驟403，執(zhí)行圖3的302的電學布置并進行V2測量，以給出第一范圍值。在步驟404，執(zhí)行圖3的303的電學布置并進行V3測量，以給出第一范圍值。在步驟405，第一位置值被處理以給出位置屬性。然而，該步驟可以在402之后的任何時刻執(zhí)行。在步驟406，相結合地處理第一范圍值和第二范圍值，以給出范圍屬性。然而，該步驟可以在步驟403和404之后的任何時刻執(zhí)行。圖5圖5示意了用于向傳感器提供用于指示機械作用的第一和第二位置屬性以及范圍屬性的功能的四端子電學配置。第一導電層102具有第一導電區(qū)域，第一導電區(qū)域具有與其電連接的第一電端子ClB和第二電端子C1T，并被配置為允許沿第一方向Dl在其間建立電位梯度。第二導電層103具有第二導電區(qū)域，第二導電區(qū)域具有與其電連接的第三電端子RlR和第四電端子R1L，并被配置為允許沿第二方向D2在其間建立電位梯度。在本示例中，方向Dl和D2實質上垂直。如圖5所示，第一導電層102的第一電端子ClB和第二電端子ClT以及第二導電層103的第三電端子RlR和第四電端子RlL均為線端子。在501和502以及503、504和505處分別示意了用于確定機械作用的第一和第二位置屬性以及范圍屬性的布置。在501、502、503和504處，第一和第二導電層102和103 均被示意性表示為電位計，第一和第二導電層102、103之間的導電路徑的電阻被示意性表示為可變電阻器Rv。在501的布置中，正電壓施加至第一導電層102的電端子ClB ；而第一導電層102 的另一電端子ClT接地，從而沿方向Dl在其間建立電位梯度。在機械作用期間，在機械作用的地點，來自第一導電層102的電壓施加至第二導電層103。對電壓的測量可以從第二導電層103的電端子RlR進行，而第二導電層103的另一電端子RlL斷開，從而提供電壓Vl。 Vl與機械作用的中心與第二導電層103的電端子RlR的距離直接成比例。因此，可以根據 Vl導出機械作用的第一位置屬性?？梢哉J識到，在301的布置中，第一導電層102的電端子的作用和第二導電層103的電端子的作用可以顛倒。在502的布置中，正電壓施加至第二導電層103的電端子RlR ；而第二導電層103 的另一電端子RlL接地，從而沿方向D2在其間建立電位梯度。在機械作用期間，在機械作用的地點，來自第二導電層103的電壓施加至第一導電層102。對電壓的測量可以從第一導電層102的電端子ClB進行，而第一導電層102的另一電端子ClT斷開，從而提供電壓V2。 V2與機械作用的中心和第一導電層102的電端子ClB之間的距離直接成比例。因此，可以根據V2導出機械作用的第二位置屬性?？梢哉J識到，在502的布置中，第二導電層103的電端子的作用和第一導電層102的電端子的作用可以顛倒。在503的布置中，正電壓施加至第一導電層102的電端子ClT ；而第一導電層102 的另一電端子ClB斷開。第二導電層103的電端子RlR經由已知值電阻器連接至地；而第二導電層103的另一電端子RlL斷開。在機械作用期間，電流從第一導電層102的電端子 ClT通過機械作用的地點流至第二導電層103的電端子R1R。對電壓的測量可以從第二導電層103的電端子RlR進行，從而提供電壓V3。電壓V3表示跨過該已知值電阻器的電壓降， 并與在機械作用期間在第一導電層102的電端子ClB與第二導電層103的電端子RlR之間流動的電流直接成比例。可以認識到，在503的布置中，第二導電層103的電端子的作用和第一導電層102的電端子的作用可以顛倒。在504的布置中，正電壓施加至第二導電層103的電端子RlL ；而第二導電層103的另一電端子RlR斷開。第一導電層102的電端子ClB經由已知值電阻器連接至地；而第一導電層102的另一電端子ClT斷開。在機械作用期間，電流從第二導電層103的電端子 RlL通過機械作用的地點流至第一導電層102的電端子C1B。對電壓的測量可以從第一導電層102的電端子ClB進行，從而提供電壓V4。電壓V4表示跨過該已知值電阻器的電壓降， 并與在機械作用期間在第二導電層103的電端子RlL與第一導電層102的電端子ClB之間流動的電流直接成比例。可以認識到，在504的布置中，第二導電層103的電端子的作用和第一導電層102的電端子的作用可以顛倒。如505處所示，在機械作用期間通過第一和第二導電層102、103的導電路徑的電阻Rv與所測量的電壓V3和V4之間存在關系。電阻Rv與V3的倒數和V4的倒數之和成比例。在機械作用期間通過第一和第二導電層102、103 的導電路徑的電阻Rv依賴于機械作用的所施加力或所施加壓力的幅度以及機械作用的面積。因此，可以從V3和V4導出機械作用的范圍屬性。圖 6圖6示出了用于利用圖5的具有四端子電學配置的傳感器來產生機械作用的第一和第二位置屬性以及范圍屬性的過程601中的步驟。在步驟602，執(zhí)行圖5的501的電學布置并進行Vl測量，以給出第一位置值。在步驟603，執(zhí)行圖5的502的電學布置并進行V2測量，以給出第二位置值。在步驟604，執(zhí)行圖5的503的電學布置并進行V3測量，以給出第一范圍值。在步驟605，執(zhí)行圖5的504 的電學布置并進行V4測量，以給出第一范圍值。在步驟606，第一位置值被處理以給出第一位置屬性。然而，該步驟可以在602之后的任何時刻執(zhí)行。在步驟607，處理第二位置值以給出第二位置屬性。然而，該步驟可以在603之后的任何時刻執(zhí)行。在步驟608，相結合地處理第一范圍值和第二范圍值，以給出范圍屬性。然而，該步驟可以在步驟604和605之后的任何時刻執(zhí)行。圖 7-11圖7-11分別示出了能夠在感測區(qū)中利用的多個導電層的不同布置，每個布置包括包括qtc材料的至少一個層。如上所述，這里將包括qtc材料的導電層稱為“qctm層”。這里將不包括qtc材料的導電層稱為“非qctm層”。非qctm層可以包括任何其它類型的導電材料。在示例中，非 qt cm層包括碳。在參照圖7-11描述的多個導電層的每個布置中，第一外層的外表面與第一和第二電端子電連接，第二外層的外表面至少與第三電端子電連接，以提供如上所述的三端子感測布置或四端子感測布置(未示出)。圖7示出了多個導電層701的布置，包括第一層 702，為qtcm層；以及第二層703，為非qtcm層。第一和第二層702、703被配置為第一和第二分離片704、705。圖8示出了多個導電層801的另一布置，包括第一層802，為qtcm層；以及第二層803，也為qtcm層。第一和第二層802、803被配置為第一和第二分離片804、805。該布置與圖7的布置的相似之處在于僅提供兩個層，然而，該布置與圖7的布置的差別在于提供了兩個qtcm層而不是qtcm層和非qtcm層。在提供多個qtcm層的實施例中，在提供每個 qtcm層時，可以利用相同或不同類型的qtc材料。
圖9示出了多個導電 層901的另一備選布置，包括第一層902，為第一非qtcm層； 第二層903，為qtcm層；以及第三層904，為第二非qtcm層。在本示例中，第一、第二和第三層902、903和904被配置為第一、第二和第三分離片905、906和907。圖10示出了多個導電層1001的備選布置，包括第一層1002，為第一非qtcm層； 第二層1003，為qtcm層；以及第三層1004，為第二非qtcm層。在本示例中，第一和第二層 1002、1003被配置為第一分離片1005，第三層1004被配置為第二分離片1006。在備選示例中，第一層1002被配置為第一分離片，第二和第三層1003、1004被配置為第二分離片。在這兩個示例中，在兩個非qtcm層之間部署單一 qtcm層。該布置與圖9的布置的相似之處在于在兩個非qtcm層之間部署單一 qtcm層，然而，該布置與圖9的布置的差別在于少提供一個分離片。圖11示出了多個導電層1101的另一備選布置，包括第一層1102，為第一非qtcm 層；第二層1103，為第一 qtcm層；第三層1104，為第二 qtcm層；以及第四層1105，為第二非 qctm層。在本示例中，第一和第二層1102、1103被配置為第一分離片1106，第三和第四層 1104、1105被配置為第二分離片1107。因此，在兩個非qtcm層之間部署兩個qtcm層。在圖9-11的布置中，提供中間qtcm層可以被視為去除了對通常用于將導電層分開的隔離的需要，并且還提供了有用的電學功能。qtc材料本身可以被配置為提供qtcm層，如上所述，qtcm層可以是分離片。備選地，可以通過使qtcm材料滲入非導電材料來制作qtcm層。非導電材料可以包括纖維，可以是織物纖維。將QTC層施加于另一導電層上以形成分離片的技術包括涂、繪、刷、滾筒印刷、絲網印刷、鏤版印刷、刮片、噴墨印刷或利用Mayer棒技術的應用。能夠在感測區(qū)中利用的導電層可以是實質上柔性的或者可以是實質上剛性的。導電層可以施加于基板?；蹇梢允菍嵸|上柔性的或者可以是實質上剛性的。將導電材料施加于基板(可以是非導電層或多個導電層組成的導電層)上的技術包括涂、繪、刷、滾筒印刷、絲網印刷、鏤版印刷、刮片、噴墨印刷或利用Mayer棒技術的應用。圖 12圖12示出了感測區(qū)布置。導電層可以包括如上所述的單一導電區(qū)域或者如下所述的多個導電區(qū)域。根據感測區(qū)布置1201，在1202處指示的第一導電層呈現出多個導電行，而且在 1203處指示的第二導電層呈現出多個導電列。每一行與其他行電絕緣，類似地，每一列與其他列電絕緣。每一行具有與其電連接的第一電端子和第二電端子，并被配置為允許沿第一方向在所述第一電端子與所述第二電端子之間建立電位梯度。例如，行1024具有與其電連接的第一電端子RlL和第二電端子R1B，并被配置為允許沿第一方向Rl在其間建立電位梯度。每一列具有與其電連接的第三電端子和第四電端子，并被配置為允許沿第二方向在所述第三電端子與所述第四電端子之間建立電位梯度。例如，列1025具有與其電連接的第三電端子ClB和第二電端子C1T，并被配置為允許沿第一方向Cl在其間建立電位梯度?？梢灶A期地，在使用術語“行”和“列”時，在第一和第二層內行和列分別互相平行。方向Rl和Cl實質上垂直。
圖 13圖13示出了利用使用參照圖5描述的四端子電學配置的傳感器和圖12的感測區(qū)布置來產生機械作用的第一和第二位置屬性以及范圍屬性的過程1301中的步驟。在步驟1302，選擇導電區(qū)域。該導電區(qū)域包括行和列在步驟1303，執(zhí)行操作以確定在1302選擇的導電區(qū)域的第一和第二位置屬性和范圍屬性，然后進入步驟1304。在步驟1304，問以下問題是否要對被選擇作為與在步驟1302選擇的導電區(qū)域的一部分的行不同的行進行詢問。如果在步驟1304問的問題的答案是肯定的，則再次進入步驟1302，在步驟1302選擇不同導電區(qū)域以進行詢問。備選地，如果在步驟1304問的問題的答案是否定的，則進入步驟1305。在步驟1305，問以下問題是否要對被選擇作為與在步驟 1302選擇的導電區(qū)域的一部分的列不同的列進行詢問。如果在步驟1305問的問題的答案是肯定的，則再次進入步驟1302，在步驟1302選擇不同導電區(qū)域以進行詢問。備選地，如果在步驟1305問的問題的答案是否定的，則詢問停止。因此，1301的例程提供了對每個可用行與特定列相結合的循環(huán)，直到針對每個可用行和列組合執(zhí)行了在步驟1303處執(zhí)行的操作。按照這種方式，1301的例程提供了對所有可用導電區(qū)域組合的循環(huán)。圖 14圖14示出了由行和列的矩陣提供的感測區(qū)1401。在該所示示例中，由8行(行 Rl-R8)8列(列C1-C8)的矩陣提供感測區(qū)。每一行R1-R8具有與其電連接的第一電端子和第二電端子，并被配置為允許沿第一方向在所述第一電端子和所述第二電端子之間建立電位梯度。每一列C1-C8具有與其電連接的第三電端子和第四電端子，并被配置為允許沿實質上垂直于所述第一方向的第二方向在所述第三電端子和所述第四電端子之間建立電位梯度。如以下將進一步詳細描述，可以選擇感測區(qū)1401的導電區(qū)。如1402處所示，在行R1-R8的相同端的電端子可以電組合；如1403處所示，在行 R1-R8的另一端的電端子可以電組合。按照這種方式，為了感測目的，R1-R8可以電組合。 類似地，如1404處所示，在列C1-C8的相同端的電端子可以電組合；如1405處所示，在列 C1-C8的另一端的電端子可以電組合。按照這種方式，為了感測目的，列C1-C8可以電組合。利用按照這種方式電組合的行R1-R8和按照這種方式電組合的列C1-C8，表示了感測區(qū) 1401的最大可用導電區(qū)?？梢赃x擇性地將多個相鄰行或多個相鄰列電組合，以實現感測區(qū) 1401的較小導電區(qū)。例如，如1406和1407處所示，可以將4個相鄰行(為感測區(qū)1401的行數的一半) 電組合。類似地，如1408和1409處所示，可以將4個相鄰列(為感測區(qū)1401的列數的一半)電組合。如1410和1411 (針對行)以及1412和1413(針對列)所示，可以選擇性地將成對的相鄰行或列電組合。感測區(qū)1401的導電區(qū)的選擇性提供了檢測機械作用的方法和確定該機械作用的位置和范圍屬性的方法。圖 15圖15示出了利用使用參照圖5描述的四端子電學配置的傳感器和圖14的感測區(qū)布置來產生機械作用的第一和第二位置屬性以及范圍屬性的過程1501中的步驟。
在步驟15 02，選擇導電區(qū)。在步驟1503，執(zhí)行操作以確定在1502選擇的導電區(qū)域的第一和第二位置屬性及范圍屬性，然后進入步驟1504。在步驟1504，問以下問題是否要對與在步驟1502選擇的導電區(qū)不同的導電區(qū)進行詢問。如果在步驟1504問的問題的答案是肯定的，則再次進入步驟1502，在步驟1502選擇不同導電區(qū)以進行詢問。備選地，如果在步驟1504問的問題的答案是否定的，則進入步驟1505。在步驟1505，問以下問題是否要對相同導電區(qū)重復在步驟1503執(zhí)行的操作。如果在步驟1505問的問題的答案是肯定的，則再次進入步驟1503。備選地，如果在步驟1505 問的問題的答案是否定的，則進入步驟1505，詢問停止。1501的例程提供了 要被選擇的整體感測區(qū)中的最大導電區(qū)，然后，將整體感測區(qū)分解為較小的區(qū)，以集中于機械作用的地點。在應用中，通常選擇最大導電區(qū)，并且僅執(zhí)行在步驟1503執(zhí)行的操作之一，以檢測機械作用。在檢測到機械作用之后，執(zhí)行步驟1502-1505。在檢測到機械作用的移除時， 再次選擇最大導電區(qū)，以準備檢測下一機械作用。按照這種方式，可以執(zhí)行在感測區(qū)內檢測單一機械作用，產生指示機械作用的位置屬性和范圍屬性的數據。此外，可以執(zhí)行在感測區(qū)內的不同區(qū)域中分別檢測多個同時、獨立的機械作用，并且產生指示每個機械作用的位置屬性和范圍屬性的數據。因此，具有這里描述的構造的傳感器可以被配置為提供多觸摸傳感器。圖 16圖16示意了生產具有這里描述構造的傳感器的示例方法。在步驟1601，接收基板。在本示例中，基板是實質上矩形的可折疊薄膜層。實質上的中心軸F定義了左側L和右側R，其中兩側L和R具有實質上相等的尺寸。在步驟1602，執(zhí)行第一操作以將端子施加于在步驟1601接收的基板。一對端子沿第一朝向施加于左側L，而且一對端子沿與第一朝向實質上成90度的第二朝向施加于右側 R0在示例中，傳感器的多個電端子包括至少一個由銀制成的電端子。在步驟1603，執(zhí)行第二操作以施加非qtc材料區(qū)域來覆蓋施加于左側L的一對端子，并施加非qtc材料的類似區(qū)域來覆蓋施加于右側R的一對端子。在步驟1604，執(zhí)行第三操作以利用qtc材料來覆蓋在步驟1603施加的非qtc材料的左側L區(qū)域或非qtc材料的右側R區(qū)域中的至少一個。然后，在步驟1605執(zhí)行折疊操作以關于軸F折疊基板，使得左側L與右側R對齊。 如果在步驟1604僅施加一個qtc材料區(qū)域，則將得到圖10的布置。如果在步驟1604施加兩個qtc材料區(qū)域，則將得到圖11的布置。在步驟1606，執(zhí)行操作以封固由步驟1605得到的傳感器的邊緣。在示例中，利用絕緣粘合劑來封固傳感器的邊緣。此后，導電層可以在傳感器內自由落下。如這里所述，在感測區(qū)內將導電層刷印在一起不會破壞具有這里描述構造的傳感器的感測功能?？梢哉J識到，可以在步驟1601接收一片或兩片不可折疊基板，并且相應地適配步驟1601的操作以提供相同結果的配置。在示例中，基板由玻璃制成。在步驟1606之后，接著可以將傳感器電連接至接口設備，該接口設備被配置為向在步驟1602施加的端子施加電壓并從在步驟1602施加的端子接收信號。在此階段，可以執(zhí)行合適的校準過程，例如以補償邊緣效應所引入的畸變?？梢哉J識到，該制造方法不需要引入如在現有技術傳感器中看到的通常用于將一個導電平面與另一導電平面分開的隔離。圖 17
圖17示出了具有這里描述構造的傳感器的第一應用。書寫板1701允許操作者 1702利用觸筆1704在書寫表面1703上書寫。作為響應，觸筆1704在書寫表面1703上的路徑表示為與書寫板1701的背景顏色反差的顏色的軌跡1705。已經發(fā)現，使用具有這里描述構造的傳感器來提供書寫板1701的功能能夠提供多個優(yōu)點。如上所述，這里描述傳感器的構造和使用每個傳感器包括的qtcm層，消除了在書寫板制造期間提供分離器層的需要。這允許在白板的構造中節(jié)約成本和時間。此外，已經發(fā)現了利用需要分離器層的現有技術傳感器的現有技術書寫板的問題。這些現有技術書寫板的書寫表面尺寸的增大，導致在其層中為了使分離層執(zhí)以相同的可靠性執(zhí)行操作所需的張力增大。因此，在該產品呈現出不可靠之前，對于最大可實現大小存在物理限制。然而，具有這里描述構造的傳感器能夠容許導電層的接觸，從而消除了在導電層之間提供分離的需要。因此，克服了現有技術書寫板的最大可實現大小的物理限制。因此， 現在可以提供任何規(guī)模的書寫板而不損失功能性。在1706處指示了書寫板的這種可縮放性。此外，可以以任何形狀來制作這里描述類型的傳感器，因此并入這種傳感器的產品也可以是任何形狀。圖 18圖18示出了具有這里描述的構造的柔性傳感器1801。已知現有技術柔性傳感器利用第一和第二紡織物導電層和分離空氣層，所述分離空氣層被布置為確保第一和第二導電層通常分開，還允許第一和第二導電層在機械作用期間進行接觸。這種柔性傳感器的問題在于，在重復彎曲之后，柔性導電層經歷一定程度的固定，導致柔性導電層趨向于接觸狀況。這導致虛假觸發(fā)，虛假觸發(fā)可以增加至使得柔性傳感器變?yōu)椴豢捎行褂玫某霈F水平。具有這里描述構造的傳感器能夠允許在傳感器的靜止狀況期間，在導電層接觸時檢測機械作用。按照這種方式，傳感器可以抵御彎曲或者可以實際上將導電層按壓在一起的類型的彎曲。因此，具有這里描述構造的傳感器在生產柔性傳感器時尤其有用，因為該傳感器克服了虛假觸發(fā)問題。此外，如上所述，可以在不需要導電層之間的絕緣體的情況下構造傳感器，這用于簡化制造過程，減少材料并減少生產時間和成本。繼而，具有這里描述構造的傳感器用于滿足對于可靠、經濟、用于指示感測區(qū)內的機械作用的位置屬性和范圍屬性的傳感器的不斷增長的需要。圖 19具有這里描述構造的傳感器可用于可檢測所施加壓力的中心的應用。圖19示出了第一傳感器1901和第二傳感器1902，這些傳感器被并入分離產品1903、1904。因此，這對傳感器1901、1902可以呈現為第一和第二感測區(qū)。示出了人1905站在傳感器1901、1902 上，使得第一腳1906在第一傳感器1901上施加壓力，第二腳1907在第二傳感器1902上施加壓力。可以利用每個傳感器來產生指示機械作用的位置和范圍屬性的電信號，提供第一和第二數據集合。這可以通過1908處指示的布置來實現。通過組合地處理第一和第二數據集合，可以提供對所施加壓力的中心位置的指示，如1909處所示?？梢哉J識到，按照這種方式，可以針對任何類型的物體來指示所施加壓力的中心?？梢韵鄬τ趨⒖驾S1910來指示所施加壓力的中心，在本示例中，參考軸1910實質上處于兩個傳感器1901、1902的中心位置。

圖 20如圖20所示，可以將圖19的第一和第二傳感器1901、1902電連接以用作單一傳感器，如2001處所示?？梢哉J識到，所指示的壓力中心的位置將根據施加于每個傳感器1901、1902的壓力的幅度而變化。在該所示示例中，人1905的右腳1906壓得相對重，左腳1907壓得相對輕。因此，如1909處所示，所指示的所施加壓力的中心位置在實質上中心的參考軸1910接近于右腳1906的一側。例如，通過以鞋墊的形式提供第一和第二傳感器1901、1902，可以實現類似效果。這種類型的傳感器布置可以用作游戲應用的輸入傳感器。例如，該傳感器可以用于提供輸入以進行高爾夫游戲或任何類型的板上游戲，例如沖浪板、滑雪板或溜冰板。圖 21圖21示意示出了被布置為檢測感測區(qū)內的同時多個機械作用的傳感器。傳感器 2101被布置為在由人1905施加的同時多個機械作用期間檢測所施加壓力的中心，如2102 處所示。在本示例中，傳感器2101呈現出實質上矩形的感測區(qū)，并利用如上所述的四端子感測配置。再一次，圖21所示類型的布置可以用于提供輸入設備以進行高爾夫游戲或任何類型的板上游戲，例如沖浪板、滑雪板或溜冰板。圖 22圖22示出了具有這里描述構造的傳感器2201，傳感器2201被配置為提供實質上圓形的感測區(qū)2202。在該所示示例中，傳感器2201具有這里描述的構造，具有四端子感測布置，用于指示機械作用的第一和第二位置屬性和范圍屬性。圖 23圖23示出了具有這里描述構造的傳感器2301，呈現出實質上環(huán)形的感測區(qū)2302。 在本示例中，傳感器2301具有這里描述的構造，具有三端子感測布置，用于指示機械作用的位置屬性和范圍屬性。呈現出實質上環(huán)形的感測區(qū)的這種傳感器適于提供“滾輪”功能。如2303處所示，傳感器2301包括第一實質上環(huán)形導電層2304和第二實質上環(huán)形導電層2305。第一導電層2304具有朝向實質上環(huán)形的導電區(qū)2302的端部的第一和第二電端子2306和2307 ；第二導電層2305具有環(huán)繞實質上環(huán)形的導電區(qū)2302延伸的第三電端子2308。因此，第一、第二和第三電端子2308均為線端子，第三電端子2308的長度比第一和第二電端子2306、2307的長度更大。圖 24圖24中示出了二維感測區(qū)的另一應用。在本示例中用于圖像捕捉設備2402的三腳架2401具有腳2403、2404和2405。具有這里描述構造的傳感器2406位于三腳架腳 2403、2404和2405下方。傳感器2406使得能夠提供關于三腳架腳2403、2404和2405中的每一個正在提供的相對支撐相關的反饋。再次，如2407處所示，或者如參照圖20和21所述，可以獲得三腳架2401和其所支撐的圖像捕捉設備2202的組合的壓力中心。圖 25
具有這里描述構造的傳感器可以呈現出感測區(qū)，該感測區(qū)是實質上二維或實質上三維的感測區(qū)。圖25示出了具有這里描述構造并具有實質上三維感測區(qū)的傳感器的示例應用。在該示意中，在鞍2502中包括三維感測區(qū)2501。在所示場景中，馬2303戴有鞍2502， 并且馬在騎師2504的控制下。傳感器響應于騎師2504與感測區(qū)2501的物理作用，產生指示這些物理作用的位置和范圍屬性的電信號。這實現了對騎師在馬上動作的動態(tài)成形。這里描述的傳感器或傳感器布置可以被布置為由人或動物佩戴。例如，這里描述的傳感器或傳感器布置可以被布置為戴在四腳動物的每個腳上，以確定該動物正在用前腳還是后腳施加更大的壓力。三維傳感器可以通過模塑工藝來制造，并且可以由隨后組裝在一起的多個部件構造而成。然而，可以認識到，必須注意確保在生產過程中，不造成將影響正確操作的、傳感器內的不期望的內部壓力。圖 26
圖26示出了控制器2601，控制器2601被配置為識別按壓和手勢?？刂破骺梢员徊贾脼樘峁┯糜谝纛l回放設備的控制和/或提供移動電話或計算設備的菜單導航。在示例中，提供了第一感測區(qū)以檢測按壓，例如其中指示了按鈕區(qū)；提供了第二感測區(qū)以指示手勢，例如其中指示了滾動區(qū)。可以將控制器并入另一設備，或者可以并入無線接口來提供遙控功能。因此，具有所描述構造的傳感器的生產相對實際和廉價，然而耐用并且提供各種機械作用數據分析。盡管給出了具有這里描述構造的傳感器的具體應用示例，但是根據本發(fā)明的傳感器能夠用于跨越不同領域和設備的許多應用。例如，根據本發(fā)明的傳感器可以用于體育應用、醫(yī)療應用、教育應用、工業(yè)應用、移動電話應用、玩具和游戲應用、衣物應用、汽車應用、 機器人應用、安全應用、鍵盤和輸入設備應用。各種布置可以用于機械作用檢測設備，并且這里描述的傳感器的任何組合可以并入單一設備中。
權利要求
1.一種用于產生電信號的傳感器，所述電信號指示感測區(qū)內的機械作用的位置屬性和范圍屬性，所述傳感器包括多個導電層，至少包括第一導電層，具有第一導電區(qū)域，所述第一導電區(qū)域具有與其電連接的第一電端子和第二電端子，并被配置為允許沿第一方向在所述第一電端子和所述第二電端子之間建立電位梯度；以及第二導電層，具有第二導電區(qū)域，所述第二導電區(qū)域具有與其電連接的第三電端子；以及所述傳感器被配置為使得在所述感測區(qū)內的機械作用期間，在所述第一導電區(qū)域和所述第二導電區(qū)域之間建立電路徑；所述多個導電層中的至少一個是包括量子隧道電導qtc材料的壓力敏感導電層，以及所述傳感器被配置為使得在所述感測區(qū)內不存在機械作用期間允許導電層之間的接觸。
2.根據權利要求1所述的傳感器，其中，所述第三電端子是片端子。
3.根據權利要求1所述的傳感器，其中，所述第二導電區(qū)域具有與其連接的第四電端子，并被配置為允許沿與所述第一方向實質上垂直的第二方向在所述第三電端子與所述第四電端子之間建立電位梯度。
4.根據權利要求3所述的傳感器，其中第一導電層呈現出多個導電行，每一行與其它行電絕緣，每一行具有與其電連接的第一電端子和第二電端子，并被配置為允許沿第一方向在所述第一電端子和所述第二電端子之間建立電位梯度；以及所述第二導電區(qū)域呈現出多個導電列，每一列與其它列電絕緣，每一列具有與其電連接的第三電端子和第四電端子，并被配置為允許沿與所述第一方向實質上垂直的第二方向在所述第三電端子與所述第四電端子之間建立電位梯度。
5.根據權利要求1所述的傳感器，其中包括量子隧道電導qtc材料的第一壓力敏感導電層提供所述第一導電層，包括量子隧道電導qtc材料的第二壓力敏感導電層提供所述第二導電層，以及所述傳感器僅包括所述第一導電層和所述第二導電層。
6.根據權利要求1所述的傳感器，其中包括量子隧道電導qtc材料的壓力敏感導電層提供部署在所述第一導電層和所述第二導電層之間的第三導電層。
7.根據權利要求6所述的傳感器，其中所述第三導電層被配置為分離層。
8.根據權利要求6所述的傳感器，其中所述第三導電層以及所述第一導電層和所述第二導電層之一被配置為提供分離層。
9.根據權利要求8所述的傳感器，其中包括量子隧道電導qtc材料的所述壓力敏感導電層提供第四導電層，而且所述第四導電層以及所述第一導電層和所述第二導電層之一被配置為分離層。
10.根據權利要求1所述的傳感器，其中所述范圍屬性是以下之一所施加力的幅度、 所施加壓力的幅度、機械作用的面積。
11.根據權利要求1所述的傳感器，其中所述感測區(qū)是以下之一實質上矩形、實質上圓形。
12.根據權利要求1所述的傳感器，其中所述感測區(qū)是以下之一實質上二維、實質上-^會佳ο
13.根據權利要求1所述的傳感器，其中所述傳感器是以下之一實質上柔性、實質上剛性。
14.根據權利要求1所述的傳感器，其中至少一個導電層包括紡織物。
15.根據權利要求1所述的傳感器，其中至少一個電端子包括銀。
16.根據權利要求1所述的傳感器，其中至少一個導電層包括碳。
17.一種用于產生電信號的方法，所述電信號指示傳感器的感測區(qū)內的機械作用的位置屬性和范圍屬性，所述方法包括步驟接收根據權利要求1所述的傳感器；沿所述第一方向，在所述第一電端子與所述第二電端子之間，跨過所述第一導電層建立電位梯度；從所述第三電端子接收第一電壓，以產生第一位置值； 處理所述第一位置值，以產生機械作用的第一位置屬性；從所述第一導電層的所述第一電端子和所述第二電端子之一建立電位，以產生第一電流；從所述第二導電層的所述第三電端子測量所述第一電流，以產生第一電流值； 從所述第一導電層的所述第一電端子和所述第二電端子中的另一個建立電位，以產生第二電流；從所述第二導電層的所述第三電端子測量所述第二電流，以產生第二電流值；以及與所述第一電流值相結合地處理所述第二電流值，以產生機械作用的范圍屬性。
18.根據權利要求17所述的方法，其中所述第三電端子是片端子。
19.根據權利要求17所述的方法，其中所述感測區(qū)是以下之一實質上二維、實質上三維。
20.一種用于產生電信號的方法，所述電信號指示傳感器的感測區(qū)內的機械作用的位置屬性和范圍屬性，所述方法包括以下步驟接收根據權利要求3所述的傳感器；沿所述第一方向，在所述第一電端子與所述第二電端子之間，跨過所述第一導電層建立電位梯度；從所述第二導電層的所述第三電端子和所述第四電端子之一接收第一電壓，以產生第一位置值；處理所述第一位置值，以產生機械作用的第一位置值；沿所述第二方向，在所述第三電端子與所述第四電端子之間，跨過所述第二導電層建立電位梯度；從所述第一導電層的所述第一電端子和所述第二電端子之一接收第二電壓，以產生第二位置值；處理所述第二位置值，以產生機械作用的第二位置值；從所述第一導電層的所述第一電端子和所述第二電端子之一建立電位，以產生第一電流；從所述第二導電層的所述第三電端子和所述第二電端子之一測量所述第一電流，以產生第一電流值；從所述第一導電層的所述第一電端子和所述第二電端子中的另一個建立電位，以產生第二電流；從所述第二導電層的所述第三電端子和所述第四點端子中的另一個測量所述第二電流，以產生第二電流值；以及與所述第一電流值相結合地處理所述第二電流值，以產生機械作用的范圍屬性。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種傳感器和方法，用于產生指示感測區(qū)內的機械作用的位置屬性和范圍屬性的電信號。所述傳感器包括多個導電層。至少一個導電層是包括量子隧道電導(qtc)材料的壓力敏感導電層。在所述感測區(qū)內不存在機械作用期間，允許導電層之間的接觸。傳感器可以被配置為提供三端子感測功能或四端子感測功能。感測區(qū)可以是實質上二維的或實質上三維的。傳感器可以是實質上柔性的或實質上剛性的。
文檔編號G06F3/041GK102422248SQ201080020481
公開日2012年4月18日 申請日期2010年3月24日 優(yōu)先權日2009年3月25日
發(fā)明者大衛(wèi)·盧塞, 馬克·安德魯·格拉漢姆 申請人:佩拉泰克有限公司