电容式触摸传感器的制作方法

下面所描述的实施例涉及触摸传感器，更具体地涉及电容式触摸传感器。

背景技术：

在工业应用中利用仪器来控制工艺。例如，利用流量计来测量流经管道的物质的质量流率、密度和其它特性。流动物质可以包括液体、气体、液体与气体的混合物、悬浮于液体中的固体、包含气体和悬浮固体的液体，等。流量计可以用于测量流率（即，通过测量经过流量计的质量流量），并且还可以用于确定流动流中各成分的相对比例。流量计可以经由例如操作者可访问的界面而提供测量的数据。利用流量计所提供的数据，其它仪器（例如阀和泵）可以控制流经管道的物质。

流量计可以应用于大范围的工业应用。因此，常常要求流量计符合大范围的环境规范。例如，会要求流量计在高湿度中、在经历温度循环或腐蚀性环境时可靠地操作。也可能会要求流量计在这些环境中接收数据输入。也就是说，在管道上工作的操作者会被要求在各种环境条件下将数据输入流量计。为了输入数据，操作者通常按下界面上的按钮。由于环境条件的原因，在现有技术界面中的按钮会易于产生性能问题。例如，机械式按钮在高湿度环境中会被腐蚀。红外按钮可能会需要经过校准例行程序，以便在高温和低温两种温度下可靠地操作。因此，经由现有技术按钮的数据输入会包含误差。

尽管该界面能够用于特定的环境，但这种特殊构造是成本高昂的并且会是其它缺点的原因。因此，对于在大范围环境条件下可靠地操作的触摸传感器存在着需求。

技术实现要素：

本发明提供一种电容式触摸传感器（100）。根据一个实施例，该电容式触摸传感器（100）包括设置在板（120）与弹簧（130）之间的电极（110）；其中弹簧（130）在大体上平行于弹簧（130）的纵向长度的方向上朝向板（120）挤压电极（110），并且电极（110）具有与板（120）平行的平坦的感测表面（112）。

本发明提供一种形成电容式触摸传感器（100）的方法。根据一个实施例，该方法包括：形成板（120）、形成具有纵向长度（L）的弹簧（130）、和形成电极（110）并将该电极（110）设置在板（120）与弹簧（130）之间，其中弹簧（130）在大体上平行于弹簧（130）的纵向长度（L）的方向上朝向板（120）挤压电极（110），并且电极（110）具有与板（120）平行的平坦的感测表面（112）。

本发明提供一种具有电容式触摸传感器（100）的界面（10）。根据一个实施例，该界面（10）包括操作模块（12）、显示盖体（14）、发送器（16），其中显示盖体（14）联接到发送器（16）并且操作模块（12）设置在显示盖体（14）与发送器（16）之间。界面（10）还包括电容式触摸传感器（100），该触摸传感器（100）包括电极（110），该电极（110）被挤靠联接到显示盖体（14）的板（120）。

方面

根据一个方面，电容式触摸传感器（100）包括设置在板（120）与弹簧（130）之间的电极（110）；其中弹簧（130）在大体上平行于弹簧（130）的纵向长度（L）的方向上朝向板（120）挤压电极（110），并且电极（110）具有与板（120）平行的平坦的感测表面（112）。

优选地，在电容式触摸传感器（100）中，电极（110）还包括在远离感测表面（112）的方向上延伸的延伸部（114）。

优选地，在电容式触摸传感器（100）中，延伸部（114）与面板（150）接合，该面板（150）阻止电极（110）相对于板（120）的移动。

优选地，在电容式触摸传感器（100）中，延伸部（114）与弹簧（130）接合以阻止电极（110）相对于弹簧（130）的移动。

优选地，在电容式触摸传感器（100）中，弹簧（130）包括朝向板（120）挤压电极（110）的第一远端部（134）、和联接到电路板（140）的第二远端部（132）。

优选地，在电容式触摸传感器（100）中，第一远端部（134）是由挤靠电极（110）的倒锥形区所组成。

优选地，在电容式触摸传感器（100）中，弹簧（130）包括将电极（110）与电路板（140）电性连接的导体。

优选地，在电容式触摸传感器（100）中，弹簧（130）将电极（110）保持在与电路板（140）间隔的状态。

优选地，在电容式触摸传感器（100）中，弹簧（130）是具有纵向长度（L）的螺旋弹簧。

根据一个方面，形成电容式触摸传感器（100）的方法包括：形成板（120）、形成具有纵向长度（L）的弹簧（130）、和形成电极（110）且将电极（110）设置在板（120）与弹簧（130）之间；其中弹簧（130）在大体上平行于弹簧（130）的纵向长度（L）的方向上朝向板（120）挤压电极（110），并且电极（110）具有与板（120）平行的平坦的感测表面（112）。

优选地，电极（110）还包括在远离感测表面（112）的方向上延伸的延伸部（114）。

优选地，延伸部（114）与面板（150）接合，该面板（150）阻止电极（110）相对于板（120）的移动。

优选地，延伸部（114）与弹簧（130）接合以阻止电极（110）相对于弹簧（130）的移动。

优选地，弹簧（130）包括朝向板（120）挤压电极（110）的第一远端部（134）、和联接到电路板（140）的第二远端部（132）。

优选地，第一远端部（134）是由挤靠电极（110）的倒锥形区所组成。

优选地，弹簧（130）包括将电极（110）与电路板（140）电性连接的导体。

优选地，弹簧（130）将电极（110）保持在与电路板（140）间隔的状态。

优选地，弹簧（130）是具有纵向长度（L）的螺旋弹簧。

根据一个方面，具有电容式触摸传感器（100）的界面（10）包括操作模块（12）、显示盖体（14）、发送器（16）；其中显示盖体（14）联接到发送器（16）并且操作模块（12）设置在显示盖体（14）与发送器（16）之间，并且电容式触摸传感器（100）包括电极（110），该电极（110）被挤靠联接到显示盖体（14）的板（120）。

优选地，界面（10）还包括弹簧（130），其中弹簧（130）将电极（110）挤靠板（120）。

优选地，在界面（10）中，弹簧（130）从设置在操作模块（12）与发送器（16）之间的电路板（140）中延伸出。

优选地，在界面（10）中，弹簧（130）在大体上平行于弹簧（130）的纵向长度（L）的方向上挤压电极（110）使其挤靠板（120）。

优选地，在界面（10）中，电极（110）联接到面板（150），该面板（150）联接到操作模块（12）。

附图说明

在所有附图中相同的附图标记代表相同的元件。应当理解的是这些附图未必按比例绘制。

图1示出了根据一个实施例的具有电容式触摸传感器100的界面10的前平面视图。

图2示出了具有电容式触摸传感器100的界面10的分解透视图。

图3示出了具有电容式触摸传感器100的界面10的另一个分解透视图。

图4为了清楚而示出了电容式触摸传感器100的简化模型的分解透视图。

图5a和图5b分别示出了电极110的放大透视图和弹簧130的放大侧视图。

图6示出了沿图4中的线6-6所截取的电容式触摸传感器100的剖面侧视图。

图7示出了根据一个实施例的电容式触摸传感器100的电气框图。

具体实施方式

图1-图7和以下的说明描绘了具体实例，用以教示本领域技术人员如何制作和利用电容式触摸传感器的实施例的最佳方式。为了教示发明原理的目的，已将一些常规的方面简化或省略。本领域技术人员将基于落在本发明范围内的这些实例而想出各种变型。本领域技术人员应理解的是，下述的特征可以以多种方式而组合，从而形成电容式触摸传感器的多个变型。因此，下述的实施例并不局限于下述的具体实例，而仅由权利要求及其等同物所限制。

图1示出了根据一个实施例的具有电容式触摸传感器100的界面10的前平面视图。如图所示，界面10包括在显示盖体14后面的操作模块12。还示出了电容式触摸传感器100。界面10适用于对工艺进行监测的仪器（例如流量计）。界面10可以被安装到墙壁或管道支架并且联接到流量计（未图示）用以对物质性质（例如流率、密度等）进行监测。界面10也可以与流量计整体地安装。界面10也可以使用于大范围的环境条件，包括危险和未控制的环境，例如近海应用。除了接收来自流量计的数据外，界面10还可以接收来自操作者的数据输入。为了将数据输入界面10，操作者按压电容式触摸传感器100，该传感器100经过板而感测手指或其它物体（例如，触控笔）。

图2示出了具有电容式触摸传感器100的界面10的分解透视图。如图中可见，界面10包括操作模块12、显示盖体14、和发送器16。操作模块12设置在显示盖体14与发送器16之间。操作模块12可以对来自操作者的信号输入进行处理。发送器16也可以从流量计以及操作模块12中获得数据。显示盖体14利用螺纹壳体联接到发送器16，尽管可采用任意合适的联接。显示盖体14与发送器16的联接防护操作模块12受到大范围环境条件的影响。正如将在下面所描述的，电容式触摸传感器100也能够可靠地感测接触到界面10的前部上的操作者。

图3示出了具有电容式触摸传感器100的界面10的另一个分解透视图。为了清楚起见，未将显示盖体14和发送器16示出。电容式触摸传感器100包括设置在板l20与弹簧130之间的电极110。尽管未图示，板120联接到前面参照图2所描述的显示盖体14。图中示出了三个电极110和弹簧130，尽管在替代实施例中可使用更多或更少的电极和弹簧。电容式触摸传感器100还包括电路板140，该电路板140对来自电极110的信号（例如电信号）进行处理。电路板140联接到面板150。在图示的实施例中，信号经由弹簧130联接到电路板140，尽管替代实施例可采用单独的信号路径（例如柔性电路）。操作者通过接触板120的前部（电容式触摸传感器100位于其中）而输入数据。

图4为了清楚而示出了电容式触摸传感器100的简化模型的分解透视图。该简化模型示出了单个电容式触摸传感器100，其中圆盘代表板120和电路板140的部分。图中未示出面板150，因此可以无障碍地看到电极110和弹簧130。然而，在替代实施例中，可以不采用面板150。如图4中所示，电容式触摸传感器100包括设置在板120与弹簧130之间的电极110。在图示的实施例中，弹簧130可以将电极110保持在与电路板140间隔的状态。

电极110包括感测表面112。如图所示，感测表面112是平面的并且与板120平行。感测表面112也被图示为具有圆形形状，尽管在替代实施例中可采用任意合适的形状。电极110还包括在垂直方向上延伸而远离感测表面112的延伸部114。延伸部114具有圆柱形形状，尽管可以采用任意合适的形状。肩部116处在延伸部114的远端。尽管在分解视图中被图示为位移而远离板120，但感测表面112可以靠近或接触板120。

在图示的实施例中，板120是介电材料，例如玻璃。可以基于电性能及机械性能对该材料进行选择。例如，板120可以由具有期望的介电常数的玻璃所构成。可以将介电常数选择为例如相对较高，以确保当操作者接触板120时电容式触摸传感器100可靠地工作。该玻璃也可以具有适合于在危险和未控制的环境中使用的机械性能（例如，强度、韧度，等），该环境能够例如导致该材料撞击板120。弹簧130将电极110朝向板120挤压。

弹簧130被图示为设置在电极110与电路板140之间的螺旋弹簧。然而，在替代实施例中，弹簧130可以具有不同的形状和构造。例如，替代的弹簧可以是具有圆柱体形状的导电泡沫。弹簧130还包括远端部132。该远端部132可以将弹簧130机械和电性连接到电路板140。然而，在替代实施例中，远端部132可以将弹簧130机械联接到除电路板140外的某物。此外或可替代地，导体（例如柔性电路）可以将电极110与电路板140电性连接。图中显示远端部132包括与电路板140接合的立柱132p。

图中显示电路板140具有一对开口142a，尽管可使用更多或更少的开口。电路板140可以包括各部件，例如存储芯片和处理器、走线等。如图所示，开口142a、b构造成接纳立柱132p。在替代实施例中，可以使用焊接突片而不是开口142a、b。立柱132p可以延伸入开口142a、b中。可以将焊料加到立柱132p和电路板140，从而将弹簧130与电路板140机械和电性连接。下面参考图5a和图5b对电极110和弹簧130进行更详细的描述。

图5a和图5b分别示出了电极110的放大透视图和弹簧130的放大侧视图。如在图5a中可见，延伸部114垂直地延伸而远离感测表面112。在替代实施例中，延伸部114可以在非垂直方向上延伸而远离感测表面112并且具有不同的形状。例如，延伸部114能够以立柱的形式延伸而远离感测表面112，该立柱构造成嵌入弹簧130中而不是包围。图中显示弹簧130具有远端部132、134。在远端部132与134之间的是局部锥形部136和圆柱形部138。弹簧130还有纵向长度L。如图中可见，远端部134具有倒锥形区，该倒锥形区具有比局部锥形部136和圆柱形部138更高的每单位长度匝数比。然而，可以采用任意合适的匝数比。可以对电极110和弹簧130的形状和尺寸进行选择，使得电极110不相对于板120移动，如将在下面更详细地描述。

图6示出了沿图4中的6-6线所截取的电容式触摸传感器100的剖面侧视图。图中示出了面板150的简化形式。延伸部114包围一部分的弹簧130。弹簧130经由立柱132p联接到电路板140。尽管未图示，可以将焊料加到立柱132p和电路板140从而将弹簧130附着到电路板140。该焊料也可以将弹簧130电性连接到电路板140。在图示的实施例中，延伸部114的内直径可以被设计成与弹簧130接合。例如，延伸部114的内直径可以与远端部134的最大直径大致地相同。电极110联接（例如，可滑动地）到面板150。此外或可替代地，电极110可以嵌入面板150中。图中还示出了在延伸部114上的肩部116，该肩部116可以挤靠一部分的面板150。

面板150被图示为具有一个开口的圆柱形形状的矩形截面。可以将电极110设置在该开口中。面板150也被图示为具有端部152，该端部152的尺寸与肩部116大致相同。可以采用替代的形状和截面。例如，在替代实施例中，可以采用附接到面板的L形状支架。此外，面板150被图示为联接到电路板140。然而，电极110可以与联接到例如显示盖体14的替代的支架接合。这些和其它界面可以阻止电容式触摸传感器100的移动和相对位置的变化。

可以阻止在平行于弹簧130的纵向长度L的方向上的移动。例如，弹簧130可以使电极110挤靠板120。因此，可以产生平行于感测表面112的摩擦力。该摩擦力可以阻止在垂直于弹簧130的纵向长度L的方向上的移动。远端部134与延伸部114的内直径之间的接合也可以阻止电极110在垂直于纵向长度L的方向上的移动。例如，远端部134可以嵌入延伸部114中。该接合可以阻止电极110相对于弹簧130的移动。此外或可替代地，面板150可以阻止电极110在垂直于弹簧130的纵向长度L的方向上的移动。与面板150接合的延伸部114可以阻止电极110相对于面板150的移动。

也可以阻止平行于纵向长度L的移动。例如，可以使电极110挤靠板120，其中感测表面112平行于板120。该力可以足以阻止当例如正在使界面10发生振动时电极110在远离板120的方向上位移。肩部116被图示为当被挤靠板120时使面板150与电极110接合。然而，在替代实施例中，肩部116可以不与面板150接合。例如，当电极110挤靠板120时，可以在面板150与肩部116之间形成间隙。可替代地，肩部116可以阻止电极110在平行于弹簧130的纵向长度L的方向上的移动。因此，可在电极110与感测表面113之间形成间隙。

可以减少电容式触摸传感器100的相对位置的变化。例如，在界面10的组装期间，可以将电极110插入面板150并且将弹簧130插入电极110。电路板140可以联接到弹簧130和面板150。正如可以理解的，延伸部114可以与肩部116和面板150接合从而使电极110对准。因此，电极110不在垂直于弹簧130的纵向长度L的方向上移动。这确保各电极110相对于彼此和面板150的相对位置在各装配之间不发生变化（例如，这些位置是可重复的）。也可以减小电容式触摸传感器100中的其它相对位置的变化。例如，远端部134可以与延伸部114的内直径接合。这可以阻止感测表面112与弹簧130的相对位置的变化。

阻止移动和减小电容式触摸传感器100中相对位置的变化可以减小电容式触摸传感器100的电性能的变化。例如，阻止感测表面112相对于板120的移动阻止感测表面112相对于操作者O的手指的移动（如图7中所示）。因此，当操作者O将手指置于相同位置时，感测表面112与操作者O的手指的相对位置是相同的。因此，每当操作者O在相同位置挤压电容式触摸传感器100时，电极110的电容的变化是相同的。类似地，电极110与其它电极及面板150的相对位置不发生变化。减小电容式触摸传感器100中电性能的变化也可以提高电容式触摸传感器100的可靠性，如将在下面将更详细地描述。

图7示出了根据一个实施例的电容式触摸传感器100的电气框图。图中示出电容式触摸传感器100具有信号路径710，该信号路径710联接到电极110和电路板140。图中还示出了由电路板140生成的脉冲信号720。脉冲信号720经由信号路径710被发送至电极110。图中还示出了采样电容器Cs和采样路径730。图中显示电容式触摸传感器100具有场线，该场线是从电极110中的电荷中辐射处。这些场线辐射经过板120。

当操作者O使手指（或一些其它物体）在板120的前表面上移动时，场线弯曲入手指这由此将电极联接到环境。这导致电极110的电容发生变化（例如，增加），因此脉冲信号720将发生变化。电容中的这种变化经过采样电容器Cs和采样路径730而被电路板140感测到。电极110的电容中的变化可以是小的，并且由于各因素而改变，例如板120的厚度和介电常数、电极110的宽度和表面平滑度、电容器Cs的电容、信号路径710的长度、和操作者O的手指在板120上的接触面积宽度。

信号路径710可以具有物理长度，该物理长度与弹簧130的纵向长度L及电极110与电路板140之间的空间关系成比例。该空间关系可以提高电容式触摸传感器100耐受危险和未控制的环境的能力。例如，在参照图1-图6所描述的实施例中，电路板140被设置在板120和面板150两者的后面。这可以防护电路板140不受环境的影响。然而，长的信号路径可以使脉冲信号720的形状发生变形，由此影响到对操作者O的手指的感测。

阻止电极110中的变化和移动确保操作者O的手指每次接触板120时电容变化是大体上相同的。例如，通过在使用期间阻止电极110远离板120的移动，而使从感测表面112到板120的表面S的距离保持相同。因此，当使界面10振动（由于例如安装固定器中的振动）时，操作者O的手指与感测表面112之间的距离保持相同。类似地，弹簧130利用充分的力将电极110挤压进入板120，以阻止电极110在垂直于弹簧130的纵向长度L的方向上的移动。此外或可替代地，延伸部114可以与弹簧130和面板150接合，以阻止电极110在垂直于纵向长度L的方向上移动。因此，电极110的电性能不会由于电极110相对于板120移动而发生变化。

也可以对尺寸以及电性能和机械性能进行选择，以确保电容式触摸传感器100可靠地检测操作者O的手指。例如电荷在电极110中的均匀和平面分布可以提高电容式触摸传感器100的可靠性。通过使用具有充分导电性的导体，可使电荷均匀地分布于电极110中。由于平坦的感测表面112，因而电荷可以具有平面的分布。该平面的分布确保场线在感测表面112的内部大体上是均匀的。如果场线在感测表面112的宽度内变化，那么在感测表面112的直径内操作者O的手指位置的小变化可以导致不同的电极110的电容。

也可以对感测表面112的宽度进行选择从而提高电容式触摸传感器100的可靠性。例如，相对较宽的感测表面112确保操作者O可以在不产生不同电容值的情况下将手指置于在感测表面112宽度内的各种位置。例如，靠近感测表面112的边缘，场线通常向外弯曲，如图所示。在与感测表面112的边缘间隔一定距离处，场线是垂直取向并且是均匀的。由于感测表面112的宽度，因而当操作者O的手指从中心朝向感测表面的边缘移动时，场线以大体上相同的形状而弯曲。当操作者O的手指使不均匀且垂直取向的场线发生弯曲时，感测电极110的电容值与操作者O的手指在感测表面112的中心时不相同。宽的感测表面112允许电极110的电容变化是相同的，即使操作者O在不同位置挤压板120的表面S。

也可以对板120的厚度进行选择，从而提供期望的电性能和机械性能。例如，对于具有相对较薄的所选择厚度的板120而言，来自感测表面112中的电荷的场线可以大体上是均匀的。所选择厚度也可以具有充分的机械强度，以便耐受危险和未控制的环境。因此，所选择的厚度可以允许电容式触摸传感器100在大范围的环境条件中可靠地感测操作者O的手指。可以对厚度t连同材料的介电强度进行选择，以确保在表面S处的场足够地强。

在操作中，可以将界面10安装并联接到被安装在管道上的流量计。可以将界面10安装在各种位置，例如直接地联接到流量计、联接到管道、附着到墙壁等。流量计可以测量并提供关于管道中物质的性质的数据。该数据可以被界面10所接收。操作者O可以接触界面10以获得流量计中的数据或控制参数。在各种环境条件中，操作者O的接触可以被电容式触摸传感器100可靠地感测。

电容式触摸传感器100可以通过感测电极110的电容变化而检测操作者O的手指。更具体地，操作者O的手指使来自电极110中的电荷的场线发生弯曲从而改变电极110的电容。电容的变化可以被电路板140所检测。例如，在一个实施例中，脉冲信号720可以经过信号路径710而发送。电极110的电容和脉冲信号720中的变化可以导致返回信号经过采样电容器Cs和采样路径730而发送。电路板140可以对该返回信号进行监测，从而感测操作者O的手指。

上述的实施例提供电容式触摸传感器100。如上所述，电容式触摸传感器100可以在大范围的环境条件中可靠地操作。例如，沿板120的表面S，场线可以大体上是均匀的。因此，由于操作者O的手指所造成的电容变化在感测表面112的宽度内是相同的。另外，尽管界面10会经受振动，但电极110相对于板120的表面S的位置保持相同。由于例如弹簧130挤压电极110使其抵靠板120，因而该相对位置是相同的。由于延伸部114与弹簧130和/或面板150接合，该相对位置也可以是相同的。感测表面112也可以具有足够大的宽度使得电容变化保持相同，即使操作者O的手指可以在不同位置接触板120的表面S。板120也是足够厚以便耐受来自环境的影响和其它不利状况。

对上述实施例的详细说明并非是对发明人预期在本发明范围内的所有实施例的详尽无遗的描述。实际上，本领域技术人员将认识到上述实施例的某些要素可以各种方式组合或排除而形成其它实施例，并且这种其它实施例均落在本发明的范围和教示内。本领域技术人员也应当理解的是，在本发明的范围和教示内上述实施例可全部地或部分地组合而形成其它实施例。

因此，尽管本文中为了说明的目的而描述了具体实施例，但在本发明的范围内各种等效的修改是可行的，正如所属领域的技术人员将认识到的。本文中所提供的教示可以适用于其它触摸传感器，而不仅仅是上面所描述和在附图中所示出的实施例。因此，上述实施例的范围应当取决于所附权利要求。