电容式感测装置的制作方法

专利名称：电容式感测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电容式感测装置，并且特别地但非专门地涉及包括用于照明的光导 的电容式感测装置。该电容式感测装置在触敏显示器中得到特定应用。
背景技术：
触敏开关正成为在用于增强的人机界面的电子产品中非常有吸引力、高增值的 特征。一些触敏开关通过产生并测量投射到感测垫上的空气中的电场工作，并且它们被 称为电容式开关。来自于专门设计的微芯片的电场信号被传送过电路板并从电容式传感 器垫、在电路板上方被投射出。干扰在传感器垫上方的电场的对象，例如手指，通过微 芯片中的测量被记录，并且该对象的存在的感测提供免触摸或非常轻的触摸启动功能。 电容式开关方法的限制之一是，当启动已经发生——例如“点击”机械开关时不存在直 接用户反馈。因此，通常需要提供关于启动和开关状态的用户反馈的系统级方法。指示 启动和状态的一种方法是使用光。图形图标的照明和颜色变化通常是优选的且最有吸引 力的解决方案。关于包括电容式开关的系统的设计的技术挑战之一是使光处于传感器垫区域以 上或周围。这是因为电子跟踪和信号可能干扰电容感测场。例如，使驱动电致发光薄膜 的高压AC (交流)场处于感测垫旁是有问题的。传统的方法是由例如ITO (铟锡氧化物) 的材料在基底上产生透明的电容式感测垫，并且然后从后部背光开关。光源可在透明电 极的后面被使用以通过电容式开关区域发光并照明电容式开关区域。使用透明的电容式感测垫增加将在独立基底上的透明垫电力地且机械地连接于 被安装在传统印刷电路板上的电容式传感器芯片的成本和难度。术语“透明的”和“不透明的”是指在由被包含在电容式感测装置内的光源产 生的光的波长处该装置的组件的光学特性。
发明概要根据本发明的第一方面，提供一种电容式感测装置，包括电容式传感器，其提供用于从电容式感测区产生电容式感测场的工具；光源；以及光导，其包括光散射工具，其中光源被隔开远离电容式感测区，以及光导被配置为将光从光源导向到光散 射工具，光散射工具大体上被放置在电容式感测区处。通过将光源配置为被隔开远离电容式感测区，减轻光源与电容式感测场之间的 干扰作用。优选地，光导被配置为大体上通过光导内的内部反射传输来自光源的光。最优选地，光源被安装在基底的第一表面上。可选地，光导包括用于接收光源的开口。
优选地，光导包括透明的塑料注射成型或机加工的光导。优选地，光源是侧面或边缘发射光源。优选地，光源是发光二极管。优选地，光散射工具包括注射成型、微成型、模压或印刷的光散射工具。优选地，光散射工具是白色的，或者可选择地是透明的。优选地，在光导的第一表面上提供印刷图形层，产生的电容式感测场通过印刷 图形层离开装置。印刷图形层优选地是在一个或多个表面上带有油墨的丙烯酸、聚酯纤 维、聚碳酸酯或其它塑料的薄片。优选地，装置包含多个电容式传感器，每个传感器被分配用于特定的键或开关 功能。可选地，装置包含多个光导，这些光导用于将光从多个光源独立地导向到多个 电容式传感器的每个电容式感测区。优选地，光分离器被用于分离每个电容式感测区。该配置被用于产生分段的触 敏显示器。优选地，光分离器是腔特征，其可由例如聚酯纤维的不透明的聚合物制成。可选地，基底包括不透明基底。在这些实施方式中，光导被放置在不透明基底 上以使在不透明基底和光导之间存在空隙是优选的。可选地，空隙具有小于或等于0.1mm的厚度。不透明基底可包括印刷电路板。可选地，印刷电路板包括FR4(阻燃剂4)印刷 电路板。可选地，覆层(cladding layer)位于光导与不透明基底之间，覆层具有形成光导 的材料的较低折射率。可选地，覆层具有小于或等于0.1mm的厚度。空隙和/或覆层的包括提供通过光源光导的大体上均勻的照明。优选地，电容式感测区还位于不透明基底的第一表面上。优选地，光散射工具位于光导的第二表面上，第二表面是与光导的第一表面相 对。可选地，基底包括透明基底。在该实施方式中，透明基底的折射率118大于或等 于光导的折射率ng是优选的。通过以这种方式配置折射率ns和ng提供通过光源光导的 大体上均勻的照明。优选地，光源、光导和透明基底被配置为形成集成光导。可选地，电容式感测区位于透明基底的第二表面上，第二表面是与透明基底的 第一表面相对的。可选地，电容式感测区包括透明电极。优选地，透明电极位于透明基底的第一 表面上。在该实施方式中，透明电极可形成集成光导的一部分。可选择地，透明电极位于透明基底的第一表面上。优选地，光散射工具位于透明基底的第二表面上。可选地，光散射工具与在透明基底的第二表面上的电容式感测工具集成。根据本发明的第二方面，提供一种触敏显示器，其包括根据本发明的第一方面的电容式感测装置。根据本发明的第三方面，提供一种电容式感测装置，包括电容式传感器，其提供用于从电容式感测区产生电容式感测场的工具；光源；光导，其包括光散射工具；以及不透明基底，其中光源被隔开远离电容式感测区，以及光导被配置为将光从光源导向到光散 射工具，光散射工具大体上被放置在电容式感测区处，以及光导被放置在不透明基底上 以使在不透明基底与光导之间存在空隙。本发明的第三方面的实施方式可包括本发明的第一方面的优选的或可选的特 征，反之亦然。根据本发明的第四方面，提供一种电容式感测装置，包括电容式传感器，其提供用于从电容式感测区产生电容式感测场的工具；光源；光导，其包括光散射工具；以及透明基底，其中光源被隔开远离电容式感测区，以及光导被配置为将光从光源导向到光散 射工具，光散射工具大体上被放置在电容式感测区处，以及透明基底的折射率^大于或 等于光导的折射率ng。本发明的第四方面的实施方式可包括本发明的第一方面的优选的或可选的特 征，反之亦然。附图的简要描述依据阅读下述示例性的实施方式的详细描述并且参照附图，本发明的方面和优 点将变得明显，其中

图1显示根据本发明的实施方式的电容式感测装置的侧视图；图2显示根据本发明的实施方式的包括双面不透明基底的电容式感测装置的侧 视图；图3显示根据本发明的实施方式的包括透明基底的电容式感测装置的侧视图； 以及图4显示包括透明基底的电容式感测装置的可选实施方式的侧视图。在下面的描述中，贯穿说明书和附图的相似部件由相同的参考数字标记。附图 不必按比例绘制，并且某些部件的比例已经被放大以更好地示出本发明的实施方式的细 节和特征。详细描述本发明的电容式感测装置把光源设置在电容式感测垫或区域的顶部上。然而， 因为电容式开关基于在电容式感测垫上方的投射电场，因此如果任意光源功率连接被直 接放置在顶部上，那么任意光源功率连接将干扰所投射的电场并且干扰感测操作。这对 于在其内部光在磷薄膜中产生并且存在在100V的区域内的交流信号的电致发光薄膜尤其 如此。
本发明通过在电容式感测场的普通区域上提供来自均勻光源的光导解决该问 题。对于本领域的技术人员，大量光导设备是已知的。这些设备被用于包括照明、背 光、标记和显示目的的功能范围。一般地，这些设备由注射成型或机加工的透明塑料组 件构造，其中例如荧光灯或多个LED的光源通过在透明的塑料组件的边缘处机械连接的 方式被集成。这些设备的实施例由PCT公开号为W02005/101070的申请人提供。参照图1，示出电容式感测装置10，其包括以印刷电路的形式的不透明基底 12、都安装在不透明基底12的第一表面上的电容式传感器14和光源18、光导16、位于 光导16的第一表面上的印刷图形层22和位于光导16的第二表面上的光散射工具20。图 1的电容式感测装置10可包括触敏显示器的一部分。基底12、光导16和印刷图形层大 体上全部是平面的。在目前描述的实施方式中的电容式传感器14包括经由位于不透明基底12的第 一表面上的轨迹连接于其它相关的电容式感测电子设备的电容式感测垫。电容式感测垫 一般是0.1mm左右厚并由例如10铜的金属制成，并且位于电路板的顶部上，在该实施例 中，电路板为基底12。电路板一般由FR4(阻燃剂4)或聚酰亚胺制成，并且其厚度为 0.1mm至2mm。在当前描述的实施方式中，基底12不需要为透明的或者具有包含在其 中的孔，以使光从基底后方通过。一般小于0.1mm的空隙24被配置在电容式感测垫14和光导16之间。空隙24 防止在不透明基底12的第一表面上的电路或由本领域技术人员通常采用以结合基底的粘 合剂等干扰在光导16中的光传输。因此，由光源18产生的光有效地通过光导16传播， 如下面更详细地描述，从而穿过光导16的照明也如此，并且由此电容式感测垫14大体上 是均勻的。可选择地，低折射率的覆层材料可位于电容式感测垫14和周围的电路板区与光 导16之间。该覆层材料可将这些层机械地而非光学地连接在一起。如果在光导与覆层 之间的折射率差是足够的(一般地>0.1)，那么光导内的光的导向不会受电容式感测垫和 周围的表面区的干扰，并且大部分光的全内反射条件被维持。在这些情况下，只有光散 射工具20干扰导光。覆层具有小于或等于0.1mm的厚度是优选的。电容式感测场26从电容式感测垫14通过光导16和印刷图形层22发出。电容 式感测场26是由电容式感测垫14产生的电场。进入电容式感测场26的对象产生可检测 的电场方面改变，其一般是在电容式感测垫14的介电常数方面的改变。优选地，光源18是侧面或边缘发射光，并且一般是LED，例如Stanley TW1145 LED。优选地，光源18插入光导16中的适当的开口中，例如孔或凹槽。光导16包括 呈现大于空气的折射率113的折射率 (例如1.51)的材料(例如丙烯酸酯或聚碳酸酯)， 或者如果呈现覆层，那么在该实施例中使用全内反射原则将来自越过电路板的平面的光 源18的光传输至电容式感测垫位置。光散射工具20位于电容式感测垫14上方的光导16 的第二表面上，并且一般是白色的或透明的注射成型、微成型、模压或印刷的表面光学 特征。光散射工具20干扰光导16内的光的全内反射以使光经由印刷图形层22的半透明 或透明部分离开。在该情况下是腔层特征的光分离器28可选地将不同的电容式感测垫14与相应的 光导16隔离。在该实施例中，这些腔层特征一般是小于1mm厚，其是与光源18的高度可比较的厚度，并且可由聚酯纤维或其它不透明的聚合物制成。印刷图形层22可包含由 发射光30照明的图标。印刷图形层22—般为带有形成图形或图标图案的印刷油墨层的小于0.1mm厚 度的丙烯酸、聚酯纤维、聚碳酸酯或聚合物的透明聚合物薄层。印刷油墨层可为不透明 的，其意味着在没有印刷油墨的地方，光30通过印刷图形层22被发射。印刷图形层22 还可以是部分透明的，并且在该情况下，发射光30的颜色可受到印刷图形层22上印刷的 油墨的颜色影响。通过印刷图形层22的典型亮度在10Cd/m2至10000Cd/m2的等级。还发现，用于彩色的或白色的反射油墨的电容式感测装置10的可视外观存在于 电容式感测垫14的表面上，即位于电容式感测垫14与光导16之间是有利的。由于上面 详述的原因，该反射层不会与光导16产生物理接触从而保留空隙24是重要的。图2显示电容式感测装置10的又一实施方式，如前所述，该电容式感测装置10 包括在不透明基底12的第一表面上的电容式感测垫14、与也位于不透明基底12的第一 表面上的光导16耦合的光源18、位于光导16的第二表面上的光散射工具20、光分离器 28、在光导16的第一表面上的印刷图形层22和在电容式感测垫14的顶部与光导16的底 部之间的空隙24。在该实施例中，电容式感测装置10的电容式传感器包括电容式感测垫14和电 容式感测芯片32，例如由量研科技集团(Quantum Research Group)、Cypress半导体或 Freescale半导体提供的那些。电容式感测芯片32位于不透明基底12的第二表面上，并 且经由从不透明基底12的一侧至另一侧的通孔连接34被连接到电容式感测垫14。在图2中所示的电容式感测装置10的操作与上面连同图1的实施方式所描述的 电容式感测装置的操作相似。再者，来自电容式感测垫14的电容式感测场26和来自光 散射工具20的光30被配置以通过印刷图形层22离开。应注意到，空隙24b也在光导16 与印刷图形层22之间存在，以便进一步改善横过光导16的长度来自光源18的照明的均 勻性。图3显示电容式感测装置10的又一实施方式，其中透明基底36被用于安装电容 式感测垫14和光源18所需的电轨道37。这是通过将所需的电轨37印刷在透明基底36 上实现的。在当前所描述的实施方式中，光源18位于透明基底36的第一表面上，而电 容式传感器14和光散射工具20位于透明基底36的第二、相对的表面上。为了维持横过光导16的长度来自光源18的照明的均勻性，透明基底36的折射 率118大于或等于光导的折射率ng是优选的。例如，透明基底36可包括厚度0.1mm左右、 具有折射率ns为1.5至1.6的聚酯纤维或聚碳酸酯薄膜。在当前所描述的实施方式中，光散射工具20和电容式感测垫14被组合并且位于 透明基底36的第二表面上的相同位置处。用该结构，不需要空隙或覆层以阻止干扰光导 16中的光的基底36上的电路，如上所述。此外，现在可采用集成光导40，其中集成光 导40包括安装光源18的在第一表面44上的透明基底36，以及被配置为将光源18封 装在该第一表面上的光导16。采用集成光导40提供对光源18的增强机械保护，同时提 高光进入光导16的光学耦合。图4显示电容式感测装置10的可选择的实施方式的侧视图，其还包括集成光导 40。在该实施方式中，电容式传感器14包括透明电极45，其被连接到已经被印刷在透明基底36的第一表面44上的非透明电轨道37。光源18也位于第一表面44上，并且被连 接到透明电轨道37的第二部分。在当前所描述的实施方式中，光导16现在被配置为将 光源18和电容式传感器14的至少透明电极45封装在该第一表面44上。为了维持来自 横过光导16的长度的光源18的照明的均勻性，透明基底36的折射率118大于或等于光导 16的折射率 是再次优选的。透明电极45可包括铟锡氧化物、或其它透明印刷油墨，例如由Sumitomo Metal Mining Co., Ltd提供的那些、或导电聚合物，例如PEDOT。非透明电轨道37可包括例 如铜或银的金属，或者例如来自Sun Chemical的26-8204的导电油墨(带有金属颗粒的聚 合物基质)。图4所示的电容式感测装置10的设计是，使透明电极45位于离开装置的光30 的横截面区域内，同时光散射工具20位于透明基底36的外表面上。因为电极45是透明 的，因此它的结构将不会干扰通过光导16和透明基底36的组合结构的光传输，从而这是 再次大体上是均勻的横过光导16，但是将提供递送电容式场26所需的电力结构。简化电容式感测装置10的制造过程是有利的，其中用于光源18和电容式传感器 14的电轨道37均在设备的共同表面上，如上面所描述的。然而，本领域技术人员将意识 到，透明电极45可以可选择地位于光导16的第一表面46上，而没有减损装置的操作。如在此所描述的带有光导工具的电容式感测装置的主要优点是，通过印刷的光 导的光的递送至图标区域使至光源10的电信号保持远离电容式感测垫并且避免电干扰。在一些实施方式中的空隙或覆层以及在其它实施方式中的透明基底的包括对于 光沿着光导的长度传播是有利的，从而维持来自横过设备的长度的光源18的照明的均勻 性。因此，对于观察者，从设备处发射的光大体上呈现是均勻的。在此所描述的电容式感测装置为具有吸引力和高价值的解决方案提供巨大的设 计自由和设计能力。例如，基于电容式开关的滑块可利用改变彩虹效应的具有吸引力的 连续色彩被构造。设备构造是耐用的且低成本的，具有非常低的加工要求。该方法可 被用于消费者电子设备、家用电器、汽车、医疗和工业界面产品的广泛的应用中。在 此所描述的电容式感测设备使用光导以集成传统LED或其它光源，使能薄板带有分段的 光显示。通过利用光源和与电容式感测垫分离隔开的关联的电连接使光位于电容式感测 垫上，产生更高的性价比且更具吸引力的显示器，其可以是小于1mm的厚度。此外， 设计具有更大的光学上的效率并且可连接到位于产品的其它位置处的传统的、刚性的 FR4PCB。提出了本发明的前述描述用于说明和描述的目的，而不意指是穷举的或将本发 明限制于所公开的精确形式。所描述的实施方式被选择和描述以便最佳地解释本发明的 原则及其实际应用，以从而使本领域技术人员能够在各种实施方式中以及关于适合于预 期的特定使用的各种修改最佳地使用本发明。因此，进一步的修改或改进可被包括而没 有背离由附加的权利要求所限定的本发明的范围。
权利要求
1.一种电容式感测装置，包括电容式传感器，其提供用于从电容式感测区产生电容式感测场的工具； 光源；以及光导，其包括光散射工具，其中所述光源被隔开远离所述电容式感测区，以及所述光导被配置为将光从所述光 源导向到所述光散射工具，所述光散射工具大体上被放置在所述电容式感测区处。
2.如权利要求1所述的电容式感测装置，其中所述光导被配置为大体上通过所述光导 内的内部反射传输来自所述光源的光。
3.如权利要求1或2所述的电容式感测装置，其中所述光源被安装在基底的第一表面上。
4.如前述权利要求中的任一项所述的电容式感测装置，其中所述光导包括用于接收 所述光源的开口。
5.如前述权利要求中的任一项所述的电容式感测装置，其中所述光导包括透明的塑 料注射成型或机加工的光导。
6.如前述权利要求中的任一项所述的电容式感测装置，其中所述光源是侧面或边缘 发射光源。
7.如前述权利要求中的任一项所述的电容式感测装置，其中所述光源是发光二极管。
8.如前述权利要求中的任一项所述的电容式感测装置，其中所述光散射工具包括注 射成型的、微成型的、模压或印刷的光散射工具。
9.如前述权利要求中的任一项所述的电容式感测装置，其中所述光散射工具是白色 的，或者可选择地是透明的。
10.如前述权利要求中的任一项所述的电容式感测装置，其中一印刷图形层设置在所 述光导的第一表面上，所产生的电容式感测场从所述印刷图形层离开所述装置。
11.如权利要求10所述的电容式感测装置，其中所述印刷图形层包括在一个或多个表 面上带有油墨的丙烯酸、聚酯纤维、聚碳酸酯或其它塑料的薄片。
12.如前述权利要求中的任一项所述的电容式感测装置，其中所述装置包含多个电容 式传感器，每个电容式传感器被分配用于特定的键或开关功能。
13.如权利要求12所述的电容式感测装置，其中所述装置包含多个光导，所述多个光 导用于将光从多个光源独立地导向到所述多个电容式传感器的每个电容式感测区。
14.如权利要求12或13中的任一项所述的电容式感测装置，其中光分离器被用于分 离每个电容式感测区，该配置被用于产生分段的触敏显示器。
15.如前述权利要求中的任一项所述的电容式感测装置，其中所述光分离器包括腔特征。
16.如权利要求15所述的电容式感测装置，其中所述腔特征包括不透明的聚合物。
17.如权利要求3至16中的任一项所述的电容式感测装置，其中所述基底包括不透明基底。
18.如权利要求17所述的电容式感测装置，其中所述光导被放置在所述不透明基底上 以使空隙存在于所述不透明基底和所述光导之间。
19.如权利要求18所述的电容式感测装置，其中所述空隙具有小于或等于0.1mm的厚度。
20.如权利要求17至19中的任一项所述的电容式感测装置，其中覆层位于所述光导 与所述不透明基底之间，所述覆层具有形成所述光导的材料的较低折射率。
21.如权利要求20所述的电容式感测装置，其中所述覆层具有小于或等于0.1mm的厚度。
22.如权利要求17至21中的任一项所述的电容式感测装置，其中所述不透明基底包 括印刷电路板。
23.如权利要求22所述的电容式感测装置，其中所述印刷电路板包括阻燃剂4FR4印 刷电路板。
24.如权利要求17至23中的任一项所述的电容式感测装置，其中所述电容式感测区 还位于所述不透明基底的第一表面上。
25.如权利要求17至24中的任一项所述的电容式感测装置，其中所述光散射工具位 于所述光导的第二表面上，所述第二表面是与所述光导的第一表面相对的。
26.如权利要求3至16中的任一项所述的电容式感测装置，其中所述基底包括透明基底。
27.如权利要求26所述的电容式感测装置，其中所述透明基底的折射率ns大于或等于 所述光导的折射率ng。
28.如权利要求26或27中任一项所述的电容式感测装置，其中所述光源、所述光导 和所述透明基底被配置为形成集成光导。
29.如权利要求26至28中的任一项所述的电容式感测装置，其中所述电容式感测区 位于所述透明基底的第二表面上，并且所述第二表面是与所述透明基底的第一表面相对 的。
30.如前述权利要求中的任一项所述的电容式感测装置，其中所述电容式感测区包括 透明电极。
31.如权利要求30所述的电容式感测装置，其中所述透明电极位于所述透明基底的第一表面上。
32.如权利要求31所述的电容式感测装置，其中所述透明电极形成所述集成光导的一 部分。
33.如权利要求30所述的电容式感测装置，其中所述透明电极位于所述光导的第一表 面上。
34.如权利要求26至33中的任一项所述的电容式感测装置，其中所述光散射工具位 于所述透明基底的第二表面上。
35.如权利要求33或34中的任一项所述的电容式感测装置，其中所述光散射工具与 在所述透明基底的第二表面上的所述电容式感测工具集成。
36.一种触敏显示器，包括如权利要求1至35中的任一项所述的电容式感测装置。
37.—种电容式感测装置，包括电容式传感器，其提供用于从电容式感测区产生电容式感测场的工具； 光源；光导，其包括光散射工具；以及 不透明基底，其中所述光源被隔开远离所述电容式感测区，所述光导被配置为将光从所述光源导 向到所述光散射工具，所述光散射工具大体上被放置在所述电容式感测区处，所述光导 被放置在所述不透明基底上以使在所述不透明基底与所述光导之间存在空隙。
38. —种电容式感测装置，包括电容式传感器，其提供用于从电容式感测区产生电容式感测场的工具； 光源；光导，其包括光散射工具；以及 透明基底，其中所述光源被隔开远离所述电容式感测区，所述光导被配置为将光从所述光源导 向到所述光散射工具，所述光散射工具大体上被放置在所述电容式感测区处，以及所述 透明基底的折射率118大于或等于所述光导的折射率ng。
全文摘要
描述了一种电容式感测装置，该装置包括用于装置的照明的、具有光散射工具的光导。该装置具有被安装在基底上的电容式传感器，该电容式传感器提供用于产生从该装置发出的电场的电容式感测区。光源被配置为经由光导与光散射工具进行光通信。该配置用于减轻在电容式传感器与光源之间的干扰作用。当采用不透明基底时，空隙位于基底与光导之间以提供横过光导的大体上均匀的照明。在可选择的实施方式中，光导的折射率ng和透明基底的折射率ns的适当选择提供相同的期望的均匀照明。电容式感测装置在触敏显示器中得到特定应用。
文档编号G02B6/02GK102017415SQ200980116274
公开日2011年4月13日 申请日期2009年5月8日 优先权日2008年5月9日
发明者詹姆士·古尔雷 申请人:Led产品设计有限公司