专利名称：电容式力传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及基于力的接触式传感器，尤其是涉及对基于力的接触式传感器的电极之间的间距进行控制。
背景技术：
感知和测量作用于表面的接触力和/或接触位置的能力，在许多不同场合中是有用的。因此，已研制出使用力传感器来测量作用于表面(本文中指“接触面”)上的力(本文中指“接触力”或“作用力”)的各式系统。例如，力传感器通常生成与所使用的作用力对应的信号以确定接触面上的作用力位置。
当接触面为计算机显示器的接触面或计算机显示器前面的透明涂层时，确定接触面上的作用力的位置有着特殊的意义。而且，由于诸如个人数字助理(PDA)等的移动手持设备的快速增长，从而增加了对于那些能够确定接触位置的小型、轻量且便宜的装置的需求。完成这个功能的触摸屏可通过许多适当的技术来构造。除了刚才提到的作用力原理，电容的、电阻的、声学的以及红外技术都是其中所采用的技术。
作用力原理具有优于其它的竞争技术的某些潜在优势。因为作用力技术可以应用于任意的涂层材料，或真正地应用于整个显示器本身，所以不需要插入低耐用性或弱光学特性的材料或涂层。还有，既然接触力是感知接触输入的基础，所以用户可预测出基于力的装置的灵敏度。例如，使用电容测量技术时，接触阈会随着用户皮肤的状况和插入材料(诸如手套等)而变化。笔尖接触通常没有反应。使用电阻测量技术时，阈值力取决于接触面积的大小，因此在笔尖和手指之间存在很大的差别。声学测量技术依赖于接触材料的吸收特性；以及使用红外技术时，当没有接触时也可能记录接触。
尽管基于力的技术具有所述优势，但是在触摸屏的市场上电阻式和电容式技术还是占据主导地位。这反映出已知的作用力技术还存在困难，必须克服这些困难以实现作用力技术的潜能。
这些困难之一是力传感器尺寸过大，尤其是传感器的宽度和厚度。制作具有可在非常薄或非常小的装置中使用的尺寸的力传感器经证实是非常困难的。在力传感器中对导致误差的横向力的过度灵敏也亟待解决。力传感器的成本和复杂性同样是一个问题。当试图将力传感器制作得足够小以满足要求的力传感器应用时，加重了力传感器的部分复杂性。
在现代接触应用中，希望接触力定位的装置和/或测量装置不会增加装备有接触功能的装置的尺寸或不规定装备有接触功能的装置的外形。这在便携手持式的应用中尤为如此。这种所需的传统力传感器通常比电阻或电容薄膜更厚，因此与并入电阻式或电容式传感器的装置相比较，潜在地增加并入这种力传感器的装置的厚度。由于这种所需的传统力传感器并不易于制成透明的，所以它们无法放置在主动显示区域的前面。因此，包含有这种传统力传感器的装置通常必须制作得比基于电阻式或电容式的装置更宽以容纳该力传感器。从而，与其它的接触传感器技术相比时，就所有装置的厚度和宽度而言，基于力的接触技术存在潜在不足。
大多数基于力的技术都包括有对作用力敏感的某种传感器。已知力传感器中的一个实例由塞班(Serban)等人在U.S.6,531,951中公开。塞班公开了一种包括至少一个电极的力传感器，该电极与接触元件之间相隔开。当对接触元件施加足够的力时，使接触元件和电极相互发生接触以产生“on”信号。当对接触元件施加的接触力不足时，力传感器保持“off”状态。塞班公开了一种分离器结构，该隔离器被设置成当处于静止状态时使接触元件与电极相隔开。隔离器粒子的尺寸限定了接触元件从静止状态到其与电极接触的位置之间必须移动的距离。因此，该由隔离器结构所限定的距离与力传感器中产生“on”信号所需力的大小有关。
现有技术没有公开出一种能够以许多接触应用所要求的精度等级检测从非常轻微的作用力到冲击力的不同作用力范围的传感器，而是仍然规定了某些基于力的应用的尺寸限制。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供这样一种新颖的电容式装置其构造成在包括零作用力在内的作用力的连续范围内检测作用力差异。该装置包括第一电极和第二电极，这两个电极在静止位置时相互间隔预定距离。在第一电极和第二电极之间存在可测电容。在装置中设置具有预定最大尺寸的结构元件，以控制第一电极和第二电极之间的预定距离。作用于该装置的作用力引起第一电极和第二电极之间的距离变化和电容的有关变化，可测量该电容变化以确定与作用力有关的信息。
根据本发明的另一个方面，电容式基于力的接触传感器组件包括机架、触控表面、以及设置在触控表面和机架之间的多个力触发装置。该力触发装置检测由于接触输入而引起触控表面的作用力。每个力触发装置都包括有在静止状态时相互间隔预定距离的第一电极和第二电极，并且在第一电极和第二电极之间存在可测电容。具有预定最大尺寸的结构元件被设置在第一电极和第二电极之间，以控制预定距离。作用于触控表面的作力力引起第一电极和第二电极之间的距离变化和电容的有关变化。可以测量每个装置的电容变化以确定与触控表面的接触输入位置有关的信息。
根据本发明的再一个方面，具有基于力的接触性能的监视器包括屏幕和邻接该屏幕设置的力触发装置，该力触发装置用于检测该屏幕上的作用力。该力触发装置包括在静止位置时相互间隔预定距离的第一电极和第二电极，并且在第一电极和第二电极之间存在可测电容。具有预定最大尺寸的结构元件被设置在第一电极和第二电极之间，以控制预定距离。作用于该屏幕的作用力引起第一电极和第二电极之间的距离变化和电容的有关变化，可以测量该电容变化以确定与该作用力有关的信息。
根据本发明的又一个方面，提供一种用于制造能够在包括零作用力在内的作用力的连续范围内检测作用力差异的电容式装置的方法。该装置包括在静止状态时相互间隔预定距离的对置的第一电极和第二电极，该装置具有由第一电极和第二电极之间的相对间距控制的电容。本方法包括使用具有预定最大尺寸的结构元件将第一电极和第二电极隔开预定距离。作用于电容式装置的作用力引起第一电极和第二电极之间的距离变化和电容的有关变化，可以测量该电容变化以确定与该作用力有关的信息。
根据本发明的另外一个方面，涉及这样一种连接材料其用于能够在包括零作用力在内的作用力的连续范围内检测作用力差异的电容式装置中。该装置包括安装在基片上且在静止状态时间隔预定距离的第一电极和第二电极。该装置的电容可由第一电极和第二电极之间的相对间距控制。该连接材料包括可固化材料和混合在可固化材料中的结构元件。该结构元件具有预定尺寸，连接材料用于将第一电极安装至基片上，以使用结构元件控制该预定距离。
从如下描述和权利要求中，可以更清楚地理解本发明各种实施例的其它特征和优点。
图1是根据本发明原理的基于力的接触式传感器组件的一个实例的示意性顶部透视图。
图2是根据本发明原理的电容式力传感器装置的一个实例的示意性侧视图。
图3是根据本发明原理的电容式力传感器装置的另一个实例的示意性侧视图。
具体实施例方式
根据本发明的一个方面，提供一种新颖的电容式力触发装置。如下更为详细的描述，本发明的装置可提供作用于该装置上的作用力的更为可靠、灵敏和精确的表征。当在诸如移动手持装置等的小型应用中使用该装置，以及在诸如要求高等级的接触和/或力灵敏度的计算机监视器和其它应用的大型应用中使用该装置时，该装置的这些改进性能可能特别有利。我们预测本发明可以更为广泛地适用于其中输入的力必须由诸如该输入的力的振幅、持续时间、加速度或速度来表征的任意应用。
本发明的一个方面涉及这样一种电容式装置其构造成在包括零作用力在内的作用力的连续范围内检测作用力差异。该装置包括在静止位置时相互间隔预定距离的第一电极和第二电极，以及存在第一电极和第二电极之间的可测电容。在该装置中安置具有预定最大尺寸的结构元件，以控制第一电极和第二电极之间的预定距离。作用于该装置的作用力引起第一电极和第二电极之间的距离变化和有关的电容变化，可测量该电容变化以确定与作用力有关的信息。
图1中所示为包括本发明原理的基于力的传感器组件100。传感器组件100包括具有第一和第二输入表面101、103的输入结构102，以及被设置在输入结构102四周的不同位置而与第二表面103相邻的第一、第二、第三和第四传感器组件110、112、114、116。传感器组件110、112、114、116电连接至控制模块(图上未显示)上，被构造和设置成检测作用在第一输入表面101上的接触输入位置。例如，物体104可沿轴线106施加力，从而对传感器组件110、112、114、116所检测的输入表面101产生沿法线方向108的作用力。由每个传感器组件110、112、114、116检测到的作用力大小可被控制模块(图上未显示)使用，以将每个传感器组件所检测的作用力转化为物体104所施加作用力的位置测定。
传感器组件110、112、114、116利用由作用力引起的位移和传感器组件的电容特性以确定系统内的变化，然后将该变化用于确定作用力的位置。因此，传感器组件110、112、114、116实际上并不直接测量作用力，而是主要依靠每个传感器组件的电容变化以确定作用力的位置。
图2所示的电容式装置200可用作图1所示的传感器组件中的一个传感器组件。电容式装置200包括直接或间接地安装在基片202上的第一电极和第二电极210、250。第一电极210包括第一表面和第二表面212、214，第一侧和第二侧216、218，以及中间部分220。第二电极250包括第一表面和第二表面252、254。在第一表面212上且位于第一电极210的中间部分220内的正好与第二电极250的位置排成直线的位置处设置波状物204。该波状物204的用途在于转化来自于诸如图1所示的片状输入结构102等的物体的作用力，通过波状物的点接触来转化物体作用于电容式装置200的法向力。在其它实施例中，也可使用除了图2所示的半球状波状物204以外的其它形状的波状物。更可取地，波状物具有可提供装置和物体之间的点接触的结构，所述作用力通过该物体输入该装置200。
用连接材料230、240将第一电极210间接固定于基片202上，连接材料230、240被设置在第一电极210的各自第一侧和第二侧216、218处的第二表面214与基片202之间。连接材料230，240优选地包括可固化材料232、242和结构元件234、244。该结构元件234、244具有例如由圆形结构元件234、244的直径限定的预定尺寸，其提供了第一电极和第二电极210、250之间的预定间距。适于在电容式装置200中使用的结构元件和连接材料将在后面作进一步详细讨论。因此，不管处于固化或未固化状态的可固化材料232，242的特性如何，结构元件234、244的预定最大尺寸将限定第一电极和第二电极210、250之间的预定距离。
在某些实施例中，第一电极210可以采用连接材料230、240直接安装在基片202上。在其它实施例中，以电极260、262为代表的第三电极可在基片202的安装表面上形成，从而提供第一电极210和其它与基片202相关联的部件之间的电连接。例如，基片202可为印刷电路板，可采用高精密技术将第三电极260、262形成于印刷电路板上。为了提供第一电极210和第三电极260、262之间的电连接，可固化材料232、242或者结构元件234、244必须包括导电材料。在一个例子中，可固化材料232、242包括诸如焊料等的可固化导电材料，而结构元件234、244包括诸如玻璃等的非导电材料。在另一个例子中，可固化材料232、242为非导电粘合剂，而结构元件234、244包括导电材料。因此，电容式装置200被构造成这样即，提供第一电极210经由第一电极210的安装结构电连接至基片202上，而不是必须得分别将电极安装至电路板上并将这些电极连接至其它与电路板相关联的部件上。
第二电极250同样也可以直接安装在基片202上，或是安装至第四电极(图上未显示)上，以提供第二电极250和其它与基片202相关联的电子元件(图上未显示)之间的电连接。图2所描述的实施例中，第二电极250可以是基片202的表面上形成的迹线，而基片202为印刷电路板(PCB)，因此不需要单独的电极以提供第二电极250与其它电子元件的必需的电连接。
图3所示为第二个实例的电容式装置300。电容式装置300包括有安装在基片302上的第一电极和第二电极310、350。第一电极310包括第一表面和第二表面312、314以及第一侧和第二侧316、318。第二电极350同样也包括第一表面和第二表面352、354。更为可取地，在第一表面312上的第一侧316处形成波状物304，使得波状物与基片302上的第二电极350排成直线。
利用连接材料330将第一电极310安装至基片302上靠近第二侧318处。连接材料330可以包括可固化材料332和结构元件334。在某些实施例中，第一电极310可以采用连接材料330直接连接至基片302上。如此结构需要隔开第一电极310与其它电子元件之间的电连接，例如，使用导线或柔性电路。图3所示的电容式装置300中，经由连接材料330将第一电极310安装至第三电极360上。第三电极360可以提供第一电极310至相关电子元件的必要电连接。连接材料330和第三电极360可以具有与如上所述的关于电容式装置200的连接材料230和第三电极260、262相同或极为相似的特性。同样地，第二电极350也可以按照如上所述的与电容式装置200的第二电极250有关的相同或相似方式被安装。
在上述实例中，这些电容式装置的共同特征在于电容存在于第一电极和第二电极之间。更为可取地，以给定频率(例如100kHz的频率)施加恒定电压到第一电极或第二电极上。放大器或类似装置(例如运算放大器)电连接至未与电压源相连的电极上。采用如此结构，该放大器可以测量出第一电极和第二电极之间流过的电流量，该电流量随着第一电极和第二电极间的距离变化而变化。
在一个实例结构中，电压源与第一电极电连接，放大器与第二电极电连接。当作用力通过波状物或通过其它能减小第一电极和第二电极之间距离的装置输入电容式装置时，第一电极和第二电极之间的电容增大，放大器的信号也增大。因此，在操作过程中，当电容式装置处于静止状态时可以将放大器测量得到的电流设置为0(或其它基准值)，在给定灵敏度范围内，放大器可以测量得到电流的任何变化和有关的电容。因而，本发明电容式装置能够在包括零作用力在内的作用力的连续范围内检测作用力差异。
同样地，如上所述，电容变化还可表现出有关作用力的其它信息。例如，与以预定周期作用于电容装置的作用力有关的信息可用于确定力的特性，例如，作用力是否为冲击力，作用力的加速度，或作用力的大小等等，这依赖于电容式装置所并入的系统的性能。
本发明的电容式装置的一个优选实施例很好的适用于计算机监视器。这样的实施例具有第一电极，该第一电极包括在大约0.2mm厚度的扁平薄钢板上弹簧回火的磷青铜。利用诸如放电加工的高精度方法，将第一电极切割为大约3.05mm×5.84mm尺寸的矩形。使用可形成大约0.2mm高的波状物的专门设计模具，在该电极上形成波状物。使用例如30微米的金刚石膜对第一电极进行大约10个行程的研磨，以确保该电极的适当厚度。适用于研磨的金刚石膜的实例是例如由3M公司制造的帝国金刚石膜。然后用水漂洗第一电极和/或在丙酮剂中对第一电极进行超声处理，随后使之干燥。
电容式装置的基片可为印刷电路板(PCB)，该印刷电路板的厚度大约0.79mm，并具有4盎司的铜以及镀有白锡(例如，由伊利诺伊州霍夫曼产业的公司(OnTime Circuits，Inc.，Hoffman Estates，IL)提供的PCB)。在使用之前，PCB应当在例如30微米金刚石膜上研磨直到变平，并且将整个锡层去除。采用这种方法研磨后的PCB经测量在大约正负1个微米内保持平整。在许多应用中，这种研磨程度可能不要求达到希望结果。研磨后的PCB可以用水漂洗和/或在丙酮中作超声处理，然后使之干燥。
连接材料可以包括焊剂，例如由宾西法尼亚州西孔肖哈肯市的Heraeus公司(Heraeus，Inc.，West Conshohocken，PA)提供的F451系列产品。在这种焊膏中使用的焊球是类型4(-400/+500目)，其由63SN/37PB合金制成。更为可取地，在焊膏中使用大约占焊膏体积含量的10％或更少的助熔剂。
连接材料中使用的结构元件可具有各式各样的不同形状和尺寸。例如，结构元件可为球形或棱锥形。更为可取地，结构元件具有可预测的落点位置，以便该结构元件的预定最大尺寸可限定两个物体之间的间距。
对于上述使用电极和印刷电路板的电容式装置特别适合的结构元件的一个实例是由3M公司制造的球状ZeeospheresTM。该结构元件的预定最大尺寸优选的是大约20至80微米，更优选的是大约25微米。连接材料中存在的结构元件总计占大约1％至10％的体积含量，最优选的为占2％的体积含量。连接材料中的结构元件的混合可按照如下的一个特殊实施例的方法进行·将0.096克的G-400 ZeeospheresTM加入至2特拉姆的小瓶中。
·将10滴(～0.15克)的铟助焊剂4号(IndiumCorporation of American，Utica，NY)加入至该小瓶中。当需要辅助焊膏中的ZeeospheresTM扩散时加入额外的助焊剂。
·盖上小瓶并摇动，然后放置在超声处理液中预定周期(通常大约5分钟)，以便扩散该球状物。超声处理通常会引起ZeeospheresTM/助焊剂预混合料的粘度增加。
·然后将大约19.2克的F541SN63-90M4焊膏(由Heraeus，Inc.，West Conshohocken，PA提供)加入至ZeeospheresTM/焊剂预混合料中。
·接着混合焊膏/ZeeospheresTM/助焊剂混合物直至均匀。
·盖好小瓶，当不使用时，将其存放在阴凉环境中，例如存放在冰箱中。
其它的连接材料可以由使用具有与上述实例中所述特性不同的特性的替换材料构成。
如上所述，电容式装置的第二电极和第三电极可以只是形成在印刷电路板上的迹线。然而，在某些实施例中，第二电极和第三电极为安装在印刷电路板上的分开的材料片，并分别被电连接。
根据本发明方法的电容式装置的装配包括几个步骤。总的来说，制造能够检测包括零作用力在内的作用力的连续范围内的作用力差异的电容式装置的方法需要这样的装置该装置包括在静止状态时间隔预定距离的对置的第一电极和第二电极。该装置包括由第一电极和第二电极之间的相对间距所控制的电容。所述制造方法包括使用具有预定最大尺寸的结构元件使第一电极和第二电极分开预定距离的步骤。由于该预定间距，作用力引起第一电极和第二电极之间的距离变化和有关的电容变化，可测量该电容变化以确定与作用力有关的信息。
组装或制造本发明的电容式装置的方法可以包括将诸如焊膏等的连接材料涂至基片或第一电极上。这个方法假定第二电极是预先形成或预先安装在基片上的。在一个实施例中，通过蜡纸将焊膏涂至基片上，例如4密耳(mil)的蜡纸。该蜡纸放置在基片上，焊膏涂在蜡纸的顶部，使用刀片透过蜡纸进行涂抹。然后将蜡纸从基片移开，焊膏留在基片上的指定位置。
第一电极的放置可能需要专用设计的放置台的辅助。在某些情况下，可以使用专用真空卡盘来定位和放置第一电极至基片上，从而能正确地相对于连接材料定位第一电极。在某些情况下，当第一电极与连接材料接触时对第一电极施加一个作用力(例如，85克的力)，以辅助将第一电极设定至适当的位置是有利的。更为可取地，将第一电极正确地定位，以使其接近形成或安装在基片上的第二电极并且与第二电极间隔开。一旦第一电极被放置至适当的位置，就在基片上组装其它要求的电气元件，例如电容式装置正常运行时所需要的电容器、电阻和运算放大器。
包括安装在其上的第一电极、第二电极和电气元件的基片，被浸入至蒸汽电子流体中，例如由3M公司制造的FluorinertTM电子流体FC70。来自蒸汽电子流体的蒸汽在基片上液化，并导致连接材料的重熔。连接材料重熔后，使得具有其安装元件的基片冷却。然后其它元件可以添加至基片上，例如连接到第一电极(通过连接材料)和连接到第二电极(例如，当第二电极是基片上形成的导线)的电导线。
组装电容式装置的另一步骤是对装置进行清洁。对装置进行清洁包括用热水或丙酮清洗装置，用丙酮对装置进行超声处理，然后将已制成的电容式装置干燥。
经测试表明，使用上述公开材料和组装步骤的本发明实施例可以得到坚固耐用的电容式装置，其保持高级别的灵敏度和可靠性。
本发明的电容式装置的结构元件和其它元件的结构和材料特性，对装置的性能起着重要作用。更为可取地，结构元件具有大于电容式装置中电极所使用的材料硬度的硬度。特别地，结构元件的硬度应当足以使得电极的变形发生在结构元件的任何可测变形之前，并且发生在结构元件失效很久以前。上述公开的G-400系列ZeeospheresTM具有小于4,200kg/cm2的压碎强度，这通常比期望使用的电极的塑性变形点高得多。而且，上述公开的G-400系列ZeeospheresTM具有莫氏硬度为7的硬度。
当选择结构元件时必须考虑的其它重要特性是结构元件材料的软化点。结构元件的软化点必须处于比可固化材料的熔化和重熔温度更高的温度，该可固化材料为如上所述的焊料(导电可固化材料)。ZeeospheresTM具有大约1,020℃的软化点，这比本发明中期望使用的任何可固化材料的熔化和重熔温度高得多。
结构元件的其它重要特性是所使用的结构元件的样品平均尺寸。结构元件的给定样品具有在平均值附近的尺寸分布。为了确保结构元件的固定的预定最大尺寸，对结构元件进行筛选以去除具有大于特定值的尺寸的结构元件。例如，ZeeospheresTM的G-400系列具有6微米的平均值，但还具有第90个百分点的尺寸为14微米，以及第95个百分点的尺寸为19微米。因此，如果电容式装置所要求的期望最大尺寸是6微米，即使平均值为6微米，那么也有必要筛除直径大于6微米的所有ZeeospheresTM。
结构元件的其它重要考虑是连接材料中结构元件的体积含量。理论上，为了建立用于第一电极的平面只需要3个结构元件。然而，由于任意给定样品中结构元件尺寸的不确定性，所以在每个第一电极与基片的连接点处均必须包括最小数量的结构元件，以建立这样的高概率对于给定电容式装置，至少包括3个具有预定最大尺寸的结构元件。更为可取地，连接材料中的结构元件占大约1％至10％的体积含量就可以保证必要间距。至今，已发现结构元件的体积容量大于10％会导致连接材料变得易碎或者可能会从负面上改变可固化材料的性质。然而，与某个结构元件一起使用不同种类的可固化材料和助熔剂可以允许连接材料中具有更高含量的结构元件。
使用具有预定最大尺寸的结构元件的一个好处是任意采用相同制造方法和材料制成的给定电容式装置的性能的结果预见性。这种预见性的结果是，如果两个或两个以上这样的电容式装置在单个装置中使用，例如用于计算机监视器的基于力的接触传感器，那么该力传感器可能更灵敏，接触输入位置的定位可能更为精确。而且，由于预定最大尺寸的结构元件的使用，所以可由改良的结果确定有关接触输入的其它重要信息。这种原理可直接适用于如图1所示的基于力的传感器组件100。如果每个传感器组件110、112、114、116都具有第一电极和第二电极之间的间距，所述间距由设置在第一电极与第二电极之间的结构元件的预定最大尺寸限定，那么组件100的灵敏度和精确度与已知的基于力的接触传感器组件相比会大大提高。
在某些应用中，多种类型的利用本发明特征的电容式装置可被使用。例如，电容式装置200可以在诸如组件100等的基于力的传感器组件中使用，以确定出希望作用力的位置。此外，具有类似于电容式装置300的结构的加速度计可邻接每个装置110、112、114、116设置，以识别出对组件100的无意的作用力，从而当确定希望作用力位置时，将那些无意的作用力指出并且去除。本发明的电容式装置还可用于各种其它应用，例如测试和实验室设备，或用于力触发触板，例如国际出版物WO 02/984580、WO 02/084579、WO 02/084578和WO 02/084244中公开的。
电容式装置300的结构作为加速度计可能特别有用。由于第一电极相对于第二电极的定向，因此这种结构最可能用于测量仅单个方向上或平面上的加速度。在一个实施例中，具有类似于装置300的结构的加速度计使用在同样包括有类似于电容式装置200的基于力的装置的系统中。在这样的系统中，将多个加速度计安装在整个系统的各个方向上是有用的，因此可识别出作用于系统上的力。例如，力触发触摸屏可以使用加速度计来检测与接触输入无关的力，以便于当确定实际的接触位置时可以将这种力去掉。在某些实施例中，要求系统中所有的加速度计(例如装置300)和基于力的装置(例如装置200)使用相同的结构元件时，也是有用的。
上述说明书，实例和数据提供了本发明的制造方法和构成使用的完整描述。由于不脱离本发明的范围和实质就可作出本发明的许多实施例，所以本发明在于后附的权利要求。
权利要求
1.一种电容式装置，其构造成在包括零作用力在内的作用力的连续范围内检测作用力差异，所述装置包括第一电极和第二电极，所述两个电极在静止状态时相互间隔预定距离，在所述第一电极和所述第二电极之间存在可测电容；结构元件，其具有预定最大尺寸，设置所述结构元件以控制所述第一电极和所述第二电极之间的预定距离；从而，所述作用力引起所述第一电极和所述第二电极之间的距离变化以及所述电容的有关变化，可以测量所述电容的变化以确定与所述作用力有关的信息。
2.如权利要求1的装置，其中，所述第一电极和所述第二电极安装于基片上。
3.如权利要求2的装置，其中，所述第一电极包括具有第一端部和第二端部的矩形板。
4.如权利要求2的装置，其中，所述结构元件位于所述第一电极和靠近所述第一电极的第一端部和第二端部处的所述基片之间。
5.如权利要求1的装置，其中，用导电可固化材料将所述结构元件固定在位。
6.如权利要求5的装置，进一步包括第三电极，并且所述导电可固化材料将所述第一电极和所述第三电极电连接在一起。
7.如权利要求6的装置，其中，所述第二电极和所述第三电极安装于所述基片上。
8.如权利要求5的装置，其中，所述结构元件将所述第一电极和所述第三电极电连接在一起。
9.如权利要求1的装置，其中，所述结构元件为球形，并且所述预定最大尺寸为直径。
10.如权利要求9的装置，其中，所述结构元件为空心球体。
11.如权利要求9的装置，其中，所述结构元件为实心球体。
12.如权利要求1的装置，其中，在装置操作过程中，所述结构元件在预期范围内的作用力下不发生永久变形。
13.如权利要求1的装置，其中，所述结构元件包括玻璃材料。
14.如权利要求1的装置，其中，所述结构元件包括陶瓷材料。
15.如权利要求5的装置，其中，所述结构元件包括对所述导电可固化材料的处理温度无反应的材料。
16.如权利要求1的装置，其中，所述结构元件的硬度大于所述电极的硬度。
17.如权利要求1的装置，其中，所述结构元件可导电。
18.如权利要求1的装置，其中，所述电极通过所述结构元件电连接。
19.如权利要求2的装置，其中，所述第一电极被设置在所述基片和所述第二电极之间，并且位于设置在靠近所述第一电极的第一端部和第二端部处的结构元件之间的中心。
20.如权利要求1的装置，其中，使用粘合剂将所述结构元件固定在适当的位置。
21.一种制造电容式装置的方法，所述电容式装置能够在包括零作用力在内的作用力的连续范围内检测作用力差异，所述装置包括在静止状态时相互间隔预定距离的对置的第一电极和第二电极，所述装置具有由所述第一电极和所述第二电极之间的相对间距控制的电容，所述方法包括步骤使用具有预定最大尺寸的结构元件将所述第一电极和所述第二电极隔开预定距离；从而，所述作用力引起所述第一电极和所述第二电极之间的距离变化以及电容的有关变化，可以测量所述电容的有关变化以确定与所述作用力有关的信息。
22.如权利要求21的方法，其中，所述第一电极和所述第二电极安装于基片上，所述第一电极通过连接材料安装于所述基片上。
23.如权利要求22的方法，其中，所述连接材料包括所述结构元件。
24.如权利要求23的方法，其中，在被结合至所述连接材料之前，将所述结构元件混合至包括助熔剂的材料中。
25.如权利要求23的方法，其中，在所述基片上形成所述第三电极，并且所述连接材料形成所述第一电极和所述第三电极之间的电连接。
26.如权利要求23的方法，其中，所述结构元件占所述连接材料体积含量的大约1％至10％。
27.如权利要求23的方法，其中，所述结构元件占所述连接材料体积含量的大约2％。
28.如权利要求21的方法，其中，通过筛选所述结构元件样品以去除所有尺寸大于预定尺寸的结构元件，以确定所述结构元件的最大尺寸。
29.如权利要求28的方法，其中，筛选所述结构元件去除具有大于约25微米的尺寸的结构元件。
30.如权利要求21的方法，其中，所述预定尺寸为约为20微米至80微米。
31.如权利要求22的方法，其中，所述第一电极安装在所述基片上的两个分离位置处。
32.如权利要求20的方法，其中，所述第一电极安装在所述基片上的单个位置处。
33.如权利要求21的方法，还包括下述步骤将所述第一电极或所述第二电极电连接至恒压电源上；以及将没有与所述恒压电源电连接的所述第一电极或所述第二电极电连接至放大器上，其中，电容变化与从所述恒压电源流至所述放大器的电流变化有关。
34.如权利要求22的方法，其中，所述基片为其上形成有电迹线的印刷电路板，所述方法进一步包括将所述第一电极和所述第二电极电连接至分开的迹线上的步骤。
35.如权利要求21的方法，进一步包括在所述第一电极的表面上形成波状物的步骤。
36.一种电容式基于力的接触传感器组件，包括机架；触控表面；以及多个力触发装置，其设置在所述触控表面和所述机架之间，以检测由于接触输入而施加到所述触控表面的作用力，所述每个力触发装置包括第一电极和第二电极，其在静止位置时相互间隔预定距离，在所述第一电极和所述第二电极之间存在可测电容；结构元件，其具有预定最大尺寸，被设置在所述第一电极和所述第二电极之间以控制所述预定距离；从而，所述作用力引起所述第一电极和所述第二电极之间的距离变化和电容的有关变化，可以测量每个装置的电容变化以确定与所述触控表面的接触输入位置有关的信息。
37.如权利要求36的传感器组件，进一步包括密封膜，所述密封膜形成所述机架和所述触控表面之间的密封，并且所述组件可作为独立装置。
38.如权利要求36的传感器组件，其中，所述每个力触发装置预先加载作用力，对所述触控表面的接触输入卸载所述装置上的力。
39.一种具有基于力的接触性能的监视器，所述监视器包括屏幕；以及力触发装置，其邻近所述屏幕设置，以检测施加到所述屏幕上的作用力，所述装置包括第一电极和第二电极，其在静止位置时相互间隔预定距离，在所述第一电极和所述第二电极之间存在可测电容；结构元件，其具有预定最大尺寸，被设置在所述第一电极和所述第二电极之间以控制所述预定距离；从而，所述作用力引起所述第一电极和所述第二电极之间的距离变化和电容的有关变化，可以测量所述电容的变化以确定与所述作用力有关的信息。
40.一种在电容式装置中使用的连接材料，所述电容式装置能够在包括零作用力在内的作用力的连续范围内检测作用力差异，所述电容式装置包括对置的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极安装在基片上且在静止状态时间隔预定距离，所述电容式装置具有可以由所述第一电极和所述第二电极之间的相对间距控制的电容，所述连接材料包括可固化材料；以及结构元件，其混合在所述可固化材料中，所述结构元件具有预定尺寸；从而，所述连接材料用于将所述第一电极安装至所述基片上，从而用所述结构元件控制所述预定距离。
41.如权利要求40的连接材料，其中，所述可固化材料包括导电焊接材料。
42.如权利要求40的连接材料，进一步包括助焊剂材料，其中，在与所述可固化材料结合之前，将所述结构元件混合至所述助焊剂材料中。
43.如权利要求40的连接材料，其中，所述结构元件至少占所述连接材料体积含量的大约1％。
44.如权利要求40的连接材料，其中，所述结构元件为球形。
45.如权利要求40的连接材料，其中，所述可固化材料为粘合剂。
46.如权利要求40的连接材料，其中，所述结构元件包括导电材料。
全文摘要
本发明提供一种新颖的电容式装置，其构造成能够在包括零作用力在内的作用力的连续范围内检测作用力差异。该装置包括第一电极和第二电极，在静止位置时两电极相互间隔预定距离。在第一电极和第二电极之间存在可测电容。在装置中安置具有预定最大尺寸的结构元件以控制第一电极和第二电极之间的预定距离。作用于该装置的作用力引起第一电极和第二电极之间的距离变化和电容的有关变化，可以测量该电容变化以确定与作用力有关的信息。
文档编号G01L1/14GK1791788SQ200480013346
公开日2006年6月21日 申请日期2004年4月20日 优先权日2003年5月16日
发明者罗伯特·F·卡姆拉特, 迈克尔·E·豪迈尔利, 比利·L·韦弗 申请人:3M创新有限公司