专利名称：低轮廓人机接口设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及定位设备，并且更具体地涉及利用微机电系统(MEMS)硅片的用于电子设备或用户接ロ控制设备的低轮廓接ロ设备。
背景技术：
显示在结合入便携式电子设备或用户接ロ控制设备(诸如遥控装置)的图形用户界面(GUI)上的信息内容持续增长。这些设备通常结合控制杆或鼠标按键以导航信息内容。 控制杆或鼠标按键使用鼠标定位传感器。传感器检测运动方向和关于由用户供给到控制杆或鼠标按键上的力的強度。由鼠标定位传感器产生的信号被板式逻辑电路调节并处理，以致动由⑶I显示的定位器。然而，通过必须上下单击按键来搜索列表而导航信息内容(诸如地址表、照片和音乐内容)有时是效率低且麻烦的。Vaganov的美国专利No. 7，554，167描述了ー种可应用于便携式电子设备的传感器，该传感器利用具有凸起部的硅应变仪芯片。通常，硅应变仪芯片对施加于凸起部的末端的横向力敏感。凸起部将力传递到芯片的薄区域，在该薄区域中应变敏感元件产生与施加的横向カ对应的电信号。各个实施方式结合有被牢固地粘结到凸起部的末端的延伸部(诸如柱、电线或弹簧)，以形成用户接ロ并且延长设备的高度。Vaganov等人的美国专利No. 7，476，952还描述了这样的一些实施方式，这些实施方式基于应变敏感芯片并且利用各种形状的接ロ以允许用户向芯片施加力信号。美国专利No. 7，554，167和美国专利 No. 7，476，952两者都通过引用并入本公开内容。包括两个引用的专利的现有技术未能解决的是应变仪芯片在过载时易被破坏。本发明的目的在于形成一种人机接ロ设备，该人机接 ロ设备被保护而不受过载影响，因此变得可靠。本发明的另ー个目的在于使该人机接ロ设备的轮廓低，使得其适合于各种各样的电子设备。本发明的又ー个目的在于使该人机接ロ 设备的部件的数量和复杂性最小化，从而致使其潜在地制造成本低。对于本领域技术人员本发明的其它益处将是显而易见的。
为了更完全地理解本公开内容，应參照下列详细说明和附图，附图中图1是能用于各种类型的设备的根据本发明的各个实施方式的人机接ロ设备的立体图；图2是根据本发明的ー实施方式的人机接ロ设备的立体图；图3是图2的人机接ロ设备的剖视图；图4是图2的人机接ロ设备的分解剖视4
图5是根据本发明的ー实施方式的应用设备中的人机接ロ设备的剖视图；图6A是作为本发明的ー实施方式中的人机接ロ设备的一部分的基板、芯片和カ 传递元件的立体剖视图；图6B是本发明的ー实施方式中的人机接ロ设备的立体剖视图；图7A、图7B和图7C是能用在本发明的各个实施方式中的人机接ロ设备内的弾性元件的立体图；图8是其中利用具有柄脚的弾性元件的本发明的实施方式中的人机接ロ设备的立体剖视图；以及图9是其中弾性元件包括两个弹簧元件的本发明的ー实施方式中的人机接ロ设备的立体剖视图。
具体实施例方式虽然本公开内容的发明能允许具有各种修改例和替代形式，但是在附图中通过示例示出了一些实施方式并且本文将详细地描述这些实施方式。然而，应理解的是，本公开内容并不旨在将本发明限于所述的具体形式，而与此相反，本发明旨在涵盖落在由所附的权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改例、替代例和等同例。图1示出了根据本文所述的实施方式中的一个或更多个的人机接ロ设备2的灵活性和有用性。人机接ロ设备2具有适于包含于小和/或薄的电子设备中的小尺寸，由于其简单而具有高产量，坚固而抗过载，并且易于制造。在这点上，人机接ロ设备2提供能被包括在各种类型的电子设备中的X-Y轴定位功能，所述电子设备包括网络电话、智能电话、个人数字助理(PDA)装置、游戏装置、膝上型电脑、平板电脑、笔记本电脑、个人电脑、照相机、 电视机、烤箱、微波炉、全球定位系统(GPS)、蓝光播放器、HD-DVD播放器、DVD播放器、其它类型的便携式计算和互联网访问设备和装置、数字成像装置、消费者电子装置、车内装置、 导航系统等。用于导航任务或信息内容的人机接ロ设备2也能被结合到其它用户接ロ控制设备，诸如电脑鼠标、控制杆、指示笔、遥控装置、键盘、小键盘、其它类型的用于便携式计算和互联网访问设备和装置、消费者电子装置、车内装置等的输入装置中。人机接ロ设备2的厚度可大约为1.5mm或更小并且其长度可大约为IOmm或更小，但也能想到其它尺寸。在ー实施方式中，提供一种人机接ロ设备。该设备具有基板。该设备还具有联接至基板的应变敏感芯片，其中该应变敏感芯片能够提供表示施加于该芯片的カ的电信号。力传递元件邻近于应变敏感芯片定位并且被联接到该应变敏感芯片。平移元件机械联接到力传递元件。弾性元件至少部分地围绕平移元件和力传递元件，其中该弹性元件提供平移元件和力传递元件之间的机械联接。施加于平移元件的力使得弾性元件拉伸。弾性元件的拉伸使得力被施加于カ传递元件。由弾性元件施加于カ传递元件的力因此被施加于应变敏感芯片。在ー实施方式中，力传递元件成形为防止被施加于平移元件的竖直カ被传递到应变敏感芯片。在ー实施方式中，壳体被设置成至少部分地覆盖カ传递元件。在ー实施方式中，壳体对平移元件的运动提供物理限制。在ー实施方式中，弾性元件是弹簧。
在一实施方式中，人机接口设备是能够进行表面安装的。在另一实施方式中，提供具有基板的人机接口设备。应变敏感芯片被联接到基板，其中该应变敏感芯片能够提供表示施加于该芯片的力的电信号。力传递元件邻近于应变敏感芯片定位并且被联接到该应变敏感芯片。平移元件被机械联接到力传递元件。弹性元件邻近于平移元件和力传递元件，其中弹性元件提供平移元件和力传递元件之间的机械联接。施加于平移元件的力使得弹性元件拉伸。弹性元件的拉伸使得力被施加于力传递元件。由弹性元件施加于力传递元件的力因此被施加于应变敏感芯片。在一实施方式中，力平移元件成形为防止施加于平移元件的垂直力被传递到应变敏感芯片。在一实施方式中，提供至少部分地覆盖力传递元件的壳体。在一实施方式中，壳体对平移元件的运动提供物理限制。在一实施方式中，弹性元件是弹簧。在一实施方式中，人机接口设备是能够进行表面安装的。图2至图9示出了人机接口设备的实施方式的更多的细节。因此每幅图中的附图标记对应于相似的元件。本发明中具有6个功能元件1)基板110 ；2)应变敏感芯片120 ；3)力传递元件130 ；4)平移元件140 ；5)弹簧或弹性元件150 ；以及6)壳体160。这些功能元件协同运作以达到制造坚固的低轮廓人机接口设备的目的。然而，虽然在下面被描述为6个物理上独立的元件，但是可想到一些功能可被结合在单个物理元件中。例如，弹性功能和力传递功能可在单个物理元件中实现。例如，参见图8的实施方式，将在下面更详细地描述该实施方式。基板110提供了供安装应变敏感芯片120的平台并且用来设定从芯片到相反表面的电接口的路线。能想到，人机接口设备100将是安装到应用装置的印刷电路板(PCB)(未示出)的表面。人机接口设备100的基板110限定了这样的表面，该表面例如在表面安装过程中被物理和电力附接到装置的印刷电路板。能想到，在一实施方式中，基板110是陶瓷的印刷电路板材料，或类似材料。基板110在两侧具有金属迹线111 (未示出相反侧)。应变敏感芯片120安装到基板110的一侧，而相反侧连接到设备的印刷电路板。因此，可通过应用设备的印刷电路板将表示平移元件140的运动的信号从人机接口设备100传送到应用设备。应变敏感芯片120与先前引用的专利的应变敏感芯片的相似之处在于，该芯片包含凸起部、弹性区域、外框架以及将应变转化成电信号的应变敏感元件。能想到，芯片120通过覆晶接合(flip chip bonding)被安装到基板110。然而，如本领域技术人员所已知的，也能想到其它联接方法。这将电接口置于芯片120和基板110之间的表面上，而在芯片120的相反侧实现至芯片120的机械接口。这保持电接口和机械接口分离并避免接口之间的干涉，由此使潜在的可靠性问题最小化。力传递元件130提供这样的接口，横向力通过该接口被施加于芯片的接口并且能防止竖直力到达芯片120。这有助于实现芯片120的保护并且可通过如图所示约束力传递元件130靠在基板110上或者通过以限制平移元件的向力传递元件施加竖直负荷的能力的方式约束该平移元件来实现。平移元件140借助弹性元件150被连接到力传递元件130。用户直接或间接移动平移元件140并且弹性元件150在力传递元件130上产生相应的力。平移元件140被约束成仅沿横向移动。平移元件140和/或力传递元件130被允许相对于芯片120绕竖直轴线自由旋转，由此从芯片120分离该运动。壳体160附接到基板110，从而封装整个人机接口装置100。壳体160用来限制可被施加于平移元件140的平移量，由此继而最终限制施加于芯片110的最大力。当用户将力施加于平移元件140时，该平移元件运动，从而拉伸弹性元件150。弹性元件150在其拉伸状态下将力施加于力传递元件130，该力传递元件130继而将力施加于应变敏感芯片120。芯片120产生与用户原始施加的力对应的电输出。力传递元件能以各种方式接合或另外联接到应变敏感芯片。图6A和图6B示出了一些示例。在图6A中，销622接合力传递元件630中的孔623以及应变敏感芯片620的凸起部627中的孔625。销622可与芯片620的周向壁或筒621相邻。该销622将施加于力传递元件630的力有效地耦合到应变敏感芯片620的凸起部。销622可具有延伸到力传递元件630的顶面629的高度。在另一实施方式中，力传递元件具有与销622类似地成形但一体形成的构件(未示出)，该构件延伸到应变敏感芯片620的孔625中。该构件具有与销622相同的功能。尽管示出具有柱形，但是销622可具有本领域技术人员所想到的任何形状，并且可由本领域技术人员所想到的任何材料构成。该销622可以是刚性的；然而，在其它实施方式中，销622可由较软的材料构成，该较软的材料例如在向应用印刷电路板传输信号时可提供期望的敏感度和/或延迟。在图6B中，筒636形成在力传递元件630上或以其它方式附接到该力传递元件630并且包围应变敏感芯片620的凸起部624。筒636与凸起部6M相邻并且在一些实施方式中与该凸起部6M接触，由此将施加于力传递元件630的力有效地传递到应变敏感芯片620。在这些示例中的每个中，目标是提供能够经受住所施加的剪切力的坚固接合。它们还允许绕主轴线旋转，由此保护芯片不受由用户施加于力传递元件630的任何扭矩的影响。弹性元件能采取各种形式或形状，诸如圆形、椭圆形、矩形或其它形状。在图7A中，示出了弹性带750。该带750例如由类似于硅树脂的材料制成。也能想到其它弹性材料。在图7B中，公开了作为弹性元件的螺旋弹簧751。该弹簧751可由不锈钢丝制成；然而，它也能用其他弹性材料(诸如塑料)制成。图7C示出了呈涡卷形弹簧形式的替代弹性元件754。该弹簧可由金属箔化学刻蚀而成但是也可由塑料模制而成。例如弹簧7M可通过其中心孔752 (诸如通过销)接合力传递元件，而通过柄脚756在其外周接合平移元件，柄脚756可接触平移元件的外周。在另一实施方式中，涡卷弹簧7M不具有柄脚。所使用的该类型的弹性元件可取决于用于人机接口装置的期望敏感度。图8中示出了涡卷弹簧弹性元件850的示例，其中力传递元件830被结合到涡卷弹簧弹性元件850的中心。更具体地，力传递元件830的延伸构件832被对准并且插入涡卷弹簧850的空间中。尽管这些空间在图8中未示出，但它们可以类似于涡卷弹簧754中的空间759。平移元件840在涡卷弹性元件850的外周处接合弯曲柄脚852。可以预想，通过倒置涡卷弹簧元件850，它也能与平移元件840结合并且因此将接合力传递元件830，其中弯曲柄脚852围绕力传递元件830的外周。图9中所示的替代实施方式使用两个涡卷弹簧950A、950B。涡卷弹簧950A具有弯曲柄脚952。可预想，弹簧950B也将具有柄脚，由此弹簧950A和弹簧950B两者的柄脚相互接合以互锁(为了清楚，一个弹簧的柄脚被定位在另一弹簧的柄脚之间)。平移元件940将与弹簧950A的中心结合，而力传递元件930将被结合在第二弹簧950B的中心处。在一实施方式中，弹簧950A和950B具有相同的直径。现在参看图5，人机接口设备200被安装在应用设备201中。人机接口设备200的基板210是安装到应用设备PCB 202的表面。上壳282和下壳观4收纳应用设备201。按钮270穿过上壳观2的表面突出以使得用户能接近。按钮270接合平移元件M0，使得当按钮270被横向移动时，平移元件MO以相应的方式移动。按钮270可被定位在设备200的壳体260上。本文描述了本发明的优选实施方式，包括用于实施本发明的发明人已知的最佳方式。应该理解的是，所示的实施方式仅是示例性的，并且不应被理解为限制本发明的范围。
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权利要求
1.一种人机接ロ设备，该人机接ロ设备包括 基板；应变敏感芯片，该应变敏感芯片联接到所述基板，其中所述应变敏感芯片能提供表示施加于该芯片的カ的电信号；力传递元件，该カ传递元件邻近于所述应变敏感芯片定位并且联接到该应变敏感芯片；平移元件，该平移元件机械联接到所述カ传递元件；弾性元件，该弹性元件至少部分地围绕所述平移元件和所述カ传递元件，其中所述弹性元件提供所述平移元件和所述カ传递元件之间的机械联接； 其中，施加于所述平移元件的力使得所述弹性元件拉伸； 并且所述弹性元件的拉伸使得力被施加于所述力传递元件； 由所述弹性元件施加于所述力传递元件的力因此被施加于所述应变敏感芯片。
2.根据权利要求1所述的人机接ロ设备，其中，所述カ平移元件被成形为防止施加于所述平移元件的竖直カ被传递到所述应变敏感芯片。
3.根据权利要求1所述的人机接ロ设备，该人机接ロ设备还包括 壳体，该壳体至少部分地覆盖所述力传递元件。
4.根据权利要求3所述的人机接ロ设备，其中，所述壳体对所述平移元件的运动提供物理限制。
5.根据权利要求1所述的人机接ロ设备，其中，所述弹性元件是弹簧。
6.根据权利要求1所述的人机接ロ设备，该人机接ロ设备是能进行表面安装的。
7.—种人机接ロ设备，该人机接ロ设备包括 基板；应变敏感芯片，该应变敏感芯片联接到所述基板，其中所述应变敏感芯片能提供表示施加于该芯片的カ的电信号；力传递元件，该カ传递元件邻近于所述应变敏感芯片定位并且联接到该应变敏感芯片；平移元件，该平移元件机械联接到所述カ传递元件；弾性元件，该弹性元件邻近于所述平移元件和所述カ传递元件，其中所述弹性元件提供所述平移元件和所述カ传递元件之间的机械联接；其中，施加于所述平移元件的力使得所述弹性元件拉伸；并且所述弹性元件的拉伸使得力被施加于所述力传递元件；由所述弹性元件施加于所述力传递元件的力因此被施加于所述应变敏感芯片。
8.根据权利要求7所述的人机接ロ设备，其中，所述カ平移元件被成形为防止施加于所述平移元件的竖直カ被传递到所述应变敏感芯片。
9.根据权利要求7所述的人机接ロ设备，该人机接ロ设备还包括 壳体，该壳体至少部分地覆盖所述力传递元件。
10.根据权利要求9所述的人机接ロ设备，其中，所述壳体对所述平移元件的运动提供物理限制。
11.根据权利要求7所述的人机接ロ设备，其中，所述弹性元件是弹簧。
12.根据权利要求7所述的人机接ロ设备，该人机接ロ设备是能进行表面安装的。
全文摘要
提供了一种人机接口设备，该人机接口设备具有基板。应变敏感芯片联接到所述基板，其中，所述应变敏感芯片能提供表示施加于该芯片的力的电信号。力传递元件邻近于所述应变敏感芯片定位并且联接到该应变敏感芯片。平移元件机械联接到所述力传递元件。弹性元件至少部分地围绕所述平移元件和所述力传递元件，其中，所述弹性元件提供所述平移元件和所述力传递元件之间的机械联接。施加于所述平移元件的力使得所述弹性元件拉伸，其中，所述弹簧元件的拉伸使得力被施加于所述力传递元件；由所述弹性元件施加于所述力传递元件的所述力因此被施加于所述应变敏感芯片。
文档编号G06F3/033GK102597921SQ201080050129
公开日2012年7月18日 申请日期2010年10月6日 优先权日2009年10月6日
发明者M·杜尔索, S·哈恩, 彼得·V·洛佩特 申请人:美商楼氏电子有限公司