按钮组件及电子设备的制作方法

本发明涉及电子设备的传感器封装领域，尤其涉及一种包含指纹传感器和压力传感元件的封装成按钮组件及应用按钮组件的电子设备。

背景技术：

随着指纹传感器在智能移动终端的普及，如何将指纹传感器便捷高效地集成在智能移动终端，成为厂商关注的重点，如何在不占据移动终端空间情况，将移动终端的配置更多可靠的传感元件，使得智能终端获得丰富多彩的差异化应用功能，并能带来良好用户体验是智能终端亟待突破的技术问题。

技术实现要素：

鉴于此，本发明提供了一种同时检测并采集手指压力信息和指纹图像信息的按钮组件及应用该按钮组件的电子设备。

本发明提供了一种用于电子设备的按钮组件，包括：

安置邻接于按钮的至少一部分的结构；

垂直叠加在所述按钮下方的指纹传感器；及

垂直叠加在所述指纹传感器下方的压力传感元件。

可选地，所述压力传感元件包括至少一电容压力传感元件。

可选地，所述电容压力传感元件包括至少一金属膜或镀金属材料的薄膜。

可选地，还包括设置于所述压力传感元件下方的支撑元件，所述支撑元件固定设置与电子设备之中。

可选地，还包括设置于指纹传感器与压力传感元件之间的至少一印刷电路板，所述指纹传感器和压力传感元件分别与所述印刷电路板电连接。

可选地，所述印刷电路板包括至少一柔性电路。

可选地，所述按钮组件还包括电气隔离所述指纹传感器和压力传感元件的导电环。

可选地，所述按钮被安置在所述导电环内。

可选地，所述按钮组件还包括垂直设置在指纹传感器上方的一保护盖板。

可选地，所述保护盖板的下表面设置至少一颜色层。

可选地，所述保护盖板包括采用蓝宝石材料、玻璃材料或陶瓷材料中任意一种材料制成。

可选地，所述按钮组件还包括垂直设置在指纹传感器上方的至少一硬化层。

可选地，所述硬化层下方设置包括至少一颜色层。

本发明还提供了一种用于电子设备，包括上述的按钮组件。

相比较现有按钮组件，本发明所述的按钮组件同时设置指纹传感器和压力传感元件，即在压力传感元件相对垂直对准地安置于指纹传感器下方组装形成按钮组件，可使电子设备通过所述按钮组件并行地接收指纹图像信息、检测用户手指按压压力大小信息及按钮组件按下信息的功能。电子设备采用上述按钮组件可以实现丰富多彩的应用功能，提升用户使用电子设备的体验。

尽管公开了多个实施例，包括其变化，但是通过示出并描述了本发明公开的说明实施例的下列详细描述，本发明公开的其他实施例将对所属领域的技术人员显而易见。将认识到，本发明公开能够在各种显而易见的方面修改，所有修改都不会偏离本发明的精神和范围。相应地，附图和详细描述本质上应被视为说明性的，而不是限制性的。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的其它特征及优点将变得更加明显。

图1为本发明电子设备一实施方式包括按钮组件的立体示意图。

图2为图1所示电子设备部分组件的分解图。

图3为图1所示电子设备沿着虚线aa’的剖面图。

图4为图3所示按钮组件一实施方式的部分透视的俯视图。

图5为图4所示压力传感元件一实施方式的工作原理图。

图6为本发明电子设备的部分模块图。

图7为图1所示电子设备另一实施方式的沿着虚线aa’剖面图。

图8a为图7所示配置一个压力传感元件实施方式的部分透视的平面图。

图8b为图7所示配置两个压力传感元件实施方式的部分透视平面图。

图8c为图7所示配置四个压力传感元件一实施方式的部分透视平面图。

图8d为图7所示配置四个压力传感元件另一实施方式的部分透视平面图。

图8e为图7所示配置八个压力传感元件又一实施方式的部分透视平面图。

图9为本发明电子设备另一实施方式包括按钮组件的示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构。

所描述的特征或结构可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员应意识到，没有所述特定细节中的一个或更多，或者采用其它的结构、组件等，也可以实践本发明的技术方案。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构或者操作以避免模糊本发明。

电子设备通常被配置为包括：显示屏、触摸屏、盖板玻璃、存储、片上系统(systemonchip)、cpu、gpu、内存、wi-fi连接、蓝牙连接、usb连接、电池、外接电源、计算机可读媒体及软件等。终端设备或终端设备的显示屏可以被配置为包括用于用户交互(例如开/关机、音量调整等)的一个虚拟触控按钮或者一种物理外形(formfactor)。按钮可以集成于电子设备的外壳中，也可以包括在电子设备的屏幕中。

此处所描述的各实施例一般性地公开了用于封装诸如电容传感器之类的传感器的各种结构。各实施例可以公开传感器的各种布局、环绕传感器的结构、传感器的连接结构(电气、物理、或两者)、用于增强传感器成像的方法和结构，用于固定指纹传感器和压力传感元件的结构，当传感器本身不能被用户看到时用于将手指引导到指纹传感器上方的适当位置的结构等等。

图1示出了本发明电子设备100一实施方式包括按钮组件30的立体示意图。电子设备100包括保护盖板10及收容于所述保护盖板10开设的一按钮孔40(见图2)内的按钮组件30。所述保护盖板10的透明区域下方设置一显示屏11。所述按钮组件30作为所述电子设备1一触摸/按压操作输入界面以感应检测用户手指信息和压力信息。可以理解地，按钮组件30也可用作所述电子设备100一触摸/按压操作输入界面以导航控制所述电子设备100应用界面，如替代电子设备100外壳上音量功能键、开关机功能按键、home按键及触控屏上的虚拟触控按键。

所述保护盖板10被安置于智能手机、移动计算设备、输入或输出设备的外壳、车辆的面板等电子设备上。在较佳的实施方式中，将按钮组件30组装于电子设备100之中时，保护盖板10一端被挖设一按钮孔40，所述按钮孔40被用于收容固定所述按钮组件30。

在其它的实施方式中，所述按钮组件30也可以嵌入设置于电子设备100的后盖之中并通过后盖上开设的按钮孔外露(参见图9)。在其它的实施方式中，所述按钮组件30也可以嵌入设置于电子设备100的侧边框之中并通过侧边框上开设的按钮孔外露。

请一并参阅图2，图1所示电子设备部分组件的分解图。按钮组件30被安置为装入按钮孔40中。所述按钮组件30包括安置邻接于按钮的至少一部分的结构，用于为了将所述按钮组件30设置固定于电子设备100之中。所述按钮组件30还包括导电环31、防护元件32、指纹传感器33、印刷电路板35、压力传感元件37及支撑元件39。

防护元件32的上表面至少一部分形成凹陷形状(见图3)，具有将用户手指引向按钮组件30上的效果。凹陷形状可以同样至少部分地通过导电环31中的倒角形成。在一实施例中，防护元件32可以由下列材料或其等效物中的一个或多个制成：氧化铝、玻璃或经过化学处理的玻璃、蓝宝石、经过化学处理的陶瓷材料等具有其至少某些特征的化合物，或具有类似性质的另一种化合物。防护元件32安置在导电环31内。在一个实施例中，导电环31可以被用来屏蔽电磁效应避免指纹传感器33或压力传感元件37来自外界电磁信号的干扰，带有提供电容隔离或其他电磁隔离的效果。导电环31在图中被示为具有夹持所述防护元件31以及当按钮组件30安置时可以在电子设备100内对齐或定向的保护盖板10的圆柱形边缘，以便为用户手指提供触摸触感以便更好引导用户手指按压按钮组件30。在另一实施例中，也可基于涂布工艺将包含有氧化铝等抗刮花硬涂层材料涂布(coating)在所述指纹传感器33的上表面，形成一硬化层。进一步地，在所述硬化层之下还包括至少一颜色层，所述颜色层包括2–5层颜色油墨。颜色油墨材料可以被印刷在指纹传感器33的上表面。

指纹传感器33固定于印刷电路板35上方并与其电气耦合。在一实施例中，指纹传感器33相对来说是矩形形状，且能够感测用户的指纹的二维(2d)图像。可以理解地，在可替换实施例中，指纹传感器33可以被制作成包括但不限于圆形、正方形、椭圆形、跑道形或六边形形状之类的也可用于采集2d指纹图像信息的传感元件。

如下面所描述的，指纹传感器33包括在器表面安置了指纹传感阵列电路的硅晶片。所述指纹传感阵列电路的硅晶片通过印刷电路板35电耦合到电子设备100的其他元件，如电子设备100的处理器。指纹传感器33被安置在与用户手指相对靠近的位置，带有这样的效果：指纹传感器33可以响应于用户手指的脊和谷，响应用户手指上的每一个点处的电容的测量，来采集用户指纹图像信息。下面将进一步描述指纹传感器33与电子设备100的其他元件之间的电气耦合。

如上文所描述的，尽管本发明主要描述了其中安置了指纹传感器33以电容方式耦合到用户手指的表皮的组件，但是在本发明的上下文中，对于任何这样的限制没有特定要求。例如，指纹传感器33可以以电容方式耦合，或以其他方式以电磁方式耦合到用户手指的皮下部分。此外，指纹传感器33可以与执行对用户的指纹的光学感测、红外感测、或其他感测的元件结合或组合地工作，这些元件本身可以耦合到用户手指的表皮、用户手指的皮下部分、或者表示用户的指纹的某种其他特征。

在一个实施例中，指纹传感器33包括集成电路，包括以二维(2d)阵列排列的一个或多个电容感测电极，每一个这样的电容感测电极都被安置为响应于其阵列中的一个或多个像素处的用户手指的脊和谷，收集至少某些指纹图像信息。使用上述结构具有这样的效果：当每一个电容感测电极在其阵列中收集指纹图像信息的一个或多个像素时，这些电容感测电极组集体地接收二维阵列的指纹图像信息。例如，二维阵列的指纹图像信息可以被用来确定用户的指纹的实质性特征，这些实质性特征可以被用来在数据库中注册用户的指纹，供以后使用，或可以以后将实质性特征与注册的指纹图像信息进行比较，以识别用户的指纹，并可能响应于该指纹图像信息来认证用户。

所述印刷电路板35下表面固定设压力传感元件37，用于检测并采集由用户手指在按钮组件30上施加的任何力，并将该压力信息传输到电子设备100的处理器102(见图6所示)。

印刷电路板35被安置在压力传感元件37上方并与其电气耦合。所述压力传感元件37接收由用户手指在按钮组件30上施加的压力，将能表征用户手指按压按钮组件30的电信号传输到电子设备100的处理器102。电子设备100计算用户压力大小并判断当前用户手指按压压力是否大于预设压力值。若判断当前用户手指按压压力大于预设压力值，则向用户提供相应的用户界面或开启相应的应用程序，如点亮电子设备100的显示屏11，以指示按钮组件30被按下。

如此处进一步描述的，将指纹传感器33和压力传感元件37一同设置与按钮组件30之中具有这样的效果：当用户将他们的手指定位在按钮组件30上时，电子设备100可根据用户按压按钮组件30的压力大小信息和用户的指纹信息共同决定是否启动相应的应用程序，诸如用于对用户的注册或认证。

所述压力传感元件37被安置在支撑元件39上方并与其结构耦合。所述支撑元件39还包括一支撑柱309，用于支撑所述按钮组件30。所述支撑元件39用于将按钮组件30整体地固定于电子设备100之中。在具体的实施方式中，所述支撑元件39通过一个或多个立式螺杆被固定与电子设备100的机构元件上。如上文所描述的，通过一个或多个水平螺杆固定设置于电子设备100的外壳或主印刷电路板上。

在阅读本申请之后，所属领域的技术人员将认识到，如上文所描述的组件的这种特定安置不是绝对需要的，其许多变体将是切实可行的，将在本发明的范围和精神内，并且将不会需要进一步的发明或不适当的实验。

在一个特定实施例中，与压力传感元件37相对垂直对准地安置于指纹传感器33下方组装形成按钮组件30可使电子设备100并行地接收指纹图像信息、检测用户手指按压压力大小信息及按钮组件30按下信息的功能。

请参考图3，为图1所示电子设备一实施方式的沿着虚线aa’剖面图。在本具体的实施方式中，所述按钮组件30包括凹型的透镜42、形成透镜42下表面设置颜色层34。在一实施例中，所述透镜42的上表面低于所述导电环31以进一步相对应用户手指形成凹陷形状，再次为了将用户手指引向按钮组件30。

在一实施例中，在透镜42的下面涂布有油墨材料形成一颜色层34。颜色层34包括2–5层颜色油墨。颜色油墨材料可以被印刷在透镜42的下表面上。这具有这样的效果：可以使透明的透镜42变得不透明，如此指纹传感器33等元件不会立即对用户可见。所述透镜42还通过热量激活的薄膜和周边密封剂301在其边缘耦合到导电环31。

在另一实施例中，颜色油墨可以通过蒸汽沉积工艺在透镜42的下表面上，或通过另一种涂布技术工艺施加在在透镜42的下表面上。所述颜色层22可以调成白色、黑色、粉色等各种颜色以满足用户的喜好。

如上文所描述的，指纹传感器33通过一胶层36被安置在透镜42下面。所述指纹传感器33固定设置于所述印刷电路板35上，其中所述印刷电路板35为双面电路结构且至少包括一柔性电路305(见图2所示)。所述印刷电路板35下表面设置压力传感元件37，所述压力传感元件37包括至少一金属膜或镀金属材料薄膜。

所述按钮组件30还包括设置于印刷电路板35上的压力传感控制器38，所述压力传感元件37通过若干布设印刷电路板35表面的导电线41与压力传感控制器38电连接。在一具体的实施方式中，压力传感控制器38和压力传感元件37分别固定设置于所述印刷电路板35的上下两个表面，所述印刷电路板35开设若干过孔40，所述若干布设印刷电路板35表面的导电线41穿过若干过孔40将压力传感控制器38和压力传感元件37相互电连接。

请一并参考图4，为图3所示按钮组件一实施方式的部分透视俯视图。在本实施例中，所述压力传感元件37包括在印刷电路板35设置一电容式压力金属膜或镀金属材料的薄膜。

请一并参阅图5，为图4所示压力传感元件一实施方式的工作原理图。在本实施方式中，所述压力传感元件37包括一电容式传感元件，所述电容式传感元件包括定极板和动极板。所述动极板采用金属薄膜或镀金属材料的薄膜制成。所述压力传感元件37的初始电容c0为：

当有用户手指按压按钮组件30时，依次通过防护元件32、指纹传感器33将手指压力传导至金属薄膜或镀金属材料的薄膜，导致金属薄膜或镀金属材料的薄膜发生微小弹性形变使得d从d0→d0-δd，因此使得压力传感元件37的电容量c0→c0+δc，则有如下计算公式：

当远小于1时，因此上述由金属薄膜或镀金属材料的薄膜制成的压力传感元件37有近似线性关系，此时的灵敏度

为了获得高灵敏度，一般d0较小，但d0过小容易引起电容击穿或短路，可在电容压力传感元件37放置高介电常数材料，如云母材料，防止压力传感元件37电容性击穿和短路。

请一并参阅图6，为本发明电子设备的部分模块图。电子设备100包括指纹传感器33、压力传感元件37、处理器102及存储单元。所述压力传感元件37包括压力传感元件37和压力传感控制器38(参见图3所示)。当压力传感元件37的动极板(如电容式压力金属薄膜或镀金属材料的薄膜)受到手指按压而发生形变时，压力传感元件37产生可表征手指压力大小的电容信号，所述电容信号经过定极板和动极板的引出的信号引线传送至压力传感控制器38。最后经过处理器102计算得出用户手指按压压力大小信息。

请参考图7，为图1所示电子设备另一实施方式的沿着虚线aa’剖面图。本实施方式与图3所示的实施方式区别在于，所述压力传感控制器38与指纹传感器33一体成型集成封装。这样结构具有这样的效果：使得压力传感控制器38与指纹传感器33一并固定于印刷电路板35上，使得按钮组件30结构简单及体积较少，组装工艺简单。

图7所示的实施方式与图3所示的实施方式还存在以下区别：图3所示的压力传感元件37为一薄膜层设于印刷电路板35下表面。而图7所示的压力传感元件37包括一个或多个面积相对较小的压力传感元件37，所述每一个压力传感元件37包括金属膜或镀金属材料的薄膜制成。当压力传感元件为多个时，这些压力传感元件分别布置于印刷电路板35下表面上并各自独立设置。

请参阅图8a，为图7所示配置一个压力传感元件实施方式的部分透视平面图。在本实施方式中，所述压力传感元件37数量为一个且设置于所述按钮组件30垂直方向的大约中心轴线上。

请参阅图8b，为图7所示配置两个压力传感元件一实施方式的部分透视平面图。在本实施方式中，所述压力传感元件37数量为两个且分别设置于所述指纹传感器33下方且形成对角线两个角落上。这样具有的效果：可以同时检测按钮组件30在两个对角的压力信息。

请参阅图8c，为图7所示配置四个压力传感元件一实施方式的部分透视平面图。在本实施方式中，所述压力传感元件37数量为四个且分别设置于所述指纹传感器33下方四个角落区域。这样具有的效果：可以同时检测按钮组件30在四个对角的压力信息，基于四个对角的压力信息实现电子设备100的用户界面的导航操作。

请参阅图8d，为图7所示配置四个压力传感元件另一实施方式的部分透视平面图。在本实施方式中，所述压力传感元件37数量为四个且分别设置于所述指纹传感器33下方靠近四条侧边上。这样具有的效果：可以同时检测按钮组件30在上、下、左及右四方方向的压力信息，基于上述四个方向的压力信息实现电子设备100的用户界面的导航操作。

请参阅图8e，为图7所示配置八个压力传感元件一实施方式的部分透视平面图。在本实施方式中，所述压力传感元件37数量为八个且分别设置于所述指纹传感器33下方靠近四条侧边上。

在阅读本申请之后，所属领域的技术人员将认识到，如上文所描述的压力传感元件37在印刷电路板35上设置的方式包括许多变体将是切实可行的，将在本发明的范围和精神内，并且将不会需要进一步的发明或不适当的实验。

进一步地，图8b、图8c、图8d及图8e中包括两个以上压力传感元件37的按钮组件30还具有这样的有益效果：所述按钮组件30还可用于检测用户手指按压力度的偏重方向，以基于按钮组件30采集用户指纹按压压力在整个按钮组件压力分布情况，从而实现在电子设备100的用户界面实现导航操作、游戏界面操控等功能。

尽管是参考各实施例来描述本公开，但是可以理解，这些实施例是说明性的，并且本发明的范围不仅限于它们。许多变化、修改、添加、以及改进都是可能的。更一般而言，根据本发明公开的各实施例是在特定实施例的上下文中描述的。功能可以在本发明公开的各实施例中在过程中以不同的方式分离或组合，或利用不同的术语来描述。这些及其他变化、修改、添加、以及改进可以在如随后的权利要求书所定义的本发明公开的范围内。