CN215120758U - 感应装置和电子产品 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种感应装置和电子产品，包括电路板，所述电路板上设置有压力传感组件和电容传感组件，所述压力传感组件感应并跟随形变以输出感应信号，所述电容传感组件用于检测被触摸位置。通过设置电容传感器和压力传感器，用户触按传力件时，能同时感应用户的触摸和按压，压力传感器能够跟随触摸板形变以输出与按压力度大小匹配的感应信号，同时电容传感器能够检测到触摸动作，通过两种方式的感应检测，提高开关动作的感测的准确性可靠性，提升用户体验。

Description

感应装置和电子产品

技术领域

本申请属于感应技术领域，尤其涉及一种触摸和压力一体式的感应装置和电子产品。

背景技术

现今各式便携电子产品、家用电器、汽车中控等产品皆已广泛的使用触控开关按键，替代传统的机械案件作为其控制开关工具。其中又以电容式触控开关按键的应用较为广泛，成为市场上应用量最大的主流技术，电容式触控开关按键，是通过检测手指触摸位置处电容量的变化，来触发开关信号。

但是，仅仅以电容感应的方式触发开关信号，会容易引起误触，并且当触摸时引起的电容变化量较小时，可能无法准确检测到是否有触摸输入，可靠性较差。

实用新型内容

本申请实施例的目的在于提供一种感应装置和电子产品，以解决现有技术中存在的触控感应装置可靠性的问题。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：提供一种感应装置，包括电路板，所述电路板上设置有压力传感组件和电容传感组件，所述压力传感组件感应并跟随形变以输出感应信号，所述电容传感组件用于检测被触摸位置。

在其中一个实施例中，所述压力传感组件设置在所述电路板的上表面和/或下表面。

在其中一个实施例中，所述电容传感组件设置在所述电路板的上表面，且与所述电路板上表面的压力传感组件通过一绝缘材料层相互隔离。

在其中一个实施例中，所述电路板为多层板，所述电容传感组件设置在所述电路板的中间层。

在其中一个实施例中，所述电路板包括第一电路板和第二电路板，所述第一电路板和所述第二电路板之间设置有弹性材料层，所述压力传感组件设置在所述第一电路板的上表面和/或所述第二电路板的下表面；所述电容传感组件设置在所述第一电路板的上表面，且与所述第一电路板上表面的压力传感组件通过一绝缘材料层相互隔离，所述绝缘材料层之上设置有一硬性材料层。

在其中一个实施例中，所述压力传感组件包括至少一组电阻元件，其中：

每组所述电阻元件包括两个电阻器，所述两个电阻器串联或并联，所述两个电阻器中至少一个为应变感应电阻；或

每组所述电阻元件包括四个电阻器，所述四个电阻器组成一个电桥电路，所述四个电阻器中至少一个为应变感应电阻。

在其中一个实施例中，所述电阻元件包括至少一个参考电阻。

在其中一个实施例中，还包括层叠在所述电路板远离所述传力件一侧的衬底，所述衬底上开设有应变集中槽，所述应变集中槽与所述应变感应电阻相对，所述参考电阻远离所述应变集中槽。

在其中一个实施例中，所述电容传感组件包括多个间隔设置的电容极板，所述电容极板由单独布置导电材料层或所述电路板的铜箔层构成。

此外，还提供了一种电子产品，包括面板及如上所述的感应装置，所述面板为所述传力件。

此外，还提供了另一种电子产品，包括侧边框及如上所述的感应装置，所述侧边框为所述传力件。

本申请提供的感应装置的有益效果在于：与现有技术相比，本申请感应装置通过设置电容传感器和压力传感器，用户触按时，能同时感应用户的触摸和按压，压力传感器能够跟随触摸板形变以输出与按压力度大小匹配的感应信号，同时电容传感器能够检测到触摸动作，通过两种方式的感应检测，丰富按键的功能，同时提高开关动作的感测的准确性和可靠性，提升用户体验。

另外，当电容传感器可以检测多个位置时，还可以检测滑动的触摸动作。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例一提供的感应装置的结构示意图；

图2为本申请实施例二提供的感应装置的结构示意图；

图3为本申请实施例三提供的感应装置的结构示意图；

图4A为本申请实施例四提供的感应装置的结构示意图；

图4B为本申请实施例五提供的感应装置的结构示意图；

图5为本申请实施例的感应装置上的压力传感组件的第一实施例的电路图；

图6为本申请实施例的感应装置上的压力传感组件的第二实施例的电路图；

图7为本申请实施例的感应装置上的压力传感组件的第三实施例的电路图；

图8为用于检测应变感应电阻的RC串联电路的电路图

图9为用于检测应变感应电阻的RC桥式振荡电路的电路图；

图10为用于检测应变感应电阻的RLC并联谐振电路的电路图；

图11为本申请实施例的感应装置上的压力传感组件的结构示意图；

图12为用于检测感应电容的调频测量电路的电路图；

图13为用于检测感应电容的运算放大电路测量的电路图；

图14为用于检测感应电容的电容数字转换器AD7147的模拟前端部分；

图15为感应装置的触摸、压力事件的工作流程。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，现对本申请实施例提供的感应装置进行说明。

感应装置包括电路板20，电路板20是一般是通过粘接胶体60粘接在传力件10的内表面，传力件10可以是电子产品的面板或边框，其可以是塑料面板、玻璃、陶瓷、蓝宝石等介电常数较低的材料。粘接胶体60可以是亚克力胶带(VeryHighBond，VHB)、双面胶、502胶、热固胶、紫外光(UltravioletRays)固化胶、环氧胶膜、两液混合硬化(AB)胶或泡棉胶等。电路板20可以是印制电路板(PrintedCircuitBoard，PCB)，或柔性电路板(FlexiblePrintedCircuit，FPC)，或软硬结合板等。

电路板20上设置有压力传感组件30和电容传感组件40，压力传感组件30感应并跟随传力件10形变以输出感应信号，电容传感组件40用于检测传力件10的被触摸位置。通过电容传感组件40和压力传感组件30能同时感应用户的触摸和按压，压力传感器能够跟随触摸板形变以输出与按压力度大小匹配的感应信号，同时电容传感器能够准确检测到按压位置，提高感应灵敏度，提升用户体验。

请参阅图1至图3，在其中一个实施例中，压力传感组件30设置在电路板20上，其包括至少一组电阻元件，每组电阻元件包括至少两个电阻器件31，因此，请参阅图1至图3，多个电阻器件31可以设置在靠近传力件10的上表面(请参阅图1)，也可以设置在远离传力件10的下表面(请参阅图2)，也可以同时设置在上表面和下表明(请参阅图3)。同时设置在上表面和下表明的实施例中，当装置弯曲变形时，下表面电阻器件31处于拉伸状态而电阻变大，上表面电阻器件31处于收缩状态而使电阻减小，合理设置压力传感组件30的电路，可以压力信号最大化。

请参阅图1至图3，在其中一个实施例中，电容传感组件40设置在电路板20的上表面，且与电路板20上表面的压力传感组件30通过一绝缘材料层50相互隔离。缘材料层50通常覆盖在电阻器件31的表面用于保护压力传感组件30。缘材料层50为光照型或热固型的绝缘材料，或其他非导电的粘接胶体50。

请参阅图4A，在可替换的实施例中，电路板20为多层板，电容传感组件40设置在电路板20的中间层。电容传感组件40设计于电路板20的中间层，两面压力传感组件30之间的距离增大，变形后曲率增大，压力信号也将变大，可以提高压力信号。该实施例中，衬底可以省略。

请参阅图4B，在可替换的实施例中，电路板20为包括第一电路板20A和第二电路板20B，第一电路板20A和第二电路板20B之间设置有一弹性材料层80，弹性材料层80比如为硅胶。压力传感组件30设置在第一电路板20A的上表面和/或第二电路板20B的下表面。电容传感组件40设置在第一电路板20A的上表面，且与第一电路板20A上表面的压力传感组件30通过一绝缘材料层50相互隔离。进一步地，第二电路板20B的下表面的压力传感组件30也覆盖有绝缘材料层50。第一电路板20A之上的绝缘材料层60之上设置有一硬性材料层90。

图3、图4A、图4B的实施例中，无补强钢片，即无衬底，将压力传感组件30设置在两层FPC上，两层FPC之间通过较柔软的胶贴合，而装置上表面的胶为硬度较高的胶(弹性材料层80)，对传力件10施加压力时，靠近传力件10的压力传感组件30会跟随传力件10一起发生较大的形变，而远离传力件10的压力传感组件30由于受弹性材料层80的影响，远离传力件10的压力传感组件30将发生相对较小的形变，合理设置压力传感组件30的检测电路，可以获得压力信号。此应用实施例的原理，远离传力件10的压力传感组件30为应变灵敏度因数(Gauge Factor，GF)较小的电阻作参考，优缺点在于灵敏度高。

压力传感组件30包括至少一组电阻元件，在其中一个实施例中，请参阅图5，每组电阻元件包括两个电阻器R1和R2，两个电阻器R1和R2串联或并联，两个电阻器R1和R2中至少一个为应变感应电阻。

请参阅图5，两个电阻器R1和R2组成串联分压电路，采用恒压源驱动，在V+与V-两端加以输入电压Ui，检测Vo处的电势，或测量Vo与地之间的输出电压Uo，有输入输出电压公式：

Uo为的单调递增函数，R1的单调递减函数。假设电阻器R1为待测量的应变感应电阻，R2为固定阻值的参考电阻，已知Ui和R2，通过检测Ui，便可计算目标电阻和压力的变化。

请参阅图6，电阻元件为由两个应变感应电阻R21和R22连接形成的并联分流电路。采用恒流源驱动，在I+与I-两端加以输入电流I，测量R21支路上的输出电流I1，有输入输出电流公式：

假设R21为待测量的sensor电阻，已知I和R22，通过检测I1，便可计算R1和压力的变化。

在其他实施例中，压力传感组件30还可以采用应变感应电阻与参考电容、参考电感等构成振荡电路，同理可测得应变感应电阻从而得到压力的变化。

请参阅图7，每组电阻元件包括四个电阻器R1、R2、R3和R4，四个电阻器R1、R2、R3和R4组成一个电桥电路，四个电阻器R1、R2、R3和R4中至少一个为应变感应电阻。例如四个电阻器R1、R2、R3和R4组成一个标准的惠斯通电桥。输出电压公式为：

其中，U_i为Vcc电压，U₀为Vm+和Vm-的压差,U₀为R2和R3的单调递增函数，U_i为R1和R4的单调递减函数。由上文可知，压力值和电阻的变化方向和压力值密切相关，通过合理设计应变感应电阻，通过检测U₀，可获得目标电阻和压力的变化。并且，惠斯通电桥输出差分信号，噪声小，抗干扰能力强。

请参阅图8，一个应变感应电阻R和一个已知电容C组成RC串联电路：τ＝RC。应变感应电阻与已知电容C组成串联电路，通过检测电容C输出信号的电压，获得电容C上电压下降到初始值的1/e的时间τ，进而计算电阻R值。

基于应变感应电阻R构成RC振荡电路，RC振荡电路有RC桥式振荡器电路、RC相移振荡电路等。请参阅图9，以桥式振荡电路为例。

R₁C₁和R₂C₂串并联电路构成选频网络和正反馈电路，RF、R’接在运算放大器的输出端和反相输入端之间，构成负反馈。RC串并联选频网络和放大器结合起来，进而组成RC振荡电路，其中：

其中，j为虚部，w为角速度，1/jwC为电容的交流阻抗；

当此网络发生谐振时：

取R₁＝R₂＝R，C₁＝C₂＝C时，则：

所以，

频率fo对电阻阻值R的变化非常敏感。设计两个初始值相等的电阻，变化同向的电阻，依据上述公式，已知电容的电容量C，则可以通过测量到的频率fo反算出电阻阻值R，进而获取压力的变化规律。

请参阅图10，一个应变感应电阻R和一个一直电感L及一个已知电容C组成RLC并联谐振电路，RLC并联谐振电路的角频率为：

依据上述公式，已知L和C，则可以通过测量出的角频率ω计算出应变感应电阻R。

在一些实施例中，电阻元件包括至少一个参考电阻，请参阅图11，本实施例中为两个，分别为R2、R3，参考电阻R2、R3具有与目标测量电阻(即应变感应电阻)R1、R4不同GF。基于目标测量电阻R1、R4和压力有一定的关系的前提下，电路中的其他电阻可以按需求进行设计，例如将个别参考电阻R2、R3的电流方向和测量电阻R1、R4的方向之间的夹角接近90°，使参考电阻R2、R3的应变更小，使最终的压力信号更大。应变感应电阻R1、R4可以是金属丝应变片、硅片应变片、多晶或非晶半导体、铜镍合金、碳纳米管、石墨烯、反馈移位寄存器(FeedbackShiftRegister，FSR)、压电陶瓷或导体绝缘体复合材料等其他压感材料等构成。

请参阅图1和图11，可选地，还包括层叠在电路板20远离所述传力件10一侧的衬底70，衬底70通过粘接胶体60与电路板20固定，衬底70可以是钢片、铜片、铝片、陶瓷、玻璃具有一定刚性的材料。衬底70上开设有应变集中槽71，应变集中槽71与应变感应电阻R1、R4相对，参考电阻R2、R3远离应变集中槽71。对应变感应电阻R1、R4的正下方的钢片进行弱化处理，如半镂空或全镂空等，可使装置在相同力度下发生应力集中，使传感器变形增大。可选地，在给非弱化区域(即没有设置应变感应电压的区域)设置参考电阻R2、R3，由于刚性材料的作用，非弱化区域的参考电阻R2、R3形变远比弱化区域的应变感应电阻R1、R4形变小。整个装置，仅需要通过一些常规工艺进行简单堆叠，变形成包括电容和压力两种传感器的一体式装置，制作工艺简单，尺寸精致，成本低廉。可选地，在电路板20背面增加补强钢片，一是增加相同力度下装置弯曲的曲率，使传感器变形增大。

可选地，电容传感组件40包括多个间隔设置的电容极板41，可以形成多个可被检测的触摸位置，那么在应用中，可以检测到用户不同方向的滑动触摸动作，增加感应装置的应用场景。电容极板41由单独布置的导电材料层或电路板20的铜箔层构成。导电材料可以是银浆或其他金属、导电棉、导电油墨、导电橡胶、导电玻璃等。

可以理解的是，已知电容计算公式为C＝εrS/(4πkd)。其中，εr是相对介电常数，S为电容极板41的正对面积，d为电容极板41的距离，k则是静电力常量。因此，电容极板41与地之间形成一个基础电容Cp。当人手靠近或触摸传力件10时，S和d等发生改变，产生改变电容传感组件40的电容Cx。通过分析Cx/Cp的信号特征，便可识别触摸位置和触摸手势等动作。电容的测量电路可以通过以下方式：

1、请参阅图12，通过调频测量电路测量；

当电容Cx发生变化时，振荡器频率将发生变化。

通过检测信号输出的频率，可计算电容Cx的变化量。

2、请参阅图13，通过运算放大电路测量；

将电容传感组件40接入运算放大电路中，作为电路的反馈组件，假设放大倍数为A，图10中U是电源电压，C是固定电容，Cx是电容传感组件40的电容，Uo是输出电压。

其中，1/jωC、1/jωCx分别是电容C、Cx的交流阻抗，在已知固定电容C和电源电压U的前提下，通过获得输出电压Uo，可计算电容传感组件40的电容Cx的变化量。

另外，电容检测电路还有桥式电路、二极管双T型交流电路、脉冲宽度调制电路等，这里不作详细介绍。

实际应用中，常用方法为，将电容信号连接到包含电容数字转换器(Capacitance-to-Digital Converter，CDC)的集成电路中，例如ADI(亚德诺半导体)的AD7147、IrvineSensor的MS3110、TI的MSP430FR263x、芯海的CSA37F70等等，以AD7147为例：

图14为AD7147的模拟前端部分，多通道电容信号CINx连接至AD7147，当CINx发生变化时，可通过AD7147获得对应的数字信号，根据信号特征反推触摸事件。

请参阅图15，过判断有无触摸事件，设定电路处于什么工作模式。触摸处理电路提供触摸数字信号，压力处理电路提供触摸数字信号，控制器进行存储、信号处理，可以得到触摸位置信息和加压力信息。从而获得触摸、单次按压、多次按压、长按、滑动等用户的动作事件，通过对响应机制的设定，可以将动作事件以特定的形式输出，如驱动马达、LED、蜂鸣器或其他设定设备。

此外，还提供了一种电子产品，包括面板及如上的感应装置，面板为传力件10。该电子产品比如是屏幕组件或壳体组件，也可以是手机或平板电脑等。

此外，还提供了另一种电子产品，包括侧边框及如上的感应装置，侧边框为传力件10。该电子产品可以是手机或平板电脑等。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种感应装置，包括电路板，其特征在于，所述电路板上设置有压力传感组件和电容传感组件，所述压力传感组件感应并跟随形变以输出感应信号，所述电容传感组件用于检测被触摸位置。

2.如权利要求1所述的感应装置，其特征在于：所述压力传感组件设置在所述电路板的上表面和/或下表面。

3.如权利要求2所述的感应装置，其特征在于：所述电容传感组件设置在所述电路板的上表面，且与所述电路板上表面的压力传感组件通过一绝缘材料层相互隔离。

4.如权利要求2所述的感应装置，其特征在于：所述电路板为多层板，所述电容传感组件设置在所述电路板的中间层。

5.如权利要求1所述的感应装置，其特征在于：所述电路板包括第一电路板和第二电路板，所述第一电路板和所述第二电路板之间设置有弹性材料层，所述压力传感组件设置在所述第一电路板的上表面和/或所述第二电路板的下表面；所述电容传感组件设置在所述第一电路板的上表面，且与所述第一电路板上表面的压力传感组件通过一绝缘材料层相互隔离。

6.如权利要求1至5任一项所述的感应装置，其特征在于：所述压力传感组件包括至少一组电阻元件，其中：

每组所述电阻元件包括两个电阻器，所述两个电阻器串联或并联，所述两个电阻器中至少一个为应变感应电阻；或

每组所述电阻元件包括四个电阻器，所述四个电阻器组成一个电桥电路，所述四个电阻器中至少一个为应变感应电阻。

7.如权利要求6所述的感应装置，其特征在于：所述电阻元件包括至少一个参考电阻。

8.如权利要求7所述的感应装置，其特征在于：还包括层叠在所述电路板下表面一侧的衬底，所述衬底上开设有应变集中槽，所述应变集中槽与所述应变感应电阻相对，所述参考电阻远离所述应变集中槽。

9.如权利要求1至5任一项所述的感应装置，其特征在于：所述电容传感组件包括多个间隔设置的电容极板，所述电容极板由单独布置导电材料层或所述电路板的铜箔层构成。

10.一种电子产品，其特征在于，包括面板或侧边框，以及如权利要求1至9任一项所述的感应装置，所述感应装置贴设在所述面板内表面，或所述感应装置贴设在所述侧边框上。

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