CN1502166A - 柔性电容式触觉传感器 - Google Patents

Abstract

提供了一种柔性、电容式触觉传感器以及制造众多这种触觉传感器的方法。该电容式触觉传感器包含薄的、柔性、透明、绝缘的衬底。薄的、柔性、透明的电阻材料膜层被加到衬底的一面上，薄的、柔性、透明、压力敏感的粘附材料膜层被加到衬底的另一面上。可卸除薄片可以覆盖在该粘附层上。众多薄的、柔性的电极，电导线和导电区域被加到电阻层上。薄的、柔性、透明的保护材料膜层保护触觉传感器的灵敏接触区域。化合物可以添加到该保护层中以增强它的导电率和润滑性。对制造众多这种电容式触觉传感器的卷到卷过程同样进行了描述。

Description

柔性电容式触觉传感器

                             技术领域

本发明涉及触觉传感器，并且尤其涉及电容式触觉传感器以及制造电容式触觉传感器的方法。

                             背景技术

触觉传感器被广泛用来为计算机系统提供用户友好界面。该传感器通常被粘贴在计算机系统的监视器上，使用户能够借助于手指接触或记录笔通过显示监视器直接与系统互相作用。

触觉传感器分为两大类，也就是数字触觉传感器和模拟触觉传感器。数字触觉传感器的接触表面被分隔成多个分立的部分。每个部分在被接触时产生分立的信号。因此，传感分辨率被限定为识别通过手指或记录笔接触的特定部分。另一方面，模拟触觉传感器传出的信号不是分立的。传感分辨率仅仅通过传感器的总体灵敏度和它的电子控制器限定。

模拟和数字触觉传感器两者都使用各种各样的技术来测定手指或记录笔在接触表面所接触的点。这些技术包括电阻传感、电容传感、声学传感和光学传感。然而，大多数的触觉传感器采用电阻传感或者电容传感技术。

电阻式触觉传感器使用位于衬底上的柔性薄膜。薄膜和衬底的对向表面被涂上透明的导电薄膜。绝缘的圆点隔离物被插入薄膜和衬底之间。当柔性薄膜被使用者按压时，该薄膜的导电薄膜接触衬底的导电薄膜。该接触使电流在薄膜和衬底之间流动。控制器通过比较设置在导电表面上的不同电极或母线产生的电流识别接触点。

电容式触觉传感器不使用可动部分。在电容式触觉传感器中，电阻涂层在固体绝缘衬底上直接沉积。该衬底通常由玻璃制成。位于衬底各个角的电极在涂层上建立一个电场。连接到这些电极的控制器监测流过每个电极的电流量。使用者的手指或者导电笔接触或者到达电阻涂层附近会使手指或记录笔与涂层之间产生电容耦合。该耦合引起少量电流流经涂层和每个电极。通过使用者身体和地面的电容耦合完成电流通路回到控制器。该控制器从流过每个电极的电流量计算接触点的笛卡尔坐标，也就是X和Y坐标。

电容式触觉传感器同样能够起作用探测接近触觉传感器的物体。在这种情况下，不需要直接接触触觉传感器。电容耦合通过分隔物体和传感器的空间在物体和传感器之间产生。

由于电阻式传感器需要可动部分，它们比电容式触觉传感器制造更加复杂并且通常更加昂贵。电阻式触觉传感器的光学系统同样被具有不同折射指数的传感器分立膜层的多样性所退化。位于明亮环境中的触觉传感器需要低反射接触屏以保持显示对比度。这个问题对于电阻式触觉传感器尤其尖锐。虽然过度明亮的显示能够克服这个问题，这样一种显示需要额外的电功率并且增加了显示器的费用。因此，这个方案不适用于采用电池的装置。

虽然模拟电容式触觉传感器不甚复杂并且提供更好的光学系统，在这些设备上使用的固体硬质衬底降低了它们对移动的计算机化系统，例如膝上型计算机、便携计算机、移动电话等等的适用性。这种传感器的重量以及它们在电源中断时的容量同样是影响它们在这种系统中使用的重要因素。移动设备同样比静止设备经受更多的机械弯曲过程。加入这样一种设备的硬质、易碎和笨重的部件与轻便、柔性的部件是不兼容的，并且可能导致这种柔性部件的损坏。相似的考虑适用于安装在运输工具中的显示器和安装在墙壁上的大型显示屏。易碎、硬质的衬底同样在小的外形提供商业优势的产品中增加了显示器的厚度。

基于玻璃衬底的触觉传感器同样需要特别合适的框架来将传感器安装在监视器或显示器上面。这种框架进一步增加了设备的重量、费用和复杂性。平坦、固体衬底同样不太适合于具有凹凸不平或者弯曲表面的显示器或监视器，并且弯曲硬质衬底需要昂贵的处理工艺。此外，玻璃基触觉传感器必须用刻花玻璃的专用衬底进行制造。这种制造昂贵并且费时。所有这些不足降低了现行电容式触觉传感器在某些应用上的需求性。

                              发明内容

本发明克服了电容式触觉传感器的很多不足之处。本发明提供了一种廉价、轻便、柔性、透明的电容式触觉传感器以及制造这样一种触觉传感器的高效率、低成本方法。本发明的触觉传感器除了具有低成本、轻便性和柔韧性，还具有意想不到的高耐用性，使它能够在众多环境中与各种各样的设备一起成功运行。本发明同样提供一种薄的、透明、柔性的保护材料膜层来保护柔性、透明的触觉传感器的灵敏接触面。这种保护材料基本上增强了触觉传感器的性能和耐用性。

一方面，本发明提供了一种柔性的电容式触觉传感器。该触觉传感器包括薄的、柔性、透明的具有第一面和第二面的衬底。第一层电阻材料被加到该衬底的第一面上。该第一层薄、透明、电连续、柔性并且覆盖在衬底的第一面上，一个表面与灵敏接触面相符合。该第一层适合于接收灵敏接触面内第一层上的电势并且传递表示物体在灵敏接触面所接触点的X和Y位置的电信号。

该柔性、电容式触觉传感器最好包括众多与第一层电通信的薄的、柔性电极。这些电极沿着灵敏接触面的外围进行设置并且适合于施加电势。该柔性、电容式触觉传感器同样最好包括众多与电极电接触的薄的、柔性电导线，用于将电信号传递给电极并且从电极传出信号。众多薄的、柔性导电区域同样最好被包括在触觉传感器上。导电区域与第一层进行电通信并且沿着灵敏接触区域的外围进行设置。导电区域形成一种适合于在灵敏接触区域内线性化通过电极施加在第一层上的电势的模式。

该柔性、电容式触觉传感器最好也包含第二层保护材料。由触觉传感器的构造而定，也就是，相应触觉传感器灵敏接触表面的衬底一侧，该第二层在第一层上或者在衬底的第二面上。该第二层同样薄、透明、柔性并且在灵敏接触面内基本上覆盖第一层或衬底第二面的整个表面。该保护材料的机械性能使该第二层不但柔性而且耐用。该第二层保护灵敏接触表面在使用过程中的磨损和损伤。

触觉传感器同样可以包含第三层粘附材料。再次，由触觉传感器的构造而定，该第三层可以在第一层上或者在衬底的第二面上。该第三层薄、透明并且柔性。该第三层同样最好为压力敏感。该粘附材料使触觉传感器能够附着在支撑结构或者显示器表面上。该第三层最好在灵敏接触区域内基本上覆盖第一层或衬底第二面的整个表面。该层基本覆盖该整个表面提供了与触觉传感器所粘贴表面的光滑接触。在替代实施例中，粘附材料可以仅仅沿着第一层或第二面的外围少量使用。

第三层粘附材料最好包含覆盖该层暴露表面的可卸除薄片直到柔性触觉传感器被粘附在显示器上。这种显示器可以是柔性的显示器。

电极、导线和导电区域可以在第一层电阻材料上或者在衬底的第一面上。在后者情况下，第一层电阻材料覆盖电极、导线和导电区域。在另一个实施例中，电极、导线和导电区域在第二层保护材料上并且与第一层电阻材料通过电容耦合进行通信。该电容耦合可以通过传递低水平的导电率至保护材料而得到增强。在其他实施例中，导线沿着覆盖导电区域的灵敏接触区域的外围沉积在衬底的第二侧上或者绝缘层上。

电容式接触传感器最好与控制器进行连接以提供施加在灵敏接触区域内第一层上的电势并且接收表示物体例如人的手指或导电笔在灵敏接触区域所接触点的X和Y位置的电信号。该控制器最好提供同样表示该X和Y位置的进一步的电信号。该控制器最好连接到电导线并提供交流电压至电极。该控制器最好监测流过每个电极的电流量并且基于这些电流量提供进一步的电信号。

衬底最好为厚度在大约3mm到9mm之间的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)透明薄片。较佳厚度大约为7mm。第一层电阻材料最好为一层电阻在大约每平方米100欧姆和大约每平方米4000欧姆之间的透明导电氧化物，例如铟锡氧化物(ITO)、氧化铟、硅铟氧化物、铝锌氧化物、铟锌氧化物、锑铟氧化物或氧化锡。该层最好为具有大约每平方米1000欧姆电阻和大约200埃和500埃之间厚度的ITO。在替代实施例中，第一层包含与衬底的第一面接触的第一电阻材料的第一涂层和与第一涂层接触的第二电阻材料的第二涂层。第二电阻材料最好具有比第一电阻材料更高的耐久性。第一电阻材料最好为铟锡氧化物，第二电阻材料最好为氧化锡。

导电墨水可以用来沉积电极、导线和导电区域。该导电墨水最好为环氧银导电墨水。衬底可以包括从衬底的外围延伸的尾部，并且电导线可以延伸到该尾部。电子连接器可以通过与导线电接触连接到该尾部的末端。

第二层保护材料最好用包含与氟或甲基结合的有机硅氧烷化合物或者这些化合物的混合物的树脂制作以降低该树脂的摩擦系数。该树脂最好为丙烯酸基树脂。该第二层同样可以包含无机化合物例如二氧化硅以增加保护层的抗磨损力。在替代实施例中，该第二层包含与第一层电阻材料接触的第一材料的第一涂层和与该第一涂层接触的第二材料的第二涂层。对于该实施例，第一涂层的模数(硬度)最好小于第二涂层的模数。该实施例的第一材料可以是第一聚合物，第二材料可以是第二聚合物，第一聚合物的模数小于第二聚合物的模数。

在另一个实施例中，第二层保护材料包含一种物质以将低水平的导电率传递给这一层。该物质可以包含无机导电颗粒或本征导电的聚合物。对于该实施例，第二层保护材料最好具有在大约0.1ohms-cm与10¹²ohms-cm之间的电阻率。如上所述，将低水平的导电率传递给第二层增加了在电阻层和手指或记录笔之间传递的接触信号。

第二层保护材料同样可以包含粗糙的表面以散射从该表面反射的光。为提供这种粗糙表面，第二层可以包含透明或半透明的颗粒或者可以进行机械压花。包含这些颗粒的材料同样可以被选择用来降低颗粒的摩擦系数并且增强颗粒的抗磨损力。

在又另一个实施例中，柔性电容式触觉传感器包含第四层导电材料。由触觉传感器的构造而定，该第四层可以在衬底的第二面上或者覆盖在第一层电阻材料上的绝缘层上。该第四层保护触觉传感器免受过多电磁辐射的干扰，特别是从传感器所粘附的显示器发出的过多辐射。

另一方面，本发明提供了制造众多柔性、电容式触觉传感器的方法。依照该方法，提供了薄的、柔性、透明的衬底。该衬底具有第一面、第二面并且足够大以分成众多分立部分。每个部分相当于一个电容式触觉传感器。

依照该方法，衬底通过众多加工位置进行传递，通过将衬底从支撑卷轴绕到接收卷轴上进行传递更为适宜。在这个过程中，制造过程的步骤在这些加工位置进行。衬底通过这些加工位置的传送可以进行一次或者更多次。依照该制造过程，薄的、柔性、透明、电连续的第一层电阻材料被加到衬底的第一面上。众多薄的、柔性的电极，电导线和导电区域被设置在第一层电阻材料上或者与第一层电阻材料通信。这些导线、电极和导电区域沿着这些部分的外围进行设置。由触觉传感器的构造而定，薄的、柔性的第二层保护膜最好被加到第一层或者衬底的第二面上。最好在第一层，或者第一层和第二层上切割出众多细的、拉长的线条，以将各电导线与导电区域基本进行电隔离(除这些导线连接到电极处)。该切割最好用激光进行。然后最好再次使用激光将第一层、衬底以及第二层(如果存在的话)，沿着各个部分的外围进行完全切割，以提供众多电容式触觉传感器。

该制造过程同样可以包括在一个或更多加工位置上将薄的、透明、柔性粘附材料膜层加到第一层或者衬底的第二面上(再次，由触觉传感器的构造而定)。在替代实施例中，该层粘附材料可以在将衬底在制造系统中传送之前预先粘附到衬底上。该衬底最好为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄片，并且电阻材料最好为铟锡氧化物(ITO)。该铟锡氧化物(ITO)最好通过真空沉积例如溅射进行沉积。电极、导线和导电区域最好包含导电墨水，为环氧银导电墨水更为适宜，该导电墨水最好通过丝网印刷术或墨水喷射印刷进行沉积。保护材料最好包含经过改进以增加表面润滑性的丙烯酸基树脂，该树脂最好通过喷雾或者照相凹板式涂敷进行沉积。

制造过程同样可以包括在一个或众多加工位置使用一层导电材料以保护传感器免受过多的电磁辐射。由触觉传感器的构造而定，该导电层可以被加到衬底的第二面或者覆盖在第一层上的绝缘层上。该过程同样可以包括将可卸除薄片粘附到粘附材料的暴露表面上。在替代实施例中，该可卸除薄片可以预先粘附到粘附材料上。

                               附图说明

图1是本发明柔性、电容式触觉传感器的平面图。

图2是示于图1中的柔性、电容式触觉传感器沿着图1的2-2线所取的示意剖视图。

图3是本发明柔性、电容式触觉传感器的一个替代实施例的示意剖视图。

图4是仅仅显示电极、电导线和导电区域的图1的柔性、电容式触觉传感器的平面图。

图5是仅仅显示电阻层中激光切割的图1的柔性、电容式触觉传感器的平面图。

图6是仅仅显示衬底的图1的柔性、电容式触觉传感器的平面图。

图7是本发明柔性、电容式触觉传感器的一个替代实施例的平面图。

图8是本发明用于制造柔性、电容式触觉传感器的制造系统的示意图。

图9是依照示于图8中的制造系统用于制造柔性、电容式触觉传感器的衬底材料薄片的示意图。

                             具体实施方式

图1和2分别为本发明柔性、电容式触觉传感器1的平面图和示意剖视图。当连接到合适的控制器(未显示)时，触觉传感器1探测物体例如使用者的手指或导电笔接触或到达触觉传感器1的灵敏接触区域2附近的点。触觉传感器1提供表示笛卡尔坐标，也就是该接触点的X和Y位置的信号。触觉传感器同样可以起作用探测灵敏区域2附近的物体。

触觉传感器1包括薄的、柔性、透明、绝缘的衬底3。如本说明书和权利要求书中所使用，描述或叙述为“透明的”物质或材料包括仅仅部分透明例如“半透明”的物质或材料。单独示于图6中的衬底3形状通常为长方形并且具有从一个边缘延伸的细长尾部21。然而，衬底3的形状可以是除了长方形之外的形状，例如圆形、正方形、三角形或者多边形。衬底3最好包含聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄片。代替PET，衬底3可以是另外一种合适材料的柔性薄片，例如聚碳酸脂薄膜、聚氯乙烯、聚醚砜、聚醚酰亚胺、三乙酸纤维素以及聚乙烯萘。

衬底3最好具有大约7密耳的厚度。然而，衬底3的厚度可以从大约3密耳到大约15密耳范围变动。衬底3具有在大约3密耳与大约9密耳之间的范围更为适宜。然而，衬底3应该具有一个小于当衬底被弯曲时可能使加到衬底上的材料过度受压的厚度的厚度。另一方面，衬底3不应该太薄使得对显示器的加工和应用非常困难。

如图2中所示，衬底3的最上面涂有一层薄的、透明、柔性电阻材料膜层5。电阻层5的合适材料为透明的导电氧化物，最好为铟锡氧化物(ITO)。在替代实施例中，可以使用另一种能以相对低的温度加到衬底3上的透明导电氧化物，例如氧化铟、硅铟氧化物、铝锌氧化物、铟锌氧化物、锑铟氧化物或氧化锡。电阻层5可以通过真空沉积例如溅射加到衬底3上。该层最好具有大约每平方米1000欧姆的电阻。然而，电阻层5的电阻可以从大约每平方米100欧姆到大约每平方米4000欧姆范围变动。

电阻层5最好包含覆盖在衬底3的灵敏区域2上的连续涂层材料。在替代实施例中，电阻层5可以具有一些不密实性以改善添加到电阻层5上的材料的附着力。例如，电阻层5可以包括众多小孔以提供这种材料和衬底3之间的直接接触。然而，电阻层5在灵敏区域2内应该是电连续的。换句话说，在灵敏区域2内从电阻层5上的每一个点到电阻层5上的每一个另外的点的路径应该可以不需越过该层边界而得到。

电阻层5的厚度应该尽量小以避免触觉传感器1在弯曲过程中过多的应力并且改善光学透射率。另一方面，电阻层5的厚度不应该太小使得在制造过程中危害该层的连续性或者它的材料性能。电阻层5的合适厚度为大约200埃与大约500埃之间。

为了改善电阻层5抵抗制造过程中弯曲、刻划和化学变化的能力，该层可以由两层涂层组成，第一电阻材料涂层和该第一涂层上更加耐用的第二电阻材料涂层。第一涂层最好为ITO，第二涂层最好为氧化锡(SnO₂)。当然，其他合适的材料可以用于这个目的。

再次参考图1和图2，触觉传感器1同样包括沉积在靠近灵敏区域2各角的电阻层5表面上的电极9。这些电极被连接到电导线7并且适合于在电阻层5内灵敏区域2上施加电势。沉积在电阻层5上的电极9、电导线7和导电区域11(下面讨论)的模式分别示于图4中。

电导线7沿着衬底3的外围进行沉积以最大化灵敏区域2的尺寸。这些电导线从这些外围区域在尾部21上延伸至连接到尾部21末端的电子连接器(未显示)。当触觉传感器1粘贴到显示器上时，该连接器被连接到控制器以将交流电压传输到电极9。延伸电缆可以用于这个目的。控制器同样监测着流过每个电极的电流量。基于这些电流量，该控制器提供表示人的手指或者导电笔接触或者到达灵敏区域2附近的X和Y位置的信号。这样一种控制器在例如美国专利No.4,353,552(Pepper)中有描述，该专利的主题通过引用包括在此。同样，有了合适的控制器，触觉传感器1同样能够起作用以探测接近灵敏区域2的物体。在这种情况下，不需要与灵敏区域2的直接接触。电容耦合通过分隔物体和灵敏区域2的空间在物体和灵敏区域2之间产生。

导电区域11同样沿着衬底3的外围在电阻层5上进行沉积。导电区域11形成本领域所熟知的一种模式，用来线性化电阻层5内灵敏区域2上通过电极9产生的电势。沉积这样一种导电区域的线性化模式在例如美国专利No.4,371,746(Pepper)中被提供了，该专利的主题通过引用包括在此。该线性化模式使从每个电极9流出的电流和特定的电极与灵敏区域2的接触所发生点之间的距离线性相应。如上所述，这些导电区域的模式分别示于图4中。

不同于在电阻层5上沉积电极9、电导线7和导电区域11，电极9、电导线7和导电区域11可以沉积在衬底3的前面一侧，电阻层5可以沉积在电导线7、电极9和导电区域11上。同样，为了最大化灵敏区域2的尺寸，电导线7可以被沉积在衬底3的背面一侧，这些导线可以通过在衬底3的边缘周围延伸或者穿过涂有导电材料的衬底3中的孔隙的导电材料例如导电带连接到电极9上。

在替代实施例中，为了增加灵敏区域2的尺寸，一层薄的、绝缘材料可以在电阻层5和导电区域11上沿着衬底3的外围沉积。然后电导线7可以在该绝缘层上进行沉积。该绝缘材料同样可以在电极9上进行沉积，并且如果这样的话，在涂有导电墨水的绝缘层中可以形成孔隙以提供电导线7和电极9之间的电连接。描述于2000年2月2日提出的美国临时专利申请No.60/179,874中并且与本申请共同分配的材料和方法可以应用于该实施例。美国临时专利申请No.60/179,874的主题通过引用包括在此。

电极9、电导线7和导电区域11由薄的、柔性的导电墨水例如热固化环氧银的沉积物组成。该导电墨水可以通过丝网印刷术或墨水喷射印刷在衬底3上进行沉积。

为了增强触觉传感器1的外观并提供电极9、电导线7和导电区域11增强的保护作用，绝缘墨水涂层(未显示)可以在这些电极、导线和导电区域上进行沉积。关于触觉传感器1的信息例如制造者姓名、制造标识语、产品编号等等可以用不同颜色的这种墨水进行印刷。同样，电阻层5上的识别区域19(图1)可以用于使用导电或非导电墨水印刷识别标记或其它信息。如果导电墨水在该区域中使用，该区域应该如下面所讨论通过例如电阻层5中的激光切割线与电阻层5进行电隔离。

再次参考图2，触觉传感器1同样包括保护层13。该层最好基本上覆盖电阻层5的整个表面，包括电极9、电导线7和导电区域11。在替代实施例中，保护层13可以仅仅覆盖灵敏区域2或者部分灵敏区域2。同样，在进一步的替代实施例中，电极9、电导线7和导电区域11可以在保护层13上进行沉积。在该进一步的替代实施例中，这些导电区域与电阻层5之间的电通信通过电容耦合进行。如下面所讨论，该电容耦合可以通过传递低水平的导电率至保护层13得到增强。

保护层13最好为薄的、柔性、透明的树脂层，最好为热固化的丙烯酸基树脂。在替代实施例中，该树脂可以通过暴露在紫外辐射、等离子体辐射或者电子束辐射中进行固化。该树脂同样可以进行化学聚合。树脂可以在电阻层5、电极9、电导线7和导电区域11的表面上进行喷射。在替代实施例中，该树脂可以与照相凹板式涂敷过程一样，通过将衬底3拉到涂有树脂的滚筒上进行涂覆，或者从真空中的单体源进行沉积。然而，喷射更为可取，以避免对电极9、电导线7和导电区域11凸起模式的损坏并且避免通过将衬底3拉到这种滚筒可能引起的保护层13中的不连续性。在另一个替代实施例中，保护层13可以通过丝网印刷术进行沉积。虽然丝网印刷术使保护层13能够进行选择性沉积，当与喷射和照相凹板过程进行比较时，该技术受到制造低效率的影响。

保护层13保护电阻层5免受损坏，该损坏可能由人的指尖或指甲，或者硬币、钢笔、珠宝和其他工具接触灵敏区域2产生。保护层13同样用来使导电印刷区域绝缘，避免通过例如洒落在该表面上的液体形成的短路。

为了增强保护层13的感觉和进一步增强它的耐用性，并且也减少该层与电阻层5之间的弯曲应力，化合物可以与基体树脂进行混合或者取代基体树脂以增强保护层13的润滑性，也就是降低该层的摩擦系数。这些化合物可以包括硅氧烷、氟和甲基的一种或更多化合物。例如，可涂覆的氟热塑性塑料，例如Dyneon的产品，或者氟化丙烯酸盐，例如3M Fluorad^TM FX-189可以用于这个目的。代替将这些化合物与基体树脂混合，这些化合物可以作为更硬的下面的丙烯酸涂层和下面另一种材料的涂层的保护涂层使用，既为电阻层5提供增强的粘附力，又为上覆涂层提供增强的粘附力。保护层13同样可以从有机硅氧烷化合物例如硅树脂，或者包含有机硅氧烷化合物、氟碳化合物的化合物或者这些化合物的混合物进行完全配制。为了进一步增强保护层13抵抗磨损的能力，无机化合物例如二氧化硅可以单独加入基体树脂或者与上述化合物结合一起加入基体树脂以增强润滑性。

在替代实施例中，保护层13包含两层。第一层与电阻层5连接并且比覆盖第一层并暴露在环境中的第二层柔软。因此，第一层的模数比第二层的模数小。该替代实施例减少了弯曲过程中电阻层5与保护层13之间的应力，并且因此减少了应力裂缝作为弯曲的结果可能在电阻层5中发生的范围。

保护层13的这样一种双层结构可以通过用两种聚合物制作该层得到，各层具有不同的硬度。形成外层的聚合物的模数应该比形成内层的聚合物的模数更高。附加层同样可以在这样一种结构中使用，使形成保护层13的聚合物的硬度从电阻层5到保护层13的表面逐渐增加。

为了进一步避免由电阻层5中的应力导致的电阻层5中的裂痕，电阻层5可以位于衬底3、电阻层5和保护层13的中性应力面中。

由于电容耦合发生在保护层13和电阻层5之间，保护层13最好较薄以提高电容耦合的效率。然而，保护层13的合适厚度部分依赖于该层的介电常数。一般地，既提供满意的保护又提供电容耦合的保护层13的合适厚度在大约1微米和大约5微米之间。

然而，保护层的厚度和该层与电阻层5之间的耦合量能够通过添加物质到用于配制保护层13的材料中以将低水平的导电率传递给这些材料而得到增加。这些物质包括无机导电颗粒，例如导电氧化物粉末。在替代实施例中，保护层13能够被配制为包括本征导电聚合物，例如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚苯乙烯、聚苯硫醚、聚p-亚苯和聚杂环乙烯。保护层13的电阻，导电率的倒数，通常应该在大约0.1ohm-cm到10¹²ohm-cm范围变动。

保护层13同样可以具有粗糙的表面以减少反射光和闪光。该粗糙表面能够通过将透明颗粒与形成该层的丙烯酸基树脂或其他材料混合制成。这些颗粒能够被选择用来改善复合保护层的抗磨损性或抗刮伤性。例如，选择由有机硅氧烷化合物、碳氟化合物或这些化合物的混合物组成的颗粒能够形成具有较低摩擦系数和改良耐用性的表面。有机和无机化合物的混合物同样能够用于这个目的。这些颗粒可以在保护层13上突出以提供该层的润滑接触表面。在替代实施例中，保护层13能够进行机械压花以形成这样一种表面，只要压花过程不损坏电阻层5。粗糙表面同样能够通过选择性控制喷射到电阻层5上以形成保护层13的树脂或其他材料的小滴的形状、尺寸和粘性而形成。

保护层13的特性和性能可以被用于构造使用除了触觉传感器1的上述那些技术或结构的一些传感技术或结构的触觉传感器的灵敏接触区域的保护层。例如，使用一个或更多这些特性或性能的保护层可以被用来构造保护使用描述于，例如美国专利Nos.5,650,597；4,686,332或4,931,782中的结构或接触-传感技术的柔性触觉传感器的灵敏接触区域的保护层，该专利的主题通过引用包括在此。

电导线7应该与导电区域11进行电隔离以避免这些导线上的信号干扰通过电极9和导电区域11生成的电阻层5上的线性化电势。如图1所示，这种电隔离可以通过在电阻层5内切割细线17形成。这些细线的型式分别示于图5。如上面所讨论，如果识别区域19中的识别标记用导电墨水进行印刷，细线17同样应该在电阻层5中被切割出来以隔离该区域。细线17最好用激光进行切割。在替代实施例中，线17可以用化学或机械刻蚀进行切割。

参考图2，触觉传感器1同样可以在衬底3的底部包括粘附层15。粘附层15最好为薄的、透明、柔性、压力敏感的粘附材料膜层，该层基本覆盖衬底3的整个底部表面。对于需要在显示器或其他设备上频繁置换触觉传感器1的那些应用，或者不太受益于全表面光学层片结构的那些应用，粘附层15可以仅仅用在衬底背面一侧的外围。可卸除薄片(未显示)可以覆盖在粘附层15的暴露表面以便于触觉传感器1的存储和运输。粘附层15使触觉传感器1能够容易地粘附在活动的显示器，例如移动电话、个人数字助理(PDA)或者便携式计算机的显示器的表面，或者粘附到不活动的显示屏，例如广告、投票牌或其他印刷材料上。当然，在这种粘附之前，这种可卸除薄片被卸除掉了。

触觉传感器1的一个可替代实施例示于图3中。在该实施例中，衬底3的底部为接触表面。如图所示，粘附层15覆盖在电阻层5、电极9、电导线7和导电区域11上。另一方面，保护层13覆盖着衬底3的底部以保护该接触表面。因此，在该实施例中，粘附层15和保护层13的位置被颠倒了。由于接触发生在衬底3的底部，保护层13和衬底3两者都保护电阻层5、电极9、电导线7和导电区域11免受来自例如指尖、工具等等的损坏。然而，在该实施例中，电阻层5和例如人的指尖或者导电笔之间通过保护层13和衬底3的电容耦合量被减少了。因此，作为接触保护膜13结果的传输给控制器的信号具有较低的振幅。然而，该电容耦合可以通过传递低水平的导电率至衬底3和保护层13得到增强。该实施例仍然在产生低信噪比的环境中或者与具有低灵敏度的控制器一起工作时不太令人满意。如下面所讨论，该实施例同样使背面屏蔽层的添加有点不太有效。

为了增强在传输大程度噪声的显示屏上使用触觉传感器时的信噪比，导电材料的屏蔽层(未显示)可以在加粘附层15之前加在衬底3的背面。该导电材料用来保护触觉传感器1免受从显示器传输的噪声信号的干扰。用于该屏蔽层的材料可以与用于电阻层5的材料相似但是应该具有较低的薄层电阻。和用于电阻层5的材料一样，该屏蔽层同样应该薄、透明并且柔性。

如上所述，在图2的实施例中，屏蔽层被设置在衬底3和粘附层15之间。然而，在图3的实施例中，绝缘层首先必须被加在电阻层5、电极9、电导线7和导电区域11上面，屏蔽层然后被加在该绝缘层上面。粘附层15然后被加在屏蔽层上面。

图7阐明了本发明柔性电容式触觉传感器41的进一步的替代实施例。在该实施例中，衬底51的边界区域49基本上延伸到触觉传感器41的灵敏接触区域43的外面。装饰图形47或者信息，例如有关触觉传感器41或触觉传感器41所附加或连接的显示器或其他的设备的信息或指令，可以在边界区域49内进行印刷。不导电的墨水用于这种印刷更为适宜。然而，如果边界区域49与灵敏区域43进行了电隔离，导电墨水同样可以用于该目的。

如图7所示，图形，例如按钮45，或者文字数字信息同样可以在灵敏区域43内衬底51上进行印刷。为了避免灵敏区域43的电干扰，通常应该使用不导电的墨水用于该目的。该印刷可以在衬底51上或者在替代实施例中，在灵敏区域43的电阻层或保护层上进行。

电导线7沿着灵敏区域43的外围示于图7中。然而，电导线7可以在边界领域49内，例如沿着衬底51的外围进行布置。这种布置可以便于触觉传感器41的制造。

制造众多具有上述任何一个实施例的结构的柔性、电容式触觉传感器的系统和方法示意地在图8中进行阐明。如图所示，在该制造过程中，衬底材料例如PET的长薄片33从卷轴23卷到卷轴25上，或者反之亦然。代替卷轴23和25，其他的方法可以用于将薄片33在图8的制造位置中进行传送，例如展开薄片33的第一容器和折叠薄片33的第二容器。

薄片33示于图9中。薄片33的尺寸足够大以将该薄片分成众多独立部分61。每个部分相应一个触觉传感器。在制造过程中，加工位置，例如加工位置27、29和31将各种材料膜层加到薄片33上，并且进行制造上述柔性、电容式触觉传感器的实施方式所必需的各种加工步骤。这些步骤能够通过薄片33在卷轴23和卷轴25之间的一个传送过程或者通过一系列这种传送过程进行。

例如，这些制造步骤可以包括：(1)在薄片33的顶部沉积一层薄的、柔性、透明的电阻层；(2)在电阻材料上为每个部分沉积众多薄的、柔性电极；(3)在电阻材料上为每个部分沉积众多薄的、柔性电导线；(4)在电阻材料上为每个部分沉积众多薄的、柔性导电区域；(5)在电阻材料、电极、电导线和导电区域上沉积一层薄的、柔性、透明的保护材料；(6)在各个位置为每个部分切割穿过电阻层，或者既穿过电阻层又穿过保护层的细长切割线，以将导电区域与电导线基本上电隔离(除这些导线连接到电极处)；以及(7)沿着每个部分的外围切割保护层、电阻层和衬底，以提供众多柔性、电容式触觉传感器。

如图8所示，在薄片33经过这些制造步骤之前，薄片33不但可以配备粘附层并且可以配备预先粘附到该粘附层的可卸除薄片。在替代实施例中，粘附层和可卸除薄片可以在制造过程中作为附加步骤加到薄片33上。

上述卷到卷制造过程使有效率、低成本地制造具有多样可能用途的便宜、柔性、电容式触觉传感器能够进行。一个这种用途是将触觉传感器应用到柔性活动显示器，例如柔性胆甾型液晶显示器(LCD)、反射扭曲向列型LCD、Gyricon显示器、有机发光二极管(OLED)显示器或者电泳显示器。另一个这种用途是将触觉传感器应用到柔性无源显示器，例如图形广告。本发明制造的柔性、电容式触觉传感器便宜、高度耐用，能够在众多环境中并且与各种各样的器件一起成功使用。

虽然本发明参考特定实施例进行了描述，应该理解的是这些实施例仅仅是本发明原理和应用的说明。同样应该理解的是，可以对这些说明性实施例进行许多更改而不偏离下面权利要求书所限定的精神和范围。

Claims (20)

1.柔性、电容式触觉传感器，包括：

薄的、柔性、透明的具有第一面和第二面的衬底；

上述第一面上的第一层电组材料，该第一层薄、透明、连续、柔性并且覆盖在上述第一面上，一个表面与上述触觉传感器的灵敏接触面相符合；

与上述第一层电通信的众多薄的、柔性电极，该电极沿着上述灵敏接触区域的外围进行设置并且适合于在上述灵敏接触区域内上述第一层上施加电势；

众多与上述电极电接触的薄的、柔性电导线，用于将电信号传递给上述电极并且从上述电极传出信号；

与上述第一层电通信的众多薄的、柔性导电区域，该导电区域沿着上述灵敏接触区域的外围进行设置并形成适合于在上述灵敏接触区域内线性化通过上述第一层的上述电势的模式。

2.根据权利要求1所述的电容式触觉传感器，进一步包含上述第一层上的第二层保护材料，该第二层薄、柔性、透明并且在上述灵敏接触区域内基本上覆盖上述第一层的整个表面。

3.根据权利要求1或2所述的电容式触觉传感器，其特征在于，上述第一层的连续性被上述导电区域和上述电导线之间细的、伸长的线中断，以将上述导电区域与上述电导线基本电隔离。

4.根据上述任一权利要求所述的电容式触觉传感器，其特征在于，触觉传感器适合于在硬质衬底上进行层压。

5.根据上述任一权利要求所述的电容式触觉传感器，其特征在于，上述第一层包括上述前面一侧的第一电阻材料的第一涂层和上述第一涂层上的第二电阻材料的第二涂层。

6.根据权利要求5所述的电容式触觉传感器，其特征在于，上述第一电阻材料为铟锡氧化物，上述第二电阻材料为氧化锡。

7.根据上述任一权利要求所述的电容式触觉传感器，其特征在于，上述电极、上述导线和上述导电区域包括环氧银导电墨水。

8.根据权利要求2所述的电容式触觉传感器，其特征在于，上述保护材料包括降低上述保护材料的摩擦系数的化合物。

9.根据权利要求8所述的电容式触觉传感器，其特征在于，上述化合物包括有机硅氧烷和氟碳化合物的一个或两个。

10.根据上述任一权利要求所述的电容式触觉传感器，进一步包含柔性显示屏并且其中上述柔性电容式触觉传感器与上述柔性显示屏相连接。

11.根据权利要求2所述的电容式触觉传感器，其特征在于，上述第二层包括一个粗糙表面以散射从上述第二层反射的光。

12.根据权利要求11所述的电容式触觉传感器，其特征在于，上述第二层包含透明的颗粒以形成上述粗糙表面。

13.根据上述任一权利要求所述的电容式触觉传感器，进一步包括在上述第二面上的另一透明导电材料柔性膜层，以保护上述传感器免受电磁辐射的干扰。

14.根据权利要求2所述的电容式触觉传感器，其特征在于，上述第二层包含上述第一层上的第一材料的第一涂层和上述第一涂层上的第二材料的第二涂层，上述第一涂层的模数小于上述第二涂层的模数。

15.根据权利要求14所述的电容式触觉传感器，其特征在于，上述第一材料为第一聚合物，上述第二材料为第二聚合物，上述第一聚合物的模数小于上述第二聚合物的模数。

16.根据权利要求2所述的电容式触觉传感器，其特征在于，上述第一层位于上述第二层、上述第一层和上述衬底的中性应力面上。

17.根据权利要求2所述的电容式触觉传感器，其特征在于，上述第二层包含一种物质以将低水平的导电率传递给上述第二层。

18.根据权利要求17所述的电容式触觉传感器，其特征在于，上述物质包含无机导电颗粒。

19.根据权利要求17所述的电容式触觉传感器，其特征在于，上述物质包含本征导电聚合物。

20.根据上述任一权利要求所述的电容式触觉传感器，进一步在上述电极、上述导线和上述导电区域上包含绝缘墨水涂层。

Images