具有同時(shí)感測(cè)和致動(dòng)的觸覺顯示屏的制作方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求2014年6月17日提交的美國(guó)非臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)14/306,842的權(quán)益 和優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)要求2013年6月24日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)61/838，566的權(quán)益， 這些申請(qǐng)的公開內(nèi)容特此通過整體引用而并入。
[0003] 本發(fā)明的合同起源
[0004] 本發(fā)明是在根據(jù)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)授予的批準(zhǔn)號(hào)IIS-0964075的政府支持的情況下 進(jìn)行的。政府在本發(fā)明中具有某些權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005] 本發(fā)明一般涉及用于表面觸覺設(shè)備（SHD)的觸摸界面（interface)，并且更特別地 涉及具有可以提供多點(diǎn)觸覺的同時(shí)感測(cè)和致動(dòng)的觸摸界面，該多點(diǎn)觸覺包括提供由用戶的 單獨(dú)的手指體驗(yàn)的獨(dú)立觸覺效果。
【背景技術(shù)】
[0006]觸摸界面可以在膝上型計(jì)算機(jī)、游戲設(shè)備、汽車儀表盤、信息亭、操作室、工廠、自 動(dòng)柜員機(jī)以及諸如照相機(jī)和電話的便攜式設(shè)備的主機(jī)中找到。觸摸界面提供離散機(jī)械控制 不提供的靈活的交互可能性。但是現(xiàn)有技術(shù)觸摸界面犧牲了人類體驗(yàn)的重要部分:觸覺。 "觸覺"是指與觸摸相關(guān)聯(lián)的感知系統(tǒng)。觸覺讓我們觸摸類型、在黑暗中找到燈開關(guān)、揮舞刀 叉、享受愛撫狗或握住我們的配偶的手。觸覺不僅僅是移動(dòng)一個(gè)人的手，而是感覺事物、辨 識(shí)對(duì)象(即使不看它們）、以及控制我們與世界交互的方式。
[0007]振動(dòng)形式的觸覺是諸如尋呼機(jī)、蜂窩電話和智能電話的電子產(chǎn)品的熟悉特征。盡 管振動(dòng)長(zhǎng)期已被用作靜音或警報(bào)，但是它越來(lái)越多地被用于當(dāng)使用觸摸表面(諸如觸摸屏） 時(shí)向人手(尤其是指尖)提供觸感反饋。例如，I_ersionCorporation提供了用于基于振動(dòng) 的觸覺反饋的多個(gè)硬件和軟件解決方案。他們的技術(shù)比在尋呼機(jī)中傳統(tǒng)使用的技術(shù)先進(jìn)得 多得多。他們使用壓電致動(dòng)器來(lái)使得能夠進(jìn)行振動(dòng)輪廓(profile)的高帶寬控制。盡管如 此，他們的方法也具有某些缺點(diǎn)。例如，整個(gè)設(shè)備振動(dòng)，使得任何效果在握住設(shè)備的手中以 及在觸摸觸摸表面或屏幕的指尖處被感覺到。此外，它不支持多點(diǎn)觸覺：因?yàn)檎麄€(gè)設(shè)備振 動(dòng)，所以觸摸屏幕的每個(gè)指尖體驗(yàn)到相同的效果。
[0008]最近，靜電致動(dòng)已被作為產(chǎn)生局部化到指尖的振動(dòng)的手段進(jìn)行了探索。Senseg Ltd.使用靜電力來(lái)創(chuàng)建指尖的振動(dòng)，該振動(dòng)使得一個(gè)人能夠檢測(cè)到觸摸表面上的各種紋理 (texturehSenseg的技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：除了在皮膚的表面之外，它不產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。盡管 他們的技術(shù)還具有簡(jiǎn)單地通過在屏幕的同一表面上使用多個(gè)電極來(lái)支持多點(diǎn)觸覺的潛能， 但是在實(shí)踐中難以進(jìn)行。一個(gè)原因是，難以進(jìn)行與不在透明屏幕的邊緣附近的電極的低電 阻電連接。因此，在所述多個(gè)電極中，不在邊緣附近的電極充電慢。另一個(gè)原因是，觸覺必須 與感測(cè)指尖位置的一些手段共存。用于多觸摸感測(cè)的最常見的技術(shù)是"投射電容"感測(cè)，該 "投射電容"感測(cè)也使用靜電電荷。為了最小化靜電觸覺與投射電容感測(cè)之間的交互， Senseg解決方案使用單個(gè)電極用于觸覺、整個(gè)觸摸屏幕的尺寸。
[0009]多點(diǎn)觸覺
[0010] 本發(fā)明人的共同未決專利申請(qǐng)（標(biāo)題為"ElectrostaticMulti-touchHaptic Display"的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)13/468，818)描述了實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)靜電觸覺的多個(gè)方式。該公 開的某些方面在本文中被作為【背景技術(shù)】提到。例如，靜電觸覺的基礎(chǔ)是經(jīng)由電場(chǎng)的摩擦力 的調(diào)制(modulation)。該電場(chǎng)在指尖與觸摸表面之間的接觸點(diǎn)處被建立。這通過將一個(gè)或 多個(gè)電極(觸覺設(shè)備)放置在基板的觸摸表面上并且利用介電層使這些電極與指尖絕緣來(lái) 實(shí)現(xiàn)。為了建立電場(chǎng)，電路必須通過指尖閉合(close)。存在進(jìn)行這個(gè)的兩個(gè)主要方式。 [0011]在現(xiàn)有技術(shù)中，其他人已教導(dǎo)了圖la中所示的方法，該圖la是來(lái)自美國(guó)專利7， 924，144的圖，其中，手指-介電質(zhì)-電極系統(tǒng)的電容是通過身體的某一其它部分處的第二接 觸而閉合的電路的一部分。因此，圖la示出了實(shí)現(xiàn)電容電感測(cè)界面的裝置，該電容電感測(cè)界 面具有在兩個(gè)單獨(dú)的接觸位置之間閉合的電路，其中，這兩個(gè)位置都是指尖。
[0012] 本發(fā)明人已設(shè)計(jì)了圖lb中所示的替代方法，圖lb類似于來(lái)自標(biāo)題為Touch InterfaceDeviceAndMethodForApplyingControllableShearForcesToAHuman Appendage的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)13/468,695的圖，其中，兩個(gè)單獨(dú)的電極E和E'（觸覺設(shè) 備)被絕緣層L覆蓋，并且將被放置在基板(未示出）的前表面或頂表面上、單個(gè)接觸或觸摸 位置處。電路因此通過指尖本身的單個(gè)觸摸而閉合，而不涉及身體的其余部分。這具有不需 要涉及身體的某一其它部分的益處，但是它也具有另一個(gè)益處，這將在本文中討論。
[0013] 為了應(yīng)用兩電極技術(shù)，必須在觸摸表面上創(chuàng)建合適的電極對(duì)陣列。如圖2所示，對(duì) 裝置(諸如移動(dòng)設(shè)備2)實(shí)現(xiàn)該布置的一種方法將是簡(jiǎn)單地利用電極對(duì)6鋪設(shè)頂表面或觸摸 表面4，該電極對(duì)6包括電極8和10。該頂層的電極具有以下優(yōu)點(diǎn)：電極8、10可以被精確地放 置在表面4上需要它們的地方，并且所有電極可以從同一導(dǎo)電層被構(gòu)圖。將意識(shí)到，導(dǎo)線可 以從與電極相同的導(dǎo)電材料被構(gòu)圖，或者可以由更高導(dǎo)電性材料制成。
[0014] 然而，該配置具有存在于一些現(xiàn)有技術(shù)中的、關(guān)于各薄導(dǎo)電跡線（traCe)14、16需 要連接到電極中的許多(諸如不在邊緣附近的那些）的缺點(diǎn)。具有足夠低的電阻率的薄導(dǎo)電 跡線14、16可能難以生產(chǎn)，尤其是如果它們需要是透明的以滿足其它設(shè)計(jì)目標(biāo)的話。該方法 的另一潛在困難是，電極計(jì)數(shù)可能變得相當(dāng)大，尤其是隨著觸摸表面變得更大。如果X軸需 要N個(gè)電極，并且y軸需要Μ個(gè)，則如圖2中所示的成對(duì)的總電極計(jì)數(shù)為2*M*N。盡管如此，像利 用電極對(duì)鋪設(shè)表面的這個(gè)圖案那樣的圖案在某些情況下可以被使用，諸如在具有較小屏幕 尺寸的設(shè)備的情況下。
[0015] 創(chuàng)建用于裝置的觸摸表面的電極陣列的第二方法在圖3a中被示出，并且被稱為 "柵格（lattice)"。為了易于理解，圖3a中的示圖集中于電極陣列。盡管多個(gè)線（line)的菱 形電極的柵格網(wǎng)絡(luò)的形式的圖案被示出，但是不需要使用這樣的電極的形狀和圖案，重點(diǎn) 而是在于利用可以成對(duì)服務(wù)的N*M個(gè)電極覆蓋表面(這里被示為大體上為平面）。在該圖中， 電極20沿著或平行于第一軸(例如，X軸)延伸，并且電極22沿著或平行于第二軸(例如，y軸） 延伸。給定y軸電極22與給定X軸電極20相交的區(qū)域限定了兩電極區(qū)域(像圖lb中所示的那 個(gè)），在該兩電極區(qū)域中，靜電力可以被施加于用戶的皮膚，諸如指尖。
[0016] 如圖3a所示，任何電極20(x軸）和電極22(y軸）可以形成一對(duì)。如果不同的電壓被 施加于例如電極20和22,則各電極20、22的交叉（intersect)變?yōu)榛顒?dòng)區(qū)域或位置，在該活 動(dòng)區(qū)域或位置中，手指將體驗(yàn)到增大的靜電力。在實(shí)踐中，可以使用AC電壓，并且當(dāng)兩個(gè)電 壓彼此異相180度時(shí)，產(chǎn)生最大靜電力。
[0017]靜電力的大小(magnitude)可以以各種方式調(diào)制。作為幾個(gè)示例，一種方法是改變 施加于電極的電壓的大小。另一種方法是改變施加于電極的電壓波形的占空比。又一種方 法是基于電極20、22上的電荷的度量(measure)來(lái)控制施加的電壓或電流。進(jìn)一步的方法是 改變兩個(gè)電極20、22上的電壓之間的相位關(guān)系。當(dāng)兩個(gè)電極20、22上的電壓彼此完全異相 時(shí)，靜電力被最大化，而當(dāng)它們同相時(shí)，靜電力被最小化，因?yàn)殡娐酚谑遣辉倬植康赝ㄟ^用 戶的手指(諸如指尖處）的觸摸、接觸或接合(engage)而閉合，而是必須通過用戶的身體的 其余部分的電容而閉合。如果&是從手指到電極的電容，并且Cb是從身體的其余部分到設(shè)備 接地的電容，則衰減因子(當(dāng)觸摸同相電極時(shí)的力與當(dāng)觸摸異相電極時(shí)的力的比）是：
[0018]
[0019]通常，Cf顯著大于Cb(至少大5倍），所以衰減因子相當(dāng)顯著：多于一個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0020] 柵格網(wǎng)絡(luò)或配置的形式的圖案也在一定程度上支持多點(diǎn)觸覺。這在圖3b中被示 出，該圖3b示出了具有電極的柵格網(wǎng)絡(luò)的圖案，該柵格網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步包括沿著或平行于第一 軸(例如X軸)延伸的電極24和沿著或平行于第二軸(例如y軸)延伸的電極26,并且在該柵格 網(wǎng)絡(luò)中，電極20與22之間的交叉以及電極24與26之間的跡線交叉，分別被用于限定或控制 作用于兩個(gè)相應(yīng)手指上的靜電力，其中第一指尖F通過第一橢圓表示，并且第二指尖FF通過 第二橢圓表示。然而，存在該多點(diǎn)能力可能失效的手指位置。如果例如兩個(gè)指尖位于同一電 極上，則難以將非常不同的力施加于這兩個(gè)手指。其原因是，通過用戶的身體的手指到手指 阻抗相對(duì)于電極到手指阻抗(l/(fCf))相當(dāng)小，其中，f是AC激勵(lì)的頻率。因此，例如，活動(dòng)的 X軸電極上的第二手指仍具有第一指尖下方的活動(dòng)的y軸電極的益處。注意，在示例中，X和y 可以反過來(lái)。為了確保每個(gè)手指上的力獨(dú)立于每個(gè)其它手指上的力，必須是它們是不同電 路的部分。如上所述，這可以通過圖2中的布置來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是具有缺點(diǎn)。
[0021] 多觸摸感測(cè)
[0022] 最現(xiàn)代的多觸摸傳感器具有"投射電容"（pCap)類型。這些傳感器一般位于平面取 向，并且基于沿著或平行于第一軸(例如y軸)延伸的一組傳輸(Tx)電極與沿著或平行于第 二軸(例如X軸)延伸的一組接收(Rx)電極之間的互電容而工作，并因此被彼此正交地布置。 盡管在使用中存在許多不同的電極圖案，但是對(duì)于pCap傳感器最常見的是圖4中所示的互 鎖菱形圖案。Tx和Rx線在不同的層上，或者它們?cè)谕?