专利名称：：力和位置感应显示器的制作方法
技术领域：
：本发明总体上涉及电子系统输入和输出设备，更具体的，涉及检测用户的触摸和触摸力(输入)的显示装置(输出)。
背景技术：
：当今存在用于在计算机系统中进行操作的许多类型的输入设备。这些操作通常包括在显示屏幕上移动光标和/或进行选择。例如，输入设备可包括按钮或键盘、鼠标、跟踪球、触摸板、操纵杆和触摸屏。具体而言，触摸屏因为其易于操作和操作多功能性以及其越来越低的价格而变得日益普遍。触摸屏使得用户可以通过简单地经由手指或触摸笔触摸显示屏，来进行选择以及移动光标。通常，触摸屏识别出该触摸以及该触摸在显示屏上的位置，并且计算机系统解析该触摸，随后基于该触摸事件进行动作。触摸屏一般包括触摸面板、控制器和软件驱动器。触摸面板是具有触敏表面的透明面板，并且以使得触敏表面覆盖显示屏的可视区域的方式置于在显示屏的前面。触摸面板记录触摸事件并且将这些信号发送到控制器。控制器处理这些信号并且将数据发送到计算机系统。软件驱动器将触摸事件解析成计算机事件。有多种类型的触摸屏技术，包括电阻型、电容型、红外线型、表面声波型、电磁型、近场成像型等。这些设备中的每一种都具有优点和缺点，在设计或配置触摸屏时要考虑这些优点和缺点。在电阻型技术中，触摸面板涂覆有薄金属导电和电阻层。当触摸该面板时，这些层进行接触，由此闭合一“开关”，这记录触摸事件的位置。将此信息发送到控制器以进行进一步处理。在电容型技术中，触摸面板涂覆有对电荷进行存储的材料。当触摸该面板时，少量电荷被吸至触点。与该面板同地协作(co-located)的电路测量电荷，并将此信息发送到控制器以进行处理。在表面声波型技术中，例如通过换能器在触摸面板上水平和垂直地发送超声波。当触摸该面板时，这些波的声能被吸收。位于换能器对面的传感器检测到该变化并且将此信息发送到控制器以进行处理。在红外线型技术中，例如通过发光二极管在触摸面板上水平和垂直地发送光束。当触摸该面板时，从发光二极管发出的某些光束被中断。位于发光二极管对面的光检测器检测到该变化并将此信息发送到控制器以进行处理。这些技术的一个缺点是它们通常不提供压力或力信息。力信息可用于获取对于用户如何操控设备的更为鲁棒的指示。即，可将力信息用作另一输入元(dimension)，以将指令和控制信号提供给相关电子设备(如，手写板(tablet)计算机系统，个人数字助理或移动手机)。这些技术的另一问题在于即使在感应表面上放置有多个物体，它们也只能报告单个点。即，它们无法同时跟踪多个触点。由此，提供以下输入显示装置将是有利的，该输入显示装置能够既检测触摸的位置又检测施加该触摸的力。
发明内容一种提供力和位置检测的装置包括第一透明衬底(具有取向为第一方向的第一组和第二组导电线路)；第二透明衬底(具有取向为第二方向的第三组导电线路)；以及并置于第一透明衬底和第二透明衬底之间的多个可变形组件(如橡胶垫圈(rubberbead))。第一组导电线路与第二透明元件的导电线路的结合被配置为提供一电容信号，该电容信号表示用户触摸显示元件的位置。第二组导电线路与第二透明元件的导电线路的结合被配置为提供一电容信号，该电容信号表示施加到显示元件的力的量。在一个实施例中，第二透明衬底包括第四多个导电线路(取向为第二方向)，其中的每对导电线路分隔第三多个导电线路的组。在另一实施例中，第二透明衬底形成封闭体，该封闭体可以填充有液体以减轻可变形元件的视觉问题。所述力和位置感应装置可以邻接显示元件(如，LCD或CRT)，以使得显示装置可以提供位置感应和力感应。图1以框图的形式示出了根据本发明一个实施例的显示装置。图2以框图的形式示出了根据本发明一个实施例的力和触摸单元。图3A和3B示出了根据本发明一个实施例的可压缩介质元件(mediaelement)的各种视图。图4示出了根据本发明一个实施例的导电线路的布局。图5A和5B示出了图4所示结构的放大视图。图6以示意形式示出了根据本发明一个实施例的力和触摸感应显示器。具体实施例方式进行以下描述以使得本领域技术人员能够执行并且利用权利要求所述的本发明，并且以下描述是针对下面讨论的具体示例提供的，其各种变型对于本领域技术人员是显而易见的。因此，所附权利要求并不限于所公开的实施例，而是可以依照与本文所公开的原理和特征一致的最宽范围。参照图1，根据本发明一个实施例的力和位置显示装置100包括新颖的力和触摸单元105、显示元件110和控制器115。如所示的，单元105并置于显示元件110的前面(从用户120的视角来看)。例如，单元105可以层压到显示元件110的前面。所例示的显示元件110包括但不限于各种类型的液晶显示器(“LCD”)、等离子显示器和阴极射线管(“CRT”)。从功能来看，控制器115与现有技术控制器的类似之处在于其提供信号来驱动单元105，并且将从单元105接收的信号传递到主计算机(未示出)，并且/或者处理该信号。这些信号表示用户120触摸显示器100的位置，以及用户120使用多少力来触摸。在另一实施例中，显示装置100可能包括例如在单元105和显示元件110之间的起偏器元件。另选的，起偏器可以位于单元105外部以提高观察到的显示元件对比度。参照图2，图1的新颖的力和触摸单元105包括第一和第二透明衬底(200和205)，每个衬底中的一个表面都与导电线路(210和215)的图案邻接，并且这两个衬底被体220隔开。体220包括多个可压缩介质元件225，这使得当用户120在显示器100上按压时衬底200和205彼此移得更近。与来自控制器115(参见图1)和导电线路210和215的驱动信号相结合，随着衬底200和205之间的间隔的变化，线路210与215之间的互电容也发生变化。控制器115检测到的电容信号的变化表示了用户120触摸显示器100的位置以及使用了多少力。在一个实施例中，透明衬底200和205包括玻璃或者光学透明的塑料，厚度在大约0.3到0.5毫米(“mm”)之间，可以是在液晶显示器中一般使用的类型。导电线路210和215包括经构图的氧化铟锡或者某种其它光学透明或半透明导体。可压缩介质元件225例如可以包括弹性体圆点(elastomerdot)或垫圈形式的聚氨酯或硅胶橡胶。已经发现，可以通过使用上述厚度的、并且以大约2到20微米(“μm”)之间的距离分隔开的多个玻璃衬底，来容易地检测导电线路210和215之间的电容变化。因此，在一个实施例中，可压缩介质元件225包括跨越从衬底200到衬底205(最小为导电线路210和215的厚度)的间隙的弹性体圆点。例如，如果衬底200与衬底205隔开10μm，则可压缩介质元件可以如图3A和3B所示地排列和隔开。在一个实施例中，可以经由光刻或者丝网工艺将可压缩介质元件应用于衬底200或205。在另一实施例中，可将可压缩介质元件应用于衬底200和205两者。在后一实现中，在第一衬底(如衬底200)上形成的圆点或垫圈可以并置于在第二衬底(如衬底205)上形成的圆点或垫圈之间，从而一起构造出图3所例示的图案。本领域技术人员应当认识到，在不脱离这里描述的概念的情况下，可以采用其它图案。在一个实施例中，虽然并非必需，但是体220可以是封闭的，以允许流体充满衬底200(和导电线路210)与衬底205(和导电线路215)之间的区域。该配置的一个优点是流体的折射率可以与可压缩介质元件的折射率相匹配。这样，斯涅耳定律确保可压缩介质元件将呈现为从用户的视线消失，结果，不会使用户的视线从存在于显示元件110上的物体分散开。一种例示性光学流体是SantoLight的SL-5267。本领域普通技术人员将认识到，可以将薄膜反射涂层涂覆于每个接口，以减少光损失并且减轻折射失真。例示性防反射涂层可以包含氟化镁、氧化铝等，并且一般可以涂覆大约50到200纳米的厚度。参照图4，示出了根据本发明一个实施例的导电线路210和215的布局。在所例示的实施例中，“顶部”线路210(即，离用户120最近的线路)包括多行像素板400、驱动框架405和反向驱动线410，其中每个元件都与不具有导电材料415的区域电绝缘。“底部”线路215(即，离用户120最远的线路)包括与力检测操作关联的感应线(420)，和与位置检测操作关联的感应线(425)。如所例示的实施例所示，每个力检测线路420具有输出焊盘(430、435和440)，而多个位置检测线路425共享公共输出焊盘(445和450)。参照图5A和5B，提供了图4的结构的更详细视图。对于一个实施例，在表1中列举了图5A和图5B中所标识的尺寸‘a’到‘h’。表1例示性尺寸应当认识到，每个元件的精确尺寸是可由显示区域(如装置100)的尺寸和期望分辨率确定的设计结果。还应当认识到，交叠的导电线路210(如线路425)和220(如线路430和435)形成以上述待审专利申请描述的方式操作的电容元件。应当注意，在图4和5所例示的结构中，线路210基本覆盖了透明衬底200的一个表面，而线路215只最小地覆盖了透明衬底205的一个表面。从而，用户可能看到由于衬底200的表面与衬底205的表面之间的折射率的差而引起的视觉伪象，其中衬底200的表面基本上被导电线路所覆盖，而衬底205的表面只被最小地覆盖。为了降低这些视觉伪象，已经发现以与导电线路材料的折射率类似的透明或者半透明导电线路材料连续覆盖衬底205的表面将是有利的。例如，衬底205的包括线路215(如线路420和425)的同一表面可能涂覆有同一导电材料，只要此涂层与线路215电绝缘。这可以通过例如在每个线路215的周围提供绝缘层(如415)来实现。适于此目的的其它例示性材料包括但不限于氧化铝、氧化钪或者BrewerScience的optiNDEX(聚合物涂层)。参照图6，以示意形式示出了力和位置感应显示装置的一部分。根据本发明的一个实施例，在操作期间，驱动电路605顺次激励多个反向驱动线与一驱动框架的每个组合，同时经由感应电路610感应所有力和位置相关线路。例如，在第一时间段(T1)期间，利用第一极性的脉冲序列对反向驱动线615和620进行驱动，同时利用相反极性的脉冲序列对驱动框架630进行驱动。在进行此操作的同时，感应电路610“读取”或者感应显示器的所有列上的其每个输入。在第二时间段(T2)期间，利用第一极性的脉冲序列对反向驱动线620和625进行驱动，同时利用相反极性的脉冲序列对驱动框架635进行驱动。在时间段T2期间，感应电路610再次读取其每个输入。重复此处理，直到显示单元中的所有行都被驱动，此后，重复此处理。如所述的，每个像素产生与位置测量有关的一个信号(如，通过公共感应焊盘445)，以及与力测量有关的两个信号(如，来自焊盘430和435)。在一个实施例中，使用测量力信号的平均值作为“所述”力信号。在另一实施例中，使用这两个信号的最大值(或最小值)。在一个实施例中，每个脉冲序列包括12个脉冲(0到18伏)，具有50％的占空比，以及在大约100和300千赫兹(“KHz”)之间的频率。在图6的实施例中，感应电路610被示为同时读取所有列输入。然而，应当认识到，这并非必需的。例如，感应电容信号中的行变化的操作可以被复用，以使得对于每一行(如，反向驱动线615和620以及驱动框架640)，在第一时间段期间感应第一部分列，并且在第二时间段期间感应第二部分列等等，直到所有列被感应。在完成此处理之后，可以激励下一组反向驱动线和驱动框架。根据本发明，在每次扫描操作期间，图4、5和6的例示性结构对于每个像素提供两个值(如上所述)。第一个值表示由于用户触摸显示装置的位置而引起的电容。该值应当尽可能独立于力。第二个值表示施加到显示装置的力。该值应当尽可能独立于施加力的位置。驱动框架405、反向驱动线410和感应线420和425的排列被布置为提供此独立性。例如，应当认识到，驱动框架(如405)和力输出线(如，导电路径420之一)之间的互电容直接与它们的交叠面积(如，30μm×4.5mm)成正比，并且与板间隔(如，在没有力时是10μm，在全力时是7μm)成反比。对于每个反向驱动线也是如此。然而，因为利用相反极性的信号对驱动框架和反向驱动线进行驱动，所以它们倾向于相互中和(即，不同的极性倾向于中和在感应路径与驱动框架之间以及在感应路径与反向驱动框架之间转移的电荷)。由此，在所例示的实施例中，反向驱动线用于消除由于位置感应路径425与驱动框架405的“腿”交叠而引起的某些电荷转移。由此，使用反向驱动线确保位置和力输出信号是基本独立的。在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以在材料、部件、电路元件以及所例示操作方法的细节方面进行各种变化。权利要求1.一种力和触摸感应部件，包括第一透明层；第二透明层；第一导电线路，与第一透明层的第一表面邻接；第二导电线路，与第二透明层的第二表面邻接；以及可变形组件，插入在第一透明组件与第二透明组件之间，其中第一导电线路和第二导电线路被配置为生成对施加到第一透明层的力进行指示的第一信号，以及对第一透明层上的施加力的位置进行指示的第二信号。2.根据权利要求1所述的部件，其中第一透明层和第二透明层包括玻璃。3.根据权利要求1所述的部件，其中第一导电线路取向为第一方向，第二导电线路取向为第二方向。4.根据权利要求3所述的部件，其中第一方向和第二方向基本垂直。5.根据权利要求1所述的部件，其中第二导电线路包括第一组线路，专用于检测对施加到第一透明层的力进行指示的信号；以及第二组导电线路，专用于检测对施加力的位置进行指示的信号。6.根据权利要求1所述的部件，其中第一透明层和第二透明层包括密封体。7.根据权利要求6所述的部件，其中密封体被基本充满具有一折射率的流体。8.根据权利要求7所述的部件，其中流体的折射率基本等于可变形部件的折射率。9.根据权利要求1所述的部件，进一步包括起偏器元件，其与第一透明层和第二透明层的至少一个表面邻接，其中所述至少一个表面与第一多个导电线路或第二多个导电线路所邻接的表面相对。10.根据权利要求9所述的部件，其中起偏器元件包括光学涂层。11.一种力和位置感应触摸部件，包括第一透明层；第二透明层；第一多个导电线路，取向为第一方向并且基本上与第一透明层的第一表面相邻；第二多个导电线路，取向为第二方向并且基本上与第二透明层的第一表面相邻；第三多个导电线路，取向为第二方向，并且基本上与第二透明层的第一表面相邻，并且与第二多个导电线路绝缘，所述第三多个导电线路中的一个或更多个被布置在第二多个导电线路中的相继导电线路之间；以及多个可变形组件，并置于第一透明层的第一表面与第二透明层的第一表面之间，其中，第一多个导电线路和第二多个导电线路适于提供对于施加到第一透明层的第一表面的力的指示，并且第一多个导电线路和第三多个导电线路适于提供对于第一透明层上的施加力的位置的指示。12.根据权利要求11所述的力和位置感应触摸部件，其中所述第一多个导电线路中的每一个包括适于接收驱动信号的第一部分，和与第一部分电绝缘的多个第二部分。13.根据权利要求12所述的力和位置感应触摸部件，其中驱动信号包括有限时间段的脉冲序列。14.根据权利要求12所述的力和位置感应触摸部件，其中第一多个导电线路中的每一个适于在所述第一多个导电线路中的其它导电线路不接收驱动信号的时间段期间接收驱动信号。15.根据权利要求11所述的力和位置感应触摸部件，进一步包括第四多个导电线路，取向为第一方向并且基本上与第一透明层的第二表面相邻，其中所述第四多个导电线路中的每一个被布置在第一多个导电线路中的相继导电线路之间。16.根据权利要求15所述的力和位置感应触摸部件，其中第一多个导电线路中的每一个适于接收具有第一极性的第一驱动信号，并且第四多个导电线路中的每一个适于接收具有第二极性的第二驱动信号。17.根据权利要求16所述的力和位置感应触摸部件，其中所述第一多个导电线路中的每一个适于在所述第一多个导电线路中的其它导电线路不接收第一驱动信号的时间段期间接收第一驱动信号。18.根据权利要求17所述的力和位置感应触摸部件，其中第四多个导电线路中的每一对适于在只有第一多个导电线路中的布置在所述一对之间的所述一个导电线路接收第一驱动信号时才接收第二驱动信号。19.根据权利要求11所述的力和位置感应触摸部件，其中可变形组件包括橡胶。20.根据权利要求11所述的力和位置感应触摸部件，其中橡胶包括室温硫化橡胶。21.根据权利要求11所述的力和位置感应触摸部件，其中可变形组件包括硅胶。22.根据权利要求11所述的力和位置感应触摸部件，其中可变形组件包括光固化弹性体。23.根据权利要求11所述的力和位置感应触摸部件，其中第一透明层和第二透明层形成封闭体。24.根据权利要求23所述的力和位置感应触摸部件，其中第一透明层的第一表面和第二透明层的第一表面在封闭体的内部。25.根据权利要求23所述的力和位置感应触摸部件，进一步包括充满封闭体的流体。26.根据权利要求25所述的力和位置感应触摸部件，其中流体具有与可变形组件的折射率大致相等的折射率。27.根据权利要求25所述的力和位置感应触摸部件，其中流体包括折射率与可变形组件的相似的流体。28.根据权利要求11所述的力和位置感应触摸部件，进一步包括基本覆盖了第一透明层的第一表面的介电材料，所述介电材料具有与第一多个导电线路的折射率大致相等的折射率。29.根据权利要求28所述的力和位置感应触摸部件，其中第一多个导电线路包括氧化铟锡，并且介电材料包括氧化铝。30.根据权利要求11所述的力和位置感应触摸部件，进一步包括基本上覆盖了第二透明层的第一表面的介电材料，所述介电材料具有与第二多个导电线路和第三多个导电线路的折射率大致相等的折射率。31.根据权利要求30所述的力和位置感应触摸部件，其中第二多个导电线路和第三多个导电线路包括氧化铟锡，并且介电材料包括氧化铝。32.根据权利要求11所述的力和位置感应触摸部件，其中第一透明层和第二透明层包括玻璃。33.一种显示装置，包括显示元件；以及与显示元件的表面粘合的根据权利要求11的力和位置感应触摸部件。34.根据权利要求33所述的显示装置，其中显示元件包括液晶显示器。35.根据权利要求33所述的显示装置，其中显示元件包括阴极射线管。36.根据权利要求33所述的显示装置，其中显示元件包括等离子显示器。37.根据权利要求33所述的显示装置，进一步包括并置于显示元件与力和位置感应触摸部件之间的起偏器元件。38.一种力和位置感应部件，包括第一透明衬底，具有取向为第一方向的分离的第一多个导电路径和第二多个导电路径；第二透明衬底，具有取向为第二方向的第三多个导电路径；以及可变形元件，并置于第一透明衬底与第二透明衬底之间并且分离第一透明衬底和第二透明衬底，其中第一多个导电路径和第三多个导电路径被配置为生成表示用户在显示装置上触摸的位置的电容信号，并且第二多个导电路径和第三多个导电路径被配置为生成表示用户施加到显示装置的力的电容信号。39.根据权利要求38所述的力和位置感应部件，进一步包括与第一透明衬底邻接的显示元件。40.根据权利要求39所述的力和位置感应部件，其中显示元件包括液晶显示元件。41.根据权利要求38所述的力和位置感应部件，其中第一多个导电路径包括多个电绝缘路径，在这些电绝缘路径之间有一个或更多个第二多个导电路径。42.根据权利要求41所述的力和位置感应部件，其中第一多个导电路径中的每一个都相互电绝缘，并且第一多个导电路径中的每一个之间的所有所述一个或更多个第二多个导电路径都电耦合。43.根据权利要求38所述的力和位置感应部件，其中第二透明膜片进一步包括第四多个导电路径，取向为第二方向并且与第三多个导电路径电绝缘。44.根据权利要求43所述的力和位置感应部件，其中第四多个导电线路中的一个将第三多个导电线路彼此分隔开。45.根据权利要求46所述的力和位置感应部件，其中第三多个导电线路被配置为由具有第一极性的电压信号所驱动，并且第四多个导电线路被配置为由具有第二极性的电压信号所驱动。46.根据权利要求38所述的力和位置感应部件，其中第一多个导电路径、第二多个导电路径和第三多个导电路径包括氧化铟锡。47.根据权利要求38所述的力和位置感应部件，其中可变形元件包括橡胶。48.根据权利要求39所述的力和位置感应部件，进一步包括并置于显示元件与第一透明衬底之间的起偏器。49.根据权利要求38所述的力和位置感应部件，其中第一透明衬底和第二透明衬底包括封闭体。50.根据权利要求49所述的力和位置感应部件，进一步包括基本上充满封闭体的液体。51.根据权利要求50所述的力和位置感应部件，其中液体具有基本上等于可变型组件的折射率的折射率。全文摘要一种提供力和位置检测的装置包括第一透明衬底(具有取向为第一方向的第一组和第二组导电线路)；第二透明衬底(具有取向为第二方向的第三组导电线路)；以及排列在第一透明衬底与第二透明衬底之间的多个可变形组件(如橡胶垫圈(rubberbead))。第一组导电线路与第二透明元件的导电线路的结合提供一电容信号，该电容信号表示用户触摸显示元件的位置。第二组导电线路与第二透明元件的导电线路的结合提供一电容信号，该电容信号表示施加到显示元件的力的量。当与显示元件(如LCD或CRT)一起使用时，提供能够进行位置感应操作和力感应操作的输入－输出装置。文档编号G06F3/041GK101071354SQ200710089810公开日2007年11月14日申请日期2007年3月30日优先权日2006年5月9日发明者斯蒂文·P·豪泰灵申请人:苹果电脑有限公司