具有同时感测和致动的触觉显示屏的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2014年6月17日提交的美国非临时专利申请序列号14/306,842的权益 和优先权，该申请要求2013年6月24日提交的美国临时专利申请序列号61/838，566的权益， 这些申请的公开内容特此通过整体引用而并入。
[0003] 本发明的合同起源
[0004] 本发明是在根据国家科学基金会授予的批准号IIS-0964075的政府支持的情况下 进行的。政府在本发明中具有某些权利。
技术领域
[0005] 本发明一般涉及用于表面触觉设备（SHD)的触摸界面（interface)，并且更特别地 涉及具有可以提供多点触觉的同时感测和致动的触摸界面，该多点触觉包括提供由用户的 单独的手指体验的独立触觉效果。
【背景技术】
[0006]触摸界面可以在膝上型计算机、游戏设备、汽车仪表盘、信息亭、操作室、工厂、自 动柜员机以及诸如照相机和电话的便携式设备的主机中找到。触摸界面提供离散机械控制 不提供的灵活的交互可能性。但是现有技术触摸界面牺牲了人类体验的重要部分:触觉。 "触觉"是指与触摸相关联的感知系统。触觉让我们触摸类型、在黑暗中找到灯开关、挥舞刀 叉、享受爱抚狗或握住我们的配偶的手。触觉不仅仅是移动一个人的手，而是感觉事物、辨 识对象(即使不看它们）、以及控制我们与世界交互的方式。
[0007]振动形式的触觉是诸如寻呼机、蜂窝电话和智能电话的电子产品的熟悉特征。尽 管振动长期已被用作静音或警报，但是它越来越多地被用于当使用触摸表面(诸如触摸屏） 时向人手(尤其是指尖)提供触感反馈。例如，I_ersionCorporation提供了用于基于振动 的触觉反馈的多个硬件和软件解决方案。他们的技术比在寻呼机中传统使用的技术先进得 多得多。他们使用压电致动器来使得能够进行振动轮廓(profile)的高带宽控制。尽管如 此，他们的方法也具有某些缺点。例如，整个设备振动，使得任何效果在握住设备的手中以 及在触摸触摸表面或屏幕的指尖处被感觉到。此外，它不支持多点触觉：因为整个设备振 动，所以触摸屏幕的每个指尖体验到相同的效果。
[0008]最近，静电致动已被作为产生局部化到指尖的振动的手段进行了探索。Senseg Ltd.使用静电力来创建指尖的振动，该振动使得一个人能够检测到触摸表面上的各种纹理 (texturehSenseg的技术具有以下优点：除了在皮肤的表面之外，它不产生机械振动。尽管 他们的技术还具有简单地通过在屏幕的同一表面上使用多个电极来支持多点触觉的潜能， 但是在实践中难以进行。一个原因是，难以进行与不在透明屏幕的边缘附近的电极的低电 阻电连接。因此，在所述多个电极中，不在边缘附近的电极充电慢。另一个原因是，触觉必须 与感测指尖位置的一些手段共存。用于多触摸感测的最常见的技术是"投射电容"感测，该 "投射电容"感测也使用静电电荷。为了最小化静电触觉与投射电容感测之间的交互， Senseg解决方案使用单个电极用于触觉、整个触摸屏幕的尺寸。
[0009]多点触觉
[0010] 本发明人的共同未决专利申请（标题为"ElectrostaticMulti-touchHaptic Display"的美国专利申请序列号13/468，818)描述了实现多点静电触觉的多个方式。该公 开的某些方面在本文中被作为【背景技术】提到。例如，静电触觉的基础是经由电场的摩擦力 的调制(modulation)。该电场在指尖与触摸表面之间的接触点处被建立。这通过将一个或 多个电极(触觉设备)放置在基板的触摸表面上并且利用介电层使这些电极与指尖绝缘来 实现。为了建立电场，电路必须通过指尖闭合(close)。存在进行这个的两个主要方式。 [0011]在现有技术中，其他人已教导了图la中所示的方法，该图la是来自美国专利7， 924，144的图，其中，手指-介电质-电极系统的电容是通过身体的某一其它部分处的第二接 触而闭合的电路的一部分。因此，图la示出了实现电容电感测界面的装置，该电容电感测界 面具有在两个单独的接触位置之间闭合的电路，其中，这两个位置都是指尖。
[0012] 本发明人已设计了图lb中所示的替代方法，图lb类似于来自标题为Touch InterfaceDeviceAndMethodForApplyingControllableShearForcesToAHuman Appendage的美国专利申请序列号13/468,695的图，其中，两个单独的电极E和E'（触觉设 备)被绝缘层L覆盖，并且将被放置在基板(未示出）的前表面或顶表面上、单个接触或触摸 位置处。电路因此通过指尖本身的单个触摸而闭合，而不涉及身体的其余部分。这具有不需 要涉及身体的某一其它部分的益处，但是它也具有另一个益处，这将在本文中讨论。
[0013] 为了应用两电极技术，必须在触摸表面上创建合适的电极对阵列。如图2所示，对 装置(诸如移动设备2)实现该布置的一种方法将是简单地利用电极对6铺设顶表面或触摸 表面4，该电极对6包括电极8和10。该顶层的电极具有以下优点：电极8、10可以被精确地放 置在表面4上需要它们的地方，并且所有电极可以从同一导电层被构图。将意识到，导线可 以从与电极相同的导电材料被构图，或者可以由更高导电性材料制成。
[0014] 然而，该配置具有存在于一些现有技术中的、关于各薄导电迹线（traCe)14、16需 要连接到电极中的许多(诸如不在边缘附近的那些）的缺点。具有足够低的电阻率的薄导电 迹线14、16可能难以生产，尤其是如果它们需要是透明的以满足其它设计目标的话。该方法 的另一潜在困难是，电极计数可能变得相当大，尤其是随着触摸表面变得更大。如果X轴需 要N个电极，并且y轴需要Μ个，则如图2中所示的成对的总电极计数为2*M*N。尽管如此，像利 用电极对铺设表面的这个图案那样的图案在某些情况下可以被使用，诸如在具有较小屏幕 尺寸的设备的情况下。
[0015] 创建用于装置的触摸表面的电极阵列的第二方法在图3a中被示出，并且被称为 "栅格（lattice)"。为了易于理解，图3a中的示图集中于电极阵列。尽管多个线（line)的菱 形电极的栅格网络的形式的图案被示出，但是不需要使用这样的电极的形状和图案，重点 而是在于利用可以成对服务的N*M个电极覆盖表面(这里被示为大体上为平面）。在该图中， 电极20沿着或平行于第一轴(例如，X轴)延伸，并且电极22沿着或平行于第二轴(例如，y轴） 延伸。给定y轴电极22与给定X轴电极20相交的区域限定了两电极区域(像图lb中所示的那 个），在该两电极区域中，静电力可以被施加于用户的皮肤，诸如指尖。
[0016] 如图3a所示，任何电极20(x轴）和电极22(y轴）可以形成一对。如果不同的电压被 施加于例如电极20和22,则各电极20、22的交叉（intersect)变为活动区域或位置，在该活 动区域或位置中，手指将体验到增大的静电力。在实践中，可以使用AC电压，并且当两个电 压彼此异相180度时，产生最大静电力。
[0017]静电力的大小(magnitude)可以以各种方式调制。作为几个示例，一种方法是改变 施加于电极的电压的大小。另一种方法是改变施加于电极的电压波形的占空比。又一种方 法是基于电极20、22上的电荷的度量(measure)来控制施加的电压或电流。进一步的方法是 改变两个电极20、22上的电压之间的相位关系。当两个电极20、22上的电压彼此完全异相 时，静电力被最大化，而当它们同相时，静电力被最小化，因为电路于是不再局部地通过用 户的手指(诸如指尖处）的触摸、接触或接合(engage)而闭合，而是必须通过用户的身体的 其余部分的电容而闭合。如果&是从手指到电极的电容，并且Cb是从身体的其余部分到设备 接地的电容，则衰减因子(当触摸同相电极时的力与当触摸异相电极时的力的比）是：
[0018]
[0019]通常，Cf显著大于Cb(至少大5倍），所以衰减因子相当显著：多于一个数量级。
[0020] 栅格网络或配置的形式的图案也在一定程度上支持多点触觉。这在图3b中被示 出，该图3b示出了具有电极的栅格网络的图案，该栅格网络进一步包括沿着或平行于第一 轴(例如X轴)延伸的电极24和沿着或平行于第二轴(例如y轴)延伸的电极26,并且在该栅格 网络中，电极20与22之间的交叉以及电极24与26之间的迹线交叉，分别被用于限定或控制 作用于两个相应手指上的静电力，其中第一指尖F通过第一椭圆表示，并且第二指尖FF通过 第二椭圆表示。然而，存在该多点能力可能失效的手指位置。如果例如两个指尖位于同一电 极上，则难以将非常不同的力施加于这两个手指。其原因是，通过用户的身体的手指到手指 阻抗相对于电极到手指阻抗(l/(fCf))相当小，其中，f是AC激励的频率。因此，例如，活动的 X轴电极上的第二手指仍具有第一指尖下方的活动的y轴电极的益处。注意，在示例中，X和y 可以反过来。为了确保每个手指上的力独立于每个其它手指上的力，必须是它们是不同电 路的部分。如上所述，这可以通过图2中的布置来实现，但是具有缺点。
[0021] 多触摸感测
[0022] 最现代的多触摸传感器具有"投射电容"（pCap)类型。这些传感器一般位于平面取 向，并且基于沿着或平行于第一轴(例如y轴)延伸的一组传输(Tx)电极与沿着或平行于第 二轴(例如X轴)延伸的一组接收(Rx)电极之间的互电容而工作，并因此被彼此正交地布置。 尽管在使用中存在许多不同的电极图案，但是对于pCap传感器最常见的是图4中所示的互 锁菱形图案。Tx和Rx线在不同的层上，或者它们在同