专利名称：用于组合式压力传感器和致动器的经济元件及其操作方法
技术领域：
本发明 一 般涉及与显示设备结合使用的组合式压力传感器和致动器。
背景技术：
触摸屏是接受直接屏幕输入的监视器，其通常基于液晶显示器
(LCD)或者阴极射线管(CRT)技术。例如光笔的外部设备或者例 如触摸覆层(overlay )和控制器的内部设备实现接受屏幕输入的能力， 其将屏幕交互的X、 Y坐标传递到控制屏幕显示的计算机。
电阻式LCD触摸屏监视器和显示器依赖于附接至触摸屏控制器 的触摸覆层，该触摸覆层包括由绝缘点隔开的柔性顶层和刚性底层。 通常，两个层的每层的内表面都涂覆有透明金属氧化涂层(ITO)， 其在当被施加了电压时促使了穿过每层的斜度(gradient)。按压柔 性顶片引起电阻层之间的电接触，产生电路中的开关闭合。与覆层相 耦合的控制电子器件改变层之间的电压，并将结果X和Y触摸坐标 传递给触摸屏控制器。触摸屏控制器数据继而被传递给计算机操作系 统以用于处理。
与例如声波、电容、近场成像和红外的其它可替代触摸屏技术相 比，电阻式触摸屏技术具有多种优点。电阻式触摸屏非常耐用，其较 少受到污染物的影响，而污染物可以对声波触摸屏产生不利的影响。 此外，电阻触摸屏对于可能使电阻触摸屏失效的划痕较不敏感。对于 工业应用而言，电阻式触摸屏比近场成像触摸屏更划算。
便携式电子设备在提供显示器时正在日益普遍地利用触摸屏技 术。在这种情况下，通常用户例如通过手指或其它器具在显示器上按 压，以输入数据或是在触摸屏上显示的数据中进行选择。电阻式触摸
屏技术经常用来确定手指在屏幕上的位置。正在逐步使用电容式手指 定位技术，但是其需要仔细校准以便区分"手指在显示器上，，的情形 和"点击"事件。在任一情况下，活动触感都是适当的用户体验所需 的。"活动触感"表示显示器向要传送涉及数据输入或选择的信息的 用户提供触觉反馈。在缺乏这种触觉响应的情况下，用户^艮难确定设 备是否记录了预期的输入或选择。
提供触觉反馈的传统方法包括物理上构建输入键，用以在成功接 合时提供"点击"，以及在物理上构建压电元件，用以在成功按压按 键的事件中提供返回力或振动。触摸屏显示器和触觉反馈元件在结合 时通常形成分离的(姑且称之为)系统。
当采用传统解决方案时，在移动电子设备中实现触摸屏显示器和 分离的活动触觉反馈的要求经常过于苛刻。例如，触觉反馈层的存在 可能对小显示器增加过多的尺寸。与传统触摸屏相关联的另一个缺点 是来自显示器的可视输出的衰减，这是由于添加了构成触摸传感器的 电阻层。
因此，需要一种提供触摸屏输入能力和触觉反馈二者的、紧凑的、 并且与移动平台的显示设备相兼容的系统。
发明内容
根据本发明的示例性实施方式， 一种设备包括包含压电材料的 压力致动器，以及包含压电材料并与所述压力致动器电隔离的至少一 个压力传感器，其中，所述压力致动器和压力传感器包括大体上是矩 形的区域。
根据本发明的另一示例性实施方式， 一种移动设备包括具有第 一侧和第二侧的传感器/致动器设备，其包括包含压电材料的压力致动 器，以及包含压电材料并与所述压力致动器电隔离的至少一个压力传 感器；具有第一侧和第二侧的显示器，显示器的第一侧的位置与传感 器/致动器设备的第一侧相对；以及与压力致动器和至少一个压力传感 器耦合的处理器，其中，传感器/致动器设备和显示器的每一个构成大
体上是矩形的区域。
根据本发明的另一示例性实施方式， 一种方法包括提供具有第 一侧和第二侧的传感器/致动器设备，其包括包含压电材料的压力致动 器以及包含压电材料并与压力致动器电隔离的至少一个压力传感器；
提供具有第一侧和第二侧的显示器，该显示器的第一侧的位置与传感 器/致动器设备的第一侧相对，其中，传感器/致动器设备和显示器的
每一个构成大体上是矩形的区域；响应于施加到显示器上的力，检测 至少一个压力传感器的激活；以及响应于压力传感器的激活，操作压
力致动器以提供触觉反馈。
根据本发明的另一示例性实施方式， 一种机器可读指令的程序， 其有形地实施在信息承载介质上并可由数字处理器执行，执行指向与
传感器/致动器设备交互的动作，所述动作包括接收指示着施加到包 含压电材料的至少一个压力传感器上的压力的输入信号，所述至少一
信号以确定至少一个压力传感器的激活；以及响应于至少一个压力传 感器的激活而操作压力致动器。
在结合附图阅读下面的详细描述时，这些教导的上述和其它方面 将变得更加明显，附图中
图lb是本发明的传感器/致动器设备和显示器设备的示例性实施 方式的侧视图2是用于配置本发明的传感器/致动器的电路连接的示例性实 施方式的示意图3是用于实践本发明的移动设备的示例性实施方式的示意图。
具体实施例方式
在本发明的示例性实施方式中，提供了一种组合式压力传感器和 压力致动器设备。响应于例如用户手指施加的力的物理压力，压力传 感器利用压力元件来产生电信号，以便检测用户输入。压力致动器利 用类似的压力元件向设备的用户提供触觉反馈，例如振动。优选地， 压力传感器和压力致动器二者由单个压电元件制造，从而使二者共面 并且相互电隔离。压力传感器和压力致动器在操作上的不同是通过将 压力传感器和压力致动器分别耦合至电源以及差电测量设备来实现 的，这将在下文更全面地描述。
参考图la-图lb，示出了根据本发明的传感器/致动器设备15的 示例性实施方式。传感器/致动器设备15可以包括但不限于显示设备、 触摸板和小键盘。图la是传感器/致动器设备15的顶视图。传感器/ 致动器设备15包括压力致动器13,其周围部署至少一个压力传感器 11。由于传感器/致动器设备15将置于显示设备之下，而这种显示设 备通常是大体上为矩形的构造，因此传感器/致动器设备15同样优选 地大体上是矩形形状。
传感器/致动器设备15优选地包含单个压电材料片，其构成单个 压力元件2 3 。优选的压电材料包括但不限于串联和并联的双晶压电材 料。为了形成压电材料，可以使用烧结处理将压电陶瓷沉积到充当双 晶结构的中间电极的金属片上。在生产过程中，可以执行掩模操作, 以隔离压力传感器11和压力致动器13。掩模可以是烧结处理期间覆 盖待隔离区域的机械结构。该隔离导致压力传感器11与压力致动器 13电隔离，同时通过接地电极19，保留了结构上的耦合。可以通过这 样一种物理隔离来实现这种隔离，其形式为在每个压力传感器11和 压力致动器13之间所形成的间隔21。此外，在制造之后、但在对压 电材料进行极化(pole)之前，可以将电绝缘体沉积到间隔21中，以 维持压力传感器11和压力致动器13电隔离。此外，可以通过在区域 上沉积绝缘性材料来产生隔离区域。绝缘性材料经过烧结处理后仍然 存在。在另一示例性实施方式中，可以通过蚀刻处理或者机械地移除 压力传感器11和压力致动器13之间的压力材料使压力传感器11和
压力致动器13相互隔离。通常，在执行极化处理之后，应当避免需 要高温或机械压力的过程，因为它们可能减弱元件的压电性。
如图所示，在传感器/致动器设备15中制造了 4个压力传感器11。 这些压力传感器11的形状大体上是矩形，并且其位于压力致动器13 的外围附近，或紧邻压力致动器13。特别地，压力传感器ll位于大 体上是矩形的传感器/致动器设备15的拐角。压力致动器13以连续的 形式在压力传感器11之间扩展，覆盖传感器/致动器设备15的大体上 为矩形的区域的其余部分。然而，本发明不限于此。相反，本发明广 泛地涉及任意数目的电传感器11，其与电致动器13电隔离并通过接 地电极19，与之在结构上耦合，由此压力传感器11和压力致动器13 位于同一广义平面内。例如，压力致动器13可以完全包围单个压力 传感器11并通过间隔隔离。
如上所述，因为传感器/致动器设备15意在对应于显示器的一般 大小和形状，因此优选地压力致动器13和压力传感器11的组合结合 形成大体上是矩形的形状。此外，当压力传感器11位于传感器/致动 器设备15的外围附近时，操作传感器/致动器设备15所需的电连接将 最为有效地实现，这在下文将变得清晰。
参考图lb,其示出了本发明的传感器/致动器设备15的示例性实 施方式的侧视图。显然，压力致动器13和压力传感器11 二者由单个 压力元件23构成。在本示例中，压力元件23是通过三个电极19构 成的并联双晶压力元件23。电极19、 19，，被耦合，与压力元件23的 外表面相对，而电极19，穿过压力元件23延伸并其划分为两片，并且 电极19，接地。还示出了显示器17。显示器17可以是任意显示设备， 其能够在显示器17上以图像的形式呈现可视信息，并且其柔性足够 允许施加于显示器17外表面的压力从压力传感器11产生电输出，这 在下文将更全面的描述。.典型的显示器17包括但不限于液晶显示器 (LCD)。
如上所述，传感器/致动器设备15优选地与其上面的显示器具有 近似相同的尺寸和形状。因此，将显示器17示为在几乎与传感器/致
动器设备15所扩展的跨度相等的跨度上、在除厚度之外的两个维度 上扩展。传感器/致动器设备15的典型厚度维度大约是从0.3mm到 0.7mm。显示器17的一侧与传感器/致动器设备15的一侧由距离d隔 开。在操作中，如所描述的，距离d的值足够小，从而允许应用于显 示器17外表面的、将要被传送给压力传感器11的力F达到足够大的 程度，以便如下文所述的被感知。反之，显示器17提供足够的柔性， 以允许由压力致动器13产生的振动通过显示器17传递，以便被用户 感知。也可以这样安置显示器17,使其一侧与传感器/致动器设备15 的一侧相接触。在这种情况下，距离d近似等于零。
参考图2,示出了可以通过其对本发明的传感器/致动器设备15 进行操作的示例性实施方式的配线图。压电材料的属性是施加压力 时产生的物理形变引起电流。反之，当电荷施加于压电材料时，可以 导致压电材料的物理形变。
如图所示，压力致动器13耦合至电压泵35，其用于向压力致动 器13提供电压。特别地，电压泵35向压力致动器13的外部电极19、 19，，提供电压。当电压泵35将电压施加于压力致动器13时，作为响 应压力致动器13弯曲。通过将多个电压施加于压力致动器13而产生 的压力致动器13的重复压力将导致压力致动器13的振动。类似地， 对压力致动器13单次施加和停止外加电压可以近似"点击，，的触觉 感觉。在优选实施方式中，压力致动器13按照31模式进行操作。31 模式致动器13产生与平行施加于压力元件23的电场垂直的位移。对 便携式电子设备中操作的压力致动器13施加的典型电压的范围从大 约25伏到大约185伏。
类似地，如图所示，每个压力传感器11耦合至差电测量设备31， 以便在压力传感器11物理形变时测量越过压力传感器11形成的电位 差。当例如由力F引起的压力施加于压力传感器11时，产生传感器 信号。在所示的示例性实施方式中，差电测量设备31将该传感器信 号作为来自压力传感器11前表面(离显示器17最近的一侧)的负信 号(相对于地)与来自压力传感器11相对后表面的正信号之间的差
进行测量。优选地，每个压力传感器11按照33模式进行操作。当33 模式传感器在与压力元件23的极化方向平行的方向发生形变时，其 在相对表面之间产生电压差。
还示出了控制设备处理器33,其用于控制电压泵35的操作以及 从差电测量设备31接收输出信号，该输出信号指示压力传感器11的 激活。在所示实施方式中，A/D转换器与差电测量设备31和处理器 33二者耦合，以用于将指示着施加于压力传感器11的力的、差电测 量设备31的模拟信号转换为处理器33能够接收的数字输出信号。
尽管只示出了一个差电测量设备31,单独的差电测量设备31优 选地与每个单独的压力传感器11耦合，每个差电测量设备31的输出 与一个或多个A/D转换器耦合，该一个或多个A/D转换器类似地与 处理器33耦合。在示例性实施方式中，每个压力传感器11对应于显 示在显示器17上意在被选择的图像或图像的一部分。因此，将力施 加于其下具有压力传感器11、与待选择的所显示图像部分相对应的显 示器17的部分，产生被发送到处理器33的、指示着相关联压力传感 器11激活的信号。在处理器33例如通过访问存储图像的存储器来访 问显示在显示器17上的图像数据的情况下，处理器33可以使已激活 的个体压力传感器11与用户对意图的图像元素的逻辑选择(例如， 按钮)相互关联。
处理器33是能够接收输入、对输入执行动作以及响应于此发出 输出的任意设备或元件。在所示的示例性实施方式中，处理器33接 收指示着压力传感器11激活的输入，并响应于此向电压泵35发出输 出。更特别地，当力F施加于压力传感器11时，处理器33从A/D转 换器35接收数字输入信号。处理器33可以将接收到的输入信号与阈 值进行比较，该阈值内部存储或是存储在与处理器33耦合的外部存 储器中，以便确定施加于压力传感器11的力F是否大到足够指示压 力传感器11的激活。
如果认为输入信号足够大(大于或等于阈值)，处理器继续进行， 命令压力致动器13提供指示着压力传感器11激活的触觉反馈。如上所述，处理器33可以命令电压泵35向压力致动器13提供输出电压， 其形式和大小足以产生压力致动器13的单个"点击，，或振动。通过 这种方式，处理器33的作用是响应于在一个或多个压力传感器11上 施加的压力而检测个体压力传感器11的激活，以及向其提供触觉反馈。
参考图3,其示出了移动设备或移动台300中本发明实现的示例 性实施方式的示意图。在优选实施方式中，移动设备300是移动电话。 移动设备300包括处理器33。处理器33与显示器17、压力传感器11、 压力致动器13以及存储器39相耦合，其中存储器39存储有处理器 33所需的数据，例如阈值。
通常，移动设备300的各种实施方式可以包括但不限于蜂窝电 话、便携式电子设备、具有无线通信能力的个人数字助理(PDA)、 具有无线通信能力的便携式计算机、具有无线通信能力的图像捕获设 备(例如数码相机)、具有无线通信能力的游戏设备、具有无线通信 能力的音乐存储和回放工具、允许无线互联网访问和浏览的互联网工 具以及包含这些功能的组合的便携式单元或终端。
涉及确定压力传感器11的激活以及随后通过压力致动器13的操 作提供触觉响应的本发明的实施方式可以由移动设备300的数据处理 器(例如处理器33)可执行的计算机软件实现，或者由硬件实现，或 者由软件和硬件的结合实现。
存储器39可以是适合本地技术环境的任意类型，并且可以使用 任意适当的数据存储技术实现，例如基于半导体的存储器设备、磁性 存储器设备和系统、光学存储器设备和系统、固定存储器以及可移动 存储器。数据处理器33可以是适合本地技术环境的任意类型，并且， 作为非限制性示例，可以包括一个或多个通用计算机、专用计算机、 微处理器、数字信号处理器(DSP)以及基于多核处理器架构的处理 器。
通常，例如控制显示器17、压力传感器11和压力致动器13的各 种实施方式可以通过硬件或专用电路、软件、逻辑或其任意组合实现。 例如， 一些方面可以通过硬件实现，而其它方面可以通过由控制器、 微处理器或其它计算设备执行的固件或软件实现，尽管本发明不限于 此。尽管可以将本发明的各个方面示出和描述为框图或是使用 一 些其 它的图来表示，很好理解的是，作为非限制性示例，在此描述的这些 方框、装置、系统、技术或方法可以通过硬件、软件、固件、专用电 路或逻辑、通用硬件或控制器或者其它计算机设备或其组合实现。
本发明的某些实施方式可以通过例如集成电路模块的各种组件 来实践。集成电路的设计总的来说是高度自动化的过程。可以通过复 杂且强大的软件工具将逻辑层面的设计转化为可以蚀刻并形成在半 导体衬底上的半导体电路设计。
例如加利福尼亚州芒廷维尤的Synopsys有限公司，以及加利福尼 亚州圣何塞的Cadence Design所提供的程序，根据已经建立好的设计 规则和事先存储的设计模块库，自动地对导体进行布线并将部件定位 在半导体芯片上。 一旦半导体电路的设计完成，将标准化电子形式(例
如，Opus, GDSII等)的合成设计可以转给半导体制造厂或"fab" 用于制造。
尽管这些教导是在特定实施方式的上下文中描述的，但是对于本 领域的技术人员显而易见的是，可以对这些教导进行多种修改和各种 改变。因此，尽管本发明是关于其一个或多个示例性实施方式而特别 示出和描述的，本领域的技术人员将会理解，可以进行某些修改或改 变，而没有背离上文所述的或来自所附权利要求的本发明的范围和精 神。
权利要求
1.一种设备，包括包含压电材料的压力元件，所述压力元件包括压力致动器；以及与所述压力致动器耦合的至少一个压力传感器，其中，所述压力致动器和所述至少一个压力传感器包括共同元件。
2. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述共同元件包括电极。
3. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述压力元件包括大体上 是矩形的区域。
4. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个压力传感器 位于紧邻所述压力敦动器的外围处。
5. 根据权利要求1所述的设备，其中，至少一个所述压力传感器 位于所述压力致动器的多个拐角中的一个处。
6. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个压力传感器 和所述压力致动器是共面的。
7. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述压电材料包括双晶压 电材料。 '
8. 根据权利要求5所述的设备，其中，所述双晶压电材料包括平 行压电材料。
9. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述压电材料包括大约在 0.3mm到0.7mm之间的厚度。
10. —种移动设备，包括具有第一侧和第二侧的传感器/致动器设备，包括 包含压电材料的压力元件，所述压力元件包括 压力致动器；以及与所述压力致动器耦合的至少一个压力传感器，其中，所述压力致动器和所述至少一个压力传感器包括共同元件；具有第一侧和第二侧的显示器，所述显示器的所述第一侧的位置 与所述传感器/致动器设备的所述第一侧相对；以及与所述压力致动器和所述至少一个压力传感器耦合的处理器。
11. 根据权利要求IO所述的移动设备，其中，所述共同元件包括 电极。
12. 根据权利要求10所述的移动设备，其中，所述传感器/致动 器设备和所述显示器的每一个包括大体上是矩形的区域。
13. 根据权利要求IO所述的移动设备，包括与所述至少一个压力 传感器和所述处理器耦合的差电测量设备。
14. 根据权利要求IO所述的移动设备，包括与所述压力致动器和 所述处理器耦合的电压泵。
15. 根据权利要求IO所述的移动设备，包括与所述处理器耦合、 并存储阈值的存储器。
16. 根据权利要求IO所示的移动设备，其中，所述至少一个压力 传感器位于所述压力致动器的外围附近。
17. 根据权利要求IO所示的移动设备，其中，所述至少一个压力 传感器的每一个位于所述传感器/致动器设备的多个拐角中的一个处。
18. 根据权利要求IO所示的移动设备，其中，所述至少一个压力传感器和所述压力致动器是共面的。
19. 根据权利要求IO所示的移动设备，其中，所述压电材料包括 双晶压电材料。
20. 根据权利要求19所示的移动设备，其中，所述双晶压电材料 包括平行压电材料。
21. —种方法，包括提供具有第一侧和第二侧的传感器/致动器设备，所述传感器/致 动器设备包括包含压电材料的压力元件，所述压力元件包括 压力致动器；以及与所述压力致动器耦合的至少一个压力传感器，其中，所述压力致动器和所述至少一个压力传感器包括共同元件；提供具有第一侧和第二侧的显示器，所述显示器的所述第 一侧的 位置与所述传感器/致动器设备的所述第 一 侧相对；响应于施加于所述显示器的力，检测所述至少一个压力传感器的 激活；以及响应于所述压力传感器的所述激活，操作所述压力致动器以提供 触觉反々责。
22. 根据权利要求21所述的方法，其中，所述传感器/致动器设 备和所述显示器的每一个包括大体上是矩形的区域。
23. 根据权利要求21所述的方法，其中，所述检测包括测量越过 所述至少一个压力传感器的电位差。
24. 根据权利要求22所述的方法，其中，所述测量包括使用差电 测量设备。
25. 根据权利要求22所述的方法，其中，所述检测还包括将所述 电位差与阈值进行比较。
26. 根据权利要求21所述的方法，其中，所述操作包括将电压施 加于所述致动器。
27. 根据权利要求21所述的方法，其中，所述操作包括将多个电 压施加于所述致动器。
28. —种设备，包括具有第一侧和第二侧的传感器/致动器设备，所述传感器/致动器 设备包括包含压电材料的压力元件，所述压力元件包括 压力致动器；以及与所述压力致动器耦合的至少一个压力传感器， 其中，所述压力致动器和所述至少一个压力传感器包括 共同元件；具有第一侧和第二侧的显示器，所述显示器的所述第一侧的位置与所述传感器/致动器设备的所述第一侧相对；用于响应于施加到所述显示器的力而^f全测所述至少一个压力传 感器的激活的装置；以及用于响应于所述压力传感器的所述激活而操作所述压力致动器 以提供触觉反馈的装置。
29. 根据权利要求28所述的设备，其中，所述传感器/致动器设 备和所述显示器的每一个包括大体上是矩形的区域。
30. 根据权利要求28所述的设备，其中，所述共同元件包括电极。
31. 根据权利要求28所述的设备，其中，所述用于检测的装置包 括耦合存储器与差电测量设备的处理器，所述差电测量设备耦合至所 述至少一个压力传感器。
32. 根据权利要求28所述的设备，其中，所述用于操作的装置包括与所述压力致动器和处理器耦合的电压泵。
全文摘要
一种包含压力元件的设备，包括压电材料，所述压力元件包括压力致动器和与该压力致动器耦合的至少一个压力传感器，其中，所述压力致动器和所述至少一个压力传感器包括共同元件。
文档编号G06F3/041GK101341605SQ200680048116
公开日2009年1月7日 申请日期2006年11月7日 优先权日2005年11月8日
发明者J·蒂奥维南, P·莱蒂南 申请人:诺基亚公司