具有触觉反馈的摩擦电传感器的制作方法

本申请要求于2017年1月6日提交的美国临时专利申请第62/443193号的优先权，故通过引用的方式将该临时专利申请整体并入本文。

本公开内容涉及用户输入设备。更具体地，本公开内容涉及基于摩擦电传感器的用户输入设备。

背景技术：

与诸如计算机、家用电器或汽车控制台之类的电子设备的交互的特征在于使用机械开关(键盘、按钮、旋钮等)作为给定系统执行动作的输入机制。许多电器中的开启/关闭开关是机械开关，当按下时电流通过开关，但未按下时对电流产生很大的阻力。在计算机键盘中使用用户施力输入所需字母的开关。一些最近发展包括使用触敏技术来代替机械开关。正在使用电容式、电阻式、或基于光学的接近或触摸传感器来代替机械开关和旋钮，例如汽车控制台中的那些机械开关和旋钮。触敏显示器被嵌入到如移动电话、平板电脑甚至atm机等的系统中。然而，传统的触敏技术具有的主要缺点是用户缺乏触摸感。也就是说，用户不能像感觉机械开关的操作那样感觉到这些设备的操作。

传统触摸传感器的示例在图1a和图1b中示出。图1a示出了根据现有技术的机械开关。墙壁开关102可以包括杆104。当用户操作墙壁开关102时，用户感觉到杆104的移动。图1b示出了根据现有技术的电容式触摸屏。移动设备110的电容式触摸屏112可以将用户输入感应成如图表114所示的静电场中的扰动。该场可以被处理用于确定用户输入的位置。但是，用户感觉不到静电场。显示这种差异的一个示例是采用传统键盘与触摸屏设备键盘进行打字对比。使用传统键盘，用户能够感受到按下按键的动作，这使用户确认正在发生的动作。使用触摸屏键盘，动作的确认必须通过其他方式，通常是光学或声音确认，但不是真实的触摸感觉。

此外，与传统触摸传感器的交互仅限于其内置的表面的感觉。例如，当与触摸屏交互时，人的手指感知玻璃的表面。在机械开关的情况下，当需要动作时，用户能够感觉到正在发生的动作。在两个示例中反馈都是固定的。

以上仅描述了传统电子设备以及这些设备的输入和输出的一些缺点。然而，这些缺点示出了需要进一步改进改进用户输入和用户反馈，以提高电子设备(例如灯开关或消费者智能电话)与用户交互的能力。

技术实现要素：

摩擦电传感器能够用于通过触摸感提供电子设备和人之间的交互。摩擦电传感器可以确定用户例如用他们的手或手指施加到传感器的力的大小，并将施加的力转换成电信号。该电信号可以被处理并用于控制电子设备的操作。然后电子设备可以通过触摸感向用户提供触觉反馈。触觉反馈组件(例如致动器)可以与基于摩擦电的组件(例如摩擦电传感器)集成，作为电子设备(例如智能电话)中的组件的一部分。例如，触觉设备和摩擦电传感器可以构造在同一基底上，使得设备共同位于同一基底上。此外，在一些示例中，触觉设备和摩擦电传感器可以构造在同一基底上并共享公共有源层。整个说明书中的示例展示了一种新颖的能够重建触摸感的触摸传感器技术，该技术给予用户与触摸传感器交互的感觉，并且允许使用机械开关不可能实现的定制的动态反馈。本文所述设备的触摸感应能力可以利用摩擦电效应的设备实现。在一些示例中，基于摩擦电的传感器能够是自供电的。触摸传感器可以与压电致动器集成以通过例如振动的触觉反馈重建触摸感。具有触觉反馈的触摸传感器可以在刚性或柔性基底上制造。具有触觉反馈的机械灵活触摸传感器允许设计更轻、更小、更优雅的触摸界面。根据本文描述的示例构造的设备能够用于代替在电器、汽车控制台、外围输入设备(例如键盘、键垫等)中的机械开关。

在本文描述的一些示例性设备中，传感器可以是薄膜设备。此外，触摸传感器还能够用作力传感器，以允许不只来自用户的简单二进制开启/关闭输入。作为示例，由系统记录的第一触摸事件能够用于打开汽车的立体声，并且随后的一直增加的力的触摸事件能够用于增加音量。能够通过触觉反馈向用户提供关于这些输入的反馈，以重建按下开关或与开关交互的实际感觉。例如，每次用户触摸开关时，触摸的几乎瞬间可以产生小的振动。当使用者更用力地按压时，振动同样可以增加振幅。

使用摩擦电薄膜的触摸/力传感器可以结合到消费电子设备(例如移动设备、电源开关、音量控制或其他输入设备)中。应用不限于所描述的那些，而是可以用作例如任何机械开关的替代或补充。基于摩擦电的传感器的其他示例用途还包括车辆中的机械开关(例如发动机起动、门、窗、座椅等)。

根据一个实施例，一种装置可以包括基底上的基于摩擦电的组件，以及与基于摩擦电的组件共同位于同一基底上并且被配置为一起操作的触觉反馈组件。

根据另一实施例，一种操作具有基于摩擦电的组件和共同位于基底上的触觉反馈组件的电子输入设备的方法可以包括从基底上的基于摩擦电的组件接收输入信号并产生驱动基底上的触觉反馈组件的输出信号的步骤。

根据另一实施例，一种装置可以包括用户输入设备(例如开关)，其包括基底上的基于摩擦电的组件和与基于摩擦电的组件共同位于同一基底上并且被配置为一起操作的触觉反馈组件。

根据又一实施例，无线键盘可以包括多个键，每个键包括基底上的基于摩擦电的组件，以及与基于摩擦电的组件共同位于同一基底上并且被配置为一起操作的触觉反馈组件。无线键盘还可以包括无线通信模块，该无线通信模块耦合到多个键并且被配置为通过多个键中的每个基于摩擦电的组件发送在多个键处接收的用户输入。

摩擦电薄膜层可包括在全氟共聚物、聚偏二氟乙烯(pvdf)、pvdf共聚物、聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚四氟乙烯(例如teflon^tm)、聚合物泡沫、聚(甲基丙烯酸甲酯)-聚(1h,1h-全氟辛醇甲基丙烯酸酯)共聚物、氟化聚合物和负电性聚合物中的至少一种。可以修改摩擦电薄膜以增加摩擦系数，例如通过在薄膜上形成相似或不同尺寸的多个柱。基于摩擦电的传感器和基于摩擦电的传感器的其他部分或全部可以是柔性的。例如，传感器或装置可以在聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)、聚碳酸酯(pc)、pmma、聚酰亚胺和/或另一种热塑性材料中的至少一种上形成。在一些实施方案中，基底也可以是透明的。

用于基于摩擦电的传感器的摩擦电薄膜可以通过现在或将来开发的制造过程制造。在一些实施例中，摩擦电薄膜可以是通过在非极性溶剂(例如苯)中的自由基聚合合成的全氟共聚物或其他统计共聚物。在一个实施例中，全氟共聚物可以包括聚(甲基丙烯酸甲酯)-聚(1h,1h-全氟辛醇甲基丙烯酸酯)共聚物，其可在惰性气体条件下通过自由基聚合合成。在一些实施例中，全氟共聚物的分子重量约为10000-50000，并且分散比约为1.5-2.5。在一些实施例中，全氟共聚物可以具有重量比大于约百分之五十的控制全氟链段。

基于摩擦电的传感器或装置可以执行促进对在基于摩擦电的传感器处接收的用户输入的进行处理和传输的步骤。处理器或其他逻辑电路可以通过硬件、软件和/或固件配置来执行以下步骤：在触摸设备的基于摩擦电的传感器处接收所施加的力；在触摸设备的基于摩擦电的传感器处将施加的力转换为电信号；通过触摸设备的基于摩擦电的传感器将电信号传输到例如应用处理器的逻辑电路；通过逻辑电路产生响应于和/或基于电信号的触觉反馈信号；和/或将触觉反馈信号输出到触觉反馈设备。

为了更好地理解随后的详细描述，前面已经相当广泛地概述了本发明实施例的某些特征和技术优点。下文将描述构成本发明权利要求主题的其他特征和优点。本领域普通技术人员应该理解，所公开的概念和具体实施例可以容易地作为用于实现相同或类似目的其他结构的修改或设计的基础。本领域普通技术人员还应该认识到这种等效构造不脱离所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围。当结合附图考虑时，将更好地从以下描述中理解其他特征。然而应该清楚地理解提供的每个附图仅用于说明和描述的目的而不是限制本发明。

附图说明

为了更完整地理解所公开的系统和方法，现在参考结合附图的以下描述。

图1a示出了根据现有技术的机械开关。

图1b示出了根据现有技术的电容式触摸屏。

图2示出了根据本公开内容的一些实施例的具有触觉反馈的基于摩擦电的传感器。

图3是示出了根据本公开内容的一些实施例的具有与触觉反馈致动器共同位于基底上的基于摩擦电的传感器的装置的框图。

图4是示出了根据本公开内容的一些实施例的用于操作基于摩擦电的传感器的示例性方法的流程图。

图5示出了根据本公开内容的一些实施例的基于摩擦电的传感器和触觉反馈致动器共同位于基底上的横截面图。

图6a示出了根据本公开内容的一些实施例的具有共享电极的、共同位于基底上的触觉反馈致动器和基于摩擦电的传感器的框图。

图6b示出了根据本公开内容的一些实施例的具有共享电极的多个触觉反馈致动器和基于摩擦电的传感器共同位于基底上的框图。

图6c示出了根据本公开内容的一些实施例的基于摩擦电的传感器和另一种布置的触觉反馈致动器共同位于基底上的框图。

图7a示出了根据本公开内容的一些实施例的用于具有负电性摩擦电层的基于摩擦电的传感器的薄膜的横截面图。

图7b示出了根据本公开内容的一些实施例的用于具有正电性摩擦电层的双面基于摩擦电的传感器的薄膜的横截面图。

图7c示出了根据本公开内容的一些实施例的用于具有两个薄膜电极的触觉反馈致动器的薄膜的横截面图。

图8示出了根据本公开内容的一些实施例的用于接收输入和提供触觉反馈的系统的框图。

图9示出了根据本公开内容的一些实施例的基于摩擦电的传感器阵列和触觉反馈致动器阵列共同位于基底上的俯视图。

图10a示出了根据本公开内容的一些实施例的成对的基于摩擦电的传感器和触觉反馈致动器的俯视图。

图10b示出了根据本公开内容的一些实施例的垂直集成的成对的基于摩擦电的传感器和触觉反馈致动器的俯视图。

图10c示出了根据本公开内容的一些实施例的传感器部分地围绕致动器的成对的基于摩擦电的传感器和触觉反馈致动器的俯视图。

图11示出了根据本公开内容的实施例的垂直集成的基于摩擦电的传感器和触觉反馈致动器的横截面图。

图12示出了根据本公开内容的一些实施例的随作用于压电材料的施加电压变化而变化的位移的曲线图。

图13示出了根据本公开内容的一些实施例的随作用于15μm的pvdf-三氟乙烯无规共聚物(pvdf-trfe)压电材料的施加电压变化而变化的功耗的曲线图。

图14示出了根据本公开内容的一些实施例的随作用于15μm的pvdf-trfe-氯氟乙烯三元共聚物(cfe)压电材料的施加电压变化而变化的功耗的曲线图。

图15示出了根据本公开内容的一些实施例的随作用于15μm的pvdf-trfe压电材料的施加电压变化而变化的功耗的曲线图。

图16示出了根据本公开内容的一些实施例的随作用于30μm的pvdf-trfe压电材料的施加电压变化而变化的功耗的曲线图。

图17示出了根据本公开内容的一些实施例的随频率变化而变化的位移幅度的曲线图。

图18示出了根据本公开内容的一些实施例的通过无线连接用于接收输入和提供触觉反馈的系统的框图。

图19示出了根据本公开内容的一些实施例的采用与触觉反馈致动器共同位于基底上的基于摩擦电的传感器的用于移动计算机设备的无线键盘的框图。

图20示出了根据本公开内容的一些实施例的通过无线连接用于接收输入和提供触觉反馈的系统的框图。

图21示出了根据本公开内容的一些实施例的采用与触觉反馈致动器共同位于基底上的基于摩擦电的传感器的用于操作电子装置的无线开关的框图。

图22示出了根据本公开内容的一些实施例的采用与触觉反馈致动器共同位于基底上的基于摩擦电的传感器的用于操作电子装置的无线开关的框图。

图23示出了根据本公开内容的一些实施例的采用基于摩擦电的传感器的电子装置的框图。

图24是根据本公开内容的一些实施例的具有薄膜电阻的基于摩擦电的传感器的俯视图。

图25a示出了根据本公开内容的一些实施例的在控制按钮中结合了与触觉反馈致动器共同位于基底上的基于摩擦电的传感器的移动设备的示例。

图25b示出了根据本公开内容的一些实施例的在显示器屏幕中结合了与触觉反馈致动器共同位于基底上的基于摩擦电的传感器的移动设备的示例。

图25c示出了根据本公开内容的一些实施例的在方向控制垫中结合了与触觉反馈致动器共同位于基底上的基于摩擦电的传感器的移动设备的示例。

具体实施方式

图2示出了根据本公开内容的一些实施例的具有触觉反馈基于摩擦电的传感器。可以用基于摩擦电的传感器代替机械开关。然而，诸如摩擦电传感器之类的薄膜传感器缺乏对用户的物理反馈。采用传统的机械开关，通过杠杆的运动向用户提供反馈。基于摩擦电的传感器可以包括例如致动器之类的触觉反馈器件，以向操作该基于摩擦电的传感器的用户提供反馈。例如，当用户触摸基于摩擦电的传感器时，触觉反馈器件会振动以给用户提供触感来指示用户的输入已被接收。基于摩擦电的传感器和触觉反馈器件可以是薄膜器件，并且因此允许诸如墙壁开关之类的电子器件具有浅的轮廓。基于摩擦电的传感器和触觉反馈器件可以共同位于同一基底上和/或共享有源层。下面进一步描述针对电子器件的配置，例如图2中所示的开关。

图3示出了根据本公开内容的一些实施例的具有与触觉反馈致动器共同位于基底上的基于摩擦电的传感器的装置的框图。装置300可以在基底310上包括力传感器302、耦合到传感器302的集成电路(ic)(未示出)、以及触觉反馈致动器304。基底310可以是pet、pen、pc、pmma、聚酰亚胺、聚对二甲苯聚合物(例如聚对二甲苯-c)、其他热塑性材料、或其他柔性或非柔性基底材料中的一种。电极306可以将传感器302耦合到逻辑电路，例如耦合到应用处理器或耦合到应用处理器的接口。电极308a-b可以将致动器304耦合到逻辑电路，例如耦合到电极306的同一应用处理器或接口。基于装置300的设计中涉及的其他因素，可以使用更多或更少的电极将电路耦合到传感器302和致动器304。在一个示例中，可以使用单个电极代替电极306和308a耦合到传感器302和致动器304。电极306和308a-b可以由铝、铜、银、氧化铟锡(ito)、氧化锡、氟掺杂的氧化锡、掺杂铝的氧化锌、掺杂镓的氧化锌、pedot：pss、或其它导电材料或合金制成。可以基于预期用途、预期的力的量和/或施加力的方式来确定装置300的尺寸。在一个示例中，装置300可以适合于与单个人手指垫或指尖相互作用，指垫或指尖的长度和/或宽度是大约5mm至大约25mm，或者至少等于或介于5mm、10mm、15mm、20mm和25mm中任何两个之间。

可以控制共置的基于摩擦电的传感器和触觉反馈致动器以接收用户输入并向用户提供响应反馈。图4中示出了用于操作例如图3中的装置中的共置的传感器和致动器的方法。图4是示出了根据本公开内容的一些实施例的用于操作基于摩擦电的传感器的示例性方法的流程图。方法400可以在框402处以从基于摩擦电的传感器接收用户输入信号开始。用户输入信号可以是例如由传感器产生的模拟波形或通过处理传感器输出而获得的数字信号。接下来，在框404处，可以处理用户输入信号以确定例如用户在传感器上施加了多少力、用户触摸了传感器阵列中的位置等。然后，在框406处，可以生成反馈信号以控制与基于摩擦电的组件共置于同一基底上的触觉反馈致动器。

基于摩擦电的传感器可以与触觉反馈致动器协同操作，使得致动器中的反馈旨在向用户传达输入已被接收的感觉。在这样的示例中，可以响应于在框402处接收到用户输入信号来自动生成反馈。此外，可以基于用户输入信号生成反馈信号。例如，触觉反馈的幅度可以基于在基于摩擦电的传感器处接收的力的幅度。除了仅确认用户输入之外，触觉反馈致动器还可以或替代地用于根据操作提供实质性反馈。例如，框404处的处理可以确定用户是否在不正确的时间或位置提供了输入，并且在框406处生成触觉反馈，该触觉反馈在用户手指附近提供振动以指示不正确的反馈。这种反馈的一个应用可以是当用户在测验游戏中回答问题错误时的振动反馈。

具有触觉反馈的摩擦电传感器可以由如图5的示例所示的薄膜构成。图5示出了根据本公开内容的一些实施例的基于摩擦电的传感器和触觉反馈致动器共置于基底上的横截面图。在一些实施例中，传感器和致动器可以共享活性材料层。例如，一个层可以用作一个器件中的摩擦电层，和共置于同一基底上的另一器件中的压电层。图5示出了穿过图3的传感器302和致动器304的一个示例的横截面。底部电极506和摩擦电层504可以构成传感器302。底部电极506、摩擦电层504和顶部电极502可以构成致动器304。诸如ac电压源512的激励可以耦合到致动器304的电极502和506，以生成触觉反馈。感应电阻器514可以耦合到传感器302的底部电极506以提供表示由传感器302接收的用户输入的信号。在一些实施例中，感应电阻器514可以是与传感器302和致动器304共置于基底310上的薄膜电阻器。

摩擦电/压电层504可以是负电性的摩擦电层或正电性的摩擦电层。负电性摩擦电层的示例包括pvdf及其共聚物(例如，pvdf-trfe、pvdf-trfecfe和pvdf-六氟丙烯无规共聚物(hfp)、pdms、pmma、聚四氟乙烯(例如teflon)、聚合物泡沫、聚(甲基丙烯酸甲酯)-聚(1h,1h-全氟辛醇甲基丙烯酸酯)共聚物和其他负电性聚合物、及其他负电性聚合物。正电性摩擦电层的示例包括人手(例如当只有一个电极耦合到摩擦电层时)、醋酸盐、云母、聚酰亚胺(例如尼龙)和其他正电性聚合物。压电层的示例包括pvdf及其共聚物(pvdf-trfe、pvdf-trfecfe和pvdf-hfp)、聚对二甲苯-c、多孔聚丙烯、多孔pen、空隙带电聚合物、基于聚合物的驻极体、具有聚合物基质的压电复合材料和其他具有压电效应的材料。在一些配置中，触摸传感器和触觉反馈致动器都可以由相同的活性聚合物材料制成。例如，当压电材料是负电性时，形成致动器的同一压电材料可以用作触摸传感器中的摩擦电层。在一些配置中，不同的活性材料(例如上面列出的材料)可以用于触摸传感器和触觉反馈致动器。

传感器302和致动器304可以通过光刻和沉积步骤的组合形成。例如，层506、504和502中的每一个层可以在基底310上沉积并且随后被图案化以形成单独的传感器302和致动器304。作为另一示例，牺牲层可以沉积在基底310上并被图案化以形成对应于传感器302和致动器304的开口。层506、504和502可以沉积在该开口中，并且牺牲层被剥离以留下传感器302和致动器304。其他制造过程可以用于形成传感器302和致动器304，例如薄膜沉积和图案化方法、丝网和喷墨印刷、化学气相沉积、物理气相沉积、以及溶液处理方法。当在柔性基底上制造传感器302和致动器304时，可以基于柔性基底的使用来限制处理步骤，例如通过利用135摄氏度的最大处理温度。

基于摩擦电的传感器和触觉反馈致动器可以具有与图3中所示的不同的布置。该系统能够形成为具有由如图6a所示的单个触摸传感器和单个触觉致动器、如图6b所示的单个触摸传感器和具有不同或相同尺寸的串行连接的多个触觉致动器、如图6c所示的单个触摸传感器和多个独立的触觉反馈致动器、多个触摸传感器和单个或更多个致动器、或将触摸感应和触觉反馈都集成在特定区域中的任何其他可能的组合。图6a、6b和6c示出了传感器和致动器的不同布置。然而，这些都不是限制性示例。传感器和致动器的布置可以基于消费者设备要求和特征来选择。

图6a是示出了根据本公开内容的一些实施例的具有共享电极的共置于基底上的基于摩擦电的传感器和触觉反馈致动器的框图。系统600可以包括共置于基底310上的基于摩擦电的传感器302和触觉反馈致动器304。虽然显示以横向相邻放置，但是传感器302和致动器304可以是不同的配置，例如彼此偏离中心、沿另一个轴对齐、或对角对齐。此外，尽管示出了两个电极306和308，其中，传感器302和致动器304共享电极306，但是可以存在不同数量的电极。

图6b示出了根据本公开内容的一些实施例的具有共享电极的共置于基底上的基于摩擦电的传感器和多个触觉反馈致动器框图。系统610可以包括基于摩擦电的传感器302和触觉反馈致动器304a-304n。触觉反馈致动器304a-304n可以以“雪人”配置方式与电极306和308串联耦合。在另一示例中，触觉反馈致动器304a-304n可以并行联接或以串联和并联的组合连接。尽管显示以横向相邻放置，但是传感器302和触觉反馈致动器304a-304n可以是不同的配置，例如彼此偏离中心、沿另一轴对齐或者对角对齐。此外，尽管示出了两个电极306和308，传感器302和致动器304共享电极306，但是可以存在不同数量的电极。

图6c示出了根据本发明的一些实施例的具有另一种布置的触觉反馈致动器和基于摩擦电的传感器共同位于基底上的框图。系统620可以包括基于摩擦电的传感器302和触觉反馈致动器304a-304n。触觉反馈致动器304a-304n可以由每个致动器通过具有单独配对的引线608a-608n单独寻址。尽管显示以圆形配置放置，但是传感器302和触觉反馈致动器304a-304n可以是不同的配置，例如彼此偏离中心、沿轴线对齐或对角对齐。此外，触觉反馈致动器304a-304n可以布置成星形、x形、椭圆形、矩形、正方形、三角形或其他形状。

构成基于摩擦电的传感器和触觉反馈致动器的薄膜的配置可以采用多种形式中的一种而不管图6a、图6b和图6c的俯视图中所示的传感器和致动器的拓扑结构如何。一些示例性薄膜配置在图7a、图7b和图7c中示出。

图7a示出了根据本发明的一些实施例的用于具有负电性摩擦电层的摩擦电传感器的薄膜的横截面图。分层堆叠700可以在合适的基底310的顶部上的合适的导电材料(例如电极)506的顶部上包括合适的摩擦电材料504，以形成在此描述的示例性装置、系统和设备中使用的单个电极触摸/力传感器。摩擦电层504可以是例如负电性摩擦电层。在一些设备配置中，可以是薄膜电阻的电阻710可以耦合到电极以将电信号从摩擦电层504传送到其他电路。

另一示例性的基于摩擦电的触摸传感器能够具有如图7b中所示的双电极配置。图7b示出了根据本发明的一些实施例的用于具有正电性摩擦电层的双面的基于摩擦电的传感器的薄膜的横截面图。在层堆叠710中，通过使用合适的间隔物702产生的物理间隙存在于第二导电材料(例如电极)706下方的第二摩擦电层704之间，第二导电材料706位于第二基底708下方。摩擦电层704可以是例如正电性摩擦电层。触摸传感器操作可以基于接触带电原理，其中当具有相反电亲和力的两种材料接触时产生电荷。例如，由于接触带电原理(例如摩擦带电)，当人的手指触摸摩擦电层时可以产生电荷。电极接触部712a和712b可以分别耦合到电极506和706。

图7c示出了根据本发明的一些实施例的用于具有两个薄膜电极的基于压电的触觉反馈致动器的薄膜的横截面图。在分层堆叠730中，合适的压电材料504位于两个合适的导电层(例如底部电极和顶部电极)502和506之间。在施加例如来自ac信号源512的交变电场时，压电层504改变其体积以创建能够用于重建触感的内在振动。可以调整ac信号源512的幅度和频率来提供定制的、动态的触觉反馈。

在一种情况下，触摸传感器和触觉反馈致动器都能够由相同的活性聚合物材料制成。在一个示例中，形成致动器的相同压电材料可以用作触摸传感器中的摩擦电层。在这种配置中，压电材料可以是负电性的。在另一示例中，不同的活性材料可以用于触摸传感器和触觉反馈致动器。

图8示出了根据本发明的一些实施例的用于接收输入和提供触觉反馈的系统的框图。在系统800中，基于摩擦电的传感器812可以耦合到读出电路822。基于摩擦电的触摸传感器能够具有在国际专利申请pct/ib2017/053471和pct/ib2017/053473中描述的任何特征，其内容通过引用并入本文。读出电路822可以从基于摩擦电的传感器810的电极接收信号。读出电路822可以被配置为寻址在阵列中的各个传感器和/或解释接收自传感器812的信号。用户输入信号可以由读出电路822产生并输出到处理器830的信号处理块832。

处理器830可以包括信号处理块832和应用处理块834，以及其他功能块。信号处理块832可以处理用户输入信号以改善信号特性，例如信噪比，和/或确定用户输入。例如，信号处理块832可以确定用户触摸的显示屏部分。作为一个示例，信号处理块832可以基于用户对传感器810的输入来确定用户在弹出的消息框中对“ok”按钮提供输入。作为另一示例，信号处理块832可以基于用户对传感器810阵列的输入来确定用户在屏幕上向上、向前、向后或向下滑动。应用处理块834可以基于在信号处理块834中检测到的用户输入来采取动作。例如，当用户输入按下弹出消息框中的“ok”按钮时，应用处理块834可以使在智能电话上执行的移动应用程序关闭弹出消息框。作为另一示例，当用户输入是向上、向前、向后或向下滑动时，应用处理块834可以使在智能电话上执行的移动应用移动到下一页或上一页内容。作为应用程序的执行的一部分，应用程序处理块834可以使得触觉反馈被提供给用户。

当需要触觉反馈时，应用处理块834可以操作触觉控制器824以驱动触觉反馈设备814。触觉控制器824可以包括驱动器，该驱动器包括信号发生器、功率放大器以及启用两者的适当的电路。在一些实施例中，触觉控制器824使用传统的基于硅的电子器件和/或使用薄膜电路嵌入在有源层膜内来实现。当存在触觉反馈设备阵列时，触觉控制器824可以包括用于寻址各个触觉反馈设备和控制所寻址的一个或更多个设备以产生由应用处理块834指示的触觉反馈的电路。触觉控制器824能够重建不同的激励。反馈器件814的振动能够通过形状(例如阶跃函数、正弦曲线、脉冲等)、频率(例如1hz至100000hz)、幅度(例如20v至200v)和/或发送到器件814的驱动信号的占空比来控制。

模块822、824、832和/或834可以包括被配置为执行本文描述的操作的电路。在一些实施例中，模块在通用处理器或数字信号处理器上实现并且可以包括软件代码，该软件代码在被执行时使处理器执行本文描述的操作的。在一些实施例中，可以使用固件来配置电路或其他硬件。

通过向触觉反馈设备提供特定驱动信号(例如通过在阶跃函数、正弦函数和脉冲函数之间改变)能够重建不同的感觉，但是也能够由具有不同几何形状和/或尺寸(如图6b和图6c所示)的致动器提供不同的感觉，其中不同的反馈器件能够传递不同的力，因此对用户产生不同感觉。另一种配置可以包括具有不同输入信号的独立操作的致动器(如图6c所示)，例如在给定区域中提供反馈定位(例如通过选择性地激活一些致动器来激励指垫的局部区域)。

为了提供附加特征、改进的灵敏度或其他特征，可以将触觉反馈致动器和基于摩擦电的传感器组织成阵列。可以通过例如图8的触觉控制器和读出电路来访问阵列。图9示出了这种传感器和致动器阵列的一个示例。图9示出了根据本发明的一些实施例的具有触觉反馈致动器阵列和基于摩擦电的传感器阵列共同位于基底上的俯视图。阵列900可以包括通过互连904耦合到驱动器和/或读出电路的基于摩擦电的传感器302和触觉反馈致动器304。读出电路可以包括多路复用器。多路复用器可以被配置为提供阵列900中组件的单独寻址。一个基于摩擦电的传感器302可以与组902a中的一个或更多个触觉反馈致动器304相关联。一个或更多个组902a、902b、...、902n可以用在电子设备的阵列900中。诸如组902a-n之类的传感器阵列可以用于在开关或其他电子设备的表面区域(例如至少一个平方厘米)之间获得大约1mm至15mm或者任意值的触摸分辨率。

触觉反馈致动器和基于摩擦电的传感器的组902a的一些示例性配置在图10a、图10b和图10c中示出。图10a示出了根据本发明的一些实施例的成对的基于摩擦电的传感器和触觉反馈致动器的俯视图。在图10a中，触摸传感器302具有方形几何形状并且触觉反馈设备304被示出具有圆形几何形状，触摸传感器相邻或紧邻触觉反馈设备。图10b示出了根据本发明的一些实施例的垂直集成的成对的基于摩擦电的传感器和触觉反馈致动器的俯视图。在图10b中，触摸传感器302位于触觉反馈致动器304的上面。图10c示出了根据本发明的一些实施例的传感器部分地围绕致动器的成对的基于摩擦电的传感器和触觉反馈致动器的俯视图。在图10c中，触觉反馈致动器304和基于摩擦电的传感器302中的每一个具有圆形几何形状，致动器304位于中心并且触摸传感器302至少部分地围绕致动器304以环状配置。

如图10b所示，在传感器上堆叠触觉反馈致动器的配置的实施例中，传感器和致动器可以共享层，例如如图11所示的导电电极层。图11示出了根据本发明的实施例的垂直集成的基于摩擦电的传感器和触觉反馈致动器的横截面图。堆叠1100示出了基底1102和底部电极1104、触觉反馈有源层1106(例如压电层)、顶部电极1108和基于摩擦电的层1110(例如负电性摩擦电层)。

已经制造样品设备并测量了那些样品设备的特征。例如，用30微米厚的pvdf-trfe层活性压电材料制造设备。测量随50％占空比方波的施加电压变化而变化的位移并示于图12中。图12示出了根据本发明的一些实施例的随作用于压电材料的施加电压变化而变化的位移的曲线图。在大约20v时，样品致动器的位移为4.9μm，而在200v时最大位移为65μm。位移和电压之间的关系在20至200伏大概是线性的。人手指的可检测性的下限为0.2μm。因此，样本设备提供足够的位移以向人类用户提供触觉反馈。可以操纵样本设备的位移值以具有更多或更少的位移。例如，如果期望较低的位移值，则可以向致动器添加权重以减小位移。

功耗能够是电子装置设计中的考虑因素，尤其是无源设备或由电池供电的移动设备。图13和图14示出了样本设备的对于三个不同频率的随输入电压变化而变化的平均功耗。图13示出了根据本发明的一些实施例的随作用于15μm的pvdf-trfe压电材料的施加电压变化而变化的功耗的曲线图。图14示出了根据本发明的一些实施例的随作用于15μm的pvdf-trfe-cfe压电材料的施加电压变化而变化的功耗的曲线图。即使在大电压和频率条件下(例如200v、300hz)，基于聚合物的设备对于pvdf-trfe显示出118mw的低功耗、对于pvdf-trfe-cfe显示出180mw的低功耗。可以基于期望的操作能力来降低功耗，例如通过限制某些感觉(和力等级)来降低功耗。可以通过例如在接通电池电源时或当电池电量低于某个阈值(例如低于50％)时限制输入电压和/或频率来限制功耗。例如，除非插入移动设备，否则输入电压可以被限制小于100伏。此外，能够根据压电材料的厚度调整功耗，这也可能改变设备的操作能力，如图15和图16所示。图15示出了根据本发明的一些实施例的随作用于15μm的pvdf-trfe压电材料的施加电压变化而变化的功耗的曲线图。图16示出了根据本发明的一些实施例的随作用于30μm的pvdf-trfe压电材料的施加电压变化而变化的功耗的曲线图。

在不同频率下测试样本设备以确定pvdf-trfe压电材料的频率响应，并且在图17中示出了结果。图17示出了根据本发明的一些实施例的频率变化而变化的位移幅度的曲线图。在0至100khz没有显示共振频率表明压电致动器能够在高达100khz的频率下工作。可以通过压电致动器提供不同的频率振动以向用户提供不同的反馈。

在该设备的一些应用中，无线通信可以与基于摩擦电的传感器和触觉反馈设备集成，以允许通过如图18、图19和图22所示的远程处理设备接收用户输入，或者基于来自如图20和图21所示的设备的远程用户输入来控制设备。

图18示出了根据本发明的一些实施例的通过无线连接用于接收输入和提供触觉反馈的系统的框图。基于摩擦电的传感器812和触觉反馈设备814可以共同位于基底810上，并且在一些配置中共享有源层。同位置的传感器812和致动器814可以耦合到具有电路配置为读出电路822和触觉控制器824的集成电路1812。在一些实施例中，ic1812可以是传统的集成电路或类似于同位置的传感器812和致动器814制造的基于薄膜的集成电路。ic1812和同位置的设备810可以集成为电子设备1810，例如用户控制的开关。电子设备1810可以包括用于与远程设备1820的天线1824通信的天线1814。远程设备1820可以包括用于信号处理块832和应用处理块834的处理功能块。在基于摩擦电的传感器812处接收的触摸/力输入由读出电路822接收并发送给远程设备1820。远程设备1820可以在信号处理块832中处理用户输入并确定应用处理块834中的行为过程。可以将信号从远程设备1820发送回设备1810以使得触觉控制器824激活触觉反馈设备814。在一些配置中，触觉控制器824可以在接收到传感器812处的用户输入时立即激活触觉反馈设备814，以向用户提供即时反馈。触觉控制器824可以随后再次激活触觉反馈设备814来响应来自远程设备1820的指令。图18的配置可以通过从设备移除复杂逻辑电路并将该电路放置在远程设备1820中来降低设备1810的成本。远程设备1820可以是例如已经具有足够处理能力的用于执行信号处理块832和应用处理块834所需的处理的智能电话或计算设备。

图18的配置的一个示例性应用是用于如图19所示的计算设备的无线键盘。图19示出了使用根据本发明的一些实施例的共同位于基底上的触觉反馈致动器和基于摩擦电的传感器的移动计算设备的无线键盘的框图。诸如平板计算机或智能电话之类的移动计算设备1920可以通过通信网络耦合到无线键盘1910。无线键盘1910可以包括用于字母、数字、符号、命令等的多个键，其中每个键是共同位于同一基底上的基于摩擦电的传感器1912和触觉反馈致动器1914的组合。因为没有如传统键盘中的机械开关而是基于薄膜技术，无线键盘1910可以是薄的。即使没有机械开关，键也可以通过激活触觉反馈致动器1914为用户产生类似于机械键盘的反馈。例如，每当用户触摸基于摩擦电的传感器1912的键时，指示被按下的键或字母的信号可以被发送到移动计算设备1920，并且触觉反馈致动器1914振动以向用户提供正反馈。与传统键盘相比，无线键盘1910的薄特性可以改善键盘的移动性而不会影响用户对键盘的操作。来自键的触觉反馈致动器1914的反馈向用户提供与机械键类似的物理感觉但是没有机械键的空间和刚性。此外，柔性基底可以用于制造构成键盘1910的键的传感器和致动器的薄膜，其允许可折叠、可卷曲、可弯曲或其他可延展的键盘。

用于电子设备的另一种配置可以将处理功能块与传感器和致动器以及无线通信集成，以允许一些本地处理指令和无线传输。图20示出了根据本发明的一些实施例的通过无线连接来接收输入和提供触觉反馈的系统的框图。集成电路2010可以包括读出电路822、信号处理块832、应用处理块834和触觉控制器824。集成电路2010可以耦合到具有天线2022的无线通信无线电装置2020。无线通信无线电装置2020可以包括蓝牙无线电、wi-fi无线电、zigbee无线电、rfid无线电、蜂窝无线电等中的一个或多个。在ic2010的一些配置中，ic可以集成无线通信无线电2020和/或天线2022。集成电路2010可以耦合到共同位于基底810上的传感器812和致动器814。在一些配置中，集成电路2010可以由薄膜构建并且与传感器812和致动器814同一基底(例如基底810)上构建。以这种方式集成的传感器812、致动器814和ic2010可以产生电子设备的最小封装尺寸。

如图21所示，图20的配置的一个示例性应用是用于操作电子装置的无线开关。图21示出了使用根据本发明的一些实施例的共同位于基底上的触觉反馈致动器和基于摩擦电的传感器的用于操作电子装置的无线开关的框图。墙壁开关2106可以位于房间2100中用于操作照明设备2102和2104。墙壁开关2106可以包括具有基于摩擦电的传感器和触觉反馈致动器的基底2106a。当在墙壁开关2106处接收到用户输入时，墙壁开关可以向照明设备2102和/或2104发送指令。当对墙壁开关2106施加压力时，传感器2106a可以产生电信号，该电信号被传送到射频(rf)通信设备。rf通信设备可以接收信号、处理信号、并生成应用到rf天线的rf信号。因此，rf通信设备可以基于对传感器2106a施加的力来产生和/或引起控制信号的传输。控制信号可以被发送到照明设备2102和/或2104以打开或关闭设备2102和2104，或者将设备2102和2106调暗到与在传感器2106a处接收的施加的力对应的等级。尽管在图21中示出了墙壁照明设备2102和2104，但是墙壁开关2106可以控制房间中的任何设备，包括电源插座、立体声装置、电视机、空调、加热器、移动设备、家庭自动化系统等。

在一些实施例中，摩擦电传感器阵列可以用在用于操作照明设备的墙壁开关中。墙壁开关2106可以包括摩擦电传感器网格。一个传感器可以用于控制照明设备2102，而第二传感器可以用于控制照明设备2104。在另一示例中，传感器可以用于控制2102至2104的每个设备的强度，例如当一列传感器改变装置2102的强度时，另一列传感器改变装置2104的强度。在另一示例中，来自照明设备2102和2104的传感器可用于控制设备2102和2104的颜色，例如当一列传感器改变发射的红光的强度时，第二列传感器改变发射的绿光的强度，并且第三列传感器改变发射的蓝光的强度。

通过将逻辑电路从开关移动到中央集线器，可以简化墙壁开关2106的设计、操作并且降低成本。因此，包括25至50个墙壁开关的房屋将不具有重复25-50次的逻辑电路，而是具有如图22所示的位于中央集线器的逻辑电路。图22示出了使用根据本发明的一些实施例的共同位于基底上的触觉反馈致动器和基于摩擦电的传感器的用于操作电子装置的无线开关的框图。集线器2212可以位于房间中以控制该房间中的电子装置的操作，或者集线器可以用于控制整个房屋或建筑物中的电子装置的操作。集线器2212可以硬连线或无线连接到照明设备2102和2104，以及其他电子装置。对开关2106的用户输入可以无线地发送到集线器2212，集线器2212包括用于控制响应在开关处接收的用户输入的照明设备2102和2104的逻辑电路和处理功能块。图22的开关2106可以被配置成类似于图18中所示的设备1810。

天线、集成电路、基于摩擦电的传感器和触觉反馈设备可以集成到电子设备中。图23示出了根据本发明的一些实施例的具有基于摩擦电的传感器的电子设备的框图。传感器812可以从用户接收触摸/力输入并且通过电子信号将输入传送到ic1810。ic1810可以处理信号并激活触觉反馈致动器814。ic1810还可以通过rf天线2312发送确定的所施加的力或来源于所施加的力的其他值。例如，ic1810可以基于力传感器812的输出信号来生成0至100的缩放模拟值，并且通过rf天线2312发送该缩放模拟值。在另一示例中，可以基于力传感器812的输出信号高于或低于阈值通过ic1810来生成二进制值true或false，并且通过rf天线2312发送该二进制值。ic1810可以使用采用任何无线通信技术的rf天线2312进行通信。在一些实施例中，ic1810可以包括蓝牙(bluetoothsig、inc.usa)功能并且根据蓝牙标准操作rf天线2312。在一些实施例中，ic1810可以包括wifi功能并且根据ieee802.11标准操作rf天线2312。在一些实施例中，ic1810可以包括频率调制(fm)或幅度调制(am)电路以通过rf天线2312发送信号。

基于摩擦电的传感器(例如图24所示的示例性传感器)可以与薄膜电阻器集成。图24是根据本发明的一些实施例的具有薄膜电阻的基于摩擦电的传感器的俯视图。力传感器812可以包括具有摩擦电层的感应区域2410。摩擦电层可以耦合到电阻2430的电极2422。电极2422可以通过电阻材料2436耦合到电阻2430的电极2424。电阻2430可以通过接触垫或互连耦合到处理器中的逻辑电路，例如集成电路1810。施加到感应区域2410的力可以产生与施加到感应区域2410的力成比例的信号，该信号可以通过例如集成电路1810处理和发送。在一些实施例中，力传感器812可以是薄膜设备。

传感器812可以包括多个可以由缓冲层分开的摩擦电层，以增强摩擦电效应并因此产生具有更高幅度的信号供ic1810处理。在一些实施例中，传感器812可包括经修改以改善接触层之间的接触表面区域和/或摩擦系数的表面。在一个实施例中，经修改的表面可以包括具有形成柱状物阵列的表面，但是在其他实施例中可以使用其他表面修改。柱状物可以延伸越过感应区域2410的一部分或全部。柱状物可以是大致均匀的形状和尺寸，或者柱状物可以具有不同的形状和尺寸。

在一些实施例中，ic1810可以包括耦合到传感器812的功率模块。功率模块可以接收传感器信号并分配功率。功率模块可以包括用来将接收的传感器信号转换成稳态dc电源的诸如功率转换器、dc-dc转换器、电荷泵等的电路。

在图25a-c中示出了在装置的某些方面中结合触觉反馈的移动设备的附加示例。图25a示出了根据本发明的一些实施例的在控制按钮中结合了共同位于基底上的触觉反馈致动器和基于摩擦电的传感器的移动设备的示例。一对触觉反馈致动器和基于摩擦电的传感器或致动器和传感器阵列可以集成为组件1910a作为在移动装置2500中的控制按钮2502，例如音量控制按钮，电源控制按钮或相机快门控制按钮。致动器和传感器还可以或替代地结合到移动设备2500的其他组件中。图25b示出了根据本发明的一些实施例的在显示器屏幕中结合了共同位于基底上的触觉反馈致动器和基于摩擦电的传感器的移动设备的示例。移动设备2500还可以包括具有致动器和传感器的集成阵列1910a的显示屏2504。其他类型的移动设备也可以包含致动器和传感器。图25c示出了根据本发明的一些实施例的在方向控制中结合了共同位于基底上的触觉反馈致动器和基于摩擦电的传感器的移动设备的示例。游戏控制器2510可以包括方向垫2512。方向垫2512可以包括传感器1912和致动器1914的阵列1910a。阵列1910a可以记录手指在垫2512上的滑动或方向移动并将移动转换为视频游戏中的角色或物体的移动。游戏控制器2510还可以包括控制按钮2514，该控制按钮2514可以是传统按钮或包含一对传感器和致动器或一组传感器和致动器阵列的按钮，类似于图25a的控制按钮2502。

根据一些实施例的基于薄膜摩擦电的传感器可以具有基于全氟共聚物的摩擦电层。全氟共聚物可以是例如，聚(甲基丙烯酸甲酯)-聚(1h,1h-全氟辛醇甲基丙烯酸酯)共聚物。全氟共聚物可以通过在溶剂(例如苯)中的自由基聚合制备。在一些实施例中，全氟共聚物可以具有重量比大于约百分之五十的控制全氟链段。下面描述摩擦电薄膜的合成的具体实施例，但是可以通过不同的技术制造其他共聚物例如上述那些共聚物。在一个实施例中，合成可以通过以下方式进行：在二苯甲酮存在下在钠/钾合金上回流苯，直到出现二苯甲酮自由基阴离子的特征蓝色，并且然后蒸馏苯。偶氮二异丁腈(aibn)可以是从甲醇中重结晶并在真空中干燥的。甲基丙烯酸甲酯可以是在使用前在n2气氛中新蒸馏的。1h,1h-全氟辛醇甲基丙烯酸酯可以是在使用前通过碱性氧化铝柱纯化并用na2so4干燥的。

参考下面的反应方案，描述了聚(甲基丙烯酸甲酯)-聚(1h,1h-全氟辛醇甲基丙烯酸酯)共聚物的合成。合成能够从在柔和光照射下在配备有氮气入口和回流冷凝器的反应器中的干燥溶剂(例如30ml苯)开始。能够将氮气通过苯去除氧气(例如大约1.5小时)。接下来，能够加入甲基丙烯酸甲酯(1)(例如1.0g，10mmol)(1)和1h-1h-全氟辛基甲基丙烯酸酯(2)(例如1.0g，2.1mmol)，并搅拌混合物以溶解试剂。然后可加入aibn(例如20mg)，并使反应混合物在约80℃下反应，同时搅拌12小时。通过加入极性溶剂(例如250ml甲醇)能够沉淀所形成的粘稠溶液。能够通过从氯仿到甲醇中的两个后续沉淀进一步纯化分离的聚合物，并且在真空中干燥白色聚合物。所得共聚物的分子重量能够为5000至50000，或更特别是8700，并且dpi为1.5至2.5，或更特别是2.01，或者至少等于，或者在1.5、1.75、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4和2.5中的任意两个之间。

现在描述用于制造摩擦电传感器的方法的一个示例，尽管在本发明的不同实施例中可以使用其他技术和材料。首先，在100nmpet基底上进行基底制备和清洁。在使用丙酮、异丙醇(ipa)和去离子水的超声波清洁器中让基底在每个溶剂中清洁约5分钟后，能够用高纯度氮气吹干基底。然后，可以进行电极沉积和图案化，例如采用光刻和电子束蒸发形成50nm的钛/100nm金电极。将4微米厚的azec3027正性光致抗蚀剂(pr)旋涂在基底上。然后用uv宽带光源以200mjcm^-2的剂量通过光掩模曝光pr层来转移所需的特征。然后使用az726mif显影剂显影pr。然后使用电子束蒸发器沉积ti/au电极而不破坏真空。然后使用丙酮进行剥离以去除不需要的区域并完成图案化过程。然后进行摩擦电层沉积，其可以包括将pvdf-trfe共聚物(70/30mol.％)溶解在溶剂(例如二甲基甲酰胺(dmf))中8小时，以提供占20％重量的溶液。然后将溶液以1000rpm的速度旋涂在pet膜(其上具有电极)上，形成约12.2μm的pvdf-trfe层。该过程可重复3次以获得约36.6μm的最终厚度，或通过不同旋转速度下的不同次数以获得其他厚度。每层可以在约50摄氏度的热板中软烘烤10分钟。在完成整个过程之后，可以在常规烘箱中在约135摄氏度在真空下将膜退火约4小时。制造了具有约1mm和5mm的触摸分辨率的实际设备，虽然不同的分辨率是可能的。该设备使用100μm厚的pet膜作为柔性基底，并采用50nm的钛/100nm金电极和36.6μm厚的pvdf-trfe摩擦电活性层来制造。

如果以固件和/或软件实现，则例如与图4和图8的流程图相关的上述功能可以作为一个或更多个指令或代码存储在计算机可读介质上。示例包括用数据结构编码的非暂时性计算机可读介质和用计算机程序编码的计算机可读介质。计算机可读介质包括物理计算机存储介质。存储介质可以是可由计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限制，这种计算机可读介质可以包括随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、压缩光盘只读存储器(cd-rom)或其他光学盘存储、磁性盘存储或其他磁存储设备，或可用于以指令或数据结构的形式存储所需程序代码并且可由计算机访问的任何其他介质。磁盘和光盘包括压缩光盘(cd)、激光盘、光学盘、数字通用光盘(dvd)、软盘和蓝光光盘。通常，磁盘以磁性方式再现数据，并且光盘以光学方式再现数据。上述的组合也应该包括在计算机可读介质的范围内。

除了存储在计算机可读介质上之外，指令和/或数据还可以作为信号提供在包括在通信设备中的传输介质上。例如，通信设备可以包括具有标示指令和数据的信号的收发器。指令和数据被配置成使一个或更多个处理器实现权利要求中概述的功能。

尽管已经详细描述了本发明和某些代表性优点，但是应当理解在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，能够在本文中进行各种改变、替换和更改。此外，本申请的范围不旨在限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、方式、方法和步骤的特定实施例。作为本领域的一名普通技术人员将容易地从本发明中了解到，目前存在的或以后将要开发的、基本上具有相同功能或实现基本相同结果的过程、机器、制造、物质组成、方式、方法或步骤作为本文所述的相应实施例可以被用到。因此，所附权利要求书旨在在其范围内包括这些过程、机器、制造、物质组成、方式、方法或步骤。