CN104011633B - 具有触觉反馈的触摸屏 - Google Patents

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Abstract

一种装置，包括至少一个处理器以及包括计算机程序代码的至少一个存储器，该至少一个存储器和计算机程序代码被配置为与该至少一个处理器一起使该装置至少提供电极的第一状态或第二状态，其中在第一状态，该电极被配置用于触摸输入的检测，并且在第二状态，该电极被配置用于触觉反馈的提供。

Description

具有触觉反馈的触摸屏
技术领域
本公开涉及与触摸屏显示器相关联的方法和装置的领域，尤其涉及一种被配置为提供电极的第一状态或第二状态以使得该电极能够作为电容触摸传感器或者作为电触觉元件起作用的装置。某些所公开的示例方面/实施例涉及便携式电子设备，特别是所谓的手持便携式电子设备，其可以在使用中被手持（虽然它们可以在使用中被置于支架中）。这样的手持便携式电子设备包括所谓的个人数字助理（PDA）。
根据一个或多个所公开的示例实施例的便携式电子设备/装置可以提供一种或多种音频/文本/视频通信功能（例如，电信、视频通信和/或文本传输、短消息服务（SMS）/多媒体消息服务（MMS）/电子邮件功能、交互式/非交互式观看功能（例如，web浏览、导航、TV/节目观看功能）、音乐录制/播放功能（例如，MP3或其它格式和/或（FM/AM）无线电广播录制/播放）、数据下载/发送功能、图像捕捉功能（例如，使用（例如内建的）数字相机）以及游戏功能）。
背景技术
在触摸用户界面中，用于触摸检测的电容感测矩阵比传统的电阻触摸屏解决方案赢得了更大的忠诚。然而，这两种技术都未结合触觉反馈。存在旨在引入触觉反馈而并不使部件机械地移动的若干新兴技术。其中之一是电触觉表面，其利用到用户的皮肤的电容耦合来在触摸屏面板上产生可变的摩擦力。然而，将电容感应和触觉反馈组合在相同的电子显示器中是一项技术挑战。
这里所公开的装置和方法可能解决或者可能不解决这一问题。
该说明书中对之前公布的文献或者任意背景技术的列举或讨论并不应当必然被理解为承认该文献或背景技术是现有技术的一部分或者是公知常识。本公开的一个或多个方面/实施例可能解决或者可能不解决背景技术问题中的一个或多个问题。
发明内容
根据第一方面，提供了一种装置，其包括至少一个处理器以及包括计算机程序代码的至少一个存储器，该至少一个存储器和计算机程序代码被配置为与该至少一个处理器一起使该装置至少提供电极的第一状态或第二状态，其中在第一状态，该电极被配置用于触摸输入的检测，并且在第二状态，该电极被配置用于触觉反馈的提供。
在第一状态，该电极可以用作电容触摸传感器的一部分。术语“传感器”可以被理解为意指电容传感器阵列的单个节点。该装置可以被配置为通过向电极施加电势并且监测与电容触摸传感器相关联的电容来提供第一状态。
在一个实施例中，该电极可以用作自电容触摸传感器的一部分。在该实施例中，该装置可以被配置为通过向电极施加电势并且监测该电极的电容来提供第一状态。
在另一个实施例中，该电极可以用作水平排列或垂直排列的互电容触摸传感器的发送器电极。在该实施例中，该装置可以被配置为通过向发送器电极施加电势并且监测互电容触摸传感器的接收器电极的电容来提供第一状态。
在第一状态，该电极可以被配置为在触控笔（stylus）处于电极附近时电容耦合至所述触控笔。术语“触控笔”可以被理解为意指能够保存电荷并且能够被用来提供触摸输入的任意物体。该触控笔可以由导电材料或电介质材料制成。该触控笔可以是装置的用户（例如，用户的手指）、常规输入触控笔（例如，如随PDA等一起使用的触控笔）或者由装置的用户所佩戴的手套（例如，包括被配置为保存电荷的指尖的手套）。
电极和触控笔之间的电容耦合可以被配置为生成触摸输入信号以使得能够检测触摸输入。该触控笔可以在其处于电极附近时与电极一起形成电容器。电极和触控笔之间的电容耦合可以被配置为引起电极的电容的变化（根据触控笔材料而增大或减小）。该电容的变化可以处于1fF和5pF之间。
该电极可以是被配置为在其自身和接收器电极之间生成电场的发送器电极。该触控笔可以在其处于发送器电极附近时干扰该电场。发送器电极和触控笔之间的电容耦合可以引起接收器电极的电容的变化（根据触控笔材料而增大或减小）。该电容的变化可以处于1fF和5pF之间。
该装置可以被配置为通过向电极施加周期性电势并且控制该周期性电势的幅度、频率、持续时间和极性中的一项或多项来提供第二状态。
在第二状态，该电极可以用作电触觉元件。术语“元件”可以被理解为意指电触觉系统的传导电极。在第二状态，该电极可以被配置为在触控笔处于电极附近时电容耦合至所述触控笔。电极和触控笔之间的电容耦合可以被配置为提供触觉反馈。
该装置可以被配置为在提供第一状态和提供第二状态之间对电极放电，反之亦然。
该装置可以被配置为在需要触觉反馈时提供第二状态，并且在不需要触觉反馈时提供第一状态。该装置可以被配置为响应于检测到触摸输入而提供第二状态，以提供与该触摸输入相关联的触觉反馈。该装置可以被配置为在需要检测触摸输入的时间段期间，在提供第一状态和提供第二状态之间反复切换。该装置可以被配置为在需要提供触觉反馈的时间段期间，在提供第一状态和提供第二状态之间反复切换。
该装置可以被配置为使用一个或多个开关在提供第一状态和提供第二状态之间切换。在第一状态，该一个或多个开关可以将电极连接至传感器模块。在第二状态，该一个或多个开关将电极连接到电触觉模块。该传感器模块可以包括传感器电源、传感器控制电路和传感器测量电路中的一个或多个。该电触觉模块可以包括电触觉电源、电触觉控制电路和触控笔接地端中的一个或多个。
该装置可以被配置为提供多个电极的第一状态或第二状态。在第一状态，电极可以被配置用于触摸输入的检测。在第二状态，该电极可以被配置用于触觉反馈的提供。该装置可以被配置用于为独立于其它电极的一个或多个电极提供状态。
该装置可以包括电极。该电极可以由以下材料中的一种或多种制成：金、银、铜、碳、石墨烯、氧化锌、氧化铟锡和氧化钒（但是不限于这些材料）。该电极可以由两个或更多交错材料带的结（junction）所形成。
该装置可以包括电极顶部的电绝缘材料。该电绝缘材料可以具有1mm或更小的厚度。该电极的上表面面积可以被选择以使得无论电绝缘材料的厚度如何，由电极和触控笔之间的电容耦合所引起的电容的变化都是可检测的。
该装置可以包括多个电极。相邻电极之间的间距可以为至少1mm。电极可以被形成为材料网格（mesh）或者多个交错材料带（strip）。网格和/或交错材料带可以被形成为纳米线/纳米管/纳米带（例如，银、碳、氧化锌或石墨烯的纳米线/纳米管/纳米带）的薄膜和网络中的一个或多个。
该装置可以是以下各项之一：电子设备、便携式电子设备、便携式电信设备、任意前述设备的触摸屏显示器以及用于任意前述设备的模块。
根据另外的方面，提供了一种包括这里所描述的任意装置的设备。
根据另外的方面，提供了一种装置，其包括用于提供电极的第一状态或第二状态的部件，其中在第一状态，该电极被配置用于触摸输入的检测，并且在第二状态，该电极被配置用于触觉反馈的提供。
用于提供第一状态或第二状态的部件可以包括用于向电极施加电势的部件以及用于监测与电容触摸传感器相关联的电容的部件。
用于提供第一状态或第二状态的部件可以包括用于向电极施加周期性电势的部件以及用于控制该周期性电势的幅度、频率、持续时间和极性中的一项或多项的部件。
该装置可以包括用于在提供第一状态和提供第二状态之间切换的部件。
根据另外的方面，提供了一种方法，该方法包括：
提供电极的第一状态或第二状态，其中在第一状态，该电极被配置用于触摸输入的检测，并且在第二状态，该电极被配置用于触觉反馈的提供。
该方法可以包括在电极处于第一状态时，使用该电极检测触摸输入。该方法可以包括在电极处于第二状态时，使用该电极提供触觉反馈。
除非由本领域技术人员明确指出或者理解，否则这里所公开的任意方法的步骤并非必须要以所公开的确切顺序来执行。
根据另外的方面，提供了一种记录在载体上的计算机程序，该计算机程序包括被配置为执行这里所描述的任意方法的计算机代码。
该处理器可以为微处理器，包括专用集成电路（ASIC）。
本公开孤立地或者以各种组合的方式包括一个或多个相对应的方面、示例实施例或特征，而无论是否以该组合的方式或孤立地被特别指出（包括被请求保护）。用于执行一个或多个所讨论的功能的相对应的部件也处于本公开之内。
用于实施所公开的一种或多种方法的相对应的计算机程序也处于本公开之内并且被一个或多个所描述的示例实施例所包含。
以上发明内容仅意在是示例性的和非限制性的。
附图说明
现在参考附图仅通过示例而给出描述，其中：
图1a示出了被配置为提供触觉反馈的设备的一个实施例；
图1b示出了被配置为提供触觉反馈的设备的另一个实施例；
图2a示出了通过自电容触摸传感器的触摸输入的检测；
图2b示出了通过水平排列的互电容触摸传感器的触摸输入的检测；
图2c示出了通过垂直排列的互电容触摸传感器的触摸输入的检测；
图3a示出了电触觉层的存在会如何阻碍通过自电容触摸传感器的触摸输入的检测；
图3b示出了电触觉层的存在会如何阻碍通过水平排列的互电容触摸传感器的触摸输入的检测；
图3c示出了电触觉层的存在会如何阻碍通过垂直排列的互电容触摸传感器的触摸输入的检测；
图4a示出了多个自电容触摸传感器；
图4b示出了多个水平排列的互电容触摸传感器；
图4c示出了多个垂直排列的互电容触摸传感器；
图5a示出了电触觉层会如何引起自电容触摸传感器的意外触发；
图5b示出了电触觉层会如何引起水平排列的互电容触摸传感器的意外触发；
图5c示出了电触觉层会如何引起垂直排列的互电容触摸传感器的意外触发；
图6示出了电触觉层会如何防止通过电容触摸传感器的触摸输入的检测，并且甚至损坏电容触摸传感器的测量电路；
图7a示出了用作自电容触摸传感器的电极阵列；
图7b示出了用作电触觉元件的图7a的电极阵列；
图8a示出了用作水平排列的互电容触摸传感器的电极阵列；
图8b示出了用作电触觉元件的图8a的电极阵列；
图9a示出了用作垂直排列的互电容触摸传感器的电极阵列；
图9b示出了用作电触觉元件的图9a的电极阵列；
图10示出了用于提供触觉反馈的典型电触觉信号；
图11a示出了一系列开关会如何被用来改变自电容触摸传感器的电极功能；
图11b示出了一系列开关会如何被用来改变互电容触摸传感器的电极功能；
图12a以截面图示出了平行板电容器；
图12b以平面视图示出了平行板电容器；
图13a示出了在电触觉系统的电极顶部的一层电绝缘材料；
图13b示出了在电容触摸传感器阵列的电极顶部的一层电绝缘材料；
图14a示出了材料网格会如何被用来形成多个电极；
图14b示出了交错材料带会如何被用来形成多个电极；
图15示出了包括这里所描述的装置的设备；
图16示出了使用这里所描述的装置的方法；以及
图17示出了包括用于控制这里所描述的装置的使用的计算机程序的计算机可读介质。
具体实施方式
触觉技术是一种通过对用户施加力、振动和/或运动而利用用户的触觉来传递信息的触觉反馈技术。过去，触觉反馈已经被用来辅助虚拟对象（即，仅存在于计算机仿真中的对象）的创建和控制，并且用来加强远程机器和设备的控制。
然而，近年来，触觉技术已经在便携式电子设备中用来补充视觉内容。例如，一些设备使用触觉技术来响应于触摸而产生振动。这可以与触敏屏幕相结合，其中振动能够被用来确认通过用户的屏上内容的选择。在其它设备中，振动已经被用来将用户指向特定的屏上特征，并且甚至被用来创建图像的触觉表示，以使得能够使用减少的认知努力来感知所显示的内容。
如在背景技术部分中所提到的，一种在皮肤中生成振动的方法是在电子设备的显示器中结合电触觉系统。该技术基于电振动，其中当指尖跨携带交变电势的导电体上方的绝缘层被划过时，机械感受器（mechanoreceptor）被误认为感知到肌理（texture）。该效果是由于导体和皮肤的更深的富液传导层之间的变化的静电吸引而产生的—是一种改变所感知的动态功能的效果。
图1a示出了结合有电触觉系统的设备。该设备包括电子显示器101、电传导层102（在这里被称作电触觉层）、电绝缘层103和电源104，电绝缘层103位于设备用户105和电触觉层102之间。电源104被配置为对电触觉层102充电，并且电绝缘层103被配置为当用户105接近电触觉层102时防止电触觉层102和用户105的皮肤之间的电流流动。然而，如果电子显示器101是电绝缘的，则电绝缘层103可以是不必要的。
电触觉层102被配置为允许在其自身和用户105之间建立电场。为此，电源104对电触觉层102充电，并且电触觉层102上的电荷引发了用户105的皮肤上相反极性的电荷。电荷在电触觉层102和用户105上的堆积形成了电场。这可以被可视化为（动态）电容器，其中电触觉层102是第一电极并且用户105是第二电极，第一电极和第二电极被电绝缘体103隔开。由电触觉层102上的电荷生成的静电力吸引用户105上的电荷，引起用户皮肤的运动。
为了在用户105的皮肤中生成振动，电源104周期性地改变电触觉层102上的电荷的量级（和/或极性）。电荷的变化引起电场强度（和/或方向）的变化，进而引起皮肤中的振动。通过控制电场强度，可能针对具体的接受器调谐皮肤振动的频率和幅度。不同于其它一些类型的触觉反馈技术，由于电触觉层102经由电场电容耦合至用户的皮肤或者任意其它触控笔（即，以一定距离的动作），所以并不需要用户105和设备之间的物理接触。电触觉层可以被划分为多个可独立控制的段。该配置允许一个段提供与另一个段不同的振动的幅度和/或频率，以使得触觉反馈在显示器的不同区域是不同的。
在（图1b所示的）可替换配置中，电子显示器101位于电触觉层102和电绝缘层103的下方。该配置减小了电触觉层102和用户105之间的距离，这增大了电容。因此，该布置允许向电触觉层102施加较小电势以在用户的皮肤上产生相同的静电力，这有助于降低电触觉系统的功耗。不同于图1a的配置，图1b的配置要求电触觉层204和电绝缘层103是基本上光学透明的，否则用户可能无法看到下面的电子显示器101。然而，在两种配置中，一个或多个层（电子显示器101、电绝缘层103和电触觉层102）可以由可伸缩的和/或柔性的材料制成。
触摸屏界面是能够检测显示区域内的触摸输入的存在和位置的电子视觉显示器。术语“触摸屏”通常是指与用户手指交互的界面，但是大多数技术还能够感测诸如触控笔之类的其它被动物体。触摸屏具有两种主要属性。首先，其使得用户能够直接地（而不是经由屏上指针间接地）与所显示的内容交互。其次，其不需要否则控制屏上指针所需的任何中间输入设备（诸如鼠标或触控板）。
当前存在有各种不同的触摸屏技术。其中之一是电容触摸屏技术，其包含了自电容系统和互电容系统两者。
自电容触摸传感器（如图2a所示）包括通过电绝缘体207与外部环境分开的电导体206（电极）。与电触觉系统相同，施加电势（所图示的示例中为10V）以对电极206充电。当用户的手指205或触控笔（其通常将被接地）被带入经充电的电极206的附近（例如，通过触摸电绝缘体207）时，在手指/触控笔205上引发相反的电荷并且在其间形成电场208（即，电极206电容耦合至用户/触控笔205）。电极206和用户/触控笔205有效地用作（动态）电容器的相对板。因此，当用户/触控笔205接近传感器时，与电极206相关联的总电容增加（通常增加1fF-5pF）。该电容的变化随后被检测到，并且如果该变化超过预定阈值，则传感器将此解读为触摸输入。如图3a所示，传感器从“关闭”状态（无触摸输入）变为“开启”状态（检测到触摸输入）。
然而，互电容触摸传感器（如图2b所示）包括第一电导体209和第二电导体210（发送器电极209和接收器电极210）。然后，施加电势以对发送器电极209充电，其在其自身与接收器电极210之间生成电场208。发送器电极209和接收器电极210实际上用作电容器的相对板，并且测量与接收器电极210相关联的电容。在示出的示例中，电极209、电极210处于相同平面（即，水平排列的互电容传感器）中。在该配置中，杂散场线208在电极209、电极210的平面上方延伸到设备之外的区域中。当用户的手指205或触控笔被带入传感器的附近时，手指/触控笔205干扰电场208（即，发送器电极209电容耦合至用户/触控笔205）。这样，与接收器电极210相关联的电容减小（通常减小1fF-5pF）。如使用自电容触摸传感器那样，检测该电容的变化。如果该变化超过预定阈值，则传感器将此解读为触摸输入。
为了提高互电容触摸传感器阵列的分辨率，每个传感器的发送器电极209和接收器电极210可以被布置为一个电极在另一个电极的顶部（即，垂直排列的互电容传感器）。图2c中图示了该布置。在该配置中，用户的手指/触控笔205电容耦合至发送器电极209（类似于自电容传感器的电极206），引起与接收器电极210相关联的电容的减小。
通过使用电容触摸传感器的阵列，可能通过对来自多个传感器的信号求平均而准确指出触摸的位置。这在触摸输入位于相邻的传感器之间或者跨越多个传感器时是有用的。当这允许检测位于相邻的传感器之间的触摸输入的时候，该检测在触摸的位置与传感器的位置重合时趋于更加准确。为此，较大的传感器密度通常是有利的。
如背景技术部分中简单提到的，电容触摸屏和电触觉技术的整合提出了各种技术挑战。如果这些系统要在相同电子显示器中正常工作，则这些挑战必须被解决。
图3a图示了电触觉系统与自电容触摸屏技术进行整合的情形。如以上所讨论的，交变电压在需要触觉反馈时被施加到电触觉层302，并且在不需要触觉反馈时再被移除。当没有施加交变电压时，电触觉层302可以被接地或者是浮动的。因此，存在电容触摸传感器和电触觉层302之间存在电势差的时刻。在所图示的示例中，电触觉层302处于浮动电势（当电触觉层处于“关闭”状态时）并且电容触摸传感器电极被保持在10V。该电势差导致电容触摸传感器电极和电触觉层302之间的电容交叉耦合，这在图中由电场线308表示。
电容交叉耦合可以阻止通过传感器的触摸输入的检测。这是因为电触觉层302与传感器电极306一起形成电容器（将图3a与图2a相比较）。结果，与电极306相关联的电容在已经提供触摸输入之前相对大。当用户的手指305（或触控笔）随后被带入传感器的附近时，与电极306相关联的电容增大，但是电容差由于电触觉层302的存在而减小。与图2a中增加三条场线相比，这通过图3a中增加一条场线来描绘。由于电触觉层302，系统因此更加难以在“开启”状态和“关闭”状态之间区分。
当电触觉系统与互电容触摸传感器集成时出现类似的情形。图3b示出了水平排列的传感器，而图3c则示出了垂直排列的传感器。在图3b中，在正常情况下将延伸到电绝缘体307之外的杂散场线被电触觉层302截断。结果，与接收器电极310相关联的电容在已经提供触摸输入之前相对小。当用户的手指305（或触控笔）随后被带入传感器的附近时，与发送器电极309相关联的电容增大，但是与接收器电极310相关联的电容的减小（其被用来确定是否已经发生了触摸输入）是可忽略的。这由在触摸输入之前和在触摸输入期间发送器电极309和接收器电极310之间的单条场线所描绘。电触觉层对图3c的垂直排列的传感器具有相似的影响。
在触摸输入被施加到第一传感器411时，电容交叉耦合还会导致阵列中的其它传感器412的意外触发。图4a-图4c图示了多个触摸传感器411、412在正常条件下（即，在没有电触觉层的情况下）应当如何操作。在图4a中，用户的手指/触控笔405引起自电容传感器之一411而不是其它传感器412处的电容的增加。结果，系统仅在该传感器411处检测到触摸输入（即，状态从“关闭”切换到“开启”）。随图4b和图4c中的互电容触摸传感器一起出现类似情形，其中用户的手指/触控笔减小了右手边的传感器411的接收器电极410处（而不是其它（多个）传感器412的接收器电极410处）的电容。
图5a-图5c图示了向每个不同的传感器阵列添加电触觉层502的效果。当用户的手指/触控笔505在每种情况下被带入右手边的传感器511的附近时，与该传感器511相关联的电容如预期的那样变化。然而，由于每个传感器511、512交叉耦合至电触觉层502，所以与其它传感器512相关联的电容也变化。以这种方式，施加到一个传感器511的单个触摸输入还能影响其它传感器512的状态（即，每个传感器从“关闭”状态切换到“开启”状态）。在触摸屏设备中，该问题可以将其自身表现为屏上内容的无意识选择。
在电容触摸屏和电触觉技术集成在相同设备中时遇到的另一个问题是电触觉层可能在电触觉层处于“开启”状态时（即，当电势被施加到电触觉层以提供触觉反馈时）在电容触摸传感器上引发电荷。
图6示出了当电触觉层602分别处于“关闭”状态和“开启”状态时，电触觉层602和自电容触摸传感器606之间的电容交叉耦合。在“关闭”状态，电触觉层602处于浮动电势，其小于施加到下方传感器606的电势（该示例中为10V）。在该配置中，由于电容交叉耦合（由从传感器606到电触觉层602的电场线608所图示的），所以传感器606在电触觉层602上引发电荷。
然而，当电触觉层602处于“开启”状态时，电势（该示例中为40V）被施加到电触觉层602以向用户提供触觉反馈，该电势通常大于施加到下方传感器606的电势（该示例中为10V）。在该配置中，由于电容交叉耦合（由从电触觉层602到传感器606的电场线608所图示的），所以电触觉层602在传感器606上引发电荷。由于该电荷转移，所以传感器606无法在手指/触控笔上引发电荷并且因此检测到触摸输入。此外，由于施加到电触觉层602的大电势（相对于施加到传感器606的电势而言），在传感器606上所引发的电荷的量级可能会损坏电容触摸传感器606的集成电路（IC）。当使用（图2b和图2c所示的）水平排列或垂直排列的互电容触摸传感器而不是自电容触摸传感器606时，存在同样的问题。
本装置通过使用（多个）相同电极用于检测触摸输入并且用于提供触觉反馈来解决以上所提到的问题。换句话说，形成电容触摸传感器的电极还兼作电触觉元件。通过使用传感器电极来提供触觉反馈，在电极附近没有额外的传导层，并且因此没有电容交叉耦合。由于仅需要一组电极，所以包括该装置的设备可以比包括单独的传感器和电触觉组件的那些设备较不复杂并且制造起来较不昂贵。此外，由于每层材料增加了装置的刚性，所以在该装置要被结合到柔性触摸屏之中时，去除对于单独的电触觉层的需要是有用的，因为其使得能够在不阻止触摸屏的弯曲的情况下，为了改善耐用性而增加其它层的厚度。
为了实现该功能，每个电极被配置为置于第一状态或第二状态，以使得在第一状态，该电极被配置用于触摸输入的检测，并且在第二状态，该电极被配置用于触觉反馈的提供。该电极可以在需要触觉反馈的任何时候被置于第二状态，并且在不需要触觉反馈的任何时候被置于第一状态。
图7a示出了作为自电容触摸传感器（即，被置于第一状态）操作的电极706的阵列。在该状态中，电势（该示例中为10V）被施加到电极706。当用户的手指/触控笔705被带入电极706的附近时，其电容耦合至电极706，引起电极电容的变化。如果电容的变化高于预定阈值，则登记触摸输入。图7b示出了作为电触觉元件（即，被置于第二状态）操作的图7a所示的电极706的相同阵列。在该状态中，电触觉信号被施加到电极706。如将参考图10更为详细描述的，电触觉信号由一系列电压脉冲（即，周期性电势）构成。通常地，该电压脉冲具有大于施加到电容触摸传感器的电压（该示例中为10V）的幅度（该示例中为40V）。当用户的手指/触控笔705接近电极706时，该电压脉冲在手指/触控笔705中产生被用户感觉到的振动。
可以分别使用如图8和图9所示的水平排列或垂直排列的互电容触摸传感器的发送器电极809、909来实现类似功能。在图8a和图9a中，10V的电势被施加到每个传感器的发送器电极809、909，而接收器电极810、910则接地。如之前所描述的，发送器电极809、909电容耦合至接收器电极810、910（由在其间延伸的电场线808、908所图示的）。当用户的手指/触控笔805、905接近传感器时，其电容耦合至发送器电极809、909，引起接收器电极电容的变化。如使用自电容触摸传感器那样，该电容的变化在其超过预定阈值的情况下被登记为触摸输入。另一方面，当每个传感器的发送器电极809、909被置于第二状态时，周期性电势被施加到发送器电极809、909以在用户的手指/触控笔805、905中生成振动（图8b和图9b）。
在图7b-图9b所示的示例中，40V的电触觉信号被施加到阵列中的每个电极706（图8b和图9b中的每个发送器电极809、909）。然而，在一些情况下，这可能是不必要的。例如，可以响应于触摸输入的检测而提供触觉反馈作为已经检测到所述触摸输入的确认。在这种情况下，电触觉信号仅需要被施加到检测到触摸输入的电极（即，图7b-图9b中右手边的电极）。因此，向其它电极提供电触觉信号不必要地增加了系统的功耗。为了解决这一问题，每个电极可以被独立控制，以使得一个电极的状态独立于其它电极的状态。以这种方式，一个电极可以被用来提供触觉反馈，而其它电极则被用来检测触摸输入。然而，该特征并非是绝对必要的，并且如果需要，电极可以被配置为同时被置于相同状态。
图10示出了典型的电触觉信号的示例。该信号包括一串短的、尖脉冲1013（具有幅度V0和10-50μs的典型持续时间t1），其被分组在一起以形成基本脉冲1014（具有幅度V0和0.5-2ms的典型持续时间t2）。基本脉冲1014的频率确定了触觉反馈中所感知的振动频率。
用于现有电容触摸传感器阵列的测量电路能够以高达1200Hz（可能更高）的频率扫描阵列（以确定是否已经施加了触摸输入）。因此，如果基本电触觉脉冲1014的频率被设置为10-500Hz，则有足够的时间窗口T供测量电路来检测电压脉冲之间的触摸输入。例如，如果基本电触觉脉冲1014具有10Hz的频率，则测量电路能够在该时间周期（T）内扫描电极高达120次。以这种方式，以及被用来在不需要触觉反馈的任何时候检测触摸输入，电极还可以被用来在需要触觉反馈的时间期间间歇性地检测触摸输入。为了实现这一目的，被用来提供触觉反馈的那些电极的状态将需要在此时间期间周期性地交替变化。
每个电极的状态可以使用多个开关来控制。图11a示出了包括用作自电容触摸传感器和电触觉元件两者的电极的设备的一种可能的电路图。电极（Cap）与用户的手指/触控笔一起形成电容器（C1），并且该电路包括同时如下操作的三个开关（SW1-SW3）：
为了将电极置于第一状态，开关SW1、SW2和SW3分别被设置为“低”、“低”和“高”（虽然开关SW2可以被保持浮动而不是接地）。在该配置中，电极被连接至传感器模块。该传感器模块包括传感器电源、传感器控制电路和传感器测量电路，并且用来将该电极作为传感器来操作。传感器电源被配置为向电极施加电压，传感器控制电路被配置为控制施加到电极的电压，并且传感器测量电路被配置为测量电极的电容并且确定是否已经发生了触摸输入（例如，通过将所测量的电容或者所测量的电容的变化与预定阈值比较）。
为了将电极置于第二状态，开关SW1、SW2和SW3分别被设置为“高”、“高”和“低”（虽然开关SW3可以被保持浮动而不是接地）。在该配置中，电极被连接至电触觉模块。该电触觉模块包括电触觉电源、电触觉控制电路和触控笔接地端，并且用来将电极作为电触觉元件来操作。电触觉电源被配置为向电极施加电压，电触觉控制电路被配置为控制施加到电极的电压（例如，电触觉信号的幅度、频率、持续时间和/或极性），并且触控笔接地端被配置为在用户/触控笔接近电极时将用户/触控笔接地。为了感知触觉反馈，触控笔接地端并非是绝对必要的（因为用户将充当接地端），但是其可以增强感觉。
可能有必要（或者至少是有利的）在状态之间对电极放电，否则电极上来自之前的操作的剩余电荷可能对电极在后续操作期间的性能造成不利影响。例如，如果电极之前被用来提供触觉反馈，则其可能由于由电触觉电源施加到电极的（相对大的）电压而包括大量表面电荷。如果该电极随后被要求用作电容触摸传感器，则该电极的电容可能由于该表面电荷而超过传感器测量电路的测量范围，这可能会损坏测量电路。为了对电极放电，开关SW1、SW2和SW3可以各自被设置为“低”。在该配置中，电极被连接至接地端。
图11b示出了包括用作互电容触摸传感器的发送器电极以及电触觉元件两者的电极的设备的类似电路图。在这种情况下，电极（Tx）与传感器的接收器电极（Rx）形成一个电容器（C1），并且与用户的手指/触控笔形成另一个电容器（C2）。该电路包括同时如下操作的四个开关（SW1-SW4）：
为了将电极置于第一状态，开关SW1和SW2被设置为“低”，并且开关SW3和SW4被设置为“高”（虽然开关SW2可以被保持浮动而不是接地）。在该配置中，电极被连接至（以上所描述的）传感器模块。为了将电极置于第二状态，开关SW1和SW2被设置为“高”，并且开关SW3和SW4被设置为“低”（虽然开关SW3和SW4可以被保持浮动而不是接地）。在该配置中，电极被连接至（以上所描述的）电触觉模块。为了在状态之间对电极放电，开关SW1-SW4可以各自被设置为“低”。该后者的配置还使接收器电极（Rx）放电。
图11a和图11b的电路图示出了到单个传感器的连接。然而，相同的原理可以应用于传感器阵列。这可以通过复用（未示出）图11a中开关SW1和电极（Cap）之间的连接并且通过复用（未示出）图11b中开关SW1和发送器电极（Tx）之间的连接以及开关SW4和接收器电极（Rx）之间的连接来实现。
一般来讲，（分别在图12a和图12b中以截面图和平面视图示出的）包括由电介质材料1216隔开的两个电传导板1215的平行板电容器的电容由下式给出：
C＝ε0εrA/d 等式1
其中ε0是自由空间的介电常数，εr是电介质材料的相对介电常数，A(w×l)是每个板1215的面积，并且d是电介质材料1216的厚度。此外，与这样的电容器相关联的功耗（P）由下式给出：
P＝Vd 2fC 等式2
其中Vd是两个板1215之间的电势差，f是操作频率，并且C是电容。
用来将电触觉系统的电极1302（图13a）与用户的手指/触控笔1305隔开的电绝缘材料1316的厚度d1必须足够小，以使得能够生成用户的手指/触控笔1305中的可检测的振动。通常，电绝缘材料1316的厚度必须在所施加的电势减小的情况下减小。为了以40V生成用户的手指/触控笔1305中的可检测的振动，电极1302和手指/触控笔1305必须被具有大约1μm或更小的厚度的电绝缘材料1316隔开。
与之相比，现有电容触摸传感器的电极1306通常由具有大约1mm或更大的厚度的电绝缘材料1316与用户的手指/触控笔1305（图13b）隔开。这是因为传感器测量电路具有能够被检测的电容的上限。
由于本装置的电极正在被用作电容触摸传感器和电触觉元件，所以电绝缘材料的厚度是重要的考虑因素。一方面，如果绝缘体具有大约1mm的厚度，则电触觉信号的电压必须显著增加，否则电极将无法在用户的手指/触控笔中产生可由用户检测的振动。然而，这将显著增加设备的功耗，这对于一些便携式电子设备可能是无法接受的。另一方面，如果绝缘体具有大约1μm的厚度，则与电极相关联的电容将增加而超出现有传感器测量电路的限制，并且甚至可能损坏测量电路。
为了解决这一问题，电极的上表面面积（A）可以减小，以使得电极的电容即使在绝缘体的厚度小于1mm时也能够被保持在传感器测量电路的范围之内（根据等式1，假定电容与电极面积成比例并且与绝缘体的厚度成反比）。实际中，这可以通过由材料网格1417（图14a）或者由多个交错材料带1418（图14b）形成电极来实现。使用该配置，在网格/带的结处形成电极（如由虚线圆圈1419所强调的），并且带1417、1418的宽度被选择以使每个结（并且因此电极）的面积最小化。该配置的垂直带还用作驱动线，其用来承载往来于传感器电极的电流，而水平带用作感测线，其用来读出每个电极的状态。
带1417、1418的宽度还将取决于用来形成带的材料以及驱动线和感测线之间的（节点）电容（其通常将介于0.05Pf和2Pf之间）。例如，计算已经表明，对于1μm厚的绝缘体层（具有介电常数3）和0.6pF的节点电容，150μm的带宽是可接受的。然而，如果使用具有高的表面电阻率的材料（诸如氧化铟锡），则该宽度将太小而无法承载电信号。另一方面，如果使用铜来形成带1417、1418，则该宽度将太大，因为带1417、1418对于人眼将是可见的（这对于其中电极和驱动线/感应线对用户应当光学透明的触敏显示器而言是不合适的）。对于铜而言，较适宜的宽度将是1-3μm，这能够通过将每个带1417、1418形成为子网格来实现。
电极可以由以下材料中的一种或多种材料制成：金、银、铜、碳、石墨烯、氧化锌、氧化铟锡和氧化钒。此外，当网格或交错带被用来形成电极时，网格/带可以由材料薄膜制成，或者由纳米线、纳米管或纳米带（例如，银、碳、氧化锌或石墨烯的纳米线/纳米管/纳米带）的网状物制成。
人手的勤劳的（glaborous）皮肤富有用于检测肌理的机械感受器。机械感受器在手中最为密集分布的区域是指尖，这允许两个物体在仅间隔1-2mm时被区分。这被认为是人类指尖用于肌理感测的最大分辨率，并且因此是电触觉系统的电极所要求的最小绝对间隔（因为其使得能够模拟所有可检测的肌理）。在这方面，本装置中的相邻电极之间的间隔（即，当使用网格1417或交错带1418时相邻结之间的间隔）可以为至少1mm（即，较小的间隔不提供有关触觉反馈的优势）。
将要意识到的是，可能并非必然要求用户的手指/触控笔和设备（例如，触摸屏）之间的物理接触来提供触摸输入或触觉反馈。这是因为电极经由电场电容耦合至手指/触控笔（即，以一定距离的动作）。因此，将手指/触控笔悬停在设备上方可能导致触摸输入/触觉反馈。而且，当电极正在被用来检测触摸输入时以及当其正在被用来提供触觉反馈时，可以使用相同电源对其供电（即，适当地被配置为提供所需电压并且执行相对应的功能）。
图15示意性地图示了包括这里所描述的装置1521的设备1520。设备1520还包括处理器1522、存储介质1523、传感器模块1524和电触觉模块1525，它们通过数据总线1526互相电连接。设备1520可以是电子设备、便携式电子设备、便携式电信设备、任意前述设备的触摸屏显示器或者用于任意前述设备的模块。
装置1521连同处理器1522和存储介质1523一起被配置为检测通过设备1520的用户的触摸输入，或者取决于如该装置所控制的（多个）电极的状态来向用户提供触觉反馈。该触觉反馈可以响应于所检测的触摸输入。
处理器1522通过向其它设备组件提供信令并且从其接收信令以管理它们的操作而被配置用于设备1520的一般操作。特别地，处理器1522被配置为控制装置1521的每个电极的状态（例如，通过如之前所描述的那样操作开关）。在其它实施例中，处理器可以专用于电极状态的控制。
传感器模块1524包括传感器电源、传感器控制电路和传感器测量电路，并且用来将该电极作为传感器来操作。传感器电源被配置为向电极施加电压，传感器控制电路被配置为控制施加到电极的电压，并且传感器测量电路被配置为测量电极的电容并且确定是否已经发生了触摸输入（例如，通过将所测量的电容或者所测量的电容的变化与预定阈值比较）。
电触觉模块1525包括电触觉电源、电触觉控制电路和触控笔接地端，并且用来将电极作为电触觉元件来操作。电触觉电源被配置为向电极施加电压，电触觉控制电路被配置为控制施加到电极的电压（例如，电触觉信号的幅度、频率、持续时间和/或极性），并且触控笔接地端被配置为在用户/触控笔接近电极时将用户/触控笔接地。为了感知触觉反馈，触控笔接地端并非是绝对必要的（因为用户将充当接地端），但是其可以增强感觉。
存储介质1523被配置为存储被配置为执行、控制或使能装置1521的操作的计算机代码。存储介质1523还可以被配置为存储针对其它设备组件的设置。处理器1522可以访问存储介质1523以取回组件设置，以便管理其它设备组件的操作。
特别是，存储介质1523可以被配置为存储用于检测触摸输入并且用于提供触觉反馈的电极的操作电压，以及/或者用于确定是否已经施加了触摸输入的预定电容阈值。传感器模块1524和电触觉模块1525可以访问存储介质1523以取回操作电压。传感器模块1524还可以将每个传感器的当前电容与预定阈值比较，以确定是否已经发生了触摸输入。这可以包括将来自多个传感器的信号求平均，以检测不与单个传感器的位置重合的触摸输入（例如，触摸输入位于相邻传感器之间或者跨越多个传感器）。此外，处理器1522可以响应于检测到的触摸输入而运行相对应的软件（也存储在存储介质1523中）。存储介质1523可以是临时性存储介质，诸如易失性随机存取存储器。另一方面，存储介质1523可以是永久性存储介质，诸如硬盘驱动器、闪存或者非易失性随机存取存储器。
图16中示意性地图示了用来操作装置1521的方法的主要步骤1627-1628。
图17示意性地图示了根据一个实施例的提供计算机程序的计算机/处理器可读介质1729。在该示例中，计算机/处理器可读介质1729是诸如数字多功能盘（DVD）或紧致盘（CD）之类的盘。在其它实施例中，计算机/处理器可读介质1729可以是已经以执行发明功能的方式被编程的任意介质。计算机/处理器可读介质1729可以是可移除的存储器设备，诸如记忆棒或存储卡（SD、mini SD或micro SD）。
计算机程序可以包括被配置为执行、控制或使能以下内容的计算机代码：提供电极的第一状态或第二状态，其中在第一状态，该电极被配置用于触摸输入的检测，并且在第二状态，该电极被配置用于触觉反馈的提供。
图中所描绘的其它实施例已经被提供以对应于之前描述的实施例的类似特征的附图标记。例如，特征编号1也可以对应于编号101、201、301等。这些被编号的特征可能出现在图中，但是可能并不在这些特定实施例的描述内被直接提及。这些特征仍然在图中被提供，以帮助对另外的实施例特别是有关之前描述的类似实施例的特征的理解。
本领域技术人员将会意识到的是，任意所提到的装置/设备/服务器和/或特别提到的装置/设备/服务器的其它特征可以由如下装置来提供，该装置被布置以使得它们被配置为仅在被使能（例如，开机等）时执行所期望的操作。在这样的情况下，它们可以在非使能（例如，关机状态）中不必将适当的软件加载到活动存储器中，并且仅在使能（例如，开机状态）中加载适当的软件。该装置可以包括硬件电路和/或固件。该装置可以包括加载到存储器上的软件。这样的软件/计算机程序可以被记录在相同的存储器/处理器/功能单元上以及/或者一个或多个存储器/处理器/功能单元上。
在一些实施例中，特别提到的装置/设备/服务器可以使用适当的软件预先编程以执行期望的操作，并且其中该适当的软件可以通过用户例如下载“密钥”来解锁/使能软件及其相关联的功能而被使得能够使用。与这样的实施例相关联的优势可以包括在设备需要另外的功能时减少下载数据的需要，并且这在设备被认为具有足够容量以存储这样的用于可能不被用户使能的功能的预编程软件的示例中可能是有用的。
将要意识到的是，除了所提到的功能之外，任意所提到的装置/电路/元件/处理器可以具有其它功能，并且这些功能可以由相同的装置/电路/元件/处理器来执行。一个或多个公开的方面可以包含相关联的计算机程序的电子分布以及记录在适当的载体（例如，存储器、信号）上（可以被源编码/转运编码）的计算机程序。
将要意识到的是，这里所描述的任意“计算机”可以包括一个或多个单独处理器/处理元件的集合，它们可以或可以不位于相同电路板或者电路板的相同区域/位置或者甚至相同设备上。在一些实施例中，任意提到的处理器中的一个或多个处理器可以分布在多个设备上。相同或不同的处理器/处理元件可以执行这里所描述的一个或多个功能。
将要意识到的是，术语“信令”可以指代作为一系列被传送和/或接收的信号而被传送的一个或多个信号。该一系列信号可以包括一个、两个、三个、四个或者甚至更多的单独信号分量或不同信号以构成所述信令。这些单独信号中的一些或全部信号可以被同时地、顺序地以及/或者使得它们在时间上相互重叠地被传送/接收。
参考任意提到的计算机和/或处理器以及存储器（例如，包括ROM、CD-ROM等）的任意讨论，这些可以包括计算机处理器、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）以及/或者已经以这样的方式被编程来执行发明功能的其它硬件组件。
申请人据此在这里所描述的每个单独特征以及两个或更多这样的特征的任意组合能够在考虑到本领域技术人员的公知常识的情况下整体上基于本说明书来执行的程度上孤立地公开了这样的特征或组合，而无论这样的特征或特征的组合是否解决了这里所公开的任何问题，并且并不对权利要求的范围加以限制。申请人指出，所公开的方面/实施例可以由任意这样的单独特征或特征的组合所构成。考虑到以上描述，对于本领域技术人员将显而易见的是，可以在本公开的范围之内进行各种修改。
虽然已经示出并描述以及指出了如应用于其不同实施例的基本的新特征，但是将要理解的是，本领域技术人员可以在所描述的设备和方法的形式和细节方面进行各种省略和替换以及改变而不背离本发明的精神。例如，明确预期的是，以基本上相同的方式执行基本上相同的功能以获得相同的结果的那些元件和/或方法步骤的所有组合都处于本发明的范围之内。此外，应当认识到的是，结合任意公开的形式或实施例而示出和/或描述的结构和/或元件和/或方法步骤可以作为一般设计选择而被结合在公开或描述或启示的任意其它形式或实施例中。此外，在权利要求中，装置加功能的从句意在覆盖这里被描述为执行所记载的功能的结构，并且不仅包括结构等同物，而且还包括等同结构。因此，在固定木质部件的情况下，虽然钉子和螺丝可能因为钉子采用圆柱体表面来将木质部件固定在一起而螺丝采用螺旋表面而并非结构等同物，但是钉子和螺丝可以是等同结构。

Claims (20)

1.一种电子装置，包括至少一个处理器以及包括计算机程序代码的至少一个存储器，所述至少一个存储器和所述计算机程序代码被配置为与所述至少一个处理器一起使所述装置至少提供电极的第一状态或第二状态，其中在所述第一状态，所述电极被配置用于触摸输入的检测，并且在所述第二状态，所述电极被配置用于触觉反馈的提供，其特征在于：所述电极包括减小的上表面区域，以将所述电极的电容保持在触摸输入传感器测量电路的范围之内，所述减小的上表面区域被划分成多个段，每个段被配置为提供不同的触觉反馈幅度。
2.根据权利要求1所述的装置，其中在所述第一状态，所述电极用作电容触摸传感器的一部分，并且其中所述装置被配置为通过向所述电极施加电势并且监测与所述电容触摸传感器相关联的电容来提供所述第一状态。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述电极用作自电容触摸传感器的一部分，并且其中所述装置被配置为通过向所述电极施加电势并且监测所述电极的电容来提供所述第一状态。
4.根据权利要求2所述的装置，其中所述电极用作互电容触摸传感器的发送器电极，并且其中所述装置被配置为通过向所述发送器电极施加电势并且监测所述互电容触摸传感器的接收器电极的电容来提供所述第一状态。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置被配置为通过向所述电极施加周期性电势并且控制所述周期性电势的幅度、频率、持续时间和极性中的一项或多项来提供所述第二状态。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置被配置为在提供所述第一状态和提供所述第二状态之间以及/或者在提供所述第二状态和提供所述第一状态之间对所述电极放电。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置被配置为在需要触觉反馈时提供所述第二状态，并且在不需要触觉反馈时提供所述第一状态。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置被配置为响应于检测到触摸输入而提供所述第二状态，以提供与所述触摸输入相关联的触觉反馈。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置被配置为在需要检测触摸输入的时间段期间，在提供所述第一状态和提供所述第二状态之间反复切换。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置被配置为在需要提供触觉反馈的时间段期间，在提供所述第一状态和提供所述第二状态之间反复切换。
11.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置被配置为使用一个或多个开关在提供所述第一状态和提供所述第二状态之间切换。
12.根据权利要求11所述的装置，其中在所述第一状态，所述一个或多个开关将所述电极连接至传感器模块，并且在所述第二状态，所述一个或多个开关将所述电极连接到电触觉模块。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述传感器模块包括传感器电源、传感器控制电路和传感器测量电路中的一个或多个，并且所述电触觉模块包括电触觉电源、电触觉控制电路和触控笔接地端中的一个或多个。
14.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置被配置为提供多个电极的第一状态或第二状态，其中在所述第一状态，所述电极被配置用于触摸输入的检测，并且在所述第二状态，所述电极被配置用于触觉反馈的提供。
15.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置包括所述电极。
16.根据权利要求1所述的装置，其中所述电极由两个或更多交错材料带的结所形成。
17.根据权利要求1至16中的任一项所述的装置，其中所述装置是以下各项之一：电子设备、便携式电子设备、便携式电信设备、任意前述设备的触摸屏显示器以及用于任意前述设备的模块。
18.一种包括根据权利要求1至17中的任一项所述的装置的设备。
19.一种电子方法，所述方法包括：
提供电极的第一状态或第二状态，其中在所述第一状态，所述电极被配置用于触摸输入的检测，并且在所述第二状态，所述电极被配置用于触觉反馈的提供，其特征在于：所述电极包括减小的上表面区域，以将所述电极的电容保持在触摸输入传感器测量电路的范围之内，所述减小的上表面区域被划分成多个段，每个段被配置为提供不同的触觉反馈幅度。
20.一种电子装置，所述装置包括：
用于提供电极的第一状态或第二状态的部件，其中在所述第一状态，所述电极被配置用于触摸输入的检测，并且在所述第二状态，所述电极被配置用于触觉反馈的提供，其特征在于：所述电极包括减小的上表面区域，以将所述电极的电容保持在触摸输入传感器测量电路的范围之内，所述减小的上表面区域被划分成多个段，每个段被配置为提供不同的触觉反馈幅度。
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