CN104756054A - 通过超声波传感器进行力检测 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于计算机或电子设备的力感测设备。通过比较触摸界面上的反射的超声波能量来估计力。力感测设备被配置为确定当接触设备诸如触摸设备时由用户所施加的力的大小以及由用户所施加的力的大小的变化，并能够使用触摸识别、图形用户界面的触摸元素和应用程序中的触摸输入或操控而被并入设备中。此外，力感测设备可确定当接触设备诸如触摸设备时由用户所施加的力的大小以及由用户所施加的力的大小的变化，并作为其响应，提供触摸设备、触控板等的用户可用的附加功能。

Description

通过超声波传感器进行力检测
相关申请的交叉引用
本专利合作条约专利申请要求于2012年5月9日提交的并且名称为“Ultrasound-Based Force Sensing”的美国临时申请61/676,293的优先权，该专利申请的内容全文以引用方式并入本文。
背景技术
技术领域
本专利申请整体涉及使用超声波进行力感测。
背景技术触摸设备通常提供对用户触摸设备的位置的识别，包括移动、手势和位置检测的其他效果。对于第一实例，触摸设备可向计算系统提供关于用户与图形用户界面(GUI)进行交互的信息，诸如指向某元件、对那些元件进行重新取向或重新定位、编辑或打字，以及其他GUI特征。对于第二实例，触摸设备可向计算系统提供适于用户与应用程序进行交互的信息，诸如涉及动画、照片、图片、幻灯片演示、声音、文本、其他视听元素等的输入或操控。
有时发生如下情况：当与GUI或与应用程序交接时，将有利的是，用户能够指示当操控、移动、指向、触摸或以其他方式与触摸设备进行交互时所施加的力的大小。例如，可能有利的是，用户能够以利用相对较轻触摸的第一种方式或以利用相对较有力的或更急速的触摸的第二种方式来操控屏幕元素或其他对象。在一种这样的情况下，如果用户能够利用相对较轻的触摸来移动屏幕元素或其他对象，则这可能是有利的，同时用户可另选地利用相对较有力的或更急速的触摸来调用或选择同一屏幕元素或其他对象。
这些实例中的每个实例以及其他可能的考虑可能使得触摸设备发生一个或多个困难，至少因为当接触该触摸设备可能使得GUI或应用程序不能提供可能有利的功能时没有能力确定由用户所施加的力的大小。当调用此类功能时，没有能力提供那些功能可能会使触摸设备受制于较少的能力，受制于触摸设备的效果和价值的可能文档。
发明内容
本专利申请提供了包括电路和设计的技术，该电路和设计能够确定当接触设备诸如触摸设备时由用户所施加的力的大小以及由用户所施加的力的大小的变化，并能够使用触摸识别、GUI的触摸元素和应用程序中的触摸输入或操控而被并入设备中。本专利申请还提供了包括应用那些技术的设备的技术，该技术可确定接触设备诸如触摸设备时由用户所施加的力的大小以及由用户所施加的力量的变化，以及作为其响应，提供触摸设备用户可用的附加功能。
在一个实施例中，技术可包括提供并入触摸设备中的力敏传感器。对于第一实例，力敏传感器可包括超声波设备，该超声波设备可检测用户按压、推动或以其他方式接触触摸设备有多用力的测量。对于第二实例，力敏传感器可包括一个或多个力感测元件，该力感测元件中的每个力感测元件可检测设备的表面上的特定位置处的所施加的力的测量。对于第三实例，力敏传感器可包括一个或多个力感测元件，该力感测元件可共同检测设备的表面上的涉及移动或指定区域的手势中的所施加的力的测量。
在一个实施例中，技术可包括从设备内的位置生成超声波脉冲，从设备的表面和空气或用户的手指之间的界面反射超声波脉冲，以及测量指示设备的表面处的所施加的力的大小的信号，并且可能测量所施加的力的特定位置。可将超声波脉冲定向到设备的表面的一组力感测元件中的特定的一个力感测元件，其中每个力感测元件区分所施加的力的特定位置。根据施加于设备的表面上的所施加的力的大小，并且可能根据该所施加的力的位置，超声波脉冲可能会从设备的表面以不同方式反射。这些要素具有如下效果：如果用户向设备的表面处的特定位置施加力，则超声波脉冲将响应于该所施加的力的大小以及可能响应于该所施加的力的位置而以不同方式反射。
在一个实施例中，技术可包括由压电元件响应于生成超声波脉冲的触发信号来生成超声波脉冲，该压电元件诸如聚偏氟乙烯(PVDF)元件或具有压电效应的另一种物质。可响应于触发信号，在特定时间处生成具有特定持续时间或具有特定信号格式(诸如特定频率、脉冲编码或波形形状)的特定超声波脉冲，具有如下效果：可响应于该特定超声波脉冲的反射形式来识别特定超声波脉冲的反射。在有一组力感测元件的实施例中，可由特定标识符(诸如其时间、持续时间、频率或信号格式)在其生成点和时间处区分每个特定超声波脉冲，具有如下效果：可通过哪一个或多个力感测元件反射其自身特定的超声波脉冲来区分所施加的力。例如，每个力感测元件可在超声波脉冲的循环周期中具有为发射而分配的其自身的特定时隙，以及为接收而分配的其自身的特定时隙，具有如下效果：可区分来自不同力感测元件的反射。
在一个实施例中，技术可包括诸如通过压电元件测量从设备的表面和空气或用户的手指之间的界面反射的超声波脉冲，该压电元件诸如PVDF元件或具有压电效应的另一种物质，并响应于反射的超声波脉冲生成测量信号。例如，适于将电子信号转换成超声波脉冲的PVDF元件可用于接收该超声波脉冲的反射，并将该反射转换成指示设备表面处的所施加的力的大小的测量信号，并且响应于特定力感测元件的标识符，可能还响应于其位置。
在一个实施例中，超声波脉冲从设备的表面和空气或用户的手指之间的界面的反射对所施加的力的大小或其代理作出响应，代理诸如是由可变形对象(诸如用户的手指)掩盖的区域的量或由已知对象(再次，诸如用户的手指)使表面润湿的量。例如，用户的手指的所施加的力的压力的大小或其他测量可能影响到超声波脉冲被设备的表面和空气之间的界面(当不存在用户手指的接触时)或设备的表面和用户的手指之间的界面(当存在接触时)反射的程度。这样做具有如下效果：超声波信号的幅度以及可能还有其他方面可用于确定所施加的力的大小。
在一个实施例中，可设置超声波脉冲，使其围绕或通过设备的其他元件诸如显示元件或触摸传感器而传播。尽管超声波脉冲的一些部分可能会被设备内的元件吸收或反射，但在一个实施例中，设置用于反射的超声波脉冲的传感器以忽略伪反射，并识别相对衰减的超声波脉冲，具有如下效果：力传感器能够识别已经从触摸设备的表面反射的那些反射的超声波脉冲。
在一个实施例中，力敏传感器独立于确定用户接触触摸设备的一个或多个位置的第二模式而进行操作，该触摸设备诸如电容触摸传感器或其他触摸传感器。例如，电容触摸传感器可确定用户大致在什么位置接触触摸设备，而超声波设备可检测到用户接触触摸设备有多用力。
在一个实施例中，力敏传感器包括一个或多个行和一个或多个列，行和列被设置为在一组单独的力感测元件中交叉。例如，单独的力感测元件可定位于基本的直线阵列中，其中行被设置为限定该直线阵列的各个行，列被设置为限定该直线阵列的各个列，并且行和列的交点被设置为限定该直线阵列的各个元素。
在一个实施例中，可设置行和列使得每行受驱动信号的控制，每列受到感测电路的感测，并且每行和每列之间的交点被设置为生成并接收超声波信号。例如，超声波信号可包括指向用户可能向触摸屏施加力的可能位置处的第一超声波，以及从用户实际向触摸屏施加力的该位置反射的第二超声波。在一个实施例中，技术可包括除力敏传感器之外提供触敏传感器，该触敏传感器可确定用户实际触摸触摸屏的位置。例如，触敏传感器可包括电容传感器，其可确定用户的触摸(诸如，通过用户的手指，用户身体的另一部分或触笔或其他对象)的位置。
在另选的实施例中，力敏传感器可包括一组单独的力感测元件，该一组单独的力感测元件被设置为除被设置为在一组单独的力感测元件中相交的一组行和列之外的布置。对于第一实例，力敏传感器可包括一组单独的传感器元件，其操作未必归因于行和列的交点。对于第二实例，力敏传感器可包括设置于阵列或其他图案中的一组单独的传感器元件，该其他图案可能包括直线性图案或另一种图案。
在另选的实施例中，力敏传感器可包括设置于图案中的一组单独的传感器元件，就位置和量两者而言，该图案允许通过多个单独的传感器元件一并操作而检测触摸力。可将一组单独的传感器元件各自设置为确定在相对距离处的触摸力，并协同操作以便确定该触摸力的位置和量。
在各种实施例中，力敏传感器可包括一组单独的力感测元件，每个力感测元件将基于超声波的信号耦合到显示器的表面，诸如覆盖玻璃的表面，该表面可由用户利用不同程度的所施加的力来进行触摸。
在一个实施例中，触敏传感器和力敏传感器可包括独立的电路、部件、元件、模块或其他对象，它们可组合或结合操作，以独立地确定触摸位置和触摸力。例如包括触摸面板、操作系统程序、应用程序、用户界面或其他部件的系统可对触摸位置、触摸力、两者的组合或结合或其他因素作出响应。
对于其他实例而言，除力敏传感器之外，如上所述的系统可包括触敏传感器以及其他传感器，诸如鼠标、触控板、指纹传感器、计量生物学传感器、语音激活或语音识别传感器、面部识别传感器或其他。
虽然公开了包括其变型的多个实施例，但根据示出和描述本公开的例示性实施例的以下详细描述，本公开的其他实施例对于本领域的技术人员将变得显而易见。如应当认识到的，本公开能够在各个明显的方面作出修改，所有修改都不脱离本公开的实质和范围。因此，附图和详细描述将被视为在实质上是例示性的而不是限制性的。
附图说明
图1A是结合力感测设备的计算设备的第一实例的前透视图。
图1B是结合力感测设备的计算设备的第二实例的前透视图。
图1C是结合力感测设备的计算设备的第三实例的前正视图。
图2是沿图1A中的线2-2截取的计算设备的简化横截面图。
图3示出了触摸I/O设备和计算系统之间的通信的概念图。
图4示出了包括触摸感测和力感测I/O设备的系统的概念图。
图5A示出了包括基于超声波的感测的系统的概念图。
图5B示出了包括基于超声波的感测的系统的概念图。
图6A示出了包括基于超声波的力感测的系统的概念图，该力感测包括行驱动器和感测列。
图6B示出了包括基于超声波的力感测的系统的概念图，该力感测包括与行驱动器和感测列相关联的信号。
图7示出了包括基于超声波的力感测的系统的概念图，该力感测包括未施加力和施加力的实例中的基于超声波的反射。
图8A是针对计算设备的时序图的第一实例。
图8B是针对计算设备的时序图的第二实例。
图8C是针对计算设备的时序图的第三实例。
具体实施方式
术语
以下术语是示例性的，并且不旨在以任何方式进行限制。
文本“触摸感测元件”及其变型通常是指包括相对于各个位置所感测到的信息的任何种类的一个或多个数据感测元件。例如和非限制地，触摸感测元件可感测关于相对较小区域的数据或其他信息，在该相对较小区域处用户正在接触触摸设备。
文本“力感测元件”及其变型通常是指包括相对于触摸力所感测到的信息的任何种类的一个或多个数据感测元件，无论是在单独位置或其他位置。例如和非限制地，力感测元件可包括关于相对较小区域的数据或其他信息，在该相对较小区域处用户正在用力接触设备。
文本“触摸力”及其变型通常是指施加于设备的力的大小的程度或测量。力的大小的程度或测量本来不需要任何特定的比例；例如，触摸力的测量可以是线性的、对数的、或相反非线性的，并且可响应于与触摸力、触摸位置、时间或其他方面相关的一个或多个因素而被周期性(或换句话讲，诸如周期性地或相反不时地)调节。
在阅读了本专利申请之后，本领域的技术人员将认识到，这些术语的表述将适用于各种技术、方法、物理元件和系统(无论是当前已知的或未知的)，包括本领域的技术人员在阅读本专利申请之后推断出或可推断出的这些应用的扩展。
综述
本公开涉及可并入多种电子或计算设备中的力感测设备，该电子或计算设备诸如但不限于计算机、智能电话、平板电脑、触控板等。力感测设备可用于检测输入表面上的一个或多个用户力输入，并且然后处理器(或处理元件)可将所感测到的输入关联到力值测量中并向计算设备提供那些输入。在一些实施例中，力感测设备可用于确定对触控板、显示屏或其他输入表面的力输入。
力感测设备可包括输入表面、力感测模块、基板或支撑层，并且任选地还包括可检测除力感测层之外的另一输入特性的感测层。输入表面为用户提供接合表面，诸如触控板的外表面或显示器的覆盖玻璃。换句话讲，输入表面可直接或间接接收一个或多个用户输入。
力感测模块可包括超声波模块，其可发射并检测超声波脉冲。在一个实例中，超声波模块可包括被布置成行或列的多个感测元件，其中每个感测元件可选择性地发射超声波脉冲或其他信号。可通过力感测设备的部件诸如通过感测层和输入表面来发射脉冲。当脉冲到达输入表面时，它可能被用户的一部分(例如手指)或可反射脉冲的其他对象反射。脉冲的反射可能基于接收脉冲的特定感测元件距输入的距离而变化。此外，脉冲的衰减程度也可能与力的大小相关联，该力的大小与输入相关联。例如，一般来讲，随着输入表面上输入力增大，施加力的接触对象可吸收更大百分比的脉冲，使得可相应地减少反射脉冲。
在其存在的实施例中，感测层可被配置为感测与力感测模块不同的特性。例如，感测层可包括电容式传感器或其他感测元件。在特定具体实施中，多触摸感测层可被并入力感测设备中并可用于增强关于用户输入的数据。作为一个实例，由感测层所检测到的触摸输入可用于进一步细化力输入位置、确认力输入位置和/或将力输入关联到输入位置。在最后的一个实例中，力敏设备可不使用力感测设备的电容感测来估计位置，这样可以减少力感测设备所需的处理。此外，在一些实施例中，触敏设备可用于为多个不同的触摸确定力输入。例如，触摸位置和力输入可用于估计每个触摸位置处的输入力。
力敏设备和系统
现在转向附图，将更详细地论述可结合力感测设备的例示性电子设备。图1A-图1C示出了可结合力感测设备的各种计算或电子设备。参考图1A，可将力感测设备并入计算机10中，诸如膝上型电脑或台式计算机中。计算机10可包括触控板12或其他输入表面、显示器14和外壳16或框架。外壳16可围绕触控板12和/或显示器14的一部分延伸。在图1A中所示的实施例中，可将力感测设备并入触控板12、显示器14或触控板12和显示器14两者中。在这些实施例中，力感测设备可被配置为检测对触控板12和/或显示器14的力输入。
在一些实施例中，可将力感测设备并入平板电脑中。图1B是包括力感测设备的平板电脑的顶部透视图。参考图1B，平板电脑10可包括显示器14，其中力感测设备被配置为检测对显示器14的力输入。除了力感测设备之外，显示器14还可包括一个或多个触摸传感器，诸如多触摸电容栅格等。在这些实施例中，显示器14可检测两种力输入以及位置或触摸输入。
在其他实施例中，可将力感测设备并入移动计算设备诸如智能电话中。图1C是包括力感测设备的智能电话的透视图。参考图1C，智能电话10可包括显示器14和基本上围绕显示器14的周边的框架或外壳16。在图1C中所示的实施例中，可将力感测设备并入显示器14中。类似于图1B中所示的实施例，在可将力感测设备并入显示器14中的情况下，显示器14还可包括除力感测设备之外的一个或多个位置或触摸感测设备。
现在将更详细地论述力感测设备。图2是沿图1A中的线2-2截取的电子设备的简化横截面图。参考图2，力感测设备18可包括输入表面20、感测层22、力感测模块24或层以及基板28。如上文参考图1A-图1C所述的，输入表面20可形成触控板12、显示器14或计算设备10的其他部分(诸如外壳)的外表面(或与外表面连通的表面)。在一些实施例中，输入表面20可以是至少部分半透明的。例如，在将力感测设备18并入显示器14的一部分中的实施例中。
感测层22可被配置为感测与用户输入关联的一个或多个参数。在一些实施例中，感测层22可被配置为感测可能与由力感测模块24所感测到的特性不同的特性或参数。例如，感测层22可包括一个或多个电容传感器，该一个或多个电容传感器可被配置为检测触摸例如包括交叉的行和列的多触摸输入表面的输入。在可能不需要关于用户输入的附加数据的情况下，可省略感测层22。此外，感测层22可提供可用于增强由力感测模块24所感测到的数据或者可不同于力感测模块的附加数据。在一些实施例中，在感测层22和力感测模块24之间可存在气隙。换句话讲，力感测模块24和感测层可在空间上彼此分开，从而限定间隙或间隔距离。
基板28可以是基本上任何支撑表面诸如印刷电路板的一部分、外壳16或框架等。此外，基板28可被配置为围绕或至少部分围绕感测设备18的一个或多个侧面。
在一些实施例中，可将显示器(例如液晶显示器)定位于输入表面20下方或者可形成输入表面20的一部分。或者，可将显示器定位于力感测设备的其他层之间。在这些实施例中，可通过输入表面20看到由显示器提供的视觉输出。
如上文大体所述的，可将力感测设备并入一个或多个触敏设备中。图3示出了触摸I/O设备和计算系统之间的通信的概念图。图4示出了包括力敏触摸设备的系统的概念图。参考图3和图4，将描述计算或电子设备的附加特征。如上文大体所述的，一个或多个实施例可包括可接收触摸输入和力输入(诸如可能包括触摸位置和那些位置处的触摸力)的触摸I/O设备1001，该触摸输入和力输入用于经由有线或无线通信信道1002来与计算系统1003或计算设备10(诸如图1A-图1C中所示的)进行交互。触摸I/O设备1001可用于替代或结合其他输入设备诸如键盘、鼠标或可能其他设备来向计算系统1003提供用户输入。在另选的实施例中，触摸I/O设备1001可与其他输入设备一起使用，诸如除鼠标、触控板或可能另一种指点设备之外或替代鼠标、触控板或可能另一种指点设备。一个或多个触摸I/O设备1001可用于向计算系统1003提供用户输入。触摸I/O设备1001可以是计算系统1003的整体部分(例如，膝上型电脑上的触摸屏)或可与计算系统1003分开；例如，参见图1A-图1C。
触摸I/O设备1001可包括触敏和力敏面板，该触敏和力敏面板是完全或部分透明的、半透明的、非透明的、不透明的或它们的任何组合。触摸I/O设备1001可被实现为触摸屏、触摸板、起触摸板作用的触摸屏(例如，代替膝上型电脑的触摸板的触摸屏)、与任何其他输入设备组合或结合的触摸屏或触摸板(例如，设置在键盘上、设置在触控板或其他指向设备上的触摸屏或触摸板)、具有用于接收触摸输入的触敏表面或另一种类型的输入设备或输入/输出设备的任何多维对象。
在一个实例中，诸如图1B和图1C中所示的，并参考图4，被实现为触摸屏的触摸I/O设备1001可包括至少部分或全部定位于显示器的至少一部分上方的透明和/或半透明触敏和力敏面板。(尽管将触敏和力敏面板描述成至少部分或全部定位于显示器的至少一部分上方，但在另选的实施例中，触敏和力敏面板的实施例中使用的电路或其他元件至少一部分可至少部分或全部定位于显示器的至少一部分下方，与和显示器的至少一部分一起使用的电路交织，或者其他情况。)根据该实施例，触摸I/O设备1001用于显示从计算系统1003(和/或另一来源)传输的图形数据并且还用于接收用户输入。在其他实施例中，触摸I/O设备1001可被实现为集成触摸屏，其中触敏和力敏部件/设备与显示器部件/设备成为一体。在其他实施例中，触摸屏可被用作补充或附加显示屏以用于显示主显示器的补充或相同图形数据，并且触摸屏用于接收触摸输入，可能包括触摸位置和那些位置处的触摸力。
替代或组合或结合相对于发生一次或多次触摸或接近触摸，并且在适用的情况下，还相对于设备1001附近的那些触摸的力所测量的任何现象，触摸I/O设备1001可被配置为基于电容、电阻、光学、声学、感应、机械、化学或电磁测量来检测设备1001上的一个或多个触摸或接近触摸的位置，并且在适用的情况下，还检测那些触摸的力。软件、硬件、固件或它们的任何组合可用于处理所检测的触摸的测量，并且在适用的情况下，还用于处理那些触摸的力以识别并跟踪一个或多个手势。手势可对应于触摸I/O设备1001上的静止或非静止、单次或多次、触摸或接近触摸，在适用时，还对应于那些触摸的力。可通过基本上同时、连续地或依次地或其他形式以特定的方式在触摸I/O设备1001上移动一个或多个手指或其他对象来执行手势，诸如轻敲、挤压、摇摆、洗擦、扭转、改变取向、以不同的压力进行按压等。手势可被表征为但不限于捏、滑动、轻扫、旋转、挠曲、拖动、轻敲、推动和/或释放，或者在任何其他手指或身体的任何其他部分或其他对象之间的或与任何其他手指或身体的任何其他部分或其他对象的其他运动。可利用一只或多只手、或身体的任何其他部分或由一个或多个用户使用的其他对象或它们的任何组合来执行单个手势。
计算系统1003可利用图形数据来驱动显示器，以显示图形用户界面(GUI)。GUI可被配置为经由触摸I/O设备1001接收触摸输入，并且在适用的情况下，接收该触摸输入的力。被实现为触摸屏的触摸I/O设备1001可显示GUI。另选地，可在与触摸I/O设备1001分开的显示器上显示GUI。GUI可包括在界面内的特定位置处所显示的图形元素。图形元素可包括但不限于多种所显示的虚拟输入设备，包括虚拟滚轮、虚拟键盘、虚拟旋钮或拨号盘、虚拟按钮、虚拟杆，任何虚拟UI等。用户可在触摸I/O设备1001上的可能与GUI的图形元素相关联的一个或多个特定位置处执行手势。在其他实施例中，用户可在与GUI的图形元素的位置无关的一个或多个位置处执行手势。在触摸I/O设备1001上执行的手势可直接或间接地操纵、控制、修改、移动、致动、启动或大体上影响图形元素，诸如GUI内的光标、图标、媒体文件、列表、文本、所有或部分图像等。例如，就触摸屏而言，用户可通过在触摸屏上的图形元素上方执行手势来与图形元素直接进行交互。另选地，触摸板通常提供间接交互。手势还可影响未显示的GUI元素(例如，使得用户界面显现)或可影响计算系统1003内的其他动作(例如，影响GUI的状态或模式、应用程序或操作系统)。可与或可不与所显示的光标结合来在触摸I/O设备1001上执行手势。例如，就在触摸板上执行手势而言，光标(或指针)可被显示在显示屏或触摸屏上，并且可经由触摸板上的触摸输入，并且在适用的情况下，经由该触摸输入的力来控制光标以便与显示屏上的图形对象进行交互。在直接在触摸屏上执行手势的其他实施例中，不管在触摸屏上显示或不显示光标或指针，用户都可与触摸屏上的对象直接进行交互。
可响应于或基于触摸I/O设备1001上的触摸或接近触摸，并且在适用的情况下，还响应于或基于那些触摸的力，经由通信信道1002来向用户提供反馈。反馈可通过光学、机械、电气、嗅觉、声学、触觉等或它们的任何组合并且以可变或不可变的方式被传输。
现在关注朝向可在任何便携式或非便携式设备内实现的系统架构的实施例，包括但不限于通信设备(例如移动电话、智能电话)、多媒体设备(例如MP3播放器、电视、收音机)、便携式或手持式电脑(例如平板电脑、上网本、膝上型电脑)、台式计算机、一体台式计算机、外围设备，或适于包括系统架构2000的任何其他(便携式或非便携式)系统或设备，包括这些类型的设备的两个或更多个设备的组合。图4是系统2000的一个实施例的框图，大体包括一个或多个计算机可读介质2001、处理系统2004、输入/输出(I/O)子系统2006、电磁频率(EMF)电路(诸如可能有射频或其他频率的电路)2008和音频电路2010。这些部件可通过一条或多条通信总线或信号线2003进行耦接。每条此类总线或信号线都可以形式2003-X被表示，其中X是唯一的编号。总线或信号线可在部件之间承载适当类型的数据；每条总线或信号线可不同于其他总线/信号线，但可执行大体类似的操作。
显然，图4中所示的架构仅为系统2000的架构的一个实例架构，并且系统2000可具有比所示更多或更少的部件、或不同的部件配置。图4中所示的各种部件可在硬件、软件、固件或它们的任何组合(包括一个或多个信号处理电路和/或专用集成电路)中被实现。
EMF电路2008用于通过无线链路或网络向一个或多个其他设备发送和接收信息，并包括用于执行这种功能的熟知的电路。EMF电路2008和音频电路2010经由外围设备接口2016耦接到处理系统2004。接口2016包括用于建立和维护外围设备与处理系统2004之间的通信的各种已知部件。音频电路2010耦接到音频扬声器2050和麦克风2052，并且包括用于处理从接口2016所接收的语音信号以使得用户能够与其他用户进行实时通信的已知电路。在一些实施例中，音频电路2010包括耳机接口(未示出)。
外围设备接口2016将系统的输入和输出外围设备耦接到处理器2018和计算机可读介质2001。一个或多个处理器2018经由控制器2020与一个或多个计算机可读介质2001进行通信。计算机可读介质2001可以是能够存储代码和/或数据以供一个或多个处理器2018使用的任何设备或介质。介质2001可包括存储器分级结构，该存储器分级结构包括但不限于高速缓存、主存储器和辅助存储器。存储器分级结构可使用RAM(例如SRAM、DRAM、DDRAM)、ROM、闪存、磁性和/或光学存储设备(诸如磁盘驱动器、磁带、CD(光盘)和DVD(数字视频光盘))的任何组合来实现。介质2001还可包括用于承载指示计算机指令或数据的信息承载信号的传输介质(具有或不具有在其上调制信号的载波)。例如，传输介质可包括通信网络，包括但不限于互联网(也被称为万维网)、局域网(LAN)、无线局域网(WLAN)、存储区域网络(SAN)、城域网(MAN)、一个或多个内联网等。
一个或多个处理器2018运行存储在介质2001中的各种软件部件以执行系统2000的各种功能。在一些实施例中，软件部件包括操作系统2022、通信模块(或指令集)2024、触摸和触摸力处理模块(或指令集)2026、图形模块(或指令集)2028、指纹感测模块(或指令集)2038和一个或多个应用程序(或指令集)2030。这些模块和以上提及的应用程序中的每一者对应于用于执行上述一种或多种功能以及在本专利申请中所述的方法(例如，本文所述的计算机实现的方法和其他信息处理方法)的指令集。这些模块(即指令集)不必被实现为独立的软件程序、过程或模块，并因此这些模块的各种子组可在各种实施例中被组合或以其他方式被重新布置。在一些实施例中，介质2001可存储以上所识别的模块和数据结构的子组。此外，介质2001可存储上面未描述的附加模块和数据结构。
操作系统2022包括用于控制和管理一般系统任务(例如，存储器管理、存储设备控制、电源管理等)的各种过程、指令集、软件部件和/或驱动器，并且有利于各种硬件部件与软件部件之间的通信。
通信模块2024有利于通过一个或多个外部端口2036或经由EMF电路2008来与其他设备进行通信，并且包括用于处理从EMF电路2008和/或外部端口2036所接收的数据的各种软件部件。
图形模块2028包括用于在显示表面上渲染、以动画方式显示并显示图形对象的各种已知的软件部件。在其中触摸I/O元件2012为触敏和力敏显示器(例如触摸屏)的实施例中，图形模块2028包括用于在触敏和力敏显示器上渲染、显示并以动画方式显示对象的部件。
一个或多个应用程序2030可包括安装于系统2000上的任何应用程序，包括但不限于浏览器、通讯录、联系人列表、电子邮件、即时消息、文字处理、键盘仿真、桌面小程序、支持JAVA的应用程序、加密、数字版权管理、语音识别、语音复制、位置确定能力(诸如由在本文有时还被称为“GPS”的全球定位系统提供)、音乐播放器等。
触摸和触摸力处理模块2026包括用于执行与触摸I/O元件2012相关联的各种任务的各种软件部件，各种任务包括但不限于接收和处理经由触摸I/O元件控制器2032从I/O设备2012所接收的触摸输入和触摸力输入。
系统2000还可包括用于执行如本文结合本文所示和所述的其他附图所述的方法/功能的指纹感测模块2038。
I/O子系统2006耦接到用于控制或执行各种功能的触摸I/O元件2012和一个或多个其他I/O设备2014。触摸I/O元件2012经由触摸I/O元件控制器2032与处理系统2004进行通信，触摸I/O元件控制器2032包括用于处理用户触摸输入和触摸力输入(例如，扫描硬件)的各种部件。一个或多个其他输入控制器2034从其他I/O设备2014接收电信号或向其他I/O设备2014发送电信号。其他I/O设备2014可包括物理按钮、拨号盘、滑动开关、操作杆、键盘、触摸板、附加显示屏或它们的任何组合。
如果被实现为触摸屏，则触摸I/O元件2012在GUI中向用户显示视觉输出。视觉输出可包括文本、图形、视频和它们的任何组合。视觉输出中的一些或全部可对应于用户界面对象。触摸I/O元件2012形成从用户接受触摸输入和触摸力输入的触敏和力敏表面。触摸I/O元件2012和触摸屏控制器2032(连同任何相关联的模块和/或介质2001中的指令集)检测并跟踪触摸I/O元件2012上的触摸或接近触摸，并且在适用的情况下，还检测并跟踪那些触摸的力(以及触摸的任何移动或释放，以及触摸力的任何变化)，并将所检测到的触摸输入和触摸力输入转换成与图形对象诸如一个或多个用户界面对象的交互。在设备2012被实现为触摸屏的情况下，用户可与显示在触摸屏上的图形对象直接进行交互。另选地，在设备2012被实现为触摸屏之外的触摸设备(例如，触摸板或触控板)的情况下，用户可与在被实现为I/O设备2014的独立显示屏上显示的图形对象间接地进行交互。
触摸I/O元件2012可类似于以下美国专利中所述的多触敏表面：6,323,846；6,570,557；和/或6,677,932；和/或美国专利公开2002/0015024A1，上述专利申请中的每个专利申请据此以引用方式并入。
在触摸I/O元件2012为触摸屏的实施例中，触摸屏可使用LCD(液晶显示器)技术、LPD(发光聚合物显示器)技术、OLED(有机LED)、或OEL(有机电致发光)，尽管在其他实施例中可使用其他显示技术。
触摸I/O元件2012可基于用户的触摸、触摸力、输入以及正在被显示的内容和/或计算系统的一种或多种状态来提供反馈。反馈可通过光学(例如光信号或显示的图像)、机械(例如触觉反馈、触摸反馈、力反馈等)、电气(例如电刺激)、嗅觉、声学(例如嘟嘟声等)等或它们的任何组合并且以可变或不可变的方式被传输。
系统2000还包括用于为各种硬件部件供电的电源系统2044，并且可包括电源管理系统、一个或多个电源、再充电系统、电源故障检测电路、功率转换器或逆变器、电源状态指示器以及通常与便携式设备中的电力的生成、管理和分配相关联的任何其他部件。
在一些实施例中，外围设备接口2016、一个或多个处理器2018和存储器控制器2020可以在单个芯片诸如处理系统2004上实施。在一些其他实施例中，它们可在单独的芯片上实施。
基于超声波的力感测
尽管本专利申请主要相对于包括基于超声波感测的系统配置描述了特定实施例，但在本公开的上下文中，没有特定要求对那些特定实施例进行任何限制。尽管在一个实施例中针对元件分层描述了特定元件，但替代元件也会奏效。
例如，尽管本专利申请主要描述了在一组呈现元件下方和一组触摸感测元件下方设置一组基于超声波的力感测元件的实施例，但在另选的实施例中，对元件排序没有特定要求。例如，基于超声波的力感测元件可被设置在呈现元件上方，并且可被构造或布置，使得它们不会干扰呈现元件，诸如是半透明或透明的，或者呈现元件被设置在各个力感测元件之间。
例如，基于超声波的力感测元件可被设置在呈现元件上方，但如此布置使得力感测元件与呈现元件交替，具有如下效果：呈现元件能够通过覆盖玻璃向用户呈现光和色彩，而没有任何力感测元件的阻碍。
图5A示出了包括基于超声波的感测的系统的概念图。
图5B示出了包括基于超声波的感测的系统的概念图。
包括具有独立触摸模块的基于超声波的感测的系统包括本文所述的触摸I/O元件2012，包括可被用户触摸的覆盖玻璃(CG)元件102，对此触摸可被感测且触摸力可被感测。简要参考图2，覆盖玻璃元件102可形成输入表面，并且同样可以是基本上任何类型的材料或结构。基于超声波的力感测元件被设置在覆盖玻璃下方。触摸感测元件108也被设置在覆盖玻璃下方或与其集成。
在一个实施例中，触摸I/O元件2012可包括覆盖玻璃102元件102，在一些实施方式中，覆盖玻璃可具有约900微米的厚度。覆盖玻璃102元件可用于从用户接收触摸和所施加的力。可使用一层或多层玻璃、经化学处理的玻璃、蓝宝石或一种或多种其他物质来构造覆盖玻璃102元件。
在一个实施例中，触摸I/O元件2012可包括被设置在覆盖玻璃元件下方的墨水层104，在一些具体实施中，其可具有约50微米的厚度。在一些实施例中，墨水层104可以是围绕显示器的边界的黑色掩模区域或非有源显示区域。在其他实施例中，墨水层104可被省略或者可由有源显示部件形成。
在一个实施例中，触摸I/O元件2012可包括被设置在墨水104下方的第一光学透明粘合剂(OCA)106元件，其可具有约150微米的厚度。在另选的实施例中，可使用不会干扰系统的其他元件的操作的其他粘合剂元件。
在一个实施例中，触摸I/O元件2012可包括触摸传感器元件108，其可具有约120微米的厚度。如上所述，触摸传感器可以是电容式感测元件或布置成栅格或其他配置的一系列电容式感测元件。
在一个实施例中，触摸I/O元件2012可包括被设置在触摸传感器元件108下方的第二第一光学透明粘合剂(OCA)110元件，在一些具体实施中，其可具有约100微米的厚度。如上文相对于第一OCA元件106所述的，在另选的实施例中，可使用不干扰系统的其他元件的操作的其他粘合剂元件。
在一个实施例中，触摸I/O元件2012可包括OLED和偏光器元件112，其可具有约330微米的厚度。可根据所用显示器的类型以及显示器的尺寸、分辨率等改变显示层的厚度。因此，列出的厚度仅仅是例示性的。此外，尽管本专利申请主要描述了使用OLED和偏光器元件112的实施例，其可具有通过覆盖玻璃向用户呈现图像的能力，但在本发明的上下文中，存在也将为切实可行的许多替代方案。在另选的实施例中，OLED和偏光器元件112可被设置在另一个位置，该另一个位置在被设置在盖玻璃下方的元件堆中。例如，OLED和偏光器元件112可被设置在触摸传感器108的上方或下方，以及力传感器114的上方或下方。在这种情况下，触摸传感器108或力传感器114可由透明或半透明材料构造，或者以其他方式设置，使得可执行向用户呈现图像。作为另一个实例，显示层可为液晶层、等离子体层等。根据所用显示器的类型，可省略或通过其他方式改变偏光器。
在一个实施例中，触摸I/O元件2012可包括被设置在触摸传感器元件下方的第三第一光学透明粘合剂(OCA)元件，在一些具体实施中，其可具有约100微米的厚度。如上文相对于第一OCA元件106所述的，在另选的实施例中，可使用不干扰系统的其他元件的操作的其他粘合剂元件。
在一个实施例中，触摸I/O元件2012可包括被设置在第二第一光学透明粘合剂(OCA)元件下方的力传感器元件，其可具有约50微米的厚度。
如上所述，尽管本专利申请描述了层的特定排序，但在另选的实施例中，其他排序也为切实可行的，并在本发明的范围和实质内。此外，尽管给出了样本厚度，但这些仅仅是例示性的并且可根据需要进行改变。类似地，如上所述，除OCA之外的其他物质也将是切实可行的，并在本发明的范围和实质内。类似地，如上所述，除PVDF之外的其他材料诸如能够生成可从覆盖玻璃表面反射的信号或以其他方式检测触摸力的其他压电物质116或其他电路或元件也将是切实可行的，并在本发明的范围和实质内。类似地，如上所述，被描述为具有用于进行激活的顶部和底部电路组的元件在仅具有用于进行激活的单层电路的另选的实施例中也是切实可行的，单层电路诸如是使用用于激活单独元件的三个电极的单层，而非各自具有耦接到每个元件的仅两个电极的两层。
应当指出的是，图5B为特定层提供了样本厚度水平。例如，触摸传感器108和粘合剂层可具有约270μm的厚度，OLED显示器和粘合剂可具有约430μm的厚度，并且超声波或力感测模块可具有约350μm的厚度。然而，应当指出的是，对任何特定层或层组的任何厚度的论述仅仅是例示性的，并且设想并预计会有很多其他具体实施。因此，任何特定厚度的论述不应被理解为限制性的，而仅仅是示例性的。
参考图5，超声波或力感测模块可包括压电材料，诸如PVDF。压电膜116可并入超声波模块116中并可用于生成超声波脉冲。此外，压电膜116可被配置为接收该超声波脉冲的反射并将该反射转换为指示设备表面处的所施加的力的大小的测量信号，并且响应于特定力感测元件的标识符，可能还有它们的位置。下文将更详细地论述这种情况。
用于基于超声波的感测的行和列电路
图6A示出了包括基于超声波的力感测的系统的概念图，该基于超声波的力感测包括行驱动器和感测列。
图6B示出了包括基于超声波的力感测的系统的概念图，该基于超声波的力感测包括与行驱动器和感测列相关联的信号。
在一个实施例中，基于超声波的感测元件可包括压电层116，该基于超声波的感测元件包括以重叠方式，诸如直线性地设置的一个或多个行和一个或多个列，具有如下效果：识别这种特定行和这种特定列的每个交点处的一个或多个力感测元件。这样具有如下效果：可在每个特定的一个此类力感测元件处独立地确定该触摸力。在一些实施例中，压电层可以是沉积于一个或多个行和列上方的膜，该一个或多个行和列可向压电膜施加电流。在这些实施例中，当施加电流时，压电材料可发射超声波脉冲。此外，当压电层接收超声波脉冲时，它可生成电流。在其他实施例中，可将压电材料并入行/列中，并且当由相应的驱动器向行和列施加电流时，压电材料可发射一个或多个超声波脉冲。
类似地，在一个实施例中，触摸感测元件包括以重叠方式诸如直线性地设置的一个或多个行和一个或多个列，具有如下效果：识别这种特定行和这种特定列的每个交点处的一个或多个触摸感测元件。这样具有如下效果：可在每个特定的一个此类触摸感测元件处独立地确定该触摸的位置。在一个实施例中，每个触摸感测元件包括能够测量触摸I/O元件2012(或更具体地，以及触摸设备2012的覆盖玻璃下方的元件)和用户的手指或其他身体部位或触摸设备之间的电容的设备。这样具有如下效果：当用户将其手指放到触摸I/O元件2012附近或触摸该触摸I/O元件2012时，一个或多个电容感测元件检测用户手指的位置，并产生指示用户接触触摸I/O元件2012的一个或多个位置的一个或多个信号。
在一个实施例中，基于超声波的感测元件将其行耦接到一个或多个触发和驱动电路(诸如在图中被示为TX1和TX2，分别对应于行1和2)，感测元件中的每个感测元件均耦接到基于超声波的感测元件的对应行。基于超声波的感测元件的每个对应行均耦接到一个或多个基于超声波的传感器的序列。可为压电材料的每个基于超声波的传感器当被触发时能够发射超声波脉冲或其他信号(诸如在图中被示为TX1和TX1，再次分别对应于行1和2)，其从基于超声波的传感器被发射，通过相对于图5A和图5B所述的元件并到达覆盖玻璃的表面。
触发和驱动电路生成被发射到基于超声波的感测设备的行的一个或多个脉冲，触发和驱动电路中的每一者均耦接到单独的基于超声波的感测元件的对应行。类似地，在一个实施例中，单独的基于超声波的感测元件将其列耦接到一个或多个感测和接收电路，感测和接收电路中的每一者均耦接到基于超声波的感测设备的对应列。总体上，这样具有如下效果：一行或多行基于超声波的感测设备由对应的触发信号驱动，感测设备耦接到一列或多列基于超声波的感测设备，触发信号由对应的接收电路感测。
当超声波脉冲到达覆盖玻璃的前表面时，它会被用户的指尖或用户身体的其他部分或其他触摸元件(诸如，软末端的触笔或类似的设备)反射。这可具有如下效果：超声波脉冲会至少部分被反射回发射该超声波脉冲的基于超声波的传感器。反射的超声波脉冲被一个或多个基于超声波的传感器接收，该一个或多个基于超声波的传感器包括发射该超声波脉冲的基于超声波的传感器，具有如下效果：当用户触摸触摸I/O元件2012时，接收到对用户按压在覆盖玻璃上的触摸力作出响应的信号。
可由基于超声波的感测元件的列(诸如，在图中示出为Vout A、VoutB和Vout C，分别对应于列A、B和C)识别来自覆盖玻璃的前表面和空气或用户手指之间的界面的一个或多个此类反射。每个此类列均耦接到感测放大器，诸如在图中被示为包括参考电压Vref(诸如接地电压或其他参考电压)、放大器和反馈阻抗元件(诸如电容器、电阻器或它们的组合或结合，或其他部件)。尽管图中将每个感测放大器示为仅耦接到一个感测元件，但在本发明的上下文中，没有特定要求进行任何此类限制。例如，一个或多个此类感测放大器可包括微分感测放大器或其他感测放大器设计。
在一个实施例中，设置每个感测放大器，使其在来自覆盖玻璃前面和用户手指之间的界面的超声波反射是由于力感测元件正上方的力导致的情况下生成相对最大的响应。这样具有如下效果：当力感测元件从用户接收触摸力时，对用户按压在覆盖玻璃上的触摸力的相对最大响应主要来自与触摸力的相对最大位置相关联的单独行/列处的基于超声波的感测元件。在用户按压在覆盖玻璃上的触摸力也按压在覆盖玻璃的其他位置上的限度内，与那些其他位置相关联的单独行/列处的基于超声波的感测元件也将作出响应。
在一个实施例中，还设置每个感测放大器，使其在来自覆盖玻璃的前面的超声波反射是由于力感测元件正上方相对较远处位置的力导致的情况下生成相对最小的响应。例如，在超声波反射来自从基于超声波的传感器以某一角度发射的超声波脉冲的一部分并且以该角度类似地向回反射的情况下，该超声波脉冲的到达时间会与正上下方反射充分不同，从而可设置感测放大器以忽略超声波脉冲的反射的部分。这样具有如下效果：可设置感测放大器，仅对感测放大器正上方的用户在覆盖玻璃上按压触摸力时的那些情况作出响应。
例如，可由来自驱动电路诸如TX1或TX2的触发脉冲生成超声波脉冲，具有如下效果：提供第一组(不需要的)反射和第二组(需要的)反射，一组反射针对Vout A、Vout B和Vout C中的每一者。不需要的反射可能是对来自其他超声波脉冲的反射的响应，是对来自从覆盖玻璃的前面之外的元件或这种元件之间的界面反射的超声波脉冲或其他形式的脉冲的反射的响应。例如，在来自驱动电路的触发脉冲之后的时间诸如触发脉冲之后小于约450纳秒，但在超声波脉冲行进到覆盖玻璃前面并被反射的预期时间之前诸如触发脉冲之后超过约450纳秒，可能会发生不需要的反射。在这种情况下，将设置接收和感测电路以拒绝对不在来自正确力感测元件的响应的预期持续时间窗口内的那些反射作出响应。
在一个实施例中，触摸I/O元件2012可包括电容式触摸感测设备，其可确定用户接触或接近接触触摸I/O元件2012的位置或大约位置。例如，电容式触摸感测设备可包括一组电容触摸传感器，对该组电容触摸传感器进行设置以确定用户是否接触或接近接触一个或多个电容式触摸感测元件处的触摸I/O元件2012。
在一个实施例中，触摸I/O元件2012可组合来自电容式触摸感测设备和基于超声波的力感测设备的信息，具有如下效果：确定用户的触摸位置和触摸力。
在一个实施例中，触摸I/O元件2012可将基于超声波的力感测设备保持在相对休眠状态，具有如下效果：减小持续的功率使用，直到电容式触摸感测设备指示用户在触摸I/O元件2012上存在接触或接近接触时。对于第一实例，一旦用户在触摸I/O元件2012上存在接触或接近接触，触摸I/O元件2012就可激活基于超声波的力感测设备，具有如下效果：基于超声波的力感测设备无需在用户不接触触摸I/O元件2012时汲取电力。对于第二实例，一旦用户在触摸I/O元件2012上存在接触或接近接触，触摸I/O元件2012就可激活基于超声波的力感测设备中的与发生接触或接近接触的位置相关联的一部分，具有如下效果：仅有基于超声波的力感测设备的那些部分仅在与用户接触触摸I/O元件2012的地点相关联的位置处需要汲取电力。
使用反射的基于超声波的力感测
图7示出了包括基于超声波的力感测的系统的概念图，该力感测包括未施加力和施加力的实例中的基于超声波的反射。
在该实例中，基于超声波的力传感器包括发射器/接收器120，该发射器/接收器120被设置以当被电子电路(在本图中未示出)触发时发射超声波脉冲，并被设置以接收超声波脉冲并响应于其而生成信号。在一些实施例中，发射器/接收器120可包括压电材料118，该压电材料可被配置为响应于电流而发射超声波信号，以及响应于超声波信号而生成电流。这样，压电层既可用于发射超声波信号又可用于接收超声波信号。例如，由压电材料所生成的电流可对应于所接收信号的强度。
参考图2、图5A、图5B和图7，并且如上所述，发射器/接收器120被设置在粘合剂层118下方，该粘合剂层被设置在显示层112下方，该显示层被设置在第二OCA(粘合剂)层110(或具有适当属性的另一层，如上所述)下方，该第二OCA层被设置在触摸传感器层108下方，该触摸传感器层被设置在第一OCA(粘合剂)层106(或具有适当属性的另一层，如上所述)下方，该第一OCA层被设置在覆盖玻璃层102下方，该覆盖玻璃层具有表面，在该表面处具有与空气(当不存在用户的接触时)或用户手指(当存在用户的接触时)的界面。
在发射器/接收器120处生成超声波脉冲，并指向覆盖玻璃102的表面。如图中所示，在层间的每个界面处，超声波脉冲的能量的一些部分被层间的界面反射，超声波脉冲的能量的一些部分通过与下一层的界面被发射。
在一个实施例中，其中粘合剂118和OCA层106,110具有基本上类似于水的稠度和密度，约82％的超声波脉冲的能量通过粘合剂层和显示层之间的界面被发射，而约18％的该能量被反射。类似地，在此类实施例中，约82％的剩余超声波脉冲的能量通过显示层和第二OCA层之间的界面被发射，而约18％的剩余能量被反射。类似地，在此类实施例中，约95％的剩余超声波脉冲的能量通过第二OCA层和触摸传感器层108之间的界面被发射，而约5％的剩余能量被反射。类似地，在此类实施例中，约95％的剩余超声波脉冲的能量通过触摸传感器层108和第一OCA层106之间的界面被发射，而约5％的剩余能量被反射。类似地，在此类实施例中，约44％的剩余超声波脉冲能量通过第一OCA层106和覆盖玻璃102之间的界面被发射，而约56％的剩余能量被反射。
当不存在用户的接触时，基本上全部剩余超声波脉冲的能量被覆盖玻璃102和空气之间的界面反射。然而，当超声波脉冲从覆盖玻璃102和空气之间的界面返回到发射器/接收器120时，发生超声波脉冲的能量的类似损耗。如图中所示，当不存在用户的接触时，约7％的超声波脉冲的能量从覆盖玻璃102和空气之间的界面返回到发射器/接收器120。
当存在用户的接触时，诸如当用户的手指向覆盖玻璃102施加力时，约70％的剩余超声波脉冲的能量被用户的手指吸收，并且约30％的剩余超声波脉冲的能量被反射。这些部分可能响应于各种因素而变化，该各种因素诸如用户手指覆盖的力感测元件的量、用户手指润湿覆盖玻璃102的量、用户手指中或上的热量或湿度的测量，以及可能的其他因素。如上所述，当超声波脉冲从覆盖玻璃102和空气之间的界面返回到发射器/接收器120时，发生超声波脉冲的能量的类似损耗。如图中所示，当存在用户的接触时，约2％的超声波脉冲的能量从覆盖玻璃102和空气之间的界面返回到发射器/接收器120。
在另选的实施例中，其中粘合剂和OCA层具有基本上类似于聚酰亚胺物质的稠度和密度，层之间的阻抗匹配更有利于发射超声波脉冲，具有如下效果：当不存在用户的接触时，约48％的超声波脉冲的能量从覆盖玻璃102和空气之间的界面返回到发射器/接收器120，当存在用户的接触时，约15％的超声波脉冲的能量从覆盖玻璃102和空气之间的界面返回到发射器/接收器120。
然而，本领域的技术人员将认识到，在阅读本专利申请之后，无论粘合剂和OCA层具有基本上类似于水的稠度和密度还是具有基本上类似于聚酰亚胺物质的稠度和密度，从覆盖玻璃102和空气之间的界面返回到发射器/接收器120的超声波脉冲的能量的量之间的比率可能约为3.5到1，具有如下效果：发射器/接收器可确定存在用户手指的接触或不存在此类接触之间的差异。
类似地，应当指出的是，既因为(A)层之间的内部反射，又因为(B)超声波脉冲中未直接从发射器/接收器朝覆盖玻璃和空气之间的界面发射的部分，或未直接从覆盖玻璃和空气之间的界面向发射器/接收器发射的部分，超声波脉冲可能会有很大的伪反射。在一些实施例中，发射器/接收器可将其对单独超声波脉冲的接收限制到特定时间或超声波脉冲的特定方面，发射器/接收器可确定哪些反射来自覆盖玻璃和空气之间的界面(因此，当确定所施加的力的大小时应当考虑)，以及哪些反射是伪内部反射，即除来自覆盖玻璃和空气之间的界面之外(因此，当确定所施加的力的大小时不应考虑)。
时序图
在一些实施例中，计算设备和/或触摸屏设备的各个部件可彼此独立地和/或在独立的频率上被驱动或激活。对于特定部件诸如显示器、触摸传感器或传感器(如果有的话)和/或力传感器，独立的驱动时间和/或频率可有助于减少各部件中的串扰和噪声。图8A-图8C示出了不同的时序图实例，下面将依次论述每个时序图。应当指出的是，本文论述的时序图仅仅意在是例示性的并且可设想很多其他时序图和驱动方案。
在一些实施例中，相对于图8A，可基本上同时驱动显示器14和力传感器18，独立驱动触敏部件1001。换句话讲，可在也激活显示器的时间段期间激活用于力感测设备18的驱动电路。例如，在第一时间段期间显示器信号30和力感测信号34均可导通，然后在激活触摸感测设备信号32时两者均停止活动。
在一些实施例中，相对于图8B，可基本上同时驱动触摸和力设备，可独立驱动显示器。例如，可在触摸信号42和力信号44可能均低(例如不活动)的时间期间将显示器信号40设置为高的(例如活动的)，当触摸信号42和力信号44均高时，显示器信号40可为低的。在该实例中，触摸信号42和力信号44可具有不同的频率。具体地，触摸信号42可具有第一频率F1并且力信号44可具有第二频率F2。通过利用独立的频率F1和F2，计算设备可能够基本上同时对触摸输入和力输入都进行采样而不会彼此干扰，这继而可允许处理器更好地使触摸输入和力输入关联。换句话讲，处理器可能够使力输入与触摸输入关联，因为传感器可基本上同时彼此进行采样。此外，独立的频率可减少两个传感器之间的噪声和串扰。尽管相对于力和触摸信号论述了图8B中的实例，但在其他实施例中，驱动信号、触摸信号和/或力信号的每一者均可具有彼此独立的频率，并且可与另一个信号同时或对应地激活。
在一些实施例中，相对于图8C，可彼此独立地驱动计算设备中的各个部件。例如，可将显示器信号50驱动为高，同时将触摸信号52和力信号54驱动为低。此外，触摸信号52可为高的，同时力信号54和显示器信号50为低的，以及类似地，力信号54可为高的，同时显示器信号50和触摸信号52为低的。在这些实例中，力信号的活动周期可定位于显示器和触摸传感器的活动周期之间。换句话讲，可在驱动显示器和驱动触摸传感器之间驱动力传感器18。在这些实例中，每个设备可在彼此独立的时间处为活动的，从而减少系统间的噪声。在一些实施例中，力传感器可具有比显示器或触摸信号更短的驱动时间；然而，在其他实施例中，力传感器可具有与显示器和/或触摸传感器基本上相同或更长的驱动时间。
另选的实施例
该技术用于执行基于超声波的力感测，尤其是在触摸设备中，并且使用从基于超声波的力感测收集的或与之相关联的信息以执行与触摸识别、GUI的触摸元素和应用程序中的触摸输入或操控相关联的方法，这些均对现实世界的事件以及与那些事件相关联的现实世界数据诸如从用户活动所接收的力感测数据作出响应并作出变换，并在操作触摸设备的服务中提供有用而明显的效果。由计算设备对基于超声波的力感测数据的处理包括基本的计算机控制和编程，涉及基于超声波的力感测数据的基本记录，并涉及与基于超声波的力感测硬件以及任选地用于使用基于超声波的力感测信息的用户界面的交互。
本公开中描述的实施例的特定方面可被提供作为计算机程序产品或软件，其可包括例如可用于对计算机系统(或其他电子设备)进行编程以执行根据本公开的过程的在其上存储有指令的计算机可读存储介质或非暂态机器可读介质。非暂态机器可读介质包括用于以机器(例如计算机)可读的形式(例如软件、处理应用程序)存储信息的任何机制。非暂态机器可读介质可采取但不限于如下形式：磁存储介质(例如软盘、录像带等)；光学存储介质(例如CD-ROM)；磁光存储介质；只读存储器(ROM)；随机存取存储器(RAM)；可擦除可编程存储器(例如EPROM和EEPROM)；闪存存储器；等等。
尽管已参考各种实施例描述了本公开，但应当理解这些实施例是例示性的，并且本公开的范围并不限于此。许多变型、修改、添加和改进是可能的。更一般地，已在特定实施例的上下文中描述了根据本公开的实施例。在本公开的各种实施例中可以不同方式在过程中将功能分开或组合在一起，或以不同术语加以描述。这些和其他变型、修改、添加和改进可落在以下权利要求所限定的本公开的范围内。

Claims (20)

1.一种触摸I/O设备，包括：
一个或多个力敏传感器，所述一个或多个力敏传感器能够提供关于所施加的力的信息，所述信息包括在发生接触或接近接触的所述一个或多个位置处存在的力的大小的测量；
其中所述力敏传感器对超声波脉冲作出响应，所述超声波脉冲被设置为从被选择发生所施加的力的所述触摸I/O设备的表面反射。
2.根据权利要求1所述的设备，包括：
图形用户界面，所述图形用户界面对力的大小的所述测量作出响应。
3.根据权利要求1所述的设备，其中
所述一个或多个力敏传感器对所施加的力的变化与发生所述接触或接近接触的所述位置的变化作出响应。
4.根据权利要求1所述的设备，其中
所述一个或多个力敏传感器包括一个或多个力感测元件，所述一个或多个力感测元件中的每个力感测元件被设置为确定所述触摸I/O设备的所述表面的基本受限区域处的所施加的力的大小。
5.根据权利要求4所述的设备，包括：
超声波脉冲发生器，所述超声波脉冲发生器被设置为朝针对所述力感测元件中的一个或多个力感测元件所指定的所述表面的一部分引导超声波脉冲；
接收器，所述接收器耦接到所述超声波脉冲从所述表面的反射，并被设置为针对为所述力感测元件中的所述一个或多个力感测元件所指定的所述部分来接收所述反射；
测量电路，所述测量电路被设置为响应于所述反射来确定所述表面的所述部分处的所施加的力的大小。
6.根据权利要求1所述的设备，包括：
超声波脉冲发生器，所述超声波脉冲发生器被设置为朝所述表面引导超声波脉冲；
接收器，所述接收器耦接到所述超声波脉冲从所述表面的反射；
测量电路，所述测量电路被设置为响应于所述反射来确定所述表面处的所施加的力的大小。
7.根据权利要求6所述的设备，其中
所述测量电路被设置为确定所述表面处的所施加的力的位置。
8.一种用于估计施加到表面的力的方法，包括：
朝表面发射超声波脉冲，
从所述表面接收反射的超声波信号；
确定所述超声波脉冲和所述反射的超声波信号之间的能量差；以及
根据所述能量差来估计力。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括采用所述力作为计算设备的输入的操作。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述反射的超声波信号至少部分地从所述表面被反射。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括在确定所述能量差的操作之前考量所述超声波脉冲和所述反射的超声波信号中的至少一者的衰减的操作。
12.根据权利要求8所述的方法，还包括如下操作：
定义时间发射窗口；
定义时间接收窗口；其中
仅在所述时间发射窗口期间发生朝所述表面发射所述超声波脉冲的操作；以及
仅在所述时间接收窗口期间发生从所述表面接收所述反射的超声波信号的操作。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述时间发射窗口和所述时间接收窗口不重叠。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述时间发射窗口的结束与所述时间接收窗口的开始隔开约450纳秒。
15.根据权利要求8所述的方法，还包括如下操作：
将所述能量差与先前超声波脉冲和先前反射的超声波信号之间的先前确定的能量差进行比较；以及
基于所述比较，确定对象是否正触摸所述表面。
16.一种用于接受力作为输入的装置，包括：
至少一个超声波发射器；
光学透明的表面，所述光学透明的表面被设置在所述至少一个超声波发射器上方；
显示器，所述显示器被设置在所述光学透明的表面下方并被设置在所述至少一个超声波发射器上方；以及
至少一个超声波接收器，所述至少一个超声波接收器邻近所述至少一个超声波发射器定位。
17.根据权利要求16所述的装置，其中所述至少一个超声波接收器定位在所述至少一个超声波发射器下方。
18.根据权利要求16所述的装置，其中所述光学透明的表面包括玻璃。
19.根据权利要求16所述的装置，其中所述至少一个超声波发射器包括压电膜。
20.根据权利要求19所述的装置，还包括处理器，所述处理器可操作地连接到所述至少一个超声波接收器，并被配置为基于由所述至少一个超声波接收器所接收的信号来估计施加在所述光学透明的表面上的力。
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