CN105373277B - 透明触摸屏显示器中的触觉反馈和电容性感测 - Google Patents

透明触摸屏显示器中的触觉反馈和电容性感测 Download PDF

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Abstract

根据示例实施例，用户(触摸屏)接口具有触觉反馈。用户接口包括：衬底、衬底上方的透明底部电极、透明底部电极上方的透明起皱层、透明起皱层上方的透明顶部电极；以及透明顶部电极上方的透明保护层。当在顶部电极与底部电极之间施加电压时，透明起皱层由平滑表面变为粗糙表面；该电压生成相互吸引顶部与底部电极的静电力，以在透明起皱层上施加压缩力，该压缩力足以生成触摸可感知的表面起的程度。

Description

透明触摸屏显示器中的触觉反馈和电容性感测
技术领域
本公开涉及其中使用了触觉技术来增强透明触摸屏的有用性以便丰富用户体验的触摸屏设备。
背景技术
随着依赖触摸屏接口的智能电话、平板计算机、汽车仪表盘等(其中用户必须看着屏幕来发起动作或对提示做出响应)的激增，用户对其周围环境的注意力显著分散。可能存在对用户和/或旁观者造成伤害的风险，因为用户正注意于他的智能设备的触摸屏接口，而不顾其它事物。
此外，一部分视觉受损的人无法从智能设备触摸屏技术的优势获益。
需要增强触摸屏技术以解决各种用户群体的挑战。
发明内容
已经发现，通过向那些可能视觉上受损的用户或者需要使用具有触摸屏技术的设备但处在低照度环境下的有视力用户提供使用的机会，公开的实施例对增强建立在各种设备上的触摸屏技术是有用的。用户可以经由触摸感觉(即，触觉反馈)来接收与他的触摸屏设备的状态有关的信息。
在示例实施例中，存在具有触觉反馈的用户接口。用户接口包括：衬底、衬底上方的透明底部电极；透明底部电极上方的透明起皱层；透明起皱层上方的透明顶部电极。当在顶部电极与底部电极之间施加电压时，透明起皱层由平滑表面变为粗糙表面；该电压生成相互吸引顶部与底部电极的静电力，以在透明起皱层上施加压缩力。该压缩力足以生成触摸可感知的表面起皱程度。透明表面保护透明顶部电极的表面。
在一些示例实施例中，实现了可编程粗糙特征结构，使得当用户手指的位置在特定区域中时生成能够可感知的折皱。在其它实施例中，实现了可编程摩擦特征结构，使得生成具有幅度的可感知折皱，该幅度取决于表面上用户手指的位置和速度两者。在两种类型的实施例中，折皱可以具有静态幅度或时变幅度。因此可以电容性地感测到手指的速度和位置。
在另一示例实施例中，便携式计算设备具有玻璃显示器；玻璃显示器包括触觉反馈系统。触觉反馈系统包括玻璃显示器的透明部分，该玻璃显示器具有可切换为平滑或粗糙的可变表面，其中可变表面包括：衬底、衬底上方的透明底部电极、透明底部电极上方的透明起皱层、以及透明起皱层上方的透明顶部电极。当在顶部电极与底部电极之间施加临界电压时，透明起皱层由平滑表面变为粗糙表面；该临界电压生成相互吸引顶部与底部电极的静电力，以在透明起皱层上施加压缩力，该压缩力足以生成触摸可感知的表面起皱程度。存在电容性感测电路，当用户手指接近距表面最小距离时，该电容性感测电路感测透明部分的电容变化，并且电容性感测电路引起临界电压的施加，该临界电压将可变表面从平滑切换为粗糙；该粗糙可变表面向用户提供触觉反馈，使得用户可以将数据键入便携式计算设备或响应于来自便携式计算设备的信息。
上述本公开的概要并不旨在于表现本发明的每个公开的实施例或每一个方面。在附图以及下文中的具体实施方式部分提供了其它方面和示例实施例。
附图说明
参照附图，考虑到下文公开的各种实施例的详细描述，可以更加完整地理解本发明。
图1示出了每泊松比的横向收缩/扩张的原则；
图2以横截面示出了根据公开实施例的透明触觉表面布置；
图3示出了根据公开实施例的触觉表面系统；
图4示出了应用到触觉表面的手指检测电路的示例实施例；
图5A至图5B示出了便携式计算设备“触摸键盘”中的触觉表面的示例应用；以及
图6示出了使用公开实施例的触觉表面的流程图。
虽然本发明可以实现各种修改和备选形式，其细节已经在附图中以示例的方式示出，并且将会详细描述。然而，应当理解的是，其目的并不是将本发明限制为描述的具体实施例。相反，本发明覆盖落入到如附加权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替代。
具体实施方式
已经发现在增强关于触摸屏技术的用户体验中，公开的实施例是有用的。触觉技术或触觉论是利用通过对用户施加力、振动或运动的触摸感测的触觉反馈技术。在文献中，触觉技术被描述为“能够为触摸感测做计算机图像为视觉所做的”。触觉设备可以包括测量用户施加到接口上的力的触觉传感器。词语触觉来自于希腊语(haptikos)，意思是关于触摸的感测，并且来自于希腊语动词(haptesthai)，意思是接触或触摸。
来自触摸屏用户接口的触觉反馈可以通过选择性地在目标区域中生成表面折皱来生成。通过启用触摸屏上方的透明层的电压控制的垂直压力，起皱材料的横向扩张会导致折皱。指尖可以感测特定范围的波动波长以及调制深度。生成触觉反馈的相同电极还可以用于用户手指的电容性感测。
在Daan van den Ende等人题为“Voltage-Controlled Surface Wrinkling ofElastomeric Coatings”Advanced Materials.2013，25.3438-3442的论文中，观察到由金制成的反射顶部电极在未经激励的状态下视觉上是平坦的，而当施加电压时变得不光滑。电压必须超过临界电压以便观察该效果。
波动的原则：两个电极之间的电场导致平行的板借助于静电力吸引。这加强了弹性体上z向压缩。为了保持体积，z压缩的弹性体将希望横向扩张。然而，横向运动是受限制的。这导致弹性体层中的纵弯曲(buckling)。该纵弯曲不稳定性的起源是与静电力相关的非线性位置。因此，在起皱电极的谷底中获得的静电能大于顶端的能量消耗。该能量差可用于使结构起皱。会产生峰和谷的伪随机二维图案。图案的波长λ并不是随机的，但是通过调整层厚度来控制。
根据横向收缩/扩张原则，由于争取体积守恒，通过被称为泊松比v的因子使横向法向应变(uxx)与垂直法向应变(uzz)相关。参照图1。由于材料110经历一个方向上的收缩，其扩展为另一个110a。其关系为：
Uxx＝-vUzz。
当在一个方向上压缩材料时，该材料通常趋向于在垂直于压缩方向的另外两个方向上扩张。这种现象被称为泊松效应。泊松比v(nu)是该效应的度量。泊松比是针对这些变化的较小值，扩张的分数(或百分比)除以压缩的分数(或百分比)。
相反地，如果材料拉伸而不是压缩的话，该材料通常趋向于在与拉伸方向横切的方向上收缩。当拉伸橡皮圈时，当橡皮圈变得明显更细时，这是常见的观察。同样，泊松比会是相对收缩与相对扩张的比例，并且将具有如上所述的相同值。在特定的罕见情况下，当材料被压缩时实际上在横向方向上收缩(或当拉伸时材料在横向方向上延伸)，这将产生负的泊松比。
为了在低电压下具有大的起皱效果，最好采用具有小的杨氏模数、高泊松比和高介电常数的材料。例如在上文引用的Daan van den Ende等人的论文中描述的特定弹性体具有这些有益特性。
参照图2。在示例实施例中，为了在触摸屏接口上操作，该原则应用到透明材料。需要具有透明顶部电极210和透明底部电极230的叠层200。透明弹性体起皱材料220夹在电极之间。透明顶部电极210、透明弹性体起皱材料220和透明底部电极230沉积在透明衬底240或下层触摸屏的表面上。可能地，这里可以使用已经出现在触摸屏中的材料。顶部电极的表面上的涂层250可以用于防止用户接触顶部电极210并且提供保护。电极由透明导电膜组成。
透明导电膜(TCF)是光学透明的并且在薄层中是导电的。一些适合的膜可以是透明导电氧化物(TCO)例如氧化铟锡(ITO)、掺杂氟的氧化锡(FTO)或氧化锌。其它膜可以包括有机导电聚合物；这些可以制造为柔性膜。一些透明导电聚合物可以包括但不限于：聚乙烯(3，4-乙撑二氧噻吩单体)(PEDOT)，聚乙烯(3，4-乙撑二氧噻吩单体)(PEDOT)：聚乙烯(苯乙烯磺酸盐)聚苯乙烯、或聚乙烯(4，4-dioctylcyclopentadithiophene)。这些有机膜可以调节为在可见光谱中是透明的。这些膜的导电率在大约1000S/cm到大约1000S/cm的范围内。可以在文献中找到制造这些膜的技术。在一些示例实施例中，厚度小于50nm的金电极应当是透明的并且是足够可弯曲的。
在Lisa Skedung等人题为“Feeling Small：Exploring the Tactile PerceptionLimits”(Nature-Scientific Reports，(3：2617，DOI：10，1038/srep02617，2013))的论文中，已经确定的是，大约40μm的折皱波长(λ)是最佳可感测的。根据该研究，需要的调制深度较低。可以容易地感测到10nm峰谷深度。
在根据图3示出的公开的示例实施例中，用户接口300具有触觉反馈布置。存在夹在透明顶部电极310与透明底部电极330之间的透明起皱层320。这三个层沉积在下层衬底340上或者例如沉积在触摸屏上。在施加大于临界电压的起皱电压342时(VWR＞VCR)，透明起皱层320形成有波长(λ)和振幅(a)350表征的波动355。针对具体地用户偏好，起皱层320可以被配置为具有波长和振幅的范围。可以通过由电容性感测电路375控制的电路来施加临界电压。手指可以通过电容器Cref360或电阻器(如图4中示出的电阻器415)来电容性地和/或电阻性地连接到感测和/或致动电路。引起起皱的激励电压可以使用电压源340直接施加在弹性体上，或者使用图4示出的电压源430通过手指上的电容性电压分配来直接施加在弹性体上。在图4的配置中，当手指接近弹性体层时，会仅出现起皱。对于屏幕上零电压，起皱消失。电容性感测电路375可以耦合到生成起皱电压(VWR)的电路。当用户手指370接近触觉屏幕表面时，手指的电容CFIN引起整体电容的变化，其等于CREF与CFIN组合；电容性感测电路375向电压起皱电路发送信号，引起电场(生成足够的力)，该电场使起皱层320形成表面折皱。用户感觉到透明顶部电极310的纹理变化。
接近和触摸传感器的示例可以在Emmanuel T.Nana.NXP Semiconductors题为“Improving Proximity and Touch Interfaces：Capacitive Sensors with Auto-Calibration”的申请(第7页)中找到。可以使用的具体产品可以包括但不限于：NXPPCF8883、PCA8885、PCF8885以及PCA8886电容性传感器。
参照图4。在示例实施例中，配置了针对手指检测的电路。施加来自高电压源(VHV)430的高电压用于使触摸表面起皱和手指检测两者。触摸表面可以被认为是弹性体电容器420。在手指与触摸屏之间形成“空气电容器”410；电容变化(ΔC)取决于手指与触摸屏420之间的距离。当手指与弹性体电容器420形成电容时，触摸触觉表面的用户到系统框架接地具有电阻415。电荷积分器(OpAmp 425)在OpAmp的“+”端子、虚拟接地和输出VOut处耦合到基准电容器(CRef)。OpAmp425的“-”耦合到机壳接地。在检测手指的存在时，存在与来自OpAmp的虚拟接地相对应的电容变化ΔC，该OpAmp在基准电容器Cref上生成相同的电荷。输出电压Vout的测量确定手指的存在，并且遵循以下关系：
VoutCref＝VHVΔC。
参照图5A和图5B。在根据本公开的示例实施例中，智能便携式计算设备500具有玻璃表面505和用户接口510a，用户接口510a其上限定有QWERTY键盘515a。玻璃表面505a的该部分配置有本公开的触觉接口。驱动该接口的电子元件的具体设计将由具体智能便携式计算设备500的参数来支配；其可能在其制造期间设计。
当便携式计算设备500感测到用户手指接近键盘时，用户接口510a转变成起皱的状态510b。一个或多个键515b可以是粗糙的，并且向用户提供触觉反馈。在示例实现中，基行键“F”和“J”可以是粗糙的以向用户食指提供参考点。对于用于平板个人计算机的全尺寸键盘来说，多个键作为一组可以是粗糙的；或者如果这样配置的话，每个键单独可以是粗糙的并由平滑表面围绕。因此，曾经仅可以通过视觉使用的键盘可以仅通过触摸来控制(例如如同二十世纪中期的打字机)；触摸反馈向用户提供精确敲击期望的键的指示。在另一个示例应用中，用户键盘可以是用于算术运算的数字键盘，触觉反馈仅通过触摸来提高精度。
参照图6。在示例实施例中，可选地用户可以控制触觉表面的特征结构。在步骤610中，用户激活透明触觉表面使得触觉表面在他的便携式触摸屏设备上的背景中运行。在步骤620中，用户希望从键盘键入数据。在步骤635中，如果手指接近屏幕，手指激活触摸屏系统。在步骤640中，该触摸屏系统使透明触觉表面键盘起皱。在步骤650中，用户可以通过触摸650来键入数据；该用户具有触觉反馈，使得他不需要看着键盘。在步骤665中，在用户通过键(即“回车”、“返回”、“前进”等等)指示停止输入之后，数据键入完成。在步骤670中，触摸屏系统去激活；取消对触觉表面的起皱并且键盘恢复平滑不起皱的状态。
如上所述，触觉反馈具有多个应用。例如，在便携式计算设备(例如智能电话、平板计算机)上，现在接口可以适于有视力的和失明的。针对有视力的人，反馈系统可以被配置为生成英语QWERTY键盘的物理字母(即拉丁字母)。针对失明的人，反馈系统可以被配置为生成盲文字符。此外，反馈系统还可以被配置为生成其它字母的物理字母(即希腊语、俄语、阿拉伯语、希伯来语、朝鲜语等)。当然，反馈系统可以被配置为针对使用拉丁字母的那些其它语言容纳额外的符号和字母(即区分标记)。
针对象形语言(如汉语和日语)，反馈系统可以被配置为生成常用字符。
针对即时通信类型的通信或E-mail，可以通过选择的键生成表情符号，以通过根据本公开的触觉反馈系统的变化来传达发送者和接收者的感觉和感情。
可以发现描述的实施例在各种应用中使用。例如，在使用触觉接口的便携式计算设备中，计算设备可以是汽车仪表盘控制器、航空仪器接口、船舶仪器接口、或适于潜艇的仪器接口的子系统。触摸屏特征结构帮助处在这些潜在低照度环境中的用户。在另一个实施例中，自助报刊亭可以使用根据本公开的实施例，以在用户视力减弱的情况下帮助顾客键入数据。
触觉接口可以是触摸屏台式计算机、触摸屏膝上型计算机、平板计算机或智能电话的组件。
参照具体说明性示例对各种示例性实施例进行了描述。选择说明性示例以帮助本领域技术人员形成对各种实施例的清楚的理解并实施各种实施例。然而，系统、结构和设备的范围可以构造为具有实施例中的一个或多个，并且可以根据一个或多个实施例实现的方法的范围不能限制在已经出现的具体说明性示例中。相反，如本领域技术人员基于该描述可以容易地认识到的，可以实现根据各种实施例的很多其它的配置、布置和方法。
在对本公开的描述中使用了程度位置指定(例如顶部、底部、上面、下面)，将会意识到的是，这些指定是参照对应附图给出的，并且如果在制造或操作期间设备的方向发生变化，其它替代应用其它位置关系。如上所述，这些位置关系是为了清楚而不是为了限制描述的。
本公开已经参照具体实施例并且参照特定附图进行描述，但是本发明并不限于次，相反，本发明仅通过权利要求来描述。描述的附图仅仅是示意图并且并是非限制性的。在附图中，为了说明的目的，各种元件的尺寸可能是夸大的并且并不是按照具体比例绘制。其意图在于，本公开围绕有关的容限中不重要的变化和组件特性及其操作模式。其意图在于覆盖优缺点的实现。
在术语“包括”在本说明和权利要求中使用的情况下，它并不排除其它元件或步骤。在当指代单个名词时使用不定冠词或定冠词的情况下(例如“一个”、“该”)，除非另有明确说明，这包括复数个该名词。因此，术语“包括”不应当解释为被限制在其后列出的术语；它并不排除其它元件或步骤，因此措辞“包括部件A和B的设备”的范围不应当限于只由组件A和B组成的设备。关于本公开，该措辞表示该设备仅有的的相关组件是A和B。
在不背离如附加权利要求中限定的本发明的精神和范围的情况下，本发明的多个其它实施例对于本领域技术人员来说将会是显而易见的。

Claims (14)

1.一种具有触觉反馈的用户接口，所述用户接口包括：
衬底，
所述衬底上方的透明底部电极；
所述透明底部电极上方的透明起皱层，其中所述透明起皱层包括弹性体，其配置为在被压缩时沿横向扩张；
所述透明起皱层上方的透明顶部电极，其中，所述透明起皱层配置和布置为当在顶部电极与底部电极之间施加电压时由平滑表面变为粗糙表面，所述电压生成相互吸引顶部与底部电极的静电力，以在所述透明起皱层上施加压缩力，所述压缩力足以生成响应于用户的触摸而可感知的表面起皱程度，其中所述表面起皱程度对应于所述电压、所述透明起皱层的弹性体的杨氏模数、泊松比率和介电常数，所述表面起皱由横向法向应变、泊松比率和垂直法向应变的函数所定义；以及
所述透明顶部电极上方的透明保护表面；
其中所述用户接口配置为限制所述弹性体的横向扩张以导致弹性体的弯曲；以及
其中所述表面起皱包括所述弯曲。
2.根据权利要求1所述的用户接口，其中，进一步包括电容性感测电路，配置和布置为当用户手指接近所述平滑表面时感测透明底部电极、透明起皱层和透明顶部电极的总体电容变化，所述电容性感测电路引起所述电压的施加，所述电压将所述透明起皱层从平滑表面切换到粗糙表面；所述表面起皱程度是所述透明起皱层的空间波长(λ)、调制深度(a)、泊松比率(ν)和厚度(D)的函数，所述函数进一步计入部分基于垂直法向应变的横向法向应变。
3.根据权利要求1所述的用户接口，其中，所述顶部电极上的电压是由用户手指与顶部电极之间的距离和/或接触面积导电性地或电容性地提供或影响的。
4.根据权利要求1所述的用户接口，其中，所述表面起皱程度是由物体与顶部电极之间的距离和/或接触面积影响的。
5.根据权利要求2所述的用户接口，其中，所述表面起皱程度基于顶部电极与底部电极之间施加的电压；所述电容性感测电路包括：
运算放大器，其具有接地的第一输入、以及具有第二输入；
电压源，其耦接在第二输入和透明底部电极之间；
基准电容器，其具有耦接到第二输入的第一端、以及具有耦接到运算放大器的输出的第二端。
6.根据权利要求5所述的用户接口，其中运算放大器的输出的电压是由电压源提供的电压、基准电容器的电容、以及由电容性感测电路所感测的电容的函数。
7.根据权利要求2所述的用户接口，
其中，所述空间波长(λ)在0.76μm到100μm的范围内；
其中所述调制深度(a)是至少10nm谷到峰；并且
其中所述透明起皱层厚度(D)在4μm到25μm的范围内。
8.一种具有玻璃显示器的便携式计算设备，所述玻璃显示器包括触觉反馈系统，所述触觉反馈系统包括：
所述玻璃显示器的透明部分，具有可变化表面，所述可变化表面可切换为平滑或粗糙，其中，所述可变化表面包括：
衬底，
所述衬底上方的透明底部电极；
所述透明底部电极上方的透明起皱层，其中所述透明起皱层包括弹性体，其配置为在被压缩时沿横向扩张；
所述透明起皱层上方的透明顶部电极，其中，当在顶部电极与底部电极之间施加临界电压时，所述透明起皱层通过所述弹性体而从平滑表面变为粗糙表面，所述临界电压生成相互吸引顶部与底部电极的静电力，以在所述透明起皱层上施加压缩力，所述压缩力足以生成响应于用户的触摸而可感知的表面起皱程度，其中当所述临界电压施加时的表面起皱程度是所述透明起皱层的横向法向应变、泊松比率、垂直法向应变的函数；以及
电容性感测电路，配置和布置为当用户手指接近所述表面时感测透明部分的电容变化，所述电容性感测电路引起所述临界电压的施加，所述临界电压将所述透明起皱层从平滑切换到粗糙，
其中，粗糙的表面向用户提供触觉反馈，使得用户能够将数据键入到所述便携式计算设备或响应来自所述便携式计算设备的信息；
其中所述触觉反馈系统配置为限制所述弹性体的横向扩张以导致弹性体的弯曲；以及
其中所述表面起皱包括所述弯曲。
9.根据权利要求8所述的便携式计算设备，其中，电容性感测电路进一步配置为基于用户手指在所述表面上的位置和横向移动速度而调节起皱的幅度，由此通过可编程摩擦来创建触觉反馈。
10.根据权利要求8所述的便携式计算设备，其中，所述可变化表面包括由以下组成的组中的至少一个：键盘、按钮、滑块、表情符号；其中所述函数至少部分地基于所述横向法向应变，其相应于所述泊松比率和垂直法向应变而定义。
11.根据权利要求8所述的便携式计算设备，其中，静电力向用户提供触觉反馈，其进一步包括：
电压源，其中所述电容性感测电路进一步配置为响应于电容变化而向所述电压源输入信号，以及其中所述电压源配置为响应于之而提供所述临界电压。
12.根据权利要求8所述的便携式计算设备，其中，显示的键盘包括目标参考键，所述目标参考键指示所述可变化表面生成的“基行”。
13.根据权利要求8所述的便携式计算设备，其中，所述可变化表面配置为生成与QWERTY键盘的字母相对应的盲文表面。
14.根据权利要求8所述的便携式计算设备，其中，所述电容性感测电路包括：
运算放大器，其具有接地的第一输入、以及具有第二输入；
电压源，其耦接在第二输入和透明底部电极之间；
基准电容器，其具有耦接到第二输入的第一端、以及具有耦接到运算放大器的输出的第二端。
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