CN105431800A - 具有同时感测和致动的触觉显示屏 - Google Patents

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Abstract

公开了具有用于利用同时感测和致动来产生多点触觉的系统和方法的触摸界面设备。在第一配置中，使用两层电极，包括在绝缘基板的触摸表面附近的用于触觉的顶层以及在绝缘基板的底表面处的用于感测的底层，其中，这两个电极组具有彼此基本上相同的图案。在第二配置中，在绝缘基板的触摸表面附近使用单个电极阵列，该单个电极阵列用作表面触觉设备和感测设备两者。

Description

具有同时感测和致动的触觉显示屏
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年6月17日提交的美国非临时专利申请序列号14/306,842的权益和优先权，该申请要求2013年6月24日提交的美国临时专利申请序列号61/838,566的权益，这些申请的公开内容特此通过整体引用而并入。
本发明的合同起源
本发明是在根据国家科学基金会授予的批准号IIS-0964075的政府支持的情况下进行的。政府在本发明中具有某些权利。
技术领域
本发明一般涉及用于表面触觉设备(SHD)的触摸界面(interface)，并且更特别地涉及具有可以提供多点触觉的同时感测和致动的触摸界面，该多点触觉包括提供由用户的单独的手指体验的独立触觉效果。
背景技术
触摸界面可以在膝上型计算机、游戏设备、汽车仪表盘、信息亭、操作室、工厂、自动柜员机以及诸如照相机和电话的便携式设备的主机中找到。触摸界面提供离散机械控制不提供的灵活的交互可能性。但是现有技术触摸界面牺牲了人类体验的重要部分：触觉。“触觉”是指与触摸相关联的感知系统。触觉让我们触摸类型、在黑暗中找到灯开关、挥舞刀叉、享受爱抚狗或握住我们的配偶的手。触觉不仅仅是移动一个人的手，而是感觉事物、辨识对象(即使不看它们)、以及控制我们与世界交互的方式。
振动形式的触觉是诸如寻呼机、蜂窝电话和智能电话的电子产品的熟悉特征。尽管振动长期已被用作静音或警报，但是它越来越多地被用于当使用触摸表面(诸如触摸屏)时向人手(尤其是指尖)提供触感反馈。例如，ImmersionCorporation提供了用于基于振动的触觉反馈的多个硬件和软件解决方案。他们的技术比在寻呼机中传统使用的技术先进得多得多。他们使用压电致动器来使得能够进行振动轮廓(profile)的高带宽控制。尽管如此，他们的方法也具有某些缺点。例如，整个设备振动，使得任何效果在握住设备的手中以及在触摸触摸表面或屏幕的指尖处被感觉到。此外，它不支持多点触觉：因为整个设备振动，所以触摸屏幕的每个指尖体验到相同的效果。
最近，静电致动已被作为产生局部化到指尖的振动的手段进行了探索。SensegLtd.使用静电力来创建指尖的振动，该振动使得一个人能够检测到触摸表面上的各种纹理(texture)。Senseg的技术具有以下优点：除了在皮肤的表面之外，它不产生机械振动。尽管他们的技术还具有简单地通过在屏幕的同一表面上使用多个电极来支持多点触觉的潜能，但是在实践中难以进行。一个原因是，难以进行与不在透明屏幕的边缘附近的电极的低电阻电连接。因此，在所述多个电极中，不在边缘附近的电极充电慢。另一个原因是，触觉必须与感测指尖位置的一些手段共存。用于多触摸感测的最常见的技术是“投射电容”感测，该“投射电容”感测也使用静电电荷。为了最小化静电触觉与投射电容感测之间的交互，Senseg解决方案使用单个电极用于触觉、整个触摸屏幕的尺寸。
多点触觉
本发明人的共同未决专利申请(标题为“ElectrostaticMulti-touchHapticDisplay”的美国专利申请序列号13/468,818)描述了实现多点静电触觉的多个方式。该公开的某些方面在本文中被作为背景技术提到。例如，静电触觉的基础是经由电场的摩擦力的调制(modulation)。该电场在指尖与触摸表面之间的接触点处被建立。这通过将一个或多个电极(触觉设备)放置在基板的触摸表面上并且利用介电层使这些电极与指尖绝缘来实现。为了建立电场，电路必须通过指尖闭合(close)。存在进行这个的两个主要方式。
在现有技术中，其他人已教导了图1a中所示的方法，该图1a是来自美国专利7,924,144的图，其中，手指-介电质-电极系统的电容是通过身体的某一其它部分处的第二接触而闭合的电路的一部分。因此，图1a示出了实现电容电感测界面的装置，该电容电感测界面具有在两个单独的接触位置之间闭合的电路，其中，这两个位置都是指尖。
本发明人已设计了图1b中所示的替代方法，图1b类似于来自标题为TouchInterfaceDeviceAndMethodForApplyingControllableShearForcesToAHumanAppendage的美国专利申请序列号13/468,695的图，其中，两个单独的电极E和E’(触觉设备)被绝缘层L覆盖，并且将被放置在基板(未示出)的前表面或顶表面上、单个接触或触摸位置处。电路因此通过指尖本身的单个触摸而闭合，而不涉及身体的其余部分。这具有不需要涉及身体的某一其它部分的益处，但是它也具有另一个益处，这将在本文中讨论。
为了应用两电极技术，必须在触摸表面上创建合适的电极对阵列。如图2所示，对装置(诸如移动设备2)实现该布置的一种方法将是简单地利用电极对6铺设顶表面或触摸表面4，该电极对6包括电极8和10。该顶层的电极具有以下优点：电极8、10可以被精确地放置在表面4上需要它们的地方，并且所有电极可以从同一导电层被构图。将意识到，导线可以从与电极相同的导电材料被构图，或者可以由更高导电性材料制成。
然而，该配置具有存在于一些现有技术中的、关于各薄导电迹线(trace)14、16需要连接到电极中的许多(诸如不在边缘附近的那些)的缺点。具有足够低的电阻率的薄导电迹线14、16可能难以生产，尤其是如果它们需要是透明的以满足其它设计目标的话。该方法的另一潜在困难是，电极计数可能变得相当大，尤其是随着触摸表面变得更大。如果x轴需要N个电极，并且y轴需要M个，则如图2中所示的成对的总电极计数为2*M*N。尽管如此，像利用电极对铺设表面的这个图案那样的图案在某些情况下可以被使用，诸如在具有较小屏幕尺寸的设备的情况下。
创建用于装置的触摸表面的电极阵列的第二方法在图3a中被示出，并且被称为“栅格(lattice)”。为了易于理解，图3a中的示图集中于电极阵列。尽管多个线(line)的菱形电极的栅格网络的形式的图案被示出，但是不需要使用这样的电极的形状和图案，重点而是在于利用可以成对服务的N*M个电极覆盖表面(这里被示为大体上为平面)。在该图中，电极20沿着或平行于第一轴(例如，x轴)延伸，并且电极22沿着或平行于第二轴(例如，y轴)延伸。给定y轴电极22与给定x轴电极20相交的区域限定了两电极区域(像图1b中所示的那个)，在该两电极区域中，静电力可以被施加于用户的皮肤，诸如指尖。
如图3a所示，任何电极20(x轴)和电极22(y轴)可以形成一对。如果不同的电压被施加于例如电极20和22，则各电极20、22的交叉(intersect)变为活动区域或位置，在该活动区域或位置中，手指将体验到增大的静电力。在实践中，可以使用AC电压，并且当两个电压彼此异相180度时，产生最大静电力。
静电力的大小(magnitude)可以以各种方式调制。作为几个示例，一种方法是改变施加于电极的电压的大小。另一种方法是改变施加于电极的电压波形的占空比。又一种方法是基于电极20、22上的电荷的度量(measure)来控制施加的电压或电流。进一步的方法是改变两个电极20、22上的电压之间的相位关系。当两个电极20、22上的电压彼此完全异相时，静电力被最大化，而当它们同相时，静电力被最小化，因为电路于是不再局部地通过用户的手指(诸如指尖处)的触摸、接触或接合(engage)而闭合，而是必须通过用户的身体的其余部分的电容而闭合。如果Cf是从手指到电极的电容，并且Cb是从身体的其余部分到设备接地的电容，则衰减因子(当触摸同相电极时的力与当触摸异相电极时的力的比)是：
通常，Cf显著大于Cb(至少大5倍)，所以衰减因子相当显著：多于一个数量级。
栅格网络或配置的形式的图案也在一定程度上支持多点触觉。这在图3b中被示出，该图3b示出了具有电极的栅格网络的图案，该栅格网络进一步包括沿着或平行于第一轴(例如x轴)延伸的电极24和沿着或平行于第二轴(例如y轴)延伸的电极26，并且在该栅格网络中，电极20与22之间的交叉以及电极24与26之间的迹线交叉，分别被用于限定或控制作用于两个相应手指上的静电力，其中第一指尖F通过第一椭圆表示，并且第二指尖FF通过第二椭圆表示。然而，存在该多点能力可能失效的手指位置。如果例如两个指尖位于同一电极上，则难以将非常不同的力施加于这两个手指。其原因是，通过用户的身体的手指到手指阻抗相对于电极到手指阻抗(1/(fCf))相当小，其中，f是AC激励的频率。因此，例如，活动的x轴电极上的第二手指仍具有第一指尖下方的活动的y轴电极的益处。注意，在示例中，x和y可以反过来。为了确保每个手指上的力独立于每个其它手指上的力，必须是它们是不同电路的部分。如上所述，这可以通过图2中的布置来实现，但是具有缺点。
多触摸感测
最现代的多触摸传感器具有“投射电容”(pCap)类型。这些传感器一般位于平面取向，并且基于沿着或平行于第一轴(例如y轴)延伸的一组传输(Tx)电极与沿着或平行于第二轴(例如x轴)延伸的一组接收(Rx)电极之间的互电容而工作，并因此被彼此正交地布置。尽管在使用中存在许多不同的电极图案，但是对于pCap传感器最常见的是图4中所示的互锁菱形图案。Tx和Rx线在不同的层上，或者它们在同一层上，但是形成桥，在这些桥中，线将以另外方式交叉，使得Tx线与任何Rx线之间不发生接触。
从每个Tx线到每个Rx线存在电容耦合，并且如果手指被放置在这两者的交叉附近，该互电容的量减小。根据1995年Zimmerman等人，如图5a中所表示的，手指实际上“窃取”电场线中的一些，这些电场线否则将已到达Rx线。该“人分流器”是用于pCap感测的标准模式。通过对于每个Tx-Rx对测量互电容(对于这，存在许多已知的技术)，并且对结果进行插值，可以定位各手指的形心。
相同的电极图案也可以被用于使用较老的自电容技术、而不是互电容来测量手指位置。根据该方法，垂直线(Rx和Tx线)被等同地对待。每个电极(无论是在Rx线中，还是在Tx线中)具有到地的电容，并且当手指被放到附近时，该电容增大。这使得检测到手指在沿着任何给定线的某处特别容易。X和Y坐标通过查询x轴Tx和y轴Rx电极线两者而被分别求得。该方法的限制是，它不是非常好地支持多触摸感测。必须考虑当两个手指被放置在触摸表面上时会发生什么。一般来说，两个x轴Tx电极线和两个y轴Rx电极线将响应。但是这些线在四个点处相交，例如，(x1,y1)(x1,y2)(x2,y1)(x2,y2)，而不是两个点。两个位置是正确的，而两个其它位置是错误识别(misidentification)或“幻影(ghost)”。利用这样的系统，没有好的方式使实际手指从幻影消歧(disambiguate)。
发明内容
公开的主题的目的和优点将在以下描述和附图中被阐述，并且从该描述和附图是清楚的，以及将通过要求保护的主题的实践来获知。本公开一般提供了用于提供促进多点触觉的同时感测和致动的触摸界面的系统和方法。
本公开一般提供了新颖的且非显而易见的用于产生多点触觉(本发明人称之为“同时感测和致动”(SSA))的系统和方法。在一个示例中，本公开使用两层电极：用于触觉的顶层(在绝缘基板或片材的触摸表面附近)(在本文中被称为触觉设备)以及用于可靠感知的底层(附连到绝缘基板或片材的底表面)(在本文中被称为感测设备)。这两个电极组具有基本上彼此相同的图案。这些在本文中被称为“镜像电极(mirroredelectrode)”。在进一步的示例中，本公开使用设置在触摸基板的前表面上的单个电极阵列，该单个电极阵列可以用作表面触觉设备和感测设备两者。
在第一方面中，本公开提出了一种具有同时感测和致动的触摸界面，该触摸界面包括：绝缘基板；一个或多个表面触觉设备，其连接到基板的前表面，并且被布置成图案；以及一个或多个感测设备，其连接到基板的后表面，其中，所述感测设备与连接到基板的前表面的所述一个或多个表面触觉设备对齐，并且被布置成与所述一个或多个表面触觉设备的图案基本上类似的图案。
在第二方面中，本公开提出了一种具有同时感测和致动的触摸界面，该触摸界面包括：绝缘基板；一个或多个电极，其能够提供连接到基板的前表面的静电致动，并且被布置成图案；连接到前表面的所述一个或多个电极被保护层覆盖；并且其中，基板的前表面上的电极提供触觉效应，并且用作测量触摸位置的感测设备。
将意识到，与前述第一方面相关联的触摸界面提供连接到基板的前表面的每个表面触觉设备和与其对齐并且连接到基板的后表面的每个相应的感测设备之间的强电容耦合。另外，该强电容耦合使得与表面触觉设备相关联的电容的改变(由于例如手指的触摸而导致)能够被从感测设备检测到。
进一步将意识到，对于与前述第二方面相关联的触摸界面，对于触觉效应提供静电致动的所述一个或多个电极还提供基板的前表面上的手指位置的基于电容的感测。
将理解，前述总体描述和以下详细描述都是示例性的，并且仅仅是出于解释的目的而提供的，并非限制要求保护的主题。从随以下附图进行的以下详细描述以及从所附权利要求，本公开的进一步特征和目的将变得更充分地清楚。
附图说明
在描述示例实施例时，对附图进行参照，在附图中，相似的部分具有相似的附图标记，并且其中：
图1a是来自实现电容电感测界面的装置的现有技术专利的图，该电容电感测界面具有在被两个不同手指接触的两个单独的接触位置之间闭合的电路。
图1b是来自本发明人的共同未决申请的附图的一部分，该部分示出了电路在单个手指的同一个接触位置处通过两个不同的电极的闭合。
图2是用于诸如移动设备的装置的电极的布置的示图。
图3a是栅格网络中的电极的第一示例图案的示图。
图3b是栅格网络中、示出多点触觉的电极的示例图案的进一步示图。
图4是示出可以被用在pCap传感器中的电极的菱形图案的示图。
图5a是表示作为pCap感测的标准模式的“人分流器(humanshunt)”的示图。
图5b是表示作为pCap感测的次级效应的“人传输器(humantransmitter)”的示图，但是当电极在基板的前表面上时，其可以是主导(dominant)效应。
图6是表示“镜像电极”的使用的触摸界面的简化图，其中，前或顶(触觉)电极层成一图案，并且后或底(感测)电极层成基本上类似的图案，并且为了易于观看，层之间的垂直间隔被大大地扩大，仅若干电极线被示出，并且成非常简单的形式。
图7a是标准的或典型的pCap电布置的示图，其中，圆角矩形表示底表面(感测)电极。
图7b是镜像电极电布置的示图，其中，手指充当传输器。
图8a是具有三倍对称的电极的示图。
图8b是示出用于图8a的具有三倍对称的电极的、需要与互锁菱形电极图案所需的处理步骤相同的处理步骤的桥接技术的示图。
图9a是如下示图，其中，圆圈表示手指触摸，并且示出，在两个手指和三倍对称的情况下，错误识别或“幻影”不可能发生，因为这样的幻影将需要三个“活(live)”电极，这些电极全都必须在一个位置处相交。
图9b是如下示图，该示图类似于图9a的示图，但是示出，在三个手指和三倍对称的情况下，幻影仅可在某些配置中发生。
图9c是如下示图，该示图类似于图9b的示图，但是示出，如果这三个手指中的一个仅仅移动小的量，则在三倍对称的情况下，幻影消失。
图10a是如下示图，其中，圆圈表示手指触摸，并且线表示来自在感测手指位置中使用的自电容的数据。
图10b是如下示图，其中，图10a中的线交叉已被计算并且通过点指示。
图10c是如下示图，其中，聚类分析已被与来自图10b的计算的交叉一起使用，以便丢弃不可能的手指触摸，并且其中，幻影残留，但是具有减小的大小。
图11是如下示图，其中，圆圈表示位于同一电极上的两个手指触摸(在该示图中，x轴公共电极通过虚线引用)，其中，手指触摸可以通过经由与地的高阻抗连接使该电极保持电隔离而被独立地定址(address)，并且力可以使用在它下面经过的其它两个电极而被施加于每个手指。
图12是如下示图，该示图有点像图11中的示图，但是示出手指触摸布置，在该手指触摸布置中，三交叉不足以在该三个手指触摸上分配所有的力。
应当理解，附图未按比例绘制。尽管触摸界面设备的一些机械细节(包括特定布置的其它平面图和截面图以及紧固装置的细节)未被包括，但是根据本公开，这样的细节很好地被认为在本领域技术人员的理解内。还应当理解，本发明不限于示出的示例实施例，并且示例被以简化的形式示出，以便集中于原理系统和方法，并且避免包括对于本公开不是必须的并且将使附图过于复杂的结构。
具体实施方式
本公开提供了与意图通过使用表面触觉设备(SHD)中的同时感测和致动(SSA)来提供多点触觉的触摸界面设备相关的若干示例。所述触摸界面设备包括基板和控制器，电极连接到该基板，该控制器与电极可操作地连接以产生触觉效应和感测手指位置。控制器可以利用本文中所公开的方法中的任何一种，并且被配置为利用电极的图案中的任何一种操作。在一个示例中，可以通过使用镜像电极来促进具有同时感测和致动的多点触觉。然而，已发现，本文中教导的幻影消歧和SSA的方法受益于、但不需要镜像电极的使用。实际上，将意识到，用于提供本公开的触摸界面的系统和方法一般可被包含在许多配置内并且用于与各种设备一起使用。其一个进一步的示例包括可以用作表面触觉设备和感测设备两者的、设置在触摸基板的前或顶表面上的单个电极阵列的使用。所公开的主题的目的和优点将在随后的描述和附图中被阐明，并且从随后的描述和附图将是清楚的，以及将通过要求保护的主题的实践来获知。
如前面所提到的，为了确保每个手指上的力独立于每个其它手指上的力，必须是它们是不同电路的部分。本公开教导了通过在顶表面上使用电极的至少三交叉来为至少两个手指保证独立性的进一步有利的方法。另外，本公开教导了具有使用镜像电极的故障(failure)模式的系统，通过该故障模式，如果触觉设备被刮擦(scratch)，则触觉可以停止运行，但是电容感测继续操作。
关于使用互电容的系统，重要的是理解，手指在被放到电极的Tx-Rx线的交叉附近时实际上产生两个效应。这些在1995年的Zimmerman等人中被示出，其是指图5a中的作为“人分流器”的效应和图5b中的作为“人传输器”的效应。当电极与指尖分开大于大约0.1mm的玻璃时，第一效应是通常的pCap模型，因为第二效应相当小。然而，静电触觉使电极放置在玻璃基板的前或顶(触摸)表面上。在优选实施例中，这些电极与手指分开仅一个薄介电层，例如，1微米的HfO2。这样的薄保护层的使用允许适当大的电场强度在合理地低的电压(例如，小于100伏特)下形成。该情况极大地提高了传输相对于分流的重要性，使得当电极在玻璃基板的前表面上时，它变为主导效应。指尖实际上变为(几乎)直接将Tx线电极连接到Rx线电极的开关。
存在所述两个效应的该大小反转(reversal)的若干含义。一方面，传输器效应相当大，其对于实现高信噪比(SNR)是好兆头，假定前或顶表面电极被用于感测。另一方面，传输器效应无助于多触摸感测，因为传输不仅通过一个指尖发生，而且由于通过身体的低的手指到手指阻抗，还从一个指尖到下一个指尖发生。然而，更基本的问题是一个人究竟是否选择使用前表面电极用于感测。
前或顶表面电极的潜在困难是，它们未如后表面电极那样被很好地保护。在典型的pCap传感器中，电极(感测设备)被放置在基板(诸如透明塑料或玻璃的片材)后面(即，它们是“后表面”或者在甚至更深的层上)。玻璃或塑料用作所谓的“盖板(coverlens)”，并且是使电极免受因磨损或刮擦而受损的保护元件。然而，如以上所提及的，负责触觉的电极(触觉设备)需要在前表面上，以便使用适度的电压来产生大的触感效应。为了保护这些电极，明智的是使用非常耐用的介电覆盖物。例如，一个微米的HfO2或TiO2或者本领域中已知的其它介电材料可以提供非常耐用的保护层。这些材料可以被本领域中已知的提供耐刮性、耐磨性和合理地高的介电常数(例如，大于5的相对电容率)的良好组合的其它材料替换。
本发明人已发现，能够使用单个电极层作为触觉设备和感测设备两者。因此，电极图案(诸如图2、3a、3b、4和8a-12中所示的那些)可以被采用，并且作为触觉设备和作为感测设备两者被使用。保护材料可以为许多触摸界面提供足够的保护，然而，它们不能绝对地保证对于顶表面电极将不发生刮擦。一些常用的材料(诸如石英和硬化钢)可以足够硬以在与这样的保护材料接触时引起刮擦。如果发生刮擦，可以证明可接受的一种故障模式是，对于触觉，停止运行，但是对于电容感测，保持操作。然而，这样的系统不提供留下本领域中对提供多点触觉的改进方式的进一步需要的折中。
为了改进感测设备的保护，可能可取的是使用将传感器电极放置在盖板下面的pCap做法。然而，这提出了在被保护的层上实现高质量多触摸感测的挑战，尽管可以在表面层上通过用于触觉的电极进行屏蔽(screen)。这通过使用“镜像电极”来实现。在该上下文中，术语“镜像”不是指反射表面抛光。相反，镜像电极是两个电极层的使用：用于触觉的顶层(在绝缘基板或片材的触摸表面附近)(在本文中被称为触觉设备)以及用于感测的底层(附连到绝缘基板或片材的底表面)(在本文中被称为感测设备)。这两组电极具有基本上彼此相同的图案，因此，在一般意义上，可以被说成是呈现彼此的镜面图像(mirrorimage)。因此，使用镜像电极的触摸界面具有顶层和底层电极两者，该顶层和底层电极成基本上类似的图案，其中，这些图案可以包括例如图2、3a、3b、4和8a-12中所示的那些。
同时感测和致动
因此，如图6所示，本公开的一个方面是镜像电极的使用，该镜像电极包括基本上相同的、对齐的电极图案，其中电极30、32(触觉设备)在绝缘基板38或片材的前或顶(触摸)表面34上，而电极30’、32’(感测设备)在绝缘基板38或片材的后或底表面36上。
镜像的概念可以扩展到任何电极图案，包括例如如前面所提到的图2、3a、3b、4和8a-12中的图案。该图案也可以应用于表面的任何部分，从离散的或隔离的位置到整个表面。例如，利用图6中所示的图案，镜像布置在每个前或顶(触摸)表面电极30、32及其镜像或类似布置的后或底表面电极30’、32’之间提供强电容耦合。一般来说，镜像应当在玻璃或其它基板厚度显著小于典型的电极宽度的任何时间工作，即使基板不是平面。例如，当使用玻璃基板1mm厚时，电极可以是5mm宽。
作为镜像的结果，发送到底电极(感测设备)的信号将在它上方的顶表面电极(触觉设备)上诱导(induce)信号，即使顶表面电极已被一个或多个刮擦横切(transect)。因此，该方法不是显著取决于顶表面(触觉)电极的电阻，因此，底表面(感测)电极继续工作，即使顶表面电极因刮擦而损害。如果顶表面电极和底表面电极以一对一的关系彼此重叠(部分地或完全地)，则在相邻电极之间应当存在最小的信号混合。特别地，在没有顶表面电极横跨两个或更多个下表面感测电极并因此混合或模糊下电极的期望的感测性能的情况下，那些顶表面电极可以被用于触觉致动。实际上，镜像布置提供若干有趣的可能性。
一个可能性是，如在pCap感测中通常进行的那样，使用底线电极32’中的一些作为(传输)Tx电极，并且使用其它电极(诸如电极30’)作为(接收)Rx电极。放置在Tx-Rx汇合(junction)的特定位置上方的手指应当产生大的信号，而不管在顶表面上存在刮擦与否。这在图7b中被示出，在图7b中，手指充当传输器，这可以与图7a中所示的典型的或标准的pCap配置相比，在图7a中，手指充当分流器。对于宽范围的参数值，该布置产生强效应，其中信噪比(SNR)好于典型的pCap。该改进的SNR提供若干潜在的益处，诸如更快速的感测(对于触觉尤其有用)、更高的分辨率、或更低的功耗。
不幸的是，刚刚描述的强效应是由于传输现象、而不是由于分流现象而导致的。因为传输也可以经由信号从一个手指到另一个手指发生，所以建模迄今为止表明，手指触摸的幻影或错误识别可能发生。假设两个手指被放置在表面上(x1,y1)和(x2,y2)处。沿着x1发送的信号将在y1和y2两者处产生结果。因此，(x1,y2)表示幻影手指位置。因此，进一步的方法可以被利用以实现没有幻影的高分辨率多触摸触觉。
利用镜像电极的多触摸感测
从以上讨论，镜像的前或顶(触觉)电极和后或底(感测)电极用于将底部激活(activation)图案“投射”到顶部。而且，从顶电极到手指的强电容耦合应当允许SNR显著高于传统的pCap感测。不幸的是，手指触摸的幻影或错误识别可由于增强的“人传输器”效应(与对于后表面电极占主导的“人分流器”效应相对)与从手指到手指的显著的信号导电性组合而出现。如果顶电极被直接用于感测以及触觉，则该相同的困难将发生。然而，本公开对多触摸触觉提供了新开发的方法，从而克服了该缺点。本文中公开了四种这样的方法，每种具有其自己的长处。
方法1：组织电阻率
由于从一个手指到下一个手指的电阻，幻影或错误识别实际上具有比实际手指小的强度。强度差的大小通过RC时间常数表征，该RC时间常数由从顶表面电极到指尖的电容(～1nF)和身体的从一个指尖到下一个指尖的内部电阻(估计处于100至1000欧姆)确定。该时间常数长于用于查询(query)电极的时间常数，用于查询电极的时间常数由该电极的电阻(假定铟锡氧化物(ITO)，大约1-10kΩ)和该电极到地的电容(大约100pF)决定。如果用于手指到手指传输的时间常数显著长于用于查询电极的时间常数，则能够通过使用将太快以致不能传输通过手指的激励信号来区分单个的手指触摸。这样做实际上将使一个手指与其它手指隔离。定时约束在给定ITO电极的电阻的情况下是挑战性的，但是如果ITO被具有更低电阻的另一材料替换，则该方法变得更有前途。若干这样的材料(包括银纳米线和石墨烯)在本领域中是已知的。另一方法是使用具有较低电阻率的较厚的ITO层。有益地，用于手指到手指传输的时间常数实际上长于用于查询电极的时间常数不是必须的。时间常数充分地使幻影信号减小以将它们与实际的手指触摸信号区分可以是足够的。
方法2：互电容
尽管对于手指正下面的电极人传输器效应强于人分流器效应，但是对于其它附近的电极这未必成立。对于在手指附近、但是不在它正下面的其它对的顶表面电极，互电容将减小。因此，在实际手指触摸附近、但是不在幻影的附近，将存在减小的互电容的图案。候选手指触摸因此可以使用自电容来识别，并且通过使用附近电极交叉的互电容来从幻影消歧。
方法3：计算
通过收集整个互信号强度矩阵，线性系统可以被转化以产生针对所有手指的位置以及通过用户的手和身体将它们互连的交叉耦合(cross-coupling)效率的解，以便匹配观察到的强度。该整体解决方案具有优越得多的噪声抗扰度(noiseimmunity)，并且可扩展到大量手指。该方法的另一益处是，不仅确定手指位置，而且还确定它们的交叉耦合效率。例如，同一个手的手指比属于相反的手的手指更强地交叉耦合。能够通过手区分手指表明了吸引人的用户界面可能性。另外，也是有前途的新颖的应用，第二用户的同时触摸同一屏幕的手指可通过它们与第一用户的手指的弱得多的交叉耦合明白地区分开。
方法4：三交叉
如图8a和8b中所示的第三组镜像电极提供消歧的另一途径。该方法将触摸屏幕的手指触摸与以下位置相关联:在这些位置处，三个电极40、42、44(不仅仅是两个)交叉或者被定位为彼此紧紧地相对。这在本文中将被称为三交叉，并且它将包括用于各电极线的桥接以避免电极本身的实际交叉。如将解释的，幻影仍可能发生，但是当手指实际移动时，将不会持续。
当引入第三组电极时，许多几何结构是可能的。图8a示出了具有三倍对称的优选实施例。另一个几何结构将是基于标准互锁菱形(图4)、但是也具有对角线的一组电极的一个几何结构。在任何三电极几何结构的情况下，考虑将是如何处理桥接。图8b示出了能够在没有任何附加的处理步骤的情况下提供必要的桥接。
三个轴的优点在图9a-9c中被进一步示出。如果手指触摸存在(由第一圆圈F表示)，则三个电极40、42、44(它们中的全都在手指触摸的位置处相交)应当报告自电容的改变。如图9a所示，如果两个手指触摸存在(由第一圆圈F和第二圆圈FF表示)，则没有错误识别或幻影是可能的。
如图9b所示，如果三个手指触摸存在(由第一圆圈F、第二圆圈FF和第三圆圈FFF表示)，则如虚线圆圈G所表示的，错误识别或幻影是可能的，但是仅针对某些手指触摸配置(图9b)。然而，应当考虑，当触摸触摸界面的表面时，手指通常处于跨越表面的运动或移动中。因此，错误识别或幻影G将趋向于出现和消失，与图9c一样，在图9c中，手指中的一个(FFF)的小的移动量导致幻影消失。幸运的是，用于识别并丢弃幻影手指触摸的软件解决方案应能够利用本文中所描述的至少两种方法来处理该情况。
第一方法是基于互电容。在第一方法中，一个轴的电极(例如，图8a-8b和9a-9c中的x轴)将被作为传输Tx电极(触觉设备)对待。沿着每个Tx线的是一系列“候选”位置，该候选位置由电极对(一个对来自每个其它轴)的交叉限定。(实际上，在Tx线的一侧存在这些中的一些，而在另一侧存在一些，但是这是我们出于阐述的目的将忽略的细节层次。)因此，给定电极的Tx线，存在与每个位置相关联的两个Rx线。可以对这些信号进行求和以产生每个位置的信号强度，并然后可以通过插值来产生全映射。由于两个原因，手指触摸错误识别或幻影将具有减小的大小：手指电阻和不完美的对齐(大多数时间)。简单的时间滤波器—将几个样本的强度相加起来—将进一步减小每当手指跨越界面设备的表面移动时的幻影大小。
第二方法是基于自电容。所有电极的自电容测量将指示它们中的哪个正在报告手指触摸(由第一圆圈F、第二圆圈FF、第三圆圈FFF和第四圆圈FFFF表示)，产生与图10a中所示的实线类似的数据。这些线将使用插值而被找到，以确保自电容测量的最大精度，以及使与不同手指相关联的线消歧。然后将计算这些线的交叉的位置(如图10b中的点所示)，并且将使用聚类分析(例如，经由边界框)来确定可能的手指触摸，如图10c中所示(在图10c中，幻影残留，但是具有减小的大小)。实际的手指触摸将基于三交叉聚类的紧密度而与幻影分开。如前一方法中那样，时间滤波将进一步帮助识别并丢弃错误识别或幻影。
还应注意，三交叉可以与其它三种方法中的任何一种组合以进一步改进消歧。另外，将意识到，使用附加的多组交叉轴可以甚至进一步扩展到四交叉、五交叉等等。
利用镜像电极的多点触觉
多点触觉需要每个手指触摸位置位于一对电极的上方。而且，用于每个手指触摸的那对电极应当与用于其它手指的那些对电极电隔离，以确保触觉效应可以被独立地分配。图3b示出了针对两个手指的这一点的示例，但是如所讨论的，当两个手指在同一活动电极上时，电隔离是不可能的。
电极的三交叉图案(以上用于消歧感测)也提供对于触觉中的这个困难的一个解决方案。在三交叉的情况下，在每个手指触摸下方存在三组电极，并且这三组中的任何两组可以被选择为用于产生静电场的活动对。如图11所示，手指触摸(由第一圆圈F和第二圆圈FF表示)保持可独立地定址，即使它们位于公共电极上方。在图11中，公共电极由虚线CE示出，并且关键是确保该电极仅具有到地或任何电压源的高阻抗路径。这可以通过打开将它连接到地或源的电路来实现。这仍使两个电极在每个手指下方，并且这些可以被独立地定址。
尽管活动电极可以被一起定址，但是最佳的是如下顺序地对它们定址：在a和b连接到相反极性的电压源时，隔离电极c和d。电荷在指尖触摸的下面聚集，其中时间常数由Cf和电极的电阻决定。使用早先讨论的值，时间常数可以是1-10μsec。在电荷已在一个手指触摸下方聚集之后，它们可以被预计在那停留某一时间段，缓慢地通过皮肤的电阻率泄漏。各种实验估计表明，泄漏时间常数大于100μsec，尽管准确的数取决于皮肤的状况。因此，在电极a和b被充电之后，它们可以被隔离(在c和d被充电时)。使用该技术，应当能够循环遍历大约10个手指触摸位置，将电荷施加于每个手指触摸位置，而没有不当泄漏。
与感测一样，存在其中触觉效应的独立控制可能不可行的配置。图12示出了这样的情况。这里，除了第一手指触摸(由第一圆圈f1表示)之外，还存在两个另外的手指触摸(由第二圆圈f2和第三圆圈f3表示)，这两个手指触摸与手指触摸f1共享电极。如果电极A与电极B配对以便在手指触摸f1上产生静电力，则力将也被施加于手指触摸f3。如果电极A改为与电极C配对，则力将被施加于手指触摸f2。尽管利用该布置完全独立控制是不可能的，但是三交叉仍提供一些益处。如果例如电极A和B配对，则手指触摸f2不受影响，而手指触摸f3仅体验到手指触摸f1所体验到的力的一半，因为在它下面仅存在一个，而不是两个活动电极(注意手指触摸f2和f3体验到比手指触摸f1低的力的情况的重点，因为由于手指触摸f2和f3分别可以通过两个独立的电极定址，所以较高的力相对容易实现)。
对于图12中所示的情况的其它方法是：使用电极A以及作为第二电极的平行于A的另一个电极；或者，使用四交叉或更高交叉几何结构。
另外，应当理解，静电触觉效应通常仅当手指在移动时才被体验到，所以像图12中的情况那样的情况将不会持续。最后，应当理解，人区分一个手指上的触觉感觉和另一个手指上的触觉感觉的能力是有限的，取决于刺激的类型。这样，实现完全独立控制不总是必须的。
利用镜像电极的同时感测和致动
在本文中教导的方法中，前或顶表面电极(触觉设备)涉及感测和致动(触觉)两者。当然可取的是在触觉效应被施加的同时，感测手指位置。而且，可取的是触觉不影响感测的质量。这两个目标都通过适当的时间定序(timesequencing)来实现。
当触觉未使用时，前或顶表面电极通常被隔离(换句话说，图7b中所示的开关打开)。当情况如此时，使用本领域中已知的多个技术中的任何一种来测量底表面电极的自电容或任何对电极的互电容是直截了当的。例如，可以使用张弛振荡器技术并且测量振荡器频率(其通常将为1MHz的量级)来测量自电容。
如果产生触觉效应变得必要，则图7b中的开关将被闭合足够长以为手指电容Cf充电。如早先所讨论的，这将需要1-10μs。在该间隔期间，镜像底表面电极线上的感测将被暂停，并且改为这些线将被接地。在该间隔的结束处，感测将开始。感测可以继续长达另一个90μs，同时仍保持10kHz的触觉切换环路(switchingloop)(对于静电，这是典型的)。作为代替，感测将被复用。在保持100Hz的合理的多触摸感测速率的同时，可以完成多达100个顺序感测查询。
可替代地，顶表面电极的充电可以通过将电荷或电流量注入到它们上、而不是如前面刚刚描述的那样将它们间歇地连接到电压源来进行。区别是阻抗之一；替代方法使顶表面电极的到地的阻抗(由于触觉致动而导致)一直保持高，结果是源于低表面电极中的信号(用于感测)仍可以具有它们的效应，而不因致动被扰乱。
从前述描述，将意识到，当触摸界面使用镜像电极时，可以从本公开确定若干附加方面。
例如，在另一方面中，触摸界面可以进一步包括连接到基板的前表面的每个相应的表面触觉设备和与其对齐并连接到基板的后表面的每个相应的感测设备之间的强电容耦合。
在进一步的方面中，触摸界面可以使所述一个或多个表面触觉设备的图案与所述一个或多个感测设备的图案相同。
在另一方面中，触摸界面可以使用透明的表面触觉设备，或者进一步包括电极和保护层，其中，保护层可以是透明的和/或可以由介电材料制成。
在还进一步的方面中，触摸界面可以使用平面的或弯曲的基板，并且该基板可以是透明的，诸如玻璃或塑料的片材形式。
在另一方面中，触摸界面可以使触觉设备提供作为摩擦的改变和/或在多于一个的触摸位置处可独立控制的触觉效应。
在进一步的方面中，触摸界面可以包括提供多于一个的触摸位置的定位的测量的设备。
在还另一方面中，触摸界面可以包括发送到所述一个或多个表面触觉设备中的至少一个以产生触觉效应的电信号，并且该电信号可以被发送到所述一个或多个感测设备中的至少一个以测量触摸位置。
在进一步的方面中，触摸界面可以包括当所述一个或多个表面触觉设备受损时保持运行的感测设备。
在另一方面中，触摸界面可以包括一个或多个表面触觉设备和一个或多个感测设备，这些设备被布置成基本上类似并且对齐的图案，其中，每个图案呈现具有呈现交叉位置的两个或更多个线的不同电极的阵列。
在还进一步的方面中，触摸界面可以包括一个或多个表面触觉设备和一个或多个感测设备，这些设备被布置成基本上类似并且对齐的图案，这些图案呈现具有呈现三交叉图案的三个线的不同电极的阵列。在第一进一步相关的方面中，当触摸界面与多手指感测一起使用时，三交叉可以提供触摸位置相对于实际手指触摸位置的幻影图像的消歧。在第二进一步相关的方面中，当触摸界面与多用户感测一起使用时，三交叉可以提供第一个人的至少一个手指触摸位置相对于第二个人的至少一个手指触摸位置的消歧。
仅利用一组电极的同时感测和致动
镜像电极的技术是有利的，因为它确保即使前表面电极因一次或多次刮擦而受损，也可以实现感测。如果刮擦不太可能发生，则可能可取的是仅使用一组电极—触摸表面上的那些，以实现感测和致动。使用这里教导的技术，仍能够这样做。特别地，使真实触摸位置从幻影位置消歧的问题仍可以通过这里教导的方法来解决，并且同时感测和致动仍可以通过触觉信号和感测信号的适当定时来实现。
从前述描述，将意识到，当触摸界面使用连接到基板的前表面的、被用作一个或多个触觉设备和感测设备的一个或多个电极时，可以从本公开确定若干附加方面。
例如，在另一方面中，触摸界面可以包括提供静电力的前表面上的电极，并且进一步地，静电力可以具有可以被调制的大小。
在另一方面中，触摸界面可以包括连接到基板的前表面的所述一个或多个电极，这些电极呈现具有呈现交叉位置的两个或更多个线的不同电极的阵列，并且进一步地，该阵列可以具有呈现三交叉图案的三个线的不同电极，该三交叉图案继而可以呈现与接合三交叉图案内的三个不同电极的手指相关联的触摸位置。
在进一步的方面中，触摸界面可以包括连接到基板的前面的、能够提供多点触觉的电极。
从以上公开，将清楚的是，根据本公开构造的触摸界面设备可以提供多点触觉，同时包括优于现有技术的多个优点。这些设备可以表现出以上提及的潜在优点中的一个或多个，这取决于所选择的具体设计和配置。
将意识到，根据本公开的具有多点触觉的表面触觉设备的触摸界面可以以各种配置提供。用于组件的任何种类的合适的构造材料、配置、形状和尺寸以及连接这些组件的方法可以被利用以满足终端用户的特定需要和要求。对于本领域技术人员将清楚的是，在不脱离要求保护的主题的范围或精神的情况下，可以在这样的设备的设计和构造上进行各种修改，并且权利要求不限于本文中示出的优选实施例。
要理解的是，以上描述意图是示意性的，而非限制性的。例如，上述示例或实施例(和/或其方面)可以单独地使用，或者彼此组合使用。另外，在不脱离本发明主题的范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明主题的教导。尽管本文中所描述的材料的大小和类型意图限定本发明主题的参数，但是它们决不是限制的，并且意图作为示例。当审阅以上描述时，许多其它的实施例对于本领域普通技术人员将是清楚的。本文中所描述的主题的一个或多个实施例的范围因此应当参照所附权利要求、连同这样的权利要求所享有的等同形式的全部范围来确定。在所附权利要求中，诸如“包括”和“具有”的术语被用作相应术语“包含”和“其中”的简明英语等同形式。而且，在以下权利要求中，诸如“第一”、“第二”和“第三”等的术语的使用仅仅可以用作标记，而并非意图对其对象施加数值要求。此外，以下权利要求的限制未以装置加功能(means-plus-function)的格式撰写，并且并非意图基于35U.S.C..sctn.112,第6段进行解释，除非这样的权利要求限制明确地使用短语“用于…….的装置”，其后跟没有进一步结构的功能的陈述。
该书面描述使用示例以公开本发明主题的若干实施例，并且还使得本领域普通技术人员能够实践本文中所公开的实施例，包括做出和使用任何设备或系统并且执行任何融合的方法。主题的可专利范围可以由权利要求限定，并且可以包括本领域普通技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言具有非实质差别的等同结构元素，则它们意图在权利要求的范围内。
如本文中所使用的，以单数记载的并且前面有词语“一”或者“一个”的元素或步骤应被理解为不排除复数个所述元素或步骤，除非这样的排除被明确地陈述。此外，对目前描述的发明主题的实施例的一个示例的论述并非意图被解释为排除也融合了所记载的特征的另外示例或实施例的存在。而且，除非明确地相反陈述，否则实施例“包含”、“包括”或“具有”一个元素或多个元素(其具有特定的性质)可以包括不具有该性质的另外的这样的元素。

Claims (27)

1.一种具有同时感测和致动的触摸界面，包括：
绝缘基板；
一个或多个表面触觉设备，所述一个或多个表面触觉设备被连接到基板的前表面，并且被布置成图案；以及
一个或多个感测设备，所述一个或多个感测设备被连接到所述基板的后表面，其中，所述感测设备与连接到所述基板的前表面的所述一个或多个表面触觉设备对齐，并且被布置成与所述一个或多个表面触觉设备的图案基本上类似的图案。
2.根据权利要求1所述的触摸界面，进一步包括被连接到所述基板的前表面的每个相应的表面触觉设备和与其对齐并且被连接到所述基板的后表面的每个相应的感测设备之间的强电容耦合。
3.根据权利要求1所述的触摸界面，其中，所述一个或多个表面触觉设备的图案与所述一个或多个感测设备的图案相同。
4.根据权利要求1所述的触摸界面，其中，所述表面触觉设备是透明的。
5.根据权利要求1所述的触摸界面，其中，所述一个或多个表面触觉设备进一步包括电极和保护层。
6.根据权利要求5所述的触摸界面，其中，所述保护层是透明的。
7.根据权利要求5所述的触摸界面，其中，所述保护层由介电材料制成。
8.根据权利要求1所述的触摸界面，其中，所述基板是平面的。
9.根据权利要求1所述的触摸界面，其中，所述基板是透明的。
10.根据权利要求9所述的触摸界面，其中，所述基板进一步包括玻璃或塑料的片材。
11.根据权利要求1所述的触摸界面，其中，所述表面触觉设备提供的触觉效应是摩擦的改变。
12.根据权利要求1所述的触摸界面，其中，所述触觉效应在多于一个的触摸位置处是可独立控制的。
13.根据权利要求1所述的触摸界面，其中，所述设备提供多于一个的触摸位置的定位的测量。
14.根据权利要求1所述的触摸界面，其中，电信号被发送到所述一个或多个表面触觉设备中的至少一个以产生触觉效应。
15.根据权利要求1所述的触摸界面，其中，电信号被发送到所述一个或多个感测设备中的至少一个以测量触摸位置。
16.根据权利要求1所述的触摸界面，其中，当所述一个或多个表面触觉设备受损时，所述感测设备保持运行。
17.根据权利要求1所述的触摸界面，其中，所述一个或多个表面触觉设备和所述一个或多个感测设备被布置成基本上类似的且对齐的图案，其中每个图案呈现阵列，所述阵列具有呈现交叉位置的两个或更多个线的不同电极。
18.根据权利要求17所述的触摸界面，其中，所述一个或多个表面触觉设备和所述一个或多个感测设备被布置成基本上类似的且对齐的图案，所述图案呈现阵列，所述阵列具有呈现三交叉图案的三个线的不同电极。
19.根据权利要求18所述的触摸界面，其中，当所述触摸界面与多手指感测一起使用时，所述三交叉提供触摸位置相对于实际手指触摸位置的幻影图像的消歧。
20.根据权利要求18所述的触摸界面，其中，当所述触摸界面与多用户感测一起使用时，所述三交叉提供第一个人的至少一个手指触摸位置相对于第二个人的至少一个手指触摸位置的消歧。
21.一种具有同时感测和致动的触摸界面，包括：
绝缘基板；
能够提供静电致动的一个或多个电极，所述一个或多个电极被连接到基板的前表面，并且被布置成图案；
被连接到所述前表面的所述一个或多个电极被保护层覆盖；并且
其中，所述基板的前表面上的电极提供触觉效应，并且用作测量触摸位置的感测设备。
22.根据权利要求21所述的触摸界面，其中，所述前表面上的电极提供静电力。
23.根据权利要求22所述的触摸界面，其中，所述静电力具有可被调制的大小。
24.根据权利要求21所述的触摸界面，其中，被连接到所述前表面的所述一个或多个电极呈现阵列，所述阵列具有呈现交叉位置的两个或更多个线的不同电极。
25.根据权利要求24所述的触摸界面，其中，被连接到所述前表面的所述一个或多个电极呈现阵列，所述阵列具有呈现三交叉图案的三个线的不同电极。
26.根据权利要求25所述的触摸界面，其中，触摸位置与接合所述三交叉图案内的三个不同电极的手指相关联。
27.根据权利要求21所述的触摸界面，其中，被连接到所述基板的前表面的电极能够提供多点触觉。
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