CN105683883A - 压电力感测阵列 - Google Patents

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Abstract

一种触摸感测系统可包含压力及力感测装置，所述压力及力感测装置能够感测施加至压电感测阵列的动压或动态力。在此类实施方案中，可在施加及改变所述力的某一时间周期期间检测(及任选地记录)施加的力。所述力感测装置可具有足够高的分辨率以充当指纹传感器。所述触摸感测系统可包含能够进行指纹感测的一或多个额外组件，如超声波发射器，所述超声波发射器允许所述装置变为能够将手指(或另一对象)的细节成像的超声换能器。所述力感测装置还可能够充当超声波接收器。

Description

压电力感测阵列
优先权请求
本申请案主张2013年11月4日申请的题为“PIEZOELECTRICFORCESENSINGARRAY”的美国专利申请案第14/071,320号的优先权，所述申请案特此以引用的方式并入。
技术领域
本发明大体上涉及触摸感测系统。
背景技术
触摸感测系统的基本功能是将触摸面板附近或触摸面板上的一或多个手指、笔或其它对象的所检测到的存在转换为位置信息。此类位置信息可用作移动电话、计算机或另一此类装置上的进一步动作的输入。
当前使用不同类型的触摸感测系统。一些基于电阻率或电容的所检测到的变化，基于声学表面声波响应、红外光束的中断等。目前，最广泛使用的触摸感测技术为投射电容法，其中导电体(如手指、导电触笔等)的存在感测为一对电极之间的局部电容的变化。在一些实施方案中，所述对电极可为显示装置的一部分。举例来说，所述电极可在实质上透明的衬底盖片(“玻璃盖片”)或实质上透明的显示衬底(“显示玻璃”)的内表面上。
可能需要具有较先前公开的触摸感测系统的那些以及不需要自导电对象的触摸的一者具有较高灵敏度、稳定性及/或更好能效的触摸感测系统。
发明内容
本发明的系统、方法及装置各自具有若干创新方面，其中没有单个方面单独负责本文所揭示的所需要的属性。
本发明中描述的标的物的一个创新方面可实施于包含触摸感测系统的设备中。所述触摸感测系统可包含力感测装置。所述力感测装置可包含衬底、安置在所述衬底上的传感器像素电路的阵列以及压电薄膜层的离散元件。压电薄膜层的每一离散元件可对应单独的传感器像素电路。
所述力感测装置可包含多个像素输入电极。每一像素输入电极可被配置成用于建立压电层的离散元件的第一侧与传感器像素电路中的一者之间的电连接。所述力感测装置可包含接收器偏压电极，所述接收器偏压电极被配置成用于建立与压电层的离散元件的第二侧的电连接。
在一些实施方案中，所述力感测装置可包含控制系统，所述控制系统能够自传感器像素电路中的一或多者接收信号及能够确定施加力的对象的位置。所述信号可对应于施加至压电薄膜层的一或多个离散元件的力。在一些实施方案中，所述力感测装置可具有足够高的分辨率以充当指纹传感器。
在一些实施方案中，每一传感器像素电路可包含电荷放大器，所述电荷放大器能够放大自所述像素输入电极接收的电荷。根据一些此类实施方案，每一传感器像素电路还可包含峰值检测电路，所述峰值检测电路能够寄存由外加力产生的最大量的电荷。每一传感器像素电路还可包含复位装置，所述复位装置能够清除来自峰值检测电路的累积电荷。
触摸感测系统还可包含超声波发射器。在一些此类实施方案中，控制系统可能够使触摸感测系统以超声波成像模式或力感测模式操作。在一些实例中，控制系统可能够在使触摸感测系统以力感测模式操作时将超声波发射器维持在“关闭”状态。
触摸感测系统可包含存储器系统。控制系统可能够在将超声波发射器维持在“关闭”状态时捕获指纹图像及将指纹图像数据存储于存储器系统中。
在一些实施方案中，控制系统可能够至少部分地基于对应于指纹图像数据的指纹数据控制至一或多个装置的存取。此类指纹数据可包含对应于指纹细节特征点的类型、位置及/或间距的数据。
在一些实例中，当触摸感测系统以超声波成像模式操作时，力感测装置可能够充当超声波接收器。在一些实施方案中，控制系统可能够检测经由力感测装置接收的触摸或轻击及响应于所述触摸或轻击接通超声波发射器。
在一些实施方案中，所述衬底可为薄膜晶体管(TFT)衬底。所述传感器像素电路可包含TFT传感器像素电路。
在一些实施方案中，移动显示装置可包含触摸感测系统。控制系统能够检测经由力感测装置接收的触摸或轻击及响应于所述触摸或轻击激活移动显示装置的至少一个特征。举例来说，控制系统可能够在不活动的周期期间使移动显示装置以睡眠模式操作，检测经由力感测装置接收的触摸或轻击以及响应于所述触摸或轻击将移动显示装置从睡眠模式唤醒。
本发明中描述的标的物的其它创新方面可实施于一种方法中，所述方法可涉及从触摸感测系统的力感测装置接收用户触摸或轻击的指示。所述方法可涉及至少部分地基于所述触摸或轻击使触摸感测系统以超声波成像模式操作。
在一些实施方案中，所述接收过程可涉及当超声波发射器断开时自超声波接收器接收所述指示。所述操作过程可涉及接通超声波发射器。
本发明中描述的标的物的其它创新方面可实施于触摸感测系统中，所述触摸感测系统包含超声波接收器。所述超声波接收器可包含压电薄膜层和传感器像素电路的阵列。所述触摸感测系统可包含超声波发射器和控制系统。所述控制系统可能够在超声波发射器装置断开时自超声波接收器的传感器像素电路中的一或多者接收信号。所述信号可对应于施加至压电薄膜层的力。所述控制系统可能够响应于所述信号接通超声波发射器装置。所述控制装置可能够确定对应于由接收装置接收的多个信号的一或多个对象的位置或运动。
在一些实施方案中，移动显示装置可包含触摸感测系统。在一些此类实施方案中，控制系统可能够在不活动的周期期间使移动显示装置以睡眠模式操作，且可能够响应于所述信号将移动显示装置从睡眠模式唤醒。在附图及以下描述中阐述本说明书中描述的标的物的一或多个实施方案的细节。其它特征、方面和优点将从描述、图式及权利要求书变得显而易见。应注意，以下各图的相对尺寸可能未按比例绘制。
附图说明
在附图及以下描述中阐述本说明书中描述的标的物的一或多个实施方案的细节。其它特征、方面和优点将从所述描述、图式和所附权利要求书而变得显而易见。应注意，以下各图的相对尺寸可能未按比例绘制。各个图式中的相同参考标号及名称指示相同元件。
图1A为触摸感测系统的一个实例的框图。
图1B和1C为图1A中所示的触摸感测系统的实例的示意性表示，具有单个传感器像素的所示的额外细节。
图2为概述从力感测装置接收用户输入及根据所述用户输入将超声波发射器打开或关闭的过程的实例的流程图。
图3A至3C提供图2中概述的过程的实例。
图4A展示触摸感测系统的分解视图的实例。
图4B展示触摸感测系统的替代实例的分解视图。
图5描绘触摸感测系统的传感器像素电路的4×4像素阵列。
图6展示触摸感测系统的高级框图的实例。
图7A及7B展示说明包含如本文所述的触摸感测系统的显示装置的系统框图的实例。
具体实施方式
以下描述是针对出于描述本发明的创新方面的目的的某些实施方案。然而，所属领域的技术人员将容易认识到，可以许多不同方式应用本文中的教示。所描述的实施方案可实施于任何装置、设备或包含触摸感测系统的系统中。此外，预期所描述的实施方案可包含在多种电子装置中或与其相关联，例如(但不限于)：移动电话、具多媒体因特网功能的蜂窝式电话、移动电视接收器、无线装置、智能电话、装置、个人数据助理(PDA)、无线电子邮件接收器、手持式或便携式计算机、上网本、笔记本计算机、智能笔记本计算机、平板计算机、打印机、复印机、扫描仪、传真装置、全球定位系统(GPS)接收器/导航仪、相机、数字媒体播放器(例如，MP3播放器)、便携式摄像机、游戏控制台、腕表、时钟、计算器、电视监视器、平板显示器、电子阅读装置(例如，电子阅读器)、移动健康装置、计算机监视器、汽车显示器(包含里程表和速度计显示器等)、驾驶舱控制和/或显示器、相机视图显示器(例如，车辆中的后视相机的显示器)、电子照片、电子布告板或标牌、投影仪、建筑结构、微波、冰箱、立体声系统、盒式记录器或播放器、DVD播放器、CD播放器、VCR、无线电装置、便携式存储器芯片、洗衣机、烘干机、洗衣机/烘干机、停车计时器、包装(例如，机电系统(EMS)应用中，包含微机电系统(MEMS)应用以及非EMS应用)、美观性结构(例如，关于一件珠宝或服装的图像的显示)和多种EMS装置。本文中的教示还可用于例如但不限于以下应用中：电子开关装置、射频滤波器、传感器、加速计、陀螺仪、运动感测装置、磁力计、用于消费型电子装置的惯性组件、消费型电子产品的零件、变容器、液晶装置、电泳装置、驱动方案、制造工艺和电子测试装备。因而，所述教示并不希望仅限于图中所描绘的实施方案，而是具有如所属领域的技术人员将容易显而易见的广泛适用性。
本文所述的各种实施方案涉及触摸感测系统，所述触摸感测系统包含能够感测动态压力或动态力的压力及力感测装置。为简单起见，此压力及力感测装置在本文中可被称为“力感测装置”。类似地，施加的压力及力在本文中可被称为“施加的力”及其类似物，应理解，具有实际对象的施加力也将包括施加压力。在一些实施方案中，触摸感测系统可包含压电感测阵列。在此类实施方案中，可在施加及改变力的某一时间周期期间检测(及任选地记录)施加的力。在一些实施方案中，力感测装置可具有足够高的分辨率以充当指纹传感器。如本文所使用，术语“手指”指手指或拇指。因此，“指纹”可为指纹或拇指指纹。
在一些实施方案中，触摸感测系统可包含能够进行指纹感测的一或多个额外组件，如超声波发射器，所述超声波发射器允许所述装置变为能够将手指的细节成像的超声换能器。在一些此类实施方案中，力感测装置还可能够充当超声波接收器。
可实施本发明中所描述的标的物的特定实施方案以认识到以下潜在优点中的一或多者。一些实施方案针对某一功能性可能需要极少或不需要电源提供至力感测装置，原因是可经由压电材料通过将用户触摸的机械能转化为电能来供应电源。包含超声波发射器的一些触摸感测系统可包含控制系统，所述控制系统能够自力感测装置接收用户输入及根据所述用户输入打开或关闭超声波发射器。在一些实施方案中，力感测装置可以被动感测模式检测来自手指或其它对象的初始轻击或压力，且随后打开超声波发射器以进行更高分辨率超声波成像、唤醒另一装置或起始另外功能。此类实施方案可允许在不使用时断开相对较多的能量消耗装置，从而节约能量。在一些实施方案中，控制系统可能够根据来自力感测装置的输入将移动装置的一或多个特征(其可为软件元件、软件应用等)从睡眠模式唤醒。此类实施方案还可节省能量。
一些实施方案可提供检测来自任何对象的触摸(及/或检测任何对象的接近性)的能力，而不论所述对象导电与否。一些实施方案可能够测量用户施加至力感测装置的力的量。在一些实施方案中，对应于局部化的力测量的接触对象(例如，手指)的图像可(例如作为指纹图像)快速获得。对应于指纹图像的指纹数据可被用作认证过程(例如用于控制对一或多个装置的存取的认证过程)的一部分。
图1A为触摸感测系统的一个实例的框图。图1B和1C为图1A中所示的触摸感测系统的实例的示意性表示，其中展示单个传感器像素的额外细节。首先参看图1A，在此实例中，触摸感测系统10包含力感测装置30，力感测装置30具有安置在衬底34上的传感器像素32的阵列，传感器像素32的阵列能够经由像素输入电极38自压电薄膜层36接收电荷。在此实例中，压电薄膜层36还被配置成用于与接收器偏压电极39进行电接触。控制系统50能够控制力感测装置30，例如如下文所描述。
在图1B所示的实例中，衬底34为薄膜晶体管(TFT)衬底。传感器像素32的阵列安置在TFT衬底上。此处，传感器像素32中的每一者具有对应的像素输入电极38，其被配置成用于与压电薄膜层36的离散元件37进行电连接。在此实例中连接至外部施加的接收器偏压电压6的接收器偏压电极39安置在压电薄膜层36的相对于像素输入电极32为相反的侧上。在此实例中，施加的接收器偏压电压6为接地。一些实施方案可包含用于每一行或列的传感器像素32的连续接收器偏压电极39。替代的实施方案可包含传感器像素阵列中的所有传感器像素32上方的连续接收器偏压电极39。
由对象25(在此实例中为手指)施加的力可挤压或另外使压电层36的离散元件37中的至少一些变形。接收器偏压电极39及像素输入电极38允许传感器像素32的阵列测量由离散元件37的变形引起的压电层36的离散元件37的表面上产生的电荷。
图1B展示单个传感器像素32a的一个实例的放大视图。在此实例中，在每一传感器像素的像素输入电极中的每一者处产生的电荷输入至电荷放大器7。来自电荷放大器7的放大电荷在此实例中被提供至峰值检测电路8。峰值检测电路8可能够寄存如电荷放大器7放大的由施加至压电层36的力产生的最大量的电荷。来自峰值检测电路8的输出信号12可在对应的输入连接处读出。在此实施方案中，复位装置9能够对峰值检测电路8的存储电容器进行放电，以使得力感测装置30可检测后续力或压力情况。在此实例中，保持电荷直到将对应的信号提供给控制系统(如图1A中所示的控制系统50)。可经由行选择机构、栅极驱动器、移位寄存器等扫描每一行或列的传感器像素32。下文描述一些实例。
控制系统50可包含一或多个通用单芯片或多芯片处理器、数字信号处理器(DSP)、特殊应用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或其组合。控制系统50还可包含一或多个存储器装置(如一或多个随机存取存储器(RAM)装置、只读存储器(ROM)装置等)及/或可被配置成与一或多个存储器装置通信。控制系统50可能够确定对象25根据由多个传感器像素32提供的信号将力施加于力感测装置30上的位置。在一些实施方案中，控制系统50可能够确定多个对象25的位置及/或移动。根据一些此类实施方案，控制系统50可能够根据一或多个确定的位置及/或移动来控制装置。举例来说，在一些实施方案中，控制系统50可能够根据一或多个确定的位置及/或移动来控制移动显示装置(如图7A和7B中所示的显示装置740)。
根据一些实施方案，力感测装置30针对触摸感测系统10可具有足够高的分辨率以充当指纹传感器。在其中一些经描述如下的一些实施方案中，触摸感测系统10可包含超声波发射器，且力感测装置30可能够充当超声波接收器。控制系统50可能够控制超声波发射器及/或力感测装置30以(例如，通过捕获指纹图像)获得指纹图像数据。不论触摸感测系统10包含超声波发射器与否，控制系统50都可能够至少部分地基于指纹图像数据控制至一或多个装置的存取。
在一些实施方案中，控制系统50可能够以超声波成像模式或力感测模式操作触摸感测系统。在一些实施方案中，控制系统可能够在以力感测模式操作触摸感测系统时将超声波发射器维持在“关闭”状态。
在此实例中，复位装置9能够在读取电荷后复位峰值检测电路8，使得峰值检测电路8易于读取来自电荷放大器7的后续电荷。在一些实施方案中，编址及/或复位功能可由TFT阵列1的TFT提供。可触发每一行或列的读出晶体管以允许由图1中示展示的额外电路(例如，多路复用器及/或A/D转换器)读取每一像素的峰值电荷量值。一些实例展示于图5和6中，且描述如下。
图1A及1B中展示的力感测装置30的元件仅为实例。力感测装置30的替代实施方案展示于图1C中。在此实例中，电荷放大器7为集成电荷放大器，其包含二极管和电容器。在此实施方案中，传感器像素32的阵列能够测量跨越压电层36产生的电荷，所述电荷由经轻击、挤压或另外变形的对应于每一受影响的传感器像素32的离散元件37产生。此处每一受影响的传感器像素32的电荷输入至集成电荷放大器。来自集成电荷放大器的电荷可实质上如上文所述经处理。
在一些实施方案中，触摸感测系统10可包含一或多个额外组件(例如超声波发射器，所述超声波发射器允许触摸感测系统10充当能够将手指的细节成像的超声换能器)。在一些此类实施方案中，力感测装置30可能够充当超声波接收器。
图2为概述从力感测装置接收用户输入及根据所述用户输入将超声波发射器打开或关闭的过程的实例的流程图。在此实例中，方法200开始于框205，其涉及自触摸感测系统10的力感测装置30接收用户触摸或轻击的指示。框210涉及至少部分地基于所述触摸或轻击以超声波成像模式操作触摸感测系统10。
图3A至3C提供图2中概述的过程的实例。如图3A所展示，触摸感测系统10包含压板40下方的超声波发射器20和力感测装置30。此处，控制系统50与超声波发射器20和力感测装置30电连接(直接或间接)。在此实例中，力感测装置30能够充当超声波接收器。此处，力感测装置30包含压电材料和安置在衬底上的传感器像素电路的阵列。
超声波发射器20可以是可以产生超声波21(参见图3B)的压电发射器。然而，在图3A中描绘的时刻，超声波发射器20可断开或处于低功率“睡眠”模式。在接收到来自力感测装置30的用户触摸或轻击的指示后，控制系统50可能够接通超声波发射器20。
在图3B中展示的实例中，控制系统50能够控制超声波发射器20产生超声波。举例来说，控制系统50可提供定时信号，所述定时信号使得超声波发射器20产生一个或多个超声波21。在图3B中展示的实例中，展示超声波21穿过力感测装置30至压板40的暴露表面42。在暴露表面42处，与超声波21对应的超声波能量可被与压板40接触的对象25(例如指纹纹路)吸收或分散或反射回来。
如图3C所展示，在空气与压板40的暴露表面42接触的那些位置(例如，指纹纹路28之间的谷线27)中，超声波21的大部分能量将朝向力感测装置30反射回来以进行检测。控制系统50可接着从力感测装置30接收指示反射的超声波能量23的信号。控制系统50可使用从力感测装置30接收的输出信号以确定对象25的位置及/或构建对象25的数字图像。在一些实施方案中，控制系统50可经配置以同时处理对应于多个对象25的输出信号。根据一些实施方案，控制系统50还可随时间连续地对输出信号进行采样以检测一或多个对象25的移动。
图4A展示触摸感测系统的分解视图的实例。在此实例中，触摸感测系统10包含压板40下方的超声波发射器20和力感测装置30。超声波发射器20可包含实质上平坦的压电发射器层22且可能够充当平面波产生器。可以根据所施加的信号，通过向压电层施加电压以使所述层膨胀或收缩而产生超声波，由此产生平面波。在此实例中，控制系统50可能够导致电压可经由第一发射器电极24和第二发射器电极26施加至压电发射器层22。以此方式，可以通过改变层的厚度来形成超声波。此超声波可穿过压板40朝向手指(或其它有待检测的对象)行进。可以反射所述波的未被有待检测的对象吸收的部分，以便往回穿过压板40被力感测装置30接收。第一发射器电极24和第二发射器电极26可以是金属化电极，例如，涂覆压电发射器层22的相对侧的金属层。
力感测装置30可包含安置在衬底34(也可被称为底板)上的传感器像素电路32的阵列以及压电薄膜层36。在一些实施方案中，每一传感器像素电路32可包含一或多个TFT元件，并且在一些实施方案中，还可以包含一或多个额外电路元件，例如二极管、电容器及其类似物。每一传感器像素电路32可被配置成将接近像素电路的压电薄膜层36中产生的电荷转换成电信号。每一传感器像素电路32可包含像素输入电极38，其将压电薄膜层36电耦合到传感器像素电路32。
在所说明的实施方案中，接收器偏压电极39安置在压电薄膜层36的接近压板40的一侧上。接收器偏压电极39可为金属化电极，且可接地或经偏压以控制哪些信号被传递至传感器像素电路32的阵列。从压板40的暴露(顶)表面42反射的超声波能量可通过压电薄膜层36转化成局部化的电荷。这些局部化的电荷可被像素输入电极38收集，并且传递到下伏传感器像素电路32上。电荷可由传感器像素电路32放大且随后提供至控制系统50。传感器像素电路32的简化实例展示于图1B、1C和5中。然而，所属领域的技术人员将理解，可涵盖实例传感器像素电路32的许多变化及修改。
控制系统50可(直接或间接)与第一发射器电极24和第二发射器电极26电连接，以及与接收器偏压电极39和衬底34上的传感器像素电路32电连接。在一些实施方案中，控制系统50可实质上如上文所描述进行操作。举例来说，控制系统50可能够处理从传感器像素电路32接收的放大信号。
控制系统50可能够控制超声波发射器20及/或力感测装置30以(例如)通过获得指纹图像来获得指纹图像数据。不论触摸感测系统10包含超声波发射器20与否，控制系统50都可能够至少部分地基于指纹图像数据控制至一或多个装置的存取。触摸感测系统10(或相关联的装置)可包含存储器系统，所述存储器系统包含一或多个存储器装置。在一些实施方案中，控制系统50可包含存储器系统中的至少一部分。控制系统50可能够捕获指纹图像及将指纹图像数据存储在存储器系统中。在一些实施方案中，控制系统50可能够捕获指纹图像及将指纹图像数据存储于存储器系统中，甚至同时将超声波发射器20维持在“关闭”状态。
在一些实施方案中，控制系统50可能够以超声波成像模式或力感测模式操作触摸感测系统。在一些实施方案中，控制系统可能够在以力感测模式操作触摸感测系统时将超声波发射器20维持在“关闭”状态。当触摸感测系统10以超声波成像模式操作时，力感测装置30可能够充当超声波接收器。
在一些实施方案中，控制系统50可能够控制其它装置(例如显示系统、通信系统等)。在一些实施方案中，举例来说，控制系统50可能够对装置(如显示装置740，参看图7A和7B描述如下)的一或多个组件进行通电。因此，在一些实施方案中，控制系统50还可包含类似于图7B中所示的处理器21、阵列驱动器22及/或驱动器控制器29的一或多个组件。在一些实施方案中，控制系统50可能够检测经由力感测装置30接收的触摸或轻击及响应于所述触摸或轻击激活移动显示装置的至少一个特征。所述“特征”可为组件、软件应用等。
压板40可以是可以声学耦合到接收器的任何适当材料，其实例包含塑料、陶瓷和玻璃。在一些实施方案中，压板40可以是盖板，例如显示器的玻璃盖片或镜头玻璃。特定地当超声波发射器20在使用中时，必要时可通过相对较厚(例如，3mm及以上)的压板进行指纹检测及成像。然而，对于力感测装置30能够以力感测模式成像指纹的实施方案来说，可能需要更薄且相对更多的适应压板40。根据一些此类实施方案，压板40可包含一或多种聚合物(例如一或多种类型的聚对二甲苯基)，且实质上可更薄。在一些此类实施方案中，压板40可为数十微米厚或甚至小于10微米厚。
可用于形成压电薄膜层36的压电材料的实例包含具有适当声波特性(例如，约2.5MRayls与5MRayls之间的声学阻抗)的压电聚合物。可以采用的压电材料的具体实例包含铁电聚合物，例如聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)共聚物。PVDF共聚物的实例包含60：40(摩尔百分比)的PVDF-TrFE、70:30的PVDF-TrFE、80:20的PVDF-TrFE和90:10的PVDR-TrFE。可以采用的压电材料的其它实例包含聚偏二氯乙烯(PVDC)均聚物和共聚物，聚四氟乙烯(PTFE)均聚物和共聚物以及二异丙胺溴化物(DIPAB)。
压电发射器层22和压电薄膜层36中的每一个的厚度可以选择成适合于产生和接收超声波。在一个实例中，PVDF压电发射器层22的厚度近似是28μm，且PVDF-TrFE接收器层36的厚度近似是12μm。超声波的实例频率在5MHz到30MHz的范围内，波长大约是四分之一毫米或更小。
图4B展示触摸感测系统的替代实例的分解视图。在此实例中，压电薄膜层36已成形为离散元件37。在图4B中展示的实施方案中，离散元件37中的每一者对应于单个像素输入电极38和单个传感器像素电路32。然而，在触摸感测系统10的替代实施方案中，在离散元件37、单个像素输入电极38和单个传感器像素电路32中的每一者之间不必存在一一对应的关系。举例来说，在一些实施方案中，针对单个离散元件37可存在多个像素输入电极38和传感器像素电路32。
图3A至4B展示触摸感测系统中的超声波发射器和接收器的实例布置，其它布置为可能的。举例来说，在一些实施方案中，超声波发射器20可在力感测装置30上方且因此更接近待检测的对象(25)。在一些实施方案中，触摸感测系统10可包含声学延迟层。举例来说，声学延迟层可以并入到超声波发射器20与力感测装置30之间的触摸感测系统10中。可使用声学延迟层来调整超声波脉冲定时，且同时将力感测装置30与超声波发射器20电绝缘。声学延迟层可具有基本上均匀的厚度，用于延迟层的材料和/或延迟层的厚度选择成提供反射的超声波能量到达力感测装置30的时间的所要延迟。通过这种做法，可以使由于已被物体反射而携载关于所述物体的信息的能量脉冲在从触摸感测系统系统10的其它部分反射的能量不大可能到达力感测装置30的时间范围期间到达力感测装置30。在一些实施方案中，衬底34和/或压板40可以充当声学延迟层。
图5描绘触摸感测系统的传感器像素电路的4×4像素阵列。每一传感器像素电路32可(例如)与压电式传感器材料的离散元件37、峰值检测电路8(在此实例中为二极管)以及读出晶体管相关联。这些元件中的许多或所有可形成于底板(例如，图1A至1C中展示的衬底34)上或底板中以形成传感器像素电路32。实际上，每一传感器像素电路32的压电式传感器材料的离散元件37可将接收到的超声波能量转换为电荷。峰值检测电路8可寄存由压电式传感器材料的离散元件37检测的最大量的电荷。接着可以扫描每一行传感器像素阵列，例如，通过行选择机构、栅极驱动器或移位寄存器，并且可以触发每一列的读出晶体管以允许通过另外的电路(例如多路复用器和A/D转换器)来读取每一像素的峰值电荷量值。传感器像素电路32可包含一个或多个TFT以允许传感器像素电路32的选通、编址和复位。
每一传感器像素电路32可提供由触摸感测系统10检测的关于对象的小部分的信息。虽然，为图示方便起见，图5中展示的实例具有相对粗略的分辨率，但是具有每英寸约500像素或更高分辨率的触摸感测系统配置有分层结构，其大体类似于本发明人已阐释的图4A和4B中所展示的结构。触摸感测系统10的检测区域可以根据既定检测对象选择。举例来说，检测区域可以在一根手指5mm×5mm到四根手指3英寸×3英寸的范围内变动。较小及较大区域可被用作适于待检测及/或成像的对象。
图6展示触摸感测系统的高级框图的实例。所展示的许多元件可形成控制系统50的一部分。传感器控制器可包含控制单元，所述控制单元被配置成控制传感器系统的各种方面，例如超声波发射器时序及激励波形、超声波接收器及传感器像素电路的偏压、传感器像素编址、信号过滤及变换、读出帧率等。传感器控制器还可包含数据处理器，其从传感器像素电路阵列接收数据。数据处理器可以将数字化数据转译成指纹的图像数据，或者将数据格式化以供进一步处理。
举例来说，控制单元可以用规则间隔向Tx驱动器发送发射器(Tx)激励信号，以便使Tx驱动器激励超声波发射器并且产生平面超声波。控制单元可以通过接收器(Rx)偏压驱动器发送电平选择输入信号以便偏压接收器偏压电极，并且允许选通像素电路的声学信号检测。可以使用多路分用器打开和关闭栅极驱动器，其使得传感器像素电路的特定行或列提供输出信号。可以通过电荷放大器、例如RC滤波器或抗混叠滤波器的滤波器和数字化器将来自像素的输出信号发送到数据处理器。应注意，系统的一些部分可以包含在TFT底板上，且其它部分可以包含于相关联的集成电路中。
图7A及7B展示说明包含如本文所述的触摸感测系统的显示装置的系统框图的实例。显示装置740可(例如)为移动显示装置(如智能手机、蜂窝式或移动电话等)。然而，显示装置740的相同组件或其轻微变化还说明各种类型的显示装置，例如电视机、计算机、平板计算机、电子阅读器、手持式装置及便携式媒体装置。
在此实例中，显示装置740包含外壳741、显示器730、触摸感测系统10、天线743、扬声器745、输入装置748及麦克风746。外壳741可由包含注射模制和真空成形的多种制造方法中的任一者形成。另外，外壳741可由多种材料中的任一者制成，所述材料包含(但不限于)：塑料、金属、玻璃、橡胶及陶瓷，或其组合。外壳741可包含可移除部分(未展示)，所述可移除部分可与具有不同颜色或含有不同标记、图片或符号的其它可移除部分互换。
显示器730可为以下多种显示器中之任一者，包括：平板显示器，如等离子体、有机发光二极管(OLED)或液晶显示器(LCD)；或非平板显示器，如阴极射线管(CRT)或其它管式装置。另外，显示器30可包含基于干涉式调制器(IMOD)的显示器。
图7B中示意性地绘示显示装置740的一个实例的组件。此处，显示装置740包含外壳741，且可包含至少部分地封闭在其中的额外组件。举例来说，显示装置740包含网络接口727，所述网络接口包含可耦接至收发器747的天线743。网络接口727可为可显示在显示装置740上的图像数据的来源。因此，网络接口727为图像源模块的一个实例，但处理器721及输入装置748也可充当图像源模块。收发器747连接到处理器721，处理器721连接到调节硬件752。调节硬件752可能够调节信号(例如应用滤波器或另外操控信号)。调节硬件752可连接至扬声器745及麦克风746。处理器721还可连接至输入装置748及驱动器控制器729。驱动器控制器729可耦接至帧缓冲器728及耦接至阵列驱动器722，所述阵列驱动器又可耦接至显示阵列730。显示装置740中的一或多个元件(包括图7B中未具体描绘的元件)可能能够充当存储器装置且能够与处理器721或控制系统的其它组件通信。在一些实施方案中，电力供应器750可将电力提供到特定显示装置740设计中的基本上所有组件。
在此实例中，显示装置740还包含触摸及指纹控制器777。触摸及指纹控制器777可(例如)为如上文所述的控制系统50的一部分。因此，在一些实施方案中，触摸及指纹控制器777(及/或控制系统50的其它组件)可包含一或多个存储器装置。在一些实施方案中，控制系统50还可包含如图7B中展示的处理器721、阵列驱动器722及/或驱动器控制器729的组件。触摸及指纹控制器777可能够(例如)经由路由电线与触摸感测系统10通信，且可能够控制触摸感测系统10。触摸及指纹控制器777可能够确定在触摸感测系统10上或接近触摸感测系统10的一或多个对象(例如手指)的位置及/或移动。然而，在替代实施方案中，处理器721(或控制系统50的另一部分)可能能够提供此功能性的一些或全部。
触摸及指纹控制器777(及/或控制系统50的另一元件)可能能够根据一或多个触摸位置提供用于控制显示装置740的输入。在一些实施方案中，触摸及指纹控制器777可能能够确定一或多个触摸位置的移动及根据所述移动提供用于控制显示装置740的输入。替代地或另外地，触摸及指纹控制器777可能能够确定接近显示装置740的对象的位置及/或移动。因此，即使未接触显示装置40，触摸及指纹控制器777仍可能能够检测手指或触笔移动、手势等。触摸及指纹控制器777可能能够根据此检测的移动及/或手势提供用于控制显示装置40的输入。
如本文别处所描述，触摸及指纹控制器777(或控制系统50的另一元件)可能能够提供一或多个指纹检测操作模式。因此，在一些实施方案中，触摸及指纹控制器777(或控制系统50的另一元件)可能能够产生指纹图像。
在一些实施方案中，触摸感测系统10可包含力感测装置30及/或超声波发射器20，如本文别处所描述。根据一些此类实施方案，触摸及指纹控制器777(或控制系统50的另一元件)可能能够自力感测装置30接收输入及通电或“唤醒”超声波发射器20及/或显示装置740的另一组件。
网络接口727包含天线743及收发器747，使得显示装置740可经由网络与一或多个装置通信。网络接口727也可具有一些处理能力以减轻(例如)处理器721的数据处理要求。天线743可发射及接收信号。在一些实施方案中，天线43根据IEEE16.11标准(包含IEEE16.11(a)、(b)或(g))或IEEE802.11标准(包含IEEE802.11a、b、g、n及其进一步实施方案)来发射及接收RF信号。在一些其它实施方案中，天线43根据标准发射及接收RF信号。就蜂窝式电话而言，天线743可经设计以接收码分多址(CDMA)、频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、全球移动通信系统(GSM)、GSM/通用包无线电服务(GPRS)、增强型数据GSM环境(EDGE)、陆地集群无线电(TETRA)、宽带-CDMA(W-CDMA)、演进数据优化(EV-DO)、1xEV-DO、EV-DO修订A、EV-DO修订B、高速包接入(HSPA)、高速下行链路包接入(HSDPA)、高速上行链路包接入(HSUPA)、演进型高速包接入(HSPA+)、长期演进(LTE)、AMPS，或其它用于在无线网络(例如，利用3G、4G或5G技术的系统)内传达的已知信号。收发器747可预处理从天线43接收到的信号，使得处理器721可接收所述信号并对所述信号进行进一步操控。收发器747还可处理从处理器721接收的信号，使得所述信号可经由天线743从显示装置740发射。
在一些实施方案中，可通过接收器取代收发器747。另外，在一些实施方案中，可用图像源替换网络接口727，所述图像源可存储或产生待发送到处理器721的图像数据。处理器721可控制显示装置740的总体操作。处理器721自网络接口727或图像源接收数据(例如压缩图像数据)，且将数据处理成原始图像数据或处理成可易于处理成原始图像数据的格式。处理器721可将经处理的数据发送至驱动器控制器729或至帧缓冲器728以供存储。原始数据通常是指识别图像内的每一位置处的图像特性的信息。举例来说，此类图像特性可包含色彩、饱和度及灰度级。
处理器721可包含用以控制显示装置740的操作的微控制器、CPU或逻辑单元。调节硬件752可包含放大器及滤波器以用于将信号发射到扬声器745，及用于从麦克风46接收信号。调节硬件752可为显示装置40内的离散组件，或可并入于处理器721或其它组件内。
驱动器控制器729可采用直接来自处理器721或来自帧缓冲器728的由处理器721产生的原始图像数据，且可适当地将原始图像数据重新格式化以用于高速传输到阵列驱动器722。在一些实施方案中，驱动器控制器729可将原始图像数据重新格式化为具有光栅状格式的数据流，以使得其具有适合于跨越显示阵列730扫描的时间次序。接着，驱动器控制器729将经格式化信息发送到阵列驱动器722。尽管例如LCD控制器等驱动器控制器729常常作为独立集成电路(IC)与系统处理器721相关联，但此类控制器可以许多方式来实施。举例来说，控制器可作为硬件嵌入于处理器721中，作为软件嵌入于处理器721中，或与阵列驱动器722一起完全集成在硬件中。
阵列驱动器722可自驱动器控制器729接收经格式化的信息，且可将视频数据重新格式化为一组平行的波形，所述波形被每秒许多次地施加至来自显示器的x-y显示元件矩阵的数百且有时数千个(或更多)引线。
在一些实施方案中，驱动器控制器729、阵列驱动器722和显示器阵列730适合于本文所描述的显示器的类型中的任一者。例如，驱动器控制器729可为常规显示器控制器或双稳态显示器控制器(例如，IMOD显示元件控制器)。另外，阵列驱动器722可为习知驱动器或双稳态显示驱动器。此外，显示阵列730可为习知显示阵列或双稳态显示。在一些实施方案中，驱动器控制器729可与阵列驱动器722整合。此实施方案可适用于高度整合的系统，例如，移动电话、便携式电子装置、手表或小面积显示器。
在一些实施方案中，输入装置748可能够允许(例如)用户控制显示装置740的操作。输入装置748可包含例如QWERTY键盘或电话小键盘等小键盘、按钮、开关、摇臂、触敏屏、与显示器阵列730集成的触敏屏，或压敏或热敏隔膜。麦克风746可能够充当用于显示装置740的输入装置。在一些实施方案中，通过麦克风746的语音命令可用于控制显示装置40的操作。
电力供应器750可包含多种能量存储装置。例如，电力供应器750可为可再充电电池，例如，镍镉电池或锂离子电池。在使用可再充电电池的实施方案中，可再充电电池可使用来自(例如)壁式插座或光伏装置或阵列的电力来充电。或者，可再充电电池可无线地充电。电力供应器750还可为可再生能源、电容器或太阳能电池，包含塑料太阳能电池或太阳能电池漆。电力供应器750还可能够自壁式插座接收电力。
在一些实施方案中，控制可编程性驻留于可位于电子显示系统中的若干位置中的驱动器控制器729中。在一些其它实施方案中，控制可编程性驻留于阵列驱动器722中。上述优化可实施于任何数目个硬件和/或软件组件中和以各种配置来实施。
如本文所使用，指一列项目“中的至少一者”的短语是指那些项目的任何组合，包含单个成员。作为实例，“以下各项中的至少一者：a、b或c”意图涵盖：a、b、c、a-b、a-c、b-c和a-b-c。
结合本文中揭示的实施方案所描述的各种说明性逻辑、逻辑块、模块、电路及算法过程可实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。硬件与软件的互换性已大体在功能性方面加以描述，且在上文所描述的各种说明性组件、块、模块、电路及过程中加以说明。此功能性是以硬件来实施还是以软件来实施取决于特定应用及强加于整个系统的设计约束。
结合本文中揭示的方面而描述的用于实施各种说明性逻辑、逻辑块、模块和电路的硬件和数据处理设备可通过以下各者来实施或执行：通用单芯片或多芯片处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或其经设计以执行本文中所描述的功能的任何组合。通用处理器可为微处理器或任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可实施为计算装置的组合，例如，DSP与微处理器的组合、多个微处理器、一或多个微处理器结合DSP核心，或任何其它此类配置。在一些实施方案中，特定过程和方法可由特定针对给定功能的电路系统执行。
在一或多个方面中，可以硬件、数字电子电路、计算机软件、固件(包含本说明书中所揭示的结构及其结构等效物)或以其任何组合来实施所描述的功能。此说明书中所描述的标的物的实施还可实施为编码于计算机存储媒体上的一或多个计算机程序(即，计算机程序指令的一或多个模块)以供数据处理设备执行或控制数据处理设备的操作。上述最佳化
如果实施于软件中，则所述功能可作为一或多个指令或编码而存储于计算机可读媒体(例如，非暂时性媒体)上或经由所述计算机可读媒体(例如，非暂时性媒体)传输。本文中所揭示的方法或算法的过程可以在可以驻留于计算机可读媒体上的处理器可执行软件模块中实施。计算机可读媒体包含计算机存储媒体及通信媒体两者，通信媒体包含可经启用以将计算机程序从一处传送到另一处的任何媒体。存储媒体可以是可通过计算机存取的任何可供使用的媒体。以实例说明而非限制，非暂时性媒体可包含RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置，或可用于以指令或数据结构形式存储所要程序代码且可由计算机存取的任何其它媒体。而且，可将任何连接恰当地称为计算机可读媒体。如本文所使用的磁盘和光盘包含压缩光盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数字多功能光盘(DVD)、软盘和蓝光光盘，其中磁盘通常是以磁性方式再现数据，而光盘是用激光以光学方式再现数据。以上的组合也应包括在计算机可读媒体的范围内。另外，方法或算法的操作可作为代码和指令中的任一者或任何组合或集合驻留于可并入到计算机程序产品中的机器可读媒体或计算机可读媒体上。
所属领域的一般技术人员可容易地显而易见对本发明中所描述的实施方案的各种修改，且在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本文中所定义的一般原理可应用于其它实施方案。因此，本发明并不既定限于本文中所绘示的实施方案，而应被赋予与本文中所揭示的原理和新颖特征相一致的最广泛范围。词语“示范性”在本文中专门使用(如果完全)以表示“充当实例、例子或说明”。本文中描述为“例示性”的任何实施方案未必应解释为比其它实施方案优选或有利。
在本说明书中在单独实施方案的上下文中描述的某些特征还可在单个实施方案中组合地实施。相反地，在单个实施方案的上下文中描述的各种特征也可单独地在多个实施方案中实施或以任何合适的子组合来实施。此外，尽管上文可将特征描述为以某些组合起作用且甚至最初如此主张，但在一些情况下，可将来自所主张的组合的一或多个特征从组合中删除，且所主张的组合可针对子组合或子组合的变化。
类似地，虽然在图式中按特定次序描绘操作，但此不应被理解为要求按所展示的特定次序或按循序次序执行此类操作，或执行所有所说明的操作，以实现所要结果。在某些情况下，多任务处理及并行处理可为有利的。此外，上文所描述的实施方案中的各种系统组件的分离不应被理解为在所有实施方案中要求此类分离，且应理解，所描述的程序组件及系统一般可一起集成在单个软件产品中或封装到多个软件产品中。另外，其它实施方案在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，权利要求书中所叙述的动作可以不同次序来执行且仍实现所要结果。
将理解，除非明确地指示特定所描述实施方案中的任一者中的特征彼此不兼容，或周围上下文暗示其相互排斥且不容易在互补和/或支持性意义上组合，否则本发明的全部内容预期且设想那些互补实施方案的特定特征可经选择性组合，以提供一或多个全面、但稍许不同的技术解决方案。因此，将进一步了解，已仅借助于实例给出以上描述，且详细修改可在本发明的范围内进行。

Claims (20)

1.一种触摸感测系统，其包含力感测装置，所述力感测装置包括：
衬底；
传感器像素电路的阵列，其安置在所述衬底上；
压电薄膜层的离散元件，每一离散元件对应单独的传感器像素电路；
多个像素输入电极，每一像素输入电极被配置成用于建立所述压电层的离散元件的第一侧与所述传感器像素电路中的一者之间的电连接；
接收器偏压电极，其被配置成用于建立与所述压电层的离散元件的第二侧的电连接；以及
控制系统，其能够：
自所述传感器像素电路中的一或多者接收信号，所述信号对应于施加至所述压电薄膜层的一或多个离散元件的力；以及
确定施加所述力的对象的位置。
2.根据权利要求1所述的触摸感测系统，其中每一传感器像素电路进一步包括：
电荷放大器，其能够放大自所述像素输入电极接收的电荷。
3.根据权利要求1所述的触摸感测系统，其中每一传感器像素电路进一步包括：
峰值检测电路，其能够寄存由所述施加的力产生的最大量的电荷。
4.根据权利要求3所述的触摸感测系统，其中每一传感器像素电路进一步包括：
复位装置，其能够清除来自所述峰值检测电路的累积电荷。
5.根据权利要求1所述的触摸感测系统，其中所述力感测装置具有足够高的分辨率以充当指纹传感器。
6.根据权利要求1所述的触摸感测系统，其进一步包括：
超声波发射器，其中所述控制系统能够以超声波成像模式或力感测模式操作所述触摸感测系统。
7.根据权利要求6所述的触摸感测系统，其中所述控制系统能够在使所述触摸感测系统以力感测模式操作时将所述超声波发射器维持在“关闭”状态。
8.根据权利要求7所述的触摸感测系统，其进一步包含存储器系统，其中所述控制系统能够在将所述超声波发射器维持在“关闭”状态时捕获指纹图像及将指纹图像数据存储于所述存储器系统中。
9.根据权利要求8所述的触摸感测系统，其中所述控制系统能够至少部分地基于所述指纹图像数据控制对一或多个装置的存取。
10.根据权利要求6所述的触摸感测系统，其中当所述触摸感测系统以所述超声波成像模式操作时，所述力感测装置能够充当超声波接收器。
11.根据权利要求6所述的触摸感测系统，其中所述控制系统能够检测经由所述力感测装置接收的触摸或轻击及响应于所述触摸或轻击接通所述超声波发射器。
12.根据权利要求1所述的触摸感测系统，其中所述衬底为薄膜晶体管TFT衬底，且其中所述传感器像素电路包含TFT传感器像素电路。
13.一种移动显示装置，其包含根据权利要求1所述的触摸感测系统。
14.根据权利要求13所述的移动显示装置，其中所述控制系统能够检测经由所述力感测装置接收的触摸或轻击及响应于所述触摸或轻击激活所述移动显示装置的至少一个特征。
15.根据权利要求14所述的移动显示装置，其中所述控制系统能够：
在不活动的周期期间使所述移动显示装置以睡眠模式操作；
检测经由所述力感测装置接收的触摸或轻击；以及
响应于所述触摸或轻击将所述移动显示装置从所述睡眠模式唤醒。
16.一种方法，其包括：
从触摸感测系统的力感测装置接收用户触摸或轻击的指示；以及
至少部分地基于所述触摸或轻击使所述触摸感测系统以超声波成像模式操作。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述接收涉及当超声波发射器断开时自超声波接收器接收所述指示，且其中所述操作涉及接通所述超声波发射器。
18.一种触摸感测系统，其包括：
超声波接收器，其包含压电薄膜层及传感器像素电路的阵列；
超声波发射器装置；以及
控制装置，所述控制装置包含：
用于当所述超声波发射器装置断开时自所述超声波接收器的传感器像素电路中的一或多者接收信号的装置，所述信号对应于施加至所述压电薄膜层的力；以及
用于响应于所述信号接通所述超声波发射器装置的装置。
19.根据权利要求18所述的触摸感测系统，其中所述控制装置包含用于确定对应于由所述接收装置接收的多个信号的一或多个对象的位置或运动的装置。
20.一种移动显示装置，其包含根据权利要求18所述的触摸感测系统，其中所述控制装置包含：
用于在不活动的周期期间使所述移动显示装置以睡眠模式操作的装置；以及
用于响应于所述信号将所述移动显示装置从所述睡眠模式唤醒的装置。
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