CN106030478A - 具有同时感测和致动的触觉显示器 - Google Patents

具有同时感测和致动的触觉显示器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了利用同时感测和致动产生多点触觉的触摸接口设备和方法。在一种配置中，连接到基板的前表面的一个或多个电极以图案布置并连接到电子控制器，其中电子控制器被配置为通过向电极施加一个或多个电压产生触觉效果，并且通过向电极施加一个或多个电压测量一个或多个触摸点的位置。在另一种配置中，电子控制器被配置为通过向电极施加正电压和/或负电压产生触觉效果，并且通过向电极施加正电压和/或负电压测量一个或多个触摸点的位置。还公开了利用触摸接口的基板上的单组电极同时在基板上产生触觉效果和测量相对于基板的手指位置的方法。

Description

具有同时感测和致动的触觉显示器
对相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年2月21日提交的美国临时专利申请序列No.61/942,983的权益和优先权，其全部公开内容通过引用被结合于此。
本发明的合同起源
本发明是依据由美国国家科学基金会给予的在资助号为IIS-0964075和IIP-1330966下利用政府支持作出的。政府对本发明具有一定的权利。
技术领域
本发明一般而言涉及用于表面触觉设备(surface haptic device，SHD)的触摸接口，并且更具体而言涉及可以提供多点触觉的具有同时感测和致动的触摸接口，它包括提供由用户的单独手指经历的独立触觉效果。
背景技术
触摸接口可以在膝上型电脑、游戏设备、汽车仪表盘、信息亭、手术室、工厂、自动柜员机以及诸如相机和电话的便携式设备的主机中找到。触摸接口提供离散机械控制无法提供的灵活交互可能性。但当今的触摸接口牺牲了人类体验的重要部分：触觉。“触觉”是指与触摸关联的感知系统。触觉给予我们触摸类型、在黑暗中发现灯的开关、挥舞刀叉、享受抚摸狗或握住我们配偶的手。触觉不只是移动一个人的手，而是关于感觉事物、识别物体(甚至不用看它们)，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、手机和智能电话的电子产品的熟悉特征。虽然振动早已被用作无声振铃或告警，但它越来越多地被用来在使用触摸表面(诸如触摸屏)时向人的手(尤其是指尖)提供触觉反馈。现有技术，诸如标题为“Haptic Feedback for Touchpadsand Other Touch Controls”的美国专利6,429,846，描述了用于基于振动的触觉反馈的多种硬件和软件解决方案。该技术比在寻呼机中传统使用的技术明显地更先进。使用压电致动器启用高带宽的振动谱(vibration profile)控制增强了使用体验。然而，振动方法有一定的缺点。例如，整个设备振动，使得任何效果都在握着该设备的手以及触摸触摸表面或屏幕的指尖感觉到。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经历相同的效果。
最近，静电致动已经作为生成局部化到指尖的振动的手段而被探索。现有技术，诸如美国专利7,924,144，利用静电力来造成指尖的振动，这使得人能够检测触摸表面上的各种纹理。这种技术的优点是它除了在皮肤表面上之外不生成机械振动。虽然该技术还具有通过简单地使用屏幕的同一表面上的多个电极来支持多点触觉的潜力，但实际上这是难以做到的。一个原因是难以产生到不在透明屏幕的边缘附近的电极的低电阻电连接。因此，在多个电极中，那些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。对于多触摸感测的最常见技术是也使用静电荷的“投射电容”感测。为了最小化静电触觉和投射电容感测之间的相互作用，现有技术对触觉使用单个电极，尺寸为整个触摸屏。
多点触觉
由一些本发明人的共同未决专利申请(标题为“ElectrostaticMulti-touch Haptic Display”的美国专利申请序列No.13/468,818)描述了实现多点静电触觉的多种方式。该公开内容的某些方面在本文中作为背景指出。例如，静电触觉的基础是摩擦力的调制，其是经由电场直接影响手指与触摸接口的触摸表面之间的法向力的结果。电场在指尖与触摸表面之间的接触点建立。这是通过在基板的触摸表面附近放置一个或多个电极实现的，利用介电层将那些电极与指尖绝缘。为了建立电场，电路必须通过指尖闭合。这样做有两个主要途径。
在现有技术中，其他人已经教导了图1a中所示的方法，该图是来自美国专利7,924,144的图，其中手指-电介质-电极系统的电容是通过在身体的某个其它部分的第二触点闭合的电路的一部分，该电路甚至可以利用人体的相对大的电容来完成。因此，图1a示出了实现电容性电感测接口的装置，其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。
本发明人设计出了在图1b中所示的备选方法，该图类似于标题为“Touch Interface Device And Method For Applying ControllableShear Forces To A Human Appendage”的美国专利申请序列No.13/468,695，其中两个单独的电极E和E'(触觉设备)被绝缘层L覆盖并且将在单个接触或触摸位置放在基板(未示出)的前表面或顶表面上。因此该电路是通过指尖本身的单个触摸闭合的，不涉及身体的其余部分。这具有不需要身体的某个其它部分参与的好处，但它还有另一个好处，这将在本文讨论。
为了应用双电极技术，有必要在触摸表面上创建合适的电极对阵列。如图2中所示，为诸如移动设备2的装置实现这种布置的一种方法将是用包括电极8和10的电极对6简单地平铺顶表面或触摸表面4。这种顶层电极的有点在于：电极8、10可以精确地放在表面4上需要它们的地方以及所有电极可以潜在地由同一导电层构图。应当认识到的是，导线可以由与电极相同的导电材料构图，或者可以由导电率更高的材料制成。
但是，在针对将相应的细导电迹线14、16连接到诸如不在边缘附近的多个电极的需要时，这种配置具有在一些现有技术中给出的缺点。具有足够低电阻率的细导电迹线14、16会是难以生产的，尤其是如果需要它们是透明的以满足其它设计目标的话。关于这种方法的另一个潜在困难是电极计数会变得相当大，尤其是当触摸表面变得更大时。如果x轴需要N个电极并且y轴需要M个，则按照对的总电极计数，如图2所示，将为2*M*N。但是，像这样利用电极对来平铺表面的模式可以在某些情况下使用，诸如在具有较小屏幕尺寸的设备中使用。
为装置的触摸表面创建电极阵列的第二种方法在图3a中示出并且被称为“晶格”。为了便于理解，图3a中的示图集中在电极阵列。虽然示出了菱形电极线的晶格网络形式的图案，但可以不必使用这种电极图案和形状，而是重点在于用可以成对服务的N*M个电极覆盖表面(此处示为大致平面的)。在这个图中，电极20沿第一轴(例如x轴)延伸或平行于第一轴，并且电极22沿第二轴(例如y轴)延伸或平行于第二轴。给定的y轴电极22跨越给定的x轴电极20的区域定义双电极区域(如图1b中所示的)，其中静电力可以施加到用户的皮肤上，例如施加到指尖。
如图3a中所示，任何电极20(x轴)和任何电极22(y轴)都可以构成对。如果不同的电压被施加到例如电极20和22，则相应线电极20、22的交点变成手指会经历增加的静电力的活动区域或位置。在实践中，可以使用AC电压，并且当施加的电压彼此异相180度时产生最大静电力。
静电力的量值可以以各种方式进行调制。作为几个例子，一种方法是改变施加到电极的电压的量值。另一种方法是改变施加到电极的电压波形的占空比。还有一种方法是基于对电极20、22上的电荷的测量来控制所施加的电压或电流。还有另一种方法是改变在两个电极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，并且当两个电极20、22上的电压彼此同相时，静电力被最小化，因为电路不再通过用户手指(诸如在指尖)的触摸、接触或接合被局部闭合，而是必须通过用户身体的其它部分的电容来闭合。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之比)为：
通常，Cf显著大于Cb(至少5倍)，因此衰减因子相当显著：大于一个数量级。
以晶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中示出，该图示出了具有电极的晶格网络的图案，该图案还包括沿第一轴(例如x轴)延伸或平行于第一轴的电极24，以及沿第二轴(例如y轴)延伸或平行于第二轴的电极26，并且其中线电极20和22之间的交点以及线电极24和26之间的交点各自被用来定义或控制作用在两个相应手指上的静电力，其中第一指尖F由第一椭圆表示并且第二指尖FF由第二椭圆表示。但是，存在这种多点能力可能损坏(break down)的手指位置。例如，如果两个指尖位于同一电极上，则难以向两个手指施加非常不同的力。其原因是，通过用户身体的手指到手指阻抗相对于电极到手指阻抗(1/(ωCf))相当小，其中ω是AC励磁的频率。因此，例如，在活动的x轴电极上的第二手指仍然受益于在第一指尖下的活动的y轴电极。应当指出，在该例中，x和y可以颠倒。为了确保在每个手指上的力独立于在每个其他手指上的力，这些手指是不同电路的部分是有必要的。如上所述，这可以由图2中的布置来实现，但是有缺点。
多触摸感测
大多数现代的多触摸传感器是“投射电容”(pCap)种类。这些传感器一般位于平面朝向中并且基于沿第一轴(例如y轴)延伸或平行于第一轴的一组发送(Tx)电极和沿第二轴(例如x轴)延伸或平行于第二轴的一组接收(Rx)电极之间的互电容工作，并且因此被布置成彼此正交。虽然在使用中存在许多不同的电极图案，但对于pCap传感器最常见的是在图4中所示的互锁菱形图案。Tx线和Rx线或者是在不同的层上，或者它们是在相同的层上，但是在线否则会相交处形成桥，使得在Tx线和任何Rx线之间不发生接触。
从每个Tx线到每个Rx线存在电容性耦合，并且如果手指放在两个线电极的交点附近，则这个互电容的量减小。实际上手指“偷走了”一些否则的话将已经到达Rx线的电场线，如在图5a中所示由Zimmerman等人在1995年所指出的。这种“人分流”是用于pCap感测的标准模式。通过测量每个Tx-Rx对的互电容(对此存在许多已知的技术)，并且内插结果，可以定位相应手指的质心。
相同的电极图案也可以被用来测量手指位置，使用自电容技术而不是互电容。在这个方法下，垂直的线(Rx线和Tx线)被同等对待。每个电极(无论是在Rx线还是Tx线中)具有到地的电容，并且当手指被带到附近时这个电容增加。这使得特别容易检测到手指在沿任意给定线的某个地点。通过查询x轴Tx和y轴Rx电极线二者分别找到X和Y坐标。这种方法的限制是它不是很好地支持多触摸感测。必须考虑当两个手指放在触摸表面上时会发生什么。通常，两个x轴Tx线电极和两个y轴Rx线电极将作出响应。但是那些线在四个点相交，例如在(x1,y1)、(x1,y2)、(x2,y1)、(x2,y2)，而不是在两个点相交。两个位置是正确的并且另外两个位置是错误识别或“重影”。对于这种系统，没有区分(disambiguate)实际手指与重影的简单方法。
发明内容
所公开的主题的目的和优点将在下述描述和附图中阐述并且变的显然，并且将由要求保护的主题的实践而被学习。本公开内容一般而言提供具有用于触摸接口的电子控制器的系统和方法，其中触摸接口提供促进多点触觉的同时感测和致动。
本公开内容一般而言提供用于产生多点触觉的新颖并且非显而易见的系统和方法，本发明人称其为“同时感测和致动”(simultaneous sensing and actuation，SSA)。在一个例子中，本公开内容使用两层电极：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)，和用于可靠感测的底部或背面层，这在本文是指底部、背部或更深层(附连到绝缘基板或片材的底部或背面和/或位于触摸接口设备中相对于顶层的更深层)(在本文中被称为感测设备)。但是，顶部电极也可以被用于感测，或者可选地更深层的电极可以被用于感测。两个电极组彼此具有基本相同的图案。这些在本文中被称为“镜像电极”。在进一步的例子中，本公开内容使用部署在触摸基板的前表面上的单个电极阵列，其既可以充当表面触觉设备又可以充当感测设备。
在第一方面，本公开内容给出了具有同时感测和致动的触摸接口，包括：绝缘基板；连接到基板的前表面并且以图案布置的一个或多个电极；被配置为将每个电极连接到一个或多个电压电平的电子控制器；所述电子控制器被配置为通过向所述电极施加一个或多个电压而产生触觉效果；以及所述电子控制器被配置为通过向所述电极施加一个或多个电压而测量一个或多个触摸点的位置。
在第二方面，本公开内容给出了具有同时感测和致动的触摸接口，包括：绝缘基板；连接到基板的前表面并且以图案布置的一个或多个电极；被配置为将每个电极连接到正电压或负电压的电子控制器；所述电子控制器被配置为通过向所述电极施加正电压和/或负电压而产生触觉效果；以及所述电子控制器被配置为通过向所述电极施加正电压和/或负电压而测量一个或多个触摸点的位置。
在第三方面，本公开内容提出了使用触摸接口的基板上的单组电极来同时在基板上产生触觉效果并测量相对于基板的手指位置的方法，其中触觉效果是通过如下操作产生的：选择施加到基板的电极的第一子集、利用电压源将电极的第一子集升高到正电压或负电压、然后从电压源断开电极的第一子集、然后选择电极的第二子集并且利用电压源将电极的第二子集升高到正电压或负电压，同时监视将电极的第二子集升高到正电压或负电压所需的电流或电荷。
可以认识到的是，本文公开的触摸接口在连接到基板的前表面的每个表面触觉设备和与其对齐并连接到基板的背面的每个相应感测设备之间提供强电容性耦合。而且，这种强电容性耦合使得能够从感测设备检测到与表面触觉设备关联的电容的变化(由于例如由手指触摸)。
还可以认识到的是，对于本文公开的触摸接口，为触觉效果提供静电致动的一个或多个电极也可以提供对基板的前表面上的手指位置的基于电容的感测。
应当理解的是，前面的一般性描述和下面的详细描述都是示例性的并且是仅仅为了解释的目的而提供的，而不是对要求保护的主题的限制。本公开内容的进一步的特征和目的将从下面的详细描述、连同下面的附图以及从所附的权利要求而变得更完全地显而易见。
附图说明
在描述示例实施例时，参考附图，其中相同的部分具有相同的附图标记，并且其中：
图1a是来自实现电容性电感测接口的装置的现有技术专利的图，该装置具有在由两个不同的手指接触的两个单独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图的一部分，它示出了电路由单个手指在相同接触位置的通过两个不同电极的闭合。
图2是用于诸如移动设备的装置的电极布置的图。
图3a是处于晶格网络中的第一示例电极图案的图。
图3b是处于晶格网络中并且示出多点触觉的示例电极图案的进一步的图。
图4是示出可以在pCap传感器中使用的菱形电极图案的图。
图5a是表示作为pCap感测的标准模式的“人分流”的图。
图5b是表示作为pCap感测的辅助效果但是当电极在基板的前表面上时可以是主要效果的“人发送器”的图。
图6是表示使用“镜像电极”的触摸接口的简化图，其中以图案布置前或顶(触觉)层电极并且以基本相似的图案布置后或底(感测)层电极，并且为了便于观看，层之间的垂直分隔被大大地夸大了，仅示出了几个线电极并且是以非常简单的形式。
图7a是标准或典型的pCap电气布置的图，其中圆角矩形表示底表面(感测)电极。
图7b是镜像电极电气布置的图，其中手指充当发送器。
图8a是具有三重对称性的电极的图。
图8b是示出用于图8a的具有三重对称性的电极并且需要与用于互锁菱形电极图案所需相同处理步骤的桥接技术的图。
图9a是其中圆圈表示手指触摸并且示出利用两个手指和三重对称性不会发生错误识别或“重影”的图，因为这种重影将需要三个都必须在一个位置相交的“活”电极。
图9b是类似于图9a的图，但示出利用三个手指和三重对称性仅在某些配置中出现重影。
图9c是类似于图9b的图，但示出如果三个手指中的一个只是少量移动，则利用三重对称性重影消失。
图10a是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的图。
图10b是其中图10a中的线交点已被计算并用点指示的图。
图10c是其中聚类分析与来自图10b的计算出的交点一起使用的图，以便丢弃不可能的手指触摸，并且其中重影仍然存在但是具有减小的量值。
图11是其中圆圈表示位于同一电极上的两个手指触摸的图(在本图中，x轴公共电极由虚线引用)，其中手指触摸能够通过经由到地的高阻抗连接保持那个电极电隔离来独立地解决，并且力可以利用在其下方通过的其它两个电极而被施加到每个手指。
图12是多少有些类似于图11的图，但是示出其中三交点不足以在三个手指触摸上分配所有力的手指触摸布置。
图13a是示出在单个电极上的单个电压脉冲的图。
图13b是示出在第一电极上的单个电压脉冲和在第二电极上的单个但反相的电压脉冲的图。
图14是示出在触觉输出的典型片段期间施加到单个电极的电压的图。
图15是示出在非对称三交点图案中的电极的图。
应当理解，附图不是按比例的。虽然触摸接口设备的一些机械细节(包括紧固装置和特定布置的其它俯视图和剖视图的细节)没有被包括在内，但是鉴于本公开内容，这种细节也被认为在本领域技术人员的理解范围内。还应当理解，本发明不限于所示出的示例实施例并且例子是以简化的形式示出的，以便集中在原理性的系统和方法并且避免包括对本公开内容不必要并且将使附图过于复杂的结构。
具体实施方式
本公开内容提供了与触摸接口设备相关的若干例子，其意在通过在表面触觉设备(SHD)中使用同时感测和致动(SSA)来提供多点触觉，以及用于其的电子控制器。触摸接口设备包括电极连接到其的基板，以及用于生成触觉效果并感测手指位置的、与电极可操作地连接的控制器。控制器可以利用本文公开的任何方法并且被配置为与任何图案的电极一起操作。在一个例子中，具有同时感测和致动的多点触觉可以通过使用镜像电极来促进。但是，已经发现本文所教导的SSA和重影区分方法受益于但不要求使用镜像电极。事实上，可以认识到，用于提供本公开内容的触摸接口的系统和方法一般可以在多种配置中体现并与各种设备一起使用。其另外一个例子包括使用部署在触摸基板的前表面或顶表面上的单个电极阵列，其既可以充当表面触觉设备又可以充当感测设备。所公开的主题的目的和优点将在下面的描述和附图中阐述并从其变得显而易见，并且将通过实践所要求保护的主题而被学习。
如前面所指出的，为了确保在每个手指上的力独立于在每个其他手指上的力，手指是不同电路的部分是必要的。本公开内容教导了通过使用顶表面上的至少三交点电极来保证至少两个手指的独立性的进一步的有利方法。此外，本公开内容教导了具有使用镜像电极的故障模式的系统，通过该系统，如果触觉设备被划伤，则触觉可能停止运行，但电容性感测继续工作。
关于使用互电容的系统，重要的是理解当手指被带到Tx-Rx线电极的交点附近时手指实际产生两个效果。这些在1995年Zimmerman等人的文章中说明，该效果是指图5a中被称为“人分流”的效果，以及图5b中被称为“人发送器”的效果。第一个效果是正常的pCap模型，因为当电极与指尖被多于大约0.1mm的玻璃分离时第二个效果相当小。但是，静电触觉将电极放在玻璃基板的前表面或顶(触摸)表面上。在优选实施例中，那些电极仅通过电介质的薄层与手指分开，该薄层通常是微米量级。这种薄保护层的使用允许以合理低的电压(例如，小于100伏)形成适当大的电场强度。这种情况大大增加了发送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发送变成主要效果。实际上指尖变成将Tx线电极(几乎)直接连接到Rx线电极的开关。
当绝缘体薄时效果量值的这种逆转有几个含义。一方面，发送器效果相当大，这很好地预示获得高信噪比(SNR)，假定前表面或顶表面电极用于感测。另一方面，发送器效果本身对多触摸感测没有帮助，因为由于通过身体的低手指-手指阻抗，发送不仅仅通过一个指尖发生，而是还从一个指尖到下一个指尖发生。但是，更根本的问题是人们究竟是否选择使用前表面电极用于检测。
关于前表面或顶表面电极的潜在困难是它们不像背面或底表面或更深层电极那样好地受到保护。在典型的pCap传感器中，电极(感测设备)放在诸如玻璃或透明塑料板的基板的后面(即，它们是“背面”，或者在甚至更深的层上)。玻璃或塑料充当所谓的“盖板”(cover lens)并且是保持电极不受磨损或划痕损坏的保护元件。但是，如上面所提到的，负责触觉的电极(触觉设备)需要在前表面上，以便利用适度的电压产生大的触感效果。为了保护这些电极，建议使用非常耐用的电介质覆盖物或电介质层。
本发明人已经发现，有可能使用单层电极既作为触觉设备又作为感测设备。因此，电极图案(诸如在图2、3a、3b、4和8a至12中所示出的那些)可以被采用并且既用作触觉设备又用作感测设备。保护材料可以为许多触摸接口提供足够的保护，但是，它们不能绝对保证没有划痕在电极的顶表面发生。一些常见的材料(诸如石英和硬化钢)会硬到足以在与这种保护材料接触时引起划痕。如果划痕出现，可以证明是可以接受的一种故障模式是触觉停止运转，但电容性感测保持工作。但是，这种系统给出妥协，在本领域中留下对提供多点触觉的改进方式的进一步需求。
对于感测设备的改进保护，可能期望使用将传感器电极放在盖玻璃下方的pCap实践。但是，虽然有可能按照用于表面层上的触觉的电极来进行筛选，但这给出了在保护层上实现高质量多触摸感测的挑战。这通过使用“镜像电极”实现。在这个背景下，术语“镜像”不是指反射表面光洁度。相反，镜像电极是两层电极的使用：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)和用于感测的底层(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)。两组电极具有彼此基本相同的图案，并且因此在一般意义上可以被说成给出彼此的镜像图像。因此，使用镜像电极的触摸接口具有基本相似图案的顶部层电极和底部层电极两者，其中图案可以包括例如图2、3a、3b、4和8a至12中所示的那些。
同时感测和致动
因此，如图6中所示，本公开内容的一方面是使用镜像电极，该镜像电极包括与绝缘基板38或片材的前表面或顶(触摸)表面34上的电极30、32(触觉设备)以及后表面或底表面36上的电极30'、32'(感测设备)基本上完全相同、对准的电极图案。
镜像的概念可以被扩展到任何电极图案，包括例如如前面所指出的图2、3a、3b、4和8a至12中的图案。图案还可以被应用到表面的任何部分，从离散或分离的位置到整个表面。例如，对于图6中所示的图案，镜像布置在每个前表面或顶(触摸)表面电极30、32和其镜像的或类似布置的后表面或底表面电极30'、32'之间提供强电容性耦合。一般而言，镜像应当在玻璃或其它基板厚度显著小于典型电极宽度并且甚至基板不是平面的任何时候工作。例如，当使用1mm厚的玻璃基板时电极可以是5mm宽。
作为镜像的结果，发送到底部电极(感测设备)的信号将在其上方的顶表面电极(触觉设备)上感应出信号，即使顶表面电极已被一个或多个划痕横断。因此，这种方法不显著地依赖于顶表面(触觉)电极的电阻，并且因此即使顶表面电极被划痕损害，底表面(感测)电极仍继续工作。如果顶表面电极和底表面电极以一对一的关系彼此重叠(或者部分或者完全地)，则相邻电极之间应当有信号的最小程度的混合。特别地，顶表面电极能够用于触觉致动，无需那些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部电极的期望感测性能。事实上，镜像布置提供了若干有趣的可能性。
一种可能性是使用某些底部线电极32'作为(发送)Tx电极以及诸如电极30'的其它电极作为(接收)Rx电极，就像通常在pCap感测中所做的那样。放在Tx-Rx结的特定位置上方的手指应当产生大信号，而不管顶表面上划痕的存在。这在图7b中示出，其中手指充当发送器，这可以与图7a中所示的典型或标准pCap配置进行比较，在图7a中手指充当分流器。对于宽范围的参数值，这种布置产生具有比典型pCap更好信噪比(SNR)的强效果。这种改善的SNR提供了若干潜在的好处，诸如更快的感测(对于触觉尤其有用)、更高的分辨率或更低的功耗。
遗憾的是，刚刚描述的强效果是由于发送现象，不是由于分流现象。因为发送还能够经由从一个手指到另一个手指的信号发生，所以迄今为止的建模表明可能发生手指触摸的重影或错误识别。假设两个手指被放在表面上的(x1,y1)和(x2,y2)。沿x1发送的信号将在y1和y2都产生结果。因此，(x1,y2)表示重影手指位置。相应地，进一步的方法可被用来实现无重影的高分辨率多触摸触觉。
利用镜像电极的多触摸感测
根据以上讨论，镜像的前或顶(触觉)和后或底(感测)电极用来把底部激活图案“投射”到顶部。而且，从顶部电极到手指的强电容性耦合应当允许比常规pCap感测显著地更高的SNR。遗憾的是，手指触摸的重影或错误识别会因为增强的“人发送器”效果(相对于对背面电极占主导地位的“人分流”效果)与从手指到手指的显著的信号传导性结合而出现。如果顶部电极被直接用于感测以及触觉，则会发生同样的困难。但是，本公开内容对多触摸触觉提供新开发的方法，克服了这一缺点。本文公开了四个这样的方法，每个有各自的强处。
方法1：组织电阻率
由于从一个手指到下一个手指的电阻，重影或错误识别实际上比真正手指的强度要小。强度差的量值由从顶表面电极到指尖的电容(1nF)和从一个指尖到下一个指尖的身体的内部电阻(估计在100至1000欧姆)确定的RC时间常数所表征。这个时间常数比用于查询电极的时间常数更长，其中用于查询电极的时间常数是由电极的电阻(假设氧化铟锡(ITO)，大约1-10KΩ)和电极到地的电容(大约100pF)支配的。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，则有可能通过使用太快以至于无法通过手指高效地发送的激励信号来辨别各个手指触摸。这样做将有效地隔离一个手指与其它(一个或多个)手指。给定ITO电极的电阻，定时约束是有挑战性的，但是如果ITO由具有更低电阻的另一种材料替换，则该方法变得更有前途。若干此类材料(包括银纳米线和石墨烯)在本领域中是公知的。另一种方法是使用更厚的ITO层，其具有更低的电阻率。有用地，用于手指到手指传输的时间常数实际上不必长于用于查询电极的时间常数。时间常数充分地减弱重影信号以将它们与实际手指触摸信号辨别开就足够了。
方法2：互电容
虽然，对于在手指正下方的电极，人发送器效果比人分流效果更强，但这对于其它附近电极不一定为真。对于在手指附近但不在其正下方的其它顶表面电极对，互电容将减小。因此，将存在接近实际手指触摸而不是接近重影的减小的互电容图案。候选手指触摸能够因此利用自电容识别，并通过使用附近电极交点的互电容与重影区分。
方法3：计算
通过收集相互信号强度的整个矩阵，线性系统可以反转，以产生用于所有手指的位置以及通过用户的手和身体互连它们的交叉耦合效率的解决方案，以便匹配观察到的强度。这种整体的解决方案具有更优异的抗干扰性并可扩展到大量的手指。这种方法的另一个好处是不仅手指位置而且还有它们的交叉耦合效率的确定。例如，同一只手的手指比属于相对的手的手指交叉耦合更强烈。能够通过手辨别手指建议了吸引人的用户接口可能性。此外，并且也是有希望的新颖应用，同时触摸同一屏幕的第二用户的手指可以通过它们到第一用户的手指的弱得多的交叉耦合来简单地辨别。
方法4：三交点
第三组镜像电极，如图8a和8b中所示，提供了区分的另一路线。该方法将触摸屏的手指触摸与三个电极40、42、44而不是仅两个电极相交或紧挨着彼此相对定位的位置关联。这将在本文中被称为三交点并且它将包括用于相应线电极的桥接，以避免电极本身的实际相交。如将要解释的，重影仍可能发生，但是当手指实际移动将不会存在。
当引入第三组电极时，许多几何形状是可能的。图8a示出了具有三重对称性的优选实施例。另一种几何形状将是基于标准互锁菱形(图4)但是也具有对角线电极组的几何形状。对于任何三电极几何形状，一个考虑是如何处理桥。图8b示出不需要任何附加的处理步骤而提供必要的桥是可能的。
三个轴的优点进一步在图9a至9c中示出。如果手指触摸存在(由第一圆圈F表示)，则全都在手指触摸的位置交叉的三个电极40、42、44应当报告自电容的变化。如图9a中所示，如果两个手指触摸存在(由第一圆圈F和第二圆圈FF表示)，则不可能有错误识别或重影。
如图9b中所示，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)，则错误识别或重影是可能的，如由虚线圆圈G表示的，但是仅针对某些手指触摸配置(图9b)。但是，应当考虑到，当触摸触摸接口的表面时，手指通常是跨表面运动或移动。因此，错误识别或重影G往往会出现和消失，就像对于图9c，其中一个手指(FFF)的少量运动导致消失的重影。幸运的是，利用本文中描述的至少两种方法，用于识别和丢弃重影手指触摸的软件解决方案应当能够处理这种情况。
第一种方法基于互电容。在第一种方法中，电极的一个轴(例如，在图8a至8b以及图9a至9c中的x轴)将被视为发送Tx电极(触觉设备)。沿每条Tx线的是由电极对的相交定义的一连串“候选”位置，每个电极分别来自其它轴。(实际上一些电极在Tx线的一侧并且一些在另一侧，但这是我们为了论述将忽略的细节水平)。因此，给定Tx线电极，存在与每个位置关联的两条Rx线。这些信号可被求和，以产生用于每个位置的信号强度，然后完全的图可以通过插值产生。手指触摸的错误识别或重影出于两个原因将具有减小的量值：手指电阻和不完美的对准(大部分时间)。一个简单的时间滤波器–合计几个样本的强度–将在手指跨接口设备的表面移动的任何时候进一步减小重影的量值。
第二种方法基于自电容。所有电极的自电容测量将指示它们当中哪个报告了手指触摸(由第一圆圈F、第二圆圈FF、第三圆圈FFF和第四圆圈FFFF表示)，产生类似于图10a中所示实线的数据。这些线将利用插值被找到，以确保对自电容测量的最大精度，并且区分与不同手指关联的线。随后将计算这些线的交点位置，如图10b中所示的圆点，并且聚类分析(例如，经由界定框)将被用来确定可能的手指触摸，如图10c中所示，其中重影依然存在但是具有降低的量值。实际的手指触摸将基于三交点聚类的紧密性与重影分离。就像在前面的方法中，时间滤波将进一步帮助识别并丢弃错误识别或重影。
在另一个实施例中，可以认识到的是，三交点电极不需要是对称的或有特殊的交叉结构，并且可以以类似于图15中所示的图案利用当前过程来实现。例如，图15示出三个线电极50、52和54。电极50具有跨电极52的桥50a和跨电极54的桥50b，而电极54具有跨电极52的桥54a。桥可以是另一种图案，同时仍然实现三交点。而且，虽然图15示出了一个三交点，但可以理解，所示出的图案或替代的图案，可以被复制以在表面上生成多个三交点。
还应当指出的是，三交点可以与任何其它三种方法组合，以进一步改善区分。而且，可以认识到的是，使用附加的相交轴集合甚至可以进一步扩展到四交点、五交点，等等。
利用镜像电极的多点触觉
多点触觉要求每个手指触摸位置位于一对电极上方。而且，用于每个手指触摸的电极对应当与用于其它手指的电极对电隔离，以确保触觉效果可以被单独地指派。图3b示出了对于两个手指的这个例子，但如所讨论的，当两个手指在同一个活动电极上时，电隔离是不可能的。
电极的三交点图案(为了区分感测在以上使用的)也提供对触觉这个困难的一种解决方案。对于三交点，在每个手指触摸之下存在三组电极，并且这三组中任意两组可被选择作为用于产生静电场的活动电极对。如图11中所示，手指触摸(由第一圆圈F和第二圆圈FF表示)保持可以被独立地寻址，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，并且关键是要确保公共电极不是被驱动而是留在高阻抗，与源或地隔离。这仍然在每个手指下留下两个电极，并且这些可以被独立地寻址。
虽然活动电极可一次全部寻址，但最好是如下顺序地寻址它们：电极c和d隔离而a和b连接到相反极性的电压源。电荷以由Cf和电极的电阻支配的时间常数在指尖触摸下方积聚。使用前面讨论的值，这个时间常数可以是1至10微秒。在电荷在一个手指触摸下面积聚之后，能够预期它们将在那里停留一段时间，通过皮肤的电阻缓慢地泄漏。各种实验估计表明，泄漏时间常数大于100微秒，但确切的数字依赖于皮肤的状况。因此，在电极a和b被充电之后，它们可以被隔离同时c和d被充电。利用这种技术，应当有可能循环通过大约10个手指触摸位置，向每个位置施加电荷，而没有过度泄漏。
对于感测，存在其中触觉效果的独立控制可能不可行的配置。图12示出了这种情况。在这里，除了第一手指触摸(由第一圆圈f1表示)，还有与手指触摸f1共享电极的两个附加手指触摸(由第二圆圈f2和第三圆圈f3表示)。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，则力也将被施加到手指触摸f3。如果电极A代之以与电极C配对，则力将被施加到手指触摸f2。虽然完全独立的控制对于这种布置是不可能的，但三交点仍然提供一些好处。例如，如果电极A和B被配对，则手指触摸f2不受影响并且手指触摸f3只经历由手指触摸f1经历的力的一半，因为在其下方只有一个而不是两个活动电极(应当指出其中手指触摸f2和f3经历比手指触摸f1小的力的情况的重点，因为较大的力相对容易实现，因为手指触摸f2和f3各自可以由两个独立的电极进行寻址)。
对图12中所示的情况的其它方法是：使用电极A和作为第二电极、平行于A的另一个电极；或者，使用四交点或更多交点的几何形状。
此外，应当理解，通常仅在手指移动时经历静电触觉效果，所以像图12中的情况将无法持久。最后，应当理解，依赖于激励的类型，人们辨别一个手指上的触觉感觉与另一个手指上的触觉感觉的能力是有限的。因此，不总是有必要实现完全的独立控制。
利用镜像电极的同时感测和致动
在本文教导的方法中，前表面或顶表面电极(触觉设备)既参与感测又参与致动(触觉)。当然期望在施加触觉效果的同时感测手指的位置。而且，期望触觉不影响感测的质量。这两个目标都是通过适当的时间排序来实现的。
当触觉不使用时，前表面或顶表面电极通常不被驱动(换句话说，图7b中所示的开关是打开的)。当是这种情况时，利用本领域中已知的多种技术中任意一种测量或者底表面电极的自电容或者任何电极对的互电容是直接的。例如，自电容能够利用张弛振荡器技术和测量振荡器频率来进行测量，该频率通常为1MHz的量级。
如果产生触觉效果变得必要，则图7b中的开关将被闭合足够长的时间，以充电手指电容Cf。如前面所讨论的，这将通常需要1至10μs。在这个间隔期间，在镜像底表面的线电极上的感测将被暂停，并且代替地，那些线将被接地。在这个间隔结束时，感测将开始。感测可以持续至多另外90μs，同时仍保持10kHz的触觉开关循环，这对于静电是典型的。当然，不是所有电极都可以被并行地进行查询。代替地，感测将被复用。可以在保持100Hz的合理多触摸感测率的同时完成多达100个连续的感测查询。
作为替代，顶表面电极的充电可以通过将一定量的电荷或电流注入到它们之上来完成，而不是通过间歇地将它们连接到如刚才前面所述的电压源来完成。区别是阻抗之一；替代方法维持顶表面电极的高阻抗状态(由于触觉致动)在所有时间都为高，其结果是源自下表面电极中的(用于感测的)信号仍然可以具有其效果，而不受致动分散注意。
从前面的描述，应当认识到的是，当触摸接口使用镜像电极时，可以从本公开内容确定几个附加方面。
例如，在另一方面，触摸接口还可以包括在连接到基板的前表面的每个相应表面触觉设备和与其对准并连接到基板的后表面的每个相应感测设备之间的强电容性耦合。
在另一方面，触摸接口可以具有与一个或多个感测设备的图案相同的一个或多个表面触觉设备的图案。
在另一方面，触摸接口可以使用透明或者进一步包括电极和保护层的表面触觉设备，其中保护层可以是透明的和/或可以由介电材料制成。
在还有另一方面，触摸接口可以使用平坦或弯曲的基板，并且基板可以是透明的，诸如以玻璃或塑料的形式或者是玻璃或塑料板。
在另一方面，触摸接口可以具有提供摩擦变化和/或在一个以上触摸位置可独立控制的触觉效果的触觉设备。
在另一方面，触摸接口可以包括在一个以上的触摸位置提供位置测量的设备。
在还有另一方面，触摸接口可以包括被发送到一个或多个表面触觉设备中的至少一个的电信号以产生触觉效果，并且电信号可以被发送到一个或多个感测设备中的至少一个，以测量触摸位置。
在另一方面，触摸接口可以包括当一个或多个表面触觉设备损坏时保持工作的感测设备。
在另一方面，触摸接口可以包括以基本相似和对准的图案布置的一个或多个表面触觉设备和一个或多个感测设备，其中每个图案给出具有给出交点位置的两行或更多行不同电极的阵列。
在还有另一方面，触摸接口可以包括以基本相似和对准的图案布置的一个或多个表面触觉设备和一个或多个感测设备，其中每个图案给出具有给出三交点位置的三行不同电极的阵列。在第一进一步的相关方面中，当触摸接口与多手指感测一起使用时，三交点可以提供触摸位置相对于实际手指触摸位置的重影图像的区分。在第二进一步的相关方面中，当触摸接口与多用户感测一起使用时，三交点可以提供第一个体的至少一个手指触摸位置相对于第二个体的至少一个手指触摸位置的区分。
利用仅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被一个或多个划痕损害，也可以完成感测。如果划痕不可能发生，则可能期望只使用一组电极–在触摸表面上的电极–来完成感测和致动。利用这里教导的技术，仍然有可能这样做。特别地，区分真正触摸位置与重影位置的问题仍然可以通过这里教导的方法来解决，并且同时感测和致动仍然可以通过触觉和感测信号的合适定时来实现。
从前面的描述，应当认识到的是，当触摸接口使用连接到基板的前表面上的、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，可以从本公开内容确定几个附加方面。
例如，在另一方面，触摸接口可以包括前表面上提供静电力的电极，并且进一步，静电力可以具有可被调制的量值。
在另一方面，触摸接口可以包括连接到基板的前表面的、给出具有给出交点位置的两行或更多行不同电极的阵列的一个或多个电极，并且进一步，阵列可以具有给出三交点图案的三行不同电极，这又可以给出触摸位置，该触摸位置与三交点图案中三个不同电极接合的手指关联。
在另一方面，触摸接口可以包括连接到基板的前面的电极能够提供多点触觉。
利用仅前表面电极的同时感测和致动
镜像电极的技术是重要的，因为它确保，即使前表面被一个或多个划痕损害，也可以完成感测。如果划痕不可能发生或者是自愈的或容易修复的，则可能期望只使用一组电极–在触摸表面上的电极–来完成感测和致动。利用本文教导的技术，仍然有可能这样做。特别地，区分真正触摸位置与错误识别或重影位置的问题仍然可以通过本文教导的方法来解决，并且同时感测和致动仍然可以通过触觉和感测信号的合适定时来实现。前表面同时感测和致动的技术在本文进一步描述。
由前表面感测和同时致动给出的挑战
前表面感测的关键优点是只需要单个平面的电极，从而降低了制造成本。而且，如已经强调过的，从前表面电极到手指比从后表面电极到手指存在强得多的电容性耦合。因此，与常规的后表面方法相比当用手指触摸时，前表面电极提供非常大的自电容信号，并且因此，提供非常高的信噪比(SNR)。这个信号可以由本领域已知的多种方法中任意一种来检测，诸如通过测量将电极升高到特定电压所需的电流或电荷(电流的积分)。高SNR意味着可靠的信号可以在单个测量或少数测量中获得，而不是像对后表面感测的情况中常见的那样的大量测量一起平均。这样做的一个结果是，测量触摸接口或屏幕的基板的顶表面上的所有电极所需的时间可以比对利用后表面感测的典型触摸接口少得多(例如，在优选的实施例中，200mm乘以300mm的区域可以在大约1毫秒的时间内被扫描)。快速感测在对触摸输入响应非常迅速的低等待时间系统的设计中是非常有用的。而且，低等待时间对于快速更新显示、更新音频或更新触觉输出可以是非常有用的。
此外，应当指出的是，通常期望测量手指的位置达到比触摸接口的电极节距大得多的分辨率。例如，触摸接口设备的基板常常可以利用每厘米两个电极的节距来制造，从而得到5毫米的固有分辨率。但是，可能期望以更精细的分辨率测量手指位置，诸如0.5毫米，或甚至更小。这是通过测量与在手指附近的整个电极集合关联的信号强度、然后组合这些测量以得到高分辨率估计来完成的。一种典型的组合方案是计算那些测量的质心。好的质心测量受益于高SNR。
但是，前表面感测引入了必须要克服的某些新的挑战。如已经讨论过的，一个挑战是在多触摸情形下区分错误识别或重影与实际的手指触摸。第二个挑战是确保感测扫描不产生触感或听觉假象。第三个挑战是确保有足够的时间被分配给感测扫描和触觉输出的生成。
多触摸感测
上面讨论的所有方法(组织电阻率、附近的互电容、非触摸电极、计算，以及三交点)仍然适用。在这里，我们教导利用前表面电极的大的手指到电极电容的附加技术。我们尤其着重于在标准菱形电极阵列(例如，图3b)中造成的区分两个触摸与两个重影的问题。如果这个问题得以解决，则容易扩展到更大数量的触摸。
考虑图3b中示出的情况，其中两个x轴线电极和两个y轴线电极经由自电容测量报告触摸。第一个问题是是否实际上只存在两个触摸，或者是否有可能存在三个或四个，因为存在四个可能的触摸位置。由于前表面电极的大的自电容信号，有可能基于那些信号的量值回答这个问题。如果多于一个手指在给定的电极触摸触摸接口的表面，则其自电容将增加，并且这可以被检测到。这个方法可以被用来测试重影的存在，但不能被用来区分任何重影与实际的手指触摸位置。
区分测量依赖于存在分离两个触摸的虽然小但有限的通体(through-body)阻抗的事实。设计出对这个阻抗敏感的测量策略。在一个实施例中，遵循以下过程：1)所参与的两个y轴线电极被设置成已知的电压(+Vo)并且然后浮动(即，通过高阻抗开关与电压源隔离)；2)所参与的x轴线电极中的一个被设置成+Vo，而另一个被设置成-Vo；以及3)每个浮动的y轴线电极上的电荷被测量。具有较高电荷的y轴线电极与被设置成+Vo的x轴线电极关联，而具有较低电荷的y轴线电极与被设置成-Vo的x轴线电极关联，从而区分实际手指触摸与错误识别或重影。
在优选实施例中，区分依赖于分离触摸的相同通体阻抗，但进一步分解测量。或者每个交点可以被测量，或者沿一行或列的至少两个交点被测量并可被用来执行区分。过程如下：1)两列电极中的第一列被设置成已知的电压(+Vo)，然后浮动(即，通过高阻抗开关与电压源隔离)；2)所参与的行电极中第一个被设置成已知的电压-Vo；3)列电极电荷现在被测量；4)两列电极中第二列被设置成已知的电压(+Vo)，并且然后浮动(即，通过高阻抗开关与电压源隔离)；5)所参与的行电极中的第一个被设置成已知的电压-Vo；6)列电极电荷现在被测量；7)对期望的第二行重复1-6(提供结果的完整确认)；8)利用用普通自电容测量测出的数据规格化用于比较的数据；以及9)比较两列之间的电荷差，以确定哪个交叉具有手指(具有较低电荷的手指)。
这些方法由于有限通体阻抗而工作，该有限通体阻抗确保x轴线电极在手指触摸实际发生的y轴线电极上感应出更大的电荷。
接下来描述当两个手指与基板接触时区分重影与真实手指触摸的另一种途径。回想一下，用两个手指触摸表面，两个x轴线电极的电容和两个y轴线电极的电容增加，并且哪个x轴线电极应当与每个y轴线电极配对并不明显。但是，首先考虑两个x轴线电极，手指在更接近电极通过其连接到电路系统的边缘的距离处触摸一个x轴线电极，并且另一个手指触摸远离那个边缘的另一个x轴线电极。这个距离差也以被触摸的两个y轴线电极之间的距离示出。手指沿x轴线电极的不同距离的结果是从电路(经由边缘连接器)到其x轴线电极上的更远菱形电极存在更多的串联电阻。在菱形电极图案(图3)的情况下，附加的串联电阻分支(stem)主要形成菱形之间的高电阻“桥”。因此，当电极被设置为充电时，RC充电电路被建立，其中C主要反映手指触摸电极，而R主要反映桥的数量。RC时间常数能够被用来确定它沿那个电极较远还是较近的显见的手指，其是真实的手指触摸。
在优选实施例中，这种电极简单地以不被带至其满充电状态(全电压)的方式被充电。这种持续时间可能是1微秒。然后，在比如说5微秒的暂停后，施加另一充电间隔。在第二间隔内移动的电流或电荷揭示第一短暂间隔不充分的程度。更多串联电阻R反映离电子器件和连接器更远的真实手指触摸。
不可检测的感测
期望的是手指位置传感器能够测量手指位置而不产生可检测的假象，诸如可听的噪声或触感感觉。同时，为了最小化感测和致动电子器件的复杂性，期望的是对感测使用与对致动相同的电压电平。这建立了固有的冲突，因为致动应当是可触感检测的而感测不应当。
对这个冲突的一种解决办法是使致动和感测都基于非常短暂的脉冲。在优选实施例中，用于给定电极(例如，图3a中y轴线电极，从上到下延伸)的电压脉冲将具有图13a中所示的形式，该图示出了在单个电极上的单个电压脉冲。在时间t＝t1之前，电极将是浮动的。在t＝t1，电压将被设置为+Vo。在优选实施例中，Vo＝70伏，但是可以使用更低或更高的电压。在t＝(t1+t2)/2，或者t1和t2之间的某个其它时间，电压将被设置为-Vo。并且在t＝t2，电压将被允许再次浮动。在优选实施例中，时间段(t2-t1)将是50微秒，但是可以使用更短或更长的时段。关键点是，由于其短的持续时间，单个脉冲难以让用户检测到。尽管如此，脉冲对于感测是足够的。感测是通过测量流到电极的电流或电荷的绝对值完成的(因为脉冲既有正又有负片段)。为了以每秒100次测量手指位置(比大多数商业触摸屏更频繁)，有必要每10毫秒(10000微秒)一次在给定的电极上重复这个脉冲。因此，在每个10000微秒时段中，脉冲将仅活动50微秒，或者时间的百分之二。这种非常小的占空比确保任何触觉假象都非常小。然而，人类对在100Hz至300Hz范围内的振动非常敏感。对于特定的系统，如果感测扫描是用户能够检测的，则解决方案是增加扫描速率至500Hz或更大。虽然占空比稍大，但是人类不会容易地感觉到这种高频率。另一种解决方案是简单地使脉冲更短。
除了使用简短脉冲和低占空比，扫描的次序可以被调整，以改善感测的感觉。如果短脉冲在空间上也是不同的，则手指不会受被顺序脉动的相邻电极影响(手指可以累积地感觉)，而是脉冲变得进一步分开，并且不那么可被检测到。
因为很显然越短的测量脉冲导致越不显眼的触觉效果，并且正和负电压脉冲都具有相同的触觉效果，所以减小脉冲的触觉效果的另一种途径是当不期望触觉效果时将电压驱动至0V。正如我们前面所描述的，浮动电极一段时间将最终导致返回到0V，但是通过主动将其驱动到零，测量脉冲的影响可以被进一步减小。驱动至零的这种能力还开辟了对触觉脉冲的脉宽调制(PWM)控制的可能性。脉冲可以在长度和数量上被进一步调制，以创建不同级别的触觉效果。
为了生成强触觉效果，一种方法是使用多个脉冲。例如，为了生成强100Hz效果，可以重复100个50微秒脉冲(这将需要花费5000微秒)随后是5000微秒无脉冲的序列。这将被认为比100Hz感测扫描强100倍。但是，触觉效果也可以以其它途径加强。例如，再次参照图3a，并且假设手指位于y轴线电极(从上到下)和x轴线电极(从左到右)的交点附近，相等且相反的脉冲可被施加到y轴和x轴线电极，如我们在其它地方讨论的。这允许电场线直接通过手指或指尖的触摸而不通过身体的任何其它部分闭合。然而，增加触觉效果的强度的另一种途径是同时向完全或部分地在用户的手指下面的多个电极施加电压。例如，根据图13b中上部的示图，电压可被施加到图3a中的y轴线电极以及其近邻中的一个，而根据图13b中下部的示图，电压可被施加到x轴线电极以及其近邻中的一个。因此，图13b示出在第一y轴线电极上的单个电压脉冲(上图)以及在第二x轴线电极上的单个但反转的电压脉冲(下图)。甚至更大数量的电极可以被吸纳并用来进一步增加触觉效果的强度。
对不可检测的感测的不同方法是对感测使用比对触觉更低的电压。例如，在优选实施例中，Vo＝5V用于感测，而Vo＝70V用于致动。较低的电压可与上面提到的技术组合，以确保感测完全不可检测。这种方法需要附加的电子器件，以便在两个不同电压之间切换。
组合感测和致动
如果仅一组传感器电子器件服务于所有电极，则感测必需的电子元件的数量可以显著减少。采取这种方法的结果是感测和致动必须仔细协调。为了说明协调挑战，考虑如上所述的致动场景，其中触觉输出正由两个x轴线电极和两个y轴线电极生成。此外，考虑基于测量和积分递送到给定电极的电流的自电容感测的方法(即，测量将电极升高到电压Vo所需的电荷；这个电荷量对手指的存在高度敏感)。因为这种场景中的致动需要同时向四个电极发送电流，并且感测要求积分发送到每个个体电极(而不只是参与致动的那些电极)的电流，所以难以同时执行致动和感测，尤其是如果只有一个电流传感器服务于所有电极的话。在这里，我们描述协调感测和致动的几种途径。
调度器
大多数触觉致动信号不要求图13a中所示种类的脉冲被不断重复。例如，当电压在触觉输出的典型片段期间施加到单个电极时，典型的致动信号在图14中示出。存在期间没有致动脉冲被递送的大量时段。因此，一种策略是在没有致动的这些时段期间递送感测脉冲。为了让这个策略工作，必须有足够多无致动的时段。例如，如果触摸接口或基板给出总共50行电极(例如，25个x轴线电极和25个y轴线电极)，并且需要50微秒来感测每一个线电极，则将需要2.5毫秒来扫描整个基板。如果进一步期望以100Hz更新感测数据，则感测扫描必须每10毫秒重复一次。这意味着每10毫秒的间隔中高达7.5毫秒可用于致动。因此，可以产生具有小于75％占空比的任何致动信号。控制器将首先根据需要调度触觉输出以产生期望的效果，然后在无致动的任何时段期间调度感测脉冲。
应当指出的是，在图14中所示的实施例中，电极电压可被设置为+Vo或-Vo，或可以浮动(由虚线指示)。因为脉冲非常短，所以感知到的触觉输出与脉冲的密度相关。当脉冲频繁(密集)时，感官强度增加。调度器可以在电极电压浮动的时段期间插入感测脉冲(在其它电极或同一电极上)。
而且，除了脉冲数量调制，通过添加将电极驱动至0V的能力，也有可能执行脉宽调制(PWM)，其中每个脉冲存在但处于可变的长度，这可被用来改变触觉效果。这导致好得多的效果并提供更广泛的可能效果。这在优选实施例中用来改变触觉效果的强度。
差分测量
测量与任何脉冲关联的电流是有可能，不管那个脉冲是用于感测还是致动。其结果是，有可能通过在任何其它电极用于致动的同时致动那个电极并且测量累积的充电电流来对每个电极进行测量。然后，由于致动电极造成的那部分测量可以从总数中减去，只留下由于被感测电极造成的部分。
在第一实施例中，致动将总是涉及成对的脉冲(例如，任何脉冲序列的最小元素，而不是在图13a中所示的脉冲，这将是两个这样的脉冲的串联)。应当注意，虽然这些脉冲通常将会被施加到至少一个x轴线电极和一个y轴线电极，如已经指出的，但是附加的x轴和y轴线电极也可被致动。在两个脉冲中的第一个，将没有附加的电极被致动，而是将进行“基准”电流测量。在第二个脉冲中，一个附加的电极将被致动并且将再次测量电流。这两个测量之差将用作那个附加电极的感测信号。在对用于触觉输出的电极之一需要测量的情况下，那个电极将不会在第二脉冲中被致动。再次，该差值将用作感测信号。利用这种方法，假设个体脉冲是50微秒长，包含50个线电极的触摸接口可以在5毫秒内被扫描，这对于200Hz更新感测到的手指位置将是足够的。
但是，有可能达到甚至更高的扫描率。这可以通过组合上面给出的差分测量方法与较短的感测脉冲来实现。虽然50微秒是用于触觉致动的合适的脉冲持续时间，但是感测通常可以更快地完成。对感测速度的物理限制是与充电每个线电极关联的RC时间常数。这个时间常数在手指存在的情况下通常在1至10微秒的范围内(在没有手指存在的情况下甚至更短)。因此，多个感测扫描可以在每个单独的触觉致动脉冲期间完成。
在我们称之为“致动-浮动-感测”(AFS)的优选实施例中，同时感测和致动过程如下：1)通过将参与的电极连接到+Vo电压源(那些电极开始充电)开始触觉致动脉冲(在t＝0微秒标注的时间)；2)在大约8微秒之后，电极将被完全充电并且流到它们的电流会相当小，在这个时间点，那些电极可以可选地从+Vo电压源断开，并让其电压浮动；3)在t＝8微秒，要被感测的第一电极连接到+Vo电压源，附加电流将流动以便将该电极充电，并且这个电流被测量并被积分8微秒；4)在t＝16微秒，要被感测的第二电极连接到+Vo电压源，附加电流将流动，以便将该电极充电，并且这个电流被测量并积分8微秒；5)在t＝25微秒，充电的电极从+Vo电压源断开，并且参与触觉致动的那些电极连接到-Vo电压源，在大约8微秒之后，这些电极将被完全充电，并且在这个时间点，那些电极可以可选地从-Vo电压源断开，并让其电压浮动；6)在t＝33微秒，要被感测的第一电极连接到-Vo电压源，附加电流将流动，以便将该电极充电，并且这个电流被测量并对8微秒进行积分；7)在t＝41微秒，要被感测的第二电极连接到-Vo电压源，附加电流将流动，以便将该电极充电，并且这个电流被测量并积分8微秒；以及8)在t＝50微秒，周期完成，并且另一个触觉致动周期开始。在下一个周期，第三和第四电极被感测。
这个优选实施例允许每个电极在正和负电压都被感测，从而最小化由于电荷已经存在于人体造成的任何偏差的效果，并且它允许两个电极在每个触觉致动周期期间被感测。因此，包含50个电极的面板可在1.25毫秒内或以800Hz被进行扫描。如果前两个电极仅在致动脉冲的+Vo部分被测量，而第三和第四电极在致动脉冲的-Vo部分被测量，则这个速率可被再次加倍。
在被感测的电极之一也是参与触觉致动的电极之一的情况下，上述步骤被稍微修改。在触觉致动电极达到+Vo并且它们的电压浮动之后，要被感测的电极(在t＝8微秒或t＝16微秒)连接到-Vo源并且电流被测量。一旦触觉致动电极已经达到-Vo，就采用类似的策略。这将在整体触觉输出中产生很小的变化或不产生变化，因为用户感觉到的摩擦变化依赖于电压的平方；而且，感测到的和没有感测到的脉冲之间的定时差太快，以至于不会被感知。
AFS也可以按任何次序和在另一实施例中执行，感测在致动之前首先被执行，以提供更好的测量并降低实现的复杂性。但是，这通常意味着，由于其它限制，在一个半周期内的多个感测通程是不可能的。
对AFS的进一步改进是能够将电极驱动至0V。通过能够驱动至0V，具有PWM的AFS常常变成致动、零、感测(AZS)。由于测量不花费来自周期的时间的事实，结合PWM与AFS/AZS导致难以创建的一组PWM长度。在测量时间内，可能无法切换任何输出。有可能通过改变测量相对于致动何时发生的时间来产生完整的一组PWM长度。这涉及允许测量或者在致动对长PWM周期发生时发生，或者在致动不在短PWM周期发生时发生。在优选实施例中，除了当完整的100％PWM脉冲发生时之外，测量在致动不发生时发生。
总之，结合AZS的PWM允许更好的触觉效果并且因此实现依赖于这种权衡。执行AZS还意味着感测可以从0V参考来进行，并且这对于从测量中减小触觉影响也是有用的。
如果0V输出不可用，则有可能执行“尽力而为”的尝试来通过在主致动脉冲或测量脉冲完成并且电极浮动之后在短时间段驱动相反的电极将电极放电至0V。这允许PWM和不可检测的感测的许多好处，但不能从0V参考提供测量。它具有不需要电路中复杂实现来具有到每个电极0V输出的优点。它还具有用于脉冲的定时和调度的控制复杂性的缺点。
自适应感测
为了进一步提高感测率，同时也降低功耗，可以使用自适应感测方案。在自适应感测方案中，使用更少和更不频繁的脉冲直到手指被定位。例如，只有每个第二x轴线电极和每个第二y轴线电极可以被扫描，因为手指将每个轴覆盖多于一个电极。而且，这些测量可以以降低的速率(诸如50Hz)进行。但是，一旦手指被定位，在手指位置附近的所有电极就可以以高速率进行扫描。这将使能高速低延迟的手指位置的测量。在下面，我们更加详细地描述这个方法。
有三种与带致动的感测相关的机制或方法，其中的两种已经在上面详细处理过了。第一种机制适用于正被触摸但不参与触觉致动的电极。这种情况需要不可检测的感测，如已经讨论过的。第二种机制适用于正被触摸并参与触觉致动的电极。这也已经讨论过了。第三种机制适用于当前没有被触摸的电极。如果手指确实开始触摸这些电极中的一个，有必要快速地找出。实际上，通过询问未触及的电极(测量其电容)，我们甚至能够在实际触摸发生之前确定手指向触摸电极靠近。当电极没有被触摸时，为了感测其电容而施加在电极上的任何电压可以对触觉感知、对可听噪声的发射都没有影响。因此，存在快速且功率有效地测试所有未触摸的电极的方式，以检测触摸的开始。周期性地，例如每10毫秒一次或每1毫秒一次，被认为未触摸的所有电极可以被一起脉动。未触摸的电极具有非常低的电容，同时，由于前表面测量的好处，增加触摸哪怕一个电极的指尖的哪怕一部分，也将显著改变整组电极的电容。因此，在单次测量中，新手指到达任何先前未触摸电极都能够被检测到。
为了快速确定哪个电极或哪些电极已被新触摸，可以执行x轴线电极和然后y轴线电极的二进制搜索。例如，如果存在先前未触摸的32个x轴线电极，则仅在5次测试中就可以分离新触摸的一个x轴线电极。在我们的优选实施例中，每个线电极(x轴或y轴)作为要被新触摸的候选而被独立测试。由于询问序列的简洁，并且因为手指在它刚最近到达与触摸表面接触或甚至在这种接触或触摸建立之前就被检测，因此在询问期间发生的充电和放电将对手指没有可感知的触觉效果。
为了在不中断对正被触觉致动的那些其它电极的触觉致动的规律性的情况下快速进行这种完全询问，仅需要借用或利用在触觉致动电极的致动循环期间的几微秒。这可以利用上述AFS方法完成。
从上面的公开内容，显然的是根据本公开内容构建的触摸接口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。依赖于所选的具体设计和配置，设备可以表现出上面提及的一个或多个潜在优势。
应当认识到的是，根据本公开内容具有多点触觉的表面触觉设备的触摸接口可以以各种配置提供。任何种类合适材料的构造、配置、部件的形状和尺寸以及连接部件的方法可被用来满足最终用户的特定需求和要求。对本领域技术人员将显而易见的是，在不背离所要求保护的主题的范围或精神的情况下，可以对这种设备的设计和构造进行各种修改，并且权利要求书不限于本文所说明的优选实施例。
应当理解，以上描述意在是说明性的，而不是限制性的。例如，上述例子或实施例(和/或其各方面)可以单独或彼此组合使用。此外，在不背离其范围的情况下，可以作出许多修改以便使特定的情况或材料适应发明性主题的教导。虽然本文所述的材料的维度和类型意在定义发明性主题的参数，但它们绝非限制性的，并且意在作为例子。在阅读上面的描述之后，许多其它实施例将对本领域普通技术人员显而易见。因此，本文所述主题的一个或多个实施例的范围应当参照所附的权利要求，连同这些权利要求所赋予的等同物的完整范围来确定。在所附的权利要求中，诸如“包括”和“具有”的术语被用作相应各术语“包括”和“其中”的通俗英语等同物。而且，在下面的权利要求中，诸如“第一”、“第二”和“第三”等术语的使用可以只用作标记，而不意在对它们的对象强加数字需求。另外，下列权利要求的限制没有按装置加功能的格式来撰写并且不意在基于35U.S.C.112第六段来解释，除非这种权利要求限制明确地使用短语“用于…的装置”后面跟着对进一步结构的功能空位(void)的声明。
本书面描述使用例子来公开发明性主题的几个实施例，并且还使得本领域普通技术人员能够实践本文公开的实施例，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何被结合的方法。主题的可专利范围可以由权利要求书定义，并且可以包括本领域普通技术人员可以想到的其它例子。这些其它例子意在权利要求书的范围内，如果它们具有不与权利要求书的字面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质区别的等同结构元件。
如本文中所使用的，以单数叙述且冠以词“一个”、“一”的元件或步骤应当被理解为不排除所述元件或步骤的复数，除非这种排除被明确地陈述。此外，对目前描述的发明性主题的实施例的一个例子的引用不意在被解释为排除也结合所述特征的附加例子或实施例的存在。而且，除非明确地声明为相反，否则权利要求“包括”、“包含”或“具有”具有特定属性的一个元件或多个元件可以包括不具有那个属性的附加的此类元件。

Claims (16)

1.一种具有同时感测和致动的触摸接口，包括：
绝缘基板；
连接到基板的前表面并且以图案布置的一个或多个电极；
被配置为将每个电极连接到一个或多个电压电平的电子控制器；
所述电子控制器被配置为通过向所述电极施加一个或多个电压而产生触觉效果；以及
所述电子控制器被配置为通过向所述电极施加一个或多个电压而测量一个或多个触摸点的位置。
2.如权利要求1所述的触摸接口，其中，电子控制器被配置为向所述电极施加正电压和负电压。
3.如权利要求2所述的触摸接口，其中，电子控制器被配置为施加一个正电压和一个负电压。
4.一种具有同时感测和致动的触摸接口，包括：
绝缘基板；
连接到基板的前表面并且以图案布置的一个或多个电极；
被配置为将每个电极连接到正电压或负电压的电子控制器；
所述电子控制器被配置为通过向所述电极施加正电压和/或负电压而产生触觉效果；以及
所述电子控制器被配置为通过向所述电极施加正电压和/或负电压而测量一个或多个触摸点的位置。
5.如权利要求4所述的触摸接口，其中，电极是透明的。
6.如权利要求4所述的触摸接口，其中，电极包括保护层。
7.如权利要求6所述的触摸接口，其中，保护层是透明的。
8.如权利要求6所述的触摸接口，其中，保护层由介电材料制成。
9.如权利要求4所述的触摸接口，其中，基板是平面的。
10.如权利要求4所述的触摸接口，其中，基板是透明的。
11.如权利要求10所述的触摸接口，其中，基板还包括玻璃或塑料板。
12.如权利要求4所述的触摸接口，其中，由电极提供的触觉效果是摩擦增加。
13.如权利要求4所述的触摸接口，其中，触觉效果在多于一个触摸位置是独立可控制的。
14.如权利要求4所述的触摸接口，其中，设备提供多于一个触摸位置的位置测量。
15.如权利要求4所述的触摸接口，其中，所述一个或多个电极以对准的图案布置，从而给出具有给出交点位置的两行或更多行不同电极的阵列。
16.一种利用触摸接口的基板上的单组电极来同时在基板上产生触觉效果并测量相对于基板的手指位置的方法，其中触觉效果是通过如下操作产生的：选择施加到基板的电极的第一子集、利用电压源将电极的第一子集升高到正电压或负电压或零电压、然后从电压源断开电极的第一子集、然后选择电极的第二子集并且利用电压源将电极的第二子集升高到正电压或负电压，同时监视将电极的第二子集升高到正电压或负电压所需的电流或电荷。
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