CN107077213B - 用于具有同时感测和致动的触觉显示器的材料和结构 - Google Patents

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Abstract

一种触觉接口设备，所述设备包括：基板；沉积在基板上的第一导电层，所述第一导电层被构图以提供可单独寻址的导电电极的第一轴；沉积在第一导电层上的第一绝缘层，所述绝缘层具有均匀的厚度；沉积在第一绝缘层上的第二导电层，所述第二导电层被构图以提供可单独寻址的导电电极的第二轴；以及沉积在第二导电层上的介电层，所述介电层具有均匀的厚度和硬度并且耐刮擦。

Description

用于具有同时感测和致动的触觉显示器的材料和结构
相关申请的交叉引用
本申请是非临时专利申请，要求于2014年11月3日提交的标题为“”的美国临时专利申请No.62/074362的权益和优先权。
关于联邦资助的研究或开发的声明
本发明是在由国家科学基金会授予的授权号IIP-1330966的政府支持下进行的。政府对发明有一定的权利。
技术领域
本公开内容一般而言涉及触摸接口设备，更具体而言涉及用于提供触摸感测输入和触觉输出的此类设备的触摸表面的构造和构造方法。
背景技术
触摸接口可以在膝上型计算机、游戏设备、汽车仪表板、信息亭、手术室、工厂、自动柜员机以及便携式设备(诸如相机、平板电脑和电话)的主机中找到。触摸接口提供了分立机械控件无法做到的灵活交互可能性。但是今天的触摸接口牺牲了人类体验的重要部分：触觉。“触觉”是指与触摸相关联的感知系统。触觉让我们触摸铅字、在黑暗中找到灯的开关、使用刀叉、享受抚摸狗或者握着我们配偶的手。触觉不仅仅关于移动我们的手，而是关于感觉事物、识别物体(即使没有看到它们)、并控制我们与世界交互的方式。
近来，已经开发了静电致动，作为用于产生局限于指尖的触觉效果的手段。例如，在先前的专利申请(美国专利申请序列No.13/468,818，标题为“Electrostatic Multi-touch Haptic Display”)中，描述了实现多点静电触觉的多种方式。在另一个最近的专利申请(美国专利申请序列No.14/306,842，标题为“Haptic Display with SimultaneousSensing and Actuation”)中，描述了布置电极以启用多重触摸感测和多点静电触觉的多种方式。静电触觉的基础是经由电场调制摩擦力。在指尖和触摸表面之间的接触点建立电场。这是通过将一个或多个电极放在基板的触摸表面上并用介电层将那些电极与指尖绝缘来实现的。
为了建立这种电场，必须通过手指闭合电路。这有两个主要的途径。其他人已经教导了图1A中所示的方法，其中手指-电介质-电极系统的电容是通过身体的某个其它部分处的第二接触闭合的电路的一部分。在这种现有技术中，电路在两个单独的接触位置之间闭合。例如，在来自Senseg专利的图1A中，两个位置都被示为指尖。我们已经在先前的专利申请中教导了图1B中所示的方法，其中两个单独的电极放在单个接触位置下方，并且因此电路通过单个指尖自身闭合，而不涉及身体的其余部分。应当指出的是(并且这对于本发明将是重要的)，介电层优选地相当薄，诸如0.1-50微米。薄的介电层允许在没有极高电压的情况下产生大的电场。
为了应用双电极和单指尖技术，需要在触摸表面上创建合适的电极对阵列。一种做法是使用电极的晶格。图2中示出了说明性的实施例，但是许多其它晶格和非晶格结构是可能的。图2示出了可以用来在触摸表面上提供感测和触觉的“菱形”电极的晶格的图。所显示的是x轴(水平电极)和y轴(垂直电极)二者。电极通常将被绝缘层覆盖，如图1B中绝缘层被示出为在两个电极之上。这种布置还允许触觉效果被局部化。在图2中所示的情况下，将标记为“+”的y电极变为正电压，同时将标记为“-”的x电极变为负电压(相对于设备或地)。触觉效果集中在两个电极的交点处。每个电极可以通过长度、宽度和形状(在这种情况下是重复的菱形)来表征。同样重要的是电极重复的长度尺度，称为节距。晶格结构对于本领域已知的感测具有许多优点，并且我们之前已经示出它们对于触觉也具有优点。例如，它们通过允许效果被定位在电极交点附近来支持多点触觉。
但是，晶格图案也构成某些挑战。在图2中清楚地示出了一个挑战：一个轴上的电极必须跨越每个附加轴上的电极。为了触摸传感器构造，已经开发出了许多用于处理跨接(crossover)的技术。例如，给定两个电极轴，每个轴可以在基板的单侧上沉积和构图。通常，为了透明，基板是聚酯并且电极是氧化铟锡(ITO)。可替代地，两个轴都可以在基板(其可以是例如玻璃)的相同侧上沉积和构图，使得菱形片段在其中一个轴上彼此隔离。然后，可以经由“桥”连接这些片段。桥制造涉及还有两个步骤：首先，绝缘体贴片必须沉积在每个桥的位置；第二，桥本身沉积在绝缘体的顶部并连接到两个片段。在典型的构造中，绝缘体是透明聚合物，并且比导电桥和电极厚得多(1.8微米相对50纳米)。
虽然双侧和桥构造技术都适用于常规的触摸传感器，但是当应用到静电触觉时，两种技术都具有某些缺点。例如，在静电触觉中，两个电极轴理想地在接触点处相当接近用户的皮肤，仅由可能为大约1微米厚的绝缘体分开。但是，双侧技术要求其中一个电极轴至少与皮肤分开基板的厚度，其通常大于100微米。桥技术允许所有电极更靠近，但是由于桥的位置处的绝缘体而导致突起，并且那些突起遭受磨损和击穿。
常规的触摸屏制造也对静电触觉构成其它困难。例如，用于感测的电极一般放在至少一毫米厚的保护性盖玻璃的下方。这种厚度使得在不使用不切实际的高电压的情况下难以建立为触觉足够大的静电场。
发明内容
本公开内容的一个实施例包括一种触觉接口设备，其包括：基板；沉积在基板上的第一导电层，其中所述第一导电层被构图以提供可单独寻址的导电电极的第一轴；沉积在第一导电层上的第一绝缘层，其中所述绝缘层具有均匀的厚度；沉积在第一绝缘层上的第二导电层，其中所述第二导电层被构图以提供可单独寻址的导电电极的第二轴；以及沉积在第二导电层上的介电层，其中所述介电层具有均匀的厚度和硬度并且耐刮擦。
在另一个实施例中，绝缘层沉积在第一导电层的整个表面上，使得绝缘层的表面是平坦的，没有突起。
在另一个实施例中，介电涂层在至少170℃的温度下沉积，并且基板、导电层和绝缘层能够耐受至少170℃的温度而不劣化。
在另一个实施例中，介电层还包括交替的有机和无机材料的层。
在另一个实施例中，绝缘层由二氧化硅(SiO2)制成。
在另一个实施例中，介电层至少为1微米厚。
在另一个实施例中，介电层不超过50微米厚。
在另一个实施例中，基板、导电层、绝缘层和介电层是透明的。
在另一个实施例中，用于触摸感测的信号从每个电极的电容获得，并且其中触觉效果是通过在电极和触摸设备的触摸表面的用户的附属物之间生成电场来产生的。
在另一个实施例中，索引匹配层在第一导电层下面提供。
本公开内容的另一个实施例包括一种形成触觉设备的方法，该方法包括以下步骤：形成基板，在基板上沉积第一导电层，将电极构图到第一导电层中，在第一导电层上沉积绝缘层，在绝缘层上沉积第二导电层，将电极构图到第二导电层中，以及在第二导电层上沉积介电层。
在另一个实施例中，绝缘层沉积在第一导电层的整个表面上，使得绝缘层的表面是平坦的，没有突起。
在另一个实施例中，绝缘层由二氧化硅(SiO2)制成。
在另一实施例中，介电层在至少170℃的温度下沉积，并且基板、导电层和绝缘层能够耐受至少170℃的温度而不劣化。
在另一个实施例中，介电层还包括交替的有机和无机材料的层。
在另一个实施例中，介电层至少为1微米厚。
在另一个实施例中，介电层不超过50微米厚。
在另一个实施例中，基板、导电层、绝缘层和介电层是透明的。
在另一个实施例中，用于触摸感测的信号从每个电极的电容获得，并且其中触觉效果是通过在电极和触摸设备的触摸表面的用户的附属物之间生成电场来产生的。
在另一个实施例中，索引匹配层在第一导电层下面提供。
附图说明
图1A绘出了使用两个电极的现有技术的触摸接口的电路的示意图，并且其中电路通过在两个分开的位置的用户接触来闭合；
图1B绘出了使用放在单个用户接触位置下方的两个电极的触摸接口的电路的示意图，用于通过在单个位置的用户接触来闭合电路；
图2绘出了示出菱形电极的晶格的示意图；
图3绘出了示出触摸接口的功能层的简化横截面的示意图，这些功能层包括允许同时触摸感测和触觉致动的电极层；
图4绘出了示出了在制作触摸接口设备的过程中用来对单个单元(诸如单个触摸面板)施加涂层的方法的步骤的流程图的示意图；
图5绘出了示出在触摸接口中使用绝缘层进行静电吸引的库仑型设备的简化视图以及其中绝缘层在触摸接口中具有半导电特性的Johnsen-Rahbek型设备的简化视图的示意图；
图6绘出了示出保存菱形图案的对称性的晶格的示意图，但是通过使用具有比节距更大宽度的替代电极形状来增加相邻行或列的重叠；
图7绘出了示出在一个轴上组合较精细的节距并且在第二个轴上重叠的晶格的示意图，其中相应轴上的电极具有允许在一个轴上更大重叠的不同形状；
图8绘出了示出具有图7所示形状的替代形状的晶格的示意图，但是实现了在一个轴上提供更大重叠的类似结果；
图9绘出了示出电极图案的简化视图的示意图，其中没有电极跨越另一个电极，并且其中图案包括具有独立的电极集合的两个分离的块；
图10绘出了电极设计的示意图，其中面密度是沿电极长度的位置的函数；以及
图11绘出了示出电极图案的简化视图的示意图，其中电极层被绝缘体分开，并且其中引入更多的交点以创建更大的重叠。
应当理解，附图不是按比例的。虽然触摸接口设备的一些细节没有被包括，但是根据本公开内容，此类细节在本领域技术人员的理解中被充分(well)考虑。还应当理解，本发明不限于所示的示例实施例。
具体实施方式
在本公开内容的教导内，通过在绝缘基板的前(触摸)表面上沉积和构图一系列层来制造提供同时触摸感测和触觉致动的触摸接口。基板可以是刚性材料(诸如玻璃)，或者柔性材料(诸如塑料)。包括导电材料的第一导电层可以充当电极的第一轴(例如，如果有两个轴，则充当x轴)。包括绝缘材料的绝缘层可以充当绝缘体，并且可以被构图成在每个期望的x-y交点(桥)处形成单独的绝缘体贴片，或者作为完整的连续片应用。包括导电材料的第二导电层可以充当电极的第二轴(例如，如果有两个轴，则充当y轴)。可以为附加的电极提供附加的交替的绝缘和导电层。在所有电极层都完成之后，可以提供可选的钝化层，以在附加的处理之前保护最外面的电极层。施加在最后一个电极层或钝化层之上的是保护性硬介电涂层，其保护下面的电极并防止任何电极与触摸屏用户的皮肤的直接接触。本领域中已知的另外的附加层可以在介电涂层之下、其中或之上提供，用于抗反射、抗眩光、抗菌、疏水和疏油特性。
导电迹线可以被用来将电信号从电极传送到靠近基板边缘的位置，在那里可以进行到电子部件的连接。可以添加可选的透明或不透明边界，以覆盖连接到其的迹线和/或电子部件。到迹线的电连接可以在基板的前表面上进行，或者迹线可以代替地被传送到后表面，在那里可以进行电连接。
图3提供了表示用于本发明代表性实施例的功能层的简化横截面图的图，但是纵轴不是按比例的。形成基板302，在基板302上形成第一导电层304。形成第二导电层306，在第一导电层304和第二导电层306之间形成绝缘层308。硬介电层310在第二导电层306上形成，并且防污层312在硬介电层310上形成。在另一个实施例中，第一导电层304和第二导电层306可以是50纳米的氧化铟锡(ITO)。在一个实施例中，第一和第二导电层304和306形成为单独的电极晶格。在另一个实施例中，每个晶格中的电极是菱形的。
图4示出了在制作触摸接口设备的同时将涂层施加到单个单元(例如，单个触摸面板)上的方法的流程图。在步骤402中，形成基板302。在一个实施例中，基板302可以是具有可选的(一个或多个)倾切边缘的1毫米厚的化学强化玻璃片。在步骤404中，经由溅射将第一导电层304沉积在基板302上。在步骤406中，使用光刻和湿蚀刻将电极构图到第一导电层304中。在步骤408中，经由溅射将绝缘层308沉积在第一导电层304上，并经由光刻和干蚀刻构图。在一个实施例中，绝缘层308的厚度为300纳米，并且基本上覆盖第一导电层302的整个表面(而不仅仅是交点)，使得表面保持基本上平坦，而不会有可能遭受磨损的突起。在一个实施例中，绝缘层308可以是二氧化硅(SiO2)。通过使用SiO2而不是常规的桥绝缘聚合物，绝缘层308可以承受更高的处理温度，从而使最终的硬涂层能够在升高的温度下沉积或固化。这对于实现最大可能的硬度是非常重要的。可替代地，绝缘层308可以是氮化硅(Si3N4)或可以承受较高处理温度的多种无机绝缘材料中的任何一种(如二氧化硅)。作为另一个替代方案，绝缘层308本身可以由多层制成，诸如一层二氧化硅和一层氮化硅。
在步骤410中，经由溅射将第二导电层306沉积在绝缘层308上。在步骤412中，使用光刻和湿蚀刻将电极构图到第一导电层304中。在步骤414中，硬介电层310经由溅射在第二导电层306上形成。在一个实施例中，硬介电层310是2微米的氧化铝(Al2O3)，通过溅射在170℃或更高温度下沉积。与这个实施例一致，氧化铝涂层比化学强化玻璃更耐磨和耐刮擦，使得其保护底层电极。在步骤416中，利用光刻和干蚀刻或者使用遮光板(shadow mask)对介电层进行构图。
应当认识到的是，可以使用替代材料和厚度，使得，更一般而言，新颖的触觉触摸屏构造包括由绝缘层分开并由保护性硬电介质覆层或涂层覆盖的多个导电电极层。导电迹线被用来将电极连接到位于设备的一侧或多侧的电子部件，并且可以添加可选的透明或不透明边界，以覆盖迹线。本领域中已知的电极图案(例如，菱形、带、块)以及下文将讨论的新颖图案可以是合适的。绝缘层可以被构图，以形成单独的绝缘，其中来自给定层的电极跨越其它层上的电极，或者可以作为完整的连续片放置或施加，从而将一层与下一层完全分开。当使用整片绝缘时，可以实现比使用桥或产生突出特征的类似结构时所获得的更健壮的平坦表面。有利的是，该设备可以以片的形式制造并在中间步骤或工艺结束时切割成分开的单元，或者从工艺一开始就以单独/单个单元的形式制造。
用于透明导电电极的最广泛使用的材料是氧化铟锡(ITO)；但是可以使用替代材料，诸如AZO、石墨烯、金属纳米线、金属网、PEDOT、碳纳米管等。ITO电极的典型厚度为10nm-80nm，但是根据需要可以更薄或更厚，以调整例如光学和电学特性。
绝缘层可以是有机或无机材料，并且优选地由耐高温(＞150℃)的材料构成，诸如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铌等。要被使用的绝缘材料的厚度将依赖于其击穿电压和期望的光学特性。在SiO2的情况下，10nm-1000nm的厚度范围是合适的。
保护性介电涂层也可以是聚合物或陶瓷材料，并且优选地具有高介电常数。例如，10或更大的介电常数可以是期望的。钛酸钡、钛酸铅锶、铌酸锂、PLZT、PZT、聚酰亚胺、PVDF、聚对二甲苯、氧化铪、氧化硅、氧化钛、氧化铌、氧化钽、氧化铝、陶瓷嵌入聚合物以及DLC是可以用作介电涂层的材料的示例。介电涂层的层厚度和材料选择可以针对功能和光学特性进行优化，并且可以使用一个介电层或包括两层或更多层的多层电介质堆叠。例如，介电涂层本身可以包括交替的有机和无机介电材料的层。堆叠或涂层的典型厚度在0.1um至25um的范围内，但其可以更薄或更厚。
保护性介电层优选地是相当耐用的并且很好地粘附到底层。例如，它应当不容易被磨损或刮擦。优选地，涂层表现出类似于玻璃的耐磨性或更好，并且莫氏(Mohs)硬度大于6。该层还应当抗开裂和分层。新颖做法是使用交替的软和硬材料的层，其中硬材料是外层(触摸表面)。
还可以通过施加下列类型涂层中的一个或多个来增强触摸表面：疏水性、疏油性、防潮性、防结垢、抗磨损、抗刮擦和/或低摩擦系数涂层。
层的厚度和材料的选择可以以优化功能(感测、触觉输出和耐用性)和光学特性的方式来设计。例如，所有层的材料和厚度都可以被选择为以便最小化光反射(AR构造)。在一些情况下，可以在ITO膜下面沉积折射率匹配或抗反射的层，以便获得最佳的光学特性(反射和颜色)，以努力使ITO构图从触摸表面上方不可见。材料和工艺兼容性也可以决定设备结构。例如，为了获得非常耐用的Al2O3涂层，需要进行高温处理，因此不能使用有机绝缘体(因为它们会被温度损坏)，而是可以选择SiO2作为绝缘体。
触觉输出可以被增强，而不需要增加驱动信号，诸如通过具有在关闭状态下对滑动触摸表现出低摩擦系数的表面，这将增加导通和关闭状态之间的摩擦差异。获得低摩擦系数表面可以以许多方式实现，包括例如：a)提供纹理化的基板，诸如蚀刻的基板，并且优选地具有被定制为(tailored for)与高分辨率显示器一起使用(即，当与显示器一起使用时不会导致闪光)的精细蚀刻；b)使用无光泽/防眩光涂层，并且类似于蚀刻的基底，无光泽涂层优选地被定制为与高分辨率显示器一起使用；c)在使用溶胶凝胶制造工艺的情况下，向液体溶液中添加纳米颗粒；或d)使用纳米结构的特征/涂层，在这种情况下，诸如使用自组装的微结构或者在设备的表面上微观制造期望的特征。
可以遵循标准的触摸屏实践对前表面进行电连接，诸如粘附有各向异性导电膜的柔性电缆。但是，对于找平安装(flush mount)应用，将对后表面进行电连接。在这种情况下，使用以下方法之一将信号传送到后表面：a)穿孔或冲孔(在塑料基板的情况下)的通道或孔，因为通道或孔可以用墨/膏或销的形式的导电材料填充，并且通道或孔可以被用来将信号迹线传送到基板的后表面，在那里将附接电缆；b)凹槽，其中类似于通道或孔，可以制作凹槽并用导电材料填充；c)斜切边缘，使得在基板的厚度使其可行的情况下，可以使用斜切边缘，并且信号迹线可以被携带到斜切边缘，在那里，它们被附接到电缆；和/或d)在柔性基板的情况下，可以使设备的维度大于实际的触摸屏面积，然后迹线可以扩展到额外的空间。然后，基板可以在显示器上弯曲，并且电缆连接可以位于显示器的背面或侧面，并且可能不需要连接到触摸屏的表面的背面。
所描述的启用触觉的触摸屏可以在刚性透明基板(诸如玻璃、蓝宝石、PMMA、环烯烃共聚物、聚碳酸酯和环烯烃聚合物)以及不透明基板(诸如陶瓷和塑料)上构造。此外，设备可以使用与在柔性显示器和触摸屏的制造中使用的相同的材料和工艺在柔性基板上构造。例如，ITO不是用于柔性设备的合适的透明电极。相反，可以使用石墨烯、金属纳米线和PEDOT。在不透明应用的情况下，基板、电极、电介质、迹线和绝缘材料的选择比应用需要透明设备的情况下要宽得多。例如，电极可以是与迹线相同的金属材料。
迄今为止的讨论仅包括使用绝缘介电涂层的库仑型静电吸引。但是，可以使用另一种配置来构造使用Johnsen-Rahbek效应的静电触觉设备。除了介电涂层之外，Johnsen-Rahbek静电设备具有与上述讨论的库仑型设备相似的结构。使用体积电阻率在109和1013Ωcm之间的半导电电介质代替绝缘电介质。使用相同的施加电压和相同厚度的电介质，Johnsen-Rahbek设备导致比通过库仑设备所获得的更强的触觉效果。氮化铝、氮化硼和掺杂的氧化铝是可以用作Johnsen-Rahbek型设备中的半导体电介质的材料的示例。
图5提供了示出库仑型设备500的简化视图的图，其中绝缘层502具有非常高的电阻率，并且从电极到手指的所有耦合都是电容性的，还示出了Johnsen-Rahbek型设备504的简化视图的图，其中绝缘层506具有允许自由电荷移动到绝缘体表面的半导电特性，到手指的直接导电受到接触电阻的限制，由此允许使用更厚的绝缘层。在一个实施例中，硬介电层310具有半导电特性，其允许自由电荷朝防污层移动，从而增加在表面处施加到手指的电力。允许相对较厚的保护性涂层结构而不增加所需电压的另一种方式是在涂层中具有交替的导电电极和介电膜的层，其中信号连接到第一(最深)的电极集合。
如上面所提到的，可以与本文教导的构造方法一起使用许多不同的电极图案。虽然可以使用众所周知的图案(诸如菱形)，但是这些图案在组合的触觉和感测的上下文中具有一些缺点。利用本文所教导的方法，电极比通常针对触摸传感器的情况更靠近触摸表面。因此，到手指紧下方的电极的电容性耦合比到手指附近但不在手指紧下方的电极的电容性耦合强得多。照此，为感测手指位置而获得的信号倾向于更加“集中”到手指紧下方的电极，而不像针对典型的投射电容感测的情况那样“模糊”。
如果不相对于针对投射电容的设计修改电极图案，则较少的电极可以提供有用的信号，并且经由内插计算精确的手指位置可能更困难。对这个困难的一个解决方案是简单地具有更多电极(即，更精细的电极节距)，从而获得更多信号。但是，这种做法成比例地需要更多的连接和电子器件，并且因此更昂贵。另一种做法是通过使用高电阻率外壳在触摸表面散布手指信号。外壳可以通过将低密度的良好分散的导电纳米颗粒添加到最外层来制作。示例是添加还将充当抗菌层的银纳米颗粒。
另一种做法是使用非常规电极布局，其中相邻行之间存在更大量的重叠。我们应当注意的是，术语“重叠”有时指的是当从垂直于包含两个轴的平面的方向观察时一个轴上的电极的一部分挡住第二个轴上电极的一部分的情况。对于我们的目的，这是不期望的，因为它造成寄生电容。我们使用术语“重叠”来代替地指诸如嵌套的情况，其中一个电极的一部分配合到来自相邻电极的切口空间中，而不会挡住。此类重叠电极的一个关键特性是各个电极的宽度大于电极集合的节距。实际上，这种布局将造成来自相邻电极的信号的一种形式的模糊。
图6提供了示出其中电极宽度大于节距并且大于针对具有相同节距的菱形图案的电极宽度的这种图案的示例的图。电极600布置成晶格图案，其中每个电极600的一部分占用通常由相邻电极600占用的空间。虽然存在许多生成此类图案的方式，但是一种基本策略是以菱形图案开始并通过在两个轴相遇但不重叠的点处扭曲和/或拉伸线来使其变形。如图6所示，这种策略保留原始菱形图案的对称性，同时增加相邻行或列的重叠。
还有另一种做法是在一个轴上组合更精细的节距，并且在第二个轴上重叠。这种策略不保留对称性，但允许在一个轴上大得多的重叠。这种性质的两种图案在图7和8中示出。例如，在图7中，图示出了以行连接的白色形状700以及以列连接的交叉阴影形状702的晶格。要注意的是，白色形状700的相邻行具有显著的重叠，而交叉阴影形状702的相邻行相比在两个轴上都使用相同形状的其它设计(诸如菱形)更靠近在一起。在这种情况下，白色电极700的宽度几乎是其节距的两倍。图(例如，图8)中所示的布置具有与图7所示不同的形状，但是对于与交叉阴影线形状802重叠的白色形状800利用类似的策略。
第三种做法是将一个轴上的重叠与基于第二个轴上的交替尺寸梯度的策略相结合。这种做法的示例在图9中示出，该图示出了电极图案，其中没有电极跨越另一个电极。这种设计的特征在于高度重叠(沿着水平轴)和变化的相对电极尺寸(沿着垂直轴)，作为提供高手指位置分辨率的策略。这种做法具有辅助优点，因为它不需要电极在彼此上面或下面通过，因此潜在地可以仅使用单片导电材料。它的缺点是它不能容易地支持多重触摸感测，因为每个电极仅产生一个信号。因此，同一条线上的两个手指可能简单地看起来是一个较大的手指或者是难以理解的信号。但是，改进这一点的一种方式是使用重叠和交替电极的“块”，如图9中所示。例如，图案被分成两个“块”，一个在图的上半部分，一个在下半部分。这些块表示完全独立的电极集合。如果沿着相同垂直轴的两个手指位于相同的块上，则不能分开检测它们，而如果它们位于分开的块上，则可以。
在图9中示出简化的电极图案的图中的电极表现出作为沿着电极长度的位置的函数的面密度(areal density)。换句话说，固定尺寸的圆圈1000(或者大致圆形形状，如在指尖接触贴片的情况下)与电极的交点产生作为沿着电极长度的位置的函数的面积，如图10中的电极设计的图中所示。因此，图10示出了电极设计，其中面密度是沿着电极长度的位置的函数。面密度是由电极占用的可用面积的量，其可以通过找到与固定尺寸的圆的交集面积来估计。如图10中所示，重叠的面积朝着电极的右端1002比朝着左端1000更大。
第四种做法利用在每层电极之间使用完整或连续的绝缘体层。利用这种策略，附加交点(即，一个电极在另一个电极之上通过)的唯一成本或缺点是电极之间的某个量的附加电容耦合。因此，不像常规知识(wisdom)建议的那样最小化交点的数量，而是可以添加更多交点，以帮助创建更大的重叠。这种策略在图11中示出电极图案的简化视图的图中示出。因为x和y轴在不同的水平上，每个轴上的相邻电极可以具有附加的重叠(例如，图11中所示的圆形焊盘)，如果利用常规技术制造的话，这将需要多得多的桥。照此，这种策略使得有可能创建比节距大得多的宽度。
应当认识到，可以以各种配置提供根据本公开内容的触摸接口设备和构造触摸接口设备的方法。可以利用用于部件的构造、配置、形状和尺寸的任何各种合适的材料以及连接部件的方法来满足最终用户的特定需求和要求。对本领域技术人员来说显而易见的是，在不背离要求保护的主题的范围或精神的情况下，可以对这种触摸接口设备的设计和构造进行各种修改，并且权利要求不限于本文所示的优选实施例。还应当认识到，示例性实施例以简化的形式示出，以便集中到特定特征并且避免包括对本公开内容不是必需并且将使附图过于复杂的结构。

Claims (20)

1.一种触觉接口设备，所述设备包括：
包括蚀刻表面的基板；
沉积在基板的蚀刻表面上的第一导电层，其中所述第一导电层被构图以提供可单独寻址的导电电极的第一轴；
沉积在第一导电层上的第一绝缘层，其中所述绝缘层具有均匀的厚度；
沉积在第一绝缘层上的第二导电层，其中所述第二导电层被构图以提供可单独寻址的导电电极的第二轴，其中电极的电极宽带大于在第一轴和第二轴的至少一个中的电极节距；以及
沉积在第二导电层上的介电层，其中所述介电层具有均匀的厚度和硬度并且耐刮擦，
其中所述基板的蚀刻表面被配置为增加所述设备的导通和关闭状态之间的摩擦差异。
2.如权利要求1所述的设备，其中第一绝缘层沉积在第一导电层的整个表面上，使得第一绝缘层的表面是平坦的，没有突起。
3.如权利要求1所述的设备，其中介电层在至少170℃的温度下沉积，并且基板、第一和第二导电层和第一绝缘层能够耐受至少170℃的温度而不劣化。
4.如权利要求1所述的设备，其中介电层还包括交替的有机和无机材料的层。
5.如权利要求1所述的设备，其中第一绝缘层由二氧化硅(SiO2)制成。
6.如权利要求1所述的设备，其中介电层至少为1微米厚。
7.如权利要求1所述的设备，其中介电层不超过50微米厚。
8.如权利要求1所述的设备，其中基板、第一和第二导电层、第一绝缘层和介电层是透明的。
9.如权利要求1所述的设备，其中用于触摸感测的信号从每个电极的电容获得，并且其中触觉效果是通过在电极和触摸设备的触摸表面的用户的附属物之间生成电场来产生的。
10.如权利要求1所述的设备，其中索引匹配层在第一导电层下面提供。
11.一种形成触觉设备的方法，所述方法包括以下步骤：
形成包括蚀刻表面的基板；
在基板的蚀刻表面上沉积第一导电层；
将电极构图到第一导电层中；
在第一导电层上沉积绝缘层；
在绝缘层上沉积第二导电层；
将电极构图到第二导电层中，其中电极的电极宽带大于在第一轴和第二轴的至少一个中的电极节距；以及
在第二导电层上沉积介电层，
其中所述基板的蚀刻表面被配置为增加所述设备的导通和关闭状态之间的摩擦差异。
12.如权利要求11所述的方法，其中绝缘层沉积在第一导电层的整个表面上，使得绝缘层的表面是平坦的，没有突起。
13.如权利要求11所述的方法，其中绝缘层由二氧化硅(SiO2)制成。
14.如权利要求11所述的方法，其中介电层在至少170℃的温度下沉积，并且基板、第一和第二导电层和绝缘层能够耐受至少170℃的温度而不劣化。
15.如权利要求11所述的方法，其中介电层还包括交替的有机和无机材料的层。
16.如权利要求11所述的方法，其中介电层至少为1微米厚。
17.如权利要求11所述的方法，其中介电层不超过50微米厚。
18.如权利要求11所述的方法，其中基板、第一和第二导电层、绝缘层和介电层是透明的。
19.如权利要求11所述的方法，其中用于触摸感测的信号从每个电极的电容获得，并且其中触觉效果是通过在电极和触摸设备的触摸表面的用户的附属物之间生成电场来产生的。
20.如权利要求11所述的方法，其中索引匹配层在第一导电层下面提供。
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