CN108255296A - 整体式传感器和触觉致动器 - Google Patents

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Abstract

一种用于感测触摸并传递触觉信号的双功能装置。所述双功能装置包括第一电极和第二电极。所述第一电极提供用于传递静电力的触觉接口并且具有顶表面和底表面。介电绝缘体覆盖所述第一电极的所述顶表面。传感器被定位在所述第一电极的所述底表面与所述第二电极之间。至少响应于对所述介电绝缘体所施加的阈值压力量，所述传感器选择性地提供所述第一电极与所述第二电极之间的导电性。一种感测触摸并使用单个设备传递触觉信号的方法。所述方法包括：在第一电极上层叠的介电绝缘体的触摸表面处接收输入；响应于在所述触摸表面处接收到所述输入，提高被定位在所述第一电极与第二电极之间的传感器的导电性；响应于提高所述传感器的导电性，在所述第一电极与所述第二电极之间传导电流；以及响应于在所述第一电极与所述第二电极之间传导电流而向所述第一电极施加触觉驱动信号，所述触觉驱动信号在所述介电绝缘体中产生静电力。

Description

整体式传感器和触觉致动器
技术说明
本专利涉及传感器和触觉致动器，并且更具体地涉及整体式(unitary)传感器和触觉致动器。
背景技术
触觉效果用来增强个体与电子设备之间的交互。触觉效果使得用户能够体验触摸感觉，所述触摸感觉通常是由设备中所嵌入的致动器生成的。最近的创新已经实现了对生成静电力(ESF)触觉致动器的开发，所述静电力在带电电极与人类的导电组织之间产生电容性耦合。这种电容性耦合刺激皮肤并提供触觉感觉。然而，这些ESF触觉致动器需要高电压信号(例如，100到2000伏特或更高)来生成足够大以被用户感知的静电力。生成并传递这种高电压信号需要高电压放大器、高电压电气部件、以及大量电池资源。这些部件昂贵且笨重，这在制造商试图减小其部件和设备的尺寸时导致了封装问题。
另外，具有触觉致动器的许多设备需要传感器来确定传递触觉效果的条件。单独传感器的要求为包括触觉致动器的设备和系统增加了甚至更多的开支、复杂性、和体积。
现有技术触觉致动器——尤其是使用静电力传递触觉效果的致动器的另一个问题在于：它们通常是刚性的并且并不帮助感测压力。它们也不具有适用于柔性基板或不规则基板的柔性。这些现有技术设备具有有限的应用。
发明内容
本文件的一方面涉及一种用于感测触摸并传递触觉信号的双功能装置。所述双功能装置包括第一电极和第二电极。所述第一电极提供用于传递静电力的触觉接口并且具有顶表面和底表面。介电绝缘体覆盖所述第一电极的所述顶表面。传感器被定位在所述第一电极的所述底表面与所述第二电极之间。所述传感器至少响应于对所述介电绝缘体所施加的阈值压力量而选择性地提供所述第一电极与所述第二电极之间的导电性。
另一方面是一种用于感测触摸并传递触觉信号的双功能装置。所述双功能装置包括第一电极和第二电极。所述第一电极提供用于传递静电力的触觉接口并且具有顶表面和底表面。介电绝缘体覆盖所述第一电极的所述顶表面。传感器被定位在所述第一电极的所述底表面与所述第二电极之间。所述传感器至少响应于对所述介电绝缘体所施加的阈值压力量而选择性地提供所述第一电极与所述第二电极之间的导电性。所述传感器包括量子隧穿复合物。组合的所述第一和第二电极、介电绝缘体、和传感器是柔性的并且具有在约0.1mm至约1mm范围内的组合厚度。
另一方面是一种用于感测触摸并传递触觉信号的双功能装置。所述双功能装置包括第一、第二、和第三电极。所述第一电极提供用于传递静电力的触觉接口并且具有顶表面和底表面。介电绝缘体覆盖所述第一电极的所述顶表面。电绝缘体被定位在所述第一电极的所述底表面与所述第二电极之间。传感器被定位在所述第二电极与所述第三电极之间。所述传感器至少响应于对所述介电绝缘体所施加的阈值压力量而选择性地提供所述第二电极与所述第三电极之间的导电性。
另一方面是一种感测触摸并使用单个设备传递触觉信号的方法。所述方法包括：在第一电极上层叠的介电绝缘体的触摸表面处接收输入；响应于在所述触摸表面处接收到所述输入，提高被定位在所述第一电极与第二电极之间的传感器的导电性；响应于提高所述传感器的导电性，在所述第一电极与所述第二电极之间传导电流；以及响应于在所述第一电极与所述第二电极之间传导电流而向所述第一电极施加触觉驱动信号，所述触觉驱动信号在所述介电绝缘体中产生静电力。
附图说明
图1是整体式触觉设备的俯视等距视图。
图2是图1中所展示的整体式触觉设备的沿着线2-2所取的截面视图。
图3是展示了图1和图2中所示整体式触觉设备的传递静电力的操作的截面视图。
图4A和图4B是展示了图1和图2中所示的整体式触觉设备中的传感器元件的实施例的操作的截面视图。
图5A至图5C是展示了图1和图2中所示的整体式触觉致动器的操作的电路和截面视图。
图6A和图6B是展示了图1和图2中所示的整体式触觉设备的替代性操作的电路和截面视图。
图7是展示了图1和图2中所示的整体式触觉设备的替代性实施例的截面视图。
图8是用图1和图2或图7中所示的多个所述整体式触觉设备形成的用户界面的等距视图。
图9是用于控制图1至图8中所展示的整体式触觉设备的控制电路的功能框图。
具体实施方式
将参照附图而详细描述各个实施例，其中，在多个视图中，相同参考标号表示相同部件或组件。对各个实施例的参考并不限制随附权利要求书的范围。另外，本申请中所提出的任何示例并非旨在是限制性的并且仅提出所附权利要求书的许多可能实施例中的一部分。
在任何适当的时候，以单数形式使用的术语还将包括复数形式，并且反之亦然。在本文中，除非另外声明或者在“一个或多个”的使用明显不适当的情况下，“一个(a)”的使用意指“一个或多个”。“或(or)”的使用意指“和/或(and/or)”，除非另外声明。“包括(comprise)”、“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包括(include)”、“包括(includes)”、“包括(including)”、“具有(has)”、以及“具有(having)”的使用是可互换的并且不旨在是限制性的。术语“比如(such as)”同样不旨在是限制性的。例如，术语“包括(including)”应当意指“包括但不限于”。
概括地说，本专利文献涉及一种用于传递触觉效果的整体式触觉设备。所述整体式触觉设备是双功能的并且作为触摸传感器和触觉致动器两者进行操作。触觉效果可以是向人员传递的任何类型的感触感觉。在一些实施例中，触觉效果对信息(如提示、通知、对用户与触觉启用物品的交互的反馈或确认等信息、或者更复杂消息或其他信息)进行具体化。在替代性实施例中，触觉效果可用于通过模拟物理性质或效果(比如摩擦、流动和掣动)来增强用户与设备的交互。
现在参照图1和图2，整体式触觉设备100的可能实施例包括第一和第二电极102和104。传感器元件106定位在第一与第二电极102和104之间。保护层110定位在第一电极102上方并提供触摸表面112。如在此更详细地讨论的，第一电极102、第二电极104、和传感器元件106合作以感测用户或对象何时对触摸表面112进行触摸、或在一些实施例中何时移动接近触摸表面112。同样如在此更详细地讨论的，第一电极102作为触觉致动器进行操作以使用静电力(ESF)或经皮电刺激(TES)传递触觉效果。然而，除了或甚至替代第一电极102，其他实施例还可以包括用于作为触觉致动器进行操作的结构。
在至少一些实施例中，保护层110是用介电材料形成的电绝缘体。可以用来形成保护层110的介电材料的示例包括：二氧化硅(SiO2)；氮化硅(SiO3N4)；聚对二甲苯；或者可以包括有机或无机材料的复合涂层。可以使用任何适当的技术(包括沉积和溅射)将介电材料涂覆至第一电极102。传感器元件106是检测对触摸表面112的触摸或在一些实施例中与所述触摸表面的紧密接近度的传感器。检测触摸的传感器元件106的示例包括：量子隧穿复合物、压敏电阻单元、光敏电阻器、以及在暴露至或失去外部力或刺激(如压力或光)时改变电气特性(如导电性、电阻、电感、或电容)的其他材料。
在至少一些实施例中，第一电极102覆盖传感器元件106的整个表面。在替代性实施例中，可以将彼此电隔离的多个第一电极102按照某种图案(如平行带、圆、三角形、方形阵列、其他形状的阵列、以及其他几何图案和形状)施加至传感器元件106的表面。
另外，在一些实施例中，保护层110和第一电极102是柔性的，使得它们可以在压力下弯曲并对传感器元件106施加压力。在其他实施例中，整个整体式触觉设备100为柔性的。整个整体式触觉设备100为柔性的优点在于：它可以被施加于并适形于具有非平坦或以其他方式不规则表面的基板。例如，可以将整体式触觉设备施加于通用触摸板、柔性显示器、具有曲面玻璃的显示器、按钮、或甚至手柄的表面。它还使得制造更加容易，因为可以更轻易地将可弯曲或柔性的整体式触觉设备100施加于超出容许度或在其表面上具有其他缺陷的基板。
整体式触觉设备100具有在约0.1mm至约1mm范围内的总体深度，但是其他实施例可以具有小于或大于这个范围的总体深度。这个深度提供了可以应用于具有各种不同目的的各种不同设备的较薄、双功能传感器和触觉致动器。通过诸如整体式触觉设备100的总体结构和用于每个层的材料类型等因素来使能整体式触觉设备100的这个较薄深度。保护层110具有约0.1μ至约1.5μ范围内的厚度。在替代性实施例中，保护层110具有在约0.5μ至约1μ范围内的厚度。保护层110的厚度取决于诸如用来形成层110的材料等因素。如果保护层110是用介电材料形成的，则层110的厚度还取决于层110的期望介电常数；层110越厚，将被施加于电极以生成触觉效果的电压就越高。第一和第二电极102和104具有在约20nm至约0.5μ范围内的厚度。在替代性实施例中，第一和第二电极可以具有在约0.1mm至约1mm范围内的厚度。在又其他实施例中，第一和第二电极具有在约20mm至约1mm范围内的厚度。传感器元件106具有在约0.1mm及以上范围内的厚度。在替代性实施例中，传感器具有在约0.1mm至约1mm范围内的厚度。电极元件的厚度可以取决于各种因素，诸如用来形成电极102和104的材料、用来形成电极102和104的制造工艺、以及电极102和104的期望可靠性和性能特性。传感器元件106的厚度可以取决于各种因素，诸如所使用传感器的类型、施加于整体式触觉设备100的电信号的特性(如电压和电流)、传感器元件106的期望灵敏度、传感器元件106的分辨率、传感器元件106的阈值、以及整体式触觉设备100的其他性能特性。整体式触觉设备100的替代性实施例中的每一个单独层102、104、106和110都可以具有小于或大于上文所提供的范围的厚度。另外，整体式触觉设备100和每一个单独层102、104、106、110的实际深度可以取决于在此所提及的因素并且可以取决于其他因素。深度和厚度还可以取决于整体式触觉设备100的均衡表现、设计标准、制造约束和成本。
在此所公开的整体式触觉设计及其实施例具有有待以不同方式实施的灵活性并且具有不同实施例。例如，可以控制整体式触觉设备以在感测模式与触觉传递模式之间切换操作。可替代地，在此所公开的整体式触觉设备的一些实施例可以同时感测触摸并传递触觉效果。另外，在此所公开的整体式触觉设备可以将替代性致动器具体化为用于使用除了ESF和TES以外的技术来传递触觉效果。可以在如在此所公开的整体式触觉设备中具体化的其他类型的致动器包括：压电单元；智能材料，诸如电活性聚合物、超细纤维复合物、形状记忆聚合物和金属；以及在接收诸如电势、电流、电场、磁场、或温度变化等外部刺激时振动或改变形状的任何其他材料。
如图3中所展示的，在如在此所展示的那样使用ESF来传递触觉效果时，致动器驱动电路132与第二电极电连通。致动器驱动电路具有信号发生器133和放大器135。信号发生器133生成具有交变波形的信号，并且放大器135对信号进行放大从而生成触觉驱动信号以施加于第一电极102并在电极102与用户116手指、或接触所述触摸表面112的其他身体部分之间产生电容134。用户116皮肤相对于第一电极102提供地114。
在这些实施例中，保护层110是用介电材料形成的电绝缘体，并且电势造成保护层110中的电荷分开，其中，具有一种极性(例如，正)的电荷沿着保护层110的接近用户116皮肤的顶表面或触摸表面112移动，并且具有相反极性(例如，负)的电荷沿着保护层110的接近第一电极102的底表面移动。进而，具有与沿着保护层110的触摸表面112的电荷相反极性(例如，负)的电荷在用户116皮肤的与第一电极102相邻并紧靠绝缘体110的部分中累积。相反极性产生将皮肤朝着介电绝缘体110的触摸表面112推动由此在皮肤116中产生触觉感觉的力。
当交变信号(例如，在正与负之间交变的交变信号)被施加于第一电极102时，电极102内的电荷在正与负之间交变。第一电极102中的交变电荷进而使得接近绝缘体110的触摸表面112和底表面的电荷在正与负之间交变，这进而使得在与第一电极102相邻的用户116皮肤中累积的电荷在正与负之间交变。这种交变极性将使得用户116皮肤被交替地朝第一电极102推动并且然后被释放。如果用户116保持其手指或其身体的其他部分稳定紧靠触摸表面112，其皮肤上下移动的感觉被感受为皮肤116内产生静态触觉效果的振动。如果用户116正沿着触摸表面112移动其手指、或其他身体部分，皮肤将仍然振动，但它将产生动态触觉效果，比如摩擦、流动、或移动的感觉。在示例性实施例中，施加于第一电极102的触觉驱动信号的幅值在从约50V与更高的范围内。在用于传递静态ESF的示例性实施例中，触觉驱动信号的幅值在从约50V至约2,000V的范围内。在传递动态ESF的示例性实施例中，触觉驱动信号的幅值在约500V至约2,000V的范围内。另外，触觉驱动信号越强，所产生的ESF将越可能足够强以使得用户即使是在其周围的环境中存在分散注意力的东西的情况下也将感受到触觉效果。对于大多数用户、环境、和硬件配置，具有500V或更高幅值的触觉驱动信号将提供足够强以在大多数情形和环境下感受到的触觉效果。虽然提供了触觉驱动信号的某些范围，其他实施例可以使用比在此所提供的范围更高或更低的信号。
在使用TES传递触觉效果的实施例中，小电流从第一电极102经过保护层110并流入用户116皮肤。在这些实施例中，保护层110是由以下材料形成的：所述材料至少具有有限的电导量以允许非常低水平的电流从中流过。传入用户116皮肤的电荷刺激用户116神经中的神经末梢造成刺痛感，这传递了触觉效果。在示例性实施例中，从第一电极102流动并进入用户116皮肤的电流的水平在从约1mA至约4mA的范围内。在另一示例性实施例中，从第一电极102流动并进入用户116皮肤的电流的水平在从约2.5mA至约4mA的范围内，这提供了足够强的TES以使得用户116即使在其周围环境中存在分散注意力的东西的情况下仍将感受到触觉效果。
图4A和图4B展示了用量子隧穿复合物形成的整体式触觉设备100中的传感器元件106的实施例的操作，所述量子隧穿复合物是基于对其施加的压缩力量的变化而改变其电导(或电阻)的材料。量子隧穿复合物包括如金属等导电粒子117与如人造橡胶粘结剂等非导电材料的组合。导电粒子117遍及所述复合物而分布。当量子隧穿复合物未经压缩时，导电粒子相对离得很远，因此它们对电流具有相对较低的电导和较高电阻。然而，当对量子隧穿复合物的压缩增强时，迫使导电粒子更加紧密地在一起，并且量子隧穿复合物的导电性增强从而使能电流流动。量子隧穿复合物起到了可变电阻器的作用，其中，复合物的电阻根据对其所施加的压力而变化。压力越大，材料的电导越大并且材料的电阻越低。
量子隧穿复合物可以是基于聚合物的油墨或胶体并且可以是不透明或透明的。可以将量子隧穿复合物印刷至第二电极104上，但是可以使用替代性制造技术将量子隧穿复合物涂覆于第二电极104上。在这些实施例中，至少保护层110和第一电极102是柔性的并且可以弯曲。
如图4A中所展示的，当未对触摸表面112施加压力时，第一电极102和传感器元件106不弯曲、压缩、或以其他方式变形。在这种状态下，量子隧穿复合物中的导电粒子117相对离得较远并且为从一个粒子117到另一粒子的电子流提供了低电导、和高电阻。在量子隧穿复合物的本实施例中，仅相对低水平的电流可以流过传感器元件106的深度。然而，在替代性实施例中，量子隧穿复合物作为电绝缘体起作用，因此基本上没有电流可以完全流经量子隧穿复合物，并且防止了电子从第二电极104流动至第一电极102。
如图4B中所展示的，当用户对触摸表面112进行触摸并对其施加力时，保护层110和第一电极102变形并压缩传感器元件106。利用足够的力来压缩传感器元件106使得量子隧穿复合物中的导电粒子117移动至相对足够紧密，使得电子可以从导电粒子117移动至导电粒子117。传感器元件106中的量子隧穿复合物的导电性提高，从而允许电子以及因此电流130从第二电极104流动至第一电极102。
图5A至图5C展示了控制电路中的整体式触觉设备100的操作，所述控制电路在感测模式与触觉传递模式之间自动地切换整体式触觉设备的操作。在所展示的实施例中，传感器元件106是用量子隧穿复合物形成的。
在本实施例中，分压器118具有串联连接的第一和第二电阻或阻抗。第一电阻120被电串联在电源Vin与节点124之间。第二电阻由传感器元件106提供并通过第一和第二电极102和104而电串联在节点124与地122之间。节点124电连接至(在此更详细讨论的)控制器162，所述控制器监测节点124处的输出电压Vout。传感器开关126是单刀双掷开关，所述单刀双掷开关具有电连接至第一电极102的公共端子、电连接至致动器驱动电路132的第一开关端子、以及电连接至分压器118的第二开关端子。传感器开关126在致动器驱动电路132与分压器118的输入电压Vin之间切换第一电极102的电连续性。当传感器开关126被切换至第二端子时，第一电极102形成分压器118的一部分并完成所述分压器。
分压器118形成传感器电路。替代性实施例可以使用除分压器以外的电路来确定传感器元件106何时通过改变诸如电阻等特性或一些其他特性对物理刺激做出了响应。致动器驱动电路132与第一电极电连通，并且如在此所讨论的，控制器162控制致动器驱动电路132何时向电极102施加触觉驱动信号。
现在参照图5A，当在感测模式下操作整体式触觉设备100时，传感器开关126被切换用于在第一电极102与输入电压Vin之间提供连续性。当传感器开关126处于这个位置时，第一电极连接至并完成分压器118。传感器元件106未被压缩、或正被轻轻地压缩，使得量子隧穿复合物具有相对较高的电阻，并且只有小电流可以在第一与第二电极102和104(例如，图4A)与地122之间流动。在这种未压缩状态下，控制器162控制致动器驱动电路132，使得它不向第一电极102传递触觉驱动信号，同时分压器将输入电压Vin电连接至第一电极。在这种状态下，节点124处的输出电压Vout略低于输入电压Vin。在量子隧穿复合物在未经压缩时开路的实施例中，Vout将等于Vin。
现在参照图5B，当人按在压触摸表面112上并且传感器元件106足够压缩以开始降低第一与第二电极102和104(如图4B中所示)之间的量子隧穿复合物的电阻时，节点124处的输出电压Vout的值相对于当传感器元件106和量子隧穿复合物如图5A中所展示的处于压缩状态时它所具有的值而言将降低。在这种过渡状态下，控制器162继续控制致动器驱动电路132，使得它不向第一电极102传递触觉驱动信号。
现在参照图5C，当传感器元件106被压缩到足以以充分地降低量子隧穿复合物的电阻因此节点124处的输出电压Vout降至阈值水平以下时，控制器162将切换传感器开关126以将第一电极102从输入电压Vin断开连接并将第一电极102连接至致动器驱动电路132。当传感器开关126处于这个位置时，第一电极102未连接至分压器118并且不形成其一部分。然后整体式触觉设备100被从感测模式切换至触觉传递模式。控制器162然后控制致动器驱动电路132生成触觉驱动信号并将其应用于第一电极102。由于在一些实施例中触觉驱动信号可以具有非常高的电压，控制传感器开关126将第一电极102从分压器118端口断开连接还使控制器162与致动器驱动电路132的输出端隔离开，使得触觉驱动信号不会损坏控制器162中的部件。以这种方式操作传感器开关126还防止了分压器118的输入电压Vin提供与触觉驱动信号的电压偏移。这种偏移可能会不利地影响控制器162正试图产生的触觉效果，比如流体流动的一定摩擦水平的感觉。
在至少一些示例性实施例中，控制器162将致使致动器驱动电路132停止传递触觉驱动信号并且然后在一确定时间段之后切换传感器开关126，从而使整体式触觉设备100从触觉传递模式返回感测模式。在发生除了一段时间的失效之外的事件时，其他实施例可以将整体式触觉设备100的操作从触觉传递模式切换至感测模式。
在替代性实施例中，传感器开关126可以是机械开关、半导体器件、或任何其他合适的切换机构。在其他替代性实施例中，用两个单刀单掷开关替代传感器开关126，其中一个开关串联连接在致动器驱动电路132与第一电极102之间并且另一开关串联连接在输出电压Vout与第一电极102之间。其他实施例可以具有替代的开关类型和安排从而为第一电极102提供连续性。另外，代替传感器开关126或任何其他开关，控制器162可以包含电路系统和编程，用于通过以下方式来控制第一电极102的连续性：通过启用和禁用来自致动器驱动电路132的输出以及输入电压Vin；通过屏蔽控制器162免于可能通过分压器118接收的来自致动器驱动电路132的高电压；以及通过对控制器162进行编程以处理和隔离聚合电压信号内的电压。
替代性实施例使用压敏电阻单元作为传感器元件106来取代量子隧穿复合物。压敏电阻单元是具有晶格结构的金属或半导体材料，在所述晶格结构中，晶体在受力时改变形状和方向。这些实施例以与参照图5A至图5C所描述的基本上相同的方式作用，并且压敏电阻单元在它弯曲或压缩并且晶格结构受力时改变电阻。然而，分压器118的响应与当感测元件106是量子隧穿复合物时的相反。压敏电阻单元的电阻在如图5A中所展示的不受力时较低并且因此节点124处的输出电压Vout相对于输入电压Vin初始非常低。当传感器元件106如图5B中所展示的被置于应力下时，响应于用户116触摸整体式触觉设备100的触摸表面112，压敏电阻单元的电阻增大并且节点124处的输出电压Vout增大。控制器162读取Vout的新值，并且判定它是否已经升至阈值水平以上从而致使控制器162将整体式触觉设备100的操作从传感器模式切换至如图5C中所示的触觉传递模式。在使用压敏电阻单元作为传感器元件106的实施例中，当对触摸表面112施加力时，至少保护层110和第一电极102弯曲。所述力然后致使压敏电阻单元弯曲或压缩。虽然在至少一些实施例中，整个整体式触觉设备100(包括保护层110、第一电极102、传感器元件106、和第二电极104)是柔性的或可压缩的。
其他替代性实施例使用光敏电阻器作为传感器元件106。光敏电阻器是在暴露至光时具有低电阻的半导体，但电阻是可变的且在到达光敏电阻器的光量下降时增大。相应地，分压器118中的节点124处的输出电压Vout基本上与使用压敏电阻单元作为传感器元件106的实施例以同样的方式作出响应。然而，在这些实施例中，当用户116手指接近整体式触觉设备100的触摸表面112并阻止光到达传感器元件106时，光敏电阻器的电阻、以及因此节点124处的输出电压升高。当输出电压Vout上升至指示用户116已经触摸到了触摸表面112的阈值水平以上时，控制器162将使整体式触觉设备100的操作从感测模式切换至触觉传递模式。替代性实施例可能将输出电压Vout的阈值设定在指示用户116手指接近触摸表面116但不一定触摸到了触摸表面112的水平。光敏电阻器通常是由诸如硅、锗、或镓的化合物等半导体材料形成的。可以使用如汽相沉积或溅射等传统制造技术来将半导体材料涂覆于第二电极104。替代性实施例可以使用其他材料来形成光敏电阻器。
在使用光敏电阻器作为传感器元件106的实施例中，控制器162可以被编程用于接收来自附加传感器的光，所述附加传感器测量整体式触觉设备进行操作的环境中的环境光。在这些实施例中，控制器162则可以根据环境光的测量水平来调整输出电压Vout的阈值，从而使得如果环境光较低则输出电压的阈值将较低并且如果环境光较亮则输出电压将较高。可替代地，控制器162可以连续地监测和计算输出电压Vout的值的滑动平均，所述滑动平均将对应于整体式触觉设备100进行操作的环境中的环境光的量。输出电压的较高平均值将对应于较亮的环境光并且输出电压的较低平均值将对应于较低水平的环境光。控制器162则可以使用输出电压的这个滑动平均来调整输出值的阈值，在这个阈值上，控制器162将整体式触觉设备100的操作从感测模式切换至触觉传递模式。另外，因为使用光敏电阻器的实施例依赖于感测光并且对弯曲或压缩传感器元件106不响应，第一电极102和感测元件106可以是刚性的且不可压缩的。虽然在替代性实施例中，整体式触觉设备100可以是柔性的或可压缩的，或整体式触觉设备内的单独层可以是柔性的或可压缩的。另外，在这些实施例中，至少保护层110和第一电极102具有足够的透明度以让环境光传到传感器元件106。这些实施例的优点在于：当用户116手指或另一指向物接近但未触摸到触摸表面112时，系统可以被编程为传递触觉效果。
图6A和图6B展示了被配置用于使用ESF或TES来同时感测触摸和传递触觉效果的整体式触觉设备100的实施例。在本实施例中，致动器驱动电路132与第二电极104电连通。如所展示的，本实施例使用传感器元件106，所述传感器元件具有以下材料：这种材料具有当其被压缩时增大的电导和降低的电阻，比如如在此所公开的量子隧穿复合物或类似材料。当传感器元件106到达一定的压缩水平时，它实现了导致施加于第二电极104的信号的最低衰减的足够高导电性。
在操作中，参照图6A，当用户未触摸整体式触觉设备100的触摸表面112或对其施加力时，传感器元件106未被刺激，并且提供了高电阻，所以只有小电流流自第二电极104和第一电极102。经过传感器元件106流动至第一电极102的触觉驱动信号的幅值如此低以至于用户不能感觉到任何刺激并且触觉效果不能被传递至用户116。在替代性实施例中，传感器元件106中的量子隧穿复合物提供开路并将第一电极102与第二电极104和致动器驱动电路132电气地隔离。
然而，如图6B中所展示的，当用户116对触摸表面112施加压力时，传感器元件106被压缩并且导电性增强并且从第二电极104流动至第一电极102的触觉驱动信号的幅值增大。当量子隧穿复合物的导电性达到足够高的水平时，到达第一电极102的致动器驱动信号的幅值变得足够高以在第一电极102与用户116皮肤之间生成足以生成ESF并传递触觉效果的电势，或足够高以传导经过第一电极102和保护层110的电流，所述电流足以传递TES并传递触觉效果。图6A和图6B中所展示的实施例的优点是它继续监测对整体式触觉设备100所施加的压力。在至少一些实施例中，当压力改变时，被从第二电极104传导至第一电极102的触觉驱动信号的幅值改变，这可以改变触觉效果的强度。
同时感测触摸并传递触觉效果的整体式触觉设备100的替代性实施例是可能的。例如，整体式触觉设备100可以使用除量子隧穿复合物之外的任何适当传感器元件，所述任何适当传感器元件以最小衰减从第二电极104向第一电极102传递触觉驱动信号，使得所述信号分别具有充足的幅值或电流来传递ESF或TES。另外，替代性实施例可以使用除单个电极(例如，第一电极102)以外的触觉致动器来传递ESF或TES。替代性致动器的示例包括：压电单元，诸如电活性聚合物、超细纤维复合物、形状记忆聚合物和金属等智能材料，以及在接受诸如电势、电流、电场、磁场、或温度变化等外部刺激时振动或改变形状的任何其他材料。
图7展示了整体式触觉设备的替代性实施例。在本替代性实施例中，整体式触觉设备136包括第一电极138、第二电极140、和第三电极142。保护层144基本上类似于保护层110并覆盖第一电极138。保护层144具有触摸表面148。电绝缘体146定位在第一和第二电极138和140之间并将其隔离开。传感器元件150定位在第二电极140与第三电极142之间。如在此所讨论的，针对使用ESF传递触觉效果的整体式触觉设备136，保护层144是用介电材料形成的绝缘体。传感器元件150与在此所讨论的传感器元件106基本上类似并检测对触摸表面148的触摸或在一些实施例中接近度。检测触摸的传感器元件150的示例包括量子隧穿复合物、压敏电阻单元、光敏电阻器、以及在暴露或失去外部刺激或力(如压力或光)时改变电气特性(如导电性、或电容)的其他材料。光敏电阻器还能够检测接近度。如果传感器元件150是光敏电阻器，至少保护层144、第一和第二电极138和140、和电绝缘体146是基本上透明的，因此环境光可以到达传感器元件150并刺激光敏电阻器从而使其具有最小电阻。整体式触觉设备136可以具有与整体式触觉设备100类似的柔性和透明性特性。
在被实施时，图7中所展示的整体式触觉设备136与图5A至图5C中所展示的实施例类似地进行操作。分压器152是由与节点156串联的第一电阻或阻抗154形成的。第二电阻或阻抗由传感器元件150提供，所述传感器元件通过第三电极142和第二电极140电气串联在电阻器154与地158之间。输出电压Vout在节点156处被输出。分压器152形成传感器电路。另外，第一电极138电连接至致动器驱动电路132。当来自分压器的输出电压Vout改变并移动经过阈值时，控制器162将确定应该将触觉效果传递至用户116，并控制致动器驱动电路将触觉信号传递至第一电极138。
本实施例的优点在于：它同时监测用户116与整体式触觉设备136的交互并传递触觉效果。控制器162可以被编程用于继续监测输出电压Vout。当用户116对整体式触觉设备136施加的力变化时，节点156处的输出电压Vout也变化。控制器162可以被编程用于感测输出电压Vout并且然后相对于在继续监测输出电压的同时感测到输出电压的变化而实时地修正触觉驱动信号的一个或多个电气特性，虽然由于传感器的性能、处理器的处理速度、以及其他因素的等待时间而导致感测输出电压的变化与改变触觉驱动信号的特性之间至少存在一些延迟。本实施例的另一优点在于：使整体式触觉设备136与控制器162进行接口连接的电子装置不需要切换并且较不复杂、不容易故障、需要较少的电力、并具有较小的封装要求。另外，对控制器162进行编程更加简单，至少是因为控制器162不需要在感测模式与触觉模式之间切换整体式触觉设备136并且不需要启用和禁用感测和触觉传递电路。
图8展示了使用多个整体式触觉设备100或136的分割用户界面160的实施例。可以随机地或以任何图案安排整体式触觉设备100或136。所展示的实施例是整体式触觉设备100或136的3×3阵列，但是替代性实施例可以使用更多或更少的整体式触觉设备100或136。其他实施例可以将整体式触觉设备100或136安排成不同的图案，比如圆、椭圆、矩形、正方形、三角形、或任何其他形状或几何安排。另外，实施例可以包括单独的两组整体式触觉设备100或136，其中每一组被定位在用户界面的单独位置中。所述用户界面可以是显示器、触摸板、或用户与其交互的任何其他表面。在这些实施例中，分割用户界面160中的整体式触觉设备100或136中的每一个可以由单独和个体感测电路和触觉传递电路控制。相应地，每个整体式触觉设备100或136可以被单独地控制，并且可以被控制传递不同的触觉效果并对不同的压力作出响应。例如，一个整体式触觉设备100或136可以被控制在感测到第一个压力时传递触觉效果并且不同的整体式触觉设备100或136可以被控制在感测到第二个不同压力时传递触觉效果。
现在参照图9，用于整体式触觉设备100或136的控制器162包括总线168、处理器170、输入/输出(I/O)控制器172和存储器174。总线168将控制器162的各个部件(包括I/O控制器172和存储器174)耦合至处理器170。总线168通常包括控制总线、地址总线和数据总线。然而，总线168可以是适用于在控制器162中的部件之间传递数据的任何总线或总线组合。控制器162还可以与切换电路166接口连接以用于控制传感器开关126。
处理器170可以包括被配置用于处理信息的任何电路并且可以包括任何合适的模拟或数字电路。处理器170还可以包括执行指令的可编程电路。可编程电路的示例包括微处理器、微控制器、专用集成电路(ASIC)、可编程门阵列(PGA)、现场可编程门阵列(FPGA)、或适用于执行指令的任何其他处理器或硬件。在各实施例中，处理器170可以包括单个单元、或两个或更多单元的组合，其中，所述单元在物理上位于单个控制器中或单独的设备中。
I/O控制器172包括监测控制器162和外围设备或外部设备的操作的电路系统。如在此所公开的，来自节点124或156的输出电压Vout被输入至I/O控制器172，所述I/O控制器则将此值传送至处理器170以进行处理。I/O控制器172还管理控制器162与外围设备或外部设备(未示出)之间的数据流。所述外部设备可以驻留在同一设备中，控制器162和整体式触觉设备100或136被并入所述同一设备中或可以在所述系统外部。I/O控制器172可以与其接口连接的其他外围设备或外部设备的示例包括传感器、外部存储设备、监视器、输入设备(比如键盘、鼠标或按钮)、外部计算设备、移动设备、发射器/接收器、以及天线。
存储器174可以包括易失性存储器，比如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪速存储器、磁存储器、光学存储器、或者任何其他合适的存储器技术。存储器308还可以包括易失性存储器和非易失性存储器的组合。
存储器174被配置成用于存储多个程序模块以供处理器170执行，包括传感器监测模块176、触觉效果确定模块178、和触觉效果控制模块180。每个程序模块是数据、例程、对象、调用以及执行一个或多个特定任务的其他指令的集合。虽然在此公开了某些程序模块，但是在各个实施例中，针对每个模块描述的各个指令和任务可以由以下各项来执行：单个程序模块、不同的模块组合、除在此公开的那些模块之外的模块、或者由与控制器162通信的远程设备执行的模块。
在示例实施例中，传感器监测模块176监测在节点124或156处输出的输出电压Vout并判定应该何时向用户116传递触觉效果。传感器监测模块176可以用来判定是否传递触觉效果的示例技术包括比较器或指向物。传感器监测模块176将监测节点124或156处的输出电压Vout并将其与所确定的值进行比较，并且在输出电压小于所确定的值或阈值(如果传感器元件是量子隧穿复合物)或大于所确定的值或阈值(如果传感器元件是压敏电阻器或光敏电阻器)时判定需要传递触觉效果。在另一实施例中，传感器监测模块176使用替代性计算来处理输出电压Vout，从而判定是否传递触觉效果。在又一实施例中，传感器监测模块176对输出电压Vout参照查找表，从而判定是否传递触觉效果。
在示例实施例中，触觉效果确定模块178确定通过整体式触觉设备100或136传递哪种触觉效果。确定模块178可以用来确定传递哪种触觉效果的示例技术包括被编程用于决定选择触觉效果的规则。例如，控制器162可以与GPS接收器或其他位置追踪设备接口连接并基于用户的位置以及他们是否移动过来确定应该传递的不同触觉效果。在另一示例中，控制器162可以基于电子设备正执行的应用、在执行应用时发生的具体事件、或从外部传感器或第三方设备接收的数据来判定应该传递的触觉效果。
在替代性实施例中，查找表针对输出电压Vout的值引用不同触觉效果。触觉效果确定模块178然后对输出电压Vout参照查找表来确定要传递哪种触觉效果。针对如图7中所展示的利用整体式触觉设备136的实施例以及同时监测接触并传递触觉效果的实施方式，触觉效果确定模块178可以继续将输出电压Vout与查找表进行对比并在对整体式触觉设备136施加的压力或触摸变化时修正被传递至用户116的触觉效果。
在触觉效果确定模块178确定向整体式触觉设备100或136传递哪种触觉信号时，它将这个决定传送给触觉效果控制模块180。针对利用整体式触觉设备100的实施例，触觉效果控制模块180则向切换电路166传送命令，以控制传感器开关126打开，由此将整体式触觉设备100从感测模式改变至触觉传递模式。针对利用同时感测触摸并传递触觉效果的整体式触觉设备136的实施例，触觉效果控制模块180可以不生成切换命令。
另外，触觉效果控制模块180获得与所确定的触觉效果相对应的电气参数或特性。触觉效果控制模块180将电气参数传送至I/O控制器172，所述I/O控制器然后生成对触觉效果控制模块180所提供的电气参数具体化的触觉数据的触觉信号。I/O控制器172将所述触觉信号传送至致动器驱动电路132，所述致动器驱动电路生成交变波形并且放大所述波形以生成触觉驱动信号。致动器驱动电路132将触觉驱动信号分别施加于整体式触觉设备100或136中的第一电极102或138。I/O控制器172和致动器驱动电路132可以对触觉信号和触觉驱动信号执行附加处理。
可用来生成触觉信号的信号参数的示例包括：频率、振幅、相位、反转(inversion)、持续时间、波形、启动时间(attack time)、上升时间、淡入淡出时间(fadetime)以及相对于事件的滞后(lag)或提前(lead)时间。另外，虽然致动器驱动电路132被公开为具有信号发生器，替代性实施例可以输出非交变的信号。用于触觉信号和触觉驱动信号的信号和波形的示例包括：直流信号、交流信号、交流电压信号、方波、正弦波、阶跃信号、三角波、锯齿波、和脉冲。
在替代性实施例中，不对有待通过整体式触觉设备100或136传递的触觉效果或用于生成触觉驱动信号的电气参数进行确定。在这种实施例中，控制器162被简单编程、或甚至硬接线以向整体式触觉设备100或136传递所确定的触觉驱动信号。
整体式触觉设备100和136、及其替代性实施例可以用于各种应用。示例包括：计算设备，比如台式计算机、膝上计算机、平板、智能电话和其他蜂窝电话；可穿戴设备，比如智能电话；游戏设备，比如控制台和控制器；车辆；机械；医疗设备，比如手术设备、导管、监视器、消畸变设备、手术模拟器、手术机器人；仪器；小键盘；机器人控制器；以及具有电子装置和用户界面的任何其他物品。另外，整体式触觉设备100和136、及其替代性实施例可以结合以下各项使用：触摸板；触摸显示器，包括电容式触摸显示、以及其他用户界面。另外，当用于显示器和类似界面上时，整体式触觉设备100和136是基本上透明的并形成显示器或其他界面的一层。
上文所述的各个实施例仅通过展示的方式提供并且不应该被理解为限制所附权利要求书。本领域技术人员将轻易地理解在不遵守在此所展示和描述的示例实施例和应用的情况下、并且在不背离所附权利要求书的真实精神和范围的情况下可以做出的各种更改和改变。

Claims (24)

1.一种用于感测触摸并传递触觉信号的双功能装置，所述双功能装置包括：
第一电极和第二电极，所述第一电极提供用于传递静电力的触觉接口，所述第一电极具有顶表面和底表面；
介电绝缘体，所述介电绝缘体覆盖所述第一电极的所述顶表面；以及
传感器，所述传感器被定位在所述第一电极的所述底表面与所述第二电极之间，所述传感器至少响应于对所述介电绝缘体所施加的阈值压力量而选择性地提供所述第一电极与所述第二电极之间的导电性。
2.如权利要求1所述的双功能装置，其中，所述传感器包括量子隧穿复合物。
3.如权利要求1所述的双功能装置，其中，所述传感器包括光敏电阻器。
4.如权利要求1所述的双功能装置，其中，所述传感器包括压敏电阻器。
5.如权利要求1所述的双功能装置，其中，所述第一电极和第二电极、介电绝缘体、和传感器是基本上透明的。
6.如权利要求1所述的双功能装置，其中，所述传感器具有在约1mm或更小的范围内的厚度。
7.如权利要求6所述的双功能装置，其中，所述第一电极和第二电极、介电绝缘体、和传感器具有约1mm或更小的组合厚度。
8.如权利要求1所述的双功能装置，其中：
所述第一电极包括安排成图案的多个电极；并且
所述传感器被定位在所述多个电极与所述第二电极之间。
9.如权利要求1所述的双功能装置，其中，所述介电绝缘体和所述第一电极是柔性的。
10.如权利要求9所述的双功能装置，其中，所述介电绝缘体、所述第一电极和第二电极、以及所述传感器是柔性的。
11.如权利要求1所述的双功能装置，进一步包括：
基板，所述基板包括表面，所述表面的至少一部分是非平坦的；并且
所述第二电极的至少一部分被安装在所述表面的所述非平坦部分上。
12.如权利要求1所述的双功能装置，进一步包括：
电源，所述电源与所述第一电极电连通，所述电源提供约500V与约2,000V之间的电势。
13.如权利要求12所述的双功能装置，进一步包括：
传感器电路，所述传感器电路被配置用于在所述传感器提供所述第一电极与所述第二电极之间的导电性时生成输出电压；以及
可编程电路，所述可编程电路与所述传感器电路和所述电源连通，所述可编程电路被编程用于从所述传感器电路接收所述输出电压并控制所述电源在所述输出电压达到阈值时向所述第一电极提供所述电势。
14.如权利要求13所述的双功能装置，其中，所述传感器电路包括分压器。
15.一种用于感测触摸并传递触觉信号的双功能装置，所述双功能装置包括：
第一电极和第二电极，所述第一电极提供用于传递静电力的触觉接口，所述第一电极具有顶表面和底表面；
介电绝缘体，所述介电绝缘体覆盖所述第一电极的所述顶表面；
传感器，所述传感器被定位在所述第一电极的所述底表面与所述第二电极之间，所述传感器至少响应于对所述介电绝缘体所施加的阈值压力量而选择性地提供所述第一电极与所述第二电极之间的导电性，所述传感器包括量子隧穿复合物；并且
其中，组合的所述第一电极和第二电极、介电绝缘体、和传感器是柔性的并且具有约1mm或更小的组合厚度。
16.一种用于感测触摸并传递触觉信号的双功能装置，所述双功能装置包括：
第一电极、第二电极、和第三电极，所述第一电极提供用于传递静电力的触觉接口，所述第一电极具有顶表面和底表面；
介电绝缘体，所述介电绝缘体覆盖所述第一电极的所述顶表面；
电绝缘体，所述电绝缘体被定位在所述第一电极的所述底表面与所述第二电极之间；以及
传感器，所述传感器被定位在所述第二电极与所述第三电极之间，所述传感器至少响应于对所述介电绝缘体所施加的阈值压力量而选择性地提供所述第二电极与所述第三电极之间的导电性。
17.如权利要求16所述的双功能装置，其中，所述第二电极被接地，所述双功能装置进一步包括：
电源，所述电源与所述第一电极电连通；
传感器电路，所述传感器电路与所述第三电极电连通，所述传感器电路被配置用于在所述传感器提供所述第一电极与所述第二电极之间的导电性时生成输出电压；以及
可编程电路，所述可编程电路与所述电源和所述传感器电路连通，所述可编程电路被编程用于从所述传感器电路接收所述输出电压并控制所述电源在所述输出电压达到阈值时向所述第一电极提供所述电势。
18.如权利要求16所述的双功能装置，其中，所述第一电极、第二电极和第三电极、所述介电绝缘体、所述电绝缘体、以及所述传感器的组合厚度约为1mm或更小。
19.一种感测触摸并使用单个设备传递触觉信号的方法，所述方法包括：
在第一电极上层叠的介电绝缘体的触摸表面处接收输入；
响应于在所述触摸表面处接收到所述输入，提高被定位在所述第一电极与第二电极之间的传感器的导电性；
响应于提高所述传感器的导电性，在所述第一电极与所述第二电极之间传导电流；以及
响应于在所述第一电极与所述第二电极之间传导电流，向所述第一电极施加触觉驱动信号，所述触觉驱动信号在所述介电绝缘体中产生静电力。
20.如权利要求19所述的方法，其中：
在触摸表面处接收输入包括：接收对所述触摸表面所施加的力；并且
提高所述传感器的导电性包括：响应于接收到对所述触摸表面所施加的所述力来压缩量子隧穿复合物。
21.如权利要求19所述的方法，其中：
在触摸表面处接收输入包括：接收对所述触摸表面所施加的力；并且
提高所述传感器的导电性包括：响应于接收到对触摸表面所施加的力来对压敏电阻器进行加压。
22.如权利要求19所述的方法，其中：
在所述触摸表面处接收输入包括：阻止至少一些光穿过所述触摸表面和穿过所述第一电极；并且
提高所述传感器的导电性包括阻止至少一些光到达光敏电阻器。
23.如权利要求19所述的方法，进一步包括：响应于对所述介电绝缘体的所述触摸表面所施加的所述力来使所述介电绝缘体和所述第一电极变形。
24.如权利要求19所述的方法，其中，所述触觉驱动信号具有在约500V与约2,000V之间的范围内的电压。
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