CN109460142A - 在集成模块中具有触摸传感器、力传感器和触觉致动器的电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明题为“在集成模块中具有触摸传感器、力传感器和触觉致动器的电子设备”。本发明提供了一种电子设备，所述电子设备包括输入设备。所述输入设备具有位于限定输入表面的盖子下方或内部的输入/输出模块。所述输入/输出模块检测所述输入表面上的触摸和/或力输入，并向所述盖子提供触觉反馈。在一些情况下，触觉设备与所述电子设备的外壳或壳体的壁或结构元件一体形成。
Description
相关申请的交叉引用
本专利申请为2017年9月6日提交的名称为“Electronic Device Having a TouchSensor，Force Sensor，and Haptic Actuator in an Integrated Module”的美国临时专利申请62/555,019的非临时专利申请并且要求该临时专利申请的优先权，该专利申请的公开内容全文以引用方式并入本文。
技术领域
所描述的实施方案整体涉及电子设备中的输入设备。更具体地，本实施方案涉及一种输入/输出模块，其接收触摸和/或力输入并且沿电子设备的输入表面提供局部偏转。
背景技术
电子设备在当今社会中是很常见的，并且通常包括用于控制电子设备或向电子设备提供命令的输入设备。输入设备可包括按钮、旋钮、键或其他类似设备，这些设备可由用户致动以提供输入。随着电子设备变得越来越紧凑，可能难以在不增加电子设备的尺寸或形状因数的情况下集成传统输入设备。此外，许多传统输入设备是不可配置的，这可限制电子设备的适应性。
本文描述的系统和技术涉及具有集成模块的电子设备，该集成模块包括触摸传感器、力传感器和触觉致动器，该触觉致动器可形成电子设备的输入设备或输入表面。
发明内容
本文描述的实施方案涉及一种电子设备，该电子设备包括用于接收触摸和/或力输入的输入/输出模块，并且涉及提供局部触觉反馈。在一些实施方案中，电子设备包括输入表面，并且输入/输出模块接收输入表面上的输入并且向相同的输入表面提供触觉反馈。
在示例性实施方案中，电子设备包括限定输入表面的盖子和位于盖子下方的输入/输出模块。该输入/输出模块包括基板。驱动输入电极耦接到基板，并且感测输入电极耦接到与驱动输入传感器相邻的基板。压电元件耦接到基板并且被配置为响应于致动信号引起盖子的偏转。
电子设备还包括可操作地耦接到驱动输入电极和感测输入电极的处理电路。处理电路被配置为基于驱动输入电极和感测输入电极之间的电容变化来检测输入表面上的触摸。处理电路被进一步配置为基于驱动输入电极或感测输入电极的电阻变化来检测触摸的力的大小。处理电路被进一步配置为响应于所检测到的触摸或所检测到的力的大小中的至少一者而引起致动信号。
在一些情况下，响应于该致动信号，压电元件沿第一方向收缩。沿第一方向的收缩引起盖子沿横向于第一方向的第二方向偏转。驱动输入电极和感测输入电极可由以螺旋图案沉积于基板上的压阻材料形成。触摸可在触摸对象与感测和驱动输入电极之间形成触摸电容，并且该触摸电容可引起驱动输入电极和感测输入电极之间的电容变化。
另一示例性实施方案可包括确定与电子设备的输入表面上的触摸对应的位置和力大小的方法。该方法包括利用驱动信号驱动设置在基板表面上的第一组输入电极，并监测与第一组输入传感器不同并设置在基板表面上的第二组输入电极对驱动信号和触摸的电容响应。
该方法还包括基于电容响应确定与触摸对应的位置，监测第一组输入电极对驱动信号和触摸的电阻响应，并基于该电阻响应确定与触摸对应的力的大小。
在一些情况下，监测第二组输入传感器的电容响应和监测第一组输入传感器的电阻响应在至少部分重叠的时间段期间发生。在其他情况下，监测第二组输入传感器的电容响应在第一时间段期间发生，并且监测第一组输入传感器的电阻响应在第二非重叠时间段期间发生。
在又一示例性实施方案中，输入设备包括限定输入设备外部的输入表面的盖子和耦接到盖子的基板。该基板包括面向盖子的顶表面以及底表面。驱动输入电极耦接到顶表面，并且感测输入电极耦接到与驱动输入电极相邻的顶表面。输入设备还包括压电元件，该压电元件耦接到底表面并且被配置为响应于致动信号引起盖子的偏转。处理电路可操作地耦接到驱动输入电极和感测输入电极，并且被配置为检测输入表面上的触摸的位置和对应于触摸的力的大小。
在一些情况下，导电层沉积在底表面上，并且压电元件耦接到导电层的底部。导电层可包括导电垫阵列，并且压电元件可电耦接到两个导电垫。压电元件可通过各向异性导电膜耦接到导电垫阵列。
附图说明
本公开通过下面结合附图的具体描述将更易于理解，其中类似的附图标记表示类似的元件。
图1描绘了具有输入设备的电子设备，该输入设备具有根据本公开的集成输入/输出模块。
图2A描绘了图1所示电子设备的沿剖面A-A截取的示例性剖视图，示出了触摸的检测。
图2B描绘了图1所示电子设备的沿剖面A-A截取的示例性剖视图，示出了力的检测。
图2C描绘了图1所示电子设备的沿剖面A-A截取的示例性剖视图，示出了触觉输出。
图3A描绘了输入设备的俯视图，示出了示例性触摸和/或力感测输入电极。
图3B描绘了图3A所示输入设备的剖视图，示出了通过自电容检测触摸位置。
图3C描绘了图3A所示输入设备的剖视图，示出了力的大小的检测。
图4A描绘了输入设备的俯视图，示出了一对示例性触摸和/或力感测输入电极。
图4B描绘了图4A所示输入设备的剖视图，示出了通过互电容检测触摸位置。
图4C描绘了图4A所示输入设备的剖视图，示出了力的大小的检测。
图5A描绘了图1所示电子设备的沿剖面A-A截取的示例性剖视图，示出了第一示例性输入/输出模块。
图5B描绘了图1所示电子设备的沿剖面A-A截取的另一个示例性剖视图，示出了第二示例性输入/输出模块。
图5C描绘了图1所示电子设备的沿剖面A-A截取的另一个示例性剖视图，示出了第三示例性输入/输出模块。
图5D描绘了图1所示电子设备的沿剖面A-A截取的另一个示例性剖视图，示出了第四示例性输入/输出模块。
图5E描绘了图1所示电子设备的沿剖面A-A截取的另一个示例性剖视图，示出了第五示例性输入/输出模块。
图5F描绘了图1所示电子设备的沿剖面A-A截取的另一个示例性剖视图，示出了第六示例性输入/输出模块。
图6A描绘了输入/输出模块的示例性剖视图，示出了沉积在基板的顶表面上的输入电极和沉积在基板的底表面上的触觉致动器。
图6B描绘了沉积在基板的顶表面上的输入电极的示例性顶视图。
图6C描绘了沉积在基板的底表面上的用于触觉致动器的导电层的示例性仰视图。
图7A描绘了在基板上彼此相邻设置的一对输入电极的示例性透视图。
图7B描绘了彼此上下设置的一对输入电极的另一示例性透视图。
图8A描绘了具有输入区域的另一电子设备，该输入区域具有根据本公开的集成输入/输出模块。
图8B描绘了图8A所示电子设备的沿剖面B-B截取的示例性剖视图，示出了第一示例性输入/输出模块。
图8C描绘了图8A所示电子设备的沿剖面B-B截取的另一示例性剖视图，示出了第二示例性输入/输出模块。
图9描绘了用于电子设备的壳体，该壳体具有至少部分地设置在壳体的一部分内的输入/输出模块。
图10A描绘了图9所示电子设备的沿剖面C-C截取的示例性局部剖视图。
图10B描绘了沿图10A的剖面D-D截取的沉积在壁的内表面上的输入电极的示例性视图。
图10C描绘了图9所示电子设备的沿剖面C-C截取的另一示例性局部剖视图。
图10D描绘了示出输入电极的示例性图案的示例性局部剖视图。
图11描绘了可结合如本文所述的输入/输出模块的示例性可穿戴电子设备。
图12描绘了可结合如本文所述的输入/输出模块的示例性输入设备。
图13描绘了用于利用单个模块检测触摸的位置和对应于触摸的力的大小的示例性方法。
图14描绘了用于利用单个模块检测触摸的位置和对应于触摸的力的大小的另一示例性方法。
图15描绘了根据本文所述的实施方案的电子设备的示例性部件。
附图中的交叉影线或阴影的用途通常被提供以阐明相邻元件之间的边界并还有利于附图的易读性。因此，存在或不存在无交叉影线或阴影均不表示或指示对特定材料、材料属性、元件比例、元件尺寸、类似图示元件的共同性或在附图中所示的任何元件的任何其他特性、性质、或属性的任何偏好或要求。
此外，应当理解，各个特征部和元件(以及其集合和分组)的比例和尺寸(相对的或绝对的)以及其间呈现的界限、间距和位置关系在附图中被提供，以仅用于促进对本文所述的各个实施方案的理解，并因此可不必要地被呈现或示出以进行缩放并且并非旨在指示对所示的实施方案的任何偏好或要求，以排除结合其所述的实施方案。
具体实施方式
现在将具体地参考在附图中示出的代表性实施方案。应当理解，以下描述并非旨在将实施方案限制于一个优选具体实施。相反，所述实施方案旨在涵盖可被包括在本公开以及由所附权利要求限定的实质和范围内的替代形式、修改形式和等同形式。
以下公开内容涉及一种具有输入/输出模块的电子设备，该输入/输出模块接收触摸和/或力输入并在表面处提供局部偏转。电子设备可包括壳体部件，该壳体部件限定输入表面，用于接收用户输入并向用户输出反馈。示例性壳体部件包括盖子(例如，盖板、触控板盖等)、壳体的壁(例如，侧壁或其他壁)等。示例性输入表面包括触控板、触摸屏、设备壳体的壁的表面、或电子设备的壳体的另一外表面。示例性电子设备包括个人计算机、笔记本或膝上型计算机、平板电脑、智能电话、手表、用于电子设备的壳体、家庭自动化设备，等等。
传感器可放置在壳体部件上方、壳体部件内部或壳体部件下方，以接收各种类型的输入。例如，触摸传感器可检测接近或接触输入表面的对象。通过包括触摸传感器阵列，电子设备可相对于输入表面确定对象的位置，并且在一些情况下，确定多个对象的位置。
作为另一示例，力传感器可检测施加于壳体部件的力。基于力传感器的输出，电子设备可以近似、测量或以其他方式确定施加于盖子的力的大小。利用力传感器阵列，电子设备可确定施加于盖子的多个力的位置和大小。
电子设备还可通过壳体部件向用户提供触觉输出。通过产生机械运动、振动和/或力生成触觉输出。在一些实施方案中，可基于输入命令(例如，一个或多个触摸和/或力输入)、模拟、应用或系统状态来产生触觉输出。当触觉输出施加于壳体部件时，用户可检测或感觉该触觉输出并将该触觉输出感知为局部触觉反馈。电子设备可包括被配置为提供触觉反馈的一个或多个触觉设备。
在一些实施方案中，在电子设备的壳体部件上方、壳体部件内部或壳体部件下方提供集成触摸输入、力输入和触觉反馈模块(“输入/输出模块”)。在一些实施方案中，输入/输出模块的一个或多个部件与壳体部件一体形成。如本文所用，“与...一体形成”可用于指定义或形成整体结构。例如，一个或多个输入电极和/或触觉设备可与壳体部件(诸如电子设备的陶瓷壳体)一体形成。(例如，在壳体的壁上或内部)一体形成具有壳体部件的触觉致动器允许沿壳体的外表面在选定位置处产生局部触觉反馈(例如，壁的局部偏转)。类似地，在壳体部件内一体形成输入电极允许沿壳体的外表面在选定位置处进行局部触摸输入和力输入检测。在一些实施方案中，响应于检测到沿壳体外表面的触摸和/或力输入而产生局部触觉反馈。
在各种实施方案中，输入/输出模块的一个或多个部件和/或电子设备的其他部件可通过共烧或共烧结与壳体部件一体形成。如本文所用，“共烧”可用于指任何方法，通过该方法，一种或多种组分或材料在窑中烧制或以其他方式加热以同时熔化或烧结材料。出于以下讨论的目的，“共烧”可用于指这样的过程，其中未经加工、部分烧结、预烧结状态的两种材料被加热或烧结在一起一段时间。
该输入/输出模块可包括一个或多个输入电极，其响应于触摸和力输入。也就是说，输入电极阵列可用于确定输入表面上的触摸位置以及施加于盖子的力的大小(和位置)。在一些实施方案中，输入电极可以是应变仪，具有一系列平行的导电迹线，例如在基板上方、在盖子的表面上或在盖子内。导电迹线可以各种图案形成，包括螺旋图案。作为应变仪，输入电极可响应于力或应变而表现出电阻的变化。另外，导电材料可响应于手指或其他对象的接近而表现出电容的变化。
因此，输入电极阵列可用作单层中的触摸传感器和力传感器，检测输入表面上的触摸位置和施加于盖子的力的大小。在一些实施方案中，输入电极可沉积在基板(诸如玻璃或聚酰亚胺基板)的顶表面上或以其他方式附接到基板的顶表面。在一些实施方案中，输入电极可沉积在盖子上或盖子内，或以其他方式附接到盖子。
输入/输出模块还可包括沉积在基板或盖子的底表面上方、内部或以其他方式附接到基板或盖子的底表面的一个或多个触觉致动器。触觉致动器可向盖子提供局部触觉反馈。在示例性实施方案中，触觉致动器可以是压电触觉致动器，其具有压电元件，该压电元件响应于压电元件上电压的施加而收缩和/或展开。
当触觉致动器取向为使得伸长和/或收缩轴线平行于盖子的外表面(例如，设置在盖子内或盖子上或附接到基板的底表面)时，致动信号可引起压电元件沿伸长和/或收缩轴线(例如，平行于底表面的第一方向)收缩。因为压电元件相对于盖子和/或基板固定，所以压电元件可沿横向于伸长和/或收缩轴线的第二方向弯曲和偏转，这可引起基板的偏转(例如，垂直偏转)。基板的偏转可传递到盖子。盖子中的偏转可被用户通过手指或与输入表面接触的其他身体部位感知为触觉反馈。
在某些实施方案中，输入/输出模块设置在不透明盖子(例如，包括不透明层，诸如油墨层的盖子)下方，该不透明盖子限定输入表面，诸如膝上型电脑的触控板。输入/输出模块的材料可以是光学不透明材料。在其他实施方案中，输入/输出模块设置在透明盖子下方，该透明盖子限定输入表面，诸如蜂窝电话或平板设备的盖子。在一些示例中，输入/输出模块可放置在盖子和显示器之间，并且输入/输出模块可由光学透明材料形成。在其他示例中，输入/输出模块可放置在显示器下方并且由不透明材料形成。
以下参考图1至图11来论述这些实施方案和其他实施方案。然而，本领域的技术人员将容易地理解，本文相对于这些附图所给出的详细描述仅出于说明性目的，而不应被理解为是限制性的。
图1描绘了具有输入设备的电子设备，该输入设备具有根据本公开的集成输入/输出模块。在一些实施方案中，如图1所示，电子设备100是便携式电子设备，具体为膝上型计算机。其他实施方案可将输入/输出模块结合到另一种类型的便携式电子设备中，诸如移动电子设备(参见图8A至图8C)。在其他示例中，电子设备可包括智能电话、可穿戴计算设备、数字音乐播放器、汽车设备、自助服务终端、独立触摸屏显示器、鼠标、键盘以及被配置为接收触摸和/或力输入以及向用户提供触觉反馈的其他类型的电子设备。
电子设备100可包括容纳键盘104和显示器102的壳体101。电子设备100还可包括输入设备108，诸如触控板。输入设备108可沿键盘104的侧面定位。例如，如图1所示，键盘104可位于输入设备108和壳体101与显示器102之间的连接接口之间。输入设备108可包括限定输入表面的盖子，并且输入/输出模块可结合在盖子下方。输入/输出模块可检测输入表面上的触摸输入和力输入，并且另外可向盖子提供触觉反馈。输入设备108的示例和输入/输出模块的特征在下面参考图2A至图7B、图9和图10进一步描述。
显示器102可用作输入设备和输出设备。例如，显示器102可向用户输出图像、图形、文本等。显示器102还可以用作触摸输入设备，其经由触摸感测电路检测和测量显示器102上的触摸输入的位置。电子设备100还可包括一个或多个力传感器，该一个或多个力传感器检测和/或测量施加于显示器102的力的大小。
电子设备100的键盘104包括键阵列或按钮阵列(例如，可移动输入部件)。每个键可对应于特定输入。键盘104还可包括框架或键网。框架可限定孔，每个键通过该孔突出，使得键阵列中的每一个键至少部分地定位在框架内并且至少部分地定位在框架外。该框架还将一个键与相邻的键和/或电子设备100的壳体分开。
在许多情况下，电子设备100还可包括处理器、存储器、电源和/或电池、网络连接、传感器、输入/输出端口、声学部件、触觉部件、用于执行和/或协调电子设备100的任务的数字电路和/或模拟电路等。为了简化说明，图1中将电子设备100描绘为不具有这些部件中的许多部件，每个部件可以部分地和/或完全地包括在壳体101内。下面参考图11描述这些部件的示例。
虽然本公开整体是关于触控板来描述的，但应当理解，这仅仅是一个示例性实施方案。集成的输入/输出模块可结合在设备的其他区域中以提供不同的功能。例如，输入/输出模块可在电子设备100的键盘区域上方延伸(例如，代替键盘104的全部或一部分)，并且可用于限定虚拟键盘或软键盘。输入/输出模块可允许可适应的键布置，并且可包括可配置的或可适应的字形和标记，以指定虚拟或可配置的键区域阵列的位置。
在另一示例中，输入/输出模块在显示器上方形成输入表面。这可使触摸敏感和力敏感触摸屏提供局部触觉输出。输入/输出模块可以与下面参考图8A至图8C描述的类似方式结合。
在又一示例中，输入/输出模块可形成键区域的一部分，诸如物理键盘上方的功能行。输入/输出模块可定义一组动态可调节输入区域。显示器或其他装置可以(例如，通过可适应的字形和标记)提供视觉表示以指定由输入/输出模块限定的虚拟键或输入区域的位置。
在又一个示例中，输入/输出模块可位于设备壳体的一部分(诸如设备壳体的壁)上方或内部，如下面参考图9至图11所讨论的。
如图2A至图2C所示，输入/输出模块可附接到电子设备的盖子。输入/输出模块检测盖子上的触摸和/或力输入，并且向盖子输出局部触觉反馈。虽然在以下示例中，术语“盖子”可以指用于触控板的盖子，但是应当理解，术语“盖子”也可以指壳体(诸如图1中所示的壳体101)的一部分。
图2A描绘了图1所示电子设备的沿剖面A-A截取的示例性剖视图，示出了触摸位置的检测。如图2A中所示，输入设备208包括限定输入表面的盖子210，并且输入/输出模块205附接或以其他方式联接到盖子210。输入/输出模块205可通过适当的装置附接到盖子210，诸如图5A至图5F、图8B和图8C中所示。
作为对象，诸如手指212接近以及/或者与盖子210接触，输入/输出模块205可检测触摸。在示例性实施方案中，输入/输出模块205可包括输入电极，该输入电极将触摸检测为电容的变化。输入电极可通过自电容(如图3A至图3C所示)或通过互电容(如图4A至图4C所示)操作。输入电极可耦接到处理电路，以确定手指212在盖子210的输入表面上的存在和位置。
另外，如图2B所示，手指212或其他对象可在盖子210上施加力或压力。该力可使盖子210偏转，继而可使输入/输出模块205偏转。当输入/输出模块205被偏转时，输入电极可具有对偏转的非二元响应，该响应对应于并指示施加于盖子210的力的大小。
在示例性实施方案中，输入电极可以是应变仪，其响应于输入/输出模块205的偏转而经历电阻变化。输入电极可耦接到处理电路，以基于电阻响应来估计或以其他方式确定施加于盖子210的力的大小。在其他实施方案中，输入电极可以其他方式响应于应变。例如，输入电极可由压阻、压电或具有响应于应力、应变和/或偏转而改变的电特性的类似材料形成。
如图2C中所示，输入/输出模块205还可以向盖子210提供局部触觉反馈。输入/输出模块205可包括触觉致动器，该触觉致动器耦接到处理电路和/或信号发生器。处理电路和/或信号发生器可通过向触觉致动器施加电信号来致动触觉致动器。
当电信号施加于触觉致动器时，该触觉致动器可引起输入/输出模块205向上偏转。例如，触觉致动器可包括压电元件，该压电元件具有耦接到压电元件的相对侧(例如，可平行于盖子210的顶部和底部)的一对电极。当电信号施加于压电元件时，压电元件可沿平行于电极的第一方向收缩。在压电元件耦接到基板的情况下，该收缩可引起压电元件沿横向于第一方向的第二方向弯曲。压电元件的这种弯曲可引起压电元件所耦接的输入/输出模块205朝向盖子210向上偏转。
当输入/输出模块205向上偏转时，可引起盖子210的一个或多个部分偏转或移动以向用户提供局部触觉反馈。特别地，盖子210在基本上对应于触觉致动器的位置的位置处弯曲或偏转。用户可通过与盖子210接触的手指212感觉到或以其他方式感知盖子210的这种偏转。
触觉致动器可响应于各种刺激而被致动，所述刺激为诸如触摸输入、力输入、由处理电路执行的软件的操作，等等。例如，输入/输出模块205可响应于施加于盖子210的力的大小超过阈值(例如，类似于按钮按压)而在盖子210处引起触觉反馈。在另一示例中，由处理电路执行的软件可使输入/输出模块205响应于在软件的执行期间发生的事件来提供触觉反馈。
应当理解的是，图2A至图2C示出了为清楚起见可省略某些部件的剖视图。例如，如图5A至图5F、图8B和图8C所示，输入/输出模块205可包括多个层和部件。在盖子210和输入/输出模块205之间还可包括一个或多个附加层，诸如粘合剂层。输入设备和/或电子设备还可包括附加部件和结构，诸如图11中所示的部件、支撑结构，等等。
转到图3A至图3C，输入/输出模块的输入电极可包括应变仪，该应变仪用于通过自电容来检测触摸，并且可通过输入电极的电阻应变响应来检测力。图3A是输入设备的俯视图，而图3B和图3C是输入设备的剖视图。
图3A描绘了输入设备的俯视图，示出了示例性触摸和/或力感测输入电极。输入设备308可以是被配置为检测触摸和/或力输入的任何输入设备，诸如图1中所示的触控板。输入设备308包括限定输入表面的盖子310和定位在盖子310下方的输入电极306。手指312或其他对象可接近或接触盖子310的输入表面。
如图3A所示，在一些实施方案中，输入电极306可以是由图案化成螺旋图案(其包括一组平行线)的导电材料形成的应变仪。在其他实施方案中，输入电极306可以是响应于触摸输入和应变输入的任何类型的传感器，其中可以区分触摸和应变。例如，输入电极306可由压阻、压电或具有响应于应力、应变和/或偏转而改变的电特性(例如，电阻或电阻率)的类似材料形成。
转到图3B，在一些实施方案中，输入电极306可操作以通过自电容检测触摸。因此，输入电极306的导电材料可以用交流电或(例如，来自信号发生器的)直流信号激励(例如，驱动)。当用户的手指312接近或接触盖子310时，可在手指312和输入电极306之间形成触摸电容C。在手指412和输入电极306之间形成的触摸电容C(或电容的变化)可由耦接到输入电极306的处理电路检测到，其可以指示对盖子310的输入表面的触摸输入。
如图3C所示，可通过相同的输入电极306检测施加于盖子310的力F。输入电极306可以用交流电或(例如，来自信号发生器的)直流信号激励(例如，驱动)。当手指312或其他对象在盖子310上施加力F时，盖子310可偏转并在输入电极306上引起应变。例如，输入电极306的导电迹线的几何形状可响应于盖子310的偏转而改变(例如，迹线可被拉伸和/或压缩)。几何形状的这种变化可导致通过输入电极306的电阻的变化，这可通过耦接到输入电极306的处理电路来检测。处理电路可进一步基于电阻的变化来估计或以其他方式确定施加于盖子310的非二元大小的力。
“非二元”大小的力或力输入信号是可以被记录为不止两个可能值的信号。换句话讲，非二元力输入信号可具有除零和最大(或关和开)之外的中间值、输出或状态。这种非二元信号可具有一系列值，这些值可以是离散的或连续的，每个值对应于越过二元选项的各种输入力。换句话讲，力信号的大小可根据施加于盖子的力而变化。
在一些实施方案中，输入电极306可利用电信号激励(例如，利用驱动信号驱动)，并且触摸输入可被检测或测量为对信号的电容响应，而力输入可被检测或测量为对信号的电阻响应。在其他实施方案中，触摸和/或力感测可以是时间复用的。输入电极306可利用第一信号(例如，具有第一波形的信号，其可包括A/C和/或D/C分量，并且可具有给定的幅度、形状和/或频率)驱动第一时间段，并且触摸输入可被测量为对第一信号的电容响应。输入电极306可利用第二信号(例如，具有第二波形的信号，其可包括A/C和/或D/C分量，并且可具有给定的幅度、形状和/或频率)驱动第二时间段，并且力输入可被测量为对第二信号的电阻响应。在其他实施方案中，可使用相同的信号来驱动输入电极306，但是可在第一时间段期间测量触摸响应，并且可在第二时间段期间测量力响应。
转到图4A至图4C，输入/输出模块的两个或更多个输入电极可包括应变仪。输入电极可操作以通过输入电极之间的互电容来检测触摸，并且可通过输入电极的电阻应变响应来检测力。
图4A描绘了输入设备的俯视图，示出了一对示例性触摸和/或力感测输入电极。输入设备408可以是被配置为检测触摸和/或力输入的任何输入设备，诸如图1中所示的触控板。输入设备408包括限定输入表面的盖子410，以及定位在盖子410下方的输入电极406a、406b。手指412或其他对象可接近或接触盖子410的输入表面。
转到图4B，在一些实施方案中，输入电极可操作以通过互电容来检测触摸。因此，称为驱动输入电极406a的第一输入电极可利用(例如，来自信号发生器的)交流电或直流信号来驱动。响应于驱动信号，交叉电容C1可形成在驱动输入电极406a和与驱动输入电极406a相邻的称为感测输入电极406b的第二输入电极之间。当用户的手指412接近或接触盖子410时，可在手指412与驱动输入电极406a和/或感测输入电极406b之间形成触摸电容C2。触摸电容C2继而可以改变交叉电容C1。
处理电路可被耦接到驱动输入电极406a和/或感测输入电极406b，以检测交叉电容C1的变化。在一些实施方案中，处理电路可监测感测输入电极406b的电容变化，其可以指示对盖子410的输入表面的触摸输入。在其他实施方案中，处理电路可监测驱动输入电极406a和感测输入电极406b两端的电容，或者采用类似的技术。
如图4C所示，可通过驱动输入电极406a和感测输入电极406b中的一者或两者来检测施加于盖子410的力F。例如，驱动输入电极406a和感测输入电极406b均可以用交流电或(例如，来自信号发生器的)直流信号来驱动。当手指412或其他对象在盖子410上施加力F时，盖子410可偏转并在输入电极406a、406b上引起应变。处理电路可监测驱动输入电极406a和感测输入电极406b的电阻变化，该电阻变化对应于施加于盖子410的非二元力。在其他实施方案中，可以仅驱动驱动输入电极406a和感测输入电极406b中的一个，并监测其电阻变化。
转到图5A至图5F，示出了根据本公开的输入设备的示例性剖面。每个示例包括输入/输出模块，该输入/输出模块如以上关于图1至图4C所述的那样操作。
图5A描绘了图1所示电子设备的沿剖面A-A截取的示例性剖视图，示出了第一示例性输入/输出模块。输入设备508包括盖子510和耦接到盖子510的输入/输出模块505a。
通常，盖子510由绝缘材料形成，诸如玻璃、塑料、丙烯酸和其他非导电材料。在一些情况下，盖子可由不透明材料形成，以及/或者包括不透明层，诸如油墨层。在其他情况下，盖子510可以是透明的或部分透明的。虽然在这些示例中，术语“盖子”可以指用于触控板的盖子，但是应当理解，术语“盖子”也可以指壳体(诸如图1中所示的壳体101)的一部分。例如，盖子510可包围虚拟键盘，该虚拟键盘具有由输入/输出模块505a、电子设备的侧壁等限定的动态可调节输入区域。
盖子510可通过粘合剂层540耦接到输入/输出模块505a。粘合剂层540可包括压敏粘合剂或另一种粘合剂，其将盖子510耦接到输入/输出模块505a，使得盖子510的偏转通过粘合剂层540传递到输入/输出模块505a，并且输入/输出模块505a的偏转被传递到盖子510。
输入/输出模块505a包括基板516，输入电极506和触觉致动器521a设置在该基板上。基板516可包括材料，诸如但不限于：塑料、陶瓷、玻璃、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、硅树脂、纤维复合材料或其任何组合。在一些实施方案中，基板516可为输入电极506和/或加强件提供结构刚度，以改善触觉致动器521a的性能。
一个或多个输入电极506可沉积在基板516的顶表面(例如，面向盖子510的表面)上。每个输入电极506可由导电材料形成，该导电材料也响应于应变，形成有以双后螺旋形状布置的一组导电迹线，诸如下面参照图6B、图7A和图7B描述的。在其他实施方案中，输入电极506的形状或几何形状可以改变。例如，输入电极506可以由以叉状或梳状构型、线性螺线形状、径向螺线形状、螺旋形状等布置的一组迹线形成。
输入电极506的导电材料可包括诸如但不限于：金、铜、铜-镍合金、铜-镍-铁合金、铜-镍-锰-铁合金、铜-镍-锰合金、镍铬合金、氮化铬、复合纳米线结构、复合碳结构、石墨烯、纳米管、康铜、卡玛、硅、多晶硅、镓合金、等弹性合金等。输入电极506的导电材料可使用合适的设置技术形成或沉积在表面上，例如但不限于：气相沉积、溅射、印刷、卷对卷处理、凹版印刷、贴装、粘合剂、掩模蚀刻等等。
借助于与输入电极506相对的耦接到基板516的底表面的一个或多个触觉致动器521a，可提供局部触觉反馈。触觉致动器521a可包括压电元件522a、顶部电极518a和底部电极524a。顶部电极518a(例如，导电垫)和导电垫520a可由沉积在基板516的底表面上的导电材料形成。底部电极524a可缠绕压电元件的一部分并且耦接到导电垫520a。
顶部电极518a和导电垫520a可设置在公共层上，该公共层可另外包括信号线以将致动信号传输到每个触觉致动器521a(例如，如下文结合图6C所描绘)。因此，可在压电元件522a上施加电势，其中可通过导电垫520a向底部电极524a提供基准电压；并且可向顶部电极518a提供致动信号。在一些实施方案中，顶部电极518a可耦接到基准电压，并且底部电极524a可耦接到致动信号。
在图5A所示的实施方案中，可选择性地激活每个触觉致动器521a。具体地讲，底部电极524a可以向触觉致动器521a提供基准电压，而每个顶部电极518a可以独立于其他压电元件522a在每个单独的压电元件522a上施加电信号。
当在压电元件522a上施加电压时，该电压可使压电元件522a在基本上平行于基板516的方向或平面上展开或收缩。例如，当施加电压的电极平行于基板而被置于压电元件522a的顶表面和底表面上时，压电元件522a的属性可以使压电元件522a沿基本上平行于基板的平面展开或收缩。
因为压电元件522a的顶表面附接到基板516，所以当压电元件522a沿平行于基板的平面收缩时，压电元件522a可以在与基板516正交的方向上弯曲和偏转，即朝向盖子510向上，诸如以上关于图2C所描绘的。触觉反馈可定位到触觉致动器521a上方的盖子510的一部分。
压电元件522a可由适当的压电材料形成，例如钾基陶瓷(例如，铌酸钾钠、铌酸钾)、铅基陶瓷(例如，PZT、钛酸铅)、石英、铋铁氧体和其他合适的压电材料。顶部电极518a、底部电极524a和导电垫520a通常由金属或金属合金形成，诸如银、银墨、铜、铜镍合金等。在其他实施方案中，可使用其他导电材料。
在一些实施方案中，顶部电极518a和导电垫520a使用合适的设置技术直接形成或沉积在基板516上，例如但不限于：气相沉积、溅射、印刷、卷对卷处理、凹版印刷、贴装、粘合剂、掩模蚀刻，等等。压电元件522a可类似地直接形成在顶部电极518a和导电垫520a上，并且底部电极524a可直接形成在压电元件522a和导电垫520a上。
虽然已经相对于压电致动器描述了触觉致动器521a，但是在其他实施方案中可使用不同类型的触觉致动器521a。例如，在一个实施方案中，一个或多个电磁致动器可设置在基板516下方并且用于产生盖子510的局部偏转。另选地，一个或多个活塞致动器可设置在盖子510下方，等等。
上述各层的相对位置可根据实施方案而变化。在其他实施方案中可省略一些层，诸如粘合剂层540。其他层，诸如盖子510和基板516，可以不是单一材料的均匀层，而是可包括附加层、涂层，以及/或者由复合材料形成。输入设备508和/或电子设备可包括附加层和部件，诸如处理电路、信号发生器、电池等，为了清楚起见，图5A至图5F中省略了这些附加层和部件。
图5B描绘了图1所示电子设备的沿剖面A-A截取的另一个示例性剖视图，示出了第二示例性输入/输出模块。如图5B所示，在类似于图5A的一些实施方案中，输入/输出模块505b中的触觉致动器521b可通过在两个层上传输的信号选择性地致动。
例如，顶部电极518b可沉积在基板516的底表面上。信号线还可以沉积在基板516的底表面上，以将致动信号传输到触觉致动器521b的每个顶部电极518b。压电元件522b直接形成在顶部电极518b上，并且底部电极524b可形成在压电元件522b上。
输入设备508还可包括电路层526b，该电路层包括信号线以向触觉致动器521b的每个底部电极524b提供公共基准电压。电路层526b可以是柔性印刷电路或柔性印刷电路板。电路层526b可由任何数量的合适材料制成，诸如聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯，该电路层具有用于信号线的由材料诸如铜、银、铝等形成的导电迹线。
电路层526b可以将电路层526b上的信号线或公共基准电压板电耦接到每个底部电极524b的方式耦接到每个触觉致动器521b。例如，电路层526b可通过粘合剂层(诸如各向同性或各向异性导电膜)通过焊接和其他适当的技术耦接到每个触觉致动器521b。
因此，可在压电元件522b上施加电势，其中向每个底部电极524b提供公共基准电压，并且向每个顶部电极518b提供信号线。顶部电极518b可接收致动信号，并且压电元件522b上的电压可以使触觉致动器521b偏转，继而在盖子510处提供局部触觉反馈。
在一些实施方案中，顶部电极518b可形成公共基准层，并且致动信号可传输到底部电极524b。在这种情况下，顶部电极518b可形成为互连的导电层(部分或全部由导电材料形成)，而电路层526b可包括独立信号线以向每个底部电极524b提供致动信号。
图5C描绘了图1所示电子设备的沿剖面A-A截取的另一个示例性剖视图，示出了第三示例性输入/输出模块。如图5C所示，在类似于图5A的一些实施方案中，输入/输出模块505c中的触觉致动器521c可形成有电介质530，该电介质将导电垫520c与顶部电极518c分开。
例如，顶部电极518c和导电垫520c可设置在公共层上，该公共层可另外包括信号线以将致动信号传输到每个触觉致动器521c(例如，如下文结合图6C所描绘)。电介质530可沉积在导电垫520c和顶部电极518c之间，以将导电垫520c与顶部电极518c电隔离。电介质530还使顶部电极518c和底部电极524c隔离。
电介质530可由二氧化硅、氧化铪、氧化钽、纳米二氧化硅、氢化倍半硅氧烷、聚四氟乙烯、氟氧化硅或其他合适的绝缘材料形成。沉积电介质530可使用合适的设置技术形成或沉积，例如但不限于：气相沉积、溅射、印刷、卷对卷处理、凹版印刷、贴装、粘合剂、掩模蚀刻，等等。
可在电介质530上方沉积连接线528c，将导电垫520c电耦接到底部电极524c。连接线528c可由类似材料形成，并且使用与上面关于导电垫520c和顶部电极518c描述的类似技术。可在压电元件522c上施加电势，其中可通过导电垫520c和连接线528c向底部电极524c提供基准电压；并且可以向顶部电极518c提供致动信号。在一些实施方案中，顶部电极518c可耦接到基准电压，并且底部电极524c可耦接到致动信号。
图5D描绘了图1所示电子设备的沿剖面A-A截取的另一个示例性剖视图，示出了第四示例性输入/输出模块。如图5D所示，在类似于图5A的一些实施方案中，输入/输出模块505d中的触觉致动器521d可通过在压电元件522d中交错电极525d、519d来形成。
通过形成具有交错电极525d、519d的触觉致动器521d，压电元件522d可有效地作为两个堆叠的压电元件522d操作，这可在致动时改善触觉致动器521d的性能。顶部电极518d可形成在基板516上，小于压电元件522d的整个宽度，并且可连接到设置在基板516上的信号线。
压电元件522d的材料可沉积在顶部电极518d上，并且中间底部电极525d可形成在压电材料上，跨越小于压电元件522d的整个宽度。压电元件522d的附加材料可沉积在中间底部电极525d上，并且中间顶部电极519d可沉积在压电材料上，跨越小于压电元件522d的整个宽度。
压电元件522d的附加材料可以沉积在中间顶部电极519d上。底部电极524d可以沉积在压电元件522d上方。底部连接线528d可将中间底部电极525d和底部电极524d电连接到设置在基板516上的信号线。顶部连接线532d可将中间顶部电极519d电连接到顶部电极518d。
因此，触觉致动器521d可以有效地为两个致动器，顶部电极518d和中间底部电极525d形成第一致动器。中间顶部电极519d和底部电极524d形成第二电极。可在压电元件522d的位于电极之间的部分上施加电势。例如，可通过底部连接线528d向中间底部电极525d和底部电极524d提供基准电压；并且可通过顶部连接线532d向顶部电极518d和中间顶部电极519d提供致动信号。在一些实施方案中，顶部电极518d和中间顶部电极519d可耦接到基准电压，并且中间底部电极525d和底部电极524d可耦接到致动信号。
图5E描绘了图1所示电子设备的沿剖面A-A截取的另一个示例性剖视图，示出第五示例性输入/输出模块。如图5E所示，在一些类似于图5A的实施方案中，触觉致动器521e可以单独形成并且耦接到输入/输出模块505e。
例如，触觉致动器521e可通过单独的工艺形成，而不是沉积在基板516上。可经由形成在压电元件522e的相对表面上的电极518e、524e在压电元件522e上施加电压。顶部电极518e形成在压电元件522e的顶表面上，而底部电极524e形成在压电元件522e的底表面上。在许多实施方案中，底部电极524e缠绕在压电元件522e周围，使得第二电极的一部分设置在压电元件522e的顶表面上。以这种方式，可以在同一接口处提供基准电压和致动信号。
电极518e、524e可以由合适的导电材料形成，诸如金属(例如，银、镍、铜、铝、金)、聚乙烯氧基噻吩、氧化铟锡、石墨烯，压阻半导体材料、压阻金属材料等。顶部电极518e可以由与底部电极524e相同的材料形成，而在其他实施方案中，电极518e、524e可以由不同的材料形成。电极518e、524e可使用合适的设置技术形成或沉积，例如但不限于：气相沉积、溅射、电镀、印刷、卷对卷处理、凹版印刷、贴装、粘合剂、掩模蚀刻等等。可应用掩模或类似技术来形成压电元件522e的图案化顶表面和/或环绕式底部电极524e。
第一导电垫520e和第二导电垫534e可以由沉积在基板516的底表面上的导电材料形成。第一导电垫520e和第二导电垫534e可以设置在公共层上，该公共层可另外包括信号线以将致动信号传输到每个触觉致动器521e(例如，如下文结合图6C所描绘)。
压电元件522e可通过粘合剂层536e耦接到第一导电垫520e和第二导电垫534e，该粘合剂层可以是各向异性导电膜。粘合剂层536e的各向异性导电膜可促进从第一导电垫520e到底部电极524e以及从第二导电垫534e到顶部电极518e的传导。各向异性导电膜可以进一步隔离这些传导路径，以防止导电垫520e、534e或电极518e、524e之间的不期望的短路。
在其他实施方案中，压电元件522e可通过各向同性导电膜的隔离段、各向异性或各向同性导电膏或其他适当方法耦接并电连接到第一导电垫520e和第二导电垫534e。
图5F描绘了图1所示电子设备的沿剖面A-A截取的另一个示例性剖视图，示出第六示例性输入/输出模块。如图5F所示，在一些类似于图5A的实施方案中，触觉致动器521f可以单独形成并且耦接到输入/输出模块505f和电路层526f。
例如，触觉致动器521f可通过单独的工艺形成，而不是沉积在基板516上。以与上文结合图5E所述类似的方式，顶部电极518f形成在压电元件522f的顶表面上，而底部电极524f形成在压电元件522f的底表面上。
输入设备508还可包括电路层526f，该电路层包括信号线以向触觉致动器521f的每个底部电极524f提供公共基准电压。电路层526f可以是柔性印刷电路或柔性印刷电路板，类似于上文结合图5B所述。电路层526f可包括用于每个触觉致动器521f的第一导电垫520f。
第二导电垫534f可以由沉积在基板516的底表面上的导电材料形成。第二导电垫534f可以设置在层上，该层另外包括信号线以将致动信号传输到每个触觉致动器521f。
压电元件522f可通过第一粘合层536f耦接到第二导电垫534f，并且通过第二粘合层538耦接到第一导电垫520f。第一粘合剂层536f可以是各向异性导电膜，其可促进从第二导电垫534f到顶部电极518f的传导。各向异性导电膜可以进一步隔离单独触觉致动器521f的导电垫534f和顶部电极518f，以防止触觉致动器521f之间的不期望的短路。
在其他实施方案中，顶部电极518f可通过各向同性导电膜的隔离段、各向异性或各向同性导电膏或其他适当方法耦接并电连接到第二导电垫534f。
电路层526f可将基准电压耦接到每个底部电极524f。因此，第二粘合层538可以是各向同性导电膜、各向异性导电膜、导电膏或其他导电粘合材料。
因此，可在压电元件522f上施加电势，其中向每个底部电极524f提供公共基准电压，并且向每个顶部电极518f提供信号线。顶部电极518f可接收致动信号，并且压电元件522f上的电压可以使触觉致动器521f偏转，继而在盖子510处提供局部触觉反馈。
在一些实施方案中，顶部电极518f可形成公共基准层，并且致动信号可传输到底部电极524f。在这种情况下，顶部电极518f可形成为互连的导电层(部分或全部由导电材料形成)，而电路层526f可包括独立信号线以向每个底部电极526f提供致动信号。第二粘合层538可以是各向异性导电膜或将第一导电垫520f彼此隔离的其他粘合材料。
图6A描绘了输入/输出模块的示例性剖视图，其示出沉积在基板的顶表面上的输入电极和沉积在基板的底表面上的触觉致动器。输入/输出模块605可以类似于上文结合图5A至图5F描述的那些。
输入/输出模块605包括基板616，输入电极606和触觉致动器621设置在该基板上。通常，一组输入电极606或输入电极阵列设置在基板616的顶表面上，靠近输入设备的盖子。一组触觉致动器621或触觉致动器阵列设置在基板616的底表面上。每个触觉致动器621可包括位于导电垫620与上方的顶部电极618和下方的底部电极624之间的压电元件622。
图6B描绘了沉积在基板的顶表面上的输入电极的示例性顶视图。如图所示，每个输入电极606可以是触摸和应变敏感元件，其可以是作为应变仪沉积或以其他方式形成在基板616上的导电迹线。每个输入电极606可以形成为对折螺旋形状。在其他实施方案中，输入电极606的形状或几何形状可以改变。例如，输入电极606可以由以叉状或梳状构型、线性螺线形状、径向螺线形状、螺旋形状等布置的一组迹线形成。在这些和其他实施方案中，输入电极606可包括设置在一组或多组平行线中的导电迹线。
每个输入电极606包括或电耦接到第一信号线607和第二信号线609，所述第一信号线和第二信号线引导穿过基板616以连接到处理电路和/或信号发生器，例如下文结合图11所述。信号发生器可通过第一信号线607或第二信号线609向每个输入电极606提供电信号。处理电路可耦接到一条或两条信号线607、609，以检测电容触摸响应和电阻力响应。也就是说，可通过输入电极606的电容变化或多个输入电极606中的电容变化来检测触摸的存在和位置(参见图3B和图4B，如上所述)。可通过输入电极606中的电阻变化来检测非二进制量的力(参见图3C和图4C，如上所述)。
信号线607、609可以由与输入电极606类似的材料和类似的过程形成。在一些实施方案中，输入电极606和信号线607、609在同一处理步骤中形成。在其他实施方案中，输入电极606在一个处理步骤中形成，并且一条或两条信号线607、609在单独的处理步骤中形成。输入电极606和信号线607、609可以任何合适的图案布置，例如网格图案、圆形图案或任何其他几何图案(包括非规则图案)。
图6C描绘了沉积在基板的底表面上的用于触觉致动器的导电层的示例性仰视图。图6C被描绘为每个触觉致动器621的其他元件以虚线示出，以便阐明导电层的示例性布局。
如图所示，可以为每个触觉致动器621提供导电垫620和顶部电极618(例如，另一个导电垫)。信号线619、623连接到每个顶部电极618和导电垫620，以便将触觉致动器621电耦接到信号发生器和/或处理电路并提供致动信号。如图所示，每个导电垫620可连接到第一信号线619，该第一信号线可以向触觉致动器621的底部电极提供基准电压。每个顶部电极618可连接到第二信号线623，该第二信号线可以向触觉致动器621提供致动信号。在其他实施方案中，顶部电极618可耦接到基准电压，并且导电垫620可接收致动信号。
信号线619、623可以由与上文结合图5A所述的导电垫620和顶部电极618类似的材料和类似的过程形成。在一些实施方案中，导电垫620、顶部电极618和信号线619、623在同一处理步骤中形成。在其他实施方案中，导电垫620和/或顶部电极618在一个处理步骤中形成，并且一条或多条信号线619、623在单独的处理步骤中形成。输入电极606和信号线607、609可以任何合适的图案布置，例如网格图案、圆形图案或任何其他几何图案(包括非规则图案)。
在一些实施方案中，输入电极606和信号线607、609在一个处理步骤中形成在基板616的顶表面上，并且导电垫620、顶部电极618和信号线619、623在另一个处理步骤中形成在基板616的底表面上。在其他实施方案中，导电材料在同一处理步骤中形成在基板616的两侧上。
图7A和图7B描绘了示例性输入电极，其可以补偿不利的环境影响，例如温度的变化。输入电极706a、706b、706c的性能部分地取决于可估计输入电极706a、706b、706c所经历的应变的精度、准确性和分辨率。如上所述，处理电路可被配置为测量由于施加的力引起的输入电极706a、706b、706c的电阻变化。
然而，输入电极706a、706b、706c的电阻的实际测量结果也可能对整个设备的温度变化以及设备的一部分上的局部温度变化敏感。输入电极706a、706b、706c的一些实施方案可用于减少或消除由于温度或其他环境条件引起的影响。
例如，图7A描绘了在基板上彼此相邻设置的一对输入电极的示例性透视图。在该构造中，第一输入电极706a和第二输入电极706b可以布置得足够接近，使得两个输入电极706a、706b经历大致相同的环境影响。第一输入电极706a和第二输入电极706b的输出可通过处理电路进行比较，以减轻或消除由于改变环境条件(例如，温度变化)而导致的力测量结果的变化。
作为示例，第一输入电极706a可以比第二输入电极706b更加响应沿特定方向的应变。然后可将对第一输入电极706a的电阻响应与第二输入电极706b的电阻响应进行比较(例如，通过从第一输入电极706a减去第二输入电极706b的响应)，以考虑温度变化。
图7B描绘了一对应变敏感元件的另一示例性透视图，所述一对应变敏感元件彼此上下设置以形成输入电极。输入电极706a可包括设置在基板716上的第一应变敏感元件770。第二应变敏感元件766设置在第一应变敏感元件770上方，膜768或其他绝缘材料设置在它们之间。在该构造中，第一应变敏感元件770的输出可以类似地通过处理电路与第二应变敏感元件766进行比较，以减轻或消除由于温度或其他条件的变化而导致的力测量结果的变化。
作为示例，第一应变敏感元件770可以置于压缩状态下，而第二应变敏感元件766可以响应于盖子上的力而处于张力状态下。可比较第一应变敏感元件770和第二应变敏感元件766的不同电阻响应，以考虑温度变化。
图8A描绘了具有输入区域的电子另一设备，该输入区域具有根据本公开的集成输入/输出模块。在例示的实施方案中，电子设备800被实现为平板计算设备。
电子设备800包括至少部分地围绕显示器802和一个或多个输入设备842的壳体801。壳体801可形成电子设备800的内部部件的外表面或部分外表面。壳体801可由可操作地连接在一起的一个或多个部件形成，诸如前件和后件。另选地，壳体801可由可操作地连接到显示器802的单个件形成。
显示器802可向用户提供视觉输出。显示器802可利用任何合适的技术来实现，包括但不限于液晶显示元件、发光二极管元件、有机发光显示元件、有机电致发光元件、电泳油墨显示器等。
在一些实施方案中，输入设备842可采取home按钮的形式，其可为机械按钮、软按钮(例如，不能物理地移动但仍接受输入的按钮)、显示器上的图标或图像等等。另外，在一些实施方案中，输入设备842可被集成为电子设备800的盖子810和/或壳体801的一部分。虽然在图1中未示出，但电子设备800可包括其他类型的输入和/或输出设备，诸如麦克风、扬声器、相机、生物识别电极以及一个或多个端口(例如，网络通信端口和/或电源线端口)。
盖子810可定位在电子设备800的前表面(或前表面的一部分)上方。虽然盖子810是参考平板电脑的显示器上方的盖子而描绘的，但输入/输出模块可定位在其他透明或部分透明的盖子(例如，形成虚拟键盘的设备壳体)下方。输入/输出模块和显示器802可限定用户输入区域，例如动态可配置的键，其可以接收力和触摸输入并向盖子810提供触觉输出。
盖子810的至少一部分可用作接收触摸和/或力输入的输入表面。盖子810可使用任何合适的材料(例如，玻璃、塑料、蓝宝石或它们的组合)形成。在一个实施方案中，盖子810包围显示器802和输入设备842。触摸和/或力输入可以由包围显示器802的盖子810的一部分和/或由包围输入设备842的盖子810的一部分接收。
在另一个实施方案中，盖子810包围显示器802，但不包围输入设备842。触摸和/或力输入可以由盖子810的包围显示器802的部分接收。在一些实施方案中，可以在盖子810的其他部分上或在整个盖子810上接收触摸和/或力输入。输入设备842可设置在形成于盖子810中的开口或孔中。在一些实施方案中，孔延伸穿过壳体801，并且输入设备842的一个或多个部件定位在壳体中。
输入/输出模块可结合在盖子810的全部或一部分下方。输入/输出模块可检测盖子810的全部或一部分上的触摸输入和力输入，并且另外可以向盖子810提供触觉反馈。电子设备800的示例和输入/输出模块的特征在下文结合图8B、图8C、图9和图10进一步描绘。电子设备800的示例性部件在下文结合图11进行描述。
图8B描绘了图8A所示电子设备的沿剖面B-B截取的示例性剖视图，示出了第一示例性输入/输出模块。输入设备808包括限定输入表面的盖子810、位于盖子810下方的显示器802，以及位于盖子810与显示器802之间的输入/输出模块805。
盖子810通常由透明绝缘材料形成，诸如玻璃、蓝宝石、塑料、丙烯酸和其他透明的非导电材料。盖子810可通过粘合剂层840耦接到输入/输出模块805。粘合剂层840可包括光学透明粘合剂或另一透明粘合剂，其将盖子810耦接到输入/输出模块805，使得盖子810的偏转通过粘合剂层840传递到输入/输出模块805，并且输入/输出模块805的偏转被传递到盖子810。
输入/输出模块805以与上文结合图5A至图5F描述的输入/输出模块505a-505f相似的方式包括基板816，输入电极806和触觉致动器设置在该基板上。基板816、输入电极806和压电元件822的材料可以是光学透明的。触觉致动器的压电元件822可通过导电层818耦接到基板816，该导电层可以向压电元件822提供致动信号。
输入/输出模块805的导电材料诸如输入电极806和导电层818可以由光学透明材料形成，诸如但不限于：氧化铟锡、碳纳米管、金属纳米线或它们的任何组合。压电元件822可以由透明压电材料形成，诸如铌酸锂、石英和其他合适的压电材料。
显示器802可包括显示元件，并且可包括附加层，诸如一个或多个偏光器、一个或多个导电层以及一个或多个粘合剂层。在一些实施方案中，背光组件(未示出)定位在显示器802下方。显示器802与背光组件一起用于在显示器上输出图像。在一些实施方案中，可省略背光组件。
图8C描绘了图8A所示电子设备的沿剖面B-B截取的另一示例性剖视图，示出了第二示例性输入/输出模块。在一些实施方案中，显示器802可邻近盖子810定位，输入/输出模块805可位于显示器802下方。
输入/输出模块805可通过粘合剂层846耦接到显示器802。输入/输出模块805可包括基板816，输入电极806和触觉致动器设置在该基板上。触觉致动器可包括导电层818和压电元件822。这些部件中的每一个可以类似于上文结合图5A至图5F和图8C所述的那些，并且可以是光学透明的或不透明的。
在各种实施方案中，结合图5A至图8C示出和描述的输入/输出模块包括设置在盖子下方的触觉致动器和输入电极，作为与盖子分开的层的一部分，例如基板。这些是触觉致动器相对于盖子的示例性布置，并且其他布置也是可能的。例如，在一些实施方案中，一个或多个触觉致动器或输入电极可以与便携式电子设备的壳体的壁一体形成(例如，在其上或其内)。图9至图10D描绘了其中触觉致动器和输入电极与壳体的壁一体形成(例如，在其上或其内)的示例性实施方案。
图9描绘了电子设备990(例如，便携式电子设备)的壳体900，其具有与壳体的壁一体形成的输入/输出模块的一个或多个部件。在一些实施方案中，电子设备990是电子手表或智能手表。在各种实施方案中，壳体900可包括壳体部件901和盖子902。壳体部件901和盖子902可以附接或以其他方式耦接，并且可配合以形成壳体900并限定电子设备990的一个或多个外表面。在各种实施方案中，一个或多个输入/输出模块可以至少部分地与壳体900的壁931一体形成。如本文所用，“与...一体形成”可用于指定义或形成整体结构。例如，一个或多个触觉致动器、输入电极和/或输入/输出模块的其他部件可以整体地形成在壁931之上或之内，以通过将一个或多个触觉致动器、输入电极和/或其他部件与壳体900的至少一部分共烧制或共烧结来形成整体结构。
壁931(例如，电子设备990的侧壁)限定壳体900的外表面的被配置为接收来自用户的接触的至少一部分。在壳体的壁内一体形成触觉致动器允许例如响应于沿外表面检测到的触摸输入而沿壳体的外表面在选定位置处产生局部触觉反馈(例如，壁931的局部偏转)。类似地，在壳体的壁内一体形成输入电极允许沿壳体的外表面在选定位置处进行局部触摸输入和力输入检测。
在各种实施方案中，包括壳体部件901的壳体900可由多种材料形成，包括聚合物(例如，聚碳酸酯、丙烯酸)、玻璃、陶瓷、复合材料、金属或金属合金(例如，不锈钢、铝)、贵金属(例如，金、银)或其他合适的材料，或这些材料的组合。在一些实施方案中，壳体部件901至少部分地由陶瓷材料诸如氧化铝(铝氧土)或其他类似类型的材料形成。在各种实施方案中，壳体部件901可以与输入/输出模块的一个或多个部件和/或电子设备990的其他部件共烧制。如本文所用，“共烧”可用于指任何方法，通过该方法，一种或多种组分或材料在窑中烧制或以其他方式加热以同时熔化或烧结材料。出于以下讨论的目的，“共烧”可用于指这样的过程，其中未经加工、部分烧结、预烧结状态的两种材料被加热或烧结在一起一段时间。在各种实施方案中，共烧工艺可包括低温(LTCC)应用(例如，低于1000摄氏度的烧结温度)和/或高温(HTCC)应用(例如，介于1000至1800摄氏度之间的高温)。在各种实施方案中，电子设备990的共烧制部件可通过减小设备尺寸(例如，壁或其他部件的厚度)、减少或消除对于粘合剂将部件接合在一起的需要、简化制造等来改进电子设备。
在一些实施方案中，输入/输出模块的一个或多个部件至少部分地由陶瓷材料形成。例如，输入/输出模块可包括一个或多个压电陶瓷致动器、陶瓷缓冲器等，如下所述。更具体地讲，如下文更详细地描述，输入/输出模块可包括压电元件，该压电元件被配置为沿壳体部件901的外表面产生局部偏转。如果壳体部件901和压电元件均由陶瓷材料形成，则这两个部件可使用共烧制或共烧结方法一体形成。
在一些实施方案中，盖子902可包括定位在电子设备990的显示器上方的薄板或盖板。显示器可包括一个或多个输入设备或触摸传感器，并且被配置为触敏显示器或触摸屏显示器。触摸传感器可包括根据本文所述实施方案的一个或多个输入电极。具体地讲，触摸传感器可包括输入电极阵列，其被配置为沿盖子902检测触摸输入的位置。在一些情况下，被配置为检测触摸输入的力的电极阵列沿盖子902定位或定位在盖子下方。
盖子902可以由光学透射材料形成，以允许图像或光通过其可见。如本文所用，“光学透射”或“透光”可用于指代透明或半透明的或以其他方式允许光或其他电磁辐射通过其传播的物体。在一些情况下，透明材料或部件可引入一些漫射、透镜效应、失真等(例如，由于表面纹理)，同时仍然允许通过材料或部件看到物体或图像，并且这种偏差被视为在透明的含义范围内。而且，透明的材料可被涂覆、涂漆或以其他方式处理以产生非透明(例如，不透明)的部件；在这种情况下，即使材料可以是不透明部件的一部分，材料仍可被称为透明的。可通过在透明材料(例如，透光玻璃)上产生纹理化或磨砂表面来形成半透明部件。也可以使用半透明材料，例如半透明聚合物、半透明陶瓷等。
电子设备990的各种部件可耦接到和/或定位在壳体900内。例如，电子设备的处理电路可容纳或定位在壳体900的内部体积921内。下文结合图15更详细地论述了电子设备的附加部件。虽然壳体900被描绘为具有矩形形状，但这是一个示例并且不意味着限制。在各种实施方案中，电子设备可以是和/或采取个人计算机、笔记本或膝上型计算机、平板电脑、智能电话、手表、用于电子设备的壳体、家庭自动化设备等的形式。
在一些实施方案中，壳体部件901限定壁931(例如，侧壁或壳体壁)，该壁限定壳体900的外表面911的至少一部分。图10A描绘了图9所示电子设备990的沿剖面C-C截取的示例性局部剖视图。电子设备990包括输入/输出模块1050a。输入/输出模块1050a包括一个或多个触觉致动器1051，以及一个或多个输入电极1060、1070。在各种实施方案中，输入/输出模块1050a可以与壁931至少部分地集成或一体形成。例如，如图10A所示，一个或多个触觉致动器1051可形成在壁931的结构内。如先前所提及，如果触觉致动器1051由陶瓷(例如，陶瓷压电)材料形成，则触觉致动器1051可通过与壳体900的壁931共烧制或共烧结而与壳体的结构一体形成。
如图10A所示，一个或多个输入电极1060a、1060b可沉积在壁931之上或之内。例如，如图10A所示，输入电极1060a、1060b可沉积在壁931的内表面1004上。每个输入电极1060a、1060b可以由导电材料形成，该导电材料例如沿着外表面的沿壁931定位的部分以适于检测触摸输入的图案布置。例如，输入电极1060a、1060b可布置成正方形或矩形形状，例如结合图10B所述。输入电极1060a、1060b单独或与其他电极组合可限定输入电极阵列。在一些情况下，电极阵列的至少一部分限定触摸传感器或触摸屏的定位在盖子(例如，图9的盖子902)下方的部分。
图10B描绘了沿图10A的剖面D-D截取的沉积在壁931的内表面1004上的输入电极的示例性视图。如图所示，每个输入电极1060a、1060b可以是触摸和/或应变敏感元件，其可以是沉积或以其他方式形成在壁931之上或之内的导电迹线。在一些实施方案中，一个或多个输入电极响应于应变并且可被配置为产生电信号或者具有响应于施加至壁931的力的电特性(例如，电阻)。在一些实施方案中，一个或多个输入电极可被配置为产生电信号或者具有响应于沿着壁931施加的触摸输入的电特性(例如，电容)。
输入电极1060a、106b的布置和功能可根据具体实施而变化。在一些实施方案中，输入电极1060a是触摸感测输入电极，输入电极1060b是力感测输入电极。在一些实施方案中，输入电极1060a、1060b是触摸感测和力感测电极。在各种实施方案中，输入电极1060的形状或几何形状可以改变。例如，输入电极可以由以对折螺旋形状、叉状或梳状构型、线性螺线形状、径向螺线形状、螺旋形状等布置的一组导电迹线形成。在这些和其他实施方案中，输入电极1060a、1060b可包括设置在一组或多组平行线中的导电迹线。
每个输入电极1060a、1060b包括或电耦接到一条或多条信号线(例如，信号迹线1080的一条或多条信号线)。信号发生器可通过信号线向每个输入电极1060a、1060b提供电信号。处理电路可耦接到信号线，以检测电容触摸响应和电阻力响应。例如，可通过输入电极1060a、1060b的电容变化或多个输入电极1060a、1060b中的电容变化来检测触摸输入的存在和/或位置(参见图3B和图4B，如上所述)。此外，可利用输入电极1060a、1060b中的电阻变化来检测力的大小，以产生非二进制力信号或输出(参见图3C和图4C，如上所述)。
输入电极1060a、1060b的导电材料可包括诸如但不限于：金、铜、铜-镍合金、铜-镍-铁合金、铜-镍-锰-铁合金、铜-镍-锰合金、镍铬合金、氮化铬、复合纳米线结构、复合碳结构、石墨烯、纳米管、康铜、卡玛、硅、多晶硅、镓合金、等弹性合金等。输入电极1060a、b的导电材料可使用合适的设置技术形成或沉积在表面上，例如但不限于：气相沉积、溅射、印刷、卷对卷处理、凹版印刷、贴装、粘合剂、掩模蚀刻等等。在一些实施方案中，输入电极可以与输入/输出模块的一个或多个部件和/或壳体部件901共烧制，例如下文结合图10C和图10D所述。
如上所述，在一些实施方案中，一条或多条信号线可包括在信号迹线1080中。信号线可以由与输入电极1060a、1060b类似的材料和类似的过程形成。在一些实施方案中，输入电极1060a、1060b和信号线在同一处理步骤中形成。在其他实施方案中，输入电极1060a、1060b在一个处理步骤中形成，并且一条或两条信号线在单独的处理步骤中形成。输入电极1060a、1060b和信号线可以任何合适的图案布置，例如网格图案、圆形图案或任何其他几何图案(包括非规则图案)。
如上所述，在各种实施方案中，可借助于与壁931一体形成的一个或多个触觉致动器1051来提供局部触觉反馈。触觉致动器1051可包括压电元件1052、第一电极1053和第二电极1054。第二电极1054(例如，导电垫)可以由沉积在壳体部件901的内表面1004上的导电材料形成。在一些实施方案中，第二电极1054与壁931一体形成，并且可限定内表面1004的导电部分。第一电极1053可延伸超过和/或环绕压电元件的一部分并且耦接到导电垫1055和/或迹线1080。导电垫1055可以由沉积在内表面1004上和/或与壁931一体形成的导电材料形成。在一些实施方案中，第二电极1054与壁931一体形成，并且可限定内表面1004的导电部分。
一条或多条信号线(例如，信号迹线1080)可以与导电垫1055、第一电极1053和/或第二电极1054导电耦接，以将致动信号传输到每个触觉致动器1051。因此，可在压电元件1052上施加电势，其中可以向第二电极1054提供基准电压；并且可以向第一电极1053提供致动信号。在一些实施方案中，第一电极1053可耦接到基准电压，并且第二电极1054可耦接到致动信号。在各种实施方案中，基准电压可以是接地的。信号迹线1080可将输入电极1060a、1060b、触觉致动器1051和/或电子设备990的其他部件耦接到电子设备990的一个或多个附加部件。在一些实施方案中，信号迹线1080耦接到设置在电子设备990的内部体积中的处理电路。
在图10A所示的实施方案中，可选择性地激活每个触觉致动器1051。具体地讲，第二电极1054可以向触觉致动器1051提供基准电压，而每个第一电极1053可以独立于其他压电元件1052在每个单独的压电元件1052上施加电信号。响应于驱动电压或信号，触觉致动器1051(包括压电元件1052)可沿壁931产生局部偏转或触觉输出。通过用户的手指或用户身体的其他部分的触摸，可以策略性地感知局部偏转或触觉输出。可响应于检测到沿电子设备的外表面的触摸输入来提供局部偏转或触觉输出。
如上所述，当在压电元件1052(或其他类型的触觉致动器)上施加电压时，电压可诱导压电元件1052在基本上平行于内表面1004和/或外表面911的方向或平面上展开或收缩。例如，当施加电压的电极平行于内表面1004和/或外表面911而被置于压电元件1052的顶表面和底表面上时，压电元件1052的属性可以使压电元件1052沿基本上平行于内表面1004和/或外表面911的平面展开或收缩。
因为压电元件1052相对于壁931固定，所以当压电元件1052沿平行于内表面1004和/或外表面911的平面收缩时，压电元件1052可以在与内表面1004和/或外表面911正交的方向上弯曲和偏转(例如，相对于图10A朝向外表面911向右)，从而使壁931弯曲和/或偏转以提供触觉输出。触觉输出可定位到外表面911的靠近触觉致动器1051的部分(例如，相对于图10A，外表面911的位于触觉致动器1051右侧的部分)。
虽然触觉致动器1051可以是压电致动器，但在其他实施方案中也可使用不同类型的触觉致动器1051。例如，在一些实施方案中，一个或多个活塞致动器可设置在壁931内等等。在各种实施方案中，当致动信号被施加于触觉致动器1051时，触觉致动器可致动以使壁931弯曲和/或偏转以产生触觉输出。例如，致动器的活塞可以在基本上垂直于外表面911的方向上移动，以在壁931中产生偏转。触觉输出可定位到外表面911的靠近触觉致动器1051的部分。在一些实施方案中，压电致动器可以在基本上垂直于外表面911的方向上改变厚度，这继而可以使壁931弯曲和/或偏转以产生触觉输出。
压电元件1052可由适当的压电材料形成，例如钾基陶瓷(例如，铌酸钾钠、铌酸钾)、铅基陶瓷(例如，PZT、钛酸铅)、石英、铋铁氧体和其他合适的压电材料。第一电极1053、第二电极1054和导电垫1055通常由金属或金属合金形成，诸如银、银墨、铜、铜镍合金等。在其他实施方案中，可使用其他导电材料。
在一些实施方案中，使用合适的设置技术将第二电极1054和导电垫1055直接形成或沉积在内表面1004上，例如但不限于：气相沉积、溅射、印刷、卷对卷处理、凹版印刷、贴装、粘合剂、掩模蚀刻等等。
在一些实施方案中，触觉致动器1051、导电垫1055、迹线1080和/或一个或多个输入电极1060的一个或多个部件可以与壳体部件901和/或电子设备990的其他部件共烧制。例如，触觉致动器1051可以由第一陶瓷材料形成，并且壳体部件901可以由第二外壳材料形成，并且触觉致动器1051和壳体部件901可以同时加热以形成共烧结或共烧制壳体部件。在一些情况下，触觉致动器1051和壳体部件901可被加热以至少部分地烧结或熔化每个元件的相应陶瓷材料。在一些情况下，触觉致动器1051、导电垫1055、迹线1080和/或一个或多个输入电极1060的一个或多个部件在通过共烧结或共烧制过程加热在一起之前可处于未经加工、部分烧结、预烧结状态。
图10C描绘了图9所示电子设备990的沿剖面C-C截取的示例性局部剖视图。电子设备990包括输入/输出模块1050b。输入/输出模块1050b包括一个或多个触觉致动器1091，以及一个或多个输入电极1092、1094。在各种实施方案中，输入/输出模块1050b的一个或多个部件可以与壁931一体形成。例如，如图10C所示，一个或多个输入电极1092、1094可通过将所述一个或多个输入电极与壳体部件901共烧制或共烧结而一体形成在壁931内。在各种实施方案中，输入/输出模块1050b的一个或多个部件可以与壁931一体形成，即使不在壁内也是如此。例如，如图10C所示，一个或多个触觉致动器1091可通过将一个或多个输入电极与壳体部件901共烧制或共烧结而与壁931一体形成(例如，在壁931上)。
壁931限定壳体900的外表面的被配置为接收来自用户的接触的至少一部分。在壳体的壁内一体形成输入电极允许沿壳体的外表面在选定位置处进行局部触摸输入和力输入检测。在壳体的壁内一体形成触觉致动器允许沿壳体的外表面在选定位置处产生局部触觉输出(例如，壁931的局部偏转)。
如上所述，在各种实施方案中，可借助于一个或多个触觉致动器1091来提供局部触觉反馈。触觉致动器1091可类似于上文结合图10A所述的触觉致动器1051。触觉致动器1091可包括压电元件1062、第一电极1063和第二电极1064。在一些实施方案中，触觉致动器1091可包括一个或多个缓冲元件(例如，第一缓冲元件1096和第二缓冲元件1098)。如先前所提及，如果触觉致动器1051由陶瓷(例如，陶瓷压电)材料形成，则触觉致动器1051可通过与壳体900的壁931共烧制或共烧结而与壳体的结构一体形成。在一些实施方案中，触觉致动器1091定位在壁931的内表面1004上。
一条或多条信号线可以与第一电极1063和/或第二电极1064导电耦接，以将致动信号传输到每个触觉致动器1091。因此，可在压电元件1062上施加电势，其中可以向第二电极1064提供基准电压；并且可以向第一电极1063提供致动信号。在一些实施方案中，第一电极1063可耦接到基准电压，并且第二电极1064可耦接到致动信号。在各种实施方案中，基准电压可以是接地的。响应于驱动电压或信号，触觉致动器1091可沿壁931产生局部偏转或触觉输出。通过用户的手指或用户身体的其他部分的触摸，可以策略性地感知局部偏转或触觉输出。
类似于上述触觉致动器，触觉致动器1091可以相对于壁931固定。因为压电元件1062相对于壁931固定，所以当压电元件1062沿平行于内表面1004和/或外表面911的平面收缩时，压电元件1062可以在与内表面1004和/或外表面911正交的方向上弯曲和偏转(例如，相对于图10C朝向外表面911向右)，从而使壁931弯曲和/或偏转。触觉反馈可定位到外表面911的靠近触觉致动器1091的部分(例如，相对于图10C，外表面911的位于触觉致动器1091右侧的部分)。
输入电极1092、1094、1099可以类似于本文论述的输入电极(例如，输入电极1060a、1060b)。在一些实施方案中，输入电极1092、1094可例如通过将输入电极与壳体部件901共烧制而与壁931一体形成。输入电极1099可沉积在缓冲元件诸如缓冲元件1098上。
每个输入电极1092、1094、1099可以由以适于检测输入的图案布置的导电材料形成。例如，输入电极1092、1094、1099可以螺旋形状布置，例如结合图10D所述。输入电极1092、1094、1099单独或与其他电极组合可限定输入电极阵列。在一些情况下，电极阵列的至少一部分限定触摸传感器或触摸屏的定位在盖子(例如，图9的盖子902)下方的部分。
图10D描绘了示出沿剖面E-E截取的输入电极1092的示例性图案的示例性局部剖视图。图10D还描绘了示出沿剖面F-F截取的输入电极1094的示例性图案的示例性局部剖视图。如图所示，每个输入电极1092、1094、1099可以是触摸和/或应变敏感元件1090a、1090b，其可以是沉积或以其他方式形成在壁931之上或之内的导电迹线。在一些实施方案中，一个或多个输入电极响应于应变并且可被配置为产生电信号或者具有响应于施加至壁931的力的电特性(例如，电阻)。在一些实施方案中，一个或多个输入电极可被配置为产生电信号或者具有响应于沿着壁931施加的触摸输入的电特性(例如，电容)。
输入电极1092、1094、1099的布置和功能可根据具体实施而变化。在一些实施方案中，输入电极1092是触摸感测输入电极，输入电极1094和1099是力感测输入电极。在一些实施方案中，输入电极1092、1094是触摸感测和力感测电极。在一些实施方案中，输入/输出模块1050b包括输入电极1092、1094和1099的子组。例如，输入/输出模块1050b可包括触摸感测输入电极1092和力感测输入电极1094。又如，输入/输出模块1050b可包括触摸感测输入电极1092和力感测输入电极1099。
在一些实施方案中，输入电极以螺旋形状布置，例如图10D所示的元件1090a、1090b。在各种实施方案中，输入电极1092、1094的形状或几何形状可以改变。例如，输入电极可以由以对折螺旋形状、叉状或梳状构型、线性螺线形状、径向螺线形状、螺旋形状等布置的一组导电迹线形成。在这些和其他实施方案中，输入电极1092、1094可包括设置在一组或多组平行线中的导电迹线。
每个输入电极1092、1094包括或电耦接到一条或多条信号线(例如，信号迹线的一条或多条信号线)。例如，返回图10C，输入电极1092、1094可以分别耦接到一个或多个导电垫1095a、b和1093a、1060b。信号发生器可通过信号线例如经由导电垫1093、1095向每个输入电极1092、1094提供电信号。导电垫1093、1095可以由沉积在内表面1004上和/或与壁931一体形成的导电材料形成。处理电路可耦接到信号线，以检测电容触摸响应和电阻力响应。也就是说，可通过输入电极1092、1094的电容变化或多个输入电极1092、1094中的电容变化来检测触摸输入的存在和位置(参见图3B和图4B，如上所述)。此外，可利用输入电极1092、1094中的电阻变化来检测力的大小，以产生非二进制力信号或输出(参见图3C和图4C，如上所述)。
输入电极1092、1094的导电材料可包括诸如但不限于：金、铜、铜-镍合金、铜-镍-铁合金、铜-镍-锰-铁合金、铜-镍-锰合金、镍铬合金、氮化铬、复合纳米线结构、复合碳结构、石墨烯、纳米管、康铜、卡玛、硅、多晶硅、镓合金、等弹性合金等。输入电极1092、1094的导电材料可使用合适的设置技术形成或沉积在表面上，例如但不限于：气相沉积、溅射、印刷、卷对卷处理、凹版印刷、贴装、粘合剂、掩模蚀刻等等。在一些实施方案中，输入电极可以与输入/输出模块的一个或多个部件和/或壳体部件901共烧制。
信号迹线可将输入电极1092、1094、触觉致动器1091和/或电子设备990的其他部件耦接到电子设备990的一个或多个附加部件。在一些实施方案中，信号迹线耦接到设置在电子设备990的内部体积中的处理电路。
在一些实施方案中，触觉致动器1091和/或一个或多个输入电极1092、1094的一个或多个部件可以与壳体部件901和/或电子设备990的其他部件共烧制。例如，触觉致动器1091可以由第一陶瓷材料形成，并且壳体部件901可以由第二壳体材料形成，并且触觉致动器1091和壳体部件901可以同时加热以形成共烧结或共烧制壳体部件。在一些情况下，触觉致动器1091和壳体部件901可被加热以至少部分地烧结或熔化每个元件的相应陶瓷材料。在一些情况下，触觉致动器1091、接触垫1093、1095和/或一个或多个输入电极1092、1094的一个或多个部件在通过共烧结或共烧制过程加热在一起之前可处于未经加工、部分烧结、预烧结状态。
在图10A至图10B所示的示例性实施方案中，输入/输出模块1050a包括三个触觉致动器和四个输入电极。在图10C至图10D所示的示例性实施方案中，输入/输出模块1050b包括两个触觉致动器和两个输入电极。这些是示例性配置，并且在各种实施方案中，输入/输出模块可包括更多或更少的触觉致动器和/或更多或更少的输入电极。输入/输出模块1050a、1050b在图10A至图10D中示出为至少部分地设置在电子设备990的壁931中。这些是输入/输出模块的放置方式的示例。在各种实施方案中，输入/输出模块可定位在电子设备中的任何合适位置。例如，输入/输出模块可定位在电子设备的一个或多个盖子或任何其他合适部件之上或之内和/或与其一体形成。
上述各层的相对位置可根据实施方案而变化。在其他实施方案中，可省略一些层。其他层可以不是单一材料的均匀层，而是可包括附加层、涂层，以及/或者由复合材料形成。例如，绝缘层可封装输入/输出模块1050a的一个或多个部件以防止腐蚀和/或电干扰。又如，电子设备990可包括位于盖子902与壳体部件901之间的层1003。在各种实施方案中，层1003是粘合剂层和/或顺应性层。在一些实施方案中，层1003是围绕盖子902的周边形成密封(例如，水密和/或气密密封)的垫圈。电子设备可包括附加层和部件，诸如处理电路、信号发生器、电池等，为清楚起见，图10A至图10D中省略了这些附加层和部件。
如上所述，输入/输出模块可设置在任何电子设备中。在一个实施方案中，输入/输出模块设置在诸如手表的可穿戴电子设备中。图11描绘了可结合如本文所述的输入/输出模块的示例性可穿戴电子设备1100。
在例示的实施方案中，电子设备1100被实现为可穿戴计算设备(例如，电子手表)。其他实施方案可以不同方式来实现该电子设备。例如，该电子设备可以是智能电话、游戏设备、数字音乐播放器、提供时间的设备、健康助理以及包括或可连接到传感器的其他类型的电子设备。
在图11的实施方案中，可穿戴电子设备1100包括至少部分地围绕显示器1108的壳体1150、表冠1110和一个或多个按钮1112。可穿戴电子设备1100还可包括表带1104，该表带可用于将可穿戴电子设备附接到用户。显示器1108可至少部分地定位在限定于壳体1150中的开口内。盖子可设置在显示器1108上方。可穿戴电子设备1100还可包括通常是计算或电子设备的一个或多个内部部件(未示出)，诸如处理电路、存储器部件、网络接口等。图15描绘了示例性计算设备，其部件可包括在可穿戴电子设备1100中。
在各种实施方案中，可穿戴电子设备1100可包括输入/输出模块，诸如本文所述的那些。例如，输入/输出模块可定位在壁1131、显示器1108和/或设置在显示器上方的盖子、表带1104、表冠1110、按钮1112或可穿戴电子设备1100的基本上任何其他表面之上或之内。
在各种实施方案中，可穿戴电子设备1100可显示图形输出。例如，可穿戴电子设备的处理电路可指示显示器1108提供图形输出。类似地，在一些实施方案中，显示器1108被配置为接收输入作为触摸屏样式显示。在各种实施方案中，输入/输出模块可提供输出和/或检测与在显示器处提供的图形输出相关的输入、在可穿戴电子设备1100处接收的输入等等。
图12描绘了可结合如本文所述的输入/输出模块的示例性输入设备1204。输入设备1204可用于例如通过与触敏表面的交互向附加电子设备提供输入。输入设备1204可以是触笔键盘、触控板、触摸屏，三维输入系统(例如，虚拟或增强现实输入系统)或其他对应的输入结构。用户可操纵电子设备1204相对于触敏表面的取向和位置，以向附加电子设备输送信息，诸如但不限于书写、速写、滚动、游戏、选择用户界面元素、移动用户界面元素等等。触敏表面可以是适用于给定应用的多点触摸显示屏或非显示输入表面(例如，触控板或绘图板)。
图12一般性地示出了输入设备1204，其具有耦接到尖端1206的长的、窄的或细长的主体或壳体1208(但触笔的确切形状可以广泛变化)。壳体1208可以沿触笔笔身或具有被配置为由用户操纵的外表面作为书写工具的其他结构的纵向轴延伸。例如，壳体1208的外表面可以是箍、壳体或其他可由用户抓握以便将输入设备1204用作书写工具的大致圆柱形结构。尖端1206可被配置为响应于力输入而相对于壳体1208移动。
在各种实施方案中，输入设备1204可包括如本文所述的一个或多个输入/输出模块。例如，输入/输出模块可定位在壳体1208之上或之中，例如定位在壳体1208的壁之上或之中。输入/输出模块可在输入设备1204的表面处检测输入和/或提供触觉输出。
图13描绘了用于利用单个模块检测触摸输入的位置和对应于触摸输入的力的大小的示例性方法。如上所述，可通过设置在输入设备的输入/输出模块的单层上的输入电极来检测触摸输入和力输入，但这不是必需的。
方法开始于操作1302，在该操作中利用驱动信号驱动输入设备。输入电极可以由交流驱动信号或直流驱动信号驱动。在一些实施方案中，输入电极在第一时间段期间可以由第一驱动信号(例如，具有第一波形的驱动信号，其可包括A/C和/或D/C分量，并且可具有给定的幅度、形状和/或频率)驱动，并且在第二时间段期间可以由不同的第二驱动信号(例如，具有第二波形的驱动信号，其可包括A/C和/或D/C分量，并且可具有给定的幅度、形状和/或频率)驱动。在一些实施方案中，输入设备可包括一组输入电极或输入电极阵列。每个输入电极可以由驱动信号驱动，或者一些输入电极可被驱动，而另一些输入电极不被驱动。输入电极可以由同一驱动信号或者由不同的驱动信号(例如，具有不同波形的驱动信号)驱动。
接下来，在操作1304处，监测输入电极(例如，通过处理电路)。通常，监测输入电极的电参数诸如电容的变化。在输入设备包括多个输入电极的情况下，可同时监测所有输入电极，也可在不同的时间段期间监测输入电极。
接下来，在操作1306处，确定触摸位置。在监测输入电极时，可检测指示手指或其他对象已接近或接触输入设备的输入表面(例如，由盖子限定)的电容变化。可基于与检测到电容变化的输入电极对应的位置来确定触摸的位置。
接下来，在操作1308处，监测输入电极的另一电参数诸如电阻的变化。在输入设备包括多个输入电极的情况下，可同时监测所有输入电极，也可在不同的时间段期间监测输入电极。
最后，在操作1310处，确定力的大小。在监测输入电极时，可检测电阻的非二进制变化，表明已向盖子施加力。可基于检测到的电阻变化来估计或确定力的非二进制大小。在一些实施方案中，可基于与检测到电阻变化的输入电极对应的位置来确定力的位置。
应当理解，尽管上面公开了许多实施方案，但相对于方法和技术所提供的操作和步骤旨在为示例性的并且因此不是穷举的。可进一步理解的是，针对特定的实施方案可要求或者期望另选的步骤顺序或者更少的操作或附加操作。
例如，图14描绘了用于利用单个模块检测触摸的位置和对应于触摸的力的大小的另一示例性方法。
方法开始于操作1402，在该操作中利用驱动信号驱动输入设备。输入电极可以由交流驱动信号或直流驱动信号驱动。在一些实施方案中，输入设备可包括一组输入电极或输入电极阵列。每个输入电极可以由驱动信号驱动，或者一些输入电极可被驱动，而另一些输入电极不被驱动。输入电极可以由同一驱动信号或者由不同的驱动信号(例如，具有不同波形的驱动信号)驱动。
接下来，在操作1404处，监测输入电极(例如，通过处理电路)。通常，监测输入电极的电容变化。接下来，在操作1406处，确定触摸位置。在监测输入电极时，可检测电容的变化，并且可基于与检测到电容变化的输入电极对应的位置来确定触摸位置。
在可与操作1404和/或操作1406同时发生的操作1408处，监测输入电极的电阻变化。最后，在可与操作1404和/或操作1406同时发生的操作1410处，确定力的大小。在监测输入电极时，可检测电阻的非二进制变化，表明已向盖子施加力。可基于检测到的电阻变化来估计或确定力的非二进制大小。
图15描绘了根据本文所述的实施方案的电子设备的示例性部件。图15所示的示意图可以对应于图1至图10所示设备的部件，如上所述。然而，图15还可以更一般地表示具有集成输入/输出模块的其他类型的电子设备，所述集成输入/输出模块在表面处接收触摸和/或力输入并提供局部偏转。
如图15所示，设备1500包括检测触摸和/或力输入的输入电极1506。输入电极1506可从信号发生器1556接收信号，并将响应信号输出到处理电路1548。响应信号可通过电容变化指示触摸输入，并且还可通过电阻变化指示力输入。
设备1500还包括处理电路1548。处理电路1548操作性地连接到设备1500的部件，例如输入电极1506。处理电路1548被配置为基于从输入电极1506接收到的信号确定手指或触摸在设备1500的输入表面(例如，由盖子限定)上的位置。
处理电路1548还可被配置为接收来自输入电极1506的力输入，并基于从输入电极1506接收到的信号确定力的非二进制大小。根据本文所述的实施方案，处理电路1548可被配置为使用动态的或可调节的力阈值进行操作。
此外，处理电路1548可以操作性地连接到计算机存储器1550。处理电路1548可经由电子总线或桥接器而操作性地连接到存储器1550部件。处理电路1548可包括被配置为响应于计算机可读指令来执行操作的一个或多个计算机处理器或微控制器。处理电路1548可包括设备1500的中央处理单元(CPU)。除此之外或另选地，处理电路1548可包括位于设备1500内的其他处理器，包括专用集成芯片(ASIC)和其他微控制器设备。处理电路1548可被配置为执行以上示例中描述的功能。
存储器1550可包括多种类型的非暂态计算机可读存储介质，包括例如读取存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程存储器(例如，EPROM和EEPROM)或闪存存储器。存储器1550被配置为存储计算机可读指令、传感器值和其他持久性软件元素。
在该示例中，处理电路1548可操作为读取被存储在存储器1550中的计算机可读指令。计算机可读指令可使处理电路1548适于执行上文结合图1至图10所述的操作或功能。该计算机可读指令可作为计算机程序产品、软件应用程序等来提供。
设备1500还可包括被配置为向设备1500的部件提供电力的电池1558。电池1558可包括连接在一起以提供内部电力供应的一个或多个电力存储单元。电池1558可操作性地耦接到被配置为针对设备1500内的各个部件或部件组提供适当的电压和功率电平的电力管理电路。电池1558可经由电力管理电路而被配置为从外部电源诸如交流电源插座接收电力。电池1558可存储所接收到的电力，使得设备1500可在没有连接到外部电源的情况下运行延长的时间段，这段时间可在若干个小时到若干天的范围内。
在一些实施方案中，设备1500还包括显示器1502，该显示器呈现由处理电路1548生成的视觉信息。显示器1502可包括液晶显示器、发光二极管、有机发光二极管显示器、有机电致发光显示器、电泳油墨显示器等。如果显示器1502为液晶显示器或电泳油墨显示器，则显示器还可包括可被控制以提供可变水平的显示器亮度的背光源部件。如果显示器1502为有机发光二极管或有机电致发光型显示器，则可通过修改被提供至显示元件的电信号来控制显示器1502的亮度。
在一些实施方案中，设备1500包括一个或多个输入设备1560。输入设备1560是被配置为接收用户输入的设备。输入设备1560可包括例如下压按钮、触摸激活按钮等。在一些实施方案中，输入设备1560可提供专用或主要功能，包括例如电源按钮、音量按钮、home按钮、滚轮和相机按钮。通常，输入电极也可被分类为输入部件。然而，出于该例示性示例的目的，输入电极1506被示出为设备1500内的不同部件。
设备1500还可包括触觉致动器1521。触觉致动器1521可以如上所述实现，并且可以是陶瓷压电换能器。触觉致动器1521可以由处理电路1548控制，并且可被配置为向与设备1500交互的用户提供触觉反馈。
设备1500还可包括被配置为传输和/或接收来自外部或单独设备的信号或电通信的通信端口1552。通信端口1552可被配置为经由电缆、适配器或其他类型的电连接器耦接到外部设备。在一些实施方案中，通信端口1552可用于将设备1500耦接到主计算机。
设备1500还可包括信号发生器1556。信号发生器1556可操作性地连接到输入电极1506和触觉致动器1521。信号发生器1556可以将电信号传输到触觉致动器1521和输入电极1506。信号发生器1556还操作性地连接到处理电路1548。处理电路1548被配置为控制触觉致动器1521和输入电极1506的电信号的生成。在一些实施方案中，不同的信号发生器1556可连接到输入电极1506和触觉致动器1521。
存储器1550可存储可由信号发生器1556使用的电子数据。例如，存储器1550可存储电数据或内容，例如定时信号、算法以及信号发生器1556可用来产生一个或多个电信号的一个或多个不同的电信号特征。电信号特征包括但不限于电信号的幅度、相位、频率和/或定时。处理电路1548可以使一个或多个电信号特征被传输到信号发生器1556。响应于电信号特征的接收，信号发生器1556可产生与接收到的电信号特征对应的电信号。
在上述描述中，为了解释的目的，所使用的特定命名提供对所述实施方案的彻底理解。然而，对干本领域的技术人员而言将显而易见的是，实践所述实施方案不需要这些具体细节。因此，出于举例说明和描述的目的，呈现了对本文所述的具体实施方案的前述描述。它们并非旨在是穷举性的或将实施方案限制为所公开的精确形式。对于本领域的普通技术人员而言将显而易见的是，根据上述教导内容，许多修改和变型是可能的。
例如，实现功能的特征也可在物理上位于各个位置处，包括被分布成使得功能部分在不同的物理位置处实现。此外，如本文所用，包括在权利要求中，在前缀为“至少一个”的一系列项中使用的“或”指示分离性列表，使得例如“A、B或C中的至少一者”是指A或B或C，或者AB或AC或BC，或者ABC(即，A和B和C)。另外，术语“示例性”并不意味着所述示例为优选的或比其他示例更好。
Claims (27)
1.一种电子设备，包括：
盖子，所述盖子限定输入表面；
输入/输出模块，所述输入/输出模块定位在所述盖子下方并且包括：
基板；
驱动输入电极，所述驱动输入电极耦接到所述基板；
感测输入电极，所述感测输入电极耦接到与所述驱动输入电极相邻的所述基板；以及
压电元件，所述压电元件耦接到所述基板并且被配置为响应于致动信号引起所述盖子的偏转；以及
处理电路，所述处理电路可操作地耦接到所述驱动输入电极和所述感测输入电极，并且被配置为：
基于所述驱动输入电极和所述感测输入电极之间的电容变化来检测所述输入表面上的触摸；
基于所述驱动输入电极或所述感测输入电极的电阻变化来检测所述触摸的力的大小；并且
响应于所检测到的触摸或所检测到的力的大小中的至少一者而引起所述致动信号。
2.根据权利要求1所述的电子设备，其中：
响应于所述致动信号，所述压电元件沿第一方向收缩；并且
沿所述第一方向的所述收缩引起所述盖子沿横向于所述第一方向的第二方向偏转。
3.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述驱动输入电极和所述感测输入电极由以螺旋图案沉积于所述基板上的压阻材料形成。
4.根据权利要求1所述的电子设备，其中：
所述触摸在触摸对象与所述感测输入电极和所述驱动输入电极之间形成触摸电容；并且
所述触摸电容引起所述驱动输入电极和所述感测输入电极之间的电容变化。
5.根据权利要求1所述的电子设备，其中：
所述处理电路被进一步配置为利用电信号驱动所述驱动输入电极；
基于对所述电信号的电容响应来检测所述触摸；并且
基于对所述电信号的电阻响应来检测所述力的大小。
6.根据权利要求1所述的电子设备，其中：
所述处理电路被进一步配置为：
在第一时间段期间利用第一电信号驱动所述驱动输入电极；并且
在第二非重叠时间段期间利用第二电信号驱动所述驱动输入电极；
基于在所述第一时间段期间对所述第一电信号的电容响应来检测所述触摸；并且
基于在所述第二非重叠时间段期间对所述第二电信号的电阻响应来检测所述力的大小。
7.根据权利要求1所述的电子设备，其中：
所述盖子包括不透明层；
所述驱动输入电极和所述感测输入电极均包含金属；并且
所述压电元件包含不透明材料。
8.根据权利要求1所述的电子设备，其中：
所述盖子是光学透明的；
所述输入/输出模块是光学透明的；并且
所述电子设备还包括定位在所述输入/输出模块下方的显示器，所述显示器能够通过所述输入/输出模块和所述盖子看到。
9.一种确定与电子设备的输入表面上的触摸相对应的位置和力大小的方法，包括：
利用驱动信号驱动设置在基板的表面上的第一组输入电极；
监测不同于所述第一组输入电极并设置在所述基板的所述表面上的第二组输入电极对所述驱动信号和所述触摸的电容响应；
基于所述电容响应确定与所述触摸对应的位置；
监测所述第一组输入电极对所述驱动信号和所述触摸的电阻响应；以及
基于所述电阻响应确定与所述触摸对应的力的大小。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括响应于所述力的大小超过阈值，致动耦接到所述基板的压电元件。
11.根据权利要求9所述的方法，其中：
所述监测所述第二组输入电极的所述电容响应在第一时间段期间发生；
所述监测所述第一组输入电极的所述电阻响应在第二时间段期间发生；并且
所述第一时间段和所述第二时间段至少部分地重叠。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述监测所述第二组输入电极的所述电容响应在第一时间段期间发生，并且所述监测所述第一组输入电极的所述电阻响应在第二非重叠时间段期间发生。
13.根据权利要求9所述的方法，其中：
所述驱动信号包括第一时间段期间的第一波形和第二时间段期间的不同于所述第一波形的第二波形；
所述监测所述第二组输入电极的所述电容响应在所述第一时间段期间发生；并且
所述监测所述第一组输入电极的所述电阻响应在所述第二时间段期间发生。
14.根据权利要求9所述的方法，还包括响应于所述力的大小超过阈值而致动压电元件，所述致动所述压电元件包括：
使所述压电元件沿第一方向改变长度；并且
所述沿所述第一方向改变长度引起所述输入表面沿横向于所述第一方向的第二方向偏转。
15.一种输入设备，包括：
盖子，所述盖子限定所述输入设备外部的输入表面；
基板，所述基板耦接到所述盖子并且包括面向所述盖子的顶表面以及底表面；
驱动输入电极，所述驱动输入电极耦接到所述顶表面；
感测输入电极，所述感测输入电极耦接到与所述驱动输入电极相邻的所述顶表面；
压电元件，所述压电元件耦接到所述底表面并且被配置为响应于致动信号而引起所述盖子的偏转；以及
处理电路，所述处理电路可操作地耦接到所述驱动输入电极和所述感测输入电极，并且被配置为检测所述输入表面上的触摸的位置和与所述触摸对应的力的大小。
16.根据权利要求15所述的输入设备，其中
所述驱动输入电极包括第一组平行导电迹线；
所述感测输入电极包括第二组平行导电迹线；并且
所述驱动输入电极和所述感测输入电极均沉积在所述基板上。
17.根据权利要求15所述的输入设备，还包括沉积在所述底表面上的导电层；其中
所述压电元件耦接到所述导电层的底部。
18.根据权利要求17所述的输入设备，其中：
所述导电层包括导电垫阵列；并且
所述压电元件电耦接到所述导电垫阵列中的两个导电垫。
19.根据权利要求18所述的输入设备，其中所述压电元件通过各向异性导电膜耦接到所述导电垫阵列。
20.根据权利要求17所述的输入设备，其中：
所述导电层包括导电垫阵列；并且
所述压电元件的底部耦接到柔性电路层。
21.一种便携式电子设备，包括：
壳体，所述壳体具有限定所述便携式电子设备的外表面的至少一部分的壁；
显示器，所述显示器至少部分地定位在所述壳体内；
输入电极阵列，所述输入电极阵列被配置为沿所述便携式电子设备的所述外表面检测触摸输入；以及
压电元件，所述压电元件与所述壁一体形成并且被配置为响应于所述触摸输入而产生所述外表面的局部偏转。
22.根据权利要求21所述的便携式电子设备，其中：
所述便携式电子设备还包括处理电路，所述处理电路可操作地耦接到所述输入电极阵列，并且被配置为：
基于所述输入电极阵列中的至少一个输入电极的电容变化来检测所述触摸输入的位置；
基于所述至少一个输入电极的电阻变化来检测所述触摸输入的力的大小；并且
使所述压电元件响应于所检测到的触摸或所检测到的力的大小中的至少一者而产生所述局部偏转。
23.根据权利要求21所述的便携式电子设备，其中：
所述压电元件包含第一陶瓷材料；
所述壳体包含第二陶瓷材料；并且
通过将所述第一陶瓷材料与所述第二陶瓷材料共烧制，使所述压电元件与所述壁一体形成。
24.根据权利要求21所述的便携式电子设备，其中：
所述壳体限定开口；
所述便携式电子设备还包括定位在所述开口上方的盖子；并且
所述显示器至少部分地定位在所述开口内和所述盖子下方。
25.根据权利要求24所述的便携式电子设备，其中所述输入电极阵列的一部分限定定位在所述盖子下方的触摸传感器。
26.根据权利要求21所述的便携式电子设备，其中所述输入电极阵列被配置为沿所述外表面的沿所述壁定位的部分来检测所述触摸输入的位置。
27.根据权利要求21所述的便携式电子设备，其中：
响应于所述触摸输入，所述压电元件沿第一方向收缩；并且
沿所述第一方向的所述收缩引起所述外表面沿横向于所述第一方向的第二方向局部偏转。
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