CN112130692A - 触摸表面装置 - Google Patents
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Abstract
一种触摸表面装置(100)，至少包括：‑元件(102)，其包括形成触摸表面的第一面(104)和与第一面相反的第二面(106)；‑声波传感器(108)，其包括设置在两个电极之间的至少一个压电材料部分，该压电材料部分和两个电极通过形成作为褶皱的表面波纹而构造，该传感器被固定到元件的第二面上，使得褶皱的顶点或谷与元件的第二面接触；‑电子电路(118)，其耦合到传感器的电极并被配置为从旨在从传感器的电极输出的电信号中识别出在触摸表面上做出的至少一个触摸手势。
Description
技术领域
本发明的技术领域是人机接口或者HMI的领域，并且更一般地是通过触摸功能或者触感功能实现接口的空间和/或物体的领域。本发明尤其适用于在家庭自动化领域或者在恶劣环境下(例如有水、油、灰尘、雪，或者暴露于高温或低温)的HMI的制造。
背景技术
最稳健、价格适中且可塑形的触摸式方案(其能够适合于任何形状的要制成为触感的表面)采用电容传感器。电容传感器例如设置在要功能化的部分或者物体的表面上，并且可能覆盖有具有小厚度的涂层。当传感器包括电容性元件的阵列时，高级触摸功能是可能的，诸如比方说检测触摸表面上的手指滑动或者轻扫。
然而，使用电容性传感器使表面具有触感会导致若干缺点。
首先，电容式传感器的脆性阻止它们集成到构成要功能化的物体的材料中。因此，为了最佳地集成到物体上，有必要提供形成在物体表面上的印刷品以容纳传感器。此外，为将传感器固定到物体表面而实施的技术仅限于粘结(bonding)和冷却方法。
当电容式传感器覆盖有用作触摸表面的涂层时，还必须满足其他要求以避免串扰、信号/噪声比过低、误报(不需要的触发操作)、或者甚至传感器灵敏度损失的问题：
-对于可以用作涂层的材料的性质的限制，并且不得干扰传感器进行的电容检测；
-对涂层厚度的限制，厚度必须小于2mm。
如果必须使用厚度大于2mm的涂层，则传感器将受到以下限制：
-传感器复杂化；
–损失要功能化的部分的可成形性；
–扩大传感器电极的尺寸，导致传感器分辨率下降；
–扩大常规传感器设计，降低了对高级触摸功能(诸如触摸表面上的手指滑动)的评估。
存在压电传感器，即使存在厚度大于2mm的涂层，也能使表面具有触感。然而，这些传感器可寻址的触摸功能仅限于简单功能，诸如在触摸表面上按压。此外，不可变形的压电元件的使用将其使用限于平面触摸结构。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种不具有现有技术的方案的缺点的触摸或触感表面装置，其不受电容式传感器的限制，其触摸表面的厚度不限于2mm，并且适于任何触摸表面形状。
为此，本发明提供了一种触摸表面装置，至少包括：
-元件，其包括形成触摸表面的第一面和与第一面相反的第二面；
-声波传感器，其包括设置在两个电极之间的至少一个压电材料部分，该压电材料部分和两个电极通过形成作为褶皱的表面波纹或者纹波而构造，该传感器固定到元件的第二面，使得褶皱的顶点或者峰或者谷与元件的第二面接触；
-电子电路，其耦合到传感器的电极并被配置为从旨在从传感器的电极输出的电信号中识别出在触摸表面上做出的至少一个触摸或者触感手势。
在该装置中，借助于声波在元件材料中的传输来通过传感器检测触摸手势，这些声波由传感器检测并由电子电路解释。这种检测类型避免了使用电容式传感器时遇到的缺点。
该传感器包括表面波纹，这些波纹通常被称为术语“褶皱”，并且以幅度、波长和取向为特征。与平面压电传感器(即不包括褶皱)相比，褶皱为传感器提供了更大的可变形性，因此对压力具有更大的灵敏度，并且因此具有更大的检测灵敏度。通过使用这种具有褶皱的传感器，能够在不影响触摸检测的情况下使固定有传感器的元件具有大于2mm的厚度，并且能够检测复杂的触摸手势，诸如检测在接触表面上的手指滑动。
此外，褶皱使传感器能够检测复杂的触摸功能，诸如在触摸表面上的手指滑动或者不同的按压类型(长、短、同时用几个手指等)。
这种装置的优点在于，对使用条件(热，冷，雨，触摸表面上存在灰尘和/或油，带手套使用装置等)不敏感，只要所检测到的声波不受这些使用条件的影响。例如，与在霜冻出现在传感器表面时(当传感器暴露于小于0℃的温度时)立即不再操作的电容式传感器不同，即使暴露于小于0℃的温度，本申请提供的装置仍可以操作。
该装置还具有以下优点：由于在表面上没有容纳传感器的印刷品并且对元件的形成接触表面(可能由金属、塑料、木材等制成)的材料的性质没有限制，因此在触摸表面的设计上提供了更大的自由度，因为与电容传感器不同，元件的介电常数对声波传感器没有影响。该元件可以具有复杂的几何形状，例如包括一个或多个曲率，或者具有任何形状(平行六面体、锥体等)。
术语“元件”用于指代借助于声波传感器进行触摸或者触感功能化的任何类型的物体、结构或者部件。
电极包括至少一种导电材料，例如至少一种金属。
有利地，传感器的褶皱可以是循直线进行的或者直的，并且彼此平行。这种褶皱非常适于检测手指在触摸表面上沿着基本垂直于褶皱取向的方向滑动。
有利地，压电材料可以对应于陶瓷材料，即无机材料。与聚合物压电材料不同，这种压电材料具有适当承受高温(高于约300℃)的优点。陶瓷压电材料的使用特别地使得传感器能够集成在通过热成型或者任何涉及在较高温度下实施步骤的其他方法制成的元件中。
传感器可以通过至少一个粘结层固定到元件的第二面上，或者传感器可以集成到元件中。将传感器集成到元件中的优点尤其在于，由此从元件的外部看不见传感器，并且传感器可以在元件的所有面上受到保护。
所述元件可以在第一面和第二面之间并且抵靠传感器形成具有大于2mm的厚度的层。在使用包括褶皱的压电传感器的情况下，这种较大厚度是可能的。元件的这种较大厚度为装置提供了更大的强度，并为传感器提供了更大的保护，例如防止破坏。
褶皱可以具有大于10μm的周期。这样的周期使得可以使传感器很好地适于检测由抵靠装置的触摸表面做出的手势所产生的声波。
该装置可以包括固定到元件的第二面的多个声波传感器。通过将多个声波传感器耦合到元件的第二面，可以检测复杂的触摸手势或者获取其他信息，例如手指在元件的触摸表面上滑动的方向。
根据第一实施例，当装置包括多个传感器时，每个传感器的压电材料部分可以与其他传感器的压电材料部分不同，即分离或者间隔开，并且每个传感器的电极可以与其他传感器的电极不同。
根据第二实施例，当装置包括多个传感器时，所有传感器的压电材料部分可以由所有传感器共用的单个连续压电层形成，并且每个传感器的电极中的至少一个可以与其他传感器的电极不同。
电子电路可以被配置为根据与褶皱延伸方向基本垂直的方向来识别手指在触摸表面上的滑动。
传感器的厚度可小于100μm。这种传感器可以安装在薄的元件上。
本发明还涉及一种用于制造触摸表面装置的方法，包括以下步骤：
-提供至少一个声波传感器，该声波传感器包括设置在两个电极之间的至少一个压电材料部分，该压电材料部分和两个电极通过形成作为褶皱的表面波纹而构造；
-提供至少一个元件，该元件包括旨在形成触摸表面的第一面和与该第一面相反的第二面；
-将传感器固定到元件的第二面，以使褶皱的顶点或者峰或者谷与元件的第二面接触；
-将传感器的电极耦合到电子电路，该电子电路被配置为从旨在从传感器的电极输出的电信号中识别出在触摸表面上做出的至少一个触摸手势。
根据第一实施例，将传感器固定到元件的第二面可以包括将传感器抵靠元件的第二面而粘结。
根据第二实施例，提供元件并将传感器固定到元件的第二面可以包括：
-将传感器定位在支撑件上；
-对所述元件进行热成型或者注射成型，在热成型或者注射成型期间所述传感器抵靠所述第二面而定位，并且在热成型或者注射成型结束时所述传感器集成到所述元件中。
附图说明
通过阅读参照附图给出的示例性实施例的描述，将更好地理解本发明，所述描述是通过纯粹指示而不是限制目的给出的，在附图中：
-图1和图2分别示出了根据第一实施例的本发明的主题的触摸表面装置的传感器的截面图和俯视图；
-图3示出了根据第一实施例的本发明的主题的触摸表面装置；
-图4和图5示出了根据第二实施例的本发明的主题的触摸表面装置；
-图6至图9示出了在本发明的主题的装置的触摸表面上做出触摸手势期间获得的电信号的示例；
-图10和图11示出了根据替代实施例的本发明的主题的触摸表面装置；
-图12示出了在本发明的主题的装置的触摸表面上做出触摸手势期间获得的电信号的示例。
在下文中描述的不同附图的相同、相似或者等同的部分具有相同的附图标记，以便于从一个附图换到另一个附图。
为了使附图更清晰，图中所示的不同部分不必按相同比例绘制。
不同的可能性(替代方案和实施方案)应理解为彼此不排斥，并且可以彼此结合。
具体实施方式
在下文中结合图1至图3描述根据第一实施例的触摸表面装置100。图1对应于装置100的声波传感器108的截面图。图2对应于传感器108的俯视图。图3对应于装置100的立体图。
装置100包括具有第一面104的元件102。第一面104形成装置100的触摸表面或者触感表面，即装置100的用户要在其上做出触摸手势(按压、滑动等)的表面。元件102还包括与第一面104相反的第二面106。元件102可以为任何形状。在图3所示的示例中，元件102是弯曲的。
在第一实施例中，面104、106之间的距离(本文中对应于由元件102形成的层的厚度e)大于2mm。
装置100包括声波传感器108。传感器108包括设置在两个电极112、114之间的压电材料部分110，以确保收集在该部分110的压电材料变形时由压电效应产生的电荷。
有利地，部分110的压电材料对应于陶瓷材料，即无机材料，例如AlN、PZT、ZnO、LiNbO3、LiTaO3、KNbO3、石英，SrTiO3、BaTiO3或者硅酸铝(langasite)。可替代地，如果在制造装置100时压电材料没有暴露于较高的温度，则压电材料可以是聚合物，例如P(VDF-TrFE)。
电极112、114各自包括例如金属材料，诸如铝、钨、钛、铜、镍、铂、钯、金、银或者这些金属中的几种的合金。可能的是，电极112、114中的一个或每个可以是金属多层元件，该元件包括一个或多个扩散阻挡层，包括例如TiN和/或TaN和/或WN。电极112、114中的一个或每个还可以包括至少一种透明导电氧化物，其例如对应于以下材料之一：氧化铟锡(ITO)、掺杂氟的氧化锡(FTO)、掺杂的氧化锌、导电聚合物(诸如聚(3,4-乙撑二氧噻吩)或PEDT，聚(3,4-乙撑二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸盐)或PEDOT：PSS，聚(4,4-二辛基环戊二噻吩))。电极112、114中的一个或每个可以对应于基于2D材料的层，诸如石墨烯或者包括碳纳米管(CNT)。
传感器108的长度L例如在1mm与元件102的第二面106的长度之间。传感器108的宽度l例如在0.5mm与元件102的第二面106的宽度之间。压电材料部分110的厚度例如在500nm至20μm之间。电极112(对应于设置在与第二面106相对的一侧上的电极)可以具有在大约2μm与100μm之间的厚度。电极112的表面积可以等于压电材料部分110的表面积，或者大于压电材料部分110的表面积(电极112的一部分可以与元件102直接接触)。电极114(对应于设置在第二面106一侧上的电极，抵靠元件102)可以具有在约3nm与2μm之间的厚度。电极114的表面积可以在约50μm×50μm与压电材料部分110的表面积之间。传感器108的厚度(在图1中用“a”表示)(其对应于部分110以及电极112和电极114的厚度的总和)优选地小于100μm。举例来说，传感器108可以具有以下特征：
-长度L＝10mm；
-宽度l＝3mm；
-部分110的厚度＝1μm；
-电极112的厚度(设置在与面106相对的一侧上)＝4μm；
-电极114的厚度(设置在面106的一侧上，抵靠元件102)＝50nm。
无论元件102的形状如何，传感器108都抵靠与元件102的接触表面相反的面而设置。
压电层110和电极112、114通过形成作为褶皱的表面波纹而构造。在本文描述的示例性实施例中，褶皱是循直线进行的并且彼此平行(并且平行于图1中所示的轴线Y)。褶皱具有例如等于10μm的幅度A和周期λ。有利的是，周期λ大于10μm，例如等于50μm。周期λ的值与幅度A的值成比例。幅度A对应于传感器108的同一层的峰-峰高度2A的一半。褶皱的顶点或者峰使用附图标记116表示，并且褶皱的谷用附图标记117表示。周期λ对应于两个相邻顶点或者峰116之间的距离。
例如在文献WO 2015/055788 A1、WO 2015/055783 A1和WO 2015/055786 A1中描述了被实施以形成传感器108，更具体地形成褶皱116的方法的示例，并且可用于制造本文所描述的传感器108。
传感器108被固定到元件102的第二面106，使得褶皱的顶点或者峰116与第二面106接触。在本文描述的第一实施例中，传感器108通过粘结，即通过插入在传感器108和第二面106之间的粘结层(在图1至图3中不可见)，固定到第二面106。可以实施其他粘结类型以将传感器108抵靠元件102的第二面106而固定。
根据第二实施例，传感器108被集成到元件102中并且至少部分地被元件102包围。在该第二实施例中，元件102例如通过热成型制成。在这种情况下，传感器108设置在元件102中，即被元件102的材料完全包围。元件102的传感器108抵靠其而设置的面与形成元件102的外表面的第二面106不对应，而是对应于附图标记为107的面，该面107在元件102的材料部分之内(即内部)形成，并且电极114抵靠该面107而设置。图4和图5示意性地示出了根据该第二实施例的装置100。
根据第三实施例，类似于根据前述两个实施例之一的前述集成，传感器108可以抵靠中间元件而集成或者集成到中间元件中。然后可以通过任何机械附接装置(例如螺钉、铆钉、附接夹等)将该中间元件组装到元件102。在这种情况下，传感器108实际上耦合到元件102，以使褶皱的顶点或者峰或者谷经由中间元件与元件102的第二面接触。
在先前描述的三个实施例中，装置100还包括连接至传感器108的电极112、114的电子电路118。电路118被配置为从通过传感器108从电极112、114输出的电信号中识别出在元件102的触摸表面上(即在第一面104上)做出的一个或多个触摸手势。有利地，电子电路118可以被配置为沿着基本垂直于褶皱116延伸方向的方向识别出在第一面104上的手指滑动。在第二实施例中，将电极112、114连接到电子电路118的电连接穿过元件102。
除了在第一面104上的手指滑动运动之外，根据先前描述的两个实施例的装置100还能够识别出在第一面104上做出的其他触摸手势，例如在第一面104上(长或者短)按压和释放一个或多个手指的运动、接触运动、振动运动等。
图6示出了在装置100的触摸表面104上的振动期间在传感器108的电极112、114之间获得的电信号的示例。
图7示出了在将手指短按压在装置100的触摸表面104上期间在传感器108的电极112、114之间获得的电信号的示例。
图8示出了在将手指长按压在装置100的触摸表面104上期间在传感器108的电极112、114之间获得的电信号的示例。
图9示出了在手指在装置100的触摸表面104上滑动期间在传感器108的电极112、114之间获得的电信号的示例。
所有这些信号显示出不同的特性(峰之间的不同间隔、峰的重复等)，电子电路118经由实施对这些信号的处理来使用这些特性来识别出在装置100的触摸表面上做出的触摸手势的类型。本文没有描述该处理的细节，但是本领域技术人员可以容易地实施该处理，例如，经由对由装置100的传感器的电极输出的电信号进行数字和/或计算机处理。
为了制造根据第一实施例的装置100，首先将传感器108和元件102彼此独立地制造，并且然后将传感器108设置在临时基板上，并且使用例如粘结层使传感器108抵靠元件102的第二面106而粘结。然后可以移除临时基板。然后将传感器108的电极112、114耦接到电子电路118。
为了制造根据第二实施例的装置100，首先制造传感器108，并且然后通过将传感器108集成到元件102中来制造元件102。为此，传感器108可以定位在支撑件上，并且然后可以通过围绕传感器108热成型来制造元件102。可以在元件102中形成开口以接近电极112、114。然后，将传感器108的电极112、114耦接到电子电路118。
除了热成型之外，取决于所用材料的性质和元件102的几何特性，可以通过其他技术来制造元件102，例如模制、冷冻铸造、浸渍或渗入，热解、带铸、注射或挤出成型、吹塑或发泡过程、组装、喷墨、气溶胶喷涂、沉积等。
在两个先前描述的实施例中，装置100包括单个传感器108，该单个传感器108抵靠元件102的第二面106或者107而设置。可替代地，装置100可以包括与第二面106或者107接触的多个传感器108。
图10示意性地示出了装置100的第一示例性实施例，该装置100包括抵靠同一元件102的第二面106彼此相邻布置的多个传感器108。传感器108用于一起使元件102的第一面104功能化。在该第一示例性实施例中，传感器108包括压电材料部分110和电极112、114，压电材料部分110和电极112、114从一个传感器到另一个传感器是不同的。换而言之，每个传感器108的压电材料部分110与其他传感器108的压电材料部分110间隔开和分离。类似地，每个传感器108的电极112、114也与其他传感器108的电极112、114间隔开和分离。
图11示意性地示出了装置100的第二示例性实施例，该装置100包括抵靠同一元件102的第二面106彼此相邻布置的多个传感器108。与在第一示例性实施例中一样，传感器108用于一起使元件102的第一面104功能化。在该第二示例性实施例中，传感器108的压电材料部分110由所有传感器108共有的单个连续压电层形成。此外，每个传感器108的电极112、114中的至少一个与其他传感器108的电极不同，即与其他传感器108的电极分离并且间隔开。在图11所示的示例中，每个传感器108的电极114由同一层的连续导电材料形成并且对于所有传感器108共用(形成所有传感器108共用的电极)，每个传感器108的电极112由与形成其他传感器108的电极112的导电材料部分不同且间隔开的导电材料部分形成。
无论装置100的示例性实施例如何，使用与同一表面相关联的多个传感器108使得能够识别更复杂的触摸手势，例如检测触摸表面上的多个同时不同的按压动作或者检测手指在触摸表面上的滑动方向及其速度。
当装置100包括多个传感器108时，这些传感器的褶皱可以沿着相同方向或者沿着不同方向取向。例如，装置100可以包括两个传感器108，两个传感器108固定到第二面106并且被定位为使得两个传感器108的褶皱彼此垂直地取向。在这种情况下，装置100很好地适于区分在装置100的触摸表面上沿着彼此垂直的两个方向的滑动运动，例如，沿着上下方向的滑动和沿着左右方向的滑动。可以考虑装置100的第二面106上的传感器108的其他组合。
图12示出了在手指在装置100的触摸表面上滑动期间跨装置100的两个传感器108获得的电信号的示例。两个传感器108的存在使得能够根据两个信号之间的时间偏移在装置100的触摸表面上识别手指滑动方向。
装置100可以包括可将元件102组装到其上的一个或多个其他部分或元件。传感器108可以特别地介于元件102与装置100的一个或多个其他元件之间。
当装置100对应于先前描述的第二实施例时，也就是通过将传感器108集成到装置100的元件102中时，在装置100的同一表面上也可以存在多个传感器108。
无论示例性实施例如何，本发明都可以使具有触摸功能的物体、结构或者部分的表面功能化。因此，在设置有这些触摸功能后，表面变得对触摸负载敏感，并且可以直接或者间接地触发对这些负载的响应。该响应可以包括触觉(例如，触感和/或视觉和/或音频和/或机械的)反馈和/或触发一个或多个动作，例如机械的动作(诸如打开/关闭系统)和/或电的动作(诸如照明系统的开启、关闭或灯光变化)。
Claims (13)
1.一种触摸表面装置(100)，至少包括：
-元件(102)，其包括形成所述触摸表面的第一面(104)和与所述第一面(104)相反的第二面(106、107)；
-声波传感器(108)，其包括设置在两个电极(112、114)之间的至少一个压电材料部分(110)，所述压电材料部分(110)和两个电极(112、114)通过形成作为褶皱的表面波纹而构造，所述传感器(108)固定到所述元件(102)的所述第二面(106、107)，使得所述褶皱的顶点或谷(116)与所述元件(102)的所述第二面(106、107)接触；
-电子电路(118)，其耦合到所述传感器(108)的所述电极(112、114)，并且被配置为从旨在从所述传感器(108)的所述电极(112、114)输出的电信号中识别出在所述触摸表面上做出的至少一个触摸手势。
2.根据权利要求1所述的装置(100)，其中，所述传感器(108)的所述褶皱是循直线进行的并且彼此平行。
3.根据权利要求1或2中的一项所述的装置(100)，其中，所述压电材料对应于陶瓷材料。
4.根据权利要求1或2中的一项所述的装置(100)，其中，所述传感器(108)通过至少一个粘结层被固定到所述元件(102)的所述第二面(106)，或者其中，所述传感器(108)被集成到所述元件(102)中。
5.根据权利要求1或2中的一项所述的装置(100)，其中，所述元件(102)在所述第一面(104)与所述第二面(106、107)之间并且抵靠所述传感器(108)形成具有大于2mm厚度的层。
6.根据权利要求1或2中的一项所述的装置(100)，其中，所述褶皱具有大于10μm的周期。
7.根据权利要求1或2中的一项所述的装置(100)，包括固定到所述元件(102)的所述第二面(106、107)的多个声波传感器(108)。
8.根据权利要求7所述的装置(100)，其中，每个传感器(108)的所述压电材料部分(110)不同于其他传感器(108)的所述压电材料部分(110)，并且其中，每个传感器(108)的所述电极(112、114)与其他传感器(108)的所述电极(112、114)不同。
9.根据权利要求7所述的装置(100)，其中所有传感器(108)的所述压电材料部分(110)由所有传感器(108)共有的单个连续压电层形成，并且其中每个传感器(108)的电极(112)中的至少一个与其他传感器(108)的电极(112)不同。
10.根据权利要求1或2中的一项所述的装置(100)，其中，所述传感器(108)具有小于100μm的厚度。
11.一种用于制造触摸表面装置(100)的方法，包括以下步骤：
-提供至少一个声波传感器(108)，所述声波传感器(108)包括设置在两个电极(112、114)之间的至少一个压电材料部分(110)，所述压电材料部分(110)和两个电极(112、114)通过形成作为褶皱的表面波纹而构造；
-提供至少一个元件(102)，所述元件(102)包括用于形成所述触摸表面的第一面(104)和与所述第一面(104)相反的第二面(106、107)；
-将所述传感器(108)固定到所述元件(102)的所述第二面(106、107)，以使所述褶皱的顶点或谷(116)与所述元件(102)的所述第二面(106、107)接触；
-将所述传感器(108)的所述电极(112、114)耦合到电子电路(118)，所述电子电路被配置为从旨在从所述传感器(108)的所述电极(112、114)输出的电信号中识别出在所述触摸表面上做出的至少一个触摸手势。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述传感器(108)固定到所述元件(102)的所述第二面(106)包括将所述传感器(108)抵靠所述元件(102)的所述第二面(106)而粘结。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，提供所述元件(102)并将所述传感器(108)固定到所述元件(102)的所述第二面(107)包括：
-将所述传感器(108)定位在支撑件上；
-对所述元件(102)进行热成型或注射成型，在所述热成型或注射成型期间所述传感器(108)抵靠所述第二面(107)而定位，并且在所述热成型或注射成型结束时所述传感器(108)集成到所述元件(102)中。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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