CN113238679B - 触觉传感器及其制作方法、驱动方法、电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种触觉传感器及其制作方法、驱动方法、电子设备，本发明实施例提供的触觉传感器通过在基板表面设置叠层设置且相互绝缘的至少两个触觉传感单元，且各触觉传感单元在基板上的正投影具有交叠区域，这样相当于在基板的垂直空间上叠加至少两个触觉传感单元，就可以将叠加的至少两个触觉传感单元设置在基板的某一区域，相比于现有技术中各触觉传感单元阵列排布在基板上，本发明实施例可以节省触觉传感器占据基板表面的面积。这样当本发明实施例的触觉传感器与显示面板相结合时，可以提高整体透过率；当本发明实施例的触觉传感器与触控面板相结合时，可以避免与触控膜走线相重叠，互不干扰，从而有效增加触觉交互区。
Description
技术领域
本公开涉及传感器技术领域，特别涉及一种触觉传感器及其制作方法、驱动方法、电子设备。
背景技术
基于压电材料的触觉再现器件，可以通过压电片和玻璃背板产生的共振来调节表面摩擦力，从而在玻璃表面实现物体的纹理再现。
发明内容
本公开实施例提供的一种触觉传感器，包括：基板，以及位于所述基板表面上叠层设置且相互绝缘的至少两个触觉传感单元；其中，各所述触觉传感单元在所述基板上的正投影具有交叠区域。
可选地，在本发明实施例提供的上述触觉传感器中，沿所述基板表面指向远离所述基板表面的垂直方向上，各所述触觉传感单元的尺寸依次减小，远离所述基板的触觉传感单元在所述基板上的正投影位于靠近所述基板的触觉传感单元在所述基板上的正投影范围内。
可选地，在本发明实施例提供的上述触觉传感器中，各所述触觉传感单元的尺寸相同，各所述触觉传感单元在所述基板上的正投影完全重叠。
可选地，在本发明实施例提供的上述触觉传感器中，每一所述触觉传感单元包括：在所述基板上层叠设置的底电极和顶电极，以及位于所述底电极和所述顶电极之间的压电材料层。
可选地，在本发明实施例提供的上述触觉传感器中，各所述触觉传感单元的顶电极与相互独立的交流信号端电连接，各所述触觉传感单元的底电极接地。
可选地，在本发明实施例提供的上述触觉传感器中，所述底电极和所述顶电极均为面状电极。
可选地，在本发明实施例提供的上述触觉传感器中，所述底电极和所述顶电极的形状均包括圆形或方形。
可选地，在本发明实施例提供的上述触觉传感器中，相邻两个所述触觉传感单元之间具有绝缘层，所述绝缘层在所述基板上的正投影至少覆盖所述顶电极在所述基板上的正投影。
相应地，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括上述任一项所述的触觉传感器，所述触觉传感器中的基板复用为所述电子设备中的盖板，所述基板中远离所述触觉传感单元的表面为触摸面。
可选地，在本发明实施例提供的上述触觉传感器中，所述电子设备具有显示功能，所述底电极和所述顶电极的材料均为透明导电材料。
可选地，在本发明实施例提供的上述触觉传感器中，所述电子设备具有触控功能，所述底电极和所述顶电极的材料均为金属材料。
相应地，本发明实施例还提供了一种上述任一项所述的触觉传感器的制作方法，包括：
在基板表面上制作叠层设置且相互绝缘的至少两个触觉传感单元；其中，各所述触觉传感单元在所述基板上的正投影具有交叠区域。
可选地，在本发明实施例提供的上述触觉传感器中，采用沉积的方式在相邻所述触觉传感单元之间制作绝缘层；其中，调整所述绝缘层的沉积温度，以使相邻所述绝缘层的应力抵消。
相应地，本发明实施例还提供了一种上述任一项所述的触觉传感器的驱动方法，包括：
获取基板在不同振动模态下对应的频率；
根据需要的基板的振动模态，确定待施加不同激励信号的至少两个所述触觉传感单元；
向确定的至少两个所述触觉传感单元施加对应的所述激励信号。
本发明实施例的有益效果：
本发明实施例提供一种触觉传感器及其制作方法、驱动方法、电子设备，本发明实施例提供的触觉传感器通过在基板表面设置叠层设置且相互绝缘的至少两个触觉传感单元，且各触觉传感单元在基板上的正投影具有交叠区域，这样相当于在基板的垂直空间上叠加至少两个触觉传感单元，就可以将叠加的至少两个触觉传感单元设置在基板的某一区域，相比于现有技术中各触觉传感单元阵列排布在基板上，本发明实施例可以节省触觉传感器占据基板表面的面积。这样当本发明实施例的触觉传感器与显示面板相结合时，可以提高整体透过率；当本发明实施例的触觉传感器与触控面板相结合时，可以避免与触控膜走线相重叠，互不干扰，从而有效增加触觉交互区。
附图说明
图1为现有技术中触觉传感器的一种平面示意图；
图2为图1中沿AA’方向的截面示意图；
图3为现有技术中触觉传感器的又一种平面示意图；
图4为本发明实施例提供的一种触觉传感器的平面示意图；
图5为图4中沿AA’方向的一种截面示意图；
图6为图4中沿AA’方向的又一种截面示意图；
图7为本发明实施例提供的又一种触觉传感器的平面示意图；
图8A为图6的结构对应的基板的一种振动模态；
图8B为图8A对应的等效示意图；
图9A为图6的结构对应的基板的又一种振动模态；
图9B为图9A对应的等效示意图；
图10为图8A和图9A的叠加示意图；
图11为本发明实施例提供的触觉传感器的驱动方法示意图。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。并且在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“内”、“外”、“上”、“下”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
需要注意的是，附图中各图形的尺寸和形状不反映真实比例，目的只是示意说明本公开内容。并且自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
如图1所示，图1为现有的触觉再现器件平面排布单层压电片的结构，其中基板尺寸为26mm*35mm*0.5mm，该基板1上排布着三列压电片。如图2所示，图2为图1中AA’方向截面示意图，从上到下的结构为基板1、底电极2、压电层3和顶电极4。如图3所示，图3为图1中触觉再现器件的电信号连接方式，因整面都是底电极2，任意接出一点接地，顶电极4施加一个正弦连续波，其频率与基板1的固有频率相一致。但是目前现有的触觉再现器件都是在基板上制备单层压电片或者压电薄膜，需要较大的平面空间来排布压电阵列来实现多模态叠加，其占据基板表面积较大，影响透光率。
有鉴于此，本发明实施例提供了一种触觉传感器，如图4-图6所示，图4为触觉传感器的平面示意图，图5和图6分别为图4中沿BB’方向延伸的两种截面示意图，该触觉传感器包括：基板10，以及位于基板10表面上叠层设置且相互绝缘的至少两个触觉传感单元20(以4个为例)；其中，各触觉传感单元20在基板10上的正投影具有交叠区域。
本发明实施例提供的上述触觉传感器，通过在基板表面设置叠层设置且相互绝缘的至少两个触觉传感单元，且各触觉传感单元在基板上的正投影具有交叠区域，这样相当于在基板的垂直空间上叠加至少两个触觉传感单元，就可以将叠加的至少两个触觉传感单元设置在基板的某一区域，相比于现有技术中各触觉传感单元阵列排布在基板上，本发明实施例可以节省触觉传感器占据基板表面的面积。这样当本发明实施例的触觉传感器与显示面板相结合时，可以提高整体透过率；当本发明实施例的触觉传感器与触控面板相结合时，可以避免与触控膜走线相重叠，互不干扰，从而有效增加触觉交互区。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述触觉传感器中，如图5所示，沿基板10表面指向远离基板10表面的垂直方向上，各触觉传感单元20的尺寸可以依次减小，远离基板10的触觉传感单元20在基板10上的正投影位于靠近基板10的触觉传感单元20在基板10上的正投影范围内。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述触觉传感器中，如图6所示，各触觉传感单元20的尺寸可以相同，各触觉传感单元20在基板10上的正投影完全重叠。
需要说明的是，上述所说的正投影完全重叠不是绝对的完全重叠，也可以存在一定的误差。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述触觉传感器中，如图5和图6所示，每一触觉传感单元20包括：在基板10上层叠设置的底电极21和顶电极22，以及位于底电极21和顶电极22之间的压电材料层23。具体地，如图5和图6所示，膜层结构为基板10上叠加四层压电材料层23，每个压电材料层23具有底电极21和顶电极22，底电极21和顶电极22用于驱动。即本发明将基板10平面上阵列排布的触觉传感单元20叠加到基板10的一个区域上，每个触觉传感单元20都可以单独进行电信号控制，并且每一触觉传感单元20均可带动基板10振动，通过对每个触觉传感单元20分别施加不同频率的激励信号，例如分别施加V1、V2、V3、V4电压时，可以获得基板10不同的振动模态，叠层的触觉传感单元20结构可以实现基板多模态的叠加，从而实现触觉纹理再现。
具体地，由于触觉传感单元20的各膜层一般比较薄，因此各触觉传感单元20之间不会互相串扰。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述触觉传感器中，如图5和图6所示，各触觉传感单元20的顶电极22与相互独立的交流信号端电连接，例如沿基板10表面指向远离基板10表面的方向上，各触觉传感单元20的顶电极22分别与相互独立的交流信号端(V1、V2、V3、V4)电连接，各触觉传感单元20的底电极21接地。由于各触觉传感单元20的顶电极22与相互独立的交流信号端电连接，每个触觉传感单元20都可以单独进行电信号控制，从而通过对每个触觉传感单元20分别施加不同频率的激励信号，例如分别施加V1、V2、V3、V4电压时，可以获得基板10不同的振动模态，叠层的触觉传感单元20结构可以实现基板多模态的叠加，从而实现触觉纹理再现。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述触觉传感器中，各触觉传感单元中的底电极和顶电极可以均为面状电极。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述触觉传感器中，各触觉传感单元中的底电极和顶电极的形状均包括但不限于圆形或方形。具体地，本发明实施例提供的图4所示的结构中是以底电极21和顶电极22的形状为方形为例进行示意的。当然底电极21和顶电极22的形状也可以为圆形，如图7所示，例如叠层设置的至少两个触觉传感单元设置在基板10上的拐角区域，可以节省触觉传感器占据基板10表面的面积。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述触觉传感器中，触觉传感单元中的底电极和顶电极的材料可以使用金属电极，如Au、Pt等；也可以使用透明氧化物电极，如ITO、LaNiO3等；具体材料根据触觉传感器的实际应用进行选择。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述触觉传感器中，触觉传感单元中的压电材料层可以使用锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)，也可以使用AlN、LiNbO3、ZnO和聚偏氟乙烯(PVDF)等压电材料。在具体实施时，本发明实施例更优选使用压电性能最优异的PZT材料。压电材料层可以使用溶胶、磁控溅射(sputter)、脉冲激光沉积(PLD)等方法进行制备，压电材料层的膜层厚度通常可以为2微米左右。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述触觉传感器中，如图5和图6所示，相邻两个触觉传感单元20之间具有绝缘层30，绝缘层30在基板10上的正投影至少覆盖顶电极22在基板10上的正投影，从而可以使相邻两个触觉传感单元20绝缘设置。具体地，绝缘层30的材料可以为SiN、SiO2或者光刻胶等材料。
下面对本发明实施例提供的触觉传感器实现纹理再现的原理进行说明：
以图6所示的结构为例，基板10在受到特定频率的电信号激励时，会共振为特定的形状，对于该基板10，当对最靠近基板10的压电材料层23施加频率为32.4KHz的V1信号时，基板10在X方向上呈现出具有6node(node为振动曲线与X轴的交点)的振动模态，如图8A和图8B所示，图8A为施加频率为32.4KHz的V1信号时的振动仿真示意图，图8B为图8A的等效示意图，每个node点保持不动，node点之间的位置上下振动，形成波峰和波谷；当波峰和波谷的位移量大于1微米时，当手指在基板10上滑动，可以明显感觉到基板表面更光滑。当对另外一行压电材料层23施加频率为23.8KHz的V2信号时，在Y方向上出现了4node的振型，如图9A和图9B所示，图9A为施加频率为23.8KHz的V2信号时的振动仿真示意图，图9B为图9A的等效示意图。若同时激励两行压电材料层23(即同时施加V1和V2)，分别施加频率为32.4KHz和23.6KHz的连续正弦波时，图8A和图9A的固有模态就会出现叠加，如图10所示，呈现出特有的方格纹路，从而实现触觉纹理再现。这种纹路一般很难通过单一频率的电信号激发产生，须两种或者两种以上的模态来进行叠加，从而产生更丰富的振动模态。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括上述任一项的触觉传感器，图5和图6所示的触觉传感器中的基板10可以复用为电子设备中的盖板，该基板10中远离触觉传感单元20的表面为触摸面。由于该电子设备解决问题的原理与前述一种触觉传感器相似，因此该电子设备的实施可以参见前述触觉传感器的实施，重复之处不再赘述。该电子设备可以为：手机、平板电脑、电视机、显示器、笔记本电脑、数码相框、导航仪等任何具有显示或触控功能的产品或部件。
在具体实施时，本公开实施例提供的上述电子设备还可以包括本领域技术人员熟知的其他膜层，在此不做详述。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述电子设备中，当该电子设备具有显示功能时，图5和图6所示的触觉传感器中的底电极21和顶电极22的材料可以均为透明导电材料，如ITO、LaNiO3等，透明导电材料可以提高整体透过率。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述电子设备中，当该电子设备具有触控功能时，图5和图6所示的触觉传感器中的底电极21和顶电极22材料可以均为金属材料，如Au、Pt等，由于金属材料电阻小，有利于减少电激励振动时电阻的产热。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种上述触觉传感器的制作方法，包括：
在基板表面上制作叠层设置且相互绝缘的至少两个触觉传感单元；其中，各触觉传感单元在基板上的正投影具有交叠区域。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述触觉传感器中，采用沉积的方式在相邻触觉传感单元之间制作绝缘层；其中，调整绝缘层的沉积温度，以使相邻绝缘层的应力抵消。具体地，绝缘层的材料可以为SiN、SiO2或者光刻胶等材料，例如SiN在高温(如390℃)沉积时为拉应力，在中低温(如200℃)沉积时为压应力。通过控制绝缘层的沉积温度，可以有效降低器件结构中产生的整体应力。因此在制作位于相邻触觉传感单元之间的绝缘层时，可通过沉积的方式(例如PECVD方式)在不同制备温度下来调控绝缘层的应力，以使相邻绝缘层的应力抵消，避免了多膜层叠加产生过大的应力，而使基板产生翘曲甚至破裂。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种上述触觉传感器的驱动方法，如图11所示，包括：
S1101、获取基板在不同振动模态下对应的频率；
S1102、根据需要的基板的振动模态，确定待施加不同激励信号的至少两个触觉传感单元；
S1103、向确定的至少两个触觉传感单元施加对应的激励信号。
本发明实施例提供的上述触觉传感器的驱动方法，通过对每个触觉传感单元分别施加不同频率的激励信号，可以获得基板不同的振动模态，叠层的触觉传感单元结构可以实现基板多模态的叠加，从而实现触觉纹理再现。
本发明实施例提供一种触觉传感器及其制作方法、驱动方法、电子设备，本发明实施例提供的触觉传感器通过在基板表面设置叠层设置且相互绝缘的至少两个触觉传感单元，且各触觉传感单元在基板上的正投影具有交叠区域，这样相当于在基板的垂直空间上叠加至少两个触觉传感单元，就可以将叠加的至少两个触觉传感单元设置在基板的某一区域，相比于现有技术中各触觉传感单元阵列排布在基板上，本发明实施例可以节省触觉传感器占据基板表面的面积。这样当本发明实施例的触觉传感器与显示面板相结合时，可以提高整体透过率；当本发明实施例的触觉传感器与触控面板相结合时，可以避免与触控膜走线相重叠，互不干扰，从而有效增加触觉交互区。
尽管已描述了本公开的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本公开范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本公开实施例进行各种改动和变型而不脱离本公开实施例的精神和范围。这样，倘若本公开实施例的这些修改和变型属于本公开权利要求及其等同技术的范围之内，则本公开也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (14)
1.一种触觉传感器，其特征在于，包括：基板，以及位于所述基板表面上叠层设置且相互绝缘的至少两个触觉传感单元；其中，各所述触觉传感单元在所述基板上的正投影具有交叠区域；所述触觉传感单元用于在激励信号的控制下带动所述基板振动，不同所述触觉传感单元接收到的所述激励信号不同，所述基板在不同所述触觉传感单元的带动下产生不同的振动模态，各所述振动模态叠加在所述基板表面产生触觉纹理。
2.如权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，沿所述基板表面指向远离所述基板表面的垂直方向上，各所述触觉传感单元的尺寸依次减小，远离所述基板的触觉传感单元在所述基板上的正投影位于靠近所述基板的触觉传感单元在所述基板上的正投影范围内。
3.如权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，各所述触觉传感单元的尺寸相同，各所述触觉传感单元在所述基板上的正投影完全重叠。
4.如权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，每一所述触觉传感单元包括：在所述基板上层叠设置的底电极和顶电极，以及位于所述底电极和所述顶电极之间的压电材料层。
5.如权利要求4所述的触觉传感器，其特征在于，各所述触觉传感单元的顶电极与相互独立的交流信号端电连接，各所述触觉传感单元的底电极接地。
6.如权利要求4所述的触觉传感器，其特征在于，所述底电极和所述顶电极均为面状电极。
7.如权利要求6所述的触觉传感器，其特征在于，所述底电极和所述顶电极的形状均包括圆形或方形。
8.如权利要求4所述的触觉传感器，其特征在于，相邻两个所述触觉传感单元之间具有绝缘层，所述绝缘层在所述基板上的正投影至少覆盖所述顶电极在所述基板上的正投影。
9.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的触觉传感器，所述触觉传感器中的基板复用为所述电子设备中的盖板，所述基板中远离所述触觉传感单元的表面为触摸面。
10.如权利要求9所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备具有显示功能，所述触觉传感单元包括：在所述基板上层叠设置的底电极和顶电极，以及位于所述底电极和所述顶电极之间的压电材料层；所述底电极和所述顶电极的材料均为透明导电材料。
11.如权利要求9所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备具有触控功能，所述触觉传感单元包括：在所述基板上层叠设置的底电极和顶电极，以及位于所述底电极和所述顶电极之间的压电材料层；所述底电极和所述顶电极的材料均为金属材料。
12.一种如权利要求1-8任一项所述的触觉传感器的制作方法，其特征在于，包括：
在基板表面上制作叠层设置且相互绝缘的至少两个触觉传感单元；其中，各所述触觉传感单元在所述基板上的正投影具有交叠区域。
13.如权利要求12所述的制作方法，其特征在于，采用沉积的方式在相邻所述触觉传感单元之间制作绝缘层；其中，调整所述绝缘层的沉积温度，以使相邻所述绝缘层的应力抵消。
14.一种如权利要求1-8任一项所述的触觉传感器的驱动方法，其特征在于，包括：
获取基板在不同振动模态下对应的频率；
根据需要的基板的振动模态，确定待施加不同激励信号的至少两个所述触觉传感单元；
向确定的至少两个所述触觉传感单元施加对应的所述激励信号。
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