CN115485648B - 用于检测和表征人机接口处的触摸输入的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
用于在计算设备处检测输入的系统的一个变型包括：衬底，该衬底包括顶层和底层；布置在底层上的电容传感器阵列；以及相邻于电容传感器的支撑位置阵列；触摸传感器表面，其布置在衬底的顶层之上；耦合到支撑位置的弹簧元件阵列，弹簧元件阵列被配置成将衬底耦合到底盘，并且配置成响应于施加到触摸传感器表面的力而受力使衬底向下朝向底盘位移；耦合板，其被配置成与弹簧元件相邻地耦合到底盘，并响应于衬底朝向耦合板的位移而产生电容传感器的电容值；以及控制器，控制器被配置为基于电容传感器的电容值来解译触摸传感器表面上的输入的力的量值。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年3月3日提交的美国临时专利申请第62/984,448号、2020年6月17日提交的美国临时专利申请第63/040,433号和2020年8月7日提交的美国临时专利申请第63/063,168号的权益，其中每一个美国临时专利申请都通过引用以其整体并入到本文中。
本申请涉及于2014年9月26日提交的美国专利申请第14/499,001号，和于2019年3月8日提交的美国专利申请第16/297,426号，其中每一个美国专利申请通过引用以其整体并入到本文中。
技术领域
本发明大体上涉及触摸传感器领域，更具体地说，涉及触摸传感器领域中一种新的、有用的人机接口系统。
附图简述
图1是系统的示意表示；
图2是方法的流程图表示；
图3是方法的一个变型的流程图表示；
图4是方法的一个变型的流程图表示；
图5是系统的一个变型的流程图表示；
图6是系统的一个变型的示意表示；
图7是系统的一个变型的示意表示；
图8A-图8F是系统的变型的示意表示；
图9是系统的一个变型的流程图表示；
图10是系统的一个变型的流程图表示；
图11是系统的一个变型的示意表示；
图12是系统的一个变型的示意表示；
图13A和图13B是系统的变型的示意表示；和
图14是系统的一个变型的流程图表示。
实施例的描述
本发明的实施例的以下描述并非旨在将本发明限制于这些实施例，而是使本领域技术人员能够制造和使用本发明。本文描述的变型、配置、实施方式、示例实施方式和示例是可选的，并且不排除它们描述的变型、配置、实施方式、示例实施方式和示例。本文描述的本发明可以包括这些变型、配置、实施方式、示例实施方式和示例的任何组合和所有组合。
1.方法
如图1和图2所示，用于表征计算设备的表面处的输入的方法S100包括：在块S110处检测布置在包括压力传感器元件阵列的压力传感器上方的触摸传感器表面116处的触摸输入；在块S120，从压力传感器元件阵列中的每个压力传感器元件中的驱动电极和感测电极对130读取一组电阻值；在块S130，将该一组电阻值转换为由触摸施加在触摸传感器表面116上的力的一组量值分量(magnitude component)；在块S140，基于该一组量值分量来计算力的量值；在块S150，基于该一组量值分量中的量值分量之间的差，导出触摸传感器表面116上的触摸输入的估计位置；在块S160，生成与触摸输入相关联的压力图像，该压力图像表示跨触摸传感器表面116的力分布和触摸输入的估计位置；并且，响应于超过阈值量值的力的量值，在块S170选择性地驱动振动器组中最接近触摸输入的估计位置的振动器以使触摸传感器表面116振荡。
1.1应用
通常，方法S100可由包括一组(较低分辨率)压力传感器元件、(较高分辨率)电容式触摸传感器170和控制器180的系统100执行：以基于由电容式触摸传感器170捕获的高分辨率数据来检测和区分输入在系统100的触摸传感器表面116(例如，触控板、键盘、触敏显示器)上的位置；基于由该组压力传感器元件捕获的并发(concurrent)低分辨率力数据和这些压力传感器元件的位置来解译跨触摸传感器表面116的力分布；基于这些输入的检测位置和力分布来解译施加到触摸传感器表面116的力；以及生成表示输入位置和这些输入的力的量值的扫描图像。更具体地说，系统100可以将由分布在触摸传感器表面116后面的不连续位置处的一组离散压力传感器元件输出的低分辨率压力数据与由跨越该触摸传感器表面116的电容式触摸传感器170输出的高分辨率输入位置数据融合，以产生触摸传感器表面116上的输入的高分辨率空间图像，该图像由高分辨率压力信息或力信息注释。
系统100可以包括低分辨率压力传感器阵列，其包括比相邻电容式触摸传感器170中的像素数量少多个数量级的压力传感器元件数量(例如，10个压力传感器元件相对于200万个电容式触摸传感器170像素)。因此，系统100可以：在相对短的时间尺度上和/或以有限的功率消耗扫描和解译压力传感器阵列中的压力传感器元件；同时通过电容式触摸传感器170在更长的时间尺度上和/或以更大的功耗捕获更高分辨率的输入位置数据。
在一个示例中，系统100包括离散(例如，不连续)压力传感器元件的阵列(在下文称为“压力传感器阵列”)，其机械地支撑和定位系统100的底盘(chassis)内的触摸传感器表面116(例如，外围触摸输入设备、智能手机显示器、集成到膝上型计算机中的触控板)。通常，每个压力传感器元件可以包括：驱动电极和感测电极对130；以及力敏材料，其响应于所施加的力而表现出局部体电阻的变化，并且从而产生该驱动电极和感测电极对130之间的电阻的变化。控制器180因此可以：在扫描循环(scan cycle)期间从每个压力传感器元件读取电阻值；基于触摸传感器表面116下方的这些压力传感器元件的已知位置，将这些电阻值转换为施加到触摸传感器表面116并传递到这些压力传感器元件中的力的量值；并且然后，在该扫描循环期间，诸如基于压力传感器元件的已知位置、触摸传感器表面116的已知动力学(dynamics)以及电容式触摸传感器170在该扫描循环期间检测到的力的位置，将这些力的量值转换成跨触摸传感器表面116的更高分辨率的力分布。因此，系统100可以利用由电容式触摸传感器170捕获的高分辨率输入位置数据来向上采样由离散压力传感器元件阵列捕获的较低分辨率力数据，并且然后相应地插值触摸传感器表面116上的离散输入的力的量值。
此外，由于系统100包括跨触摸传感器表面116的背侧分布的离散压力传感器元件，诸如不是沿着触摸传感器表面116的周边或拐角分布或不仅仅沿着触摸传感器表面116的周边或拐角分布，所以这组离散压力传感器元件可以以更短的最大无支撑跨度机械地支撑触摸传感器表面116，从而减小触摸传感器表面116在施加的力下的偏转，减小(更灵敏的)电容式触摸传感器170上的应变，保持电容式触摸传感器170的输出的高精度和高一致性。
类似地，由于系统100包括被配置成跨触摸传感器表面116的背侧的阵列的离散压力传感器元件，所以系统100的架构可以按照不同尺寸的触摸传感器表面116缩放。例如，通过安装一定数量的离散压力传感器元件，系统100可以缩放到70mm×120mm(和更小)的触摸板和230mm×360mm(和更大)的膝上型显示器，该离散压力传感器元件在触摸传感器表面116上产生目标或最大无支撑跨度长度，从而使这些设备中的控制器180能够以与这些触摸传感器表面116的尺寸解耦的分辨率和精度来计算它们的触摸传感器表面116上的力分布。
1.2压力传感器元件
如图3所示，压力传感器阵列包括一组离散的压力传感器元件。在一种实施方式中，每个压力传感器元件由以下项形成：形成在衬底110(玻璃纤维PCB)上的一组驱动电极和感测电极对130；力敏材料的试片(coupon)，其表现出与施加到系统100的触摸传感器表面116的输入的力的量值成比例的局部体电阻的变化(以及因此局部体电导率的变化)；以及与力敏材料和刚性底盘(如图1所示)或与弹簧元件150(如图5所示)结合的间隔件140(或“偏转间隔件”)。
通常，每个压力传感器元件限定离散电阻式压力传感器(例如，直径5-10mm)，该传感器定位于衬底110下侧上的离散力敏区域并插入衬底110和底盘之间。在一种实施方式中，每个压力传感器元件包括单个驱动电极和感测电极对130。例如，如美国专利申请第14/499,001号中所述，驱动电极和感测电极对130可以限定跨衬底110的底层112上的支撑区域延伸的叉指型(interdigitated)电极对130。在组装压力传感器阵列之前，每个驱动电极和感测电极对130可以表面镀有一薄层金或其他惰性金属(例如，化学镀镍浸金表面镀层)，以防止电极在操作期间氧化，从而在装置的寿命期间保持压力传感器元件的一致和准确的信号输出。
如图1所示，力敏材料布置在一组驱动电极和感测电极对130的下方，并围绕压力传感器元件的周边结合到衬底110，在一组驱动电极和感测电极对130与力敏材料之间形成小的气隙。力敏材料跨越驱动电极和相应的感测电极之间的间隙，并且通常响应于施加力的局部变化而表现出局部体电阻和/或体电导率的变化。在操作期间，在触摸传感器表面116上施加力将力敏材料向驱动电极和感测电极对130压缩(例如，移动、压紧)，使得特定驱动电极和感测电极对130之间的电阻与触摸传感器表面116上的力的局部量值成比例地(例如，线性地、反向地、二次地、指数地)变化。因此，控制器180可以对在压力传感器元件内的每个驱动电极和感测电极对130上的电阻值(和/或电阻的变化)进行采样，并且可以将这些电阻值转换为施加在压力传感器元件位置处的触摸传感器表面116上的局部力的量值(或力的量值分量)。通过对压力传感器阵列中每个压力传感器元件中的驱动电极和感测电极对130上的电阻值进行采样，控制器180因此可以将在每个压力传感器元件处采样的电阻值转换为施加在触摸传感器表面116上的一个或更多个离散力输入的(总)力的量值和/或位置。
在一个实施方式中，力敏材料的试片包括一个(小的)通风口(诸如在气隙和力敏材料的外表面之间的针孔或通道)以便连续地平衡气隙和外部环境之间的气压，从而防止气隙内的压力积聚或真空积聚，否则这些压力积聚或真空积聚可能响应于外部环境内的气压变化(例如，由于海拔的变化、内部或外部空气温度的变化)和/或响应于操作期间触摸传感器表面116和衬底110朝向底盘的位移而发生。因此，气隙使力敏材料能够在气隙内和/或外部环境内变化的气压条件下保持一致的机械性能和/或动力学。
此外，如图1所示，每个压力传感器元件包括结合到力敏材料(或布置在力敏材料下方的衬底110)和电子装置的底盘的偏转间隔件140。在一种实施方式中，偏转间隔件140限定由泡沫、软硅树脂或与压力传感器元件直径大致相同(例如3-7mm)的超软硅树脂形成的垫状(pad-like)元件。偏转间隔件140通常将压力传感器元件限制在底盘上，但允许触摸传感器表面116和/或压力传感器阵列内的振动器元件在平行于触摸传感器表面116和底盘的平面内振荡。通过将触摸传感器表面116、衬底110和/或压力传感器元件的振荡限制到平行于底盘的平面(例如，将运动限制到除一个或两个自由度之外的所有自由度)，偏转间隔件140可以在触觉反馈响应期间致动振动器时显著减少力敏材料的无意压缩，从而减少由振动器施加在衬底110和力敏材料上的力的影响，以免影响由控制器180执行的电阻测量。偏转间隔件140还可以吸收(例如，减小、抵消)压力传感器元件中的其他部件(例如，驱动电极和感测电极对130和力敏材料)响应于触觉反馈循环期间触摸传感器表面116和/或衬底110的振荡或振动而发生的位移，从而使得压力传感器元件能够在振动器致动之后快速返回到相对于触摸传感器表面116的平衡位置。更具体地说，偏转间隔件140可以施加恢复(例如，阻尼)力，该力稳定并减小压力传感器元件随时间的横向移动，以便基本上固定压力传感器元件相对于触摸传感器表面116上的对应位置的位置。
如图4所示，一组这些压力传感器元件可以布置在触摸传感器表面116和/或衬底110之下，以在触摸传感器表面116之下的任意数量的离散位置处形成具有电阻力和/或压力感测能力的压力传感器阵列，从而在检测和/或表征触摸输入时能够实现鲁棒的、可缩放的力感测架构，且具有降低的制造成本和更低的计算要求(例如，与连续传感器阵列相比)。
1.3压力传感器阵列
如图4所示，系统100包括一组压力传感器元件，这些压力传感器元件在触摸传感器表面116下方布置在衬底110下方的一组离散位置处，并机械地和电耦合到衬底110，并且该组压力传感器元件限定压力传感器阵列。通常，压力传感器阵列中的每个压力传感器元件之间的距离相对于触摸传感器表面116的尺寸可以很大(例如，压力传感器元件之间的横向和纵向间距为英寸量级)。然而，压力传感器阵列还可以包括压力传感器元件，这些压力传感器元件——不是沿着触摸传感器表面116的周边或拐角布置和/或除了沿着触摸传感器表面116的周边或拐角布置的压力传感器元件之外——布置在触摸传感器表面116和衬底110堆叠的中间部分之下(例如，在触摸传感器表面116的一个或更多个中心平面轴下方和/或邻近触摸传感器表面116的一个或更多个中心平面轴)，从而减小触摸传感器表面116的中间部分在施加的力下的偏转(例如，弯曲)。
在一个实施方式中，压力传感器阵列包括布置在触摸传感器表面116和衬底110之下的压力传感器元件的网格阵列(例如，4×3阵列，8×6阵列)。特别是，压力传感器阵列可以包括布置在触摸传感器表面116的第一边缘附近的压力传感器元件的第一子集(例如，一组沿触控板表面左边缘布置的三个压力传感器元件)、布置在与第一边缘相对的触摸传感器表面116的第二边缘附近的压力传感器元件的第二子集(例如，一组沿触控板表面右边缘布置的三个压力传感器元件)、以及布置在第一压力元件子集和第二压力元件子集之间的压力传感器元件的第三子集(例如，一组布置在触控板中间部分的六个压力传感器元件)。例如，压力传感器元件的网格阵列包括一组六个离散的压力传感器元件，其横向和纵向间距为1.5英寸，以在触摸传感器表面116(例如，3英寸×5英寸的触摸传感器表面116)下产生压力传感器元件的2×3网格阵列。在另一示例中，网格阵列可以包括一组12个离散的压力传感器元件，其横向和纵向间距为0.75英寸，以在触摸传感器表面116下产生压力传感器元件的3×4网格阵列。另外和/或可替代地，压力传感器阵列可以按照不同尺寸的触摸传感器表面116来缩放，诸如通过包括不同数量的压力传感器元件的行和/或列和/或改变压力传感器元件之间的横向和/或纵向间距，以便机械地支撑一系列触摸传感器表面116的尺寸并且提供一系列触摸传感器表面116的尺寸上的力感测能力。
在该实施方式中，当联接到底盘时，该组压力传感器元件通过在每个网格位置处对衬底110施加法向力来机械地支撑衬底110和触摸传感器表面116。因此，位于触摸传感器表面116的中间部分之下的压力传感器元件约束触摸传感器表面116和衬底110抵抗局部力的施加，从而在系统100的寿命期内减少这些部件(以及因此力敏材料)的过度翘曲和/或变形，并保持压力传感器阵列的一致和准确的电阻信号输出。在系统100包括(例如，插入在衬底110和触摸传感器表面116之间的)电容式触摸传感器170的变型中，由压力传感器阵列启用的衬底110、电容式触摸传感器170和触摸传感器表面116的机械支撑还可以在向触摸传感器表面116施加力期间减小电容式触摸传感器170上的应变，从而在操作期间保持电容式触摸传感器170的输出的高精度和一致性。
此外，通过在一组离散位置处机械地支撑触摸传感器表面116，压力传感器元件阵列可以过度约束触摸传感器表面116和衬底110(例如，与连续传感器阵列或在触摸传感器表面116的每个拐角下具有力敏元件的“四拐角”布置相比)，使得触摸传感器表面116朝向底盘的位移(例如，压缩)基本上定位于施加力的局部最大值(例如，输入的位置)周围。因此，由于压力传感器元件阵列施加的机械约束，触摸传感器表面116的周围区域可表现出远离底盘的位移(例如，负位移)。因此，最接近施加在触摸传感器表面116上的输入位置的压力传感器元件中的力敏材料可以表现出比远端压力传感器元件中的力敏材料明显更大的压缩，这不成比例地改变(例如，减小)近端压力传感器元件中的驱动电极和感测电极对130上的电阻。同样，触摸传感器表面116的负位移可以拉伸(例如，膨胀)周围压力传感器元件中的力敏材料，从而增加这些压力传感器元件中的驱动电极和感测电极对130上的电阻。因此，控制器180可以解译电阻值的该模式(或电阻值的变化)，以便导出(例如，计算、运算)施加在触摸传感器表面116上的输入的近似位置。
因此，离散压力传感器元件的阵列与控制器180结合，即使(例如，相对于驱动电极和感测电极对的连续阵列)使用少量的驱动电极和感测电极对130也可以获得高动态范围(例如，力灵敏度)，以及基于触摸传感器表面116的已知和/或插值的动力学而导出施加在触摸传感器表面116上的力的近似位置。附加地和/或可替代地，系统100可以将由压力传感器阵列捕获的(低分辨率)力数据与由集成电容式触摸传感器170捕获的电容值和/或电容图像合并，从而使得控制器180能够基于(高分辨率)电容数据来插值(例如，近似)跨触摸传感器表面116的力分布。虽然上面的示例涉及相对较小(例如，4×3)的压力传感器元件阵列，但是压力传感器阵列可以缩放到较大的形状因子和/或分辨率，以便机械地支撑限定更大触摸传感器表面116(例如，5英寸×11英寸的键盘表面、平板计算机的触摸显示器)的输入装置并且提供用于该输入装置的力感测能力。
在该实施方式中，压力传感器阵列中的每个压力传感器元件可以通过穿过衬底110布线的一组驱动线和感测线来电耦合到控制器180和/或其他压力传感器元件。因此，控制器180可以连续和/或间歇地测量(例如，采样)来自压力传感器阵列中每个压力传感器元件中的每个驱动电极和感测电极对130的电阻值，以便确定施加在触摸传感器表面116上的输入的力的量值和/或位置。在这种布置中，连接到压力传感器阵列中的驱动电极和感测电极对130的驱动线和感测线限定了网格阵列，该网格阵列包括在每个压力传感器元件的位置处的节点(例如，交叉点(crossover))。例如，在一行压力传感器元件内的每个压力传感器元件中的一组驱动电极可以连接到穿过衬底110布线的公共驱动线以连接到控制器180。此外，一列压力传感器元件内的每个压力传感器元件中的一组对应的感测电极(例如，与所述一组驱动电极一起限定驱动电极和感测电极对)可以连接到穿过衬底110布线的公共感测线以连接到控制器180。由于压力传感器阵列中的压力传感器元件之间的横向和纵向间距，驱动线和感测线的网格布置紧凑并占据衬底110的面积的一小部分(例如，相对于电极对130的连续网格阵列)，从而使得触觉反馈部件、控制器180和其他电路部件能够嵌入、沉积在衬底110的底表面上，或者以其他方式直接与衬底110的底表面集成，从而减小系统100的总堆叠高度。
通常，系统100还包括触觉反馈模块，该触觉反馈模块包括布置在触摸传感器表面116下并电耦合到控制器180的一组振动器。在操作期间，控制器180通常被配置为响应于检测到触摸传感器表面116上的输入(例如，超过阈值力或压力)而驱动该组振动器使触摸传感器表面116振荡，以便输出模仿机械按扣(snap button)(例如，触控板点击)或机械键的按下和释放(例如，致动)的声音和/或触觉感觉的触觉反馈。
在一个实施方式中，系统100包括布置在触摸传感器表面116和/或衬底110下面并靠近衬底110的周边的一组振动器。例如，每个振动器可以定义一个电感器(诸如结合到衬底110的内表面的多回路导线或跟踪线圈)，与插入在电感器和底盘之间的磁性元件194配对。在该示例中，(例如，经由控制器180和/或耦合到控制器180的触觉反馈模块输出的特定波形的驱动电流)一个或更多个电感器的偏振使由衬底110和触摸传感器表面116限定的偏心质量振荡，以便产生模拟机械按钮和/或键的致动的振动反馈信号，该机械按钮和/或键例如为触控板“点击”或机械击键。
在另一实施方式中，该组振动器被布置成偏离压力传感器元件网格阵列的网格阵列，使得每个振动器位于压力传感器元件子集之间。在该实施方式中，控制器180(例如，控制器180内的触觉反馈子控制器180)可被配置为选择性地驱动(例如，振荡)网格阵列中最接近于触摸传感器表面116上输入的施加力的局部最大值的振动器子集和/或最接近于计算出的触摸传感器表面116的输入位置的振动器子集，以便将触觉反馈定位在输入位置周围。此外，该网格布置使得系统100能够将较小物理尺寸的振动器结合到触觉反馈模块中，从而减小系统100的总堆叠高度。
在衬底110限定多层PCB的又一实施方式中，该组振动器可以包括形成在多层PCB的一个或更多个层内和/或直接集成到多层PCB的一个或更多个层中的一组电感器。例如，系统100可以包括：在多层PCB的下层的一个或更多个区域内电耦合到控制器180(例如，控制器180内的触觉反馈子控制器180)的一组多回路导线或跟踪线圈；以及一组磁性元件194(例如，铁质元件、永磁体)，该组磁性元件194插入多层PCB和底盘之间并与该组多回路导线线圈对齐，从而显著降低系统100的总堆叠高度。在该实施方式中，PCB的下层可以限定导电接地面，诸如跨越压力传感器阵列的区域并电耦合到控制器180的铜层或其他导电材料层，其在一个或更多个线圈附近开槽或以其他方式分开。当扫描压力传感器阵列中驱动电极和感测电极对130的电阻值时，控制器180可以将接地面和电感器组驱动到地电位和/或虚拟参考电位，以屏蔽驱动电极和感测电极对130免受外部电磁辐射，从而增加信噪比并提高压力传感器阵列的电阻信号输出的精度。附加地和/或可替代地，控制器180可以被配置成在触觉反馈循环(例如，触觉反馈响应的输出)期间暂停压力传感器阵列的扫描，并在触觉反馈循环完成时恢复扫描压力传感器阵列，由此减少由电感器的偏振引起的磁场与从下面的驱动电极和感测电极对130采样的电阻信号之间的干扰。
1.4电容式触摸传感器
如图4所示，系统100的一个变型包括布置在压力传感器阵列之上的电容式触摸传感器170(例如，互投影电容传感器120、自电容传感器120)。具体地，电容式触摸传感器170可布置在衬底110之上，而压力传感器阵列可布置在衬底110下与电容式触摸传感器170相对。电容式触摸传感器170可以定义独立的或离散的触摸传感器，其包括一组电容驱动电极和电容感测电极，电容驱动电极和电容感测电极形成跨衬底110的顶层111的网格阵列。该组电容驱动和电容感测电极中的驱动电极和感测电极对130的数目可以大体上大于压力传感器阵列中的驱动电极和感测电极对130的数目(例如，大两个数量级)。
通常，衬底110包括柔性材料层，其可以在最小的施加载荷下弯曲和变形，以便将(例如，来自输入的)施加在触摸传感器表面116上的力通过衬底110传递到压力传感器元件中的力敏材料，从而使得施加在触摸传感器表面116上的力能够引起压力传感器阵列中驱动电极和感测电极对130上的电阻变化。电容式触摸传感器170可以包括控制器180内的电容控制器180和/或与该电容控制器180接口连接，电容控制器180被配置为生成和输出电容式触摸图像，电容式触摸图像表示触摸传感器表面116上的输入的位置、大小和/或持续时间，如下文更详细描述的。
1.5控制器
通常，控制器180包括压力传感器子控制器180、电容传感器子控制器180和/或触觉子控制器180。控制器180内的压力传感器子控制器180用于驱动压力传感器阵列，在扫描循环期间读取压力传感器阵列中驱动电极和感测电极对130之间的电阻值，将从压力传感器阵列采样的电阻数据转换成触摸传感器表面116上的力输入的量值，并基于观察到的离散压力传感器元件之间的电阻变化和/或观察到的压力传感器元件内驱动电极和感测电极对130之间的电阻梯度，来导出(例如，插值、计算)触摸传感器表面116上的输入的近似位置。
在一个实施方式中，压力传感器子控制器180包括：阵列列驱动器(ACD)；列切换寄存器(CSR)；列驱动源(CDS)；阵列行传感器(ARS)；行切换寄存器(RSR)；和模数转换器(ADC)。在该实施方式中，触摸传感器110可以包括可变阻抗阵列(VIA)，其定义：耦合到ACD的互连阻抗列(IIC)和耦合到ARS的互连阻抗行(IIR)。在电阻扫描循环中：ACD可以通过CSR选择IIC，并用CDS电驱动IIC；VIA可以将电流从被驱动的IIC传送到由ARS感测到的IIC；ARS可以选择压力传感器阵列内的IIR，并通过RSR电感测IIR状态；并且压力传感器子控制器180可以对来自ARS的感测的电流/电压信号进行插值，以在单个采样周期内或多个采样周期内对于电阻扫描循环实现对触摸传感器110上的离散力输入的接近度、接触、压力和/或空间位置的基本精确的检测。
在一个实施方式中，压力传感器阵列中的一行驱动电极可以串联连接，并且压力传感器阵列中的一列感测电极可以类似地串联连接。在采样周期期间，压力传感器子控制器180可以：将第一行驱动电极驱动到参考电压，同时浮置所有其他行驱动电极；记录第一列感测电极的电压，同时浮置所有其他列感测电极；记录第二列感测电极的电压，同时浮置所有其他列感测电极；记录最后一列感测电极的电压，同时浮置所有其他感测电极列；将第二行驱动电极驱动到所述参考电压，同时浮置所有其他行驱动电极；记录第一列感测电极的电压，同时浮置所有其他列感测电极；记录第二列感测电极的电压，同时浮置所有其他列感测电极；记录最后一列感测电极的电压，同时浮置所有其他感测电极列；并且最后将最后一行驱动电极驱动到参考电压，同时浮置所有其它行驱动电极。然后，在块S110中，压力传感器子控制器180可以记录第一列感测电极的电压，同时浮置所有其他列感测电极；记录第二列感测电极的电压，同时浮置所有其他列感测电极；并且记录最后一列感测电极的电压，同时浮置所有其他感测电极列。压力传感器子控制器180因此可以顺序地驱动压力传感器阵列中的驱动电极行；以及从压力传感器阵列中的感测电极列顺序地读取电阻值(例如，电压)。
电容子控制器180可以执行类似的过程，以：顺序驱动电容式传感器中的电容驱动电极行；从电容式传感器中的电容感测电极列顺序地采样电容值(例如，电压)；对采样的电容值进行插值以导出触摸传感器表面116上的触摸输入的位置、大小和/或持续时间和/或对象到触摸传感器表面116的接近度；以及输出表示触摸输入的触摸图像。
在一个实施方式中，压力传感器子控制器180和电容式传感器子控制器180与控制器180内的主控制器180接口连接，从而将压力传感器子控制器180和电容式传感器子控制器180集成到单个输入设备(例如，触控板、键盘、触敏显示器)中。通常，主控制器180被配置为比较和/或组合压力(例如，力)数据和电容触摸数据，以便：确认和/或表征触摸传感器表面116处的输入或对象；生成触摸图像(例如，注释的触摸图像)，该触摸图像表示在扫描循环期间施加在触摸传感器表面116上的总力或在触摸传感器表面116上的压力分布，以及在扫描循环期间触摸传感器表面116附近的对象的位置、大小和/或接近度(例如，基于电阻和电容数据)；以及输出(注释的)触摸图像和/或访问与触摸图像相对应的预编程命令功能。在另一实施方式中，压力传感器子控制器180和电容式传感器子控制器180集成到单个控制器180中，控制器180被配置为执行上述过程和方法S100的各个块，以便检测和表征触摸传感器表面116上的触摸输入。
1.6压力传感器分辨率
在一个实施方式中，每个压力传感器元件包括一组(例如，叉指型)驱动电极和感测电极对130。例如，一组驱动电极和感测电极对130可布置成线性阵列(例如，跨压力传感器元件的直径)。在该示例中，控制器180可以在给定压力扫描循环期间测量每个驱动电极和感测电极对上的电阻值(或电阻的变化)。然而，由于施加的力的局部变化，每个驱动电极和感测电极对130可以表现出与相邻的驱动电极和感测电极对130略有不同的电阻。例如，与远离输入位置的驱动电极和感测电极对130相比，更接近触摸传感器表面116上的输入位置(即，更接近施加力的局部最大值)的驱动电极和感测电极对130可以表现出在驱动电极和感测电极之间的更大的电阻变化。因此，控制器180可以将这种线性布置中的驱动电极和感测电极对130上电阻值的局部变化解译为施加在触摸传感器表面116上的力和/或压力的一维梯度的一部分。当采样(例如，测量)压力传感器阵列中每个压力传感器元件中的驱动电极和感测电极对130上的电阻值时，控制器180因此可以基于来自每个压力传感器元件的梯度信息导出(例如，计算、运算)在触摸传感器表面116处施加的力的局部和/或全局最大值的近似位置，该梯度信息可以对应于施加在触摸传感器表面116上的输入的位置。然后，控制器180可以基于每个压力传感器元件中的驱动电极和感测电极对130上的采样电阻值和电阻(例如，力)梯度，进一步插值跨触摸传感器表面116的(近似)力分布。
在另一示例中，压力传感器元件包括一组(例如，叉指型)驱动电极和感测电极对130，该驱动电极和感测电极对130被布置成形成二维阵列。例如，二维阵列可以包括沿着第一轴(例如，跨压力传感器元件的直径)布置的驱动电极和感测电极对130的第一线性阵列、以及沿着与第一轴正交的第二轴布置的驱动电极和感测电极对130的第二线性阵列。例如，电极对130的两个线性阵列限定“L”形布置(例如，使得第一轴和第二轴从共享原点单向地延伸)。在另一示例中，电极对130的两个线性阵列限定了十字形布置(例如，每一轴垂直地将另一轴一分为二)。
在另一实施方式中，驱动电极和感测电极对130可以限定网格阵列，使得驱动电极和/或感测电极位于一组行和列中的每个位置。因此，控制器180可以将(例如，由于施加的力的小的局部变化引起的)这些二维布置中的驱动电极和感测电极对130上电阻值的局部变化解译为施加在触摸传感器表面116上的力和/或压力的二维梯度的一部分。当对压力传感器阵列中的每个压力传感器元件中的驱动电极和感测电极对130上的电阻值进行采样(例如，测量)时，控制器180因此可以基于来自每个压力传感器元件的梯度信息来确定(例如，计算、运算)在触摸传感器表面116处施加的力的局部和/或全局最大值的近似位置，该梯度信息可以对应于施加在触摸传感器表面116上的输入的位置。控制器180还可以基于每个压力传感器元件中的驱动电极和感测电极对130上的采样电阻值和电阻(例如，力)梯度，来对触摸传感器表面116上的力分布进行插值。
1.7力表征
方法S100的块叙述：在块S110处，检测布置在包括压力传感器元件阵列的压力传感器上方的触摸传感器表面116处的触摸输入；以及在块S120中，对压力传感器阵列中的每个压力传感器元件中的驱动电极和感测电极对130处的电阻值进行采样，以获得一组电阻值。通常，控制器180被配置为：基于从电容式触摸传感器170中的电容驱动电极和感测电极对130采样的电容数据和/或从压力传感器元件中的驱动电极和感测电极对130采样的电阻数据，检测触觉元件处输入的存在和/或施加；并且执行如上所述的压力扫描循环，以便顺序地对压力传感器阵列中的每个压力传感器元件中的每个驱动电极和感测电极对130上的电阻值进行采样。在一个实施方式中，控制器180(例如，电容式传感器子控制器180)可以同时对电容式传感器中的每个电容驱动电极和感测电极对130上的一组电容值进行采样，或者访问在先前扫描循环中采样的一组电容值。
方法S100的块进一步叙述：在块S130将一组电阻值转换成由触摸施加在触摸传感器表面116上的力的一组量值分量；以及在块S140基于该组量值分量计算力的量值。通常，控制器180被配置为：将从压力传感器元件中的驱动电极和感测电极对130采样的电阻值解译为在压力传感器元件的位置处(例如，由于施加触摸输入而)施加到触摸传感器表面116的合力(net force)的量值；对压力传感器阵列中的所有压力传感器元件进行迭代分析；并且组合每个导出的量值分量以计算在压力扫描循环期间施加在触摸传感器表面116上的总力。在一个实施方式中，控制器180通过将从每个驱动电极和感测电极对130采样的电阻值与从压力传感器阵列获得的校准数据进行比较，来将该组电阻值转换成力的量值分量。例如，控制器180可以根据在操作之前执行的校准过程期间为每个压力传感器计算的一组缩放因子，对电阻值和/或从这些电阻值导出的力的量值进行掩模、缩放和/或归一化。附加地和/或可替代地，控制器180可基于所施加的力(例如，施加在力敏材料上的力)与压力传感器元件中的驱动电极和感测电极之间的电阻(或电阻的变化)之间的导出的相关性，来将该组电阻值转换为力的量值分量。控制器180然后可以对为每个压力传感器元件计算的所有力的量值分量求和，以计算(例如，确定、导出)在压力扫描循环期间由触摸输入施加在触摸传感器表面116上的总力。
方法S100的块进一步叙述：在块S150，基于该组量值分量中的量值分量之间的差，导出触摸传感器表面116上的触摸输入的估计位置。如上所述，布置在触摸传感器表面116的中间部分之下的压力传感器元件在触摸传感器表面116上施加法向力，该法向力可以过度约束触摸传感器表面116。因此，阵列中的每个压力传感器元件可以根据它们各自与输入位置的接近度来经历不同的力。特别地，接近施加在触摸传感器表面116上的力的局部最大值(例如，触摸输入的位置)的压力传感器元件可能经历不成比例的大的力的量值，而进一步远离这些局部最大值的压力传感器元件可能经历相对较小甚至净负的力的量值(例如，触摸传感器表面116远离底盘的位移)。控制器180因此被配置成分析在每个压力传感器元件处计算的力的量值分量；基于在这些压力传感器元件的位置处测量的力的量值分量之间的差(例如，通过与校准数据进行比较)，导出(例如，确定、计算)施加在触摸传感器表面116上的力的局部最大值的位置估计；并且将位置估计与触摸传感器表面116上的输入的位置相关联。在压力传感器元件包括驱动电极和感测电极阵列的实施方式中，控制器180可以进一步将相邻驱动电极和感测电极对130之间的电阻的测量变化解译为施加在每个压力传感器元件上的力的梯度。因此，控制器180可以分析在压力传感器元件处计算的一组梯度，以便估计和/或细化其所估计的施加力的局部最大值的位置。控制器180还可以基于从电容式触摸传感器170采样的一组电容值来计算输入的位置，将从这些电容值导出的位置与从力的量值分量导出的估计位置进行比较，并且如果需要，在生成对应于输入的触摸图像时校正估计位置。
方法S100的块进一步叙述：在块S160生成与触摸输入相关联的压力图像，该压力图像表示跨触摸传感器表面116的力分布和触摸输入的估计位置。通常，控制器180被配置为生成与触摸输入相对应的压力图像，该压力图像包括由触摸输入在压力扫描循环内产生的在触摸传感器表面116的区域上的力分布(例如，压力图(map))。控制器180还可以用与触摸传感器表面116上的触摸输入的估计位置相对应的(x，y)位置或有界曲线来注释压力图像(例如，力分布)。在一个变型中，其中系统100包括电容式触摸传感器170，控制器180可被配置为(例如，在电容子控制器180处)生成电容图像，该电容图像表示在与压力传感器阵列的电阻扫描循环相对应的电容扫描循环期间触摸传感器表面116上的对象的位置、大小和/或接近度。如下面更详细地描述的，控制器180然后可以将电容图像与压力图像组合(例如，叠加、整合)并输出带注释的触摸图像。
方法S100的块进一步叙述：响应于力的量值超过阈值量值，在块S170选择性地驱动振动器组中最接近触摸输入的估计位置的振动器以振荡触摸传感器表面116。通常，控制器180被配置为：将计算出的力的量值与阈值量值进行比较；基于触摸传感器表面116上触摸输入的位置的接近度，从一组振动器中选择振动器；以及驱动所选择的振动器以便产生触摸传感器表面116的振荡(例如，不驱动振动器组中的其他振动器)。因此，控制器180(例如，控制器180内的触觉反馈子控制器180)可以响应于超过预定力的量值(例如，160g)的输入而传递触觉反馈响应(例如，振动信号)，其基本上定位于触摸传感器表面116上的触摸输入的区域以模拟机械按扣的触觉响应。另外，控制器180可以驱动所选择的振动器，使得振荡的振幅、频率和/或持续时间与输入的力的量值成比例，以便定制对输入特性的触觉反馈响应。
1.8合并力和电容数据
在一个变型中，其中系统100包括布置在压力传感器阵列之上的电容式触摸传感器170，控制器180被配置成执行方法S100的块，以便：基于从压力传感器阵列采样的(低分辨率)电阻数据来表征触摸传感器表面116上的一组输入的力的量值；基于同时从电容式触摸传感器170采样的(高分辨率)电容数据，同时检测该组输入的位置和大小；以及组合电阻数据和电容数据以产生表示这些输入特性的力注释的触摸图像。因此，控制器180可以：利用由压力传感器阵列捕获的力的量值数据来补充高分辨率电容数据(例如，电容图像)，而不显著增加控制器180的功率和/或计算要求；以及利用由压力传感器阵列捕获的力的量值数据来识别、丢弃和/或抑制在电容数据中表示的假的或错误的输入区域，以提高系统输出的准确性和一致性。
在一个变型中，控制器180定义电耦合到压力传感器阵列和电容式触摸传感器170两者的单个控制器180。因此，在该变型中，控制器180被配置为：以相同的扫描频率扫描(低分辨率)压力传感器阵列和(高分辨率)电容式触摸传感器170(即，压力传感器阵列的一次扫描与电容式触摸传感器170的每次扫描同时、重叠进行或紧随其后)；并将压力和电容扫描对融合成每个扫描循环的力注释的触摸图像。特别地，控制器180可以：在扫描循环期间从电容式触摸传感器170中的电容电极和/或电容电极对130读取一组电容值；并且在该扫描循环期间(例如，在该扫描循环内的第二时间段期间)同时扫描压力传感器阵列中的每个驱动电极和感测电极对130上的一组电阻值；将该组电阻值转换为在扫描循环期间施加在触摸传感器表面116上的一组输入的力的量值(或力的量值分量、力梯度)；将该组电容值转换成表示触摸传感器表面116上的这些输入的位置和大小的电容图像；以及用相应的力的量值(和/或力的量值分量、力梯度)标记电容图像中的输入区域，从而生成表示扫描循环期间触摸传感器表面116上的该组输入的位置、大小和力特性的力注释的触摸图像。
此外，如图3所示，控制器180可以利用由压力传感器阵列捕获的低分辨率力数据，以基于表示特定输入区域的电容数据与对应于这些输入区域的力的量值之间的差异来识别高分辨率电容图像内的假和/或错误输入区域。特别地，控制器180可以响应于检测到伴随力的不存在而抑制、归一化或减去在后续扫描循环期间捕获的触摸图像区域内的电容值，以便减少诸如由于触摸传感器表面116上的液体的存在而导致的假阳性(falsepositive)输入检测的实例。例如，在一系列十次扫描循环内，控制器180可以：检测电容式触摸传感器170的区域内的电容值的增加；同时基于从压力传感器阵列采样的电阻数据检测到不存在施加在触摸传感器表面116上的力(例如，或低于阈值力的量值的力)；将电容值的增加标记为错误输入；以及对来自在后续扫描循环期间生成的触摸图像的对应区域的这些电容值进行归一化和/或掩模。因此，控制器180与压力传感器阵列结合，可以识别和校正电容式触摸传感器170的假阳性输入检测的实例，以提高系统100的输出的准确性和一致性。
1.9快速扫描
在另一变型中，控制器180包括：电容子控制器180，其电耦合到电容式触摸传感器170，并被配置成以第一扫描频率扫描电容式触摸传感器170中电容电极的电容值；以及压力子控制器180，其被配置为以第二扫描频率扫描压力传感器阵列中的驱动电极和感测电极对130上的电阻值。在该变型中，控制器180可以在比系统100扫描(高分辨率)电容式触摸传感器170的扫描周期短多个数量级的扫描周期内对(低分辨率)压力传感器阵列上的电阻值进行采样，如图4所示。例如，在一个50毫秒扫描循环期间，控制器180可以：以5毫秒间隔对压力传感器阵列采样10次；基于这些电阻值，计算在该扫描循环期间施加到触摸传感器表面116的平均力的量值和/或这些施加的力的变化率；以及如果施加到触摸传感器表面116的平均力超过阈值量值，或者如果施加到触摸传感器表面116的力在扫描循环期间改变，则激活电容式触摸传感器170用于下一扫描循环。在下一个50毫秒扫描循环期间，控制器180可以：以5毫秒间隔对(低分辨率)压力传感器阵列采样10次；基于这些电阻值，计算在该下一个扫描循环期间施加到触摸传感器表面116的平均力的量值和/或这些施加的力的变化率；在该下一扫描循环期间对电容式触摸传感器170采样一次；如果在这些电容值中没有表示触摸，则去激活电容式触摸传感器170；然后将这些电容值和从并发电阻数据导出的施加到触摸传感器表面116的平均力和/或力的变化率融合成针对下一扫描循环的一个力注释的触摸图像。
在一个实施方式中，控制器180可以在由电容子控制器180执行的每个电容扫描循环期间执行一系列电阻扫描循环(例如，10次扫描循环，100次扫描循环)，并且(仅)基于在这些电阻扫描循环中的一个或更多个期间采样的力的量值和/或电阻数据来快速检测触摸传感器表面116上的输入。然后，控制器180可以在通过压力传感器阵列检测到输入之后(例如，在完成相应的电容扫描循环之前)立即访问和/或执行命令功能，诸如光标点击或击键，以便减少对触摸传感器表面116的输入的施加和相应命令功能的执行之间的等待时间和/或延迟。例如，在50毫秒扫描循环期间，控制器180可以：在50毫秒电容扫描循环内对电容式触摸传感器170采样一次；同时在一系列10个5毫秒压力扫描循环中对压力传感器阵列进行10次采样；计算在每个压力扫描循环期间施加在触摸传感器表面116上的力的量值；并且，响应于这些力的量值中的一个或更多个超过阈值力的量值，在50毫秒电容扫描循环结束之前选择和/或输出命令功能。因此，控制器180可以在完全扫描电容式触摸传感器170之前，基于驱动电极和感测电极对130之间的电阻变化，快速检测输入对触摸传感器表面116的初始施加和/或计算在短时间段内(例如，触笔/指尖的轻击)发生的对触摸传感器表面116的输入的力的量值。然后，控制器180可以在检测到这些输入时立即选择和/或输出诸如光标点击的某些命令功能，从而减少在对触摸传感器表面116的输入的施加与由控制器180执行的或与控制器180结合执行的输入相关特定命令功能之间的等待时间。
附加地和/或可替代地，控制器180可以在一系列高频电阻扫描循环内检测输入的速度和/或冲量(即，力随时间的积分)。例如，在给定电容扫描循环期间，控制器180可以：以特定扫描频率执行一系列电阻扫描循环；基于压力传感器阵列在每个电阻扫描循环期间捕获的电阻值来表征由输入施加在触摸传感器表面116上的力的量值序列；以及基于力的量值序列和特定扫描频率计算由输入施加在触摸传感器表面116上的冲量。控制器180然后可以基于输入的冲量和/或速度来修改响应于输入而选择的触觉反馈响应和/或命令功能。例如，如果系统100集成到执行音乐应用的电子乐器或设备(例如，平板电脑、膝上型计算机)中，则控制器180可以基于输入的冲量和/或速度来选择由电子乐器和/或设备输出的音符的特定音量和/或上升和下降时间。
此外，通过快速扫描压力传感器阵列，控制器180可以将高分辨率电容式触摸传感器170保持在空闲(例如，低功率)状态，直到在触摸传感器表面116上检测到力(例如，输入)。特别地，如图4所示，控制器180可以：在第一时间段内连续扫描来自压力传感器阵列的电阻值；在第一时间段期间将电容式传感器维持在空闲(例如，低功率、未驱动)模式；在紧接第一时间段之后的第二时间，基于由压力传感器阵列采样的电阻值来检测第一力的量值的输入的施加；响应于第一力的量值超过阈值力的量值，在大约第二时间将电容式传感器转换到活动模式，以便对响应于输入的施加的电容式传感器内的电容变化进行采样。因此，系统100可以在(例如，连续地)扫描(低分辨率)压力传感器阵列的同时使电容式传感器空闲，直到压力子控制器180检测到施加到触摸传感器表面116的统计上的显著的力，从而显著降低电容式传感器的功耗，并因此降低系统100在操作期间的功耗。
2.借助电阻表达力
如图5和图6所示，用于在计算设备处检测输入的系统的一个变型包括：衬底110，其包括顶层111、限定支撑位置114的阵列的底层112、以及布置在底层112上的电极对130的阵列，电极对130的阵列中的每个电极对130占据支撑位置114的阵列中的支撑位置114；以及布置在衬底110的顶层111之上的触摸传感器表面116。系统100的该变型还包括：一组间隔件140，该组间隔件140中的每个间隔件140：布置在电极对130的阵列中的电极对130之上、布置在支撑位置114的阵列中的支撑位置114处、布置在衬底110的底层112上；并且包括一种力敏材料，该力敏材料响应于施加力的变化表现出局部体电阻的变化。系统100的该变型进一步包括：弹簧元件150的阵列，其被配置为将衬底110支撑在底盘上，并响应于施加到触摸传感器表面116的力来受力使衬底110向下朝向底盘位移，弹簧元件150的阵列中的每个弹簧元件150在支撑位置114的阵列中的支撑位置114处耦合到该组间隔件140中的间隔件140；以及控制器180，其被配置为从电极对130的阵列读取电阻值，并基于从电极对130的阵列读取的电阻值来解译施加到触摸传感器表面116的输入的力的量值。
如图9所示，系统100的一个变型包括：衬底110，其包括顶层111、底层112、以及布置在底层112上的电极对130的阵列；布置在衬底110的顶层111上的驱动电极和感测电极阵列；以及布置在驱动电极和感测电极阵列上方的触摸传感器表面116。系统100的该变型还包括：一组间隔件140，该组间隔件140中的每个间隔件140：布置在电极对130的阵列中的电极对130之上、布置在衬底110的底层112上；并且包括一种力敏材料，该力敏材料响应于施加力的变化表现出局部体电阻的变化。系统100的该变型还包括弹簧元件150的阵列，弹簧元件150被配置成将衬底110支撑在底盘上，并响应于施加到触摸传感器表面116的力而受力使衬底110向下朝向底盘位移，弹簧元件150的阵列中的每个弹簧元件150耦合到该组间隔件140中的间隔件140。系统100的该变型还包括控制器180，控制器180被配置成在扫描循环期间：读取驱动电极和感测电极阵列中的驱动电极和感测电极之间的一组电容值；读取电极对130的阵列中电极对130的一组电阻值；基于该一组电容值检测触摸传感器表面116上的触摸输入的横向位置和纵向位置；基于第二组电阻值解译触摸输入的力的量值；以及输出触摸输入的横向位置、纵向位置和力的量值。
2.1.应用
通常，在该变型中，系统100包括一组弹簧元件150，其：抵靠底盘垂直地支撑离散的压力传感器，这些压力传感器跨衬底110的底层112布置；并且受到施加到触摸传感器表面116的力，从而使该力能够压缩最近的压力传感器。弹簧元件150还吸收由于施加到触摸传感器表面116的局部力引起的跨衬底110的畸变，从而限制或防止跨其他压力传感器的张力进一步远离该施加力，否则该张力可将间隔件140与这些其他压力传感器中的电极对130分开，并因此阻止从这些其他压力传感器可靠地检测电阻值。
因此，该组弹簧元件150可以协作以：在系统100中的所有压力传感器上保持间隔件140和它们的对应电极对130之间的接触；使控制器180能够从每个压力传感器读取电阻；并且因此使得控制器180能够在施加到触摸传感器表面116的输入的力的量值和位置的范围内准确地解译施加到触摸传感器表面116的总力(即，因为该组弹簧元件协作以将每个压力传感器的状态保持在其可感测的动态范围内)。
2.2衬底
如上所述并如图6所示，在该变型中，衬底110可包括玻璃纤维PCB，其包括：顶层111；以及限定支撑位置114的阵列的底层112。
衬底110还包括跨底层112布置在支撑位置114的阵列处的电极对130的阵列。例如，如图7所示，每个电极对130可以包括一对叉指型电极，这些电极在衬底110的底层112上跨支撑位置114的阵列中支撑位置延伸。
2.3电容式触摸传感器
如上所述并如图9所示，在该变型中，系统100可进一步包括跨衬底110的顶层111布置的电容式触摸传感器170。在一个实施方式中，电容式触摸传感器170包括：布置在衬底110的顶层111上的驱动电极和感测电极阵列；以及覆盖层(例如，玻璃膜)，其布置在衬底110之上，以包围驱动电极和感测电极阵列，并在衬底110之上形成触摸传感器表面116(例如，“触觉表面”)。
在该实施方式中，系统100可以包括：第一数量的电极对130，其形成跨衬底110的底层112的第一数量的压力传感器；以及第二数量的驱动电极和感测电极，其在电容式触摸传感器170中形成比第一数量大至少两个数量级的第二数量的像素。例如，衬底110可以限定矩形几何形状，并且电容式触摸传感器170和触摸传感器表面116可以在衬底110上方跨越90毫米×120毫米的可感测区域。在该示例中，衬底110可以限定邻近矩形几何形状的周边的十个支撑位置114，包括在每个拐角上的一个支撑位置114、沿着衬底110的短边居中的一个支撑位置114、以及沿着衬底110的长边居中的两个支撑位置114。在该示例中，电容式触摸传感器170可以包括60根驱动电极线和45根感测电极线，用于衬底110上方90毫米×120毫米的可感测区域内的总共2700个电容感测像素。
2.4间隔件
如上所述并在图5和图10中所示，在该变型中，系统100包括一组间隔件140，其中每个间隔件140：在衬底110的底层112上的支撑位置114处布置在电极对130之上；并且包括一种力敏材料，该力敏材料响应于对施加力的变化表现出局部体电阻的变化。
在图7所示的一个示例中，衬底110可以：限定跨越衬底110的底层112上的圆形区域(例如，7毫米直径的区域)的第一支撑区域；并且包括第一对叉指型电极，该电极被制造在衬底110的底层112上位于第一支撑位置114的周边内并嵌入(例如嵌入一毫米)第一支撑位置114的周边。在该示例中，第一间隔件140可以包括力敏材料的圆形“试片”：其大小近似于第一支撑位置114的圆形面积(例如，直径为7毫米)；并且(例如，用压敏粘合剂)结合在第一对叉指型电极和第一支撑区域的周边之间的衬底110的底层112上。此外，在该示例中，第一间隔件140可包括排气口，该排气口被配置为跨第一支撑位置114从第一间隔件140和衬底110的底层112之间的空隙排出空气，从而使间隔件140能够与第一对叉指型电极保持接触并跨越第一对叉指型电极。因此，跨第一对叉指型电极的电阻可以表示间隔件140的压缩量值，该压缩量值因此可以解译为所承载的从触摸传感器表面116透过衬底110和间隔件140并进入底盘的力。因此，在第一支撑位置114处的衬底110、第一对叉指型电极和第一间隔件140可以协作以形成第一离散压力传感器，该第一离散压力传感器根据由其承载的力的量值表现出内阻的变化。
在该示例中，可以类似地组装额外的叉指型电极对和间隔件140，以形成跨衬底110的额外的离散压力传感器，额外的离散压力传感器中的每一个根据由其承载的力的量值表现出内阻的变化。
然而，每个间隔件140和电极对130可以是任何其他形状或几何形状，并且以任何其他方式组装，以在衬底110的底层112上形成离散的压力传感器。
2.5弹簧元件和底盘接口
在该变型中，系统100还包括弹簧元件150的阵列：其在支撑位置114的阵列处耦合到该组间隔件140；其被配置成将衬底110支撑在计算设备的底盘上；并且被配置成响应于施加到触摸传感器表面116的力而受力使衬底110向下朝向底盘位移。
在一个实施方式中，系统100包括底盘接口190，底盘接口190：被配置成安装到计算机系统的底盘；以及限定一组弹簧元件150，弹簧元件150由每个间隔件140支撑，并被配置成响应于触摸传感器表面116上的输入而偏转出底盘接口190的平面。
在该实施方式中，计算设备的底盘可以包括底盘插座，其限定近似(或略多于)间隔件140的厚度的深度(例如，对于1.0毫米厚的间隔件140而言，1.2毫米的深度)。间隔件140在每个弹簧元件150处结合到底盘接口190。然后，底盘接口190可以例如通过一组螺纹紧固件或粘合剂来通过插座刚性地安装到底盘上。因此，衬底110和一组间隔件140可以将施加到触摸传感器表面116的力传递到这些弹簧元件150中，弹簧元件150在底盘接口190的平面下方向内偏转并进入底盘插座中。同时，每个间隔件140在衬底110和相邻弹簧元件150之间被压缩，并且因此表现出其与该相邻弹簧元件150所承载的力成比例的局部体电阻的变化。
2.5.1制造缺陷
通常，弹簧元件150的阵列可以：吸收整个系统100的制造缺陷，诸如间隔件140的厚度的变化、相对衬底110的平坦度的偏差、以及相对衬底110和底盘之间的平行度的偏差等；在一系列环境和操作条件下，在每个压力传感器处产生可重复的基准力(baselineforce)；并且保持从间隔件140到底盘的一致的负载路径。
例如，衬底110、该组间隔件140和底盘插座可能表现出各种制造缺陷或几何变化，诸如非平面性、非平行性和厚度变化。因此，经由一组间隔件140在衬底110和底盘插座之间的宽松的制造公差和直接耦合可导致跨这些间隔件140的第一子集的拉伸和跨这些间隔件140的第二子集的压缩。因为跨间隔件140的拉伸可以将力敏材料与压力传感器中的驱动和感测电极对130分开，和/或因为力敏材料在张紧时可能不会表现出局部体电阻的可测量的变化，所以耦合到间隔件140的第一子集中的特定间隔件140的特定压力传感器在以下情形中可以检测无限或高电阻：当没有输入(即，没有附加力)被施加到触摸传感器表面116时；当输入被施加到触摸传感器表面116上的力的量值高达使特定间隔件140从施加跨特定压力传感器的张力转变到压缩特定压力传感器时；以及在这两者之间的一个输入的力的量值范围内时。因此，在该示例中，特定压力传感器可以在该输入的力的量值范围内表现出电阻不变化或不一致的、不可重复的、不可解译的信号，从而在低输入力的量值时减小了压力传感器的动态范围和灵敏度，更一般地减小了系统100的动态范围和灵敏度。
此外，系统100中这些元件的平面度、平行度和/或厚度等可以根据温度改变。因此，这些压力传感器上的拉伸和压缩可随时间根据环境温度变化、环境光照变化、包括系统100的计算设备的操作等而变化，使得这些压力传感器的动态范围和灵敏度可能随时间非线性和不可预测地变化。
因此，系统100可以包括底盘接口190，其经由一组弹簧元件150将间隔件140耦合到底盘，弹簧元件150吸收系统100和底盘之间的制造缺陷，并在间隔件140组装到底盘中时减小间隔件140上的张力，从而增加例如针对触摸传感器表面116上的小的力的量值输入和触摸传感器表面上的大的力的量值输入两者的每个压力传感器的动态范围和灵敏度，这两个输入导致衬底110的相对拐角从底盘上抬起。
特别是，当间隔件140结合到底盘接口190中的相应弹簧元件150时，以及当底盘接口190(随后)安装(例如，紧固、夹持、结合)在底盘插座上时，如图6和图9所示，耦合到上述间隔件140的第一子集的弹簧元件150的第一子集可在底盘接口190的平面上方向外偏转，并且耦合到上述间隔件140的第二子集的弹簧元件150的第二子集可在底盘接口190的平面下方向内偏转，从而在没有力施加到触摸传感器表面116的标称状态下减小了第一间隔件和第二间隔件140上的最大拉力(tensile force)和压缩力。(附加地或可替代地，弹簧元件150的第一子集可向外偏转，以吸收底盘接口190的平面与间隔件140的第一子集之间的间隙，以防止压力传感器的第一子集中的力敏材料与驱动和感测电极对130在标称状态下分离，从而使这些压力传感器能够在标称状态下继续输出可理解的信号。)
随后，如图6和图9所示，当力施加到触摸传感器表面116上时，弹簧元件150可以向下偏转，从而使得衬底110和触摸传感器表面116能够向下向底盘接口190移动，同时这些弹簧元件150向这些间隔件140施加阻力，该阻力将力敏材料压缩到相应的驱动和感测电极对130上，并在这些压力传感器中的一些上产生可测量的电阻变化。
此外，特定的弹簧元件150可以减小相应压力传感器中的间隔件140和相邻的驱动和感测电极对130之间的张力，和/或防止该压力传感器中的力敏材料和驱动和感测电极对130之间的分离。因此，施加在触摸传感器表面116上的特定弹簧元件150上的力的线性增加可产生压力传感器处的电阻值的线性变化(例如，从高电阻线性地变化到较低电阻)。
在该变型中，当系统100中的元件的平面度、平行度和/或厚度等根据温度改变时，以及当间隔件140的位置由于这些与温度相关的变化而相对于底盘改变时，弹簧元件150可以吸收间隔件140相对于底盘的这些位置变化，从而在一系列环境和操作条件下保持这些压力传感器中的力敏材料与相应驱动和感测电极对130之间的接触。
因此，系统100可以包括底盘接口190，其具有配置成吸收间隔件140和底盘之间的位置差异的弹簧元件150的阵列，从而使得系统100例如在宽松的制造公差的情况下和/或即使存在制造缺陷时也能够保持高动态范围和高灵敏度。
2.5.2一体化弹簧元件和底盘接口结构
在一个实施方式中，底盘接口190和弹簧元件150限定了一体化结构(例如，“弹簧板152”)。在一个示例中，底盘接口190包括薄壁结构(例如，20gage或0.8毫米厚的不锈钢板)，其被冲压(punched)、蚀刻或激光切割以形成与每个支撑位置114对齐的挠性件(flexure)。因此，在该示例中，每个弹簧元件150可以限定挠性件(诸如多臂螺旋挠性件)，其被配置成横向和纵向地将系统100定位在底盘之上，并且配置成从由薄壁结构限定的标称平面向内和向外偏转。
更具体地说，在该示例中，底盘接口190可以包括布置在衬底110和底盘之间并限定标称平面的一体化金属板结构。每个弹簧元件150：可以在一体化金属结构中形成(例如，制造)；可以限定台154，台154耦合到间隔件140、与衬底110的底层112相对；可包括在一体化金属结构中制造的挠性件；并且可以被配置成响应于不存在施加到触摸传感器表面116的触摸输入而大致返回到标称平面。
2.5.3弹簧元件位置
在一个实施方式中，衬底110限定矩形几何形状，支撑位置114靠近该矩形几何形状的周边。因此，间隔件140和弹簧元件150的阵列可以协作以将衬底110的周边支撑在计算设备的底盘上。
在该实施方式中，衬底110和布置在电容式触摸传感器170之上的覆盖层可以协作以形成抵抗支撑位置114之间的偏转的半刚性结构。例如，在由弹簧元件150的阵列支撑衬底110的周边的情况下，当对触摸传感器表面116的中心施加约1.6牛顿(即，165克，等于“点击”输入力阈值)的力时，衬底110和覆盖层可表现出向标称平面外小于0.3毫米的偏转。因此，衬底110和覆盖层可以协作以将该施加的力传递到衬底110的周边，并因此传递到下面的间隔件140和弹簧元件150中。
在该实施方式中，包含支撑衬底110的中心的弹簧元件150可以产生：在衬底110的中心和周边两者附近施加的力与衬底110的垂直位移的相对高的比率；以及在围绕衬底110的中心和从衬底110的周边嵌入的中间区域中施加的力与衬底110的垂直位移的相对低的比率。因此，为了避免施加的力与衬底110的垂直位移之比的这种非线性变化(这可能会对与系统100接口连接的用户造成混乱或不适)，系统100可以：包括支撑衬底110的周边的弹簧元件150；排除支撑衬底110的接近衬底中心的弹簧元件150；并且包括形成基本刚性结构的衬底110和覆盖层。
更具体地说，弹簧元件150的阵列可以支撑衬底110的周边，并且衬底110和覆盖层可以形成基本刚性的结构，以便实现施加的力与衬底110的垂直位移的比率，该比率跨触摸传感器表面116的总面积大致一致或线性变化。
2.5.4弹簧力
此外，在前述实施方式中，系统100可以包括：弹簧元件150的第一子集(其特征在于第一弹簧常数)，其耦合到接近衬底110的拐角的支撑位置114的第一子集；以及弹簧元件150的第二子集(其特征在于小于第一弹簧常数的第二弹簧常数)，其耦合到接近衬底110的边缘的支撑位置114的第二子集。
特别地，在该实施方式中，系统100可以包括支撑衬底110的拐角的较硬的弹簧元件150和支撑衬底110的剩余边缘的较弱的弹簧元件150，以便实现施加的力与衬底110沿该衬底110的总周边(包括在衬底110的边和拐角之间)的垂直位移的一致比率。更具体地说，衬底110和覆盖层可以：将施加在触摸传感器表面116的中心附近的力传递到所有弹簧元件150上；将在触摸传感器表面116的边缘附近施加的力(主要)传递到支撑衬底110的该边缘的弹簧元件150的子集中；并且将施加在触摸传感器表面116的拐角附近的力(主要)传递到支撑衬底110的该拐角的一个弹簧元件150中。因此，与支撑衬底110边缘的其它弹簧元件150相比，支撑衬底110的拐角的弹簧元件150可以表现出更大的弹簧常数(例如，每单位施加力的位移更小)。
2.5.5单独弹簧元件
在另一实施方式中，系统100包括一组离散的弹簧元件150，这些弹簧元件150布置在(例如，结合到、压合到)底盘中的各个弹簧插座中，并耦合(例如，结合)到跨衬底110的底层112布置的间隔件140。
2.5.6预加载弹簧元件
在该变型中，衬底110和间隔件140还可以偏置在底盘接口190上，以便预加载弹簧元件150并在每个弹簧元件150与其对应的压力传感器之间保持至少最小的压缩力，从而：在操作期间消除每个弹簧元件150上的张力；防止衬底110上的间隔件140与其对应的电极对130分离；确保每个间隔件140的体电阻以及因此跨每个间隔件140的压缩力经由衬底110上的相应电极对130保持可感测的；以及增加系统100对触摸传感器表面116上非常小的力的量值(例如，低至一克)的输入的灵敏度。
在图9所示的一个实施方式中，系统100包括膜198，该膜：施加在衬底110的顶层111之上(以及形成电容式触摸传感器170的驱动电极和感测电极阵列之上)；限定触摸传感器表面116；从衬底110的周边向外延伸；由底盘插座结合、夹持或以其他方式保持在衬底110的周边附近；并且跨衬底110张紧以向下拉衬底110，由此压缩底盘和该组间隔件140之间的弹簧元件150的阵列，并驱动该组间隔件140使其与在衬底110的底层112上的对应电极对130接触。
例如，膜198可以包括用粘合剂结合在电容式触摸传感器170上的硅树脂或PTFE(例如，膨胀的PTFE)膜。附加地或可替代地，膜198的周边可由底盘保持在电容式触摸传感器170下方的平面上，使得在该平面内横向张紧膜198将向下的力施加在衬底110上，以驱动衬底110朝向底盘插座，并因此压缩该组弹簧元件150。
此外，底盘可以限定一个朝向插座的横向和纵向中心向内地延伸的凸缘(或“架子(shelf)”、底切(undercut))。膜198的延伸超过衬底110的外部部分可以插入插座中并与凸缘的下侧接触。然后，周向保持托架可以在凸缘下面和(完全)在插座的周边上方紧固到底盘上，以便将膜198夹持在底盘和周向保持托架之间，从而围绕插座密封膜198，并将膜198张紧到衬底110上。
因此，在该实施方式中，系统100可以包括膜198，该膜：耦合到底盘；以及在衬底110之上张紧以a)预加载衬底110和弹簧元件150的阵列之间的一组间隔件140的压缩；以及响应于触摸传感器表面116上没有触摸输入，将一组弹簧元件150大致定位在标称板中，诸如大致与底盘接口190的平面对齐。
附加地或可替代地，在一个实施方式中，膜198包括衬底110的周边和插座之间的卷绕(convolution)。在该实施方式中，卷绕可以被配置为偏转或变形，以便适应触觉反馈循环期间系统100的振荡，如下所述。例如，膜198可以包括聚酰亚胺膜，该聚酰亚胺膜具有沿衬底110的外周和插座的内周之间的间隙延伸的半圆形脊。
此外，在该实施方式中，系统100还可以包括结合在膜198上并向上延伸到衬底110的周边的玻璃或其他覆盖层。
2.6控制器和操作
在系统100的这个变型中，控制器180被配置成在扫描循环期间：从电极对130的阵列读取一组电阻值，该电阻值表示衬底110和弹簧元件150的阵列之间的一组间隔件140的压缩；并且基于表示弹簧元件150的阵列的弹簧常数的力模型和该组电阻值来解译在该扫描循环期间施加到触摸传感器表面116的力的分布。
在图9所示的一个示例中，在设置例程期间或在没有触摸输入被施加到触摸传感器表面116的正在进行的校准循环期间，控制器180可以从压力传感器读取电阻值，并将这些电阻值存储为这些压力传感器的基线电阻，基线电阻对应于触摸传感器表面116上没有触摸输入。随后，当用户在第一时间按压(例如，用触笔、手指)触摸传感器表面116的靠近第一弹簧元件150的第一区域时，该触摸输入使第一弹簧元件150受压。因此，在电极对130的阵列中的第一间隔件140：在衬底110的底层112上在第一弹簧元件150和支撑位置114的阵列中的第一支撑位置114之间压缩；并且表现出与触摸输入的力的量值成比例的局部体电阻的减小。因此，控制器180：在跨越第一时间的扫描循环期间，从与第一间隔件140相邻的第一电极对130读取第一电阻值；基于第一电阻值与存储的第一电极对130的基线电阻值之间的差，在第一时间计算跨越第一电极对130的电阻值的第一变化；并且基于电阻值的第一变化(例如，与其成比例)和存储的力模型(例如，基于第一弹簧元件150的弹簧常数)来解译由第一弹簧元件150承载的触摸输入的力的量值的一部分，存储的力模型将相对基线电阻的偏差关联到由第一弹簧元件150承载的力。
在该示例中，控制器180可以针对衬底110上的每个其他离散压力传感器实施该过程，以便将在每个压力传感器处检测到的电阻值的变化转换为在第一时间由每个弹簧元件150承载的触摸输入的总力的量值的部分。控制器180然后可以对这些部分求和以计算第一时间期间触摸输入的总力的量值。附加地或可替代地，控制器180可以融合由每个压力传感器承载的力的量值的这些部分、压力传感器在衬底110上的已知位置、以及经由电容式触摸传感器170在触摸传感器表面116上检测到的多个并发的离散输入的位置，以便估计由每个离散输入施加的力，诸如如下所述。
2.6.1负力
在图9所示的一个变型中，控制器180实现类似的方法和技术，以分别基于在这些压力传感器上检测到的电阻的减小和增大来检测在扫描循环期间由离散压力传感器承载的力的增加和减小。更具体地说，在触摸传感器表面116的第一拐角附近对触摸传感器表面116施加力可以将该第一拐角压入底盘，但也导致衬底110的第二相对的拐角抬起，从而增加第一拐角所承载的力，但减小第二拐角所承载的力。因此，控制器180可以：检测衬底110的第一拐角和第二拐角中的第一压力传感器和第二压力传感器处的电阻的减小和增加；将这些电阻转化为第一压力传感器和第二压力传感器所承载的力的正负变化；并且对这些承载力的正变化和负变化求和，以便计算此时施加到触摸传感器表面116的准确的总力。
例如，如上所述，系统100可以包括膜198，其朝向底盘预加载弹簧元件150的阵列，并且当没有触摸输入施加到触摸传感器表面116时，将弹簧元件150定位在标称平面(略低于(薄金属片)底盘接口190的顶表面)。因此，每个弹簧元件150可以：响应于在触摸传感器表面116接近其对应的支撑位置114上施加力而受力低于标称平面；并且响应于在触摸传感器表面116上远离其对应支撑位置114(例如，在触摸传感器表面116的相对边缘处)施加力而受力高于标称平面。
在扫描循环期间，控制器180可以从触摸传感器表面116上的触摸输入附近的在电极对130的阵列中的电极对130的第一子集读取第一组电阻值。然后，响应于第一组电阻值在第一方向上偏离(例如，低于)针对电极对130的第一子集存储的基线电阻值，控制器180可以解译由耦合到该电极对130的第一子集的弹簧元件150的第一子集承载的第一组高于基线的(或“升高的”、“正的”)压缩力。
类似地，在该扫描循环期间，控制器180可以：从远离触摸传感器表面116上的触摸输入的在电极对130的阵列中的电极对130的第二子集读取第二组电阻值。然后，响应于第二组电阻值在第二方向上偏离(例如，超过)为电极对130的第二子集存储的基线电阻值，控制器180可以解译由耦合到该电极对130的第二子集的弹簧元件150的第二子集所承载的第二组低于基线的(或“减小的”、“负的”)压缩力。
然后，控制器180可以基于第一组高于基线的压缩力和第二组低于基线的压缩力的组合来解译施加到触摸传感器表面116的触摸输入的总力的量值。例如，控制器180可以基于以下项来解译在该扫描循环期间施加到触摸传感器表面116的触摸输入的总力的量值：第一组高于基线的压缩力的和；减去第二组低于基线的压缩力的和。
2.6.2电容触摸+阻力
此外，在上述系统100的变型中，该系统100包括驱动电极和感测电极阵列，其跨衬底110的顶层111形成电容式触摸传感器170，控制器180可以：在扫描循环期间从电容式触摸传感器170读取电容值和从一组压力传感器读取电阻值；并且将这些数据融合成在该扫描循环期间触摸传感器表面116上的触摸输入的位置和力的量值。
例如，如图9所示，在扫描循环期间，控制器180可以：读取电容式触摸传感器170中的驱动电极和感测电极之间的一组电容值(例如，电容充电时间、放电时间或RC电路谐振频率的变化)；读取跨电极对130的阵列中的电极对130的一组电阻值；基于一组电容值(例如，基于在跨衬底110的顶层111的已知横向和纵向位置处的驱动电极和感测电极之间的电容值的变化)，检测触摸传感器表面116上的触摸输入的横向位置和纵向位置；如上所述，基于该一组电阻值来解译触摸输入的力的量值；以及例如以力注释的触摸图像的形式输出触摸输入的横向位置、纵向位置和力的量值。
因此，在该示例中，如果控制器180在该扫描循环期间基于该组电容值检测到触摸传感器表面116上的单个触摸输入，则控制器180可以将整个施加的力归因于该单个触摸输入。因此，控制器180可以：实现上述方法和技术，以基于从相邻电极对130读取的电阻值、针对这些电极对130存储的基线电阻值和针对这些弹簧元件存储的力模型来计算每个弹簧元件150承载的各个力；将这些单独的力求和以计算在该扫描循环期间施加到触摸传感器表面116的总力；并用这个总力标记触摸输入的位置，该位置从该组电容值导出。
2.6.3多点触摸
然而，在该变型中，如果控制器180在扫描循环期间基于从电容式触摸传感器170读取的一组电容值检测到触摸传感器表面116上的多个触摸输入，则控制器180可以将从这些电容值导出的离散触摸输入的位置与弹簧元件150承载的力的量值融合，以估计(例如，消除歧义)这些单独触摸输入的力的量值。
在图10所示的一个实施方式中，在扫描循环期间，控制器180：读取电容式触摸传感器170中的驱动电极和感测电极之间的一组电容值；读取电极对130的阵列中的电极对130的一组电阻值；基于该组电容值检测触摸传感器表面116上的第一触摸输入的第一横向位置和第一纵向位置(例如，识别为第一输入的触摸传感器表面116上的第一区域的质心)；并且类似地基于该组电容值检测触摸传感器表面116上的第二触摸输入的第二横向位置和第二纵向位置(例如，识别为第二输入的触摸传感器表面116上的第二区域的质心)。例如，控制器180可以实现斑点检测(blob detection)、聚类或其他触摸解译技术以区分触摸传感器表面116上的第一输入和第二输入，诸如通过将a)响应于第一输入而表现出电容值变化的驱动电极和感测电极的第一群集与b)响应于第二输入而表现出电容值变化的驱动电极和感测电极的第二群集隔离开来。
在该示例中，控制器180还可以实现上述方法和技术，以基于该组电阻值、存储的对应电极对130的基线电阻值以及存储的对应弹簧元件150的弹簧元件150的模型来解译由每个弹簧元件150承载的一组单独的力的量值。然后，对于每个压力传感器，控制器180可以：基于第一触摸输入的第一横向位置和第一纵向位置，计算从第一触摸输入到弹簧元件150的第一距离；基于第二触摸输入的第二横向位置和第二纵向位置，计算从第二触摸输入到弹簧元件150的第二距离；基于第一距离与第一距离和第二距离的组合(例如，和)的第一比率，估计由第一触摸输入施加的由弹簧元件150承载的单个力的量值的第一比例；以及基于第二距离与第一距离和第二距离的组合(例如，和)的第二比率，估计由第二触摸输入施加的单个力的量值的第二比例。
然后，控制器180可以基于由弹簧阵列承载的力的量值的第一组合(例如，和)——第一组合由由此从这些弹簧元件150到第一输入的距离导出的第一比例来加权——来估计由第一触摸输入施加的第一总力的量值。类似地，控制器180可以基于由弹簧阵列承载的力的量值的第二组合(例如，和)——第二组合由由此从这些弹簧元件150到第二输入的距离导出的第二比例来加权——来估计由第二触摸输入施加的第二总力的量值。
因此，在该示例中，控制器180可以基于这些弹簧元件150和这些离散触摸输入之间的距离来估计由多个弹簧元件承载的、从触摸传感器表面116上的多个离散触摸输入产生的力的比例。附加地或可替代地，控制器180可以基于这些离散触摸输入的大小(例如，面积、最小宽度)来估计由多个弹簧元件150承载的、从触摸传感器表面116上的多个离散触摸输入产生的力的比例(例如，估计与这些散触摸输入的大小成比例的力的比例)。
2.7触觉反馈模块
在图5所示的一个变型中，底盘接口190(或定位弹簧元件150的阵列的独立弹簧板152)限定了从弹簧元件150的阵列嵌入的磁性元件插座192。在该变型中，系统100可进一步包括布置在(例如，结合到、灌封在)磁性元件插座192中的磁性元件194(例如，Halbach阵列、一组永磁体)。此外，在该变型中，衬底110可以包括布置在磁性元件194之上并被配置成磁性耦合到磁性元件194以形成振动器的导电线圈。例如，导电线圈可以包括安装(例如，结合、焊接)到衬底110的底层112的分立空心线电感器。在另一示例中，衬底110包括在衬底110的多层上制造的多个同轴导电螺旋迹线，以在衬底110内形成整体玻璃纤维芯线迹线电感器。
替代地，系统100可以包括安装到衬底110并由控制器180选择性地供电的离散机电振动器。
在操作期间，控制器180可以用交流电流驱动导电线圈或机电振动器，从而在导电线圈和磁性元件194之间感应振荡力，该振荡力使衬底110在底盘和底盘接口190上振荡，并因此向用手指或触笔与触摸传感器表面116接口连接的用户提供触感(或“触觉”)反馈。例如，控制器180可以响应于检测到超过“点击”输入力阈值(例如，1.6牛顿，165克)的力的施加，在点击循环期间用交流电驱动导电线圈，如上所述以及如下所述。
更具体地说，在扫描循环期间，控制器180可以：从电极对130的阵列读取一组电阻值；基于这组电阻值解译施加到触摸传感器表面116的输入的力的量值；并且响应于输入的力的量值超过阈值力的量值(例如，1.6牛顿，165克)，驱动交流电流通过导电线圈以将导电线圈磁耦合到磁性元件194。因此，弹簧元件150的阵列可以受力于导电线圈和磁性元件194之间的磁耦合，以使衬底110和触摸传感器表面116能够相对于底盘振荡。
2.8.1衬底运动
在一个实施方式中，振动器可被配置成在平行于触摸传感器表面116的振动平面并沿着主振动轴(例如，平行于触摸传感器表面116的短边)相对于底盘振动衬底110。因此，每个弹簧元件150可被配置成响应于振动平面中的力(例如，响应于振动器的致动)优先沿着主振动轴偏转并抵抗垂直于主振动轴的偏转。
在一个示例中，导电线圈限定垂直于触摸传感器表面116的电感器轴；并且磁性元件194布置在磁性元件插座192中，磁性元件194的极轴垂直于电感器轴，使得导电线圈的激励在导电线圈和磁性元件194之间感应出平行于触摸传感器表面116的振荡力。在该示例中，每个弹簧元件150可包括：具有第一长度、第一宽度、在振动平面内延伸并垂直于主振动轴延伸的第一组挠性梁(flexure beam)；第二组挠性梁，其第二长度小于第一长度、第二宽度大于第一宽度、在振动平面内延伸、和/或平行于主振动轴延伸；以及经由第一组挠性梁和第二组挠性梁从底盘接口190的基部悬挂的台154(例如，“间隔件140的座”)，如图8A-8C所示。因此，在该示例中，底盘接口190可以刚性地耦合到底盘，并且该组弹簧元件150可以表现出对沿主振动轴的振动的较小阻力，并且可以优选地保持系统100的位置正交于主振动轴，同时适配于系统100向下朝向底盘插座的凹陷。
可替代地，每个弹簧元件150可以包括一组嵌套的曲线梁(curvilinear beam)，这些曲线梁相对于底盘接口190的基部定位间隔件140的座并且响应于振动平面中的力对系统100的平行于和正交于主振动轴的运动表现出类似的阻力，诸如图8D-8F所示。在该实施方式中，集成振动器的磁性元件194可以布置在底盘插座中；底盘接口190可以例如经由一组橡胶扣环弹性地耦合到底盘，并且可以包括在磁性元件194上的窗口；并且当线圈被激活以沿着主振动轴振动包括底盘接口190和触摸传感器表面116的系统100时，线圈可以通过窗口磁耦合到磁性元件194。
在另一实施方式中，导电线圈限定垂直于触摸传感器表面116的电感器轴；并且磁性元件194布置在磁性元件插座192中，磁性元件194的极轴平行于电感器轴，使得导电线圈的激励在导电线圈和磁性元件194之间感应出垂直于触摸传感器表面116的振荡力。在该实施方式中，弹簧元件150的阵列可以被配置成在垂直于触摸传感器表面116的方向上受力，以使衬底110和触摸传感器表面116能够在底盘内垂直振荡。例如，在该实施方式中，每个弹簧元件150可以包括支撑耦合(例如，结合)到衬底110的底层112上的间隔件140的台154的螺旋挠性件。
因此，代替底盘和间隔件140的阵列之间的刚性或低柔顺性耦合，系统100可以包括弹簧元件150的阵列，弹簧元件150的阵列在点击循环期间因振动器的致动而受力(例如，响应于振动器的致动而弹性形变)，从而限制触摸传感器表面116的振动阻尼，并使系统100能够经由相对较小、低电压和低功率的振动器向用户返回可感知的触觉反馈。
此外，在包括集成振动器的系统100的变型中，集成振动器具有集成到衬底110中的线圈和单独的磁性元件194：磁性元件194可以布置在底盘插座中；底盘接口190可以包括磁性元件194上方的窗口，如图7所示；并且当线圈被激活以使系统100沿着主振动轴振动时，线圈可以通过窗口磁耦合到磁性元件194，其中弹簧元件150沿着主振动轴弹性变形。替代地，磁性元件194可以直接耦合到底盘接口190；并且当线圈被激活以沿着主振动轴振动系统100时，线圈可以磁耦合到磁性元件194。
2.8高/低分辨率区域
在图11所示的一个变型中，系统100定义：由一组压力传感器支撑并包含电容式触摸传感器170的主输入区域118；以及由该组压力传感器支撑但不包括电容式触摸传感器170的辅助输入区域119。
2.8.1周边压力传感器
在一个实施方式中，其中系统100被配置为安装为沿膝上型计算机中的键盘的底部边缘布置的触摸板：衬底110可以大致跨越键盘的宽度；电容式触摸传感器170可大致横向居中于衬底110之上，以形成主输入区域118；并且衬底110在主输入区域118两侧的区域可以排除电容式触摸传感器170，并因此形成两个辅助输入区域119。在该实施方式中，系统100可以包括支撑区域、间隔件140、电极对130和弹簧元件150，支撑区域、间隔件140、电极对130和弹簧元件150围绕衬底110的周边布置，并且它们协作以将整个衬底110支撑在膝上型计算机的底盘上。因此，在该实施方式中，衬底110、主输入区域118和辅助输入区域119可以“浮置”在底盘上方，并且可以朝底盘压下，从而：局部压缩弹簧元件150(的子集)；压缩间隔件140(的子集)；减小电极对130(的子集)上的电阻值；以及使控制器180能够计算施加在主区域和辅助区域上的总力，并估计施加在主区域和辅助区域上的单独输入的力的量值。
2.8.2嵌入式压力传感器
在图11所示的类似实施方式中，系统100包括支撑区域、间隔件140、电极对130和弹簧元件150，它们沿着主输入区域118的底部边缘布置；沿着主输入区域118的顶部边缘布置；在从衬底110的左边缘嵌入的左辅助输入区域119内布置；并且在从衬底110的右边缘嵌入的右辅助输入区域119内布置。因此，在该实施方式中，弹簧元件150可以优先地支撑主输入区域118，并且控制器180可以优先地基于这些电极对130上的电阻变化来解译施加到主输入区域118的力。然而，由于系统100包括布置在辅助输入区域119下面的压力传感器，所以控制器180还可以基于这些压力传感器内的电阻值的变化来检测施加到辅助输入区域119的力，诸如当在相邻键盘上打字时或当在主输入区域118上拉动手指或触笔时，用户的手掌放在辅助输入区域119上。然而，在该实施方式中，由于系统100排除了在辅助输入区域119之上的电容式触摸传感器170，所以控制器180可以：检测和跟踪在主输入区域118上的输入的位置和力的量值；但是仅检测辅助输入区域119上的输入的力的量值。
例如，系统100可以包括：占据衬底110的第一区域(即，主输入区域118)内的支撑位置114的第一子集的电极对130的第一子集；占据衬底110的第二区域(即，辅助输入区域119)内的支撑位置114的第二子集的电极对130的第二子集；以及形成电容式触摸传感器的驱动电极和感测电极阵列，其布置在衬底110的第一区域上。在该示例中，系统100还可以包括：耦合到支撑位置114的第一子集的弹簧元件150的第一子集；以及耦合到支撑位置114的第二子集的弹簧元件150的第二子集。因此，在扫描循环期间，控制器180可以：从电极对130的第二子集读取电阻值的子集；以及基于电阻值子集检测在衬底110的第二区域之上与触摸传感器表面116接触的手掌。更具体地说，在该示例中，如果控制器180通过电容式触摸传感器170检测到主输入区域118内没有输入，但基于电极对130的第二子集上的电阻值的变化检测到弹簧元件150的第二子集所承载的力，则控制器180可以识别辅助输入区域119上的输入(例如，手掌)，其力的量值等于弹簧元件150所承载的力的和。
相反，在该示例中，控制器180可以：经由电容式触摸传感器170检测在主输入区域118内的输入；基于电极对130的第一子集上的电阻值的变化检测由弹簧元件150的第一子集承载的力；以及基于电极对130的第二子集上的电阻值的变化，检测弹簧元件150的第二子集所承载的力。因此，控制器180可以：检测主输入区域118上的第一输入(例如，手指、触笔)；检测辅助输入区域119上的第二输入(例如，手指、触笔)；基于从支撑位置114到第一输入的第一距离与从支撑位置114到辅助输入区域119的中心的第二距离的比率，解译由于第一输入而导致弹簧元件150承载的力的第一比例；基于从支撑位置114到辅助输入区域119的中心的第二距离与从支撑位置114到第一输入的第一距离的比率，解译由于第二输入而导致弹簧元件150承载的力的第二比例；对第一比例求和以估计第一输入在主输入区域118上的力的量值；以及对第二比例求和以估计第二输入在主输入区域118上的力的量值。
然后，在该示例中，控制器180(或膝上型计算机)可以响应于在任一辅助输入区域119上检测到手掌而激活(例如，通电、唤醒)键盘。替代地，控制器180可以响应于检测到没有施加到任一个辅助输入区域119上的力——这可以指示在辅助输入区域119上没有手掌，并且用户没有试图在键盘上键入——以较低的采样速率对键盘进行采样；反之亦然。
在类似的实施方式中，系统100包括：布置在主输入区域118之上的第一、更高分辨率电容式触摸传感器170(例如，包含第一密度的驱动和第二电极的电容式触摸传感器170)；以及布置在辅助输入区域119之上的两个较低分辨率电容式触摸传感器170(例如，电容式触摸传感器170包含第二密度的驱动和第二电极，第二密度小于第一密度)。在该实施方式中，系统100还可以包括：沿着主输入区域118支撑衬底110的顶部边缘和底部边缘的成行的压力传感器和弹簧元件150；以及支撑辅助输入区域119——诸如在主输入区域和辅助输入区域119之间的接合部附近或在辅助输入区域119的中心附近——的成列的压力传感器和弹簧元件150。因此，在该实施方式中，控制器180可以：以高分辨率检测第一输入在主输入区域118上的位置；以较低分辨率检测第二输入在辅助输入区域119上的位置；基于相邻电极对130的电阻值的变化来解译支撑衬底110的已知区域的每个弹簧元件150承载的力；实施类似于上述那些的方法和技术，以估计由第一输入和第二输入施加的这些力的部分；然后估计这些输入的总力的量值。
3.借助电容表达力
图12所示的系统100的另一变型包括：衬底110，该衬底包括顶层111、底层112、布置在底层112上的电容传感器120的阵列、以及布置在底层112上与电容传感器120的阵列相邻的支撑位置114的阵列；布置在衬底110的顶层111之上的触摸传感器表面116；弹簧元件150的阵列，其被配置成将衬底110耦合到底盘，并响应于施加到触摸传感器表面116的力而受力使衬底110向下朝向底盘位移，弹簧元件150的阵列中的每个弹簧元件150在支撑位置114的阵列中的支撑位置114处耦合到衬底110；耦合板160，其被配置为耦合到底盘、与弹簧元件150的阵列相邻，并响应于衬底110朝向耦合板160的位移而产生电容传感器120的阵列的电容值；以及控制器180，其被配置为从电容传感器120的阵列读取电容值，并基于从电容传感器120的阵列读取的电容值来解译施加到触摸传感器表面116的输入的力的量值。
图14中所示的系统100的类似变型包括：衬底110，衬底包括顶层111、底层112、布置在底层112上的电容传感器120的阵列、以及布置在底层112上与电容传感器120的阵列相邻的支撑位置114的阵列；布置在衬底110的顶层111上的驱动电极和感测电极阵列；布置在驱动电极和感测电极阵列之上的触摸传感器表面116；弹簧元件150的阵列，其被配置成将衬底110耦合到底盘，并响应于施加到触摸传感器表面116的力而受力使衬底110向下朝向底盘位移，弹簧元件150的阵列中的每个弹簧元件150在支撑位置114的阵列中的支撑位置114处耦合到衬底110；以及耦合板160，其被配置为耦合到底盘、与弹簧元件150的阵列相邻，并响应于衬底110朝向耦合板160的位移来产生电容传感器120的阵列的电容值。系统100的该变型还包括控制器180，控制器180被配置成在扫描循环期间：读取电容式触摸传感器170中的驱动电极和感测电极之间的第一组电容值；读取电容传感器120的阵列中的电容传感器120的第二组电容值；基于第一组电容值检测触摸传感器表面116上的触摸输入的横向位置和纵向位置；基于第二组电容值来解译触摸输入的力的量值；并且输出触摸输入的横向位置、纵向位置和力的量值。
3.1应用
通常，在该变型中，系统100包括：耦合板160，其安装到计算设备的底盘，面向衬底110的底层112并偏离衬底110的底层112，并且在弹簧元件150的阵列附近延伸；以及电容传感器120的阵列，其跨衬底110的底层112布置，被配置成电容性地耦合到耦合板160，并由此根据它们与耦合板160的距离而表现出电容值(例如，充电时间、放电时间或RC电路谐振频率)的变化。
在该变型中，该组弹簧元件150：抵靠底盘将衬底110垂直地支撑在电容传感器120的阵列附近；并且受到施加到触摸传感器表面116的力，从而使得附近的电容传感器120能够向耦合板160移动，这与这些电容传感器120和耦合板160之间的距离变化成比例地改变这些电容传感器120的电容值。因此，控制器180可以：基于该电容传感器120的电容值相对其存储的基线电容值的变化来计算电容传感器120与耦合板160之间的距离的变化；以及基于存储的弹簧元件150的弹簧常数来计算相邻弹簧元件150所承载的力。控制器180然后可以实现上述方法和技术，以基于每个弹簧元件150所承载的力来计算施加到触摸传感器表面116的总力；和/或将每个弹簧元件150承载的力与经由电容式触摸传感器170检测到的输入位置融合，以估计单独触摸输入施加在触摸传感器表面116上的力。
3.2衬底
如上所述，在该变型中，衬底110可以包括玻璃纤维PCB，该玻璃纤维PCB包括：顶层111；以及限定支撑位置114的阵列的底层112。衬底110还包括电容传感器120的阵列，电容传感器120的阵列跨底层112布置并邻近(例如，环绕、邻接)支撑位置114。
3.2.1互电容传感器
在图13A所示的一个实施方式中，电容传感器120布置成与每个支撑位置114相邻的互电容配置。
例如，每个电容传感器120可以包括：驱动电极，其布置在衬底110的底层112上，与支撑位置114的第一侧相邻；以及感测电极，其布置在衬底110的底层112上，与支撑位置114的与驱动电极相对的第二侧相邻。在该示例中，电容传感器120内的驱动电极和感测电极可以电容性地耦合，并且衬底110和耦合板160之间的气隙可以在驱动电极和感测电极之间形成空气电介质。当触摸传感器表面116在电容传感器120上受压时，相邻的弹簧元件150可以受力，从而将电容传感器120的驱动电极和感测电极移动得更靠近耦合板160，并减小这些驱动电极和感测电极之间的气隙。由于耦合板160表现出大于空气的电介质，因此耦合板160与衬底110之间减小的距离增加了驱动电极和感测电极之间的有效电介质，并因此增加了驱动电极和感测电极的电容。因此，当触摸传感器表面116在电容传感器120上受压时，电容传感器120的电容值可以偏离基线电容值，诸如以电容传感器120的充电时间增加、电容传感器120的放电时间增加或电容传感器120的谐振频率降低的形式。
因此，在该实施方式中，控制器180可以在扫描循环期间：将耦合板160驱动到参考(诸如，地)电位；在目标时间间隔内例如以目标电压或以特定频率的交流电压(串行地)驱动电容传感器120中的每个驱动电极；从电容传感器120阵列中的感测电极读取表示这些电容传感器120的驱动电极和感测电极之间的互电容的测量值的一组电容值；并且基于这组电容值和弹簧元件150的阵列的已知弹簧常数来解译施加到触摸传感器表面116的力的分布，如下所述。
3.2.2自电容传感器
在图13B所示的另一实施方式中，电容传感器120布置成邻近每个支撑位置114的自电容配置。
例如，每个电容传感器120可以包括单个电极，单个电极布置在衬底110的底层112上、邻近(例如，环绕)支撑位置114，并且耦合板160可以用作每个电容传感器120的公共第二电极。在该示例中，电容传感器120内的单个电极和耦合板160可以电容耦合，并且衬底110和耦合板160之间的气隙可以在电容传感器120和耦合板160之间形成空气电介质。当触摸传感器表面116在电容传感器120上受压时，相邻的弹簧元件150可以受力，从而：使电容传感器120更靠近耦合板160移动；减小电容传感器120与耦合板160之间的气隙；以及增加电容传感器120和耦合板160之间的电容。因此，当触摸传感器表面116在电容传感器120上受压时，电容传感器120的电容值可以偏离基线电容值，诸如以电容传感器120的充电时间增加、电容传感器120的放电时间增加或电容传感器120的谐振频率降低的形式。
因此，在该实施方式中，控制器180可以在扫描循环期间：将耦合板160驱动到参考(诸如，地)电位；在目标时间间隔内例如以目标电压或以特定频率的交流电压(串行地)驱动每个电容传感器120；从电容传感器120的阵列读取表示电容传感器120和耦合板160之间的自电容的测量值的一组电容值；并且基于这组电容值和弹簧元件150的阵列的已知弹簧常数来解译施加到触摸传感器表面116的力的分布，如下所述。
3.3电容式触摸传感器
如上所述，在该变型中，系统100可进一步包括跨衬底110的顶层111布置的电容式触摸传感器170。在一个实施方式中，电容式触摸传感器170包括：布置在衬底110的顶层111上的驱动电极和感测电极阵列；以及覆盖层(例如，玻璃膜)，其布置在衬底110之上，以包围驱动电极和感测电极阵列，并在衬底110之上形成触摸传感器表面116(例如，“触觉表面”)。
在该实施方式中，系统100可以包括：第一数量的电容传感器120，其形成跨衬底110的底层112的第一数量的压力传感器；以及第二数量的驱动电极和感测电极，其例如如上所述地在电容式触摸传感器170中形成至少比第一数量大两个数量级的第二数量的像素。
3.4弹簧元件
在该变型中，系统100还包括弹簧元件150的阵列，这些弹簧元件150：在支撑位置114的阵列处耦合(例如，结合、铆接、焊接)到衬底110；被配置成将衬底110支撑在计算设备的底盘上；并且被配置成响应于施加到触摸传感器表面116的力而受力使衬底110向下朝向底盘位移。
3.4.1一体化弹簧元件和底盘接口结构
在图12所示的一个实施方式中，系统100包括弹簧板152，弹簧板152包括跨越衬底110的底层112的一体化结构；并且限定了与衬底110上的支撑位置114对齐的弹簧元件150的阵列。在一个示例中，类似于上面描述的底盘接口190，弹簧板152包括薄壁结构(例如，20gage或0.8毫米厚的不锈钢薄板)，其被冲压、蚀刻或激光切割以形成与每个支撑位置114对齐的挠性件。因此，在该示例中，每个弹簧元件150可以限定挠性件(诸如多臂螺旋挠性件)，其被配置成横向和纵向地将系统100定位在底盘之上，并且配置成从由薄壁板限定的标称平面向内和向外偏转。
更具体地说，在该示例中，弹簧板152可以包括布置在衬底110和底盘之间并限定标称平面的一体化金属板结构。每个弹簧元件150：可以在一体化金属结构中形成(例如，制造)；可以限定台154，台154耦合到间隔件140，与衬底110的底层112相对；可包括在一体化金属结构中制造的挠性件；并且可以被配置成响应于不存在施加到触摸传感器表面116的触摸输入而大致返回到标称平面。
3.4.2弹簧元件位置
在一个实施方式中，衬底110限定矩形几何形状，支撑位置114靠近该矩形几何形状的周边。因此，弹簧元件150的阵列可以协作以将衬底110的周边支撑在计算设备的底盘上。
在该实施方式中，布置在电容式触摸传感器170之上的衬底110和覆盖层可以协作以形成抵抗支撑位置114之间的偏转的半刚性结构。例如，在由弹簧元件150的阵列支撑衬底110的周边的情况下，当对触摸传感器表面116的中心施加约1.6牛顿(即，165克，等于“点击”输入力阈值)的力时，衬底110和覆盖层可以表现出标称平面外小于0.3毫米的偏转。因此，衬底110和覆盖层可以协作以将该施加的力传递到衬底110的周边，并因此传递到下面的弹簧元件150中。如上所述，弹簧元件150的阵列可以支撑衬底110的周边，并且衬底110和覆盖层可以形成基本刚性的结构，以便实现施加的力与衬底110的垂直位移的比率，该比率跨触摸传感器表面116的总面积大致一致或线性变化。
3.4.3弹簧力
此外，在前述实施方式中，系统100可以包括：弹簧元件150的第一子集，其特征在于第一弹簧常数，耦合到衬底110的拐角附近的支撑位置114的第一子集；以及弹簧元件150的第二子集，其特征在于小于第一弹簧常数的第二弹簧常数，耦合到接近衬底110的边缘的支撑位置114的第二子集，如上所述。
3.4.4单独弹簧元件
在另一实施方式中，系统100包括一组离散的弹簧元件150，这些弹簧元件150布置在(例如，结合到、压合到)底盘中的各个弹簧插座中，并跨支撑位置114的阵列耦合(例如，结合)到衬底110的底层112。
3.4.5预加载弹簧元件
如上所述，衬底110还可以偏置到弹簧板152上，以便：预加载弹簧元件150；实现电容传感器120和耦合板160之间的目标标称气隙；实现落在每个电容传感器120的可感知范围内的基线电容值；并且因此使得控制器180能够基于电容传感器120电容的变化，诸如分别响应于施加到电容传感器120上方的触摸传感器表面116的力和响应于施加到远离电容传感器120的触摸传感器表面116的力，检测每个电容传感器120朝向和远离耦合板160移动，如下所述。
3.5耦合板
耦合板160被配置成：与弹簧元件150的阵列相邻地耦合到底盘；以及响应于衬底110朝向耦合板160的位移来产生电容传感器120的阵列的电容值。
3.5.1弹簧板与衬底之间的单独的耦合板
在图12所示的一个实施方式中，耦合板160限定了插入在弹簧板152和衬底110之间并刚性安装到计算设备的底盘的离散结构。
通常，在该实施方式中，耦合板160：可插入在弹簧元件150的阵列和衬底110之间；可以包括与支撑位置114的阵列和弹簧元件150的阵列对齐(例如，同轴)并且限定类似于(且略大于)弹簧元件150上的台154的几何形状的穿孔164的阵列；并且限定邻近(例如，环绕)穿孔164的阵列的电容耦合区域162的阵列。例如，耦合板160可以包括薄壁结构(例如，20gage或0.8毫米厚的不锈钢薄板)，其被冲压、蚀刻或激光切割以形成穿孔164的阵列。在该实施方式中，每个电容传感器120(例如，互电容配置中的驱动电极和感测电极、自电容配置中的单个电极)可以围绕衬底110的底层112上的支撑位置114延伸，诸如直到耦合板160中的相邻穿孔164的周边，使得电容传感器120(主要)电容耦合到耦合板160上的相邻电容耦合区域162而不是相邻弹簧元件150。
此外，在该实施方式中，系统100还可以包括一组间隔件140，每一间隔件140延伸穿过耦合板160中的穿孔164；每一间隔件140对于穿孔164来说(略微)尺寸不足(undersized)；并且每一间隔件140将衬底110的底层112上的相邻支撑位置114耦合到弹簧板152中的相邻弹簧元件150。例如，每个间隔件140可以包括硅树脂试片，其(例如，用压敏粘合剂)在一侧结合到相邻弹簧元件150的台154上，并在相对一侧结合到衬底110上的相邻支撑位置114上。
因此，在该实施方式中，每个电容传感器120可以：电容耦合到耦合板160的相邻电容耦合区域162；并且响应于靠近电容传感器120施加在触摸传感器表面116上的力而向耦合板160上的相邻电容耦合区域162移动，这会产生电容传感器120的电容值的变化，该电容值的变化表示相邻弹簧元件150所承载的该输入的力的部分。更具体地说，因为耦合板160是刚性的并且与衬底110和弹簧元件150机械隔离，所以耦合板160的电容耦合区域162可以保持在底盘插座上方偏移的一致位置，使得对触摸传感器表面116施加的力压缩弹簧元件150的全部或子集，使电容传感器120的全部或子集更靠近其对应的电容耦合区域162移动，并且根据弹簧元件150所承载的力的量值(例如，与之成比例)来重复地改变这些电容传感器120的电容值，控制器180随后可以解译力的量值以准确地估计这些力的量值、施加到触摸传感器表面116的总力、和/或施加到触摸传感器表面116的单独触摸输入的力的量值。
此外，在该实施方式中，间隔件140可以限定接近(或略大于)相邻弹簧元件150的最大垂直压缩高度的高度，该最大垂直压缩高度与相邻电容传感器120的目标动态范围相对应。例如，对于压力传感器的2牛顿(例如，200克)的目标动态范围，给定触摸传感器表面116的最大一毫米垂直位移以及因此相邻弹簧元件150的最大一毫米压缩，弹簧元件150可被调节为每米2000牛顿的弹簧常数。此外，间隔件140的高度可以是大约一毫米、加上耦合板160的厚度和/或堆叠公差(例如，0.1毫米的10％)。
在该实施方式中，耦合板160和弹簧板152可以直接紧固到计算设备的底盘上。替代地，耦合板160和弹簧板152可以安装(例如，紧固、铆接、焊接、卷曲)到单独的底盘接口190，然后该底盘接口190紧固或以其他方式安装到底盘。系统100还可以包括布置在弹簧板152和耦合板160之间的非导电缓冲层166，如图12所示，以便将弹簧板152与耦合板160电隔离。
3.5.2集成的耦合板和弹簧板
在另一实施方式中，耦合板160和弹簧板152限定布置在衬底110和底盘之间的单个一体化(例如，金属)结构。
通常，在该实施方式中，一体化金属结构可以限定：底盘插座和衬底110之间的标称平面；以及与衬底110上的支撑位置114的阵列相邻(例如，与之对准、同轴)的电容耦合区域162的阵列。在该实施方式中，每个弹簧元件150：(例如，通过蚀刻、激光切割)可形成在一体化金属结构中；可以从其相邻电容耦合区域162延伸；可以限定与衬底110的底层112上的相应支撑位置114(例如，通过如上所述的间隔件140)耦合的台154；并且可以被配置成响应于不存在施加到触摸传感器表面116的触摸输入而大致返回到标称平面。
当一体化结构刚性地安装到计算设备的底盘上时，一体化结构因此可以相对于底盘刚性地定位电容耦合区域162并定位于标称平面内(或平行于标称平面)，并且弹簧元件150的台154可以相对于标称平面和电容耦合区域162垂直移动。
因此，衬底110上的每个电容传感器120可以：电容耦合到一体化金属结构上的相邻电容耦合区域162；并且响应于靠近电容传感器120施加在触摸传感器表面116上的力而向该相邻电容耦合区域162移动，这因此改变电容传感器120的电容值，该电容值与相邻弹簧元件150的压缩成比例，并因此与弹簧元件150所承载的力的部分成比例。
此外，在该实施方式中，一体化金属结构可以直接紧固到计算设备的底盘上。替代地，一体化金属结构可以安装(例如，紧固、铆接、焊接、卷曲)到单独的底盘接口190，然后该底盘接口190紧固或以其他方式安装到底盘。
3.6控制器和操作
在系统100的这个变型中，控制器180被配置成在扫描循环期间：从电容传感器120的阵列读取一组电容值，该电容值表示底盘和衬底110之间的弹簧元件150的阵列的压缩；并且基于这组电容值和表示弹簧元件150的阵列的弹簧常数的力模型来解译在扫描循环期间施加到触摸传感器表面116的力的分布。
在图14所示的一个示例中，在设置例程期间或在没有触摸输入被施加到触摸传感器表面116的正在进行的校准循环期间，控制器180可以从压力传感器读取电容值，并将这些电容值存储为这些压力传感器的基线电容，基线电容对应于触摸传感器表面116上没有触摸输入。随后，当用户在第一时间(例如，用触笔、手指)按压触摸传感器表面116的靠近第一弹簧元件150的第一区域时：第一弹簧元件150受力于该触摸输入；并且与触摸传感器表面116的第一区域相邻的第一电容传感器120因此向耦合板160上的第一电容耦合区域162前进与触摸输入的力的量值成比例的距离。因此，控制器180：在跨越第一时间的扫描循环期间从第一电容传感器120读取第一电容值；基于第一电容值与存储的第一电容传感器120的基线电容值之间的差，在第一时间计算第一电容传感器120处的电容的第一变化；并且基于电容值的第一变化(例如，与其成比例)和存储的力模型来解译由第一弹簧元件150承载的触摸输入的力的量值的一部分，存储的力模型(例如，基于第一弹簧元件150的弹簧常数)将相对基线电容的偏差关联到由第一弹簧元件150承载的力。
在该示例中，控制器180可以针对衬底110上的每个其他离散压力传感器实施该过程，以便将在每个压力传感器处检测到的电容值的变化转换为在第一时间由每个弹簧元件150承载的触摸输入的总力的量值的部分。控制器180然后可以对这些部分求和以计算第一时间期间触摸输入的总力的量值。附加地或可替代地，控制器180可以融合由每个压力传感器承载的力的量值的这些部分、压力传感器在衬底110上的已知位置、以及经由电容式触摸传感器170检测到的在触摸传感器表面116上多个并发的离散输入的位置，以便估计由每个离散输入施加的力，诸如如下所述。
3.6.1负力
在图14所示的一个变型中，控制器180实现类似的方法和技术，以分别基于在这些压力传感器上检测到的电容的减小和增大来检测在扫描循环期间由离散压力传感器承载的力的增大和减小。更具体地说，在触摸传感器表面116的第一拐角附近对触摸传感器表面116施加力可以将该第一拐角压入底盘，但也导致衬底110的第二相对拐角抬起，从而增加第一拐角所承载的力，但减小第二拐角所承载的力。因此，控制器180可以：检测衬底110的第一拐角和第二拐角中的第一压力传感器和第二压力传感器处的电容的增加和减少；从第一压力传感器和第二压力传感器处电容的这些增加和减少来解译第一压力传感器和第二压力传感器所承载的力的正的和负的变化；并且对这些承载力的正变化和负变化求和，以便计算此时施加到触摸传感器表面116的准确的总力。
例如，在扫描循环期间，控制器180可以从在电容传感器120阵列中的位于触摸传感器表面116上的触摸输入附近的电容传感器120的第一子集读取第一组电容值。然后，响应于第一组电容值在第一方向上偏离为电容传感器120的第一子集存储的基线电容值，控制器180可以解译由耦合到该电容传感器120的第一子集的弹簧元件150的第一子集承载的第一组升高的压缩力。例如，控制器180可以响应于电容传感器120的测量电容超过相应的基线电容、其测量的充(放)电时间低于相应的基线充(放)电时间、和/或其测量的谐振频率低于相应的基线谐振频率来解译由弹簧元件150的第一子集承载的第一组升高的压缩力。
类似地，在该扫描循环期间，控制器180可以：从电容传感器120阵列中远离触摸传感器表面116上的触摸输入的电容传感器120的第二子集读取第二组电容值。然后，响应于第二组电容值在第二方向上偏离为电容传感器120的第二子集存储的基线电容值，控制器180可以解译由耦合到该电容传感器120的第二子集的弹簧元件150的第二子集承载的第二组拉力。例如，控制器180可以响应于电容传感器120的测量电容低于相应的基线电容、它们的测量的充(放)电时间超过相应的基线充(放)电时间、和/或它们的测量的谐振频率超过相应的基线谐振频率来解译由弹簧元件150的第二子集承载的第二组拉力。
控制器180然后可以基于第一组升高的压缩力和第二组拉力的组合来解译施加到触摸传感器表面116的触摸输入的总力的量值。例如，控制器180可以基于以下项来解译在该扫描循环期间施加到触摸传感器表面116的触摸输入的总力的量值：第一组升高的压缩力的和；减去第二组拉力的和。
3.6.2电容触摸+阻力
此外，在上述系统100的变型中，系统100包括跨衬底110的顶层111形成电容式触摸传感器170的驱动电极和感测电极阵列，控制器180可以：在扫描循环期间从电容式触摸传感器170读取电容值和从一组压力传感器读取电容值；并且在该扫描循环期间将这些数据融合成触摸传感器表面116上的触摸输入的位置和力的量值。
在一个实施方式中，控制器180可以在一个扫描循环期间以单序列的形式读取电容式触摸传感器170中的所有电容传感器120和压力传感器。更具体地，在上述互电容配置中，电容式触摸传感器170中的驱动电极列和感测电极行可耦合到控制器180上的驱动和感测通道；压力传感器中的电极可以类似地耦合到控制器180中的这些相同驱动和感测通道或其他驱动和感测通道。例如，在扫描循环期间，控制器180可以：在扫描循环的第一段内从电容式触摸传感器170中的驱动电极和感测电极阵列中串行读取第一组电容值；无缝过渡到在扫描循环的第一段之后(或之前)的扫描循环的第二段内从电容传感器120的阵列串行读取第二组电容值。控制器180(或系统100中的电源或连接到系统100的电源)还可以在(至少)扫描循环的第二段期间将耦合板160驱动到参考电位。
相反，在上述自电容配置中，电容式触摸传感器170中的驱动电极列和感测电极行可耦合到控制器180上的驱动和感测通道；压力传感器中的单个电极可以类似地耦合到控制器180中的感测通道。例如，在扫描循环期间，控制器180可以：在扫描循环的第一段内从电容式触摸传感器170中的驱动电极和感测电极阵列中串行读取第一组电容值；并且无缝地过渡到在扫描循环的第一段之后(或之前)的扫描循环的第二段内从电容传感器120的阵列串行读取第二组电容值。控制器180(或系统100中的电源或连接到系统100的电源)还可以在(至少)扫描循环的第二段期间将耦合板160驱动到参考电位。
因此，在扫描循环期间，控制器180可以：读取电容式触摸传感器170中的驱动电极和感测电极之间的第一组电容值(例如，电容充电时间、放电时间或RC电路谐振频率的变化)；以及读取跨在衬底110的底层112上的电容传感器120的第二组电容值。然后，控制器180可以：基于第一组电容值(诸如，基于在跨衬底110的顶层111的已知横向和纵向位置处的驱动和感测电极对130之间的电容值的变化)检测触摸传感器表面116上的触摸输入的横向位置和纵向位置；如上所述，基于第二组电容值来解译触摸输入的力的量值；以及例如以力注释的触摸图像的形式输出触摸输入的横向位置、纵向位置和力的量值。
在该示例中，如果控制器180基于第一组电容值检测到在该扫描循环期间触摸传感器表面116上的单个触摸输入，则控制器180可以将整个施加的力归因于该单个触摸输入。因此，控制器180可以：实现上述方法和技术，以基于从相邻电容传感器120读取的电容值、存储的这些电容传感器120的基线电容值和存储的这些弹簧元件的力模型来计算每个弹簧元件150承载的各个力；将这些单独的力求和以计算在该扫描循环期间施加到触摸传感器表面116的总力；并用这个总力标记触摸输入的位置，该输入的位置从这组电容值导出。
3.6.3多点触摸
然而，在该变型中，如果控制器180在扫描循环期间基于从电容式触摸传感器170读取的第一组电容值检测到触摸传感器表面116上的多个触摸输入，则控制器180可以将从这些电容值导出的离散触摸输入的位置与弹簧元件150承载的力的量值融合，以估计(例如，消除歧义)这些单独触摸输入的力的量值。
在一个实施方式中，在扫描循环期间，控制器180：读取电容式触摸传感器170中的驱动电极和感测电极之间的第一组电容值；从衬底110的底层112上的电容传感器120读取第二组电容值；基于第一组电容值，检测触摸传感器表面116上的第一触摸输入的第一横向位置和第一纵向位置(例如，触摸传感器表面116上被识别为第一输入的第一区域的质心)；并且类似地基于第一组电容值检测触摸传感器表面116上的第二触摸输入的第二横向位置和第二纵向位置(例如，触摸传感器表面116上识别为第二输入的第二区域的质心)。例如，控制器180可以实现斑点检测、聚类或其他触摸解译技术以区分触摸传感器表面116上的第一输入和第二输入，诸如通过将a)响应于第一输入而表现出电容值变化的驱动电极和感测电极的第一群集与b)响应于第二输入而表现出电容值变化的驱动电极和感测电极的第二群集隔离开来。
在该示例中，控制器180还可以实现上述方法和技术，以基于第二组电容值、存储的对应电容传感器120的基线电容值以及存储的对应弹簧元件150的弹簧元件150模型来解译由每个弹簧元件150承载的一组单独的力的量值。然后，对于每个压力传感器，控制器180可以：基于第一触摸输入的第一横向位置和第一纵向位置，计算从第一触摸输入到弹簧元件150的第一距离；基于第二触摸输入的第二横向位置和第二纵向位置，计算从第二触摸输入到弹簧元件150的第二距离；基于第一距离与第一距离和第二距离的组合(例如，和)的第一比率，估计由第一触摸输入施加的由弹簧元件150承载的单个力的量值的第一比例；以及基于第二距离与第一距离和第二距离的组合(例如，和)的第二比率，估计由所述第二触摸输入施加的单个力的量值的第二比例。
然后，控制器180可以基于由弹簧阵列承载的力的量值的第一组合(例如，和)来估计由第一触摸输入施加的第一总力的量值，该第一组合由由此从这些弹簧元件150到第一输入的距离导出的第一比例来加权。类似地，控制器180可以基于由弹簧阵列承载的力的量值的第二组合(例如，和)来估计由第二触摸输入施加的第二总力的量值，该第二组合由由此从这些弹簧元件150到第二输入的距离导出的第二比例来加权。
因此，在该示例中，控制器180可以基于这些弹簧元件150和这些离散触摸输入之间的距离来估计由多个弹簧元件承载的、从触摸传感器表面116上的多个离散触摸输入产生的力的比例。附加地或可替代地，控制器180可以基于这些离散触摸输入的尺寸(例如，面积、最小宽度)(例如，与其成比例地)来估计由多个弹簧元件承载的、从在触摸传感器表面116上的多个离散触摸输入产生的力的比例。
3.7触觉反馈模块
如上所述，在该变型中，弹簧板152和/或耦合板160还可以限定从弹簧元件150的阵列中嵌入的磁性元件插座192。在该变型中，系统100还可包括布置在(例如，结合到、灌封在)磁性元件插座192中的磁性元件194(例如，Halbach阵列、一组永磁体)。此外，在该变型中，衬底110可以包括布置在磁性元件194之上并被配置成磁性耦合到磁性元件194以形成振动器的导电线圈。例如，导电线圈可以包括安装(例如，结合、焊接)到衬底110的底层112的分立空心线电感器。在另一示例中，衬底110包括在衬底110的多层上制造的多个同轴导电螺旋迹线，以在衬底110内形成整体玻璃纤维芯线迹线电感器。
替代地，系统100可以包括安装到衬底110并由控制器180选择性地供电的离散机电振动器。
本文描述的系统和方法可以至少部分地体现和/或实施为被配置成接收存储计算机可读指令的计算机可读介质的机器。指令可以由与应用、小程序、主机、服务器、网络、网站、通信服务、通信接口、用户计算机或移动设备的硬件/固件/软件元素、腕带、智能电话或它们的任何合适的组合集成的计算机可执行部件来执行。实施例的其他系统和方法可以至少部分地体现和/或实施为被配置成接收存储计算机可读指令的计算机可读介质的机器。指令可以由通过与上述类型的装置和网络集成的计算机可执行部件集成的计算机可执行部件执行。可以将计算机可读介质存储在任何合适的计算机可读介质上，诸如存储在RAM、ROM、闪存、EEPROM、光学设备(CD或DVD)、硬盘驱动器、软盘驱动器或任何合适的设备上。计算机可执行部件可以是处理器，但是任何合适的专用硬件设备都可以(替代地或另外)执行指令。
如本领域技术人员将从先前的详细描述以及从附图和权利要求书中认识到的，可以在不脱离如所附权利要求书中限定的本发明的范围的情况下，对本发明的实施例进行修改和改变。
Claims (19)
1.一种用于在计算设备处检测输入的系统，包括：
衬底，所述衬底包括：
顶层；
底层；
布置在所述底层上的电容传感器阵列；和
布置在所述底层上的相邻于所述电容传感器阵列的支撑位置阵列；
触摸传感器表面，所述触摸传感器表面布置在所述衬底的所述顶层之上；
弹簧元件阵列，所述弹簧元件阵列被配置成将所述衬底耦合到底盘，并响应于施加到所述触摸传感器表面的力而受力使所述衬底向下朝向所述底盘位移，所述弹簧元件阵列中的每个弹簧元件在所述支撑位置阵列中的支撑位置处耦合到所述衬底；
耦合板，所述耦合板：
被插入所述弹簧元件阵列与所述衬底之间；
与所述弹簧元件阵列相邻地耦合到所述底盘；
包括穿孔阵列，所述穿孔阵列与所述支撑位置阵列和所述弹簧元件阵列对准；
限定相邻于所述穿孔阵列的电容耦合区域阵列；并且
被配制成响应于所述衬底朝向所述耦合板的位移来产生所述电容传感器阵列的电容值；和
一组间隔件，所述一组间隔件中的每个间隔件：
延伸穿过所述穿孔阵列中的穿孔；并且
将所述衬底的所述底层上的所述支撑位置阵列中的支撑位置耦合到所述弹簧元件阵列中的弹簧元件；和
控制器，所述控制器被配置成：
从所述电容传感器阵列读取电容值；并且
基于从所述电容传感器阵列读取的电容值来解译施加到所述触摸传感器表面的输入的力的量值；
其中，所述电容传感器阵列中的每个电容传感器：
电容耦合到所述耦合板的所述电容耦合区域阵列中的相邻电容耦合区域；和
响应于靠近所述电容传感器施加在所述触摸传感器表面上的力而向所述相邻电容耦合区域移动。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述弹簧元件阵列和所述耦合板包括布置在所述衬底和所述底盘之间的一体化金属结构。
3.根据权利要求1所述的系统：
其中所述弹簧元件阵列包括限定标称平面的一体化结构；
其中所述弹簧元件阵列中的每个弹簧元件包括挠性件，所述挠性件：
在所述一体化结构中形成；
限定台；并且
被配置成响应于不存在施加到所述触摸传感器表面的触摸输入而返回到所述标称平面；并且
其中，所述一组间隔件中的每个间隔件耦合下面两者：
在所述衬底的所述底层上的所述支撑位置阵列中的支撑位置；和
所述弹簧元件阵列中的弹簧元件的台。
4.根据权利要求1所述的系统：
其中，在第一时间，在所述弹簧元件阵列中的第一弹簧元件受力于施加到所述触摸传感器表面的靠近所述第一弹簧元件的第一区域的触摸输入；
其中，在所述电容传感器阵列中与所述触摸传感器表面的所述第一区域相邻的第一电容传感器朝着所述电容耦合区域阵列中的第一电容耦合区域前进与所述触摸输入的力的量值成比例的距离；并且
其中，所述控制器被配置成：
在所述第一时间检测所述第一电容传感器的电容值的第一变化；和
基于电容值的所述第一变化来解译所述触摸输入的力的量值。
5.根据权利要求1所述的系统：
还包括驱动电极和感测电极阵列，所述驱动电极和感测电极阵列布置在所述衬底的所述顶层上；
其中，所述触摸传感器表面布置在所述驱动电极和感测电极阵列之上；并且
其中，所述控制器被配置成在扫描循环期间：
读取所述驱动电极和感测电极阵列中的驱动电极和感测电极之间的第一组电容值；
读取所述电容传感器阵列中的电容传感器的第二组电容值；
基于所述第一组电容值检测所述触摸传感器表面上的触摸输入的横向位置和纵向位置；
基于所述第二组电容值来解译所述触摸输入的力的量值；以及
输出所述横向位置、所述纵向位置和所述力的量值。
6.根据权利要求5所述的系统：
其中所述衬底限定：
第一区域，所述第一区域包括在所述电容传感器阵列中的电容传感器的第一子集和在所述支撑位置阵列中的支撑位置的第一子集，其中所述电容传感器的第一子集在所述衬底的所述第一区域内相邻于所述支撑位置阵列中的支撑位置的第一子集；和
第二区域，所述第二区域包括在所述电容传感器阵列中的电容传感器的第二子集和在所述支撑位置阵列中的支撑位置的第二子集，其中所述电容传感器的第二子集在所述衬底的所述第二区域内相邻于所述支撑位置阵列中的支撑位置的第二子集；
其中所述驱动电极和感测电极阵列布置在所述衬底的所述第一区域之上；
其中所述弹簧元件阵列包括：
弹簧元件的第一子集，所述弹簧元件的第一子集耦合到所述支撑位置的第一子集；和
弹簧元件的第二子集，所述弹簧元件的第二子集耦合到所述支撑位置的第二子集；并且
其中，所述控制器被配置成在所述扫描循环期间：
从所述电容传感器的第二子集读取电容值的子集；以及
基于所述电容值的子集检测在所述衬底的所述第二区域上方与所述触摸传感器表面接触的手掌。
7.根据权利要求1所述的系统：
其中，所述电容传感器阵列中的每个电容传感器包括：
驱动电极，所述驱动电极布置在所述衬底的所述底层上、相邻于所述支撑位置阵列中的支撑位置的第一侧；和
感测电极，所述感测电极布置在所述衬底的所述底层上、相邻于与所述驱动电极相对的支撑位置的第二侧；以及
其中，所述控制器被配置成在扫描循环期间：
从所述电容传感器阵列读取一组电容值，所述一组电容值表示所述电容传感器阵列中的驱动电极和感测电极之间的互电容的测量值；和
基于所述一组电容值和所述弹簧元件阵列的弹簧常数来解译施加到所述触摸传感器表面的力的分布。
8.根据权利要求1所述的系统：
其中所述衬底限定矩形几何形状；
其中所述支撑位置阵列靠近所述衬底的周边布置在所述底层上；以及
其中，所述弹簧元件阵列被配置为支撑所述衬底的周边并将所述衬底定位在所述计算设备的所述底盘内。
9.根据权利要求1所述的系统：
其中所述耦合板还包括从所述弹簧元件阵列中嵌入的磁性元件插座；
还包括布置在所述磁性元件插座中的磁性元件；
其中所述衬底还包括导电线圈，所述导电线圈布置在所述磁性元件之上并被配置成磁耦合到所述磁性元件；
其中，所述控制器被配置成在扫描循环期间：
从所述电容传感器阵列读取第一组电容值；
基于所述第一组电容值来解译施加到所述触摸传感器表面的第一输入的第一力的量值；和
响应于所述第一力的量值超过阈值力的量值，驱动交流电流通过所述导电线圈以将所述导电线圈磁耦合到所述磁性元件；和
其中，所述弹簧元件阵列被配置成受力于所述导电线圈与所述磁性元件的磁耦合，以使所述衬底和所述触摸传感器表面相对于所述底盘振荡。
10.一种用于在计算设备处检测输入的系统，包括：
衬底，所述衬底包括：
顶层；
底层；
布置在所述底层上的电容传感器阵列；和
布置在所述底层上的相邻于所述电容传感器阵列的支撑位置阵列；
触摸传感器表面，所述触摸传感器表面布置在所述衬底的所述顶层之上；
一体化金属结构，所述一体化金属结构布置在所述衬底和底盘之间，并且所述一体化金属结构包括：
钢耦合板，所述钢耦合板限定：
标称平面；和
相邻于所述支撑位置阵列的电容耦合区域阵列；
弹簧元件阵列，所述弹簧元件阵列被配置成将所述衬底耦合到所述底盘，并响应于施加到所述触摸传感器表面的力而受力使所述衬底向下朝向所述底盘位移，所述弹簧元件阵列中的每个弹簧元件：
在所述支撑位置阵列中的支撑位置处耦合到所述衬底；
形成于所述一体化金属结构中；
从所述电容耦合区域阵列中的电容耦合区域延伸；
在所述衬底的所述底层上限定与所述支撑位置阵列中的支撑位置耦合的台；和
被配置成响应于不存在施加到所述触摸传感器表面的触摸输入而返回到所述标称平面；和
耦合板，所述耦合板被配置为：
与所述弹簧元件阵列相邻地耦合到所述底盘；并且
响应于所述衬底朝向所述耦合板的位移来产生所述电容传感器阵列的电容值；和
控制器，所述控制器被配置成：
从所述电容传感器阵列读取电容值；并且
基于从所述电容传感器阵列读取的电容值来解译施加到所述触摸传感器表面的输入的力的量值；
其中，所述电容传感器阵列中的每个电容传感器：
电容耦合到所述一体化金属结构的所述电容耦合区域阵列中的相邻电容耦合区域；和
响应于靠近所述电容传感器施加在所述触摸传感器表面上的力而向所述相邻电容耦合区域移动。
11.根据权利要求10所述的系统：
其中，在第一时间，所述弹簧元件阵列中的第一弹簧元件受力于施加到所述触摸传感器表面的靠近所述第一弹簧元件的第一区域的触摸输入；
其中，所述电容传感器阵列中相邻于所述触摸传感器表面的所述第一区域的第一电容传感器朝着所述电容耦合区域阵列中的第一电容耦合区域前进与所述触摸输入的力的量值成比例的距离；和
其中，所述控制器被配置成：
在所述第一时间检测所述第一电容传感器的电容值的第一变化；以及
基于电容值的所述第一变化来解译所述触摸输入的力的量值。
12.一种用于在计算设备处检测输入的系统，包括：
衬底，所述衬底包括：
顶层；
底层；
布置在所述底层上的电容传感器阵列；和
布置在所述底层上的相邻于所述电容传感器阵列的支撑位置阵列；
触摸传感器表面，所述触摸传感器表面布置在所述衬底的所述顶层之上；
弹簧元件阵列，所述弹簧元件阵列被配置成将所述衬底耦合到底盘，并响应于施加到所述触摸传感器表面的力而受力使所述衬底向下朝向所述底盘位移，其中所述弹簧元件阵列中的每个弹簧元件：
耦合到在所述衬底的所述底层上的所述支撑位置阵列中的支撑位置；
被配置成响应于靠近所述支撑位置施加在所述触摸传感器表面上的力而受力低于标称平面；以及
被配置成响应于远离所述支撑位置施加在所述触摸传感器表面上的力而受力高于所述标称平面；
耦合板，所述耦合板被配置为：
与所述弹簧元件阵列相邻地耦合到所述底盘；并且
响应于所述衬底朝向所述耦合板的位移来产生所述电容传感器阵列的电容值；和
控制器，所述控制器被配置成在扫描循环期间：
从电容传感器的第一子集读取第一组电容值，所述电容传感器的第一子集在所述电容传感器阵列中、靠近所述触摸传感器表面上的触摸输入；
响应于所述第一组电容值在第一方向上偏离所述电容传感器的第一子集的基线电容值，解译由弹簧元件的第一子集所承载的第一组压缩力，所述弹簧元件的第一子集在所述弹簧元件阵列中、靠近所述电容传感器的第一子集；
从电容传感器的第二子集读取第二组电容值，所述电容传感器的第二子集在所述电容传感器阵列中、远离所述触摸传感器表面上的所述触摸输入；
响应于所述第二组电容值在第二方向上偏离所述电容传感器的第二子集的基线电容值，解译由弹簧元件的第二子集承载的第二组拉力，所述弹簧元件的第二子集在所述弹簧元件阵列中、远离所述电容传感器的第二子集；以及
基于所述第一组压缩力和所述第二组拉力的组合来解译施加到所述触摸传感器表面的所述触摸输入的力的量值。
13.一种用于在计算设备处检测输入的系统，包括：
衬底，所述衬底包括：
顶层；
底层；
布置在所述底层上的电容传感器阵列；和
布置在所述底层上的相邻于所述电容传感器阵列的支撑位置阵列；
驱动电极和感测电极阵列，所述驱动电极和感测电极阵列布置在所述衬底的所述顶层上；
触摸传感器表面，所述触摸传感器表面在所述衬底的所述顶层上布置在所述驱动电极和感测电极阵列之上；
弹簧元件阵列，所述弹簧元件阵列被配置成将所述衬底耦合到底盘，并响应于施加到所述触摸传感器表面的力而受力使所述衬底向下朝向所述底盘位移，所述弹簧元件阵列中的每个弹簧元件在所述支撑位置阵列中的支撑位置处耦合到所述衬底；
耦合板，所述耦合板被配置为：
与所述弹簧元件阵列相邻地耦合到所述底盘；并且
响应于所述衬底朝向所述耦合板的位移来产生所述电容传感器阵列的电容值；和
控制器，所述控制器被配置成在扫描循环期间：
读取所述驱动电极和感测电极阵列中的驱动电极和感测电极之间的第一组电容值；
读取所述电容传感器阵列中的电容传感器的第二组电容值；
基于所述第一组电容值检测所述触摸传感器表面上的触摸输入的横向位置和纵向位置；
访问力模型，所述力模型基于所述弹簧元件阵列中的弹簧元件的弹簧常数表示相对基线电容值的偏差与弹簧元件承载的力之间的关系；
基于所述第二组电容值和所述力模型来解译所述触摸输入的力的量值；以及
输出所述横向位置、所述纵向位置和所述力的量值。
14.一种用于在计算设备处检测输入的系统，包括：
衬底，所述衬底包括：
顶层；
底层；
布置在所述底层上的电容传感器阵列，并且所述电容传感器阵列包括第一数量的电容传感器；和
布置在所述底层上的相邻于所述电容传感器阵列的支撑位置阵列；
驱动电极和感测电极阵列，所述驱动电极和感测电极阵列布置在所述衬底的所述顶层上，并且所述驱动电极和感测电极阵列限定第二数量的驱动电极和感测电极对，所述第二数量比所述第一数量大至少两个数量级；
触摸传感器表面，所述触摸传感器表面在所述衬底的所述顶层上布置在所述驱动电极和感测电极阵列之上；
弹簧元件阵列，所述弹簧元件阵列被配置成将所述衬底耦合到底盘，并响应于施加到所述触摸传感器表面的力而受力使所述衬底向下朝向所述底盘位移，所述弹簧元件阵列中的每个弹簧元件在所述支撑位置阵列中的支撑位置处耦合到所述衬底；
耦合板，所述耦合板被配置为：
与所述弹簧元件阵列相邻地耦合到所述底盘；并且
响应于所述衬底朝向所述耦合板的位移来产生所述电容传感器阵列的电容值；和
控制器，所述控制器被配置成在扫描循环期间：
读取所述驱动电极和感测电极阵列中的驱动电极和感测电极之间的第一组电容值；
读取所述电容传感器阵列中的电容传感器的第二组电容值；
基于所述第一组电容值检测所述触摸传感器表面上的触摸输入的横向位置和纵向位置；
基于所述第二组电容值来解译所述触摸输入的力的量值；以及
输出所述横向位置、所述纵向位置和所述力的量值。
15.一种用于在计算设备处检测输入的系统，包括：
衬底，所述衬底包括：
顶层；
底层；
布置在所述底层上的电容传感器阵列；和
布置在所述底层上的相邻于所述电容传感器阵列的支撑位置阵列；
驱动电极和感测电极阵列，所述驱动电极和感测电极阵列布置在所述衬底的所述顶层上；
触摸传感器表面，所述触摸传感器表面在所述衬底的所述顶层上布置在所述驱动电极和感测电极阵列之上；
弹簧元件阵列，所述弹簧元件阵列被配置成将所述衬底耦合到底盘，并响应于施加到所述触摸传感器表面的力而受力使所述衬底向下朝向所述底盘位移，所述弹簧元件阵列中的每个弹簧元件在所述支撑位置阵列中的支撑位置处耦合到所述衬底；
耦合板，所述耦合板被配置为：
与所述弹簧元件阵列相邻地耦合到所述底盘；并且
响应于所述衬底朝向所述耦合板的位移来产生所述电容传感器阵列的电容值；和
控制器，所述控制器被配置为在扫描循环期间：
在所述扫描循环的第一段内，串行读取所述驱动电极和感测电极阵列中的驱动电极和感测电极之间的第一组电容值；
在所述扫描循环的第一段之后的所述扫描循环的第二段内，串行读取所述电容传感器阵列中的电容传感器的第二组电容值；
在所述扫描循环的第二段期间将所述耦合板驱动到参考电位；
基于所述第一组电容值检测所述触摸传感器表面上的触摸输入的横向位置和纵向位置；
基于所述第二组电容值来解译所述触摸输入的力的量值；以及
输出所述横向位置、所述纵向位置和所述力的量值。
16.一种用于在计算设备处检测输入的系统，包括：
衬底，所述衬底包括：
顶层；
底层；
布置在所述底层上的电容传感器阵列；和
布置在所述底层上的相邻于所述电容传感器阵列的支撑位置阵列；
驱动电极和感测电极阵列，所述驱动电极和感测电极阵列布置在所述衬底的所述顶层上；
触摸传感器表面，所述触摸传感器表面在所述衬底的所述顶层上布置在所述驱动电极和感测电极阵列之上；
弹簧元件阵列，所述弹簧元件阵列被配置成将所述衬底耦合到底盘，并响应于施加到所述触摸传感器表面的力而受力使所述衬底向下朝向所述底盘位移，所述弹簧元件阵列中的每个弹簧元件在所述支撑位置阵列中的支撑位置处耦合到所述衬底；
耦合板，所述耦合板被配置为：
与所述弹簧元件阵列相邻地耦合到所述底盘；并且
响应于所述衬底朝向所述耦合板的位移来产生所述电容传感器阵列的电容值；和
控制器，所述控制器被配置成在扫描循环期间：
读取所述驱动电极和感测电极阵列中的驱动电极和感测电极之间的第一组电容值；
读取所述电容传感器阵列中的电容传感器的第二组电容值；
基于所述第一组电容值检测所述触摸传感器表面上的第一触摸输入的第一横向位置和第一纵向位置；
基于所述第一组电容值检测所述触摸传感器表面上的第二触摸输入的第二横向位置和第二纵向位置；
基于所述第二组电容值来解译由所述弹簧元件阵列承载的一组力的量值；
基于以下项来估计所述第一触摸输入的第一力的量值：
所述第一触摸输入的所述第一横向位置和所述第一纵向位置；
所述弹簧元件阵列所承载的所述一组力的量值；和
在所述弹簧元件阵列中耦合到所述衬底的弹簧元件的位置；以及
基于以下项来估计所述第二触摸输入的第二力的量值：
所述第二触摸输入的所述第二横向位置和所述第二纵向位置；
所述弹簧元件阵列所承载的所述一组力的量值；和
在所述弹簧元件阵列中耦合到所述衬底的弹簧元件的位置；以及
将所述第一横向位置、所述第一纵向位置、所述第一力的量值、所述第二横向位置、所述第二纵向位置和所述第二力的量值编译成用于所述扫描循环的力图像。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述控制器被配置成通过以下动作来解译所述一组力的量值、估计所述第一触摸输入的所述第一力的量值、以及估计所述第二触摸输入的所述第二力的量值：
对于每个电容传感器：
基于从所述电容传感器读取的所述第二组电容值中的电容值，估计由所述弹簧元件阵列中相邻于所述电容传感器的弹簧元件承载的力的量值；
基于所述第一触摸输入的所述第一横向位置和所述第一纵向位置，计算从所述第一触摸输入到所述弹簧元件的第一距离；
基于所述第二触摸输入的所述第二横向位置和所述第二纵向位置，计算从所述第二触摸输入到所述弹簧元件的第二距离；
基于所述第一距离与所述第一距离和所述第二距离的组合的第一比率，估计由所述第一触摸输入施加的第一组力的量值比例中的力的量值的第一比例；以及
基于所述第二距离与所述第一距离和所述第二距离的组合的第二比率，估计由所述第二触摸输入施加的第二组力的量值比例中的力的量值的第二比例；
基于所述第一组力的量值比例的第一组合来估计所述第一触摸输入的第一力的量值；和
基于所述第二组力的量值比例的第二组合来估计所述第二触摸输入的第二力的量值。
18.一种用于在计算设备处检测输入的系统，包括：
衬底，所述衬底包括：
顶层；
底层；
布置在所述底层上的支撑位置阵列；和
布置在所述底层上的电容传感器阵列，在所述电容传感器阵列中的每个电容传感器包括电极，所述电极在所述衬底的所述底层上环绕在所述支撑位置阵列中的支撑位置；和
触摸传感器表面，所述触摸传感器表面布置在所述衬底的所述顶层上；
弹簧元件阵列，所述弹簧元件阵列被配置成将所述衬底耦合到底盘，并响应于施加到所述触摸传感器表面的力而受力使所述衬底向下朝向所述底盘位移，所述弹簧元件阵列中的每个弹簧元件在所述支撑位置阵列中的支撑位置处耦合到所述衬底；
耦合板，所述耦合板被配置为：
与所述弹簧元件阵列相邻地耦合到所述底盘；并且
响应于所述衬底朝向所述耦合板的位移来产生所述电容传感器阵列的电容值；和
控制器，所述控制器被配置成在扫描循环期间：
从所述电容传感器阵列读取一组电容值，所述一组电容值表示所述电容传感器阵列与所述耦合板之间的自电容的测量值；和
基于所述一组电容值和所述弹簧元件阵列的弹簧常数来解译施加到所述触摸传感器表面的力的分布。
19.一种用于在计算设备处检测输入的系统，包括：
衬底，所述衬底限定矩形几何形状，并且所述衬底包括：
顶层；
底层；
布置在所述底层上的电容传感器阵列；和
布置在所述底层上的相邻于所述电容传感器阵列的支撑位置阵列；
触摸传感器表面，所述触摸传感器表面布置在所述衬底的所述顶层上；
弹簧元件阵列，所述弹簧元件阵列被配置成将所述衬底耦合到底盘，并响应于施加到所述触摸传感器表面的力而受力使所述衬底向下朝向所述底盘位移，所述弹簧元件阵列中的每个弹簧元件在所述支撑位置阵列中的支撑位置处耦合到所述衬底；
所述弹簧元件阵列，其：
包括弹簧元件的第一子集，所述弹簧元件的第一子集耦合到支撑位置的第一子集，所述支撑位置的第一子集在所述支撑位置阵列中、靠近所述衬底的拐角，所述弹簧元件的第一子集的特征在于第一弹簧常数；和
包括弹簧元件的第二子集，所述弹簧元件的第二子集耦合到支撑位置的第二子集，所述支撑位置的第二子集在所述支撑位置阵列中、靠近所述衬底的边缘，所述弹簧元件的第二子集的特征在于第二弹簧常数，所述第二弹簧常数小于所述第一弹簧常数；
耦合板，所述耦合板被配置为：
与所述弹簧元件阵列相邻地耦合到所述底盘；并且
响应于所述衬底朝向所述耦合板的位移来产生所述电容传感器阵列的电容值；和
控制器，所述控制器被配置成：
从所述电容传感器阵列读取电容值；并且
基于从所述电容传感器阵列读取的电容值来解译施加到所述触摸传感器表面的输入的力的量值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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