CN208722170U - 触摸和力敏设备，电子设备及可穿戴音频设备 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及触摸和力敏设备、电子设备以及可穿戴音频设备。触摸和力敏设备包括：表面；设置在所述表面与刚性材料之间，使得在所述表面上的力导致所述可变形材料的变形的可变形材料；一个或多个换能器，耦接至所述表面和所述可变形材料并且被配置为将超声波传输到所述表面和所述可变形材料以及从其接收超声波；和处理器，能够：基于在所述表面中传播的超声波来确定对象在所述表面上的接触位置；以及基于在所述可变形材料中传播的超声波来确定所述接触对所述表面所施加的力。

Description

触摸和力敏设备，电子设备及可穿戴音频设备
技术领域
本实用新型整体涉及触摸和/或力感测系统，并且更具体地，涉及用于 声学触摸和力感测的集成声学触摸和力感测系统和方法。
背景技术
当前很多类型的输入设备可用于在计算系统中执行操作，诸如按钮或 按键、鼠标、轨迹球、操纵杆、触摸传感器面板、触摸屏等等。具体地， 触摸屏因其在操作方面的简便性和灵活性以及其不断下降的价格而变得日 益受欢迎。触摸屏可包括触摸传感器面板和显示设备诸如液晶显示器(LCD)， 该触摸传感器面板可以是具有触敏表面的透明面板，该显示设备可部分地 或完全地被定位在面板的后面，使得触敏表面可覆盖显示设备的可视区域 的至少一部分。触摸屏可允许用户通过使用手指、触笔或其他对象在由显 示设备所显示的用户界面(UI)常常指示的位置处触摸触摸传感器面板来执行 各种功能。一般来讲，触摸屏可识别触摸和触摸在触摸传感器面板上的位 置，并且计算系统然后可根据触摸发生时出现的显示内容来解释触摸，并 且然后可基于触摸来执行一个或多个动作。就一些触摸感测系统而言，检 测触摸不需要显示器上的物理触摸。例如，在一些电容式触摸感测系统中， 用于检测触摸的边缘电场可能会延伸超过显示器的表面，并且接近表面的 对象可能被检测出在表面附近而无需实际接触表面。然而，电容式触摸感 测系统可由于导电的电浮置对象(例如，水滴)与触敏表面的接触而导致 性能降低。
实用新型内容
本实用新型涉及声学触摸和/或力感测系统以及用于声学触摸和/或力感测的方法。可使用例如渡越时间(TOF)技术来确定接触表面的对象的位置。声学触摸和/或力感测可利用换能器(诸如压电换能器)沿表面和/或穿过一个或多个材料的厚度(例如，电子设备外壳的厚度)发射超声波。当波沿表面和/或穿过一个或多个材料的厚度传播时，与表面接触的对象(例如手指、触笔等)可与发射波相互作用，从而引起发射波的至少一部分发生反射。可测量与对象相互作用之后发射波的能量部分以确定设备表面上对象的触摸位置。例如，联接到设备表面的一个或多个换能器(例如，声学换能器)可被配置为沿表面和/或穿过一个或多个材料的厚度发射声波，并且当声波遇到触摸表面的手指或其他对象时可接收反射回的波的一部分。例如，可基于波的发射与反射波的检测之间经过的时间量来确定对象的位置。声学触摸感测可用于代替其他触摸感测技术(诸如电阻、光学和/或电容触摸感测)或与其一起使用。在一些实施例中，本文所述的声学触摸感测技术可用于设备的金属外壳表面，这种金属外壳表面可由于干扰(例如，外壳具有容纳在金属外壳中的电容或电阻传感器)而不适于电容或电阻触摸感测。在一些实施例中，本文所述的声学触摸感测技术可用于显示器或触摸屏的玻璃表面。在一些实施例中，声学触摸感测系统可被配置为对水与设备表面的接触不敏感，并且因此声学触摸感测可用于在可能变得潮湿或完全浸没在水中的设备上进行触摸感测。
除此之外或另选地，也可使用TOF技术来确定对象施加在表面上的力。例如，一个或多个换能器可穿过可变形材料的厚度发射超声波，并且可测量来自可变形材料的相对边缘的反射波以确定TOF或TOF的变化。TOF或 TOF的变化(ΔTOF)可对应于由施加到表面的力引起的可变形材料的厚度 (或厚度的变化)。因此，TOF或TOF的变化(或厚度或厚度的变化)可用于确定所施加的力。在一些实施例中，使用声学触摸和力感测通过降低感测硬件需求(例如，换能器、感测电路/控制器等可集成/共享)可降低触摸和力感测系统的复杂性。
根据本公开的一个方面，提供了一种触摸和力敏设备，包括：表面；可变形材料，所述可变形材料设置在所述表面与刚性材料之间，使得在所述表面上的力导致所述可变形材料的变形；一个或多个换能器，所述一个或多个换能器耦接至所述表面和所述可变形材料并且被配置为将超声波传输到所述表面和所述可变形材料以及从其接收超声波；和处理器，所述处理器能够：基于在所述表面中传播的超声波来确定对象在所述表面上的接触位置；以及基于在所述可变形材料中传播的超声波来确定所述接触对所述表面所施加的力。
根据本公开的另一个方面，提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储指令，所述指令在由包括表面、耦接至所述表面的边缘的多个声学换能器、声学触摸和力感测电路以及一个或多个处理器的设备执行时，使得所述声学触摸和力感测电路以及所述一个或多个处理器：对于所述多个声学换能器中的每个声学换能器：同时朝向所述表面的相对边缘传输所述表面中的超声波以及将超声波传输通过可变形材料；响应于传输通过所述可变形材料的所述超声波穿过所述可变形材料的厚度而从所述可变形材料接收超声反射；接收来自所述表面的超声反射；确定传输通过所述可变形材料的所述超声波与来自所述可变形材料的所述超声反射之间的第一飞行时间；以及确定在所述表面中传输的所述超声波和来自所述表面的所述超声反射之间的第二飞行时间；基于对应于所述多个换能器的相应第二飞行时间测量结果来确定对象在所述表面上的位置；以及基于对应于所述多个换能器的相应第一飞行时间测量结果来确定所述对象在所述表面上所施加力的量。
根据本公开的再一个方面，提供了一种电子设备，包括：覆盖表面；可变形材料，所述可变形材料设置在所述覆盖表面与所述电子设备的外壳之间；声学换能器，所述声学换能器耦接到所述覆盖表面和所述可变形材料，并被配置为在所述覆盖表面中产生第一声波并且在所述可变形材料中产生第二声波。
根据本公开的再一个方面，提供了一种可穿戴音频设备，包括：表面；耦接至所述表面的多个超声换能器，所述多个超声换能器被配置为生成或接收多个超声波；和处理器，所述处理器耦接至所述多个超声换能器，并且被配置为基于所述多个超声波的一个或多个接收的超声波确定对象接触所述表面的位置。
附图说明
图1A至图1G示出了根据本公开的实施例的具有触摸屏的示例性系统，该触摸屏可包括用于检测对象与系统表面之间的接触的声音传感器。
图2示出了包括根据本公开的实施例的声学触摸和/或力感测系统的电子设备的示例性框图。
图3A示出了根据本公开的实施例的用于与触敏和/或力敏表面接触的对象的声学触摸和/或力感测的示例性过程。
图3B示出了根据本公开的实施例的示例性系统，该系统可执行用于与触敏和/或力敏表面接触的对象的声学触摸和/或力感测的示例性过程。
图4示出了根据本公开的实施例的声学触摸和/或力感测电路的示例性配置。
图5A至图5C示出了根据本公开的实施例的用于使用渡越时间测量来确定位置的声学触摸感测的示例性系统配置和时序图。
图6A至图6D示出了根据本公开的实施例的用于使用渡越时间测量来确定所施加的力的量的声学力感测的示例性系统配置和时序图。
图7示出了根据本公开的实施例的用于声学触摸和力感测的时序图。
图8A至图8C示出了根据本公开的实施例的用于力检测的示例性电路。
图9示出了根据本公开的实施例的声学触摸和/或力感测电路的示例性配置。
图10A至图10E示出了根据本公开的实施例的具有机械和声学地联接到表面和/或可变形材料的换能器的声学触摸和力感测电路和/或一个或多个处理器的示例性集成。
图11示出了根据本公开的实施例的声学触摸和力感测电路的示例性配置。
图12A至12E示出了根据本公开的实施例的具有机械和声学地联接到表面和/或可变形材料的换能器组的声学触摸和力感测电路和/或一个或多个处理器的示例性集成。
图13示出了用于将触摸感测和力感测电路与电子设备的外壳和覆盖玻璃集成的第一示例性配置。
图14示出了用于将触摸感测和力感测电路与电子设备的外壳和覆盖玻璃集成的第二示例性配置。
图15示出了用于将触摸感测和力感测电路与电子设备的外壳和覆盖玻璃集成的第三示例性配置。
图16示出了增添了封装材料的图10的第三配置的变型。
图17示出了用于将触摸感测和力感测电路与电子设备的外壳和覆盖玻璃集成的第四示例性配置。
图18示出了用于将触摸感测和力感测电路与电子设备的外壳和覆盖玻璃集成的第五示例性配置。
图19A和19B示出了用于将具有共享元件的触摸感测和力感测电路与电子设备的外壳和覆盖玻璃集成的示例性配置。
具体实施方式
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年5月24日提交的美国临时申请62/510,416、2017 年5月24日提交的美国临时申请62/510,489以及2017年5月24日提交的美国临时申请62/510,460的优先权，出于所有目的所述临时申请的内容通过整体引用而被结合于此。
在以下对实施例的描述中，将参考形成以下描述的一部分的附图，并且在附图中以举例的方式示出了可被实施的具体实施例。应当理解，在不脱离各种实施例的范围的情况下，可使用其他实施例并且可作出结构性变更。
本实用新型涉及声学触摸和/或力感测系统以及用于声学触摸和/或力感测的方法。可使用例如渡越时间(TOF)技术来确定接触表面的对象的位置。声学触摸和/或力感测可利用换能器(诸如压电换能器)沿表面和/或穿过一个或多个材料的厚度(例如，电子设备外壳的厚度)发射超声波。当波沿表面和/或穿过一个或多个材料的厚度传播时，与表面接触的对象(例如手指、触笔等)可与发射波相互作用，从而引起发射波的至少一部分发生反射。可测量与对象相互作用之后发射波的能量部分以确定设备表面上对象的触摸位置。例如，联接到设备表面的一个或多个换能器(例如，声学换能器)可被配置为沿表面和/或穿过一个或多个材料的厚度发射声波，并且当声波遇到触摸表面的手指或其他对象时可接收反射回的波的一部分。例如，可基于波的发射与反射波的检测之间经过的时间量来确定对象的位置。声学触摸感测可用于代替其他触摸感测技术(诸如电阻、光学和/或电容触摸感测)或与其一起使用。在一些实施例中，本文所述的声学触摸感测技术可用于设备的金属外壳表面，这种金属外壳表面可由于干扰(例如，外壳具有容纳在金属外壳中的电容或电阻传感器)而不适于电容或电阻触摸感测。在一些实施例中，本文所述的声学触摸感测技术可用于显示器或触摸屏的玻璃表面。在一些实施例中，声学触摸感测系统可被配置为对水与设备表面的接触不敏感，并且因此声学触摸感测可用于在可能变得潮湿或完全浸没在水中的设备上进行触摸感测。
除此之外或另选地，也可使用TOF技术来确定对象施加在表面上的力。例如，一个或多个换能器可穿过可变形材料的厚度发射超声波，并且可测量来自可变形材料的相对边缘的反射波以确定TOF或TOF的变化。TOF或 TOF的变化(ΔTOF)可对应于由施加到表面的力引起的可变形材料的厚度 (或厚度的变化)。因此，TOF或TOF的变化(或厚度或厚度的变化)可用于确定所施加的力。在一些实施例中，使用声学触摸和力感测通过降低感测硬件需求(例如，换能器、感测电路/控制器等可集成/共享)可降低触摸和力感测系统的复杂性。
图1A至图1G示出了根据本公开的实施例的具有触摸屏的示例性系统，该触摸屏可包括用于检测对象(例如，手指或触笔)与系统表面之间的接触的声音传感器。检测接触可包括检测接触的位置和/或施加到触敏表面上的力的量。图1A示出了包括触摸屏124并且可包括根据本公开的实施例的声学触摸和/或力感测系统的示例性移动电话136。图1B示出了包括触摸屏 126并且可包括根据本公开的实施例的声学触摸和/或力感测系统的示例性数字媒体播放器140。图1C示出了包括触摸屏128和触控板146并且可包括根据本公开的实施例的声学触摸和/或力感测系统的示例性个人计算机 144。图1D示出了包括触摸屏130并且可包括根据本公开的实施例的声学触摸和/或力感测系统的示例性平板计算设备148。图1E示出了包括触摸屏 152并且可包括根据本公开的实施例的声学触摸和/或力感测系统的示例性可穿戴设备150(例如，手表)。可穿戴设备150可通过条带154或任何其他合适的紧固件联接到用户。图1F示出了可包括根据本公开的实施例的声学触摸和/或力感测系统的另一个示例性可穿戴设备，耳罩式耳机160。图 1G示出了可包括根据本公开的实施例的声学触摸和/或力感测系统的另一个示例性可穿戴设备，入耳式耳机170。应当理解，图1A至图1G所示的示例性设备以举例的方式提供，并且其他类型的设备可包括声学触摸和/或力感测系统用于检测对象与设备表面之间的接触。另外，尽管图1A至图1E 中所示的设备包括触摸屏，但在一些实施例中，设备可具有非触敏显示器 (例如，图1F和图1G中所示的设备)。
声传感器可并入上述系统中，以增加系统表面的声学触摸和/或力感测能力。例如，在一些实施例中，(例如，电容、电阻式等)触摸屏可通过声传感器来増强，以提供用于潮湿环境中或在设备可能变湿(例如，运动、游泳、下雨、洗手)条件下的触摸和/或力感测能力，或者用于与非导电或部分导电的触摸对象(例如，戴手套或绷带的手指)或接地不良的触摸对象(例如，不与设备的系统接地接触的对象)一起使用。在一些实施例中，其他非触敏显示器可通过声传感器来增强以提供触摸和/或力感测能力。在此类实施例中，触摸屏可在没有电容式触摸屏所需的堆叠件的情况下实现。在一些实施例中，声传感器可用于为非显示表面提供触摸和/或力感测能力。例如，声传感器可用于为触控板(例如，个人计算机144的触控板146)、按钮、滚轮、外壳的一部分或全部或设备的任何其他表面(例如，前、后或侧面)提供触摸和/或力感测能力。例如，声传感器可集成到耳罩式耳机 160(例如，外部圆形区域162、内部圆形区域164和/或头带166)或入耳式耳机170(例如，耳塞172或者突出部174)中，以提供触摸和/或力输入 (例如，包括轻击、保持和轻扫的单点触摸或多点触摸手势)。用于声学触摸和/或力感测的声学感测表面可由各种材料(例如，金属、塑料、玻璃等)或材料的组合制成。
图2示出了包括根据本公开的实施例的声学触摸和/或力感测系统的电子设备的示例性框图。在一些实施例中，设备200(例如，对应于以上设备 136、140、144、148和150)的外壳202可与一个或多个声学换能器204 (例如，机械地)耦接。在一些实施例中，换能器204可以是压电换能器，其可被制成在充当发射器时通过施加电信号而振动并且在充当接收器时基于检测到的振动生成电信号。在一些实施例中，换能器204可由压电陶瓷材料(例如，PZT或KNN)或压电塑料材料(例如，PVDF或PLLA)形成。类似地，换能器204在振动时可产生电能作为输出。在一些实施例中，换能器204可通过粘结剂(例如，刚性环氧树脂薄层)粘结到外壳202。在一些实施例中，换能器204可通过诸如沉积、光刻等工艺沉积在一个或多个表面(例如，如下文更详细描述的触摸屏208的覆盖玻璃和/或可变形材料)上。在一些实施例中，换能器204可使用导电或非导电粘结材料粘结到一个或多个表面上。当向换能器204施加电能时可使换能器振动，与换能器接触的一个或多个表面也可被振动，并且表面材料的分子的振动可作为声波通过一个或多个表面/材料传播。在一些实施例中，换能器204的振动可用于在电子设备表面的介质(其可以是金属、塑料、玻璃、木材等) 中跨宽频率范围(例如，500kHz至10MHz)以选定频率产生超声声波。应当理解，可使用以上示例性范围之外的其他频率，但仍在本公开的范围内。
在一些实施例中，换能器204可部分地或完全地设置在(或联接到) 触摸屏208的一部分上。例如，(例如，电容)触摸屏208可包括玻璃面板(覆盖玻璃)或塑料盖，并且触摸屏的显示区域可被非显示区域(例如，围绕触摸屏208的显示区域的周边的黒色边界区域)围绕。在一些实施例中，换能器204可部分地或完全地设置在触摸屏208的黒色掩模区域中(例如，在黒色掩膜后方的玻璃面板的后侧)，使得换能器对使用者不可见(或仅部分可见)。在一些实施例中，换能器204可部分地或完全地设置在(或联接到)可变形材料(未示出)的一部分上。在一些实施例中，可变形材料可设置在触摸屏208和刚性材料(例如，外壳202的一部分) 之间。在一些实施例中，可变形材料可以是硅氧烷、橡胶或聚乙烯。在一些实施例中，可变形材料也可用于设备的水密封。
设备200还可包括声学触摸和/或力感测电路206，该声学触摸和/或力感测电路可包括用于驱动电信号以刺激换能器204振动的电路(例如，发射电路)以及当换能器被所接收的声能刺激时用于感测换能器204输出的电信号的电路(例如，接收电路)。在一些实施例中，用于声学触摸和/或力感测电路206的定时操作可任选地由单独的声学触摸和/或力感测控制器210提供，该声学触摸和/或力感测控制器可通过声学触摸和/或力感测电路 206控制定时和其他操作。在一些实施例中，触摸和/或力感测控制器210 可联接到声学触摸和/或力感测电路206和主机处理器214之间。在一些实施例中，控制器功能可与声学触摸和/或力感测电路206集成(例如，在单个集成电路上)。具体地讲，将触摸和力感测电路和控制器功能集成到单个集成电路中的实施例可减少换能器(传感器元件)和用于触摸和力感测设备的电子芯片组的数量。可将来自声学触摸和/或力感测电路206的输出数据输出到主机处理器214，用于进一步处理以确定接触该设备的对象的位置和该对象所施加的力，如将在下面更详细描述的。在一些实施例中，用于确定接触对象的位置和所施加的力的过程可通过声学触摸和/或力感测电路206、声学触摸和/或力感测控制器210或设备200的分离的子处理器 (未示出)来执行。
除了声学触摸和/或力感测之外，设备200可包括附加的触摸电路212 和任选地可联接到触摸屏208的触摸控制器(未示出)。在包括触摸控制器的实施例中，触摸控制器可设置在触摸电路212和主机处理器214之间。触摸电路212可以是例如电容或电阻式触摸感测电路，并且可用于检测 (尤其是在触摸屏的显示区域中)与触摸屏208接触和/或接近该触摸屏的对象(例如手指、触控笔)的接触和/或悬停。因此，设备200可在设备的不同区域中和/或出于不同的目的包括用于检测对象(及其位置和/或所施加的力)的多种类型的感测电路(例如，触摸电路212和声学触摸和/或力感测电路206)，如下面将更详细描述的。虽然在本文描述为包括触摸屏，但应当理解，触摸电路212可被省略，并且在一些实施例中，触摸屏208可被其他的非触敏显示器替换(例如，替换为声传感器)。
主机处理器214可接收声学或其他(例如，电容式)触摸输出和/或力输出，并且基于该触摸输出和/或力输出来执行动作。主机处理器214也可连接到程序存储器216和触摸屏208。主机处理器214可例如与触摸屏208 通信以在触摸屏208上生成图像(诸如用户界面(UI)的图像)，并且可使用触摸感测电路212和/或声学触摸和/或力感测电路206(以及在一些实施例中其各自的控制器)来检测触摸屏208上或附近的触摸和/或所施加的力 (诸如所显示的UI上的触摸输入和/或力输入)。触摸输入和/或力输入可由被存储在程序存储器216中的计算机程序用于执行动作，该动作可包括但不限于移动对象诸如光标或指针、滚动或平移、调节控制设置、打开文件或文档、查看菜单、作出选择、执行指令、操作连接到主机设备的外围设备、应答电话呼叫、拨打电话呼叫、终止电话呼叫、改变音量或音频设置、存储与电话通信相关的信息(诸如地址、频繁拨打的号码、已接来电、未接来电)、登录到计算机或计算机网络上、允许经授权的个体访问计算机或计算机网络的受限区域、加载与用户优选的计算机桌面的布置相关联的用户配置文件、允许访问网页内容、启动特定程序、对消息加密或解密等等。主机处理器214还可执行可能与触摸和/或力处理不相关的附加功能。
需注意，本文所述的功能中的一种或多种功能可由存储于存储器中并由触摸电路212和/或声学触摸和/或力感测电路206(或其各自的控制器) 执行的、或存储于程序存储器216中并由主机处理器214执行的固件来执行。该固件也可以存储和/或输送于任何非暂态计算机可读存储介质内，以供指令执行系统、装置或设备诸如基于计算机的系统、包括处理器的系统或可以从指令执行系统、装置或设备获取指令并执行指令的其他系统使用或与其结合。在本文档的上下文中，“非暂态计算机可读存储介质”可以是可包含或存储程序以供指令执行系统、装置和设备使用或与其结合的任何介质(不包括信号)。非暂态计算机可读介质存储器可包括但不限于，电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统、装置或设备、便携式计算机磁盘(磁性)、随机存取存储器(RAM)(磁性)、只读存储器(ROM) (磁性)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)(磁性)、便携式光盘 (诸如CD、CD-R、CD-RW、DVD、DVD-R或DVD-RW)、或闪存存储器(诸如紧凑型闪存卡、安全数字卡)、USB存储设备、记忆棒等。
该固件也可传播于任何传输介质内以供指令执行系统、装置或设备诸如基于计算机的系统、包括处理器的系统或可从指令执行系统、装置或设备获取指令并执行指令的其他系统使用或与其结合。在本文的上下文中，“传输介质”可以是可传送、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备使用或与其结合的任何介质。传输可读介质可包括但不限于电子、磁性、光学、电磁或红外有线或无线传播介质。
应当理解，设备200不限于图2的部件和配置，而是可包括根据各种实施例的多种配置中的其他部件或附加部件。此外，设备200的部件可被包括在单个设备内，或者可分布于多个设备之间。此外，应当理解，部件之间的连接是示例性的，并且无论图2的配置中所示的箭头如何，取决于具体实施不同的单向或双向连接可被包括在部件之间。
图3A示出了根据本公开的实施例的用于与触敏和/或力敏表面接触的对象的声学触摸和/或力感测的示例性过程300。图3B示出了根据本公开的实施例的示例性系统310，该系统可执行用于与触敏和/或力敏表面接触的对象的声学触摸和/或力感测的示例性过程300。例如，在302处，声能可 (例如，通过一个或多个换能器204)以超声波的形式沿表面和/或穿过材料的厚度传输。例如，如图3B所示，换能器314可在覆盖玻璃312(或能够传播超声波的其他材料)中产生发射超声波322。在一些实施例中，波可以作为压缩波、导波(诸如剪切水平波、瑞利波、兰姆波、爱波、斯通利波)或表面声波传播。基于表面材料的性质、几何形状以及从换能器到设备表面的能量传输方式，也可存在其他针对发射声能的传播模式。在一些实施例中，表面可由玻璃、塑料或蓝宝石晶体形成(例如，触摸屏208、覆盖玻璃312)，或者表面可由金属、陶瓷、塑料或木材形成(例如，外壳 202)。所发射的能量可沿表面(例如，覆盖玻璃312)和/或穿过厚度传播，直到在表面上达到中断(例如，碰到与表面接触的对象，诸如手指320)，这可使一部分能量发生反射。在一些实施例中，中断可发生在表面材料的边缘(例如，边缘330)处(例如，当超声波传播到与换能器相对的表面的边缘时)。当所发射的能量到达上述中断中的一者时，该能量中的一些可被反射，并且所反射的能量的一部分(例如，对象反射波326、边缘反射波 328)可被引导至一个或多个换能器(例如，换能器204，314)。在一些实施例中，与设备(例如，设备200)的表面接触的水或其他流体将不会对声波产生中断，并且因此即使在设备的表面上存在水滴(或其他低粘度流体) 或甚至在设备完全浸没的情况下，声学触摸感测过程也可有效地用于检测对象的存在(例如，用户的手指)。
在304处，返回的声能可被接收，并且该声能可通过一个或多个换能器(例如，换能器204)被转换为电信号。例如，如图3B所示，对象反射波326和边缘反射波328可被换能器314接收并转换成电信号。
在306处，声学感测系统可确定一个或多个对象是否接触设备的表面，并且可基于所接收的声能进一步检测一个或多个对象的位置。在一些实施例中，对象距发射源(例如，换能器204)的距离可根据所反射能量的发射和接收之间的渡越时间以及超声波穿过材料的传播速率来确定。在一些实施例中，可将来自一个或多个有意包括的中断(例如，边缘)的基线反射能量与对应于该一个或多个中断的反射能量的测量结果进行比较。可在没有对象(例如，手指)与表面接触时的测量期间确定基线反射能量。反射能量与基线的偏差可与存在与表面接触的对象相关联。
尽管如上所述的过程300通常是指由发射波的相同的一个或多个换能器接收反射波，但在一些实施例中，发射器和接收器功能可被分开，使得在302处的声能的发射和在304处的声能的接收可发生在不同的协同定位的换能器中(例如，一个换能器处于发射配置和另一个换能器处于接收配置)。在一些实施例中，声能可通过一个或多个换能器(例如，换能器314) 沿表面和/或穿过表面(例如，覆盖玻璃312)传输并且在表面的相对边缘 (例如，边缘330)通过一个或多个另外的换能器(未示出)被接收。所接收的声能的衰减可用于检测表面(例如，盖玻璃312)上的一个或多个对象 (例如，手指320)的存在和/或识别其位置。下面将进一步详细描述可用于实现过程300的示例性设备配置和测量时序实施例。在一些实施例中，来自换能器314的发射声能可在发射换能器处被接收，并且也被位于不同位置(例如，在表面(例如，覆盖玻璃312)的不同边缘处)的一个或多个其他非发射换能器接收。能量可以多个角度从一个或多个对象反射，并且在所有接收换能器处接收到的能量可用于确定一个或多个对象的位置。在一些实施例中，非发射换能器可没有失真，这种失真可与发射声能(例如，振荡)相关联。在一些实施例中，能量可被垂直于发射晶体管的两个换能器接收。
在一些实施例中，穿过可变形材料发射和接收的声能可用于确定可变形材料的厚度和/或所施加的力的变化。例如，在302处，声能可(例如，通过换能器314)以发射超声波324的形式传输穿过可变形材料316的厚度。所发射的能量可穿过可变形材料316传播，直到其在刚性材料318(例如，在可变形材料316的相对边缘)处达到中断。当所发射的能量到达中断时，该能量中的一些可被反射，并且反射能量的一部分可被引导回换能器314。在304处，返回的声能可被接收，并且该声能可通过换能器314转换为电信号。在306处，声学感测系统可以基于所接收的声能来确定接触表面 (例如，覆盖玻璃312)的一个或多个对象所施加的力的量。在一些实施例中，可根据反射能量的发射和接收之间的渡越时间以及超声波穿过材料的传播速率来确定可变形材料316的厚度。如下面更详细描述的，可使用可变形材料的厚度变化(或者穿过可变形材料的渡越时间)来确定所施加的力的量。
图4示出了根据本公开的实施例的声学触摸和/或力感测电路400的示例性配置。声学触摸和/或力感测电路400可包括发射电路(在本文中也被称为Tx电路或发射器)402、切换电路404、接收电路(在本文中也被称为Rx电路或接收器)408和输入/输出(I/O)电路420(其一起可对应于声学触摸和/或力感测电路206)和声学扫描控制逻辑部件422(其可对应于声学触摸和/或力感测控制器210)。在一些实施例中，发射器402、切换电路 404、接收器408、I/O电路420和/或声学扫描控制逻辑部件422可在专用集成电路(ASIC)中实现。在一些实施例中，声学触摸和/或力感测电路400 还可任选地包括换能器406(其可对应于换能器204)。
在一些实施例中，发射器402可生成用于刺激多个换能器406中的一者或多者移动的电信号。在一些实施例中，所发射的信号可以是差分信号，并且在一些实施例中，所发射的信号可以是单端信号。在一些实施例中，发射器402可以是简单的缓冲器，并且所发射的信号可以是脉冲(或特定频率的脉冲串)。在一些实施例中，发射器402可包括数模转换器(DAC) 402A和任选地滤波器402B，该滤波器可任选地用于平滑DAC 402A的量化输出。在一些实施例中，换能器本身的特性可提供滤波性质，因此滤波器402B可被省略。DAC 402A可用于生成发射波形(例如，适用于本文所讨论的触摸和/或力感测操作的任何发射波形)。在一些实施例中，发射波形输出可被预失真以均衡信道。在一些实施例中，每个信道的特性(诸如联接到换能器406的表面材料(和/或可变形材料)、表面材料和/或可变形材料上的中断的性质)以及设备或可变形材料的边缘的反射特性可被测量和存储。在一些实施例中，信道特性可被测量作为制造步骤(或工厂校准步骤)，并且在其他实施例中，该特性可被测量作为周期性校准步骤(即，每月一次、每年一次等，这取决于信道特性预计的变化速率)。在一些实施例中，可将信道特性转换为信道的传递函数，并且可使用信道传递函数的逆函数来配置发射波形，使得返回信号被均衡(例如，尽管发射波形具有看似任意的波形，但返回信号可被检测作为脉冲或脉冲串)。在一些实施例中，单个差分脉冲可用作发射波形。例如，双极矩形脉冲(其中施加到换能器的电压可以是正的和负的)可用作发射波形，并且该双极矩形脉冲可使用单端型或差分型具体实施来实现。在一些实施例中，能量恢复架构可用于恢复换能器充电和放电所需能量中的一些。
切换电路404可包括可用于将发射器402和/或接收器408选择性地联接到换能器406中的一者的复用器(MUX)和/或解复用器(DEMUX)，该一者可以是用于测量周期中的特定测量步骤的有源换能器。在差分型具体实施中中，切换电路404可包括两个MUX和两个DEMUX。在一些实施例中， DEMUX可具有接地连接，并且未选择的DEMUX输出可被短接、打开或接地。在一些实施例中，相同的换能器406可在驱动模式期间通过切换电路404(例如，DEMUX)联接到发射器402，并且在接收模式期间通过切换电路404(例如，MUX)联接到接收器408。因此，在一些实施例中，可使用单个换能器406来发射和接收声能。在一些实施例中，第一换能器可通过切换电路404(例如，DEMUX)联接到发射器402，并且第二换能器可通过切换电路404(例如，MUX)联接到接收器408。例如，发射换能器和接收换能器可以是独立的压电元件，其中发射换能器可被设计用于由较高电压(或电流)驱动以在换能器406中产生足够的运动，以在设备 (例如，上述设备200)的表面生成声波，并且接收换能器可被设计用于接收较小幅度的反射能量。在此类配置中，发射侧电路(例如，发射器402 和切换电路404的DEMUX)可任选地在高电压电路上实现，并且接收侧电路(例如，接收器408和切换电路404的MUX)可任选地在单独的低电压电路上实现。在一些实施例中，切换电路404(MUX和DEMUX)也可在高电压电路上实现，以在发射侧电路的发射操作期间适当地隔离剩下的接收侧电路(例如，接收器408)。除此之外或另选地，在一些实施例中，发射电路可包括能量恢复架构，其能够用于恢复换能器充电和放电所需能量中的一些。应当理解，对于单端型具体实施，切换电路404可包括单个 DEMUX和MUX。在此类配置中，发射器402和接收器408也可以是单端型的。然而，差分型具体实施可提供比单端型具体实施改善的噪声抑制。
接收器408可包括放大器410，诸如被配置为感测换能器的低噪声放大器(LNA)。接收器408还可包括增益和偏移校正电路412。增益和偏移校正电路可包括可编程增益放大器(PGA)，该可编程增益放大器被配置为施加增益以增加(或在一些情况下减小)从LNA接收到的信号幅值。PGA也可被配置为过滤(例如，低通)从LNA接收到的信号以移除高频分量。此外， PGA电路也可被配置为执行基线(偏移校正)。
在一些实施例中，增益和偏移校正电路412的输出可任选地联接到一个或多个模拟处理电路。在一些实施例中，增益和偏移校正电路412的输出可联接到被配置为解调(例如，通过I/Q解调)所接收的信号的解调电路 414。在一些实施例中，增益和偏移校正电路412的输出可联接到被配置为对所接收的信号执行包络检测的包络检测电路415。在一些实施例中，增益和偏移校正电路412的输出可在滤波器416处被过滤。在一些实施例中，这些块/电路可以不同的顺序放置。在一些实施例中，这些模拟处理电路中的一者或多者的处理可在数字域中执行。
所接收的信号(无论是原始的还是经解调电路414、包络检测电路415 或滤波器416中的一者或多者处理过的)都可被传递到模数转换器(ADC) 418用于转换为数字信号。在一些实施例中，输入/输出(I/O)电路420可用于传输所接收数据以用于处理。在一些实施例中，可将I/O电路420的输出传送至设备的主机处理器，或传送至与主机处理器分离的辅助处理器(子处理器)。例如，如图所示，I/O电路420的输出可联接到处理器片上系统 (SoC)430，该处理器片上系统可包括一个或多个处理器。在一些实施例中，处理器SoC 430可包括主机处理器432(例如，活动模式处理器)和辅助处理器434(例如，低功率处理器)。在一些实施例中，可在将数据传输到系统中的其他处理器(例如，处理器SoC 430)之前(例如，通过声学触摸和/或力感测电路400)执行一些数字信号处理。在一些实施例中，I/O电路 420不仅用于数据传输到处理器SoC 430(例如，主机处理器432)，而且还用于写入控制寄存器和/或从处理器SoC 430下载固件。
上述接收器电路408的部件可被实现为检测触摸(例如，表面上触摸的存在和位置)。在一些实施例中，接收器408还可包括力检测电路424 以检测(例如，触摸在表面上)所施加的力。在一些实施例中，力检测电路424可包括如上所述的相同或类似的部件(例如，放大器、増益和偏移校正等)。在一些实施例中，可使用上述用于确定触摸检测的渡越时间的相同部件来执行力检测电路424的功能。在一些实施例中，可使用低功率时间门控电路来确定力检测的渡越时间。来自力感测电路424的数据可被传送至I/O电路420和/或处理器SoC430，用于以上述针对触摸数据类似的式来进一步处理力数据。在一些实施例中，可使用用于触摸检测的相同电路来检测力。
控制电路、声学扫描控制电路422可用于控制声学触摸和/或力感测电路400的电路的定时和操作。声学扫描控制电路422可在硬件、固件、软件或它们的组合中实现。在一些示例中，声学扫描控制电路422可以包括数字逻辑和定时控制。数字逻辑可以提供具有控制信号的声学触摸和/或感测电路400的各种组件。定时控制电路可以生成用于声学触摸和/或感测电路400的定时信号，并且通常可对声学触摸和/或力感测电路400的操作进行排序。在一些示例中，声学触摸和/或力感测电路400可以接收来自外部源的主时钟信号(例如，来自主机处理器、晶体振荡器、环形振荡器、RC 振荡器或其他高性能振荡器的时钟)。在一些示例中，片上振荡器可用于生成时钟。在一些示例中，主时钟信号可由包括在声学触摸和/或力感测电路400中并作为其一部分的片上锁相环(PLL)使用外部时钟作为输入生成。在一些示例中，主时钟信号可从处理器SoC 430路由至声学触摸感测电路。可以基于区域、层叠结构的厚度、功率和电磁干扰之间的折衷确定合适的主时钟源。
应当理解，图4的配置不限于图4的组件和配置，而是可包括根据各种示例的多种配置中的其他组件或附加组件(例如，存储器、信号处理器等)。另外，图4所示组件中的一些或全部可包括在单个电路中，或者可分布在多个电路之间，同时保持在本公开的示例的范围内。
如本文所述，可使用各种声学感测技术来确定对象接触表面的位置和/ 或其在表面上施加的力。在一些示例中，可使用一个或多个声学换能器执行一个或多个飞行时间测量以确定接触对象的位置的边界。图5A至图5C 示出了根据本公开的示例的用于使用飞行时间测量来确定位置的声学触摸感测的示例性系统配置和时序图。图5A示出了使用沿着表面500(例如，对应于覆盖玻璃312)的四个边缘安装(或换句话讲联接到)的四个声学换能器502A至502D的示例性声学触摸感测系统配置。换能器502A至502D 可被配置为生成声波(例如，剪切水平波)并且接收反射的声波。由于低粘度流体和气体(例如，水和空气)具有非常低的剪切模量，剪切水平波在表面500上的传播可不受水的影响，因此不会扰乱影响波传播的边界条件。剪切水平波可以是高度定向波，使得可以基于声学换能器502A至 502D的位置和尺寸有效地定义有效检测区域(或有效区域)504。然而，应当理解，有效区域可以基于声波的方向属性以及声学换能器502A至 502D的尺寸和布置而改变。另外，应当理解，尽管示出为发射和接收换能器(即，收发器)，但是在一些示例中，发射和接收功能可被分开(例如，在两个彼此靠近的换能器之间分开，而不是在一个发射和接收换能器中)。
可以通过使用声学换能器502A至502D中的每一个声学换能器在测量周期中计算TOF测量结果确定来自与表面500接触的对象的触摸506的位置。例如，在测量周期的第一测量步骤中，声学换能器502A可以发射声波并接收来自声波的反射。当没有对象存在时，所接收的反射可以是来自到达表面500的相对边缘的声波的反射。然而，当对象触摸表面500(例如，对应于触摸506)时，可在接收来自相对边缘的反射之前接收对应于对象的反射。基于在换能器502A处接收到的对应于对象的所接收的反射，系统可以确定到触摸506的边缘(例如，前缘)的距离，由边界线510A标记。类似测量可由换能器502B、502C和502D来执行，以确定到由边界线510B、 510C和510D所指示的触摸506的剩余边缘的距离。合在一起，由边界线510A至510D表示的测量距离可以形成边界框508。在一些示例中，基于边界框，声学触摸感测系统可以确定触摸区域(例如，边界框的区域)。基于边界框，声学触摸感测系统可以确定触摸506的位置(例如，基于边界框的形心和/或区域)。
参考图5A所描述的声学触摸感测扫描可以对应于上文参考图3A和图 3B所描述的声学触摸检测。沿着或穿过覆盖玻璃312发射和接收的声波可用于确定触摸覆盖玻璃312的表面的对象的位置/方位。
图5B示出了根据本公开的示例的用于图5A中所述的声学触摸感测扫描的示例性时序图560。如图5B所示，每个换能器可以发射声波，然后在一系列测量步骤中接收反射波。例如，从t0至t1，可激励第一换能器(例如，声学换能器502A)，并且从t1至t2可以接收第一换能器处的反射。从t2至t3，可激励第二换能器(例如，声学换能器502B)，并且从t3至 t4可以接收第二换能器处的反射。从t4至t5，可激励第三换能器(例如，声学换能器502C)，并且从t5至t6可以接收第三换能器处的反射。从t6 到t7，可激励第四换能器(例如，声学换能器502D)，并且从t7至t8可以接收第四换能器处的反射。尽管对于每个换能器而言，发射(Tx)和接收 (Rx)功能在图5B中被示出为连续的，但是在一些示例中，可以在换能器的 Tx和Rx功能之间和/或在两个不同换能器的Tx/Rx功能之间包括间隙(例如，以最小化接收器处的发射波的捕获部分)(使得声能以及由来自一个换能器的扫描的多次反射引起的瞬态不影响第二换能器的扫描)。在一些示例中，未使用的换能器可接地(例如，通过切换电路404中的复用器/解复用器)。
可以基于TOF原理计算触摸表面的对象与换能器之间的距离。由换能器接收到的声能可用于确定指示触摸前缘的定时参数。声波通过形成表面的材料的传播速率可以是距离与时间之间的已知关系。合在一起，距离与时间之间的已知关系以及定时参数可用于确定距离。图5C示出了根据本公开的示例的示例性时序图。图5C示出了换能器能量输出与时间。信号550 可对应于换能器处来自在表面的第一边缘处生成声波的声能。信号552可对应于换能器处从与表面的第一边缘相对的第二边缘反射的波接收到的声能。由于已知表面上从第一边缘到相对的第二边缘的距离以及声信号的已知或测量的传播速率，表面的相对边缘的反射在已知时间发生。另外，触摸表面的一个或多个对象(例如，手指)可引起波的生成与边缘反射之间的时间内的能量反射(即，在信号550和552之间)。例如，信号554和 556可对应于触摸表面(或一个对象的前缘和后缘)的两个对象的反射。应当理解，信号550至556是示例性的，并且所接收的能量的实际形状在实施过程中可以不同。
在一些示例中，定时参数可以是可从反射能量导出的时刻。例如，所述时间可指检测到反射能量包的阈值幅度的时间。在一些示例中，与阈值幅度不同，可以检测反射能量包的阈值能量，并且该时间可指检测到包的阈值能量的时间。阈值幅度或阈值能量可以指示与表面接触的对象的前缘。在一些示例中，定时参数可以是时间范围而不是时间点。为了提高基于 TOF的感测方案的分辨率，可以増加超声波的频率和接收器的采样速率 (例如，使得反射波的接收可被定位到更窄的峰，所述更窄的峰可更准确地与时刻相关联)。
在一些示例中(例如，如图5B所示)，换能器502A至502D可以时分复用方式操作，使得每个换能器在测量周期内的不同时间发射和接收声波，使得来自一个换能器的波不会干扰来自另一个换能器的波。在其他示例中，换能器可在时间上并行或部分并行操作。然后，可以基于信号的不同特征(例如，不同频率、相位和/或幅度)区分来自相应换能器的信号。
虽然图5A中示出了四个换能器，但是在一些示例中，可使用更少的换能器。例如，当使用具有已知尺寸的输入对象(例如，触笔或尺寸表征的手指)时，可以仅使用沿着两个垂直边缘安装的两个换能器。基于对象的已知尺寸，可通过将对象的已知尺寸添加到第一距离和第二距离来形成边界框518。另外，虽然图5A示出了检测单个对象(例如，单个触摸)，但是在一些示例中，声学触摸感测系统可以使用多个换能器并且被配置为检测多个触摸(例如，通过利用多个较小的换能器替换换能器502A至 502D中的每一个)。
参考图5A至图5C所描述的TOF方案可使用有限数量的换能器(例如，与电容触摸感测系统的多个电极/触摸节点相比)提供触摸感测能力，这可以简化发射和接收电子器件，并且可以减少处理时间和存储器需求。尽管图5A至图5C讨论了基于TOF测量使用边界框来确定对象的位置，但是在其他示例中，可以使用不同的方法，包括将匹配的滤波应用于已知发射的超声脉冲形状，以及对滤波后的输出使用质心(例如，而非形心)计算。
在一些示例中，可以使用一个或多个声学换能器执行飞行时间测量，以确定由触摸表面的对象施加的力的量。图6A至图6D示出了根据本公开的示例的用于使用飞行时间测量来确定施加的力的量的声学力感测的示例性系统配置和时序图。图6A示出了在两个刚性表面之间包括可变形材料 604的示例性声学力感测系统层叠结构600。刚性表面中的一者可以是覆盖玻璃601(例如，对应于覆盖玻璃312)。刚性表面的另一者可以是例如设备外壳(例如，对应于外壳202)的一部分。声学换能器602(例如，对应于换能器314)可安装到(或换句话讲联接到)可变形材料604。例如，如图6A所示，换能器602可设置在覆盖玻璃601与可变形材料604之间。换能器602可被配置为生成声波(例如，剪切水平波)，以及接收来自可变形材料604与刚性材料606之间的边缘处的不连续部分的反射声波。应当理解，虽然示出为发射和接收换能器(即，收发器)，但是在一些示例中，发射和接收功能可被分开(例如，在两个彼此靠近的换能器之间分开，而不是在一个发射和接收换能器中)。剪切水平波可以是高度定向波，使得飞行时间可有效地测量可变形材料的厚度。可针对无力条件确定基线厚度(或飞行时间)，使得可以测量厚度(Δd)(或飞行时间)的改变。厚度或飞行时间的改变可对应于施加的力的量。
例如，图6D的曲线图630示出了根据本公开的示例的飞行时间(或厚度)与施加的力之间的示例性关系。例如，在稳态条件下，即在可变形材料604上的飞行时间不发生改变的情况下，所施加的力可为零。随着飞行时间的改变(例如，减小)，所施加的力也可随之变化(例如，増加)。曲线图630示出了TOF与力之间的线性关系，但是在一些示例中，该关系可以是非线性的。可以使用相关性根据经验确定(例如，在校准处)TOF 与所施加的力之间的关系。在一些示例中，校准可以包括使推测的施加力线性化以及规一化测量结果(例如，移除増益和偏移误差)。在一些示例中，可变形材料的杨氏模量可被选择为低于阈值以允许较小施加的力引入可检测的正常变形。
图6B示出了在两个刚性表面之间(例如，在覆盖玻璃611与刚性材料 618之间)包括可变形材料614的另一个示例性声学力感测系统层叠结构 610。声学换能器612可安装到(或换句话讲联接到)可变形材料614的一侧，第二声学换能器616可安装到(或换句话讲联接到)可变形材料614 的第二侧(与第一侧相反)。例如，如图6B所示，换能器612可设置在覆盖玻璃611与可变形材料614之间，并且换能器616可设置在刚性材料618 与可变形材料614之间。换能器612可被配置为生成声波(例如，剪切水平波)，并且换能器616可被配置为接收声波。层叠结构610中的换能器的配置可被称为“一发一收”配置，其中材料的一侧上的一个换能器将声波发射到相对侧上的第二换能器，而不是依靠反射的声波。可以测量声波的发射时间与接收时间之间的飞行时间以与上文参考图6D所讨论的类似方式确定所施加的力的量。
图6C示出了根据本公开的示例的示例性时序图640。图6C示出了换能器能量输出与时间。信号620可对应于换能器602处来自在可变形材料 604的第一边缘处生成声波的声能。信号622可对应于换能器602处从与可变形材料604的第一边缘相对的第二边缘反射的第一波接收到的声能。由于已知表面上从第一边缘到相对的第二边缘(处于稳态)的距离以及声信号的已知或测量的传播速率，表面的相对边缘的反射在已知时间发生。在一些示例中，与使用第一反射不同，可使用声能的不同反射来确定飞行时间。例如，信号624可指换能器602处从可变形材料604的第二边缘反射的第二波接收到的声能(例如，信号622可以从604可变形材料的第一侧反射出来，并再次从可变形材料604的第二边缘反射出来)。在一些示例中，信号556可对应于在可变形材料604的两个边缘之间的重复反射之后的整数反射。应当理解，信号620至626是示例性的，并且所接收的能量的实际形状在实施过程中可以不同。在一些示例中，用于力感测的飞行时间计算的反射的选择可以是材料的厚度和发射波的频率的函数。
在一些示例中，与使用飞行时间测量来确定可变形材料的厚度不同，可使用其他方法。例如，换能器602可利用谐振频率处的超声波激励可变形材料604。当可变形材料604由于所施加的力而改变时，谐振频率可偏移。可以测量谐振频率的改变以确定所施加的力。与飞行时间方法相比，使用谐振频率可产生更好的信噪比(SNR)性能以及更高的准确度。
如上文参考图3A至图3B所描述的那样，在一些示例中，可以执行声学触摸和力感测两者。在一些示例中，这两个操作可以是时分复用的。换能器502A至502D(例如，其中之一可对应于换能器314)可以生成发射波形并接收反射以确定触摸在表面(例如，覆盖玻璃312)上的方位/位置，如在声学触摸感测阶段参考时序图560所描述的那样。换能器602(例如，对应于换能器314)可生成发射波形并接收反射以确定施加到表面(例如，覆盖玻璃312)的力的量，如在声学力感测阶段参考时序图640所描述的那样。
在一些示例中，可以使用同时生成的发射波形执行声学触摸和力感测。图7示出了根据本公开的示例的用于声学触摸和力感测的时序图700。信号 702可对应于由换能器(例如，换能器314)生成的发射波形，以同时在可变形材料316和覆盖玻璃312中传播。信号704可对应于来自可变形材料 316与刚性材料318之间的边界的反射(例如，第一反射)。信号706可对应于来自覆盖玻璃312的表面上的对象(例如，手指)的反射。信号708 可对应于来自覆盖玻璃312的相对边缘的反射。基于信号704的定时，声学触摸和力感测电路可以测量穿过可变形材料的飞行时间。基于信号706 和/或708的定时，声学触摸和力感测电路可以测量沿着覆盖玻璃312的表面到对象(或当没有对象接触覆盖玻璃时的边缘)的飞行时间。可针对每个换能器502A至502D重复(例如，四次)测量触摸的飞行时间，以确定对象的方位/位置。可任选地重复飞行时间测量(例如，针对每个换能器 502A至502D)以测量施加到覆盖玻璃312上的力。在一些示例中，平均力测量可以通过重复的力测量来确定。在一些示例中，重复的测量可指示施加到覆盖玻璃的不同边缘的相对力。在一些示例中，可将测量结果与覆盖玻璃的不同边缘结合以确定施加的力。
使用一个或多个共享换能器执行声学触摸和力感测可利用一组超声换能器(例如，502A至502D)和一个感测电路(例如，声学触摸和/或力感测电路400)提供触摸和力信息。因此，触摸和力感测系统可潜在地减小尺寸、复杂性和功率消耗。
使用同时发射到可变形材料316和覆盖玻璃312中的超声波的超声触摸和力感测的性能可在一些示例中取决于用于触摸和用于力的发射的超声波之间的分离。例如，图7示出了分别对应于力和触摸反射的信号704和 706，所述信号可在时间上很好地分开(例如，使得力反射到达触摸反射的死区)。在实施过程中，声学触摸和力感测的集成可使每个测量(触摸/力) 受到来自其他测量(力/触摸)的噪声/干扰。
在一些示例中，可基于可变形材料的设计减小或消除可变形材料和覆盖玻璃中的超声波之间的干扰。例如，可变形材料可被选择为具有高于阈值的超声衰减特性，使得可变形材料中的信号可在接收到覆盖玻璃中的反射之前被抑制。在一些示例中，可选择可变形材料的厚度以允许在从覆盖玻璃反射之前接收穿过可变形材料的一个或多个反射。在一些示例中，可选择穿过可变形材料的反射(例如，第一个、第二个、第n个)，使得可以接收到在来自覆盖玻璃的反射之间发生的所关注的反射。在一些示例中，可将吸收材料联接到可变形材料以进一步抑制可变形材料中超声信号的振荡。在一些示例中(例如，当力和触摸超声波在时间上不重叠时)，不止一个换能器(并且在一些情况下所有换能器)可发射波并同时接收反射以测量所施加的力。然后，各个换能器可发射波并按顺序接收反射波以用于触摸检测。
处理来自声学触摸和/或力检测扫描的数据可由声学触摸和/或力感测系统的不同处理电路执行。例如，如上文参考图4所描述的那样，电子设备可以包括声学触摸和力感测电路400和处理器SoC 430(例如，包括主机处理器432和辅助处理器/子处理器434)。如下文详细描述的那样，根据各种示例，触摸和/或力数据的处理可由这些处理器/电路中的一个或多个执行。例如，根据各种示例，触摸和/或力数据的处理可由声学触摸和力感测电路执行，由处理器SoC执行或部分地由声学触摸和力感测电路执行以及部分地由处理器SoC执行。以下数据处理的描述首先解决触摸数据处理，然后解决力数据处理。
如下文更详细地描述的那样，在一些示例中，可将原始触摸感测数据传输至处理器SoC，以由处理器SoC的一个或多个处理器(例如，主机处理器432和辅助处理器/子处理器434)处理。在一些示例中，触摸感测数据可部分地由声学触摸(和/或力)感测电路的模拟处理电路(例如，如上文参考图4所述)和/或数字处理电路(例如，ADC输出的平均化)处理。经部分处理的触摸感测数据可被传输至处理器SoC以供进一步处理。在一些示例中，声学触摸(和/或力)感测电路可以处理触摸感测数据并向处理器SoC供应高电平触摸信息(例如，触摸的形心)。声学触摸和力感测电路可被称为声学触摸感测电路，以简化下文对各种处理器和电路中的触摸数据处理的描述。
在一些示例中，辅助处理器(例如，辅助处理器434)可以是即使当主机处理器(例如，主机处理器432)空闲和/或断电时仍可保持活动的低功率处理器。声学触摸感测电路(例如，对应于声学触摸和力感测电路400) 可执行声学触摸感测扫描并生成声学触摸数据。声学触摸数据可被传输至辅助处理器以根据一个或多个触摸感测算法对其进行处理。例如，在低功率模式下，声学触摸感测电路可执行低功率触摸检测扫描。低功率触摸检测扫描可以包括接收来自与一个或多个换能器的换能器(例如，来自除图 5A所示的四个换能器之外的换能器)相对的屏障(例如，表面边缘)的反射。对应于接收到的来自一个或多个屏障的反射的声学触摸数据可以经由通信信道被传输至辅助处理器并由辅助处理器处理以确定接触感测表面的对象的存在或不存在。一旦检测到触摸感测表面的对象，系统可以从低功率模式转变为活动模式，并且声学触摸感测电路可执行活动模式触摸检测扫描。除此之外或另选地，在一些示例中，低功率检测方案(例如，使用一个换能器执行)可用于低功率模式。活动模式触摸检测扫描可以包括例如扫描感测表面，如上文参考图5A所描述的那样。对应于活动模式触摸检测扫描的声学触摸数据可以经由通信信道被传输至辅助处理器并由辅助处理器处理以确定对象的位置。在一些示例中，确定对象的位置可以包括确定对象的区域和/或形心。主机处理器可以从辅助处理器接收触摸表面的对象的位置，并基于此执行动作。
在一些示例中，声学触摸感测电路可以在向辅助处理器发送声学触摸数据之前执行一些处理。例如，为了减少声学触摸感测电路与辅助处理器之间的数据通信信道的要求，声学触摸感测电路可以包括可平均化来自 ADC输出的样本的数字信号处理器。平均化样本可以压缩待传送至辅助处理器的声学触摸数据的量。由数字信号处理器执行的平均化可由声学触摸感测电路中的控制电路(例如，声学扫描控制逻辑422)来控制。在一些示例中，可对发射信号进行编码以允许平均化而没有时间损失。虽然描述了平均化，但是在其他示例中，在传输声学触摸数据之前，可将其他形式的处理应用于声学触摸数据。
在一些示例中，声学触摸感测电路和辅助处理器之间的数据通信信道可以是串行总线诸如串行外围接口(SPI)总线。此外，通信信道也可双向传输，以便信息(例如，用于编程声学触摸感测电路的寄存器信息)也可从辅助处理器传输到声学触摸感测电路。另外，声学触摸感测电路可接收来自辅助处理器的一个或多个同步信号，其中所述辅助处理器被配置为同步由声学触摸感测电路进行的声学触摸感测扫描操作。另外，声学触摸感测电路可生成中断信号，该中断信号被配置为提供从声学触摸感测电路到辅助处理器的适当声学数据传输。在一些示例中，低功率触摸检测模式的检测和处理可在片上完成(例如，通过声学触摸感测电路)。在这些示例中，当在设备的表面上检测到手指时，可使用中断信号(例如，向辅助处理器) 进行指示。
在一些示例中，声学触摸感测电路可执行声学触摸感测扫描并生成声学触摸数据。声学触摸数据可传输到辅助处理器和/或主机处理器，以用于根据一个或多个触摸感测算法进行处理。例如，在低功率模式下，声学触摸感测电路可执行如本文所述的低功率检测扫描。声学触摸数据可经由通信信道传输到辅助处理器，并且由辅助处理器处理以确定是否存在接触感测表面的对象。一旦检测到对象接触感测表面，系统就可以从低功率模式转变为活动模式，并且声学触摸感测电路可执行如本文所述的活动模式检测扫描。与活动模式检测扫描相对应的声学触摸数据可经由高速通信信道传输到主机处理器，并且由主机处理器处理以确定对象的位置。在一些示例中，经由高速通信信道传输的数据可在脉冲串模式下完成。在一些示例中，确定对象的位置可以包括确定对象的区域和/或形心。主机处理器可以基于位置执行操作。
在一些示例中，高速通信信道可提供足够的带宽以将原始声学触摸数据传输到主机处理器，而不需要由声学触摸感测电路处理。在一些示例中，高速通信信道可包括将声学触摸数据进行串行化并使用低电压差分信号 (LVDS)通信电路传输该串行化声学触摸数据的电路(例如，串行器)。在一些示例中，可利用I/O块传输数据。在一些示例中，声学触摸感测电路可在向主机处理器发送声学触摸数据之前执行一些处理(例如，平均)。在一些示例中，由低功率检测扫描产生的数据量可相对较小(与活动模式检测扫描相比)，使得原始声学触摸数据可被传输到辅助处理器而不需要由声学触摸感测电路处理。在一些示例中，声学触摸感测电路可在向主机处理器发送声学触摸数据之前执行一些处理(例如，平均)。操作的其他方面(例如，从辅助处理器传输到声学触摸感测电路的数据、同步信号和中断信号等)可与上文描述的相同或类似。尽管上文描述为在辅助处理器中处理来自低功率检测扫描的声学触摸数据，并且在主机处理器中处理来自活动模式检测扫描的声学触摸数据，但应当理解，在一些示例中，主处理器可针对低功率检测扫描和活动模式检测扫描两者执行处理。
在一些示例中，声学触摸感测电路可包括声学触摸数字信号处理器 (DSP)。在一些示例中，声学触摸DSP可以是耦合在声学触摸感测电路和处理器SoC之间的独立芯片。声学触摸感测电路可执行声学触摸感测扫描并生成声学触摸数据。声学触摸数据可传输到声学触摸DSP，以根据一个或多个触摸感测算法进行处理。例如，在低功率模式下，声学触摸感测电路可执行如本文所述的低功率检测扫描。声学触摸数据可经由通信信道传输至声学触摸DSP，并且由声学触摸DSP处理以确定是否存在接触感测表面的对象。在一些示例中，声学触摸感测电路可处理声学触摸数据以确定是否存在接触表面的对象。一旦检测到对象接触感测表面，系统就可以从低功率模式转变为活动模式，并且声学触摸感测电路可执行如本文所述的活动模式检测扫描。与活动模式检测扫描相对应的声学触摸数据可经由高速通信信道传输至声学触摸DSP，并且由声学触摸DSP处理以确定对象的位置。在一些示例中，确定对象的位置可以包括确定对象的区域和/或形心。该位置可传送至辅助处理器和/或主机处理器，并且辅助处理器和/或主机处理器可基于该位置执行动作。
在一些示例中，高速通信信道可提供足够的带宽以将原始声学触摸数据传输到声学触摸DSP，而不需要由声学触摸感测电路处理。在一些示例中，高速通信信道可包括将声学触摸数据进行串行化并使用低电压差分信号(LVDS)通信电路传输该串行化声学触摸数据的电路(例如，CMOS串行器)。在一些示例中，声学触摸感测电路可在向声学触摸DSP发送声学触摸数据之前执行一些处理(例如，平均)。在一些示例中，由低功率检测扫描产生的数据量可相对较小(与活动模式检测扫描相比)，使得原始声学触摸数据可被传输到声学触摸DSP而不需要由声学触摸感测电路处理。在一些示例中，来自低功率检测扫描的数据也可经由高速通信信道传输到声学触摸DSP。
从辅助处理器传输到声学触摸感测电路的数据、同步信号和中断信号可与上文描述的相同或类似，不同的是，在一些示例中，各种信号和数据可通过声学触摸DSP。
在一些示例中，声学触摸感测电路可执行声学触摸感测扫描并生成声学触摸数据。声学触摸数据(例如，用于低功率检测扫描)可由声学触摸感测电路处理，以确定是否存在接触表面的对象。一旦检测到对象接触感测表面，系统就可以从低功率模式转变为活动模式，并且声学触摸感测电路可执行如本文所述的活动模式检测扫描。与活动模式检测扫描相对应的声学触摸数据可由声学触摸感测电路处理以确定对象的位置。在一些示例中，确定对象的位置可以包括确定对象的区域和/或形心。对象的存在和/或位置可传送给辅助处理器和/或主机处理器，并且辅助处理器和/或主机处理器可基于对象的存在和/或位置执行动作。
在一些示例中，后处理信息(例如，重心)的量可相对较小(与原始声学触摸数据相比)，使得可经由串行通信总线(例如，SPI)将信息传输到辅助处理器和/或主机处理器，而无需高速数据信道。
从辅助处理器传输到声学触摸感测电路的数据、同步信号和中断信号可与上文描述的相同或类似。在一些示例中，可在声学触摸感测电路和辅助处理器和主机处理器的每一者之间提供单独的数据通信信道。在一些示例中，数据通信信道可以是声学触摸感测电路和辅助处理器和主机处理器的每一者之间的共享总线(例如，共享SPI总线)。
如本文所述，声学触摸感测电路可在不使用时被关闭或置于低功率状态。在一些示例中，声学触摸感测电路可仅在声学触摸检测扫描期间(例如，在Tx和Rx操作期间)打开。在一些示例中，声学触摸感测电路可随时处于低功率状态(例如，以低帧速率运行、执行低功率检测扫描)，并且可在检测到对象时转变成活动模式状态。
以类似的方式，可由声学触摸和/或力感测系统的不同处理电路执行力数据的处理。例如，如上文参考图4所描述的那样，电子设备可以包括声学触摸和力感测电路400和处理器SoC 430(例如，包括主机处理器432和辅助处理器/子处理器434)。在一些示例中，力检测电路424可重复(或重复使用)图4的触摸感测电路以收集和/或处理力数据。在一些示例中，可将原始力感测数据通过力检测电路424传输至处理器SoC，以由处理器 SoC(例如，主机处理器432和辅助处理器/子处理器434)的一个或多个处理器处理。在一些示例中，力感测数据可部分地由声学力(和/或触摸)感测电路的模拟处理电路和/或数字处理电路进行处理。部分处理的力感测数据可被传输到处理器SoC以进一步处理。在一些示例中，声学力(和/或触摸)感测电路可处理力感测数据并向处理器SoC提供力信息(例如，施加的力的量)。另外，除了上述低功率触摸检测扫描之外或作为其替代，还可使用低功率检测扫描(例如，以使设备退出低功率或空闲模式)。低功率力检测扫描可包括例如使用少于所有换能器的换能器(例如，一个换能器)确定施加在表面上的力。
在一些示例中，可以相对于触摸检测电路简化力检测电路424以降低功率和硬件要求。图8A至图8C示出了根据本公开的示例的用于力检测的示例性电路。应当理解，图8A至图8C的电路是示例性的，并且其他电路可用于力感测。另外，尽管图8A至图8C的电路可以是单端电路，但也可使用部分或完全差动电路。图8A示出了根据本公开的示例的示例性力检测电路800。力检测电路800可包括门(或开关)801、可编程増益放大器 (PGA)802、模拟比较器804、时数信号转换器806以及可选地，数字比较器808。门定时信号可用于激活(例如，关闭开关)用于测量力的换能器的输入和PGA 802之间的门801。门定时信号也可用于通过时数信号转换器 806开始定时。PGA 802的输出可被输入到比较器804中，该比较器可用于发现接收信号的可靠转换边沿。当比较器转换时，时数信号转换器806的定时停止。可与所施加的力成比例的时数信号转换器806的数字输出(例如，数字化的数字)可从声学力(和/或触摸)感测电路发送至处理器。在一些示例中，可选的数字比较器808可用于传输超过阈值量的力读数。在一些示例中，可选择时间窗口，并且阈值跨越时间戳的全部或一些可从声学力(和/或触摸)感测电路发送至处理器SoC，并且该时间戳可用于检测飞行时间变化(以及因此所施加的力)。在一些示例中，给定时间窗口的数字化数据可在两次不同的时间(一次不施加力，一次施加力)取样，并且两次飞行时间测量之间的相关性可用于确定飞行时间的变化(以及因此所施加的力)。
图8B示出了根据本公开的示例的示例性力检测电路810。力检测电路 810可包括门(或开关)811、PGA 812、差动到单端转换器电路812、模拟比较器814、逻辑与门816、数字计数器818和时钟820。门定时信号可用于激活(例如，关闭开关)用于测量力的换能器的输入和差动到单端转换器电路812之间的门811。差动到单端转换器电路812的单端输出可被提供给PGA 812。门定时信号也可输出到逻辑与门816。当门定时信号和模拟比较器814的输出两者都可以是高时，计数器818可基于来自时钟820的时钟信号开始定时。PGA 812的输出可被输入到比较器814中，该比较器可用于发现接收信号的可靠转换边沿。当比较器转换时，计数器818的定时可停止。来自计数器818的可与所施加的力成比例的数字输出(例如，数字化的数字)可从声学力(和/或触摸)感测电路发送至处理器。
应当理解，示例性力检测电路800和810可被重新配置为在接收信号的上升沿、下降沿或两者时输出阈值跨越。如图8A和图8B中所示的力检测电路800和810在时间选通信号的每个上升沿之后输出上升沿阈值。在一些示例中，可在输入信号的上升沿和下降沿两者时检测到阈值跨越。图 8C示出了根据本公开的示例的示例性力检测电路830。力检测电路830可包括门(或开关)831、PGA 832，模拟比较器834、逻辑反相器836、n位 D触发器838和840、时钟842和数字计数器844。复位信号可用于复位D 触发器838和840。时间窗口信号可用于激活用于测量力的换能器的输入和 PGA 832之间的门831。时间窗口信号还可启用计数器844，以基于来自时钟842的时钟信号开始定时。PGA 832的输出可被输入到比较器834中，该比较器可用于发现接收信号的可靠转换边沿。比较器834的输出可用于时钟D触发器838和840。D触发器838可与比较器输出的反相版本进行定时以检测相对边沿。D触发器838和840可分别接收计数器844的输出作为数据输入，并且输出计数器844的计数，用于计数上升沿和下降沿的转换。可与所施加的力成比例的D触发器838和840的数字输出(例如，数字化的数字)可从声学力(和/或触摸)感测电路发送至处理器。
如上所述，在一些示例中，力数据可在两次不同的时间(一次不施加力，一次施加力)取样，并且两次飞行时间测量之间的相关性可用于确定飞行时间的变化(以及因此所施加的力)。图9示出了根据本公开的示例的声学触摸和/或力感测电路的示例性配置。图9所示的电路可对应于图4 所示例如实施用于检测力的对应电路。与图4不同，图9的声学触摸和/或力感测电路可包括相关器950。相关器950可以是数字相关器，其被配置为将未施加力情况的力数据(例如，基线)与可包括施加力的测量的力数据相关联。相关性可指示可变形材料中飞行时间(或谐振)的变化，从而指示施加的力。
如上所述，由声学触摸和力感测电路执行的声学触摸和力感测扫描可涉及激励和感测一个或多个换能器。图10A至图10E示出了根据本公开的示例的声学触摸和力感测电路和/或一个或多个处理器(例如，处理器SoC) 的示例性集成，其中换能器机械和声学地联接到表面(例如，玻璃、塑料、金属等)和/或可变形材料(例如，硅树脂、橡胶等)。图10A示出了使用沿着表面1002(例如，覆盖玻璃的下侧)的四个边缘安装(或换句话讲联接到)的四个声学换能器1004A至1004D的示例性声学触摸和力感测系统配置1000。换能器1004A至1004D可被配置为生成声波(例如，剪切水平波)并且接收反射的声波。另外，声学换能器1004A至1004D也可安装在 (或换句话讲联接到)设置在表面1002和刚性材料(例如，外壳的一部分)之间的可变形材料(例如，垫圈)上。可包括一个或多个声学触摸和力感测电路。例如，图10A示出了邻近换能器1004C和1004D的相邻边缘定位的第一声学触摸和力感测电路1006。同样，第二声学触摸和力感测电路 1006’可邻近换能器1004A和1004B的相邻边缘定位。如图所示声学触摸和力感测电路的放置可减少换能器1004A至1004D与相应的声学触摸和力感测电路之间的路由。处理器SoC 1008可耦接至一个或多个声学触摸和力感测电路，以执行如本文所述的各种处理。在一些示例中，触摸和力感测电路的驱动电路(Tx电路)的一些或全部和/或接收电路(Rx电路)的一些或全部可在不同硅芯片上实施。
在一些示例中，换能器1004A至1004D可经由柔性电路(例如，柔性印刷电路板)耦接到一个或多个声学触摸和力感测电路。图10B示出了沿图10A的视图AA截取的示例性声学触摸和力感测系统配置1000的视图1010。如图10B所示，换能器1004D可通过在表面1002的下侧上的粘结材料层1014和在换能器1004D的一侧上的第一信号金属层1012A之间的粘结而联接到表面1002。在一些示例中，粘结材料层1014可为导电的(例如，金属层)。在一些示例中，粘结材料层1014可为非导电的。在换能器 1004D的一侧上的第一信号金属层1012A和在换能器1004D的第二侧上的第二信号金属层1012B可提供换能器1004D的两个端子，可将激励信号施加到所述端子，并且可通过所述端子接收反射。第一信号金属层1012A从换能器1004D的一侧围绕换能器包裹到相对侧，以使得换能器1004D的两个信号金属层粘结到换能器1004D的一侧上。在图10B中，声学触摸和力感测电路1006可耦接到柔性电路1016，并且柔性电路可分别(例如，经由粘结1018)粘结到换能器1004D的信号金属层1012A和1012B。同样，可通过将柔性电路粘结到与表面相对的换能器侧上的信号金属层，将换能器 1004C联接到表面1002(例如，经由粘结金属层/第一信号金属层粘结)和声学触摸和力感测电路1006。类似地，换能器1004A和1004B可联接到表面1002和第二声学触摸和力感测电路1006’。
换能器1004A至1004D也可联接到可变形材料1003。例如，可变形材料1003可以是设置在表面1002和刚性材料1007之间的垫圈。在组装时，可变形材料1003(例如，垫圈)可在表面1002(例如，覆盖玻璃)和刚性材料1007(例如，外壳)之间形成水密封。与可变形材料1003接触的换能器1004A至1004D可将激励信号施加到可变形材料1007并从该可变性材料接收反射。以类似的方式，换能器1004A至1004D也可联接到如图10C至图10E所示的可变形材料1003。
在一些示例中，换能器1004A至1004D可经由内插器(例如，刚性印刷电路板)耦接到声学触摸和力感测电路。图10C示出了沿视图AA截取的示例性声学触摸和力感测系统配置1000的视图1020。换能器1004C和 1004D可耦接到表面1002，如结合图10B所示和所述。然而，在图10C中，内插器1022可(例如，经由粘结1024)粘结至换能器1004D的信号金属层1012A和1012B，而非将声学触摸和力感测电路1006粘结到柔性电路 1016，并且将柔性电路粘结到换能器1004D的信号金属层1012A和1012B。声学触摸和力感测电路1006可粘合或以其他方式联接到内插器1022。类似地，换能器1004A和1004B可联接到表面1002和第二声学触摸和力感测电路1006’。在一些示例中，换能器1004A至1004D可直接粘结到声学触摸和力感测电路。图10D示出了沿视图AA截取的示例性声学触摸和力感测系统配置1000的视图1030。换能器1004C和1004D可耦接到表面1002，如结合图10B所示和所述。然而，在图10D中，声学触摸和力感测电路 1006可(例如，经由粘结1032)粘结至换能器1004D的信号金属层1012A 和1012B，而非将声学触摸和力感测电路1006粘结到柔性电路或内插器，并且将柔性电路/内插器粘结到换能器1004D的信号金属层1012A和1012B。类似地，换能器1004A和1004B可联接到表面1002和第二声学触摸和力感测电路1006’。
在图10B至图10D中，信号金属层1012A远离表面1002路由，并且信号金属层1012A和1012B两者经由与表面1002分开的换能器1004D一侧上的粘结(例如，经由柔性电路、内插器或直接粘结)，粘结至声学触摸和力感测电路。在一些示例中，声学触摸和力感测电路可粘结到表面 1002上的路由。图10E示出了沿视图AA截取的示例性声学触摸和力感测系统配置1000的视图1040。与图10A不同，例如，换能器1004D可经由金属粘结层的两个独立部分联接到表面1002。金属粘结层1042A的第一部分可粘结到第一信号金属层1044A(使用金属至金属导电粘结)，并且金属粘结层1042B的第二部分可粘结到第二信号金属层1044B(其可任选地围绕换能器1004D包裹)。虽然未示出，但金属粘结层1042A和1042B的第一部分和第二部分可沿着表面1002的下侧路由，并且可与柔性电路或内插器包括声学触摸和力感测电路进行粘结连接，或者之间粘结连接到声学触摸和力感测电路。同样，换能器1004C可经由表面上的路由耦接到表面 1002和声学触摸和力感测电路1006。类似地，换能器1004A和1004B可经由表面上的路由联接到表面1002并且联接到第二声学触摸和力感测电路 1006’。应当指出，相比于图10B至图10D，图10E所示集成的一个优势在于，可变形材料1003可在设备周边的周围具有更均匀的形状。相比之下，如图10B至图10D所示，可变形材料可包括切口或凹口，或者在声学触摸和力感测电路(以及/或者柔性电路或内插器)的位置处具有不同的性质 (例如，不同厚度)。另选地，换能器可在电连接区域中制造的更薄，以适应图10B至图10D中的电连接，而不具有凹口或切口。在一些示例中，可使用一发一收力感测。在此类示例中，可在可变形材料1003与刚性材料 1007之间添加接收换能器(例如，如图6所示)。
应当理解，本文所述声学触摸和力感测电路、换能器和表面的集成是示例性的，并且可使用许多其他技术。换能器可附接到覆盖玻璃的边缘 (例如，覆盖玻璃的一侧上)或覆盖玻璃下方。在一些示例中，换能器可集成在覆盖玻璃中的凹口中。在换能器和覆盖玻璃的所有集成中，附接和粘结应当以能够允许在覆盖玻璃(或者覆盖玻璃的顶部)中生成和传播所需声波的方式进行。在一些示例中，可将匹配或背衬材料添加到换能器中以提高其性能，并且提高与目标表面介质(例如，覆盖玻璃)的匹配。同样，可将匹配或背衬材料添加到与可变形材料1003接合的换能器中，以提高力检测的性能以及与可变形材料介质的匹配。在一些示例中，用于触摸检测的换能器可在覆盖玻璃的边缘上实施，并且用于力检测的换能器可在覆盖玻璃的拐角上实施。
如上所述，在一些示例中，发射器和接收器功能可被分离，使得在 302处的声学能量的发射和在304处的声学能量的接收可不发生在相同换能器处。在一些示例中，发射换能器和接收换能器可由不同的材料制成，以分别最大化发射和接收效率。在一些示例中，具有分开的发射和接收换能器可允许高电压发射电路和低电压接收电路被分离(用于触摸和/或力感测电路)。图11示出了根据本公开的示例的声学触摸和力感测电路1100的示例性配置。类似于图11的配置，图4的配置可包括声学触摸和力感测电路1100和处理器SoC 1130。如上所述，处理器SoC 1130可包括主机处理器1132(例如，对应于处理器432)和辅助处理器1134(对应于辅助处理器434)。类似地，声学触摸和力感测电路1100可包括：发射器1102(对应于发射器402)、发射切换电路1104A(对应于切换电路404的解复用器)、接收切换电路1104B(例如，对应于切换电路404的多路复用器)、放大器1110(例如，对应于放大器410)、增益和偏移校正电路1112(例如，对应于增益和偏移校正电路412)、解调电路、包络检测电路和/或滤波器1114至1116(例如，对应于解调电路414、包络检测电路415和/或滤波器416)、ADC 1118(例如，对应于ADC 418)和I/O电路1120(例如，对应于I/O电路420)。声学触摸和力感测电路1100还可包括力检测电路 1124(例如，对应于力检测电路424)。这些部件的操作可类似于上文相对于图4所述的，并且为了简洁起见，这里将省略其细节。与包括执行发射和接收操作两者的换能器406的图4不同，图11所示的配置可包括作为发射器操作的换能器1106A，以及作为接收器操作的独立换能器1106B。换能器1106A和1106B可共同位于先前描述的发射换能器和接收换能器位置处。例如，换能器502A可被配置用于发射的第一换能器和被配置用于接收的第二换能器替换。
应当理解，图11的配置不限于图11的部件和配置，而是可包括根据各种示例的多种配置中的其他部件或附加部件。另外，图11所示组件中的一些或全部可包括在单个电路中，或者可分布在多个电路之间，同时保持在本公开的示例的范围内。在一些示例中，发射电路1102和发射切换电路 1104A中的一些或全部可在一个芯片中实施，并且接收电路408和接收切换电路404B中的一些或全部可在另一个芯片中实施。包括发射电路的第一芯片可经由升压电路接收和/或生成用于激励表面的高压电源。包括接收电路的第二芯片可在不接收或生成高电压电源的情况下操作。在一些示例中，可使用不止两个芯片，并且每个芯片可容纳发射电路和/或接收电路的一部分。
图12A至图12E示出了根据本公开的示例的声学触摸和力感测电路和/ 或一个或多个处理器(例如，处理器SoC)的示例性集成，其中换能器组 (例如，一个用于发射，一个用于接收)机械和声学地联接到表面(例如，玻璃、塑料、金属等)和/或可变形材料(例如，硅树脂、橡胶等)。图 12A示出了使用八个声学换能器的示例性声学触摸和力感测系统配置1200，所述八个声学换能器包括沿着表面1202(例如，覆盖玻璃)的四个边缘安装的四个发射换能器1204A至1204D，以及四个接收换能器1205A至 1205D。发射换能器1204A至1204D可被配置为生成声波(例如，水平剪切波)，并且接收换能器1205A至1205D可被配置为接收反射的声波。另外，声学换能器1204A至1204D和1205A至1205D也可安装在(或换句话讲联接到)设置在表面1002和刚性材料(例如，外壳的一部分)之间的可变形材料(例如，垫圈)上。可包括一个或多个声学触摸和力感测电路。例如，图12A示出了邻近发射换能器1204C至1204D和接收换能器1205C 至1205D的相邻边缘定位的第一声学触摸和力感测电路1206。同样，第二声学触摸和力感测电路1206’可被定位成邻近发射换能器1204A至1204B 的相邻边缘。如图所示的声学触摸和力感测电路可以减少换能器和对应声学触摸和力感测电路之间的路由。处理器SoC 1208可耦接至一个或多个声学触摸和力感测电路。
在一些示例中，换能器1204A-D/1205A-D可经由柔性电路(例如，柔性印刷电路板)联接到声学触摸和力感测电路。图12B示出了沿图12A的视图AA截取的示例性声学触摸和力感测系统配置1200的视图1210。如图 12B所示，接收换能器1205D可通过在表面1202的下侧上的粘结材料层 1214与在接收换能器1205D的一侧上的第一信号金属层1212A之间的粘结而联接到表面1202。在一些示例中，粘结材料层1214可为导电的(例如，金属层)。在一些示例中，粘结材料层1214可为非导电的。接收换能器 1205D的一侧上的第一信号金属层1212A和在接收换能器1205D的第二侧上的第二信号金属层1212B可提供接收换能器1205D的两个端子，可从所述端子接收反射。第一信号金属层1212A从接收换能器1205D的一侧围绕换能器包裹到相对侧，以使得接收换能器1205D的两个信号金属层粘结到接收换能器1205D的一侧上。在图12B中，声学触摸和力感测电路1206可耦接到柔性电路1216，并且柔性电路可分别(例如，经由粘结件1218)粘结到接收换能器1205D的信号金属层1212A和1212B。类似地，传输电路 1204D(未示出)可联接到表面1202，并且可提供可施加刺激信号的两个端子。柔性电路可粘结到发射换能器1204D的相应信号金属层。同样，发射换能器1204C和接收换能器1204D可通过将柔性电路粘结到与表面相对的换能器侧上的信号金属层而联接到表面1202(例如，经由粘结金属层/第一信号金属层粘结件)和声学触摸和力感测电路1206。类似地，发射换能器1204A-B和接收换能器1205A-B可联接到表面1202和第二声学触摸和力感测电路1206’。
换能器1204A-D和1205A-D也可联接到可变形材料1203。例如，可变形材料1203可以是设置在表面1202和刚性材料1207之间的垫圈。在组装时，可变形材料1203(例如，垫圈)可在表面1202(例如，覆盖玻璃) 和刚性材料1207(例如，外壳)之间形成水密封。与可变形材料1203接触的换能器1204A-D和1205A-D可将激励信号施加到可变形材料1207并从该可变性材料接收反射。以类似的方式，换能器1204A-D和/或1205A-D也可联接到如图12C至图12E所示的可变形材料1203。
在一些示例中，发射换能器1204A-D和接收换能器1205A-D可经由内插器(例如，刚性印刷电路板)联接到声学触摸和力感测电路。图12C示出了沿视图AA截取的示例性声学触摸和力感测系统配置1200的视图1220。发射换能器1204C-D和接收换能器1205C-D可联接到表面1202，如参考图 12B所示和所述。然而，在图12C中，内插器1222可(例如，经由粘结件1224)粘结到接收换能器1205D的信号金属层1212A和1212B，而非将声学触摸和力感测电路1206粘结到柔性电路1216，并且将柔性电路粘结到接收换能器1205D的信号金属层1212A和1212B。声学触摸和力感测电路 1206可粘结或以其他方式联接到内插器1222。类似地，其余换能器(发射和接收)可联接到表面1202和第一或第二声学触摸和力感测电路1206和1206’。
在一些示例中，发射换能器1204A-D和接收换能器1205A-D可直接粘结到声学触摸和力感测电路。图12D示出了沿视图AA截取的示例性声学触摸和力感测系统配置1200的视图1230。发射换能器1204C-D和接收换能器1205C-D可联接到表面1202，如参考图12B所示和所述。然而，在图 12D中，声学触摸和力感测电路1206可(例如，经由粘结件1232)粘结到接收换能器1205D的信号金属层1212A和1212B，而非将声学触摸和力感测电路1206联接到柔性电路或内插器，并且将柔性电路/内插器粘结到接收换能器1205D的信号金属层1212A和1212B。类似地，其余换能器(发射和接收)可联接到表面1202和第一或第二声学触摸和力感测电路1206和 1206’。
在图12B至图12D中，信号金属层1212A远离表面1202布线，并且信号金属层1212A和1212B两者经由与表面1202分开的接收换能器1205D 一侧上的粘结件(例如，经由柔性电路、内插器或直接粘结)粘结到声学触摸和力感测电路。在一些示例中，例如，声学触摸和力感测电路可粘结到表面1202上的布线，而不是类似于上文参考图10E的描述。
虽然图12A将发射换能器1204A-D示出为与接收换能器1205A-D并排，但在一些示例中，发射换能器1204A-D和接收换能器1205A-D可以彼此堆叠。图12E示出了沿视图AA截取的示例性声学触摸和力感测系统配置 1200的视图1240。如图12E所示，接收换能器1205D可通过在表面1202 的下侧上的粘结金属层1242与在接收换能器1205D的一侧上的第一信号金属层1246A之间的粘结而联接到表面1202。发射换能器1204D可经由接收换能器1205D的第二侧上的公共第二信号金属层1244联接到接收换能器 1205D。第一金属层1246B可以沉积在发射换能器1204D的第二侧上。第一信号金属层1246A和公共第二信号金属层1244可提供接收换能器1205D 的两个端子，可从所述端子接收反射。第一信号金属层1246B和公共第二信号金属层1244可提供发射换能器1204D的两个端子，可向所述端子施加发射波。在一些示例中，公共信号金属层可以是用于发射和接收换能器的公共接地。在一些示例中，用于发射和接收换能器的金属连接件可彼此分离，并且可使用差分或单端发射和接收电路。虽然未示出，但可放置信号金属层1244、1246A和1246B的布线，使得声学触摸和力感测电路1206可联接到发射换能器1204D和/或接收换能器1205D的表面1202或暴露表面上的布线，以使得声学触摸和力感测电路能够直接或间接地粘结到表面 1202上或换能器1204D/1205D上。在一些示例中，可将粘结金属1242粘结到1246A信号金属(使用金属与金属导电粘结)。应当指出的是，相较于图12B至图12D的集成，图12E所示的集成的一个优点可在于可变形材料1003可围绕设备的周边具有更均匀的形状。相比之下，如图12B至图 12D所示，可变形材料可包括切口或具有不同的特性(例如，不同厚度)，声学触摸和力感测电路(和/或柔性电路或内插器)位于其中。
图13至图19示出用于在电子设备内集成触摸和力感测功能的各种构型。图13至图19中的每一个包括可对应于上述覆盖玻璃312的覆盖玻璃、显示器层叠结构、可对应于上述刚性材料318的外壳、可对应于上述换能器314的换能器以及可对应于上述可变形材料316的可变形材料(例如，可包括在力感测层叠结构中)。在一些示例中，显示器层叠结构可包括用于触摸感测电路(例如，电容式触摸感测)的层叠结构。不同构型中的每一种可用于构建具有触摸感测和力感测能力的设备，如将在下文中更详细地描述。
图13示出用于将触摸感测和力感测电路与电子设备的外壳1304和覆盖玻璃1302集成的第一示例性构型。在一些示例中，换能器1308可联接到覆盖玻璃1302的一侧。在一些示例中，覆盖玻璃1302可设置在显示器层叠结构1306上方。在一些示例中，显示器层叠结构1306可包括触摸传感器层叠结构，例如电容式触摸传感器层叠结构。在一些示例中，换能器1308可具有在y轴维度上的高度，该高度可接近覆盖玻璃1302在y轴维度上的厚度。在一些示例中，这可允许换能器1308在覆盖玻璃1302的整个厚度上产生均匀的声波。在一些示例中，通过将换能器1308放置在覆盖玻璃的一侧上，用电压或电流刺激换能器可产生水平剪切波、Rayleigh波、 Lamb波、Love波、Stoneley波或在覆盖玻璃1302中沿x轴方向行进的表面声波。在一些示例中，可将多于一个换能器1304设置在覆盖玻璃1302 的周边周围，以提供在覆盖玻璃表面上具有二维坐标的触摸测量(例如，如上文参考换能器502A-502D所述)。换能器1308可设置在背衬材料 1310上，该背衬材料可继而提供换能器与外壳1304之间的机械联接。在一些示例中，可提供封装物1316以隐藏换能器1308和背衬材料1310使其对于使用者不可见以及提供额外的机械稳定性。在一些示例中，封装物1316 可以是外壳1304的一部分，并且在一些示例中，封装物可以是不同于外壳的材料(例如，玻璃、锆石、钛、蓝宝石等)。在一些示例中，力传感器层叠结构1312可定位在覆盖玻璃1302后面，并且能够操作以检测如上面至少图3和图6至图7中所述的力。
图14示出用于将触摸感测和力感测电路与电子设备的外壳1404和覆盖玻璃1402集成的第二示例性构型。图14示出与图13类似的构型，其中示出了联接到覆盖玻璃1402一侧的换能器1408。在一些示例中，换能器 1408可具有在y轴维度上的高度，该高度可接近覆盖玻璃1402在y轴维度上的厚度。在一些示例中，通过将换能器1408放置在覆盖玻璃的一侧上，用电压或电流刺激换能器可产生在覆盖玻璃1402中沿x轴方向行进的水平剪切波。在一些示例中，可将多于一个换能器1404设置在覆盖玻璃1402 的周边周围，以提供在覆盖玻璃表面上具有二维坐标的触摸测量(例如，如上文参考换能器502A-502D所述)。在一些示例中，每个换能器1408可产生以不同方向取向的剪切波。除了封装物1416(其可对应于上述封装物 1316)之外，还可使用第二封装物提供用于覆盖玻璃1402、换能器1408和背衬材料1410的机械基座。包括第二封装物1418可通过要求外壳中少一个凹口来简化外壳1404的结构。在一些示例中，力传感器层叠结构1412 可直接由外壳1404支撑，并且可操作以检测如上面至少图3和图6至图7 中所述的力。
图15示出用于将触摸感测和力感测电路与电子设备的外壳1504和弯曲覆盖玻璃1502集成的第三示例性构型。与上面图13和图14的构型不同，换能器1508的取向不一定需要与声波传播的方向(例如，沿x轴)匹配。在图示的构型中，换能器1508可附接到弯曲覆盖玻璃1502的边缘，并且背衬材料1510可设置在换能器1580与外壳1504之间。在一些示例中，换能器1508和背衬材料1510可定位在外壳1504的凹口或凹槽内，如图15 所示。在一些示例中，由换能器1508产生的声能可沿着覆盖玻璃的弯曲边缘1502’被引导，并且可继续沿表面传播以执行如上文参考图2至图5所述的触摸检测。在一些示例中，覆盖玻璃1502的渐进曲率可用于沿着覆盖玻璃的弯曲边缘1502’朝向平坦表面引导波。力传感器层叠结构1512可由外壳1504支撑，并且支脚1514可联接到覆盖玻璃1502，以将施加到覆盖玻璃上的力传输到如上面至少图3和图6至图7所述的力传感器层叠结构。具体地讲，由于力传感器层叠结构1512可位于覆盖玻璃1502的弯曲边缘 1502’下方，因此可包括支脚1514，以将力平移到平坦的力传感器层叠结构上。
图16示出了图15的第三构型的变型，其中添加了封装材料1616(其可对应于上述封装材料1316、1416和1418)，所述封装材料可用于将换能器1608和背衬1610机械固定到外壳1604上，以及使换能器组件对于电子设备的用户在视觉上模糊。类似于图10，力传感器层叠结构1612可位于覆盖玻璃1602的弯曲边缘1602’下方，并且支脚1614可联接到覆盖玻璃1602，以将施加到覆盖玻璃上的力传输到力传感器层叠结构中。
图17示出用于将触摸感测和力感测电路与外壳1704和覆盖玻璃1702 集成的第四示例性构型。换能器1708可设置在形成在覆盖玻璃1702后面的腔内的背衬材料1710上。通过刺激换能器1708产生的声波可近似于在覆盖玻璃1702的一侧处直接刺激，如图13和图14所示，同时保持覆盖玻璃表面的弯曲边缘1702，如图15和图16所示。换句话讲，换能器1708可用于产生在x轴方向上沿着覆盖玻璃1702的平坦表面行进的波，而不依赖于引导波穿过覆盖玻璃的弯曲边缘1702’。发射的声能的反射可用于如上文所述的触摸检测(例如，参考图2至图5)。力感测层叠结构1712可设置在覆盖玻璃1702与外壳1704之间，以执行如上面至少图3和图6至图7中所述的力感测。
图18示出用于将触摸感测和力感测电路与外壳1804和覆盖玻璃1802 集成的第五示例性构型。在一些示例中，换能器1808和背衬材料1810可设置在覆盖玻璃1802的背面上。在一些示例中，来自换能器1808的声能可开始沿着y轴方向传播，可从覆盖玻璃1802的弯曲边缘1802’反射，并且可如上述示例中所述沿着x轴方向行进。在一些示例中，弯曲边缘1802’的曲率量可确定反射的声能的分散。在一些示例中，该分散可导致反射的声能在测量的飞行时间内分散，并且可对触摸检测产生影响，如上面图2 至图5中所述。力传感器层叠结构1812可联接到外壳1804，以执行如上面至少图6至图7中所述的力感测。
图19A和图19B示出用于将具有共享元件的触摸感测和力感测电路与电子设备的外壳1904和覆盖玻璃1902集成的示例性构型。在一些示例中，图19A和图19B的图示可以是如上面图2至图7中所述用于集成触摸感测和力感测的具体实施，具体参考图3B、图5A、图6A和图6B。图19A和图19B在覆盖玻璃1902的形状上有所不同。在图19A中，所示的覆盖玻璃1902可具有平坦的背面，并且换能器1908可直接设置在覆盖玻璃的背面。在图19B中，所示的覆盖玻璃1902可具有在覆盖玻璃边缘处的向下延伸部分，并且换能器1908可设置在覆盖玻璃的向下延伸部分上。在其他示例中，换能器1908可附接到弯曲覆盖玻璃1902，诸如图15至图17所示的那些。类似于图18所述的构型，来自换能器1808的声能可开始沿着y轴方向传播，可从覆盖玻璃1902的镶条部分1902’反射，并且可沿着x轴方向行进。在图19A和图19B所示的示例中，镶条1902’被绘制为完全成形的45度角度，该角度可产生来自镶条处的反射的声能的90度取向变化。应当理解，同样的原理适用于图18的弯曲覆盖玻璃1802，并且可在非平坦镶条1902’ (诸如上文的弯曲边缘1802’)的存在下获得可接受的性能。图示的平坦镶条1902’可用于提供期望的反射，但可导致用户触摸起来可能不舒适的锐利边缘。在一些示例中，镶条1902’的一部分可为平坦的，而镶条的锐利边缘可通过边缘的圆化而避免。在一些示例中，换能器1908的长度(例如，x 轴尺寸)可等于或约等于覆盖玻璃1902的厚度(例如，y轴尺寸)，使得均匀的声波1920可在覆盖玻璃材料的整个厚度上传输。使用上面图2至图 5中所述的原理，换能器1908可用于检测覆盖玻璃上的对象1922的触摸位置。应当理解，图19A和图19B示出如何将图3B的构型集成到电子设备覆盖玻璃中以执行触摸感测。此外，通过将可变形材料1910放置在换能器后面(例如，作为背衬材料)，可使用相同的换能器1908同时执行上面图 3至图7中所述的力感测。例如，与图6A相比，覆盖玻璃1902、换能器1908、可变形材料1910和外壳1904可分别对应于覆盖玻璃601、换能器 602、可变形材料604和刚性材料606。另外，虽然未示出，但第二换能器可包括在可变形材料1910与外壳1904之间以匹配图6B中所示的构型。
因此，根据以上所述，本公开的一些示例涉及一种电子设备，该电子设备包括：覆盖表面；可变形材料，其设置在覆盖表面与电子设备的外壳之间；声学换能器，其联接到覆盖表面和可变形材料，并被配置为在覆盖表面中产生第一声波并且在可变形材料中产生第二声波。除此之外或另选地，在一些示例中，可变形材料和覆盖表面被进一步配置成使得第一声波能够在第一方向上传播并且第二声波能够在不同于第一方向的第二方向上传播。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，第一声波沿第三方向入射到覆盖玻璃的镶条部分上，并且被覆盖玻璃的镶条部分沿不同于第三方向的第一方向反射。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，第一方向和第三方向彼此相反。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，第一方向和第三方向正交。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，可变形材料被包括在定位在外壳与覆盖表面的第一侧之间的垫圈中。
本公开的一些示例涉及触摸和力敏设备。该设备可包括：表面、设置在表面与刚性材料之间使得在表面上的力导致可变形材料变形的可变形材料、联接至表面和可变形材料的多个换能器，以及联接到所述多个换能器的处理器电路。该处理电路能够：刺激所述多个换能器以将超声波发射到表面和可变形材料，从所述多个换能器接收来自表面和可变形材料的反射超声波，基于在所述多个换能器处接收的在表面中传播的反射超声波来确定对象在表面上的接触位置，并且基于从所述多个换能器中的一个或多个换能器接收的在可变形材料中传播的一个或多个反射超声波来确定所述接触在表面上的施加力。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，表面可包括设备的外表面。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，刚性材料可包括设备的外壳的一部分。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，可变形材料可在外壳的一部分与设备的外表面之间形成垫圈。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，所述多个换能器可包括粘结到表面的至少四个换能器。四个换能器中的每一个可邻近表面的四个相应边缘中的不同一个设置，并且可设置在邻近设备外壳的相应边缘的垫圈的一部分上方。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，处理电路可包括一个或多个声学触摸和力感测电路。声学触摸和力感测电路可经由所述多个换能器与所述一个或多个声学触摸和力感测电路之间的直接粘结、经由所述多个换能器与联接至所述一个或多个声学触摸和力感测电路的柔性电路板之间的粘结或经由所述多个换能器与联接至所述一个或多个声学触摸和力感测电路的刚性电路板之间的粘结来联接到所述多个换能器。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，设备还可包括沉积在邻近所述多个换能器的表面上的布线。处理电路可包括一个或多个声学触摸和力感测电路。所述一个或多个声学触摸和力感测电路可经由将所述一个或多个声学触摸和力感测电路联接到沉积在表面上的布线而联接到所述多个换能器。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，刺激所述多个换能器以将超声波发射到表面和可变形材料并且从所述多个换能器接收来自表面和可变形材料的反射超声波可包括：刺激所述多个换能器中的第一换能器以将第一超声波传输到表面，并且响应于所传输的第一超声波而从表面接收来自第一换能器的第一反射超声波；刺激所述多个换能器中的第二换能器以将第二超声波传输到表面，并且响应于所传输的第二超声波而从表面接收来自第二换能器的第二反射超声波；刺激所述多个换能器中的第三换能器以将第三超声波传输到表面，并且响应于所传输的第三超声波而从表面接收来自第三换能器的第三反射超声波；以及刺激所述多个换能器中的第四换能器以将第四超声波传输到表面，并且响应于所传输的第四超声波而从表面接收来自第四换能器的第四反射超声波。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，第一超声波、第二超声波、第三超声波和第四超声波可串联传输以减少所述多个换能器之间的干扰。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，确定对象的接触在表面上的位置可基于第一反射超声波、第二反射超声波、第三反射超声波和第四反射超声波。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，刺激所述多个换能器以将超声波发射到表面和可变形材料并且从所述多个换能器接收来自表面和可变形材料的反射超声波还可包括：刺激所述多个换能器中的第一换能器以将第五超声波传输到可变形材料，并且响应于所传输的第五超声波而从可变形材料接收来自第一换能器的第五反射超声波；刺激所述多个换能器中的第二换能器以将第六超声波传输到可变形材料，并且响应于所传输的第六超声波而从可变形材料接收来自第二换能器的第六反射超声波；刺激所述多个换能器中的第三换能器以将第七超声波传输到可变形材料，并且响应于所传输的第七超声波而从可变形材料接收来自第三换能器的第七反射超声波；以及刺激所述多个换能器中的第四换能器以将第八超声波传输到可变形材料，并且响应于所传输的第八超声波而从可变形材料接收来自第四换能器的第八反射超声波。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，第五超声波、第六超声波、第七超声波和第八超声波可串联传输以减少所述多个换能器之间的干扰。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，确定接触在表面上施加的力可基于第五反射超声波、第六反射超声波、第七反射超声波和第八反射超声波。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，确定接触在表面上施加的力可包括对应于第五反射超声波、第六反射超声波、第七反射超声波和第八反射超声波的平均飞行时间测量结果。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，刺激所述多个换能器以将超声波发射到表面和可变形材料并且从所述多个换能器接收来自表面和可变形材料的反射超声波可包括：刺激所述多个换能器中的第一换能器以将第一超声波同时传输到表面和可变形材料；响应于传输到表面的第一超声波而从表面接收来自第一换能器的第一反射超声波，并且响应于传输到可变形材料的第一超声波而从可变形材料接收来自第一换能器的第一反射超声波；刺激所述多个换能器中的第二换能器以将第二超声波同时传输到表面和可变形材料；响应于传输到表面的第二超声波而从表面接收来自第二换能器的第二反射超声波，并且响应于传输到可变形材料的第二超声波而从可变形材料接收来自第二换能器的第二反射超声波；刺激所述多个换能器中的第三换能器以将第三超声波同时传输到表面和可变形材料；响应于传输到表面的第三超声波而从表面接收来自第三换能器的第三反射超声波，并且响应于传输到可变形材料的第三超声波而从可变形材料接收来自第三换能器的第三反射超声波；以及刺激所述多个换能器中的第四换能器以将第四超声波同时传输到表面和可变形材料；响应于传输到表面的第四超声波而从表面接收来自第四换能器的第四反射超声波，并且响应于传输到可变形材料的第四超声波而从可变形材料接收来自第四换能器的第四反射超声波。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，第一超声波、第二超声波、第三超声波和第四超声波可串联传输以减少所述多个换能器之间的干扰。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，确定对象的接触在表面上的位置可基于来自表面的第一反射超声波、来自表面的第二反射超声波、来自表面的第三反射超声波和来自表面的第四反射超声波。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，确定接触在表面上施加的力可基于来自可变形材料的第一反射超声波、来自可变形材料的第二反射超声波、来自可变形材料的第三反射超声波和来自可变形材料的第四反射超声波。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，处理电路可包括力检测电路。力检测电路可被配置为使用时间选通来检测反射超声波中的一个或多个转换，以确定反射超声波的到达时间。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，处理电路可包括一个或多个声学触摸和力感测电路。所述一个或多个声学触摸和力感测电路中的每一个可包括在第一集成电路上实现的声学触摸感测电路以及在与第一集成电路分开的第二集成电路上实现的声学力感测电路。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，处理电路可包括一个或多个声学触摸和力感测电路。所述一个或多个声学触摸和力感测电路中的每一个可包括声学发射电路和声学接收电路。声学发射电路可以在第一集成电路上实现，并且声学接收电路可以在与第一集成电路分开的第二集成电路上实现。
本公开的一些示例涉及非暂态计算机可读存储介质。非暂态计算机可读存储介质可存储指令，所述指令在由包括表面、可变形材料、联接到表面和可变形材料的多个声学换能器以及处理电路的设备执行时，使得处理电路：对于所述多个声学换能器中的每一个：同时朝向表面的相对边缘传输表面中的超声波并且将超声波传输通过可变形材料；响应于超声波传输通过可变形材料并穿过可变形材料的厚度而从可变形材料接收超声反射；接收来自表面的超声反射；确定传输通过可变形材料的超声波与来自可变形材料的超声反射之间的第一飞行时间；以及确定在表面中传输的超声波与来自表面的超声反射之间的第二飞行时间；所述指令还可使得处理电路基于对应于所述多个换能器的相应第二飞行时间测量结果来确定对象在表面上的位置；以及基于对应于所述多个换能器的相应第一飞行时间测量结果来确定对象在表面上施加的力的量。
本公开的一些示例涉及用于确定对象在表面上的位置和对象在表面上施加的力的量的方法。该方法可包括：对于多个声学换能器中的每一个：朝向表面的相对边缘传输表面中的第一超声波；接收来自该表面的第一超声反射；以及确定在该表面中传输的第一超声波和来自该表面的第一超声反射之间的第一飞行时间；基于对应于所述多个换能器的相应第一飞行时间测量结果来确定对象在表面上的位置。该方法还可包括：对于多个声学换能器中的每一个：将第二超声波传输通过可变形材料；响应于第二超声波传输通过可变形材料并穿过可变形材料的厚度而从可变形材料接收第二超声反射；以及确定传输通过可变形材料的第二超声波与来自可变形材料的第二超声反射之间的第二飞行时间。该方法还可包括基于对应于所述多个换能器的相应第二飞行时间测量结果来确定对象在表面上施加的力的量。
本公开的一些示例涉及触摸和力敏设备。该设备可包括：表面、设置在该表面与刚性材料之间使得在表面上的力导致可变形材料变形的可变形材料、耦接至表面和可变形材料并且被配置为将超声波传输到表面和可变形材料以及从其接收超声波的一个或多个换能器，以及处理器。处理器能够基于在表面中传播的超声波来确定对象在表面上的接触位置，并且基于在可变形材料中传播的超声波来确定接触对表面所施加的力。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，该表面可包括设备的玻璃或蓝宝石外表面，刚性材料可包括装置的金属外壳的一部分，并且可变形材料可在金属外壳和表面之间形成垫圈。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，所述一个或多个换能器可包括耦接至可变形材料的至少第一换能器。第一换能器可被配置为将超声波传输通过可变形材料的厚度。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，第一换能器也可被配置为从可变形材料与刚性材料之间的边界接收一个或多个超声反射。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，所述一个或多个换能器可包括耦接在可变形材料和刚性材料之间的至少第二换能器。第二换能器可被配置为接收传输通过可变形材料的厚度的超声波。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，所述一个或多个换能器可包括至少一个换能器，所述至少一个换能器被配置为同时传输表面中的超声波和通过可变形材料的超声波。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，所述一个或多个换能器可包括四个换能器。所述四个换能器中的每一个可邻近表面的相应边缘设置。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，该设备还可包括耦接至可变形材料的超声吸收性材料。超声吸收性材料可被配置为抑制在可变形材料中的超声振荡。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，确定对象在表面上的接触位置可包括：确定在表面的第一边缘与对象邻近第一边缘的第一前缘之间传播的超声波的第一飞行时间，确定在表面的第二边缘与对象邻近第二边缘的第二前缘之间传播的超声波的第二飞行时间，确定在表面的第三边缘与对象邻近第三边缘的第三前缘之间传播的超声波的第三飞行时间，以及确定在表面的第四边缘与对象邻近第四边缘的第四前缘之间传播的超声波的第四飞行时间。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，确定接触对表面所施加的力可包括确定从可变形材料的第一侧传播并且从可变形材料的与第一侧相反的第二侧反射回来的超声波的飞行时间。
本公开的一些示例涉及一种方法。该方法可包括在表面中传输超声波，从表面接收超声反射，将超声波传输通过可变形材料，从可变形材料接收超声反射，根据从表面接收到的超声反射确定对象与表面接触的位置，以及根据从可变形材料接收到的超声反射确定与表面接触的对象所施加的力。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，在表面中传输的超声波中的至少一个和在可变形材料中传输的超声波中的至少一个同时传输。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，在表面中传输的超声波中的至少一个和在可变形材料中传输的超声波中的至少一个由共同的换能器传输。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，该方法还可包括基于在将超声波传输通过可变形材料和从可变形材料接收超声反射之间的时间差来确定通过可变形材料的飞行时间。可基于通过可变形材料的飞行时间来确定对象所施加的力。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，来自可变形材料的超声反射可源自传输通过可变形材料而到达可变形材料与刚性材料之间的边界的超声波。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，可在来自表面的超声反射之前接收来自可变形材料的超声反射。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，该方法还可包括基于在表面中传输超声波和从对应于与表面接触的对象的表面接收超声反射之间的时间差来确定表面中的飞行时间。确定对象的位置包括，可基于表面中的飞行时间确定从表面边缘到邻近该表面边缘的对象前缘的距离。
本公开的一些示例涉及非暂态计算机可读存储介质。非暂态计算机可读存储介质可存储指令，所述指令在由包括表面、耦接至该表面的边缘的多个声学换能器、声学触摸和力感测电路以及一个或多个处理器的设备执行时，使得声学触摸和力感测电路以及所述一个或多个处理器：对于所述多个声学换能器中的每一个：同时朝向表面的相对边缘传输表面中的超声波以及将超声波传输通过可变形材料；响应于超声波传输通过可变形材料并穿过可变形材料的厚度而从可变形材料接收超声反射；接收来自表面的超声反射；确定传输通过可变形材料的超声波与来自可变形材料的超声反射之间的第一飞行时间；以及确定在表面中传输的超声波与来自表面的超声反射之间的第二飞行时间；所述指令还可使得声学触摸和力感测电路以及所述一个或多个处理器基于对应于所述多个换能器的相应第二飞行时间测量结果确定对象在表面上的位置，并且基于对应于所述多个换能器的相应第一飞行时间测量结果确定对象在表面上所施加力的量。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，在表面中传输的超声波和传输通过可变形材料的超声波可包括剪切波。除了上述公开的示例中的一个或多个之外或作为另外一种选择，在一些示例中，可在来自表面的超声反射之前接收来自可变形材料的超声反射。
虽然参照附图对本公开的示例进行了全面的描述，但应注意，各种变化和修改对于本领域内的技术人员而言将变得显而易见。应当理解，此类变化和修改被认为被包括在由所附权利要求所限定的本公开的示例的范围内。

Claims (17)

1.一种触摸和力敏设备，包括：
表面；
可变形材料，所述可变形材料设置在所述表面与刚性材料之间，使得在所述表面上的力导致所述可变形材料的变形；
一个或多个换能器，所述一个或多个换能器耦接至所述表面和所述可变形材料并且被配置为将超声波传输到所述表面和所述可变形材料以及从其接收超声波；和
处理器，所述处理器能够：
基于在所述表面中传播的超声波来确定对象在所述表面上的接触位置；以及
基于在所述可变形材料中传播的超声波来确定所述接触对所述表面所施加的力。
2.根据权利要求1所述的触摸和力敏设备，其中所述表面包括所述设备的玻璃或蓝宝石外表面，所述刚性材料包括所述设备的金属外壳的一部分，并且所述可变形材料在所述金属外壳与所述表面之间形成垫圈。
3.根据权利要求1所述的触摸和力敏设备，其中所述一个或多个换能器包括至少第一换能器，所述至少第一换能器耦接至所述可变形材料并且被配置为将超声波传输通过所述可变形材料的厚度。
4.根据权利要求3所述的触摸和力敏设备，其中所述第一换能器还被配置为从所述可变形材料与所述刚性材料之间的边界接收一个或多个超声反射。
5.根据权利要求3所述的触摸和力敏设备，其中所述一个或多个换能器包括至少第二换能器，所述至少第二换能器耦接在所述可变形材料与所述刚性材料之间并且被配置为接收传输通过所述可变形材料的厚度的所述超声波。
6.根据权利要求1所述的触摸和力敏设备，其中所述一个或多个换能器包括至少一个换能器，所述至少一个换能器被配置为同时传输所述表面中的超声波和通过所述可变形材料的超声波。
7.根据权利要求1所述的触摸和力敏设备，其中所述一个或多个换能器包括四个换能器，其中所述四个换能器中的每个换能器邻近所述表面的相应边缘设置。
8.根据权利要求1所述的触摸和力敏设备，还包括耦接到所述可变形材料的超声吸收性材料，所述超声吸收性材料被配置为抑制所述可变形材料中的超声振荡。
9.根据权利要求1所述的触摸和力敏设备，其中确定所述对象在所述表面上的所述接触位置包括：
确定在所述表面的第一边缘与所述对象邻近所述第一边缘的第一前缘之间传播的超声波的第一飞行时间；
确定在所述表面的第二边缘与所述对象邻近所述第二边缘的第二前缘之间传播的超声波的第二飞行时间；
确定在所述表面的第三边缘与所述对象邻近所述第三边缘的第三前缘之间传播的超声波的第三飞行时间；以及
确定在所述表面的第四边缘与所述对象邻近所述第四边缘的第四前缘之间传播的超声波的第四飞行时间。
10.根据权利要求1所述的触摸和力敏设备，其中确定所述接触对所述表面所施加的力包括：
确定从所述可变形材料的第一侧传播并且从所述可变形材料的与所述第一侧相反的第二侧反射回来的超声波的飞行时间。
11.一种电子设备，包括：
覆盖表面；
可变形材料，所述可变形材料设置在所述覆盖表面与所述电子设备的外壳之间；
声学换能器，所述声学换能器耦接到所述覆盖表面和所述可变形材料，并被配置为在所述覆盖表面中产生第一声波并且在所述可变形材料中产生第二声波。
12.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述可变形材料和所述覆盖表面被进一步配置为使得所述第一声波能够沿第一方向传播，并且所述第二声波能够沿不同于所述第一方向的第二方向传播。
13.根据权利要求12所述的电子设备，其中所述第一声波沿第三方向入射到所述覆盖表面的边框部分上，并且由所述覆盖表面的所述边框部分沿不同于所述第三方向的所述第一方向反射。
14.根据权利要求13所述的电子设备，其中所述第一方向和所述第三方向彼此相反。
15.根据权利要求13所述的电子设备，其中所述第一方向和所述第三方向正交。
16.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述可变形材料被包括在定位在所述外壳和所述覆盖表面的第一侧之间的垫圈中。
17.一种可穿戴音频设备，包括：
表面；
耦接至所述表面的多个超声换能器，所述多个超声换能器被配置为生成或接收多个超声波；和
处理器，所述处理器耦接至所述多个超声换能器，并且被配置为基于所述多个超声波的一个或多个接收的超声波确定对象接触所述表面的位置。
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