透明觸摸屏顯示器中的觸覺反饋和電容性感測(cè)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開涉及其中使用了觸覺技術(shù)來增強(qiáng)透明觸摸屏的有用性以便豐富用戶體驗(yàn) 的觸摸屏設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著依賴觸摸屏接口的智能電話、平板計(jì)算機(jī)、汽車儀表盤等（其中用戶必須看 著屏幕來發(fā)起動(dòng)作或?qū)μ崾咀龀鲰憫?yīng)）的激增，用戶對(duì)其周圍環(huán)境的注意力顯著分散?？?能存在對(duì)用戶和/或旁觀者造成傷害的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)橛脩粽⒁庥谒闹悄茉O(shè)備的觸摸屏接 口，而不顧其它事物。
[0003] 此外，一部分視覺受損的人無法從智能設(shè)備觸摸屏技術(shù)的優(yōu)勢(shì)獲益。
[0004] 需要增強(qiáng)觸摸屏技術(shù)以解決各種用戶群體的挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過向那些可能視覺上受損的用戶或者需要使用具有觸摸屏技術(shù)的設(shè) 備但處在低照度環(huán)境下的有視力用戶提供使用的機(jī)會(huì)，公開的實(shí)施例對(duì)增強(qiáng)建立在各種設(shè) 備上的觸摸屏技術(shù)是有用的。用戶可以經(jīng)由觸摸感覺（即，觸覺反饋）來接收與他的觸摸 屏設(shè)備的狀態(tài)有關(guān)的信息。
[0006] 在示例實(shí)施例中，存在具有觸覺反饋的用戶接口。用戶接口包括：襯底、襯底上方 的透明底部電極；透明底部電極上方的透明起皺層；透明起皺層上方的透明頂部電極。當(dāng) 在頂部電極與底部電極之間施加電壓時(shí)，透明起皺層由平滑表面變?yōu)榇植诒砻妫辉撾妷荷?成相互吸引頂部與底部電極的靜電力，以在透明起皺層上施加壓縮力。該壓縮力足以生成 觸摸可感知的表面起皺程度。透明表面保護(hù)透明頂部電極的表面。
[0007] 在一些示例實(shí)施例中，實(shí)現(xiàn)了可編程粗糙特征結(jié)構(gòu)，使得當(dāng)用戶手指的位置在特 定區(qū)域中時(shí)生成能夠可感知的折皺。在其它實(shí)施例中，實(shí)現(xiàn)了可編程摩擦特征結(jié)構(gòu)，使得生 成具有幅度的可感知折皺，該幅度取決于表面上用戶手指的位置和速度兩者。在兩種類型 的實(shí)施例中，折皺可以具有靜態(tài)幅度或時(shí)變幅度。因此可以電容性地感測(cè)到手指的速度和 位置。
[0008] 在另一示例實(shí)施例中，便攜式計(jì)算設(shè)備具有玻璃顯示器；玻璃顯示器包括觸覺反 饋系統(tǒng)。觸覺反饋系統(tǒng)包括玻璃顯示器的透明部分，該玻璃顯示器具有可切換為平滑或粗 糙的可變表面，其中可變表面包括：襯底、襯底上方的透明底部電極、透明底部電極上方的 透明起皺層、以及透明起皺層上方的透明頂部電極。當(dāng)在頂部電極與底部電極之間施加臨 界電壓時(shí)，透明起皺層由平滑表面變?yōu)榇植诒砻妫辉撆R界電壓生成相互吸引頂部與底部電 極的靜電力，以在透明起皺層上施加壓縮力，該壓縮力足以生成觸摸可感知的表面起皺程 度。存在電容性感測(cè)電路，當(dāng)用戶手指接近距表面最小距離時(shí)，該電容性感測(cè)電路感測(cè)透明 部分的電容變化，并且電容性感測(cè)電路引起臨界電壓的施加，該臨界電壓將可變表面從平 滑切換為粗糙；該粗糙可變表面向用戶提供觸覺反饋，使得用戶可以將數(shù)據(jù)鍵入便攜式計(jì) 算設(shè)備或響應(yīng)于來自便攜式計(jì)算設(shè)備的信息。
[0009] 上述本公開的概要并不旨在于表現(xiàn)本發(fā)明的每個(gè)公開的實(shí)施例或每一個(gè)方面。在 附圖以及下文中的【具體實(shí)施方式】部分提供了其它方面和示例實(shí)施例。
【附圖說明】
[0010] 參照附圖，考慮到下文公開的各種實(shí)施例的詳細(xì)描述，可以更加完整地理解本發(fā) 明。
[0011] 圖1示出了每泊松比的橫向收縮/擴(kuò)張的原則；
[0012] 圖2以橫截面示出了根據(jù)公開實(shí)施例的透明觸覺表面布置；
[0013] 圖3示出了根據(jù)公開實(shí)施例的觸覺表面系統(tǒng)；
[0014] 圖4示出了應(yīng)用到觸覺表面的手指檢測(cè)電路的示例實(shí)施例；
[0015] 圖5A至圖5B示出了便攜式計(jì)算設(shè)備"觸摸鍵盤"中的觸覺表面的示例應(yīng)用；以及
[0016] 圖6示出了使用公開實(shí)施例的觸覺表面的流程圖。
[0017] 雖然本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)各種修改和備選形式，其細(xì)節(jié)已經(jīng)在附圖中以示例的方式示 出，并且將會(huì)詳細(xì)描述。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，其目的并不是將本發(fā)明限制為描述的具體實(shí) 施例。相反，本發(fā)明覆蓋落入到如附加權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有修改、 等同物和替代。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在增強(qiáng)關(guān)于觸摸屏技術(shù)的用戶體驗(yàn)中，公開的實(shí)施例是有用的。觸覺技 術(shù)或觸覺論是利用通過對(duì)用戶施加力、振動(dòng)或運(yùn)動(dòng)的觸摸感測(cè)的觸覺反饋技術(shù)。在文獻(xiàn)中， 觸覺技術(shù)被描述為"能夠?yàn)橛|摸感測(cè)做計(jì)算機(jī)圖像為視覺所做的"。觸覺設(shè)備可以包括測(cè)量 用戶施加到接口上的力的觸覺傳感器。詞語觸覺來自于希臘語(haptikos)，意思 是關(guān)于觸摸的感測(cè)，并且來自于希臘語動(dòng)詞&?Π'ε〇νθ(ΧΙ(haptesthai)，意思是接觸或觸摸。
[0019] 來自觸摸屏用戶接口的觸覺反饋可以通過選擇性地在目標(biāo)區(qū)域中生成表面折皺 來生成。通過啟用觸摸屏上方的透明層的電壓控制的垂直壓力，起皺材料的橫向擴(kuò)張會(huì)導(dǎo) 致折皺。指尖可以感測(cè)特定范圍的波動(dòng)波長以及調(diào)制深度。生成觸覺反饋的相同電極還可 以用于用戶手指的電容性感測(cè)。
[0020] 在DaanvandenEnde等人題為 "Voltage-ControlledSurfaceWrinklingof ElastomericCoatings^AdvancedMaterials. 2013, 25. 3438-3442 的論文中，觀察到由金 制成的反射頂部電極在未經(jīng)激勵(lì)的狀態(tài)下視覺上是平坦的，而當(dāng)施加電壓時(shí)變得不光滑。 電壓必須超過臨界電壓以便觀察該效果。
[0021] 波動(dòng)的原則：兩個(gè)電極之間的電場(chǎng)導(dǎo)致平行的板借助于靜電力吸引。這加強(qiáng)了彈 性體上z向壓縮。為了保持體積，z壓縮的彈性體將希望橫向擴(kuò)張。然而，橫向運(yùn)動(dòng)是受限 制的。這導(dǎo)致彈性體層中的縱彎曲（buckling)。該縱彎曲不穩(wěn)定性的起源是與靜電力相關(guān) 的非線性位置。因此，在起皺電極的谷底中獲得的靜電能大于頂端的能量消耗。該能量差 可用于使結(jié)構(gòu)起皺。會(huì)產(chǎn)生峰和谷的偽隨機(jī)二維圖案。圖案的波長λ并不是隨機(jī)的，但是 通過調(diào)整層厚度來控制。
[0022] 根據(jù)橫向收縮/擴(kuò)張?jiān)瓌t，由于爭(zhēng)取體積守恒，通過被稱為泊松比v的因子使橫向 法向應(yīng)變（uxx)與垂直法向應(yīng)變（uzz)相關(guān)。參照?qǐng)D1。由于材料110經(jīng)歷一個(gè)方向上的收 縮，其擴(kuò)展為另一個(gè)ll〇a。其關(guān)系為：
[0023] Uxx= ~vUzz〇
[0024] 當(dāng)在一個(gè)方向上壓縮材料時(shí)，該材料通常趨向于在垂直于壓縮方向的另外兩個(gè)方 向上擴(kuò)張。這種現(xiàn)象被稱為泊松效應(yīng)。泊松比v(nu)是該效應(yīng)的度量。泊松比是針對(duì)這些 變化的較小值，擴(kuò)張的分?jǐn)?shù)（或百分比）除以壓縮的分?jǐn)?shù)（或百分比）。
[0025] 相反地，如果材料拉伸而不是壓縮的話，該材料通常趨向于在與拉伸方向橫切的 方向上收縮。當(dāng)拉伸橡皮圈時(shí)，當(dāng)橡皮圈變得明顯更細(xì)時(shí)，這是常見的觀察。同樣，泊松比 會(huì)是相對(duì)收縮與相對(duì)擴(kuò)張的比例，并且將具有如上所述的相同值。在特定的罕見情況下，當(dāng) 材料被壓縮時(shí)實(shí)際上在橫向方向上收縮（或當(dāng)拉伸時(shí)材料在橫向方向上延伸），這將產(chǎn)生 負(fù)的泊松比。
[0026] 為了在低電壓下具有大的起皺效果，最好采用具有小的楊氏模數(shù)、高泊松比和高 介電常數(shù)的材料。例如在上文引用的DaanvandenEnde等人的論文中描述的特定彈性體 具有這些有益特性。
[0027] 參照?qǐng)D2。在示例實(shí)施例中，為了在觸摸屏接口上操作，該原則應(yīng)用到透明材料。 需要具有透明頂部電極210和透明底部電極230的疊層200。透明彈性體起皺材料220夾 在電極之間。透明頂部電極210、透明彈性體起皺材料220和透明底部電極230沉積在透明 襯底240或下層觸摸屏的表面上?？赡艿兀@里可以使用已經(jīng)出現(xiàn)在觸摸屏中的材料。頂 部電極的表面上的涂層250可以用于防止用戶接觸頂部電極210并且提供保護(hù)。電極由透 明導(dǎo)電膜組成。
[0028] 透明導(dǎo)電膜（TCF)是光學(xué)透明的并且在薄層中是導(dǎo)電的。一些適合的膜可以是透 明導(dǎo)電氧化物（TC0)例如氧化銦錫（ΙΤ0)、摻雜氟的氧化錫（FT0)或氧化鋅。其它膜可以包 括有機(jī)導(dǎo)電聚合物；這些可以制造為柔性膜。一些透明導(dǎo)電聚合物可以包括但不限于：聚 乙烯（3,4_乙撐二氧噻吩單體）（PED0T)，聚乙烯（3,4_乙撐二氧噻吩單體）（PED0T):聚乙 ?。ū揭蚁』撬猁}）聚苯乙稀、或聚乙稀（4,4_dioctylcyclopentadithiophene)。這些有 機(jī)膜可以調(diào)節(jié)為在可見光譜中是透明的。這些膜的導(dǎo)電率在大約l〇〇〇S/cm到大約1000S/ cm的范圍內(nèi)。可以在文獻(xiàn)中找到制造這些膜的技術(shù)。在一些示例實(shí)施例中，厚度小于50nm 的金電極應(yīng)當(dāng)是透明的并且是足夠可彎曲的。
[0029] 在LisaSkedung等人題為"FeelingSmall〖ExploringtheTactilePerception Limits" (Nature-ScientificReports, (3 :2617,D0I: 10,1038/sr印02617, 2013))的論文 中，已經(jīng)確定的是，大約40μπι的折皺波長（λ)是最佳可感測(cè)的。根據(jù)該研究，需要的調(diào)制 深度較低。可以容易地感測(cè)到l〇nm峰谷深度。
[0030] 在根據(jù)圖3示出的公開的示例實(shí)施例中，用戶接口 300具有觸覺反饋布置。存在 夾在透明頂部電極310與透明底部電極330之間的透明起皺層320。這三個(gè)層沉積在下層 襯底340上或者例如沉積在觸摸屏上。在施加大于臨界電壓的起皺電壓342時(shí)（VWR>VCR)， 透明起皺層320形成有波長（λ)和振幅（a) 350表征的波動(dòng)355。針對(duì)具體地用戶偏好，起 皺層320可以被配置為具有波長和振幅的范圍?？梢酝ㄟ^由電容性感測(cè)電路375控制的電 路來施加臨界電壓。手指可以通過電容器Cref360或電阻器（如圖4中示出的電阻器415) 來電容性地和/或電阻性地連接到感測(cè)和/或致動(dòng)電路。引起起皺的激勵(lì)電壓可以使用電 壓源340直接施加在彈性體上，或者使用圖4示出的電壓源430通過手指上的電容性電壓 分配來直接施加在彈性體上。在圖4的配置中，當(dāng)手指接近彈性體層時(shí)，會(huì)僅出現(xiàn)起皺。對(duì) 于屏幕上零電壓，起皺消失。電容性感測(cè)電路375可以耦合到生成起皺電壓（VWR)的電路。 當(dāng)用戶手指370接近觸覺屏幕表面時(shí)，手指的電容CFIN引起整體電容的變化，其等于CREF與 CFIN組合；電容性感測(cè)電路375向電壓起皺電路發(fā)送信號(hào)，引起電場(chǎng)（生成足夠的力），該電 場(chǎng)使起皺層320形成表面折皺。用戶感覺到透明頂部電極310的紋理變化。
[0031] 接近和觸摸傳感器的不例可以在EmmanuelT.Nana.NXPSemiconductors 題為"ImprovingProximityandTouchInterfaces：Capacitive