壓電膜結(jié)構(gòu)和傳感器以及使用其的顯示組件的制作方法
相關(guān)申請的交叉引用
本申請根據(jù)35u.s.c.§119要求于2015年6月29日提交的美國臨時申請序列號62/185892以及于2014年10月14日提交的美國臨時申請序列號62/063441的優(yōu)先權(quán)，所述美國臨時申請的內(nèi)容被用作依據(jù)并且通過引用以其全文結(jié)合在此。
本公開涉及膜結(jié)構(gòu)，并且具體地涉及壓電膜結(jié)構(gòu)和傳感器以及使用其的顯示組件。
背景技術(shù)：
智能電話以及類似的基于顯示器的設(shè)備通常具有集成有顯示器的觸摸傳感器或者設(shè)備的顯示器蓋。觸摸傳感器通過感測用戶觸摸的位置(以及在一些情況下，移動)來提供觸摸感測功能，并且使用這種信息來執(zhí)行一項或多項設(shè)備功能。
還期望的是，基于顯示器的設(shè)備具有超出僅觸摸位置感測的附加功能。其他功能包括壓力感測、聲學(xué)感測、加速度感測和振動能量收集。還期望的是，基于顯示器的設(shè)備具有多項觸摸感測功能。
除了觸摸感測特征之外，基于顯示器的設(shè)備的蓋子需要是耐用的(即，耐刮且耐摔)，同時還具有強光學(xué)性能特性(例如，高透光性、低反射率、低失真、良好色彩等)。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本公開的方面是一種壓電膜結(jié)構(gòu)，所述壓電膜結(jié)構(gòu)對可見光基本上透明，并且包括：透明基板；透明底部光學(xué)層，所述透明底部光學(xué)層布置在所述透明基板上或上方并且包括一個或多個底部介電層；透明底部導(dǎo)電層，所述透明底部導(dǎo)電層布置在所述透明底部光學(xué)層上或上方；至少一個透明壓電層，所述至少一個透明壓電層布置在所述透明底部導(dǎo)電層上或上方；透明頂部導(dǎo)電層，所述透明頂部導(dǎo)電層布置在所述至少一個透明壓電層上或上方；以及透明頂部光學(xué)層，所述透明頂部光學(xué)層布置在所述透明頂部導(dǎo)電層上或上方并且包括一個或多個頂部介電層。
本公開的另一個方面是以上所描述的壓電膜結(jié)構(gòu)，其中：所述透明頂部和底部導(dǎo)電層各自包括ito、azo或薄金屬之一；并且所述透明壓電層包括從包括以下各項的一組壓電材料中選擇的至少一種壓電材料：cds、cdse、zns、znte、zno、aln、摻氧aln、鈦酸鋇(batio3)、無鉛鈮酸鹽、鋯鈦酸鉛(pzt)、鋯鈦酸鉛鑭(plzt)以及無鉛鈦酸鹽。
本公開的另一個方面是以上所描述的壓電膜結(jié)構(gòu)，其中，所述透明壓電層由具有高達(dá)20原子％氧的摻氧aln組成。
本公開的另一個方面是以上所描述的壓電膜結(jié)構(gòu)，其中，所述至少一個透明壓電層具有在從50nm≤th50≤5000nm的范圍內(nèi)的厚度th50。
本公開的另一個方面是以上所描述的壓電膜結(jié)構(gòu)，其中，所述透明頂部光學(xué)層包括從包括以下各項的一組材料中選擇的至少一種材料：sinx、sioxny、alnx、aloxny、sialxoynz、sio2、siox、al2o3以及alox。
本公開的另一個方面是以上所描述的并且具有以下性質(zhì)中的至少一種的壓電膜結(jié)構(gòu)：
i)通過別爾科維奇納米壓痕儀(berkovichnanoindentation)所測量的大于8gpa的硬度；以及
ii)小于2％的適光(photopic)平均反射率、以及在0到60度光入射范圍內(nèi)在或者a*坐標(biāo)或者b*坐標(biāo)中小于5的角度色移。
本公開的另一個方面是一種壓電傳感器系統(tǒng)，所述壓電傳感器系統(tǒng)包括：以上所描述的壓電膜結(jié)構(gòu)，其中，所述壓電膜結(jié)構(gòu)響應(yīng)于在所述透明頂部光學(xué)層上的至少一個觸摸事件而生成輸出信號；以及信號處理系統(tǒng)，所述信號處理系統(tǒng)電連接至所述底部和頂部透明導(dǎo)電層并且接收并處理所述輸出信號以便確定與所述至少一個觸摸事件相關(guān)聯(lián)的至少一個觸摸感測特征。
本公開的另一個方面是一種壓電傳感器系統(tǒng)，其中，對于每個觸摸事件，所述至少一個觸摸感測特征包括：所述觸摸事件的觸摸位置、壓力的量、力的量、持續(xù)時間、大小、形狀、加速度、聲學(xué)感測以及振動能量收集。
本公開的另一個方面是如以上所描述的壓電傳感器系統(tǒng)，其中，所述透明底部導(dǎo)電層、所述至少一個透明壓電層以及所述透明頂部導(dǎo)電層中的至少一者被圖案化以便提供針對所述至少一個觸摸事件的觸摸位置感測。
本公開的另一個方面是一種顯示組件，所述顯示組件包括：設(shè)備，所述設(shè)備具有用戶界面；以及以上所描述的壓電傳感器系統(tǒng)，所述壓電傳感器系統(tǒng)相對于所述設(shè)備而可操作地布置，從而使得可以通過所述壓電傳感器系統(tǒng)的所述壓電膜結(jié)構(gòu)觀看用戶界面。
本公開的另一個方面是如以上所描述的顯示組件，其中，所述設(shè)備是發(fā)射光的顯示系統(tǒng)，其中，所述光限定了所述用戶界面并且行進(jìn)穿過所述壓電膜結(jié)構(gòu)。
本公開的另一個方面是一種壓電膜傳感器，所述壓電膜傳感器具有響應(yīng)于在觸摸位置處的觸摸事件的觸摸感測能力。所述壓電膜傳感器包括：第一和第二透明導(dǎo)電層，所述第一和第二透明導(dǎo)電層限定了第一和第二電極；至少一個透明壓電層，所述至少一個透明壓電層插置在所述第一與第二電極之間；其中，所述第一電極、所述第二電極以及所述至少一個透明壓電層被配置成用于提供觸摸位置功能并且用于響應(yīng)于所述觸摸事件而生成輸出信號；第一和第二透明光學(xué)層，所述第一和第二透明光學(xué)層分別被布置成與所述第一和第二電極相鄰與所述壓電層相對，其中，所述第一透明光學(xué)層限定了最上表面；基板，所述基板布置成與所述第二光學(xué)層相鄰；以及信號處理系統(tǒng)，所述信號處理系統(tǒng)電連接至所述底部和頂部透明導(dǎo)電層并且被配置成用于處理所述輸出信號以便確定與所述至少一個觸摸事件相關(guān)聯(lián)的至少一個觸摸感測特征。
本公開的另一個方面是如以上所描述的壓電傳膜傳感器，其中，所述至少一個觸摸感測特征包括以下各項中的一項或多項：所述觸摸事件的觸摸位置、壓力的量、力的量、持續(xù)時間、大小、形狀、加速度、聲學(xué)感測以及振動能量收集。
本公開的另一個方面是如以上所描述的壓電膜傳感器，其中，所述透明壓電層由具有高達(dá)20原子％氧的摻氧aln組成。
本公開的另一個方面是如以上所描述的壓電膜傳感器，其中，所述輸出信號包括壓電和熱電分量，并且其中，所述信號處理系統(tǒng)包括一個或多個濾波器，所述一個或多個濾波器被安排成用于對所述輸出信號進(jìn)行濾波以便將所述壓電分量與所述熱電分量分離。
本公開的另一個方面是如以上所描述的壓電膜傳感器，其中，所述至少一個壓電層包括或者多個垂直堆疊的壓電層或者多個水平堆疊的壓電層。
本公開的另一個方面是如以上所描述的壓電膜傳感器，其中，所述至少一個壓電層由單個連續(xù)壓電層構(gòu)成，其中，所述第一電極比所述第二電極更靠近所述最上表面，并且其中，所述第一電極包括間隔開且電隔離的區(qū)域，所述區(qū)域可獨立地經(jīng)由與所述信號處理系統(tǒng)的電連接而電尋址。
本公開的另一個方面是一種顯示組件，所述顯示組件包括：設(shè)備，所述設(shè)備具有用戶界面；以及如以上所描述的壓電傳感器系統(tǒng)，所述壓電傳感器系統(tǒng)相對于所述設(shè)備而可操作地布置，從而使得可以通過所述壓電傳感器系統(tǒng)的所述壓電膜結(jié)構(gòu)觀看用戶界面。
本公開的另一個方面是如以上所描述的顯示組件，其中，所述設(shè)備是發(fā)射光穿過所述表面的顯示系統(tǒng)，其中，所述光限定了所述用戶界面并且行進(jìn)穿過所述壓電膜結(jié)構(gòu)。
本公開的另一個方面是一種為具有用戶界面的設(shè)備提供壓電觸摸感測的方法。所述方法包括：將具有觸摸感測能力的壓電膜傳感器與所述設(shè)備接口連接(interface)，從而使得可以通過壓電膜傳感器的透明壓電觸摸感測(pets)壓電膜結(jié)構(gòu)觀看所述用戶界面；通過在與所述用戶界面的位置相對應(yīng)的觸摸位置處觸摸所述壓電膜傳感器的表面來引起觸摸事件，由此使所述pets壓電膜結(jié)構(gòu)生成輸出信號；以及處理所述輸出信號以便確定與所述觸摸事件相關(guān)聯(lián)的至少一個觸摸感測特征。
本公開的另一個方面是如以上所描述的方法，其中，所述至少一個觸摸感測特征包括以下各項中的一項或多項：所述觸摸位置、在所述觸摸位置處施加的壓力的量、在所述觸摸位置處施加的力的量、所述觸摸事件的持續(xù)時間、所述觸摸位置的大小、所述觸摸位置的形狀、加速度、聲學(xué)感測以及振動能量收集。
本公開的另一個方面是一種顯示組件，所述顯示組件包括：圖像形成顯示器，所述圖像形成顯示器生成可見光以便形成顯示圖像；透明壓電膜結(jié)構(gòu)，所述透明壓電膜結(jié)構(gòu)相對于所述圖像形成顯示器而可操作地安排，從而使得可通過所述透明壓電膜結(jié)構(gòu)觀看顯示圖像；并且其中，所述壓電膜結(jié)構(gòu)具有大于20％的對所述可見光的透光率、通過別爾科維奇納米壓痕儀(berkovichnanoindentation)所測量的大于8gpa的硬度、以及在0到60度光入射范圍內(nèi)在或者a*坐標(biāo)或者b*坐標(biāo)中小于5的角度色移。
附加特征以及優(yōu)點將在以下具體實施方式中予以闡述，并且部分從所述具體實施方式中對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將變得非常明顯或者通過實踐如所寫描述中描述的實施例及本文中的權(quán)利要求書以及所附附圖很容易被識別。應(yīng)當(dāng)理解的是，前述概括描述和以下具體實施方式僅是示例性的，并且旨在為理解權(quán)利要求書的本質(zhì)和特征提供概要或框架。
附圖說明
附圖被包括以提供進(jìn)一步的理解并且被結(jié)合在本說明書中并構(gòu)成本說明書的一部分。附圖展示了一個或多個實施例，并與具體實施方式一起用于解釋各個實施例的原理和操作。如此，從以下結(jié)合附圖進(jìn)行的具體實施方式中將更充分地理解本公開，在附圖中：
圖1是根據(jù)本公開的示例壓電膜結(jié)構(gòu)的立體視圖；
圖2是圖1的壓電膜結(jié)構(gòu)的橫截面視圖；
圖3是采用圖1和圖2的示例壓電膜結(jié)構(gòu)的示例壓電傳感器系統(tǒng)的示意圖；
圖4與圖3類似，并且展示了包括壓電層和底部光學(xué)層之間的晶體層的示例壓電傳感器系統(tǒng)；
圖5至圖11是示例壓電觸摸感測(pets)膜結(jié)構(gòu)的前立體分解視圖；
圖12是底部和頂部導(dǎo)電層相對于壓電層的示例構(gòu)型的立體分解視圖，其中，頂部導(dǎo)體層和底部導(dǎo)體層被形成為分別限定列和行的條；
圖13a是在壓電層頂上形成的示例頂部導(dǎo)體層的俯視圖，其中，頂部導(dǎo)體層由多個電隔離的導(dǎo)電區(qū)域限定，所述導(dǎo)電區(qū)域可單獨地經(jīng)由布線穿過區(qū)域之間的間隙的接線而尋址；
圖13b是由連續(xù)底部和頂部導(dǎo)體層夾置的壓電層的示意性橫截面視圖并且示出了對由所述結(jié)構(gòu)形成的等效電路的激活；
圖13c與圖13b類似，但是頂部導(dǎo)體層像圖13a中所示出的那樣形成，并且展示了對所述結(jié)構(gòu)的等效電路的局部激活；
圖14是包括以堆疊構(gòu)型安排的多個壓電層、底部和頂部導(dǎo)電層以及中部或中間導(dǎo)電層的示例壓電結(jié)構(gòu)的橫截面視圖，其中，中間導(dǎo)電層插置在相鄰壓電層之間；
圖15是圖14的通過由介電材料組成的密封層電隔離的壓電結(jié)構(gòu)的陣列的立體圖；
圖16是具有多個壓電層的堆疊構(gòu)型的示例壓電結(jié)構(gòu)的立體圖，所述多個壓電層具有位于給定層的平面中的交替極化方向；
圖17是另一個示例壓電結(jié)構(gòu)的立體圖，其中，壓電層被水平地堆疊，即，具有并排式構(gòu)型；
圖18與圖17類似，并且展示了水平堆疊的壓電結(jié)構(gòu)的示例構(gòu)型，其中，壓電層具有相同的極化方向；
圖19a是包括本文中所公開的相對于顯示系統(tǒng)而可操作地安排的壓電傳感器系統(tǒng)的示例顯示組件的立體分解視圖，并且圖19b是所述示例顯示組件的立體圖；
圖19c是圖19b的示例顯示組件的橫截面視圖，示出了在觸摸位置處的觸摸事件以及對輸出信號的生成，所述輸出信號由信號處理系統(tǒng)進(jìn)行處理以便提供至少一項觸摸感測功能。
具體實施方式
現(xiàn)在詳細(xì)參考本公開的各個實施例，在附圖中展示了所述實施例的示例。只要可能，貫穿附圖使用相同或相似的參考數(shù)字和符號來指代相同或相似的部分。附圖不一定是按比例的，而且本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到附圖已經(jīng)簡化了的地方以展示本公開的重要方面。
如以下所闡述的權(quán)利要求書結(jié)合到具體實施方式中并構(gòu)成具體實施方式的一部分。
出于參照的目的，在一些附圖中示出了笛卡爾坐標(biāo)并且并不旨在關(guān)于方向和取向進(jìn)行限制。以下為了參考并且為了便于展示和討論而使用了術(shù)語“底部”和“頂部”并且并不旨在關(guān)于位置或取向進(jìn)行限制。
在以下討論中，與壓電膜結(jié)構(gòu)以及其中的各種層相關(guān)的術(shù)語“透明”是指可見波長范圍內(nèi)的光(即，可見光)并且不一定指完全透明，并且包括存在一些(以及甚至大量)光吸收、散射等的情況。在示例中，術(shù)語透明意指具有足以允許人員通過壓電膜結(jié)構(gòu)來觀看一個或多個對象(比如，用戶界面)的透光率。要注意的是，在設(shè)備的用戶界面由發(fā)光顯示器構(gòu)成的某些情況下，壓電結(jié)構(gòu)(通過所述壓電結(jié)構(gòu)觀看用戶界面)的透光率可以小于用戶界面是非發(fā)光的情況。在各種非限制性示例中，本文中所公開的壓電膜結(jié)構(gòu)具有作為適光平均數(shù)的至少20％、或至少50％、或至少80％、或至少90％、或至少95％或至少98％的透光率。
壓電膜結(jié)構(gòu)
圖1是根據(jù)本公開的示例壓電(pe)膜結(jié)構(gòu)10的立體圖，而圖2是圖1的pe膜結(jié)構(gòu)的橫截面視圖。pe膜結(jié)構(gòu)10在+z方向上按順序包括：透明基板20、第一或底部透明光學(xué)層(“底部光學(xué)層”)30b、第一或底部透明導(dǎo)體層(“底部導(dǎo)體層”)40b、透明壓電層(“壓電層”)50、第二或頂部透明導(dǎo)體層(“頂部導(dǎo)體層”)40t以及第二或頂部透明光學(xué)層(“頂部光學(xué)層”)30t。底部和頂部光學(xué)層30b和30t可以分別包括一個或多個介電層32b和32t。所述一個或多個底部和頂部介電層32b和32t可以是被配置成用于執(zhí)行抗反射功能的梯度折射率層或高折射率/低折射率層的組合(堆疊)。
在示例中，頂部光學(xué)層30t具有限定了觸摸表面的上表面34。在示例中，頂部光學(xué)層30t具有如在例如于2014年9月09日提交的題為“l(fā)ow-colorscratch-resistantarticleswithamultilayeropticalfilm(具有多層光學(xué)膜的低色彩耐刮物品)”的美國專利申請?zhí)?4/480,898中所描述的許多性能相關(guān)性質(zhì)，所述申請通過引用結(jié)合在此。示例性能相關(guān)性質(zhì)包括以下各項中的一項或多項：高硬度、高耐刮性、高耐磨性、高透光性、低光學(xué)反射率以及良好色彩(即，低色移)。在示例中，頂部光學(xué)層30t具有如使用別爾科維奇壓痕儀來測量的大于8gpa、大于10gpa、大于12gpa或大于14gpa的硬度。
在示例中，頂部光學(xué)層30t包括多個介電層32t，其中，所述介電層中的一些介電層是具有大于約1.6、或大于約1.7、或大于約1.8或大于約1.9的折射率的高折射率層。進(jìn)一步地，在各個示例中，高折射率介電層32t構(gòu)成頂部光學(xué)層30t的厚度的大于35％、大于40％、大于50％、大于60％或大于70％。在示例中，高折射率層32t可由sinx、sioxny、alnx、aloxny、sialxoynz或具有在約1.7至2.3的范圍內(nèi)的折射率的其他材料中的至少一者制成。其他介電層32t可由低折射率材料制成，比如，sio2、siox、sioxny、al2o3、alox、aloxny、sialoxny或具有在約1.3至1.7的范圍內(nèi)的折射率的其他材料。
在各個示例中，頂部光學(xué)層30t具有作為可見光范圍內(nèi)的適光平均數(shù)的大于80％、大于90％、大于95％或者大于98％的總透光率。
而且，在各個示例中，頂部光學(xué)層30t具有作為可見光范圍內(nèi)的適光平均數(shù)的小于20％、小于10％、小于5％、小于4％、小于3％、小于2％、小于1％、小于0.7％、小于0.5％或小于0.4％的反射率。在一些實施例中，膜結(jié)構(gòu)10(包括所有組合的光學(xué)層、電層和壓電層)的整個涂覆表面可以展現(xiàn)出這些低反射率值。
在示例中，對于在從5°到60°的范圍內(nèi)的觀看角度，頂部光學(xué)層30t隨著觀看角度而展現(xiàn)出低色移。在各個示例中，使用d65或f2照明，在a*和b*兩者中，色移小于10.0、或小于4.0、或小于3.0或小于2.0。在其他各個示例中，在使用d65或f2照明的情況下，通過[(a*)2+(b*)2]1/2限定的色移小于10、小于5、小于4或小于3。在一些實施例中，膜結(jié)構(gòu)(包括所有組合的光學(xué)層、電層和壓電層)的整個涂覆表面可以展現(xiàn)處這些低色移值。
在另一個示例中，頂部光學(xué)層30t在經(jīng)受泰伯磨耗測試時具有高耐磨性。在另一個示例中，頂部光學(xué)層30t具有如使用加內(nèi)特砂紙磨耗測試來測量的高耐磨性。
在示例中，頂部光學(xué)層30t具有小于約2nm、小于約1nm、小于約0.5nm或小于約0.3nm的rms表面粗糙度。
在各個示例中，基板20包括以下各項中的至少一項：玻璃、離子交換玻璃、玻璃陶瓷、陶瓷、尖晶石、莫來石、zro2、藍(lán)寶石或金剛石。
在各個示例中，底部和頂部導(dǎo)體層40b和40t可以包括ito、azo、薄金屬等，并且在示例中，具有在從2nm到500nm的范圍內(nèi)的對應(yīng)厚度thb和tht。
在示例中，透明基板20包括上表面22，并且在示例中是晶體的并且具有基本上高于玻璃的熱導(dǎo)率的熱導(dǎo)率κ，優(yōu)選地，κ>5w/mk。在一個示例中，基板20由藍(lán)寶石晶體制成。在另一個示例中，基板20由如化學(xué)強化玻璃等玻璃制成?；瘜W(xué)強化玻璃基板20的示例是通過離子交換形成的基板。用于基板20的其他示例材料包括金剛石、聚合物、柔性玻璃、藍(lán)寶石或能夠支撐以上所描述的層的其他透明材料。在示例中，基板上表面22具有低粗糙度。基板20具有厚度ths。
底部和頂部導(dǎo)體層40b和40t的薄層電阻可以小于約100歐姆/平方、50歐姆/平方、20歐姆/平方或10歐姆/平方。底部和頂部導(dǎo)體層40b和40t各自可以采取與薄金屬線、導(dǎo)線或跡線接觸的膜的形式。底部和頂部導(dǎo)體層40b和40t中的每個導(dǎo)體層可以包括兩種材料，比如，具有高基板表面覆蓋度的連續(xù)或圖案化ito層，ito層與細(xì)金屬線或?qū)Ь€的網(wǎng)格(見例如圖11a和導(dǎo)線82t)電接觸(或其電導(dǎo)率由其增大)。細(xì)金屬線的網(wǎng)格還可以輔助創(chuàng)建具有局部感測功能(例如，檢測壓力以及觸摸位置)的傳感器網(wǎng)格。
壓電層
壓電層50具有厚度th50，在示例中，所述厚度在由50nm≤th50≤5000nm限定的范圍內(nèi)。pe膜結(jié)構(gòu)10的壓電層50可由許多不同類型的壓電材料中的一種或多種壓電材料制成。示例壓電材料包括cds、cdse、zns、znte、zno、aln、鈦酸鋇(batio3)、如na0.5k0.5nbo3等無鉛鈮酸鹽鋯鈦酸鉛(pzt)、鋯鈦酸鉛鑭(plzt)以及如na0.5bi0.5tio3和k0.5bi0.5tio3等無鉛鈦酸鹽。用于壓電層50的示例壓電材料還包括聚合壓電材料，包括pvdf、聚酰亞胺和基于聚對二甲苯的材料以及‘壓電復(fù)合材料’(比如，結(jié)合聚合物基質(zhì)中的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(pmn-pt)的壓電復(fù)合材料)。壓電材料和復(fù)合材料的附加示例可以在ramadan(拉瑪?shù)?等人的文章“areviewofpiezoelectricpolymersasfunctionalmaterialsforelectromechanicaltransducers(對作為用于機電換能器的功能材料的壓電聚合物的綜述)”(《智能材料與結(jié)構(gòu)》，第23卷第3期(2014年))，所述文章通過引用結(jié)合在此。
在沉積容易度是考慮因素的情況下，材料aln和zno可以用于壓電層50，因為這些材料特別經(jīng)得起使用已知技術(shù)來進(jìn)行的薄膜沉積的考驗。材料aln具有相對高的硬度，摻氧aln相比于其他壓電材料具有相對高的硬度和相對低的光吸收率的期望組合。用于壓電層50的aln膜、摻氧aln膜或alon膜可以具有晶體纖鋅礦結(jié)構(gòu)。已知的是，包含高達(dá)約20原子％氧的摻氧aln仍可以展現(xiàn)出實質(zhì)性壓電效應(yīng)。
諸位發(fā)明人已經(jīng)對aln的氧摻雜執(zhí)行了實驗并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)氧摻雜可以有效地用于增大aln層的光傳輸或降低光吸收。然而，太多的氧摻雜可能破壞aln膜的壓電質(zhì)量。因此，可能期望在一個示例中將摻aln膜中的氧含量限制為小于約40％，在另一個示例中將其限制為小于約20％，在另一個示例中將其限制為小于約10％，或在另一個示例中將其限制為小于約5％，或在其他示例中將氧濃度目標(biāo)設(shè)定在約0.1到20％或0.1到10％的范圍內(nèi)，其中，所有值以原子％為單位。
在示例中，壓電層50可以包括非中心對稱晶體、單晶體層、多晶結(jié)構(gòu)或其c軸被取向為大約垂直于由基板表面22限定的平面的晶體材料。
在另一個示例中，壓電層50可以包括一種或多種壓電材料，其中，在進(jìn)行處理期間應(yīng)用了外部場來對準(zhǔn)微結(jié)構(gòu)。在其他示例中，可以使用一種或多種非鐵電材料，在薄膜沉積工藝期間完成實質(zhì)性晶粒對準(zhǔn)。
在示例中，壓電層50是基本上晶體的或多晶的，c軸晶體取向大約垂直于或正交于基板表面22的平面，即，基本上與z軸對齊。當(dāng)為多晶時，大多數(shù)微晶(大于50％、60％、70％、80％或90％的微晶)具有大約垂直于基板表面平面的c軸取向，這可以使用x射線衍射來測量。在2θ＝36度的衍射角附近，材料可以展現(xiàn)出相應(yīng)的顯著或顯性x射線衍射峰，指示幾乎正交于基板表面22的良好c軸取向，意味著(0002)晶體表面幾乎平行于基板表面。在一些情況下，晶體壓電材料可以展現(xiàn)出如由x射線搖擺曲線寬度(aln(0002)峰的fwhm)所指示的小于約20度、小于約10度、小于約5度、小于約3度或小于約2度的高質(zhì)量晶體取向均一性。
壓電層50可以具有大于0.1、大于1、大于2、大于4、或大于5pm/v、或在0.1至15pm/v的范圍內(nèi)的壓電系數(shù)d(或沿著任何軸的dij，或沿著特定軸的d33)(以皮米每伏特為單位)。壓電系數(shù)d的單位還可以表示為皮庫倫每牛頓，從而使以上范圍相當(dāng)于0.1至15pc/n。
壓電層50中的材料的壓電電壓系數(shù)g(或沿著任何軸的gij，或沿著特定軸的g33)可以大于約1、大于10、大于20、大于40、大于50或在1-150mv-m/n(毫伏-米每牛頓)的范圍內(nèi)。壓電層50可以具有大于1、大于5或大于10的相對介電常數(shù)ε/ε0。壓電層50和/或透明電極層的折射率可以在從約1.7到約2.3的范圍內(nèi)。另外，壓電層50可以展現(xiàn)出低膜應(yīng)力，所述低膜應(yīng)力具有小于約1000mpa、小于500mpa或小于200mpa的絕對值(無論是拉應(yīng)力還是壓應(yīng)力)。
在示例中，壓電層50的晶體結(jié)構(gòu)可以被近似分類為屬于類別32或?qū)儆陬悇e
在示例中，晶體壓電層50可以通過以下方式獲得：i)對由期望壓電材料組成的晶體晶圓進(jìn)行離子植入；ii)然后將離子植入的表面與待用作觸敏玻璃蓋的玻璃基板綁定；iii)以及然后將離子植入側(cè)的晶體晶圓層與晶體晶圓的剩余部分分離。對溝槽的蝕刻和對導(dǎo)電電極的布置可以在將壓電層50附接至玻璃基板并將其與晶體晶圓分離之前或之后完成。
在另一個實施例中，壓電層50展現(xiàn)出壓電效應(yīng)和熱電效應(yīng)兩者。在一些實施例中，以熱電方式產(chǎn)生的電信號不用于壓力感測。相反，由于壓電效應(yīng)而產(chǎn)生的信號分量基本上與由于熱電效應(yīng)而產(chǎn)生的信號分量隔離(分離)。在示例中，使用機械裝置和熱工裝置的組合和/或在時域和/或頻域內(nèi)使用如以下所討論的電子技術(shù)和軟件技術(shù)(例如，濾波)來實現(xiàn)這種信號分離。
可以使用本領(lǐng)域中熟知的薄膜技術(shù)(例如，濺射、反應(yīng)濺射、電子束蒸發(fā)、cvd、pecvd或pld)來形成構(gòu)成pe膜結(jié)構(gòu)10的不同層。在一些情況下，也可以使用如其他氣相沉積方法。
在各個示例中，可以將壓電層50離散化或“像素化”以便形成電氣隔離區(qū)域或者可以將其形成為網(wǎng)格。在示例中，在壓電層50的不同區(qū)域中的間隔或間隙可以使用介電材料或具有低電導(dǎo)率或低壓電功能的相似材料來進(jìn)行填充。在示例中，介電材料具有與壓電層50的壓電材料類似的折射率，由此使圖案結(jié)構(gòu)在很大程度上不可見。
壓電傳感器系統(tǒng)
圖3是采用圖1和圖2的示例pe膜結(jié)構(gòu)10的示例壓電(pe)傳感器系統(tǒng)80的示意圖，在示例中，所述示例pe膜結(jié)構(gòu)可以是以下所描述的示例pe觸摸感測(pets)膜結(jié)構(gòu)10s之一。pe傳感器系統(tǒng)80被配置成用于當(dāng)向pe膜結(jié)構(gòu)10施加力f時經(jīng)由壓電層50中的壓電效應(yīng)生成信號(電壓或電流)。圖3示出了由手指81施加的力f，其中，力f在壓電層50中造成機械應(yīng)力，所述機械應(yīng)力經(jīng)由壓電效應(yīng)引起信號。將手指81應(yīng)用到pe膜結(jié)構(gòu)10的上表面(接觸表面)34上在本文中被稱為“觸摸事件”te，并且觸摸事件的(x，y)位置被稱為“觸摸位置”tl。
pe傳感器系統(tǒng)80包括分別連接至充當(dāng)?shù)撞亢晚敳侩姌O的下部和上部導(dǎo)電層40b和40t的電連接82b和82t。電連接82b和82t可以包括例如上述薄金屬線、導(dǎo)線或跡線。
電連接82b和82t還被電連接至信號處理系統(tǒng)83，所述信號處理系統(tǒng)被配置成用于對由pe膜結(jié)構(gòu)10輸出的電信號進(jìn)行處理。在示例中，信號處理系統(tǒng)83包括模擬電路84。在示例中，模擬電路84包括差分放大器、積分器或微分器。當(dāng)來自pe膜結(jié)構(gòu)10的信號(輸出電壓或輸出電流)很低時，模擬電路84可以用于提供對來自所述pe膜結(jié)構(gòu)的所述信號的放大。當(dāng)總電荷被用作向pe膜結(jié)構(gòu)10施加的應(yīng)力的測量時，其還可以用于對電流信號進(jìn)行積分?？商娲兀?dāng)電流的導(dǎo)數(shù)被用作峰值沖擊應(yīng)力的測量時，其可對信號進(jìn)行微分。
圖3示出了在底部和頂部透明導(dǎo)電層40b和40t處生成的底部和頂部電壓vb和vt，并且示出了生成作為示例模擬輸出信號sa的輸出電壓v輸出的模擬電路84。模擬輸出信號sa還可以是電流信號，例如，i輸出。
pe傳感器系統(tǒng)80的信號處理系統(tǒng)83可以可選地包括一個或多個模擬濾波器86，所述一個或多個模擬濾波器可以可替代地通過以下方式來執(zhí)行與上述信號微分相當(dāng)?shù)娜蝿?wù)：通過高通濾波來隔離輸出信號的初始斜率。微分和/或高通濾波可以用于提取壓電信號，同時在不想要伴隨的熱電信號時基本上拒絕熱電信號。另外，由模擬濾波器86執(zhí)行的帶/通或低通濾波可以用于消除模擬輸出信號sa中的高頻噪聲。
pe傳感器系統(tǒng)80的信號處理系統(tǒng)83還包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收模擬輸出信號sa并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號sd。信號處理系統(tǒng)83進(jìn)一步可選地包括數(shù)字濾波器90，所述數(shù)字濾波器電連接至adc88并且像模擬濾波器86對模擬輸出信號sa所起的作用一樣對數(shù)字信號sd起模擬濾波功能。因此，在示例中，僅利用了一種類型的濾波器86(模擬)或90(數(shù)字)。
pe傳感器系統(tǒng)80的信號處理系統(tǒng)83還包括中央處理單元(cpu)92，所述中央處理單元電連接至adc88(例如，通過可選數(shù)字濾波器90)。cpu92可以包括非瞬態(tài)計算機可讀(例如，邏輯、軟件、硬件等)中的指令實施例，所述指令實施例可以對所接收的數(shù)字輸出信號sd進(jìn)行處理例如以便判定其是否符合一個或多個信號要求。
在示例中，cpu92確定一個或多個觸摸事件te中的每個觸摸事件的至少一個觸摸感測特征，比如，觸摸位置tl的位置、在觸摸位置處施加的壓力的量、在觸摸位置處施加的力的量、觸摸事件的持續(xù)時間、觸摸位置的大小、觸摸位置的形狀(例如，如由滑動距離或形狀形成的)、加速度以及如針對語音命令的聲學(xué)感測。
在一些實施例中，pe傳感器系統(tǒng)80還可以用于收集振動能量，以便向系統(tǒng)的其他部件提供有用能量或以便生成可以存儲在電池(未示出)中的能量。在pe傳感器系統(tǒng)80的這種能量收集實施例中，信號處理系統(tǒng)83同樣可能不需要信號處理或計算能力。
如以上所討論的，在pe傳感器系統(tǒng)80的示例中，在壓電層50中發(fā)生熱電和壓電效應(yīng)的組合并且所述組合從pe膜結(jié)構(gòu)10中產(chǎn)生模擬輸出信號(電壓或電流)。然后，對輸出信號sa進(jìn)行處理以便推斷與觸摸事件te相關(guān)聯(lián)的一個或多個特征。在壓電層50由濺射aln膜形成的示例中，由于熱電效應(yīng)而產(chǎn)生的電輸出(電壓或電流)可能與壓電效應(yīng)相當(dāng)或比其更大。
在pe傳感器80的另一個示例中，熱電效應(yīng)大大減小或者被阻止貢獻(xiàn)模擬輸出信號sa。通過在支持壓電效應(yīng)的同時確保壓電層50的晶體結(jié)構(gòu)的對稱性質(zhì)抑制或阻止熱電效應(yīng)來完成這一點。
諸位發(fā)明人已經(jīng)意識到，如果在緊隨對觸摸事件te的最早感測之后的大約40ms、60ms、80ms、100ms或120ms的時段內(nèi)收集到來自pe層50的模擬輸出信號sa，則可以相對于對模擬輸出信號(其分量)的熱電貢獻(xiàn)而增強對模擬輸出信號(其分量)的壓電貢獻(xiàn)。
另外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在信號收集期(當(dāng)所述收集期被選擇為約120ms或更少時)內(nèi)，增大基板20的厚度ths增強了對模擬輸出信號sa的壓電信號貢獻(xiàn)(分量)并減小了熱電信號貢獻(xiàn)(分量)。
在示例中，優(yōu)選地，基板20的厚度ths大于或等于0.4、0.5、0.6、0.7mm，并且特別是大于或等于0.8、0.9和1.0mm。接觸手指81的表皮的角質(zhì)層通常具有比玻璃的熱導(dǎo)率小幾倍的熱導(dǎo)率以及約0.5mm的厚度。將基板厚度ths增大到超過0.5mm以及為基板20選擇具有更高熱導(dǎo)率(具體地，高于1w/m·k，并且特別是高于1.2w/m·k)的材料可以用于改善對壓電信號分量的隔離(分離)。
另外，對來自pe傳感器80的模擬輸出信號sa的頻域濾波用于進(jìn)一步將壓電信號分量與熱電信號分量隔離，并且還用于提高信噪比。具體地，信號處理系統(tǒng)83可以被配置成用于以在約7hz與約30hz之間、或在約8hz與約25hz之間或在約10hz與約20hz之間的截止頻率f1來執(zhí)行高通濾波。另外，信號處理系統(tǒng)83可以被配置成用于以在約10hz與約10khz之間、或在約15hz與約5khz之間或在約20hz與約1khz之間的截止頻率f2來執(zhí)行低通濾波以便對模擬或數(shù)字輸出信號sa或sd進(jìn)行去噪。
在另一個實施例中，從壓電和熱電效應(yīng)中產(chǎn)生電信號(脈沖)以便形成模擬輸出信號sa，并且信號處理系統(tǒng)82被配置成用于分析這種輸出信號的導(dǎo)數(shù)。具體地，在脈沖一開始時的導(dǎo)數(shù)比脈沖中的稍后部分具有更低的來自熱電效應(yīng)的分?jǐn)?shù)貢獻(xiàn)。因此，用于評估與在觸摸位置tl處的觸摸事件te相關(guān)聯(lián)的特征或功能的信號可以被選擇為與電模擬輸出信號的在脈沖開始時收集的部分的導(dǎo)數(shù)(或者來自脈沖的初始1ms、2ms、5ms、10ms或20ms的平均導(dǎo)數(shù))成比例。
在示例中，信號處理系統(tǒng)83可以被配置成用于將模擬輸出信號sa到數(shù)字輸出信號sd的整個脈沖波形數(shù)字化，然后，所述脈沖波形被臨時存儲和分析。可替代地，信號處理系統(tǒng)83可以被配置成用于通過本領(lǐng)域中熟知的方法來提取模擬輸出信號sa的導(dǎo)數(shù)，這可能涉及將脈沖延遲、創(chuàng)建脈沖的放大版本、以及當(dāng)電壓、電荷或電流變得高于某個正值或低于某個負(fù)值時進(jìn)行觸發(fā)。觸發(fā)用于指示需要發(fā)現(xiàn)并測量其前邊緣的脈沖已經(jīng)到達(dá)。
用于對模擬輸出信號sa進(jìn)行處理以便減小或減輕熱電效應(yīng)的影響的上述實施例可以組合具有實質(zhì)性熱導(dǎo)率的晶體基板20而特別良好地工作。這種基板20進(jìn)行動作以便在一開始通過阻止壓電層50的快速溫升(通過基板的主體的快速熱轉(zhuǎn)移)來稍微延遲熱電響應(yīng)峰。這種稍微延遲持續(xù)幾ms直到幾十ms，直到貫穿基板20的本體的溫度開始在接觸區(qū)域內(nèi)顯著變化為止。
圖4與圖3類似，并且展示了pe傳感器80的實施例，所述pe傳感器包括布置在壓電層50與基板20之間的厚度為th26的晶體層26。在示例中，晶體層26的厚度th26具有小值或中間值，例如，范圍為從約th26＝20μm到約300μm，而進(jìn)一步地，在示例中，基板20具有厚度ths>0.3mm。晶體層26的大熱導(dǎo)率用于將壓電層50的溫升延遲幾毫秒，從而使得模擬輸出信號sa的前沿的導(dǎo)數(shù)的主要部分是由于壓電效應(yīng)。相對于使用僅晶體材料，將晶體-玻璃混合物用于晶體層26可以幫助減小此實施例的成本。
如以上所指出的，pe傳感器80的實施例利用對模擬輸出信號sa的前沿部分處的導(dǎo)數(shù)的測量。在這種情況下，可以針對壓電效應(yīng)在初始信號導(dǎo)數(shù)中的貢獻(xiàn)通過從初始導(dǎo)數(shù)中減去與在脈沖的稍后部分期間集成的電荷成比例的一部分或?qū)⑺鲆徊糠痔砑拥剿龀跏紝?dǎo)數(shù)中來修正最終模擬輸出信號sa或最終數(shù)字輸出信號sd?？梢曰蛘咴谀M輸出信號sa上的模擬域中或者在將脈沖數(shù)字化以便形成數(shù)字輸出信號sd之后完成這一點。
可以基于熱電信號對脈沖的初始導(dǎo)數(shù)的貢獻(xiàn)是否屬于與來自壓電效應(yīng)的貢獻(xiàn)相同的符號來執(zhí)行對修正部分的添加或減去。這進(jìn)而取決于特定設(shè)備幾何結(jié)構(gòu)的適當(dāng)熱電系數(shù)與有效壓電系數(shù)的相對符號，并且取決于觸摸設(shè)備的溫度(比如，人類手指皮膚溫度)剛好在觸摸事件te之前的瞬間是大于還是小于壓電層50的溫度。
示例pe膜結(jié)構(gòu)
本公開的方面包括示例pe膜結(jié)構(gòu)，所述示例pe膜結(jié)構(gòu)基于上述pe膜結(jié)構(gòu)10但包括添加一個或多個觸摸感測功能的附加層和/或特征，所述一個或多個觸摸感測功能使得當(dāng)所述示例pe膜結(jié)構(gòu)用于pe傳感器80中時，確定一個或多個觸摸位置tl處的一個或多個觸摸感測特征成為可能。這些pe膜結(jié)構(gòu)在下文中被稱為pe觸摸感測(pets)膜結(jié)構(gòu)10s。
圖5是pets膜結(jié)構(gòu)10s的第一示例的前立體分解視圖。pets膜結(jié)構(gòu)10s包括pe膜結(jié)構(gòu)10的層，即，基板20、底部和頂部光學(xué)層30b和30t以及底部和頂部導(dǎo)體層40b和40t?，F(xiàn)在將底部和頂部導(dǎo)體層40b和40t圖案化(例如，在x-y網(wǎng)格中)以便限定對應(yīng)的頂部和底部圖案化電極。在示例中，光學(xué)層30t的最上層32t充當(dāng)用戶界面層。在一個或多個實施例中，光學(xué)層30t限定了上表面34并且可以包括具有高硬度、高耐磨性和/或高耐刮性的材料或結(jié)構(gòu)。
pets膜結(jié)構(gòu)10s還包括分別存在于底部導(dǎo)體層40b下方和頂部導(dǎo)體層40t上方的底部和頂部透明電磁(em)屏蔽層110b和110t。用于em屏蔽層110b和110t的示例材料包括tco、金屬、碳納米管、石墨烯等。em屏蔽層110b和110t可以既包括用于屏蔽的導(dǎo)電材料也包括用于將em屏蔽中的導(dǎo)體與圖案化電極中的導(dǎo)體隔離的絕緣材料或絕緣層。用于絕緣層的示例材料可以包括sio2、sinx以及在顯示器領(lǐng)域和觸摸傳感器領(lǐng)域中熟知的其他介電材料。底部和頂部em屏蔽層110b和110t是可選特征并且用于減小噪聲。
pets膜結(jié)構(gòu)10s還包括至少一個投射式電容觸摸傳感器層(“p-cap層”)120，所述p-cap層通過示例的方式被示出為存在于緊挨基板20下方。在示例中，p-cap層120包括絕緣膜層124上的圖案化tco122，其中，tco圖案相對于底部和頂部圖案化導(dǎo)體層40b和40t和/或em屏蔽層110b和110t具有更大的或未對準(zhǔn)的覆蓋區(qū)域，以便避免將p-cap層與導(dǎo)體或em屏蔽層完全屏蔽。p-cap層120可以是單面或雙面的。p-cap層120還可以存在于基板20上方，例如，在如圖6中所示出的基板上表面22頂上。還可以采用多個p-cap層120。
在示例中，基板20可以采取絕緣膜層的形式或可由其替代，所述絕緣膜層可以是硬層或光學(xué)層。在所述一個或多個p-cap層120上方和/或下方還可以存在附加光學(xué)層。
底部和頂部導(dǎo)電層40b和40t充當(dāng)電極并且用于提取通過在pe層50中發(fā)生的壓電效應(yīng)而產(chǎn)生的模擬輸出信號sa。在示例中，底部和頂部導(dǎo)電層40b和40t的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)分別限定了開口41b和41t。在各個示例中，開口41b和41t包括大于30％的層面積，優(yōu)選地，大于50％的總層面積，并且理想地，大于70％的總層面積。另外，優(yōu)選地，開口41b和41t的平均大小大于基板20的厚度ths的約30％，而在另一個示例中，所述平均大小大約為基板厚度ths，而在另一個示例中，所述平均大小基本上大于基板厚度ths。當(dāng)p-cap層120布置在如圖5中所示出的基板20之下時，這些實施例特別有用。
圖7與圖5類似，并且示出了示例pets結(jié)構(gòu)10s，其中，壓電層50被圖案化(例如，在x-y網(wǎng)格中)有間隔51。這允許基于觸摸事件te的位置來進(jìn)行對壓電層50的選擇性激活并且提供觸摸位置功能。
圖8與圖5類似，并且示出了示例pets結(jié)構(gòu)10s，其中，p-cap層120布置在壓電層50與底部導(dǎo)體層40b之間。這種構(gòu)型使用于限定觸摸事件te的位置的電容式觸摸感測和用于提供一個或多個觸摸感測特征(壓力感測是一個示例特征)的壓電觸摸感測兩者成為可能。在示例中，p-cap層120的電極還可以充當(dāng)由底部導(dǎo)電層40b限定的底部電極。在另一個示例中，盡管底部電極40b可以與p-cap層交錯，但是其與p-cap層分離。
圖9與圖8類似，并且示出了示例pets結(jié)構(gòu)10s，其中，p-cap層120布置在壓電層50與頂部導(dǎo)電層40t之間。在如圖8和圖9中所示出的pets結(jié)構(gòu)10s的構(gòu)型中，可以根據(jù)需要而將絕緣層(在附圖中未示出)添加到相鄰導(dǎo)電層之間，比如，在p-cap層120中的相鄰導(dǎo)電層之間或者在p-cap層與底部或頂部導(dǎo)電層40b或40t之間。這種導(dǎo)電層和方法對于觸摸傳感器設(shè)計領(lǐng)域的技術(shù)人員是熟知的。
圖10與圖9類似，并且展示了示例pets結(jié)構(gòu)10s，其中，僅將底部和頂部導(dǎo)體層40b和40t之一圖案化(頂部導(dǎo)體層40t通過圖示的方式被示出為被圖案化)。在這種情況下，p-cap觸摸層120置于非圖案化(或“連續(xù)”)底部導(dǎo)電層40b(其充當(dāng)連續(xù)電極)上方以便避免由底部導(dǎo)電層40b在用戶輸入表面34與p-cap層120之間進(jìn)行的屏蔽。
圖11與圖10類似，并且展示了替代實施例，其中，可以將底部導(dǎo)電層40b移除，并且可以將p-cap層120的導(dǎo)電部分122用作與壓電層50和頂部導(dǎo)體層40t一起工作以便對在p-cap中生成的電壓或電流進(jìn)行電感測的底部電極。
圖12是在壓電層50的相反側(cè)上的頂部和頂部導(dǎo)電層40b和40t的示例構(gòu)型的立體分解視圖。在示例構(gòu)型中，頂部和底部導(dǎo)電層40b和40t各自以條的形式形成，頂部導(dǎo)電層的條在y方向上行進(jìn)并形成“列”42t，并且底部導(dǎo)電層的條在x方向上行進(jìn)并形成“行”42b。條42b和42t中的每一者都可以構(gòu)成持續(xù)的或連續(xù)的透明導(dǎo)體層，或可以包括稀疏網(wǎng)格。這種構(gòu)型類似于用于電容式觸摸感測設(shè)備的構(gòu)型并且使得能夠通過對來自行42b和列42t的信號進(jìn)行處理來確定觸摸位置tl。
在示例中，導(dǎo)電層40b或40t之一接地，并且對來自另一個導(dǎo)電層的第一組模擬輸出信號sa進(jìn)行測量。然后，另一個導(dǎo)電層接地，并且對來自未接地的透明導(dǎo)電層的第二組模擬輸出信號sa進(jìn)行測量。然后，由cpu92(見圖3)對第一和第二組模擬輸出信號sa進(jìn)行處理以便提取在列和行結(jié)構(gòu)的分辨率之內(nèi)的觸摸位置tl，所述分辨率部分地由導(dǎo)電條42b和42t的寬度和間隔限定。
圖13a是形成于壓電層50頂部的示例頂部導(dǎo)體層40t的俯視圖。頂部導(dǎo)體層40t由多個電隔離的導(dǎo)電區(qū)域43限定。相鄰隔離區(qū)域43由間隙44分離，并且可以經(jīng)由布線穿過間隙到達(dá)信號處理系統(tǒng)82(未示出，見圖3)的接線(即，導(dǎo)電線)82t而單獨尋址。頂部導(dǎo)體層40t的分段構(gòu)型允許對與觸摸事件te相關(guān)聯(lián)的觸摸位置tl的局部檢測。圖13a的構(gòu)型減小了由壓電層50的不直接經(jīng)歷任何壓力但貢獻(xiàn)模擬輸出信號sa的區(qū)域所引起的“負(fù)載”效應(yīng)。減小負(fù)載效應(yīng)增大了模擬輸出信號sa的強度。
為了展示以上點，圖13b是具有壓電層50的示例結(jié)構(gòu)的示意性橫截面視圖，所述壓電層具有夾置壓電層的連續(xù)底部和頂部導(dǎo)體層40b和40t(所述底部和頂部導(dǎo)體層還可以是連續(xù)的非隔離導(dǎo)線)。圖13b還示出了由所述結(jié)構(gòu)形成的等效電路48。當(dāng)由手指81在觸摸位置tl處施加壓力時，等效電路48中的所有等效電路在不同程度上被激活并且有助于加載整體模擬輸出信號sa(見圖3)。
圖13c與圖13b類似，但是示出了圖13a的分段構(gòu)型，其中，頂部導(dǎo)電層40t被劃分成上述隔離區(qū)域43。在這種情況下，當(dāng)由手指81在與隔離區(qū)域43之一相關(guān)聯(lián)的觸摸位置tl處施加壓力時，僅局部等效電路48被激活，從而使得所產(chǎn)生的模擬輸出信號sa僅來自與觸摸位置tl相關(guān)聯(lián)的局部區(qū)域43。
圖14是包括多個壓電層50的示例壓電結(jié)構(gòu)52的橫截面視圖。所述多個壓電層50、這兩個底部和頂部導(dǎo)電層40b和40t以及兩個中部或中間導(dǎo)電層40m以堆疊構(gòu)型安排，其中，中間層插置在相鄰壓電層之間。壓電層50具有相同的極化p。底部和頂部導(dǎo)電層40b和40t用于信號收集傳輸，而中間層40m用于應(yīng)變消除。
在示例中，中間層40m可由導(dǎo)電材料或非導(dǎo)電材料制成，只要所述材料是透明的并且執(zhí)行所要求的應(yīng)力消除功能。中間層40m還可以用于執(zhí)行光學(xué)功能，即，被設(shè)計成用于以選擇方式貢獻(xiàn)壓電結(jié)構(gòu)52的整體反射率或色彩。在來自單個壓電層50的輸出信號太低或者信號處理系統(tǒng)83具有太多噪聲的情況下，圖14的壓電結(jié)構(gòu)52的堆疊構(gòu)型可以用于加強模擬輸出信號sa。
圖15是立體圖，示出了圖14的壓電結(jié)構(gòu)52的陣列，其中，壓電結(jié)構(gòu)通過由介電材料制成的密封層53電隔離。圖15的構(gòu)型可以用于提供空間解析觸摸感測，而無需將單獨的傳感器用于x-y位置感測。
圖14的壓電結(jié)構(gòu)52的堆疊構(gòu)型的另一個優(yōu)點是，其允許形成具有良好排序的晶體結(jié)構(gòu)的非常厚的堆疊(在這種大厚度的單個晶體由于應(yīng)力而可能難以生長的情況下)。應(yīng)力消除層40m允許良好的晶體質(zhì)量以及堆疊中的所有層的共同晶體取向，允許最大凈電極化以及因此針對所施加的典型應(yīng)力的最大電壓。極化p的主要取向為或者向上或者向下并且對于壓電結(jié)構(gòu)52中的壓電層50中的所有壓電層是共同的。
圖16是具有多個壓電層50的堆疊構(gòu)型的示例壓電結(jié)構(gòu)52的立體圖，其中，極化方向p位于所述層的平面中(即，在x-y平面中)并且交替方向(即，+x方向或-x方向)。壓電結(jié)構(gòu)52包括分別在壓電層50的左側(cè)和右側(cè)的導(dǎo)電電極40l和40r。絕緣層47用于將相鄰壓電層50電隔離。像圖14的壓電結(jié)構(gòu)52的堆疊構(gòu)型一樣，圖16的堆疊構(gòu)型還可以用于在來自單個壓電層50的模擬輸出信號太低而不能被檢測到或具有太多噪聲的情況下增強模擬輸出信號sa。
在圖16的壓電結(jié)構(gòu)52中，每個壓電層50在給定層的平面中具有極化方向p，所述極化方向垂直于應(yīng)力的方向。c軸的主要晶體取向在鄰近壓電層50之間交替。
與圖14的壓電結(jié)構(gòu)52一樣，在形成壓電結(jié)構(gòu)并將其圖案化之后，壓電結(jié)構(gòu)52的不同堆疊可以由介電密封層53電分離。另外，圖16的壓電結(jié)構(gòu)52的陣列可以被部署成用于提供空間解析感測(即，觸摸位置功能)，而無需將單獨的傳感器用于x-y位置感測。
圖18是另一個示例壓電結(jié)構(gòu)52的立體圖，其中，壓電層包括“水平堆疊的”區(qū)域54，即，具有并排式構(gòu)型。壓電層50的每個區(qū)域54具有在所述層的平面中的極化方向p，所述極化方向垂直于應(yīng)力的方向，即，在x-y平面中。右和左導(dǎo)體層40l和40r存在于壓電區(qū)域54的左和右邊緣附近。
壓電層50由介電結(jié)構(gòu)47電隔離，由此限定區(qū)域54?？梢允褂贸练e工藝來將介電結(jié)構(gòu)47形成為圖案化電介質(zhì)。介電結(jié)構(gòu)47可以在壓電層50之前或之后沉積，用于將壓電層的不同區(qū)域54密封和電隔離。以上方式的組合還可以用于形成用于將壓電層50的不同層54電隔離的介電結(jié)構(gòu)47。c軸的主要晶體取向在鄰近共平面壓電層之間交替。多個壓電結(jié)構(gòu)52可以被部署成用于提供觸摸位置功能，而無需將單獨的傳感器用于x-y位置感測。
圖18與圖17類似，并且展示了壓電結(jié)構(gòu)52的示例構(gòu)型，其中，壓電層50的區(qū)域54具有相同的極化方向p。這種性質(zhì)需要限定電極的導(dǎo)電層的不同構(gòu)型。以上方式的組合還可以用于形成用于將壓電層50的不同層54電隔離的介電結(jié)構(gòu)47。多個壓電結(jié)構(gòu)52可以被部署成用于提供空間解析感測，而無需將單獨的傳感器用于x-y位置。
顯示組件
圖19a是包括本文中所公開的相對于具有上表面212的設(shè)備210而可操作地安排(即，可操作地接口連接)的pe傳感器系統(tǒng)80的示例顯示組件200的立體分解視圖，并且圖19b是所述示例顯示組件的立體圖。示例設(shè)備210是顯示系統(tǒng)，所述顯示系統(tǒng)可以是包括顯示器的任何系統(tǒng)，比如，智能電話、平板計算機、膝上型計算機、電視、計算機監(jiān)視器或顯示器等。設(shè)備210還可是非顯示設(shè)備，比如，電器、儀器、機器等。在示例中，設(shè)備210發(fā)射光214，在示例中，所述光表示顯示圖像。
在示例中，設(shè)備210包括用戶界面213，在示例中，所述用戶界面包括符號體系215(例如，如在圖19a的封閉插圖中示出的按鈕、標(biāo)簽、標(biāo)記、圖標(biāo)等)。通過pets膜結(jié)構(gòu)10s觀看用戶界面213，所述pets膜結(jié)構(gòu)提供關(guān)于設(shè)備210的或者非觸摸感測或者有限觸摸感測用戶界面213的一個或多個期望觸摸感測特征。在示例中，用戶界面213由顯示器形成，例如，形成為顯示圖像。在示例中，pets膜結(jié)構(gòu)10s充當(dāng)設(shè)備200的觸摸感測顯示器蓋。在示例中，用戶界面213包括圖形用戶界面(gui)。在示例中，在設(shè)備210是顯示系統(tǒng)的示例中，可見光214發(fā)射穿過上表面212。在另一個示例中，可見光214從上表面212反射。在示例中，可見光214構(gòu)成顯示圖像。
在示例中，pe傳感器系統(tǒng)80包括本文中所公開的pets膜結(jié)構(gòu)10s中提供包括例如觸摸位置確定和壓力感測的至少一個觸摸感測特征的一個pets膜結(jié)構(gòu)。圖19c是圖19b的顯示組件200的橫截面視圖，同樣示出了與觸摸表面34接觸的手指81，其中，手指在pets膜結(jié)構(gòu)10s上在觸摸位置tl處創(chuàng)建觸摸事件te?？梢允褂贸耸种?1以外的其他器具(比如，觸筆、鋼筆、鉛筆等)來創(chuàng)建觸摸事件te。
響應(yīng)于觸摸事件te，pets膜結(jié)構(gòu)10s生成由信號處理器83處理的模擬輸出信號sa，所述信號處理器建立至少一個觸摸感測特征，包括：觸摸位置tl的位置、在觸摸位置處施加的壓力的量、在觸摸位置處施加的力的量、觸摸事件的持續(xù)時間、觸摸位置的大小(例如，滑動距離或形狀)、加速度、如針對語音命令的聲學(xué)感測以及振動能量收集。
在示例中，pets膜結(jié)構(gòu)10s可以提供壓電觸摸感測和電容式觸摸感測中的至少一項。在另一個示例中，設(shè)備210包括除了壓電觸摸感測以外的至少一種類型的觸摸感測，從而使得顯示組件200包括兩種或更多種不同類型的觸摸感測。在一個示例中，由pe傳感器系統(tǒng)80提供的觸摸感測并不關(guān)于觸摸位置而進(jìn)行區(qū)分，并且提供與觸摸事件te相關(guān)聯(lián)的測量功能，比如，壓力、力或持續(xù)時間。在另一個示例中，pets膜結(jié)構(gòu)10s被配置成用于提供關(guān)于如以上所描述的觸摸事件te的觸摸位置tl的信息。在一個或多個實施例中，顯示組件200可以結(jié)合非電容式或非電觸摸感測方法，比如，光導(dǎo)、光檢測、lcd單元內(nèi)或單元上觸摸傳感器等等。
對本領(lǐng)域的技術(shù)人員將明顯的是，可以在不背離如在所附權(quán)利要求書中所限定的本公開的精神或范圍的情況下對如在本文中所描述的本公開的優(yōu)選實施例作出各種修改。因此，本公開涵蓋了所提供的修改和變化，它們落在所附權(quán)利要求書及其等效物的范圍內(nèi)。
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