CN107850941A - 用于电子设备中的触觉反馈的机电致动器 - Google Patents

用于电子设备中的触觉反馈的机电致动器 Download PDF

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Abstract

机电致动器可以被配置为具有围绕圆柱形元件设置的电极的圆柱形元件。电极可以接收使机电致动器中的芯材改变形状的电信号，从而向用户提供触觉反馈，例如当致动器与智能电话的显示屏集成时。围绕芯材的电极的位置可以影响机电致动器的操作模式。在一种配置中，两个电极可以位于沿圆柱体的长轴的圆柱形元件的相对端处。在另一个配置中，两个电极可以沿圆柱体的圆周彼此相对地设置。可以将信号施加到电极，以在显示屏上生成振动反馈或纹理。

Description

用于电子设备中的触觉反馈的机电致动器
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年6月26日提交的美国临时专利申请第62/185,515号的优先权的权益，其通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开涉及用户输入和与电子设备的交互。更具体地说，本公开涉及处理用户输入和提供触觉反馈。
背景技术
电子设备(特别是消费性电子产品)必须通过用于接收来自用户的输入的单元与用于向用户提供输出的单元与设备的用户进行交互。典型的输入形式包括键盘和鼠标设备，但也包括触摸屏设备。典型的输出形式包括数字式显示器和切换式灯，但也包括新型液晶显示(LCD)技术。
许多电子设备提供的另一种输出形式是触觉反馈。例如，许多智能电话包括转动的质量电动机，该质量电机在用户触摸屏幕时或者为了指示新的电子邮件或来电通知时会振动。但是，这种触觉反馈是非常有限的，并且没有不局限于智能电话的任何特定部分。此外，电机是较大的物体，其制约智能电话的设计并且限制设计者减小智能电话的厚度和其它尺寸的能力。此外，与电机提供的能力相比(特别是与智能电话内的基于薄膜半导体的部件相比)，电机消耗大量功率。
这些相同的电子设备中的许多依靠触觉感测来接收来自用户的输入。图1中阐明了一种传统的触觉传感技术。图1是具有电容式触摸屏的传统智能电话。智能电话100可以包括用于提供上述触觉反馈的转动质量电机110。智能电话100还可以包括触摸屏120。触摸屏120的一部分被放大以显示包括透明材料122的屏幕120的轮廓。透明材料122可以设置在传感器124A-E之上。传感器124A-E可以根据传感器124A-E中的每个传感器的电容变化来检测用户输入，例如施加到透明材料122的力。例如，用户按压传感器124C附近的屏幕120将引起屏幕120中的分别可由传感器124B、124C和124D检测的电容126B、126C和126D中的变化。智能电话100内的处理器可以检测电容126B、126C和126D中的变化，并且将它们与传感器124B、124C和124D的已知的x和y位置相关联以确定用户输入位置。电机110和触摸屏120的配置将用户输入与触觉反馈分离。此外，触觉反馈之所以不与触摸屏120相关联是因为无法将触觉反馈传递到触摸屏120的特定位置。
其它传统的触觉传感技术包括(例如)电阻式或压阻式传感器，其基于电阻变化来对输入进行处理，所述电阻变化是接触位置和/或施加的力的函数。这些电阻式传感器消耗大量的功率。另外，它们只能测量一个接触点，并且不能检测所施加的力的量。另一种传统的触觉传感技术是隧道效应传感器，其通过量子隧道效应将应力转换为经调制的电流密度。然而，它们需要电荷耦接器件(CCD)相机，该电荷耦接器件相机体积大且难以集成到电子设备中。另一种传统的触觉传感技术是电容式传感器，其基于接触点中的电容的变化来检测输入。这种技术提供了静态检测，但缺乏量化所施加的力的量或压力的能力。另外其它传统的触觉传感技术包括基于超声波的传感器、光学传感器和基于磁的传感器。但是，由于重量和大小问题，这些传感器均难于集成到电子设备中。
以上仅描述了传统电子设备以及对这些设备的输入和输出的一些缺点。然而，这些缺点阐明了需要进一步改进用户输入和用户反馈，以提高电子设备(诸如消费者智能电话)与用户交互的能力。
发明内容
为了更好地与人交互，下一代电子设备能够使用触觉反馈来与人的触觉交互。尽管现今存在触觉反馈，但是其在上述传统触觉反馈***中的操作方面是有限的。在此公开的实施例中，设备和用于操作设备的方法可以允许向用户提供局部化触觉反馈。局部化触觉反馈可以提供更好的体验，并满足终端用户对新感觉(特别是对于增强现实游戏和交互界面)的渴望。为了提供这种触觉效果，可以以并行设计来制作具有电极的多个机电致动器。利用这种架构，可以针对致动器的不同形式的因子、电极的位置以及电极的种类来产生设计。这种灵活性可以允许配置实现振动模式、静态偏转模式或两者的组合。另外，设备和用于操作设备的方法还可以允许通过机电致动器或者通过与机电致动器一起运行的电容式触摸屏或其它输入设备来接收输入。例如，耦接到电极的传感电路可以允许感测施加在电极附近的力或压力，并结合提供触觉反馈来确定用户的手指的位置。
在一个实施例中，机电致动器可以作为显示屏的一部分与电子设备集成。电极可以被配置成垂直定向，使得电极在致动器的顶部和底部上。在垂直方向上，可以将直流(DC)激励施加到电极以生成静态位移，使得机电致动器的高度或另一方面改变。还可以或可替选地将交流(AC)激励施加到电极，以生成与静态偏转分离或除了静态偏转之外的振动反馈。电极还可以被配置成圆形定向，例如电极沿着电极的圆周。在圆形方向中，可以将交流(AC)激励施加到电极以产生振动反馈。还可以或可替选地将直流(DC)激励施加在电极中，以生成与振动反馈分离或除了振动反馈之外的静态偏转。垂直或圆形方向二者之一的配置可以容易地集成在触摸屏表面上以增强用户的触觉体验。
根据一个实施例，一种装置可以包括显示设备以及在显示设备上的透明机电致动器的阵列。透明机电致动器的阵列中的每个透明机电致动器可以包括圆柱形机电材料芯、附接到圆柱形机电材料芯的第一电极、和/或附接到圆柱形机电材料芯的第二电极，其中，第一电极和第二电极在圆柱形机电材料芯的相对端上附接到圆柱形机电材料芯。装置还可以包含耦接到第一电极和第二电极的触觉反馈控制电路，其中，触觉反馈控制电路被配置为提供直流(DC)信号以通过所述透明机电致动器的阵列施加触觉反馈，其中，触觉反馈控制信号被配置为使多个透明机电传感器在所述显示设备上模拟纹理。在一个实施例中，圆柱形机电材料芯包括压电PVDF-TrFE-CFE聚合物。
根据另一个实施例，一种装置可以包括显示设备以及在显示设备上的透明机电致动器的阵列。透明机电致动器的阵列中的每个透明机电致动器可以包括圆柱形机电材料芯、附接到圆柱形机电材料芯的第一电极、和/或附接到圆柱形机电材料芯的第二电极，其中，第一电极、第二电极和圆柱形机电材料芯沿着从显示设备发出的光的方向垂直堆叠。装置还可以包括耦接到第一电极和第二电极的触觉反馈控制电路，其中，触觉反馈控制电路被配置为提供交流(AC)信号以通过透明机电致动器的阵列施加触觉反馈。在一个实施例中，圆柱形机电材料芯包括压电PVDF-TrFE-CFE聚合物。
根据另一实施例，透明机电致动器可以包括圆柱形压电芯、附接到压电芯的第一电极、和/或与第一电极分离并附接到压电芯的第二电极。压电芯、第一电极和第二电极可以是透明的。透明机电致动器可以被配置为在第一电极和第二电极接收直流(DC)信号，并且被配置为基于所述直流信号生成触觉反馈。
根据另一实施例，透明机电致动器可以包括圆柱形压电芯、附接到压电芯的第一电极、和/或与第一电极分离并且附接到压电芯的第二电极。压电芯、第一电极和第二电极可以是透明的。压电芯可以包括圆柱体，并且第一电极和第二电极可以围绕圆柱体的圆周定向。
根据另一实施例，一种制作机电致动器的阵列的方法可以包括：将压电芯材沉积在透明衬底上，将透明导电材料沉积在压电芯材上，和/或至少对压电芯材进行图案化以形成圆柱形压电芯，从而获得透明机电致动器的阵列。至少图案化压电芯材的步骤包括至少对压电芯材和透明导电材料进行图案化。在一些实施例中，制作方法还可以包括在沉积压电芯材之后对压电芯材进行退火，在压电芯材的退火的至少部分期间将电场施加到压电芯材，通过执行热塑性纳米/微米压印光刻(T-NIL)来至少对压电芯材进行图案化，通过执行化学气相沉积(CVD)沉积压电芯材，通过执行旋涂沉积压电芯材，和/或，在沉积压电芯材之前沉积第二透明导电材料，其中，至少对压电芯材进行图案化的步骤包括至少对压电芯材和第二透明导电材料进行图案化。
根据另一个实施例，机电致动器的阵列可以根据以下方法操作，所述方法包括：从处理器接收指示触觉反馈的类型的控制信号以提供给用户，根据所指示的触觉反馈的类型生成反馈信号，和/或，将反馈信号施加到第一电极和第二电极以在压电芯中以产生所指示类型的触觉反馈。
根据另一个实施例，电子设备可以包括具有集成的机电致动器的阵列的显示设备、存储器和处理器。处理器可以耦接到存储器、耦接到显示设备并且耦接到透明机电致动器的阵列。电子设备可以是例如移动设备、平板电脑、个人电脑、手提电脑、移动电话、智能电话、医疗设备、媒体播放器以及导航辅助设备。
在本发明的上下文中，描述了二十(20)个实施例。实施例1包括装置。装置能够包括显示设备；显示设备上的透明机电致动器的阵列，其中透明机电致动器的阵列中的每个透明机电致动器包括：圆柱形机电材料芯；附接到圆柱形机电材料芯的第一电极；以及附接到圆柱形机电材料芯的第二电极，其中，第一电极、第二电极和圆柱形机电材料芯沿着从显示设备发出的光的方向竖直堆叠；以及耦接到第一电极和第二电极的触觉反馈控制电路，其中，触觉反馈控制电路被配置为，提供直流(DC)信号以通过透明机电致动器的阵列施加触觉反馈，其中，触觉反馈控制信号被配置为使多个透明机电传感器在显示设备上模拟纹理。实施例2是实施例1的装置，其中，圆柱形机电材料芯包括压电PVDF-TrFE-CFE聚合物。实施例3是实施例1或2中任一项的装置，其中，触觉反馈电路被配置为生成直流(DC)信号以使圆柱形机电材料芯膨胀，以引起静态偏转来创建模拟纹理。实施例4是实施例3的方法，其中，触觉反馈控制电路被配置为，至少部分地基于通过第一电极和第二电极的施加的电流，来控制圆柱形机电材料芯的静态偏转量。实施例5是实施例1的装置，其中，触觉反馈控制电路还被配置为提供交流(AC)信号以施加振动反馈作为触觉反馈的一部分。实施例6是实施例1-5中任一项的装置，还包括耦接到第一电极和第二电极的输入传感电路，其中，输入传感电路被配置为，测量施加到透明机电致动器的力和压力中的至少一者，并且在生成指示显示设备上的用户输入的信号。实施例7是实施例1-6中任一项的装置，其中，显示设备包括电容性传感层，并且装置还包括输入传感电路，该输入传感电路耦接到电容性传感层，并且被配置为至少部分地基于所测量的电容性传感层的电容生成指示显示设备上的用户输入的信号。
实施例8包括装置。装置能够包括显示设备；显示设备上的透明机电致动器的阵列，其中透明机电致动器的阵列中的每个透明机电致动器包括：圆柱形机电材料芯；附接到圆柱形机电材料芯的第一电极；以及附接到圆柱形机电材料芯的第二电极，其中，第一电极和第二电极围绕圆柱形机电材料芯的圆周定向；以及耦接到第一电极和第二电极的触觉反馈控制电路，其中，触觉反馈控制电路被配置为，提供交流(AC)信号以通过透明机电致动器的阵列施加触觉反馈。实施例9是实施例8的装置，其中，圆柱形机电材料芯包括压电PVDF-TrFE-CFE聚合物。实施例10是实施例8-9中任一项的装置，其中，触觉反馈控制电路还被配置为提供直流(DC)信号以通过透明机电致动器的阵列施加触觉反馈，其中，触觉反馈控制信号被配置为使多个透明机电传感器在显示设备上模拟纹理。实施例11是实施例8-10中任一项的装置，还包括耦接到第一电极和第二电极的输入传感电路，其中，输入传感电路被配置为，测量施加到透明机电致动器的力和压力中的至少一者，并且生成指示显示设备上的用户输入的信号。实施例12是实施例8-11中任一项的装置，其中，显示设备包括电容性传感层，并且设备还包括输入传感电路，该输入传感电路耦接到电容性传感层，并且被配置为至少部分地基于所测量的电容性传感层的电容生成指示显示设备上的用户输入的信号。实施例13是权利要求8的装置，其中，触觉反馈控制电路被配置为通过透明机电致动器的阵列提供振动反馈。实施例14是实施例13的装置，其中，触觉反馈控制电路被配置为通过交流(AC)信号的振幅和频率中的至少一者来调节振动反馈。
实施例15包括透明机电致动器。透明机电致动器能够包括圆柱形压电芯；附接到压电芯的第一电极；以及与第一电极分离并且附接到压电芯的第二电极，其中，压电芯、第一电极和第二电极是透明的，其中，透明机电致动器被配置为在第一电极和第二电极处接收直流(DC)信号，并且被配置为，基于直流信号生成触觉反馈，其中，直流信号被配置为使透明机电致动器模拟纹理。实施例16是实施例15的透明机电致动器，其中，压电芯包括圆柱体，并且其中，第一电极、压电芯和第二电极大致沿着圆柱体的长轴堆叠，以及第一电极和第二电极附接到圆柱体的相对面。实施例17是实施例15的透明机电致动器，还包括被配置为生成直流信号的触觉反馈控制电路。实施例18是实施例15-17中任一项的透明机电致动器，其中，直流信号被配置为通过触觉反馈生成按钮。
实施例19包括透明机电致动器。透明机电致动器能够包括圆柱形压电芯；附接到压电芯的第一电极；以及与第一电极分离并且附接到所述压电芯的第二电极，其中，压电芯、述第一电极和第二电极是透明的，其中，第一电极和第二电极围绕圆柱体的圆周定向，其中，透明机电致动器被配置为，在第一电极和第二电极处接收交流(AC)信号，并且被配置为基于交流信号生成触觉反馈。实施例20是实施例19的透明机电致动器，还包括被配置为生成交流信号的触觉反馈控制电路。
前述内容已经相当广泛地概述了本发明的实施例的某些特征和技术优点，以便可以更好地理解下面的具体实施方式。下文将描述形成本发明的权利要求的主题的另外的特征和优点。本领域普通技术人员应该理解，所公开的概念和特定实施例可以容易地被用作为了实施相同或类似目的而修改或设计其它结构的基础。本领域普通技术人员还应该认识到，这样的等效构造不脱离如所附权利要求中所述本发明的精神和范围。当结合附图考虑时，根据以下描述将更好地理解另外的特征。然而，应当清楚地理解，附图中的每个仅提供用于阐明和描述的目的，并非旨在限制本发明。
附图说明
为了更全面地理解所公开的***和方法，现在结合附图参考以下描述。
图1是具有电容式触摸屏的传统智能电话。
图2是示出根据本公开一个实施例的电极沿着长轴定向的圆柱形机电致动器的阵列的图示。
图3是示出根据本公开的一个实施例的接收直流(DC)刺激以产生机电致动器的静态位移的圆柱形机电致动器的阵列的图示。
图4是示出根据本公开一个实施例的集成到电子设备的显示器中的圆柱形机电致动器的阵列的图示。
图5是示出根据本公开的一个实施例的由控制器对圆柱形机电致动器的阵列进行操作的框图。
图6是示出根据本公开的一个实施例的利用接收直流(DC)激励的圆柱形机电致动器的阵列在电子设备的显示器上呈现的纹理的图示。
图7是示出根据本公开一个实施例的电极沿着圆周定向的圆柱形机电致动器的阵列的图示。
图8是示出根据本公开的一个实施例的使用接收交流(AC)激励的圆柱形机电致动器的阵列在电子设备的显示器上创建的局部化振动反馈的图示。
图9是阐明根据本公开的一个实施例的在具有圆柱形机电致动器的阵列的电子设备中产生触觉反馈的方法的流程图。
图10是阐明根据本公开的一个实施例的制作圆柱形机电致动器的阵列的方法的流程图。
具体实施方式
机电致动器可以被配置为电极围绕圆柱形元件设置的圆柱形元件。电极能够接收使机电致动器中的芯材改变形状的电信号，从而向用户提供触觉反馈。围绕芯材的电极的位置可以影响机电致动器的操作模式。在一种配置中，两个电极可以位于沿圆柱体的长轴的圆柱形元件的相对端处。图2是示出根据本公开一个实施例的电极沿着长轴取向的圆柱形机电致动器的阵列的图示。机电致动器的阵列200可以包括一个或更多个致动器。在图2所示的实施例中，阵列200被示出为以x-y网格形式组织的圆柱形机电致动器，致动器之间具有相等间隔。然而，不同的布局是可能的，诸如x-y网格的一行偏离前一行。阵列200可以位于衬底208上。衬底208可以是例如玻璃、聚碳酸酯、PMMA、PET、PEN、聚酰亚胺和/或任何其它透明聚合物或透明无机衬底。
阵列200中的每个致动器可以包括柱形机电材料芯202。材料芯202可以是压电材料或另一电活性或机电材料。例如，材料芯202可以是PVDF、PVDF共聚物(例如PVDF-TrFE、PVDF-TrFE-CFE)、聚对二甲苯、PDMS、聚丙烯、空隙电荷聚合物、诸如丙烯酸酯和弹性体等电活性聚合物，和/或透明的纳米复合材料，诸如SU-8基体中的ZnO。每个致动器可以具有大致垂直于衬底208的表面矢量取向的长轴。因此，当衬底208是电子设备的显示器的一部分时，致动器可以从衬底208垂直地延伸，例如朝向用户。电极204和206可以位于长轴的相对端上。电极204和206可以是导电材料，例如，诸如PEDOT：PSS等透明导电聚合物、诸如ITO、AZO、F：SnO2和锌基氧化物等透明导电氧化物、石墨烯和石墨烯类材料、诸如银纳米线和铜纳米线等金属基纳米线和/或纳米颗粒、碳纳米管和其它碳基结构、金属网和/或纳米网。
可以在电极204和206上施加激励(例如电压)，以产生穿过材料芯202的电场。当材料芯202是压电材料时，在电极204和206之间延伸的电场可以使材料芯202改变形状。例如，所施加的激励可以用于控制材料芯202沿长轴的长度。因此，致动器的高度(或长度)可以通过对致动器施加适当的激励来调节和控制。可以通过适当的电路单独地控制阵列200的每个致动器，以将不同的激励施加到不同的致动器来创建用户能够感觉到的纹理。可以创建该纹理(例如覆盖在显示屏上)，使得人可以感觉到按钮或感觉照片中动物皮肤的纹理。在一个实施例中，可以通过施加直流(DC)信号作为对致动器的激励来引起致动器的静态偏转。参照图3进一步描述致动器的静态偏转。
图3是示出根据本公开的一个实施例的接收直流(DC)刺激以引起机电致动器的静态位移的圆柱形机电致动器的阵列的图示。示出的致动器阵列300中的一些致动器受施加的DC激励影响。致动器312可以包括材料芯312C和电极312A-B。没有刺激施加到致动器312，因此致动器312具有达到水平302的高度，水平302是致动器阵列300的静止高度。可以在电极314A-B上将正DC信号施加到致动器314，以使得芯材314C沿其长轴延伸。致动器314因此达到高于静止水平302的高度水平306。可以在电极316A-B上将负DC信号施加到致动器316，以使芯材316C沿其长轴收缩。因此致动器316达到低于静止水平302的高度水平304。尽管正信号被描述为使致动器拉伸，并且负信号被描述为使致动器收缩，但正信号和负信号是相对的并且可以交换。因此，可替选地，负DC信号可以使致动器收缩，并且正信号可以使致动器拉伸。通过单独控制阵列300的致动器312、314和316(以及未示出的其它致动器)，可以在电子设备(诸如智能电话或移动计算机)的表面处生成纹理。
图4中示出了具有集成了致动器阵列(诸如图2和图3中所示的阵列)的显示屏的智能电话。图4是示出根据本公开一个实施例的集成在电子设备的显示器中的圆柱形机电致动器的阵列的图示。智能电话400可以包括显示设备402。机电致动器的阵列404可以与显示设备402集成，以为用户提供可寻址和局部化的触觉反馈。在一个实施例中，阵列404可以由透明材料构成并集成在显示设备402之上。虽然在图4中阐明了智能电话，但是阵列404还可以以相同的方式集成在任何电子设备的任何显示设备中。例如，机电致动器的阵列404可以被集成到智能手表、平板电脑、手提电脑、移动电话、遥控器或电视屏幕中。此外，机电致动器的阵列404可以被集成到与显示设备分离的其它部件中。例如，机电致动器可以被集成到没有显示设备的平板电脑中，并且该阵列可以用于在平板电脑的表面上生成盲文字母，供视觉障碍者阅读。
如图5中所示，可由耦接到阵列的控制器来控制机电致动器的阵列通过静电偏转创建纹理。图5是示出根据本公开的一个实施例的由控制器对圆柱形机电致动器的阵列进行操作的框图。***500可以包括机电致动器的阵列502，诸如以上参考图2和图3描述的阵列。阵列502可以耦接到控制器504，控制器504可以被配置为将激励施加到阵列502的致动器。控制器504可以被配置为对阵列502的致动器进行单独寻址，使得控制器504能够操纵阵列502内的单个致动器的高度。控制器504还可以被配置为按组(例如，一次4个或16个致动器)来对阵列502的致动器进行寻址。在一个实施例中，阵列502可以被配置为类似于具有字线和位线的动态随机存取存储器(DRAM)模块，所述字线和位线被布置为允许对阵列502的一个或更多个致动器寻址。
控制器504可以生成控制信号，该控制信号用于通过阵列502提供触觉反馈，和/或通过阵列502接收用于确定用户输入的传感信号。控制器504可以与处理器506和存储器508一起协调操作阵列502。在一个配置中，处理器506可以执行存在于存储器508内的应用程序508A或操作***508B。应用程序508A内的应用程序代码可以包括用于向用户提供触觉反馈的代码，这种代码可以将纹理应用于所显示的图像。在处理器506上执行的操作***508B，可以执行包括用于提供触觉反馈的代码的应用程序508A。在另一配置中，操作***508B可以包括提供触觉反馈的代码，用于作为由应用程序508A访问的应用程序编程接口(API)的一部分。因此，例如，当应用程序508A生成具有按钮的用户对话框时，操作***508B可以包括将触觉反馈自动应用于该用户对话框的代码。
在图6中阐明了通过阵列502的静态偏转产生的纹理的示例。图6是示出根据本公开的一个实施例的利用接收直流(DC)激励的圆柱形机电致动器的阵列在电子设备的显示器上呈现的纹理的图示。移动电话600可以包括显示设备602。在移动电话600的操作期间，在移动电话600上执行的应用程序可以分别显示具有由按钮606和608指示的“确定”或“取消”选择的对话框。位于按钮606和608位置的机电致动器可以被激励以在按钮606和608的位置处生成凸起表面的纹理。纹理可以向操作智能电话600的用户提供感觉，并允许他们快速找到按钮606和608。此外，致动器可以被编程，以响应于按压按钮606和608而为用户提供触觉反馈，诸如通过根据哪个按钮被按压来压下按钮606或608的纹理。
返回参考图5，处理器506可以通过访问控制器504内的反馈模块504A来提供触觉反馈。反馈模块504A可以接收来自处理器506的指令，其中指令包括触觉反馈的类型、触觉反馈的强度和/或触觉反馈的位置。控制器504可以解码指令，并且通过将DC电压施加到阵列500中所识别的致动器来向机电致动器的阵列502提供适当的激励。DC电压可以由控制器504生成，或者控制器504可以将致动器连接至外部电压源(未示出)。
处理器506还可以与控制器504交互，以通过控制器504内的传感模块504B接收来自用户的输入。传感模块504B可以监测阵列502中的致动器，以得到由于用户对阵列502施加压力并且使致动器偏转、压缩或以其它方式改变形状所导致的致动器的特征变化。致动器的形状变化可以引起例如致动器的电阻变化。该电阻变化可以由传感模块504B检测到，以确定何时在阵列502中的何处施加压力。然后，传感模块504B可以向处理器506发送指示用户输入位置和由用户施加的压力的量的信号。然后，处理器506可以将用户输入提供给在处理器506上执行的应用程序508A和/或操作***508B，其可以响应于用户输入而采取动作。
在一个实施例中，除了来自机电致动器的输入或者作为来自机电致动器的输入的替代，可以通过显示设备中的电容层510来接收用户输入。电容层510可以(或通过显示控制器(未示出))耦接到处理器506，以将用户输入提供给应用程序508A和/或操作***508B。响应于从电容层510接收到的用户输入，处理器506可以产生用于提供触觉反馈的指令。在其他实施例中，可以不存在电容层510，并且可以通过阵列502接收所有用户输入。
机电致动器的上述配置包括具有围绕圆柱形元件设置的电极的圆柱形元件。在另一种配置中，两个电极可以大致延圆柱体的圆周位于圆柱形元件的相对端处。图7是示出根据本公开一个实施例的具有沿着圆周定向的电极的圆柱形机电致动器的阵列的图示。机电致动器的阵列700可以包括圆柱形材料芯702，电极704和706围绕圆柱形材料芯702的圆周设置。在一个实施例中，电极704和706可以大致设置在通过圆柱形材料芯702的直径的相对端处。阵列700可以被配置在衬底708上。包括材料芯702、电极704和706以及衬底708的材料，可以由与以上参考图2的实施例描述的材料相同的材料构成。
可以向如图7中所示的具有围绕圆柱形材料芯702的圆周设置的电极704和706的致动器提供交流(AC)激励，以生成振动触觉反馈。例如，如图8中所示，可以生成振动感觉作为到显示屏的局部的触觉反馈。图8是示出根据本公开的一个实施例的利用接收交流(AC)激励的圆柱形机电致动器的阵列在电子设备的显示器上创建的局部化振动反馈的图示。智能电话800可以包括具有诸如图7中所示的阵列700等机电致动器集成阵列的显示设备802。阵列的致动器可以包括可寻址的致动器或致动器组。可以用交流(AC)信号来激励一个或更多个致动器和/或致动器组以生成局部化振动触觉反馈804。手指接近触觉反馈804的用户可以感应振动。在一个示例中，用户可能最近已经按压显示屏802上某位置处的按钮，并且触觉反馈804可以通过振动包含该按钮的屏幕部分，来向用户确认选择了那个按钮。
可以用与先前参考图5描述的类似的***来控制如图7中所示的机电致动器的阵列。例如，图5的控制器504可以被配置为将AC激励施加到阵列502，该阵列502将包含如图7阐明的那样配置的机电致动器。控制器504可以包括用于生成适当的AC激励的电路，或者可以包括将阵列502耦接到外部交流电压源(未示出)的开关。特别地，控制器504可以包括一种电路，所述电路用于控制AC激励的振幅和/或频率，以利用通过阵列502提供的触觉反馈来生成不同的效果。例如，通过施加具有高频率和高振幅的交流激励可以生成更有力的触觉反馈，而通过施加具有中等频率范围和低振幅的交流激励可以生成不太有力的触觉反馈。
尽管图2和图7中所示的机电致动器的配置是单独描述的，但可以将几种不同配置的机电致动器合并到用于与显示设备集成的单个阵列中。例如，智能电话可以包括这样的集成机电致动器的阵列，其中，一些制动器的电极如图7中所示地围绕圆周设置，并且其他制动器的电极如图2中所示地设置在位于长轴的相对端。控制器(诸如图5的控制器504)可以被配置为，使用AC和/或DC激励控制两种类型的致动器以生成触觉反馈。控制器504可以执行诸如图9的流程图中所示的方法。
此外，尽管图2中所示的机电致动器是针对DC激励描述的，并且图7中的机电致动器是针对AC激励描述的，但是图2或图7二者之一的机电致动器都可以接收DC或AC激励。例如，图5的控制器504可以被配置为将参照图2、图3、图4、图5和图6所描述的DC激励施加到图7的机电致动器。作为另一个示例，图5的控制器504可以被配置成将参照图7所描述的AC激励施加到图2的机电致动器。可以可替选地将AC和DC激励施加到图2或图7的机电致动器二者之一。另外，可以将AC和DC激励同时施加到图2或图7的机电致动器二者之一，以创建具有振动反馈的纹理表面。
图9是阐明根据本公开的一个实施例的在具有圆柱形机电致动器的阵列的电子设备中生成触觉反馈的方法的流程图。方法900可以开始于框902，接收指示触觉反馈的类型的控制信号以提供给用户。例如，处理器506可以生成由控制器504接收的控制信号。控制信号可以指示振动感觉或者应用纹理以得到所期望类型的触觉反馈。然后，在框904，控制器504可以根据所指示的触觉反馈的类型生成反馈信号。例如，当指示控制器504生成振动感觉时，控制器504可以生成或获得交流(AC)激励。在另一示例中，当指示控制器504将纹理施加到显示屏时，控制器504可以生成或获得直流(DC)刺激。然后，在框906，控制器504可以将反馈信号施加到透明机电致动器的第一和第二电极，以产生所指示类型的触觉反馈。对生成的反馈信号的施加可以包括对阵列内的单个或一组致动器进行寻址。可以基于从处理器506接收的触觉反馈在显示屏上的期望位置的指示，选择所寻址的致动器。
可以使用半导体制作技术的新颖组合，制作机电致动器的阵列，例如图2和图7中所阐明的那些或其组合。图10是阐明根据本公开的一个实施例的制作圆柱形机电致动器的阵列的方法的流程图。方法1000可以开始于框1002，在透明衬底上沉积机电芯材。当制作机电致动器(例如图2中的机电致动器)时，可以在框1002之前沉积透明导电材料。然后，在框1004，可以在机电芯材上沉积透明导电材料。接下来，在框1006，可以图案化机电芯材以形成透明的机电致动器的阵列。同时地或在分离的处理步骤中，透明导电材料还可以被图案化以形成与机电芯材接触的第一和第二电极。
在机电致动器的阵列的一些实施例中，能够使用物理/化学光刻工艺或热塑性纳米/微米压印光刻(T-NIL)或者二者的组合来在显示器上制作活性膜。利用物理/化学光刻，三个或更多个步骤可以包括从沉积活性膜开始。取决于活性材料的性质(例如其是固体还是在溶液中)，可以采用CVD沉积或旋涂。在沉积之后，可以应用纳米制备技术(例如等离子体、UV和/或化学)来设计期望的结构。在一些实施例中，可以激活致动器以提高机电材料芯的压电性能。例如，可以在加热阵列的同时，将高电场施加到机电致动器的阵列以提高压电性能。利用热塑性纳米/微米压印光刻(T-NIL)，可以在加热聚合物的同时通过机械变形将模具冲压成聚合物。T-NIL可以提供更低成本的处理和改进的聚合物的结晶度，这可以产生机电致动器材料芯的更好的压电性能。
上述机电致动器的阵列可以有利地用于电子设备中，诸如通过将阵列与显示设备集成。在一些实施例中，可以将完全透明的局部化触觉反馈设备集成在使用机电致动器的阵列的触摸屏的顶部。此外，取决于阵列中的致动器的数量和致动器之间的间隔，微米至毫米级别的分辨率的致动和感测可以是可能的。在一些实施例中，传感电路的合并可以允许通过检测整个阵列的电阻率的变化来感测用户输入。
如果在固件和/或软件中实现，则诸如以上参照图9的流程图描述的功能可以作为一个或更多个指令或代码存储在计算机可读介质上。示例包括用数据结构编码的非临时性计算机可读介质以及用计算机程序编码的计算机可读介质。计算机可读介质包括物理计算机存储介质。存储介质可以是能够被计算机访问的任何可用介质。举例而言而非限制，这种计算机可读介质能够包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、压缩光盘只读存储器(CD-ROM)或其它光盘存储器、磁盘存储器或其它磁性存储设备，或者能够用于以指令或数据结构的形式存储所期望的程序代码并且能够由计算机访问的任何其它介质。磁盘和光盘包括压缩光盘(CD)、激光光盘、光盘、数字多功能光盘(DVD)、软盘和蓝光光盘。通常，磁盘磁性地再现数据，而光盘光学地再现数据。以上的组合还应该被包括在计算机可读介质的范围内。
除了存储在计算机可读介质上之外，指令和/或数据可以被提供为包括在通信装置中的传输介质上的信号。例如，通信装置可以包括具有对指令和数据进行指示的信号收发器。指令和数据被配置为使一个或更多个处理器实现权利要求中概述的功能。
尽管已经详细描述了本公开和某些代表性优点，但是应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，能够在此做出各种改变、替换和变更。此外，本申请的范围并不旨在限于本说明书中描述的过程、机器、制作、物质组成、单元、方法和步骤的特定实施例。如本领域普通技术人员将容易从本公开中理解的，可以利用当前存在或以后要开发的、与本文描述的对应实施例执行基本相同的功能或实现基本相同的结果的过程、机器、制作，物质组成、单元、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这样的过程、机器、制作、物质组成、单元、方法或步骤包括在其范围内。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
显示设备；
所述显示设备上的透明机电致动器的阵列，其中，所述透明机电致动器的阵列中的每个透明机电致动器包括：
圆柱形机电材料芯；
附接到所述圆柱形机电材料芯的第一电极；以及
附接到所述圆柱形机电材料芯的第二电极，其中，所述第一电极、所述第二电极和所述圆柱形机电材料芯沿着从所述显示设备发出的光的方向垂直地堆叠；以及
耦接到所述第一电极和所述第二电极的触觉反馈控制电路，其中，所述触觉反馈控制电路被配置为提供直流(DC)信号以通过所述透明机电致动器的阵列施加触觉反馈，
其中，触觉反馈控制信号被配置为使多个透明机电传感器在所述显示设备上模拟纹理。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述圆柱形机电材料芯包括压电PVDF-TrFE-CFE聚合物。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，触觉反馈电路被配置为生成直流(DC)信号以使所述圆柱形机电材料芯膨胀，以引起静态偏转来创建模拟纹理。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述触觉反馈控制电路被配置为至少部分地基于通过所述第一电极和所述第二电极施加的电流来控制所述圆柱形机电材料芯的静态偏转量。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述触觉反馈控制电路还被配置为提供交流(AC)信号以施加振动反馈作为所述触觉反馈的一部分。
6.根据权利要求1所述的装置，还包括耦接到所述第一电极和所述第二电极的输入传感电路，其中，所述输入传感电路被配置为测量被施加到所述透明机电致动器的力和压力中的至少一者，并且生成指示所述显示设备上的用户输入的信号。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述显示设备包括电容性传感层，并且所述装置还包括输入传感电路，所述输入传感电路耦接到所述电容性传感层，并且被配置为至少部分地基于所测量的所述电容性传感层的电容生成指示所述显示设备上的用户输入的信号。
8.一种装置，包括：
显示设备；
所述显示设备上的透明机电致动器的阵列，其中，所述透明机电致动器的阵列中的每个透明机电致动器包括：
圆柱形机电材料芯；
附接到所述圆柱形机电材料芯的第一电极；以及
附接到所述圆柱形机电材料芯的第二电极，
其中，所述第一电极和所述第二电极围绕所述圆柱形机电材料芯的圆周定向；以及
耦接到所述第一电极和所述第二电极的触觉反馈控制电路，其中，所述触觉反馈控制电路被配置为提供交流(AC)信号以通过所述透明机电致动器的阵列施加触觉反馈。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述圆柱形机电材料芯包括压电PVDF-TrFE-CFE聚合物。
10.根据权利要求8所述的装置，其中，所述触觉反馈控制电路还被配置为提供直流(DC)信号以通过所述透明机电致动器的阵列施加触觉反馈，其中，触觉反馈控制信号被配置为使多个透明机电传感器在所述显示设备上模拟纹理。
11.根据权利要求8所述的装置，还包括耦接到所述第一电极和所述第二电极的输入传感电路，其中，所述输入传感电路被配置为测量施加到所述透明机电致动器的力和压力中的至少一者，并且生成指示所述显示设备上的用户输入的信号。
12.根据权利要求8所述的装置，其中，所述显示设备包括电容性传感层，并且所述装置还包括输入传感电路，所述输入传感电路耦接到所述电容性传感层，并且被配置为至少部分地基于所测量的所述电容性传感层的电容来生成指示所述显示设备上的用户输入的信号。
13.根据权利要求8所述的装置，其中，所述触觉反馈控制电路被配置为通过所述透明机电致动器的阵列提供振动反馈。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述触觉反馈控制电路被配置为通过所述交流(AC)信号的振幅和频率中的至少一者来调节所述振动反馈。
15.一种透明机电致动器，包括：
圆柱形压电芯；
附接到所述压电芯的第一电极；以及
与所述第一电极分离并且附接到所述压电芯的第二电极，
其中，所述压电芯、所述第一电极和所述第二电极是透明的，
其中，所述透明机电致动器被配置为在所述第一电极和所述第二电极接收直流(DC)信号，并且被配置为基于所述直流信号生成触觉反馈，
其中，所述直流信号被配置为使所述透明机电致动器模拟纹理。
16.根据权利要求15所述的透明机电致动器，其中，所述压电芯包括圆柱体，并且其中，所述第一电极、所述压电芯和所述第二电极大致沿着所述圆柱体的长轴堆叠，所述第一电极和所述第二电极附接到所述圆柱体的相对面。
17.根据权利要求15所述的透明机电致动器，还包括被配置为生成所述直流信号的触觉反馈控制电路。
18.根据权利要求15所述的透明机电致动器，其中，所述直流信号被配置为通过触觉反馈生成按钮。
19.一种透明机电致动器，包括：
圆柱形压电芯；
附接到所述压电芯的第一电极；以及
与所述第一电极分离并且附接到所述压电芯的第二电极，
其中，所述压电芯、所述第一电极和所述第二电极是透明的，
其中，所述第一电极和所述第二电极围绕圆柱体的圆周定向，
其中，所述透明机电致动器被配置为在所述第一电极和所述第二电极接收交流(AC)信号，并且被配置为基于所述交流信号生成触觉反馈。
20.根据权利要求19所述的透明机电致动器，还包括被配置为生成所述交流信号的触觉反馈控制电路。
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