CN114569429A - 多模态触觉设备 - Google Patents

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CN114569429A CN202111450319.0A CN202111450319A CN114569429A CN 114569429 A CN114569429 A CN 114569429A CN 202111450319 A CN202111450319 A CN 202111450319A CN 114569429 A CN114569429 A CN 114569429A
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E·奥利耶
T·卡洛夫
F·卡塞特
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Abstract

本发明涉及一种多模态触觉设备，其包括包含至少一个单元(10)的矩阵(1)，每个单元包括：‑能够产生冷却和加热的至少一个热元件(110，111，112)；‑能够产生振动的至少一个振动元件(130)；以及‑由电绝缘材料制成的至少一个封装层(500，501，502)；所述至少一个振动元件和所述至少一个热元件在至少一部分中被锚固在所述至少一个封装层中；每个单元适于与人的皮肤直接或间接地接触，以将热和/或振动感觉传递到该人，所述单元具有小于或等于10毫米的厚度。

Description

多模态触觉设备
技术领域
本发明涉及触觉领域，并且更特别地涉及多模态触觉设备，也就是说，能够向用户施加力、压力、振动和/或移动以及温度差以向该人传递不同感觉或不同信息(纹理、粘性、形状、力、热等)的设备。更具体地，触觉设备采取多模态触觉矩阵的形式，其包括包含在矩阵中的一个或更多单元。
背景技术
术语“触觉(haptic)”表示触摸的科学。与仅定义触摸感的术语“触感(tactile)”不同，“触觉”包含触摸的动觉维度，也就是说，在环境中的身体的感知。
触觉设备是一种触感和动觉***，其可以显著地在人类与他或她的环境的一部分之间创建通信，如果必要的话，在用户与虚拟环境之间创建通信。触觉设备可以例如允许用户在具有触感的感觉(触摸)和动觉感知的虚拟环境中设计、建模和操纵对象。
几种技术通常通过将触摸屏安装在力反馈设备上而将触感和动觉反馈相结合。这些技术总体基本上实现机械装置，该机械装置具有例如产生实际上可以被调制的振动的小型化马达或压电元件，但是总体上不能提供真实的触感信息。那么，触觉反馈总体上不足以使环境成为可触知的(tangible)并且相当缺乏真实性。人类对触摸的感知实际上是多模态的，人类需要多种信息，诸如形式、纹理、温度，以通过触摸来识别对象。有趣的是，即使在没有其它触感信息的情况下，人类也能够仅基于热信号来区分各种材料。
一些技术将压电元件结合在柔性基质例如柔性硅酮聚合物中，以便更好地与人体交互。基于微流体元件的其它技术使得有可能在手上产生局部压力，并因此产生某种触摸感。然而，事实仍然是这些技术仅传递不足以允许人类触摸的真实感知的信息量。
其它技术包含用于生成热触觉效应的元件。
专利US 9703381描述了一种多模态触觉设备，其包括各自容纳特定温度的流体(例如热流体和冷流体)的第一容器和第二容器；各自通过歧管连接到第一容器和连接到第二容器的第一管道和第二管道；以及连接到第一和第二管道的至少一个触感显示单元，该单元实际上是能够将触感信息传递到身体的触感传递单元。歧管包括泵和阀，用于控制和调节管道中的流体的循环。容器通过珀尔帖(Peltier)元件联接在一起，该珀尔帖元件可以加热第一容器，同时其冷却第二容器。从而，热流体在第一管道中循环，冷流体在第二管道中循环，并且流体在到达触感传递单元之前根据可以被设定的比例混合，以传递从而可以被调制的热感。触感传递单元可以包括由弹性材料制成的可充气腔室并且可以传递触感反馈。因此，所描述的设备基于流体元件，珀尔帖元件使得有可能调制这些元件的热量，从而间接地参与到热量到身体的传递中。因此，所描述的设备相对复杂，具有许多元件，这使得其成为相对庞大的设备，具有流体泄漏的风险，并且潜在地具有热损失的风险。
另一种多模态触觉设备在出版物“Altered Touch:Miniature Haptic Displaywith Force,Thermal and Tactile Feedback for Augmented Haptics”，TakakiMurakami，TannerPerson，Charith Lasantha Fernando，和Kouta Minamizawa(SIGCGRAPH2017 Emerging Technologies，2017年7月文章号：2页1-2，DOI：http://dx.doi.org/10.1145/3084822.3084836)中呈现。所描述的多模态触觉设备包括与马达相关联的珀尔帖模块，以产生触感和热效应。尽管如此，其是仅适合于手指的末端的模块。其相对庞大。其可以仅包含一个珀尔帖模块，这不可能重复以获得大的感知表面。
其它技术致力于柔性薄层形式的柔性珀尔帖模块(而不是如先前描述和通常使用的具有“腿”的那种珀尔帖模块)的制造，其可以使得有可能减小珀尔帖模块的体积。例如在出版物““High-performance and compact-designed flexible thermoelectric modulesenabled by a reticulate carbon nanotube architecture”(Nature Communications,DOI:10.1038/ncomms14886)中描述了一种技术，其呈现了由掺杂有聚乙烯亚胺(PEI)在乙醇中的溶液的碳纳米管的厚沉积物制造的珀尔帖模块。该方法使得有可能获得p和n掺杂并制造柔性模块。然而，这种珀尔帖模块允许在薄层而不是垂直于所述层的平面中的温度变化。此外，其不形成多模态触觉设备。
本发明旨在克服现有技术的上述缺点。
更具体地，本发明旨在提供一种多模态触觉设备，其使得有可能不仅将机械或振动应力(下文中称为“振动模式”)而且还可以将温度应力(下文中称为“热模式”)传递到身体，并且其具有减小的厚度，也就是说，几毫米、甚至小于一毫米的厚度。
优选地，寻求一种柔性多模态触觉设备，其可以适应于不同的形态，甚至可以构成一种第二皮肤。
还寻求一种多模态触觉设备，其可以根据振动模式和热模式两者并且同时根据振动模式和热模式被驱动。
发明内容
本发明的主题是一种多模态触觉设备，其使得有可能弥补这些缺点，所述设备包括包含至少一个单元的矩阵，每个单元包括：
-能够产生冷却和加热的至少一个热元件；
-能够产生振动的至少一个振动元件；以及
-由电绝缘材料制成的至少一个封装层；
所述至少一个振动元件和所述至少一个热元件在至少一个部分中被锚固在所述至少一个封装层中；每个单元适于直接或间接地与人的皮肤接触，以便将热和/或振动感觉传递到该人，所述单元具有小于或等于十毫米的厚度，所述至少一个热元件具有大于所述至少一个振动元件的高度的高度。
封装层被理解为是指符合于锚固单元和/或矩阵的热和/或振动元件或者多个热和/或振动元件的至少一部分的层。封装层不必完全包围热和振动元件或者多个热和振动元件。
根据本发明，术语“厚度”和“高度”指代当触觉设备被直接或间接地设置在人的皮肤上时在垂直于所述皮肤的方向上的尺寸。纵向方向指代与单元、矩阵或设备在其主平面中的最大尺寸相对应的方向。术语“下方”和“上方”应当参照垂直方向来理解。
该单元可以具有1毫米与20毫米之间的长度以及1毫米与20毫米之间的宽度。
因此，根据本发明的触觉设备是多模态触觉设备，其使得不仅有可能将振动应力而且有可能将热应力传递到人的皮肤，并且其具有一个或更多单元的矩阵形式的结构赋予其减小的厚度。
根据本发明的设备还可以包括单独采取的或根据所有可能的技术组合采取的以下特征中的一个或更多。
优选地，至少一个单元进一步包括：
-多个底部导电迹线，其能够在热和振动元件的底部处产生电连接；以及
-多个顶部导电迹线，其能够在热和振动元件的顶部处产生电连接，并且优选地产生用于所述元件的驱动的布线。
底部和/或顶部导电迹线可由金属(例如由铜、金、铝或镍)或由碳制成，或者甚至基于例如呈导电墨的形式实现的导电颗粒(例如基于PEDOT-PSS，其是聚(3，4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)和钠聚(苯乙烯磺酸)(PSS)的首字母缩写)。
优选地，所述至少一个单元包括多个导电通孔，所述通孔允许在顶部导电迹线与热元件和振动元件之间产生竖直电连接。
通孔可以由铜、金、铝和/或导电胶制成。
根据一个实施例，所述至少一个封装层包括由第一绝缘材料制成的第一封装层以及由第二绝缘材料制成的第二封装层，第一和第二层能够被接合，和/或第一和第二绝缘材料能够是相同的。
根据特定实施例，第二封装层包含顶部导电迹线，形成互连再分布层，所述再分布层优选地是柔性的。
根据优选实施例，至少一个热元件是珀尔帖元件，优选地是串联电连接的N型和P型的至少两个珀尔帖元件，以形成珀尔帖模块。
特别地，至少一个单元可以包括与至少一个珀尔帖模块相关联的热沉装置。这使得有可能保证珀尔帖模块在冷却模式下的最佳操作。
根据可与前述实施例相组合的一个实施例，至少一个热元件是加热电阻器和/或辐射元件，例如红外(IR)辐射元件。加热电阻器可以是由石墨(C)制成的电阻器或由银(Ag)制成的电阻器。
振动元件可以是压电元件、铁电元件和/或电磁元件。
根据特定实施例，至少一个热和/或振动元件，优选地所有热和/或振动元件，被完全封装在至少一个封装层中。
封装层(或多个封装层)可以由以下材料中的一种或多种制成：聚合物，诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚碳酸酯(PC)或硅树脂；玻璃；金属；或者甚至是诸如氧化硅的无机材料。
封装层(或多个封装层)可以由柔性和/或可伸展材料、例如柔性聚合物和/或弹性体制成。
根据可与前述实施例相组合的一个实施例，至少一个单元进一步包括在至少一个热和/或振动元件下方并且优选地在至少一个底部导电迹线下方的至少一个附加的加热迹线。
根据可与前述实施例相组合的一个实施例，至少一个单元包括在至少一个封装层的厚度中在至少两个热和/或振动元件之间的薄化区段。这使得有可能使该单元更柔性。
根据可与前述实施例相组合的一个实施例，至少一个单元包括能够间接地对皮肤施加压力的压力元件，尤其是设置在整个所述单元之上并支承在至少一个元件上的可能是弹性的聚合物或塑料的层。这使得有可能促进单元与皮肤更好的热接触，并促进由振动元件致动的封装材料形成的隔膜的振动行为。
根据特定实施例，至少一个单元包含：
-中央的振动元件；以及
-围绕所述振动元件设置的至少两个珀尔帖模块。
有利地，珀尔帖模块可以具有比振动元件的高度大的高度。从而，具有封装材料的珀尔帖模块可以形成用于振动元件的致动的加强件，从而增强振动操作。
矩阵优选地包括若干单元，甚至更优选地包括若干相同的单元。
根据一个实施例，至少两个热和/或振动元件在同一个单元和/或单元的矩阵中设置为一个在另一个的顶部上。
根据作为前述实施例的替代或补充的实施例，至少两个热和/或振动元件在同一个单元和/或单元的矩阵中彼此并排地设置。
附图说明
在阅读参照通过示例的方式给出的附图给出的描述时，本发明的其它特征、细节和优点将显现，在附图中，分别：
图1表示根据本发明的多模态触觉设备的第一实施例。
图2表示根据本发明的多模态触觉设备的第二实施例。
图3表示根据本发明的多模态触觉设备的第三实施例。
图4表示根据本发明的多模态触觉设备的第四实施例。
图5表示根据本发明的多模态触觉设备的第五实施例。
图6A、图6B、图6C和图6D表示在根据本发明的多模态触觉设备的平面中振动元件与热元件之间的配置的若干示例。
图7A、图7B和图7C表示根据本发明的与多模态触觉设备的珀尔帖模块相关联的不同热沉装置。
图8A、图8B、图8C和图8D表示对应于图6A的配置的四个变型。
图9A和图9B表示根据本发明的多模态触觉设备的根据两个变型的第六实施例。
图10表示由根据本发明的多模态触觉设备的若干单元组成的矩阵。
图11表示用于制造根据本发明的多模态触觉设备的方法的示例。
在所有这些附图中，相同的附图标记可以指代相同或相似的元件。
此外，为了使附图更清晰可读，图中表示的不同部分不一定按照统一的比例表示。
具体实施方式
在所有实施例中，单元10在主平面XY中延伸。其具有小于或等于10毫米、优选地在0.1毫米与5毫米之间的厚度。例如，在竖直集成的情况下，其可以具有1毫米与5毫米之间的厚度，而在平面集成的情况下，其可以具有0.1毫米与1毫米之间的厚度。
单元10可以具有1毫米与20毫米之间的长度(在方向X上的尺寸)以及1毫米与20毫米之间的宽度(在方向Y上的尺寸)。
(封装)材料(或多种封装材料)可以是柔性的和/或可伸展的，但是它/它们也可以是刚性的以被设置在例如智能电话类型的接口上。
尽管振动元件总体上以压电元件的形式呈现，但这不是限制性的，并且它们也可以是铁电和/或电磁元件。
在图1至图8D中，单元的各种元件在平面XY中、并且尤其是在平面XY的方向X上彼此并排设置。在该平面中各种元件的该集成是优选的，因为其使得有可能获得最小的厚度，尤其是使得有可能增加单元的可弯曲性/柔性。此外，其使得有可能通过元件与皮肤的紧邻而促进传递的动态性和有效性，以便加热和冷却皮肤的尽可能多的表面，以将振动传递到该表面。各种元件的小尺寸还使得有可能维持接近于利用皮肤的力学和热受体获得的自然分辨率的空间分辨率，这使得有可能在皮肤上再现局部化的感觉。
此外，在图1至图7C、图9A和图9B中，至少一个封装层符合于完全封装热元件和振动元件。然而，这不是限制性的。如图8A至图8D中示出的，该至少一个封装层符合于仅锚固单元的热元件和振动元件的一部分。
图1表示根据本发明的多模态触觉设备的第一实施例，更具体地，表示包括在根据本发明的多模态触觉设备中的单元的第一实施例。
单元10包括：
-珀尔帖模块110，其包括两个珀尔帖元件111、112，每个模块能够根据施加到所述元件的电偏压而产生冷却和/或加热；
-在方向X上与珀尔帖模块并排设置的振动元件150；以及
-由电绝缘封装材料制成的至少一个封装层500。
已经示出了具有两个元件的珀尔帖模块，但是一般地，珀尔帖模块包括多于两个元件，这可适用于所有实施例，并且更一般地，可适用于根据本发明的单元或矩阵。
典型地，珀尔帖模块包括与N型元件交替连接的P型掺杂的珀尔帖元件，并且该布置允许热量在模块的顶面、相应地底面上被吸收，并且热量在另一个底面、相应地顶面上被排放。这些元件可以彼此串联地电连接。
可替代地，模块的各珀尔帖元件可以仅在冷却模式下操作。在这种情况下，可以提供用于加热的另一个热元件，例如加热电阻器和/或辐射元件，如下文中描述的。
典型地，振动元件是压电元件。
多个200底部导电迹线201、202、205使得有可能在珀尔帖元件111、112的底部上产生电连接201、202，并且在振动元件150的底部上完成电接触205。
多个300顶部导电迹线301、305使得有可能产生珀尔帖元件与用于珀尔帖元件的控制信号的布线(迹线301)以及用于振动元件的控制信号的布线(迹线305)之间的顶部电连接。
底部和/或顶部导电迹线可以由金属(例如由铜、金、铝或镍)或由碳制成，或者甚至基于例如呈导电油墨的形式实现的导电颗粒(例如基于PEDOT-PSS，其是聚(3，4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)和钠聚(苯乙烯磺酸)(PSS)的首字母缩写)。
顶部导电迹线与元件之间的竖直电连接通过由例如铜、金、铝和/或导电胶的导电材料制成的通孔(vias)500产生。
所有元件被完全封装在至少一个封装层500中，从而形成所述单元。
在所示的单元中，存在接合在一起的两个封装层501、502：第一层或底层501(由第一封装材料制成)以及第二层或顶层502(由第二封装材料制成)。
第一封装层501使得有可能完全封装两个珀尔帖元件111、112和振动元件150。其还使得有可能将底部导电迹线200、通孔400和可能的顶部导电迹线300封装到一定高度。第二封装层502使得有可能覆盖顶部导电迹线300。
第二封装层502在顶部导电迹线300上局部开口(开口或“垫”600)，以允许针对所有元件的驱动连接。
第一和第二封装材料可以选自以下材料中的一种或多种：聚合物，诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚碳酸酯(PC)、硅树脂；薄玻璃；或甚至薄金属；甚至是诸如氧化硅的无机材料。它们可以由相同材料或由若干不同材料制成。
封装材料可以是柔性材料，例如弹性体。
第一和/或第二封装材料优选地是介电材料，尤其是用于在元件与电连接迹线(特别是顶部的电连接迹线)之间形成电绝缘。
单元10旨在与人的皮肤直接或间接地(例如经由织物)接触。
振动元件和热元件并排地包含在单元的主平面中，并且在此更具体地说，在单元10的纵向方向X上并排地结合在单元的主平面中。
在该第一实施例中，振动元件的高度小于珀尔帖元件的高度。这使得有可能增强元件的性能水平，并且尤其是振动元件的性能水平，如将在下文中解释的。此外，高度上的该变化由封装层的厚度上的变化并且尤其是底层501的厚度上的变化反映。由此产生特定的拓扑结构，这提供如也将在下文中展开的优点。更一般地，在本发明中，热元件或多个热元件具有比振动元件或多个振动元件的高度大的高度，以便增强元件的性能水平，并且尤其是振动元件的性能水平。
图2表示根据本发明的多模态触觉设备的第二实施例，更具体地，表示包括在根据本发明的多模态触觉设备中的单元的第二实施例。所述单元与第一实施例的单元的区别在于，其进一步包括加热电阻器130，该加热电阻器130由附加的底部导电迹线203形成并且其在方向X上与振动元件150并排设置。两个附加的顶部导电迹线303使得有可能产生加热电阻器130和用于所述电阻器的控制信号的布线的电接触的连续性。
加热电阻器可以是由石墨(C)制成的电阻器或由银(Ag)制成的电阻器，例如由包括例如碳或银(例如纳米Ag)的颗粒(可能地具有纳米尺寸)的油墨获得的电阻器。
第一封装层501使得有可能完全封装两个珀尔帖元件111、112、加热电阻器130以及振动元件150。这进一步使得有可能将底部导电迹线200、通孔400以及可能的顶部导电迹线300封装到一定高度。第二封装层502使得有可能覆盖顶部导电迹线300。
对于第一实施例，振动元件和热元件(珀尔帖元件和加热电阻器)并排包含在单元的主平面中，并且在此更具体地说，在单元10的纵向方向X上并排结合在单元的主平面中。
振动元件和加热电阻器的高度小于珀尔帖元件的高度。此外，该高度上的的变化由两个封装层的高度上的变化、并且尤其是底层501的高度上的变化反映。由此产生特定的拓扑结构，这提供如也将在下文中展开的优点。
应当注意，如果珀尔帖模块除了其冷却功能之外还用于加热，则加热电阻器可以不是必要的，并且于是可以应用第一实施例。
图3表示根据本发明的多模态触觉设备的第三实施例，更具体地，表示包括在根据本发明的多模态触觉设备中的单元的第三实施例，其被表示为放置在皮肤S上。所述单元与第二实施例的单元的区别在于，其进一步包括辐射元件140，并且在于，该单元具有平坦的拓扑结构，即使不同元件的高度不同，但是珀尔帖模块具有比其它元件大的高度。
辐射元件可以是红外(IR)辐射元件，例如产生缓慢的热感觉的低温辐射元件，或者相反地，用于快速热感觉的高温辐射元件。从而，辐射元件可以适于快速加热，而加热电阻器更适合于缓慢加热。从而，两个热元件可以是互补的。
在辐射元件下方提供附加的导电迹线204。两个附加的顶部导电迹线304允许用于辐射元件140的控制信号的布线。
第一封装层501使得有可能完全封装两个珀尔帖元件111、112、加热电阻器130、辐射元件140以及振动元件150。这进一步使得有可能将底部导电迹线200、通孔400以及可能的顶部导电迹线300封装到一定高度。第二封装层502'使得有可能覆盖顶部导电迹线300。
此外，顶部导电迹线被表示为包含在互连再分布层中，形成柔性的顶部封装层502'，这使得有可能实现对于单元的各种元件的控制所必要的所有迹线的布线，并将所有这些迹线聚集在公共且柔性的输出处。该特征不依赖于辐射元件的添加；因此，其可以独立地应用于任何其它实施例，或者更广泛地应用于根据本发明的多模态触觉设备。
另外，所示的单元包括在珀尔帖模块上方的热沉700。该热沉在下文中描述。
对于第一和第二实施例，振动元件和热元件(珀尔帖元件、加热电阻器和辐射元件)并排包含在单元的主平面中，并且在这此更具体地说，在单元10的纵向方向X上并排包含在单元的主平面中。
图4表示根据本发明的多模态触觉设备的第四实施例，其被表示为放置在皮肤S上，更具体地，其是包括在根据本发明的多模态触觉设备中的单元的第四实施例。所述单元与第一实施例的单元的区别在于，其进一步包括附加珀尔帖模块110'，该附加珀尔帖模块110'以使得振动元件150定位在两个珀尔帖模块110、110'之间的方式设置。
对于第一实施例，振动元件的高度小于两个珀尔帖模块的高度，并且这是为了增强元件的性能水平，并且尤其是振动元件的性能水平。该高度上的变化由两个封装层的高度上的变化、并且尤其是底层501的高度上的变化反映。由此产生特定的拓扑结构。该拓扑结构可以有利地用于促进珀尔帖元件与皮肤接触的应用。此外，该特定的拓扑结构使得有可能允许压电元件自由移动以确保其振动。通过使用例如压力元件800，诸如支承在珀尔帖元件上的用于保持所有单元的可能是弹性的聚合物或塑料的层，通过在珀尔帖元件的顶表面上施加压力并且从而对皮肤施加压力(可以变化的压力)，可以增强接触。这使得有可能促进单元与皮肤更好的热接触，并且促进由压电元件致动的封装材料形成的隔膜的振动行为。
图5表示根据本发明的多模态触觉设备的第五实施例，其被表示为放置在皮肤S上，更具体地，是包括在根据本发明的多模态触觉设备中的单元的第五实施例，其与其它实施例的区别在于，封装层501在单元的各元件之间(在此是在每个珀尔帖模块与振动元件之间)被薄化(薄化区段900)。这使得有可能促进单元的柔性。这可以应用于任何实施例，或者更广泛地，应用于包括在根据本发明的多模态触觉设备中的单元的至少两个元件之间。
在图5中可以看出，如在图3中，顶部导电迹线被表示为包含在互连再分布层中，形成柔性的顶部封装层502'，其是可以应用于任何其它实施例或者更广泛地应用于根据本发明的多模态触觉设备的特征。
此外，可以看出，在该实施例中，补充加热迹线251、255、251'的系列250被***在各元件的下方，并且在底部导电迹线200的下方。它们使得有可能在单元的每个元件的下方产生加热电阻器，从而加热电阻器被实现在与皮肤接触的几乎所有表面上以获得更好的分辨率。对于图2的加热迹线，加热迹线250可以由石墨(C)或由金属例如由银(Ag)制成。
该特征独立于封装材料的薄化，并且可以应用于任何其它实施例，或者更广泛地，应用于根据本发明的多模态触觉设备，而其不必与封装材料的薄化的特征相组合。此外，补充加热迹线不必被***所有元件下方，而是可以被***形成单元的一个或几个元件的下方。
目前为止所呈现的各种实施例表示在单元的纵向方向X上彼此并排设置的元件。然而，该布置不是限制性的，并且振动和热元件可以以不同的方式定位在单元的平面XY中。换句话说，在目前为止所呈现的所有实施例中，各元件可以以除了根据在纵向方向X上对齐之外的方式设置。
优选地，通过热元件、特别是珀尔帖元件和/或模块围绕振动元件或若干振动元件的布置，各种元件的定位被优化为放大振动应力。
图6A至图6D呈现在单元的平面XY中的振动元件(在各示例中为一个压电元件)和热元件(在各示例中为若干珀尔帖模块)的构造的若干示例。在这些图中没有示出电连接，但是示出了使得有可能产生加热电阻器的补充加热迹线250。在所示的四种构造中，存在单个压电元件150，并且若干珀尔帖模块110以正方形形式(图6A)或以圆形形式中的任一种围绕该压电元件设置，在圆形形式中珀尔帖模块形成围绕压电元件的环(图6B至图6D)。
珀尔帖模块围绕压电元件的定位提供若干优点：
-珀尔帖模块的重量使得有可能形成围绕压电元件的锚固以确保其振动操作；
-因此由珀尔帖模块占据的表面使得有可能增加它们增强热感觉的效果；其还符合皮肤的热感觉的分辨率总体上小于力学感觉的分辨率；
-由此产生的两个功能(振动和热)之间的耦合使得有可能调制感知，并加强认知效果。
更一般地，两个功能(振动和热)的耦合可以使得例如有可能放大大脑对刺激(尤其是存在接触感觉的情况下的热刺激)的感知和解释。
在所有呈现的实施例中，并且更广泛地在本发明的上下文中，不同的底部导电迹线不必具有相同的厚度。这同样适用于不同的顶部导电迹线。此外，不同的底部导电迹线可以具有不同的高度，这取决于它们所关联的元件，并且对于不同的顶部导电迹线也是类似。连接珀尔帖元件的导电迹线可以比连接振动元件的导电迹线厚，并且这对于底部迹线和/或顶部迹线都是如此。底部和顶部导电迹线不必由相同材料制成。更一般地，在本发明的上下文中，电连接的特性可以对于不同元件是特定的。
现在将详细描述珀尔帖元件和模块以及压电元件，其可以针对所呈现的每个实施例实现，并且更一般地，针对根据本发明的多模态触觉设备实现。
珀尔帖元件和模块
为了获得对于热应力和振动应力二者足够的空间分辨率，珀尔帖元件的尺寸优选地被限制为最大几毫米，甚至限制为小于一毫米。
优选地，使用若干热电元件或珀尔帖元件(“热电臂”)，并且尤其是多个链接在一起的N和P元件，并且该N和P元件的高度在0.2mm与5mm之间，优选为0.2mm至1mm，并且其截面在0.2mm2与和4mm2之间(典型地为1mm2)。珀尔帖元件可以基于允许在-10℃与100℃之间的温度下操作的碲化铋或者基于硅化物(MgSiSn，MnSi，SiGe等)来制造。
为了易于集成在单元中，优选地，一个或两个珀尔帖元件被预先结合在模块中，也就是说预先组装在覆盖有导电迹线(典型地为铜或银)的绝缘基底上。常规地，使用由氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、甚至
Figure BDA0003385645140000131
(聚酰亚胺膜)制成的薄基底，后者使得有可能保证珀尔帖模块的柔性。当基底不是柔性的时，例如通过将各元件与柔性材料组装在一起，可以将珀尔帖模块制成柔性的。优选地，模块(基底、元件和迹线)的总高度小于2毫米。
在所呈现的不同实施例中，并且更一般地对于根据本发明的多模态触觉设备，经由允许控制要被施加到所呈现的元件的电压和/或电流的顶部导电迹线电控制所呈现的元件。这些控制以局部产生振动和热触摸感的方式产生。优选地，控制是动态的，也就是说，仅位于待刺激的区域上的元件被电激活；从而，每个区域可以被移位并且其表面在时间上被调制，从而给出在皮肤表面上移动的刺激的真实印象。
每个珀尔帖模块可以通过施加从几十μ安培到几安培范围内的电流而被驱动，该电流根据模块的材料和几何形状(尤其是元件的尺寸和数量)而变化。
珀尔帖模块可以与热电偶、热敏电阻器或者当触觉设备被施用到人的皮肤时能够测量与皮肤接触时的温度的任何其它装置耦合，所测量的温度能够进入反馈回路，以便确定要被施加在模块的输入处的电流。
取决于珀尔帖模块的构造以及可能地与模块相关联的热沉的构造，温度差可以在从相对短时间的几度到持续地几十度(典型地为20℃)的范围内。对于持续超过几分钟的强烈冷却的热感觉，必须使用热沉来排放热量。在没有热沉或具有非常薄的热沉的情况下，冷的热感觉将是短暂的，并且将持续从几秒到大约1分钟。
该单元可以进一步包括与热元件相关联的补充热装置，类似热沉(在图3中由附图标记700表示)和/或与振动元件相关联的补充机械装置，例如加强件，所有这些是为了增强性能水平。这些补充热和/或机械装置可以由附加元件组成，或者可以通过已经存在的元件的集成和优化放置而获得。
图7A至图7C中示出了不同的热沉。这些热沉有利地被实现为保证珀尔帖模块在冷却模式下的最佳操作。
在图7A中，热沉是包含在或已经存在于顶部导电迹线300中、并且更具体地说在位于珀尔帖模块上方的导电迹线中的热扩散器701。该扩散器可以由金属或由碳制成。
这种由此构造的扩散器，通过一方面允许热的良好分布，另一方面允许与外部的热交换表面积的增加，使得有可能增强自然对流。在稳态条件下，其可以提供几℃的温差，而在瞬态下，其可以在小于1秒的时间量程内提供较大的温差。
当珀尔帖模块和/或单元是柔性的时，该解决方案是优选的解决方案之一。
在图7B中，无源外部热沉元件702，例如具有鳍片的铜或铝的块，被添加到顶部导电迹线300，至少被添加到位于珀尔帖模块上方的导电迹线，以允许增强自然对流。如所示，具有鳍片的热沉元件与热扩散器701接触。
这种外部热沉元件使得有可能促进被珀尔帖模块吸收的热量的存储(呈比热容的形式的存储)以及通过自然对流将其排放到环境空气中。在稳态条件下，其可以提供几℃的温差，而在瞬态下，其可以在几秒的时间量程内提供较大的温差。
然而，当模块和/或单元是柔性的时，该解决方案是受限的，除非其偏移到柔性区域外侧。
在图7C中，可能是柔性的微流体回路703在顶部导电迹线300上、至少在位于珀尔帖模块上方的导电迹线上被设置在珀尔帖模块上方。这通过强制对流、通过在冷却中使用传热流体提取热量而使得有可能甚至进一步增强散热。然后，被提取的热量被传送到热交换器704，以通过自然对流来冷却传热液体。这种设备可以被设计成便携式的。在稳态条件下，其可以提供几十℃的温差。
振动元件
振动元件可以是压电元件、铁电元件和/或电磁元件。这些振动元件的几何形状可以变化。例如，有可能使用具有正方形截面的平行六面体形式的元件，其边长在0.5mm与10mm之间，优选为1mm。厚度可以在1μm与1mm之间，优选在50μm与100μm之间。当厚度较大时，要被施加到材料的电压将较大，以获得电场，并因此获得等效的振动效果。
图8A、图8B、图8C和图8D表示与根据图6A的单元的构造相对应的四种变型，也就是说，在沿着轴线XX'的横截面中看并且被施加到皮肤S，具有在中央处的压电元件150以及围绕该压电元件150的八个珀尔帖模块110，但是没有电阻器250。不同的变型使得有可能采用围绕压电元件的珀尔帖模块的存在来增强压电元件的操作和振动响应。
图8A表示第一变型，其中封装层501使得有可能锚固珀尔帖模块和压电元件的底部，但是其不将它们完全封装。
封装层的厚度为150μm，并且其在平面XY中的尺寸为5*5mm2。
图8B表示第二变型，其与第一变型的不同之处在于，其进一步包括压力元件800，例如支承在珀尔帖元件上的用于保持所有单元的可能是弹性的聚合物或塑料的层，其通过在珀尔帖元件的顶表面上施加压力并且从而通过对皮肤施加压力(可以变化的压力)。这使得有可能促进单元与皮肤更好的热接触并促进由压电元件致动的封装材料形成的隔膜的振动行为。
封装层的厚度为150μm，并且其在平面XY中的尺寸为5*5mm2。
图8C表示第三变型，其与第一变型的不同之处在于，压电元件被完全封装在第一封装层501中，该第一封装层501具有650μm(150μm+500μm)的厚度。珀尔帖模块在底部中由第一封装层501锚固，并且在顶部中由500μm厚的第二封装层502锚固。
封装层在平面XY中的尺寸为5*5mm2。
图8D表示第四变型，其与第一变型的不同之处在于，压电元件和珀尔帖模块在顶部中通过150μm厚的封装层503锚固。
封装层503在平面XY中的尺寸为5*5mm2。
对于不同的变型，通过COMSOL数字仿真软件进行仿真。
仿真是利用这样珀尔帖模块进行的，每个珀尔帖模块形成1mm3的立方体，并且压电元件形成高度为100μm的1mm2的平行六面体。在仿真中，珀尔帖模块彼此均匀地间隔开并与压电元件均匀地间隔开，在两个相邻的珀尔帖模块之间以及在压电元件与最接近的珀尔帖模块之间具有500μm的距离。第一或第二封装层在平面XY中的尺寸为5*5mm2，并且厚度为150μm或650μm，如上所述。
封装材料优选地是柔性的。其可以是柔性聚合物。用聚酰亚胺进行仿真。
这不是限制性的：珀尔帖模块和压电元件可以在平面XY中具有相同的尺寸(和不同的高度)，或在平面XY中具有不同的尺寸。类似地，不同的珀尔帖模块也可以具有相同的尺寸或不同的尺寸(在平面XY中和/或在高度Z上)。此外，在给定方向X和/或Y上两个相邻珀尔帖模块之间的间距随着所述元件在所述方向上的尺寸而变化。在给定方向X和/或Y上的间距可以在从1/10至2倍于元件在所述方向上的尺寸的范围内。此外，压电元件可以在单元的中央处由珀尔帖模块所空出的整个表面之上延伸，或者在该表面的一部分之上延伸。优选地，压电元件在方向X上、相应地在方向Y上的尺寸的一半为压电元件和在方向X、相应地方向Y上最接近的珀尔帖模块之间的距离的50％与60％之间。封装材料可以由另一种柔性聚合物制成，或者甚至不必是柔性的。
仿真示出封装层形成可以传递由压电元件产生的振动的隔膜，该隔膜在皮肤上产生振动触觉效应(其可以伴随通过珀尔帖模块的热效应)。此外，具有封装材料的珀尔帖模块形成用于压电元件的致动的加强件，从而增强振动操作。
从而，发明人已经证明了珀尔帖模块与振动元件之间的协同效应，珀尔帖模块不仅用于产生热或冷，而且还有助于振动元件的操作。应当注意，这对于除了珀尔帖元件之外的任何其它热元件可能是正确的，只要其具有比振动元件大的高度。这进一步使得有可能避免添加与振动元件相关联的补充机械元件，例如加强件。
振动幅度取决于若干参数，包括由封装层形成的隔膜的尺寸以及振动元件的类型。发明人已经确定，在10V量级的电压下利用1cm2的隔膜/封装层，可以容易地实现10μm量级的幅度(与振动触觉效应兼容)。
单元的谐振频率取决于若干参数，包括隔膜/封装层的厚度，并且特别是如图8C中示出的围绕压电元件的封装的厚度。发明人已经确定，对于650μm的厚度(图8C)，单元的谐振频率为244kHz，相比较对于150μm的厚度(图8A或图8B)，单元的谐振频率为77kHz。
单元的谐振频率还取决于隔膜/封装层的平面中的尺寸。发明人已经确定，通过增加封装层的尺寸，谐振频率降低。仿真使得有可能示出，在7*7mm2的尺寸的情况下(并且在3.5*3.5mm2的压电元件和20个珀尔帖模块的情况下)，谐振频率为31.5kHz，以及，在20*20mm2的尺寸的情况下(并且在10*10mm2的压电元件和56个珀尔帖模块的情况下)，谐振频率为3.8kHz。
图8D的第四变型的仿真给出77kHz的频率。该第四变型允许声波被传递到皮肤的表面。
图9A和图9B表示根据本发明的多模态触觉设备的第六实施例，其中各元件没有在平面XY中彼此并排设置，而是在与该平面成直角的方向Z上设置为一个在另一个的顶部上。图9A和图9B具体表示设置在振动元件上方并组装在一起的热元件(尤其是珀尔帖模块)。
在第一变型(图9A)中，热元件110被封装在第一封装层510中，并且振动元件150被封装在第二封装层520中，这两个层由相同材料或两种不同材料制成。两个层例如通过所述层的层压被组装在一起。各层可以是柔性的，例如由柔性聚合物制成。各层中的每个可以包括允许各种元件被供电和驱动的电连接。
在第二变型(图9B)中，热元件110和振动元件150被封装在同一个封装层530中。
该第六实施例可以发展为多个变型，这些变型无法被全部展开，具有不仅是珀尔帖元件的热元件的变型、具有一个或更多振动元件的变型、具有一个或更多附加层的变型等。此外，该实施例可以与其它实施例组合，因为各元件可以在平面XY中并且也在方向Z上彼此并排地设置。可以设想所有技术上可能的组合。
若干单元，尤其是根据不同实施例描述的单元，可以在平面XY中以矩阵形式彼此并排地组装，这使得有可能获得更大表面积的触觉设备。有可能组装相同类型的单元或不同单元。
图10表示由若干单元组成的矩阵，该矩阵被包括在根据本发明的多模态触觉设备中。非常示意性地示出了矩阵1，而没有用于对各种元件供电和驱动各种元件所必需的电连接。所示矩阵包括多个相同的基本单元10。基本单元对应于规则地重复若干次的图6A的单元(一个中央压电元件150和围绕其均匀设置的八个珀尔帖模块)。此外，两个相邻单元共用一排三个珀尔帖模块。
所示的矩阵包括在平面XY中规则地彼此并排设置的若干相同的单元，并且它们被封装在同一个封装层中。然而，该配置不是限制性的。从而，矩阵可以由以下组成：
-若干相同或不同的单元；和/或
-在平面XY中规则或不规则地设置的若干单元；和/或
-具有不同封装层的单元；和/或
-在与平面XY成直角的方向Z上设置为一个在另一个的顶部上的一个或更多元件；和/或
-在与平面XY成直角的方向Z上设置为一个在另一个的顶部上的一个或更多单元，等等。
图11表示用于制造根据本发明的多模态触觉设备、并且更具体地包括在根据本发明的设备中的单元的方法的示例。关于单元中各元件的参考，可以参考前面的附图，并且尤其是参考图1至图5：
-步骤1：起点是由绝缘材料制成的基底，其可以是由聚合物(PET、PEN、PI、PC、硅树脂等)、薄玻璃或甚至薄金属制成的柔性或可伸展的基底；该基底可以以干膜或固化液膜的形式获得；
-步骤2(可选的)：沉积一个或更多加热迹线250；它们可以由金属或导电油墨(例如基于银或碳)沉积然后通过光刻或印刷而结构化而制成；
-步骤3(可选的)：沉积由绝缘材料制成的膜；其可以是针对基底列举的材料之一，甚至是与基底的材料相同的材料，并且其可以以干膜或固化液膜的形式获得；
-步骤4：制造底部导电迹线200；它们可以由金属或导电油墨(例如基于银或碳)沉积然后通过光刻或印刷而结构化而制成；
-步骤5：使振动元件或多个振动元件150与对应的底部导电迹线205接触；
-步骤6和7：使热元件或多个热元件111、112、110、130、140与对应的底部导电迹线201、202、203、204接触：例如至少一个P型珀尔帖元件11和至少一个N型珀尔帖元件112，以形成珀尔帖模块110、加热电阻器130和/或辐射元件140；
-步骤8：沉积绝缘材料的层：其可以是针对基底列举的材料之一，甚至是与基底的材料相同的材料；该沉积可以以液体形式执行，例如通过对于本领域技术人员已知的“旋涂”或“狭缝模头”方法之一；这使得有可能完成第一绝缘材料层(第一封装层501)；
-步骤9(可选的)：可以提供步骤8中沉积的绝缘材料层的平面化的步骤，例如通过化学机械抛光(CMP)；
-步骤10：通过使用例如光刻和化学或等离子体蚀刻方法或激光方法，打开在步骤8中沉积的绝缘材料层中的通孔400；
-步骤11：用导电材料(例如铜)填充通孔以产生电连接：其可涉及生长方法(“无电”方法或通过丝网印刷沉积导电膏的方法)；
-步骤12：制造顶部导电迹线300(用于珀尔帖元件和用于各种元件的布线的连接)：其可涉及沉积金属或导电油墨(例如基于银或碳)然后通过光刻或印刷被结构化；
-步骤13(可选的)：如果必要的话，尤其是在具有若干水平的情况下，可以制造布线互连：其可涉及沉积金属或导电油墨(例如基于银或碳)然后通过光刻或印刷被结构化；
-步骤14：制造第二绝缘材料层(第二封装层502)；其可涉及针对基底列举的材料之一，甚至是与基底的材料相同的材料，并且其可以以干膜或固化液膜的形式被施加；
-步骤15：通过使用例如光刻和化学或等离子体蚀刻方法或激光方法，在第二层中制造垫600的开口，以允许用于驱动所有元件的连接；
-步骤16(可选的)：例如通过光刻和化学或等离子体蚀刻方法，或通过激光方法，可以制造一层或更多层绝缘材料的薄化区段900。
关于步骤1、3和8，它们如前所述但是在若干步骤中形成第一封装层，以便能够支撑、引入和覆盖各元件和导电迹线。可以看出，该第一层可以由单一绝缘材料或由若干不同的绝缘材料制成。
关于步骤5，这些可以是压电元件或铁电元件，甚至是电磁元件，例如基于PZT(锆钛酸铅)或任何其它合适材料的元件；可以通过“拾取和放置”类型的方法(通过机动化臂从源支撑件获取元件，将元件定位和放置在基底上)来执行转移。
关于步骤6和7，珀尔帖元件可以基于碲化铋来制造，其允许在-10℃与100℃之间的温度下操作；或者基于硅化物(MgSiSn、MnSi、SiGe等)，其是在该温度范围内具有较低性能水平的材料，但是其资源较少受限。
珀尔帖元件可以被预先集成在模块中，也就是说被预先组装在覆盖有导电迹线(典型地为铜或银)的绝缘基底上。从而，珀尔帖元件可以基于通过“拾取和放置”方法转移到DBC(直接键合铜)类型的绝缘基材上的固体材料制造，所述DBC例如氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)，甚至
Figure BDA0003385645140000201
(聚酰亚胺膜)；或者通过薄或厚的沉积技术(几十到几百微米)制造。
优选地，使用薄化的固体元件(典型地在200μm与600μm之间)以增强其性能水平。这些元件也可以被沉积或印刷在膜(碳纳米管/聚合物复合材料，TiS2/己胺超晶格)中。
从而，可以通过已知的微电子制造方法容易地制造单元。可以在前述步骤期间同时制造若干单元，以便形成若干单元的矩阵。
所呈现的不同实施例可以相互组合。
此外，本发明不限于先前描述的实施例，而是扩展到落入权利要求书的范围内的任何实施例。

Claims (20)

1.多模态触觉设备，其包括包含至少一个单元(10)的矩阵(1)，每个单元包括：
-能够产生冷却和加热的至少一个热元件(110，111，112，130，140，110')；
-能够产生振动的至少一个振动元件(130)；以及
-由电绝缘材料制成的至少一个封装层(500，501，502，502'，503，510，520，530)；
所述至少一个振动元件和所述至少一个热元件在至少一部分中被锚固在所述至少一个封装层中；
每个单元(10)适于与人的皮肤直接或间接地接触，以将热和/或振动感觉传递到该人，所述单元具有小于或等于10毫米的厚度，所述至少一个热元件具有比所述至少一个振动元件的高度大的高度。
2.根据权利要求1所述的设备，至少一个单元(10)进一步包括：
-多个(200)底部导电迹线(201，202，203，204，205)，其能够在所述热元件和振动元件的底部处产生电连接；以及
-多个(300)顶部导电迹线(301，303，304，305)，其能够在所述热元件和振动元件的顶部处产生电连接，并且优选地产生至少用于所述元件的驱动的布线。
3.根据权利要求2所述的设备，所述至少一个单元(10)进一步包括多个导电通孔(500)，所述通孔允许在所述顶部导电迹线与所述热元件和振动元件之间产生竖直电连接。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，所述至少一个封装层(500)包括由第一绝缘材料制成的第一封装层(501，510)以及由第二绝缘材料制成的第二封装层(502，502'，520)，所述第一层和第二层能够被接合，和/或所述第一绝缘材料和第二绝缘材料能够是相同的。
5.根据权利要求2和3之一并结合权利要求4所述的设备，所述第二封装层(502')包含所述顶部导电迹线，形成互连再分布层，所述再分布层优选地是柔性的。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，至少一个热元件是珀尔帖元件，优选地是串联电连接的N型和P型的至少两个珀尔帖元件(111，112)，以形成珀尔帖模块(110)。
7.根据权利要求6所述的设备，至少一个单元(10)包括与至少一个珀尔帖模块(110)相关联的热沉装置(700，701，702，703)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，至少一个热元件是加热电阻(130)和/或辐射元件(140)，例如红外(IR)辐射元件。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，至少一个振动元件(150)是压电元件、铁电元件和/或电磁元件。
10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，至少一个热元件和/或振动元件、优选地所有的所述热元件和/或振动元件被完全封装在至少一个封装层中。
11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，所述至少一个封装层由以下材料中的一种或多种制成：聚合物，诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚碳酸酯(PC)或硅树脂；玻璃；金属；或者甚至是诸如氧化硅的无机材料。
12.根据前述权利要求中任一项所述的设备，所述至少一个封装层由例如柔性聚合物和/或弹性体的柔性或可伸展材料制成。
13.根据前述权利要求中任一项所述的设备，至少一个单元(10)进一步包括在至少一个热元件和/或振动元件下方、并且优选地在至少一个底部导电迹线下方的至少一个附加的加热迹线(250)。
14.根据前述权利要求中任一项所述的设备，至少一个单元(10)包括在至少一个封装层(501)的厚度中在至少两个热元件和/或振动元件之间的薄化区段(900)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的设备，至少一个单元(10)包括能够间接地对皮肤施加压力的压力元件(800)，尤其是设置在所有所述单元之上并支承在至少一个元件上的可能是弹性的聚合物或塑料的层。
16.根据前述权利要求中任一项所述的设备，至少一个单元(10)包括：
-中央的振动元件(150)；以及
-围绕所述振动元件设置的至少两个珀尔帖模块(110，110')。
17.根据权利要求16所述的设备，所述珀尔帖模块(110，110')具有比所述振动元件(150)的高度大的高度。
18.根据前述权利要求中任一项所述的设备，所述矩阵(1)包括若干单元(10)，优选为若干相同的单元。
19.根据前述权利要求中任一项所述的设备，至少两个热元件和/或振动元件在同一个单元和/或单元的矩阵中被设置为一个在另一个的顶部上。
20.根据前述权利要求中任一项所述的设备，至少两个热元件和/或振动元件在同一个单元和/或单元的矩阵中彼此并排设置。
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