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CN106662899B - 用于触摸输入和触觉反馈应用的集成式压电悬臂致动器和晶体管 - Google Patents

用于触摸输入和触觉反馈应用的集成式压电悬臂致动器和晶体管 Download PDF

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CN106662899B
CN106662899B CN201680000914.5A CN201680000914A CN106662899B CN 106662899 B CN106662899 B CN 106662899B CN 201680000914 A CN201680000914 A CN 201680000914A CN 106662899 B CN106662899 B CN 106662899B
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Abstract

可以生成用户反馈并且可以通过集成到电子设备中的单个半导体元件来接收用户输入。单个半导体元件可以包括与晶体管(例如薄膜晶体管)集成的压电悬臂致动器，使得致动器与晶体管电绝缘但机械地附接到晶体管。一种集成方式是将致动器的压电薄膜延伸到晶体管的栅电极叠层中。悬臂致动器可以被控制以提供触觉反馈。可以通过与悬臂致动器集成的晶体管而与悬臂致动器的控制独立地并且可能同时地接收用户输入。

Description

用于触摸输入和触觉反馈应用的集成式压电悬臂致动器和晶 体管
对相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年6月26日提交的美国临时专利申请第62/185506号的优先权的权益，故通过引用的方式将其全部内容并入本文。
技术领域
本公开内容涉及用户输入和与电子设备的交互。更具体地，本公开内容涉及对用户输入的处理以及通过压电悬臂向用户提供触觉反馈。
背景技术
电子设备，尤其是消费性电子产品，必须通过用于从用户接收输入的装置和用于向用户提供输出的装置来与该设备的用户交互。输入的常规形式包括键盘和鼠标设备，还包括新型触摸屏设备。输出的常规形式包括数字式显示器和切换式灯，而且还包括新型液晶显示器(LCD)技术。
许多电子设备提供的输出的另一种形式是触觉反馈。例如，许多智能手机包括转动质量电动机，该转动质量电动机在用户触摸屏幕时或者为了指示新的电子邮件或来电的通知时会震动。然而，这种触觉反馈是极其受限的，并且不局限于智能手机的任何特定部分。另外，电动机是较大的物体，其制约智能手机的设计并且限制设计者降低智能手机的厚度和其他尺寸的能力。此外，与由电动机所提供的能力相比，尤其是与智能手机内的基于薄膜半导体的元件相比，电动机消耗显著的功率。
这些相同的电子设备中的许多依赖触觉传感以从用户接收输入。在图1中示出了一种常规的触觉传感技术。图1是具有电容式触摸屏的常规智能手机。智能手机100可以包括用于提供上述触觉反馈的转动质量电动机110。智能手机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的剖面。透明材料122可以位于传感器124A至E上。传感器124A至E可以根据传感器124A至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会导致屏幕120中的电容126B、126C和126D变化，而该变化可被传感器124B、124C和124D分别检测到。智能手机100内的处理器可以检测到电容126B、126C和126D的变化，并且将该变化与传感器124B、124C和124D的已知的x和y位置相关联，以确定用户输入的位置。电动机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。
其它常规触觉传感技术例如包括基于随接触位置和/或所施加力变化的电阻变化对输入进行处理的电阻式或压阻式传感器。这些电阻式传感器消耗显著量的功率。另外，它们仅能够测量一个接触点，并且无法检测所施加的力的量。另一常规触觉传感技术是通过量子隧道效应将应力转化为调制电流密度的隧道效应传感器。然而，它们需要电荷耦合器件(CCD)摄像机，CCD摄像机体积大并且难以集成到电子设备中。另一种常规触觉传感技术是电容传感器，其基于接触点中的电容变化来检测输入。该技术提供静态检测，但是缺乏对所施加的力或压力的量进行量化的能力。其它的常规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。然而，这些传感器都由于重量和尺寸问题而难以集成到电子设备中。
以上仅对常规电子设备以及那些设备的输入和输出的一些缺点作了说明。然而这些缺点说明需要对用户输入和用户反馈进行进一步改进，以改善电子设备、例如消费者的智能手机与用户交互的能力。
发明内容
可以生成用户反馈，并通过集成到电子设备中的单个半导体元件接收用户输入。单个半导体元件可以包括与晶体管(例如薄膜晶体管)集成的压电悬臂致动器，使得致动器与晶体管电绝缘但机械地附接到晶体管。一种集成方式是将致动器的压电薄膜延伸到晶体管的栅电极叠层中。压电薄膜通常可以是绝缘材料，使得金属膜可以放置在压电材料的远离晶体管的栅电极叠层的那部分周围。这些金属膜包括两个电极以在没有向对晶体管有影响的两个电极施加信号的情况下控制致动器的偏转。独立于致动器的受控偏转并在一些实施例中与其同时地，延伸到晶体管的栅电极叠层中的压电膜可以基于对致动器施加的力而改变晶体管的电气特性。压电膜延伸到晶体管中可以基于施加到致动器的力而在晶体管的栅电极叠层的界面处感应出电荷。感应电荷可以导致晶体管的阈值电压的改变，这可以通过耦接到晶体管的适当电路来检测。
集成有晶体管和悬臂致动器的单个半导体元件可以是这样的元件的阵列的一部分。例如，阵列可以横跨跨越手套的多个手指的集成元件，或阵列可以横跨跨过智能手机中的显示设备的集成元件。这样的集成元件阵列可以由处理器进行协调以提供触觉反馈，例如模拟物理按钮。这种局部触觉反馈可以通过静态偏转的方式(例如在显示屏中弹出的按钮)，或者通过使用悬臂致动器振动来传递。这样的集成元件阵列也可以用于接收用户输入，例如与由悬臂致动器所产生的升起的按钮交互的用户输入。悬臂致动器能够提供多信号检测，例如力、压力、振动和/或温度的检测。
根据一个实施例，一种能够向用户提供触觉反馈的装置可以包括晶体管，所述晶体管包括至少源电极、漏电极和栅电极。该设备还可以包括含有压电材料的悬臂致动器，其中，所述悬臂致动器通过所述晶体管的所述栅电极电绝缘地但机械地连接到所述晶体管并且与所述晶体管集成，其中，所述悬臂致动器包括与所述源电极、所述漏电极和所述栅电极分离的至少两个电极，其中，所述至少两个电极包括第一电极和第二电极，并且其中，所述至少两个电极允许与通过所述源电极、所述漏电极和所述栅电极访问所述晶体管独立地同时致动所述悬臂致动器。
根据另一个实施例，公开了一种能够向用户提供触觉反馈的电子设备。该电子设备可以包括触觉反馈设备的阵列，其中该触觉反馈设备的阵列的至少一个触觉反馈设备包括：晶体管，所述晶体管包括至少源电极、漏电极和栅电极的；以及含有压电材料的悬臂致动器。所述悬臂致动器可以通过所述晶体管的所述栅电极电绝缘地但机械地连接到所述晶体管并且与所述晶体管集成。所述悬臂致动器可以包括与所述源电极、所述漏电极和所述栅电极分离的至少两个电极。此外，所述至少两个电极可以允许与通过所述源电极、所述漏电极和所述栅电极访问所述晶体管独立地同时致动所述悬臂致动器。所述电子设备可以包括：移动设备、蜂窝电话、笔记本电脑、平板电脑、媒体播放器、全球定位系统(GPS)设备、电子书阅读器、贴片、和/或手套。
根据进一步的实施例，一种向用户提供触觉反馈的方法可以包括：通过晶体管来检测指示对电子设备的用户输入的压电膜的感应电荷的变化，其中，所述压电膜与所述晶体管电绝缘，但机械地连接到所述晶体管；通过耦接到所述晶体管的处理器，至少部分地基于所述感应电荷的变化来确定是否有对传感器的压力，其中，所述感应电荷的变化是至少部分地基于耦接到所述压电膜的晶体管的阈值电压来确定的；通过所述处理器，至少部分地基于所确定的所述传感器处的压力来处理所述用户输入；和/或通过所述处理器，至少部分地基于所接收的用户输入来执行操作。
根据另外的实施例，一种制造用于电子设备的单个半导体元件的方法可以包括：在基底上放置顶部栅结构；在顶部栅结构上放置有源半导体层以形成叠层；在该叠层上放置源电极和漏电极；在该叠层上放置压电层；在该叠层上的压电层上放置顶部栅电极；和/或图案化该叠层以形成各个栅格，每个栅格包括晶体管和悬臂致动器。
根据一个实施例，一种操作具有集成有晶体管和悬臂致动器的单个半导体元件的电子设备的方法可以包括：接收来自处理器的指示提供给用户的触觉反馈的类型的控制信号；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，以在悬臂致动器中引发所指示的类型的触觉反馈。触觉反馈的类型可以包括在显示设备上模拟按钮和/或创建振动。
根据进一步的实施例，一种能够向用户提供触觉反馈的装置可以包括：第一半导体沟道区；第二半导体沟道区；在第一半导体沟道区和第二半导体沟道区上的介电层；在第一半导体沟道区和第二半导体沟道区上的压电层；和/或在第一半导体沟道区和第二半导体沟道区上的栅电极。第一半导体沟道区包括p型半导体，并且第二半导体沟道区包括n型半导体。该装置还可以包括：耦接到第一半导体沟道区的第一源电极；耦接到第二半导体沟道区的第二源电极；和/或耦接到第一半导体沟道区并耦接到第二半导体沟道区的漏电极。该装置还可以包括：耦接到第一源电极和漏电极的第一传感器电路，其中，该第一传感器电路配置为测量压电层内的压电效应；和/或耦接到第二源电极和漏电极的第二传感器电路，其中，该第二传感器电路配置为测量压电层内的热电效应。
在本发明的上下文中描述了二十四(24)个实施例。实施例1包括一种能够向用户提供触觉反馈的装置。该装置包括具有至少源电极、漏电极和栅电极的晶体管；和含有压电材料的悬臂致动器，其中，所述悬臂致动器通过所述晶体管的所述栅电极电绝缘地但机械地连接到所述晶体管并且与所述晶体管集成，其中所述悬臂致动器包括与所述源电极、所述漏电极和所述栅电极分离的至少两个电极，其中，所述至少两个电极包括第一电极和第二电极，并且其中，所述至少两个电极允许与通过所述源电极、所述漏电极和所述栅电极访问所述晶体管独立地同时致动所述悬臂致动器。实施例2是实施例1中的所述装置，该装置还包括：耦接到所述晶体管的至少所述源电极、漏电极和栅电极的感测电路，其中，该感测电路配置为通过感测晶体管的阈值电压的变化来检测施加到悬臂致动器的压力。实施例3是实施例2中所述装置，其中，所述压电材料包括热电材料，并且其中，所述感测电路配置为检测悬臂致动器周围的环境温度。实施例4是实施例1至3中的任一实施例的所述装置，该装置还包括：耦接到所述悬臂致动器的所述至少两个电极的触觉反馈电路。实施例5是实施例4中的所述装置，其中，所述触觉反馈电路配置为生成直流(DC)信号以偏转悬臂致动器。实施例6是实施例5中的所述装置，其中，所述触觉反馈电路配置为模拟从表面升起的按钮。实施例7是实施例4中所述装置，其中，所述触觉反馈电路配置为生成交流(AC)信号以偏转悬臂致动器。实施例8是实施例7中的所述装置，其中，所述触觉反馈电路配置为生成抖动效应。实施例9是实施例1至8中的任一实施例中的所述装置，其中，所述悬臂致动器包括PVDF。实施例10是实施例1至9中的任一实施例中的所述装置，其中，所述悬臂致动器包括附接在所述压电材料的远离所述晶体管的远端处的负载。实施例11是实施例1至10中的任一实施例中的所述装置，其中，所述晶体管包括交错式底栅TFT、共面底栅TFT、交错式顶栅TFT和共面顶栅TFT中的至少一个。实施例12是实施例1至11中的任一实施例中的所述装置，其中，所述晶体管和悬臂致动器都集成在显示设备中，其中，所述显示设备是电子设备的一部分，所述电子设备包括以下各项中的至少一种：移动设备、蜂窝式电话、笔记本电脑、平板电脑、媒体播放器、全球定位系统(GPS)设备和电子书阅读器。
实施例13包括一种能够向用户提供触觉反馈的电子设备。该电子设备能够包括触觉反馈设备的阵列，其中，该触觉反馈设备的阵列的至少一个触觉反馈设备包括：具有至少源电极、漏电极和栅电极的晶体管；以及含有压电材料的悬臂致动器，其中所述悬臂致动器通过所述晶体管的所述栅电极电绝缘地但机械地连接到所述晶体管并且与所述晶体管集成，其中所述悬臂致动器包括与所述源电极、所述漏电极和所述栅电极分离的至少两个电极，其中，所述至少两个电极包括第一电极和第二电极，并且其中所述至少两个电极允许与通过所述源电极、所述漏电极和所述栅电极访问所述晶体管独立地同时致动所述悬臂致动器。实施例14是实施例13的能够向用户提供触觉反馈的电子设备，其还包括与触觉反馈设备的阵列耦接的处理器，其中所述处理器配置为接收来自触觉反馈设备的阵列的信号，并且配置为根据所接收的信号确定用户输入。实施例15是实施例13至14中任一实施例所述的能够向用户提供触觉反馈的电子设备，其还包括耦接到触觉反馈设备的阵列的处理器，其中所述处理器配置为生成信号，当该信号被提供给所述触觉反馈设备的阵列时导致所述用户接收所确定的触觉反馈感觉。实施例16是实施例13至15中任一实施例所述的能够向用户提供触觉反馈的电子设备，其还包括显示设备，其中触觉反馈设备的阵列位于显示设备之上。
实施例17包括一种向用户提供触觉反馈的方法，该方法可以包括：通过晶体管来检测指示对电子设备的用户输入的压电膜的感应电荷的变化，其中，所述压电膜与所述晶体管电绝缘，但机械地连接到所述晶体管；通过耦接到所述晶体管的处理器，至少部分地基于所述感应电荷的变化来确定是否有对传感器的压力，其中，所述感应电荷的变化是至少部分地基于耦接到所述压电膜的晶体管的阈值电压来确定的；通过所述处理器，至少部分地基于所确定的所述传感器处的压力来处理所述用户输入；和通过所述处理器，至少部分地基于所接收的用户输入来执行操作。实施例18是实施例17的所述方法，其还包括：向所述传感器的所述压电膜输出信号，其中，该信号引起所述传感器的致动器运动，其中，该信号包括被选择以使所述致动器运动确定的距离的直流(DC)信号。实施例19是实施例17的所述方法，其还包括：向所述传感器的所述压电膜输出信号，其中，该信号包括被选择以在所述致动器中引起振动的交流(AC)信号。实施例20是实施例17至19中的任一实施例中的所述方法，其中检测感应电荷的变化的步骤和向传感器的压电膜输出信号的步骤是同时执行的。
实施例21是实施例1至12中的任一实施例中的所述装置，其中晶体管还包括：第一半导体沟道区；第二半导体沟道区；在第一半导体沟道区和第二半导体沟道区上的介电层；在第一半导体沟道区和第二半导体沟道区之上的压电层；其中栅电极在第一半导体沟道区之上和第二半导体沟道区之上延伸。实施例22是实施例21的所述装置，其中第一半导体沟道区包括p-型半导体，并且其中第二半导体沟道区包括n型半导体。实施例23是实施例21至22的任一实施例中的所述装置，其还包括：耦接到第一半导体沟道区的第一源电极；耦接到第二半导体沟道区的第二源电极；和耦接到第一半导体沟道区并耦接到第二半导体沟道区的漏电极。实施例24是实施例23中的所述装置，其进一步包括耦接到第一源电极和漏电极的第一传感器电路，其中第一传感器电路配置为测量压电层内的压电效应；和耦接到第二源电极和漏电极的第二传感器电路，其中第二传感器电路配置为测量压电层内的热电效应。
前述内容已相当广泛地概括了本发明的实施例的某些特征和技术优势，以便可以更好地理解下面的具体实施方式。下文中会说明另外的特征和优点以形成本发明的权利要求的主题。本领域普通技术人员应当可以领会，所公开的概念和特定实施例可以易于用作用于实施相同或相似的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当意识到此类等效构造不脱离如所附权利要求中所述的本发明的精神和范围。会在结合附图考虑时更好地根据以下说明加以理解另外的特征。然而，应当清楚地理解，附图中的每个仅以说明和描述的目的而提供，并非旨在限制本发明。
附图说明
为了更加全面地理解所公开的系统和方法，现在结合附图参考如下说明。
图1为具有电容式触摸屏的常规智能手机。
图2为示出根据本公开内容的一个实施例，集成了晶体管与悬臂致动器的单个半导体元件的示图。
图3为示出根据本公开内容的某些实施例，图2的单个半导体元件的操作的框图。
图4A-C为根据本公开内容的某些实施例，集成有一个或更多个单个半导体元件的电子设备的示图，其中，该单个半导体元件集成有晶体管和悬臂致动器。
图5为示出根据本公开内容的一个实施例，通过集成有晶体管和悬臂致动器的单个半导体元件来接收用户输入的方法的流程图。
图6为示出根据本公开内容的某些实施例，与悬臂致动器集成的晶体管的电气特性的示图。
图7为示出根据本公开内容的一个实施例，基于施加到悬臂致动器的力，与悬臂致动器集成的晶体管的阈值电压的变化的示图。
图8为示出根据本公开内容的一个实施例，基于与悬臂致动器集成的晶体管的阈值电压的变化而确定的施加到悬臂致动器的力的示图。
图9为示出根据本公开内容的一个实施例，通过集成有晶体管和悬臂致动器的单个半导体元件向用户提供触觉反馈的方法的流程图。
图10A-D为根据本公开内容的某些实施例，用于集成有晶体管和悬臂致动器的单个半导体元件的晶体管的各种配置的示图。
图11为示出根据本公开内容的一个实施例，集成有晶体管和悬臂致动器的单个半导体元件的互补金属氧化物半导体(CMOS)型配置的示图。
具体实施方式
图2为示出根据本公开内容的一个实施例，集成有晶体管和悬臂致动器的单个半导体元件的示图。单个半导体元件200包括悬臂致动器230和晶体管210，例如薄膜晶体管(TFT)。悬臂致动器230可以包括从悬臂致动器230延伸到晶体管210中的压电膜240。具体地，压电膜240可以在栅电极214和半导体沟道218之间延伸到晶体管210的栅电极叠层中。由于压电膜240通常是不良导体，所以悬臂致动器230与晶体管210电绝缘，但机械地附接到晶体管210。
悬臂致动器230还可以包括第一导电层236、第二导电层238、耦接到第一导电层236的第一电极、以及耦接到第二导电层238的第二电极。虽然第一和第二电极称为结构元件，但是该电极本身可以是第一导电层236和第二导电层238。替代地，针对接触点的附加结构可以附接到第一导电层236和第二导电层238，例如焊盘。第一导电层236可以放置在压电膜240的一侧，并且第二导电层238可以放置在压电膜240的大致相对侧。第一和第二导电膜236和238分别耦接到第一电极和第二电极。第一和第二导电膜236和238可以与晶体管210电绝缘，使得可以将信号施加到第一电极和第二电极以引起压电层240通过例如偏转或振动来进行响应。在一个实施例中，致动器230可以包括用于将致动器230与基底202锚固的锚固件232和234。
悬臂致动器230可以具有负载242(或突起)以调整悬臂致动器230的振动参数，例如振幅和频率。负载242也可以例如在集成于显示设备中时用作从屏幕弹出的物理按钮。当将直流(DC)电压施加到第一和第二电极时，压电膜240与该DC电压的幅值成比例地偏转。因此，可以将DC信号施加到对从显示设备的表面凸起的按钮进行模拟的第一和第二电极，这向用户提供直接到皮肤的反馈。当将交流(AC)电压施加到第一和第二电极时，压电膜240以与该AC信号相对应的特定幅度、相位和频率进行振动。因此，可以施加AC信号来在局部区域中，例如显示设备的一部分，产生“摇动”效果。通过改变AC信号以改变振动参数，可以生成不同的感觉。
单个半导体元件200可以构造在基底202上，例如玻璃、聚碳酸酯、PMMA、PET、PEN、聚酰亚胺或任何其它透明聚合物或透明无机基底。电极212、214、216、236和238可以由导电透明聚合物(例如PEDOT：PSS)、透明导电氧化物(例如ITO、AZO、F：SnO2和锌基氧化物)、石墨烯和石墨烯类材料、金属基纳米线和/或纳米颗粒(例如银纳米线、铜纳米线、碳纳米管以及其他碳基结构)、金属网、或纳米网来构造。电极212、214、216、236和238中的每一个可以由不同的材料来构造，或者电极212、214、216、236和238中的一些可以由相同的材料来构造。半导体218可以由p型材料(例如SnO、Cu2O、CuO、Ga:SnO2)、有机半导体(例如并五苯)和/或其它小分子材料来构造，或者可以由n型材料来构造，例如ZnO、IGZO、SnO2、a-Si:H、锌基材料、In2O3和/或CdO。介电层220可以由氧化物基电介质(例如SiO2、TiO2、Al2O3、HfO2)、线性聚合物电介质(例如PMMA和SU-8)、或其它绝缘材料来构造。压电层240可以由PVDF及其共聚物(例如PVDF-TrFE和PVDF-TrFE-CFE)、聚对二甲苯、PDMS、聚丙烯、有孔隙的电荷聚合物、透明纳米复合材料(例如SU-8矩阵中的ZnO)、或其他压电材料来构造。在一些实施例中，压电层240也可以表现出允许使用单个半导体元件200来检测元件200附近的温度变化的热电效应。
晶体管210可以包括双层栅极电介质，其包含介电材料220和从悬臂致动器230延伸出的压电膜240。当悬臂致动器230处于没有施加应变的稳定状态时，晶体管210具有第一阈值电压(VT)并显示均衡特性。具体地，晶体管210在均衡特性期间展示出无迟滞，使得描述晶体管210的特性的传递曲线在执行多次扫描时回溯本身。下面的等式描述当在栅电极214处施加电压时从源电极212通过p型半导体沟道218流向漏电极216的电流：
其中，IDS是源漏电流，μFE是场效应迁移率，COX是栅极电介质电容，W/L是半导体沟道218的宽度长度比，VGS是栅极电压，VT是阈值电压并且VDS是源漏电压。虽然描述的是p型半导体沟道218，但是半导体沟道218还可以是n型，并且推导出类似的等式来描述对这样的NMOS晶体管210的操作。使用该等式，可以确定晶体管210的阈值电压VT，并且可以将其与先前的确定和/或查找表进行比较以确定阈值电压VT的变化，并且确定是否有压力或力已施加到悬臂致动器230。图2的单个半导体元件200可以耦接到电路以执行对阈值电压VT的确定和/或执行与单个半导体元件200的其他操作，例如导致悬臂致动器230偏转或振动。
图3是示出根据本公开内容的某些实施例，图2的单个半导体元件的操作的框图。电子设备300可以包括单个半导体元件200，该单个半导体元件200可以是图2中所示的集成TFT晶体管210和悬臂致动器230。单个半导体元件200可以具有用于与其他电路进行通信的若干电极，包括漏电极212、栅电极214、源电极216、第一悬臂电极和第二悬臂电极。交流(AC)电压源312可以耦接在第一和第二悬臂电极之间。AC电压源312可以通过开关314与电极断开。AC电压源312可以将信号提供给悬臂致动器230以向用户创建例如振动反馈。另外地或替代地，直流(DC)电压源316可以耦接在第一和第二悬臂电极之间。DC电压源316可以通过开关318与电极断开。DC电压源316可以将信号提供给悬臂致动器230以向用户创建例如在显示设备上创建物理按钮的静态偏转。
触觉反馈可以由单个半导体元件200通过控制器310来提供。控制器310可以耦接到电压源312和316以产生使源312和316对悬臂致动器230施加信号从而导致所期望的效果的控制信号。所期望的效果可以通过耦接到控制器310的处理器330来确定。处理器330可以执行存储在存储器340中的操作系统342和/或应用程序340，并且该操作系统342和应用程序340可以包括通过提供触觉反馈来与用户交互的代码。例如，应用程序340可以通过针对操作系统342的应用程序编程接口(API)来指令处理器330在显示设备(未示出)上创建按钮。该显示设备可以包括单个半导体元件(诸如集成的晶体管和悬臂200)的阵列。然后，处理器330可以指令控制器310在元件阵列内的特定位置处创建静态偏转。然后，控制器310可以确定元件200处于所期望按钮的范围内，并且命令DC电压源316使元件200的悬臂致动器偏转。虽然描述的是单独的控制器310和处理器330，但是分配给控制器310或处理器330的功能可以替代地分配给其他电路。例如，由控制器310执行的功能可以集成到处理器330中。控制器310也可以根据期望的提供给用户的触觉反馈来控制开关314和318与源312和316耦接或断开。
单个半导体元件200也可以用于通过传感器电路320来感测压力、力和/或其它量。传感器320可以耦接到漏电极212、栅电极214和源电极216中的一个或更多个。传感器320可以执行例如对元件200的晶体管210的阈值电压VT进行测量之类的操作。在对阈值电压VT的测量或其它测量期间，传感器320可以将各种不同的电压VG施加到栅电极214，并且测量通过漏电极212和源电极216的电流IDS。传感器320可以将测量值报告给处理器330，借此处理器330可以执行进一步的计算以确定例如施加的力、施加的压力的量或者其他量。由处理器330执行的进一步的计算可以例如包括：确定对电子设备的用户输入，例如用户在触摸屏上所触摸的位置，或确定由用户输入到触摸屏的手势。处理器330可以将该用户输入报告给操作系统342和/或应用程序340。然后，操作系统342和/或应用程序340可以采取适当的动作来响应该用户输入。虽然描述的是单独的传感器320和处理器330，但是分配到传感器320或处理器330的功能可以替代地分配到其他电路。例如，由传感器320执行的功能可以集成到处理器330中。
诸如图2中所示的一个或更多个单个半导体元件连同诸如图3中所示的支持电路可以合并到电子设备中以提供输入/输出功能。例如，可以通过图2的单个半导体元件200的晶体管210来接收用户输入，并且可以通过悬臂致动器230来提供触觉反馈。图4A至4C为根据本公开内容的某些实施例，集成有一个或更多个单个半导体元件的电子设备的示图，其中，该半导体元件集成有晶体管和悬臂致动器。
图4A示出了智能手机400，其包括合并有单个半导体元件404(例如图2中所示的集成的传感器和悬臂致动器)的阵列的显示设备402。当构造智能手机400时，可以将元件404放置在显示器(例如液晶显示器(LCD))的顶部。附加元件和/或保护层可以放置在元件404上。元件404可以用于在显示设备402上传递局部的触觉反馈和/或接收与用户在显示设备402上的触摸位置相关的用户输入。
图4B示出了手套410，其包括元件412中的一个或更多个，例如图2中所示的集成的传感器和悬臂致动器。元件412可以布置在手套410上的各个不同位置处，例如在手套410的指尖上。元件412可以耦接到处理器和集成到手套410中的其它电路。替代地，手套410可以通过有线或无线连接与处理来自元件412的信号以及生成针对元件412的控制信号的设备(例如计算机或智能手机)进行通信。手套410可以在用户的手的特定手指上或特定部位向用户提供触觉反馈。当用户在手套410中作出手部动作或摆动手指时，手套410还可以接收用户输入。
图4C示出了贴片420，其包括一个或更多个元件422，例如图2中所示的集成的传感器和悬臂致动器。贴片420可以制造为旨在为了医疗应用而应用到人的皮肤上的小型基底。元件422可以耦接到处理器和集成到贴片420中的其它电路。替代地，贴片420可以通过有线或无线连接与处理来自元件422的信号并生成针对元件422的控制信号的设备(例如计算机或智能手机)进行通信。
可以通过例如图2中所示的单个半导体元件200，通过如图5的流程图中所示的处理从该元件获得的信息而来接收用户输入。图5为示出根据本公开内容的一个实施例，通过集成有晶体管和悬臂致动器的单个半导体元件来接收用户输入的方法的流程图。方法500在方框502开始于：检测与压电悬臂集成的晶体管的阈值电压VT的变化。阈值电压VT的变化可能归因于由压电悬臂上的力、压力或其他效应而引起的晶体管的栅电极处的感应电荷。方框502处的步骤可以包括测量晶体管的阈值电压VT。然后，在方框504处，能够根据阈值电压VT的变化来确定是否有压力施加到悬臂致动器。
当在方框502和504处确定阈值电压VT存在变化并计算出所施加的压力之后，可以在方框506处对用户输入进行处理。方框506处的步骤可以包括例如确定用户在触摸屏上施加压力的位置。方框506处的步骤还可以包括在触摸屏的一部分上跟踪所施加的压力以确定在触摸屏上作出手势，例如圈出显示在触摸屏上的文本的一部分或使显示在触摸屏上的文本的一部分高亮显示。在方框508处，基于方框506的所处理的用户输入，在电子设备上执行操作。例如，可以将在方框506处处理的用户输入圆圈提供给应用程序，并且该应用程序对所圈出的文本执行高亮显示或其他文本格式。
然后，在方框510处，可以基于方框506的用户输入或在方框508处执行的操作来将触觉反馈提供给用户。可以通过与在方框502中检测到其阈值电压VT变化的晶体管集成的那个压电悬臂来提供触觉反馈。在一个实施例中，该反馈可以通过在方框502处经历阈值电压VT变化的那个晶体管来提供给用户。例如，显示屏可以在高亮显示的文本附近振动短暂的半秒或振动一秒来引起用户注意最新的高亮显示的文本。在另外的示例中，可以弹出对话框以确认用户使用“OK”或“取消”按钮来选择文本。可以通过将DC电压施加到在显示屏上显示“OK”或“取消”按钮处的特定悬臂致动器，来使“OK”或“取消”按钮升出显示屏的表面。对话框的位置可以在用户高亮显示的文本的位置附近。
返回参照图5的步骤502，晶体管的阈值电压VT是晶体管的可测量电气特性。图6为示出根据本公开内容的某些实施例，与悬臂致动器集成的晶体管的电气特性的示图。图600示出了线602，其示出晶体管(例如图2中所示的晶体管210)对变化的栅源电压VGS的响应。通常，由于VGS的幅值随固定的漏源电压VDS增大，所以对数y轴上所示的通过晶体管的电流IDS增大。在图610中示出了晶体管的阈值电压VT的计算。图610的线612以线性标度示出针对变化的栅源电压VGS的通过晶体管的电流IDS。可以根据线612的线性区域的斜率绘制出以形式y＝mx+b的线614。线614与x轴的交点表示晶体管的阈值电压VT。对于在图610的线612中测量的晶体管而言，阈值电压VT为约1伏。阈值电压VT可以定义为当导电沟道(或电介质/半导体界面附近的堆积层)刚开始连接源电极和漏电极时，栅源电压VGS的值。由于栅极半导体功函数差、半导体背景载流子浓度、以及在电介质、半导体和电介质/半导体界面中的陷阱电荷的密度，使得阈值电压VT偏离理想值(大约0V)。
可以在与图6中所示的那些示图相类似的示图中示出由于例如由施加到与晶体管集成的悬臂致动器的力所引起的栅极叠层中的感应电荷而导致的晶体管的阈值电压VT的变化。当在悬臂部分中存在应变的情况下，例如借助于力、压力、偏转或振动，通过压电膜自身的压电性质而在该压电膜中感应出电荷，如下面的等式所述：
D3＝d33T33+∈33E33
其中，D是电位移，T是机械应力，E是电场，d33是压电常数，并且∈33是介电常数。然后，作为所施加的机械应力的函数的电压可以以如下方式进行估算：
其中，s是厚度，ε是压电材料的相对介电常数并且ε0是真空中的介电常数。
这些等式表明，电位移或电荷能够通过电场和所施加的力F或应力T来控制。与所述应变成比例的感应电荷使晶体管的栅极介电电容(COX)变化，这改变了晶体管的传输特性。然后，栅极电容的变化被转换为阈值电压VT的变化，能够通过适当的电路(例如参考图3描述的电路)来检测这种阈值电压的变化。此外，由于压电膜中感应的电荷与应变成正比，因此阈值电压VT的变化可以直接与应变成正比。对于该给定的配置，阈值电压VT在正向或负向上的变化可以指示应力的存在，例如来自用户的触摸，而变化的幅值感测施加在悬臂致动器上的力的量。利用在一区域(例如智能手机中的触摸屏的区域)上的传感器的阵列也能够感测到压力，这是因为压力能够作为存在于某个区域上的力来进行计算。可以调节内置到电子设备中的每平方厘米的致动器的数量以获得期望的分辨率。另外，能够通过识别阈值电压VT的变化的幅度和频率来检测振动。
图7为示出根据本公开内容的一个实施例，基于施加在悬臂致动器上的力，与悬臂致动器集成的晶体管的阈值电压的变化的示图。在图700中，线704中示出在悬臂致动器处于施加应力的情况下的晶体管的传输特性，而线602中示出在悬臂致动器没有被施加应力的情况下的晶体管。在图710中，计算图700中所示的两个晶体管的阈值电压VT。来自线612的第一晶体管的阈值电压VT能够被计算为在大约1伏处的截距722。能够通过绘制线718并且找出在x轴上的大约1.75伏的截距来计算来自线714的第二晶体管的阈值电压VT。返回参照图5，可以在方法500的步骤502处确定大约0.75伏特的阈值电压的变化，并且通过步骤504、506和508来进一步处理，以便基于通过集成有晶体管和悬臂致动器的单个半导体元件接收的用户输入来控制电子设备。
如图8所示，检测到的单个半导体元件中的阈值电压VT的变化可以与施加到悬臂致动器的力成正比。图8为示出根据本公开内容的一个实施例，基于与悬臂致动器集成的晶体管的阈值电压的变化所确定的施加到悬臂致动器上的力的示图。图800示出了线802，其示出对于与悬臂致动器集成的晶体管而言，施加到悬臂致动器的力和测量出的阈值电压VT之间的关系。线802示出所施加力和阈值电压VT变化之间的近似线性的关系。返回参照图5，在一个实施例中，通过编程到处理器(例如图3的处理器330)中的已知的算法或等式，可以在方框504处来确定施加到悬臂的压力。在另一个实施例中，查找表可以存储在图3的存储器340中，使得处理器330能够将检测到的阈值电压VT的变化转换成所施加力的值。在另外的实施例中，算法、方程或查找表可以包括校准调整。例如，当用户第一次设置电子设备时，可以要求该用户在悬臂致动器上以不同的力度进行按压，并且处理器330可以随着用户提供校准输入而执行测量。这样的校准过程可以允许电子设备适应于将会由不同用户施加的不同压力。校准过程还可以允许电子设备适应于集成的晶体管和悬臂致动器的轻微的制造差异。
以上描述了利用图2中所示的单个半导体元件接收和处理用户输入，然而，单个半导体元件还可以用于向用户提供反馈。图9为示出根据本公开内容的一个实施例，通过集成有晶体管和悬臂致动器的单个半导体元件来向用户提供触觉反馈的方法的流程图。方法900在方框902开始于：通过集成的晶体管和压电悬臂来接收触觉反馈的指示以提供给用户。例如参照图3，处理器330可以从应用程序340接收指令以模拟智能手机的显示设备上的按钮。在方框904处，确定是应当通过悬臂致动器的感应振动还是静态偏转来提供反馈。
如果通过静态偏转来提供反馈，那么方法900前进到方框906，即，将直流(DC)信号施加到与晶体管集成的压电悬臂。可以例如通过耦接到图2的悬臂致动器210的两个电极来施加DC信号。如果通过感应振动来提供反馈，那么方法900前进到方框908，即，将交流(AC)信号施加到与晶体管集成的压电悬臂。AC信号同样可以施加到图2的悬臂致动器210的电极。在一个实施例中，反馈可以包括静态偏转和感应振动两者。在本实施例中，施加到压电悬臂的AC信号可以具有DC偏置，使得DC偏置不为零，并且DC偏置具有造成静态偏转连同感应振动的效应。
当在方框906或方框908处提供反馈之后，方法900可以前进到方框910。在方框910处，可以通过与压电悬臂集成的晶体管来接收用户输入。例如，当通过悬臂致动器将物理按钮呈现在智能手机的显示设备上时，可以通过耦接到悬臂致动器的晶体管来检测在该按钮上按压的用户输入。在该示例中，可以与将触觉反馈提供给用户同时地接收该用户输入。因此，用户输入可以直接响应于反馈而接收。
虽然图2中示出了并且在上面描述了特定的晶体管结构，但是图2的单个半导体元件200的晶体管并不限于特定的晶体管配置。其它晶体管配置也可以与悬臂致动器集成。例如，图10A至D为根据本公开内容的某些实施例，集成有晶体管和悬臂致动器的单个半导体元件的晶体管的不同配置的示图。图10A示出可以合并入根据本公开内容的一个实施例的图2的单个半导体元件200中的底栅交错式TFT结构。图10B示出可以并入根据本公开内容的一个实施例的图2的单个半导体元件200中的底栅共面TFT结构。图10C示出可以并入根据本公开内容的一个实施例的图2的单个半导体元件200中的顶栅交错式TFT结构。图10D示出可以并入根据本公开内容的一个实施例的图2的单个半导体元件200中的顶栅共面TFT结构。
此外，虽然单个晶体管示出为与悬臂致动器集成在图2的单个半导体元件200中，但是多个晶体管可以与压电材料或悬臂致动器集成，例如在互补金属氧化物半导体(CMOS)结构中。图11为示出根据本公开内容的一个实施例，集成有晶体管和悬臂致动器的单个半导体元件的互补金属氧化物半导体(CMOS)型配置的示图。单个半导体元件1100可以包括与晶体管集成的压电层1116。该晶体管可以包括n型半导体沟道1112和p型半导体沟道1114。与元件1100的通信可以通过第一源电极1102、第二源电极1104、公共栅电极1106和公共漏电极1108来进行。悬臂致动器(未示出)可以类似于图2的悬臂致动器230从公共栅电极1106延伸出。
当在元件1100的CMOS状结构中使用两个半导体(n型1112和p型1114)时，能够检测压电效应(例如触摸、力、压力和/或振动)，连同热电效应(例如温度)。如果由于压电效应引起的感应电荷导致p型半导体1114中的阈值电压VT变化，那么能够在n型半导体1112中检测到热电效应。还能够进行检测，使得通过p型半导体1114检测热电效应并且通过n型半导体1112检测压电效应。
图2中所示的单个半导体元件和上述单个半导体元件的其它配置可以通过常规薄膜处理技术的新颖组合来制造。在一个实施例中，顶栅结构可以在刚性玻璃基底上制成。可以通过DC反应磁控溅射来放置透明的p型一氧化锡(SnO)半导体有源层。然后，源和漏电极可以是从钛和金源蒸发的电子束。接着，可以在源极和漏极的放置之后对放置的叠层进行退火以结晶出SnO有源层。然后，可以将P型(VDF-TrFE-CFE)共聚物压电材料粉末溶入二甲基甲酰胺(DMF)中以获得溶液，其中，将该溶液过滤和离心在SnO膜上，接着是聚合物的软烘。然后，可以将该膜进行退火以改善结晶度。接着，可以对铝顶栅电极进行热蒸发以完成叠层。该设备的层可以通过常规的光刻技术和剥离工艺来图案化。
虽然说明的是制造的一个特定方法，但是可以使用许多其它的制造方法以获得具有集成的晶体管和悬臂致动器的单个半导体元件的相同或相似的配置。例如，所描述的方法使用不透明电极，其包括钛、金和铝，但是在该过程中可以用透明电极，例如氧化铟锡(ITO)、掺铝氧化锌(AZO)、石墨烯、银纳米线或任何其他有机或无机的可用透明电极来替代。
如果实施在固件和/或软件中，则上述功能、例如相对于图5和图9的流程图的功能可以存储为在计算机可读介质上的一个或更多个指令或代码。示例包括用数据结构编码的非临时性计算机可读介质和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通过计算机访问的任何可用介质。以举例的方式而非限制，这样的计算机可读介质可以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，或能够用于将期望的程序代码以指令或数据结构的形式进行存储并能够通过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、数字多功能盘(DVD)、软盘以及蓝光光盘。通常，磁盘磁性地再现数据，而光盘光学地再现数据。上述的组合也应包括在计算机可读介质的范围之内。
除了存储在计算机可读介质上之外，可以将指令和/或数据提供为在包含于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的指示的信号的收发器。指令和数据配置为使一个或更多个处理器实现权利要求中所概括的功能。
虽然已经详细地说明了本公开内容和某些代表性优点，但是应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开内容的精神和范围的情况下，在此能够作出各种改变、替换和变更。此外，本申请的范围并不旨在限于本说明书中所描述的工艺、机器、制造、事件的组合、装置、方法和步骤的具体实施例。正如本领域普通技术人员中的一个会从本公开内容容易地领会的一样，可以利用当前存在的或者以后要开发的、与本文中所描述的对应实施例执行基本上相同的功能或实现基本上相同的结果的工艺、机器、制造、事件的组合、装置、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这样的工艺、机器、制造、事件的组合、装置、方法或步骤包括在其范围内。

Claims (20)

1.一种能够向用户提供触觉反馈的装置，包括：
晶体管，所述晶体管包括至少源电极、漏电极和栅电极；以及
包括压电材料的悬臂致动器，
其中，所述悬臂致动器通过所述晶体管的所述栅电极电绝缘地但机械地连接到所述晶体管并且与所述晶体管集成，
其中，所述悬臂致动器包括与所述源电极、所述漏电极和所述栅电极分离的至少两个电极，其中，所述至少两个电极包括第一电极和第二电极，并且
其中，所述至少两个电极允许与通过所述源电极、所述漏电极和所述栅电极访问所述晶体管独立地同时致动所述悬臂致动器。
2.如权利要求1所述的装置，还包括：耦接到所述晶体管的至少所述源电极、所述漏电极和所述栅电极的感测电路，其中，所述感测电路配置为通过感测所述晶体管的阈值电压的变化来检测施加到所述悬臂致动器的压力。
3.如权利要求2所述的装置，其中，所述压电材料包括热电材料，并且其中，所述感测电路配置为检测所述悬臂致动器周围的环境温度。
4.如权利要求1所述的装置，还包括：耦接到所述悬臂致动器的所述至少两个电极的触觉反馈电路。
5.如权利要求4所述的装置，其中，所述触觉反馈电路配置为生成直流(DC)信号或交流(AC)信号，以偏转所述悬臂致动器。
6.如权利要求5所述的装置，其中，所述触觉反馈电路配置为生成直流(DC)信号并模拟从表面升起的按钮。
7.如权利要求5所述的装置，其中，所述触觉反馈电路配置为生成交流(AC)信号和抖动效应。
8.如权利要求1所述的装置，其中，所述悬臂致动器包括PVDF，和/或所述悬臂致动器包括附接在所述压电材料的远离所述晶体管的远端处的负载。
9.如权利要求1所述的装置，其中，所述晶体管包括以下各项中的至少一项：交错式底栅TFT、共面底栅TFT、交错式顶栅TFT和共面顶栅TFT。
10.如权利要求1所述的装置，其中，所述晶体管和所述悬臂致动器集成在显示设备中，其中，所述显示设备是电子设备的一部分，所述电子设备包括以下各项中的至少一种：移动设备、蜂窝式电话、笔记本电脑、平板电脑、媒体播放器、全球定位系统(GPS)设备和电子书阅读器。
11.如权利要求1所述的装置，其中，所述晶体管还包括：
第一半导体沟道区；
第二半导体沟道区；
在所述第一半导体沟道区和所述第二半导体沟道区上的介电层；和
在所述第一半导体沟道区和所述第二半导体沟道区上的压电层，
其中，所述栅电极在所述第一半导体沟道区上和所述第二半导体沟道区上延伸。
12.如权利要求11所述的装置，其中，所述第一半导体沟道区包括p-型半导体，并且其中，所述第二半导体沟道区包括n-型半导体。
13.如权利要求12所述的装置，还包括：
耦接到所述第一半导体沟道区的第一源电极；
耦接到所述第二半导体沟道区的第二源电极；和
耦接到所述第一半导体沟道区并耦接到所述第二半导体沟道区的漏电极。
14.如权利要求13所述的装置，还包括：
耦接到所述第一源电极和所述漏电极的第一传感器电路，其中，所述第一传感器电路配置为测量所述压电层内的压电效应；和
耦接到所述第二源电极和所述漏电极的第二传感器电路，其中，所述第二传感器电路配置为测量所述压电层内的热电效应。
15.一种能够向用户提供触觉反馈的电子设备，所述电子设备包括：
触觉反馈设备的阵列，其中，所述触觉反馈设备的阵列中的至少一个触觉反馈设备包括：
晶体管，所述晶体管包括至少源电极、漏电极和栅电极；和
包括压电材料的悬臂致动器，
其中，所述悬臂致动器通过所述晶体管的所述栅电极电绝缘地但机械地连接到所述晶体管并且与所述晶体管集成，
其中，所述悬臂致动器包括与所述源电极、所述漏电极和所述栅电极分离的至少两个电极，其中，所述至少两个电极包括第一电极和第二电极，并且
其中，所述至少两个电极允许与通过所述源电极、所述漏电极和所述栅电极访问所述晶体管独立地同时致动所述悬臂致动器。
16.如权利要求15所述的电子设备，还包括：与所述触觉反馈设备的阵列耦接的处理器，其中，所述处理器配置为接收来自所述触觉反馈设备的阵列的信号，并且配置为基于所接收的信号确定用户输入，或者所述处理器配置为确定触觉反馈感觉以提供给用户，并且配置为生成信号，当该信号被提供给所述触觉反馈设备的阵列时导致所述用户接收所确定的触觉反馈感觉。
17.如权利要求15所述的电子设备，还包括：显示设备，其中，所述触觉反馈设备的阵列位于所述显示设备上。
18.一种向用户提供触觉反馈的方法，包括：
通过晶体管来检测指示对电子设备的用户输入的压电膜的感应电荷的变化，其中，所述压电膜与所述晶体管电绝缘，但机械地连接到所述晶体管；
通过耦接到所述晶体管的处理器，至少部分地基于所述感应电荷的变化来确定是否有对传感器的压力，其中，所述感应电荷的变化是至少部分地基于耦接到所述压电膜的晶体管的阈值电压来确定的；
通过所述处理器，至少部分地基于所确定的所述传感器处的压力来处理所述用户输入；和
通过所述处理器，至少部分地基于所接收的用户输入来执行操作。
19.如权利要求18所述的方法，还包括：向所述传感器的所述压电膜输出信号，其中，该信号引起所述传感器的致动器运动，其中，该信号包括被选择以使所述致动器运动确定的距离的直流(DC)信号；或者，向所述传感器的所述压电膜输出信号，其中，该信号包括被选择以在所述致动器中引起振动的交流(AC)信号。
20.如权利要求19所述的方法，其中，检测感应电荷中的所述变化的步骤和向所述传感器的所述压电膜输出所述信号的步骤是同时执行的。
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