多模态触觉设备制造技术

本发明专利技术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：

【技术实现步骤摘要】
多模态触觉设备


[0001]本专利技术涉及触觉领域，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]触觉设备是一种触感和动觉系统，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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]其它技术包含用于生成热触觉效应的元件。
[0007]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。
[0008]另一种多模态触觉设备在出版物“Altered Touch:Miniature Haptic Display with Force,Thermal and Tactile Feedback for Augmented Haptics”，Takaki Murakami，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。
[0009]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 modules enabled 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。
[0010]本专利技术旨在克服现有技术的上述缺点。
[0011]更具体地，本专利技术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。
[0012]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。
[0013]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。

技术实现思路

[0014]本专利技术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：
[0015]‑
能够产生冷却和加热的至少一个热元件；
[0016]‑
能够产生振动的至少一个振动元件；以及
[0017]‑
由电绝缘材料制成的至少一个封装层；
[0018]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。
[0019]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。
[0020]根据本专利技术，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。
[0021]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。
[0022]因此，根据本专利技术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。
[0023]根据本专利技术的设备还可以包括单本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：E，
申请(专利权)人：原子能和辅助替代能源委员会，
类型：发明
国别省市：