CN102171928A - 电容性矩阵触摸传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种装置，其包括衬底(500)、顶部触摸面板(529)及由所述衬底支撑的电极，所述电极包括从所述衬底延伸到所述顶部触摸面板的导电可压缩材料(505到512)。另一电极(513到520)由所述衬底支撑且经布置以与包括所述可压缩材料的所述电极形成电场耦合。触敏区域(532到539)是通过所述可压缩材料从所述衬底传送到所述顶部触摸面板的。

Description

电容性矩阵触摸传感器

相关申请案交叉参考

本申请案根据35U.S.C.119(e)主张2008年10月4日提出申请的序列号为61/102,830的美国临时专利申请案的权益，所述临时专利申请案以全文引用的方式并入本文中。

背景技术

使用电荷传送电容性测量方法(例如描述于第6,452,514号美国专利中的方法)可形成触摸感测区域，其可通过数毫米的塑料或玻璃前面板检测人类触摸。在先前装置中，电极形成于与前面板胶合或与其保持接触的单独衬底上，且接着使用呈连接器或接线器形式的导线将此面板电互连到主印刷电路板(PCB)。所述互连也可能多少有点问题，这是因为其可移动从而导致电容改变且其也引入对降低触摸控制敏感度起作用的某一固定量的杂散电容。

在以上电荷传送电容性测量方法中，使用发射-接收过程以诱导电荷跨越射电极与集电极之间的间隙(发射器及接收器也分别称作X及Y)。在手指触摸和发射器电极与接收器电极之间的所得电场交互时，从发射器耦合到接收器的电荷量改变。以上方法的特定特征是电荷中的大多数电荷倾向于集中在接近尖锐拐角及边缘处(静电学中众所周知的效应)。发射器电极与接收器电极之间的边缘场支配电荷耦合。因此，兼容电极设计倾向于聚焦于相邻发射器电极与接收器电极之间的边缘及间隙，以最大化两者之间的耦合且还最大化触摸中断两者之间的电场的能力，因此赋予所测量电荷的最大相对改变。大改变为合意的，因为大改变等同于较高分辨率且等同于较佳信噪比。

经特殊设计的控制芯片可检测这些电荷改变。方便将这些电荷改变认为是发射器电极与接收器电极之间的所测量耦合电容的改变(很难将电荷可视化)。芯片处理来自传感器周围各种地点的电容性改变的相对量且使用此来检测触摸按钮上触摸的存在。通常，这些电极需要是透明的，使得光可穿过触摸传感器以提供美学及/或功能性照射效应。

所述电荷传送电容性测量方法的优点是可以比其它技术低的“每传感器成本”形成许多触摸传感器。这是因为每个X电极与Y电极之间的相交点可形成触摸传感器。举例来说，可使用具有10个X电极及8个Y电极的系统来形成80个触摸传感器。此仅需要控制芯片上有18个引脚，而等效开路感测方案将需要80个。

电荷传送电容性测量方法是使用两部分电极设计的发射-接收架构。典型现有技术电极设计展示于图1中。此处，将发射元件100及接收元件101展示为用于耦合所述两者之间的电场102。

在图2中，以横截面展示现有技术电极设计，其中发射元件200与接收元件201接合或被按压于绝缘前面板202上。耦合于所述两个元件之间的电场203可因手指或其它触摸对象205的存在而分裂204。此用于降低从发射元件到接收元件的互电容，此改变由控制电路206感测以记录输出207以指示触摸205的存在(或不存在)。

发明内容

一种触敏装置包括将衬底与触摸面板分离的发射电极及接收电极。选定电极可由压缩于所述衬底与所述触摸面板之间的导电可压缩材料形成。一些电极由所述衬底支撑且经布置以与所述导电可压缩电极形成电场耦合。所述电场耦合经配置以响应于所述触摸面板接近导电可压缩电极的触摸事件而改变。在一些实施例中，电极可为透明的以允许照射穿过电极。在一些实施例中，电极可包括若干孔以允许照射从由衬底支撑的光源穿过触摸面板。

附图说明

图1是用于基于电容性的触摸传感器的现有技术电极布局的俯视图。

图2是图1的现有技术布局的横截面。

图3是根据实例性实施例在电极与前面板之间使用弹簧的电极配置的横截面。

图4是根据实例性实施例在电极与前面板之间使用弹簧的实例性电极配置的横截面。

图5A是根据实例性实施例在电极与前面板之间使用弹簧的电极配置的横截面。

图5B是根据实例性实施例展示触摸的电极对与弹簧的横截面。

图6A是根据实例性实施例在电极与前面板之间使用弹簧的另一电极配置的横截面。

图6B是根据实例性实施例的弹簧与电极的透视表示。

图7A是根据实例性实施例在电极与前面板之间使用弹簧的电极配置的横截面。

图7B是根据实例性实施例展示触摸及电场边缘线的电极对与弹簧的横截面。

图8是根据实例性实施例具有孔及弹簧的电极配置的横截面。

图9是根据实例性实施例具有电致发光光产生及弹簧的电极配置的横截面。

图10是根据实例性实施例具有光漫射器与弹簧的电极配置的透视表示。

图11是根据实例性实施例具有发光二极管及弹簧的电极配置的横截面表示。

具体实施方式

用于触摸控制的结构使用可压缩导电材料在距控制电路的某一距离处形成触敏区域。使用依赖于开路电极布置的传统电容性感测方法，易于使用导电弹簧或其它可压缩材料以将触敏区域从衬底(例如控制印刷电路板(PCB))向上传送到前面板。在一些实施例中，在前面板处不需要特定互连；“弹簧”仅向上按压于前面板上且当被压缩以形成触摸控制时具有充足表面积。因此，在组装期间可实现显著的成本节约，这是因为整个传感器PCB变为自含有安装于PCB上的导电迹线上的“弹簧”。接着PCB本身相对于前面板固定就位，其中“弹簧”保持压缩以确保机械稳定系统(此对于电容性触摸控制是重要的，因为任何移动可导致从传感器测量的信号的波动)。

例如描述于第6,452,514号美国专利中的电荷传送电容性测量方法(或其它发射接收方法)可与在控制印刷电路板(PCB)与前面板之间具有机械“弹簧”布置的触敏装置一起使用。应理解，可使用任一可压缩导电材料形成此“弹簧”。在一个实施例中，只要弹簧的电阻率是适度低，例如低于100千欧，那么就可使用任一可压缩材料，例如金属弹簧或塑料弹簧、开孔或闭孔泡沫或者其它此类材料。在一些实施例中，电阻率可为10千欧、或1千欧或小于1千欧。

应注意，所引用的实例将发射元件及接收元件放置在相同平面上且因此仅需要在衬底上实施一个层。同样可能的是跨越两个层(即，其中X在Y下面)形成电荷传送电容性测量触摸传感器。

一种使用弹簧将X与Y的“相交点”向上传送到前面板的方式包括在例如控制板的衬底或任一其它类型的衬底(例如一块塑料片(例如PET或聚碳酸酯)、玻璃层或适合于支撑电极的其它材料)上使用两个同心或并排弹簧。衬底可通过使用离散布线给到电极的电连接提供机械支撑。此实例性实施例展示于图3中。此处，第一X弹簧300及第一Y弹簧301彼此接近放置且经按压而与前面板302接触。并靠着所述布置展示第二X/Y对，其使用由连接到第二X弹簧304及第二Y弹簧305的导线或迹线303互连的相同X线。在此实施例中，从第一X弹簧300耦合到第一Y弹簧301的电场306也倾向于耦合307到第二Y弹簧305。此可在经由第一弹簧对进行触摸时导致第二弹簧对的触摸敏感度。此实施例每触摸键使用两个弹簧。

在图4中所示的另一实施例中，共用Y弹簧400由两个X弹簧401及402共享。为起此作用，将两个触摸键在物理上彼此接近放置。使用一个以上Y线可导致键辨别的某种缺失。

另一实施例展示于图5A中。使用例如控制PCB 500的衬底来形成所有X及Y电极布线501。控制芯片502可存在于或可不存在于此控制板上，但其用来测量触摸键的电容性改变。所展示的Y电极Y1503及Y2504连接到一组Y电极弹簧505、506、507及508和509、510、511及512，第一群组电连接到Y1且第二群组电连接到Y2，使用PCB 500上的迹线来实现此互连。在PCB 500上形成一系列发射极X电极(被称作X1到X4)513、514、515、516、517、518、519及520。这些电极纯粹作为导电形状形成于PCB 500的表面上。在一个实施例中，X电极可经设计以大致或完全地环绕Y弹簧505、506、507、508、509、510、511及512的基底。如可见，八个逻辑触摸键是如此形成为532、533、534、355、536、537、528及539；X1Y1、X2Y1、X3Y1、X4Y1及X1Y2、X2Y2、X3Y2、X4Y2。因此使用总计八个弹簧(505、506、507、508、509、510、511及512)。在一个实施例中，X电极充分接近其相邻Y弹簧以使电场保持良好局部耦合。在图5B中，到前面板529上的触摸对象528现在影响主要针对触摸邻近触摸键的经耦合局部X到Y场。因此键辨别是良好的。针对单个触摸键的电场展示为530且其与触摸对象528的交互也展示于531处。

替代方案展示于图6A中，其中弹簧601、602、603、604、605、606、607及608现在连接到X1到X4发射极且PCB 600电极609、610、611、612、613、614、615及616连接到Y。图6B图解说明耦合到X发射极电极621的弹簧601的透视图。在其中键辨别的改进可由于Y线被X弹簧更多地屏蔽的事实而受到影响的一些应用中，此替代方案可具有一优点。另一潜在优点是可减少Y电极面积且因此帮助最小化在触摸期间注入到Y线中的噪声。获得电容性感测系统中的最大信噪比有助于确保在电噪声条件下的可靠操作。

在所展示的一些实施例中，所述弹簧以弹簧的顶部形成平坦“螺旋”圆盘的方式压缩。此使弹簧自身良好地与触摸对象耦合且允许与螺旋下面的电场交互。

在图6B中，X电极621及Y电极609展示为彼此物理分离的圆盘621及同心环609。在其它实施例中可使用电极的许多其它配置。其它实施例可以增加的共享电极边缘为特征，其中场线集中于所述边缘处。

替代布置使用大致同轴布置，其中弹簧连接到X且仅环绕PCB上的Y接收器电极。此展示于针对一对触摸键的图7A及7B中。PCB 700将导电电极用于两个Y1接收器701及702。X1发射极由两个弹簧703及704形成。前面板705及触摸对象706是与近似场分布707及触摸交互708一起展示。如可见，所述场远离Y接收器朝向触摸对象706发生位移。如同在其它实施例中一样，此导致X与Y之间的电容降。此方法具有不同优点：所述弹簧可由于无特殊平坦顶部布置而在设计上非常简单。触摸对象706有效地触摸弹簧的线圈的“内部”，从而影响场707及708。可使用由任何导电构件(例如焊料、机械夹子、胶)形成的触点从PCB连接700驱动弹簧或仅将其限制于PCB上的导电对置垫上。对所属领域的技术人员来说其它方法将为显而易见的。此实施例兼具图6A及图6B的优点，因为X弹簧用于部分地屏蔽Y接收器且可使得Y接收器的面积相对小以辅助抗噪性。

未展示类似于图7A及图7B的另一实施例，其中弹簧连接到Y且PCB电极连接到X。以与先前实例中描述的类似的方式，此同样有效但在一些应用中可能会展示降级的键辨别及抗噪性。

在图7A及图7B中，应理解Y电极形状可采取各种形式。重要的是，如图8中所展示，此可在形成于PCB 800上的电极802中包括孔801。此对促进发光装置的放置非常有用，如以两个交替位置803及804所示。可设计出许多电极与孔配置。由大致透明的导电材料形成PCB电极以允许光从下面透过也是可能的。在每一弹簧的中心局部处组合电极与某种形式的电致发光光产生也是可能的。此展示于图9中。展示PCB900及弹簧901，且在弹簧901的中间展示电极结构，其中透明Y电极902形成于磷光体903层及第二电极904的顶部，所述第二电极904可为接地的或受到有源驱动。控制芯片905以电致发光高电压驱动906周期对电容性测量进行时间多路复用。此布置准许在触摸键有源区正下方以极低轮廓及均匀照射形成发光层。

也可构想出类似发光方法，其中不使用电致发光层，而是在PCB电极(同样，其为大致透明材料以允许光向上朝向面板传递)下面放置光漫射器片。光漫射器片在此项技术中是众所周知的且通常是从边缘受照射、使用全内发反射(TIR)将光导引到所选择区，接着在所选择区处使用分裂TIR过程的各种技术(机械应力、表面上的小脊、折射率不匹配等等)使光逸散。

另一照射方法展示于图11中。此处，弹簧1101中心的同轴安装的发光装置1100使用反射套1102，所述反射套沿弹簧1101内部向上伸展且恰在前面板1104的内表面1103之前停止。所述套可由任合反射材料制成。

图7中所使用的弹簧也可利用在压缩时变平坦的向内可压缩螺旋。此展示于图10中。此方法的优点是其有助于更加完全地屏蔽1001下面的电极。此可提供噪声抑制优点。向内螺旋1005的弹簧的线圈可具有适度打开结构以允许触摸对象1002与在PCB1000上形成于弹簧1004与电极1001之间的电场1003交互。

Claims (22)

1.一种装置，其包含：

衬底；

顶部触摸面板；

导电可压缩电极，其由所述衬底支撑且从所述衬底延伸到所述顶部触摸面板；

第二电极，其由所述衬底支撑且经布置以与所述导电可压缩电极形成电场耦合。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述导电可压缩电极在所述衬底与所述顶部触摸面板之间保持压缩。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述导电可压缩电极为发射器电极且所述第二电极为接收器电极。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述导电可压缩电极为接收器电极且所述第二电极为发射器电极。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二电极部分地环绕所述导电可压缩电极。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述导电可压缩电极包括形成为圆盘的形状的一部分，且所述第二电极包含与所述圆盘同心的环。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述导电可压缩电极压缩在所述顶部触摸面板上以在所述顶部触摸面板上形成触摸区，所述触摸区对应于所述导电可压缩电极压缩在所述顶部触摸面板上的区。

8.根据权利要求1所述的装置，且其进一步包含对应于所述导电可压缩电极及所述第二电极的光源。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述光源包含电致发光材料。

10.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二电极具有孔，且其中所述装置进一步包含用以通过所述孔提供光的光源。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述光源包含由所述衬底支撑的发光二极管。

12.根据权利要求1所述的装置，其中所述衬底包含具有用于所述导电可压缩电极及所述第二电极的布线的印刷电路板，且其中所述顶部触摸面板由包括塑料或玻璃的材料形成。

13.根据权利要求1所述的装置，其中所述衬底为所述可压缩电极及所述第二电极提供机械支撑且包括耦合到所述可压缩电极及所述第二电极的离散布线。

14.根据权利要求1所述的装置，其中所述导电可压缩电极包含从所述衬底延伸到所述顶部触摸面板的导电弹簧。

15.一种装置，其包含：

衬底；

顶部触摸面板；

多个第一电极，其由所述衬底支撑，每一第一电极包括一导电弹簧，所述导电弹簧从所述衬底延伸到所述顶部触摸面板使得所述弹簧被压缩；

多个第二电极，其由所述衬底支撑且经布置以与相应的第一电极形成电场耦合。

16.根据权利要求15所述的装置，其中所述弹簧经形成以将电荷传导到所述顶部触摸面板上接近所述弹簧接触所述顶部触摸面板的点的触摸。

17.根据权利要求16所述的装置，其中所述衬底包含具有耦合到所述第一及第二电极的导体的印刷电路板。

18.根据权利要求15所述的装置，且其进一步包含对应于所述第一及第二电极的光源。

19.根据权利要求15所述的装置，其中所述第一电极具有孔，且其中所述装置进一步包含用以通过所述孔提供光的光源。

20.根据权利要求15所述的装置，其中所述弹簧压缩以邻近所述顶部触摸面板形成平坦螺旋环。

21.一种方法，其包含：

形成支撑于衬底上的第一及第二电极，使得所述第一与第二电极形成电场耦合，其中所述第一及第二电极中的至少一者由可压缩导电材料形成；及

用顶部触摸面板压缩所述可压缩导电材料，以在所述顶部触摸面板上接近所述可压缩材料的与所述顶部触摸面板接触的经压缩区域形成触摸区。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述触摸区上的触摸移除可在所述第一与第二电极之间传送的电荷。

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