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CN110456947B - 用于触摸敏感和非接触的界面的切换电极电容式测量装置 - Google Patents

用于触摸敏感和非接触的界面的切换电极电容式测量装置 Download PDF

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CN110456947B CN201910771181.0A CN201910771181A CN110456947B CN 110456947 B CN110456947 B CN 110456947B CN 201910771181 A CN201910771181 A CN 201910771181A CN 110456947 B CN110456947 B CN 110456947B
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Abstract

本发明涉及一种用于触摸敏感和非接触的界面的切换电极电容式测量装置，其包括至少一个电容式测量电极(1)，和电极切换单元(2)，所述电极切换单元(2)能够将所述至少一个电极(1)电连接到电容式测量元件或保护电势(11)，所述至少一个电容式测量电极(1)和所述电极切换单元(2)根据用于制造平面电子元件的技术提供在单独的检测表面(7)上。本发明还涉及一种实施该装置的设备。

Description

用于触摸敏感和非接触的界面的切换电极电容式测量装置
本申请是申请日为2012年12月18日、名称为“用于触摸敏感和非接触的界面的切换电极电容式测量装置”、申请号为201280063934.9的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种用于制造触摸敏感和非接触的人机界面的电容式测量装置，其使得大量测量电极能够最优集成在检测表面上。
更特别地，本发明的领域并不限于触摸敏感和非接触的人机界面的领域。
背景技术
用于通信和用于工作的许多设备使用触摸敏感或非接触的命令界面，例如面板或屏幕。可以在例如移动电话、智能手机、具有触摸敏感屏的计算机、平板电脑、个人电脑、鼠标装置、触摸面板和宽屏显示器等中发现这种类型的界面。
这些界面通常使用电容技术。触摸表面配备有连接到电子元件的导电电极，所述电子元件使得能够测量在电极和待检测对象之间出现的电容变化，以执行命令。
可以提供使得能够将界面叠加到显示屏、如智能手机的显示屏上的透明电极。
大部分这种界面是触摸敏感的，也就是说，它们能够检测一个或更多命令对象(通常是手指)和界面表面之间的接触。
越来越多地开发手势或非接触界面，这种界面能够检测距离界面更远而不与表面接触的命令对象。
目前在触摸敏感界面中实施的电容技术最经常使用行列形式的两层导电电极。电子设备测量在这些行与列之间存在的耦合电容。当手指非常接近活动表面时，与手指接近的耦合电容发生改变，电子设备因而能够在活动表面平面中定位2D位置(XY)。
通常被称为“互电容”的这种技术使得能够通过薄的电介质检测手指的存在及其位置。它们具有实现一个或更多手指的触摸表面平面(XY)中的定位中非常好的分辨率的优势。利用合适的处理软件，当界面的表面足够大时还能够管理大量手指。
但是，这些技术具有在测量电极和电子设备的层级上产生大的泄露电容的缺点。实际上，通过测量每个行与列之间产生的耦合电容变化实现了手指的检测，每个行与列中之一为电信号的发射器，另一个为待检测信号的接收器。该信号与选定的行与列之间的电容成比例。当手指关注的行与列的交点非常接近时，耦合电容减小，检测到手指。
即使没有待检测对象也可能是有意义的这些耦合电容还可能由于老化、材料变形或环境温度变化的影响而随时间漂移。这些变化可能降低电极的灵敏度，或甚至可能以不合时宜的方式触发命令。这是这些技术仅能够检测与手指的接触而不能检测其接近的原因之一，这是因为必须产生大的电容变化以使得电路能够检测到该变化，所述变化必须远大于漂移以避免任何[电容]假象。
还已知使得能够测量出现在电极和待检测对象之间的绝对电容的方法。这些方法通常被称为“自电容”。例如已知Rozière的文件FR 2 756 048，该文件公开了一种电容式测量的方法，该方法使得能够测量多个独立电极和附近对象之间的电容和距离。
该技术使用一种保护装置以消除所有寄生电容。所有电极具有相同的电势，因而电极之间没有能够损害电容式测量的耦合电容。
该技术非常适合于触摸敏感和非接触的界面，例如电容面板和透明触摸板和/或小的3D屏幕，如便携式计算机的面板或智能手机的小屏幕。另一方面，当面板或屏幕具有较大的尺寸时，覆盖整个触摸表面所需的电极的数量太大而不能通过微型电路管理。最重要的是，将电极连接到电子设备的轨道的通道所需的触表摸面周围和电极之间的表面也变得非常重要。
利用该技术，能够使用行和列的形式的电极，以使互连问题最小化。其中行和列被用作独立电极的该行-列结构使得能够进行远距离非接触测量或手势测量(在几厘米之外检测手指)，但是在多于一个对象待检测时出现另一个问题。实际上，必须扫描每行和每列，这会产生用于被称为虚假目标的虚拟对象的测量。这些虚假目标防止大量对象被绝对定位在触摸表面上。
本发明的一个目的是提出一种用于触摸敏感和/或非接触的界面的电容式测量装置，其使得能够在检测表面上实施大量电容式测量电极，同时限制这些电极与测量电子设备的互连问题。
发明内容
利用一种用于触摸敏感和/或非接触的界面的电容式测量装置实现了该目的，所述电容式测量装置包括至少一个电容式测量电极和电极切换单元，所述电极切换单元能够将所述至少一个电极电连接到电容式测量单元或保护电势，
其特征在于，所述至少一个电容式测量电极和所述电极切换单元根据用于平面型电子元件的制造技术被制造在单独的检测表面上。
特别地，用于平面型电子元件的制造技术可以包括源于微电子学的技术。它们可以包括但不限于层沉积操作特别是薄层的层沉积操作、蒸发、掩膜、化学刻蚀、干法刻蚀、离子注入、溶液中产物的沉积、喷墨印刷等。
根据本发明的装置还可以包括：
-多个电容式测量电极，其根据具有两个交叉方向(X、Y)的二维结构分布在检测表面上，
-电极切换单元，其放置在检测表面上的所述测量电极附近，
-第一电连接轨道，其在检测表面上布置为使得能够将基本上沿第一方向分布的多个测量电极经由其各自的电极切换单元连接到电容式测量单元，和，
-第二电连接轨道，其在检测表面上布置为使得能够将基本上沿第二方向分布的多个测量电极各自的电极切换单元连接至切换信号处。
特别地，电容式测量电极可以按照基本上沿着行和列的矩阵结构分布在检测表面上。
根据实施方案，根据本发明的装置还可以包括：
-在电保护电势处由明显导电材料制成的保护平面，其布置在测量电极下方，并通过至少一个明显电绝缘材料层与所述电极分开。
-通过穿过明显绝缘材料层的电连接件电连接到保护平面的电极切换单元。
该电极切换单元可以包括两个晶体管，其中，第一晶体管能够将测量电极连接到电容式测量单元，第二晶体管能够将所述测量电极连接到保护电势，所述晶体管由切换信号控制为使得当一个为开启状态时另一个为关闭状态。
根据实施方案，根据本发明的装置还可以包括：
-根据薄膜沉积技术制造的晶体管；
-基本上透明的晶体管；
-以下类型之一的晶体管：TFT(薄膜晶体管)型场效应晶体管，基于有机半导体的OFET(有机场效应晶体管)型晶体管。
根据实施方案，根据本发明的装置可以被制造成基本上透明的。
该装置可以包括包含ITO(锡掺杂的氧化铟)的测量电极、保护平面和轨道中的至少一种元件。
根据实施方案，根据本发明的装置还可以包括能够将电极切换单元连接到电容式测量单元或连接到保护电势的第二切换单元。
根据实施方案，根据本发明的装置还可以包括至少部分参照相对于地电势浮动的参考电势的电容式测量单元。
该参考电势可以基本上等于保护电势。
根据另一个方面，提出了一种人机界面装置，其包括命令界面和根据本发明的电容式测量装置。
该人机界面装置可以包括配备有显示屏的命令界面和基本上透明的电容式测量装置。
根据又一个方面，提出了一种以下类型之一的装置：智能手机、平板电脑、显示屏、计算机、用于机器或车辆的控制面板，其包括根据本发明的人机界面装置。
因此，根据特别有利的方面，本发明使得能够提供一种如下的测量装置：
-其使得能够实施独立的电容式测量电极，所述电容式测量电极可以测量多个对象，而没有虚假目标测量的问题，
-同时由于测量电极的行或列之间的一个道是充足的，使电连接轨道所使用的表面最小化。
因此，本发明的解决方案使得能够优化测量电极的数量和/或表面。还能够使轨道更宽且距离电极更远，这使得能够减小其电阻率(当使用例如ITO的材料时该电阻率不能忽略)，并限制由轨道和相邻电容之间的流动造成的寄生效应。
附图说明
通过阅读非限制性的实施和实施方案的详细描述并参照以下附图，本发明的其它优点和特征会变得明显：
-图1示出了根据本发明的电容式测量装置的顶视图，
-图2示出了图1的电容式测量装置的横截面图，
-图3示出了在图1和图2的电容式测量装置中实施的一种电容式测量电子设备的实施方案。
图1、图2和图3是示意图，从中不能推断出任何尺寸或比例。
具体实施方式
会对根据本发明的装置的一个实施方案的一个实例进行描述，这使得能够制造用于系统或装置、例如移动电话(智能手机)、平板电脑、计算机或控制面板的触摸敏感和非接触的界面。
参照图1和图2，根据本发明的测量装置包括多个电容式测量电极1，所述电容式测量电极1根据对应于两个交叉方向X、Y的行和列的矩阵结构分布在检测表面7上。
检测表面7构成包括显示屏、例如TFT(薄膜晶体管)型或OLED(有机发光二极管)型显示屏的命令界面10的表面。
命令界面10和叠加的电容式测量装置构成用于系统的人机界面。
电极1使得能够通过测量电极1和手指15之间建立的电容耦合来检测一个或更多个关注的对象15、例如手指15的接近和/或接触。
手指15和电极1之间的距离可以由测量电容耦合推断出，同时手指15在检测表面7的平面(X、Y)中的位置可以由检测手指15的存在的电极1的位置获得。
参照图3，电容耦合通过电子电容式测量单元27测量。
电极1连接到电极切换单元2，所述电极切换单元2使得能够将电极1进行如下连接：
-经由第一电连接轨道5或测量轨道5连接到电子电容式测量单元27，
-或连接到保护电势11。
电极切换单元2由切换信号控制，电极切换单元2通过第二电连接轨道6或切换轨道6连接到所述切换信号。
测量轨道5连接根据矩阵的方向X分布的电极1，切换轨道6连接根据矩阵的第二方向Y分布的电极1。
该装置还包括在电保护电势11处的保护平面15，所述保护平面15与电极1的检测表面相反地放置在电极1下方。该保护平面15形成保护电极免受命令界面10影响的电屏蔽。
该组合件根据具有以下层的多层结构形成：
-包括电极1、切换轨道6和电极切换单元2的第一层，
-包括测量轨道5的第二层，和
-包括保护平面15的第三层。
通过绝缘材料层12将各层分隔开。
切换单元通过穿过连接到保护平面15的连接件14连接到保护电势11。
电极1、保护平面15和轨道5、6由基本上透明的材料，例如ITO(锡掺杂氧化铟)制成，所述ITO例如通过真空蒸发沉积到下面的绝缘介电质层上。
命令界面10的表面可以由玻璃或聚合物如PET制成。
绝缘材料层12由聚合物材料制成。
切换单元2包括两个场效应型晶体管3、4，其中一个设置为通道N，另一个设置为通道P：
-两个晶体管3、4的栅极连接到传递切换信号的切换轨道6，
-第一晶体管3分别通过其两个其它端子(漏极和源极)连接到测量轨道5和电极1。
-第二晶体管4分别通过其两个其它端子(漏极和源极)连接到保护电势11和电极1。
依赖于切换信号的极性和/或电平，晶体管3、4中的一个为电阻非常低的开启状态，而另一个为电阻非常高的关闭状态，反之亦然。因此，电极1总是连接到测量轨道5或保护电势11。
晶体管3、4使用使得能够制造对人眼基本上透明的晶体管的技术来制造。
因此，整个电容式测量装置足够透明，以能够叠加在显示屏上。
两种已知的技术族适合用于制造在所呈现的实施方案中的晶体管3、4：TFT型晶体管(薄膜晶体管)或OFET型晶体管(由有机半导体制成的场效应晶体管)。在这两种情况中，电极都可以由ITO制成。
TFT型晶体管基于硅沉积物的薄膜。这是非常普通的用于制造显示屏的方法，但是至少对于特定实施方案，其具有需要在高温下操作的缺点。
OFET型晶体管使用通常与TFT晶体管的结构相似的结构由有机半导体制成。例如，它们可以采用有机聚合物，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为栅极电介质。
OFET型晶体管可以使用众所周知的真空蒸发技术，通过由聚合物溶液沉积、通过机械转移或甚至通过喷墨印刷技术来制造。因此，OFET型晶体管具有能够使用在室温下的低成本技术来制造的优点。
测量电极1经由测量轨道5连接到电子电容式测量单元27。
在图3的实施方案中，这些电子电容式测量单元27以例如在Rozière的文件FR 2756 048中描述的浮动电容式测量桥系统的形式来制造。
检测电路包括被称为浮动部分26的部分，所述部分被称为保护电势11的参考电势相对于整个系统的接地23震荡。保护电势11和接地23之间的交流电势差由激发源或振荡器24产生。
浮动部分26包括电容式检测的敏感部分，其在图3中由电荷放大器表示。还可以理解浮动部分26包括其它处理和调节信号的元件，包括数字元件或基于微处理器的元件，其也参照保护电势11。例如，处理和调节的元件使得能够由电容式测量计算关于距离和压力的数据。
浮动部分26的电力供应由包括例如DC/DC转换器的浮动电力传输元件25提供。
电容式测量系统使得能够测量测量电极1和对象如手指15之间的电容数据。
待检测的对象15必须连接到与保护电势11不同的电势，例如接地电势23。其身体定义电接地的使用者的手指15在该配置中可用。
由电子控制元件控制的开关阵列或类似开关20使得能够选择测量轨道5。这可能选择在图1实施方案中一行中的所有电极1。
开关20配置为使得测量轨道5连接到电容式检测电子设备27或保护电势11。
连接到测量轨道5的特定电极1的选择可以通过以下方式来进行：在相应的切换轨道6上发送切换信号，以将电极1的电极切换单元2配置为使其连接到测量轨道5。
因此，能够仅将单个电极1连接到电容式检测电子设备27，以测量电极1和对象15之间的耦合电容。
因此，所有电极可以连续和单独地“询问”。还能够通过激活几个切换信号和/或通过实施几个检测电子设备27来全局地询问电极1的组。
未连接到电容式检测电子设备27的电极1全部通过电极切换单元2或通过开关20连接到保护电势11。
检测的敏感部分由连接到保护电势11的保护屏蔽22保护。
因此，连接到电容式检测电子设备27的活动电极1被连接到保护电势11的元件包围，所述元件包括不活动电极1和在其背面的保护平面15。
由于活动测量电极1也在保护电势11处，因而能够避免该电极1和其周围事物之间的寄生电容，使得以最大灵敏度测量仅与关注的对象15的耦合。
浮动电子设备26在输出端通过电连接件连接到参照接地23的系统电子设备28，所述电连接件与参考电势差兼容。该连接件可以包括例如差分放大器或光耦合器。
关于空间中的对象15相对于检测表面7的位置的数据以这种方式获得。
这些数据由检测电子设备27处理并传输到系统电子设备28，以特别地在人机界面中使用。
根据变化方案：
-电容式测量装置可以通过不同的层状结构制造，其中特别地，(i)切换轨道6在与电极1相同的层上，测量道轨5在第二层，或者(ii)切换轨道6和测量轨道5在有电极1或没有电极1的相同层上，并在交叉点处具有电连接桥；
-该装置可以包括保护轨道，该保护轨道使得能够将电极切换单元2连接到在检测表面边缘处的保护电势11，任选地不通过连接件14；
-电极切换单元2，特别是其中的晶体管3、4可以在与电极1不同的层上制造。它们可以放置在电极1下方，以优化可用于检测的表面；
-电极切换单元2可以在检测表面7的特定区域(边缘，其中能够采用不透明晶体管的区域)中集合到一起；
-电容式测量装置可以以金属电极和/或金属保护平面和/或不透明晶体管(FET、MOSFET等)来制造，特别用于未预期底层显示的应用。
当然，本发明并不限于已经描述的实例，在不超出本发明的范围的条件下可以对这些实例进行许多调整。

Claims (18)

1.一种测量装置，包括：
多个电容式测量电极；
多个电极开关，耦合到所述多个电容式测量电极；
用于产生保护电势的激发源；和
一个或多个电容式检测电路，被配置为接收保护电势并产生以保护电势为参考的第一AC电势；
其中，所述多个电极开关被配置为使得第一组一个或多个电容式测量电极能够选择性地耦合到所述一个或多个电容式检测电路并且被耦合用于接收第一AC电势，并且同时使得第二组一个或多个电容式测量电极能够选择性地耦合以接收保护电势，所述保护电势不同于地电势。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其中，所述多个电极开关还被配置为使得第一组一个或多个电容式测量电极能够另外耦合到所述保护电势。
3.根据权利要求2所述的测量装置，其中第一组一个或多个电容式测量电极经由所述一个或多个电容式检测电路耦合到所述保护电势。
4.根据权利要求3所述的测量装置，其中所述电容式检测电路中的至少一个包括电荷放大器，所述电荷放大器的正输入耦合到所述保护电势，并且所述电荷放大器的负输入耦合到所述电容式测量电极中的至少一个，所述负输入用于为所述至少一个电容式测量电极提供所述保护电势。
5.根据权利要求1所述的测量装置，还包括形成在所述多个电容式测量电极下方的保护平面。
6.根据权利要求1所述的测量装置，其中，所述多个电极开关还被配置为经由一个或多个测量轨道选择性地将所述电容式测量电极耦合到所述一个或多个电容式检测电路。
7.根据权利要求1所述的测量装置，还包括耦合到所述多个电极开关的一个或多个第二开关，所述一个或多个第二开关选择性地耦合到所述保护电势或所述一个或多个电容式检测电路。
8.根据权利要求7所述的测量装置，其中，所述一个或多个第二开关被配置为将所述多个电容式测量电极中的每一个顺序地并且单独地耦合到所述一个或多个电容式检测电路。
9.根据权利要求7所述的测量装置，其中，所述一个或多个第二开关被配置为将所述多个电容式测量电极中的两个或更多个的组顺序地耦合到所述一个或多个电容式检测电路。
10.根据权利要求7所述的测量装置，其中所述一个或多个第二开关经由一条或多条线路选择性地耦合到所述一个或多个电容式检测电路，所述一条或多条线至少部分地被保持在所述保护电势的保护屏蔽包围。
11.一种用于电容式触摸测量或电容式接近测量的方法，包括：
产生保护电势；
从保护电势产生第一AC电势，第一AC电势以保护电势为参考；
选择性地耦合第一组一个或多个电容式测量电极以接收第一AC电势，并选择性地耦合第一组一个或多个电容式测量电极到一个或多个电容式检测电路以进行电容式触摸测量或电容式接近测量；和
同时耦合第二组一个或多个电容式测量电极以接收保护电势以使杂散电容最小化，所述保护电势不同于地电势。
12.如权利要求11所述的方法，还包括选择性地将第一组一个或多个电容式测量电极耦合到所述保护电势。
13.如权利要求11所述的方法，还包括使用保护平面屏蔽第一组电容式测量电极和第二组电容式测量电极。
14.如权利要求11所述的方法，还包括将所述多个电容式测量电极中的每一个顺序地并且单独地耦合到所述一个或多个电容式检测电路。
15.如权利要求11所述的方法，还包括将所述多个电容式测量电极中的两个或更多个的组顺序地耦合到所述一个或多个电容式检测电路。
16.如权利要求11所述的方法，还包括屏蔽第一组一个或多个电容式测量电极与所述一个或多个电容式检测电路之间的耦合。
17.一种用于电容式触摸测量或电容式接近测量的方法，包括：
产生保护电势；
从保护电势产生第一AC电势，第一AC电势以保护电势为参考；
从电容式测量电极阵列中的第一组一个或多个电容式测量电极获得电容触摸测量或电容式接近测量，第一组一个或多个电容式测量电极接收第一AC电势；
在从第一组一个或多个电容式测量电极获得电容式触摸测量或电容式接近测量的同时，将电容式测量电极阵列中的其它电容式测量电极耦合到保护电势以最小化杂散电容，所述保护电势不同于地电势。
18.如权利要求17所述的方法，还包括在从第一组一个或多个电容式测量电极获得电容式触摸测量或电容式接近测量以及将电容式测量电极阵列中的其它电容式测量电极耦合到保护电势的同时，使用保持在保护电势的平面屏蔽电容式测量电极阵列中的所有电容式测量电极。
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