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CN1860432A - 传感装置 - Google Patents

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CN1860432A
CN1860432A CNA2004800175763A CN200480017576A CN1860432A CN 1860432 A CN1860432 A CN 1860432A CN A2004800175763 A CNA2004800175763 A CN A2004800175763A CN 200480017576 A CN200480017576 A CN 200480017576A CN 1860432 A CN1860432 A CN 1860432A
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CN
China
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film
touch
signal
sensor
touch sensor
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CNA2004800175763A
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English (en)
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布赖恩·E·奥夫德海德
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3M Innovative Properties Co
Original Assignee
3M Innovative Properties Co
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Abstract

本发明公开了一种传感系统和传感方法。该系统包括薄膜，该薄膜响应施加于其上一个位置处的外部媒介而自生信号。该系统还包括传感器，该传感器构造成检测在薄膜上的若干位置处的自生信号，从而确定外部媒介施加于薄膜上的位置。

Description

传感装置
技术领域
本发明大体涉及传感装置。本发明特别适用于这样的装置：其包含能够响应触摸工具而自生电信号的材料。
背景技术
触摸屏通过减少或消除对键盘的需要，从而允许使用者方便地与电子显示系统进行交互。例如，使用者简单地触摸由预编程图标识别的位置处的屏幕就可执行复杂的指令序列。另外，根据应用而对支持软件进行再编程，便可以改变屏幕上的菜单。作为另一个实例，通过在触摸屏上直接书写或画图，触摸屏允许使用者向电子显示装置传输文本或图画。
触摸屏的性能根据屏幕的不同特性来描述。这些特性中的一种特性是光传输性。当触摸屏的光传输性改进时，图像亮度和对比度增加。在其中显示(显示器)通常以有限寿命的电池为电源的便携式装置中，高光传输性是特别希望的。通过改进触摸屏中不同层的光学透明度，通过减少界面的数量，并且通过减少不同界面的反射，可以使光传输性最优化。
触摸屏的另一种特性是触摸工具。一些触摸技术局限于可用于触摸输入的触摸工具类型。例如，电容接触式传感器通常要求导电触笔，例如使用者的手指。另一方面，电阻类型的接触式传感器通常可检测到导电触摸工具(例如使用者的手指)和非导电触笔(例如使用者的指甲)施加的触摸。在接触式传感器中，触笔独立性通常是希望的特性。通常希望触摸屏记录所采用类型的触摸工具的触摸独立性。
触摸屏的又一种特性是总成本。通常，当触摸屏的层数增加时制造成本增加。所以，通常希望触摸屏仅包括很少的几层。通常，当触摸屏的一种特性得到改进时，一种或多种其它特性却经常降低。例如，如果试图降低制造成本，那么触摸屏的层数可能减少，而这将潜在地损害触摸屏的其它特性，例如损害光传输性，或触笔独立性。结果，必然权衡这些性能以最好地满足给定应用的性能标准。因此，仍然需要具有改进整体性能的触摸屏。
发明内容
一般地，本发明涉及传感装置。本发明还涉及传感的方法。
在本发明的一个方案中，一种系统包括薄膜，该薄膜响应施加在其上的位置处的外部媒介(external agent)而自生信号。该系统还包括传感器，该传感器构造成在薄膜上的若干位置处检测自生信号，从而确定外部媒介施加于薄膜上的位置。
在本发明的另一个方案中，一种系统包括薄膜，该薄膜响应施加在其上的位置处的外部媒介而自生信号。该自生信号至少在薄膜上的第一位置处产生第一可检测信号，并至少在薄膜上的第二位置处产生第二可检测信号。该系统还包括控制器，该控制器适于至少接收该第一和第二可检测信号，以便确定外部媒介施加于薄膜上的位置。
在本发明的又一方案中，一种接触式传感器包括薄膜，该薄膜响应施加在其上的位置处的触摸工具而自生信号。该触摸位置可以通过检测薄膜上的若干位置处的信号而确定。
在本发明的再一方案中，一种接触式传感器包括薄膜，该薄膜响应施加于其上的位置处的触摸工具而自生信号。并且至少通过第一传感器检测薄膜上的第一位置处由自生信号产生的第一可检测信号，以及至少通过第二传感器检测薄膜上的第二位置处由自生信号产生的第二可检测信号，从而确定触摸位置。
在本发明的另一方案中，确定触摸位置的方法包括构成触摸灵敏区域的步骤，该触摸灵敏区域包括响应施加的触摸输入而自生信号的薄膜。该方法还包括检测响应自生信号而产生的若干可检测信号的步骤。另外，该方法还包括利用若干可检测信号以确定触摸位置的步骤。
附图说明
根据下面结合附图对本发明的不同实施例进行的详细描述，可更完全地理解和认识本发明，其中：
图1示出根据本发明实施例的系统的三维示意图；
图2示出根据本发明另一个实施例的系统的三维示意图；
图3示出根据本发明又一个实施例的接触式传感器的三维示意图；
图4示出根据本发明另一个实施例的接触式传感器的三维示意图；
图5示出根据本发明再一个实施例的接触式传感器的示意侧视图；
图6示出根据本发明另一个实施例的显示系统的示意侧视图；
图7示出根据本发明的另一个实施例的压电膜的示意侧视图；以及
图8示出根据本发明实施例的接触式传感器的示意侧视图。
具体实施方式
本发明大体适用于传感装置。本发明特别适用于触摸屏、与电子显示系统一起使用的触摸屏，并且特别适用于具有触笔独立性、高光传输性和低制造成本的触摸屏。
一些触摸屏按这样的一般原理工作：即，当施加触摸时，使得开路电路闭合。在闭合电路中生成信号的特性允许检测触摸位置。可以采用不同的技术对触摸位置进行检测。这样的一种技术是采用电阻式的技术。在电阻性的触摸中，所施加的触摸使两个物理地分离的导电膜相互直接物理接触。该物理接触使开路电路闭合，从而导致电阻性的耦合电信号的生成。这样，该生成信号的特性允许检测触摸位置。
此外，电容式技术是通常用于检测触摸位置的另一种技术。在这种情况下，当导电触摸工具(例如使用者的手指)充分接近导电膜以允许在两个导体之间进行电容耦合时，产生信号。例如，两个导体通过接地相互电连接。这样，该生成信号的特性允许检测触摸位置。此外，其它可行的技术包括表面声波(SAW)、红外线(IR)以及力的技术。
另外，一些公知的触摸技术是利用压电效应以检测施加触摸的位置。例如，专利号为3,806,642的美国专利公开了这样的技术：即，向压电板施加电压脉冲，以便在压电材料中发射移动的压电产生的机械振荡脉冲。该机械波在压电板中依次产生压电电压起伏，当在触摸位置探针(与接触式传感器电连接)与压电板表面电接触时，可确定由导电探针作用的触摸位置。作为另一个实例，申请号为No.0-753-723-A2的欧洲专利申请公开了包括沿压电板厚度方向被极化的压电板的触控板。该压电板接近于在预定位置具有若干振动传感器的振动传输板。通过电气装置，使压电板中产生均匀的振动。例如，当用笔给压电板施压时，在受压位置将振动传播到振动传输板上，接着振动传感器检测到该振动。施加触摸的位置由振动传感器检测到的信号确定。在专利号为No.4,516,112；4,866,412；4,875,378和5,673,041的美国专利中公开了利用压电效应的接触式传感器的其它实例。另外，在专利号为No.4,307,383和4,363,027的美国专利，以及在申请号为No.2001-195190的专利申请中也公开了采用压电效应的接触式传感器的实例。
本发明提供一种薄膜，该薄膜具有响应外部媒介而自生、或等效地自生信号的特性。例如，该信号可以由薄膜响应外部媒介生成，而不需要附加源，该附加源例如是外部信号发生器、诸如电流或电压源等的电源，或其它任何可作为产生这种信号装置的附加源。尽管如此，还可能需要附加源，以确定和/或报告关于自生信号的信息。根据本发明，薄膜和外部媒介之间的相互作用足以导致薄膜生成信号。这与一般用于接触式传感器中的其它薄膜例如导电膜相比大不同，这种导电膜例如是氧化铟锡(ITO)，该导电膜不会响应外部媒介而自生信号，为了响应外部媒介而在导电膜上生成信号，需要导电膜之外的外部源。
根据本发明，该自生信号实际上可以是电信号。例如，该自生信号可以是电压信号。例如，该电压信号可以穿过薄膜的厚度产生。该电压信号还可以沿薄膜的平面产生。可替换地，电压信号可部分与沿薄膜的厚度产生，以及部分地沿薄膜的表面产生。另外，自生信号可以是电流。作为另一个实例，自生信号可以是例如穿过薄膜厚度的温度梯度或温差。一般而言，该信号可以是由薄膜自生的任何信息，这些信息可以用于确定外部媒介施加于薄膜上的位置。
而且，根据本发明，该信号可以在外部媒介施加于薄膜上的位置或该位置附近生成。另外，自生信号还可以在除外部媒介施加于薄膜上的位置之外的一个或多个位置处生成。此外，可以相对于薄膜的几何形状或相对于外部媒介施加于薄膜上的位置而预先确定这些位置。为简单起见，又不失一般性，以下将自生信号的位置称为施加外部媒介的位置，这意味着两个位置可以相互充分靠近，以满足所希望的分辨率，并且这该两个位置不一定重合。本发明独特的特征在于：通过检测薄膜上的两个或多个位置处的自生信号来确定外部媒介施加于薄膜上的位置。
而且，根据本发明，自生信号可以用于帮助确定其自身位置，该位置可以是外部媒介施加于薄膜上的位置。另外，自生信号可以通过本身或与其它信号结合使用，以确定该自生信号的位置。其它信号可以是由外部信号源例如电压电源或电流源等生成的信号。
根据本发明，外部媒介可以是施加的触摸。该触摸可包括挤压薄膜从而产生变形。该变形是可逆的，这意味着一旦施加的触摸去除，薄膜就可恢复到原来的形状。该触摸也可以包括对薄膜的直接物理接触。可替换地，该触摸可以通过附加层或涂层施加于薄膜上。该触摸还可通过接近(例如通过将触摸工具定位成充分接近薄膜)而施加于薄膜上。可替换地，触摸工具可以远离薄膜。例如，触摸工具可以是来自远离薄膜的光源例如激光源的光。在该实例中，光和薄膜之间的相互作用可导致薄膜自生信号。
图1表示根据本发明的一个特定实施例的系统100。系统100包括薄膜110，该薄膜110具有在外部媒介施加于其上的位置处自生信号的特性。根据本发明，系统100可以包括一个或多个辅助信号源(图1中未显示)，以便增大或扩大由薄膜110在外部媒介施加于薄膜上的位置处自生的信号。
在典型的系统100中，外部媒介130在位置Z处施加于薄膜110上。该外部媒介可以是例如在位置Z处向薄膜110施加压力的触笔。作为另一个实例，外部媒介可以是在位置Z处入射到薄膜110上的光束。通常，外部媒介包括任意的外部装置，薄膜110响应该外部装置而在外部媒介施加于其上的触点处自生信号。
自生信号可穿过薄膜110的厚度而产生。另外，自生信号可以在薄膜110的平面内产生。可替换地，自生信号也可以至少部分地穿过薄膜的厚度产生，并且至少部分地穿过薄膜110的平面内产生。系统100还包括用于检测在位置Z处、在薄膜上的预定位置140a、140b、140c和140d处生成的信号的传感器和电子器件120。将在位置140a、140b、140c和140d处检测到的信号分别经由发送器150a、150b、150c和150d发送给传感器和电子器件120，以便进行检测和处理。尽管示意性地显示传感器和电子器件120与薄膜分离，但传感器和电子器件120的至少一部分可以与薄膜110成一体。
传感器和电子器件120检测位置140a-140d处的自生信号，以便确定外部媒介130施加于薄膜110上的位置。将由传感器和电子器件120生成的信息发送给控制器160，以便确定外部媒介130施加于薄膜110上的位置。系统100还包括用于将位置Z处生成的信号发送到位置140a-140d的装置(该装置在图1中未显示)。该装置可以存在于薄膜110的外部。例如，在薄膜110的一面或两面上可以结合一层或多层信号传输层，以便发送自生信号。另外，这些传输装置可在薄膜110内部或是固有的。例如，薄膜110可以具有向位置140a-140d发送自生信号的附加特性。根据图1，可以通过在薄膜中的四个位置140a-140d处检测自生信号来确定触摸位置Z。通常，通过沿薄膜110在两个或多个位置或等效的若干位置检测自生信号，可确定这些自生信号的位置。
此外，可以构造薄膜110的顶面和/或底面，例如，该结构可以是随机的或包括规则图案。例如，表面可以具有随机的无光饰面。另外，该表面可以具有一维或两维的微观结构。结构化的表面可以降低眩光。结构化的表面还可降低在外部媒介130施加于薄膜上时滑动的可能性。
另外，外部媒介130可与薄膜110物理接触，以使薄膜响应外部媒介而在触点处自生信号。该物理接触可以伴有或可以不伴有一些力或压力，从而通过薄膜产生响应。可替换地，外部媒介130可接近薄膜110，以便通过薄膜产生响应。在一些其它实例中，外部媒介使薄膜110产生响应，这里的响应可能对薄膜和外部媒介之间的间隔基本上不敏感。在一些其它结构中，外部媒介可以直接或间接地向薄膜施加压力或力，以便在薄膜中产生响应。例如，外部媒介可接触位于薄膜110和外部媒介之间的一层或多层结构。这些层包括涂层、基片、保护层等。
此外，由薄膜自生的信号可以是电压、电流、温度、波，或任何其它信号，薄膜110能够响应外部媒介而自生这些信号。信号发送器150a-150d是从位置140a-140d向传感器和电子器件120发送信号的任何适当的装置。例如，如果自生信号是电压，则发送器150a-150d可以是导电电极或导线。尽管显示出发送器150a-150d与薄膜110是分离的，但是可以以适当的图案在薄膜110上形成发送器的至少一部分。
另外，图1的系统100可以是透光或不透光的。而且该系统可以是刚性的或柔性的，扁平的或弯曲的。系统100可包括图1中未显示的其它部件。例如，系统100可以包括设置在薄膜110的一面或两面上的附加层。尽管在图1中，传感器和电子器件120和控制器160显示为分离的单元，但应当理解，在一些应用中，由于传感器、电子器件和控制器形成为单一单元，所以难以将用于检测施加外部媒介的位置的装置划分为传感器部分、电子器件部分以及控制器部分。另外，应当理解，图1的系统100可用于接触式传感器，以便检测施加触摸的位置。
图2是根据本发明的另一个实施例的系统200的示意图。系统200包括薄膜210，薄膜201具有在外部媒介施加于其上的位置处自生信号的特性。外部媒介230在位置Z1处施加于薄膜210上，并且在薄膜210中相同的位置处产生自生信号。薄膜210布置在顶信号传输层270和底信号传输层260之间，该层260和270向位置240a-240d处发送在位置Z1处自生的信号，在位置240a-240d处可检测到被发送的信号。发送器250a-250d从相应的位置240a-240d向传感器和电子器件220发送可检测信号，以便确定触摸位置Z1。根据图2，两个传输层260和270用来从位置Z1处向位置240a-240d发送自生信号。在一些情况下，可使用单个信号传输层，例如，使用顶信号传输层270或底信号传输层260。而且，尽管图2显示了从其将信号发送给传感器和电子器件220的四个位置240a-240d，但通常至少两个这样的位置就可以用于确定触摸位置Z1。另外，通过传感器和电子器件220生成的信息进一步被发送给控制器280。控制器280连接到传感器220上，并且利用接收到的信息来确定外部媒介230施加于薄膜210上的位置。
根据本发明的另一个特定方案，系统200可以是接触式传感装置。在这种情况下，外部媒介230可以是在位置Z1处向触控板290施加输入触摸的触摸工具。薄膜210具有响应触摸工具230而在位置Z1自生信号的特性。例如，薄膜210可以是压电材料。通常，压电现象是指这样的现象：即，通过材料响应机械应变而在材料中产生电极化。另外，压电材料具有响应电极化而自生机械应变的特性。在系统200中可采用这些效应中的任何一种效应。在薄膜210是压电膜的情况下，在位置Z1处向薄膜210施加充足的力或压力的触摸工具使得薄膜210在Z1处自生电压信号，并且该电压信号穿过薄膜210的厚度。根据本发明的特定方案，薄膜210设置在导电层260和270之间。导电层260和270将在位置Z1处自生的电压信号向可检测传输信号的四个位置240a-240d发送。任选地，例如通过系统接地可使导电层260保持恒定电势。
导电层260和/或导电层270可以电连续的，或由分立元件制造。电连续的电极可以覆盖整个薄膜210，该整个薄膜210位于触摸灵敏区域内，或覆盖在触摸灵敏区域内的部分薄膜。发送器250a-250d可以是这样的导电电极或导线：即，从位置240a-240d向传感器和电子器件220发送信号以确定触摸位置Z1的导电电极或导线。另外，通过传感器和电子器件220生成的信号可进一步发送给控制器280，以便确定触摸位置Z1。另外，从位置240a-240d处向传感器220发送的可检测信号可以是电压、电流或其它可检测信号。
此外，传感器和电子器件220可包括若干传感器。例如，传感器220可以包括检测第一位置240a处的可检测信号的第一传感器、检测第二位置240b处的可检测信号的第二传感器、检测第三位置240c处的可检测信号的第三传感器，以及检测第四位置240d处的可检测信号的第四传感器。触摸位置Z1由这四个传感器检测到的四个可检测信号确定。
此外，响应触摸工具而由薄膜210自生的信号的大小可以是施加于薄膜上的压力或力的函数。例如，当施加于薄膜上的力的大小增加时，自生信号强度也增加。这种特性可提供用于z轴控制的方法，在该方法中，系统200的响应可以根据施加于薄膜上的力的大小而变化。
在触按(touch-down)期间，即当通过触摸给薄膜210施加正向力或压力时，薄膜210可以响应施加的触摸而自生电信号。这样的自生信号可以称为“触按(touch-down)信号”。在触离(touch-up)(移开)期间，即当该触摸移开时，薄膜210也可以响应施加的触摸而自生电信号，从而降低或终止在触按期间预先施加给薄膜210的力或压力。这种自生信号称为“触离(touch-up)信号”。可以检测触按信号或者触离信号，或者这两者，以确定触摸位置。通过检测这两种信号可以提高确定触摸位置的精度。而且，检测触离信号可以提供区分单纯的触摸与触按并拖动(touch and drag)的方法，该触按并拖动是这样的：例如，触笔接触接触式传感器且在传感器上进行拖动，以便例如在接触式传感器上画线。
而且，在位置240a-240d处检测到的可检测信号的大小可以提供这样的信息：即，关于在触摸位置处施加于薄膜上的力的大小的信息。这种信息可以用于通过接触式传感器来确定或修改适当的响应。例如，将触摸位置设计成控制音量，施加力的大小可用于确定适当的音量级。可替换地，通过监控自生触按信号的时刻和自生触离信号的时刻之间的时间间隔来确定音量级。例如，时间间隔越长，通过接触式传感器设置的音量级越高。
此外，可以对触控板的顶面进行织构化(textured)或结构化。如上所述，结构化的表面减少了眩光。而且，织构化或结构化的表面在响应触摸工具而自生的信号中提供附加信息。例如，在织构化的表面上拖动触笔可使施加在表面上的力或压力发生变化，从而导致自生信号的变化。例如，这种信号变化可以用于确定触摸位置。
此外，典型的无机压电材料包括锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡、氧化锌、石英、钛酸锆酸镧铅(PLZT)、钛酸镧铅(PLT)、钛酸铅(PT)，以及不同无机压电材料的化合物或混合物。
此外，聚合压电材料的实例包括聚偏氟乙烯(PVDF或PVF2)、包含P(VDF-TrFE)和P(VDF-TeFE)的PVDF共聚物、聚对二甲苯、聚双(氯甲基)环氧丙烷(片通)、芳族聚酰亚胺、聚砜、聚氟乙烯、合成多肽、氰乙基纤维素、聚偏二氟乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯混合物、聚偏二氟乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯混合物、聚偏二氟乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯混合物、聚偏二氟乙烯/聚乙酸乙烯酯混合物、聚偏二氟乙烯/聚N，N二甲基丙烯酰胺混合物、亚乙烯基二氰/乙烯基乙酸酯共聚物、尼龙、聚氯乙烯(PVC)、聚偏氰乙烯、亚乙烯基二氰/丙烯腈共聚物、亚乙烯基二氰/偏二氯乙烯共聚物、亚乙烯基二氰/苯乙烯共聚物、亚乙烯基二氰/甲基丙烯酸甲酯共聚物、亚乙烯基二氰/苯甲酸乙烯脂共聚物、亚乙烯基二氰/氯乙烯共聚物、亚乙烯基二氰/丙烯酸共聚物等。
另外，其它压电材料的实例包括聚合压电材料和无机压电材料或陶瓷的合成物，例如锆钛酸铅(PZT)和聚偏二氟乙烯(PVDF)的合成物。
可替换地，薄膜210可以是热电材料。通常，热电现象是指通过材料响应热吸收而在材料中自生的电极化。对于热电膜210，触摸工具可以使触摸位置Z1处的薄膜210产生温度梯度或温差。例如，可以穿过薄膜厚度产生温度梯度。例如，触摸工具230可以是红外线发射笔，红外光束在位置Z1处由薄膜210吸收，从而产生温度梯度或温差。可替换地，触摸工具230可以以一个或多个波长或波长范围发射电磁辐射(在这些波长范围内，薄膜210可以充分吸收电磁辐射)，从而自生表现为温度梯度或温差形式的信号。例如，该温度梯度可以使薄膜210在位置Z1处自生电压信号。与上述类似，导电层260和270可向四个位置240a-240d传输生成的信号。并且通过传感器220和控制器280检测在240a-240d处的可检测信号。基于检测到的四个可检测信号，由传感器和电子器件220和控制器280来确定位置Z1。
导电层260和270优选地具有均匀的导电性。在导电层的情况下，导电层的薄膜电阻优选地均匀在10％的范围之内，这意味着在2.5厘米距离上与平均薄膜电阻的最大偏差不超过10％。更优选地，薄膜电阻均匀在2％的范围之内，还优选地在0.5％的范围之内，更优选地是均匀在0.2％的范围之内。
导电层260和270可以是金属、半导体、掺杂半导体、半金属、金属氧化物、有机导体、导电聚合物等。典型的金属导体包括金、铜、银等。典型的无机材料包括透明的导电氧化物，例如氧化铟锡(ITO)、掺氟的氧化锡、氧化锑锡(ATO)等。
例如，在欧洲专利公报EP-1-172-831-A2中公开的典型的有机材料包括导电有机金属化合物以及导电聚合物，例如聚吡咯、聚苯胺、聚乙炔和聚噻吩等。导电层260和270穿过整个薄膜210、穿过接触式传感器的触摸灵敏区域中的薄膜，或穿过触摸灵敏区域的一部分是电连续的。而且，导电层260和270可以由分离的导电段构成，这些导电段相互之间是电绝缘的。
根据如上所述，薄膜210可以包括热电或压电材料。通常，薄膜210可以包括在触摸位置响应触摸工具而自生信号的任何材料。例如，适用于薄膜210的其它材料包括热电和铁电材料。通常，薄膜210可以包括换能器。
图2中的接触式传感器200可以是透光或不透光的。而且，接触式传感器可以是刚性或柔性的、扁平的或弯曲的。
图2表示通过在四个位置检测自生信号来确定施加触摸的位置。通常，根据本发明，通过在薄膜上的两个或多个位置或等效的若干位置处检测自生信号来确定施加触摸的位置。下面，参考图3描述这样的实例：即，通过在两个位置处检测自生信号来确定触摸位置。
图3表示根据本发明的一个特定方案的接触式传感器300。接触式传感器300包括触控板390、传感器320和控制器380。触控板390包括压电膜310，压电膜310响应触摸工具330在位置Z2处向薄膜310上施加的足够的力或压力，从而在位置Z2处自生电压信号。尽管在图3中显示的特定实施例中描述了具有压电特性的薄膜310，但本发明不限于压电膜。薄膜310可包括具有其它适当特性的材料，例如具有如上所述的热电性的材料。
参考图3，压电膜310设置在顶导电层370和底导电层360之间，其中，每一层均是电连续的，例如穿过整个触摸灵敏区域，或由相互电绝缘的分离段组成。根据本发明的这个方案，触控板390沿y轴的尺寸“b”足够小(例如给定希望的和/或可获得的触摸分辨率或精度)，以便通过确定沿触控板的“a”尺寸上的触摸位置的x坐标，来适当地确定施加触摸的位置。另外，触摸工具330在位置Z2处向触控板施加压力或使触控板发生形变，响应该压力，压电膜310在位置Z2处自生电压信号。例如，该信号可以沿Z轴穿过薄膜的厚度而自生。该自生电压信号经由导电层370和360发送到两个位置340a和340b。在一些应用中，导电层360或导电层370可保持固定电位，例如保持系统接地电位。
传感器320分别通过电极350a和350b检测位置340a和340b处的可检测电压信号，从而传感器320可以确定位置Z2的x坐标。另外，可以将通过传感器320生成的信息进一步发送给控制器380，以便进一步处理和确定触摸位置。从而，基于由传感器320和控制器380检测到的可检测信号来确定位置Z2的x坐标。例如，可以通过比较两个检测到的信号的相对大小来确定位置Z2。如上所述，在位置340a和340b检测到的信号可以是电压、电流或其它可以用于确定触摸位置的适当的信号。另外，图3显示了一维的接触式传感器，在依靠足够小的尺寸“b”的这种意义上，确定施加触摸的x坐标就足以确定触摸位置。可替换地，接触式传感器300可包括如图4所示的一系列电极条。
图4显示了根据本发明的一个特定实施例的接触式传感器400的三维示意图。尽管薄膜410可以包括具有响应施加的触摸而自生信号的特性的任意材料，但为了说明起见，接触式传感器400包括的是压电膜410。470-1～470-N的N个电极条布置在薄膜410上。另外，可以将类似于电极条470-1～470-N的电极条设置在薄膜410的背面上。可替换地，单个电连续的电极也可设置在薄膜410的背面上，例如覆盖接触式传感器的触摸灵敏区域。为方便说明又不失一般性，图4未显示任何底导电电极。
再参考图4，触摸工具430例如沿电极条470-2在位置Z4处向接触式传感器400施加触摸。响应该施加的触摸，薄膜410在Z4处自生电信号。通过沿电极条470-2在位置450a-2和450b-2处检测自生信号来确定触摸位置Z4。通常，根据电极条470-1～470-N的宽度、电极条之间的间隔，以及触摸工具的大小，自生信号沿y方向可延伸(extend)超过一个电极条。在这种情况下，例如，通过确定承载最强信号的电极条，利用插值算法来确定触摸位置的y坐标。可替换地，与在近场成像式接触传感器(NFI)中使用的算法类似的算法可用于确定沿y方向的触摸位置。在专利号为No.5,650,597的美国专利中描述了这种算法的实例。此外，通常包括电子器件的传感器420和控制器480基于两个位置450a-2和450b-2处检测到的可检测信号确定触摸位置Z4，并提供进一步适当的响应。
再参考图2，触控板290可以具有附加层。在图5中显示了典型的结构。图5示出了根据本发明的另一个方案的接触式传感器500的示意侧视图。接触式传感器500包括薄膜510，该薄膜510具有响应触摸工具而自生信号的特性，其中，该信号可以在触摸位置处生成。如上所述，可以并入薄膜510内的典型材料包括压电材料和/或热电材料。薄膜510设置在顶导电层570和底导电层560之间。可选地，薄膜510可以与任何一个导电层或两个导电层接触。保护层545布置在顶导电层570之上，并部分地保护传感器以避免其受到诸如划痕等的破坏，这些划痕可能是例如由于触摸工具或其它因素而造成的。粘合层535设置在保护层545和顶导电层570之间。基片525部分地为如图5所示的结构提供支撑。导电层570和560可以是电不连续的或电连续的。类似地，薄膜510也可以是电不连续的或电连续的。为简单起见，又不失一般性，在图5中未显示出传感器、控制器、信号发送器以及用于检测触摸位置所必须的或需要的其它部件。
另外，并入粘合层535中的典型材料包括紫外线固化粘合剂、压敏粘合剂、热活性粘合剂和热固性粘合剂。
此外，基片525可以是刚性或柔性的。基片可以是聚合物或任何类型的玻璃。例如，基片可以是浮法玻璃，或者，它可以由有机材料制成，例如聚碳酸酯、丙烯酸酯，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、聚砜等。可替换地，基片525也可以包括金属，在包括金属的情况下，该基片还可以用作底导电层560。
保护层545的表面555可以是无光泽的，从而减少眩光，如上所述，为便于说明且不失一般性，图5未显示接触式传感器中包括传感器、控制器和电连接器在内的许多部件。可以并入接触式传感器500中且未在图5中明确地显示的其它典型的层包括偏振片(polarizer)、阻滞剂(retarder)、滤色片、抗反射涂层、图形、电磁干扰(EMI)罩、静电释放(ESD)罩、抗指纹涂层，以及密封垫。
根据本发明的触控板可包括两层或多层薄膜，每一层薄膜均具有响应触摸工具而自生信号的特性，其中，该信号可以在触摸位置处生成。在图8中显示了一种典型的结构，它显示了根据本发明的一个方案的接触式传感器800的侧视示意图。接触式传感器800包括基片840、薄膜810和820、电极815和835，以及包含层825的电极，薄膜810和820中的每一层薄膜均具有响应触摸工具而自生信号的特性，其中，该信号可以在触摸位置生成。
如上所述，可以并入薄膜810和/或薄膜820中的典型材料包括压电材料和/或热电材料。例如，薄膜810和820两者均可以是压电的或两者均是热电的。作为另一个实例，其中一层薄膜可以是压电的，另一层薄膜可以是热电的。例如，薄膜810是热电的，而薄膜820是压电的。如图所示，每一层薄膜810和820均设置在两个电极之间。例如，薄膜810设置在电极815和包含层825的电极之间，并且薄膜820设置在包含层825的电极和电极835之间。层825可以构成与两层薄膜810和820接触的单个电级，或可以构成包括与薄膜810和820中的每一层薄膜接触的分离电极，这些分离电极之间具有电绝缘层。任选地，薄膜810可以与电极815和825中的任一个电极或两个电极接触，薄膜820可以与电极825和835中的任一个电极或两个电极接触。
尽管图8显示了两层薄膜810和820，其中每一层薄膜具有响应触摸工具而自生信号的特性，但是应当理解接触式传感器800可以具有附加的这种薄膜。
在本发明中采用的压电膜可以通过许多方法制造。例如，可以通过这样的方法制造PVDF膜：即，通过将PVDF颗粒挤出到冷却辊上，以制造无定形PVDF膜(有时称为α相)，从而制造PVDF膜。可替换地，PVDF和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的混合物可以是溶剂涂层，以便制造无定形涂层。接着，通过沿一个或两个方向对无定形PVDF膜进行拉伸以使其定向。该拉伸的结果是产生了半晶状膜，有时称为β晶相。可替换地，也可以通过这样的方法实现无定形膜的定向：即，例如通过将无定形膜穿过具有预定间隙的辊，以挤压该无定形膜从而实现定向。对于一些薄膜组分，可以不需要定向步骤。
接着，可以通过将PVDF膜放置在电场中，例如通过将PVDF膜放置在两个带电平行板之间而极化。极化电场一般在约80到120摄氏度的温度下为每微米50到100伏，尽管该极化也可以在其它温度下实现。该极化过程通常需要大约30分钟，在30分钟后，PVDF膜在极化电场中冷却到室温。可替换地，该薄膜可以在类似的温度范围内通过电晕放电而极化，但是通常需要的时间稍短。在一些情况下，可以通过已置入薄膜内的电极实现极化。典型地，在电晕过程中，因为电晕一般在薄膜表面上形成电荷分布，所以薄膜无需与电极紧密地接触。对于一些材料成分，无须首先使无定形膜定向，就可以对无定形膜进行极化。可替换地，对于一些成分或在一定状态下，可以同时进行使薄膜定向和极化的步骤。专利号为No.4,606,871；4,615,848和4,820,586的美国专利还描述了对压电膜进行极化的过程。应当理解，根据本发明，可以将该薄膜制成是连续压电的或仅在预定区域是压电的。例如，这可通过在图7中显示的预定区域使膜极化而实现。
图7表示根据本发明的一个方案的压电膜700的示意侧视图，根据本发明的一个方案，压电膜700在这样的系统中使用：即，该系统通过在压电膜上的若干位置处检测由压电膜700响应外部媒介而自生的信号(例如电信号)，来确定施加的诸如触摸工具等的外部媒介的位置。另外，以这样的方式处理压电膜700：即，使得压电膜在区域701、702，和703，而不是区域704、705具有压电特性。另外，箭头象征性地显示了压电膜在箭头所位于的区域内已被极化且是压电的。在压电膜700中具有压电特性的不同位置的极化方向可以不同。例如，在图7中，在区域703内的极化方向与在区域701和702内的极化方向相反。此外，极化方向可以提供关于自生信号的更多信息，所述信息包括该自生信号的位置。在其中接触传感膜仅在预定区域内具有压电特性的接触式传感器的优点在于：在薄膜不具有压电特性的区域没有自生信号，因此，在薄膜不具有压电特性的区域检测不到触摸。因此，可减少或消除这样的需要：即，需要软件和电子器件排除向不允许的位置施加的触摸。作为典型的应用，在接触式传感器中位于边框(bezel)下的薄膜的区域可以是非压电的，以便不将无意地触框力记录为有效触摸。
参考图8，在薄膜810和820都是压电膜的情况下，可以沿相同方向或相反方向极化这些薄膜。通常，在触控板800包括多个压电膜的情况下，可以沿相同方向或不同方向将这些薄膜全部极化。例如，可以沿相反方向极化交替的压电膜。
图6表示根据本发明的一个方案的显示系统600的示意横截面图。显示系统600包括接触式传感器601和显示器602。接触式传感器601可以是根据本发明的任何实施例的接触式传感器。显示器602包括永久的或可替换的图形(例如，图画、地图、图标等)以及电子显示器，例如液晶显示器(LCD)、阴极射线管(CRT)、等离子显示器，场致发光显示器、有机场致发光显示器、有机发光二极管显示器(OLED)、电泳显示器等的电子显示器。应当理解，尽管在图6中显示器602和接触式传感器601表示成两个分离的部件，但这两个部件可以一体化为单一单元。例如接触式传感器601可以层压在显示器602上。可替换地，接触式传感器601可以是显示器602的组成部分。
尽管在本发明中公开的实施例显示了具有响应施加于其上的位置处的外部媒介而自生信号的特性的单层薄膜，但是应当理解，每一个实施例均可以包括两层或多层薄膜，其中每一层薄膜均具有响应外部媒介而自生信号的特性。而且，应当理解，根据本发明的诸如接触式传感器等的系统具有高光传输性，可以是触笔独立性的，并且被设计成没有可动部件。再者，根据本发明的诸如如接触式传感器等的系统可以与诸如显示系统等的其它系统成一体。还应当理解，根据本发明，用于记录触摸所必需的触摸工具和可自生信号的薄膜之间的物理接触不是必要的。
以上引用的所有专利、专利申请和其它公开文献以引用的方式并入本文。尽管上面详细描述了本发明的特定实例，以便说明本发明的不同方案，但是应该理解本发明不限于这些特定的实例。相反，本发明其意在覆盖落入本发明所附权利要求所限定的实质和保护范围内的所有修改、实施例和替换方案。

Claims (35)

1.一种系统，包括：
薄膜，其响应施加于其上一个位置处的外部媒介而自生电信号；以及
传感器，其构造成检测在所述薄膜上的若干位置处的电信号，以便确定所述外部媒介施加于所述薄膜上的位置。
2.如权利要求1所述的系统，还包括控制器，所述控制器连接到所述传感器上，并且适于确定所述外部媒介施加于所述薄膜上的位置。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述外部媒介包括触摸工具。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述自生电信号是在所述外部媒介施加于所述薄膜上的位置处生成的。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述薄膜是压电的。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述薄膜是热电的。
7.如权利要求1所述的系统，其用于接触式传感器中，以检测所施加触摸的位置。
8.如权利要求1所述的系统，其是透光的。
9.如权利要求1所述的系统，其是不透光的。
10.如权利要求1所述的系统，其中，所述自生信号是电流。
11.如权利要求1所述的系统，其中，所述自生信号是电压。
12.如权利要求1所述的系统，还包括设置在所述薄膜的至少一面上的一个或多个电连续的电极。
13.一种系统，包括：
薄膜，其响应施加于其上一个位置处的外部媒介而自生电信号，所述自生电信号至少在所述薄膜上的第一位置处产生第一可检测信号，并至少在所述薄膜上的第二位置处产生第二可检测信号；以及
控制器，其适于至少接收所述第一和第二可检测信号，以便检测所述外部媒介施加于所述薄膜上的位置。
14.如权利要求13所述的系统，还包括传感器，所述传感器连接到所述薄膜和所述控制器上，并且所述传感器构造成至少检测所述第一和第二可检测信号，并向所述控制器发送检测到的信号。
15.一种接触式传感器，包括：
薄膜，其响应施加于其上的位置处的触摸工具而自生电信号，通过检测所述薄膜上的若干位置处的电信号以确定触摸位置。
16.如权利要求15所述的接触式传感器，其中，所述薄膜是压电的。
17.如权利要求15所述的接触式传感器，其中，所述薄膜是热电的。
18.如权利要求15所述的接触式传感器，其中，所述薄膜仅在预定区域是压电的。
19.如权利要求15所述的接触式传感器，其中，所述薄膜仅在预定区域是热电的。
20.如权利要求15所述的接触式传感器，其是透光的。
21.如权利要求15所述的接触式传感器，其中，通过检测所述薄膜上的两个位置处的电信号，从而确定所述触摸位置。
22.如权利要求15所述的接触式传感器，其中，通过检测所述薄膜上的四个位置处的电信号，从而确定所述触摸位置。
23.如权利要求15所述的接触式传感器，其是刚性的。
24.如权利要求15所述的接触式传感器，其是柔性的。
25.如权利要求15所述的接触式传感器，其与显示器结合。
26.如权利要求15所述的接触式传感器，还包括设置在所述薄膜的至少一面上的一个或多个电连续的电极。
27.如权利要求26所述的接触式传感器，其中，所述电连续的电极均匀在10％的范围以内。
28.如权利要求26所述的接触式传感器，其中，所述电连续的电极均匀在2％的范围以内。
29.如权利要求26所述的接触式传感器，其中，所述电连续的电极均匀在0.5％的范围以内。
30.如权利要求15所述的接触式传感器，还包括至少一层附加膜，每一层附加膜均具有响应所述触摸工具而自生信号的特性，并且由每一层附加膜生成的信号可以在所述触摸位置生成。
31.如权利要求26所述的接触式传感器，其中，所述连续的电极是透光的。
32.如权利要求26所述的接触式传感器，其中，所述连续的电极包括氧化铟锡。
33.如权利要求26所述的接触式传感器，其中，所述连续的电极包括透光的导电聚合物。
34.一种接触式传感器，包括：
薄膜，其响应施加于其上一个位置处的触摸工具而自生电信号，并且至少通过第一传感器检测所述薄膜上的第一位置处由所述自生电信号产生的第一可检测信号，和至少通过第二传感器检测所述薄膜上的第二位置处由所述自生电信号产生的第二可检测信号，从而确定触摸位置。
35.一种确定触摸位置的方法，包括如下步骤：
构成触摸灵敏区域，所述触摸灵敏区域包括薄膜，所述薄膜响应施加的触摸输入而自生电信号；
检测响应所述自生电信号而产生的若干可检测信号；以及
利用所述若干可检测信号，以便确定触摸位置。
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