TWI507956B - 單層電容式觸控感測器 - Google Patents

Description

單層電容式觸控感測器

本發明係關於一種觸控感測器，特別係關於一種可降低無感區之單層電容式觸控感測器。

習知觸控感測器中，例如一電阻式觸控感測器通常具有兩層結構(例如薄膜電極)且分別施以一穩定電壓，並於該兩層結構之間加入複數間隙子(Spacer)使該兩層結構彼此絕緣。當該兩層結構受到一使用者透過一手指或一觸控筆施加一壓力於一位置，該兩層結構便於該位置導通(亦即短路)。因此，一控制積體電路(Control IC)可根據一導通位置之電壓變化計算出該使用者所接觸之該位置，並轉換為一位置信號至一主機以完成一對應動作或執行一預設指令。

然而，由於電阻式觸控感測器係透過機械式的按壓作為一感測機制，為了提昇產品耐用度，電阻式觸控感測器供使用者觸控之軟性材質(例如苯二甲酸乙二酯薄膜)必須具有耐壓、抗變形及耐磨等特性。儘管如此，電阻式觸控感測器的透光性會隨著產品使用時間或按壓次數的累積而變差，尤其是經常性的觸控點更容易造成特定區域的磨損而降低該薄膜電極的導通效率。此外，為了補償低透光性材質帶來的缺點，會使用較強的背光，因此也增加了整體裝置的耗電量。

另一種電容式觸控感測器係利用複數薄膜電極與一使用者的手指或一導電物體的接觸產生一感應電容，接著再透過一控制積體電路偵測其電容變化並據以計算接觸位置。相較於電阻式觸控感測器，使用電容式觸控感測器時，使用者只需以指尖輕微碰觸而非按壓，不會產生因磨損而造成靈敏度降低的問題，因此可延長其使用壽命。然而，傳統電容式觸控感測器具有至少3層式設計(例如一X軸感應層、一Y軸感應層以及 一屏蔽層)，並使用較複雜的控制積體電路，因而具有透光性降低、厚度增加以及成本提昇的問題。

為了簡化製程，業界另提出具有一單層結構的電容式觸控 感測技術以克服所述缺點。然而，隨著觸控裝置的尺寸及解析度的提升，該單層結構需同時具有大量的感測單元以及電性連接至該等感測單元的走線(trace)。圖1顯示習知單層電容式觸控感測器9之示意圖，該單層電容式觸控感測器9包含陣列排列於一基板92之複數感測單元90，其中，每一感測單元90係由感測電極E_S 及驅動電極E_D 所組成並電性連接至一走線905，接著該等走線905沿一方向(例如圖1所示之基板92下方)電性連接至一控制積體電路。習知設計中，每一感測單元90的圖樣設計皆相同，係以被動的方式使該等感測單元的預設電容量相同，因此在該感測電極E_S 及該驅動電極E_D 之外的走線區域無法有效利用，而具有走線的區域形成無感區(Dead zone)的問題，該無感區會對觸控感測器造成複數感應斷層。

有鑑於此，本發明提出一種藉由最佳化每一感測單元以降低無感區面積比例之單層電容式觸控感測器。

本發明之一目的在提供一種包含複數感測單元之單層電容式觸控感測器，其感測單元分別最佳化設計以有效提昇該單層電容式觸控感測器之可使用區域。

本發明另一目的在提供一種包含複數感測單元之單層電容式觸控感測器，其感測單元以一特定方式排列以減少無感區的面積。

本發明另一目的在提供一種單層電容式觸控感測器，其單層結構可提昇透光性、減少厚度及降低製作成本。

為達上述目的，本發明提供一種單層電容式觸控感測器。該電容式觸控感測器包含陣列排列於一基板之複數第一感測單元及複數第二感測單元。每一該第一感測單元及每一該第二感測單元包含一第一電極、一第二電極及一第三電極。該第二電極形成為一環狀形並與該第一電極電性分離，該第一電極位於該環狀形之一內部空間。該第三電極形成於該內部空間以外並與該第一電極電性連接；其中，該等第二感測單元另包含至少一條走線形成於該內部空間以外並與該第一電極分別位於該第三電 極之相對側。

本發明另提供一種單層電容式觸控感測器，包含複數感測 區，該複數感測區形成於一基板上並沿一第一方向重複排列，其中每一感測區包含一第一區域及第二區域平行地延伸於一第二方向。該第一區域包含複數第一電極及一第二電極沿該第二方向重複排列，其中該第二電極形成在每一該第一電極周圍並與該等第一電極電性分離。該第二區域包含延伸於該第二方向之複數第三電極及複數走線，其中該等第三電極分別與該等第一電極電性連接，該等走線與該等第一電極分別位於該第三電極之相對側。

本發明另提供一種單層電容式觸控感測器，包含複數感測 單元於一基板上陣列地排列。每一該感測單元包含兩第一電極、一第二電極及一第三電極。該第二電極形成為兩環狀形並與該等第一電極電性分離，每一該第一電極分別位於該等環狀形之一內部空間。該第三電極形成於該內部空間以外並與該兩第一電極電性連接；其中，至少一部分該等感測單元之該第二電極用以與其相鄰的兩感測單元之該第三電極分別形成一互電容。

一實施例中，該第一電極之一電極形狀可為一正方形、一 菱形、一圓形、一梳狀或一脊狀且該第二電極之一內緣對稱於該第一電極之該電極形狀。

一實施例中，該第二電極與其相鄰的兩感測單元之該第三 電極分別形成一互電容之至少一部分該等感測單元位於該基板之一邊緣列或一中間列。

一實施例中，該等第三電極具有不同面積；較佳地，橫向 排列之該等感測單元之該等第三電極面積相同而縱向排列之該等感測單元之該等第三電極面積相同。

本發明實施例之電容式觸控感測器可針對每一感測單元進 行最佳化設計而有效減少其無感區的面積。藉此，可得到較佳的感測效果並改善使用者的觸控體驗。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實 施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

1、9‧‧‧觸控感測器

10、90‧‧‧感測單元

101‧‧‧第一電極

102‧‧‧第二電極

103‧‧‧第三電極

105、905‧‧‧走線

107‧‧‧內部空間

109‧‧‧外部空間

10A、10C‧‧‧第一感測單元

10B、10D‧‧‧第二感測單元

12、92‧‧‧基板

20、22‧‧‧感測區

221‧‧‧第一區域

222‧‧‧第二區域

C1、C2‧‧‧互電容

E_D ‧‧‧驅動電極

F_S ‧‧‧感測電極

圖1顯示習知單層電容式觸控感測器之示意圖。

圖2A顯示本發明第一實施例之單層電容式觸控感測器之示意圖。

圖2B顯示圖2A之單層電容式觸控感測器之局部放大圖。

圖3A顯示本發明第二實施例之單層電容式觸控感測器之示意圖。

圖3B顯示圖3A之單層電容式觸控感測器之局部放大圖。

圖3C顯示本發明第二實施例之單層電容式觸控感測器另一陣列排列方式之示意圖。

圖3D顯示本發明實施例之單層電容式觸控感測器中一感測區之示意圖。

圖3E顯示本發明實施例之單層電容式觸控感測器中一感測區之另一示意圖。

圖4顯示本發明第三實施例之單層電容式觸控感測器之示意圖。

為了讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯，下文將配合所附圖示，作詳細說明如下。此外，於本發明之說明中，相同之構件係以相同之符號表示，於此合先敘明。

下列說明中，將以實施例說明本發明之單層電容式觸控感測器。然而，本發明之實施例並不限定於任何特定環境、應用或實施方式。因此，下列各實施例之說明僅為例示性，並非用以限定本發明。可以了解 的是，與本發明不直接相關之構件已省略而未顯示於下列實施例及圖示中。

圖2A顯示本發明第一實施例之單層電容式觸控感測器1之 示意圖。該觸控感測器1包含複數感測單元10，該等感測單元10於一基板12上陣列地排列。一使用者(未繪示)可透過一手指或一觸控筆接觸該等感測單元10以產生一感應電容，而一控制積體電路(未繪示)可根據該感應電容產生一位置信號至一主機以完成一對應動作或執行一預設指令。

必須說明的是，由於一觸控感測器可貼合至一顯示裝置以 供一使用者操作，該觸控感測器1之複數感測單元10較佳排列為一矩形以符合該顯示裝置的形狀，但本發明不限於此，可根據不同顯示裝置的形狀決定該感測單元10的排列方式。

請同時參照圖2A及2B所示，圖2B顯示圖2A中虛線區域 之局部放大圖。每一該感測單元10包含兩第一電極101、一第二電極102及一第三電極103；其中，該第二電極102可形成為兩環狀形並與該等第一電極101電性分離，且每一該第一電極101分別位於該等環狀形之一內部空間107；該第三電極103形成於該內部空間107以外之一外部空間109並與該兩第一電極101電性連接。必須說明的是，雖然圖2A及2B顯示每一該感測單元10包含兩第一電極101，但本發明必不以此為限；其他實施例中，每一該感測單元10可包含一第一電極101、設置於該第一電極101周圍之第二電極102以及設置於該第二電極102外部之第三電極103。

本實施例中，該第一電極101及該第三電極103可作為一驅 動電極(Drive Electrode)且該第二電極102可作為一感測電極(Sense Electrode)；因此，經由一走線105對該驅動電極施以一驅動電壓時，該第一電極101與該第二電極102間可形成一預設電容；其中，每一該走線105係分別電性連接至該等第三電極103並朝向該基板12之一側(例如該基板12下方)延伸用以連接一控制積體電路(未繪示)。其他實施例中，該第一電極101及該第三電極103亦可作為感測電極且該第二電極102作為驅動電極。本領域的技術人員應熟知電容式觸控感測器原理，故於此不再贅述；本發明之精神在於透過設計感測單元10中電極的配置以降低無感區面積。

必須說明的是，先前技術係將該外部空間109以複數走線 105填滿，如圖1所示，而本實施例與先前技術之不同在於，本實施例中該 等複數走線105設計為相同線寬或分別調整為適當線寬，另於該外部空間109中形成不同面積之該等第三電極103，以致於該第三電極103與該第二電極102之間因相距一適當距離(該適當距離可依產品規格而有所不同，例如可參考驅動電極所施加的驅動電壓)而可形成一感應電容(如第2B圖之C1)，另外該第三電極103若其側邊並無感測單元10的其他走線105(例如第一列的感測單元10)，則該第三電極103亦可因相距一適當距離而與相鄰感測單元10的第二電極102形成另一感應電容(如第2B圖之C2)。因此，部分的感測單元10中，不僅該第一電極101與該第二電極102之間可形成該預設電容，該第三電極103亦可與同一感測單元10以及相鄰感測單元10之該第二電極102形成一互電容，因而可減少無感區之面積。其他實施例中，所有感測單元10之第三電極103亦可具有相同面積，只要該第三電極103可與同一感測單元10之該第二電極102間形成互電容即可。

除了第一列的感測單元10之外，由於其他感測單元10具有 與其第三電極103不電性耦接的走線105，而該等走線105耦接一預設電壓，對相鄰的感測單元10形成一靜電屏蔽(Electrostatic Shielding)，因此本實施例中該等走線105的位置仍然形成無感區。此外，由於本實施例中，該基板12上第一列之該等感測單元10並不包含走線105，故第一列之該等感測單元10之該第二電極102可用以同時與其兩相鄰的兩感測單元10之該第三電極103分別形成一互電容C1、C2，如圖2B所示，因此本實施例之第一列感測單元10並不存在無感區，藉此可減少該無感區之面積。

換句話說，本發明中該等感測單元10係包含複數第一感測 單元10A以及複數第二感測單元10B；其中，該等第一感測單元10A不包含該走線105，該等第二感測單元10B包含該複數走線105。

請同時參照圖3A及3B所示，圖3A顯示本發明第二實施 例之單層電容式觸控感測器1之示意圖；圖3B顯示圖3A中虛線區域之局部放大圖。該觸控感測器1包含陣列排列於一基板12的複數第一感測單元10A及複數第二感測單元10B；其中，包含有至少一走線105之感測單元均為第二感測單元10B。每一該第一感測單元10A及每一該第二感測單元10B均包含至少一第一電極101(此處顯示為兩第一電極)、一第二電極102及一第三電極103，其中，該第二電極102同樣形成為一環狀形並與該第一電 極101電性分離且該第一電極101位於該環狀形之一內部空間107，用以於該第一電極101與該第二電極102形成一互電容。該第三電極103形成於該內部空間107以外並與該第一電極101電性連接。

相同地，該第一電極101及該第三電極103可作為一驅動電 極且該第二電極102可作為一感測電極。如圖3B所示，由於該第三電極103電性連接至一走線105以得到一驅動電壓，該等第二感測單元10B另包含至少一條走線105形成於該內部空間107以外並與該第一電極101分別位於該第三電極103之相對側。該等第一感測單元10A之第三電極103可電性連接至其相鄰第二感測單元10B中的走線105，因此該等第一感測單元10A可不具有沿一第二方向(例如圖3A所示之Y方向)之走線105。

必須注意的是，每一該第一感測單元10A及每一該第二感 測單元10B之該第一電極101、該第二電極102及該第三電極103沿一第一方向(例如圖3A所示之X方向)重複或反置佈設。例如圖3B所示，該第一感測單元10A之該第二電極102具有一開口向左，或將該第一感測單元10A左右反置為另一第一感測單元10C，此時該第一感測單元10C之該開口向右；相同地，該等第二感測單元10B亦可左右反置為另一第二感測單元10D。更詳而言之，本發明實施例中，每一感測單元10之圖樣係由該第一電極101、該第二電極102及該第三電極103的排列而形成；因此，前述重複或反置佈設係指該等電極所排列而成的圖樣為重複或反置佈設。

圖3A僅示例性的顯示一較佳的陣列排列方式，其中，該第一列由左至右為4個第一感測單元10A及4個第一感測單元10C，該第二列至最後一列由左至右則為4個第二感測單元10B及4個第二感測單元10D。因此，位於該基板12左右兩半部的感測單元之該開口係分別朝向該基板12的左右側；亦即，該第一感測單元10A之該開口面向該基板12的左側，該第一感測單元10C之該開口面向該基板12的右側，該第二感測單元10B之該開口面向該基板12的左側而該第二感測單元10D之該開口面向該基板12的右側。更詳而言之，位於該基板12左右兩半部的感測單元可具有相反的電極排列圖案。

由於該等第二感測單元10B之該開口面向左側，該等第二感測單元10B中全部的走線105亦位於該等第三電極103的左側，因此，根 據該陣列排列方式可將該基板12左右兩邊緣之第二感測單元10B之走線的區域排除在一有效區(Active area)之外以減少無感區相對於整體有效區的面積比例。本實施例中，只要該觸控感測器1中兩邊緣之第二感測單元10B之走線的區域位於該基板12的邊緣即可，兩邊緣行感測單元10以外的感測單元10亦可以反向佈設。例如，圖3C顯示本發明第二實施例之單層電容式觸控感測器1另一陣列排列方式之示意圖，該觸控感測器1中第一行及最後一行之該等感測單元的走線分別位於該基板12的左右側，中間行之該等感測單元的排列方式並無特定限制，仍可達到本發明之效果。

另一方面，請參照圖3C，該等第二感測單元10B/10D包含 之一走線數量係沿一第二方向(例如圖3C所示之Y方向)單調增加，例如，位於該基板12左側第一行之該第一感測單元10A下方之第一個該第二感測單元10B具有一條走線105，該第一感測單元10A下方之第二個該第二感測單元10B具有兩條走線105，依此類推。也就是說，位於該基板12上每一行係由一第一感測單元10A/10C以及複數第二感測單元10B/10D所組成，因此，可將每一行感測單元10定義為一感測區20，如圖3D所示。

圖3D顯示本發明之單層電容式觸控感測器中一感測區20 之示意圖，其中，該感測區20係由一第一感測單元10A及複數第二感測單元10B所排列組成，可以理解的是，該等第二感測單元10B所包含的走線數量沿Y方向由上往下單調增加，因此相對該等走線之無感區的面積亦相應地變大。

另一實施例中，為了進一步減少無感區的面積，可以改變 該感測區20中該等感測單元的排列方式。圖3E顯示本發明之單層電容式觸控感測器中另一感測區22之示意圖，其中，該感測區22的中間具有兩第一感測單元10A以及沿著Y方向兩側佈設的複數第二感測單元10B，與第3D圖之感測區20相比，該感測區22藉由新增一走線方向(往上)以減少走線延伸的距離，因此可有效地減少該無感區的面積。必須說明的是，該感測區22僅示例性的顯示一較佳的排列方式，其中，該等第一感測單元10A可根據不同實施方式(例如該基板12另具有一經常性的觸控區域)佈設，並不限定位於該基板12兩側或中間，亦可位於其他位置。

圖4顯示本發明第三實施例之單層電容式觸控感測器1之 示意圖。該觸控感測器1包含形成於一基板12上並沿一第一方向重複排列的複數感測區22，其中，每一感測區22包含一第一區域221及第二區域222平行地延伸於一第二方向(例如Y方向)。必須注意的是，重複排列之該等感測區22亦可包含左右反置之該感測區22，此部份與本發明第二實施例類似(如圖3A及3C所示)，故於此不再贅述。

該第一區域221包含複數第一電極101及一第二電極102沿 該第二方向重複排列，其中該第二電極102形成在每一該第一電極101周圍並與該等第一電極101電性分離以於該第一電極101及該第二電極102間形成一互電容。該第二區域222包含延伸於該第二方向之複數第三電極103及複數走線105，其中該等第三電極103分別與該等第一電極101電性連接，該等走線105與該等第一電極101分別位於該第三電極103之相對側。根據此結構，該等第一感測單元10A位於該感測單元陣列之中央兩列且該等第一感測單元10A之第三電極103可以沿該第一方向兩相鄰第一感測單元10A之第二電極102分別形成一互電容。該等第二感測單元10B位於中央列以外的感測單元列且該等二感測單元10B因具有該走線105，故其第三電極103無法與兩相鄰第二感測單元10B之第二電極102分別形成一互電容。

上述各實施例中，該第一電極101之一電極形狀可為一正 方形、一菱形、一圓形、一梳狀或一脊狀，而該第二電極102之一內緣對稱於該第一電極101之該電極形狀即可形成一均勻的互電容。此外，該第二電極102不限於僅具有一開口的環狀形，該第二電極102亦可設計為具有複數開口之一形狀以對應複數第一電極101。

由於本發明之電容式觸控感測器僅具有單層結構，上述各 實施例中，該第一電極101、第二電極102、第三電極103及走線105係為透明導電膜，例如氧化銦錫(indium tin oxide)。此外，該等電極及走線105係形成於一基板12上，例如一玻璃基板、一塑膠基板或一可撓式基板，並進一步將該基板12貼合在一顯示單元上以形成一觸控感測裝置，其中，該顯示單元可為一液晶顯示單元或一有機發光二極體顯示單元。

如上所述，習知具有相同圖樣設計的感測單元排列而成的 單層電容式觸控感測器無法有效利用其走線區而具有感應斷層的問題。因此，本發明另提供一種單層電容式觸控感測器，其可針對每一感測單元進 行最佳化設計而有效減少其無感區的面積。藉此，可得到較佳的感測效果並改善使用者的觸控體驗。

雖然本發明已以前述實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧感測單元

101‧‧‧第一電極

102‧‧‧第二電極

103‧‧‧第三電極

105‧‧‧走線

107‧‧‧內部空間

109‧‧‧外部空間

C1、C2‧‧‧互電容

Claims (18)

1. 一種電容式觸控感測器，包含：複數第一感測單元及複數第二感測單元，陣列排列於一基板，每一該第一感測單元及每一該第二感測單元包含：一第一電極；一第二電極，形成為一環狀形並與該第一電極電性分離，該第一電極位於該環狀形之一內部空間；及一第三電極，形成於該內部空間以外並與該第一電極電性連接；其中，該等第二感測單元另包含至少一條走線形成於該內部空間以外並與該第一電極分別位於該第三電極之相對側，且該等第三電極具有不同面積。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電容式觸控感測器，其中該基板係為一玻璃基板、一塑膠基板或一可撓式基板；該第一電極、該第二電極及該第三電極係為透明導電膜。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電容式觸控感測器，其中該第一電極及該第三電極作為一驅動電極且該第二電極作為一感測電極；或該第一電極及該第三電極作為該感測電極且該第二電極作為該驅動電極。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電容式觸控感測器，其中該等第一感測單元位於該基板之一邊緣列或一中間列。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電容式觸控感測器，其中每一該第一感測單元及每一該第二感測單元之該第一電極、該第二電極及該第三電極沿一第一方向重複或反置佈設。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電容式觸控感測器，其中該等第二感測單元包含之一走線數量係沿一第二方向單調增加，或者愈靠近該基板沿該第二方向的兩側之該等第二感測單元包含愈高之該走線數量。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電容式觸控感測器，其中該第一電極之一電極形狀係為一正方形、一菱形、一圓形、一梳狀或一脊狀且該第二電極之一內緣對稱於該第一電極之該電極形狀。
8. 如申請專利範圍第1項所述之電容式觸控感測器，其中該第三電極與該第二電極保持一預設距離內。
9. 一種電容式觸控感測器，包含：複數感測區，形成於一基板上並沿一第一方向重複排列，其中每一感測區包含一第一區域及第二區域平行地延伸於一第二方向，其中，該第一區域包含複數第一電極及一第二電極沿該第二方向重複排列，其中該第二電極形成在每一該第一電極周圍並與該等第一電極電性分離；及該第二區域包含延伸於該第二方向之複數第三電極及複數走線，其中該等第三電極分別與該等第一電極電性連接，該等走線與該等第一電極分別位於該第三電極之相對側，且該等第三電極沿該第二方向具有不同面積。
10. 如申請專利範圍第9項所述之電容式觸控感測器，其中該基板係為一玻璃基板、一塑膠基板或一可撓式基板；該第一電極、該第二電極及該第三電極係為透明導電膜。
11. 如申請專利範圍第9項所述之電容式觸控感測器，其中該第一電極及該第三電極作為一驅動電極且該第二電極作為一感測電極；或該第一電極及該第三電極作為該感測電極且該第二電極作為該驅動電極。
12. 如申請專利範圍第9項所述之電容式觸控感測器，其中兩相鄰該感測區之該第一區域彼此相鄰或相隔一個該第二區域。
13. 如申請專利範圍第9項所述之電容式觸控感測器，其中該等走線之一走線數量係沿該第二方向單調增加，或於該基板沿該第二方向的兩側具有較高之該走線數量。
14. 如申請專利範圍第9項所述之電容式觸控感測器，其中該第一電極之一電極形狀係為一正方形、一菱形、一圓形、一梳狀或一脊狀且該第二電極之一內緣對稱於該第一電極之該電極形狀。
15. 如申請專利範圍第9項所述之電容式觸控感測器，其中該第三電極與該第二電極保持一預設距離內。
16. 一種電容式觸控感測器，包含：複數感測單元，於一基板上陣列地排列，每一該感測單元包含：兩第一電極；一第二電極，形成為兩環狀形並與該等第一電極電性分離，每一該第一電極分別位於該等環狀形之一內部空間；及 一第三電極，形成於該內部空間以外並與該兩第一電極電性連接；其中，至少一部分該等感測單元之該第二電極用以與其相鄰的兩感測單元之該第三電極分別形成一互電容。
17. 如申請專利範圍第16項所述之電容式觸控感測器，其中該第二電極與其相鄰的兩感測單元之該第三電極分別形成一互電容之該至少一部分該等感測單元位於該基板之一邊緣列或一中間列。
18. 如申請專利範圍第16項所述之電容式觸控感測器，其中該等第三電極具有不同面積且該第三電極與該第二電極保持一預設距離內。