具有高度確定功能的電容性觸摸屏的制作方法
【專利摘要】一種電容式觸摸傳感器，包括傳感器基板和形成在傳感器基板之上的電極元件陣列。陣列的每個(gè)電極元件包括至少一個(gè)第一電極組，其包括至少兩個(gè)驅(qū)動電極和至少一個(gè)感應(yīng)電極，或第二電極組，其包括至少兩個(gè)感應(yīng)電極和至少一個(gè)驅(qū)動電極。第一或第二電極組中的各個(gè)電極被設(shè)置以形成在不同耦合距離上的多個(gè)電容?？刂破骺刹僮鞯伛詈系诫姌O元件陣列，該控制器被配置成基于多個(gè)電容中的變化，確定物體相對于觸摸傳感器的表面的距離。
【專利說明】具有高度確定功能的電容性觸摸屏

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及觸摸屏裝置。特別地，本發(fā)明涉及電容型觸摸屏。這種電容型觸摸屏裝置可在消費(fèi)電子產(chǎn)品范圍中發(fā)現(xiàn)應(yīng)用，包括例如移動電話、平板計(jì)算機(jī)和臺式PC、電子書閱讀器和數(shù)字標(biāo)牌產(chǎn)品。

【背景技術(shù)】
[0002]觸摸屏最近已被廣泛采納為用于高端便攜式電子產(chǎn)品，如智能電話和平板設(shè)備的輸入設(shè)備。雖然，許多不同的技術(shù)可以被用來創(chuàng)造這些觸摸屏，但是由于電容性系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、耐用性和以很少或無需激活力即能檢測觸摸輸入事件的能力，電容性系統(tǒng)已被證明是最流行的。
[0003]用于觸摸屏的電容感應(yīng)的最基本方法是表面電容方法(也稱為自電容)，例如在US4293734(P印er，1981年，10月6日)中公開的技術(shù)。表面電容型觸摸屏的典型實(shí)現(xiàn)在圖1中示出，包括透明基板10，其表面涂有形成感應(yīng)電極11的導(dǎo)電材料。一個(gè)或多個(gè)電壓源12連接到例如在每個(gè)角的感應(yīng)電極，并且被用于產(chǎn)生在基板上方的靜電場。當(dāng)導(dǎo)電物體，如人的手指13進(jìn)入感應(yīng)電極附近時(shí)，電容器14在感應(yīng)電極11和手指13之間動態(tài)地形成，并且該場被干擾。電容器14導(dǎo)致從電壓源12汲取的電流量發(fā)生變化，其中電流變化的幅度與在手指位置和電壓源連接到感應(yīng)電極的點(diǎn)之間的距離相關(guān)。電流傳感器15被設(shè)置來測量從每個(gè)電壓源12汲取的電流，并且觸摸輸入事件的位置通過比較在每個(gè)源處測量的電流幅度來計(jì)算。雖然在結(jié)構(gòu)和操作上簡單，但是表面電容型觸摸屏無法檢測例如當(dāng)兩個(gè)或更多手指與觸摸屏接觸時(shí)發(fā)生的多個(gè)同時(shí)觸摸輸入事件。
[0004]施加到觸摸屏的電容感應(yīng)的另一種公知方法是投射電容法(也稱為互電容)。在該方法中，如圖2所示,驅(qū)動電極20和感應(yīng)電極21在透明基板上形成(未示出)。驅(qū)動電極20被電壓源22饋以變化的電壓或激勵信號。該信號然后經(jīng)由在驅(qū)動電極20和感應(yīng)電極21之間形成的互耦電容器23，通過電容耦合在相鄰的感應(yīng)電極21上發(fā)生感應(yīng)。電流測量裝置24連接到感應(yīng)電極21，并且提供互耦電容器23的大小的測量。當(dāng)諸如手指13的導(dǎo)電物體被引到靠近兩個(gè)電極時(shí)，它形成對驅(qū)動電極27的第一動態(tài)電容器和對感應(yīng)電極28的第二動態(tài)電容器。這些動態(tài)形成的電容的影響表現(xiàn)為在驅(qū)動和感應(yīng)電極之間耦合的電容量的減少，并且因此表現(xiàn)為在由附接到感應(yīng)電極21的電流測量裝置24所測量的信號幅度上的減少。如公知并且公開的，例如在US7663607中(Hotelling，2010年，2月6日)，通過在網(wǎng)格中設(shè)置多個(gè)驅(qū)動和感應(yīng)電極，該投射電容感應(yīng)方法可用于形成觸摸屏裝置。投射電容感應(yīng)方法勝于表面電容性方法的優(yōu)點(diǎn)是，多個(gè)同時(shí)觸摸輸入事件可以被檢測到。
[0005]如果投射電容式觸摸傳感器的靈敏度足夠高，則物體可以在距傳感器基板的某些距離處進(jìn)行檢測。原則上，這種能力可用于將新功能添加到用戶界面。例如，當(dāng)物體(例如觸筆或手指)剛好被保持在觸摸傳感器上的點(diǎn)上方時(shí)，特定動作可以被實(shí)現(xiàn)。例如，手指可以使得用戶界面中的物體位于其上方的項(xiàng)目被預(yù)先選擇、高亮顯示等。為了可靠的操作，觸摸傳感器必須足夠準(zhǔn)確地計(jì)算高度，以區(qū)分觸摸傳感器基板的物體和保持靠近基板的物體。同樣，觸摸傳感器和控制器電路可以被設(shè)計(jì)成識別由在傳感器基板上方3D空間中的用戶進(jìn)行的復(fù)雜手勢。這需要觸摸傳感器準(zhǔn)確地計(jì)算多個(gè)物體的高度。
[0006]判斷物體高度的最簡單方法是檢查由觸摸屏檢測的電容變化幅度。然而，圖3示出通?？蓪?dǎo)致不可靠操作的兩種情況。例如，在第一種情況下，給定的電容變化可能由大物體320在距觸摸屏310某些距離處引起，而在第二種情況下，電容的類似變化則可由小物體330在距傳感器的第二更靠近的距離處引起。因此，不可能通過單獨(dú)檢查電容變化的幅度來確定物體的高度。另外，電容的變化也由物體的電導(dǎo)率影響，并且由其接地的路徑的電阻影響，這兩者通常是未知的。
[0007]確定物體高度的另一種方式是“三角測量”，其涉及將來自觸摸屏310上的多個(gè)位置(更具體的，驅(qū)動電極和感應(yīng)電極的相交處)的接近度讀數(shù)組合。這一原理在圖4中示出。遠(yuǎn)方的物體410將導(dǎo)致在不同位置420和430處測量的電容的類似變化。相反，靠近的物體440將使直接在靠近的物體440下方的位置430處所測量的電容比在位置420處有更大的變化。通過檢查所測量的電容變化與橫跨傳感器基板的距離的歸一化分布，如圖5所示，物體的高度可獨(dú)立于絕對電容變化被推斷出來。該測量因此獨(dú)立于物體的導(dǎo)電性和對地電阻。然而，使用這種方法仍然難以將物體的大小與其高度分開。這是因?yàn)樵诟浇拇笪矬w和在遠(yuǎn)處的小物體將各自產(chǎn)生橫跨基板的電容變化的類似均勻分布。
[0008]類似地，當(dāng)在傳感器基板上方的一些距離處多個(gè)物體的位置必須確定時(shí)，計(jì)算變得復(fù)雜。計(jì)算密集方法因而被需要，諸如由Van Berkel and L1nheart提出的那些(“Reconstruct1n of a grounded object in an electrostatic halfspace with anindicator funct1n，，，Inverse Problems in Science and Engineering, Vol.15, N0.6,September 2007)。
[0009]最后，如果物體很小并且靠近，則其影響可變得局限于直接在它下方的一個(gè)相交處。這意味著當(dāng)確定是否已經(jīng)與觸摸傳感器基板實(shí)際接觸時(shí)，高度確定算法變得非常糟糕。
[0010]圖6示出確定物體605高度的另一種方式，其涉及比較從大致相同的點(diǎn)采取的兩個(gè)投射電容測量，但使用不同的電極幾何結(jié)構(gòu)。例如，美國專利US7098673 (Launay，2006年8月29日)描述了在分立電容式傳感器的平行驅(qū)動電極620和感應(yīng)電極630之間增加‘輔助測量電極610’。然而，這種方法可能并不適用于投射電容性傳感器矩陣，例如在觸摸屏中使用的那些。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，電容式觸摸傳感器，包括:傳感器基板；電極元件陣列，其形成在傳感器基板之上，陣列的每個(gè)電極元件包括至少一個(gè)第一電極組，其包括至少兩個(gè)驅(qū)動電極和至少一個(gè)感應(yīng)電極；或第二電極組，其包括至少兩個(gè)感應(yīng)電極和至少一個(gè)驅(qū)動電極，其中第一或第二電極組的各個(gè)電極被設(shè)置以形成不同耦合距離的多個(gè)電容；以及控制器，其可操作地耦合到電極元件陣列，控制器被配置成基于多個(gè)電容的變化，確定物體相對于觸摸傳感器的表面的距離。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，電容式觸摸傳感器包括:傳感器基板；以及形成在基板之上的電極元件陣列。電極元件陣列包括多個(gè)行和列，行與列的相交處包括多個(gè)電極元件。多個(gè)電極被設(shè)置以使多個(gè)電容能夠形成在不同的耦合距離，以提供物體相對于觸摸傳感器的表面的的距離的指示。
[0013]對于前述和相關(guān)目的的完成，本發(fā)明包括在下文中完全描述并且在權(quán)利要求中特別指出的特征。以下描述和附圖詳細(xì)闡述本發(fā)明的某些示意性實(shí)施例。然而，這些實(shí)施例僅指示其中本發(fā)明原理可利用的各種方式中的一些。當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，本發(fā)明的其它目的、優(yōu)點(diǎn)及新穎特征將從本發(fā)明的以下詳細(xì)描述中顯而易見。
[0014]技術(shù)問題
[0015]不存在使用投影電容傳感器來可靠確定物體高度的令人滿意的裝置。如上所示，已知的方案或是糟糕的計(jì)算密集型，或不適用于投影電容傳感器矩陣。
[0016]問題的解決方案
[0017]本發(fā)明的電容性觸摸屏提供了準(zhǔn)確和可靠檢測觸摸屏的表面上方的物體的高度的裝置。觸摸屏包括:電極陣列，該電極陣列包括多個(gè)驅(qū)動和感應(yīng)電極。感應(yīng)電極或驅(qū)動電極可被設(shè)置為電極對，使得兩個(gè)感應(yīng)電極(或驅(qū)動電極)在陣列中的每一個(gè)相交處設(shè)置。電極被進(jìn)一步設(shè)置，以使得感應(yīng)電極對中的第一感應(yīng)電極比感應(yīng)電極對的第二感應(yīng)電極在傳感器基板平面與驅(qū)動電極分隔開更短的距離。
[0018]由于第一感應(yīng)電極比在驅(qū)動電極和感應(yīng)電極對中的任何給定相交處更靠近驅(qū)動電極，所以在該電極和驅(qū)動電極之間電容耦合的大部分靠近襯底發(fā)生。第一感應(yīng)電極的響應(yīng)因此對非常接近傳感器的物體以最重加權(quán)。對于第二感應(yīng)電極，其距驅(qū)動電極越遠(yuǎn)，則耦合越較少集中在傳感器基板的表面處。第二感應(yīng)電極的響應(yīng)因此對與傳感器基板接觸的物體以較少重的加權(quán)。通過比較來自第一和第二感應(yīng)電極的測量結(jié)果，可以確定獨(dú)立于其大小、導(dǎo)電性和對地電阻的物體高度。
[0019]本發(fā)明的有利效果
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，根據(jù)本發(fā)明的裝置和方法是有利的，因?yàn)樗m用于投射電容傳感器矩陣，諸如在移動電話的觸摸屏中使用的那些。這相對“三角測量”是有利的，其中比較來自不同相交處的響應(yīng)幅度，因?yàn)樵撔路椒ǜ唵?，并且僅需要來自一個(gè)相交處的測量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1示出常規(guī)表面電容型觸摸屏的典型實(shí)施方式。
[0022]圖2示出常規(guī)投射電容型觸摸屏的典型實(shí)施方式。
[0023]圖3示出距觸摸屏一個(gè)距離處的大物體，和靠近觸摸屏的小物體。
[0024]圖4示出用于確定物體高度的三角測量原理。
[0025]圖5示出來自附近和遠(yuǎn)處物體與基板位置的示例響應(yīng)。
[0026]圖6示出確定物體高度的常規(guī)裝置。
[0027]圖7示出與本發(fā)明可兼容的一個(gè)示例電極幾何形狀的平面圖。
[0028]圖8示出根據(jù)本發(fā)明的示例性傳感器基板的橫截面，示出在驅(qū)動和感應(yīng)電極之間的電場線耦合。
[0029]圖9示出測量電容的比率隨傳感器基板上方的物體高度的一個(gè)可能變化。
[0030]圖10示出示例性的傳感器基板的橫截面。
[0031]圖11示出使用根據(jù)本發(fā)明的示例性觸摸傳感器的系統(tǒng)。
[0032]圖12示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的示例性電極幾何形狀的平面圖，多個(gè)驅(qū)動電極設(shè)置在傳感器矩陣的每個(gè)相交處。
[0033]圖13示出根據(jù)第二實(shí)施例的示例性傳感器操作的一個(gè)可能時(shí)序圖。
[0034]圖14示出根據(jù)第三實(shí)施例的示例性傳感器操作的另一個(gè)可能的時(shí)序圖。
[0035]圖15示出根據(jù)第四實(shí)施例的示例性電極幾何形狀的平面圖，多個(gè)驅(qū)動和感應(yīng)電極設(shè)置在傳感器矩陣的每個(gè)相交處。
[0036]圖16示出根據(jù)第四實(shí)施例的示例性傳感器基板的橫截面，示出在其中兩個(gè)驅(qū)動電極和兩個(gè)感應(yīng)電極被設(shè)置在每個(gè)交叉點(diǎn)上的情況下驅(qū)動和感應(yīng)電極之間的電場線耦合。
[0037]圖17示出根據(jù)第六實(shí)施例的另一個(gè)示例性電極幾何形狀，其中第一和第二感應(yīng)電極所起的作用基于被激勵的驅(qū)動電極被動態(tài)分配。
[0038]圖18示出具有相互交叉的驅(qū)動和感應(yīng)電極的圖案的常規(guī)傳感器矩陣。
[0039]圖19示出本發(fā)明對具有相互交叉的驅(qū)動和感應(yīng)電極的傳感器矩陣的應(yīng)用。
[0040]圖20示出根據(jù)第九實(shí)施例的另一示例性電極幾何形狀，其在矩陣的每個(gè)位置處具有三個(gè)感應(yīng)電極。
[0041]圖21示出量CA-CB與物體高度的可能變化。
[0042]圖22示出定位在液晶顯示器的共用電極之上的傳感器基板的橫截面。
[0043]圖23示出根據(jù)本發(fā)明第十二實(shí)施例提高物體位置和高度的計(jì)算精確性的方法。
[0044]圖24示出根據(jù)本發(fā)明第十三實(shí)施例的電極幾何形狀的平面圖。
[0045]圖25示出根據(jù)本發(fā)明第十三實(shí)施例的示例性傳感器基板的橫截面。
[0046]圖26示出根據(jù)本發(fā)明第十四實(shí)施例的電極幾何形狀的平面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0047]本發(fā)明提供了例如可用于觸摸屏顯示器系統(tǒng)等的電容式觸摸傳感器。觸摸傳感器包括傳感器基板，以及形成在傳感器基板之上的電極元件陣列。陣列的每個(gè)電極元件包括至少一個(gè)第一電極組，其包括至少兩個(gè)驅(qū)動電極和至少一個(gè)感應(yīng)電極；或第二電極組，其包括至少兩個(gè)感應(yīng)電極和至少一個(gè)驅(qū)動電極。第一或第二電極組的各個(gè)電極被設(shè)置以形成不同耦合距離的多個(gè)電容。以這種方式，多個(gè)耦合電容可被組合使用，以確定物體的接近度。例如，控制器能夠可操作地耦合到電極元件的陣列，并且被配置成基于多個(gè)電容的變化，確定相對于觸摸傳感器的表面的物體的距離。
[0048]根據(jù)本發(fā)明的第一和最一般的實(shí)施例，電容性觸摸屏(也稱為觸摸傳感器)設(shè)置有準(zhǔn)確和可靠檢測觸摸屏的表面之上的物體的高度的裝置。觸摸屏包括電極陣列，該電極陣列包括形成在傳感器基板上的多個(gè)驅(qū)動和感應(yīng)電極。驅(qū)動電極同時(shí)或依次用電壓刺激來激勵，并且由于在驅(qū)動和感應(yīng)電極之間的互耦電容，從感應(yīng)電極流動所產(chǎn)生的電流被測量。感應(yīng)電極可成對設(shè)置，使得兩個(gè)感應(yīng)電極設(shè)置在陣列的每個(gè)行列相交處(例如在每一行列相交處，形成有包括至少兩個(gè)感應(yīng)電極和至少一個(gè)驅(qū)動電極的第一電極組)。電極被進(jìn)一步設(shè)置，使得在傳感器基板的平面該對的第一感應(yīng)電極與驅(qū)動電極隔開的距離比該對的第二感應(yīng)電極與驅(qū)動電極隔開距離更短。
[0049]驅(qū)動和感應(yīng)電極的一種可能設(shè)置在圖7中示出，其中第一感應(yīng)電極、感應(yīng)電極A710和第二感應(yīng)電極、感應(yīng)電極B730在矩陣的每個(gè)相交處彼此對稱地設(shè)置。如本文所用，術(shù)語“對稱”指關(guān)于至少一個(gè)軸對稱。感應(yīng)電極B730被圖案化為互連菱形，是在常規(guī)的投影電容傳感器陣列中的通常被發(fā)現(xiàn)的類型。感應(yīng)電極A710被分為兩半，其中的一個(gè)(例如，第一部分)在感應(yīng)電極B730的每一側(cè)延展(例如，第二部分)，以便感應(yīng)電極A定位比感應(yīng)電極B更靠近驅(qū)動電極720。感應(yīng)電極A710的兩部分或者在外部控制器電路內(nèi)電連接，或者通過在傳感器基板上制造導(dǎo)電橋電連接。電極設(shè)置可以是圍繞感應(yīng)電極B的中心線對稱。
[0050]感應(yīng)電極A與驅(qū)動電極形成第一互耦電容CA，并且感應(yīng)電極B與驅(qū)動電極形成第二互耦電容CB。因?yàn)楦袘?yīng)電極A 710更靠近驅(qū)動電極，所以在兩個(gè)之間的大部分電容耦合靠近基板發(fā)生。感應(yīng)電極A710的響應(yīng)因此對非常接近傳感器的物體給最重加權(quán)。對于感應(yīng)電極B730，其距驅(qū)動電極720越遠(yuǎn)，則耦合越較少集中在傳感器基板的表面處。感應(yīng)電極B730的響應(yīng)因此對與傳感器基板接近或接觸的物體給較少重的加權(quán)。通過比較來自感應(yīng)電極A和B的測量結(jié)果，可以確定獨(dú)立于其大小、導(dǎo)電性和對地電阻的物體高度。
[0051]該電極設(shè)置的操作理論在圖8中示出，其示出通過驅(qū)動-感應(yīng)相交處725的傳感器基板310的橫截面。感應(yīng)電極B730在傳感器基板平面中通過感應(yīng)電極A710的兩個(gè)部分與有源驅(qū)動電極(active drive electrode) 1010和相鄰的無源驅(qū)動電極(inactive driveelectrode) 1020分隔開。在操作中，提供變化電勢的刺激施加到有源驅(qū)動電極1010，同時(shí)相鄰的無源驅(qū)動電極1020被保持在恒定電壓。響應(yīng)于刺激，通過互稱電各CA和CB，在感應(yīng)電極A和感應(yīng)電極B上產(chǎn)生信號。
[0052]當(dāng)接地導(dǎo)電物體1030被引帶到驅(qū)動和感應(yīng)電極的相交處725時(shí)，它破壞了將有源驅(qū)動電極1010耦合到感應(yīng)電極A710的邊緣場1040，和將有源驅(qū)動電極1010耦合到感應(yīng)電極B730的邊緣場1050。這導(dǎo)致在有源驅(qū)動電極和感應(yīng)電極A之間的電容CA和在有源驅(qū)動電極和感應(yīng)電極B之間的CB下降。
[0053]然而，隨著接地導(dǎo)電物體1030接近傳感器基板310，電容CA將比電容CB減弱更快。這是因?yàn)椋趥鞲衅骰宓钠矫嬷?，感?yīng)電極B730由感應(yīng)電極A710屏蔽于驅(qū)動電極。如圖8所示，將驅(qū)動電極耦合到感應(yīng)電極B的任何電通量必須在傳感器基板上方的一些顯著距離處通過空氣。該通量被遠(yuǎn)處物體打斷，而將有源驅(qū)動電極耦合到感應(yīng)電極A的通量則被近處的物體打斷。
[0054]從所測量的電容數(shù)據(jù)計(jì)算物體高度的一個(gè)可能的方法是檢查在驅(qū)動-感應(yīng)電容CA和CB中變化的比率。變化相對于基線值測量，其可以在沒有任何物體的情況下執(zhí)行的校準(zhǔn)步驟期間來獲得，或者其可以通過低通濾波所測量的電容值來獲得。在本文中互耦電容器CA和CB的電容從它們的基線值的變化分別由△ CA和△ CB表示。對于任何給定的相交處725，Δ CA/ Δ CB的比率將隨物體高度改變，但將很大程度上獨(dú)立于物體的電導(dǎo)率。隨物體高度改變的比率Λ CA/Λ CB的變化可被表征，并且可以通過數(shù)學(xué)函數(shù)來近似，或者存儲在查找表中。隨物體高度改變的比率Λ CA/Λ CB的變化示于圖9中，雖然其行為將取決于所用電極的幾何形狀。
[0055]電極陣列的驅(qū)動和感應(yīng)電極可以通過在制造中公知的常規(guī)光刻或印刷技術(shù)來制造，例如，觸摸屏和液晶顯示器。如圖10所示的局部橫截面，該電極可形成在基板810上，在其上沉積第一導(dǎo)電層820。第一導(dǎo)電層820被圖案化成獨(dú)立的驅(qū)動電極830和感應(yīng)電極840?；?10可以由透明絕緣材料制成，如玻璃，塑料等，同時(shí)第一導(dǎo)電層可以由透明導(dǎo)電材料形成，諸如，銦錫氧化物(ITO)或銦鋅氧化物(IZO)。為了使驅(qū)動和感應(yīng)電極可以相互交叉而不電接觸，第二導(dǎo)電層850被沉積。該第二導(dǎo)電層850被圖案化成導(dǎo)電橋。第二導(dǎo)電層與第一導(dǎo)電層通過絕緣層860分隔開，除了在其中旨在接觸到第一導(dǎo)電層820的位置870。雖然圖10示出僅圍繞驅(qū)動電極830的絕緣層860，在實(shí)踐中，絕緣層860可以覆蓋第一導(dǎo)電層820的全部，包括僅在旨在接觸到第一導(dǎo)電層820的位置870處被蝕刻的感應(yīng)電極 840。
[0056]采用如上描述的電極設(shè)置和高度感應(yīng)技術(shù)的電容式觸摸屏系統(tǒng)示于圖11。傳感器910可以被安裝在液晶顯示裝置920上。電連接在傳感器910和控制器電路930之間進(jìn)行?？刂破麟娐钒l(fā)出時(shí)變電壓激勵驅(qū)動電極830，同時(shí)在感應(yīng)電極840處保持恒定的電壓?？刂破麟娐?30測量響應(yīng)于電壓激勵從感應(yīng)電極840流動的電荷，因?yàn)樵撾姾芍甘掘?qū)動電極830和感應(yīng)電極840之間的電容。測量的電容然后輸送到主機(jī)電子裝置940，其確定在傳感器上方的物體的位置和高度。可選地，物體的位置和高度的計(jì)算可以在控制器電路930內(nèi)實(shí)現(xiàn)，并且計(jì)算結(jié)果傳遞到主機(jī)電子裝置940。主機(jī)電子裝置可響應(yīng)于被檢測物體生成視頻圖像，并且可以傳遞該視頻圖像給液晶顯示裝置920。
[0057]根據(jù)在圖12中所示的本發(fā)明的第二實(shí)施例，電極陣列包括多個(gè)驅(qū)動電極和感應(yīng)電極，其中驅(qū)動電極被成對設(shè)置以使得兩個(gè)驅(qū)動電極在陣列中的每個(gè)相交處設(shè)置(例如，在每個(gè)行列相交處形成包括至少兩個(gè)驅(qū)動電極和至少一個(gè)感應(yīng)電極的第二電極組)。每個(gè)驅(qū)動電極對包括第一驅(qū)動電極，驅(qū)動電極A 1170，和第二驅(qū)動電極，驅(qū)動電極B。驅(qū)動電極B 1160可以具有菱形幾何形狀，而驅(qū)動電極A 1170可被分成兩半，其在驅(qū)動電極B 1160任一側(cè)延展。電極設(shè)置可以圍繞驅(qū)動電極B的中心線對稱。以這種方式，驅(qū)動電極B 1160距每個(gè)感應(yīng)電極比驅(qū)動電極A 1170更遠(yuǎn)。以這種方式，在驅(qū)動電極A和感應(yīng)電極之間的互耦電容器類似于上述的電容CA，并且在驅(qū)動電極B和感應(yīng)電極之間的互耦電容器類似于電容CB0
[0058]該第二實(shí)施例在兩個(gè)不同的階段中操作，如圖13所示。在第一階段中，驅(qū)動電極A用變化電勢(VA)激勵，并且驅(qū)動電極B被保持在恒定電勢(VB)，同時(shí)測量從每個(gè)感應(yīng)電極1150流動的電荷。在第二階段中，驅(qū)動電極A被保持在恒定電勢，并且驅(qū)動電極B用變化電勢驅(qū)動，同時(shí)從每個(gè)感應(yīng)電極1150流動的電荷被再次測量。相應(yīng)地，通過比較來自第一和第二階段的測量結(jié)果，可以確定獨(dú)立于其大小、導(dǎo)電性和對地電阻的物體的高度。變化的電勢，在第一階段和第二階段中是方波電流變化的變化電勢，具有同一頻率，但是彼此異相，例如，彼此異相180度。
[0059]本發(fā)明的第三實(shí)施方式與第二實(shí)施例共用相同的電極幾何形狀，但按另一種兩相操作進(jìn)行操作。圖14示出施加到驅(qū)動電極A的電壓(VA)和施加到驅(qū)動電極B的電壓(VB)。在第一階段中，將正電壓變化施加到驅(qū)動電極A與驅(qū)動電極B兩者。在第二階段中，將正電壓變化施加到驅(qū)動電極A，同時(shí)負(fù)電壓變化施加到驅(qū)動電極B。在第一階段期間被測量的從感應(yīng)電極流動的電荷因此指示兩個(gè)驅(qū)動-感應(yīng)電容的總和，同時(shí)在第二階段期間被測量的從感應(yīng)電極流動的電荷指示在兩個(gè)驅(qū)動-感應(yīng)電容之間的差。與先前實(shí)施例相比，本實(shí)施例是有利的，因?yàn)樾旁氡阮A(yù)計(jì)得到改善。驅(qū)動電極A和B的電壓變化是方波電流變化，具有彼此不同的頻率,例如,相差整數(shù)倍(例如,兩倍)，但彼此處于相同的相位中。
[0060]按照本發(fā)明的第四實(shí)施例，電極陣列包括設(shè)置為驅(qū)動電極對和感應(yīng)電極對的多個(gè)驅(qū)動電極和感應(yīng)電極。圖15示出根據(jù)本實(shí)施例的電極幾何形狀的平面圖。正如第一實(shí)施例，感應(yīng)電極對包括第一感應(yīng)電極、感應(yīng)電極A和第二感應(yīng)電極、感應(yīng)電極B。感應(yīng)電極A710被分成兩半，其在感應(yīng)電極B730的任一側(cè)延展。此外，驅(qū)動電極對包括第一驅(qū)動電極、驅(qū)動電極A1210和第二驅(qū)動電極、驅(qū)動電極B1220。如在第二實(shí)施例中所述，驅(qū)動電極A被分成兩半，其在驅(qū)動電極B1220的任一側(cè)延展。
[0061]圖16示出通過驅(qū)動-感應(yīng)相交處725的傳感器基板310的橫截面。圖16示出包括驅(qū)動電極A1210和驅(qū)動電極B1220的驅(qū)動電極對，以及包括感應(yīng)電極A710和感應(yīng)電極B730相鄰感應(yīng)電極對。在驅(qū)動電極對中的每個(gè)電極與感應(yīng)電極對中的每個(gè)電極形成互耦電容器。在傳感器基板平面中，驅(qū)動電極A1210中的一半被定位接近感應(yīng)電極710的一半。這些電極被定位在驅(qū)動電極B1220和感應(yīng)電極730之間。在驅(qū)動電極A和感應(yīng)電極A之間的互耦電容器因此形成在比驅(qū)動電極B和感應(yīng)電極B之間的距離更短的距離內(nèi)。
[0062]電極陣列可以在兩個(gè)不同階段操作。在第一階段中，將電壓激勵(變化的電勢)施加到驅(qū)動電極A，并且驅(qū)動電極B被保持在恒定電勢。響應(yīng)于這種激勵而從感應(yīng)電極A流動的電荷和從感應(yīng)電極B流動的電荷被測量。在第二階段中，驅(qū)動電極A被保持在恒定的電勢，同時(shí)電壓激勵施加到驅(qū)動電極B。此外，測量從每個(gè)感應(yīng)電極流動的電荷。四個(gè)電容因此可以從這些測量確定:電容CAA，其將驅(qū)動電極A1210耦合到感應(yīng)電極A710 ;電容CBB，其將驅(qū)動電極B1220耦合到感應(yīng)電極B730 ；電容CAB，其將驅(qū)動電極B1220耦合到感應(yīng)電極A710 ;以及電容CBA，其將驅(qū)動電極A1210耦合到感應(yīng)電極B730。互耦電容器CAA、CBB、CBA和CAB的電容基于它們的基線值的變化在本文中分別由Λ CAA、Δ CBB、Δ CBA和Λ CAB表示。物體高度可以使用兩種或更多這些電容，例如通過利用Λ CAA/Λ CBB的比率來獲得，如在第一實(shí)施例中描述的。與先前實(shí)施例相比，該第四實(shí)施例可以是有利的，因?yàn)轳詈想娙軨AA和CBB形成的距離比在第一實(shí)施例中的距離更多樣化。
[0063]本發(fā)明的第五實(shí)施例使用與第四實(shí)施例相同的電極幾何形狀。然而，第五實(shí)施例在單相中操作，在此期間在電勢中的正變化施加到驅(qū)動電極Α，并且在電極電勢中的負(fù)變化被施加到驅(qū)動電極B。通過測量從感應(yīng)電極A流動的電荷，可以確定量(ACAA-ACBA)，并且通過測量從感應(yīng)電極B流動的電荷，可以確定量(Λ CAB- Δ CBB)。這些量的比率可用于以與前述類似的方式確定物體的高度。該實(shí)施例是有利的，因?yàn)橥ㄟ^優(yōu)化與驅(qū)動電極B比較的驅(qū)動電極A的大小，和與施加到驅(qū)動電極B所比較的施加到驅(qū)動電極A的激勵幅度，可以最小化操作期間的外部電場。
[0064]根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施例，電極陣列包括由第一和第二雙功能電極形成的感應(yīng)電極對，如在2012年3月30日提交的共同未決的美國申請N0.13/435,898中描述的，其通過引用完全并入本文。如圖17所示，大部分的第一雙功能電極(感應(yīng)電極A 1410)的區(qū)域緊密地接近奇數(shù)驅(qū)動電極1420，而第二雙功能電極(感應(yīng)電極B1430)的區(qū)域緊密地接近偶數(shù)驅(qū)動電極1440。因此，當(dāng)激勵奇數(shù)編號的驅(qū)動電極1420中的一個(gè)時(shí)，它形成到感應(yīng)電極A1410的短距離的耦合電容，和到感應(yīng)電極B 1430的更長距離的耦合電容，并且可檢查驅(qū)動-感應(yīng)電容的變化比率Λ CA/ Δ CB,以便確定物體高度。然而，當(dāng)偶數(shù)編號的驅(qū)動電極1440中的一個(gè)驅(qū)動電極被激勵時(shí)，它形成到感應(yīng)電極B 1430的短距離的耦合電容，和到感應(yīng)電極A 1410的更長的距離的耦合電容，并且因此檢查驅(qū)動-感應(yīng)電容的變化比率ACB/ACA0與先前實(shí)施例相比，本實(shí)施例是有利的，因?yàn)檫@兩個(gè)感應(yīng)電極在它們的串聯(lián)電阻和對地電容上類似。
[0065]根據(jù)本發(fā)明的第七實(shí)施例，驅(qū)動和感應(yīng)電極相互交叉。在常規(guī)的觸摸傳感器中，這些相互交叉的電極表現(xiàn)為如圖18所示，其中驅(qū)動電極1510與感應(yīng)電極1520鑲嵌成棋盤花紋。本發(fā)明可以應(yīng)用到以圖19中示出方式的該常規(guī)幾何形狀，其中感應(yīng)電極A 1610在感應(yīng)電極B1620和相互交叉的驅(qū)動電極1510之間延展。與先前實(shí)施例相比，該實(shí)施例是有利的，因?yàn)橄嗷ソ徊娴膸缀涡螤钐峁┝嗽隍?qū)動和感應(yīng)電極之間更大的邊緣電容，并且因此提供了較大的信號擺幅。
[0066]第八實(shí)施例使用在先前實(shí)施例中描述的電極幾何形狀中的任何一種。如同前面的實(shí)施例，兩個(gè)被測量的電容的比率用于確定接近傳感器的物體的高度，并且該比率與查找表比較，以確定物體的高度。然而，在第八實(shí)施例中，不同的查找表被用于傳感器矩陣的每個(gè)相交處。當(dāng)例如由于接近傳感器基板末端的邊緣效應(yīng)，每個(gè)相交處的響應(yīng)不同時(shí)，本實(shí)施例是有利的。
[0067]按照本發(fā)明的第九實(shí)施例，兩個(gè)以上的感應(yīng)電極存在于傳感器矩陣的每個(gè)相交處。圖20示出在每個(gè)相交處725處具有三個(gè)感應(yīng)電極的電極幾何形狀。第一菱形感應(yīng)電極1710由第二電極軌道1720圍繞在任一側(cè)上。第一菱形感應(yīng)電極1710和第二電極軌道1720由第三電極軌道1730依次包圍在任一側(cè)上。因此，當(dāng)對驅(qū)動電極720中的一個(gè)驅(qū)動電極驅(qū)動時(shí)，測量三個(gè)電容。一個(gè)電容對應(yīng)于從驅(qū)動電極到三個(gè)感應(yīng)電極中的每個(gè)感應(yīng)電極的耦合。當(dāng)導(dǎo)電物體接近傳感器時(shí)，三個(gè)電容發(fā)生不同程度的變化，并且這些變化可用于確定物體到傳感器基板的接近度。這樣做的一種方式是測量在第二電容中變化與在第一電容中變化的比率，以及同樣在第三電容中變化與在第一電容中變化之間的比率。這兩個(gè)比率可與查找表對比，該查找表包含在不同物體接近度處記錄的預(yù)定比率。與先前實(shí)施例相比，該第九實(shí)施例中是有利的，因?yàn)樵诿總€(gè)相交處具有多個(gè)感應(yīng)電極可以比在每個(gè)位置處僅具有兩個(gè)感應(yīng)電極產(chǎn)生物體高度的更穩(wěn)健測量。
[0068]第十實(shí)施例中使用與第一或第五實(shí)施例相同的電極幾何形狀。然而，代替采取電容CA和CB的比率，減法用于確定物體的高度。取決于確切的電極幾何形狀，量ACA-ACB可以圖21中示出的方式表現(xiàn)，這樣，量或其梯度的反轉(zhuǎn)被視為物體與傳感器基板非常接近。這個(gè)減法也可加權(quán),例如通過評估ACA-X Λ CB，其中X是一個(gè)乘法加權(quán)因子。加權(quán)因子可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，使得減法提供用于接近度測量的最大可能信噪比，同時(shí)還提供物體高度的適當(dāng)指示。
[0069]當(dāng)以這種方式執(zhí)行減法時(shí)，有可能取消相干耦合到兩個(gè)感應(yīng)電極的電氣干擾的一些或全部。例如，如圖22所示，電磁干擾的主要來源可以是與液晶顯示器相關(guān)聯(lián)的共用電極2210，其均勻地位于傳感器基板310下方。共用電極將通過傳感器基板310形成到感應(yīng)電極Α710和感應(yīng)電極Β730的平行板電容。這些平行板電容的比率將由兩個(gè)感應(yīng)電極的面積來確定?；谠撾娙荼嚷剩朔訖?quán)系數(shù)X可被選擇，使得一些或全部電氣干擾通過ACA-XACB的減法取消。例如，當(dāng)X = I時(shí)，相干干擾可以通過將兩個(gè)感應(yīng)電極設(shè)計(jì)具有對共用電極2210相等電容而基本上取消。因此，第十實(shí)施例是有利的，因?yàn)樗杀挥脕盹@著改善傳感器的信噪比。
[0070]第十一實(shí)施例使用與第四實(shí)施例相同的電極幾何形狀，并且如同第四實(shí)施例，在兩個(gè)階段中操作以測量四個(gè)不同的電容。在第一階段中，電容CAA和CAB被測量，而在第二階段中，電容CBA和CBB被測量。然而，不是計(jì)算測量的電容的比率，而是將測量的電容的加權(quán)相加(或相減)用于確定接近物體的接近度。例如，(ACAA-ACAB)+ (ACBA-ACBB)的結(jié)果取決于物體的接近度，但會消除以前面所述的方式相干耦合到兩個(gè)感應(yīng)電極的噪聲。與第五實(shí)施例相比，該第十一實(shí)施例是有利的，這是由于噪聲的消除，傳感器的信噪比顯著更聞。
[0071]根據(jù)本發(fā)明第十二實(shí)施例，物體位置的測量精度(在電極陣列的平面中)和物體高度可借助于插值來改善。在一般情況下，如圖5所示，由于導(dǎo)電性物體的存在，在該陣列中超過一個(gè)的電極元件的耦合電容器的電容發(fā)生改變。如所公知的，可以檢查所得到的信號分布曲線，以計(jì)算在比電極元件間距更高的分辨率處的物體位置。如現(xiàn)在所描述的，物體高度的計(jì)算精度也可以借助于插值來改善。
[0072]在示例性方法中，物體位置可以首先使用測量的電容變化的第一組合fl計(jì)算。例如，在驅(qū)動-感應(yīng)電容器的電容變化之和(ACA和ACB)(或Λ CAA和Λ CBB)可在電極陣列中的每個(gè)電極元件處計(jì)算，即fl = ACA+ACB。物體位置的初始估計(jì)然后可通過比較每個(gè)第一組合fl的幅度與閾值來進(jìn)行。在其中閾值被超過的每個(gè)位置處，即信號峰值的位置處，插值方法可被用于提供比電極元件間距更高的分辨率的物體位置的估計(jì)。例如，如圖23所示，為計(jì)算在任何單峰位置的第一維度的物體位置，在第η個(gè)電極元件Π (η)和其鄰處fl(n+l)和fl(n-l)測量的峰值信號的第一組合被擬合到第一數(shù)學(xué)函數(shù)g0。數(shù)學(xué)函數(shù)用于由物體產(chǎn)生的信號分布曲線模型，并且可以例如是高斯、拋物線或多項(xiàng)式函數(shù)。數(shù)學(xué)函數(shù)的參數(shù)可以對應(yīng)于峰值的位置、寬度和最大值。例如，對于拋物線函數(shù)的情況:
[0073]g0 (X) = a (χ-ρ) 2+b
[0074]其中的g0(x)是作為第一維度X的函數(shù)的拋物線幅度，P為峰最大值的位置，b是峰值最大值，并且a是峰值寬度的量度。
[0075]如所公知的，擬合程序可用于計(jì)算將函數(shù)和采樣數(shù)據(jù)信號Π(η)、fl(n+l)和fl(n-l)的第一組合之間的誤差最小化的第一數(shù)學(xué)函數(shù)的參數(shù)。在一個(gè)維度中的物體位置估計(jì)因此被計(jì)算，并且程序在第二維度中重復(fù)，以生成電極陣列平面中物體二維位置估計(jì)。該插值程序可對于每個(gè)峰值位置重復(fù)，以計(jì)算接近觸摸屏的多個(gè)物體的位置。
[0076]然后，物體高度可以使用測量的電容變化的第二組合f2來計(jì)算。第二組合f2可以與第一組合Cl不同。第二組合可對于在陣列中的每個(gè)電極元件計(jì)算，或在與先前步驟中計(jì)算的峰值位置對應(yīng)的電極元件的每個(gè)電極元件處計(jì)算。第二組合f2可以是例如耦合電容器Λ CA和Λ CB (或Λ CAA和Λ CBB)的電容變化之間的差，使得f2 = Λ CA-Λ CB?；蛘撸诙M合可以是驅(qū)動-感應(yīng)電容器的比率，使得f2= ACA/ACB0按照與上述類似的程序，通過擬合峰值信號f2 (η)和其在第一維度上的相鄰信號f2(n+l)和f 2(n_l)的第二組合到第二數(shù)學(xué)函數(shù)，能夠以提高的精度計(jì)算物體高度。數(shù)學(xué)函數(shù)可以是例如具有與位置、標(biāo)準(zhǔn)偏差和峰值幅度對應(yīng)的參數(shù)的高斯、拋物線或多項(xiàng)式函數(shù)。
[0077]擬合程序計(jì)算將函數(shù)和采樣數(shù)據(jù)信號f2 (n)、f2 (n+1)和f2 (n_l)的第二組合之間的誤差最小化的第二數(shù)學(xué)函數(shù)的參數(shù)。第一數(shù)學(xué)函數(shù)參數(shù)可被用作初始估計(jì)或約束第二數(shù)學(xué)函數(shù)的參數(shù)計(jì)算。例如，與在第一數(shù)學(xué)函數(shù)中物體位置對應(yīng)的參數(shù)可用作與在第二數(shù)學(xué)函數(shù)中物體位置對應(yīng)的參數(shù)。峰最大值參數(shù)可用作如前面描述的物體高度的估計(jì)，例如在圖9或圖21中示出。為進(jìn)一步改進(jìn)物體高度的估計(jì)，以上程序可在第二維度重復(fù)，并且兩個(gè)高度計(jì)算的結(jié)果被平均。該插值程序可對于每個(gè)峰值位置重復(fù)，以計(jì)算多個(gè)物體的高度。
[0078]在替代方法中，數(shù)學(xué)函數(shù)可以被獨(dú)立地?cái)M合到電容變化信號Λ CA和ACB。從擬合的Λ CA所產(chǎn)生的峰最大值參數(shù)然后可使用所述第二組合f2與從擬合ACB所產(chǎn)生的峰最大值參數(shù)組合。
[0079]通過使用第一組合Π對于物體位置的第一插值，并且使用第二組合f2對于物體高度的插值，比僅使用第二組合f2對于物體位置和物體高度執(zhí)行單個(gè)插值，可更精確地測量物體位置和物體高度。
[0080]根據(jù)本發(fā)明的第十三實(shí)施例，電極陣列包括如下設(shè)置的感應(yīng)電極對和驅(qū)動電極對。感應(yīng)電極對被分成奇數(shù)編號感應(yīng)電極對2400和偶數(shù)編號感應(yīng)電極對2402。驅(qū)動電極對被分成奇數(shù)編號的驅(qū)動電極對2404和偶數(shù)編號的驅(qū)動電極對2406。感應(yīng)電極對由第一和第二雙功能感應(yīng)電極形成，并且驅(qū)動電極對由第一和第二雙功能驅(qū)動電極形成。如圖24所示，大部分的第一奇數(shù)編號的雙功能感應(yīng)電極(感應(yīng)電極A2410)緊密地接近第一奇數(shù)編號的驅(qū)動電極(驅(qū)動電極Al 2430)。大部分第二奇數(shù)編號的雙功能感應(yīng)電極(感應(yīng)電極BI2420)緊密地接近第一偶數(shù)編號的驅(qū)動電極(驅(qū)動電極A2 2435)。第一偶數(shù)編號的雙功能感應(yīng)電極(感應(yīng)電極A2 2415)的大部分區(qū)域緊密地接近第二奇數(shù)編號的驅(qū)動電極(驅(qū)動電極BI 2440)。大部分第二偶數(shù)編號的雙功能感應(yīng)電極(感應(yīng)電極B2 2425)緊密地接近第二偶數(shù)編號的驅(qū)動電極(驅(qū)動電極B2 2445)。連接導(dǎo)線2460可以用于在每個(gè)電極的不同部分之間的連接。電極部分可以經(jīng)由通孔2450被物理連接到連接導(dǎo)線。
[0081]可以利用例如標(biāo)準(zhǔn)的光刻或印刷技術(shù)來形成本實(shí)施例的電極陣列。圖25示出在交叉點(diǎn)2470通過第二奇數(shù)編號的雙功能感應(yīng)電極(感應(yīng)電極B 2420)的橫截面來說明觸摸屏結(jié)構(gòu)。電極在沉積到傳感器基板2510上的透明導(dǎo)電層2520中形成。透明導(dǎo)電層2520可被圖案化成如上所述的驅(qū)動電極和感應(yīng)電極的圖案。為使得驅(qū)動和感應(yīng)電極可以相互交叉而不會電接觸，絕緣層2530和導(dǎo)電橋?qū)?540可以例如沉積在透明導(dǎo)電層2520頂部上。該導(dǎo)電橋?qū)?540可以被圖案化并且用作連接導(dǎo)線2460以連接相同電極的不同部分。在導(dǎo)電橋?qū)?540和透明導(dǎo)電層2520之間需要接觸的位置處，在絕緣層2530創(chuàng)建接觸孔2550以創(chuàng)建通孔2450。傳感器基板2510可以由透明絕緣材料如玻璃，塑料等制成。透明導(dǎo)電層2520可以是透明導(dǎo)電材料，諸如，銦錫氧化物(ITO)或氧化銦鋅(IZO)。絕緣層2530可以是絕緣材料，諸如二氧化硅、氮化硅或丙烯酸類樹脂。導(dǎo)電橋?qū)?540可以是不透明的金屬材料，諸如招。
[0082]四種不同的耦合電容器的電容可以在本實(shí)施例的電極陣列中的每個(gè)電極元件處測量。例如，對于對應(yīng)于奇數(shù)編號的感應(yīng)電極對和奇數(shù)編號的驅(qū)動電極對的電極兀件，第一奇數(shù)編號的雙功能感應(yīng)電極(感應(yīng)電極Al 2410)和第一奇數(shù)編號的雙功能驅(qū)動電極(驅(qū)動電極Al 2430)形成電容器CAA。第一奇數(shù)編號的雙功能感應(yīng)電極(感應(yīng)電極Al 2410)和第二奇數(shù)編號的雙功能驅(qū)動電極(驅(qū)動電極BI 2440)形式電容器CAB。第二奇數(shù)編號的雙功能感應(yīng)電極(感應(yīng)電極BI 2420)和第一奇數(shù)編號的雙功能驅(qū)動電極(驅(qū)動電極Al2430)形式電容器CBA。第二奇數(shù)編號的雙功能感應(yīng)電極(感應(yīng)電極BI 2420)和第二奇數(shù)編號的雙功能驅(qū)動電極(驅(qū)動電極BI 2440)形式電容器CBB。因此，在每個(gè)相交處的電容器CAA在短距離內(nèi)形成，并且電容器CBB在較長的距離上形成。四個(gè)不同的耦合電容器CAA、CAB、CBA和CBB的電容可使用上述方法中的一種來測量。由于物體的存在,物體高度可通過使用上述方法中的一種計(jì)算在這些電容從它們的基線值的變化。本實(shí)施例的電極陣列的優(yōu)點(diǎn)在于，所述電極圖案的填充系數(shù)得到提高。也就是說，由驅(qū)動和感應(yīng)電極所占據(jù)的電極陣列的面積的百分比增加。因此，觸摸屏的信號-噪聲比可以得到改善，并且該物體的位置和高度可以更準(zhǔn)確地計(jì)算。另外，本實(shí)施例的電極陣列提供電容器CAA和CBB的耦合距離之間的巨大差異。因此，由于物體的存在，測量的電容中的更明顯的改變能夠被觀察到，并且物體高度可被更準(zhǔn)確地計(jì)算。
[0083]按照本發(fā)明的第十四實(shí)施例，提供了具有改進(jìn)的光學(xué)性能的電極陣列。前面實(shí)施例的電極陣列可能受制于如下的缺點(diǎn)，即該連接導(dǎo)線可以是可見的，并且當(dāng)結(jié)合顯示器一起使用時(shí)會不利地影響所顯示圖像的質(zhì)量。因此，理想的是用第二透明導(dǎo)電層代替導(dǎo)電性橋?qū)?540。然而，透明導(dǎo)電材料通常比不透明的金屬材料表現(xiàn)出低得多的導(dǎo)電性。因此，形成具有透明導(dǎo)電材料的該連接導(dǎo)線2460將增加電極的電阻，并導(dǎo)致在觸摸屏上的信號-噪聲比的降低。在圖26中所示的本實(shí)施例的電極陣列允許實(shí)現(xiàn)前面實(shí)施例的電極設(shè)置，同時(shí)最小化各電極的總電阻，而沒有不利地影響電容測量。
[0084]電極陣列包括形成在第一透明導(dǎo)電層的感應(yīng)電極對和形成在第二透明導(dǎo)電層的驅(qū)動電極對。第一和第二透明導(dǎo)電層由絕緣層分開，并可以如圖26所示地設(shè)置。用于第一和第二導(dǎo)電層的材料可以是透明導(dǎo)電材料，諸如銦錫氧化物(ITO)或氧化銦鋅(IZO)。感應(yīng)電極對被分成奇數(shù)編號的感應(yīng)電極對2600和偶數(shù)編號的感應(yīng)電極對2602。驅(qū)動電極對被分成奇數(shù)編號的驅(qū)動電極對2604和偶數(shù)編號的驅(qū)動電極對2606。感應(yīng)電極對由第一和第二雙功能感應(yīng)電極形成，并且驅(qū)動電極對由第一和第二雙功能驅(qū)動電極形成。大部分第一奇數(shù)雙功能感應(yīng)電極(感應(yīng)電極Al 2610)緊密地接近第一奇數(shù)編號的驅(qū)動電極(驅(qū)動電極Al 2630)。大多數(shù)第二奇數(shù)雙功能感應(yīng)電極(感應(yīng)電極BI 2620)緊密地接近第一偶數(shù)編號的驅(qū)動電極(驅(qū)動電極A2 2635)。第一偶數(shù)編號的雙功能感應(yīng)電極(感應(yīng)電極A22615)的大部分區(qū)域緊密地接近第二奇數(shù)編號的驅(qū)動電極(驅(qū)動電極BI 2640)。大多數(shù)簠二偶數(shù)雙功能感應(yīng)電極(感應(yīng)電極B2 2625)緊密地接近第二偶數(shù)驅(qū)動電極(驅(qū)動電極B22645)。
[0085]與在圖24中的2460對應(yīng)的連接導(dǎo)線可用于在每個(gè)電極的不同部分之間的連接。電極部分可以由對應(yīng)于圖2450的通孔物理連接到連接導(dǎo)線。因此，如在前面的實(shí)施例中，四個(gè)耦合電容CAA、CBB, CAB和CBB形成在陣列中的每個(gè)電極元件處，其電容可被測量并檢查以確定物體的位置和高度。有利地，形成在第一和第二透明導(dǎo)電層上的連接導(dǎo)線的電阻可以減小，而沒有不利地影響電容測量。例如，該連接導(dǎo)線的寬度可以增加，以補(bǔ)償透明導(dǎo)電材料的較低導(dǎo)電率，而不影響電容測量的信號-噪聲比。
[0086]盡管參考某個(gè)或某些實(shí)施例，表示和說明了本發(fā)明，不過對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，當(dāng)閱讀和理解本說明書和附圖時(shí)，可以想到等同的變更和修改。尤其是就由上述元件(組件、組合體、設(shè)備、構(gòu)成等)進(jìn)行的各種功能來說，除非另有說明，否則用于描述這種元件的術(shù)語(包括對“裝置”的引用)意圖對應(yīng)于進(jìn)行所述元件的指定功能的任何元件(即，功能上等同的任何元件)，即使結(jié)構(gòu)上不等同于在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)例證實(shí)施例中，進(jìn)行所述功能的公開結(jié)構(gòu)。另外，盡管上面關(guān)于幾個(gè)實(shí)施例中的僅僅一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，說明了本發(fā)明的特定特征，不過，當(dāng)對任何給定或特殊應(yīng)用來說需要和有利時(shí)，可以結(jié)合這樣的特征和其它實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)結(jié)合。
[0087]工業(yè)適用性
[0088]本發(fā)明能夠用于工業(yè)和消費(fèi)電子裝置的觸摸屏和觸摸屏裝置中。其非常適合于如移動電話、平板計(jì)算機(jī)和“電子閱讀器”等產(chǎn)品。
[0089]參考符號列表
[0090]10透明基板
[0091]11感應(yīng)電極
[0092]12電壓源
[0093]13導(dǎo)電物體
[0094]14電容器
[0095]15電流傳感器
[0096]20驅(qū)動電極
[0097]21感應(yīng)電極
[0098]22電壓源
[0099]23互耦電容器
[0100]24電流測量裝置
[0101]27驅(qū)動電極
[0102]28感應(yīng)電極
[0103]310觸摸屏
[0104]320大物體
[0105]330小物體
[0106]410遠(yuǎn)處物體
[0107]420 第一位置
[0108]430 第二位置
[0109]440靠近的物體
[0110]605 物體
[0111]610輔助測量電極
[0112]620平行驅(qū)動電極
[0113]630平行感應(yīng)電極
[0114]710感應(yīng)電極A
[0115]720驅(qū)動電極
[0116]725相交處
[0117]730感應(yīng)電極B
[0118]810 基板
[0119]820第一導(dǎo)電層
[0120]830驅(qū)動電極
[0121]840感應(yīng)電極
[0122]850第二導(dǎo)電層
[0123]860絕緣層
[0124]870旨在接觸到第一導(dǎo)電層的位置
[0125]910傳感器
[0126]920液晶顯示器設(shè)備
[0127]930控制器電路
[0128]940主機(jī)電子裝置
[0129]1010有源驅(qū)動電極
[0130]1020無源驅(qū)動電極
[0131]1030接地導(dǎo)電物體
[0132]1040邊緣場
[0133]1050邊緣場
[0134]1150感應(yīng)電極
[0135]1160驅(qū)動電極B
[0136]1170驅(qū)動電極A
[0137]1210驅(qū)動電極A
[0138]1220驅(qū)動電極B
[0139]1410感應(yīng)電極A
[0140]1420奇數(shù)編號的驅(qū)動電極
[0141]1430感應(yīng)電極B
[0142]1440偶數(shù)編號的驅(qū)動電極
[0143]1510驅(qū)動電極
[0144]1520感應(yīng)電極
[0145]1610感應(yīng)電極A
[0146]1620感應(yīng)電極B
[0147]1710第一菱形感應(yīng)電極
[0148]1720第二電極軌道
[0149]1730第三電極軌道
[0150]2210共用電極
[0151]2400奇數(shù)編號的感應(yīng)電極對
[0152]2402偶數(shù)編號的感應(yīng)電極對
[0153]2404奇數(shù)編號的驅(qū)動電極對
[0154]2406偶數(shù)編號的驅(qū)動電極對
[0155]2410第一奇數(shù)編號的雙功能感應(yīng)電極
[0156]2415第一偶數(shù)編號的雙功能感應(yīng)電極
[0157]2420第二奇數(shù)編號的雙功能感應(yīng)電極
[0158]2425第二偶數(shù)編號的雙功能感應(yīng)電極
[0159]2430第一奇數(shù)編號的雙功能驅(qū)動電極
[0160]2435第一偶數(shù)編號的雙功能驅(qū)動電極
[0161]2440第二奇數(shù)編號的雙功能驅(qū)動電極
[0162]2445第二偶數(shù)編號的雙功能驅(qū)動電極
[0163]2450通孔
[0164]2460連接導(dǎo)線
[0165]2470 相交處
[0166]2510傳感器基板
[0167]2520透明導(dǎo)電層
[0168]2530 絕緣層
[0169]2540導(dǎo)電橋?qū)?br> [0170]2550 接觸孔
[0171]2600奇數(shù)編號的感應(yīng)電極對
[0172]2602偶數(shù)編號的感應(yīng)電極對
[0173]2604奇數(shù)編號的驅(qū)動電極對
[0174]2606偶數(shù)編號的驅(qū)動電極對
[0175]2610第一奇數(shù)編號的雙功能感應(yīng)電極
[0176]2615第一偶數(shù)編號的雙功能感應(yīng)電極
[0177]2620第二奇數(shù)編號的雙功能感應(yīng)電極
[0178]2625第二偶數(shù)編號的雙功能感應(yīng)電極
[0179]2630第一奇數(shù)編號的雙功能驅(qū)動電極
[0180]2635第一偶數(shù)編號的雙功能驅(qū)動電極
[0181]2640第二奇數(shù)編號的雙功能驅(qū)動電極
[0182]2645第二偶數(shù)編號的雙功能驅(qū)動電極
[0183]2670 相交處
【權(quán)利要求】
1.一種電容式觸摸傳感器,包括: 傳感器基板； 電極元件陣列，其形成在所述傳感器基板之上，所述陣列的每個(gè)電極元件包括至少一個(gè) 第一電極組，其包括至少兩個(gè)驅(qū)動電極和至少一個(gè)感應(yīng)電極，或 第二電極組，其包括至少兩個(gè)感應(yīng)電極和至少一個(gè)驅(qū)動電極， 其中所述第一或第二電極組的各個(gè)電極被設(shè)置以形成不同耦合距離的多個(gè)電容；以及控制器，其可操作地耦合到所述電極元件陣列，所述控制器被配置成基于所述多個(gè)電容的變化，確定物體相對于所述觸摸傳感器的表面的距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的觸摸傳感器，其中所述陣列的電極元件包括所述第二電極組，并且在第二電極組內(nèi)，所述至少兩個(gè)感應(yīng)電極中的第一感應(yīng)電極比所述至少兩個(gè)感應(yīng)電極中的第二感應(yīng)電極在所述傳感器基板的平面中與所述至少一個(gè)驅(qū)動電極隔開更短的距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的觸摸傳感器，其中所述第一和第二感應(yīng)電極被彼此對稱地設(shè)置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的觸摸傳感器，其中所述第二感應(yīng)電極被圖案化成相互連接的菱形，并且所述第一感應(yīng)電極被分成第一部分和第二部分，所述第一和第二部分被設(shè)置在所述第二感應(yīng)電極的各側(cè)，使得所述第一感應(yīng)電極比所述第二感應(yīng)電極更靠近所述至少一個(gè)驅(qū)動電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的觸摸傳感器，其中所述第一部分和所述第二部分彼此電連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求2-5中任一項(xiàng)所述的觸摸傳感器，其中所述第一感應(yīng)電極與所述至少一個(gè)驅(qū)動電極形成第一互耦電容，并且所述第二感應(yīng)電極與所述至少一個(gè)驅(qū)動電極形成第二互耦電容。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的觸摸傳感器，其中所述控制器被配置成基于驅(qū)動-感應(yīng)電容的變化比率，計(jì)算物體相對于所述觸摸屏的平面的距離。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的觸摸傳感器，其中所述陣列的電極元件包括所述第一電極組，并且在第一電極組內(nèi)，所述至少兩個(gè)驅(qū)動電極中的第一驅(qū)動電極比所述至少兩個(gè)驅(qū)動電極中的第二驅(qū)動電極在所述傳感器基板的平面中與所述至少一個(gè)感應(yīng)電極隔開更短的距離。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的觸摸傳感器，其中所述至少兩個(gè)驅(qū)動電極被彼此對稱地設(shè)置。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的觸摸傳感器，其中所述第二驅(qū)動電極被圖案化成相互連接的菱形，并且所述第一驅(qū)動電極被分成第一部分和第二部分，所述第一部分被設(shè)置在所述第二驅(qū)動電極的每側(cè)，使得所述第一部分比所述第二驅(qū)動電極更靠近所述至少一個(gè)感應(yīng)電極。
11.根據(jù)權(quán)利要求8-10中任一項(xiàng)所述的觸摸傳感器，其中所述第一驅(qū)動電極與所述至少一個(gè)感應(yīng)電極形成第一互耦電容，并且所述第二驅(qū)動電極與所述至少一個(gè)感應(yīng)電極形成第二互耦電容。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11中任一項(xiàng)所述的觸摸傳感器，其中所述第一或第二電極組包括設(shè)置為驅(qū)動電極對的至少兩個(gè)驅(qū)動電極，和設(shè)置為感應(yīng)電極對的至少兩個(gè)感應(yīng)電極，以及 其中所述驅(qū)動電極對的一個(gè)驅(qū)動電極被分成第一和第二驅(qū)動電極部分，且所述感應(yīng)電極對的一個(gè)感應(yīng)電極被分成第一和第二感應(yīng)電極部分，并且在所述傳感器基板的平面中所述第一驅(qū)動電極部分位于與所述第一感應(yīng)電極部分相鄰的位置，且所述第一驅(qū)動電極部分和所述第一感應(yīng)電極部分設(shè)置在所述第二驅(qū)動電極部分和所述第二感應(yīng)電極部分之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求2-7中任一項(xiàng)所述的觸摸傳感器，其中大部分所述第一感應(yīng)電極與相應(yīng)電極元件中的所述第二感應(yīng)電極相比，在所述傳感器基板的平面中與相應(yīng)電極元件中的第一驅(qū)動電極隔開更短的距離，并且大部分所述第二感應(yīng)電極與所述第一感應(yīng)電極相t匕，在所述傳感器基板的平面中與相鄰電極元件中的第二驅(qū)動電極隔開更短的距離。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)所述的觸摸傳感器，其中所述驅(qū)動電極與所述感應(yīng)電極相互交叉。
15.根據(jù)權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)所述的觸摸屏系統(tǒng)，其中所述控制器被配置成訪問與每個(gè)電極元件對應(yīng)的查找表，以便確定物體相對于所述觸摸屏的位置和距離。
16.根據(jù)權(quán)利要求1-15中任一項(xiàng)所述的觸摸傳感器，其中所述第一或第二電極組包括三個(gè)或更多感應(yīng)電極。
17.—種電容式觸摸屏系統(tǒng),包括: 液晶顯示器；以及 根據(jù)權(quán)利要求1-16中任一項(xiàng)所述的觸摸傳感器，其被安裝到所述液晶顯示器。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的觸摸屏系統(tǒng)，其中所述控制器被配置成: 對所述驅(qū)動電極提供時(shí)變電壓刺激；以及 測量響應(yīng)于所述時(shí)變電壓刺激從所述感應(yīng)電極流出的電荷。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的觸摸屏系統(tǒng)，其中所述控制器被進(jìn)一步配置成基于測量到的電荷，確定物體在所述觸摸傳感器上方的位置和高度。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的觸摸屏系統(tǒng)，其中所述控制器被配置成: 執(zhí)行第一測量階段，其中測量響應(yīng)于所述第一驅(qū)動電極被供給變化的電勢同時(shí)所述第二驅(qū)動電極保持恒定的電勢而從每個(gè)感應(yīng)電極流出的電荷； 執(zhí)行第二測量階段，其中測量響應(yīng)于所述第二驅(qū)動電極被供給變化的電勢同時(shí)所述第一驅(qū)動電極保持恒定的電勢而從每個(gè)感應(yīng)電極流出的電荷；以及 基于在所述第一和第二測量階段獲得的測量到的電荷，確定物體距觸摸屏的位置和距離。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的觸摸屏系統(tǒng)，其中所述控制器被配置成: 執(zhí)行第一測量階段，其中測量響應(yīng)于提供給所述第一驅(qū)動電極和所述第二驅(qū)動電極兩者的正電壓變化而從每個(gè)感應(yīng)電極流出的電荷； 執(zhí)行第二測量階段，其中測量響應(yīng)于提供給所述第一驅(qū)動電極的正電壓變化以及提供給所述第二驅(qū)動電極的負(fù)電壓變化而從每個(gè)感應(yīng)電極流出的電荷；以及 基于在所述第一和第二測量階段獲得的測量到的電荷，確定物體距觸摸屏的位置和距離。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的觸摸屏系統(tǒng)，其中所述控制器被配置成: 執(zhí)行第一測量階段，其中測量響應(yīng)于施加到所述第一驅(qū)動電極的電壓刺激同時(shí)所述第二驅(qū)動電極保持恒定的電勢而從所述第一感應(yīng)電極和從所述第二感應(yīng)電極流出的電荷；執(zhí)行第二測量階段，其中測量響應(yīng)于施加到所述第二驅(qū)動電極的電壓刺激同時(shí)所述第一驅(qū)動電極保持恒定的電勢而從所述第一感應(yīng)電極和從所述第二感應(yīng)電極流出的電荷；基于在所述第一和第二測量階段獲得的所述第一和第二感應(yīng)電極的被測量的電荷，確定物體距觸摸屏的位置和距離。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的觸摸屏系統(tǒng)，其中所述控制器被配置成: 執(zhí)行第一測量階段，其中測量響應(yīng)于施加到所述第一驅(qū)動電極的電勢的正變化以及施加到所述第二驅(qū)動電極的電勢的負(fù)變化而從所述第一感應(yīng)電極和從所述第二感應(yīng)電極流出的電荷； 基于所述第一和第二感應(yīng)電極的被測量的電荷，確定物體距觸摸屏的位置和距離。
24.根據(jù)權(quán)利要求18所述的觸摸屏系統(tǒng)，其中所述控制器被配置成: 確定在所述驅(qū)動電極和所述三個(gè)感應(yīng)電極中的第一感應(yīng)電極之間的第一電容； 確定在所述驅(qū)動電極和所述三個(gè)感應(yīng)電極中的第二感應(yīng)電極之間的第二電容； 確定在所述驅(qū)動電極和所述三個(gè)感應(yīng)電極中的第三感應(yīng)電極之間的第三電容； 確定所述第二電容的變化與所述第一電容的變化的比率； 確定所述第三電容的變化與所述第一電容的變化的比率； 比較所述比率與在查找表中存儲的數(shù)據(jù)；以及 基于所述比較，確定物體距所述觸摸屏的位置和距離。
25.根據(jù)權(quán)利要求18-25中任一項(xiàng)所述的觸摸屏系統(tǒng)，其中所述控制器被配置成基于被測量的所述驅(qū)動和感應(yīng)電極之間的電容的比率，確定物體距所述觸摸屏的位置和距離。
26.根據(jù)權(quán)利要求18-25中任一項(xiàng)所述的觸摸屏系統(tǒng)，其中所述控制器被配置成基于被測量的所述驅(qū)動和感應(yīng)電極之間的電容的差，確定物體距所述觸摸屏的位置和距離。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的觸摸屏系統(tǒng)，其中所述控制器被進(jìn)一步配置成在確定所述電容的差之前，將加權(quán)因子施加給至少一個(gè)被測量的電容。
28.根據(jù)權(quán)利要求18所述的觸摸屏系統(tǒng)，其中所述控制器被配置成: 執(zhí)行第一測量階段，其中測量響應(yīng)于施加到所述第一驅(qū)動電極的電壓刺激同時(shí)所述第二驅(qū)動電極保持恒定電勢而從所述第一感應(yīng)電極和從所述第二感應(yīng)電極流出的電荷； 執(zhí)行第二測量階段，其中測量響應(yīng)于施加到所述第二驅(qū)動電極的電壓刺激同時(shí)所述第一驅(qū)動電極保持恒定電勢而從所述第一感應(yīng)電極和從所述第二感應(yīng)電極流出的電荷；基于在所述第一和第二測量階段獲得的所述第一和第二感應(yīng)電極的被測量的電荷的加權(quán)求和，確定物體距觸摸屏的位置和距離。
29.根據(jù)權(quán)利要求1-28中任一項(xiàng)所述的觸摸屏系統(tǒng)，其中所述控制器被配置成通過如下步驟在所述電極陣列的平面中確定物體的位置和高度 獲得測量到的電容變化的第一組合fl ; 對于兩個(gè)維度的每個(gè)，將所述第一組合的每個(gè)的幅度與閾值比較，并且在所述閾值被超過的每個(gè)位置處執(zhí)行插值方法，以提供物體位置的估計(jì)； 獲得測量到的電容變化的第二組合f2 ;以及 將所述第二組合的每個(gè)的幅度與閾值比較，并且在所述閾值被超過的每個(gè)位置處執(zhí)行插值方法，以提供物體高度的估計(jì)。
30.一種電容式觸摸傳感器,包括 傳感器基板；以及 電極元件陣列，其形成在所述基板之上，所述電極元件陣列包括多個(gè)行和列，行與列的相交處包括多個(gè)電極元件，所述多個(gè)電極被設(shè)置以使得能夠形成不同耦合距離的多個(gè)電容，以提供物體相對于觸摸傳感器的表面的距離的指示。
【文檔編號】G06F3/041GK104428741SQ201380033265
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月3日
【發(fā)明者】M·P·庫爾森, C·J·布朗, D·斯拉姆庫爾 申請人:夏普株式會社