具有高度确定功能的电容性触摸屏制造技术

一种电容式触摸传感器，包括传感器基板和形成在传感器基板之上的电极元件阵列。阵列的每个电极元件包括至少一个第一电极组，其包括至少两个驱动电极和至少一个感应电极，或第二电极组，其包括至少两个感应电极和至少一个驱动电极。第一或第二电极组中的各个电极被设置以形成在不同耦合距离上的多个电容。控制器可操作地耦合到电极元件阵列，该控制器被配置成基于多个电容中的变化，确定物体相对于触摸传感器的表面的距离。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有高度确定功能的电容性触摸屏
本专利技术涉及触摸屏装置。特别地，本专利技术涉及电容型触摸屏。这种电容型触摸屏装置可在消费电子产品范围中发现应用，包括例如移动电话、平板计算机和台式PC、电子书阅读器和数字标牌产品。
技术介绍
触摸屏最近已被广泛采纳为用于高端便携式电子产品，如智能电话和平板设备的输入设备。虽然，许多不同的技术可以被用来创造这些触摸屏，但是由于电容性系统的准确性、耐用性和以很少或无需激活力即能检测触摸输入事件的能力，电容性系统已被证明是最流行的。用于触摸屏的电容感应的最基本方法是表面电容方法(也称为自电容)，例如在US4293734(Peper，1981年，10月6日)中公开的技术。表面电容型触摸屏的典型实现在图1中示出，包括透明基板10，其表面涂有形成感应电极11的导电材料。一个或多个电压源12连接到例如在每个角的感应电极，并且被用于产生在基板上方的静电场。当导电物体，如人的手指13进入感应电极附近时，电容器14在感应电极11和手指13之间动态地形成，并且该场被干扰。电容器14导致从电压源12汲取的电流量发生变化，其中电流变化的幅度与在手指位置和电压源连接到感应电极的点之间的距离相关。电流传感器15被设置来测量从每个电压源12汲取的电流，并且触摸输入事件的位置通过比较在每个源处测量的电流幅度来计算。虽然在结构和操作上简单，但是表面电容型触摸屏无法检测例如当两个或更多手指与触摸屏接触时发生的多个同时触摸输入事件。施加到触摸屏的电容感应的另一种公知方法是投射电容法(也称为互电容)。在该方法中，如图2所示，驱动电极20和感应电极21在透明基板上形成(未示出)。驱动电极20被电压源22馈以变化的电压或激励信号。该信号然后经由在驱动电极20和感应电极21之间形成的互耦电容器23，通过电容耦合在相邻的感应电极21上发生感应。电流测量装置24连接到感应电极21，并且提供互耦电容器23的大小的测量。当诸如手指13的导电物体被引到靠近两个电极时，它形成对驱动电极27的第一动态电容器和对感应电极28的第二动态电容器。这些动态形成的电容的影响表现为在驱动和感应电极之间耦合的电容量的减少，并且因此表现为在由附接到感应电极21的电流测量装置24所测量的信号幅度上的减少。如公知并且公开的，例如在US7663607中(Hotelling，2010年，2月6日)，通过在网格中设置多个驱动和感应电极，该投射电容感应方法可用于形成触摸屏装置。投射电容感应方法胜于表面电容性方法的优点是，多个同时触摸输入事件可以被检测到。如果投射电容式触摸传感器的灵敏度足够高，则物体可以在距传感器基板的某些距离处进行检测。原则上，这种能力可用于将新功能添加到用户界面。例如，当物体(例如触笔或手指)刚好被保持在触摸传感器上的点上方时，特定动作可以被实现。例如，手指可以使得用户界面中的物体位于其上方的项目被预先选择、高亮显示等。为了可靠的操作，触摸传感器必须足够准确地计算高度，以区分触摸传感器基板的物体和保持靠近基板的物体。同样，触摸传感器和控制器电路可以被设计成识别由在传感器基板上方3D空间中的用户进行的复杂手势。这需要触摸传感器准确地计算多个物体的高度。判断物体高度的最简单方法是检查由触摸屏检测的电容变化幅度。然而，图3示出通常可导致不可靠操作的两种情况。例如，在第一种情况下，给定的电容变化可能由大物体320在距触摸屏310某些距离处引起，而在第二种情况下，电容的类似变化则可由小物体330在距传感器的第二更靠近的距离处引起。因此，不可能通过单独检查电容变化的幅度来确定物体的高度。另外，电容的变化也由物体的电导率影响，并且由其接地的路径的电阻影响，这两者通常是未知的。确定物体高度的另一种方式是“三角测量”，其涉及将来自触摸屏310上的多个位置(更具体的，驱动电极和感应电极的相交处)的接近度读数组合。这一原理在图4中示出。远方的物体410将导致在不同位置420和430处测量的电容的类似变化。相反，靠近的物体440将使直接在靠近的物体440下方的位置430处所测量的电容比在位置420处有更大的变化。通过检查所测量的电容变化与横跨传感器基板的距离的归一化分布，如图5所示，物体的高度可独立于绝对电容变化被推断出来。该测量因此独立于物体的导电性和对地电阻。然而，使用这种方法仍然难以将物体的大小与其高度分开。这是因为在附近的大物体和在远处的小物体将各自产生横跨基板的电容变化的类似均匀分布。类似地，当在传感器基板上方的一些距离处多个物体的位置必须确定时，计算变得复杂。计算密集方法因而被需要，诸如由VanBerkelandLionheart提出的那些(“Reconstructionofagroundedobjectinanelectrostatichalfspacewithanindicatorfunction”，InverseProblemsinScienceandEngineering，Vol.15，No.6，September2007)。最后，如果物体很小并且靠近，则其影响可变得局限于直接在它下方的一个相交处。这意味着当确定是否已经与触摸传感器基板实际接触时，高度确定算法变得非常糟糕。图6示出确定物体605高度的另一种方式，其涉及比较从大致相同的点采取的两个投射电容测量，但使用不同的电极几何结构。例如，美国专利US7098673(Launay，2006年8月29日)描述了在分立电容式传感器的平行驱动电极620和感应电极630之间增加‘辅助测量电极610’。然而，这种方法可能并不适用于投射电容性传感器矩阵，例如在触摸屏中使用的那些。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，电容式触摸传感器，包括：传感器基板；电极元件阵列，其形成在传感器基板之上，阵列的每个电极元件包括至少一个第一电极组，其包括至少两个驱动电极和至少一个感应电极；或第二电极组，其包括至少两个感应电极和至少一个驱动电极，其中第一或第二电极组的各个电极被设置以形成不同耦合距离的多个电容；以及控制器，其可操作地耦合到电极元件阵列，控制器被配置成基于多个电容的变化，确定物体相对于触摸传感器的表面的距离。根据本专利技术的一个方面，电容式触摸传感器包括：传感器基板；以及形成在基板之上的电极元件阵列。电极元件阵列包括多个行和列，行与列的相交处包括多个电极元件。多个电极被设置以使多个电容能够形成在不同的耦合距离，以提供物体相对于触摸传感器的表面的的距离的指示。对于前述和相关目的的完成，本专利技术包括在下文中完全描述并且在权利要求中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述本专利技术的某些示意性实施例。然而，这些实施例仅指示其中本专利技术原理可利用的各种方式中的一些。当结合附图考虑时，本专利技术的其它目的、优点及新颖特征将从本专利技术的以下详细描述中显而易见。技术问题不存在使用投影电容传感器来可靠确定物体高度的令人满意的装置。如上所示，已知的方案或是糟糕的计算密集型，或不适用于投影电容传感器矩阵。问题的解决方案本专利技术的电容性触摸屏提供了准确和可靠检测触摸屏的表面上方的物体的高度的装置。触摸屏包括：电极阵列，该电极阵列包括多个驱动和感应电极。感应电极或驱动电极可被设置为电极对，使得两个感应电极(或驱动电极)在阵列中的每一个相交处设置。电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电容式触摸传感器，包括：传感器基板；电极元件阵列，其形成在所述传感器基板之上，所述阵列的每个电极元件包括至少一个第一电极组，其包括至少两个驱动电极和至少一个感应电极，或第二电极组，其包括至少两个感应电极和至少一个驱动电极，其中所述第一或第二电极组的各个电极被设置以形成不同耦合距离的多个电容；以及控制器，其可操作地耦合到所述电极元件阵列，所述控制器被配置成基于所述多个电容的变化，确定物体相对于所述触摸传感器的表面的距离。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.07.03 US 13/541,4231.一种电容式触摸传感器，包括：传感器基板；电极元件阵列，其形成在所述传感器基板之上，所述阵列的每个电极元件包括至少一个第一电极组，其包括至少两个驱动电极和至少一个感应电极，或第二电极组，其包括至少两个感应电极和至少一个驱动电极，其中所述第一或第二电极组的各个电极被设置以形成不同耦合距离的多个电容；以及控制器，其可操作地耦合到所述电极元件阵列，所述控制器被配置成基于对施加到至少一个驱动电极的驱动信号通过所述不同耦合距离的多个电容的至少两个被至少一个感应电极接收的程度的独立测量，确定物体相对于所述触摸传感器的表面的距离。2.根据权利要求1所述的触摸传感器，其中所述阵列的电极元件包括所述第二电极组，并且在第二电极组内，所述至少两个感应电极中的第一感应电极比所述至少两个感应电极中的第二感应电极在所述传感器基板的平面中与所述至少一个驱动电极隔开更短的距离。3.根据权利要求2所述的触摸传感器，其中所述第一和第二感应电极被彼此对称地设置。4.根据权利要求2或3所述的触摸传感器，其中所述第二感应电极被图案化成相互连接的菱形，并且所述第一感应电极被分成第一部分和第二部分，所述第一和第二部分被设置在所述第二感应电极的各侧，使得所述第一感应电极比所述第二感应电极更靠近所述至少一个驱动电极。5.根据权利要求4所述的触摸传感器，其中所述第一部分和所述第二部分彼此电连接。6.根据权利要求2或3所述的触摸传感器，其中所述第一感应电极与所述至少一个驱动电极形成第一互耦电容，并且所述第二感应电极与所述至少一个驱动电极形成第二互耦电容。7.根据权利要求1-3中任一项所述的触摸传感器，其中所述控制器被配置成基于驱动-感应电容的变化比率，计算物体相对于所述触摸传感器的平面的距离。8.根据权利要求1所述的触摸传感器，其中所述阵列的电极元件包括所述第一电极组，并且在第一电极组内，所述至少两个驱动电极中的第一驱动电极比所述至少两个驱动电极中的第二驱动电极在所述传感器基板的平面中与所述至少一个感应电极隔开更短的距离。9.根据权利要求8所述的触摸传感器，其中所述至少两个驱动电极被彼此对称地设置。10.根据权利要求8或9所述的触摸传感器，其中所述第二驱动电极被图案化成相互连接的菱形，并且所述第一驱动电极被分成第一部分和第二部分，所述第一部分被设置在所述第二驱动电极的每侧，使得所述第一部分比所述第二驱动电极更靠近所述至少一个感应电极。11.根据权利要求8或9所述的触摸传感器，其中所述第一驱动电极与所述至少一个感应电极形成第一互耦电容，并且所述第二驱动电极与所述至少一个感应电极形成第二互耦电容。12.根据权利要求1-3、8、9中任一项所述的触摸传感器，其中所述第一或第二电极组包括设置为驱动电极对的至少两个驱动电极，和设置为感应电极对的至少两个感应电极，以及其中所述驱动电极对的一个驱动电极被分成第一和第二驱动电极部分，且所述感应电极对的一个感应电极被分成第一和第二感应电极部分，并且在所述传感器基板的平面中所述第一驱动电极部分位于与所述第一感应电极部分相邻的位置，且所述第一驱动电极部分和所述第一感应电极部分设置在所述第二驱动电极部分和所述第二感应电极部分之间。13.根据权利要求2或3所述的触摸传感器，其中所述第一感应电极与相应电极元件中的所述第二感应电极相比，在所述传感器基板的平面中与相应电极元件中的第一驱动电极隔开更短的距离，并且所述第二感应电极与所述第一感应电极相比，在所述传感器基板的平面中与相邻电极元件中的第二驱动电极隔开更短的距离。14.根据权利要求1-3、8、9中任一项所述的触摸传感器，其中所述驱动电极与所述感应电极相互交叉。15.根据权利要求1-3、8、9中任一项所述的触摸传感器，其中所述控制器被配置成访问与每个电极元件对应的查找表，以便确定物体相对于所述触摸传感器的位置和距离。16.根据权利要求1-3、8、9中任一项所述的触摸传感器，其中所述第一或第二电极组包括三个或更多感应电极。17.一种电容式触摸屏系统，包括：液晶显示器；以及根据权利要求1-16中任一项所述的触摸传感器，其被安装到所述液晶显示器。18.根据权利要求17所述的触摸屏系统，其中所述控制器被配置成：对所述驱动电极提供时变电压刺...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·P·库尔森，C·J·布朗，D·斯拉姆库尔，
申请(专利权)人：夏普株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP