专利名称：位置感测与力检测面板的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种位置传感器，且更特定来说涉及一种位置感测与力检测传感器。
背景技术：
位置传感器可在所述位置传感器的外部接口的区域内检测由手指或由例如手写笔等物件所做的触摸的存在及位置。在触敏显示器应用中，位置传感器在一些情况下使得能够与显示在屏幕上的信息直接交互而非间接地经由鼠标或触摸垫。可将位置传感器附接到具有显示器的装置或提供为具有显示器的装置的部分。显示器的实例包括但不限于计算机、个人数字助理(PDA)、卫星导航装置、移动电话、便携式媒体播放器、便携式游戏控制台、 公共信息亭及销售点系统。位置传感器也已用作各种器具上的控制面板。存在若干种不同类型的位置传感器。实例包括但不限于电阻性触摸屏、表面声波触摸屏、电容性触摸屏等。举例来说，电容性触摸屏可包括以特定图案涂覆有透明导体的绝缘体。当例如手指或手写笔等物件触摸屏幕的表面时，电容存在改变。电容的此改变被发送到控制器以进行处理，以确定触摸发生的位置。在互电容配置中，举例来说，可使用导电驱动电极或线及导电感测电极或线的阵列来形成具有电容性节点的触摸屏。节点可在驱动电极与感测电极的每一相交点处形成。 电极在所述相交点处交叉，但通过绝缘体分离以便不会进行电接触。以此方式，所述感测电极与所述驱动电极在所述相交节点处以电容方式耦合。施加于驱动电极上的脉动或交流电压因此将引发与所述驱动电极相交的感测电极上的电荷。所引发的电荷的量对外部影响敏感，例如附近手指的接近。当物件接近屏幕的表面时，可测量栅格上的每个个别节点处的电容改变以确定所述物件的定位或位置。
发明内容
本发明揭示包括示范性力检测电路的触摸传感器的各种实例。可使用所述力检测电路来确定施加到所述传感器的力的量。
各图仅以实例方式而非限制方式描绘根据本发明教示内容的一个或一个以上实施方案。在各图中，相同的参考编号指代相同或类似的元件。图I示意性地图解说明触敏面板的横截面图；图2示意性地图解说明图I的触敏位置感测面板的导体连同触敏面板的控制器的平面图；图3是可与触摸传感器的控制器一起使用的力传感器的第一实例的电路图；图4是可与触摸传感器的控制器一起使用的力传感器的第二实例的电路图；及图5是可与触摸传感器的控制器一起使用的力传感器的第三实例的电路图。
具体实施例方式在以下详细说明中，以实例方式阐述众多特定细节以解释相关教示内容。为了避免不必要地使本发明教示内容的方面�：言谙喽愿叩牟忝嫔厦枋隽怂袅煊虻募际跞嗽敝谒苤哪切┓椒�、程序、组件及/或电路。现在详细参考附图中所图解说明且下文所论述的实例。显示器可上覆有触摸位置感测面板，以实施触敏显示器装置。所述显示器可包括各种形式。实例包括但不限于例如主动矩阵液晶显示器等液晶显示器、电致发光显示器、电泳显示器、等离子显示器、阴极射线显示器、OLED显示器等。将了解，从显示器发射的光应能够以最小吸收或阻碍通过位置感测面板。图I图解说明上覆于显示器2上的示范性触摸位置感测面板I。尽管力感测可用于实施其它类型的触摸感测的触摸传感器中，但出于论述目的，所述图式展示可用以实施互电容类型的触敏面板的结构的实例。在所图解说明的实例中，面板I包括在每一侧上具有一表面的衬底3。面板I包括提供于衬底3的相对表面上的第一数目个电极4(X)及第二数目个电极5(Y)。衬底3还邻近于显示器2而提供，使得一个电极4(X)位于显示器2与衬底3之间。气隙在显示器2与所述第一电极4(Χ)之间形成。透明粘合剂层6位于第二电极5 (Y)与透明覆盖片7之间。在其它实例中，触摸位置感测面板I可具有第二衬底(未展示)。借助第二衬底， 触摸位置感测面板可具有透明面板、所述面板上的第一粘合剂层、形成第一电极的第一电极层、第一衬底、第二粘合剂层、形成第二电极的第二电极层及所述第二衬底。在此实例中， 所述第一导电电极层附接到所述第一衬底且所述第二导电电极层附接到所述第二衬底。返回到图I的所图解说明的实例，形成示范性触敏位置感测面板I的核心的衬底3 可由透明非导电材料(例如，玻璃或塑料)形成。合适的塑料衬底材料的实例包括(但不限于)聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘二甲酸乙二酯(PEN)及聚碳酸酯(PC)。在互电容实例中，电极4(X)为提供于衬底3的一个表面上的驱动电极，且电极 5 (Y)为提供于衬底3的相对表面上的感测电极。电容性感测通道在电容性耦合节点处形成，所述电容性耦合节点存在于包围第一电极4(X)与第二电极5(Y)彼此交越且通过非导电衬底3分离之处的局部化区中。透明覆盖片7提供于衬底3及电极5 (Y)上方且可使用各种方法及材料接合到衬底3及电极5(Υ)。一个示范性实施方案为压敏粘合剂。在一个实例中，覆盖片7可为玻璃、 聚碳酸酯或PMMA。氧化铟锡(ITO)为可用以形成图I的实例中的电极4 (X)组及电极5 (Y)组中的一者或两者的透亮导电材料的实例。或者，可使用任何其它透亮导电材料，例如其它无机及有机导电材料，例如氧化锑锡(ATO)、氧化锡、PEDOT或其它导电聚合物、碳纳米管或金属纳米线灌注的材料等。此外，可使用不透明金属导体，例如导电网，其可为铜、银或其它导电材料。参照图2，由ITO的固态区域形成驱动电极4 (X)及感测电极5 (Y)。位置感测面板 I的感测区域10(由图2中的虚线表示)涵盖由驱动电极4(Χ)与感测电极(5)Υ形成的若干个相交点U。在所述实例中，使邻近X电极棒之间的间隙较窄。此可增强电极4(χ)屏蔽因图I中所展示的下伏显示器2产生的噪声的能力。在一些实例中，感测区域10的90%或更多由ITO覆盖。在如图2中所展示的实例的实例中，邻近驱动电极4(X)之间的间隙可为 200微米或更小。在一个实例中，每一驱动电极4 (X)与邻近平面上的若干个感测电极5 (Y)形成通道。如前文所提及，存在驱动电极4(X)与感测电极5(Y)交越的相交点11。驱动电极连接线12与相应驱动电极4 (X)连通。感测电极连接线13与相应感测电极5(Χ)连通。仅以举例的方式展示所述连接线的图案。驱动电极连接线12及感测电极连接线13连接到控制单元20。在一些实例中，当物件触摸面板I的表面时形成于驱动电极4 (X)与感测电极5 (Y) 的每一相交点11处的节点处的电容的改变可由控制单元20感测。控制单元20经由驱动电极连接线12将脉动或交流电压施加到驱动电极4(Χ)。控制单元20经由感测电极连接线13测量在感测电极5 (Y)上引发的电荷的量。控制单元20确定触摸已发生且基于在节点11中的一者或一者以上处感测的电容的改变来确定所述触摸的位置。在一些实例中，在感测电极5 (Y)上引发的电荷的量可由并入于控制单元20中的电流积分器电路22测量。电流积分器电路22可以固定时间间隔测量电容器上的所积累电荷。示范性控制器20包括数目“η”个电流积分器22a、22b、...22η及一处理器23。这些积分器中的一些用于处理来自感测通道的信号以检测触摸位置感测面板I上的触摸。—些触摸传感器应用可利用对施加到触摸位置感测面板I的力的量的测量。对于触摸传感器的此应用，力传感器可与触摸位置感测面板I及控制器20相关联。在一些实例中，所述力传感器测量施加到触摸位置感测面板I的透明覆盖片7的力的量。可使用所述力传感器来量化不同类型的触摸事件或在不同类型的触摸事件之间进行区分。举例来说， 所述力传感器可测量所施加的力的量且在所述力低于或等于阈值的情况下致使执行第一功能。所述力传感器还可测量所施加的力的量且在所述力超过所述阈值的情况下致使执行第二功能。返回参照图1，可使用电阻性力敏元件30来测量施加到面板的力的量。在一个实例中，电阻性力敏元件30可布置于触摸位置感测面板I与支撑结构(未展示)之间。在另一实例中，触摸位置感测面板I并入于便携式装置中，其中电阻性力敏元件30布置于触摸位置感测面板I与所述装置的外壳之间。举例来说，电阻性力敏元件30可由量子穿隧复合材料(QTC)形成。所述QTC材料的DC电阻相关于所施加力而变化。在一个实例中，可通过印刷含有所述QTC材料的油墨来形成力敏元件30。返回参照图2，在一些实例中，电阻性力敏元件30可调制电流到控制单元20的电流积分器电路22中的流动。控制单元20可包括不用于触摸感测操作中的一个或一个以上电流积分器电路22。一个示范性控制器20为加利福尼亚圣荷西(San Jose California) 的爱特梅尔公司(Atmel Corporation)销售的mXT224。使用此控制器20通过使用控制单元20的现有电路促进力感测。因此，在一些实例中，可在不存在任何额外专用电子调节电路(例如，偏置网络、放大器、模/数转换器等)的情况下实现力感测。参照图3，展示并描述包括电阻性力敏元件30的第一示范性电路32。电路32与控制单元20的电流积分器22的输入连通。控制单元20连接到接地轨19及具有电压Vdd 的固定电压供应轨23。具有值Rq的电阻性力敏元件30连接于固定电压供应轨23与控制单元20的电流积分器输入21之间。电流积分器输入21充当具有电压Vn的虚拟大地。使电阻性力敏元件30及控制单元20两者均连接到同一电压供应轨23允许控制单元20内的电路(其测量积分电流值)参考到所述电压供应轨。此配置还可允许进行定量测量且实质上脱离供应轨电压Vdd的任何改变。尽管供应轨电压Vdd可为固定电压，但供应轨电压Vdd可存在无意的波动。具有值&的限制电阻器24与电阻性力敏元件30串联连接于固定电压供应轨23 与电流积分器输入21之间。举例来说，所述限制电阻器可具有在范围100Ω到500Ω中的电阻值。限制电阻器24 在电阻性力敏元件30的电阻下降到低值的情况下限制穿过电阻性力敏元件30到达电流积分器输入21的最大电流。此配置可防止所述电流超过电流积分器22可接受及测量的最大值。一些QTC材料的电阻可在经受大的所施加力时可下降到相对低的值。具有值Rb的偏置电阻器25与电阻性力敏元件30并联连接于固定电压供应轨23 与限制电阻器24之间。在一些实例中，一些QTC材料的电阻可在不经由所施加力时上升到高值。偏置电阻器25在电阻性力敏元件30的电阻上升到非常高的值的情况下提供DC电流路径。举例来说，偏置电阻器25可具有1ΜΩ或更大的电阻值。在此配置中，进入到积分器输入21中的电流In的值将大约为In= (Vdd-Vn)/ (((RQ*RB)/(RQ+RB))+Rl)。在此实例中，除1 及&以外此方程式中的值中的每一者为固定的。然而，电流In 为力敏电阻Rq的改变的函数。因此，电阻性力敏元件的电阻值Rq可根据通过在固定时间上 In(如在电流积分器输入22处所测量)的积分获得的所积累电荷的值来确定。所施加力的值又可根据电阻性力敏元件的电阻值Rq来确定。可使用所计算的电阻基于QTC材料的特性来计算所述力。在一些应用中，可不需要准确地计算所施加的力；而是，对执行力测量的积分器的输出的简单阈值可足以给主机系统提供信息。可使用所确定的力来致使某些事件响应于其而发生。举例来说，如果所述便携式装置为移动电话且施加到触敏位置面板I的区域的力超过阈值，那么所述移动电话可执行第一动作。举例来说，所述移动电话的菜单可返回到主屏幕。然而，如果所述力不超过所述阈值，那么所述菜单不改变或不同的动作可发生。另外，可使用一个以上阈值来触发各种事件。可在满足及超过阈值时触发一些事件。可在力低于或等于所述阈值时触发其它事件。 可在超过所述阈值时触发一些事件。其它事件可在力低于所述阈值时发生。可直接基于所施加力而执行另外其它动作。实例包括但不限于可施加放大动作，其中缩放的等级与所述所施加力成比例。参照图4，展示并描述包括QTC电阻性力敏元件30的另一电路33。电阻性力敏元件30与控制单元20连通。控制单元20连接到接地轨19及具有电压Vdd的固定电压供应轨23。在此实例中，电阻性力敏元件30具有电阻Rq且连接于控制单元20的电压驱动器输出26与控制单兀20的电流积分器22的输入21之间。电压驱动器输出26供应在高电压与低电压之间变化的交流电压，而电流积分器输入21充当处于所述高电压与所述低电压中间的电压的虚拟大地。特定来说，电压驱动器输出26供应交流电压，所述交流电压在实质上等于供应轨电压Vdd的高电压与接地处实质上零伏的低电压之间变化，而电流积分器输入21充当处于电压Vn的虚拟大地，所述电压Vn为Vdd的大约一半。尽管所述交流电压相对于所述接地电压为正电压，但所述交流电压相对于所述电流积分器输入处的所述虚拟大地为交流双极电压。所述电压驱动器也可驱动一个或一个以上驱动电极4(X)。在此实例中，电流积分器输入21电压标称上在所述交流电压的高电压与低电压之间的中途。然而，可使用在所述高电压与所述低电压之间的电流积分器输入电压的其它值。所述电流积分器输入电压的值将取决于所述交流电压随时间如何变化。在一些实例中，用以将所述交流电压供应到电阻性力敏元件30的控制单元20的电压驱动器输出26也可用以驱动触摸位置感测面板I的驱动电极4 (X)。在此配置中，可通过将力传感器30置于导电接地平面后面来屏蔽力传感器30。也可使用其它类型的屏蔽。 屏蔽可防止可导致力感测元件变为触敏以及力敏的电容性耦合。在各种应用中，此可为不期望的，因为力传感器应响应于所施加的力而不是响应于施加所述力的物件的接近。给力感测元件30供应具有高于及低于电流积分器输入21的电压的值的交流电压可允许使用控制单元20内的电路来测量积分电流值，以实施对穿过电阻性力敏元件30的电流的差分测量。此差分测量可促进一些类型的噪声的噪声消除。具有电阻&的限制电阻器24连接于电压驱动器输出26与电流积分器输入21之间。限制电阻器24与电阻性力敏元件30串联连接。具有电阻Rb的偏置电阻器25连接于电压驱动器输出26与限制电阻器24之间。 偏置电阻器25与电阻性力敏元件30并联连接。电阻性力敏元件的电阻值Rq可根据通过电流积分器20的输入21处的差分电流测量而测量的电流值来确定。所施加力的值又可根据电阻性力敏元件的电阻值Rq来确定。 可使用所计算的电阻基于QTC材料的特性来确定所述力。参照图5，展示并描述电路34的另一实例。电路34包括与控制单元20连通的三个QTC电阻性力敏元件30a、30b及30c。此外，控制单元20连接到接地轨22及具有电压 Vdd的固定电压供应轨23。在此实例中，电阻性力敏元件30a、30b、30c中的每一者连接到控制单元20的相应电压驱动器输出26a、26b、26c。所有电阻性力敏元件30a、30b、30c还连接到控制单元20的电流积分器22的输入21。每一电压驱动器输出26a、26b、26c周期性地供应在高电压与低电压之间变化的交流电压。电流积分器输入21充当处于所述高电压与所述低电压中间的电压的虚拟大地。特定来说，每一电压驱动器输出26a、26b、26c供应交流电压，所述交流电压在等于供应轨电压Vdd的高电压与接地处零伏的低电压之间变化。另外，电流积分器输入 21充当处于电压Vn的虚拟大地，电压Vn为Vdd的一半。在一些实例中，用以将交流电压供应到电阻性力敏元件30a、30b、30c的控制单元20的每一电压驱动器输出26a、26b、26c也可用以驱动触摸位置感测面板的驱动电极。三个电压驱动器输出26a、26b、26c的周期性操作的计时可同步化，使得三个电压驱动器输出26a、26b、26c中的一者在任一时间正在发射交流电压。因此，单个电流积分器输入21又可测量穿过电阻性力敏元件30a、30b、30c中的每一者的电流。相应限制电阻器24a、24b、24c与相应电阻性力敏元件30a、30b、30c串联连接于每一电压驱动器输出26a、26b、26c与电流积分器输入21之间。相应偏置电阻器25a、25、25c与相应电阻性力敏元件30a、30b、30c并联连接于每一电压驱动器输出26a、26b、26c与相应限制电阻器24a、24b、24c之间。每一电阻性力敏元件30a、30b、30c的电阻值可根据通过在相应驱动器间隔期间的电流积分器输入21处的差分电流测量而确定的相应电流值来确定。对于每一力感测兀件30a、30b、30c，所施加力的值又可根据相应电阻性力敏元件的所确定电阻值来确定。可使用所计算的电阻基于QTC材料的特性来确定所述力。在此实例中，使用单个电流积分器输入21来测量三个电阻性力敏元件30a、30b、 30c的电阻值。也可使用其它数目个电流积分器22。如图所不，使用多个电压驱动器输出26a、26b、26c及单个电流积分器输入21来测量多个电阻性力敏元件30a、30b、30c的电阻值。在其它实例中，可使用单个电压驱动器输出26及多个电流积分器输入21。在另外其它实例中，可使用多个电压驱动器输出26及多个电流积分器输入21。举例来说，N个电压驱动器输出26及M个电流积分器输入21可经布置以测量N X M个电阻性力敏元件30。在先前实例中，展示限制电阻器26。然而，如果电阻性力敏元件30的特性使得所述电阻性力敏元件的电阻充足高而使得穿过所述电阻性力敏元件的最大电流为电流积分器22可接受，那么可不包括限制电阻器26。此外，如果电流积分器22包括积分限制电阻器，那么可不在所图解说明的电路中使用限制电阻器26。在所图解说明的实例中，使用偏置电阻器25。然而，如果电阻性力敏元件30的特性使得电阻性力敏元件30的电阻充足低而使得存在穿过所述电阻性力敏元件的DC电流路径存在，那么可不包括偏置电阻器25。在所图解说明的实例中，力敏电阻元件30提供力传感器。然而，也可使用其它类型的电阻性元件来提供额外感测功能性。举例来说，也可使用光相依电阻元件、红外线相依电阻元件或温度相依电阻元件。这些元件类型中的每一者除由驱动电极4(X)及感测电极 5 (Y)提供的位置感测外还提供一个或一个以上额外感测特征。在所图解说明的实例中，驱动电极4(X)及感测电极5(Y)可形成为两个单独的层。 然而，其它布置也是可行的。互电容触摸位置传感器可替代地形成为单层装置，其具有两者均形成于单个衬底的同一表面上的共面驱动电极及感测电极。在所图解说明的实例中，驱动电极4(Χ)及感测电极5(Χ)可为矩形条带。然而，其它布置也是可行的。可根据位置感测面板打算与其一起使用的触摸的类型来修改驱动电极及感测电极的形状以及任何给定电极的通道之间的互连。举例来说，所述条带可具有锯齿形或菱形边缘，其附带的条带间间隙用以促进场内插以帮助平滑化位置响应。所展示的驱动电极及感测电极的数目仅为说明性，且所展示的数目不具有限制性。虽然以上论述使用互电容驱动方法来论述可并入有力传感器的传感器的实例，但自电容驱动适于包括通过应用以上实例中所论述的技术的力感测。可对前文中所描述的实例做出各种修改，且可在众多应用中应用任何相关教示内容，本文中已描述所述应用中的仅一些应用。以上权利要求书打算主张归属于本发明教示内容的真实范围内的任何及所有应用、修改及变化。
权利要求
1.一种触摸传感器,其包含控制器，其包含电压驱动器及具有输入的积分器电路；多个第一电极，其由第一导电材料形成且沿第一方向布置在感测区域中，所述多个电极中的每一者与所述控制器连通；多个第二电极，其由第二导电材料形成且沿不同于所述第一方向的第二方向布置，使得所述第一电极与所述第二电极彼此耦合以在所述感测区域中形成触摸感测节点，所述第二多个电极中的每一者与所述控制器连通；可变电阻元件，其与所述电压驱动器及所述积分器电路的所述输入连通，且经配置以响应于施加到其的力而改变所述元件的参数，其中所述积分器电路经配置以在一时间周期中测量所述参数；及电路，其经配置以响应于所述所测量参数而确定施加到所述传感器的力的量。
2.根据权利要求I所述的触摸传感器，其中所述参数为流动穿过所述可变电阻元件的电流。
3.根据权利要求I所述的触摸传感器，其中所述可变电阻元件包含量子隧道复合QTC 材料。
4.根据权利要求I所述的触摸传感器，其中所述控制器经由所述电压驱动器将交流电压提供到所述可变电阻元件。
5.根据权利要求I所述的触摸传感器，其中所述可变电阻元件包含力敏电阻器。
6.根据权利要求I所述的触摸传感器，其进一步包含另一可变电阻元件，所述另一可变电阻元件与所述控制器的另一电压驱动器及所述控制器的所述积分器电路的所述输入连通。
7.一种触敏装置，其包含夕卜壳;控制器，其在所述外壳内，所述控制器包含电压驱动器及具有输入的积分器电路； 触敏位置感测面板，其部分地装纳于所述外壳内，所述触敏位置感测面板包含多个第一电极，其由第一导电材料形成且沿第一方向布置在所述面板的感测区域中， 所述多个电极中的每一者与所述控制器连通；及多个第二电极，其由第二导电材料形成且沿不同于所述第一方向的第二方向布置，使得所述第一电极与所述第二电极彼此耦合以在所述感测区域中形成触摸感测节点，所述第二多个电极中的每一者与所述控制器连通；及可变电阻元件，其与所述电压驱动器及所述积分器电路的所述输入连通，且经配置以响应于施加到其的力而改变所述元件的参数，其中所述积分器电路经配置以在一时间周期中测量所述参数；及电路，其经配置以响应于所述所测量参数而确定施加到所述触敏面板的所述感测区域的力的量。
8.根据权利要求7所述的触敏装置，其中所述参数为流动穿过所述可变电阻元件的电流。
9.根据权利要求7所述的触敏装置，其中所述可变电阻元件包含量子隧道复合QTC材料。
10.根据权利要求7所述的触敏装置，其中所述控制器经由所述电压驱动器将交流电压提供到所述可变电阻元件。
11.根据权利要求7所述的触敏装置，其中所述可变电阻元件包含力敏电阻器。
12.根据权利要求7所述的触敏装置，其进一步包含另一可变电阻元件，所述另一可变电阻元件安置于所述外壳内与所述控制器的另一电压驱动器及所述控制器的所述积分器电路的所述输入连通。
13.一种用于触摸传感器的力传感器，所述力传感器包含可变电阻元件，其具有与所述触摸传感器的控制器的电压驱动器连通的第一节点以及第二节点；偏置电阻元件，其与所述可变电阻元件并联连接 '及限制电阻元件，其与所述可变电阻元件的所述第二节点及所述控制器的积分器的输入连通。
14.根据权利要求13所述的力传感器，其中所述可变电阻元件包含量子隧道复合QTC 材料。
15.根据权利要求13所述的力传感器，其中所述可变电阻元件经由所述电压驱动器从所述控制器接收交流电压。
16.根据权利要求13所述的力传感器，其中可变电阻元件包含力敏电阻器。
17.根据权利要求13所述的力传感器，其中所述控制器与所述触摸传感器的触敏面板的多个驱动电极及感测电极连通。
全文摘要
本发明揭示一种触摸位置传感器。举例来说，所述位置传感器可包括有力检测电路，以确定施加到所述传感器的触摸面板的力的量。
文档编号G01L1/20GK102591519SQ20111040266
公开日2012年7月18日 申请日期2011年12月2日 优先权日2010年12月2日
发明者彼得·斯利曼, 约翰·迪贝里 申请人:爱特梅尔公司
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