CN101241412B - 一种利用人体电容触发的红外触摸屏 - Google Patents

Abstract

一种利用人体电容触发的红外触摸屏，在触摸屏的保护玻璃板上，覆盖有一层透明导电膜，并且在触摸屏的电路系统中包含有一套与所述导电膜相连接的人体寄生电容信号检测处理系统，该系统的输出端与触摸屏中微控制器的I/O端口相连接。所述寄生电容检测处理系统在检测到手指与导电膜之间的电容后，通过微控制器来触发触摸屏以确认触摸操作。在本发明中分别利用人体感应的杂散电磁信号、寄生电容对振荡器的衰减作用、寄生电容对两片指状交叉的半膜之间的交流信号的传导作用，来实现对寄生电容的检测。本发明具有技术成熟成本低廉的优点，在有效地滤除如飞虫、漂浮物等产生的误触发干扰的同时，还有可能大大延长触摸屏的工作寿命。

Description

一种利用人体电容触发的红外触摸屏

技术领域

本发明涉及传感测量和信号处理技术领域，尤其用于提高红外触摸屏识别触摸操作的准确性的检测装置。

技术背景

红外触摸屏已经是一项很成熟的技术，应用非常广泛。美国专利3764813、3775560、3860754、6439857和专利号为00121462.4、00250806.0、00200147.6、00262072.3、01202252.7、200420093591.3、200420117952.3等中国专利或申请已经给出了红外触摸屏的很多技术，包括各种改进的技术方案。但是在实际应用中，现有的红外触摸屏都有一个缺点：即不能分辨环境物体的干扰。比如一只落在屏幕上的飞虫，或者尺寸较大的漂浮物，以及其他偶然的阻挡等，都可能被触摸屏认为是人的手指在触摸，而引起误动作。这在某些特殊场合是不能被允许的。号码为200610011193.6的中国专利申请，给出了一种利用应变片和拾音器来检测触摸力以及由触摸力所产生的振动来确认触摸操作的技术方案。虽然这种技术方案能够解决上述误触发的问题，但是也有一些缺点。首先，如果使用应变片，一般来说要使用多片半导体应变片才能获得足够的灵敏度，这就增加了产品的元器件成本；其次如果使用拾音器来检测振动，因为拾音器的频带很宽，则容易受到触摸屏周围环境噪声的干扰；如果要消除这种干扰就需要在电路设计和信号处理方面投入更多的成本，同样会增加生产的成本。

发明内容

本发明的目的，就是针对上述现有产品和技术的缺陷，给出一种低成本的、利用人体的导体特性，通过电容耦合的方式提升触摸识别的准确性的技术方案，用于红外触摸屏检测由人体与触摸屏之间的寄生电容所产生的触摸电信号，以确认触摸操作。

为了实现上述目的，在本发明红外触摸屏的内部，使用了一套由覆盖在触摸屏的保护玻璃板的表面上的导电膜、一套包含在红外触摸屏的电路中用于检测、放大所述导电膜上的电信号并与所述导电膜相连接的信号处理电路构成的人体感应检测系统；并且所述人体感应检测系统的输出端通过一个I/O端口，与红外触摸屏内部的微控制器系统相连接。上述人体感应检测系统应用在包含有由边框、安装在边框内的电路板和用于保护显示器的玻璃板构成的结构组件，以及沿着所述边框的矩形对边排列安装的若干只红外发射和红外接收管，及用于驱动所述红外发射管和用于处理红外接收管所输出的光电信号、并输出检测结果的微控制器系统所构成的红外触摸屏上。

在本发明中，所述的人体感应检测系统中的基本结构有三种：

第一种，利用人体电容对一个振荡器的影响作用来检测是否有触摸操作，具体结构如下：与导电膜相连接的信号处理电路中，包含有一个振荡发生单元和一个振荡检测单元；所述导电膜与该振荡电路中振荡槽路中控制振荡频率的电容器相连接；所述振荡频率检测单元的输入端与振荡发生单元的输出端相连接，其输出端与所述微控制器的I/O端口耦合连接。这种技术方案，与机床等机械设备上常用的接近开关的原理基本相同。

第二种，利用人体是导体这一基本特性，检测人体感应使用触摸屏的电脑周围的杂散电磁辐射信号，来检测是否有触摸操作，具体技术方案如下：与导电膜相连接的信号处理电路包含有一个信号放大单元；所述信号放大单元的输入端与所述导电膜相连接，所述信号放大单元的输出端所述微控制器系统的I/O端口耦合连接。

这里的耦合连接的含义是在所述信号处理电路的输出端与微控制器系统I/O端口之间，可能还犹如滤波、整形等辅助电路插入。

第三种，利用操作触摸屏的手指来耦合传递导电膜上的交流电信号，来检测是否有触摸操作，具体技术方案如下：所述导电膜由两个互相绝缘的、覆盖的区域互相交叉的半膜构成，均匀地覆盖所述玻璃板的表面；与该形状的导电膜相对应，所述与导电膜相连接的信号处理电路包含有一个振荡驱动单元和一个信号接收放大单元；所述振荡驱动单元的输出端与一个半膜相连接，所述放大单元的输入端与另外一个半膜相连接。

对于所述的导电膜，也有不同的构造方法。一种是直接采用各种工艺直接涂覆在玻璃的表面，即：所述的透明导电膜是一层涂覆在所述玻璃板表面的导电膜；可以涂覆在玻璃板的内表面或者外表面；如果涂覆在玻璃板的外表面，还应该在导电膜的表面再覆盖一层透明的保护涂覆层以防止触摸操作损坏导电膜层。

另一种是帖膜的结构，即：所述透明导电膜是一层覆盖在柔性膜上的导电膜；所述柔性膜粘贴在玻璃板的表面上，覆盖有导电膜的表面与玻璃板相接触。当然，这层柔性软膜可以粘贴玻璃板的内外表面上，但从防止刮擦、提高使用寿命的角度出发，最好贴在玻璃板两个表面中靠近显示器的那个表面，利用玻璃板来保护导电膜。这里，制造导电膜的材料以铟、锌、锡的金属氧化物为主，如ITO、ZnO、SnO2等。

通过分析上面的技术方案，可知本方案具有技术成熟、成本低廉、安装维护方便等优点，克服了现有技术的缺陷，很适合应用在红外触摸屏系统中。如果再在检测方法中使用如号码为200610165375.9的专利申请中所公开的待机扫描检测方法，还能有效地延长红外触摸屏的工作寿命。

附图说明

图1本发明红外触摸屏的系统结构示意图；

图2人体手指在保护玻璃板表面形成电容的示意图；

图3人体电容对振荡器影响作用的原理示意图；

图4通过手指耦合传递导电膜上的交流电信号的系统方案的示意图；

图5利用放大器检测人体感应的杂散电磁信号的系统方案的结构示意图；

图6用于图5所示系统的放大器的一种电路结构。

具体实施方案

本发明可以有多个具体的实施方案。下面结合附图来说明本发明的一些基本实施方案及其组合。

图1给出了本发明的红外触摸屏系统的基本结构。图中，由安装在触摸屏边框101中的微控制器系统106、红外发射管和接收管阵列及其对应的驱动和选通电路107，构成了现有红外触摸屏的主体结构。图中的保护玻璃板102对于一般红外触摸屏而言是选装件，用于保护显示器表面；但在本发明中则是透明导电膜104的载体。与现有红外触摸屏相比，本发明增加了透明导电膜104，与透明导电膜相配和、输出端与微控制器系统的I/O端口相连接的人体感应信号检测系统105。如图2所示，当手指103触摸在覆盖有导电膜104的玻璃板表面时，手指与导电膜之间形成的寄生耦合电容202将因为排除了介电常数很小的空气而大幅度增大；正是因为这个增大的寄生电容，才能够将人体已经触摸到玻璃板这个信息传递给所述的人体感应信号检测系统，经人体感应信号检测系统将这个信息处理后通过所述I/O端口传送到微控制器系统，来确认触摸操作的存在。

对于人体手指与玻璃板表面的导电膜之间的寄生电容的检测，有三种基本技术方案。图3给出的是一种利用这个寄生电容对一个振荡器的影响来检测触摸操作是否发生的基本系统结构。图中，一个振荡单元302和一个振荡状态检测单元303构成了人体感应检测系统。这里导电膜一般与振荡单元中控制振荡频率的电容器，即振荡槽路中的电容器相连接，这样如果这个振荡器不是锁频的振荡器，那么人体寄生电容作用在振荡槽路，一般都会对振荡器的振荡频率产生影响，甚至导致电路停振。而与这个振荡单元的输出端相连接的振荡比较检测单元，在其它振荡条件不变的情况下，就可以通过检测振荡频率的变化来确定振荡电路的槽路电容上是否附加了额外的容量，即是否附加了手指触摸所产生寄生电容。事实上，这个检测原理与许多设备上或者电器上使用的触摸开关，或者机床上常用的一种利用电容来检测工件距离的接近开关的原理很相似，属于现有被广泛应用的成熟技术，故在此就不作详细说明。很多的具体电路的实例可参见近年《电子报》、《无线电》等杂志内公开的电路。

第二种基本的技术方案，是利用所述寄生电容对交流信号的传导作用，尤其是对高频交流信号的传导作用，来构建人体感应检测系统。如图4所示，导电膜由两个互相绝缘的、覆盖的区域互相交叉的半膜构成，均匀地覆盖所述玻璃板的表面；一个交流信号发生和驱动器403的输出端与其中的一个半膜401相连接，而另一个放大单元404的输入端与另外一个半膜402相连接。在没有手指触摸到玻璃板表面时，两个半膜之间的电容很小，放大单元所接收到的、由振荡驱动单元输出的交流信号较小。这时通过设定触发条件，可以保证放大单元的输出端的输出状态为等待状态。当手指触摸到玻璃板以后，寄生电容202成为了传导交流信号的另外一条通道，这样放大器的输入信号增强，经放大后的信号将会突破设定的触发条件，致使放大器的输出状态改变为触发状态。这样就实现了对触摸操作的检测。这种检测方案在很多电容触摸屏上被应用，见公开号为US5594222、US2006017701、US2005162408、US2006145539美国专利。

第三种技术方案是利用人体感应空间内的杂散信号，尤其是50Hz或60Hz工频交流电的信号。如图5所示，人体感应的空间电磁信号通过所述寄生电容202耦合到一个放大器501上，经放大整形等处理后，输出到微控制器系统的I/O端口上，用以确认发生了触摸操作。这里的放大器应该是一个输入阻抗很高的放大器，因为人体手指与玻璃板表面导电膜之间的寄生电容很小，感应信号输入到放大器的容抗很大，所以要求放大器的输入阻抗要与这个容抗相配合。

图6是图5所示基础结构的一个具体电路，或者说是一个可用的放大器的输入电路。该放大器使用场效应晶体管T61作为输入级，能够满足对高输入阻抗的要求。由于场效应晶体管的输入阻抗非常高，为避免过高的灵敏度导致放大器的工作状态不稳定，故增加了电阻R61用于适当降低输入端的阻抗。图中电阻R62、R63是晶体管T61、T62的负载电阻，C61用于稳定电路并衰减过高频率的偶发性的干扰信号。后续的信号处理单元601主要用于信号进一步的放大以及对输出信号的整形、箝位，这部分中的整形、箝位电路，在前面两种技术方案中也可以使用，以进一步提高输出到微控制器I/O端口的信号的质量。

在本发明中，所述的透明导电膜可以使用如铟、锌、锡、锑的氧化物，或者参杂了镓、钙、锶、钡、钛的上述氧化物，利用溅射、沉积等工艺制作覆盖在玻璃表面，如图1中导电膜104直接覆盖在玻璃板102表面的结构。另外的一种结构是将导电膜涂覆在有机软膜201的表面，然后再粘贴到玻璃的表面，如图2所示。当然，如果导电膜能够直接覆盖在玻璃板的外表面，能够让触摸操作的手指103直接接触，那将会有更好的效果，而不用再依靠寄生电容的方式来检测手指是否有触摸操作，系统方案还能简化。但是因为导电膜很脆弱，无法承受反复触摸所造成的损害，所以不得不将其涂覆在玻璃板的内表面上，利用玻璃板将其保护起来。如果在图2中所示的结构中，有机软膜具有足够的摩擦耐受性，也就是说其表面有足够的硬度或韧性不容易被擦伤、刮花而影响透明度，则这层软膜也可以粘贴在玻璃板的正面，与电阻膜触摸屏的结构相类似。这样的结构相当于图2中的手指103从与图中所示相反的方向来操作触摸屏，手指与导电膜之间的距离将减少到最小，增加所述的寄生电容的容量，更容易实施检测。如果将导电膜涂覆在玻璃板的外表面上，再覆盖上一层透明度好、有一定硬度或者摩擦耐受性的透明物将其保护起来，也能得到较大的寄生电容，得到如同带导电膜的有机软膜粘贴在玻璃板的正面相同的效果。但是现在有机软膜或者涂覆保护剂的性能还不容易达到这个高度，所以从使用寿命的角度来考虑，这层导电膜最好还是覆盖在所述玻璃板的内表面上，即玻璃板两个表面中靠近显示器的那个表面。

上面着重说明了实现本发明目的基本技术方案，但是并不是全部的实施方案和应用方式。比如导电膜的具体结构就可以与几种基本的技术方案组合，甚至可以将覆盖导电膜的玻璃板与现在液晶显示器表面的玻璃板合二为一，从而形成多种具体实施方案。再有如振荡、放大、监频比较等各个功能单元的具体电路，几乎可以有无穷变化。同时，作为完整的产品方案，还需要配合其它辅助部分，如微控制器程序的具体结构、导电膜的制备材料和方法等。因此在本发明所给出的各种基本技术方案的基础上的改进、移植、变通等方式的设计，都属于本发明的技术范围之内。

Claims (6)

1.一种利用人体感应触发的红外触摸屏，包含有由边框、安装在边框内的电路板和用于保护显示器的玻璃板构成的结构组件，以及沿着所述边框的矩形对边排列安装的若干只红外发射和红外接收管，及用于驱动所述红外发射管和用于处理红外接收管所输出的光电信号、并输出检测结果的微控制器系统，其特征在于：

在所述的玻璃板的表面上覆盖有一层透明的导电膜；在红外触摸屏的电路板中还包含有一套与所述导电膜相连接的信号处理电路；所述与导电膜相连接的信号处理电路包含有一个信号放大单元，所述信号放大单元具有高输入阻抗；所述信号放大单元的输入端与所述导电膜相连接，所述信号放大单元的输出端与所述微控制器系统的I/O端口耦合连接。

2.根据权利要求1所述的利用人体感应触发的红外触摸屏，其特征在于：所述的透明导电膜是一层涂覆在所述玻璃板表面的导电膜。

3.根据权利要求1所述的利用人体感应触发的红外触摸屏，其特征在于：所述的透明导电膜涂覆在所述玻璃板的外表面，即玻璃板两个表面中离显示器较远的那个表面，并在导电膜的表面上还覆盖有一层透明保护层。

4.根据权利要求1所述的利用人体感应触发的红外触摸屏，其特征在于：所述导电膜覆盖在有机软膜上；覆盖有所述有机软膜的所述导电膜的另一面与玻璃板相接触。

5.根据权利要求2或4所述的利用人体感应触发的红外触摸屏，其特征在于：所述导电膜覆盖在所述玻璃板的内表面上，即玻璃板两个表面中靠近显示器的那个表面。

6.根据权利要求1所述的利用人体感应触发的红外触摸屏，其特征在于：构成所述导电膜的材料，是金属氧化物中的一种。

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