CN102402354A - 具有网状电极的电容式触摸屏 - Google Patents

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Abstract

一种具有网状电极的电容式触摸屏，包括用透明导电材料制成的、非接触地正交设置的第一电极和第二电极。尤其是，所述第一电极和第二电极中的至少一种电极包括至少两个子电极板，同一电极中的所有子电极板按网状结构布设，也就是说，在所述第一电极和第二电极中的至少一种电极加工有至少一个网格，各网格由各自周边的子电极板围成。本发明通过网状电极将现有技术的集中分布电容改进为分散分布电容，令触摸屏即使在悬空状态下，都确保有较高的有效电容率，提高了触摸屏的防水性能，同时增强了电容屏抗EDS，抗老化等性能。

Description

具有网状电极的电容式触摸屏
技术领域
本发明涉及用于将对屏幕的触碰信息转换为反映触碰位置或者力度的电信号的装置，特别是涉及以电容器件为媒介，将触碰信息转换为反映触碰位置的电信号的装置。
背景技术
现有技术触摸屏有多种实现原理，包括电阻式触摸屏、电容式触摸屏、表面红外触摸屏等等。其中，电容式触摸屏以其透光率高、耐磨损、耐环境温度和湿度变化、寿命长、可实现高级复杂功能，例如，如多点触摸，而受到大众的欢迎。利用电容变化作为传感原理已经由来已久。为使触摸屏有效工作，需要一个透明的电容传感阵列。当人体接近或触摸电容的电极时，会改变控制电路检测到的电容值的大小，根据屏幕上电容变化值的分布，就可以判断出触摸的情况。根据电容形成的方式，所述触摸屏包括自电容式触摸屏和互电容式触摸屏。所述自电容式触摸屏是利用电极与一个直流电平电极形成的电容变化反映触碰位置；所述互电容式触摸屏是利用两个电极形成的电容变化反映触碰位置。现有技术用有效电容率衡量电容式触摸屏的性能，所述有效电容率是指，由于对触摸屏的触碰使电容的发生的最大变化量与没有触碰时的电容值的比值。
目前，电容式触摸屏的屏体结构非常丰富，一般有菱形电极，还有矩形电极。但是就屏体自身来说，无论什么样的图案，电容式触摸屏基本都是由横向布设的电极检测触碰位置的纵坐标，由纵向布设的电极检测触碰位置的横坐标。以现有技术互电容触摸屏为例，在电极之间形成的电场如图14所示，由电场线分布原理可知，当两个电极100′、200′存在电势差时，该两电极100′、200′表面靠的最近的地方的表面电场强度最大，电场线越密集，而随着两个电极100′、200′表面的距离的加大而电场强度下降，电场线相应的会越来越稀疏，同时电场线长度和弧度都会增加。相应地就会有一部分电场线会由驱动电极100′穿过电极保护膜900′，然后回到传感电极200′上。我们把在电极保护膜900′内的非常密集的电力线称为短程电力线，形成的电容称为短程电容；把穿出电极保护膜又穿进来的电力线称为长程电力线，形成的电容称为长程电容。如上所述，人体或者专用触碰装置800′对触摸屏的触碰，就会改变原有的电场线的分布。如图15所示，当人体或者专用触碰装置800′触碰触摸屏时，触摸屏上原来的一部分由驱动电极100′穿过电极保护膜900′到空气中然后再穿过该电极保护膜900′回到传感电极200′上的强度较弱的电场线，也就是长程电力线，被人体或者专用触碰装置800′吸收了，然后传导到地上；部分短程电力线，也被触碰装置800′吸收，减少了到传感电极200′的耦合。因此，从驱动电极100′回到传感电极200′的电场线将减少，因此驱动电极100′与传感电极200′之间的电容值减小，使数据处理模块很容易检测到变化的电容量CT。
但是，现有技术电容式触摸屏的驱动电极图案和感应电极图案都是由单一的图形组成，电极间既有短程电容，也有长程电容。由于电极的绝对宽度较大，而通常电极保护膜900′较薄，则长程电容占总电容的比例非常大。当触摸屏处于悬空状态时，或者说有一悬空的导体覆盖在触摸屏表面时，相当于人体或者专用触碰装置800′与地之间有一个很小的等效到地电容CX，如图16所示，人体或者专用触碰装置800′就像是悬在空中。相比图15所示情况，处于悬空状态时，驱动电极100′发出的电场线将垂直穿过人体或者专用触碰装置800′，然后仅有很小一部分通过等效电容CX导到地上，而大部分将通过人体或者专用触碰装置800′在回到传感电极200′。随着人体或者专用触碰装置800′接触面积越来越大，驱动电极100′发出的电场线能通过垂直进入人体或者专用触碰装置800′的电场线不断增加，而等效电容CX导走电场线的能力不变，导致垂直进入人体或者专用触碰装置800′的一部分电场线将回到传感电极200′。由于人体或专用触碰装置800′的存在，长程电力线长度缩短了，短程电力线长度增加了。长程电力线缩短，造成电容增加；短程电力线长度增加，造成电容减少。长程电力线变化和短程电力线变化的效果相反，相互抵消。如果长程电力线较多，长程电容占总电容比例较大，则总体的效果有可能电容没有变小，反而变大了。因此，就会造成在悬空状态时，人体或者专用触碰装置800′触碰触摸屏时，不但驱动电极100′与传感电极200′之间电容没有变小，反而使驱动电极100′和传感电极200′之间的电容增加了，最终造成悬空状态下，所述触摸屏反映不灵敏或者没反应的现象。由于自然界中的水并不是纯净水，一般状况下，水将都可以导电，在触摸屏表面有水的状况下，就相当于电容屏表面有一个悬空的导体，因此，触摸屏表面有水的情况是上述令触摸屏处于悬空状态的实际情况之一。那么上述悬空状态对触摸屏的影响可以反映现有技术电容式触摸屏的防水性能差。
另外，现有技术电容式触摸屏大多通过导电材料的桥式跨接技术解决驱动电极和感应电极之间的绝缘问题。如果导电材料桥式跨接电阻过大或者跨接桥的宽度太小而导致桥电阻过大，当发生静电放电ESD(Electrostatic Discharge)时，将很容易导致跨接的桥因电流过大而熔断，从而导致屏体损坏。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于避免现有技术的不足之处而提出一种具有网状电极的电容式触摸屏，通过改进电极结构，减少长程电容，增加短程电容，并且令电容形成较为分散，平均，改善触摸屏在悬空状态下的性能，提高触摸屏的防水性能，改善了触摸屏的线性度；同时增加电极间连接通路，减少电极间连接电阻，增强了电容屏抗EDS，抗老化等性能。
本发明解决所述技术问题可以通过采用以下技术方案来实现：
设计、制造一种具有网状电极的电容式触摸屏，包括用透明导电材料制成的第一电极组、第二电极组和数据处理模块。所述第一电极组包括互相平行的第一电极，所述第二电极组包括互相平行的第二电极。任一第一电极与任一第二电极互相非接触地正交设置。所述数据处理模块用于发出激励信号、检测电容变化和根据电容检测情况确定触摸位置坐标，所述第一电极组与第二电极组都与所述数据处理模块电连接。尤其是，所述第一电极和第二电极中的至少一种电极包括至少两个子电极板，同一电极中的所有子电极板按网状结构布设，也就是说，在所述第一电极和第二电极中的至少一种电极加工有至少一个网格，各网格由各自周边的子电极板成。
所述子电极板的形状包括各种多边形、圆形、椭圆形中的至少一种。所述多边形包括四边形、正四边形、五边形、正五边形、六边形、正六边形、八边形、正八边形。
为进一步提高有效电容率，在整个所述触摸屏上，所述第一电极的网格的位置与第二电极的子电极板的位置对应，所述第一电极的子电极板的位置与第二电极的网格的位置对应，即所述第一电极的网格和子电极板的位置分别与第二电极的子电极板和网格的位置互补设置。
所述触摸屏是互电容触摸屏，在所述第一电极和第二电极中，接收来自数据处理模块的激励信号的电极是驱动电极，用于向数据处理模块反馈电信号以检测电容变化的电极是传感电极。
所述电极可以采用分层结构，所述第一电极和第二电极各自设置在两个互相平行的具有间隙的平面内。
所述电极还可以采用同层桥式跨接结构，所述第一电极和第二电极设置在同一平面内。
为进一步提高触摸屏的有效电容率，所述触摸屏还包括用透明导电材料制成处于电悬空状态的哑电极。在该哑电极之间，以及所述哑电极与触摸屏的其它模块都没有电连接关系。所述哑电极与第一电极或者第二电极设置在同一平面内，或者与第一电极或者第二电极平行设置。
为进一步提高触摸屏的有效电容率，所述触摸屏还包括用透明导电材料制成的屏蔽电极。该屏蔽电极与直流源电连接，或者与直接接地。所述屏蔽电极与第一电极或者第二电极设置在同一平面内，或者与第一电极或者第二电极平行设置。
所述透明导电材料包括氧化铟锡Indium Tin Oxide，简称ITO和锑掺杂氧化锡AntimonyTin Oxide，简称ATO。
同现有技术相比较，本发明“具有网状电极的电容式触摸屏”的有益技术效果在于：
通过网状电极将现有技术的电容分布改变，增加短程电容，减少长程电容，令触摸屏即使在悬空状态下，都确保有较高的有效电容率，提高了触摸屏的防水性能，改善了线性度，同时增强了电容屏抗EDS，抗老化等性能。
附图说明
图1是本发明“具有网状电极的电容式触摸屏”第一实施例的电原理示意图；
图2是所述第一实施例的第一电极110的平面结构示意图；
图3是所述第一实施例的第二电极210的平面结构示意图；
图4是图1中A指示部分的局部放大示意图；
图5是所述第一实施例的电场分布示意图；
图6是所述第一实施例在人体或者专用触碰装置800触碰的情况下的电场分布示意图；
图7是所述第一实施例处于悬空状态并被人体或者专用触碰装置800触碰的电场分布示意图；
图8是本发明第二实施例的电原理示意图；
图9是所述第二实施例的第一电极110的平面结构示意图；
图10是所述第二实施例的第二电极210的平面结构示意图；
图11是本发明第三实施例的电原理示意图；
图12是所述第三实施例的第一电极110的平面结构示意图；
图13是所述第三实施例的第二电极210的平面结构示意图；
图14是现有技术电容式触摸屏的电场分布示意图；
图15是现有技术电容式触摸屏在发生触碰时的电场分布示意图；
图16是现有技术电容式触摸屏在悬空状态下并被人体或者专用触碰装置800触碰时的电场分布示意图。
具体实施方式
以下结合附图所示各实施例作进一步详述。
本发明提出一种具有网状电极的电容式触摸屏，如图1、图8、图11所示，包括用透明导电材料制成的第一电极组100、第二电极组200和数据处理模块300。所述第一电极组100包括互相平行的第一电极110，所述第二电极组200包括互相平行的第二电极210。任一第一电极110与任一第二电极210互相非接触地正交设置。所述透明导电材料包括氧化铟锡IndiumTin Oxide，简称ITO和锑掺杂氧化锡Antimony Tin Oxide，简称ATO。所述数据处理模块300用于发出激励信号、检测电容变化和根据电容检测情况确定触摸位置坐标，所述第一电极组100与第二电极组200都与所述数据处理模块300电连接。尤其是，所述第一电极110和第二电极210中的至少一种电极包括至少两个子电极板111、211，同一电极110、210中的所有子电极板111、211按网状结构布设；从另一角度来说，在所述第一电极110和第二电极210中的至少一种电极加工有至少一个网格112、212，各网格112、212由各自周边的子电极板111、211围成。
如图2、图3、图9、图10所示，本发明第一实施例和第二实施例的第一电极100和第二电极200都采用了网状结构。如图12和图13所示，本发明第三实施例，所述第一电极100采用网状结构，第二电极200就是普通的平板电极。因此，本发明只需要第一电极100和第二电极200之中的任一一种电极采用网状结构，即可获得在悬空情况下确保较高有效电容率的效果。
本发明将现有技术触摸屏电容集中分布的屏体，改进为电容分散分布的触摸屏，将现有技术两电极之间的电容改进成两电极之间形成的多个小电容Cn，即相当于将原来的电容C变为多个小电容Cn的总和。对于互电容触摸屏，整个屏体的驱动电极设计成多个基本图形单元组成的网状驱动电极，屏体的感应电极也可以相应设计成基本图形组成的网状感应电极。所谓网状结构，即不论传感电极210还是驱动电极110，在屏体上都是由多个简单基本图形经过交错和两两相连而形成一个电极，整个屏体图样就类似于网状。
理论上，将电极制做成网状结构，主要有利于增加电极之间的短程耦合效应并减少长程耦合，改变电极之间的电场分布，增强了电场强度；同时由于采用了分散分布的网状电极结构，两电极之间的电场线分布将变得更均匀，它们的耦合更充分。本发明第一实施例，如图5至图7所示，分别示出覆盖有电极保护膜900的触摸屏分别在没有被触碰、触摸屏被触碰和触摸屏在悬空状态下被触碰的电场分布示意图。从上述图中，显然其电场分布效果与上述理论分析结论一致。该电场分布示意图也是经过实验验证的结果。如图14至图16所示，与现有技术触摸屏相比，本发明分散分布电极结构的电场线分布在悬空状态下短程电容减少较多而长程电容增加较少，致使本发明触摸屏在悬空状态时，触摸电容变化率仍然比较大，仍然可以识别出触碰动作。如图16所示，普通电容屏在悬空触摸悬空状态下，长程电力线从驱动电极通过人体或者专用触碰装置，缩短到了感应电极的距离，相当缩短了两个耦合电极的距离，从而增加了两个电极间的耦合电容；短程电力线则增加了距离，相当于增加了两个偶合电极的距离，从而减少了两个电极间的耦合电容。在同等条件下，本发明分散分布式电容触摸屏电容间耦合主要由短程耦合构成，在悬空状态下，尽管耦合电力线从驱动电极大部分回到感应电极，但是，短程耦合为主的情况下，短程耦合电力线增加造成电容减少的幅度远大于长程耦合电力线减少造成电容增加的幅度。因此，总电容是明显减少的。相比之下，能更好的保证悬空状态下，触碰触摸屏时第一电极和第二电极之间的触碰电容变化率。经过试验证明，本发明网状电极结构有利于改善屏体的在悬空状态下的触碰感应效果。
当本发明所述触摸屏屏体上有水时，此时的水即类似于悬空的导体。如前所述，通过水，现有技术触摸屏的两电极之间的耦合电容将明显的增加，故人体或者专用触碰装置800触摸时导致的电容变化率将变小。而本发明分散分布式网状电极触摸屏能有效地利用第一电极110和第二电极210之间的耦合面积，当有水时，所述第一电极110和第二电极210之间的耦合电容增量相对少，故人体或者专用触碰装置800触摸时电容变化率比现有技术触摸屏的变化率大，因此本发明分散式分布网状电极结构的触摸屏具有比较优越的防水性能。
同时，由于本发明触摸屏采用了网状分布的结构，当存在静电放电ESD时，网状分布能有效地通过网状连接的结构实时的将静电释放，因此可以有效地提高屏体的抗EDS能力。
经过试验证明，此网状分布屏体的防水性能和悬空性能明显好于集中分布屏体，一般至少可以提高20％的性能。
关于所述第一电极110和第二电极210的具体结构形式会有多种多样，以下通过三个实施例具体描述。
本发明第三实施例，如图11至图13所示，所述第一电极110采用网状结构，所述第二电极210则采用平板电极。也就是说，要达到分散分布电容的效果，不需要第一电极110和第二电极210都是网状结构，只要其中之一是网状结构即可达到分散分布电容的效果。更为具体的，所述第一电极110是由矩形网格112构成，该网格112可以看作由其周边的多个矩形子电极板111围成的。所以本发明第三实施例的第一电极110属于由单种形状的子电极板111构成的网状结构电极，所述子电极板111可以采用各种多边形、圆形或者椭圆形。
本发明第二实施例，如图8至图10所示，所述第一电极组100由三个纵向伸展的第一电极110构成，所述第二电极组200由两个横向伸展的第二电极210构成。所述第一电极110和第二电极210都是网状结构。每个第一电极110由两纵列菱形子电极板111构成，各子电极板111构成网状结构后，在中部形成纵列的菱形网格112。每个第二电极210同样由两横行菱形子电极板211构成，各子电极板211构成网状结构后，在中部形成横行的菱形网格212。所以本发明第二实施例第一电极110和第二电极210分别属于由单种形状的子电极板111、211构成的网状结构电极，所述子电极板111、211可以采用各种多边形、圆形或者椭圆形。
本发明第一实施例，如图1至图3所示，所述第一电极组100由三个纵向伸展的第一电极110构成，所述第二电极组200由三个横向伸展的第二电极210构成。所述第一电极110和第二电极210都是网状结构。每个第一电极110由两纵列菱形子电极板111构成，各子电极板111构成网状结构后，在中部形成纵列的菱形网格112。每个第二电极210由两横行交替布设的菱形和六边形的子电极板211构成，各子电极板211构成网状结构后，在中部形成横行的菱形网格212。本发明第一实施例，所述子电极板111、211都用透明材料剖面线示出，以区分子电极板111、211和网格112、212。本发明第一实施例第一电极110属于由单种形状的子电极板111构成的网状结构电极，第二电极210属于由多种不同形状的子电极板211构成的网状结构电极。所述子电极板111可以采用多边形、圆形或者椭圆形；所述子电极板211可以采用各种多边形、圆形或者椭圆形中任一两种形状的组合，显然，所述子电极板211可以采用各种多边形、圆形或者椭圆形中任一多种形状的组合。
本发明中所述各种多边形包括四边形、正四边形、五边形、正五边形、六边形、正六边形、八边形、正八边形。
为了提高触摸屏的有效电容率，在整个所述触摸屏上，所述第一电极110的网格112的位置与第二电极210的子电极板211的位置对应，所述第一电极110的子电极板111的位置与第二电极210的网格212的位置对应，即所述第一电极110的网格112和子电极板111的位置分别与第二电极210的子电极板211和网格212的位置互补设置。上述结构令第一电极110与第二电极210之间没有正对的电极板，从而增加了第一电极与第二电极之间可变电场强度，也就是增加了电容变化量，从而提高了触摸屏的有效电容率。作为优选方案，本发明三个实施例都采用了上述互补结构。
本发明所述第一电极110和第二电极210只是在结构形式上的区分，即其中之一种电极用于横向布设，那么另一种电极就纵向布设，从而令两电极能够符合正交关系。所述第一电极110和第二电极210并没有从完成的功能角度加以区分。因此，如果所述触摸屏是互电容触摸屏，那么在所述第一电极110和第二电极210中，接收来自数据处理模块300的激励信号的电极是驱动电极，用于向数据处理模块300反馈电信号以检测电容变化的电极是传感电极。
本发明所述触摸屏可以采用分层结构，所述第一电极110和第二电极210各自设置在两个互相平行的具有间隙的平面内。本发明所述触摸屏还可以采用单层结构，所述第一电极110和第二电极210设置在同一平面内。当采用单层结构时，要注意第一电极110与第二电极210之间的非接触正交设置，即要用导电材料桥式跨接技术令第一电极110与第二电极210的交叉部分不能点接触。本发明第一实施例采用单层结构，图4示出所述第一电极110和第二电极210正交形成的一个电容单元，因此，第一电极110和第二电极210相交部分应当采用桥式跨接技术。
另外，为了令第一电极110和第二电极210之间的耦合程度进一步增强，提高有效电容率，本发明所述触摸屏还包括用透明导电材料制成处于电悬空状态的哑电极。在该哑电极之间，以及所述哑电极与触摸屏的其它模块都没有电连接关系，即所述哑电极处于电悬空状态。所述哑电极在第一电极110和第二电极210之间实现电场中继作用，增加第一电极110与第二电极210之间可变电场强度。所述哑电极与第一电极110或者第二电极210设置在同一平面内，或者与第一电极110或者第二电极210平行设置。
本发明所述触摸屏还包括用透明导电材料制成的屏蔽电极。该屏蔽电极与直流源电连接，或者与直接接地。所述屏蔽电极可以降低第一电极110与第二电极210之间的本征场强，从而令它们之间的可变电场强度增加，以提高触摸屏的有效电容率。所述本征场强是指两电极之间形成的不易受外界电极影响而发生改变的电场的场强。所述屏蔽电极与第一电极110或者第二电极210设置在同一平面内，或者与第一电极110或者第二电极210平行设置。

Claims (10)

1.一种具有网状电极的电容式触摸屏，包括用透明导电材料制成的第一电极组(100)、第二电极组(200)和数据处理模块(300)；所述第一电极组(100)包括互相平行的第一电极(110)，所述第二电极组(200)包括互相平行的第二电极(210)；任一第一电极(110)与任一第二电极(210)互相非接触地正交设置；所述数据处理模块(300)用于发出激励信号、检测电容变化和根据电容检测情况确定触摸位置坐标，所述第一电极组(100)与第二电极组(200)都与所述数据处理模块(300)电连接；其特征在于：
所述第一电极(110)和第二电极(210)中的至少一种电极包括至少两个子电极板(111、211)，同一电极(110、210)中的所有子电极板(111、211)按网状结构布设，也就是说，在所述第一电极(110)和第二电极(210)中的至少一种电极加工有至少一个网格(112、212)，各网格(112、212)由各自周边的子电极板(111、211)围成。
2.根据权利要求1所述的具有网状电极的电容式触摸屏，其特征在于：
所述子电极板(111、211)的形状包括各种多边形、圆形、椭圆形中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的具有网状电极的电容式触摸屏，其特征在于：
所述多边形包括四边形、正四边形、五边形、正五边形、六边形、正六边形、八边形、正八边形。
4.根据权利要求1所述的具有网状电极的电容式触摸屏，其特征在于：
在整个所述触摸屏上，所述第一电极(110)的网格(112)的位置与第二电极(210)的子电极板(211)的位置对应，所述第一电极(110)的子电极板(111)的位置与第二电极(210)的网格(212)的位置对应，即所述第一电极(110)的网格(112)和子电极板(111)的位置分别与第二电极(210)的子电极板(211)和网格(212)的位置互补设置。
5.根据权利要求1所述的具有网状电极的电容式触摸屏，其特征在于：
所述触摸屏是互电容触摸屏，在所述第一电极(110)和第二电极(210)中，接收来自数据处理模块(300)的激励信号的电极是驱动电极，用于向数据处理模块(300)反馈电信号以检测电容变化的电极是传感电极。
6.根据权利要求1所述的具有网状电极的电容式触摸屏，其特征在于：
所述第一电极(110)和第二电极(210)各自设置在两个互相平行的具有间隙的平面内。
7.根据权利要求1所述的具有网状电极的电容式触摸屏，其特征在于：
所述第一电极(110)和第二电极(210)设置在同一平面内。
8.根据权利要求1所述的具有网状电极的电容式触摸屏，其特征在于：
还包括用透明导电材料制成处于电悬空状态的哑电极；
在该哑电极之间，以及所述哑电极与触摸屏的其它模块都没有电连接关系；
所述哑电极与第一电极(110)或者第二电极(210)设置在同一平面内，或者与第一电极(110)或者第二电极(210)平行设置。
9.根据权利要求1所述的具有网状电极的电容式触摸屏，其特征在于：
还包括用透明导电材料制成的屏蔽电极；
该屏蔽电极与直流源电连接，或者与直接接地；
所述屏蔽电极与第一电极(110)或者第二电极(210)设置在同一平面内，或者与第一电极(110)或者第二电极(210)平行设置。
10.根据权利要求1、8或者9所述的具有网状电极的电容式触摸屏，其特征在于：
所述透明导电材料包括氧化铟锡ITO和锑掺杂氧化锡ATO。
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