CN102736804A - 单层感应层的二维电容式触控板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单层感应层的二维电容式触控板，包含第一电极板，与该第一电极板相邻的第二电极板，以及穿插于该第一电极板与该第二电极板之间的第三电极板，其中，该第一、第二电极板用以检测与该第三电极板之间形成的交互电容值，以定位出导体接触该触控板的位置。

Description

单层感应层的二维电容式触控板

技术领域

本发明涉及一种电容式触控板，特别是关于一种单层感应层的二维电容式触控板。

背景技术

电容式触控技术的运作原理，是藉物件(例如手指或其他导体)接触电容式触控元件造成触点处的感应层(touch sensor)的电容值变化，经由控制器定位出该触点的位置。由于触控元件的感应层是由导体制成，因此通常在感应层上覆盖绝缘材质当作保护层(cover)保护该感应层。

图1为手指接触电容式触控元件的示意图，电容式触控元件10是由感应层12及其上方覆盖的保护层14组成。感应层12是导体，因此其与地端GND之间存有自体电容(self capacitor)Cs。保护层14是绝缘体，当手指16碰触保护层14时，由于人体属于导体且具有等同于接地的电位，因此感应层12与手指16之间将出现耦合电容Cp。在此情况下，感应层12可视为电容Cp的上电极板，手指16可视为电容Cp的下电极板且接地，中间的保护层14为电容Cp的介电层。所以在手指16碰触保护层14时，电容Cp与感应层12的自体电容Cs并联，造成整体的自体电容值增加，透过检测此自体电容的变化，可以达到手指的检测。

现有检测触点的方法除了检测自体电容外，还可以检测感应层中两电极板之间的交互电容(mutual capacitor)，如图2所示。感应层具有感应电极板18及20，两者之间的电力线构成交互电容。当手指16靠近时，感应电极板18、20之间的电力线会被人体所形成的大下地电容所吸引，造成感应电极板18、20之间的交互电容值下降，透过检测此交互电容的变化，同样可以达到手指16的检测。

图3为现有单层感应层的二维电容式触控板，左图为俯视图，右图为左图中A-A剖面线的剖面图。其单层感应层包含多个感应单元22，而每个感应单元22是由彼此不相连接的感应电极板24及26组合而成，感应电极板24、26会随着X方向改变其单位长度的面积。当导体28触碰感应单元22上的保护层时，将导体28视为另一个电极板，而平行板电容器的电容值为

$C\∝\frac{\mathrm{\ϵ}\×A}{d},$ 公式1

其中，A为两电极板彼此重叠的面积，d为两电极板之间的距离，ε为两电极板之间介电层的介电常数。由公式1可知，导体28形成的电容值跟导体28与感应电极板24及26重叠的面积A成一正比例关系，因此，导体28于感应单元22的位置X1处形成一触点时，检测器30于感应电极板24、26检测到的自体电容值变化量ΔC1、ΔC2，即代表导体28与电极板24、26之间形成的电容值，其与重叠的面积A成比例，又因为感应电极板24、26单位长度的面积A是随着X方向改变，自体电容值变化量ΔC1、ΔC2将与X方向上的位置有关，因此，利用自体电容值变化量ΔC1、ΔC2与感应电极板24、26的长度L即可定位出导体28位于X方向上的X1处，公式如下：

$X1=f(\mathrm{\ΔC}1,\mathrm{\ΔC}2,L)\≈L\×\frac{\mathrm{\ΔC}2}{\mathrm{\ΔC}1+\mathrm{\ΔC}2},$ 公式2

L为感应电极板24及26的长度。而在Y方向上，检测器30只要判断是那个感应电极板的电容值有变化，即可得到Y方向上的位置。因此，使用单层感应层能够完成二维的定位。

发明内容

本发明的目的，在于提出一种单层感应层的二维电容式触控板。

根据本发明，一种单层感应层的二维电容式触控板包含第一电极板，与该第一电极板相邻的第二电极板，以及穿插于该第一电极板与该第二电极板之间的第三电极板，其中，该第一、第二电极板用以检测与该第三电极板之间形成的交互电容值，以定位出导体接触该触控板的位置。

本发明实施例的单层感应层的二维电容式触控板，均匀分布在整片触控板上，有较大的面积，对地的自体电容值较大，对其检测自体电容时感应敏感度也较大，因此，对电极板的自体电容进行检测时，只要当导体接近触控板任一处，导体对电极板自体电容的影响将可以明显的检测出来。在导体是否接近触控板的应用上，将不需要另外加装其他接近检测的检测器，检测电极板的自体电容的电容变化量即有接近检测(proximity sensing)的效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为手指接触电容式触控元件的示意图；

图2为手指造成交互电容变化的示意图；

图3为现有单层感应层的二维电容式触控板；

图4为本发明第一实施例；

图5为图4实施例应用于二维电容式触控板的示意图；

图6为本发明第二实施例；

图7为图6实施例应用于二维电容式触控板的示意图；

图8为图6实施例另一实施方式的示意图；

图9为本发明第三实施例；

图10为图9实施例应用于二维电容式触控板的示意图；

图11为本发明第四实施例的触控板俯视图；

图12为将图11的电极板改为鱼骨形的示意图；

图13为将图11的电极板改为S形的示意图；

图14为图11实施例的另一实施例；

图15为将图14的电极板改为鱼骨形的示意图；

图16为将图14的电极板改为S形的示意图；

图17为将图11实施例应用于较大型触控板的俯视图；以及

图18为本发明第五实施例的触控板俯视图。

附图标号：

10        电容式触控元件

12        感应层

14        保护层

16        手指

18        电极板

20        电极板

22        感应单元

24        感应电极板

26        感应电极板

28        导体

30        检测器

32        感应迹线

34        基底层

36        保护层

38        感应电极板

40        手指

42        感应迹线

44        感应迹线

46        感应单元

48        感应迹线

50        感应电极板

52        介电常数为ε1的保护层

54        介电常数为ε2的绝缘材质

56        感应迹线

58        感应迹线

60        感应单元

62        感应单元

64        感应迹线

66        感应迹线

68        激励信号

70        感应电极板

72        感应迹线

74        感应迹线

76        感应单元

78        感应单元

80        电极板

82        感应电极板

84        感应电极板

86        感应电极板

88        感应电极板

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

图4为本发明第一实施例，图5为图4实施例应用于二维电容式触控板的示意图。图4上为此实施例感应迹线32的俯视图及剖面图，感应迹线32为长条状，下面的基底层34及上面的保护层36皆为屑型，使得夹于基底层34及保护层36之间的单层感应电极板38由左至右离操作平面越来越远。当导体接触保护层36，如图4下的手指40，在位置X3时离感应电极板38的距离为d1，在位置X4时离感应电极板38的距离为d2，若以左边为X方向上的原点，距离d与X方向上的位置成正比，再由公式1可知，手指40与感应电极板38形成的电容值与距离d成一反比例关系，得到下列公式：

$X\∝d\∝\frac{1}{C},$ 公式3

因此，电容变化量的大小与手指40在X方向上的位置成一反比例关系。当手指40位于位置X3与X4时检测到的电容变化量为ΔC3与ΔC4，若测到的电容变化量ΔC3大于ΔC4，就表示X3小于X4。当应用于二维式触控板时，如图5所示的俯视图，为了有更精准的定位，使用两种倾斜方向不同的感应迹线42、44并且两两成对形成感应单元46，再将多个感应单元46平行排列形成二维式触控板。当导体28在X1处接触感应单元36时，根据图4及公式3的原理，检测器30在感应迹线42、44检测到的自体电容值与变化量ΔC5、ΔC6与X方向上的位置有关，因此，利用自体电容值变化量ΔC5、ΔC6与感应迹线42、44的长度L即可定位出导体28位于X方向上的X1处。

图6是本发明第二实施例，图7为图6实施例应用于二维电容式触控板的示意图。本实施例的感应迹线48具有感应电极板50，其上的保护层是使用两种介电常数的绝缘材质所组合而成，而组合的比例沿着X方向改变，以图6为例，一开始，感应电极板40上具有介电常数为ε1的绝缘材质52，接着在绝缘材质52上挖去三角形的区域，再填充入介电常数为ε2的绝缘材质54，根据公式1得知

X∝ε∝C，        公式4

手指40与感应电极板50形成的电容值会随着保护层上两种绝缘材质的比例变化而改变。因此，在量测感应电极板40的自体电容时，自体电容的变化量即为手指40与感应电极板50形成的电容值，其将会与手指40于X方向上的位置有关。当应用于二维式触控板时，如图7所示的俯视图，为了有更精准的定位，将会有两种保护层挖去三角形方向不同的感应迹线56、58，两两成对形成感应单元60，再将多个感应单元60平行排列形成二维式触控板。当导体28于X1处接触感应单元50时，根据图6及公式4的原理，检测器30在感应迹线56、58检测到的自体电容值与变化量ΔC7、ΔC8与X方向上的位置有关，因此，利用自体电容值变化量ΔC7、ΔC8与感应迹线56、58的长度L即可定位出导体28位于X方向上的X1处。

如图8所示，感应单元62具有成对的感应迹线64、66。感应迹线64的保护层上由右至左具有由密至疏的孔洞，而感应迹线66的保护层的孔洞的疏密方向则跟感应迹线64相反。而感应迹线64、66的保护层上的孔洞，填入与保护层不同的介电常数ε的绝缘材质，如空气，孔洞越密则代表两种绝缘材质的比例变化。当导体28在X1处接触感应单元62时，根据图6及公式4的原理，在感应迹线64、66检测到的自体电容值与变化量ΔC9、ΔC10与X方向上的位置有关，因此，利用自体电容值变化量ΔC9、ΔC10与感应迹线64、66的长度L即可定位出导体28位于X方向上的X1处。

图9是本发明第三实施例，图10为图9实施例应用于二维电容式触控板的示意图。如图9上所示，本实施例使用短激励脉宽(short excitation width)We的激励信号68来激励感应电极板70，因为感应电极板70如同无数个RC电路串接而成，短激励脉宽的激励信号68并无法将整条感应电极板70充电至相同于激励信号68的电压Ve，将会如图中所示由V1到Vn越趋微弱。当导体接触感应电极板70上的保护层，如图9下的手指40，不论手指40碰触于X1处还是Xn-1处，电容值手指40与感应电极板70形成的电容值ΔC皆相同，但是因为激励信号68同时会对电容ΔC充电并且充至的电压值会与手指40所在的位置相关，在X1处便充至电压V1，在Xn-1处便充至电压Vn-1，而电容值ΔC相对于C1...Cn较大，回传信号的电压值将与手指40所在的位置相关，因此，可以得到下例公式：

X∝ΔV，        公式5

检测到的电压变化量ΔV跟手指40在X方向的位置成一正比例关系。当应用于二维式触控板时，如图10所示的俯视图，为了有更精准的定位，使用两两成对的感应迹线72、74形成感应单元76，分别在左右同时以短激励脉宽的激励信号68激励，再将多个感应单元76平行排列形成二维式触控板。当导体28于X1处接触感应单元76时，根据图9及公式5的原理，检测器30在感应迹线72、74检测到的电压变化量ΔV1、ΔV2与X方向上的位置有关，因此，利用电压变化量ΔV1、ΔV2与感应迹线72、74的长度L即可定位出导体28位于X方向上的X1处。

图11为本发明第四实施例的二维电容式触控板的俯视图，其单层感应层包含多个感应单元78感应单元，而每个感应单元78具有电极板80穿插于每个感应电极板82、84之间，做为感测交互电容时激励用的电极板，因此，在检测感应电极板82、84时，检测的并非感应电极板82、84的自体电容，而是感应电极板82、84对电极板80的交互电容。当导体28接触感应电极板82、84上的保护层时，导体28会如图2一般吸收电极板80与感应电极板82、84之间的电力线，使得检测到的交互电容值下降，而其交互电容变化量ΔC11、ΔC12跟导体28与感应电极板82、84所重叠的面积有关，重叠越多吸收的电力线越多交互电容变化量也越大，如图11中所示，导体28与感应电极板84所重叠的面积较大，因此，其交互电容变化量、ΔC12将大于ΔC11。又因为本实施例的感应电极板82、84为锐角三角形，会随着X方向改变其单位长度的面积，感应电极板82、84的交互电容变化量将与导体28位于X方向上的位置有关，因此，根据感应电极板82、84的交互电容变化量ΔC11、ΔC12与感应电极板82、84的长度L便能定位出导体28位于X方向上的X1处。

而为了增加感应电极板82、84对电极板80所形成交互电容的电容值，在其他实施例中增加电极板彼此之间的相邻边长，因此感应电极板82、84可以改为如图12的鱼骨形电极板或是如图13的S形电极板，电极板80则穿插于感应电极板82、84的间隙中，增加电极板80与感应电极板82、84彼此间的相邻边长，使得感应电极板82、84对电极板80所形成交互电容的电容值上升，增加感应的敏感度。

图14为图11实施例的另一实施方式。与图11的实施例相似，但是其电极板80具有不同的连接方式，以方便布线。而图15、16亦是将图12、13的电极板80改为如图12的连接方式。

图17为本发明应用于较大型触控板的俯视图。为了定位的精确度，感应电极板82、84的长度会有一最大值的限制，因此本发明应用于较大型的荧幕时，便将感应电极板82、84设计为两行，而电极板80则一样可以穿插于感应电极板82、84之间，以完成交互电容的检测。

图18为本发明的第五实施例的二维电容式触控板，其单层感应层保有激励用的电极板80，但是图中的感应电极板86、88为长条型，电极板78则为斜线穿插于感应电极板86、88之间，使感应电极板86、88在X方向上对电极板80的距离有所变化，而感应电极板86、88对电极板80的距离越远，之间的电力线越少，导体28接触时感应电极板86、88上的保护层所造成的交互电容值变化量ΔC13、ΔC14的影响也越小，如图18所示，在X1处感应电极板88距离感极板80较远，检测到交互电容值变化量ΔC13将小于ΔC14。因此，根据感应电极板86、88的交互电容变化量ΔC13、ΔC14与感应电极板86、88的长度L便能定位出导体28位于X方向上的X1处。

上述激励用的电极板80皆均匀分布在整片触控板上，有较大的面积，对地的自体电容值较大，对其检测自体电容时感应敏感度也较大，因此，对电极板80的自体电容进行检测时，只要当导体接近触控板任一处，导体对电极板80自体电容的影响将可以明显的检测出来。在导体是否接近触控板的应用上，将不需要另外加装其他接近检测的检测器，检测电极板80的自体电容的电容变化量即有接近检测(proximity sensing)的效果。

另一实施例中，激励用的电极板80的连接改由触控板外部的电路连接，较佳者，可依检测位置的需要由外部的电路选择检测位置处的电极板80，节省激励时所需要的电力。

以上对于本发明的较佳实施例所作的叙述是为阐明的目的，而无意限定本发明精确地为所揭露的形式，基于以上的教导或从本发明的实施例学习而作修改或变化是可能的，实施例为解说本发明的原理以及让本领域技术人员以各种实施例利用本发明在实际应用上而选择及叙述，本发明的保护范围由权利要求范围及其均等来决定。

Claims (7)

1.一种单层感应层的二维式触控板，其特征在于，包含：

第一电极板；

第二电极板，位于所述第一电极板的一侧，用以检测与所述第一电极板之间形成的第一交互电容值；以及

第三电极板，位于所述第一电极板的另一侧，用以检测与所述第一电极板之间形成的第二交互电容值；

其中，所述第一、第二交互电容值被用来计算出导体接触所述触控板的位置。

2.如权利要求1所述的触控板，其特征在于，所述第一电极板被激励信号所激励。

3.如权利要求1所述的触控板，其特征在于，所述第二电极板每单位长度的面积延着第一方向由小变大，所述第三电极板则延着所述第一方向由大变小。

4.如权利要求3所述的触控板，其特征在于，所述第一、第二电极板为锐角三角形。

5.如权利要求3所述的触控板，其特征在于，所述第二、第三电极板存在着许多空隙，所述第一电极板穿插于所述空隙中。

6.如权利要求1所述的触控板，其特征在于，所述第二电极板延着第一方向距离所述第一电极板越来越远，而所述第三电极板则延着所述第一方向距离所述第一电极板越来越近。

7.如权利要求1所述的触控板，其特征在于，所述第一电极板均匀分布在所述触控板上，其自体电容值用以检测所述导体是否接近所述触控板。

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