CN103279246A - 电容式触摸板 - Google Patents

Abstract

本公开实施例提供一种电容式触摸板，包括：印制电路板；设置于印制电路板上的多个感应电极，所述多个感应电极排列成二维阵列；以及以板上芯片（Chip-on-Board）方式绑定到印制电路板上的触摸控制芯片，所述触摸控制芯片与所述多个感应电极之中的每一个感应电极分别通过导线相连接。根据本公开实施例的电容式触摸板，在实现多点触控的前提下提高了抗干扰性能。

Description

电容式触摸板

技术领域

本发明涉及触控技术领域，尤其涉及一种电容式触摸板。

背景技术

当前，触摸板广泛应用于各种电子产品，如笔记本电脑、显示器、手机以及游戏机等，使用户无需外接设备，实现了随时随地移动办公。现有的电容式触摸板普遍存在抗干扰性能差、扫描帧率低、体积大以及制造工艺复杂等问题。

发明内容

有鉴于此，本公开实施例提供一种电容式触摸板，能够解决以上问题之中的至少一个。

本公开实施例所提供的电容式触摸板包括：

印制电路板；

设置于印制电路板上的多个感应电极，所述多个感应电极排列成二维阵列；以及

以板上芯片（Chip-on-Board，简称COB）方式绑定到印制电路板上的触摸控制芯片，所述触摸控制芯片与所述多个感应电极之中的每一个感应电极分别通过导线相连接。

优选地，所述触摸控制芯片配置为检测每个感应电极的自电容。

优选地，所述触摸控制芯片配置为通过以下方法检测每个感应电极的自电容：

用电压源或电流源驱动所述感应电极；以及

检测所述感应电极的电压或频率或电量。

优选地，所述触摸控制芯片配置为通过以下方法检测每个感应电极的自电容：

驱动并检测所述感应电极，同时驱动其余感应电极；或者

驱动并检测所述感应电极，同时驱动所述感应电极周边的感应电极。

优选地，对于各感应电极，所述电压源或电流源具有同一频率；或者对于各感应电极，所述电压源或电流源具有两个或两个以上的频率。

优选地，所述触摸控制芯片配置为通过以下方法检测每个感应电极的自电容：

同时检测所有感应电极的自电容；或者

分组检测各感应电极的自电容。

优选地，所述触摸控制芯片配置为根据二维的电容变化阵列来确定触摸位置。

优选地，所述触摸控制芯片还配置为通过所述电压源或电流源的参数来调整触摸检测的灵敏度或动态范围，所述参数包括幅度、频率和时序之中的任一个或组合。

优选地，所述感应电极的形状是矩形、菱形、三角形、圆形或椭圆形。

优选地，所述导线通过通孔连接到所述触摸控制芯片。

根据本公开实施例的电容式触摸板，采用多个排列成二维阵列的感应电极，在实现多点触控的前提下提高了抗干扰性能。利用本公开实施例的方案，极大地消除了电源噪声，也能够减弱射频（RF）以及来自显示模组等其他噪声源的干扰。

根据本公开实施例的电容式触摸板，触摸控制芯片与每个感应电极分别通过导线相连接，并以COB方式绑定到印制电路板上，能够避免管脚数量多可能造成的芯片体积增加和封装成本提高。

此外，通过在驱动并检测被测电极的同时驱动其余感应电极或被测电极周边的感应电极，有利于降低被测电极的电容，从而降低被测电极的阻抗。通过同时或分组检测各感应电极，可以降低扫描时间，从而避免感应电极数量多可能引起的问题。

附图说明

图1是根据本公开实施例一所提供的电容式触摸板的示意图；

图2A是根据本公开实施例二的电容式触摸板的平面示意图；

图2B是根据本公开实施例二的电容式触摸板的侧面示意图；

图3是根据本公开实施例二的感应电极阵列的俯视图；

图4至图7示出了根据本公开实施例三的感应电极驱动方法；

图8示出了根据本公开实施例三的电容式触摸板的四个应用场景；

图9示出了根据本公开实施例三的触摸控制芯片的信号流图；

图10A示出了根据本公开实施例四采用重心算法计算触摸位置的坐标的一个例子；

图10B示出了根据本公开实施例四有噪声的情况下采用重心算法计算触摸位置的坐标。

具体实施方式

为了使本公开的目的、特征和优点能够更加的明显易懂，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例的技术方案进行描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。基于本公开实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的任何其他实施例，都应当属于本发明的保护范围。为便于说明，表示结构的剖面图不依一般比例而作局部放大。而且，附图只是示例性的，其不应限制本发明的保护范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度以及深度的三维尺寸。

图1是本公开实施例一所提供的电容式触摸板的示意图。如图1所示，该电容式触摸板包括：印制电路板16；设置于印制电路板上的多个感应电极19，所述多个感应电极19排列成二维阵列；以及以板上芯片（Chip-on-Board，简称COB）的方式绑定到印制电路板16上的触摸控制芯片（未示出），所述触摸控制芯片与每个感应电极19分别通过导线相连接。

所述多个感应电极19排列成的二维阵列可以是矩形阵列或其他类似形状的二维阵列。对于电容式触摸板来说，每个感应电极19是一个电容传感器，该电容传感器的电容在触摸板上相应位置被触摸时发生变化。采用排列成二维阵列的多个感应电极19，在实现多点触控的前提下提高了抗干扰性能，极大地消除了电源噪声，也能够减弱RF以及来自液晶显示模组等其他噪声源的干扰。将结合实施例四将对此进行更详细的说明。

每个感应电极19通过导线连接到触摸控制芯片，该触摸控制芯片以COB方式绑定到印制电路板16上。由于与每个感应电极19分别通过导线相连接，触摸控制芯片的管脚很多，因此，将触摸控制芯片以COB方式绑定到印制电路板16上能够避免常规封装的困难，以及管脚数量多可能造成的芯片体积增加和封装成本提高。所述触摸控制芯片本身是无封装的晶元，也就是说，所述触摸控制芯片不需要进行封装，因此，与常规的触摸板使用的触摸控制芯片相比，占用的印制电路板上的面积小，并且减少了芯片的封装和封装测试的成本以及触摸板的整体材料成本。此外，通过COB方式，触摸控制芯片与触摸板集成为一体，降低了两者之间的距离，从而减小了整体的体积。

图2A是根据本公开实施例二的电容式触摸板的平面示意图。图2B是根据本公开实施例二的电容式触摸板的侧面示意图。

如图2A和图2B所示，该电容式触摸板包括：双层印制电路板16；设置于所述双层印制电路板16的顶层上的多个感应电极19，所述多个感应电极19排列成二维阵列；以及以板上芯片（Chip-on-Board，简称COB）的方式绑定到所述印制电路板16的底层上的触摸控制芯片10，所述触摸控制芯片与每个感应电极19分别通过导线相连接。

作为一个示例，所述导线可以通过通孔（via）连接到所述触摸控制芯片。

本领域技术人员应理解，图2A示出的仅仅是感应电极的一种排列方式，在具体实施中，感应电极可排列成任何二维阵列。此外，各感应电极在任一方向上的间距可以是相等的，也可以是不等的。本领域技术人员亦应理解，感应电极的数量可多于图2A示出的数量。

本领域技术人员应理解，图2A示出的仅仅是感应电极的一种形状。根据其他实施例，感应电极的形状可以是矩形、菱形、三角形、圆形或椭圆形，也可以是不规则形状。所述触摸感应电极的边缘上还可以有锯齿。各感应电极的图案可以是一致的，也可以是不一致的。例如，中部的感应电极采用菱形结构，边缘的采用三角形结构。

此外，各感应电极的大小可以是一致的，也可以是不一致的。例如，靠里的感应电极尺寸较大，靠边缘的尺寸较小，如此有利于走线和边沿的触摸精度。

图3是根据本公开实施例二的感应电极阵列的俯视图。图3所示的感应电极阵列基于自电容的触摸检测原理。每个感应电极对应触摸板上特定位置，在图3中，2a-2d表示不同感应电极。21表示一个触摸，当触摸发生在某感应电极所对应的位置时，该感应电极上的电荷改变，因此，检测该感应电极上的电荷（电流/电压），能够知道该感应电极有没有发生触摸事件。一般而言，这可以通过模数转换器（ADC）把模拟量转换为数字量来实现。感应电极的电荷改变量与感应电极被覆盖的面积有关，例如，图3中感应电极2b和2d的电荷改变量大于感应电极2a和2c的电荷改变量。

触摸板上的每个位置均有对应的感应电极，感应电极之间没有物理连接，因此，本公开实施例所提供的电容式触摸板能够实现真正的多点触控，避免了现有技术中自电容触摸检测的鬼点问题以及噪声在电极间传递而引起的误差，显著提高了信噪比。

作为一个示例，在图3中各感应电极可以通过导线连接到总线22，然后与触摸控制芯片相连接。

图4至图7示出了根据本公开实施例三的感应电极驱动方法。如图4所示，感应电极19由驱动源24驱动，驱动源24可以是电压源或电流源。对于不同的感应电极19，驱动源24不一定采用相同的结构。例如，可以部分采用电压源，部分采用电流源。此外，对于不同的感应电极19，驱动源24的频率可以相同，也可以不同。时序控制单元23控制各驱动源24工作的时序。

各感应电极19的驱动时序有多种选择。以下以n个感应电极（D1、D2……Dj、Dk……Dn）为例说明。

如图5A所示，所有感应电极同时驱动，同时检测。这种方式完成一次扫描所需要的时间最短，驱动源数量最多（与感应电极的数量一致）。如图5B所示，感应电极的驱动源被分成若干组，每组依次驱动特定区域内的电极。这种方式能够实现驱动源复用，但会增加扫描时间，不过通过选择合适的分组数量，可以使驱动源复用和扫描时间达到折中。

图5C示出了常规互电容触摸检测的扫描方式。假设有n个驱动通道（TX），每个TX的扫描时间为Ts，则扫描完一帧的时间为n*Ts。而采用本实施例的感应电极驱动方法，可以将所有感应电极一起检测，扫描完一帧的时间最快仅Ts。也就是说，与常规互电容触摸检测相比，本实施例的方案能够将扫描频率提高n倍。

对于一个有40个驱动通道的互电容触摸板，如果每个驱动通道的扫描时间为500us，则整个触摸板（一帧）的扫描时间为20ms，即帧率为50Hz。50Hz往往不能达到良好使用体验的要求。本公开实施例的方案可以解决这个问题。通过采用排列成二维阵列的感应电极，所有电极可以同时检测，在每个电极的检测时间保持500us的情况下，帧率达到2000Hz。这大大超出了多数触摸板的应用要求。多出来的扫描数据可以被数字信号处理端利用，用于例如抗干扰或优化触摸轨迹，从而得到更好的效果。

优选地，检测每个感应电极的自电容。感应电极的自电容可以是其对地电容。

作为一个示例，可采用电荷检测法。如图6所示，驱动源41提供恒定电压V1。电压V1可以是正压、负压或地。S1和S2表示两个受控开关，42表示感应电极的对地电容，45表示电荷接收模块，电荷接收模块45可将输入端电压钳位至指定值V2，并测量出输入或输出的电荷量。首先，S1闭合S2断开，Cx的上极板被充电至驱动源41所提供的电压V1；然后S1断开S2闭合，Cx与电荷接收模块45发生电荷交换。设电荷转移量为Q1，Cx的上极板电压变为V2，则由C=Q/ΔV，有Cx=Q1/(V2-V1)，从而实现了电容检测。

作为另一个示例，也可采用电流源，或者通过感应电极的频率来获得其自电容。

可选地，在使用多个驱动源的情况下，当检测一个感应电极时，对于与该感应电极相邻的或周边的感应电极，可选择不同于该被测电极的驱动源的电压。出于简洁的目的，图7仅示出了三个感应电极：一个被测电极57和两个相邻电极56和58。本领域技术人员应理解，以下例子也适用于更多个感应电极的情况。

与被测电极57相连接的驱动源54通过开关S2连接到电压源51，以实现对被测电极57的驱动；而与被测电极57相邻的感应电极56和58与驱动源53和55相连接，它们可以通过开关S1和S3连接到电压源51或特定的参考电压52（Vref，例如地）。若开关S1和S3连接到电压源51，即用同一电压源同时驱动被测电极及其周边的电极，这样能够减小被测电极和其周边电极的电压差，有利于减小被测电极的电容和有利于防范水滴形成的虚假触摸。

优选地，触摸控制芯片配置为通过驱动源的参数来调整触摸检测的灵敏度或动态范围，所述参数包括幅度、频率和时序之中的任一个或组合。作为一个示例，如图7所示，驱动源的参数（例如，驱动电压、电流和频率）以及各驱动源的时序可由触摸控制芯片内的信号驱动单元的控制逻辑50控制。通过这些参数，可以调整不同的电路工作状态，例如高灵敏度、中等灵敏度或低灵敏度，或不同的动态范围。

不同的电路工作状态可适用于不同的应用场景。图8示出了根据本公开实施例三的电容式触摸板的四个应用场景：手指正常触摸，手指悬浮触控，有源/无源笔或细小导体，以及带手套触摸。结合上述参数，可以实现对一个或多个正常触摸以及一个或多个细小导体触摸的检测。本领域技术人员应理解，尽管图7示出的信号接收单元59和信号驱动单元50是分离的，在其他实施例中，它们可以由同一个电路实现。

图9示出了根据本公开实施例三的触摸控制芯片的信号流图。当感应电极上有触摸发生时，感应电极的电容会改变，这个改变量通过ADC转换成数字量，就能恢复出触摸信息。一般而言，电容改变量与该感应电极被触摸物遮盖的面积相关。信号接收单元59接收感应电极的感应数据，经信号处理单元恢复出触摸信息。

作为一个示例，以下具体描述信号处理单元的数据处理方法。

步骤61：获取感应数据。

步骤62：对感应数据进行滤波和降噪。该步骤的目的是尽量消除原始图像中的杂讯，以利后续计算。该步骤具体可采用空域、时域或门限滤波办法。

步骤63：寻找其中可能的触摸区域。这些区域包括真实的触摸区域以及无效信号。无效信号包括大面积触摸信号、电源噪声信号、悬空异常信号、以及水滴信号等等。这些无效信号有的与真实触摸接近，有的会干扰真实触摸，有的则不应被解析成正常触摸。

步骤64：异常处理，以消除上述无效信号并得到合理触摸区。

步骤65：根据合理触摸区的数据进行计算，以得到触摸位置的坐标。

优选地，可以根据二维的电容变化阵列来确定触摸位置。具体地，可以采用重心算法来根据二维的电容变化阵列确定触摸位置的坐标。

作为一个示例，触摸控制芯片可以包括：信号驱动/接收单元，配置为驱动各触摸感应电极，并接收来自各触摸感应电极的感应数据；以及信号处理单元，配置为根据感应数据来确定触摸位置。具体地，信号驱动/接收单元可以配置为用电压源或电流源驱动所述感应电极；信号处理单元可以配置为通过感应电极的电压或频率或电量来计算其自电容（例如，对地电容），并根据自电容的变化量来确定触摸位置。

此外，信号驱动/接收单元可以配置为，对于每个感应电极，在驱动该感应电极的同时，驱动其余感应电极；或者对于每个感应电极，在驱动该感应电极的同时，驱动该感应电极周边的感应电极。

图10A示出了根据本公开实施例四采用重心算法计算触摸位置的坐标的一个例子。出于简洁的目的，在以下描述中仅计算了触摸位置的一个维度的坐标。本领域技术人员应理解，可以采用相同或类似的方法获得触摸位置的完整坐标。假设图7所示的感应电极56-58被手指覆盖，对应的感应数据分别为PT1，PT2，PT3，且感应电极56-58所对应的坐标分别为x1,x2，x3。则采用重心算法得到的手指触摸位置的坐标是：

$X_{\mathrm{touch}}=\frac{\mathrm{PT}1*x1+\mathrm{PT}2*x2+\mathrm{PT}3*x3}{\mathrm{PT}1+\mathrm{PT}2+\mathrm{PT}3}---\left(1\right)$

可选地，在得到触摸位置的坐标之后还可以进行步骤66：分析以往帧的数据，以便利用多帧数据来获得当前帧数据。

可选地，在得到触摸位置的坐标之后也可以进行步骤67：根据多帧数据来跟踪触摸轨迹。此外，还可以根据用户的操作过程，得出事件信息并上报。

根据本公开实施例的电容式触摸板，能够在实现多点触控的前提下，解决现有技术中噪声叠加的问题。

以在图7中位置501引入电源共模噪声为例，以下分析噪声对触摸位置的计算的影响。

在现有技术的基于互电容触摸检测的触摸系统中，有多个驱动通道（TX）和多个接收通道（RX），而且每个RX与所有的TX连通。当系统中引入了一个共模干扰信号时，由于RX的连通性，噪声会在整个RX上传导。特别是，当在一个RX上有多个噪声源时，这些噪声源的噪声会叠加，从而使噪声幅度增加。噪声使测量的电容上的电压信号等发生摆动，从而导致非触摸点发生误报。

在本公开实施例所提供的电容式触摸板中，各感应电极间在连接到芯片内部前没有物理连接，噪声无法在感应电极间传递和叠加，避免了误报。

以电压检测法为例，噪声会引起被触摸电极上的电压变化，从而引起被触摸电极的感应数据变化。根据自电容触摸检测原理，噪声所导致的感应值与正常触摸所导致的感应值均正比于被触摸电极被覆盖的面积。

图10B示出了根据本公开实施例四有噪声的情况下采用重心算法计算触摸位置的坐标。假设正常触摸引起的感应值分别是PT1、PT2、PT3，噪声引起的感应值是PN1、PN2、PN3，则（以感应电极56-58为例）：

PT1∝C58,PT2∝C57,PT3∝C56

PNl∝C58，PN2∝C57,PN3∝C56

有：PN1=K*PT1，PN2=K*PT2，PN3=K*PT3，其中K为常数。

当噪声与驱动源的电压极性一致时，由于电压叠加最终的感应数据为：

PNT1=PN1+PT1=(1+K)*PT1

PNT2=PN2+PT2=(1+K)*PT2

PNT3=PN3+PT3=(1+K)*PT3

那么，采用重心算法得到的坐标为：

$X_{\mathrm{touch}}=\frac{\mathrm{PNT}1*x1+\mathrm{PNT}2*x2+\mathrm{PNT}3*x3}{\mathrm{PNT}1+\mathrm{PNT}2+\mathrm{PNT}3}$

$=\frac{(1+K)*\mathrm{PT}1*x1+(1+K)*\mathrm{PT}2*x2+(1+K)*\mathrm{PT}3*x3}{(\mathrm{PT}1+\mathrm{PT}2+\mathrm{PT}3)*(1+K)}$

$=\frac{\mathrm{PT}1*x1+\mathrm{PT}2*x2+\mathrm{PT}3*x3}{(\mathrm{PT}1+\mathrm{PT}2+\mathrm{PT}3)}---\left(2\right)$

可见，式（2）与式（1）相等。因此，本公开实施例的电容式触摸板对共模噪声是免疫的。只要噪声不超出系统的动态范围，就不会影响到最终确定的坐标。

本说明书中各实施例重点说明的是其他实施例的不同之处，各实施例之间相同或相似的部分可互相参照。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明不应被限制于所公开的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种电容式触摸板，其特征在于，包括：

印制电路板；

设置于印制电路板上的多个感应电极，所述多个感应电极排列成二维阵列；以及

以板上芯片（Chip-on-Board）方式绑定到印制电路板上的触摸控制芯片，所述触摸控制芯片与所述多个感应电极之中的每一个感应电极分别通过导线相连接。

2.如权利要求1所述的电容式触摸板，其特征在于，所述触摸控制芯片配置为检测每个感应电极的自电容。

3.如权利要求2所述的电容式触摸板，其特征在于，所述触摸控制芯片配置为通过以下方法检测每个感应电极的自电容：

用电压源或电流源驱动所述感应电极；以及

检测所述感应电极的电压或频率或电量。

4.如权利要求2所述的电容式触摸板，其特征在于，所述触摸控制芯片配置为通过以下方法检测每个感应电极的自电容：

驱动并检测所述感应电极，同时驱动其余感应电极；或者

驱动并检测所述感应电极，同时驱动所述感应电极周边的感应电极。

5.如权利要求3所述的电容式触摸板，其特征在于，对于各感应电极，所述电压源或电流源具有同一频率；或者

对于各感应电极，所述电压源或电流源具有两个或两个以上的频率。

6.如权利要求2所述的电容式触摸板，其特征在于，所述触摸控制芯片配置为通过以下方法检测每个感应电极的自电容：

同时检测所有感应电极的自电容；或者

分组检测各感应电极的自电容。

7.如权利要求2所述的电容式触摸板，其特征在于，所述触摸控制芯片配置为根据二维的电容变化阵列来确定触摸位置。

8.如权利要求3所述的电容式触摸板，其特征在于，所述触摸控制芯片还配置为通过所述电压源或电流源的参数来调整触摸检测的灵敏度或动态范围，所述参数包括幅度、频率和时序之中的任一个或组合。

9.如权利要求1所述的电容式触摸板，其特征在于，所述感应电极的形状是矩形、菱形、三角形、圆形或椭圆形。

10.如权利要求1所述的电容式触摸板，其特征在于，所述导线通过通孔连接到所述触摸控制芯片。

11.如权利要求1所述的电容式触摸板，其特征在于，所述印制电路板是双层印制电路板；所述多个感应电极设置于所述双层印制电路板的顶层上；所述触摸控制芯片以板上芯片方式绑定到所述双层印制电路板的底层上。

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