CN103353819B - 具有高精度手写笔输入功能的自电容多点触摸屏 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高精度手写笔输入功能的自电容多点触摸屏，该自电容多点触摸屏由下至上依次包括透明绝缘衬底、下透明导电层、透明半导体层、栅绝缘层、上透明导电层和钝化绝缘层，下透明导电层包括若干条相互平行的触控感应线和自电容电极；上透明导电层包括若干条相互平行且与触控感应线垂直绝缘相交的行扫描线，行扫描线设有与其电连接的第一栅极；透明半导体层设有第一沟道区，位于第一沟道区两侧且与其接触的第一源极和第一漏极；透明半导体层与栅绝缘层和上透明导体层构成第一薄膜晶体管，分别以第一源极、第一漏极和第一栅极为源极、漏极和栅极。本发明解决了自电容多点触摸屏的“鬼点”问题，又有高精度手写笔输入功能。

Description

具有高精度手写笔输入功能的自电容多点触摸屏

技术领域

本发明涉及一种触摸屏技术领域，尤其是涉及一种具有高精度手写笔输入功能的自电容多点触摸屏。

背景技术

多点触控技术，就是可以多个手指或多个用户同时在一块触控面板上操作，与系统实时互动。随着智能手机、平板电脑等便携式数码设备迅速普及，多点触控屏已成为人机交互的重要工具。有很多方法可以实现这种技术，其中包括电阻感应、表面声波感应、红外线感应、摄像头探测、投射式电容感应、光感应和电磁谐振等。投射式电容感应触摸屏由于具有成本相对较低、灵敏度高、透光度高、轻触性和便携性等优点，已经成为多点触控的主流技术。

投射式电容触控屏是在玻璃表面用一层或多层透明导电电极ITO(IndiumTinOxide)制作x和y轴电极矩阵，当手指触摸时，手指和ITO表面形成一个耦合电容，引起电流的微弱变动，通过扫描x轴和y轴电极矩阵，检测触摸点电容量的变化确定触摸点所在位置。投射式电容触摸屏主要有互电容触摸屏和自电容触摸屏两种。互电容触摸屏的结构如图1(a)所示，x轴和y轴电极交叉处形成互电容，即x轴和y轴电极分别构成互电容的两个电极。其中y轴设有互电容行扫描线1，x轴设有互电容列感应线2。触控检测时，互电容行扫描线1依次发出激励信号，互电容列感应线2同时接收信号，直接检测得到每个触摸点的x轴和y轴坐标，准确识别出每个触控点的位置。自电容触摸屏的结构如图1(b)所示，x轴和y轴电极交叉处不形成电容，所有电极与虚地(如手指)形成自电容，其中y轴设有自电容行感应线4，x轴设有自电容列感应线3。触控检测时，自电容行感应线和自电容列感应线分别发出激励信号，分别确定出触控点的x轴和y轴坐标。根据触控检测原理，可以看出互电容触摸屏设有互电容行扫描线1，对各行逐行扫描输入激励信号，先通过逐行扫描确定各行有没有触摸，然后通过互电容列感应线2确定触摸点的位置，可以识别多点触摸。而自电容触摸屏由于行和列都是感应线，属于自激励方式，如有两个触摸点不在同一行或列上，那么就会感应到这两触摸点的自电容行感应线4和自电容列感应线3相互交叉的4个点，其中有两个点是实际触摸点，而另外两个点就不能确定是否触摸，形成所谓的“鬼点”，难以实现真正的多点触摸，目前的多点电容触摸屏多为互电容触摸屏。

互电容式触控矩阵属于无源驱动，其在低密度的电极阵列排布时，受寄生电容的影响很小，但精度低，只有1cm²，能够识别笔尖直径为～5mm的电容笔输入。如果为了提高精度而进行高密度电极阵列排布，一个手指会同时触摸到几十个触控点，各电极之间的“互扰”将加剧，寄生电容也随之迅速增大以至于无法识别某个触控点是否触摸。从图2可以看出互电容触摸屏的识别率(输出电压变化量/输入电压)随触控点的增多而快速减小：当触控点从1点增加到50点(一个手指可以覆盖几十个触控点)时，识别率从50％左右急剧下降到2％以下，最终导致系统无法识别。因此，这种互电容触摸屏无法同时实现手指多点触摸和笔尖直径较小(<5mm)的手写笔输入两种功能。

为了实现电容屏的精细化手写笔输入，现在很多公司开始使用组合触摸屏的方式。例如三星公司近年推出的用SPen电磁笔操作的平板电脑GalaxyNote10.1和智能手机GalaxyNote2，就是采用电磁触控屏和电容触摸屏双屏合一的方式，在表面采用电容触摸屏，在显示屏内部安装电磁式感应板。手指操作时，启用电容触摸屏，而在拿出SPen之后，启用电磁触控屏。通过这种双屏合一的方式就可以在保留电容屏的手指输入功能的基础上增加高精度手写笔输入的功能，备受关注。但该方法依然有待改进，如两套触控屏需要复杂的工艺流程和外围电路，导致制备成本高，触摸屏厚度大，较大的体积，而且也会影响透光度，且电磁笔也是特制的，可替代性不强。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种能够同时实现高精度手写笔输入和高灵敏度手指多点触控功能的全透明自电容多点触摸屏。

一种具有高精度手写笔输入功能的自电容多点触摸屏，由下至上依次包括透明绝缘衬底、下透明导电层、透明半导体层、栅绝缘层、上透明导电层和钝化绝缘层，其特征在于，

下透明导电层包括若干条相互平行的触控感应线和自电容电极；

上透明导电层包括若干条相互平行且与触控感应线垂直绝缘相交的行扫描线，所述行扫描线上设有第一栅极，且第一栅极与行扫描线电连接；

透明半导体层设有第一沟道区，以及位于第一沟道区两侧且与第一沟道接触的第一源极和第一漏极；

透明半导体层与栅绝缘层和上透明导体层构成第一薄膜晶体管，分别以第一源极为源极，第一漏极为漏极，第一栅极为栅极，第一源极与触控感应线电连接，第一漏极与自电容电极电连接；

所述的自电容电极和第一薄膜晶体管一一对应设置在触控感应线和行扫描线相交形成的栅格内。所述的栅绝缘层或钝化绝缘层均采用透明材料制成。与透明绝缘衬底、下透明导电层、透明半导体层和上透明导电层组成全透明的电容触摸屏，透光度好。

所述的栅绝缘层或钝化绝缘层材质为介电常数大于4ε₀的介电绝缘材料。

作为优选，所述介电绝缘材料为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或三氧化二铝。

所述的栅绝缘层厚度在10～500nm之间。可根据需要调节栅绝缘层厚度调节薄膜晶体管的阈值电压和工作电压。

所述的透明半导体层材质是锌氧化物、锡氧化物、铜氧化物和铟氧化物中的一种，或者是锌氧化物、锡氧化物、铟氧化物、镓氧化物、铝氧化物、钛氧化物、银氧化物和铜氧化物中至少两种组成的混合物。

所述的下透明导电层或上透明导电层的材质为透明导电氧化物。

所述的透明导电氧化物为铟锡氧化物或铝、铟、镓掺杂的氧化锌。该类氧化物具有良好的透光性和导电性，且沉积工艺简单、兼容性强。

所述的透明绝缘衬底材料为玻璃或聚对苯二甲酸柔性材料。

作为优选，所述的透明半导体层设有第二沟道区，以及位于第二沟道区两侧且与第二沟道接触的第二源极和第二漏极；

所述的行扫描线上还设有第二栅极，且第二栅极与行扫描线电连接；

透明半导体层与栅绝缘层和上透明导体层构成第二薄膜晶体管，分别以第二源极为源极，第二漏极为漏极，以第二栅极为栅极，第二栅极所在行扫描线与形成第一薄膜晶体管栅极的第一栅极所在的行扫描线相邻，第二源极和第二栅极电连接，第二漏极与自电容电极电连接。

所述的第二薄膜晶体管为充电晶体管，第一薄膜晶体管为放电晶体管，两个晶体管共同控制同一个自电容电极的充电或放电，并通过自电容电极放电时，流经触控感应线上的电荷变化来检测触控点的位置。

第二薄膜晶体管作为充电薄膜晶体管，通过其导通和截止状态，控制自电容电极的充放电，通过电荷变化检测触摸点的位置，能够进一步减少检测时产生的寄生电容，有利于提高触摸屏的精度。

本发明的具有高精度手写笔输入功能的自电容多点触摸屏可通过如下步骤制备得到：

1)在透明绝缘衬底上沉积形成下透明导电层，并刻蚀或剥离形成触控感应线和自电容电极；

2)在经步骤1形成触控感应线和自电容电极后的下透明导电层上沉积形成透明半导体层，经过刻蚀后形成有第一沟道区和第二沟道区；

3)沉积形成栅绝缘层，覆盖透明半导体层；

4)在栅绝缘层上沉积形成上透明导电层，并刻蚀或剥离成设有第一栅极和第二栅极的行扫描线；

5)以光刻胶做挡板，采用离子注入法，使硼元素以离子形式穿过栅绝缘层注入到透明半导体层，形成第一源极和第一漏极，以及第二源极和第二漏极；

6)在上透明半导体层上沉积形成钝化绝缘层。

所述的沉积方法为化学气相法，物理气相法，电化学法或溶胶凝胶法。

利用晶体管控制自电容的开启与关闭，通过在行扫描线上施加栅电压逐行开启薄膜晶体管，触控感应线侦测到当前开启的自电容的电容值变化，确定触控点位置。当高密度电极阵列排布和多点触摸时，感应电路只会检测到被打开的某个触控点的电容值，而检测不到其它已关闭的触控点电容，消除了自电容多点触摸屏的“鬼点”现象。

本发明的具有高精度手写笔输入功能的电容触摸屏为全透屏，透光度好。使用时可设于显示面板的表面，也可内嵌入显示面板，能够替代传统鼠标完成需精确定位的工作，可应用于商务签名，网银数码认证等，使用范围广，操作方便。

附图说明

图1(a)为现有技术的互电容触摸屏结构示意图；

图1(b)为现有技术的自电容触摸屏结构示意图；

图2为互电容识别率与触控点个数的关系图；

图3为本发明实施例1的具有高精度手写笔输入功能的自电容多点触摸屏的结构图；

图4为本发明实施例1的具有高精度手写笔输入功能的自电容多点触摸屏的工作原理图；

图5为本发明实施例1的具有高精度手写笔输入功能的自电容多点触摸屏的各图案层的示意图；

图6为本发明实施例2的具有高精度手写笔输入功能的自电容多点触摸屏的结构图；

图7为本发明实施例2的具有高精度手写笔输入功能的自电容多点触摸屏的工作原理图；

图8为本发明实施例2的具有高精度手写笔输入功能的自电容多点触摸屏的各图案层的示意图。

符号说明

1：互电容行扫描线2：互电容列感应线

3：自电容列感应线4：自电容行感应线

5：透明绝缘衬底6：下透明导电层

7：透明半导体层8：栅绝缘层

9：上透明导电层10：钝化绝缘层

11：自电容电极12：触控感应线

13：第一沟道区14：第一漏极

15：第一源极16：行扫描线

17：第一薄膜晶体管18：触摸点

19：第二沟道区20：第二漏极

21：第二源极22：第二薄膜晶体管

23：第一栅极24：第二栅极

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，兹列举较佳实施例并结合附图对本发明作进一步的详细描述。

实施例1

如图3所示，此电容触摸屏由下至上依次包括透明绝缘衬底5，下透明导电层6，透明半导体层7，栅绝缘层8，上透明导电层9和钝化绝缘层10；下透明导电层6包括若干条相互平行的触控感应线12和自电容电极11，上透明导电层9包括若干条相互平行且与触控感应线12垂直绝缘相交的行扫描线16，行扫描线16上设置有第一栅极23，第一栅极23与行扫描线16电连接。透明半导体层7设有第一沟道区13，以及位于第一沟道区13两侧的第一漏极14和第一源极15，透明半导体层7与栅绝缘层8和上透明导电层9构成第一薄膜晶体管17，第一薄膜晶体管17分别以第一源极为源极，第一漏极为漏极，第一栅极23为栅极，源极与触控感应线12电连接，漏极与自电容电极11电连接，栅极与行扫描线16电连接。

在玻璃透明绝缘衬底5上采用磁控溅射法沉积铟锡氧化物(ITO)薄膜形成下透明导电层6，并刻蚀形成触控感应线12和自电容电极11；在以上形成触控感应线12和自电容电极11的下透明导电层6上采用磁控溅射法沉积氧化锌薄膜形成透明半导体层7，经过刻蚀后形成含有第一沟道区13的有源区；采用化学气相法沉积二氧化硅薄膜形成栅绝缘层8，覆盖透明半导体层7；采用磁控溅射法在栅绝缘层8上沉积ITO薄膜形成上透明导电层9，并剥离形成设有第一栅极23的行扫描线16；以光刻胶做挡板，采用离子注入法，使硼元素以离子形式穿过栅绝缘层8注入到透明半导体层7，形成第一源极15和第一漏极14；采用化学气相法在上透明导电层9上沉积氮化硅薄膜形成钝化绝缘层10。

如图4、5所示，本实施例的具有高精度手写笔输入功能的自电容多点触摸屏的单个触控像素单元包括一个自电容电极11、一条触控感应线12、一个第一薄膜晶体管17和一条行扫描线16。第一薄膜晶体管17的栅极连接到行扫描线16，漏极和源极分别与自电容电极11和触控感应线12相连。

工作时，脉冲电压依次输入行扫描线16，并依次打开相应行的第一薄膜晶体管17，这时该行的自电容电极11与旁边的触控感应线12连通，而其他行的第一薄膜晶体管17关闭，相应的自电容电极11与触控感应线12断开。外围电容侦测电路发出高频的方波激励信号到触控感应线12和相应开启行的自电容电极11。当手指触摸面板中的触摸点18时，手指为虚地，成为接地电极，与该触控像素单元内的自电容电极11组成一个自电容，激励信号通过此自电容阻抗与地形成回路。当手指逐渐接近触摸屏时，电容值变大，电容阻抗变小，激励信号的电流变大，通过侦测此电流的变化来确定当前列是否有触控。再通过依次扫描输入行扫描线16不断开启各行来确定行数，最终确定触摸点18的位置。

实施例2

本实施2的具有高精度手写笔输入功能的自电容多点触摸屏的结构如图6所示，与实施例1中的结构基本相同，所不同的透明半导体层7还设有第二沟道区19，以及位于第二沟道区19两侧的第二漏极20和第二源极21，行扫描线16上设有第二栅极24，第二栅极24与行扫描线16电连接；该透明半导体层7与栅绝缘层8和上透明导体层9构成第二薄膜晶体管22，以第二源极21为源极，以第二漏极20为漏极，以第二栅极24为栅极，第二栅极24所在的行扫描线16与形成第一薄膜晶体管17的第一栅极所在的行扫描线16相邻。第二薄膜晶体管22的源极和栅极电连接，栅极与行扫描线16电连接，漏极与自电容电极11电连接。

如图7、8所示，本实施2的具有高精度手写笔输入功能的自电容多点触摸屏的单个触控像素单元组成与实施1的单个触控像素单元组成基本相同，所不同的是本实施例2中多包含了一个第二薄膜晶体管22，且第二薄膜晶体管22的栅极与第一薄膜晶体管17的栅极分别连接到两条相邻的行扫描线16上。第二薄膜晶体管22的源极和栅极电连接，漏极与自电容电极11相连。第二薄膜晶体管22作为充电薄膜晶体管，其导通和截止状态控制自电容电极11的充电和放电。工作时，脉冲电压依次输入行扫描线16，依次开启各行的第二薄膜晶体管22，并给下一行的自电容电极11充电，而下一个脉冲开启此行的自电容电极11连接的第一薄膜晶体管17，给自电容电极11放电，电荷流经触控感应线12由外围电容侦测电路收集并转换为电容值，最终确定触控点的位置。

本实施的具有高精度手写笔输入功能的自电容多点触摸屏的制备方法如下：在玻璃透明绝缘衬底5上采用磁控溅射法沉积ITO薄膜形成下透明导电层6，并刻蚀形成触控感应线12和自电容电极11；在以上形成触控感应线12和自电容电极11的下透明导电层6上采用磁控溅射法沉积氧化锌薄膜形成透明半导体层7，经过刻蚀后形成含有第一沟道区13和第二沟道区19的有源区；采用化学气相法沉积二氧化硅薄膜形成栅绝缘层8，覆盖透明半导体层7；采用磁控溅射法在栅绝缘层8上沉积ITO薄膜形成上透明导电层9，并剥离成设有第一栅极23和第二栅极24的行扫描线16；以光刻胶做挡板，采用离子注入法，使硼元素以离子形式穿过栅绝缘层8注入到透明半导体层7，形成第一源极15和第一漏极14，以及第二源极21和第二漏极20；在上透明导电层9上采用化学气相法沉积氮化硅薄膜形成钝化绝缘层10。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种具有高精度手写笔输入功能的自电容多点触摸屏，由下至上依次包括透明绝缘衬底、下透明导电层、透明半导体层、栅绝缘层、上透明导电层和钝化绝缘层，其特征在于，

下透明导电层包括若干条相互平行的触控感应线和自电容电极；

上透明导电层包括若干条相互平行且与触控感应线垂直绝缘相交的行扫描线，所述行扫描线上设有第一栅极，且第一栅极与行扫描线电连接；

透明半导体层设有第一沟道区，以及位于第一沟道区两侧且与第一沟道接触的第一源极和第一漏极；

透明半导体层与栅绝缘层和上透明导体层构成第一薄膜晶体管，分别以第一源极为源极，第一漏极为漏极，第一栅极为栅极，第一源极与触控感应线电连接，第一漏极与自电容电极电连接；

所述的自电容电极和第一薄膜晶体管一一对应设置在触控感应线和行扫描线相交形成的栅格内。

2.如权利要求1所述的具有高精度手写笔输入功能的自电容多点触摸屏，其特征在于，所述的栅绝缘层或钝化绝缘层均采用透明材料制成。

3.如权利要求2所述的具有高精度手写笔输入功能的自电容多点触摸屏，其特征在于，所述的栅绝缘层或钝化绝缘层材质为介电常数大于4ε₀的介电绝缘材料。

4.如权利要求3所述的具有高精度手写笔输入功能的自电容多点触摸屏，其特征在于，所述介电绝缘材料为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或三氧化二铝。

5.如权利要求3所述的具有高精度手写笔输入功能的自电容多点触摸屏，其特征在于，所述的栅绝缘层厚度在10～500nm之间。

6.如权利要求1所述的具有高精度手写笔输入功能的自电容多点触摸屏，其特征在于，所述的透明半导体层材质是锌氧化物、锡氧化物、铜氧化物和铟氧化物中的一种，或者是锌氧化物、锡氧化物、铟氧化物、镓氧化物、铝氧化物、钛氧化物、银氧化物和铜氧化物中至少两种组成的混合物。

7.如权利要求1所述的具有高精度手写笔输入功能的自电容多点触摸屏，其特征在于，所述的下透明导电层或上透明导电层的材质为透明导电氧化物。

8.如权利要求7所述的具有高精度手写笔输入功能的自电容多点触摸屏，其特征在于，所述的透明导电氧化物为铟锡氧化物或铝、铟、镓掺杂的氧化锌。

9.如权利要求2所述的具有高精度手写笔输入功能的自电容多点触摸屏，其特征在于，所述透明绝缘衬底的材料为玻璃或聚对苯二甲酸柔性材料。

10.如权利要求1-9中任一权利要求所述的具有高精度手写笔输入功能的自电容多点触摸屏，其特征在于，

所述的透明半导体层设有第二沟道区，以及位于第二沟道区两侧且与第二沟道接触的第二源极和第二漏极；

所述的行扫描线上还设有第二栅极，且第二栅极与行扫描线电连接；

透明半导体层与栅绝缘层和上透明导体层构成第二薄膜晶体管，分别以第二源极为源极，第二漏极为漏极，以第二栅极为栅极，第二栅极所在行扫描线与形成第一薄膜晶体管栅极的第一栅极所在的行扫描线相邻，第二源极和第二栅极电连接，第二漏极与自电容电极电连接；

所述的第二薄膜晶体管为充电晶体管，第一薄膜晶体管为放电晶体管，两个晶体管共同控制同一个自电容电极的充电或放电，并通过自电容电极放电时，流经触控感应线上的电荷变化来检测触控点的位置。