CN103576960A - 触摸屏压力、位置感应方法及感应元件和电子触摸设备 - Google Patents

Abstract

本发明适用于触摸技术领域，提供了一种触摸屏压力及位置感应方法，其是设置一基板，并于该基板上设置电极层，该电极层上分布有多条相互独立的电极；多个应变传感器设于所述基板上，用于测量该基板受到压力时所产生的表面形变，并使各应变传感器连接两条不同的电极；上述导电电极将各传感器检测的形变信息转换成电信号传送给触摸屏控制器；触摸屏控制器接收感应信息后，将其转换成触点坐标，传送给处理器，由处理器对其进行数据分析处理。本发明还提供了触摸屏压力及位置感应元件和电子触摸设备。与现有触摸屏相比，本发明只需在一片基板上集成电极，电路设计简单，便于集成，成本低，由于减少了绝缘层，也降低了光损失，提高了触摸屏的透明度。

Description

触摸屏压力、位置感应方法及感应元件和电子触摸设备

技术领域

本发明属于触摸感应技术领域，尤其涉及一种触摸屏压力、位置感应方法及感应元件和电子触摸设备

背景技术

触摸屏作为计算机或其他数据处理设备的一种直观简捷的输入工具，被广泛应用于各种移动设备中。目前存在许多不同类型的触摸感应技术，主要包括电容型，电阻型，红外线型和表面声波型，可探测到单点或多点触摸位置。理想的触摸屏不仅能够感应触摸位置，而且还能感应触摸的压力，这种压力传感为触摸输入提供了一个额外的自由度，并能适应不同的输入方法，如手写笔，手指，以及戴着手套的手指等。因此，压力和位置的触摸感应技术也是本领域的研究热点之一。

现有技术中存在一种根据压力定位的触摸装置，如美国专利7196694，其在触摸屏的周围设置压力传感器，根据不同的传感器测得的压力的比例确定一个触摸位置。但是，这种触摸屏的机械构造非常复杂，对制造工艺的要求非常严格，在实际中难以实现。又如美国专利申请公布的2007/0229464，其使用电容式压力传感器阵列，这些透明的传感器覆盖显示表面而构成触摸屏。然而，这种电容式压力传感器具有有限的空间分辨率，且结构比较复杂。

现有技术还出现一种像素化的压力感应触摸屏，如美国专利申请公布的2009/0237374，其采用两个互相垂直的透明电极组，分别置于一个透明的压力感应层（TFS）的上下表面，通过TFS的电阻变化来感应压力，可同时测出触摸位置和压力大小。但这种触摸屏仍存在技术缺陷，TFS层会导致透明度降低，并且这种触摸屏的结构和电路仍较复杂，不便于集成，生产成本较高。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种触摸屏压力、位置感应方法，旨在解决现有触摸屏的构造复杂、不易集成且成本高的问题。

本发明触摸屏压力、位置感应方法技术方案是：

设置一基板，并于该基板上设置电极层，该电极层上分布有多条相互独立的电极；

设置多个应变传感器于所述基板上，用于测量所述基板受到压力时所产生的表面形变，并使各所述应变传感器与电极连接；

由上述导电电极将各传感器检测的形变信息转换成电信号传送给触摸屏控制器；

触摸屏控制器接收上述感应信息后，将其转换成触点坐标，传送给处理器，由处理器对其进行数据分析处理。

本发明还提供了一种触摸屏压力及位置感应元件，包括：

一基板，于所述基板表面上形成有电极层，所述电极层包括多条相互独立的电极，

多个应变传感器，分布于所述基板上，用于测量所述基板受到压力时所产生的表面形变，每个所述应变传感器均与所述电极连接。

本发明还提供一种电子触摸设备，包括触摸屏控制器、处理器及压力感应触摸屏，所述压力传感触摸屏具有上述所述的触摸屏压力及位置感应元件。

采用本发明触摸屏压力、位置感应方法，只需在一片基板上集成电极，在两电极之间设置应变传感器，便可通过测量基板下表面的应变而确定触摸位置和压力大小。较之于现有的触摸屏感应方式，在结构上可得到明显的简化，使电路设计更加简单，便于集成，大幅度的降低了成本。

本发明触摸屏压力及位置感应元件与现有触摸屏相比，减少了一基板、一电极层以及一绝缘层，在结构上得到明显的简化，电路设计更加简单，便于集成，大幅度的降低了成本；并且，由于减少了绝缘层，也降低了光损失，提高了触摸屏的透明度。

本发明触摸屏压力及位置感应元件适用于各种电子触摸设备中。

附图说明

图1是触摸面板受压形变时的状态图；

图2是本发明实施例压力感应触摸屏的俯视结构示意图（一）；

图3是本发明实施例压力感应触摸屏的侧视结构示意图；

图4是本发明实施例压力感应触摸屏的俯视结构示意图（二）；

图5是本发明实施例压力感应触摸屏中的应变传感器的结构示意图；

图6是本发明实施例电子触摸设备结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，当一个有限厚度的面板101在受到触摸动作产生的压力时，将会发生形变，其形变量依赖于面板101的物理尺寸、杨氏模量等等。然而，对于一个既定的触摸屏，面板101的形变度将只依赖于作用到面板表面的力的大小和位置。这个形变会导致面板101上下表面产生应变，使上表面被压缩而下表面被拉伸。这个应变在靠近压力中心的位置最大，并从压力中心向外逐渐减小。因此，如果将其表面的应变程度分布状况测量出来，即可推算出触摸的位置和压力大小。理论上来说，无论是测量上表面还是下表面都可以确定触摸的位置和压力大小，但感应触摸动作的传感器通常分布于触摸屏的下表面，使其免受外界物体的干扰和损伤，因此通常根据被触摸面板的下表面的应变状况确定触摸位置和压力。

基于上述原理，本发明提供了一种触摸屏压力及位置感应方法，可用于各种电子触摸设备，为触摸输入提供更加丰富的信息，其是设置一用于触摸施压的基板，并于该基板上设置电极层，该电极层上分布有多条相互独立的电极；将多个应变传感器设置于所述的基板上，用于测量该基板受到压力时所产生的表面形变，并使各所述应变传感器与电极连接；基板某一位置受到向下的压力时，导致其自身的物理状态发生改变，应变传感器可以感应触摸动作，即应变传感器可检测其形变信息，通过上述导电电极，可产生相应的传感信号，该传感信号具体可以是变化的电阻信号等，由电极输出。这样，通过收集多个应变传感器产生的传感信号，将该电信号传送给触摸屏控制器；触摸屏控制器接收上述感应信息，并将它转换成触点坐标，再送给处理器，由处理器对其进行数据分析处理，可以确定该触摸动作发生的位置和触摸压力的大小，并且可以通过计算机模拟和实验对照等方法实现多点触控的探测。本领域普通技术人员可以理解，上述数据处理的方法可以预先根据现有触摸技术确立，此处不需详细说明。

上述方法，只需在一片基板上集成电极，并使电极连接应变传感器，便可通过测量基板下表面的应变而确定触摸位置和压力大小。较之于现有的触摸屏感应方式，在结构上可得到明显的简化，使电路设计更加简单，便于集成，大幅度的降低了成本，从而实现了本发明目的。

作为本发明方法进一步设计，还可以对所有应变传感器以预定的速度（如60赫兹）进行扫描，并确定每一帧中的触摸位置和力量，进而确定触摸点相对于时间的移动，从而根据预定的算法判断触摸的手势。例如，当触摸位置随时间由右至左移动时，对应一个翻页的动作。此外，压力信息可以用来进一步定义此触摸动作，例如，以更大的力量翻页则可以判断其翻页的数量更多。该预定的算法可以在制作产品时以软件的形式集成到触摸屏中，当触摸屏获取触摸的位置和压力信息后自动判断识别触摸动作的功能。

根据上述方法，本发明提供了一种触摸屏压力及位置感应元件，如图2所示，其主要包括一透明的基板1，在基板1的表面上形成有电极层2，电极层2包括多条相互独立的电极21，电极21的两端自基板的边缘引出。在电极层2之上还设有多个应变传感器3，分布于所述基板1上，用于测量所述基板1受到压力时所产生的表面形变，每个应变传感器3均与电极21连接，可连接两条不同的电极，或相邻两个传感器共用一条电极，还可以采用其他连接方式。这样，应变传感器3可以感应来自透明的基板1上的触摸动作，进而产生相应的传感信号，该传感信号通过与应变传感器3相连的电极21输出。

本发明触摸屏压力及位置感应元件与现有触摸屏结构相比，只需在一片基板上集成电极，在两电极之间设置应变传感器，减少了一基板、一电极层以及一绝缘层，在结构上得到明显的简化，电路设计更加简单，便于集成，大幅度的降低了成本；并且，由于减少了绝缘层，也降低了光损失，提高了触摸屏的透明度。

进一步结合附图3，本实施例还可以在电极层2和应变传感器3之上覆盖一层透明的绝缘保护层4，该绝缘保护层4用于保护应变传感器3和电极层2不受外界影响。

进一步结合附图2，本实施例中的电极21可以通过沉积的方式形成于基板1的表面，具体可以先在基板1的一端沉积多条金属导出电极211，然后再形成相同数量的透明电极212，一端与金属导出电极211相接，另一端延伸至基板1的另一端。当然也可以直接形成两端延伸至基板两边的电极21。同时，电极21也可以是非透明的，例如金属电极，此时可将电极21的线宽限制在50μm之内，使其达到肉眼无法分辨的程度，避免影响触摸屏的透明度。

同样的，为了避免应变传感器3对触摸屏的透明度产生影响，可将应变传感器3的尺寸进行限制。具体的，其长度和宽度可为10~150μm，高度可为1~50μm，以达到肉眼无法辨别的程度。

在本实施例中，电极层2的具体结构可有多种。优选的，该电极层2由多条并列排布的电极21构成，应变传感器3则设于相邻两条电极21之间，并与电极21电性连接，如图2。应变传感器3可以均匀分布，也可以非均匀分布，如自电极层2的边缘向中心逐渐稀疏，当然还可采用其他分布形式。每个应变传感器3产生的触摸信号由与其相连的两条电极21输出。这种电极结构非常简洁、易于集成，制造成本较低。

作为另一种优选的实现方式，如图4，电极层2还可以由两组相互交叉的电极构成，每组电极均包括多条并列排布的电极21，整个电极层2呈现一种网格结构，任意两条电极21均会相互交叉，并且两条电极在其交叉点处通过一绝缘层5上下隔离，而在非交叉点处，两电极仍然处于同层，且均附于基板1上。多个应变传感器3分散设置于各交叉点处，并且与该交叉点对应的两条电极21电性连接。每个应变传感器3产生的触摸信号由与其相连的两条电极21输出。当然，在这种电极结构中，应变传感器3也可以均匀分布或非均匀分布。

进一步优选的，两组电极可以相互正交，便于电路设计且结构整洁。上述交互式的电极结构可以在较少的电极数量的情况下连接更多的应变传感器，进而具有更高的分辨率。

进一步结合附图5，本实施例中采用的应变传感器3可以是任意一种应变传感器，包括金属线、多晶或非晶半导体、碳纳米管以及导体绝缘体复合材料等。优选的，该应变传感器可为一种复合导体，包括一绝缘聚合物基体31和均匀分散于该基体31中的导电微粒32。该绝缘基体31可以由polyester（聚脂）,epoxy（环氧树脂）,phenoxy（苯氧树脂）,silicone（有机硅塑料）等材料制作，导电颗粒32可以是金属粉末，如镍、银，也可以是碳粉或导电纳米管，还可以是氧化物粉末，如氧化铟锡、氧化锌、氧化钌等。导电微粒32的尺寸范围优选为10nm~10μm。在受到压力作用时，该传感器将发生应变，使导电微粒32的分布状态发生改变，进而使传感器的电阻发生改变，电阻的变化可以通过恒流源电路或者桥式电路来进行测量，通过电阻的变化可以确定触摸位置和压力的大小。

进一步的，还可以对导电微粒32的含量进行控制，将导电性控制在一定范围之内，以便于测量电路测量较小的电阻变化。

本发明提供的触摸屏压力及位置感应元件可适用于各种电子触摸设备中。如图6，该设备包括一压力感应触摸屏61，以及触摸屏控制器62、处理器63，还可进一步包括一显示器64，所述压力感应触摸屏61具有上述触摸屏压力及位置感应元件，触摸屏控制器62提供驱动信号到压力感应触摸屏61，压力感应触摸屏61输出的传感信号传输至触摸屏控制器62，触摸屏控制器62根据传感信号确定触摸位置和压力，并定期提供触摸位置和压力信号到处理器63，该处理器解析触摸屏控制器62输出的信号，确定触摸动作的功能并提供反馈信号至触摸屏控制器62，同时输出显示信号至显示屏64。

由于压力感应触摸屏61可同时识别触摸动作和压力的大小，使触摸动作可携带的信息更多，更加丰富了人机之间的信息交互功能，也使得采用这种触摸屏的设备更加智能化。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种触摸屏压力及位置感应方法，其特征在于，包括：

设置一基板，并于该基板上设置电极层，该电极层上分布有多条相互独立的电极；

设置多个应变传感器于所述基板上，用于测量所述基板受到压力时所产生的表面形变，并使各所述应变传感器与电极连接；

由上述导电电极将各传感器检测的形变信息转换成电信号传送给触摸屏控制器；

触摸屏控制器接收上述感应信息后，将其转换成触点坐标，传送给处理器，由处理器对其进行数据分析处理。

2.根据权利要求1所述的触摸屏压力及位置感应方法，其特征在于，对所有应变传感器以预设的速度进行扫描，用于确定每一帧中的触摸位置和力量，以及确定触摸点相对于时间的移动，从而根据预定的算法判断触摸的手势。

3.一种触摸屏压力及位置感应元件，其特征在于，包括：

一基板，于所述基板表面上形成有电极层，所述电极层包括多条相互独立的电极，

多个应变传感器，分布于所述基板上，用于测量所述基板受到压力时所产生的表面形变，每个所述应变传感器与所述电极连接。

4.如权利要求3所述的触摸屏压力及位置感应元件，其特征在于，还包括覆盖于所述应变传感器之上的透明的绝缘保护层。

5.如权利要求3所述的触摸屏压力及位置感应元件，其特征在于，所述应变传感器包括一绝缘基体和均匀分散于所述绝缘基体中的导电微粒。

6.如权利要求3或4或5所述的触摸屏压力及位置感应元件，其特征在于，所述电极层包括多条并列排布的电极，所述多个应变传感器分设于每相邻两条电极之间。

7.如权利要求3或4或5所述的触摸屏压力及位置感应元件，其特征在于，所述电极层包括多组相互交叉的电极，每组电极均包括多条并列排布的电极，所述多个应变传感器分设于各电极的交叉点处。

8.如权利要求7所述的触摸屏压力及位置感应元件，其特征在于，相互交叉的两条电极在交叉点处通过绝缘层上下隔离，非交叉的部分均附于所述基板之上。

9.如权利要求3或4或5所述的触摸屏压力及位置感应元件，其特征在于，所述应变传感器包括一绝缘基体和均匀分散于所述绝缘基体中的导电微粒。

10.如权利要求3或4或5所述的触摸屏压力及位置感应元件，其特征在于，所述多个应变传感器均匀分布于所述电极层之上，或自所述电极层的边缘向中心逐渐稀疏分布。

11.如权利要求3所述的触摸屏压力及位置感应元件，其特征在于，所述电极采用透明或非透明导线，所述非透明导线的宽度小于50μm。

12.一种电子触摸设备，包括触摸屏控制器、处理器及压力感应触摸屏，其特征在于，所述压力传感触摸屏具有权利要求3~11任一项所述的触摸屏压力及位置感应元件。

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