CN104321726B - 利用联接轨道的布置进行电容性检测的设备和实施这种设备的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有透明检测区域和通路区域的人机界面设备，所述设备包括：在检测区域中的具有由透明导电材料制成的电极的表面，布置在所述通路区域中并连接至所述具有电极的表面的导电连接轨道，存在于透明区域中并用作对所述具有电极的表面的保护装置的由透明材料制成的第一导电表面。导电连接轨道布置在用作这些导电连接轨道的第二和第三保护装置的第二和第三导电表面之间。设备还包括由透明导电材料制成的联接轨道以将导电连接轨道连接至具有电极的表面的电极，这些联接轨道为：当这些连接轨道位于检测表面上时，定位于电极之间，和当这些联接轨道位于通路区域中时，定位于第二和第三保护装置之间。

Description

利用联接轨道的布置进行电容性检测的设备和实施这种设备 的方法
技术领域
本发明涉及用于对象和电极阵列之间的电容性测量的设备。发现其特别在用于人机界面命令的2D电容性触摸表面和3D电容性检测的一般领域中应用。
背景技术
用于通信和工作的设备正越来越多地利用触摸命令界面，如面板或屏幕。例如，可以列举出移动电话、智能手机、电子笔记本、个人电脑、鼠标装置、触摸屏、宽屏显示器等。
大量的这些界面利用电容性技术。触摸表面配有连接至电子装置的导电电极，使得能够测量电极和待检测对象之间产生的电容变化以执行命令。
目前的电容性技术最经常使用行和列形式的两层导电电极。电子设备测量在这些行与列之间存在的耦合电容。当手指非常接近电活性表面时，靠近手指的耦合电容改变，电子设备由此可以定位电活性表面的平面中的2D位置(XY)。
这种技术使得能够通过电介质来检测手指的存在和位置。该技术具有对于一个或更多个手指在敏感表面的平面XY中的定位获得很高的分辨率的优点。然而，这些技术具有仅检测与对象的接触或者不超过几毫米的极其贴近的检测的缺点。戴着厚手套(滑雪手套、摩托车手套等)、用长的指甲或用触控笔难以执行触摸指令。电容性电极的低灵敏度使得不能通过厚的电介质发起命令。
检测握着便携式设备的手指的位置和数量以推断手的类型(左手或右手)以及可能的对屏幕的遮蔽也是不可能的。
近来还有更多使得能够测量在电极和待检测对象之间产生的绝对电容的技术。这种技术类似于被称为自电容的技术。例如可以举出专利FR2756048：Floating capacitivemeasuring bridge，专利FR2893711：Device and Method for Capacitive Measurementby a Floating Bridge，或专利FR2844349：Proximity Detector Comprising CapacitiveSensor。这些技术使得能够获得具有非常高的分辨率的电极与对象之间的电容的测量，并且能够检测例如在几厘米乃至在10厘米距离处的手指。空间检测在三维空间XYZ中发生，但也可以通过在平面XY内的触摸发生。这时候能够戴着手套或者通过任何类型的厚的电介质发起命令。
因此，这些技术可以通过利用绝对电容测量电子设备以便能够从最大可能距离处检测接近电活性表面的空间内(在触摸屏的上方和周边)的对象的位置。理想的是以电容性电极覆盖触摸屏的整个表面。这些电极被连接至电子单元以转换各电极与待检测对象之间产生的电容。
为了进行这些电容的绝对测量，有必要消除可能在检测区域之外、即在电极和电子电路之间出现的所有寄生电容，例如通过各电极的联接轨道、电极的底部、触摸屏和电子设备之间的带状电缆、电子电路的输入产生的寄生电容。
如在Rozière的专利FR2756048中所描述的，通过使用保护装置可以抑制这些寄生电容的很大一部分，所述保护装置的电势与电极的电势基本相等。
然而，在长距离处的空间中的检测具有检测接近面板但在其表面之外的任何对象的缺点。这可以限制命令的可能性或减小面板的可视表面或非有意地发起指令。
为此，可以提供的是，触摸屏的整个表面仅配有不具有明显电连接的电极以避免周围的对象、例如握着便携式设备的手的指端被检测为需要的对象。
一种解决方案在于利用多层电容性触摸屏、例如印刷电路板(PCB)。电容性电极沉积在待检测对象侧的外表面上，而所有的联接轨道位于在较低层的水平处的电极的下方。这些轨道利用通过电极层的金属化的孔连接至电极。所有的轨道都连接至电子设备，但直至达到连接处时才被保护(保护层位于联接轨道的下方)。因此，电极利用电子单元、例如在专利FR2756048中所描述的浮桥单元来保护轨道。
然而，出现了将这种功能整合到电话、智能手机、GPS、触摸屏或任何配有这种类型的触摸面和屏幕的设备中的困难。
电容性电极的这些表面必须配有透明电极以能够允许由位于触摸屏下方的显示器所发射的光穿过。通常地，导电电极是由氧化铟锡(ITO)制成的。这种材料具有良好的光学和电学特性。由于技术原因和涉及制造工艺和光学性能的原因，不可以使用金属化的孔并且所有的电容性电极必须利用仅位于与这些电极在同一层上的透明轨道来连接至敏感表面的外电路。
发明内容
本发明的一个目的是优化从电极至电容性电子设备的联接轨道的布置以消除所有不需要的电容，从而获得能够以最小的误差来检测一个或更多个对象的空间位置的电容性触摸屏。
本发明的另一个目的是根据握着包含电容性检测设备的便携式设备的方式引入新的功能。
本发明的另一个目的是用于改善对象检测的新的电极布置和/或形式。
所述目的的至少一个可以利用具有透明检测区域和通路区域的人机界面设备来实现，该设备包括：
-在检测区域中的具有由透明导电材料制成的电极的表面，
-布置在通路区域中并连接至具有电极的表面的导电连接轨道，
-在透明区域中由透明材料制成的、用作具有电极的表面的保护装置的第一导电表面。
根据本发明，导电连接轨道至少部分地布置在用作这些导电连接轨道的第二保护装置和第三保护装置的第二导电表面和第三导电表面之间。此外，根据本发明的设备包括由导电材料制成的、用于将导电连接轨道连接至具有电极的表面的电极的联接轨道；当联接轨道邻接检测表面上的至少一个电极时，该联接轨道由透明材料制成且定位于至少两个电极之间。
优选地，当联接轨道位于通路区域中时，该联接轨道定位于第二保护装置和第三保护装置之间。
利用根据本发明的设备，降低了联接轨道对电容测量的影响。在检测区域中，注意的是联接轨道不位于边沿的端部，它们全都在两个电极之间实施。在通路区域中，这些联接轨道布置在保护装置之间，即在下方有一个保护装置且在上方有另一个，这两个保护装置尤其是通过它们之间的电连接优选具有相等的电势。优选地，它们特别地通过它们与第一保护装置之间的电连接具有与第一保护装置相等的电势。因此，可以设想的是第二导电表面和第三导电表面的至少一个处于与第一导电表面相等的保护电势。
本发明使得能够显著地提高与检测表面接触(触摸)或与其接近(悬停)的对象的位置测量的精确度(线性等)，所述检测表面可以是设备的触摸屏。
只有被定义为敏感的检测表面上存在的电极和轨道才可以对对象的存在作出反应。因此，忽略任何不需要的对象、例如握住触摸屏的手指，进行触摸屏的校准更简单且更稳健。
然而，因为电极、特别是位于接近触摸屏的那些电极对边缘效应敏感，所以可以利用电极精确地检测这些手指。因此，可以确定在敏感表面之外的对象位置。由此可以检测手指的位置和握住便携式设备(智能手机、遥控装置、平板电脑等)的手(或任何其他对象)的位置。不透明电极也可以放在通路区域中。
优选地，第二导电表面和第三导电表面中的一个是所述第一导电表面的延长部分。例如，第一保护装置和第二保护装置可以构成一个表面。第一保护装置可以在使用透明或不透明材料的通路区域下方延伸。
根据本发明，电极和保护装置是由锡掺杂的氧化铟ITO制成的。也可以使用透光的其他材料，例如铝掺杂的氧化锌(AZO)或锡掺杂的氧化镉。
根据本发明，电极可以具有不同的形状，例如：
-矩形，
-三角形，或
-凹形。
根据本发明的一个有利特征，保护装置是基于浮桥技术设计的。此外，电容性测量优选地是自电容类型的，即，在电极和测量对象之间产生的电容的测量。
根据本发明的一个有利特征，至少一个电极布置在设备的侧边上，在所述检测区域之外。由此，在面板边缘上的检测可以用于在便携式设备、例如智能手机的侧边执行命令。该电极可以布置为替代作为保护装置的第三导电表面。
例如，可以通过在手机的侧边上滑动拇指来调节手机的声音等级，而不需要直接使用检测表面。这种优点使得能够替代在手机一侧上经常出现的机电按钮。
根据本发明的另一方面，提出一种在包括如以上限定的人机界面的装置中实施的方法。根据本发明，检测放在装置边缘的手指并根据所检测的手指的布置来更改装置的显示屏的功能。这使得能够根据例如握着便携式设备的手指的位置来整理或锁住显示器的图标。有利地，一个或更多个手指可以用于在触摸屏边缘上和在敏感表面之外的控制以执行命令。
根据本发明，可以确定手指的数量和定位以识别握着装置的手的类型。由此可以识别握着便携式设备的左手或右手。特别地，这使得能够根据是左手或还是右手握着设备来对设备的显示屏上的特定命令进行重新定位。
根据本发明，在边缘上没有检测到手指的情况下，那么可以识别装置是否以敏感表面一侧放置在其支撑物上。
根据本发明，可以使用设备的边缘借助于具有电极的表面的电极来检测对象的任何移动，以便从装置内部发起命令。这种类型的控制可以对应替代例如放置在设备边缘的机电按钮(调节音量等)的虚拟按钮。例如，可以设想的是电容性控制通过检测拇指在边缘上的移动产生，在该拇指下没有必要具有电极。这种实施方案对应通过边缘效应实施的检测。
本发明的另一个目的是利用如先前描述的人机界面设备或不限于上述特征但包括软件和硬件装置的任何其他人机界面设备实现的，所述软件和硬件装置使得能够在设备的边沿上例如借助于电容性电极来检测对象，例如手指。
该设备可以包括处理器单元，该处理器单元配置为：
-检测在设备上表面的边缘上的对象，特别地，这可以是包括使得能够可视化显示屏的透明部分的表面，
-特别地借助于形状识别或其他算法来识别这些对象的准确定位，
-控制屏幕显示管理应用程序以根据所检测的对象来改变显示。
特别地，如果对象是握着设备的手指，且如果显示屏包括图标，那么可以根据握着设备的手指的位置识别这些图标。例如，可以替代会至少部分地被手指遮蔽的图标。因此可以改变特定图标的位置和/或功能。
此外，可以实施算法以区别不同手指和确定涉及的是左手或右手。还可以识别拇指。这可以通过分析手指的位置、它们的形状(三维电容性测量使得能够特别地评估对象的形状)及它们的大小来完成。处理器单元可以是连接至电容性电子检测电路并控制所述设备或通常电子设备例如移动电话、平板或其他设备的软件应用的微处理器或微控制器。
附图说明
通过查阅非限制性实施方案的详细描述以及附图，本发明的其他优点和特征会变得明显，其中：
-图1a和图1b是根据本发明的设备的横截面的示意性俯视图；
-图2是根据现有技术的具有电极的表面的示意图；
-图3是根据现有技术的具有电极的表面的略微更详细的示意图，所述电极具有沿着端部处的电极的透明轨道；
-图4是没有透明边缘轨道的根据本发明的触摸屏的示意图；
-图5a是根据本发明的设备的横截面的示意图；
-图5b是说明根据本发明的将电极连接至连接轨道的联接轨道的布置的简化示意图；
-图6是在通路区域上具有保护装置的根据本发明的触摸屏的示意图；
-图7是在整个通路区域上具有保护装置的根据本发明的触摸屏的示意图；
-图8是在通路区域的短边上具有保护装置的根据本发明的触摸屏的示意图；
-图9到图12是说明电极的不同几何形状的示意图。
具体实施方式
概括地说，图1a和1b示出根据本发明的设备AP。这可以是“智能手机”类型的电话或配有触摸屏的平板电脑、遥控装置、笔记本电脑等。该设备AP包括检测表面SD，所述检测表面SD是特别地(平的或弯曲的)电极阵列位于其下方的触摸部分。该检测表面SD从其上部开始包括由透明材料制成的几个层，例如：
-外层玻璃VE，
-防碎膜FAD，
-透明粘合层CT，和
-偏光片P，
-电极E，其由透明导电材料、如锡掺杂的氧化铟(ITO)制成，
-由玻璃、PET或任何其他电介质制成的用于电极的支撑物S，
-保护装置G，其为由透明导电材料、如锡掺杂的氧化铟(ITO)制成的层，
-显示屏EC，其必须是从外层玻璃VE之外可以看见的。
电极和保护装置因此位于检测表面下方，并由具有高电阻率的透明导电材料制成。
在当前情况下围绕在检测表面SD周围的非检测表面SND也被区分出来。该表面从外部看通常是不透明的，并且不具有电极但具有由金属制成的连接轨道PT和柔性连接件CF，因此具有低的电阻率。
通路区域在本文可以被定义为在屏幕与外层玻璃之间对应于非检测表面的任何区域。
图2示出用绝对电容电子测量单元2、也被称为自电容单元操作的透明触摸屏1的常规结构。柔性薄片3用于将触摸屏1连接至电子测量单元，所述电子测量单元可以包括特别地与进行如现有技术的文献中的绝对电容测量所必需的软件和硬件装置相结合的微控制器或微处理器。
敏感表面配有大量的由ITO材料制成的透明电极4，其形状通常但非限制性地为矩形。各个电极4被连接至在触摸屏边缘上的连接轨道5。由于触摸屏的边缘在显示表面之外，因此连接轨道5可以由金属制成且可以不透明。金属的优点是其低电阻率，这使得可以使用不是非常庞大的(例如宽10至20μm)长的边缘轨道。
图3示出在边缘上用于连接电极的透明轨道的常规布局的一个实例。在也被称为敏感表面的透明区域6中，电极之间的联接轨道和连接轨道5都是透明轨道，而在通路区域(触摸屏-透明区域)中的连接轨道5由金属制成。
该图示出了某些透明联接轨道7位于敏感表面上但在电极之外。换言之，这些透明轨道位于检测表面顶部的最后的电极与通常为不透明的通路区域之间。这种轨道布置增加了在这些区域中对象位置的检测的失败。实际上，使用直到敏感表面的物理边缘的电极使得能够获得更有效的信号处理，以确定对象位置。在敏感表面边缘处联接轨道的存在倾向于使信号处理复杂化并且降低对象检测的精确度。
图4示出了根据本发明的触摸屏。图3的透明边缘轨道7消失了，已经向内移动作为两行电极之间的联接轨道8。因此，最后一行电极与电极区域周围的通路区域构成边界。
图5a具有与图1b相同的元件，但在连接轨道PT上方引入了新的保护装置G2，使得这些连接轨道被放置在保护装置G1(对应于图1b中的保护装置G)和保护装置G2之间，所述保护装置G1和保护装置G2处于相等的保护电势，尤其是电连接在一起。这些连接轨道PT可以用电介质覆盖，然后以金属层(金属保护装置)或以通过柔性连接件CF连接至保护电势的透明导电ITO层(透明保护装置)覆盖。由此，这些连接轨道PT不会产生由电子设备测量的不需要的电容。它们不会如在图2和图3的实例中对触摸屏边缘上对象的存在作出反应。
实际上，在对应于非检测表面的整个通路区域上，提供了两个保护装置以将其中出现的所有金属轨道和透明轨道夹在中间。而在对应于检测表面的透明区域中，没有透明轨道留在电极的外部边缘上。
在图5a中看不到联接轨道。
另一方面，图5b示出了一个实施方案，其中联接轨道PL使得能够将导电连接轨道PT连接至布置在具有电极的表面上的电极E。电极是透明的且由ITO材料制成。
当联接轨道PL在对应于检测表面SD的检测区域中时，它们是透明的。在通路区域中它们可以由金属制成。在通路区域中，连接轨道PT无接触地布置在下方的保护装置G2和上方的保护装置G3之间。保护装置G2和G3优选由金属制成，但也可以由透明ITO材料制成。保护装置G2可以是提供给电极E的保护装置G1的延伸。根据本发明，用(至少一个)测量电极来替代保护装置G3(放置在连接轨道上方)。实际上，同所有其他电极一样，这些电极可以用作位于它们下方的轨道的保护装置。布置在设备侧边上的这些电极可以主要地用于边缘检测，即放置在设备边缘上的对象、例如手指的检测。
图6以俯视图示出了一般解决方案，金属轨道5位于两个保护装置G1和G2之间。已经省掉了边缘上的任何轨道。有利地，柔性连接件CF也布置在G1和G2之间。在透明区域6中的所有透明轨道8位于两行电极之间。
根据本发明，可以例如检测在设备一侧的四根手指(至少两根手指)和在另一侧的拇指，以推断设备是握在左手还是右手中。根据这是用右手的还是用左手的，可以重新定位触摸(图标)的全部或一些、手势命令或悬停命令以最优化工效学。
可以例如正确地将按钮(图标)置于握着设备的手的拇指的对面，释放位于其他四个手指下面或与其很接近的图标以方便用另一只手控制。
也可以停止被认为相对于握着设备的手指太差地放置的某些命令。
也可以发现离握着设备的手指最远的区域以最优化悬停的范围。该在后的模式对边缘效应非常敏感，因此在边缘处的手指显著减小了悬停的范围。
也可以使特定命令与握着设备的四根手指更近以增加用这些手指控制的可能性。
由于测量到的电容非常低(达到几fF)而且任何不需要的寄生泄漏电容会降低检测，因此接近触摸屏的手指或任何对象的电容性检测可以有利地利用被其电势基本等于电极电势的保护装置保护在屏幕侧边上的单独电极来完成。
电子设备管理各个电极以测量在电极与对象之间的各个电容。所检测的对象参考了电子设备的地电势。
电极也可以放在便携式设备的侧边以增加检测接近的对象的可能性。
还可以检测对象、例如手的形状以便知道设备在手中握着的方向(正面或背面)。
如果表面是非常平的且在侧边上没有检测到对象的存在，则可以推断设备被放在平的表面上、例如桌子或被放在一件服装的口袋里。
图7是根据本发明的设备的示意性前视图。应注意的是，保护装置G2是在整个透明表面6周围的框架。在图6中没有示出的保护装置G1布置在与保护装置G2平行的平面上以框住金属轨道。
图8示出了根据本发明的设备的另一个实施方案。在该实例中，具有电极的表面是矩形的，为此由透明材料制成的联接轨道9将电极从表面连接至在矩形的短边上的通路区域10和11。保护装置G1和G2布置在这些通路区域的夹层中。在各个通路区域中是连接至从最近电极开始的联接轨道的集成电路IC1、IC2。在透明表面和集成电路之间的轨道可以由金属制成。
该解决方案使得能够避免将导电连接轨道放在更多的时候用于握住设备的长边上。优点是省掉了在垂直边上的长轨道。然而，在垂直边上使用了一些导电连接轨道12，使得两个集成电路可以相通。但没有必要保护这些轨道12。两个集成电路可以使用相同的保护电势。集成电路IC2之后通过带状电缆CF连接至处理单元。
电极优选覆盖尽可能多的触摸屏的敏感表面。
如在图9至图12中可看见的，可以设想电极具有比矩形更复杂的形状。
三角形或凹形电极的使用可以使得能够将它们的数量减少到保持相同的检测性能(精确度)时的最大数量。实际上可以使用三角形以利用各个电极相对于对象位置的变化的几何形状来增加测量信息的项目。
嵌套在一起的交错凹形电极可以使得能够减少由于在对象从一个电极穿过另一电极期间的突然中断的失败，或者使得能够通过利用各个电极相对于对象位置的变化的几何形状来增加信息。
当然，本发明不限于以上描述的实例，可以在不超过本发明的范围的情况下对这些实例进行许多调整。

Claims (16)

1.一种具有透明检测区域和通路区域的人机界面设备，所述设备包括：
-在透明检测区域中的具有由透明导电材料制成的电极的表面，
-布置在所述通路区域中并连接至具有电极的表面的导电连接轨道，
-在透明检测区域中由透明材料制成的、用作所述具有电极的表面的第一保护装置的第一导电表面，
其特征在于所述导电连接轨道至少部分地布置在用作这些导电连接轨道的第二保护装置和第三保护装置的第二导电表面和第三导电表面之间，并且所述设备还包括用于将所述导电连接轨道连接至所述具有电极的表面的电极的、由导电材料制成的联接轨道；当联接轨道邻接在透明检测区域中的至少一个电极时，该联接轨道由透明材料制成且定位于所述具有电极的表面的至少两个电极之间。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于当联接轨道位于所述通路区域中时，该联接轨道定位于所述第二保护装置和第三保护装置之间。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于所述第二导电表面和第三导电表面中的至少一个处于与所述第一导电表面相等的保护电势。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于所述第二导电表面和第三导电表面中的一个是所述第一导电表面的延长部分。
5.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于所述具有电极的表面的电极和所述第一保护装置是由锡掺杂的氧化铟ITO制成的。
6.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于所述具有电极的表面的电极为矩形形状。
7.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于所述具有电极的表面的电极为三角形形状。
8.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于所述具有电极的表面的电极为凹形形状。
9.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于所述第一保护装置、所述第二保护装置和所述第三保护装置是基于浮桥技术设计的。
10.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于电容性测量是自电容类型的。
11.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于至少一个附加电极布置在所述设备的侧边上、在所述透明检测区域之外。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于布置在所述设备的侧边上的所述至少一个附加电极布置在所述第三导电表面中。
13.一种在包括如前述权利要求中任一项所限定的人机界面设备的装置中实施的方法，其特征在于，检测放置在所述设备边缘上的手指并根据所检测的手指的布置来更改所述装置的显示屏功能。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于确定所述手指的数量和定位以识别握着所述装置的手的类型。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于在边缘上没有检测到手指的情况下，识别所述装置是否以所述透明检测区域侧放置在支撑物上。
16.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于所述装置的边缘用于通过具有电极的表面的电极来检测对象的任何移动，以从所述装置内部发起命令。
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