CN104571773B - 一种兼容触摸和电磁手写检测的二维传感器 - Google Patents

Abstract

一种兼容触摸和电磁手写检测的二维传感器，在衬底上布设有若干组以图案形式由铺设在衬底表面的导电感应层构成的多个抗涡流电极；组内各个电极通过至少一条低阻抗的连接迹线互相连通形成电连接；所述的连接迹线在连接每组内每一电极的同时，自身构成一个带有两个引出端的单圈或多圈的线圈。从上述结构可看到，本发明在不改变现有电容触摸感应面板的基本结构和生产工艺的基础上，仅通过改变电极图案中的导电体的布设位置，就可以兼容对电磁感应手写笔的电磁信号点的检测，并且能彻底杜绝了手部碰触屏幕表面对手写输入的干扰。

Description

一种兼容触摸和电磁手写检测的二维传感器

技术领域

本发明主要涉及兼容电容性触摸屏和电磁感应手写笔的传感电极的一种结构，属触控感应输入技术领域。

技术背景

随着人机交互技术的普及，投射电容触屏技术广泛地应用于手机、平板电脑等手持设备中。在现有的投射电容触摸屏面板中，传统的技术是使用ITO来制造透明的触摸电极；新兴的技术是使用金属网格（Metal Mesh）或纳米银技术来制造电容触摸屏的电极。更新的技术方案是使用石墨烯来制造触摸感应电极。虽然这些技术根据其自身的特点分别可以应用于不同用途的电容触摸屏，但是这些触摸屏都有一个共同的缺点：难以无干扰高精度地实现手写输入功能。这是由一般电容触摸屏的技术特点所决定的。

首先，一般电容触摸屏均要求触摸物为柔软的导电体，如手指或无源电容笔，以保证触摸物在触控面板上产生一定的接触面积，所产生的附加电容要足够大以便于触摸电路能够检测识别。这就限制了对触摸点的辨识精度，也就限制了手写图文输入的精度，因此在一般电容触摸屏上很难模仿使用圆珠笔或者自来水笔的书写效果和感觉。其次，自然书写不必限制手掌、手指与纸张等书写平面的一般性接触；而在电容触摸屏上，手部其它部分的接触很容易导致定位或书写的错误。

更先进的手写技术源自美国。美国Atmel公司在2011年推出了一种可用于电容触摸屏的有源电容手写笔，配合该公司的触摸检测专用芯片，能够实现满足一般要求的高精度书写的功能，并且配合嵌入式或者应用软件，能够抑制大面积掌压（触摸屏表面）干扰的功能，但是对于书写过程中手掌或手指局部接触触摸屏表面所产生的干扰无能为力，无法保证书写的流畅性和准确性，导致在书写过程中要经常。而这种干扰在正常的书写过程中时时存在，因此这个技术方案依然无法获得自然书写的感受。

对于在IT设备上的手写输入，目前最成熟稳定并且完全可以模仿自然书写的技术是电磁感应手写输入技术，也就是电磁笔手写输入。但是不同于电容触摸屏的感应电极是输入输出阻抗都较高的天线，电磁笔所使用的感应器是分布在手写板上的狭长的低阻抗电感线圈，因此即使在检测电路上可以使用某些方案来兼容或切换两种传感器所检测到的手写或触摸信号，但是由于电容触摸屏的电极和电磁手写板的线圈在基本结构上的差异，导致二者的检测功能无法在同一传感器上实现。在某些必须要兼容二者的情况下，所能采用的设计只能是二者的组合。比如在某些手写/触摸显示器上，在显示面板的正面（显示面）安装电容触摸传感器用于触摸操作，在显示面板的背面安装电磁感应线圈用于手写输入。这种组合结构不仅增加了产品的原材料和生产成本，而且还增加了产品的厚度，不符合现今个人信息产品轻薄化的潮流，并且对显示面板的零部件也有特殊的要求。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是利用现有的技术手段，提供一种布设在同一衬底上、能够兼容电容触摸和电磁感应检测的二维传感器的结构。

为实现本发明的目的，本发明采用了如下结构：在衬底上布设有若干组以图案形式由铺设在衬底表面的导电感应层构成的多个抗涡流电极；组内各个电极通过至少一条低阻抗的连接迹线互相连通形成电连接；所述的连接迹线在连接每组内每一电极的同时，自身构成一个带有两个引出端的线圈。

所述抗涡流电极，是一种当交变磁场穿过电极图案时，图案内部产生或者产生很少的涡流损耗，即电极图案内没有大面积的低电阻率的良导体，或者电极内虽含有良导体但不构成面积较大的环路。

为避免所述线圈与外界处理电路之间的连接线构成附加的感应面积影响传感定位的准确性，线圈的引出端最好位于衬底的一侧。

子电极，所述由连接迹线构成的线圈为多圈线圈，其平行于电极延伸方向的线圈的不同线圈臂，分别与所述N个子电极中的同名子电极相连通。

因为连接迹线本身也有一定的电阻，为了在电容检测时各个电极到引出端的电阻具有更好的线性关系，可以将置于衬底上的每个抗涡流电极被分为两个互相分离的第一抗涡流子电极和第二抗涡流子电极，所述由连接迹线构成的线圈为一端开口单圈线圈，其平行于电极延伸方向的两臂分别与所述两个子电极中的同名子电极相连通。

更精细的结构还可以将置于衬底上的每个电极被分为N个互相分离的抗涡流子电极，所述由连接迹线构成的线圈为多圈线圈，其平行于该电极所在的电极组延伸方向的线圈的不同线圈臂，分别与所述N个子电极中的同名子电极相连通。

针对上述对结构的要求，一种可用的电极和连接迹线的方案，是置于衬底上的电极或子电极和连接迹线，均由铺设于衬底表面的良导体构成；所述连接迹线为良导体细线；所述抗涡流电极或子电极，是与所述连接迹线为起点延伸出的若干呈发散状延伸的分枝构成；每条延伸的分枝与连接迹线只有一个连接端，并且与其它分枝没有电连接。

随制造工艺的进步，所述良导体还可以选择金属或石墨烯。如果所述良导体使用金属，则比较合理的设定是用作连接迹线的细金属线的宽度不大于50微米，用于抗涡流电极的分枝的宽度不大于20微米；如果所述良导体使用石墨烯，因为石墨烯拥有高达95%以上的透过光率且具有可以与金属相媲美的低电阻率，故可以对连接迹线和分枝节构的细线的宽度不作要求。

针对上述结构，另一种可用的方案是所述置于衬底上的连接迹线和抗涡流电极或子电极，均由铺设于衬底表面的包含有纳米金属线或纳米金属颗粒的透明导电膜构成；构成所述连接迹线部分的透明导电膜中纳米金属的含量，多倍于构成透明电极的导电膜中纳米金属的含量。

针对纳米金属材料，更一般的选择为金属银、铜中的一种。

发明的益处

从上述公开的结构可以看到，本发明在不改变现有电容触摸感应面板的基本结构和生产工艺的基础上，仅通过改变电极图案中的导电体的布设位置，就可以实现对电磁感应手写笔的电磁信号点的检测，实现二者的兼容；并且在使用电磁手写功能的情况下从技术原理层面彻底杜绝了手部碰触屏幕表面对手写输入的干扰，具有良好的实用性和普及性。

附图说明

图1：本发明传感器的一种基本结构；

图2：本发明传感器的另一种基本结构；

图3a~e：图1、图2中抗涡流电极的几种可用的结构图案；

图4a：图2中电极放大及其与连接迹线之间的连接规则示意图；

图4b：可获得最大线圈面积的一种连接结构示意图；

图4c：电极与连接迹线的另一种布设结构；

图5a：多圈线圈与两个子电极之间的一种连接结构示意图；

图5b：多圈线圈与两个子电极之间的另一种连接结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，以电容触摸屏最常用的菱形电极图案的排布为例，来说明本发明的一些具体实施方式。其它形状或结构的电极图案可依据本发明的技术思想，设计出相应的电极与连接迹线的布设结构。

实施例1

图1给出了本发明的一个典型实施结构。在图1中，两个方向的多个电极组X₀、X₁、X₂……X_m（m>2未画出）和Y₀、Y₁……Y_n（n>1未画出）构成了一个二维电极组；每个电极组包含有两个连接端口，在X方向的序列为X_0a、X_0b，X1_a、X_1b，……X_ma、X_mb；在Y方向的序列为Y_0a、Y_0b，Y_1a、Y_1b……Y_na、Y_nb。从图中可以看到，每个电极组的这两个端口为连接迹线103或104在透明衬底（图中未给出）表面所构成的感应线圈的输入输出端口；但由于连接迹线103或104又分别串联连通每组内的各个感应电极101（X方向）或102（Y方向），因此当每个电极组的这两个端口并联使用时，可用于电容触控的检测；当这两个端口独立使用时，可用于电磁信号的检测。因为连接迹线也布设在透明衬底的表面，在同一表面如果同时布设X方向和Y方向的电极组，过多的需要绝缘处理的交叉连接迹线将会使生产流程过于复杂，因此在本发明中一般将这两个方向的电极组分别布设于透明衬底的不同表面——例如一片玻璃或透明薄膜的两个表面；或者分别布设在两片玻璃或薄膜的表面。在图1中给出了这个二维电极组互相重叠时从衬底一个表面透视的透视图，将上层的电极组中的电极和连接迹线用实线表示，将下层的电极和连接迹线用虚线表示。

实施例2

图2给出了本发明的另一个典型实施结构。在图2中，衬底、电极布设位置位置、视图和端口等部分与图1相同，不同之处在于X方向电极组中的每个电极都被分割为相互分离，即电气上相互绝缘的第一子电极101a和第二子电极101b两个子电极；Y方向电极组中的每个电极也被分割为第一子电极102a和102b两个子电极。连接迹线103或104构成的线圈的两臂，分别连通不同方向的不同组内构成每个电极的两个子电极中的同名子电极。这里同名子电极的含义是以某种方式为被分割的子电极命名，例如以子电极所在的上下或左右位置来命名，上面活左面的子电极定义为第一子电极，下面或右面的子电极定义为第二子电极。这样如图2所示，连接迹线所构成的线圈的一个侧臂连通一个组内所有的第一子电极；另一个侧臂连通该组内所有的第二子电极。

在实施例1和实施例2中，为保证有连接迹线构成的线圈能够有效检测电磁手写笔所发射的电磁波，一方面构成线圈的连接迹线的材质最好是低电阻率的金属银、铜等良导体；另一方面线圈内的损耗，主要是涡流损耗需要降低到最低。而对于电容检测而言，检测电极的面积越大则灵敏度越高，越容易检测到触摸物。因此这是一对需要克服的矛盾。为解决这个矛盾，在本发明中使用了抗涡流的检测电极。

所述抗涡流电极，是一种当交变磁场穿过电极图案时，图案内部产生或者产生很少的涡流损耗，即电极图案内没有大面积的低电阻率的良导体，或者电极内虽含有良导体但不构成面积较大的环路。在本发明中，一种可用的抗涡流电极的结构，是置于衬底上的电极或子电极和连接迹线，均由铺设于衬底表面的良导体如银、铜构成；抗涡流电极或子电极，是与所述连接迹线为起点延伸出的若干呈发散状延伸的分枝构成；每条延伸的分枝与连接迹线只有一个连接端，并且与其它分枝没有电连接。

针对实施例1的方案，所使用的抗涡流电极的几种可用结构见图3。从图中可容易看出，这些结构均具有较大的电极图案面积，但是发散的分枝结构保证了电极内部没有闭合的导电环路。因此这类结构能确保线圈内部导体所产生的涡流可忽略不计。在这些附图中，图3a给出了图1中电极的详细结构，即以连接迹线103为中心的鱼骨形的发散分枝构成了电容检测的图案。图3b~图3e是另外几种可用的发散分枝的图案结构。其中比较特殊的是图3e，为不规则的图案结构，在这种结构中，填充在电极图案内部的导电分枝不会构成固定间距的光栅，因此能够对减轻金属网格结构的电容感应面板所固有的莫尔效应（即产生亮暗相间莫尔纹，影响显示效果）有一定效果。

针对于电极内部导体的布设，因为可用的图案有无穷多种，所以附图3所给出的示例只能用于说明设计的原则思路，无法穷尽所有的具体图形设计。针对于电极组内由连接迹线构成的线圈的连接端口的布设，为避免所述线圈与外界处理电路之间的连接线构成附加的感应面积影响传感定位的准确性，在前面和后面的实施例中，推荐线圈的引出端位于衬底的一侧。

图4是针对实施例2的结构所给出的抗涡流电极与连接迹线之间的几种连接结构。其中图4a着重给出了图2所示实施例2中每个电极与连接迹线的连接关系，给出了基本的连接规则；图4b给出的是希望得到最大的电磁感应检测灵敏度时，电极与连接迹线之间的较好的一种连接结构——连接迹线的长度最短电阻最低但线圈的有效面积最大，故推荐为最佳实施结构。但这种结构图4c的连接迹线通过电极处的长度稍长，但也能得到较大的线圈面积，亦为可选择结构。

上述的电极内部结构，均以Y方向的某组电极中的一个完整的电极图案为例来说明。对于X方向电极组内的电极，将图示的电极旋转90度即可使用。

在本发明中，如果使用金属作为电极和连接迹线的制造材料，当显示面板得尺寸较大时，比较合理的设定是用作连接迹线的细金属线的宽度不大于50微米，用于抗涡流电极的分枝的宽度不大于20微米，这样在0.5米左右的使用和观看距离上，电极图案和连接迹线不会对人眼产生较大的干扰。实施中主要考虑的因素是显示面板尺寸的大小和分辨率的高低。如面板尺寸较小、分辨率较高，则需选用较小的宽度以免干扰视线，这时用作连接迹线的细金属线的宽度应不大于20微米，用于抗涡流电极的分枝的宽度不大于10微米。

实施例3

图5给出了一种由连接迹线构成多圈线圈的实施结构，目的在于大幅度地提升电磁感应线圈的检测灵敏度。在这个实施例中，每个电极均被分割为互相分离绝缘的多个子电极，如N个子电极。由连接迹线构成的线圈为多圈线圈，其平行于该电极所在的电极组延伸方向的线圈的不同线圈臂，分别与所述N个子电极中的同名子电极相连通。这里子电极的命名规则与实施例2相同，图中给出的是线圈为圈的一种结构。其中图5a给出的是基本的连接结构；图5b则是一种扩大线圈感应面积、提升电磁感应检测灵敏度的一种变化结构，相当于实施例2在这里的一种变形，即线圈为多圈但电极只被划分为两个子电极。但是图5b的结构的缺点是电极组边缘的连接迹线的布设密度较大，容易产生莫尔效应。

实施例3中的子电极，与实施例1、2中所使用的电极或子电极一样为抗涡流电极，可依据签署抗涡流的规则设计电极图案。

随着技术的进步，石墨烯有望成为一种可用于触控感应面板的新材料，因此本发明中构成电极、子电极和连接迹线的材料可选用石墨烯。如果所述良导体使用石墨烯，因为石墨烯拥有高达95%以上的透过光率且具有可以与金属相媲美的低电阻率，故可以对连接迹线和分枝节构的细线的宽度不作要求。

另外一种正在被推广应用的触控电极制造材料是直径为纳米级的金属线或金属颗粒，如纳米银线或银颗粒、纳米铜线或铜颗粒，经印刷、固化后得到透明度较高的导电膜。经特定加工，这种材料亦可应用于本发明的某些实施应用中，如尺寸较小的触控面板。如果使用纳米金属材料制造置于衬底上的连接迹线和电极，可使用纳米金属含量较低、电阻率或方阻较大的透明导电膜铺设于衬底表面用于电极；纳米金属含量较高、电阻率或方阻较小的透明导电膜用于连接迹线，即构成连接迹线部分的导电膜中纳米金属的含量，数倍于构成透明电极的导电膜中纳米金属的含量。制备这种不同区域导电能力不同的布线的方法，或者可使用不同纳米金属配比的透明导电油墨分次印刷制备得到不同电阻率的连接迹线和电极，或可使用同样纳米金属配比的油墨多次印刷，得到低电阻率的连接迹线。在这种情况下，透明电极因导电膜的膜层很薄、电阻率很高，在交变磁场穿过时所产生的涡流很小，亦可用作抗涡流电极。

如果使用纳米级的金属线或金属颗粒含量足够高的透明导电印刷油墨制造透明电极和连接迹线，也可以使用前面的描述的发散状延伸的分枝结构。因为因为含有纳米金属材料的透明导电膜具备较高的透光率，所以分枝节构的细线的宽度一般可不作要求。

应当理解，本发明的技术方案不局限于本具体实施例中的结构，在不脱离本发明的技术思想的范围内进行等同的变换、移植、代替或劣化，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种兼容触摸和电磁手写检测的二维传感器，包含有若干组以图案形式布置于衬底上的多个由铺设在衬底表面的导电感应层构成的电极，其特征在于：所述电极为抗涡流电极；组内各个电极通过至少一条低阻抗的连接迹线互相连通形成电连接；所述的连接迹线在连接每组内每一电极的同时，自身构成一个带有两个引出端的线圈；所述置于衬底上的电极或子电极和连接迹线，均由铺设于衬底表面的良导体构成；所述连接迹线为良导体细线；所述抗涡流电极，是由以所述连接迹线为起点延伸出的若干呈发散状延伸的分枝构成；每条延伸的分枝与连接迹线只有一个连接端，并且与其它分枝没有电连接。

2.根据权利要求1所述的二维传感器，其特征在于：所述线圈的引出端位于衬底的一侧。

3.根据权利要求1所述的二维传感器，其特征在于：所述置于衬底上的每个抗涡流电极被分为两个互相分离的第一抗涡流子电极和第二抗涡流子电极，所述由连接迹线构成的线圈为一端开口单圈线圈，其平行于电极延伸方向的两臂分别与所述两个子电极中的同名子电极相连通。

4.根据权利要求1所述的二维传感器，其特征在于：所述置于衬底上的每个电极被分为N个互相分离的抗涡流子电极，所述由连接迹线构成的线圈为多圈线圈，其平行于该电极所在的电极组延伸方向的线圈的不同线圈臂，分别与所述N个子电极中的同名子电极相连通。

5.根据权利要求1所述的二维传感器，其特征在于：所述良导体是金属。

6.根据权利要求1所述的二维传感器，其特征在于：所述良导体是石墨烯。

7.根据权利要求1所述的二维传感器，其特征在于：所述置于衬底上的连接迹线和抗涡流电极，均由铺设于衬底表面的包含有纳米金属线或纳米金属颗粒的透明导电膜构成；构成所述连接迹线部分的透明导电膜中纳米金属的含量，多倍于构成透明电极的导电膜中纳米金属的含量。

8.根据权利要求7所述的二维传感器，其特征在于：所述金属为银、铜中的一种。