CN105320345B - 触控感应装置与相关触控屏幕 - Google Patents

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Abstract

一种触控感测装置与相关触控屏幕。该触控感测装置包含：多个第一电极；多个第二电极，设置于该多个第一电极的周遭；多个第一环绕型样，由该多个第一电极与该多个第二电极所形成；多个第二环绕型样，由该多个第一电极与该多个第二电极所形成。每一个第一环绕型样包含：该多个第一电极的一个与该多个第二电极的一个交错。每一个第二环绕型样包含：该多个第二电极的一个夹在该多个第二电极的另一个与该多个第一电极的一个中间。

Description

触控感应装置与相关触控屏幕
技术领域
本发明关于电容式触控屏幕，尤指触控屏幕的电极的型样设计。
背景技术
由于触控提供既直觉又自然的人机互动形式，因此触控屏幕已经广泛地被运用在个人计算机，平板计算机，智能型手机，便携带式装置，手持装置等各种电子装置之中。近来，电容式触控屏幕快速地发展，且有取代其他类型的触控屏幕的趋势。
电容式触控屏幕利用电容式的触控感测装置，即：主动感测阵列，包含有驱动电极以及感应电极，并且藉助于相关的控制以及感应电路，检测使用者的触碰并决定触碰位置。驱动脉冲逐行地提供至驱动电极，以至于在驱动电极上形成电荷，这些电荷会以电容式耦合的形式，耦合至与驱动电极所交错的感应电极。如此一来，将在感应电极上形成可测量的电压或电流。驱动脉冲与感应电极上所测得的信号之间的关系，又与感应电极与驱动电极之间所耦合的电容量有关。因此，根据驱动信号与测量到的感应信号将可得到交会处的耦合电容的电容值(亦即，互容值)。当一个触碰物体(例如：手指或导电笔)靠近触控感测装置时，将会改变驱动电极与感应电极之间的电场(因触碰物体实质上接地，所以会将电场吸收)，从而减少在邻近处上测量到的电容值。因此，触控位置基本上可从互容值的减少而决定。
在某些操作环境下，触控装置可能会与触碰物体之间不共地(common ground)。例如，当触控装置被放置在一个绝缘体上，例如：木质/塑胶桌、床、纸箱、塑胶箱等，此时触控装置与触碰物体不共地(假设使用者站在地面上)。在这种环境下，触碰物体相对于触控装置所连接的地为浮接(floating)。因此，触碰物体形成一浮接导体，这会造成在触碰物体与触控装置所连接的地之间产生一个电容值差(capacitance difference)。图1A与图1B解释这种状况如何影响感应电极与驱动电极之间所测量到的互容值。在图1A中，触碰物体FINGER与触控感测装置(亦即，感应电极RX与驱动电极TX)共地。因此，当触碰物体FINGER接近触控感测装置时，在感应电极RX与驱动电极TX之间测量到的互容值将会下降，这是因为触碰物体吸收了电极间的电场。然而，在图1B中，触碰物体FINGER与触控感测装置不共地，所以在感应电极RX与驱动电极TX之间会产生一个电容值差，在这种情况下，触碰物体FINGER接近触控感测装置时所造成的互容值下降，会共地时下降的程度。表1展示了两种情形的差异。
共地 不共地
Cm(触碰前) 1.5pF 1.5pF
Cm(触碰后) 1.2pF 1.4pF
表1
如表1所示，不共地状态将会造成难以识别的微弱感应信号(亦即，互容值(Cm)在触碰前后的差值)。这让触控感测装置中的处理电路难以从感应信号中分析出触碰位置。有些方法可能可以解决这样的问题。但由于触控屏幕可能会操作在不同的使用环境下，如手持，放置在桌上，或者是床上，此时触碰物体与触控感测装置之间的电容差值会相当不同。因此，有必要设计一种触控感测装置，其无论在是否共地或者是电容差值大小不同的情况下，都可得到足以明确识别的感应信号。
发明内容
因此，本发明的一目的在于提供触控屏幕的电极型样的设计，其中，本发明在一个触控屏幕中，设计了多种不同的环绕型样，如此一来可确保在不同操作环境下，都能得到可被明确识别的感应信号。
本发明的一实施例提供一种触控感测装置，该触控感测装置包含：多个第一电极；多个第二电极，设置于该多个第一电极的周遭；多个第一环绕型样，由该多个第一电极与该多个第二电极所形成；多个第二环绕型样，由该多个第一电极与该多个第二电极所形成。每一个第一环绕型样包含：该多个第一电极的一个与该多个第二电极的一个交错。每一个第二环绕型样包含：该多个第二电极的一个夹在该多个第二电极的另一个与该多个第一电极的一个中间。
本发明的另一实施例提供一种触控屏幕，该触控屏幕包含：一显示装置、一触碰控制装置以及受控于该触碰控制装置的一触控感测装置。该触控感测装置包含：多个第一电极；多个第二电极，设置于该多个第一电极的周遭；多个第一环绕型样，由该多个第一电极与该多个第二电极所形成；多个第二环绕型样，由该多个第一电极与该多个第二电极所形成。每一个第一环绕型样包含：该多个第一电极的一个与该多个第二电极的一个交错。每一个第二环绕型样包含：该多个第二电极的一个夹在该多个第二电极的另一个与该多个第一电极的一个中间。
附图说明
图1A与图1B解释在不同操作环境下测量到的互容值的变化。
图2绘示本发明触控感测装置的一实施例的一部份的简化布局架构。
图3更清楚地绘示出触控感测装置100的第一环绕型样。
图4更清楚地绘示出触控感测装置100的第二环绕型样。
图5A与图5B解释第二环绕型样在不同操作环境下所测量到的互容值变化。
图6、图7A以图7B解释第一环绕型样PATA_1-PATA_2与第二环绕型样PATB_1-PATB_2的排列如何改善感应信号。
图8为本发明触控感测装置100的一实施例的详细布局。
图9为本发明触控屏幕的一实施例的架构图。
附图标记说明
FINGER 触碰物体
TX、T1～T4 驱动电极
RX、R1～R4 感应电极
Cm 互容
C 电容差值
PATA_1～PATA_8 第一环绕型样
PATB_1～PATB_8 第二环绕型样
261～265 突出分支
271～275 开口槽孔
GND 屏蔽电极
100 触控感应装置
200 触碰控制电路
300 显示装置
400 触控屏幕
具体实施方式
在说明书及权利要求书中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求中所提及的“包含”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置，如上所述，为了在各种操作环境下都能确保感应信号足以被识别，本发明提供一种触控感测装置，其具有多种驱动电极与与感应电极的环绕型样。
图2绘示本发明触控感测装置的一实施例的一部份的简化布局架构。如图所示，触控感测装置100包含驱动电极T1～T4以及感应电极R1～R4。当然，这个范例仅作为说明之用，在不同实施态样中，可能会使用不同数量的驱动电极与感应电极。在一实施例中，驱动电极T1～T4可能在一第一金属层上形成，而感应电极R1～R4则在一第二金属层上形成，且第一金属层与第二金属层之间具有一导电膜，例如氧化铟锡(indium tin oxide,ITO)、例如氧化铟锌(indium zinc oxide,IZO)或者是奈米银(Nano silver)。在其余实施例中，驱动与感应电极可能在同一导电膜上形成。在以下的说明中，某些电极会被标示为驱动电极，而某些电极则会被标示成感应电极，然而，此非本发明的限制。在本发明的不同实施例中，驱动电极与感应电极可互换，例如驱动电极T1～T4可能作为感应电极，而感应电极R1～R4可能会作为驱动电极。
驱动电极T1～T4与感应电极R1～R4形成两种不同类型的第一环绕型样PATA_1～PATA_8与第二环绕型样PATB_1～PATB_8。驱动电极T1～T4中的每一个的两个相同部分，会存在于不同且不相邻的环绕型样之中。举例来说，驱动电极T3的一部分在第一环绕型样PATA_1中，而另一部分在第二环绕型样PATB_7中。并且驱动电极T3的两个部份通过导线或走线相连(未示出)。同似地，感应电极R1～R4中的每一个也具有两个相同部分，存在于不同的环绕型样之中。举例来说，感应电极R1的一部分在第一环绕型样PATA_1中，而另一部分则在第一环绕型样PATA_2之中。这些不同部分通过走线或导线相连(如，穿过第二环绕型样PATB_4中的电极R1与T2之间的导线)。再者，每一个驱动电极T1～T4延伸于不同的相邻环绕型样之间，且具有两个部分落在不同的相邻环绕型样内。举例来说，驱动电极T3具有一部份(方形)在第二环绕型样PATB_1之中，且具有一部份(分支状)在第一环绕型样PATA_1中。同样的，每一个感应电极R1～R4也延伸于不同的相邻环绕型样之间，且具有两个部分落在不同的相邻环绕型样内。举例来说，感应电极R1具有一部份(长方形)在第二环绕型样PATB_3之中，且具有一部份(长方形且具有多个槽孔)在第一环绕型样PATA_1中。
图3与图4分别更清楚的展示了环绕型样PATA_1～PATA_8与PATB_1～PATB_8。图3绘示了触控感测装置100的第一环绕型样PATA_1～PATA_8。如图所示，在第一环绕型样PATA_1之中，驱动电极T3具有多个突出分支261～265，而感应电极R1则具有多个开口槽孔271～275。突出分枝261～265中每一个分别突入开口槽孔271～275中的一个。然而，开口槽孔与突出分支并未相连。由于在第一环绕型样PATA_1之中，感应电极R1与驱动电极T3通过多个分支与开口槽孔相互交错，所以感应电极R1与驱动电极T3之间有很长的相邻边界。因此，第一环绕型样PATA_1(第一环绕型样PATA_2-PATA_8也相同)增加了感应电极与驱动电极之间的互容。这是因为较长的相邻边界增强了电极之间的电场。当触碰物体与触控感测装置100之间共地，第一环绕型样PATA_1～PATA_8可以在触碰发生时，提供一个足以明确识别的感应信号。
图4绘示了触控感测装置100的第二环绕型样PATB_1～PATB_8。在第二环绕型样PATB_1之中，感应电极R1(或其走线)被夹在驱动电极T3与感应电极T2之间，且这些电极彼此并未相连。当感应电极R1未浮接(被连接至一个信号源或地)时，且驱动电极T3以及感应电极R2分别被驱动以及测量时，感应电极R1会在驱动电极T3以及感应电极R2之间，形成一个屏蔽(shielding)电极。这样的屏蔽电极会屏蔽驱动电极T3以及感应电极R2之间的电场。因此，会让感应电极R2上测量到的互容值变得很小。图5A与图5B解释第二环绕型样不共地的情形如何影响互容值。请参考图5，屏蔽电极GND(例如，感应电极R1)被夹在驱动电极TX(如驱动电极T3)以及感应电极RX(如感应电极R2)之间。屏蔽电极GND屏蔽驱动电极T3与感应电极R2之间的电场，在触碰发生之前，电极之间所测量到的互容(Cm)会变得很小(请参见表2)。一旦触碰发生了，电场可能会完全被吸收殆尽。因此，触碰物体存在时所测量到的互容值将会变得无法识别，甚至接近于零(此时触碰物体FINGER与触控感测装置100共地)。另一方面，在图5B中，触碰物体FINGER与触控感测装置100不共地，若碰物体FINGER触碰或接近电极，那么触碰物体存在时所测量到的互容值(Cm)将会增加。这是因为电容差值C会被加入至感应电极RX以及驱动电极TX之间，增加测量得的互容值。
共地 不共地
Cm(触碰前) 0.3pF 0.3pF
Cm(触碰后) 0pF 0.5pF
表2
因此，当触碰物体与触控感测装置之间不共地时，第二环绕型样PATB_1-PATB_8对于触碰检测相当有帮助，且可以提供足以明确识别的感应信号(尽管为负值)。
简单来说，第一环绕型样PATA_1～PATA_8可在触碰物体与触控感测装置100共地时，提供足以明确识别的正值感应信号，而第二环绕型样PATB_1～PATB_8可在触碰物体与触控感测装置100不共地时，提供足以明确识别的负值感应信号。因此，如果第一环绕型样PATA_1～PATA_8与第二环绕型样PATB_1～PATB_8可被妥善地排列在触控感测装置100的每个区域中，那么，不论在哪种操作环境下，触控感测装置100总可以提供可被明确识别的感应信号。如图2所示，触控感测装置100的第一环绕型样PATA_1～PATA_8以及第二环绕型样PATB_1～PATB_8以马赛克状(mosaic)排列。每一个第一环绕型样PATA_1～PATA_8被多个第二环绕型样PATB_1～PATB_8包围，而每一个第二环绕型样PATB_1～PATB_8被多个第一环绕型样PATA_1～PATA_8所包围。如此一来，每次触碰都有机会同时涵盖第一环绕型样PATA_1～PATA_8之一与第二环绕型样PATB_1～PATB_8之一。
图6、图7A、图7B解释第一环绕型样PATA_1-PATA_2与第二环绕型样PATB_1-PATB_2的排列如何改善感应信号。以一个方形区域的观点来看，第一环绕型样沿对角线设置，而第二环绕型样也同样沿对角线设置。当触碰发生在图6所示的方型区域时，图7A与图7B分别绘示在不同操作环境下所对应的感应信号。图7A绘示触碰物体与触控感测装置100不共地时，发生触碰的情形，其中，第二环绕型样PATB_1与PATB_2可提供可被明确识别的感应信号“-150”，而第一环绕型样PATA_1与PATA_2仅能提供微弱的感应信号“10”。因此，可被明确识别的感应信号“-150”将被用来补偿微弱的感应信号“10”，使得第一环绕型样PATA_1与PATA_2上有更明确的感应信号。图7B绘示触碰物体与触控感测装置100共地时，发生触碰的情形，其中，第一环绕型样PATA_1与PATA_2可提供可被明确识别的感应信号“50”，而第二环绕型样PATB_1与PATB_2仅能提供微弱的感应信号“0”。因此，可被明确识别的感应信号“50”将被用来补偿微弱的感应信号“0”，使得第二环绕型样PATB_1与PATB_2上有更明确的感应信号。由上可知，只要一个触碰涵盖上述的方型区域，那么不论在何种操作环境下，总是可以得到一个可被明确识别的感应信号。
图8绘示本发明触控感测装置100的一实施例的可能布局(layout)。应当注意的是，此非本发明的限制。另外，尽管本发明的附图与说明中提到了触控感测装置的电极所具备的特殊型样，但这些都是解释发明概念的范例，而非限制。举例来说，本发明其他实施例中，电极型样的形状可能与图2所示的电极型样有所不同。只要在触控感测装置中设置多种电极的环绕型样，都属于本发明的范畴。
图9绘示了本发明触控屏幕的一实施例的功能方块架构图。如图所示，触控屏幕400包含触控感测装置100，触碰控制装置200以及显示装置300。显示装置300可能为典型的LCD或者OLED显示器，并且位在触控感测装置100的下方。驱动电极T1～TN以及感应电极R1～RN通过导线或走线连接至触碰控制装置200。触碰控制装置200提供脉冲信号至驱动电极T1～TN，并且测量感应电极R1～RN上的信号。当触碰物体接近触控感测装置100时，互容值的变化(亦即感应信号)可被测得。触碰控制装置200分析感应信号来决定触碰是否发生以及相关的位置。在一实施例中，触碰控制装置200更进一步地将驱动电极与感应电极之间的关系转译成一组坐标，这是因为在本发明之中，驱动电极与感应电极并未像传统的电极呈现格状交错。举例来说，当触碰物体接近第一环绕型样PATA_1，且一驱动脉冲被提供至驱动电极T3时，则在感应电极R1上可测得一感应信号，触碰控制装置200会将相关于电极T3与R1的触碰，转译成坐标(X1,Y1)上的触碰位置。同样的，与第一环绕型样PATA_2的电极R1与T4相关的触碰会被转译成坐标(X1,Y3)上的触碰位置。另外，触碰控制装置200可能会记录如何将电极的相对关系转换成坐标的信息。
以上文中所提及的“一实施例”代表针对该实施例所描述的特定特征、结构或者是特性包含于本发明的至少一实施方式中。再者，文中不同段落中所出现的“一实施例”并非代表相同的实施例。因此，尽管以上对于不同实施例描述时，分别提及了不同的结构特征或是方法性的动作，但应当注意的是，这些不同特征可通过适当的修改而同时实现于同一特定实施方式中。
总结来说，本发明提供了触控屏幕的电极的特殊环绕型样，这些不同的环绕型样会被设置在触控屏幕的不同操作区域上，并且适合在不同操作环境下进行触碰检测。因此，不论本发明的触控感测装置操作在何种操作环境下，都可以产生足以明确识别的感应信号来反应对使用者的触碰。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (20)

1.触控感测装置，包含：
多个第一电极；
多个第二电极，设置于该多个第一电极的周遭；
多个第一环绕型样，由该多个第一电极与该多个第二电极所形成，每一个包含：
该多个第一电极的一个与该多个第二电极的一个交错；以及
多个第二环绕型样，由该多个第一电极与该多个第二电极所形成，每一个包含：
该多个第二电极的一个夹在该多个第二电极的另一个与该多个第一电极的一个中间；其中
当触碰物体与触控感测装置共地时，所述第一环绕型样提供比所述第二环绕型样更显著的电容变化；以及
当触碰物体与触控感测装置不共地时，所述第二环绕型样提供比所述第一环绕型样更显著的电容变化。
2.如权利要求1所述的触控感测装置，其中该多个第一环绕型样以及该多个第二环绕型样以马赛克状排列。
3.如权利要求1所述的触控感测装置，其中该多个第一环绕型样的一个被多个第二环绕型样所环绕。
4.如权利要求1所述的触控感测装置，其中该多个第一环绕型样中的一个包含有该多个第一电极中的一特定第一电极的第一部分，而该多个第二环绕型样中的一个包含有该特定第一电极的第二部分，该特定第一电极的第一部分与第二部分在形状与大小上都有所不同。
5.如权利要求4所述的触控感测装置，其中该多个第一环绕型样中的一个包含有该多个第二电极中的一特定第二电极的第一部分，而该多个第二环绕型样中的一个包含有该特定第二电极的第二部分，该特定第二电极的第一部分与第二部分在形状与大小上都有所不同。
6.如权利要求1所述的触控感测装置，其中该多个第二环绕型样中的一个包含有该多个第一电极中的一特定第一电极的第一部分，而该多个第二环绕型样中的另一个包含有该特定第一电极的第二部分，该特定第一电极的第一部分与第二部分在形状与大小上都相同。
7.如权利要求6所述的触控感测装置，其中该多个第一环绕型样中的一个包含有该多个第二电极中的一特定第二电极的第一部分，而该多个第一环绕型样中的另一个包含有该特定第二电极的第二部分，该特定第二电极的第一部分与第二部分在形状与大小上都相同。
8.如权利要求1所述的触控感测装置，其中该多个第一电极与该多个第二电极实质上未重迭。
9.如权利要求1所述的触控感测装置，其中在每一个第一环绕型样中，该多个第一电极中的一个具有多个突出分枝，以及该多个第二电极中的一个具有多个开口槽孔，且该多个突出分支与该多个开口槽孔相互交错。
10.如权利要求1所述的触控感测装置，其中该多个第一电极为驱动电极，而该多个第二电极为感应电极。
11.一种触控屏幕，包含：
一显示装置；
一触碰控制装置；以及
一触控感测装置，由该触碰控制装置所控制，包含：
多个第一电极；
多个第二电极，设置于该多个第一电极的周遭；
多个第一环绕型样，由该多个第一电极与该多个第二电极所形成，每一个包含：
该多个第一电极的一个与该多个第二电极的一个交错；以及
多个第二环绕型样，由该多个第一电极与该多个第二电极所形成，每一个包含：
该多个第二电极的一个夹在该多个第二电极的另一个与该多个第一电极的一个中间；其中
当触碰物体与触控感测装置共地时，所述第一环绕型样提供比所述第二环绕型样更显著的电容变化；以及
当触碰物体与触控感测装置不共地时，所述第二环绕型样提供比所述第一环绕型样更显著的电容变化。
12.如权利要求11所述的触控屏幕，其中该多个第一环绕型样以及该多个第二环绕型样以马赛克状排列。
13.如权利要求11所述的触控屏幕，其中该多个第一环绕型样的一个被多个第二环绕型样所环绕。
14.如权利要求11所述的触控屏幕，其中该多个第一环绕型样中的一个包含有该多个第一电极中的一特定第一电极的第一部分，而该多个第二环绕型样中的一个包含有该特定第一电极的第二部分，该特定第一电极的第一部分与第二部分在形状与大小上都有所不同。
15.如权利要求14所述的触控屏幕，其中该多个第一环绕型样中的一个包含有该多个第二电极中的一特定第二电极的第一部分，而该多个第二环绕型样中的一个包含有该特定第二电极的第二部分，该特定第二电极的第一部分与第二部分在形状与大小上都有所不同。
16.如权利要求11所述的触控屏幕，其中该多个第二环绕型样中的一个包含有该多个第一电极中的一特定第一电极的第一部分，而该多个第二环绕型样中的另一个包含有该特定第一电极的第二部分，该特定第一电极的第一部分与第二部分在形状与大小上都相同。
17.如权利要求16所述的触控屏幕，其中该多个第一环绕型样中的一个包含有该多个第二电极中的一特定第二电极的第一部分，而该多个第一环绕型样中的另一个包含有该特定第二电极的第二部分，该特定第二电极的第一部分与第二部分在形状与大小上都相同。
18.如权利要求11所述的触控屏幕，其中该多个第一电极与该多个第二电极实质上未重迭。
19.如权利要求11所述的触控屏幕，其中在每一个第一环绕型样中，该多个第一电极中的一个具有多个突出分枝，以及该多个第二电极中的一个具有多个开口槽孔，且该多个突出分支与该多个开口槽孔相互交错。
20.如权利要求11所述的触控屏幕，其中该多个第一电极为驱动电极，而该多个第二电极为感应电极。
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