CN106557211B - 一种三维触控总成 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种三维触控总成，包括一复合触控压感层，所述复合触控压感层包括一柔性基材层以及分别设置在所述柔性基材层两侧的一第一触控压感层与一第二触控压感层，所述第一触控压感层上设置有多条第一方向触控压电电极，所述第二触控压感层上设置有多条第二方向触控压电电极，所述多条第一方向触控压电电极与所述第二方向触控压电电极既侦测触控信号，也侦测压力信号。本发明所提供的三维触控总成具有轻薄，硬件及电路设计简单，成本低等优点。
Description
【技术领域】
本发明涉及触控及压感领域，尤其涉及一种三维触控总成。
【背景技术】
随着科技的发展，触控总成(touch Screen assembly)已广泛应用于各种消费电子设备，例如：智能型手机、平板计算机、相机、电子书、MP3播放器等携带式电子产品，或是应用于操作控制设备的显示屏幕。
现有的电子设备大都采用电容式触控总成，电容式触控总成是利用人体的电流感应进行工作的。以触控面所在表面建立二维坐标系(X，Y)，一般的电容式触控总成在该平面内设置有X方向及Y方向的触控电极，当手指触摸在触控电极所对应的触控表面上时，由于人体电场，手指改变了触控点处的电信号。电子设备内部通过对触控点处电信号改变的精确计算，得出触摸点在X方向以及Y方向上的坐标位置，即确定触控点的二维位置进而控制电子设备的显示、跳转等操作。
为了进一步丰富触控总成的功能，目前已有部分触控总成会加装独立的压力传感器，所述压力传感器包括多个压感单元，位于触控点处的压感单元感应来自垂直于触控面(相当于Z轴方向)的按压力会产生一定的形变从而引起压感单元之电信号发生变化，对该电性号的侦测可以确定压感单元所受到的压力。通过压力值的侦测可设计出匹配于不同压力值下的设备功能，譬如不同力度下同一触控点可匹配多种功能。即我们可以从触控点(X，Y)和压力(Z)所界定的三维角度去丰富设计。
然，前述具有压力侦测功能的电子设备，由于其加载有压力传感器，其整体厚度增加，线路繁杂，制程复杂；也因此，如何发展出兼具触控及压力侦测的简易型三维触控侦测功能模块解决方案，是业界所需要的。
【发明内容】
为克服目前三维触控总成厚度增加，线路繁杂的问题，本发明提供一种三维触控总成。
本发明提供了一种解决上述技术问题的技术方案:一种三维触控总成，包括一复合触控压感层，所述复合触控压感层包括一柔性基材层以及分别设置在所述柔性基材层两侧的一第一触控压感层与一第二触控压感层，所述第一触控压感层上设置有多条第一方向触控压电电极，所述第二触控压感层上设置有多条第二方向触控压电电极，所述多条第一方向触控压电电极与所述第二方向触控压电电极既侦测触控信号，也侦测压力信号。
优选地，侦测所述触控信号及侦测所述压力信号系分时序进行，并分别采用互电容及自电容的方式侦测。
优选地，所述三维触控总成先侦测所述触控信号以确定触控点位置，再侦测触控点位置处所对应的所述第一方向触控压电电极和/或所述第二方向触控压电电极处所产生的压力信号以确定按压力值大小。
优选地，于侦测所述触控信号时，所述多条第一方向触控压电电极与所述多条第二方向触控压电电极配合采用互电容的方式侦测所述触控信号。
优选地，于侦测所述压力信号时，所述每一条第一方向触控压电电极与所述每一条第二方向触控压电电极各自采用自电容的方式侦测所述压力信号。
优选地，于侦测所述压力信号时，位于所述柔性基材层两侧且位置对应的所述第一方向触控压电电极和所述第二方向触控压电电极分别侦测到的压力信号叠加。
优选地，所述每一条第一方向触控压电电极与所述每一条二方向触控压电电极两端设置有导电线，所述导电线直接连接至集成在一芯片上的一三维信号处理电路，或通过软性电路板连接至所述三维信号处理电路。
优选地，所述第一触控压感层和所述第二触控压感层为面电阻小于200欧姆/平方厘米的具有压电特性的材料制成。
优选地，所述第一触控压感层和所述第二触控压感层为纳米银线PVDF压电膜经过图案化处理形成。
优选地，所述纳米银线PVDF压电膜内部散布有多条纳米银线，所述多条纳米银线之间相互搭接形成传导网络。
与现有技术相比，本发明揭示的三维触控总至少具有如下优点：
1.本发明中第一触控压感层和第二触控压感层为导电性较好的压电材料制成，其同时具备触控信号侦测和压力信号侦测功能，这样可以大大降低兼具有触控及压感双功能的三维触控总成的厚度，且触控信号与压力信号采用同一组导电线导出，其可以减少线路的排布，避免了传统搭载压力功能的三维触控总成所存在的线路繁杂的问题。
2.本发明中复合触控压感层结构为过柔性基材层两侧设置第一触控压感层和第二触控压感层，柔性基材层的设置可以使得复合触控压感层能够灵敏响应于触控操作产生一定的形变以提升具有压电侦测的触控总成的压力信号侦测灵敏度。
3.本发明中采用的是互电容的侦测方式侦测触控信号，采用自电容的方式侦测压力信号，所述两者响应于触控操作所产生的触控信号与压力信号变化均为电容量的改变，即两者因触控操作所引起的信号类型变化一致。由于两者的信号类型变化的一致性，其能够通过同一处理电路来实现信号的侦测，在本发明中通过一套硬件设备(集成在一芯片上的三维信号处理电路)就可以实现对触控信号以及压力信号的处理。生产厂商无需设计两套独立的硬件设备来对压力信号和触控信号进行处理。这样提高了电容式三维侦测模块的集成度，降低了硬件设备的成本。避免了现有搭载压力功能的触控总成所存在的多套硬件设备所带来的硬件复杂，成本高等问题。
4.三维触控总成分时序侦测触控点位置以及按压力值。最佳地，具有压电侦测的触控总成先侦测触控点的位置，然后再侦测触控点位置处所对应的触控压电电极所受到的按压力值，在按压力值的侦测过程中，三维信号处理电路无需对触控压电电极全部逐一侦测，这样，提高了侦测效率，降低了硬件损耗。
5.在本发明中第一方向触控压电电极和第二方向触控压电电极可以优选为纳米银线PVDF压电膜制成，由于其内散布并嵌入了纳米银线，纳米银线在其内部形成传导网络，故，其导电性非常好，而纳米银线PVDF压电膜本身具有较好的压电特性，因此第一方向触控压电电极和第二方向触控压电电极采用纳米银线PVDF压电膜制作时，触控信号和压力信号的侦测效果均非常理想。
【附图说明】
图1是本发明第一实施例三维触控总成的层状结构示意图。
图2是本发明第一实施例三维触控总成之第一触控压感层的平面结构示意图。
图3是本发明第一实施例三维触控总成之复合触控压感层的平面结构示意图。
图4是纳米银线PVDF压电膜的平面结构示意图。
图5是本发明第一实施例三维触控总成之触控信号与压力信号侦测的时序图。
图6是本发明第二实施例三维触控总成之第一触控压感层的平面结构示意图。
图7是本发明第二实施例三维触控总成之复合触控压感层的平面结构示意图。
【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实例，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。
请参阅图1，本发明第一实施例三维触控总成10包括一从上至下(本发明中，上下左右、顶部、底部等位置词仅用于限定指定视图上的相对位置，而非绝对位置)依次包括一上基板11，一贴合层12以及一复合触控压感层10s以及一三维信号处理电路18，所述复合触控压感层10s兼具触控信号侦测与压力信号侦测这两种功能，触控信号用于确定触控操作者的触控位置，压力信号用于确定触控操作之按压力值大小。所述三维信号处理电路18设置在复合压感层10s的下方，其位置不作限定。所述复合触控压感层10s与三维信号处理电路18电性连接，而三维信号处理电路18得以透过讯号处理技巧计算触控位置及相应位置的按压力值大。
上基板11可以认定为电子设备的触摸盖板，所谓的盖板包括一触控操作面与一组件安装面，其触控操作面用于手指或触控笔等进行触控操作，组件安装面则用于安装触控电极组件或显示模组等。上基板111材质可以是PEEK(polyetheretherketone聚醚醚酮)，PI(Polyimide聚酰亚胺)，PET(polyethyleneterephthalate聚对苯二甲酸乙二醇酯)，PC(聚碳酸酯聚碳酸酯)，PES(聚丁二酸乙二醇酯，PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯polymethylmethacrylate)及其任意两者的复合物等材料，但不以此为限而可以使用软性玻璃或薄化玻璃盖板。
贴合层12可以选用OCA(光学透明胶，Optical Clear Adhesive)或LOCA(液态光学透明胶，Liquid Optical Clear Adhesive)。
请再合并参阅图1至图3，复合触控压感层10s包括一柔性基材层16以及分别设置在柔性基材层16两侧的一第一触控压感层15与一第二触控压感层17，所述第一触控压感层15与第二触控压感层17以柔性基材层16相对的两侧作为承载面。第一触控压感层15上设置有多条第一方向触控压电电极151，第二触控压感层17上设置有多条第二方向触控压电电极171，多条第一方向触控压电电极151与第二方向触控压电电极171既侦测触控信号，也侦测压力信号。
更具体地，侦测触控信号及侦测压力信号系分时序进行，并分别采用互电容及自电容的方式侦测。三维触控总成10s先侦测触控信号以对操作者在上基板11上的触控操作进行触控信号侦测以确定触控操作所对应的位置，再侦测触控点位置处所对应的第一方向触控压电电极151和/或第二方向触控压电电极171处所产生的压力信号以确定按压力值大小。
于侦测触控信号时，多条第一方向触控压电电极151与多条第二方向触控压电电极171配合采用互电容的方式侦测触控信号；又于侦测压力信号时，每一条第一方向触控压电电极151与每一条第二方向触控压电电极171各自采用自电容的方式侦测所述压力信号。
更进一步地，如图2和图3所示，所述第一触控压感层15包括多条沿第一方向(X方向)平行等间距排列的第一方向触控压电电极151，所述第二触控压感层17包括多条沿第二方向(Y方向)平行等间距排列的第二方向触控压电电极171，X方向正交于Y方向，即所述多条相互平行排列的第一方向触控压电电极151与多条相互平行排列的第二方向触控压电电极171正交。
第一触控压感层15上的每一第一方向触控压电电极151可通过两导电线连接至一集成在一芯片上的三维信号处理电路18以形成封闭电性回路，俾利每一第一方向触控压电电极151执行自电容压感侦测，第一触控压感层15上的多条导电线可选择性地先透过该层对应的软性电路板(图未示)进行讯号导出，软性电路板电性连接于三维信号处理电路18；同样地，第二触控压感层17的每一第二方向触控压电电极171亦可各自形成封闭电性回路以利自电容压感侦测，并选择性地使用软性电路板通过该层对应的软性电路板(图未示)进行讯号导出，软性电路板电性连接于三维信号处理电路18。所述每一第一方向触控压电电极151和/或每一第二方向触控压电电极171之两端的导电线兼具传导触控信号和压力信号的功能。
触控操作者在上基板11的上表面进行触控操作时，该触控点处对应的一第一方向触控压电电极151或第二方向触控压电电极171，或一第一方向触控压电电极151和一第二方向触控压电电极171将同时受到压力。
所述第一方向触控压电电极151和/或第二方向触控压电电极171导电性较佳，优选面电阻小于200欧姆/平方厘米的具有压电特性的材料。第一方向触控压电电极151和第二方向触控压电电极171是在触控操作下所产生的压力而引起的变形、偏转或剪切等应变性反应从而导致至少一个电性能发生改变的压电材料。
图2和图3中仅以4条第一方向触控压电电极151与4条第二方向触控压电电极171为例来进行示意说明，实际上，数量不作限制。所述第一方向触控压电电极151与第二方向触控压电电极171的设置位置互补，从上基板11的正面的叠加效果来看，相当于用单层材料同时实现了触控压电电极(包括第一方向触控压电电极151和第二方向触控压电电极171)的配置。在本实施例中，所述X方向与Y方向正交，但X和Y方向的夹角角度不作限定。
图2及图3中仅以串联式菱形条状的第一方向触控压电电极151和第二方向触控压电电极171为例来进行说明，实际上，其形状可以是串联的三角形、串联的圆形、矩形，波浪形等其他形状，其未加以限定。
请再参阅图4，作为一种最佳实施例，所述第一触控压感层15和第二触控压感层17采用纳米银线PVDF(Polyvinylidene Fluoride聚偏氟乙稀)压电膜800图案化后制成(图案化结果可如图2及6所示)，即所述纳米银线PVDF压电膜800为PVDF材料制成薄膜，所述PVDF材料中掺杂了多条纳米银线801。多条纳米银线801散布并内嵌于纳米银线PVDF压电膜800中，且相互搭接形成一个传导网络以提高纳米银线PVDF压电膜800的导电性。所谓纳米银线801(silver nano wires，简称SNW)是指横向尺寸在10-450nm，纵向尺寸在10-300um范围内的一种银的形态。银在一般状态下为银白色金属，且为不透明材料，导电性极佳。
于其他实施例中，触控压电电极的压电材料可以是纳米级的氧化铟锡(IndiumTin Oxide，ITO)、氧化锡锑(Antimony Doped Tin Oxide，ATO)、ZnO(氧化锌)以及氧化钛锆、氧化铟锌(IndiumZinc Oxide，IZO)、氧化锌铝(Aluminum Zinc Oxide，AZO)等类似金属氧化物，石英、钛酸钡或锆钛酸铅(PZT)及压电陶瓷等中的一种或多种等具有压电材料。其还可以是分散在绝缘、透明、可变形的基质中的铟锡氧化物(ITO)、掺锑的氧化锡(ATO)、掺铝的氧化锌(AZO)或其它透明导电氧化物的粒子，所述基质可包括聚合物材料，例如是共聚物或三元共聚物的任一种，并未加以局限。
于触控压感层尺寸上，第一触控压感层15和第二触控压感层17厚度约为10nm—5μm，优选为20nm—1μm，更优为20nm—100nm。优选透光率在90％以上。
所述柔性基材层16为柔性材质，较佳地，厚度小于500μm，更佳地，厚度小于200μm。柔性基材层16材质可以是聚合物膜，所述聚合物膜诸如包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯的膜，薄玻璃片(例如，100μm厚或更薄)或钠钙硅玻璃。跟进一步优选为透明柔性材质，透光率在80％以上(优选透光率在90％以上)。
在本发明中，三维信号处理电路18集成于一芯片上，其至少用于处理触控信号及压力信号(即互电容讯号及自电容信号)。为了清楚说明侦测触控信号及压力信号系分时序进行的，请参阅图5，It1和It2分别代表对依序两相邻触控压力电极(例如两第一方向触控压电电极151)侦测触控信号之时序，所述Ifa_1与Ifa_2代表对依序两相邻第一触控压感层15上二不同的第一方向触控压电电极151之压力信号侦测时序，Ifb_1与Ifb_2代表对依序两相邻第二触控压感层17上二不同的第二方向触控压电电极171之压力信号侦测时序。因第一方向触控压电电极151和第二方向触控压电电极171兼具触控信号和压力信号侦测功能，故，所述触控信号与压力信号侦测分时序进行，即触控信号与压力信号侦测时段彼此分开进行，该分开进行的方式包括至少两种：
一、触控信号与压力信号侦测独立进行；即信号处理电路18在分开的时段里通过逐一扫描第一方向触控压电电极151和第二方向触控压电电极171以分别侦测触控信号与压力信号。触控信号与压力信号的侦测彼此相互独立分时序进行。
二、先侦测触控信号以确定触控点位置，再侦测压力信号以确定按压力值大小；三维信号处理电路18逐一扫描第一方向触控压电电极151和第二方向触控压电电极171以优先侦测触控信号并对触控信号进行处理后确定触控点的位置，触控点位置处所对应的第一方向触控压电电极151和/或第二方向触控压电电极171必定会受到按压力产生压力信号，由于触控点位置已经确定，故，三维信号处理电路18随即对触控点位置处的第一方向触控压电电极151和第二方向触控压电电极171进行压力信号的侦测即可。这样可以节约程序的运行时间，以最快速度获得触控点位置及按压力值的大小。
三维触控总成10对触控信号采用互电容方式侦测，对压力信号采用自电容的方式侦测，所述互电容方式侦测触控信号具体为：所述触控单元由第一方向触控压电电极151与第二方向触控压电电极171所界定，其具有电容效应，即第一方向触控压电电极151与第二方向触控压电电极171之间形成电容，第一方向触控压电电极151相当于电容的上极板，所述第二方向触控压电电极171相当于电容的下极板，当用户手指或触控笔等在上基板11上进行触控操作时，影响了触控点处对应的触控单元上下极板之间的耦合，从而改变了这两个极板之间的电容量。所述电容量的改变形成触控信号传递至三维信号处理电路18。
又于压力信号侦测时，所述自电容方式侦测压力信号具体为：每一第一方向触控压电电极151与第二方向触控压电电极171两端设置有导电线，所述二导电线和三维信号处理电路18及第一方向触控压电电极151或第二方向触控压电电极171构成闭合回路以侦测压力信号。
在压力信号侦测上，所述第一触控压感层15和第二触控压感层17相互独立，但三维信号处理电路18对第一触控压感层15和第二触控压感层17所侦测到的压力信号的处理方式能体现压力信号叠加有益效果。
与现有技术相比，本发明揭示的三维触控总成10至少具有如下优点：
1.本发明中第一触控压感层15和第二触控压感层17为导电性较好的压电材料制成，其同时具备触控信号侦测和压力信号侦测功能，这样可以大大降低三维触控总成10的厚度，且触控信号与压力信号采用同一组导电线导出，其可以减少线路的排布，避免了传统三维触控总成所存在的线路繁杂的问题。
2.本发明中复合触控压感层10s结构为过柔性基材层16两侧设置第一触控压感层15和第二触控压感层17，柔性基材层16的设置可以使得复合触控压感层10s能够灵敏响应于触控操作产生一定的形变以提升三维触控总成10的压力信号侦测灵敏度。
3.本发明中采用的是互电容的侦测方式侦测触控信号，采用自电容的方式侦测压力信号，所述两者响应于触控操作所产生的触控信号与压力信号变化均为电容量的改变，即两者因触控操作所引起的信号类型变化一致。由于两者的信号类型变化的一致性，其能够通过同一处理电路来实现信号的侦测，在本发明中通过一套硬件设备(集成在一芯片上的三维信号处理电路18)就可以实现对触控信号以及压力信号的处理。生产厂商无需设计两套独立的硬件设备来对压力信号和触控信号进行处理。这样提高了电容式三维侦测模块10的集成度，降低了硬件设备的成本。避免了现有具有压电侦测的触控总成所存在的多套硬件设备所带来的硬件复杂，成本高等问题。
4.三维侦测模块10分时序侦测触控点位置以及按压力值。最佳地，三维侦测模块10先侦测触控点的位置，然后再侦测触控点位置处所对应的触控压电电极所受到的按压力值，在按压力值的侦测过程中，三维信号处理电路18无需对触控压电电极全部逐一侦测，这样，提高了侦测效率，降低了硬件损耗。
5.在本发明中第一方向触控压电电极151和第二方向触控压电电极171可以优选为纳米银线PVDF压电膜800制成，由于其内散布并嵌入了纳米银线，纳米银线在其内部形成传导网络，故，其导电性非常好，而纳米银线PVDF压电膜800本身具有较好的压电特性，因此第一方向触控压电电极151和第二方向触控压电电极171采用纳米银线PVDF压电膜800制作时，触控信号和压力信号的侦测效果均非常理想。
请参阅图6和图7，本发明第二实施例具有压电侦测的触控总成(未标号)与第一实施例的不同之处仅在于：所述复合触控压感层10a包括一柔性基材层16a,该柔性基材层16a相对的两侧分别设置一第一触控压感层15a和一第二触控压感层17a。所述第一触控压感层15a和第二触控压感层17a上分别设置有多条沿第一方向(X方向)平行等间距排列的第一方向触控压电电极151a和多条沿第二方向(Y方向)平行等间距排列的第二方向触控压电电极171a，所述第一方向触控压电电极151a和第二方向触控压电电极171a为矩形长条状。
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，凡在本发明的原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种三维触控总成，其特征在于：包括一复合触控压感层，所述复合触控压感层包括一柔性基材层以及分别设置在所述柔性基材层两侧的一第一触控压感层与一第二触控压感层，所述第一触控压感层和所述第二触控压感层采用纳米银线PVDF(PolyvinylideneFluoride聚偏氟乙稀)，所述第一触控压感层上设置有多条第一方向触控压电电极，所述第二触控压感层上设置有多条第二方向触控压电电极，所述多条第一方向触控压电电极与所述第二方向触控压电电极既侦测触控信号，也侦测压力信号；侦测所述触控信号及侦测所述压力信号系分时序进行，并分别采用互电容及自电容的方式侦测；于侦测所述触控信号时，所述多条第一方向触控压电电极与所述多条第二方向触控压电电极配合采用互电容的方式侦测所述触控信号；于侦测所述压力信号时，所述每一条第一方向触控压电电极和/或所述每一条第二方向触控压电电极各自采用自电容的方式侦测所述压力信号；所述三维触控总成先侦测所述触控信号以确定触控点位置，再侦测触控点位置处所对应的所述第一方向触控压电电极和/或所述第二方向触控压电电极处所产生的压力信号以确定按压力值大小；于侦测所述压力信号时，位于所述柔性基材层两侧且位置对应的所述第一方向触控压电电极和所述第二方向触控压电电极分别侦测到的压力信号叠加。
2.如权利要求1所述的三维触控总成，其特征在于：所述每一条第一方向触控压电电极与所述每一条二方向触控压电电极两端设置有导电线，所述导电线直接连接至一集成在一芯片上的三维信号处理电路，或通过软性电路板连接至所述三维信号处理电路。
3.如权利要求1所述的三维触控总成，其特征在于：所述第一触控压感层和所述第二触控压感层为面电阻小于200欧姆/平方厘米的具有压电特性的材料制成。
4.如权利要求1所述的三维触控总成，其特征在于：所述第一触控压感层和所述第二触控压感层为纳米银线PVDF压电膜经过图案化处理形成。
5.如权利要求4所述的三维触控总成，其特征在于：所述纳米银线PVDF压电膜内部散布有多条纳米银线，所述多条纳米银线之间相互搭接形成传导网络。
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