CN107924257B - 使用导电岛进行手指位置跟踪和触觉显示的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种触摸屏，该触摸屏包括电容耦合到导电迹线的导电岛，其中它们可以用于提供与触摸屏接触的一个或多个手指的位置的电容感测和/或在与触摸屏接触的一个或多个手指上施加触觉力。

Description

使用导电岛进行手指位置跟踪和触觉显示的方法和装置
相关申请
本申请要求于2015年6月10日提交的标题为“Method and Apparatus For FingerPosition Tracking and Haptic Display Using conductive Islands”的美国临时申请No.62/173,732以及于2016年6月9日提交的标题为“Method and Apparatus For FingerPosition Tracking and Haptic Display Using conductive Islands”的美国非临时申请No.15/178,283的优先权。
本发明的合同来源
本发明是在国家科学基金会授予的资助号IIS-0964075和II5-1302422的政府支持下完成的。政府对本发明享有一定的权利。
技术领域
本公开一般而言涉及触觉领域，并且更具体地涉及包括电容耦合到导电迹线的导电岛的触摸屏。
背景技术
触摸屏已经普遍用于计算机界面，并且被用于移动电话、平板电脑、笔记本计算机、银行自助终端以及许多其它应用和设备。触摸屏能够检测与屏幕接触的用户的手指的位置。然后，检测到的位置可以被计算机程序使用来响应由他或她的触摸所表达的用户的命令，诸如在屏幕上移动可见的图形对象或者选择按钮或菜单项。
通常，触敏屏幕是透明的并且与视觉显示结合，使得用户可以想象他或她正在触摸或指向被视觉描绘的对象。这涉及两个信息流：从计算机到用户的视觉信息，以及从用户到计算机的触摸信息。
触摸信息的其它传送方向不太常见，其中用户可以利用他或她的触感从计算机接收信息。这可以支持用户对边缘或纹理，或者甚至明显的表面凹凸不平的感知。
将触摸信息传送给用户的机制被称为触觉。触觉的当代形式是通过产生手持设备的振动来完成的。用户可以想象振动将源于他或她与在视觉显示上描绘的图标或其它图形特征的交互。除了振动触觉之外，术语表面触觉显示是指其中力可以由屏幕生成并且在用户的指尖与屏幕接触的点处施加在用户的指尖上的触摸屏。
如果触摸屏可以单独检测与屏幕同时接触的多于一个手指的位置，则这被称为“多点触摸”。如果表面触觉显示可以在与屏幕同时接触的多于一个手指上产生不同的力，则这被称为“多触觉”。
表面触觉显示面临的挑战是为通常由玻璃制成的触摸屏寻找能够在触摸它的指尖上施加力的方式。力必须受软件控制。另外，力产生的机构不能妨碍对正在触摸屏幕的指尖的位置的检测。此外，力产生的机构应该是合理透明的，使得在触摸屏下方的视觉显示不被遮挡。
实现表面触觉显示的一种方法是使用静电吸引在用户的指尖上产生力。诸如氧化铟锡(ITO)之类的透明电极被放置在通常由玻璃制成的触摸屏的表面下面。电极被充电到相对于用户手指电位的电位。电极和用户指尖之间的静电吸引增加了指尖和玻璃之间的接触力，并且因此也增加了用户为了将他或她的手指移过玻璃而必须克服的摩擦力。用户感知增加的摩擦力，其可以在软件控制下被调节以表示图标、纹理、边缘和其它触觉效果。静电吸引力取决于许多因素，包括电位差(电压)、表面面积、被吸引表面之间的距离、电压符号的交替频率、以及它们之间的材料的介电常数。
本公开的目的是提供与触摸屏接触的一个或多个手指的位置的电容感测和/或在与触摸屏接触的一个或多个手指上施加触觉力。
发明内容
本公开提供了对制造触摸屏的构造和方法的描述，该触摸屏包括电容耦合到导电迹线的导电岛。本发明的目的和优点将在下面的描述和附图中阐述并变得明显，并且将通过实践所要求保护的主题而被了解。
本公开的一个实施例包括一种触摸屏，其包括：前表面，所述前表面具有多个导电岛，所述多个导电岛位于紧邻所述前表面的深度处，并且其中所述导电岛彼此基本上电隔离。
另一个实施例包括多条导电迹线，每条导电迹线基本上电容耦合到所述导电岛中的至少两个导电岛。
在另一个实施例中，所述导电迹线中的多条导电迹线被电连接。
在另一个实施例中，所述多条导电迹线位于所述导电岛的上方。
在另一个实施例中，所述多条导电迹线每一条都位于所述导电岛的下方。
在另一个实施例中，电容耦合将所述导电迹线中的多条导电迹线连接到附加的电子器件。
在另一个实施例中，指尖与所述触摸屏接触的位置通过测量所述导电迹线中的多条导电迹线的互电容来确定。
在另一个实施例中，当指尖触摸所述触摸屏时，通过经由所述导电岛中的靠近所述指尖的至少一个导电岛到接近所述至少一个导电岛的至少一条导电迹线的电容耦合来对所述至少一个导电岛进行充电，在所述指尖上产生吸引静电力。
在另一个实施例中，通过经由靠近指尖的至少一个导电岛到也接近所述至少一个导电岛的第二导电迹线的电容耦合来减少所述至少一个导电岛上的电荷，减小所述指尖上的吸引静电力。
在另一个实施例中，导电迹线以Z字形图案穿过所述导电岛的阵列。
本公开的另一个实施例包括一种确定触摸屏中的触摸位置的方法，所述方法包括以下步骤：在前表面中在紧邻所述前表面的深度处形成多个导电岛，将所述导电岛彼此基本上电隔离。
另一个实施例包括形成多条导电迹线的步骤，每条导电迹线基本上电容耦合到所述导电岛中的至少两个导电岛。
在另一个实施例中，所述导电迹线中的多条导电迹线被电连接。
在另一个实施例中，所述多条导电迹线位于所述导电岛的上方。
在另一个实施例中，所述多条导电迹线每一条都位于所述导电岛的下方。
在另一个实施例中，电容耦合将多条导电迹线连接到附加的电子器件。
在另一个实施例中，指尖与所述触摸屏接触的位置通过测量所述导电迹线中的多条导电迹线的互电容来确定。
在另一个实施例中，当指尖触摸所述触摸屏时，通过经由所述导电岛中的靠近所述指尖的至少一个导电岛到接近所述至少一个导电岛的至少一条导电迹线的电容耦合来对所述至少一个导电岛进行充电，在所述指尖上产生吸引静电力。
在另一个实施例中，通过经由靠近指尖的至少一个导电岛到也接近所述至少一个导电岛的第二导电迹线的电容耦合来减少所述至少一个导电岛上的电荷，减小所述指尖上的吸引静电力。
在另一个实施例中，导电迹线以Z字形图案穿过所述导电岛的阵列。
应该理解的是，前面的一般描述和下面的详细描述都是示例性的，并且仅用于解释的目的而提供，而不是限制所要求保护的主题。术语“手指”和“指尖”在本文中可互换使用，以指示可以接合或接触触摸屏的用户身体的一部分，并且将认识到的是，它们通常用于表示用户身体的任何部分。在以下对优选实施例的描述中以及从所附权利要求中，本公开的其它特征和目的将变得更加明显。
附图说明
在描述优选实施例时，参考了附图，其中相同的部件具有相同的标号，并且其中：
图1A示出了具有导电岛的触摸屏的正视图。
图1B示出了图1A中的触摸屏的横截面图；
图2A示出了包括基本上电容耦合到相应导电岛的代表性导电迹线的触摸屏的正视图；
图2B示出了图2A的触摸屏的横截面图；
图2C是图2A所示的导电岛之一的正视图的特写示意图；
图3A示出了具有导电岛和代表性导电迹线的触摸屏的正视图，代表性导电迹线基本上电容耦合到相应的导电岛并且其中导电迹线中的一些与路径交叉；
图3B示出了图3A的触摸屏的横截面图；
图4A示出了具有导电岛和代表性导电迹线的触摸屏的正视图，代表性导电迹线基本上电容耦合到相应的导电岛并且其中导电迹线中的一些与路径交叉；
图4B示出了图4A的触摸屏的横截面图；
图5A示出了具有导电岛和基本上电容耦合到相应导电岛的替代代表性导电迹线的触摸屏的正视图；
图5B示出了图5A的触摸屏的横截面图；
图5C和图5D示出了图5A中基本上电容耦合到替代导电迹线的相对较大的导电岛的正视图以及基本上电容耦合到另外还有的替代导电迹线的相对较小的导电岛的正视图的特写示意图；
图6A示出了具有导电岛和代表性导电迹线的触摸屏的正视图，代表性导电迹线基本上电容耦合到相应导电岛并且其中导电迹线中的一些与路径交叉并且电容耦合到触摸屏的基板的外表面上的导电焊盘；
图6B示出了图6A的触摸屏的横截面图；
图7示出了具有导电岛和代表性导电迹线的触摸屏的正视图，代表性导电迹线基本上电容耦合到相应的导电岛并且其中导电迹线中的一些与路径交叉，并且还表示相应X导电迹线可以用方波脉冲进行激励并且Y导电迹线从X导电迹线接收电荷；
图8A示出了具有导电岛和代表性导电迹线的另一个示例触摸屏的正视图的示意图，代表性导电迹线基本上电容耦合到相应的导电岛并且其中导电迹线中的一些与路径交叉并且具有一些带负电的导电迹线和其它带正电的导电迹线；
图8B示出了图8A的触摸屏的另一个实施例，其使用对一些导电迹线进行充电以向两个手指提供不同的触觉感觉的替代方法；
图9A示出了具有导电岛和代表性导电迹线的触摸屏的正视图，代表性导电迹线以Z字形图案穿过导电岛的阵列，并且基本上电容耦合到相应的导电岛，并且还有其中导电迹线中的一些与路径交叉，并且一些带电导电迹线带负电而其它导电迹线带正电；
图9B示出了图9A的触摸屏的另一个实施例，其使用将改变触摸屏的前表面对手指的静电吸引的对导电迹线中的一些进行充电的替代方法。
应该理解的是，附图不是按比例绘制的。虽然触摸屏设备的一些细节(包括紧固单元的细节以及特定部件的其它平面图和截面图)未被包括，但是这些细节被认为在本公开的启发下是在本领域技术人员的理解范围之内。还应该理解的是，本发明不限于所图示的示例实施例。
具体实施方式
本公开一般而言提供了具有前表面和多个导电岛的触摸屏，该多个导电岛位于紧邻前表面的深度处，并且其中导电岛彼此基本上电隔离。
图1A示出了包括基板101的触摸屏102的正视图。图1B示出了触摸屏102的横截面图。在一个实施例中，触摸屏内的导电岛103的深度是使得它们在距离触摸屏102的前表面104为5um的深度处紧邻触摸屏102的前(被触摸)表面104。导电岛103由沉积的ITO构成，其厚度导致500欧姆/平方的电阻率，以允许良好的光学透明度。在这个示例中，每个导电岛是5mm的正方形并且在具有被称为x轴和y轴的正方形阵列中。每个导电岛103与其它导电岛103电隔离。而且，每个导电岛103通过激光烧蚀线105与其相邻的导电岛103分隔开，每个激光烧蚀线有100um宽，切割穿过沉积的ITO层。触摸屏102的基板101的大部分区域被导电岛103覆盖，仅在导电岛之间留下最小的烧蚀线105，因为这是为了将导电岛彼此电隔离所必需的。为了图形清楚，图1B夸大了触摸屏102的前表面104下面的导电岛的深度，以及相邻导电岛之间的烧蚀线105的间隔和间距。
在图2A中公开的一个实施例中，两个导电迹线或焊盘206、206a、207、207a电容耦合到公共导电岛103，该公共导电岛103被定位成使得它接近这两个迹线或焊盘，与它们重叠。导电岛103用于在两个迹线或焊盘206、206a、207、207a之间产生互电容，并且这种互电容不需要电场线在触摸屏之外和触摸屏上方投射或呈弧形(arc)。接近公共岛103的用户的指尖增加了岛103的自电容，并且通过这种机制减小了两个迹线或焊盘206、206a、207、207a的互电容。
导电岛103用于当用户的指尖接近或接触触摸屏前表面104时调解用户的指尖与触摸屏内的导电迹线之间的电容性相互作用。本文将解释这些导电迹线206、206a、207、207a的配置。在表面电容感测应用中，导电迹线或焊盘206、206a、207、207a各自电容耦合到指尖，使得迹线或焊盘206、206a、207、207a的自电容在指尖接近迹线或焊盘时增加。这种自电容是以电子方式测量的，以检测指尖的接近度。在投射的电容(P-cap)感测应用中，两个导电迹线或焊盘206、206a、207、207a电容耦合到彼此，并且耦合两个迹线或焊盘206、206a、207、207a的电场线在触摸屏之外和触摸屏上方投射或呈弧形(在如果用户的指尖接近则它们可以与用户的指尖相交的地方)。两个迹线或焊盘206、206a、207、207a的互电容以电子方式测量。通过与投射的电场线相交，用户的指尖可以用于增加或减小互电容，并且因此可以检测到指尖。
利用以上讨论的、通过其接近的指尖修改两个迹线或焊盘的互电容的物理机制产生优异的触摸位置结果。在投射电容感测中，耦合两个迹线或焊盘的电场线在触摸表面之外呈弧形并被接近的指尖截断。对于图1A中绘出的触摸屏，耦合两个迹线或焊盘206、206a、207、207a的电场线在触摸表面的内部，并且不受接近的手指的直接影响。相反，接近的手指修改耦合两个迹线或焊盘206、206a、207、207a的导电岛103的自电容。在本发明中，所需的电子测量是要测量两个迹线或焊盘206、206a、207、207a的互电容。互电容的测量是有益的，因为它们非常适合于复用。
导电迹线206、206a、207、207a可以是诸如宽度为250um的相对窄的导电迹线206、207和/或诸如宽度为2.5mm的相对宽的导电迹线206a、207a。如图2B所示，导电迹线将在导电岛103下面，远离被触摸的前表面204。在另一个实施例中，导电迹线206、206a、207、207a可以位于导电岛上方。
在不脱离本发明的范围的情况下，其它实施例可以不同。例如，导电岛103可以处于距触摸屏102的前表面104更大或更小的深度处，并且不需要全部处于相同的深度。导电岛103的电阻率可以大于或小于500欧姆/平方。导电岛103可以由除了ITO之外的材料构成，并且可以通过除了蒸发沉积和激光烧蚀以外的其它手段来放置和图案化。导电岛的尺寸可以不是5mm，并且形状可以是正方形以外的形状。导电岛的形状可以是诸如多边形之类的简单形状，或者可以是复杂形状，甚至是非凸形状或由多个电连接部分组成的形状。此外，导电岛不需要全部都具有相同的形状、尺寸、厚度、深度、电阻率、组成或电阻率。导电岛可以覆盖基板101的并且由此相应的触摸屏102的表面的全部、或者几乎全部、或者显著小于全部。不同深度处的导电岛可以重叠、或者部分重叠或者不重叠。
在另一个实施例中，导电岛不是彼此严格电隔离的，而是具有这样的导电性，并且以这样的频率执行询问，即，使得从一个到另一个的导电连通被限制在范围内、或者随着距离的增加而急剧下降。以这种方式，即使诸如ITO的均匀的导电材料板也可以被认为是由岛构成的，因为小片的ITO彼此被有效地基本上电隔离了。
参考图2A、2B、3A、3B、4A和4B，每条导电迹线106、106a、107、107a、206、206a、207、207a、306、306a、307、307a、406、406a、407和407a各自显著电容耦合到它与其接近的每个导电岛103。取决于导电岛103与导电迹线106、106a、107、107a、206、206a、207、207a、306、306a、307、307a、406、406a、407、407a之间的面积重叠量、垂直于它们之间的触摸屏前表面104、204、304或404的距离、以及它们之间的一种或多种材料的介电常数，电容耦合的程度可以更大或更小。因此，导电迹线106、106a、107、107a、206、206a、207、207a、306、306a、307、307a、406、406a、407和407a与彼此接近的导电岛103的互电容可以具有几皮法(pF)至几纳法(nF)范围中的值。如将要描述的，较大的和较小的互电容值在本发明中都具有效用。
图2C是导电岛之一的正视图的特写示意图，其中存在基本上电容耦合到一行内的每个导电岛103的四条导电迹线206、206a、207、207a。为了图2C中清楚起见，仅示出了与一个导电岛103相关联的导电迹线。导电迹线206、206a、207、207a由相对低电阻率(诸如每平方50欧姆)的ITO制成，以实现良好的导电性。每条导电迹线平行于轴线(x或y)延伸并且沿着平行于那个轴线排列的一行导电岛接近每个导电岛。因此，可能存在相对窄的X导电迹线206、相对宽的X导电迹线206a、相对窄的Y导电迹线207和/或相对宽的Y导电迹线207a。
在不脱离本发明的范围的情况下，其它实施例可以不同。可以存在少于或多于四个基本上电容耦合到每个导电岛的导电迹线。本文将描述一些这样的变化。导电迹线206、206a、207、207a可以由ITO或其它材料构成、可以通过蒸发或其它技术来沉积、并且可以通过激光烧蚀或其它技术来图案化。导电迹线206、206a、207、207a的各层的深度可以大于或小于前面示例图所提供的深度。玻璃基板101的材料和厚度可以不同。导电迹线206、206a、207、207a的电阻率可以大于或小于每平方50欧姆。许多图案和路线可以用于导电迹线。而且，取决于每条导电迹线的路线，导电迹线206、206a、207、207a可以接近导电岛的不同子集。
电绝缘层110插入在导电岛103和导电迹线206、206a、207、207a之间以及在导电迹线206、206a、207、207a和其它导电迹线206、206a、207、207a之间，至少在这些导电迹线彼此交叉的地方。将认识到的是，存在许多可以被应用于实现本发明的已知的绝缘材料及其制造方法。这里将不回顾这些材料和方法，并且这些材料将被认为位于相应导电岛和导电迹线之间的空间中。这些方法中的一些方法使得导电迹线有可能位于相同的ITO层上，即，在触摸屏202的前表面204下面的相同深度处，并且通过本领域已知的各种桥在彼此不接触的情况下仍然跨过彼此。
图3A和3B绘出了具有前表面304的触摸屏302的另一个实施例。在触摸屏302中，存在两个但相对窄的导电迹线306、307，这两个导电迹线接近每个导电岛103。这里也为了清楚起见，仅示出了导电迹线306、307和导电岛103中的一些。X导电迹线306位于导电岛103下面5um的深度处。Y导电迹线307位于导电岛下面7um的深度处。X和Y导电迹线306、307由具有电阻率为每平方50欧姆的ITO构成。触摸屏基板101是具有0.5mm厚度的玻璃，在其上沉积并图案化上述ITO层，其中二氧化硅的中间层作为绝缘体，以及还有二氧化硅的顶层作为ITO的导电岛层上方的绝缘体(由相应的元件和表面之间的间隙表示)。
如图所示，X和Y导电迹线306、307通过激光烧蚀被图案化，从而形成平行于相应的x和y轴线的相对窄的导电迹线306、307的交叉网络。X和Y导电迹线306、307之间的交叉点不会导致导电迹线306、307之间的电连接，因为这些线位于由绝缘体分开的不同ITO层上。导电迹线306、307以本领域已知的多种方式中的任何一种方式被引出到边缘连接器。在这个实施例中，从X或Y导电迹线306、307到导电岛103的互电容相对小，因为导电迹线306、307的小宽度在导电迹线306、307和导电岛103之间产生小面积的重叠。
图4A和图4B绘出了用作表面触觉显示而不是用于电容感测的触摸屏402的另一个实施例。X和Y导电迹线406、407相对宽，使得导电迹线406、407与导电岛103的重叠面积相对大。在这个实施例中，从X或Y导电迹线406、407到导电岛103的互电容相对大。
虽然从X或Y导电迹线406、407到导电岛103的相对大的电容对于触觉显示是最佳的，但这并不排除相同的导电迹线406、407也用于电容感测。在一些情况下，可能期望采用更少的整体导电迹线406、407，并且因此重用相同导电迹线406、407中的一些或全部用于触觉显示和用于电容感测。在其它情况下，可能期望使用单独的导电迹线406、407用于触觉显示和电容感测的功能。通常，一些导电迹线406、407既可以用于电容感测角色也可以用于触觉显示角色，并且其它导电迹线406、407可以仅用于电容感测或仅用于触觉显示。
为了清楚起见，触摸屏202组合了触摸屏302和402。根据这个实施例，每个导电岛103显著地电容耦合到四个导电迹线206、206a、207、207a。其中两个导电迹线用于手指位置的电容感测，并且其中两个导电迹线用于触觉显示。通过允许用于触觉的电激活或用于手指位置感测的电感测的更精细的规模(scale)而不增加所需电子器件的通道数量，其中多条导电迹线206a、206、207a、207作为一个被电连接的连接图案可以是有价值的。
图5A和5B绘出了触摸屏502的另一个实施例。导电迹线以2mm的间隔隔开，其中交替的导电迹线508导向基板101的相对边缘，以便其连接到电子器件，诸如控制器、微处理器、专用集成电路(ASIC)等，该电子器件用于通过电容感测来定位手指接触或者可以产生触觉致动信号或两者的组合。通过两两组合，导电迹线508通过在边缘附近出现的连接被电连接成一个。导电迹线508因此成对地交错。
图5C和图5D更清楚地示出了较少数量的较大导电岛103可以被较多数量的较小导电岛103′取代，从而维持交错图案但现在处于缩小的规模，并且不增加电容耦合到导电岛所需的导电迹线508的数量。在图5C和图5D中，初始地存在两个导电岛103，其然后每个被分成四个较小的导电岛103′。通过将导电迹线508两两组合，仍然只需要两个导电迹线508。
在其它实施例中，其它数量的相邻或不相邻的导电迹线508(诸如三个或更多个)可以被连接成一个。连接的导电迹线508可以是交错的或不交错的。将多条导电迹线508一起连接成一个的电连接可以通过以下来制成：如在优选实施例中那样由基板101本身上的连接制成、可以由ITO或另一个导体制成、或者可以由在到基板101的边缘连接器内或者在从边缘连接器到电子器件的诸如带状电缆或柔性PCB之类的电缆内或者在电子器件(例如在印刷电路板上)内的连接制成。将多条导电迹线508一起连接为一个的电连接也可以通过电容连接而不是电阻连接来制成，如接下来将要解释的。
触摸屏通常具有一个或两个图案化的ITO层，并且这些层被覆盖在绝缘层中，并且在它们之间具有绝缘层。为了与ITO层上的导电迹线508电连接，ITO的一些部分仍被暴露和非绝缘，不被绝缘体覆盖。这些暴露的部分通常通过多导体带状电缆或柔性PCB直接导电地连接到电子器件。通常在暴露的ITO上沉积导电金属化层用于保护和促进电接触。在本发明的一些实施例中，投入使用比目前通常使用的一层或两层更多的ITO层。将非绝缘暴露布置到许多层可能是非期望的。
图6A和图6B绘出了具有前表面604的触摸屏602的另一个实施例，X导电迹线606不是通过到在包含导电迹线606、607的层上的ITO的直接导电连接，而是通过从该导电迹线606、607到触摸屏602的基板101内的另一个层上的导电迹线606、607的电容耦合被引入到与电子器件的电连接。形成电容耦合的示例电容器的维度是4mm×2mm，并且层被5um厚的二氧化硅绝缘层分隔开。
在其它实施例中，电容耦合可以不是到基板101内的另一个导电层，而是到基板外表面上的导电焊盘609。这个导电焊盘609可以是导电涂料或油墨或金属化物，或者是本领域已知的应用导电焊盘609的各种方法中的任一种。
如所描述的，任何数量的导电迹线606、607可以被电容性连接，不仅X导电迹线606，而且Y导电迹线607都可以。形成电容耦合的电容器的维度可以大于或小于4mm×2mm，并且各层可以由大于或小于5um厚的二氧化硅绝缘层分隔开。绝缘层也可以是除二氧化硅以外的材料，例如，具有较高介电常数的材料可能是期望的。
基本上电容耦合到两个导电迹线(例如，一个X导电迹线606和一个Y导电迹线607)两者的导电岛103导致两个导电迹线的互电容。如果用户的指尖靠近导电岛，那么互电容减小。在另一个实施例中，存在平行于x轴的二十(20)个X导电迹线606(“X导电迹线”)和平行于y轴的十二(12)个Y导电迹线607(“Y导电迹线”)。
图7绘出了图3A的触摸屏的另一个实施例。如图7所示，以持续时间为1uS且振幅为3.3伏的方波脉冲为X导电迹线306顺序地供能。当每个Y导电迹线307从被供能的X导电迹线306接收到一定量的电荷时，Y导电迹线307被电监测到。电荷基本上经由对X导电迹线306和Y导电迹线307共同的导电岛103传送，并且附加地经由我们不关心的各种寄生耦合传送。就用户的指尖靠近导电岛103的程度而言，从与该导电岛相关联的X导电迹线306到与该导电岛相关联的Y导电迹线307的电荷传送被减小。通过确定从每个X导电迹线306传送到每个Y导电迹线307的电荷，在每个(x，y)交叉点处的电荷传送被确定：在这个实施例中，存在二百四十个(240)个这样的交叉点。每个相应的传送值，就从正常值减小的程度而言，指示用户的指尖接近那个交叉点的程度。
可以以每秒五十万(500,000)的速率施加1uS方波脉冲，从而每秒扫描整个触摸屏二万五千(25,000)次。可以对一千(1000)个连续的扫描求平均，以获得相对抗噪声的测量。因此，接触屏幕或靠近屏幕的所有手指的位置可以每秒建立二十五(25)次。
由于使用导电岛103来调解导电迹线306、307彼此的电容性相互作用，因此用户手指的触摸位置识别得以极大改善。已经为P-cap触摸感测发明的、用于驱动和读取导电迹线306、307的许多电子方法(尤其是以低功耗、用于导电迹线306、307的图案以及用于最好地解释测量(尤其在有噪声的情况下)的算法进行的)可以直接或稍微带点修改地应用于本发明。但是，现有技术的P-cap感测使用靠近后表面的电极。本公开在前表面附近使用电极对于允许具有合理致动电压的触觉致动是重要的。
其它实施例可以与本文描述的实施例不同。除十二(12)和二十(20)之外其它数量的导电迹线306、307以及除x-y栅格之外的其它图案也可以被使用。可以使用其它脉冲形状、持续时间和重复速率。其它数量的连续扫描可以被平均用于噪声降低，并且可以使用本领域已知的其它噪声降低方法。可以实现整个触摸屏的其它扫描速率，或者实现比25更多或更少的每秒完成的扫描。可以以本领域已知的方式使用部分扫描或扫描速率的自适应改变。
除了被转移的电荷之外，反映耦合到导电岛的两个导电迹线之间的互电容的其它量也可以用于确定手指位置。本领域中已知的方法是最小化消耗的功率、避免噪声、最佳识别手指并在P-cap中实现许多其它期望的目标，并且这些方法可适于本发明。但是，如上所述，靠近电极的前表面放置是有利的。
如我们以上所述，用户的指尖可以通过指尖与基板101内的导电岛103之间的电位差而被静电地吸引到触摸屏102的前表面104。可能期望在基板101上的一个指尖的区域下方具有两个或更多个导电岛103，其中导电岛103中的一些相对于指尖的电位被充电至正电位，而另一些被充电至负电位。如果指尖的面积(通常1平方厘米)与导电岛103的面积相比较大，那么可以在指尖的区域内存在许多导电岛。本发明允许我们能够使导电岛中的一些充正电，而一些充负电。
在一个实施例中，存在四个导电迹线206、206a、207、207a接近每个导电岛103，如图2A所示。作为示例，让我们假定，在典型的情况下，在与触摸屏202的前表面204接触的指尖下方的基板101上存在四个导电岛103，但是取决于指尖的大小和确切位置以及导电岛103的大小，可以存在更多或更少的导电岛103。图8A图示了这个示例，但是仅示出了用于触觉显示致动的导电迹线806、807。然后，为了将指尖下方的一些导电岛103相对于指尖充正电荷，并且将其它导电岛103相对于指尖充负电荷，可以将一个X导电迹线806a′充正电并且将一条X导电迹线806a″充负电。这使得在指尖下方的导电岛103中的两个导电岛为正并且两个导电岛为负。在这个实施例中，不需要涉及任何Y导电迹线807。
在本发明的范围内可以有许多变化。例如，如上所述，Y导电迹线807可以代替X导电迹线806、806a′、806″使用，用于使每个导电岛是可静电吸引的。或者X或者Y导电迹线806、806a′、806″、807可以被消除。可以使用其它导电迹线图案，而不仅仅与x轴和y轴对齐。在一些导电迹线图案中，如果存在基本上电容耦合到每个导电岛103的更多的导电迹线806、806a′、806″、807，那么为了使导电岛103对指尖是可静电吸引的而被充电的导电迹线806、806a′、806″、807的数量可以不是一个，而是两个，或者甚至更多个。
对于呈现多触觉显示的触摸屏，通常将存在多于一个与触摸屏802的前表面804接触的指尖。有可能两个指尖落在公共导电迹线806、806a′、806″、807上，并且仍然有可能期望对两个指尖提供不同的触觉感觉。在以上优选实施例中，在为了对与X导电迹线806、806a′、806″相关联的导电岛103充电而驱动X导电迹线806、806a′、806″的情况下，将不可能对都放在相同X导电迹线806、806a′、806″上的两个不同手指产生不同的触觉感觉。
图8B示出了图8A的触摸屏的另一个实施例，其使用对导电迹线806、806a′、806″、807中的一些进行充电以向两个手指提供不同触觉感觉的替代方法。向两个手指提供不同触觉感觉的一种方法是使用Y导电迹线807，而不是与两个手指不幸重合的X导电迹线806、806a′、806″对导电岛进行充电。即，取决于哪组导电迹线806、806a′、806″、807避免了其上具有需要不同触觉感觉的两根手指的问题，我们可以选择使用或者X导电迹线806、806a′、806″或者Y导电迹线807来给必需的导电岛供电，以向它们传送电荷。
避免对两个手指下方的导电岛进行同样充电并且提供了还有的优选实施例的另一种方法是利用X和Y导电迹线806a、807两者。假定两个手指的不幸重合发生在X导电迹线806a上，并且一个手指应该被静电吸引到触摸屏802的前表面804，而另一个手指不被吸引。X导电迹线806a、806a′、806a″可以被充正电，从而对两个手指下方的导电岛103进行充电，并且第二手指下方的导电岛可以通过向接近它而不接近第一手指下方的导电岛103的Y导电迹线807施加负电压来减小吸引电位。以这种方式，通过利用每个导电岛103基本上电容耦合到多于一条导电迹线806、806a′、806a″、807的事实，不同手指下方的导电岛103可以被彼此不同地充电，即使它们位于公共的导电迹线806、806a′、806a″、807上方。因此，导电岛103的吸引电位可以被控制为几个导电迹线806、806a′、806a″、807的动作的组合。
图9A和9B示出了触摸屏902的另一个实施例。这里仅示出了用于触觉致动的导电迹线906、907，而不是用于手指位置感测的任何导电迹线。后者也可以被添加，或者用于触觉致动的导电迹线也可以用于手指位置感测的目的，如前面所解释的。导电迹线906、907以Z字形图案穿过导电岛103的阵列。示出了X和Y导电迹线906、907。导电迹线906、907被图示为相对窄，以便能够更好地看到它们通过导电岛103的阵列的连续性，而不管它们的频繁交叉。
为了对一些导电岛103充正电并且对其它附近的导电岛充负电，可以对交替的导电迹线906、907赋予正电位和负电位。如所指示的，区域A可以通过对穿过区域A的迹线906、907进行充电来为手指提供强的静电吸引。每个导电岛103a自身基本上电容耦合到X和Y迹线906、907，它们两者都带正电，或者两者都带负电。同时，区域B也对第二手指提供强烈的静电吸引，因为每个导电岛103也是双重带正电或双重带负电。
图9B示出了简单地通过交换导电迹线906、907中的两个的极性就可以消除区域B的静电吸引，同时维持区域A的静电吸引。现在在区域B中，每个导电岛103自身基本上电容耦合到X和Y迹线906、907，其具有相反电荷极性，并且这些消除。
总而言之，每个携带的电荷是通过X迹线906和Y迹线907传送到其的电荷的总和的导电岛103可以因此用于允许Y导电迹线907增强或消除X导电迹线906的影响。
应当理解的是，在所有前述内容中，所指定的极性显示给定导电迹线或导电岛的电压的相对相位。在优选实施例中，电压全部快速地交替。
其它图案也可以用于实现本发明的概念，其允许多条导电迹线消除或增强导电岛的静电吸引。在示出多条导电迹线可以增强或消除之后，应当理解的是，这两种情况之间的任何中间水平的静电吸引也可以作为所描述的激活模式的线性组合来实现。
导电迹线可以以任意数量的方式交叉。甚至可以避免实际的交叉：Z字形图案可以由两个连接的平行直线迹线代替，当它们通过接近交替的导电岛时，其宽度变化。
将认识到的是，根据本公开的触摸屏可以以各种配置来提供。可以利用部件的任何各种合适的构造材料、配置、形状和大小以及连接部件的方法来满足最终用户的特定需要和要求。对于本领域技术人员来说将显而易见的是，在不脱离所要求保护的主题的范围或精神的情况下，可以对这些触摸屏的设计和构造进行各种修改，并且权利要求不限于本文图示的优选实施例。

Claims (17)

1.一种触摸屏，包括：
前表面，所述前表面具有多个导电岛，所述多个导电岛位于紧邻所述前表面的深度处，并且其中所述导电岛被导电隔离；
多条导电迹线，每个导电岛基本上电容耦合到所述导电迹线中的至少一条导电迹线，其中指尖与所述触摸屏接触的位置通过测量所述多个导电迹线中的至少两条导电迹线的互电容的减小确定，所述至少两条导电迹线中的每一条导电迹线基本上电容耦合到所述多个导电岛之一，其中所述指尖邻近所述多个导电岛之一的存在增大所述多个导电岛之一的自电容并相应地减小所述互电容；
其中当接近所述指尖的所述导电岛中的至少一个导电岛经由所述至少一个导电岛到邻近所述至少一个导电岛的至少一条导电迹线的电容耦合进行充电时，在邻接所述前表面的指尖上产生吸引静电力，所述吸引静电力增大阻止所述指尖平行于所述前表面移动的在所述指尖上感知的摩擦力。
2.如权利要求1所述的触摸屏，其中所述多个导电岛中的每个导电岛未被导电耦合到任何电子器件。
3.如权利要求1所述的触摸屏，其中所述多个导电岛以图案布置成使得所述多个导电岛中的每一个导电岛在第一方向和第二方向二者上与所述多个导电岛中的其他导电岛相邻，其中所述第一方向与所述第二方向基本上垂直。
4.如权利要求1所述的触摸屏，其中当每个导电岛被基本上电容耦合到所述导电迹线中的至少一条导电迹线时，每个导电岛被基本上电容耦合到所述多条导电迹线中的另一条导电迹线，其中基本上电容耦合到每个导电岛的所述导电迹线之一被配置成将信号发送到所述导电岛，并且基本上电容耦合到每个导电岛的所述导电迹线中的另一条导电迹线被配置成从所述导电岛接收信号。
5.如权利要求4所述的触摸屏，其中多条导电迹线被电连接到附加的电子器件。
6.如权利要求4所述的触摸屏，其中所述多条导电迹线中的每条导电迹线位于所述导电岛的上方。
7.如权利要求4所述的触摸屏，其中所述多条导电迹线中的至少一个子集中每一条均位于所述导电岛的下方。
8.如权利要求4所述的触摸屏，其中电容耦合将多条导电迹线连接到附加的电子器件。
9.如权利要求4所述的触摸屏，其中，所述摩擦力的大小与信号的占空比相关。
10.如权利要求4所述的触摸屏，其中触摸位置通过将信号发送到至少一条导电迹线和从至少一条导电迹线接收信号来确定。
11.如权利要求4所述的触摸屏，其中，至少一条发送导电迹线和至少一条接收导电迹线的互电容通过至少一个导电岛来增强。
12.如权利要求10所述的触摸屏，其中，接收到的信号的强度通过至少一个导电岛来增强。
13.一种确定触摸屏中的触摸位置的方法，所述方法包括以下步骤：
在紧邻前表面的第一深度处形成多个导电岛；
将所述导电岛导电隔离；
在第二深度处形成多条导电迹线，每个导电岛基本上电容耦合到所述导电迹线中的至少两条导电迹线；
测量多条导电迹线的互电容来确定指尖与所述触摸屏接触的位置，其中第一深度与第二深度之间的距离是固定的；
在与所述前表面邻接的指尖上产生吸引静电力；以及
经由到与所述导电岛中的至少一个导电岛邻近的至少一条导电迹线的电容耦合给接近所述指尖的所述至少一个导电岛充电，并且其中在与所述前表面邻接的指尖上的吸引静电力增大阻止所述指尖平行于所述前表面移动的在所述指尖上感知的摩擦力。
14.如权利要求13所述的方法，还包括步骤：
将至少一个导电岛电容耦合到邻近所述至少一个导电岛的第二导电迹线，以及
减少所述至少一个导电岛上的电荷，使得减小所述指尖上的吸引静电力。
15.如权利要求13所述的方法，其中导电迹线以Z字形图案穿过所述导电岛的阵列。
16.一种触摸屏，包括：
前表面，所述前表面具有多个导电岛，所述多个导电岛位于紧邻所述前表面的深度处，并且其中所述导电岛被导电隔离；
多条导电迹线，每个导电岛基本上电容耦合到所述多条导电迹线中的至少一条导电迹线，其中所述多条导电迹线中的每一条导电迹线基本上电容耦合到所述多个导电岛中的至少两个导电岛，其中指尖与所述触摸屏接触的位置通过测量所述多条导电迹线中的至少两条导电迹线的互电容的减小确定，所述至少两条导电迹线中的每条导电迹线基本上电容耦合到所述多个导电岛之一，其中当接近所述指尖的所述导电岛中的至少一个导电岛经由所述至少一个导电岛到邻近所述至少一个导电岛的至少一条导电迹线的电容耦合进行充电时，在邻接所述前表面的指尖上产生吸引静电力，所述吸引静电力增大阻止所述指尖平行于所述前表面移动的在所述指尖上感知的摩擦力。
17.一种确认触摸屏中的触摸位置的方法，所述方法包括以下步骤：
在紧邻前表面的深度处形成多个导电岛；导电隔离所述导电岛；形成多条导电迹线，每个导电岛基本上电容耦合到所述多条导电迹线中的至少一条导电迹线，其中所述多条导电迹线中的每一条导电迹线基本上电容耦合到所述多个导电岛中的至少两个导电岛；测量多条导电迹线的互电容来确定指尖与所述触摸屏接触的位置；以及通过对接近所述指尖的所述导电岛中的至少一个导电岛经由所述至少一个导电岛到邻近所述至少一个导电岛的至少一条导电迹线的电容耦合进行充电，在邻接所述前表面的指尖上产生吸引静电力，所述吸引静电力增大阻止所述指尖平行于所述前表面移动的在所述指尖上感知的摩擦力。
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