CN111309196B - 可重构的电容触控阵列及其重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可重构的电容触控阵列，在每一个触控传感单元串接若干个阻抗可变的器件从而实现可重构的电容触控阵列。本发明还公开了所述可重构的电容触控阵列的重构方法。本发明的电容单元可以通过电压编程的方法实现容值重构，而且可以实现像素级的等效电容值的精准编程；而且可以针对不同的触控场景，自适应地构建电容传感阵列，实现更精确的电容触控效果；对连续多个电容读出帧，通过设置不同的电容阵列，可能有效提高电容读出的空间分辨率。这可能扩大电容阵列的使用范围，不仅用于触控，还可能用到指纹识别等对电容读出空间分辨率较高的场合。因此，本发明能够能够实现触控电容阵列可配置，而且可靠性高，实用性好。

Description

可重构的电容触控阵列及其重构方法

技术领域

本发明属于触摸屏领域，具体涉及一种可重构的电容触控阵列及其重构方法。

背景技术

投射式电容屏技术已经被广泛地应用到消费电子、车载中控以及工业控制设备中。智能手机的迅速普及，从很大程度上得益于投射式电容屏技术的应用；投射式电容屏具有多点触控、制备技术成熟、与高端显示屏高度兼容等优势。近年来，随着电容触控屏技术的飞速发展，各种低成本、高灵敏度的方案被开发出来。一方面，电容屏的市场占有率越来越高，应用范围越来越广。从小尺寸的手表显示，到大尺寸的电子白板、商务会议等，均可以看到电容触控屏的应用。另一方面，电容屏的应用显得单一，功能仍然较为单薄。在现在的手机应用中，触控及指纹识别等功能，虽然都是基于投射式电容的原理，但是却通过不同的硬件平台来实现。对于智能手机等应用来说，触控及指纹识别等功能在相同基板上实现集成是一个重要的发展方向。

如图1所示为现在常用的电容触控阵列的剖面结构示意图，如图2所示为现在常用的电容触控阵列结构的俯视示意图，如图3所示为现在常用的电容触控阵列的等效电路原理示意图。可以看到，现有的电容触控阵列，在触控基板(比如玻璃基板，图中标示为Glass)的两侧，分别采用透明电极(例如氧化铟锡ITO)构成Tx电极层和Rx电极层；在图2中可以看到，Tx电极层和Rx电极层一般均采用交叉垂直布置的形式，从而形成触控阵列的多个触控识别点。从图3中可以看到，由于触摸行为会改变Tx电极和Rx电极之间的电场分布，从而Tx电极和Rx电极之间等效电容值受到触控行为的调制，于是可以实时监测Tx电极和Rx电极之间等效电容，从而达到触控阵列检测的效果。

当前，为了实现触控及指纹识别的更高集成度，利用投射式电容屏实现指纹识别功能是一种可能的方法。但是基于传统的电容屏，很难实现指纹识别所要求的高分辨率。例如，对于传统的触控屏，单个像素的尺寸在1mm×1mm，甚至更大。而指纹识别要求单个像素的尺寸在50μm×50μm，甚至更小。传统电容屏的TX和RX电极层，一般是采用磁控溅射或者丝网印刷等工艺制备而成；通过在玻璃基板的两面或者单面形成ITO图案，能够较好地满足触控所要求的尺寸。但是这些较低成本的薄膜制备方法很难实现指纹识别所要求的精细的像素尺寸。另一方面，就算形成了50μm×50μm甚至以下的指纹识别图案，在小尺寸情况下，指纹识别图案的金属线互联也是难题。而且触控电极之间的寄生电容和电阻效应在小尺寸图案情况下变得更加显著。

与此同时，传统的电容屏，它的图案完成之后，要再进行改变几乎不可能。但是在很多应用的场合，需要对不同的信号进行处理。因此，目前尚没有一种电容触控阵列，能够让触控电容阵列实现可配置，从而进一步实现自适应触控读出。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种能够实现触控电容阵列可配置，且可靠性高、实用性好的可重构的电容触控阵列。

本发明的目的之二在于提供一种所述可重构的电容触控阵列的重构方法。

本发明提供的这种可重构的电容触控阵列，在每一个触控传感单元均串接若干个阻抗可变的器件，从而实现可重构的电容触控阵列。

所述的阻抗可变的器件与触控传感单元的等效电容串接。

所述的阻抗可变的器件串接在触控传感单元的Tx[i]的线路上。

所述的可重构的电容触控阵列，包括触控基板、Rx电极层和Tx电极层，Rx电极层由氧化铟锡构成且附着于触控基板的一面，触控基板的另一面附着有Tx电极层，Tx电极层包括铂层、氧化锆层和钛层；铂层与触控基板直接接触且形成互联结构；钛层附着在氧化锆层上，并形成互联结构；氧化锆层位于铂层和钛层之间。

所述的铂层的厚度为200nm；氧化锆层的厚度为40nm；钛层的厚度为200nm。

所述的铂层、氧化锆层和钛层，采用三次磁控溅射工艺形成，然后再通过一次刻蚀工艺形成设定的Tx电极层图案。

对于每一个Tx子电极层Tx[i]，均包括独立的铂层、氧化锆层和钛层。

对于每一个Tx子电极层Tx[i]，均包括独立的氧化锆层和钛层，且所有的Tx子电极层Tx[i]共用一个铂层，铂层与Rx电极层对应，且在相同的位置以相同的方向进行延展。

本发明还提供了一种上述可重构的电容触控阵列的重构方法，包括如下步骤：

编程态的步骤：

保持Ty[1]～Ty[n]电极低电平电压，Rx电极均为悬浮态：Tx[i]电极从0电平逐步上升值高电平电压V_SET，或者从0电平逐步下降至低电平电压V_RST；

当Tx[i]电极从0电平逐步上升至高电平电压V_SET时，通过forming过程，RRAM的正、负电极之间形成导电细丝；因此，RRAM进入高导通带，RRAM的等效电阻值降低；

当Tx[i]电极从0电平逐步下降至低电平电压V_RST时，由于导电细丝断开，RRAM进入低导通态，RRAM的等效电阻值增加；

触控读出态的步骤：

保持Ty电极均为悬浮态，Tx[n]电极逐行输出驱动信号，从而在Rx[n]电极上感应相应像素上的电容值大小；

空闲态的步骤：

保持所有Rx电极、Tx电极和Rx电极均为悬浮态。

本发明提供的这种可重构的电容触控阵列及其重构方法，电容单元可以通过电压编程的方法实现容值重构，而且可以实现像素级的等效电容值的精准编程；而且可以针对不同的触控场景，自适应地构建电容传感阵列，实现更精确的电容触控效果；对连续多个电容读出帧，通过设置不同的电容阵列，可能有效提高电容读出的空间分辨率。这可能扩大电容阵列的使用范围，不仅用于触控，还可能用到指纹识别等对电容读出空间分辨率较高的场合。因此，本发明能够实现触控电容阵列可配置，而且可靠性高，实用性好。

附图说明

图1为现在常用的电容触控阵列的剖面结构示意图。

图2为现在常用的电容触控阵列的结构俯视示意图。

图3为现在常用的电容触控阵列的等效电路原理示意图。

图4为本发明的可重构的电容触控阵列的理想电路原理示意图一。

图5为本发明的可重构的电容触控阵列的理想电路原理示意图二。

图6为本发明的可重构的电容触控阵列的第一实施例的结构剖面示意图。

图7为本发明的可重构的电容触控阵列的第一实施例的结构俯视示意图。

图8为本发明的可重构的电容触控阵列的第一实施例的电路原理示意图。

图9为本发明的可重构的电容触控阵列的第二实施例的结构剖面示意图。

图10为本发明的可重构的电容触控阵列的第二实施例的结构俯视示意图。

图11为本发明的可重构的电容触控阵列的第二实施例的电路原理示意图。

图12为本发明的可重构的电容触控阵列的工作时序示意图。

图13为本发明的可重构的电容触控阵列的RRAM编程及复位过程的示意图。

具体实施方式

如图4和图5所示，为本发明的可重构的电容触控阵列的理想电路原理示意图：本发明提供的这种可重构的电容触控阵列，在每一个触控传感单元串接若干个阻抗可变的器件，从而实现可重构的电容触控阵列。

在具体实施时，阻抗可变的器件与触控传感单元的等效电容串接(如图4所示)、，或者阻抗可变的器件串接在触控传感单元的Tx[i]的线路上(如图5所示)。所述可重构的电容触控阵列包括激励电极Tx，其由若干子激励电极图案Tx[i]构成；所述可重构的电容触控阵列还包括感应电极Ty，其由若干子感应电极图案Ty[j]构成；其中，i和j均为正整数。

本发明提供的这种可重构的电容触控阵列，包括触控基板(比如玻璃基板，Glass)、Rx电极层和Tx电极层，Rx电极层由氧化铟锡(ITO)构成且附着于触控基板的一面，触控基板的另一面附着有Tx电极层，Tx电极层包括铂层(Pi)、氧化锆层(ZrOx)和钛层(Ti)；铂层与触控基板直接接触且形成互联结构；钛层附着在氧化锆层上，并形成互联结构；氧化锆层位于铂层和钛层之间。

考虑到节约材料及工艺成本，另一方面是提高制程良率，铂层的厚度优选为200nm；氧化锆层的厚度优选为40nm；钛层的厚度优选为200nm。铂层、氧化锆层和钛层，采用三次磁控溅射工艺形成，然后再通过一次刻蚀工艺形成设定的Tx电极层图案。

同时，对于Tx电极层，Pt层与基板(例如玻璃)直接接触，且形成互联结构，对应于Ty[n]的接触电极。Ti层附着于ZrOx层之上，且形成了互联结构，对应于Tx[n]的接触电极。ZrOx置于Tx[n]以及Ty[n]层之间，于是Pt/ZrOx/Ti层形成了典型的RRAM结构。

在具体实施时，对于每一个Tx电极层的子电极图案Tx[i]，均包括独立的铂层、氧化锆层和钛层(如图6所示)；在图7中，俯视下去时，看到的Tx[i]所对应的层为Tx[i]电极所对应的Pt层，该实施例的等效电路原理图如图8所示。

另一种实施方式，对于每一个Tx电极层的子电极图案Tx[i]，均包括独立的氧化锆层和钛层，且所有的Tx电极层的子电极图案Tx[i]共用一个铂层(如图9所示)，铂层与Rx电极层对应，且在相同的位置以相同的方向进行延展；在图10中，俯视下去时，看到的Tx[i]所对应的层为Tx[i]电极所对应的ZrOx层，该实施例的等效电路原理图如图11所示。

本发明的主要思想为：Tx[n]和Rx[n]电极之间不再是固定电容，而是增加可编程的电阻(阻抗可调的器件)。由于所增加的电阻值可以在一定的范围内调整，则等效电容的值是可以编程、调整的。进一步地，通过近邻的两个时间段内，分布电容的细微差异，可能实现高精度的电容传感。这里以RRAM作为可变电阻。以一个电容传感单元为例，RRAM的一个端子连接到Tx[1]，其另外一个端子连接到Ty[1]；传感电容的第一端子耦合到Ty[1]，传感电容的第二端子耦合到Rx[1]。RRAM和传感电容构成传感阵列的一个基本单元，按照Tx和Rx方向扩展。

本发明还公开了上述可重构的电容触控阵列的重构方法，其对应的时序图如图12所示；本发明方法具体包括如下步骤：

编程态(Prog.)的步骤：

保持Ty[1]～Ty[n]电极低电平电压，Rx电极均为悬浮态(由于编程的动作可能对Rx[n]造成扰动，在编程态，Rx[n]的状态不可采用)：Tx[i]电极从0电平逐步上升值高电平电压V_SET，或者从0电平逐步下降至低电平电压V_RST；

当Tx[i]电极从0电平逐步上升至高电平电压V_SET时，通过forming过程，RRAM的正、负电极之间形成导电细丝；因此，RRAM进入高导通带，RRAM的等效电阻值降低；

当Tx[i]电极从0电平逐步下降至低电平电压V_RST时，由于导电细丝断开，RRAM进入低导通态，RRAM的等效电阻值增加；

而通过编程态，可以对电容阵列实现逐点的状态重新配置；换言之，由于Tx[n]和Ty[n]的配合，从而RRAM的状态能够较灵活地在高阻态、低阻态之间切换；对于每个像素单元，就不仅仅是单个电容在起作用，而是电容串联着RRAM。所以等效电容的值是受到Tx以及Ty驱动电压的调制；

触控读出态(Sense)的步骤：

保持Ty电极均为悬浮态，Tx[n]电极逐行输出驱动信号，从而在Rx[n]电极上感应相应像素上的电容值大小；

对于传感单元来说，它包含着一个电容C以个RRAM构成的电阻R，则总的阻抗值为

因此等效电容的值可以表示为

R的值即为RRAM的等效电阻值；当电阻值R变化时，等效电容C_eq将跟随着发生变化；当R的值为0时，等效电容C_eq等于C；而当R的值接近无穷大的时候，C_eq的值就接近于0；

进入SET态的RRAM，其对应的阻抗值较小，则电容单元的等效电容值较大；而RST态的RRAM，其对应的阻抗值较大，则电容单元的等效电容值较小。虽然图13所示意的RRAM中，对应于VSET以及VRST，只有两个高、低两个电阻状态；但是，可能存在新型的RRAM器件，通过合理的电压配置，产生出更丰富的电阻状态，例如三种电阻状态，甚至更多的电阻状态。于是这种可配置电容阵列能够实现的可能性就更加丰富

空闲态的步骤：

保持所有Rx电极、Tx电极和Rx电极均为悬浮态；

对于电容触控阵列而言，除开前述的编程态及触控读出态之外，其他的就是空闲态；对于整个具有触控(指纹识别)功能的显示模组而言，实际上要求较长时间的用于显示器的操作；这些空闲状态对于显示器来说是重要的。

Claims (6)

1.一种可重构的电容触控阵列，其特征在于在每一个触控传感单元中串接若干个阻抗可变的器件，从而实现可重构的电容触控阵列；阻抗可变的器件与触控传感单元的等效电容串接；阻抗可变的器件串接在触控传感单元的Tx[i]的线路上；

可重构的电容触控阵列包括触控基板、Rx电极层和Tx电极层，Rx电极层由氧化铟锡构成且附着于触控基板的一面，触控基板的另一面附着有Tx电极层，Tx电极层包括铂层、氧化锆层和钛层；铂层与触控基板直接接触且形成互联结构；钛层附着在氧化锆层上，并形成互联结构；氧化锆层位于铂层和钛层之间。

2.根据权利要求1所述的可重构的电容触控阵列，其特征在于所述的Tx电极层中，铂层的厚度为200nm；氧化锆层的厚度为40nm；钛层的厚度为200nm。

3.根据权利要求2所述的可重构的电容触控阵列，其特征在于所述的Tx电极层中，采用三次磁控溅射工艺形成铂层、氧化锆层和钛层，然后再通过一次光刻及刻蚀工艺形成设定的Tx电极层图案。

4.根据权利要求3所述的可重构的电容触控阵列，其特征在于对于每一个Tx电极层的子电极图案Tx[i]，均包括独立的铂层、氧化锆层和钛层。

5.根据权利要求4所述的可重构的电容触控阵列，其特征在于对于每一个Tx电极层的子电极图案Tx[i]，均包括独立的氧化锆层和钛层，且所有的Tx电极层的子电极图案Tx[i]共用一个铂层，铂层与Rx电极层对应，且在相同的位置以相同的方向进行延展。

6.一种权利要求1~5之一所述的可重构的电容触控阵列的重构方法，包括如下步骤：

编程态的步骤：

保持Ty[1]~ Ty[n]电极低电平电压，Rx电极均为悬浮态：Tx[i]电极从0电平逐步上升值高电平电压V_SET，或者从0电平逐步下降至低电平电压V_RST；

当Tx[i]电极从0电平逐步上升至高电平电压V_SET时，RRAM的正、负电极之间形成导电细丝；因此，RRAM进入高导通带，RRAM的等效电阻值降低；

当Tx[i]电极从0电平逐步下降至低电平电压V_RST时，由于导电细丝断开，RRAM进入低导通态，RRAM的等效电阻值增加；

触控读出态的步骤：

保持Ty电极均为悬浮态，Tx[n]电极逐行输出驱动信号，从而在Rx[n]电极上感应相应像素上的电容值大小；

空闲态的步骤：

保持所有的Tx电极和Rx电极均为悬浮态。

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