CN1653414A - 使用导电聚合物的电容型触摸屏 - Google Patents

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R·S·莫斯雷夫杂德赫
F·J·伯塔里
D·R·开恩斯
A·F·切尔尼斯基
P·J·里齐特
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Abstract

描述了一种具有触摸区域的电容型触摸屏，该触摸区域包括一实质上透明的导电聚合物。该电容型触摸屏还包括将触摸区域的导电聚合物连接到一电源的电路，该电路被配置成确定在触摸区域的电容性耦合的位置。

Description

使用导电聚合物的电容型触摸屏
技术领域
本发明一般涉及触摸传感器，特别是涉及用于连接显示器件以便形成触摸屏的触摸传感器。
背景技术
电容型触摸屏在衬底上具有一个导电层。电容型触摸屏典型地由一个具有薄膜导电镀层的玻璃衬底组成，该薄膜导电镀层位于玻璃上面。玻璃衬底上面是一层防划玻璃外镀层。该外镀层封装在传感器电子器件中，并能防止器件被划坏。
一典型电容型屏幕边缘的电路在导电表面上均匀地分布一低压AC场。当手指或其他导电物体干扰该场时，控制器测量每个角的电流的变化并计算出X和Y坐标，该坐标就表示用户所触摸的屏幕位置。
一般地，导电层是一个实质上透明的导体，其材料的例子为，氧化锡铟(ITO)、氧化锡锑(ATO)或氧化锌(ZnO)，这些实例通常被称为透明导电氧化物(TCO)。但是，在电容型触摸面板中使用TCO还有一些缺点。表A中列出了在某些应用中的TCO的典型薄膜电阻。电容型触摸系统与其他的应用相比需要相对高的薄膜电阻。
表A
    TCO应用     电阻率(欧姆/平方Ohms per square)
    例如LCDs的电子显示器     10-100
    电阻型触摸系统     100-500
    电容型触摸系统     1000-2500
为了增加TCO的薄膜电阻，一般要沉淀更薄的TCO薄膜。例如，薄膜电阻为20欧姆/平方(ohms per square)的ITO薄膜厚度大约是500nm。而具有薄膜电阻为350-400欧姆/平方(ohms per square)的ITO薄膜厚度却只有大约35-30nm。但随着薄膜淀积变薄，沉淀TCO的均匀性、耐用性和物理连续性通常会降低。例如，一般不能淀积成电阻率为1000-2000欧姆/平方(ohms per square)ITO，其原因为ITO已经薄得不耐用、不均匀或者不能物理连续。通常的情况是，如果衬底上表面不均匀，性能将进一步降低。为了得到更高的薄膜电阻，ATO可以涂得更薄。例如，25-30nm厚的ATO镀层可以得到约2000欧姆/平方(ohmsper square)的薄膜电阻。但是，ATO的光学性能比ITO差，例如较低的投射比。
因此，需要一种改进的电容型触摸面板的导电层，以便经久耐用并且具有很好的光学性能。
发明概要
本发明涉及一种具有一个触摸区域的电容型触摸屏，包括一个作为主要信号载体的实质上透明的导电聚合物，其用于在触摸位置与物体(object)形成电容性耦合。该电容型触摸屏还包括将触摸区域的导电聚合物与电源相连的电路，该电路被配置为确定触摸位置。
优选地，触摸区域不包括透明导电氧化物。在触摸区域内导电聚合物是唯一的透明导电元件也是优选的。在一个实施例中，电容型触摸屏进一步在导电聚合物上包括一防护镀层，该防护镀层可用作绝缘体。导电聚合物可以是PEDOT。触摸区域可以包括一片导电聚合物薄层，其具有实质上均匀的电阻，或可包括导电聚合物的图案(pattern)。
在另一个实施例中，一种触敏显示模块包括一个触摸区域、电路和可透过触摸区域看到的显示器件。触摸区域包括一种作为主要信号载体的实质上透明的导电聚合物，其用于在触摸位置与物体形成电容性耦合。该电路将连接触摸区域的导电聚合物与电源相连，该电路被配置为确定触摸位置。
在本发明的另一个实施例中，制造一种电容型触摸屏的方法包括：提供一个衬底，并在该衬底上形成一触摸区域。该触摸区域包括一实质上透明的导电聚合物，其中该导电聚合物作为主要信号载体，用于与物体形成电容性耦合。优选地，该方法还包括在触摸区域上形成一防护层。该物体可以是用户身体部分、一种导电触笔或一种接地的导电触笔。
附图说明
在结合附图阅读了本发明的各种实施例的如下详细说明后，可更完整地理解本发明。
图1是依据本发明一个实施例的一个示例性触摸屏装置的示意图。
图2是依据本发明另一实施例的另一示例性触摸屏装置的示意图。
图3是本发明一个实施例中一触摸屏装置的传感器阵列的示意图。
虽然可以对本发明进行各种形式的修改和置换，但其详细说明书在附图中是以举例的方式表示的，并将在下面详细说明。但是，应当注意的是，其意图并不是把本发明限制于描述的特殊实施例。恰恰相反，其目的是将所有的改进、等价物和置换都落在本发明的精神和范围内，本发明的精神和范围由附加的权利要求限定。
具体实施方式
本发明可应用于多个利用电容技术并使用一种导电透明的聚合物的触摸屏。但本发明并不局限于此，通过下面给出的实例的论述，可以理解本发明的各个方面。
一电容型触摸屏包括一个在每个末端或边缘都具有一个终端的电阻或阻抗元件，例如一段或一块电阻性材料。在现有技术中，电阻元件由一种透明导电氧化物(TCO)制成，例如ITO、ATO或ZnO。但是，在本发明中，电阻元件包括一种导电聚合物。与TCO相比，使用导电聚合物具有很多优点，其在此将进一步详细叙述。
这里所使用的“导电聚合物”是指具有导电性的聚合物。导电聚合物的一些例子如聚吡咯(polypyrrole)、聚苯胺(polyaniline)、聚乙炔(polyacetylene)、聚噻吩(polythiophene)、1，1，2-次乙基聚苯撑(polyphenylene vinylene)、聚苯撑硫化物(polyphenylene sulfide)、聚苯撑(poly phenylene)、1，1，2-次乙基聚杂环(polyheterocycle vinylene)以及在欧洲公开专利EP-1-172-831-A2中公开的材料。EP-1-172-831-A2讨论了在电阻型触摸面板中使用导电聚合物代替的ITO，但它没有讨论电容型触摸面板。在美国专利5,766,515和EP-A 686,662中说明，替代聚噻吩(polythiophene)的首选物是poly(3，4-ethylenedioxythiophene)(PEDOT)。优选的，在此描述的触摸屏所使用的导电聚合物其本身就导电，也就是说尽管导电聚合物通常需要添加掺杂剂，但是它们不需要添加诸如炭的导电材料就可以导电。
优选地，电阻元件要实质上透明，换句话说，至少要有约50％的内部投射比，最好有约90％的内部投射比。更优选地，该电阻元件要有至少约95％的投射比。
图1表示包括一电容型触摸传感器10的电容型触摸装置8的一个实例的示意图。图示的是触摸传感器10的横截面，其包括一个作为电阻元件的导电聚合物14。在本发明的一个实施例中，该电阻元件是一个具有均匀电阻率的表面。触摸传感器10还包括一个衬底18和一个防护层20。触摸传感器10的衬底18可以是硬性的或柔性的。衬底18可以是玻璃、薄塑料或者厚或硬塑料薄片。塑料衬底具有重量轻和不易破碎的优点。
防护层20是可选的。如果象图1所示的这样，防护层20可以作为一绝缘体来限制耦合在触力和电阻元件之间的电容。防护层20还可以延长电阻元件14的使用寿命。防护层20可以任意构造成提供其他的功能，例如可以减少眩光或降低反射。触摸传感器10并不局限于这些层。触摸传感器还可以包括提供其它功能的附加层。
触摸器件8还包括触摸屏电路24和一电源28。电路24电连接到电阻元件14上。电路24计算耦合在电阻元件14上的电容的位置。触摸传感器10可位于显示器件32上或集成于显示器件32中。
在一个实施例中的电阻元件可以是具有均匀电阻率的矩形表面。为了方便起见，这个实施例将对具有矩形触摸区域的触摸屏进行详细描述，尽管其描述的原理可以应用于不同配置的触摸屏中，例如具有一长度的均匀电阻一轴(one-axis)触摸区域或三角形表面。
对于为矩形电阻元件，触摸屏包括四个终端、一个电阻耦合网络、一个用于改变终端相对于地面的电势的振荡器、测量通过每个终端的电流的电流感测电路以及产生接触位置的输出信号的标准化电路。测量的电流和电流比率可以推导出触点的坐标。触摸屏的电阻耦合网络、振荡器、电流感测电路和标准化电路可以如美国专利No.4,293,734和4,371,746那样构造，这两个专利的发明人都是Pepper，Jr。
本发明的电容型触摸传感器可以通过许多不同的方法被物体34激活，该物体34与电阻元件形成电容性耦合。该物体可以是用户的手指或其他身体部分，再或者是接地的导电结构，例如通过电线与地连接的导电触笔。当物体34接触或特别接近触摸屏时，通过创建与触摸屏的电阻元件的电容性耦合，而提供一条通向地面的通路。电路24也可以被连接到地面。
运行时，当物体34接触或连接到电阻元件时，为振荡信号提供通到地面的相对低阻抗的路径，一股微弱的电流通过接触结构34到达地面。这种通过边界的小部分电流与到触点边界的距离成反比，并与到相对边界的距离成正比。从而产生了与该小部分电流成比例的输出电压，因此该电压也与到另一终端的距离成比例。该输出向应用器件提供二进制信号，以表示正在接触该电阻元件。
图2表示电容型传感器结构40的一个实施例，其中具有一透明导电聚合物48的柔性电容型传感器44被层压叠加到硬性衬底50上。柔性电容传感器44包括一柔性衬底54、导电聚合物48和一防护层58。硬性衬底50可以是塑料或玻璃。粘接剂62将硬性衬底50连接到柔性电容型传感器44的柔性衬底54上。
在本发明的另一实施例中，一个触摸传感器包括一个图案(patterned)导电聚合物。图案导电聚合物是不均匀的，但是其包括一图案或重复图案，例如导电聚合物的平行条或者导电聚合物的平行并垂直(parallel and perpendicular)的条。如图3所示，一个实例就是关于近场成像传感器(near field imaging sensor)，它包括位于有效区域中的一个图案导电聚合物。近场成像(NFI)传感器技术在Redmayne发明的美国专利No.5,650,597中描述。此实施例的电路可如美国专利No.5,650,597那样构造。传感器阵列80包括多个水平传感器条84。水平条84可以本分组为包括多个条的组88。每条水平条84的左边和右边都连接到激励信号。当向条84的一边提供激励信号时，条84的另一边同时被接地。激励信号的提供和对来自阵列地面一侧的传感器信号的检测由触摸传感器电路(没有在图3中示出)处理以便计算出触摸的位置。一防护导体92可以用于消除寄生负荷并由激励信号驱动。
与具有均匀电阻表面的触摸器件相比，NFI触摸器件能够建立一个耦合通过一个更大间隙的电容。这样，NFI触摸器件经常能检测到戴手套的手的触摸。此提高的灵敏性允许电阻元件的衬底作为与用户的接口。例如，导电的图案(conductive pattern)可在衬底的第一面上形成，用户与该衬底的第二面相接触，从而通过该衬底建立了与导电图案电容性耦合。这种配置不需要电阻元件上的防护层。
传感器条84的图案可以采用不同的印刷方法制成，例如墨水喷射、丝网印刷、模版印刷。换句话说，该图案也可以利用不同的图案技术制成，比如光刻法、激光烧蚀、加热或光漂白，或其它方法，或者这些方法的组合。
优选的，电阻元件的线性化边缘终端采用公知的技术。这里所用的术语线性化是指通过将适当的电压连接到边缘终端，具有均匀电阻率的触摸电阻表面都可以产生均匀电流密度。当电阻触摸表面被线性化时，便会有额外的性能：根据对流过每个与边缘终端相连的连接的部分电流的测量，可以确定该表面上电流吸收器(sink of electric current)的源的位置。优选的线性化边缘终端的例子已在美国专利No.4,371,746描述。
现在，将叙述本发明的电阻元件使用导电聚合物的一些优点。TCO一般需要进行高温处理以便使投射比和导电率达到最佳化。处理的温度应在100-330℃范围内，并且还包括在高温中沉淀薄膜和沉积后(postdeposition)退火的步骤。在较低温度处理的TCO将很可能具有较差的光学和电学特性。高温处理的TCO限制了可使用的衬底的类型。TCO镀层一般是由真空沉积步骤形成的，真空沉积步骤十分昂贵并要在很高的温度中进行。
另一方面，导电聚合物不需要高温处理。在大约100℃干燥的步骤中，可以无水淀积导电聚合物。导电聚合物电阻元件的低温处理可使其它衬底用于电容型触摸屏中，例如PET。
形成导电聚合物薄膜有许多种方法，大多数方法所消耗的价格和时间都比TCO的形成技术低。导电聚合物可以以高淀积速度用溶剂淀积。导电聚合物可以被丝网印刷、墨水喷射印刷、印膜淀积(die coated)或浸渍镀层，并可以有选择地沉积。
TCO的折射率范围一般在1.9到2.4之间。高折射率降低了投射比并增加了反射，从而在通过触摸屏看时，会降低显示的整体对比。相反，导电聚合物具有范围在1.5到1.8之间的折射率。
TCO通常十分易碎并由此易于产生裂缝，尤其淀积在例如polyethylene(聚乙烯)tetraphalate的柔性衬底上时。触点上层薄膜的剧烈地局部弯曲就可能导致TCO破裂。TCO层上的裂痕会导致器件失灵、TCO层不均匀的电压场以及降低触摸位置计算的准确度。导电聚合物一般不易碎。例如一种淀积了导电聚合物的PET衬底在被弯得很厉害时并不会损坏导电聚合物。
TCO一般在可见光谱的绿色和红色区域比蓝色区域具有较高的投射比。例如，对于给定的ITO沉淀参数，ITO薄膜在波长为450-500nm时的吸收系数为0.9μm-1，在波长为400-500nm时的吸收系数为0.74μm-1。蓝光的较低投射比使显示的图像看起来呈绿色，这是不需要，而这就是大多数的显示屏缺乏蓝色的原因。导电聚合物在蓝光中一般比可见光谱中的其他色光具有更高的透射比。
导电聚合物可比TCO淀积得更厚，但仍然具有同样的光学和电学特性。结果是，可能降低镀层的均匀性中任何不均匀的影响。
例1
一种导电聚合物溶液的配置是：混合965.25克的Baytron PPEDOT：PSSsolution(Baytron P可以从Bayer购买得到)和321.75克的二甲亚砜(dimethylsulfoxide)、77.4克的乙撑亚胺(ethylene glycol)、27克的3-glycidoxypropyltrimethoxysilane、1600.2克的异丙醇(isopropyl alcohol)、9克的sufynol 61表面活性剂(Surfynol 61 surfactant)(能从Kremer Pigmente购买得到)。利用一精确浸涂机以0.170英寸/秒的分离速度，将一碱-石灰玻璃衬底浸镀在上述溶液中。随后将镀好的衬底在85℃中烘烤6分钟，以便获得2500-3000欧姆/平方的电阻薄膜。然后，利用丝网印刷在镀好的衬底的一侧上形成基于银的线性化图案和金属丝线路。随后，将印制好的衬底在130℃中处理6分钟。接着，利用一硅树脂化的聚丙烯酸酯溶液，在传感器的两侧表面上形成一层防护镀层。镀好的触摸传感器在66℃中处理1小时。传感器的电学透射比为76％。一垂直和水平手指触摸传感器会产生最大为1％的线路偏差。
例2
一种电容型传感器器形成方法为：利用导电银油墨将一线性化图案和金属丝线路丝网印刷在PET的AgfaEL1500导电聚合物薄膜(可以从Agfa-GevaertN.V.购买获得)的表面上。导电聚合物薄膜的平均投射比约为88％和测量的平均薄膜电阻为1200欧姆/平方。在印刷处理之后，油墨要在100℃中处理一小时。通过CO2激光烧蚀导电聚合物镀层，将金属丝线路与线性化图案电隔离。利用CO2激光切割导电聚合物镀层和PET衬底，将传感器切割成成型形状。一水平和垂直的手指触摸传感器会产生最大为1％线路偏差。
上述详细说明、实例和数据给出了生产和使用本发明的一个完整描述。由于在不背离本发明精神和范围的条件下，可作出多种实施的例子，因此本发明存在下面所附的权利要求。

Claims (44)

1、一种电容型触摸屏包括：
一个触膜区域，其包括一个作为主要信号载体的实质上透明的导电聚合物，用以在一触摸位置上与一个物体形成电容性耦合；以及
电路，其将触膜区域的导电聚合物连接到电源，以便确定所述触摸位置。
2、如权利要求1所述的电容型触摸屏，其中，所述触摸区域不包括一透明导电氧化物。
3、如权利要求1所述的电容型触摸屏，其中，所述导电聚合物是所述触摸区域内唯一的透明导电元件。
4、如权利要求1所述的电容型触摸屏，还包括一个位于所述导电聚合物上的防护镀层。
5、如权利要求4所述的电容型触摸屏，其中，所述防护镀层作为一个绝缘层。
6、如权利要求1所述的电容型触摸屏，其中，所述导电聚合物是PEDOT。
7、如权利要求1所述的电容型触摸屏，还包括：
一衬底，其中，在所述衬底上形成所述触摸区域；以及
一显示设备，其与所述衬底相毗邻。
8、如权利要求1所述的电容型触摸屏，还包括一个硬性衬底，其中，所述触摸区域形成在所述衬底上。
9、如权利要求1所述的电容型触摸屏，还包括一个柔性衬底，其中，所述触摸区域形成在所述衬底上。
10、如权利要求1所述的电容型触摸屏，其中，所述触摸区域包括一具有实质上均匀的电阻的导电聚合物薄膜。
11、如权利要求1所述的电容型触摸屏，其中，所述触摸区域包括一导电聚合物图案。
12、如权利要求11所述的电容型触摸屏，其中，所述导电聚合物图案包括多个平行传感器条。
13、如权利要求1所述的电容型触摸屏，其中，所述触摸面板被配置为在所述触摸区域中产生实质上均匀的电流密度。
14、如权利要求1所述的电容型触摸屏，还包括一线性化图案。
15、一种用于定位触点的触摸面板，其包括：
一个至少具有一对边界的导电阻抗表面，所述阻抗表面包含一导电聚合物；
其中，所述触摸面板被配置成使一实质上线性化的电流通过所述阻抗表面，其中，在所述阻抗表面上电流从每个边界流过一触点，所述电流确定了所述触点的位置。
16、如权利要求15所述的触摸面板，其中，所述阻抗表面不包括一透明导电氧化物。
17、如权利要求15所述的触摸面板，其中，所述导电聚合物是所述阻抗表面上的唯一透明导电元件。
18、如权利要求15所述的触摸面板，还在所述阻抗表面上包括一个防护镀层。
19、如权利要求18所述的触摸面板，其中，所述防护镀层作为一绝缘层。
20、如权利要求15所述的触摸面板，其中，所述导电聚合物是PEDOT。
21、如权利要求15所述的触摸面板，其中，所述阻抗表面形成在一柔性衬底上。
22、如权利要求15所述的触摸面板，其中，所述阻抗表面形成在一硬性衬底上。
23、如权利要求15所述的触摸面板，其中，所述阻抗表面包括含有一具有实质上均匀的电阻的导电聚合物薄膜。
24、如权利要求15所述的触摸面板，其中，所述阻抗表面包括一导电聚合物图案。
25、如权利要求15所述的触摸面板，其中，所述导电聚合物图案包括多个平行传感器条。
26、如权利要求15所述的触摸面板，还包括一线性化图案。
27、一种触敏显示模块包括：
一触摸区域，其包括一实质上透明的导电聚合物，其作为一主要信号载体用以在触摸位置上与一个物体形成电容性耦合；
电路，其将所述触摸区域的所述导电聚合物连接到一电源，所述电路被配置成确定所述触摸位置；和
一显示装置，其具有一个显示表面。
28、如权利要求27所述的触敏显示装置，其中，所述触摸区域不包括一透明导电氧化物。
29、如权利要求27所述的触敏示装置，其中，所述导电聚合物是所述触摸区域的唯一透明导电元件。
30、如权利要求27所述的触敏显示装置，在所述导电聚合物上还包括一防护镀层。
31、如权利要求30所述的触敏显示装置，其中，所述防护镀层作为一绝缘层。
32、如权利要求27所述的触敏显示装置，其中，所述导电聚合物是本身就导电的聚合物。
33、如权利要求27所述的触敏显示装置，其中，所述导电聚合物是PEDOT。
34、如权利要求27所述的触敏显示装置，还包括一硬性衬底，其中，所述触摸区域形成在所述衬底上。
35、如权利要求27所述的触敏显示装置，还包括一柔性衬底，其中，所述触摸区域形成在所述衬底上。
36、如权利要求27所述的触敏显示装置，其中，所述触摸区域包括一个具有实质上均匀电阻的导电聚合物薄膜。
37、如权利要求27所述的触敏显示装置，其中，所述触摸区域包括一导电聚合物图案。
38、如权利要求37所述的触敏显示装置，其中，所述导电聚合物图案包括多个平行传感器条。
39、如权利要求27所述的触敏显示装置，其中，所述触摸面板被配置成在所述触摸区域中产生实质上均匀的电流密度。
40、如权利要求27所述的触敏显示装置，还包括一线性化图案。
41、一种制作一电容型触摸屏的方法，其包括：
提供一衬底；
在所述衬底上形成包括一实质上透明的导电聚合物的触摸区域，其中，所述导电聚合物被配置成作为一主要信号载体，用以与一物体形成电容性耦合容。
42、如权利要求41所述的制作一电容型触摸屏的方法，还包括在所述触摸区域上形成一防护层。
43、如权利要求41所述的制作一电容型触摸屏的方法，其中，所述物体要从下面的组中选取：用户的身体部分、一导电触笔或一接地的导电触笔。
44、如权利要求41所述的制作电容型触摸屏的方法，进一步包括在所述触摸区域中形成一线性图案。
CNA038113880A 2002-05-20 2003-04-16 使用导电聚合物的电容型触摸屏 Pending CN1653414A (zh)

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