CN85104084A

CN85104084A - 电容开关

Info

Publication number: CN85104084A
Application number: CN 85104084
Authority: CN
Inventors: 彼得·威廉·亚历山大
Original assignee: Phosphorescent Products Ltd; TI Group Services Ltd
Current assignee: Phosphorescent Products Ltd; TI Group Services Ltd
Priority date: 1985-05-28
Filing date: 1985-05-28
Publication date: 1986-11-26

Abstract

用绝缘层制成的电容开关，该绝缘层的一个表面上或其附近置有一个第一电极，在其反面置有一个第二电极和一个导电垫，如一个触摸垫。导电垫和第二电极与第一电极重叠，导电垫和第二电极可以是并排排列并在其间留一狭缝，或可以相互重叠并在其间夹有另一绝缘层。

这种开关可构成一个矩阵，并可通过把它重叠到显示介质上而与显示器结合在一起，比如，在其一面具有一显示电极，而另一面是第一电极的一个场致发光层。在这种结构中，除显示介质和显示电极外，所有元件均为透明材料。

Description

电容开头

本发明涉及的是电容开关。

根据本发明的一个方面，一个电容开关包括置于一绝缘材料层的一个表面之上或附近的一个第一电极，以及置于该绝缘材料层的与第一电极相对的一侧之上并与第一电极重叠的一个第二电极和导电垫，上述第一和第二电极以及导电垫被排列成能使该开关在第一和第二状态之间进行切换，在上述的一种状态下，第一和第二电极间的信号传输因数显著地不同于在上述两种状态中的另外一种状态下的信号传输因数。

导电垫与第二电极可以并行排列并在其间保留一狭缝，也可以相互重叠并在其间夹上另外一层绝缘材料。通过直接线路和导电垫，第一和第二电极之间电容偶合的适当平衡可通过对各个电极之间的重叠区（A），各个电极之间的距离（d）和/或各个电极间绝缘层的绝缘常数（K）进行恰当的调整而实现。

比例：

(导电垫与第一电极的AK/d)/(第一电极与第二电极的AK/d)

其较为可取的比值为8∶1或更大，而更好是达到40∶1的比值。通过将导电垫和第一电极制成基本相同的尺寸但以8∶1或更大的比例缩小第二电极的宽度，便可很容易地得到理想的比值。

导电垫和第一电极之间的直接电容偶合最好与导电垫和第二电极之间的直接电容偶合为同一数量级，而电容偶合的比值最好是在1∶2和2∶1之间。

可以将导电垫制成与第一和第二电极均保持固定的关系。通过这种安排，第一电极经导电垫与第二电极实现电容偶合，这样当一个电负载被施加到导电垫上时，例如，通过直接地或电容性地接触或使该导电垫接地，经过导电垫的偶合即被有效地阻断。结果，第一电极与第二电极之间的电容偶合将显著减小。如果对上述任意一个电极施加一个读出信号，这种电容变化会导致另一电极上输出信号的幅值变化。而这种幅值的变化可以被检测出来并用于切换的目的。

在一种变更方案中，导电垫与开关启动人及地面隔离，但采用弹性安装，这样它可向第一电极移动从而启动该开关。采用这种安排，当导电垫向第一电极移动时，第一电极通过导电垫与第二电极的偶合将增加。其结果是在启动开关时，该开关的有效电容将显著地增加，并在输出信号中产生相应地变化，这种变化仍可被检测出来，并用于切换的目的。

较为可取的是，在开关的启动与未启动状态之间，该开关的信号传输因数至少变化一个因数二。

具有上述结构的电容开关特别适用于形成开关矩阵。

根据本发明的另一个方面，一个电容开关矩阵包括复数个如上文所述的开关，每一开关的绝缘层均由一个共同的绝缘板构成，在该板上形成的开关彼此隔开。

较为可取的是，电容开关排列成m列，每列n个开关。每一列中所有开关的第二电极可由一共同的导电条构成，并且每一列中均有一个开关的第一电极是由一个共同的导电条构成按照这种方式，整个开关矩阵的第二电极由m个导电条形成，而第一电极由n个导电条形成，这些导电条的安排使每一开关均具有一个第一和第二电极的唯一个组合。例如，构成第二电极的导电条可以是互相平行，并且与构成第一电极的导电条形成直角。

以上所述的开关矩阵可以按英国专利2059657B中公开的方式多重应用。

如果上述开关或开关矩阵的导电垫、第一、第二电极以及绝缘料料层是用透明材料制成的，该开关可与英国专利2002522B中公开的显示器结合在一起。较为可取的是，所采用的显示器应包括置于一对电极或几组电极之间的一个显示介质，该显示介质对于在电极之间建立起的一个电场进行反应，从而做出显示。这类显示器包括直流场致发光显示器，交流场致发光显示器、液晶显示器、等离子显示器、电色层（electrochromic）显示器以及电泳显示器。这些显示器可以被安装成能够提供处于关或开状态的一种固定显示，或者另外可以是一种可变显示，该可变显示可由开关的启动或由例如开关矩阵中其它开关的启动而改变其状态。利用这些显示器，置于显示器之前的透明电极可被用作为电容开关的第一电极。每个第一电极可由复数个显示电极构成，其条件是为了开关的检测目的，所有这些显示电极可被共同寻址。当显示电极被用作第一电极时，将这些电极用作读出电极是有利的，这样，显示驱动电路便可被用于向电极施加一个读出信号。

根据本发明的另一实施方案，一个电容开关/显示单元包括如上文所述的一个电容开关或电容开关矩阵，上述电容开关或电容开关组的元件用透明材料制成，一个显示介质被置于该第一电极或每一第一电极的后表面上，并且一个显示电极被置于显示介质的后表面上与该电容开关或每一电容开关处于重叠状态。

通常，上述类型的显示器应配有一个覆盖在显示器前部的透明罩，例如一个玻璃板。因此根据本发明，电容开关显示单元可通过在予制好的显示单元上加上一个透明外罩而制成。这一外罩包括一个或多个导电垫以及与固定在一个透明介电或绝缘层上的该或每个导电垫相对应的一个第二电极。或者，导电垫和第二电极可直接在一个已有的显示单元的前罩上面制成。

然后，显示器的前罩和前部电极将提供该开关或开关组的其余的构件。当电容开关/显示单元形成一个矩阵时，显示器可按与电容开关类似的方式多重应用。

对于本发明的不同的实施方案，在此将仅通过举例的方式并参照附图予以说明，在附图中：

图1用图解的方式显示了根据本发明而制成的一个触摸开关;

图2所示为图1中显示的开关的等效电路图;

图3和图4通过剖面图显示了根据本发明而制成的触摸开关的不同结构;以及

图5以图解的方式显示了根据本发明一个触摸开关/显示矩阵的局部。

在图1中，导电材料的触摸垫10被置于诸如玻璃或塑料的绝缘材料层11的前表面上。一个其面积比触摸垫10小得多的狭窄导电条检测电极12被置于绝缘材料层11的后表面上，或被置于绝缘材料层13的前表面上。一个其面积与触摸垫10近似大小的导电读出电极14在绝缘层13的后表面上形成。电极10、12、14互相重叠。读出电极14上（如图2所示）有一个将其与电路连接的连线15，通过该电路、电脉冲信号“读出”可被施加在读出电极上。

当触摸垫10未被施加电负载时，检测电极12直接地并同时也通过触摸垫10与读出电极14实现电容偶合，如图2所示。检测电极12与触摸垫10和读出电极14相关的面积，以及绝缘层11和13的厚度和介电常数被选定为能够使读出电极14和检测电极12之间经过触摸垫10而达到的电容值，即：

(C₂C₃)/(C₂+C₃)

至少要达到读出电极14和检测电极12之间直接电容C₁的数量级，在这种情况下，开关的有效电容为：

CE=C₁+ (C₂C₃)/(C₂+C₃)

当触摸垫10被人触摸时，在其上的电负载有效地中断了电极14通过触摸垫10与检测电极12的偶合。开关的有效电容变为：

CE＝C₁

在典型情况下，触摸垫10和读出电极14为12.7mm×9.525mm，检测电极12为1.0mm×12.7mm，绝缘层11和13为介电常数是7.5的玻璃板，厚度分别为0.5mm和3mm。已发现，具有这种结构的开关，在未被施加负载的情况下，其有效电容CE为1.6PF，而当触摸垫10被施加了一个负载时，该有效电容降至0.8PF。

当触摸垫10被加以负载时电容的变化，在检测电极12的输出信号中也产生了相应的变化。连线16将电极12连接到一个电路上，该电路适用于检测输出信号中的变化并根据这一变化触发一个切换动作。

除了用如上所述的分离绝缘材料层11和13制成开关之外，还可以利用诸如汽相沉积法将检测和读出电极12和14淀积在绝缘层13的前和后表面上。然后，可利用诸如浸渍或喷涂法将厚度约为0.125mm的一层玻璃的或塑料材料的薄膜淀积在检测电极12的上面，以形成绝缘层11。此后，可将触摸垫10淀积在玻璃或塑料薄膜之上，以形成一个具有整体结构的开关。

在图3中，触摸垫10和检测电极12是在绝缘层13的前表面上并排制成。如上所述，读出电极14在绝缘层13的后表面上制成，但是其面积增大，以便与触摸垫10和检测电极12都能重叠。触摸垫10和电极12可用一薄层按上述方式制成的绝缘材料23保护起来，例如一层玻璃或塑料材料。

在典型情况下，触摸垫10为12.7mm×9.5mm，检测电极为0.125mm×12.7mm，两者间的狭缝为0.05mm，采用厚度为3mm，介电常数为7.5的玻璃时，开关的有效电容在未被触摸时为1.6PF，被触摸时则变化为0.8PF。

图4与图1相同，只是对换了电极10和12的位置。

由于检测电极12和触摸垫10的相对大小，尽管检测电极12位于最上部，触摸开关的上表面仍会对触摸垫10施加一个电负载，该电负载将中断读出电极14与检测电极12之间通过触摸垫10形成的电容偶合，正如参照图1和图2所作的说明那样。另外，采用这种结构，触摸垫10能够阻碍检测电极12与读出电极14之间的直接电容偶合，其结果是，当被触摸时，开关的有效电容应接近于零。

图5所示的触摸开关/显示矩阵是基于采用图1中的构造的一个点矩阵直流场致发光显示器。这种显示器包括一个玻璃板13，在其后部有一组平行延伸的电极21。电极21的后部覆盖了一磷层20，在磷层20的后表面上置有另外一组延伸的电极22，与电极21成直角。这样，一组当中的每一个电极都与另一组中的所有电极相重叠，从而形成一个点矩阵。在典型情况下，电极组21和22可为每厘米包含20-40个电极。电极10，19和21是透明的，例如是氧化锡，并且绝缘材料13和22也是透明的。

电极21和22均配有输入连接线，以分别向每个电极施加电压脉冲。在典型情况下，磷层20具有一个从80伏到120伏的发光阀，并且施加在电极21上的电压脉冲可以是从40到60伏，而施加在电极22上的脉冲可以是从-40到-60伏。

这样，无论在什么位置只要一个被施加了脉冲的电极21与一个被施加了脉冲的电极22相交叉，磷层20在两电极之间的部份便会被激励并产生一个发光点。通过同时向适当的几对电极21和22施加脉冲，数个点将会同时发光，以形成一个字符或符号，该符号或字符可通过向不同的几对电极21和22施加脉冲而被变换。在典型情况下，这些发光脉冲的持续期间是10-100微秒，在显示器发光时，向电极21和22施加脉冲的频率是0.05至2KHz。

检测电极19的形状是与电极21成直角的平行条。绝缘材料的薄层11被覆盖在导电条19之上，在薄层11的前表面上置有复数个触摸垫10。触摸垫10被排列为横向成行，每一行都与一个不同的导电条19相重叠，并且纵向成列，每一列都与一组不同的电极21相重叠。

在开关/显示矩阵的边缘上，导电条19配有连接线，通过这种方式使它们与适当的检测电路连接。

这样，通过依次向每一组电极21施加一个“读出”电脉冲，同时将所有其它的电极21保持为零电位并监测每一导电条19的输出，即可以分别查询矩阵中的每一开关。

当开关被启动时，为了使该开关能够与由同一检测电极条19所检测的一行中其它的开关区别开，每一触摸垫10与条19之间的电容偶合应当显著地低于触动开关的人的人体电容（成年人最小约为80PF）。每一触摸垫10与检测电极条19之间的电容最好小于10PF。同样，为了避免由于检测电极19沿着一行开关的电阻值增加而造成输出信号的过度衰减，而这种衰减可引起虚假的切换信号，每一检测电极条19的总电阻值不应超过100KΩ。

用于向电极21施加发光脉冲的电路，也可以很方便地被用于施加读出脉冲，这时，电路不是像为了达到发光的目的所要求的那样分别地向各个电极施加脉冲，而是将电路安排成向一组中所有的电极21同时施加脉冲，施加这些读出脉冲是在发光脉冲的间隔内进行，并且在典型情况下其宽度为10微秒，频率为50Hz。

由于在电极21被施加读脉冲时，电极22未被施加任何脉冲，因此整个磷层所承受的电压便不会达到发光阀值，所以显示器不会受到影响。

以上所述的开关/显示矩阵可被制成使分离的显示区域连接到与其重叠的开关上。根据对该开关或对矩阵中其它开关的启动，这些显示器可以被按照希望改变其显示状态，这样，就提供了一个可编程多功能开关矩阵。采用这种运行方式，只有触摸垫10之下的电极21和22被用于发光的目的。

另外，可以将整个板作为一个单独的显示器，启动开关所产生的效果是与其下的显示器区域相联系的。

以上所述的触摸垫10和导电条19可被淀积在玻璃或塑料层11之上，以形成一个覆盖层，该层可以被应用到一个已有矩阵的玻璃覆盖屏之上，制成一个上述形式的开关/显示矩阵。

参见图5，尽管我们所描述的是一个触摸开关/显示矩阵，但采用这种方式也可以制成单个的开关/显示元件。

无须背离本发明即可作出不同的改动。例如，在以上所述的实施方案中是通过向触摸垫10施加电负载而实现了切换，通常是由一个人触及该触摸垫10。这里的缺点是，所施加的负载会因人而异，并且检测电路必须能够在一个相当宽的范围内运行。通过提供将触摸垫10直接接地的连接装置，可以获得一个更加一致的信号变化。

以上所述的开关或开关矩阵可以配有弹性膜片，该膜片与开关的前表面分离开，并且只有按下该膜片才能启动开关。这种膜片将提供触觉反馈，并且还能防止导电液体流至开关的表面，另外，在开关矩阵中，还能将两个或多个开关的触摸垫10接通，当开关为一触摸式开关时，该膜片可用导电材料制成，或者可在其内表面上具有一导电涂层，该涂层被接地，这样当开关被启动时触摸垫10即被接地。这后一种结构的优点在于可用一个非导电的触针或带手套的手指启动该开关。当开关具有一个可移动的导电垫时，这可以在膜片的内表面制成。上述类型的膜片可用平滑的弹性材料薄片制成，该膜片通过隔离垫与开关的前表面隔开。然而，该膜片可以很方便地用覆盖在开关上的具有凸泡结构薄片制成。在开关矩阵中，可用一个单独的薄片覆盖在整个矩阵上，该薄片由模压制成复数个凸泡结构，每一凸泡用于一个开关。这种膜片也可用于开关/显示单元，只要它们是采用透明材料制成。对于开关/显示单元，透明的绝缘层11和13以及/或膜片（如果被采用的话）可以被染色，以强调或改变显示器的自然外观。

图3和图4中所示的触摸垫10和检测电极12的配置方式可用在图5之中，以代替其中所示的配置方式。

各个附图仅是图解说明而已，不被用于表明元件的相对尺寸，尤其是厚度。在典型情况下，第一绝缘层11的厚度等级为1mm;第二绝缘层13的厚度等级为3mm;磷层的厚度等级为40微米，触摸垫10以及不同的电极12、14、19、21和22的厚度等级为0.05微米。

在图5中，磷层20，附属电极21、22和玻璃板13可构成一个现有显示单元。在这种情况下，绝缘层11、触摸垫10和检测电极19可构成一个分离的电容开关覆盖罩，该覆盖罩可被用于装置在显示单元之上，以便使触摸垫10和电极19叠加在第一电极21之上。采用图3中所示的触摸垫10和检测电极12的配置方式，两者均可置于覆盖罩的绝缘层11的同一面上。

在此所用的“信号传输因数”一词的含意是：在上述第一和第二电极中的一个电极上，响应于施加在另一个电极上一个脉冲，而出现的一个脉冲的幅值与施加在上述另一电极之上的该脉冲的幅值之比。

Claims

1、一种电容开关，其特征在于：一个第一电极(14)被置于一个绝缘材料层(13)的一个表面之上或临近于该表面，一个第二电极(12)和导电垫(10)均被置于绝缘材料(13)的与第一电极(14)相背的一面上，并且与第一电极(14)相重叠，上述第一和第二电极(14、12)以及导电垫(10)被安排成能使该开关在第一和第二状态之间进行切换，在这两种状态中的一个状态下，第一和第二电极(14、12)之间的信号传输因数与这两种状态中的另一状态下的信号传输因数显著地不同。

2、如权项1中所要求的一个电容开关，其特征在于导电垫（10）和第二电极（12）相互重叠，在两者之间有另外一个绝缘材料层（11）。

3、如权项1所要求的一个电容开关，其特征在于：导电垫（10）和第二电极（12）是并排排列，并在其间保留一个狭缝。

4、如权项1到3中任意一个权项所要求的一个电容开关，其特征在于：导电垫（10）和第一电极（14）之间的商值AK/d与第一和第二电极（14、12）之间的商值AK/d之比为8∶1或更大。

5、如权项4所要求的一个电容开关，其特征在于：导电垫（10）和第一电极（14）之间的商值AK/d与第一和第二电极（14、12）之间的商值AK/d之比为40∶1的等级。

6、如权项4或5所要求的一个电容开关，其特征在于：导电垫（10）和第一电极（14）的宽度与第二电极（12）的宽度之比为8∶1或更大。

7、如以上权项中任意一个权项所要求的一个电容开关，其特征在于：导电垫（10）和第一电极（14）之间的直接电容偶合与导电垫（10）和第二电极（12）之间的直接电容偶合为同一等级。

8、如权项7所要求的一个电容开关，其特征在于：导电垫（10）和第一电极（14）之间的直接电容偶合与导电垫（10）和第二电极（12）之间的直接电容偶合之比是在1∶2和2∶1之间。

9、如以上权项中任意一个权项所要求的一个电容开关，其特征在于：导电垫（10）被置于对第一和第二电极保持固定的关系。

10、如权项1至8中任意一个权项所要求的一个电容开关，其特征在于：导电垫（10）被弹性地安装，以使其能相对于第一电极（14）进行移动。

11、一个电容开关矩阵包括复数个如权项1至10之中任意一个权项所要求的开关，其特征在于：每个开关的绝缘层（13）是由一个共同的绝缘板所构成，位于该绝缘板上的开关相互间隔离。

12、如权项11所要求的一个矩阵，其特征在于：一组开关的第二电极（12）是由一个共同的导电条（19）构成。

13、如权项11所要求的一个矩阵，其特征在于：一组开关的第一电极（14）是由一个共同的导电条（21）构成。

14、如权项11、12或13当中任意一个权项所要求的一个矩阵，其特征在于：开关被排列成复数行（m），每一行中所有开关都具有由一个共同的导电条（19）构成的第二电极（12）并且每一行（m）中的一个开关的第一电极（14）是由一个共同的导电条（21）构成。

15、如权项14所要求的一个矩阵，其特征在于：为每一行（m）开关提供第二电极（12）的导电条（19）与提供第一电极（14）的导电条（21）被安排为直角关系。

16、如权项12、14或15当中任意一个权项所要求的一个矩阵，其特征在于：每一导电垫（10）和构成第二电极（12）的导电条（19）之间的电容小于10PF。

17、如权项12，14，15或16当中任意一个权项所要求的一个矩阵，其特征在于：构成第二电极（12）的导电条（19）的电阻值不超过100KΩ。

18、一个电容开关/显示单元，其特征在于：如权项1至17中任意一个权项所要求的一个电容开关或电容开关矩阵，其中开关或开关矩阵的元件（10，11，12，13，14，19，21）是用透明材料制成，一个显示介质（20）被置于该或每一第一电极（21）的后表面上，并且一个显示电极（22）被置于显示介质（20）的后表面上，与该或每一电容开关为重叠的关系。

19、如权项18所要求的一个电容开关/显示单元，其特征在于：显示介质（20）根据一个电场提供显示，该电场可在第一电极（21）和显示电极（22）之间建立。

20、如权项19所要求的一个电容开关/显示单元，其特征在于：该显示介质（20）包括：一种场致发光材料，一种液晶，一种可电离气体，一种电色层（eletrochromic）材料，或一种电泳材料。

21、如权项18至20当中任意一个权项所要求的一个电容开关/显示单元，其特征在于：配备了在第一和显示电极（21，22）之间施加显示驱动信号的装置，向第一电极（21）施加读出脉冲的装置，以及检测电容性传输到第二电极（19）的脉冲的检测装置。

22、如权项21所要求的一个电容开关/显示单元，其特征在于：施加显示驱动信号的装置还用于向第一电极（21）施加读出脉冲。

23、如权项18至22中任意一个权项所要求的一个电容开关/显示单元，其特征为一个显示单元具有：置于安排为重叠关系的透明第一电极（21）和显示电极（22）之间的显示介质（20）和置于第一电极（21）之前的透明绝缘材料罩（13），并且还具有包括一个透明的绝缘材料薄片（11）的电容开关覆盖罩，在其上由一透明导电材料构成导电垫（10）和第二电极（19），上述开关覆盖罩被装在显示罩（13）的前表面上，以便导电垫（10）和第二电极（19）被重叠在第一电极（21）之上。

24、一个用在显示单元上的电容开关覆盖罩，该显示单元包括置于安排为重叠关系的一个透明第一电极和一个显示电极之间的一个显示介质，和置于第一电极之前的一个透明绝缘材料罩，特征为上述开关覆盖罩包括一个透明的绝缘材料薄片（11），一个透明导电垫（10）和透明第二电极（19）在其上构成，上述导电垫（10）和第二电极（19）被排列成当该覆盖罩被装在显示罩（13）的前表面上时，导电垫（10）和第二电极（19）将重叠在第一电极（21）之上，上述第一和第二电极（19，21）以及导电垫（10）被安排成使开关可在第一和第二状态之间切换，在其中一种状态下第一和第二电极之间（19，21）之间的信号传输因素显著地不同于在另外一种状态下的信号传输因数。