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■ Technisches Gebiet
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Die vorliegende Patentanmeldung betrifft das Gebiet der Anzeigetechnologien, insbesondere ein Berührungssubstrat, ein Berührungsanzeigefeld und ein Verfahren zur Berechnung des Berührungsdruckes.
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■ Hintergrund
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Heute sind immer mehr elektronische Geräte mit Berührungsanzeigefeldern ausgestattet, wie etwa ein Informationsgerät an einem öffentlichen Ort, ein Computer und ein Mobiltelefon, die im Alltag und bei der Arbeit von Benutzern verwendet werden. Elektronische Geräte können durch Berühren von Berührungsanzeigefeldern mithilfe der Finger der Benutzer bedient werden, ohne Tastatur und Maus, so dass die Interaktion zwischen Mensch und Maschine direkter ist. Um die Anforderungen der Benutzer besser zu erfüllen, ist ein Berührungsanzeigefeld im Allgemeinen intern mit einem Drucksensor ausgerüstet, der bei der Berührung der Berührungsanzeigefelder die Höhe des Berührungsdruckes erkennt.
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In der verwandten Technik wird ein piezoresistiver Drucksensor eines Berührungsanzeigefeldes hauptsächlich dadurch gebildet, dass elektrische Dehnungsmessstreifen nach dem Prinzip einer Wheatstoneschen Messbrücke verbunden werden. Diese Art von Sensoren hat einen niedrigen piezoresistiven Koeffizienten, folglich können ausreichend starke Signale nur erkannt werden, wenn die Sensoren groß genug sind, je größer aber der Drucksensor sind, desto schwieriger ist es, ihn in ein Berührungsanzeigefeld zu integrieren.
US 2013/0047747 A1 und
US 2013/0215056 A1 zeigen jeweils ein Berührungsanzeigefeld mit Merkmalen des Anspruchs 1.
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■ Zusammenfassung
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Aufgrund dessen stellt diese Offenbarung ein Berührungssubstrat, ein Berührungsanzeigefeld und ein Verfahren zur Berechnung des Berührungsdruckes bereit, um das Problem zu lösen, dass es schwierig ist, einen Drucksensor der verwandten Technik in ein Berührungsanzeigefeld zu integrieren.
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Gemäß einem ersten Aspekt stellen die Ausgestaltungen ein Berührungssubstrat bereit. Das Berührungssubstrat umfasst mindestens zwei Halbleiterdrucksensoren, eine Vorspannungsschaltung und eine Spannungserfassungsschaltung. Die Vorspannungsschaltung ist jeweils mit einer ersten Anschlussklemme und einer zweiten Anschlussklemme jedes Halbleiterdrucksensors elektrisch verbunden und dient dazu, Vorspannung an jeden Halbleiterdrucksensor anzulegen. Die Spannungserfassungsschaltung ist jeweils mit einer dritten Anschlussklemme und einer vierten Anschlussklemme jedes Halbleiterdrucksensors elektrisch verbunden und dient dazu, Dehnungsspannungen jedes Halbleiterdrucksensors zu erfassen. Eine erste gerade Leitung, welche die erste Anschlussklemme und die zweite Anschlussklemme miteinander verbindet, kreuzt eine zweite gerade Leitung, welche die dritte Anschlussklemme und die vierte Anschlussklemme miteinander verbindet.
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Gemäß einem zweiten Aspekt stellen die Ausgestaltungen ein Berührungsanzeigefeld bereit, das ein mit der Ausgestaltung der Offenbarung bereitgestelltes Berührungssubstrat umfasst sowie eine Berührungserfassungsschaltung zur Erfassung eines Berührungserfassungssignals des Berührungsanzeigefeldes.
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Gemäß einem dritten Aspekt stellen die Ausgestaltungen ein Verfahren zur Berechnung des Berührungsdruckes bereit, das folgendes umfasst:
- Erfassen eines von einer Berührungserfassungsschaltung erfassten Berührungserfassungssignals durch den Prozessor sowie Erfassen der Berührungspositionsdaten des Berührungsanzeigefeldes entsprechend dem Berührungserfassungssignal durch den Prozessor;
- Erfassen der Dehnungsspannungsdifferenz der Halbleiterdrucksensoren durch den Prozessor und
- Berechnen der Höhe des Berührungsdruckes entsprechend den Berührungspositionsdaten des Berührungsanzeigefeldes und der Dehnungsspannungsdifferenz der Halbleiterdrucksensoren durch den Prozessor.
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Gemäß den Ausgestaltungen werden in einem Berührungssubstrat mindestens zwei Halbleiterdrucksensoren verwendet, so dass das Problem gelöst wird, dass der Drucksensor bei der Herstellung eines Berührungssubstrats mit einem Drucksensor sehr groß gefertigt werden muss, damit das Dehnungssignal des Sensors stark genug ist, was es wiederum schwierig macht, den Drucksensor in ein Berührungsanzeigefeld zu integrieren. Die für die Ausgestaltungen verwendeten Halbleiterdrucksensoren haben den Vorteil, dass sie eine geringe Größe besitzen und leicht in ein Berührungsanzeigefeld integriert werden können. Zudem weisen die mit den Ausgestaltungen bereitgestellten Halbleiterdrucksensoren eine relativ hohe Dehnungsspannung auf, haben den Vorteil, dass die Temperatur automatisch ausgeglichen wird und werden aus demselben Material wie eine Siliziumschicht des Berührungssubstrats und in demselben Herstellungsschritt gefertigt, was das Verfahren zur Bildung einer Siliziumschicht und das Verfahren zur Herstellung des Matrixsubstrats vereinfacht und die Herstellungskosten senkt.
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Figurenliste
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- 1 ist eine strukturelle Prinzipdarstellung eines Berührungssubstrats gemäß einer Ausgestaltung der Offenbarung;
- 2 ist ein Prinzipschaltbild eines auf dem Berührungssubstrat gemäß 1 ausgebildeten Drucksensors;
- 3 ist ein Prinzipschaltbild eines weiteren auf dem Berührungssubstrat gemäß 1 ausgebildeten Drucksensors;
- 4 ist eine strukturelle Prinzipdarstellung eines weiteren Berührungssubstrats gemäß einer Ausgestaltung der Offenbarung;
- 5 ist ein Diagramm, in dem die Beziehung zwischen der Dehnungsspannungsdifferenz des Halbleiterdrucksensors und der Veränderung eines zwischen einem Rand des Berührungssubstrats benachbart zu dem Halbleiterdrucksensor und der ersten geraden Leitung eingeschlossenen Winkels dargestellt ist;
- 6 ist eine strukturelle Prinzipdarstellung eines weiteren Berührungssubstrats gemäß einer Ausgestaltung der Offenbarung;
- 7 ist ein Prinzipschaltbild eines auf dem Berührungssubstrat gemäß 6 ausgebildeten Drucksensors;
- 8 ist ein Prinzipschaltbild eines Halbleiterdrucksensors und einer Subtrahierschaltung;
- 9 ist eine strukturelle Prinzipdarstellung eines weiteren Berührungssubstrats gemäß einer Ausgestaltung der Offenbarung;
- 10 ist eine Querschnittsansicht des in 9 dargestellten Berührungssubstrats entlang einer Linie A1-A2;
- 11 ist eine strukturelle Prinzipdarstellung eines Berührungsanzeigefeldes gemäß einer Ausgestaltung der Offenbarung; und
- 12 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Berechnung des Berührungsdruckes gemäß einer Ausgestaltung der Offenbarung.
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■ Detaillierte Beschreibung
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Im Folgenden wird die Offenbarung detailliert sowie unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen und die Ausgestaltungen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die speziellen, beschriebenen Ausgestaltungen nur dazu dienen, die Offenbarung zu erläutern, aber diese nicht einschränken. Darüber hinaus ist zu beachten, dass in den Begleitzeichnungen aus Gründen einer einfacheren Beschreibung nur die für die Offenbarung relevanten Teile dargestellt sind und nicht die gesamte Struktur.
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1 ist eine strukturelle Prinzipdarstellung des Berührungssubstrats gemäß einer Ausgestaltung der Offenbarung. 2 ist ein Prinzipschaltbild eines auf dem Berührungssubstrat gemäß 1 ausgebildeten Drucksensors. Wie in den 1 und 2 dargestellt, umfasst das Berührungssubstrat 1 mindestens zwei Halbleiterdrucksensoren 11, zwei Vorspannungsschaltungen 12 und zwei Spannungserfassungsschaltungen 13. Jede der Vorspannungsschaltungen 12 ist mit einer ersten Anschlussklemme 1111 und einer zweiten Anschlussklemme 1112 eines der Halbleiterdrucksensoren 11 elektrisch verbunden und dient dazu, Vorspannungen an den entsprechenden Halbleiterdrucksensor 11 anzulegen. Jede der Spannungserfassungsschaltungen 13 ist mit einer dritten Anschlussklemme 1123 und einer vierten Anschlussklemme 1124 eines der Halbleiterdrucksensoren 11 elektrisch verbunden und dient dazu, Dehnungsspannungen des entsprechenden Halbleiterdrucksensors 11 zu erfassen. Die erste gerade Leitung 111, welche die erste Anschlussklemme 1111 und die zweite Anschlussklemme 1112 miteinander verbindet, kreuzt die zweite gerade Leitung 112, welche die dritte Anschlussklemme 1123 und die vierte Anschlussklemme 1124 miteinander verbindet.
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Bei den Halbleiterdrucksensoren 11 handelt es sich um diffundierte piezoresistive Silizium-Drucksensoren. Zudem handelt es sich bei den Halbleiterdrucksensoren 11 beispielhaft um diffundierte piezoresistive Vierleiter-Silizium-Drucksensoren, die dadurch ausgebildet werden, dass mittels Ionenimplantation Dehnungsmessstreifen auf einem Siliziumwafer ausgebildet werden, die dann montiert werden. Im Vergleich zu einem in einem Berührungssubstrat angeordneten Drucksensor nach der verwandten Technik haben die oben beschriebenen Halbleiterdrucksensoren den Vorteil, dass sie eine hohe Leistung haben, klein sind, einen automatischen Temperaturausgleich und dergleichen aufweisen sowie leicht in ein Berührungssubstrat zu integrieren sind. Wenn die Halbleiterdrucksensoren in dem Berührungssubstrat integriert sind, belegen sie eine kleine Fläche und weisen eine hohe Empfindlichkeit hinsichtlich der Erfassung des Berührungsdruckes auf. In der vorliegenden Offenbarung werden Polysilizium-Drucksensoren verwendet. Der Polysilizium-Drucksensor kann einer Messbrücke entsprechen. Aufgrund der geringen Größe des Polysilizium-Drucksensors ist das Änderungsverhältnis des Widerstands jedes Teils des Polysilizium-Drucksensor gleich, wenn der ganze Polysilizium-Drucksensor Temperaturschwankungen erfasst, wobei die Ausgangsspannung nicht von der Temperatur beeinflusst wird, so dass ein Temperaturausgleich erreicht wird. Da in der vorliegenden Offenbarung ein Polysilizium-Drucksensor verwendet wird und weil der Widerstand von Polysilizium sehr viel größer ist als der Widerstand von Metall, verringert sich das Verhältnis des Widerstands der Verdrahtung der Vorspannungsschaltung und der Spannungserfassungsschaltung zum Gesamtwiderstand.
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Demzufolge wird der Einfluss der Dehnung und der Temperaturschwankung der Verdrahtung auf die Ausgangsspannung verringert, wodurch ein besserer Temperaturausgleich erreicht wird.
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Das Arbeitsprinzip von Halbleiterdrucksensoren ist nachfolgend in Verbindung mit 2 beschrieben. Wie in 2 dargestellt, umfasst jede Vorspannungsschaltung 12 eine erste Elektrode 121 und eine zweite Elektrode 122, wobei die erste Elektrode 121 mit der ersten Anschlussklemme 1111 elektrisch verbunden ist und die zweite Elektrode 122 mit der zweiten Anschlussklemme 1112. Jede Spannungserfassungsschaltung 13 umfasst eine dritte Elektrode 131 und eine vierte Elektrode 132; die dritte Elektrode 131 ist mit der dritten Anschlussklemme 1123 elektrisch verbunden, und die vierte Elektrode 132 ist mit der vierten Anschlussklemme 1124 elektrisch verbunden. Die erste Elektrode 121 und die zweite Elektrode 122 dienen dazu, eine Vorspannung an den Halbleiterdrucksensor 11 anzulegen; und die dritte Elektrode 131 und die vierte Elektrode 132 dienen dazu, Dehnungsspannungen des Halbleiterdrucksensors 11 zu erfassen.
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Wie in 2 dargestellt, hat der Halbleiterdrucksensor 11 eine viereckige Form. Die erste Elektrode 121 und die zweite Elektrode 122 der Vorspannungsschaltung 12 sind Metallelektroden und an zwei gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterdrucksensors 11 jeweils mit einer ersten Anschlussklemme 1111 und einer zweiten Anschlussklemme 1112 elektrisch verbunden. Überdies sind die dritte Elektrode 131 und die vierte Elektrode 132 der Spannungserfassungsschaltung 13 Metallelektroden, die jeweils an zwei zusätzlichen gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterdrucksensors 11 mit der dritten Anschlussklemme 1123 und der vierten Anschlussklemme 1124 elektrisch verbunden sind.
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In einer speziellen Ausgestaltung verformt sich das gesamte Berührungssubstrat, nachdem mittels der Vorspannungsschaltung 12 eine Vorspannung an den Halbleiterdrucksensor 11 angelegt worden ist (und zwar mittels der ersten Elektrode 121 und der zweiten Elektrode 122), wenn Finger das Berührungssubstrat berühren, wobei sich die Impedanz der Dehnungsmessstreifen entsprechend ändert, so dass sich die Dehnungsspannungen entsprechend ändern; daher können die Dehnungsspannungen des Halbleiterdrucksensors 11 mittels der Spannungserfassungsschaltung 13 erfasst werden (und zwar mittels der dritten Elektrode 131 und der vierten Elektrode 132), wodurch die Höhe des Berührungsdruckes bestimmt (gemessen) werden kann. Die Messung der Höhe des Berührungsdruckes kann bei Berührungsvorgängen, wie z.B. einer Berührung, beim Loslassen oder Drag&Drop, erfolgen.
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Bei der Messung sind drei Dinge zu beachten:
- Erstens: Wenn mittels der Vorspannungsschaltungen 12 Vorspannungen an die Halbleiterdrucksensoren 11 angelegt werden, können die erste Elektrode 121 oder die zweite Elektrode 122 als Vorspannungseingangsklemme verwendet werden. Wird die erste Elektrode 121 als Vorspannungseingangsklemme verwendet wird, kann die zweite Elektrode 122 geerdet sein; wird die zweite Elektrode 122 als Vorspannungseingangsklemme verwendet, kann die erste Elektrode 121 geerdet sein.
- Zweitens: Wenn mittels der Spannungserfassungsschaltungen 13 die Dehnungsspannungen der Halbleiterdrucksensoren 11 gemessen werden, wird die Dehnungsspannung der dritten Elektrode 131 und die Dehnungsspannung der vierten Elektrode 132 erfasst. Nachdem die Dehnungsspannung der dritten Elektrode 131 und die Dehnungsspannung der vierten Elektrode 132 erfasst worden ist, berechnet ein mit den Spannungserfassungsschaltungen 13 verbundener Prozessor (in 2 nicht dargestellt) anhand der von der dritten Elektrode 131 und der vierten Elektrode 132 erfassten Dehnungsspannungen die Dehnungsspannungsdifferenz zwischen der dritten Elektrode 131 und der vierten Elektrode 132 und anhand der Dehnungsspannungsdifferenz die Höhe des Berührungsdruckes.
- Drittens: Damit die Höhe des Berührungsdruckes ermittelt werden kann, wenn das Berührungssubstrat mit Fingern berührt wird, muss es mindestens zwei Halbleiterdrucksensoren umfassen. Wird das Substratglas mit Fingern berührt, verformt es sich und jeder Teil des verformten Berührungssubstrats kann eine Querkraft erzeugen. Wenn das Berührungssubstrat nur einen Halbleiterdrucksensor umfasst, ist dieser Halbleiterdrucksensor der Wirkung der Querkraft von dem Bereich ausgesetzt, in dem der Halbleiterdrucksensor angeordnet ist, wobei sich die Impedanz der Dehnungsmessstreifen des Halbleiterdrucksensoren ändert, somit ändern sich die Dehnungsspannungen des Halbleiterdrucksensors. Dabei entspricht die Höhe des anhand der Dehnungsspannungen gemessenen Druckes der Höhe der Querkraft von dem Bereich des Berührungssubstrats, in dem der Halbleiterdrucksensor angeordnet ist, jedoch nicht der Höhe des tatsächlichen vom Benutzer aufgebrachten Berührungsdruckes. Nur wenn das Berührungssubstrat zwei oder mehrere Halbleiterdrucksensoren umfasst, kann anhand der von jedem Halbleiterdrucksensor gemessenen Höhe der Querkraft und der Berührungspositionsdaten die Höhe des Berührungsdruckes berechnet werden.
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Es gibt mehrere Verbindungsarten für Halbleiterdrucksensoren. In 2 ist der Halbleiterdrucksensor 11 ein viereckiger Drucksensor. Die erste Elektrode 121, die zweite Elektrode 122, die dritte Elektrode 131 und die vierte Elektrode 132 sind jeweils mit vier Seiten des Halbleiterdrucksensors 11 verbunden.
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3 zeigt ein Prinzipschaltbild eines weiteren Halbleiterdrucksensors. Wie in 3 dargestellt, handelt es sich bei dem Halbleiterdrucksensor 11 um einen viereckigen Drucksensor, wobei jeweils an einer Seite der viereckigen Struktur eine erste Anschlussklemme 1111, eine zweite Anschlussklemme 1112, eine dritte Anschlussklemme 1123 und eine vierte Anschlussklemme 1124 angeordnet sind. Die Vorspannungsschaltung umfasst eine erste Elektrode 121 und eine zweite Elektrode 122, die jeweils an zwei gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterdrucksensors 11 mit der ersten Anschlussklemme 1111 und der zweiten Anschlussklemme 1112 elektrisch verbunden sind; und die Spannungserfassungsschaltung 13 umfasst eine dritte Elektrode 131 und eine vierte Elektrode 132, die jeweils an den zwei anderen gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterdrucksensors 11 mit der dritten Anschlussklemme 1123 und der vierten Anschlussklemme 1124 elektrisch verbunden sind. Im Unterschied zu der Ausgestaltung in 2 bestehen die vier Elektroden und der Halbleiterdrucksensor aus dem gleichen Material. Durch diese Anordnung können die Schottky-Barrieren zwischen der ersten Elektrode 121, der zweiten Elektrode 122, der dritten Elektrode 131 und der vierten Elektrode 132 und dem Halbleiterdrucksensor wirksam beseitigt werden, zudem kann die Empfindlichkeit des Halbleiterdrucksensors erhöht werden. Wie in 3 dargestellt, sind die vier Elektroden überdies jeweils außen mit entsprechenden Metallelektroden verbunden (d.h., eine erste Metallelektrode 141 ist an der Außenseite der ersten Elektrode 121 angeordnet, eine zweite Metallelektrode 142 ist an der Außenseite der zweiten Elektrode 122 angeordnet, eine dritte Metallelektrode 143 ist an der Außenseite der dritten Elektrode 131 angeordnet und eine vierte Metallelektrode 144 ist an der Außenseite der vierten Elektrode 132 angeordnet). Die erste Metallelektrode 141, die zweite Metallelektrode 142, die dritte Metallelektrode 143 und die vierte Metallelektrode 144 dienen dazu, den Halbleiterdrucksensor 11 und andere Schaltungen auf dem Berührungssubstrat 1 (wie z.B. einen Prozessor) elektrisch zu verbinden und Signale zwischen ihnen zu übertragen. Zu beachten ist, dass dies nur zwei spezifische Beispiele der Ausgestaltungen sind, welche die Offenbarung nicht einschränken. In speziellen Ausgestaltungen kann der Halbleiterdrucksensor 11 ein Polygonstruktur aufweisen, die mindestens vier Seiten hat, wobei die erste Elektrode 121, die zweite Elektrode 122, die dritte Elektrode 131 und die vierte Elektrode 132 jeweils mit einer entsprechenden Seite des Halbleiterdrucksensors 11 elektrisch verbunden sind. Üblicherweise verläuft die erste gerade Leitung 111 der ersten Anschlussklemme 1111 und der zweiten Anschlussklemme 1112 orthogonal zu der zweiten geraden Leitung 112 der dritten Anschlussklemme 1123 und der vierten Anschlussklemme 1124.
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Da gemäß den Ausgestaltungen Halbleiterdrucksensoren auf dem Berührungssubstrat verwendet werden, wird das Problem der verwandten Technik gelöst, dass der Drucksensor bei der Herstellung des Berührungssubstrats mit einem Drucksensor sehr groß ausgebildet werden muss, damit die Stärke des Dehnungssignals des Sensors groß genug ist, wodurch es schwierig ist, den Sensor in ein Berührungsanzeigefeld zu integrieren.
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Das gemäß den Ausgestaltungen bereitgestellte Berührungssubstrat kann zur Herstellung von Flüssigkristallanzeigen, organischen lichtemittierenden Anzeigen und dergleichen verwendet werden. Wenn das Berührungssubstrat zur Herstellung von Flüssigkristallanzeigen, organischen lichtemittierenden Anzeigen und dergleichen verwendet wird, muss es in einen Anzeigebereich und einen um den Anzeigebereich herum angeordneten Nichtanzeigebereich unterteilt werden. Nachdem das Berührungssubstrat in den Anzeigebereich und den Nichtanzeigebereich unterteilt worden ist, können die Halbleiterdrucksensoren, die Vorspannungsschaltungen und die Spannungserfassungsschaltungen insgesamt in dem Anzeigebereich und auch in dem Nichtanzeigebereich angeordnet werden oder die Halbleiterdrucksensoren, Vorspannungsschaltungen und Spannungserfassungsschaltungen werden nur teilweise in dem Anzeigebereich angeordnet, so dass die übrigen Halbleiterdrucksensoren, Vorspannungsschaltungen und Spannungserfassungsschaltungen in dem Nichtanzeigebereich untergebracht werden.
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Um zu verhindern, dass die Anzeigewirkung des Anzeigebereiches in dem Berührungssubstrat durch die Halbleiterdrucksensoren beeinträchtigt wird, umfasst das Berührungssubstrat 1, wie in 4 dargestellt, zudem einen Anzeigebereich 2 und einen um den Anzeigebereich 2 herum angeordneten Nichtanzeigebereich 3, wobei die mindestens zwei Halbleiterdrucksensoren 11 in dem Nichtanzeigebereich 3 angeordnet sind (in 4 wurden die Vorspannungsschaltungen 12 und die mit den Halbleiterdrucksensoren 11 elektrisch verbundenen Spannungserfassungsschaltungen 13 weggelassen). Beispielhaft ist der Anzeigebereich 2 rechteckig, und an den vier Außenseiten des Anzeigebereichs 2 sind jeweils Halbleiterdrucksensoren 11 angeordnet.
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Es gibt mehrere Methoden für die Anordnung der Halbleiterdrucksensoren 11 in dem Nichtanzeigebereich 3 des Berührungssubstrats 1. Wie in 4 dargestellt, weist der Nichtanzeigebereich 3 des Berührungssubstrats 1 eine Vielzahl von Halbleiterdrucksensoren 11 auf. Einige der Halbleiterdrucksensoren 11 sind an den vier Außenseiten des Anzeigebereichs 2 des Berührungssubstrats 1 angeordnet, und einige der Halbleiterdrucksensoren 11 sind an den vier Ecken des Anzeigebereichs 2 angeordnet. In einer besonderen Ausgestaltung können die Halbleiterdrucksensoren 11 ganz oder teilweise an den vier Außenseiten des Anzeigebereichs 2 des Berührungssubstrat 1 angeordnet sein, und sie können auch ganz oder teilweise an den Ecken des Anzeigebereichs 2 angeordnet sein, wobei die Vielzahl der Halbleiterdrucksensoren 11 symmetrisch oder asymmetrisch angeordnet sein kann.
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In einer speziellen Ausgestaltung beträgt ein eingeschlossener Winkel α des Randes des Berührungssubstrats benachbart zu den Halbleiterdrucksensoren 11 und der ersten geraden Leitung 111 zwischen 10 und 80 Grad. Wenn mittels der Vorspannungsschaltung 12 eine Vorspannung von 5V an den Halbleiterdrucksensoren 11 angelegt wird, wird der Berührungsdruck in einer bestimmten Höhe in das Berührungssubstrat 1 eingegeben, so dass die Dehnungsspannungsdifferenz der Halbleiterdrucksensoren 11 in einem Simulationsverfahren ermittelt werden kann; das Ergebnis ist in 5 dargestellt. In 5 bezeichnet die x-Koordinate die Größe des zwischen dem Rand des Berührungssubstrats 1 benachbart zu dem Halbleiterdrucksensor 11 und der ersten geraden Leitung 111 eingeschlossenen Winkels α (Drehwinkel), und die y-Koordinate bezeichnet die von dem Halbleiterdrucksensor ausgegebene Dehnungsspannungsdifferenz (Ausgangsspannung). Aus 5 geht hervor, dass die Dehnungsspannungsdifferenz erhöht wird, wenn der zwischen dem Rand des Berührungssubstrats 1 benachbart zu dem Halbleiterdrucksensor 11 und der ersten geraden Leitung 111 eingeschlossene Winkel α vergrößert wird. Dies zeigt, dass der zwischen dem Rand des Berührungssubstrats 1 benachbart zu dem Halbleiterdrucksensor 11 und der ersten geraden Leitung 111 des Halbleiterdrucksensors 11 eingeschlossene Winkel α die Empfindlichkeit des Halbleiterdrucksensors 11 hinsichtlich der Erfassung der Höhe des Berührungsdruckes beeinträchtigen kann. In einer speziellen Ausgestaltung kann die geeignete Größe des zwischen dem Rand des Berührungssubstrats 1 benachbart zu dem Halbleiterdrucksensor 11 und der ersten geraden Leitung 111 des Halbleiterdrucksensors 11 eingeschlossene Winkel α entsprechend den Anforderungen der Ausgestaltung gewählt werden.
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Der Nichtanzeigebereich 3 des Berührungssubstrats 1 umfasst eine Vielzahl von Halbleiterdrucksensoren 11, und das Berührungssubstrat 1 kann eine Vielzahl von Vorspannungsschaltungen 12 umfassen (in 4 nicht dargestellt), wobei die Anzahl der Vorspannungsschaltungen 12 gleich der Anzahl der Halbleiterdrucksensoren 11 ist. Da jede Vorspannungsschaltung 12 jeweils einem Halbleiterdrucksensor 11 entspricht, kann mittels der entsprechenden Vorspannungsschaltung 12 Vorspannung an jeden Halbleiterdrucksensor 11 angelegt werden. Das Berührungssubstrat 1 kann zudem eine oder mehrere Vorspannungsschaltungen 12 umfassen (d.h., die Anzahl der Vorspannungsschaltungen 12 ist kleiner als die der Halbleiterdrucksensoren 11), d.h., jede Vorspannungsschaltung 12 entspricht einem oder mehreren Halbleiterdrucksensoren 11. Folglich wird an jeden Halbleiterdrucksensor 11 mittels der entsprechenden Vorspannungsschaltung 12 Vorspannung angelegt.
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Wenn der Nichtanzeigebereich 3 des Berührungssubstrats 1 eine Vielzahl von Halbleiterdrucksensoren 11 aufweist, ist die Anzahl der auf dem Berührungssubstrat 1 angeordneten Spannungserfassungsschaltungen 13 (in 4 nicht dargestellt) gleich oder kleiner als die der Halbleiterdrucksensoren 11, wobei die Dehnungsspannung jedes Halbleiterdrucksensors 11 mittels der entsprechenden Spannungserfassungsschaltung 13 gemessen wird.
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6 ist eine strukturelle Prinzipdarstellung eines weiteren Berührungssubstrats gemäß einer Ausgestaltung. Im Vergleich zu 1 umfassen die in 6 dargestellten Spannungserfassungsschaltungen zudem Subtrahierschaltungen. Das Berührungssubstrat 1 umfasst einen Anzeigebereich 2 und einen um den Anzeigebereich 2 herum angeordneten Nichtanzeigebereich 3; der Nichtanzeigebereich 3 weist mindestens zwei Halbleiterdrucksensoren 11, Vorspannungsschaltungen 12 und Spannungserfassungsschaltungen 13 auf, wobei die Spannungserfassungsschaltungen 13 zudem Subtrahierschaltungen 133 umfassen, die in dem Nichtanzeigebereich 3 des Berührungssubstrats 1 angeordnet sind.
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7 ist ein Prinzipschaltbild eines auf dem Berührungssubstrat gemäß 6 ausgebildeten Drucksensors. Die Vorspannungsschaltung 12 ist jeweils mit der ersten Anschlussklemme 1111 und der zweiten Anschlussklemme 1112 des Halbleiterdrucksensors 11 elektrisch verbunden und dient dazu, eine Vorspannung an den Halbleiterdrucksensor 11 anzulegen; und die Spannungserfassungsschaltung 13 ist jeweils mit der dritten Anschlussklemme 1123 und der vierten Anschlussklemme 1124 des Halbleiterdrucksensors 11 elektrisch verbunden und dient dazu, die Dehnungsspannung des Halbleiterdrucksensors 11 zu erfassen. Die erste gerade Leitung 111 der ersten Anschlussklemme 1111 und der zweite Anschlussklemme 1112 kreuzt die zweite gerade Leitung 112 der dritten Anschlussklemme 1123 und der vierten Anschlussklemme 1124. Die erste Eingangsklemme 1331 der Subtrahierschaltung 133 ist mit der dritten Elektrode 131 elektrisch verbunden; die zweite Eingangsklemme 1332 der Subtrahierschaltung 133 ist mit der vierten Elektrode 132 elektrisch verbunden und dient dazu, die Dehnungsspannungsdifferenz des Halbleiterdrucksensors 11 zu erfassen. Die Ausgangsklemme (1333) dient dazu, die Dehnungsspannungsdifferenz des Halbleiterdrucksensors 11 auszugeben.
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Schaltungen, die als Subtrahierschaltungen verwendet werden können, sind Mehrfachschaltungen. Die Ausgestaltungen stellen beispielhaft die in 8 dargestellte Subtrahierschaltung bereit. In 8 sind ein Ersatzschaltbild des Drucksensors und eine mit dem Drucksensor elektrisch verbundene Subtrahierschaltung dargestellt. Die Subtrahierschaltung 133 umfasst einen ersten Widerstand 151, einen zweiten Widerstand 152, einen dritten Widerstand 153, einen vierten Widerstand 154 und einen Operationsverstärker 155; die erste Klemme des ersten Widerstands 151 ist mit der dritten Elektrode 131 elektrisch verbunden; die zweite Klemme des ersten Widerstands 151 ist jeweils mit einer invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers 155 und der ersten Klemme des zweiten Widerstands 152 elektrisch verbunden; die zweite Klemme des zweiten Widerstands 152 ist mit einer Ausgangsklemme des Operationsverstärkers 155 elektrisch verbunden; die erste Klemme des dritten Widerstands 153 ist mit der vierten Elektrode 132 elektrisch verbunden; die zweite Klemme des dritten Widerstand 153 ist mit einer nicht invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers 145 und der ersten Klemme des vierten Widerstands 154 elektrisch verbunden, und die zweite Klemme des vierten Widerstands 154 ist geerdet.
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Gemäß dem technischen Schema der Ausgestaltungen umfasst die Spannungserfassungsschaltung eine Subtrahierschaltung, wobei die Dehnungsspannungsdifferenz zwischen der dritten Elektrode und der vierten Elektrode des Drucksensors mittels der Subtrahierschaltung berechnet werden kann. Die Höhe des Berührungsdruckes kann mittels des mit der Spannungserfassungsschaltung verbundenen Prozessors berechnet werden, indem die Dehnungsspannungsdifferenz zwischen der dritten Elektrode und der vierten Elektrode des Drucksensors berechnet wird, ferner wird die Verarbeitungsleistung des Prozessors verbessert.
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Der Halbleiterdrucksensor 11 kann zudem aus einer amorphen Siliziumschicht oder einer polykristallinen Siliziumschicht gefertigt werden. Wenn der Halbleiterdrucksensor in einigen Ausgestaltungen aus einer polykristallinen Siliziumschicht gefertigt wird, hat die polykristalline Siliziumschicht eine Dicke von 10nm-200nm. Bei der Herstellung des Halbleiterdrucksensors kann die polykristalline Siliziummembran dotiert werden. In einigen Ausgestaltungen beträgt die Dotierungskonzentration der polykristallinen Siliziumschicht 1010/cm2∼1015/cm2. Fachleute werden erkennen, dass der piezoresistive Effekt des polykristallinen Siliziums hauptsächlich durch zwei Faktoren beeinflusst wird: erstens, aus makroskopischer Sicht, durch die vollständige geometrische Verformung eines Silizium-Diagramms und zweitens, aus mikroskopischer Sicht, durch die Beanspruchung des Kristallgitters eines polykristallinen Kristalls. Die aufgrund der Beanspruchung des Kristallgitters verursachte Widerstandsänderung ist weitaus größer als die durch die vollständige geometrische Verformung des Silizium-Diagramms verursachte Widerstandsänderung. Der Halbleiterdrucksensor erfasst die Höhe des Berührungsdruckes anhand der Widerstandsänderung, die durch die Beanspruchung des Kristallgitters des polykristallinen Siliziums des Halbleiterdrucksensors gemäß dem technischen Schema der Ausgestaltungen verursacht wird, wobei die oben genannte Dicke und die Flächendotierungskonzentration der polykristallinen Siliziumschicht angepasst werden, so dass nicht nur gewährleistet ist, dass der Dehnungsmesswert mit Bezug auf die Übertragung und Erfassung der Signale nicht zu hoch ist, sondern auch, dass die Kristallgitterstruktur des polykristallinen Siliziums nicht beschädigt wird. Normalerweise ist der Halbleiterdrucksensor p-dotiert oder n-dotiert.
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Gemäß dem technischen Schema der Ausgestaltungen können die erste Elektrode, die zweite Elektrode, die dritte Elektrode und die vierte Elektrode, die mit dem Halbleiterdrucksensor elektrisch verbunden sind, aus Metall, aus amorphem Silizium oder aus polykristallinem Silizium bestehen. Wenn jedoch die erste Elektrode, die zweite Elektrode, die dritte Elektrode und die vierte Elektrode aus Metall bestehen, wird üblicherweise eine Schottky-Barriere zwischen dem Halbleiterdrucksensor und der ersten Elektrode, der zweiten Elektrode, der dritten Elektrode und der vierten Elektrode gebildet, wodurch der Widerstandswert des Dehnungswiderstands des Halbleiterdrucksensors erhöht wird, was jedoch die Erfassung des Berührungsdruckes mittels des Halbleiterdrucksensors nicht begünstigt. In einigen Ausgestaltungen bestehen die erste Elektrode, die zweite Elektrode, die dritte Elektrode und die vierte Elektrode aus amorphem Silizium oder aus polykristallinem Silizium und entsprechen dem Dotierungstyp des Halbleiterdrucksensors. In einigen Ausgestaltungen sind die Dotierungskonzentrationen der ersten Elektrode, der zweiten Elektrode, der dritten Elektrode und der vierte Elektrode sämtlich größer als die des Halbleiterdrucksensors, so dass die Schottky-Barriere wirksam reduziert werden kann, wobei die von der dritten Elektrode und der vierten Elektrode ausgegebene Dehnungsspannung hauptsächlich der Impedanzänderung des Halbleitersensors zugeschrieben werden kann.
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9 ist eine strukturelle Prinzipdarstellung eines weiteren Berührungssubstrats gemäß einer Ausgestaltung der Offenbarung. Das in 9 dargestellte Berührungssubstrat ist ein spezifisches Beispiel des in 1 dargestellten Berührungssubstrats. Im Vergleich zu 1 ist das in 9 dargestellte Berührungssubstrat ein Matrixsubstrat. 10 ist eine Querschnittsansicht des in 9 dargestellten Berührungssubstrats entlang einer Linie A1-A2. Bei dem Berührungssubstrat 1 handelt es sich um ein Matrixsubstrat, das einen Anzeigebereich 2 und einen um den Anzeigebereich 2 herum angeordneten Nichtanzeigebereich 3 umfasst. Der Anzeigebereich 2 wird durch eine Vielzahl von Pixeleinheiten 21 gebildet, die in Form einer Matrix angeordnet sind, wobei jede Pixeleinheit einen Dünnschichttransistor 22 aufweist. Der Dünnschichttransistor 22 umfasst eine auf einem Substrat 221 ausgebildete Gatterelektrode 222, eine auf der Gatterelektrode 222 ausgebildete Gatterisolierschicht 223, eine auf der Gatterisolierschicht 223 ausgebildete Aktivschicht 224 sowie eine auf der Aktivschicht 224 ausgebildete Sourceelektrode 225 und eine Drainelektrode 226. Der Nichtanzeigebereich 3 umfasst mindestens zwei Halbleiterdrucksensoren 11, Vorspannungsschaltungen 12 und Spannungserfassungsschaltungen 13. Die spezifische Verbindungsbeziehung zwischen den mindestens zwei Halbleiterdrucksensoren 11, den Vorspannungsschaltungen 12 und den Spannungserfassungsschaltungen 13 ist oben beschrieben und wird daher an dieser Stelle nicht erneut beschrieben.
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Da die Aktivschicht 224 des in dem Matrixsubstrat angeordneten Dünnschichttransistors aus der Siliziumschicht ausgebildet wird und der Anzeigebereich 2 des Matrixsubstrats in einigen Ausgestaltungen einen Dünnschichttransistor 22 umfasst, der eine Aktivschicht 24 aufweist, die sich in derselben Schicht befindet wie der Halbleiterdrucksensor 11, können das Matrixsubstrat, die Aktivschicht 224 des Dünnschichttransistors 22 und der Halbleiterdrucksensor 11 aus dem gleichen Material und in demselben Herstellungsschritt gefertigt werden. Folglich kann das Verfahren zur Herstellung der Siliziumschicht effektiv vereinfacht werden, was wiederum die Herstellung des Matrixsubstrats vereinfacht und die Herstellungskosten senkt.
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Da das Matrixsubstrat in einigen Ausgestaltungen zudem eine Anzeigesteuerschaltung umfasst, umfasst der Nichtanzeigebereich des Matrixsubstrats eine Anzeigesteuerschaltung, wobei mindestens die erste Elektrode oder die zweite Elektrode der Vorspannungsschaltung mit einer Signalleitung der Anzeigesteuerschaltung elektrisch verbunden ist, so dass eine Vorspannung an den Halbleiterdrucksensor angelegt wird. Beispielsweise ist die erste Elektrode der Vorspannungsschaltung mit einer gemeinsamen Spannungssignalleitung elektrisch verbunden, und die zweite Elektrode der Vorspannungsschaltung ist mit einer Erdungsleitung elektrisch verbunden, so dass die Vorspannung in der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode gebildet und an den Halbleiterdrucksensor angelegt wird. Daher ist zum Anlegen der Vorspannung keine zusätzliche Stromversorgung in der Vorspannungsschaltung erforderlich, folglich können nicht nur die Kosten gesenkt werden, sondern der Halbleiterdrucksensor kann auch in das Matrixsubstrat integriert werden.
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Die Ausgestaltungen stellen zudem ein Berührungsanzeigefeld bereit. 11 ist eine strukturelle Prinzipdarstellung eines Berührungsanzeigefeldes gemäß einer Ausgestaltung der Offenbarung. Das Berührungsanzeigefeld umfasst ein gemäß den Ausgestaltungen bereitgestelltes Berührungssubstrat 1 und eine Berührungserfassungsschaltung 4, wobei die Berührungserfassungsschaltung 4 dazu dient, ein Berührungserfassungssignal des Berührungsanzeigefeldes zu erkennen. In einer speziellen Ausgestaltung kann es sich bei dem Berührungsanzeigefeld um ein resistives Berührungsanzeigefeld, ein kapazitives Berührungsanzeigefeld oder ein optisches Berührungsanzeigefeld handeln. Die Strukturen der Berührungserfassungsschaltungen 4 der verschiedenen Berührungsanzeigefelder unterscheiden sich nach dem Stand der Technik und werden an dieser Stelle nicht näher beschrieben.
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Im Allgemeinen wird das Berührungsanzeigefeld durch sequentielles Stapeln einer Vielzahl von Berührungssubstratschichten geformt. Die Berührungserfassungsschaltung 4 und der Halbleiterdrucksensor 11 können auf demselben Berührungssubstrat oder auf verschiedenen Berührungssubstraten angeordnet werden. Wenn es sich bei dem Berührungsanzeigefeld um eine Flüssigkristallanzeige handelt, kann die Berührungserfassungsschaltung 4 auf dem Matrixsubstrat angeordnet werden.
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Zu beachten ist, dass das Berührungsanzeigefeld zudem einen Prozessor 5 umfassen kann, wobei eine erste Eingangsklemme 51 des Prozessors 5 mit der Berührungserfassungsschaltung 4 elektrisch verbunden ist; eine zweite Eingangsklemme 52 des Prozessors 5 ist jeweils mit einer dritten Elektrode und einer vierten Elektrode der Spannungserfassungsschaltung (in 11 nicht dargestellt) elektrisch verbunden, oder - wenn der Nichtanzeigebereich des Berührungssubstrats 1 zudem eine Subtrahierschaltung aufweist - eine zweite Eingangsklemme 52 des Prozessors ist mit einer Ausgangsklemme der Subtrahierschaltung elektrisch verbunden; wobei der Prozessor 5 dazu dient, Berührungspositionsdaten des Berührungsanzeigefeldes entsprechend dem Berührungserfassungssignal zu erfassen und die Höhe des Berührungsdruckes anhand der Berührungspositionsdaten des Berührungsanzeigefeldes und der Dehnungsspannungsdifferenz des Halbleiterdrucksensors 11 zu berechnen.
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Die Ausgestaltungen stellen zudem ein Verfahren zur Berechnung des Berührungsdruckes bereit. 12 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Berechnung des Berührungsdruckes gemäß einer Ausgestaltung der Offenbarung. Das gemäß der Offenbarung bereitgestellte Verfahren zur Berechnung des Berührungsdruckes eignet sich zur Erfassung der Berührungspositionsdaten, die eingegeben werden, wenn ein Benutzer das gemäß den Ausgestaltungen bereitgestellte Berührungsanzeigefeld berührt, sowie zur Berechnung der Höhe des Berührungsdruckes. Das Verfahren zur Berechnung des Berührungsdruckes umfasst die Schritte S110, S120 und S130.
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In S110 erfasst ein Prozessor ein von einer Berührungserfassungsschaltung erkanntes Berührungserfassungssignal sowie die Berührungspositionsdaten des Berührungsanzeigefeldes entsprechend dem Berührungserfassungssignal.
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Handelt es sich bei dem Berührungsanzeigefeld um ein resistives Berührungsanzeigefeld erkennt die Berührungserfassungsschaltung die Änderung jedes Widerstandes in dem Berührungsanzeigefeld, wobei die Änderung den Berührungserfassungssignalen entspricht. Wenn der Prozessor die von der Berührungserfassungsschaltung erkannten Berührungserfassungssignale erfasst hat, werden der x-Koordinatenwert und der y-Koordinatenwert der jeweiligen Berührungsposition anhand der Berührungserfassungssignale und des vorgegebenen Verfahrens zur Berechnung der Berührungsposition während des Berührens des Berührungsanzeigefeldes durch den Benutzer berechnet und dienen als Berührungspositionsdaten des Berührungsanzeigefeldes.
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Handelt es sich bei dem Berührungsanzeigefeld um ein kapazitives Berührungsanzeigefeld, erkennt die Berührungserfassungsschaltung die Kapazitätsänderung eines Koppelkondensators oder eines parasitären Kondensators, wobei die Kapazitätsänderung den Berührungserfassungssignalen entspricht. Wenn der Prozessor die von der Berührungserfassungsschaltung erkannten Berührungserfassungssignale erfasst hat, werden der x-Koordinatenwert und der y-Koordinatenwert der jeweiligen Berührungsposition anhand der Berührungserfassungssignale und des vorgegebenen Verfahrens zur Berechnung der Berührungsposition während des Berührens des Berührungsanzeigefeldes durch den Benutzer berechnet und dienen als Berührungspositionsdaten des Berührungsanzeigefeldes.
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Wenn es sich bei dem Berührungsanzeigefeld um ein optisches Berührungsanzeigefeld handelt, detektiert die Berührungserfassungsschaltung eine Sendeeinheit und eine Empfangseinheit eines von dem Benutzer während des Berührens des Berührungsanzeigefeldes blockierten Lichtstrahls, wobei die Sendeeinheit und die Empfangseinheit des von dem Benutzer blockierten Lichtstrahls den Berührungserfassungssignalen entspricht. Wenn der Prozessor die von der Berührungserfassungsschaltung erkannten Berührungserfassungssignale erfasst hat, werden der x-Koordinatenwert und der y-Koordinatenwert der jeweiligen Berührungsposition anhand der Berührungserfassungssignale und des vorgegebenen Verfahrens zur Berechnung der Berührungsposition während des Berührens des Berührungsanzeigefeldes durch den Benutzer berechnet und dienen als Berührungspositionsdaten des Berührungsanzeigefeldes.
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In S120 erfasst der Prozessor die Dehnungsspannungsdifferenz der Halbleiterdrucksensoren.
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In einigen Ausgestaltungen umfasst die mit dem Halbleiterdrucksensor des Berührungsanzeigefeldes verbundene Spannungserfassungsschaltung keine Subtrahierschaltung. Der Prozessor erfasst die von der Spannungserfassungsschaltung detektierte Dehnungsspannung der dritten Elektrode und die Dehnungsspannung der vierten Elektrode des Halbleiterdrucksensors und berechnet anhand der jeweiligen Dehnungsspannung der dritten Elektrode und der vierten Elektrode die Dehnungsspannungsdifferenz zwischen der dritten Elektrode und der vierten Elektrode.
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In einigen Ausgestaltungen umfasst die mit dem Halbleiterdrucksensor des Berührungsanzeigefeldes verbundene Spannungserfassungsschaltung eine Subtrahierschaltung. Diese Subtrahierschaltung berechnet anhand der von der dritten Elektrode und der vierten Elektrode erfassten Dehnungsspannung die Dehnungsspannungsdifferenz zwischen der dritten Elektrode und der vierten Elektrode. Der Prozessor berechnet direkt die von der Subtrahierschaltung ausgegebene Dehnungsspannungsdifferenz.
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In S130 berechnet der Prozessor den Berührungsdruck anhand der Berührungspositionsdaten des Berührungsanzeigefeldes und der Dehnungsspannungsdifferenz der Halbleiterdrucksensoren.
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Nachdem die Berührungspositionsdaten des Berührungsanzeigefeldes und die Dehnungsspannungsdifferenz des Halbleiterdrucksensors erfasst worden sind, berechnet der Prozessor die Höhe des Berührungsdruckes gemäß dem Berechnungsprinzip der Berührungspositionsdaten des Berührungsanzeigefeldes, der Dehnungsspannungsdifferenz des Halbleiterdrucksensors sowie dem vorgegebenen Berührungsdruck.
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Das oben beschriebene Verfahren zur Berechnung des Berührungsdruckes kann zur Erfassung der Berührungspositionsdaten des gemäß einer Ausgestaltung der Offenbarung bereitgestellten Berührungsanzeigefeldes sowie zur Berechnung der Höhe des Berührungsdruckes angewandt werden, wobei es für das Berührungsanzeigefeld die mittels der Ausgestaltungen bereitgestellten Vorteile hat.
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Es wird darauf hingewiesen, dass der obige Inhalt nur die bevorzugten Ausgestaltungen und das angewandte technische Prinzip der Offenbarung betrifft. Fachleute werden erkennen, dass die Offenbarung nicht auf die speziellen Ausgestaltungen beschränkt ist, sondern dass verschiedene ersichtliche Änderungen, Anpassungen und Ersetzungen vorgenommen werden können, ohne dass von dem Schutzumfang der Offenbarung abgewichen wird. Daher ist die Offenbarung nicht auf die oben detailliert beschriebenen Ausgestaltungen beschränkt, sondern kann andere gleichwertige Ausgestaltungen umfassen, ohne dass dies über das Konzept der Offenbarung hinausgeht. Der Umfang der Offenbarung unterliegt den angehängten Ansprüchen.
