DE60201745T2

DE60201745T2 - Flexibler kapazitiver berührungssensor

Info

Publication number: DE60201745T2
Application number: DE60201745T
Authority: DE
Inventors: Stephen C. Schulz; Anthony F. Chernefsky; Bernard Geaghan
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2001-04-17
Filing date: 2002-03-25
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2022-03-26
Also published as: WO2002084876A1; CN1307519C; EP1380110A1; US6819316B2; CN1502166A; TW561497B; KR20040017807A; KR100884420B1; JP2004527752A; CA2444687A1; US20020149572A1; DE60201745D1; EP1380110B1; ATE281024T1; JP4153312B2; JP2008151807A

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft Berührungssensoren und insbesondere kapazitive Berührungssensoren und ein Verfahren zur Herstellung kapazitiver Berührungssensoren.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Berührungssensoren werden häufig verwendet, um eine benutzerfreundliche Schnittstelle zu einem Computersystem zu schaffen. Der Sensor ist üblicherweise über dem Monitor des Computersystems angebracht, um dem Benutzer zu ermöglichen, über den Monitor durch Fingerberührung oder einen Taststift direkt mit dem System zu kommunizieren.
Berührungssensoren teilen sich in zwei große Kategorien, und zwar digitale Berührungssensoren und analoge Berührungssensoren. Die Berührungsoberfläche eines digitalen Berührungssensors ist in eine Mehrzahl von Einzelsegmenten unterteilt. Jedes dieser Segmente erzeugt ein Einzelsignal, wenn es berührt wird. Die Erfassungsauflösung ist daher auf die Erkennung des entsprechenden Segments, das von einem Finger oder einem Taststift berührt wird, beschränkt. Das Signal eines analogen Berührungssensors hingegen ist kein Einzelsignal. Die Erfassungsauflösung ist nur durch die Gesamtempfindlichkeit des Sensors und seiner Steuerelektronik beschränkt.
Sowohl analoge als auch digitale Berührungssensoren verwenden eine Reihe verschiedener Verfahrensweisen, um den Punkt zu bestimmen, an dem ein Finger oder ein Taststift die Berührungsoberfläche berührt. Diese Verfahrensweisen umfassen Widerstandserfassung, kapazitive Erfassung, akustische Erfassung und optische Erfassung. Eine große Mehrheit von Berührungssensoren verwenden jedoch entweder Widerstandserfassungs- oder kapazitive Erfassungsverfahrensweisen.
Ein Widerstandsberührungssensor verwendet eine flexible Membran, die über einem Substrat angeordnet ist. Die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Membran und des Substrats sind mit einer transparenten leitfähigen Schicht überzogen. Zwischen der Membran und dem Substrat sind isolierende Punktabstandhalter angeordnet. Wird die flexible Membran von einem Benutzer zusammengedrückt, berührt die leitfähige Schicht der Membran die leitfähige Schicht des Substrats. Diese Berührung bewirkt, dass zwischen der Membran und dem Substrat ein Strom fließt. Eine Steuereinheit erkennt den Berührungspunkt durch Vergleichen des Stromflusses von verschiedenen Elektroden oder Sammelschienen, die auf den leitfähigen Oberflächen aufgedruckt sind.
Ein kapazitiver Berührungssensor verwendet keine beweglichen Teile. In einem kapazitiven Berührungssensor ist ein Widerstandsüberzug direkt auf ein festes, isolierendes Substrat aufgebracht. Dieses Substrat besteht üblicherweise aus Glas. Elektroden, die an den Ecken des Substrats angeordnet sind, legen ein elektrisches Feld an den Überzug an. Eine Steuereinheit, die mit diesen Elektroden verbunden ist, kontrolliert die Strommenge, die durch jede dieser Elektroden fließt. Ein Finger eines Benutzers oder ein leitfähiger Taststift, der den Widerstandsüberzug berührt oder ihr sehr nahe kommt, bewirkt eine kapazitive Kopplung zwischen dem Finger oder Taststift und dem Überzug. Diese Kopplung bewirkt, dass eine kleine Strommenge durch den Überzug und jede der Elektroden fließt. Eine kapazitive Kopplung durch den Körper des Benutzers und die Erde vervollständigt den Stromweg zurück zur Steuereinheit. Die Steuereinheit berechnet die kartesischen Koordinaten, d. h. die X- und Y-Koordinaten, des Berührungspunktes aus der Strommenge, die durch jede dieser Elektroden fließt.
Kapazitive Berührungssensoren können auch verwendet werden, um die Nähe eines Objekts zum Berührungssensor zu erkennen. In diesem Fall ist kein physischer Kontakt mit dem Berührungssensor erforderlich. Kapazitive Kopplung zwischen dem Objekt und dem Sensor erfolgt durch den Abstand, der das Objekt vom Sensor trennt. Beispiele solcher Berührungssensoren sind aus EP 0 917 291 , WO 92 13328, US 4 622 437 und US 5 432 671 bekannt.
Da Widerstandssensoren bewegliche Teile benötigen, sind sie komplexer und oftmals teurer herzustellen als kapazitive Berührungssensoren. Durch die Vielzahl an getrennten Schichten des Sensors, die unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, ist auch die Optik von Widerstandsberührungssensoren schlechter. Berührungssensoren, die in hellen Umgebungen platziert sind, erfordern einen schwach reflektierenden Berührungsbildschirm, um den Anzeigekontrast zu bewahren. Dieses Problem ist besonders gravierend für Widerstandsberührungssensoren. Obwohl dieses Problem mit Hilfe einer außerordentlich hellen Anzeige überwunden werden kann, benötigt eine solche Anzeige zusätzliche elektrische Energie und erhöht die Kosten der Anzeige. Diese Lösung ist daher für ein Gerät, das mit Batterien betrieben ist, nicht wünschenswert.
Obwohl analoge kapazitive Berührungssensoren weniger komplex sind und eine bessere Optik bieten, vermindert das feste, steife Substrat, das bei diesen Vorrichtungen verwendet wird, ihre Eignung für mobile computergesteuerte Systeme, wie zum Beispiel Laptop-Computer, Taschenrechner, Mobiltelefone und ähnliches. Das Gewicht solcher Sensoren und ihre Zerbrechlichkeit sind ebenfalls wichtige Faktoren, die gegen ihre Verwendung in solchen Systemen sprechen. Mobile Geräte erleiden auch viel mehr mechanische Verwindungen als ortsgebundene Geräte. Ein steifes, sprödes und schweres Bauteil in einem solchen Gerät ist unvereinbar mit leichten, flexiblen Bauteilen und könnte dazu führen, dass solche flexiblen Bauteile versagen. Ähnliche Überlegungen gelten auch für Anzeigen, die in Fahrzeugen befestigt sind, und großen Anzeigen, die an Wänden befestigt sind. Spröde, steife Substrate erhöhen auch die Dicke einer Anzeige in Produkten, bei denen eine geringe Bauhöhe einen geschäftlichen Vorteil bietet.
Berührungssensoren, die auf Glassubstraten basieren, erfordern des Weiteren einen speziell angepassten Rahmen zum Anbringen des Sensors an einem Monitor oder einer Anzeige. Solche Rahmen erhöhen das Gewicht, die Kosten und die Komplexität der Vorrichtung zusätzlich. Ein flaches, steifes Substrat passt sich auch nicht gut an Anzeigen oder Monitore mit unebenen oder gekrümmten Oberflächen an, und das Biegen von steifen Substraten erfordert eine teure Bearbeitung. Auf Glas basierende Berührungssensoren müssen darüber hinaus aus einzelnen Substraten aus geschliffenem Glas hergestellt werden. Eine solche Herstellung ist teuer und Zeit raubend. All diese Unzulänglichkeiten verringern die Erwünschtheit bestehender kapazitiver Berührungssensoren bei einigen Anwendungen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung überwindet viele der Unzulänglichkeiten kapazitiver Berührungssensoren. Die vorliegende Erfindung schafft einen preiswerten, leichten, flexiblen, transparenten, kapazitiven Berührungssensor und ein wirtschaftliches, kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines solchen Sensors. Trotz der geringen Kosten, des geringen Gewichts und der Flexibilität eines Berührungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung, weist der Berührungssensor eine unerwartet hohe Haltbarkeit auf, durch die er in zahlreichen Umgebungen und mit einer großen Anzahl verschiedener Geräte funktioniert. Die vorliegende Erfindung schafft des Weiteren eine dünne, transparente und flexible Schicht eines Schutzmaterials, um den aktiven Berührungsbereich eines flexiblen, transparenten Berührungssensors zu schützen. Dieses Schutzmaterial verbessert die Leistung und die Haltbarkeit des Berührungssensors beträchtlich.
In einer Erscheinung schafft die vorliegende Erfindung einen flexiblen, kapazitiven Berührungssensor. Dieser Berührungssensor weist ein dünnes, flexibles, transparentes Substrat auf, das eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist. Eine erste Schicht aus Widerstandsmaterial ist auf der ersten Seite des Substrats aufgetragen. Diese erste Schicht ist dünn, transparent, elektrisch durchgängig, flexibel und deckt auf der ersten Seite des Substrats eine Oberfläche, die mit einem aktiven Berührungsbereich übereinstimmt, ab. Die erste Schicht ist dafür geeignet, ein Spannungspotential über die erste Schicht innerhalb des aktiven Berührungsbereichs zu empfangen, und ein elektrisches Signal, das die X- und Y-Position eines Punktes, an dem ein Objekt den aktiven Berührungsbereich berührt, angibt, zu übertragen.
Der flexible, kapazitive Berührungssensor weist vorzugsweise eine Mehrzahl von dünnen, flexiblen Elektroden in elektrischer Verbindung mit der ersten Schicht auf. Diese Elektroden sind entlang des Umfangs des aktiven Berührungsbereichs angeordnet und sind dafür geeignet, das elektrische Potential anzulegen. Der flexible, kapazitive Berührungssensor weist des Weiteren vorzugsweise eine Mehrzahl von dünnen, flexiblen, elektrischen Leitungen in elektrischer Verbindung mit den Elektroden auf, um elektrische Signale zu und von den Elektroden zu übertragen. Des Weiteren weist der Berührungssensor vorzugsweise auch eine Mehrzahl von dünnen, flexiblen, leitenden Bereichen auf. Die leitenden Bereiche stehen in elektrischer Verbindung mit der ersten Schicht und sind entlang dem Umfang des aktiven Berührungsbereichs angeordnet. Die leitenden Bereiche bilden ein Muster, das dafür geeignet ist, innerhalb des aktiven Berührungsbereichs das Spannungspotential, das durch die Elektroden angelegt ist, über die ganze erste Schicht zu linearisieren.
Der flexible, kapazitive Berührungssensor weist vorzugsweise auch eine zweite Schicht aus einem Schutzmaterial auf. Abhängig vom Aufbau des Berührungssensors, d. h. welche Seite des Substrats der aktiven Berührungsoberfläche des Berührungssensors entspricht, ist diese zweite Schicht entweder auf der ersten Schicht oder auf der zweiten Seite des Substrats angeordnet. Die zweite Schicht ist ebenfalls dünn, transparent und flexibel und deckt innerhalb des aktiven Berührungsbereichs im Wesentlichen die gesamte Oberfläche entweder der ersten Schicht oder der zweiten Seite des Substrats ab. Die mechanischen Eigenschaften des Schutzmaterials machen diese zweite Schicht sowohl flexibel als auch haltbar. Die zweite Schicht schützt die aktive Berührungsoberfläche vor Abnutzung und Beschädigung bei der Verwendung.
Der Berührungssensor kann auch eine dritte Schicht aus einem Klebstoffmaterial aufweisen. Wiederum abhängig vom Aufbau des Berührungssensors kann diese dritte Schicht entweder auf der ersten Schicht oder auf der zweiten Seite des Substrats angeordnet sein. Diese dritte Schicht ist dünn, transparent und flexibel. Diese dritte Schicht ist vorzugsweise auch druckempfindlich. Das Klebstoffmaterial macht es möglich, dass der Berührungssensor an einer Stützkonstruktion oder einer Anzeigenvorderseite befestigt wird. Die dritte Schicht deckt innerhalb des aktiven Berührungsbereichs vorzugsweise im Wesentlichen die gesamte Oberfläche entweder der ersten Schicht oder der zweiten Seite des Substrats ab. Das Abdecken praktisch der gesamten Oberfläche mit dieser Schicht schafft einen glatten Kontakt mit der Oberfläche, an welcher der Berührungssensor angebracht ist. Ersatzweise können kleine Mengen des Klebematerials entlang des Umfangs der ersten Schicht oder der zweiten Seite aufgetragen sein.
Die dritte Schicht aus Klebematerial weist vorzugsweise eine abnehmbare Folie auf, welche die ungeschützte Oberfläche dieser Schicht abdeckt, bis der flexible Berührungssensor auf einer Anzeige angebracht wird. Diese Anzeige kann eine flexible Anzeige sein.
Die Elektroden, Leitungen und leitenden Bereiche können auf der ersten Schicht aus Widerstandsmaterial oder auf der ersten Seite des Substrats angeordnet sein. Im letzteren Fall deckt die erste Schicht aus Widerstandsmaterial die Elektroden, Leitungen und leitenden Bereiche ab. Bei einer anderen Ausführungsform sind die Elektroden, Leitungen und leitenden Bereiche auf der zweiten Schicht aus Schutzmaterial angeordnet und stehen durch kapazitive Kopplung in Verbindung mit der ersten Schicht aus Widerstandsmaterial. Diese kapazitive Kopplung kann verbessert werden, indem dem Schutzmaterial eine Leitfähigkeit auf niedrigem Niveau verliehen wird. Bei anderen Ausführungsformen sind die Leitungen entweder auf der zweiten Seite des Substrats oder auf einer Isolierschicht, welche die leitenden Bereiche abdeckt, entlang dem Umfang des aktiven Berührungsbereichs angeordnet.
Der kapazitive Berührungssensor ist vorzugsweise mit einer Steuereinheit zum Bereitstellen des Spannungspotentials, das über der ersten Schicht innerhalb des aktiven Berührungsbereichs angelegt ist, und zum Empfangen des elektrischen Signals, das die X- und Y-Position eines Punktes, an dem ein Objekt, zum Beispiel der Finger einer Person oder ein leitfähiger Taststift, den aktiven Berührungsbereich berührt, angibt, verbunden. Diese Steuereinheit stellt vorzugsweise ein zusätzliches elektrisches Signal bereit, das ebenfalls diese X- und Y-Position angibt. Die Steuereinheit ist vorzugsweise mit den elektrischen Leitungen verbunden und liefert eine Wechselspannung an die Elektroden. Die Steuereinheit kontrolliert vorzugsweise die Strommenge, die durch jede dieser Elektroden fließt und stellt auf der Grundlage dieser Mengen das zusätzliche elektrische Signal bereit.
Das Substrat ist vorzugsweise eine transparente Folie aus Polyethylenterephthalat (PET), die eine Dicke von zwischen ungefähr 3 und 9 Mil (= Zoll/1000) aufweist. Die bevorzugte Dicke beträgt ungefähr 7 Mil. Die erste Schicht aus Widerstandsmaterial ist vorzugsweise eine Schicht aus transparenten, leitfähigem Oxid, zum Beispiel Indium-Zinnoxid (ITO), Indiumoxid, Silicium-Indiumoxid, Aluminium-Zinkoxid, Indium-Zinkoxid, Antimon-Zinnoxid oder Zinnoxid, die einen Widerstand von zwischen ungefähr 100 Ohm pro Quadrat und ungefähr 4.000 Ohm pro Quadrat aufweist. Diese Schicht besteht vorzugsweise aus ITO, das einen Widerstand von ungefähr 1.000 Ohm pro Quadrat und eine Dicke von zwischen ungefähr 200 Angström und 500 Angström aufweist. Bei einer anderen Ausführungsform weist die erste Schicht einen ersten Überzug aus einem ersten Widerstandsmaterial in Kontakt mit der ersten Seite des Substrats und einen zweiten Überzug aus einem zweiten Widerstandsmaterial in Kontakt mit dem ersten Überzug auf. Das zweite Widerstandsmaterial weist vorzugsweise eine höhere Haltbarkeit als das erste Widerstandsmaterial auf. Das erste Widerstandsmaterial ist vorzugsweise Indium-Zinnoxid und das zweite Widerstandsmaterial ist vorzugsweise Zinnoxid.
Leitfähige Farbe kann verwendet werden, um die Elektroden, Leitungen und leitenden Bereiche aufzutragen. Diese leitende Farbe ist vorzugsweise leitende Silberepoxidfarbe. Das Substrat kann einen Ansatz aufweisen, der sich vom Umfang des Substrats erstreckt, und die elektrischen Leitungen können sich über diesen Ansatz erstrecken. Ein elektrischer Verbinder kann am Ende dieses Ansatzes in elektrischem Kontakt mit den Leitungen angebracht sein.
Die zweite Schicht aus Schutzmaterial ist vorzugsweise aus einem Harz, das Organosiloxanverbindungen gemischt mit Fluor- oder Methylgruppen oder Kombinationen dieser Verbindungen enthält, hergestellt, um den Reibungskoeffizienten dieses Harzes zu verringern. Das Harz ist vorzugsweise ein Harz auf Acrylatbasis. Die zweite Schicht kann auch eine anorganische Verbindung, wie zum Beispiel Kieselerde, enthalten, um die Abriebfestigkeit der Schutzschicht zu erhöhen. Bei einer anderen Ausführungsform umfasst die zweite Schicht einen ersten Überzug aus einem ersten Material in Kontakt mit der ersten Schicht aus Widerstandsmaterial und einen zweiten Überzug aus einem zweiten Material in Kontakt mit diesem ersten Überzug. Für diese Ausführungsform ist der Elastizitätsmodul (Härte) des ersten Überzugs vorzugsweise geringer als der Elastizitätsmodul des zweiten Überzugs. Das erste Material für diese Ausführungsform kann ein erstes Polymer, und das zweite Material kann ein zweites Polymer sein, wobei der Elastizitätsmodul des ersten Polymers geringer ist, als der Elastizitätsmodul des zweiten Polymers.
Bei einer weiteren Ausführungsform enthält die zweite Schicht aus Schutzmaterial eine Substanz, um dieser Schicht eine Leitfähigkeit auf niedrigem Niveau zu verleihen. Diese Substanz kann anorganische leitende Teilchen oder eigenleitende Polymere umfassen. Für diese Ausführungsform weist die zweite Schicht aus Schutzmaterial vorzugsweise einen spezifischen Widerstand von zwischen ungefähr 0,1 Ohm-cm und 10¹² Ohm-cm auf. Wie oben angegeben, erhöht eine der zweiten Schicht verliehene Leitfähigkeit auf niedrigem Niveau das Berührungssignal, das zwischen der Widerstandsschicht und einem Finger oder Taststift übertragen wird.
Die zweite Schicht aus Schutzmaterial kann auch eine aufgeraute Oberfläche aufweisen, um Licht zu zerstreuen, das von dieser Oberfläche reflektiert wird. Um diese aufgeraute Oberfläche zu schaffen, kann die zweite Schicht transparente oder durchscheinende Teilchen enthalten, oder kann mechanisch genarbt sein. Die Materialien, welche diese Teilchen umfassen, können auch gewählt sein, um den Reibungskoeffizienten der Teilchen zu verringern und die Abriebfestigkeit der Teilchen zu verbessern.
Bei noch einer anderen Ausführungsform weist der flexible, kapazitive Berührungssensor eine vierte Schicht aus leitfähigem Material auf. Abhängig vom Aufbau des Berührungssensors kann diese vierte Schicht entweder auf der zweiten Seite des Substrats oder auf einer Isolierschicht, welche die erste Schicht aus Widerstandsmaterial abdeckt, angeordnet sein. Diese vierte Schicht schirmt den Berührungssensor gegen Störungen durch übermäßige elektromagnetische Strahlung, insbesondere übermäßige Strahlung, die von einer Anzeige, an welcher der Sensor angebracht ist, abgegeben wird, ab.
In einer anderen Erscheinung stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von flexiblen, kapazitiven Berührungssensoren bereit. Gemäß diesem Verfahren wird ein dünnes, flexibles, transparentes Substrat geschaffen. Dieses Substrat weist eine erste und eine zweite Seite auf und ist groß genug, um in eine Mehrzahl von separaten Abschnitten unterteilt zu werden. Jeder dieser Abschnitte entspricht einem der kapazitiven Berührungssensoren.
Gemäß diesem Verfahren wird das Substrat an einer Mehrzahl von Bearbeitungsstationen vorbeigeführt, vorzugsweise durch Abwickeln des Substrats von einer Halterolle zu einer Aufnahmerolle. Die Schritte des Herstellungsverfahrens werden während dieses Vorgangs an diesen Bearbeitungsstationen durchgeführt. Das Vorbeiführen des Substrats an diesen Bearbeitungsstationen kann einmal oder mehrere Male erfolgen. Gemäß diesem Herstellungsverfahren wird eine dünne, flexible, transparente elektrisch durchgängige erste Schicht eines Widerstandsmaterials auf die erste Seite des Substrats aufgebracht. Eine Mehrzahl dünner, flexibler Elektroden, elektrischer Leitungen und leitender Bereiche werden auf und in Verbindung mit der ersten Schicht aus Widerstandsmaterial angeordnet. Diese Leitungen, Elektroden und leitenden Bereiche sind entlang dem Umfang dieser Abschnitte angeordnet. Eine dünne, flexible, zweite Schicht aus Schutzmaterial wird vorzugsweise aufgebracht, abhängig vom Aufbau des Berührungssensors entweder auf der ersten Schicht oder auf der zweiten Seite des Substrats. Eine Mehrzahl von dünnen, länglichen Linien wird vorzugsweise durch die erste Schicht, oder durch die erste und die zweite Schicht, geschnitten, um die verschiedenen elektrischen Leitungen im Wesentlichen elektrisch von den leitenden Bereichen zu isolieren (außer dort, wo diese Leitungen an die Elektroden angeschlossen sind). Dieses Schneiden erfolgt vorzugsweise mit einem Laser. Die erste Schicht, das Substrat und, falls vorhanden, die zweite Schicht werden dann ganz durchgeschnitten, wieder vorzugsweise mit einem Laser, und zwar entlang der Umfangsränder der verschiedenen Abschnitte, um die Mehrzahl von kapazitiven Berührungssensoren zu schaffen.
Dieses Herstellungsverfahren kann auch das Aufbringen einer dünnen, transparenten, flexiblen Schicht eines Klebstoffmaterials entweder an der ersten Schicht oder an der zweiten Seite des Substrats (wiederum abhängig vom Aufbau des Berührungssensors) an einer oder mehrerer der Bearbeitungsstationen umfassen.
Ersatzweise kann diese Schicht aus Klebematerial bereits auf das Substrat aufgebracht worden sein, bevor das Substrat durch das Herstellungssystem geführt wird. Das Substrat ist vorzugsweise eine Folie aus Polyethylenterephthalat (PET) und das Widerstandsmaterial ist vorzugsweise Indium-Zinnoxid (ITO). Das Indium-Zinnoxid wird vorzugsweise durch Vakuumbedampfung, zum Beispiel einen Sputtervorgang, aufgetragen. Die Elektroden, Leitungen und leitenden Bereiche umfassen vorzugsweise leitfähige Farbe, am bevorzugtesten leitende Silberepoxidfarbe, und diese leitfähige Farbe wird vorzugsweise durch Siebdrucken oder Farbstrahldrucken aufgetragen. Das Schutzmaterial umfasst vorzugsweise Harz auf Acrylatbasis, das umgewandelt worden ist, um die Oberflächenschmierfähigkeit zu erhöhen, und dieses Harz wird vorzugsweise durch Aufspritzen oder Gravurlackieren aufgetragen.
Das Herstellungsverfahren kann auch das Aufbringen einer Schicht aus leitendem Material an einer oder mehrerer der Bearbeitungsstationen umfassen, um den Sensor gegen übermäßige elektromagnetische Strahlung abzuschirmen. Abhängig vom Aufbau des Berührungssensors kann die leitende Schicht entweder auf der zweiten Seite des Substrats oder auf einer Isolierschicht, welche die erste Schicht abdeckt, aufgebracht werden. Dieser Vorgang kann auch das Anbringen einer abnehmbaren Folie über die ungeschützte Oberfläche des Klebstoffmaterials umfassen. Ersatzweise kann die abnehmbare Folie bereits zuvor am Klebstoffmaterial angebracht worden sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht eines flexiblen, kapazitiven Berührungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Schnittansicht des in 1 abgebildeten flexiblen, kapazitiven Berührungssensors entlang der Linie 2-2 in 1.
3 ist eine schematische Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform eines flexiblen, kapazitiven Berührungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Draufsicht des flexiblen, kapazitiven Berührungssensors von 1, die nur die Elektroden, elektrischen Leitungen und leitenden Bereiche zeigt.
5 ist eine Draufsicht des flexiblen, kapazitiven Berührungssensors von 1, die nur die Laserschnitte in der Widerstandsschicht zeigt.
6 ist eine Draufsicht des flexiblen, kapazitiven Berührungssensors von 1, die nur das Substrat zeigt.
7 ist eine Draufsicht einer alternativen Ausführungsform eines flexiblen, kapazitiven Berührungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine schematische, grafische Darstellung eines Herstellungssystems zur Herstellung flexibler, kapazitiver Berührungssensoren gemäß der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine schematische, grafische Darstellung einer Folie aus Substratmaterial zur Verwendung bei der Herstellung flexibler, kapazitiver Berührungssensoren gemäß dem Herstellungssystem, das in 8 abgebildet ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 und 2 sind eine Draufsicht beziehungsweise eine schematische Schnittansicht eines flexiblen, kapazitiven Berührungssensors 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wenn er an eine geeignete Steuereinheit (nicht abgebildet) angeschlossen ist, erkennt der Berührungssensor 1 den Punkt, an dem ein Objekt, zum Beispiel ein Finger eines Benutzers oder ein leitfähiger Taststift, den aktiven Berührungsbereich 2 des Berührungssensors 1 berührt oder ihm sehr nahe kommt. Der Berührungssensor 1 liefert ein Signal, das die kartesischen Koordinaten, d. h. die X- und Y-Position, dieses Berührungspunktes angibt. Der Berührungssensor 1 kann auch benützt werden, um die Nähe eines Objekts zum aktiven Bereich 2 zu ermitteln.
Der Berührungssensor 1 weist ein dünnes, flexibles, transparentes, nichtleitendes Substrat 3 auf. Wie in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet, umfasst eine Substanz oder ein Material, die als „transparent" beschrieben oder genannt werden, Substanzen oder Materialien, die nur teilweise transparent, zum Beispiel „lichtdurchlässig", sind. Substrat 3, das in 6 separat abgebildet ist, weist im Allgemeinen eine rechteckige Form und einen länglichen Ansatz 21, der sich von einer Kante erstreckt, auf. Die Form des Substrats 3 kann jedoch auch eine andere als eine rechteckige, zum Beispiel eine kreisförmige, quadratische, dreieckige oder vieleckige, sein. Das Substrat 3 umfasst vorzugsweise eine Folie aus Polyethylenterephthalat (PET). Anstelle von PET kann Substrat 3 auch eine flexible Folie aus einem anderen geeigneten Material, zum Beispiel Polycarbonatpolyester, Polyvinylchlorid, Polyethersulfon, Polyimidpolyetherimid, Cellulosetriacetat und Polyethylennaphthalat, sein.
Das Substrat 3 weist vorzugsweise eine Dicke von ungefähr 7 Mil auf. Die Dicke des Substrats 3 kann jedoch im Bereich zwischen ungefähr 3 Mil und ungefähr 15 Mil liegen. Noch bevorzugter weist das Substrat 3 eine Dicke im Bereich zwischen ungefähr 3 Mil und ungefähr 9 Mil auf. Das Substrat 3 sollte jedoch eine Dicke aufweisen, die geringer ist als eine solche, die bewirken würde, dass sich die Materialien, die auf das Substrat aufgebracht werden, übermäßig spannen, wenn das Substrat durchgebogen wird. Andererseits sollte das Substrat 3 nicht so dünn sein, dass seine Handhabung und das Anbringen an einer Anzeige übermäßig schwierig sind.
Wie in 2 gezeigt, ist die Oberseite des Substrats 3 mit einer dünnen, transparenten, flexiblen Schicht 5 aus Widerstandsmaterial überzogen. Ein geeignetes Material für die Widerstandsschicht 5 ist ein transparentes, leitfähiges Oxid, vorzugsweise Indium-Zinnoxid (ITO). Ersatzweise kann auch ein anderes transparentes, leitfähiges Oxid, das bei relativ niedriger Temperatur auf das Substrat 3 aufgebracht werden kann, verwendet werden, zum Beispiel Indiumoxid, Silicium-Indiumoxid, Aluminium-Zinkoxid, Indium-Zinkoxid, Antimon-Zinnoxid oder Zinnoxid. Die Widerstandsschicht 5 kann mittels Vakuumbedampfung, zum Beispiel einen Sputtervorgang, auf das Substrat 3 aufgebracht werden. Diese Schicht weist vorzugsweise einen Widerstand von ungefähr 1.000 Ohm pro Quadrat auf. Der Widerstand der Widerstandsschicht 5 kann jedoch im Bereich zwischen ungefähr 100 Ohm pro Quadrat und ungefähr 4.000 Ohm pro Quadrat liegen.
Die Widerstandsschicht 5 weist vorzugsweise einen durchgängigen Überzug aus einem Material auf, der den aktiven Bereich 2 des Substrats 3 abdeckt. Ersatzweise kann die Widerstandsschicht 5 einige Unterbrechungen aufweisen, um die Haftung von Materialien, die auf die Widerstandsschicht 5 aufgetragen werden, zu verbessern. Zum Beispiel kann die Widerstandsschicht 5 eine Mehrzahl von kleinen Öffnungen aufweisen, um direkten Kontakt zwischen solchen Materialien und dem Substrat 3 zu schaffen. Die Widerstandsschicht 5 sollte jedoch innerhalb des aktiven Bereichs 2 elektrisch durchgängig sein. Mit anderen Worten sollte innerhalb des aktiven Bereichs 2 von jedem Punkt auf der Widerstandsschicht 5 zu jedem anderen Punkt auf der Widerstandsschicht 5 ein Weg vorhanden sein, ohne dass eine Grenze dieser Schicht überquert wird.
Die Dicke der Widerstandsschicht 5 sollte so gering wie möglich sein, um übermäßige Spannung beim Durchbiegen des Berührungssensors 1 zu verhindern und die optische Durchlässigkeit zu verbessern. Andererseits sollte die Dicke der Widerstandsschicht 5 nicht so gering sein, dass die Durchgängigkeit dieser Schicht oder ihre Materialeigenschaften während der Herstellung gefährdet sind. Eine geeignete Dicke für die Widerstandsschicht 5 liegt zwischen ungefähr 200 Angström und ungefähr 500 Angström.
Um die Fähigkeit der Widerstandsschicht 5, Verbiegung, Zerkratzen oder chemischen Veränderungen während der Herstellung standzuhalten, zu verbessern, kann diese Schicht aus zwei Überzügen bestehen, und zwar einem ersten Überzug aus Widerstandsmaterial und einem zweiten, langlebigeren Überzug aus Widerstandsmaterial über diesem ersten Überzug. Der erste Überzug besteht vorzugsweise aus ITO, und der zweite Überzug besteht vorzugsweise aus Zinnoxid (SnO₂). Natürlich können für diesen Zweck auch andere geeignete Materialien verwendet werden.
Nochmals Bezug nehmend auf 1 und 2 weist der Berührungssensor 1 auch Elektroden 9 auf, die auf der Oberfläche der Widerstandsschicht 5 nahe den Ecken des aktiven Bereichs 2 aufgetragen sind. Diese Elektroden sind mit elektrischen Leitungen 7 verbunden und dafür geeignet, ein elektrisches Potential über den aktiven Bereich 2 innerhalb der Widerstandsschicht 5 anzulegen. Das Muster der Elektroden 9, elektrischen Leitungen 7 und leitenden Bereiche 11 (im Folgenden besprochen), die auf der Widerstandsschicht 5 aufgetragen sind, ist in 4 gesondert gezeigt.
Die elektrischen Leitungen 7 sind entlang dem äußeren Umfang des Substrats 3 angeordnet, um die Abmessungen des aktiven Bereichs 2 zu maximieren. Diese elektrischen Leitungen erstrecken sich von diesen Umfangsbereichen über den Ansatz 21 zu einem elektrischen Verbinder (nicht abgebildet), der am Ende des Ansatzes 21 angebracht ist. Wenn der Berührungssensor 1 an einer Anzeige angebracht wird, wird eine Steuereinheit an diesen Verbinder angeschlossen, um eine Wechselspannung zu den Elektroden 9 zu übertragen. Zu diesem Zweck kann ein Verlängerungskabel verwendet werden. Die Steuereinheit überwacht auch die Strommenge, die durch jede dieser Elektroden fließt. Auf Grundlage dieser Mengen liefert die Steuereinheit ein Signal, das die X- und Y-Position, an der der Finger einer Person oder ein leitfähiger Taststift den aktiven Bereich 2 berührt oder diesem sehr nahe kommt, anzeigt. Eine solche Steuereinheit ist zum Beispiel in US-Patentschrift Nr. 4,353,552 (Pepper) beschrieben, deren Gegenstand hierin durch Bezugnahme eingebunden ist. Mit einer geeigneten Steuereinheit kann der Berührungssensor 1 auch verwendet werden, um die Nähe eines Objekts zum aktiven Bereich 2 zu ermitteln. In einem solchen Fall ist kein physischer Kontakt mit dem aktiven Bereich 2 erforderlich. Die kapazitive Kopplung erfolgt zwischen dem Objekt und dem aktiven Bereich 2 durch den Abstand, der das Objekt und den aktiven Bereich 2 trennt.
Entlang dem Umfang des Substrats 3 sind auf der Widerstandsschicht 5 auch leitende Bereiche 11 aufgetragen. Die leitenden Bereiche 11 bilden ein Muster, wie es im Fach bekannt ist, um das Spannungspotential, das die Elektroden 9 erzeugen innerhalb der Widerstandsschicht 5 über den aktiven Bereich 2 zu linearisieren. Eine Beschreibung eines solchen Linearisierungsmusters von leitenden Bereichen ist zum Beispiel in US-Patentschrift Nr. 4,371,746 (Pepper) bereitgestellt, deren Gegenstand hierin durch Bezugnahme eingebunden ist. Dieses Linearisierungsmuster bewirkt, dass der Strom, der aus jeder der Elektroden 9 fließt, dem Abstand zwischen einer bestimmten Elektrode und dem Punkt, an dem Kontakt mit dem aktiven Bereich 2 erfolgt, linear entspricht. Wie oben angegeben, ist das Muster dieser leitenden Bereiche in 4 gesondert abgebildet.
Anstatt die Elektroden 9, die elektrischen Leitungen 7 und die leitenden Bereiche 11 auf der Widerstandsschicht 5 anzuordnen, können die Elektroden 9, die elektrischen Leitungen 7 und die leitenden Bereiche 11 auf der Vorderseite des Substrats 3 und die Widerstandsschicht 5 über den elektrischen Leitungen 7, den Elektroden 9 und den leitenden Bereichen 11 angeordnet sein. Um die Abmessungen des aktiven Bereichs 2 zu maximieren, können die elektrischen Leitungen 7 auch auf der Rückseite des Substrats 3 angeordnet und diese Leitungen durch ein leitfähiges Material, wie zum Beispiel ein leitfähiges Band, das sich rund um den Umfang des Substrats 3 erstreckt, oder durch Öffnungen im Substrat 3, die mit leitfähigem Material überzogen sind, mit den Elektroden 9 verbunden sein.
Um die Abmessungen des aktiven Bereichs 2 zu vergrößern, kann bei einer alternativen Ausführungsform eine Schicht aus dünnem, nichtleitendem Material entlang dem Umfang des Substrats 3 über der Widerstandsschicht 5 und den leitenden Bereichen 11 angeordnet sein. In diesem Fall können die elektrischen Leitungen 7 auf dieser Isolierschicht angeordnet sein. Dieses Isoliermaterial kann auch über den Elektroden 9 angeordnet sein, wobei in diesem Fall Öffnungen, die mit leitfähiger Farbe überzogen sind, in der Isolierschicht geschaffen werden können, um eine elektrische Verbindung zwischen den elektrischen Leitungen 7 und den Elektroden 9 zu schaffen. Die Materialien und Verfahren, die in der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 60/179,874, beantragt am 2. Februar 2000 und gemeinsam mit der vorliegenden Anmeldung übertragen, beschrieben sind, können für diese Ausführungsform verwendet werden. Der Gegenstand der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 60/179,874 ist hierin durch Bezugnahme eingebunden.
Die Elektroden 9, die elektrischen Leitungen 7 und die leitenden Bereiche 11 bestehen aus dünnen, flexiblen Ablagerungen von leitfähiger Farbe, wie zum Beispiel warmgehärtetem Silberepoxid. Diese leitfähige Farbe kann durch Siebdrucken oder Farbstrahldrucken auf Substrat 3 aufgebracht sein.
Um das Aussehen des Berührungssensors 1 zu verbessern, und einen besseren Schutz für die Elektroden 9, die elektrischen Leitungen 7 und die leitenden Bereiche 11 zu schaffen, kann ein Überzug aus Isolierfarbe (nicht abgebildet) über diesen Elektroden, Leitungen und leitenden Bereichen aufgebracht sein. Angaben über den Berührungssensor 1, wie zum Beispiel der Name eines Herstellers, das Herstellerlogo, die Produktnummer, etc. können durch Verwendung von verschieden gefärbten Farben dieser Art aufgedruckt sein. Auch der Kennungsbereich 19 (1) auf der Widerstandsschicht 5 kann zum Aufdrucken von Kennungsvermerken oder sonstigen Informationen unter Verwendung von leitfähiger oder nicht-leitfähiger Farbe verwendet werden. Wenn in diesem Bereich leitfähige Farbe verwendet wird, sollte der Bereich von der Widerstandsschicht 5 zum Beispiel durch eine Laserschnittlinie in der Widerstandsschicht 5 wie im Folgenden erläutert isoliert sein.
Nochmals Bezug nehmend auf 2 weist der Berührungssensor 1 auch eine Schutzschicht 13 auf. Diese Schicht deckt vorzugsweise im Wesentlichen die gesamte Oberfläche der Widerstandsschicht 5 einschließlich der Elektroden 9, der elektrischen Leitungen 7 und der leitenden Bereiche 11 ab. Ersatzweise kann die Schutzschicht 13 auch nur den aktiven Bereich 2 oder einen Abschnitt des aktiven Bereichs 2 abdecken. Bei einer anderen alternativen Ausführungsform können die Elektroden 9, die elektrischen Leitungen 7 und die leitenden Bereiche 11 auf der Schutzschicht 13 angeordnet sein. Bei dieser anderen alternativen Ausführungsform erfolgt die elektrische Verbindung zwischen diesen leitenden Bereichen und der Widerstandsschicht 5 durch kapazitive Kopplung. Diese kapazitive Kopplung kann verbessert werden, indem der Schutzschicht 13 eine Leitfähigkeit auf niedrigem Niveau verliehen wird, wie im Folgenden erläutert.
Die Schutzschicht 13 ist vorzugsweise eine dünne, flexible, transparente Schicht aus Harz, vorzugsweise warmgehärtetem Harz auf Acrylatbasis. Ersatzweise kann dieses Harz auch durch Bestrahlen mit Ultraviolettstrahlung, Plasmastrahlung oder Elektronenstrahlung gehärtet sein. Das Harz kann auch chemisch polymerisiert sein. Das Harz kann auf die Oberfläche der Widerstandsschicht 5, der Elektroden 9, der elektrischen Leitungen 7 und der leitenden Bereiche 11 aufgespritzt sein. Ersatzweise kann das Harz auch aufgetragen werden, indem das Substrat 3 über eine Walze, die mit dem Harz überzogen ist, gezogen wird, wie beim Gravurlackierverfahren, oder in einem Vakuum von einer Monomerquelle aufgetragen werden. Das Aufspritzen wird jedoch bevorzugt, um ein Beschädigen der erhabenen Muster der Elektroden 9, der elektrischen Leitungen 7 und der leitenden Bereiche 11 zu vermeiden, und um Unterbrechungen der Schutzschicht 13, die durch das Ziehen des Substrats 3 über eine solche Walze verursacht werden könnten, zu vermeiden. Ersatzweise dazu kann die Schutzschicht 13 auch durch Siebdruck aufgetragen werden. Obwohl der Siebdruck ein selektives Auftragen der Schutzschicht 13 erlaubt, unterliegt dieses Verfahren im Vergleich zum Aufspritzen oder dem Gravurvorgang einigen Herstellungsschwächen.
Die Schutzschicht 13 schützt die Widerstandsschicht 5 vor Beschädigungen durch die Fingerspitzen oder Fingernägel einer Person oder Münzen, Stifte, Schmuck und andere Arbeitsmittel, die den aktiven Bereich 2 berühren. Die Schutzschicht 13 dient auch dazu, die leitfähig bedruckten Bereiche gegen Kurzschluss, zum Beispiel durch auf dieser Oberfläche verschüttete Flüssigkeiten, zu isolieren.
Um die Griffigkeit zu verbessern, die Haltbarkeit der Schutzschicht 13 weiter zu verbessern sowie Verbiegungsspannungen zwischen dieser Schicht und der Widerstandsschicht 5 zu vermindern, können Verbindungen mit dem Grundharz kombiniert werden oder dieses ersetzen, um die Schmierfähigkeit der Schutzschicht 13 zu verbessern, d. h. um den Reibungskoeffizienten dieser Schicht zu verringern. Diese Verbindungen können eine oder mehrere Siloxan- oder Fluorverbindungen und/oder Methylgruppen enthalten. Zu diesem Zweck können zum Beispiel beschichtungsfähige Fluorthermokunststoffe, wie die von Dyneon, oder ein Fluoracrylat, wie zum Beispiel 3M Fluorad^TM FX-189, verwendet werden. Anstatt solche Verbindungen mit dem Grundharz zu kombinieren, können solche Verbindungen auch als ein Schutzüberzug über einem härteren, darunter liegenden Acrylatüberzug oder über einem darunter liegenden Überzug aus einem anderen Material, das der Widerstandsschicht 5 und dem darüber liegenden Schutzüberzug eine verbesserte Haftung verleiht, aufgetragen werden. Die Schutzschicht 13 kann auch zur Gänze aus Organosiloxanverbindungen, zum Beispiel Silikon, oder Verbindungen, die Organosiloxane, Fluorkohlenwasserstoffe oder Kombinationen dieser Verbindungen enthalten, bestehen. Um die Fähigkeit der Schutzschicht 13, dem Abrieb standzuhalten, weiter zu verbessern, können anorganische Verbindungen, wie zum Beispiel Kieselerde, entweder alleine oder in Kombination mit den oben genannten Verbindungen zum Verbessern der Schmierfähigkeit zum Grundharz hinzugefügt werden.
Bei einer alternativen Ausführungsform weist die Schutzschicht 13 zwei Schichten auf. Die erste Schicht ist in Kontakt mit der Widerstandsschicht 5 und ist weicher als die zweite Schicht, welche die erste Schicht abdeckt und der Umgebung ausgesetzt ist. Der Elastizitätsmodul der ersten Schicht ist daher kleiner als der Elastizitätsmodul der zweiten Schicht. Diese alternative Ausführungsform verringert Spannungen zwischen der Widerstandsschicht 5 und der Schutzschicht 13 beim Verbiegen, und vermindert daher das Ausmaß, in dem durch Verbiegen Spannungsrisse in der Widerstandsschicht 5 entstehen können.
Ein solcher zweischichtiger Aufbau der Schutzschicht 13 kann erreicht werden, indem diese Schicht aus zwei Polymeren hergestellt wird, die einen unterschiedlichen Härtegrad aufweisen. Der Elastizitätsmodul des Polymers, das die äußere Schicht bildet, sollte höher sein, als der Elastizitätsmodul des Polymers, das die innere Schicht bildet. In einem solchen Aufbau können auch zusätzliche Schichten verwendet werden, um zu erreichen, dass sich der Härtegrad der Polymere, welche die Schutzschicht 13 bilden, von der Widerstandsschicht 5 zur Oberfläche der Schutzschicht 13 stufenweise erhöht.
Um Risse der Widerstandsschicht 5 durch Spannung in der Widerstandsschicht 5 noch besser zu verhindern, kann die Widerstandsschicht 5 in der spannungsfreien Ebene des Substrats 3, der Widerstandsschicht 5 und der Schutzschicht 13 angeordnet sein.
Da die kapazitive Kopplung zwischen der Schutzschicht 13 und der Widerstandsschicht 5 erfolgt, ist die Schutzschicht 13 vorzugsweise dünn, um den Wirkungsgrad der kapazitiven Kopplung zu verbessern. Die geeignete Dicke der Schutzschicht 13 hängt jedoch zum Teil von der Dielektrizitätskonstante dieser Schicht ab. Eine geeignete Dicke für die Schutzschicht 13, die sowohl zufrieden stellenden Schutz als auch kapazitive Kopplung bietet, liegt in den meisten Fällen zwischen ungefähr 1 Mikron und ungefähr 5 Mikron.
Die Dicke der Schutzschicht 13 und das Ausmaß der Kopplung zwischen dieser Schicht und der Widerstandsschicht 5 können jedoch erhöht werden, indem den Materialien, die für die Zusammensetzung der Schutzschicht 13 verwendet werden, Substanzen hinzugefügt werden, um diesen Materialien eine Leitfähigkeit auf niedrigem Niveau zu verleihen. Diese Substanzen umfassen anorganische, leitende Teilchen, wie zum Beispiel leitendes Oxidpulver. Ersatzweise kann die Schutzschicht 13 auch so zusammengesetzt sein, dass sie eigenleitende Polymere, wie zum Beispiel Polyanilin, Polypyrrol, Polythiophen, Polyacetylen, Polyphenylenvinylen, Polyphenylensulfid, Poly-p-phenylen und Polyheterocyclenvinylen umfasst. Der spezifische Widerstand der Schutzschicht 13, der Kehrwert der Leitfähigkeit, sollte im Allgemeinen im Bereich zwischen ungefähr 0,1 Ohm-cm und ungefähr 10¹² Ohm-cm liegen.
Die Schutzschicht 13 kann auch eine aufgeraute Oberfläche aufweisen, um reflektiertes Licht und Blendung zu verringern. Diese aufgeraute Oberfläche kann erreicht werden, indem transparente Teilchen mit dem Harz auf Acrylatbasis oder anderen Materialien, welche diese Schicht bilden, vermischt werden. Diese Teilchen können so gewählt werden, dass sie die Abrieb- oder Kratzfestigkeit der Verbundschutzschicht verbessern. Indem zum Beispiel Teilchen gewählt werden, die entweder Organosiloxanverbindungen, Fluorkohlenwasserstoffverbindungen oder Kombinationen dieser Verbindungen umfassen, kann eine Oberfläche erzielt werden, die einen niedrigeren Reibungskoeffizienten und eine verbesserte Haltbarkeit aufweist. Eine Mischung aus organischen und anorganischen Verbindungen kann ebenfalls für diesen Zweck verwendet werden. Diese Teilchen können aus der Schutzschicht 13 hervorstehen, um eine schlüpfrige Kontaktoberfläche für diese Schicht zu schaffen. Ersatzweise kann die Schutzschicht 13 mechanisch genarbt sein, um eine solche Oberfläche zu schaffen, sofern der Narbenpressvorgang die Widerstandsschicht 5 nicht beschädigt. Eine aufgeraute Oberfläche kann auch erzeugt werden, indem die Form, Größe und Zähigkeit der Tröpfchen des Harzes oder eines anderen Materials, das auf die Widerstandsschicht 5 aufgespritzt wird, um die Schutzschicht 13 zu bilden, gezielt kontrolliert wird.
Die Merkmale und Eigenschaften der Schutzschicht 13 können verwendet werden, um eine Schutzschicht für den aktiven Berührungsbereich eines Berührungssensors, der andere als die oben für den Berührungssensor 1 beschriebenen Erfassungstechnologien oder -strukturen verwendet, zu bilden. Zum Beispiel kann eine Schutzschicht, die eine oder mehrere dieser Merkmale und Eigenschaften verwendet, verwendet werden, um eine Schutzschicht zum Schützen des aktiven Berührungsbereichs eines flexiblen Berührungssensors, der den Aufbau oder die Berührungserfassungstechnologien, die zum Beispiel in US-Patentschrift Nr. 5,650,597; 4,686,332 oder 4,931,782 beschrieben sind, deren Gegenstand hierin durch Bezugnahme eingebunden ist, zu bilden.
Die elektrischen Leitungen 7 sollten von den leitenden Bereichen 11 elektrisch isoliert sein, um zu vermeiden, dass sich Signale auf diesen Leitungen mit dem linearisierten elektrischen Potential, das durch die Elektroden 9 und die leitenden Bereiche 11 über die Widerstandsschicht 5 angelegt ist, überlagern. Eine solche elektrische Isolierung kann erreicht werden, indem dünne Linien 17 in die Widerstandsschicht 5 geschnitten werden, wie in 1 abgebildet. Das Muster dieser Linien ist gesondert in 5 abgebildet. Wenn die Kennungsvermerke im Kennungsbereich 19 wie oben erläutert mit leitfähiger Farbe aufgedruckt sind, sollte eine Linie 17 auch in die Widerstandsschicht 5 geschnitten sein, um diesen Bereich zu isolieren. Die Linien 17 werden vorzugsweise mit einem Laser geschnitten. Ersatzweise können die Linien 17 auch durch chemisches oder mechanisches Ätzen geschnitten werden.
Bezug nehmend auf 2 kann der Berührungssensor 1 auch eine Haftschicht 15 auf der Unterseite des Substrats 3 aufweisen. Die Haftschicht 15 ist vorzugsweise eine dünne, transparente, flexible, druckempfindliche Schicht aus Klebstoffmaterial, welche im Wesentlichen die gesamte untere Oberfläche des Substrats 3 abdeckt. Für Anwendungen, die häufiges Austauschen des Berührungssensors 1 auf einer Anzeige oder einem anderen Gerät erfordern, oder Anwendungen, die keinen besonderen Nutzen aus einer optischen Schichtung der gesamten Oberfläche ziehen, kann die Haftschicht 15 auch nur auf den Umfang der Substratrückseite aufgetragen werden. Eine abnehmbare Folie (nicht abgebildet), kann die ungeschützte Oberfläche der Haftschicht 15 abdecken, um die Lagerung und den Transport des Berührungssensors 1 zu erleichtern. Die Haftschicht 15 ermöglicht, dass der Berührungssensor 1 auf einfache Weise an der Oberfläche einer aktiven Anzeige, zum Beispiel der Anzeige eines Mobiltelefons, eines elektronischen Assistenten (PDA) oder eines tragbaren Computers, oder an einer inaktiven Anzeige, zum Beispiel einem Poster, einer Wahlkarte oder anderem gedruckten Material, angebracht werden kann. Natürlich wird diese abnehmbare Folie vor einem solchen Anbringen entfernt.
Eine alternative Ausführungsform des Berührungssensors 1 ist in 3 abgebildet. Bei dieser Ausführungsform ist die Unterseite des Substrats 3 die Berührungsoberfläche. Wie in dieser Figur gezeigt, deckt die Haftschicht 15 die Widerstandsschicht 5, die Elektroden 9, die elektrischen Leitungen 7 und die leitenden Bereiche 11 ab. Die Schutzschicht 13 hingegen deckt die Unterseite des Substrats 3 ab, um diese Berührungsoberfläche zu schützen. Bei dieser Ausführungsform sind daher die Positionen der Haftschicht 15 und der Schutzschicht 13 umgekehrt. Da die Berührung von der Unterseite des Substrats 3 erfolgt, schützen sowohl die Schutzschicht 13 als auch das Substrat 3 die Widerstandsschicht 5, die Elektroden 9, die elektrischen Leitungen 7 und die leitenden Bereiche 11 vor Beschädigung zum Beispiel durch Fingerspitzen, Instrumente, etc. Bei dieser Ausführungsform ist jedoch das Ausmaß der kapazitiven Kopplung zwischen der Widerstandsschicht 5 und, zum Beispiel, der Fingerspitze einer Person oder einem leitfähigen Taststift durch die Schutzschicht 13 und das Substrat 3 vermindert. Daher weist das Signal, das als Ergebnis einer Berührung der Schutzschicht 13 zur Steuereinheit übertragen wird, eine niedrigere Amplitude auf. Diese kapazitive Kopplung kann jedoch verbessert werden, indem dem Substrat 3 und der Schutzschicht 13 eine Leitfähigkeit auf niedrigem Niveau verliehen wird. Dennoch kann diese Ausführungsform in Umgebungen, die ein niedriges Signal-Rauschverhältnis erzeugen, oder mit Steuereinheiten, die eine niedrige Empfindlichkeit aufweisen, weniger wünschenswert sein. Des Weiteren macht diese Ausführungsform das Hinzufügen einer rückseitigen Abschirmschicht, die im Folgenden erläutert ist, etwas weniger wirksam.
Um das Signal-Rauschverhältnis bei Verwendung des Berührungssensors 1 auf einer Anzeige, die einen hohen Rauschpegel überträgt, zu verbessern, kann eine Abschirmschicht aus leitfähigem Material (nicht abgebildet) auf die Rückseite des Substrats 3 aufgebracht werden, bevor die Haftschicht 15 aufgetragen wird. Dieses leitfähige Material dient dazu, den Berührungssensor 1 gegen verrauschte Signale, die von der Anzeige übertragen werden, abzuschirmen. Das Material, das für diese Abschirmschicht verwendet wird, kann ähnlich dem Material sein, das für die Widerstandsschicht 5 verwendet wird, sollte jedoch einen niedrigeren Flächenwiderstand aufweisen. Wie das Material, das für die Widerstandsschicht 5 verwendet wird, sollte diese Abschirmschicht ebenfalls dünn, transparent und flexibel sein.
Wie oben angegeben, ist die Abschirmschicht bei der Ausführungsform von 2 zwischen dem Substrat 3 und der Haftschicht 15 angeordnet. Bei der Ausführungsform von 3 muss eine Isolierschicht jedoch zuerst über der Widerstandsschicht 5, den Elektroden 9, den elektrischen Leitungen 7 und den leitenden Bereichen 11 aufgetragen werden, bevor die Abschirmschicht über dieser Isolierschicht aufgebracht wird. Dann wird die Haftschicht 15 über der Abschirmschicht aufgebracht.
7 bildet eine weitere alternative Ausführungsform eines flexiblen, kapazitiven Berührungssensors 41 gemäß der vorliegenden Erfindung ab. Bei dieser Ausführungsform erstreckt sich die Grenzfläche 49 des Substrats 51 beträchtlich über den aktiven Berührungsbereich 43 des Berührungssensors 41 hinaus. Schmückende Grafiken 47 oder Informationen, zum Beispiel Informationen über oder Anweisungen für den Berührungssensor 41 oder die Anzeige oder ein anderes Gerät, an dem der Berührungssensor 41 angebracht oder angeschlossen ist, können innerhalb der Grenzfläche 49 aufgedruckt sein. Für einen solchen Aufdruck wird vorzugsweise nichtleitende Farbe verwendet. Wenn die Grenzfläche 49 jedoch vom aktiven Bereich 43 elektrisch isoliert ist, kann zu diesem Zweck auch leitfähige Farbe verwendet werden.
Wie in 7 gezeigt, können auch Grafiken, wie zum Beispiel Tasten 45 oder alphanumerische Informationen innerhalb des aktiven Bereichs 43 auf das Substrat 51 aufgedruckt sein. Um elektrische Überlagerung mit dem aktiven Bereich 43 zu vermeiden, sollte zu diesem Zweck üblicherweise nichtleitende Farbe verwendet werden. Diese Aufdrucke können auf dem Substrat 51 oder ersatzweise auch auf den Widerstands- oder Schutzschichten des aktiven Bereichs 43 angeordnet sein.
Die elektrischen Leitungen 7 sind in 7 entlang dem Umfang des aktiven Bereichs 43 gezeigt. Die elektrischen Leitungen 7 können jedoch auch innerhalb der Grenzfläche 49, entlang dem Umfang des Substrats 51 angeordnet sein. Eine solche Anordnung könnte die Herstellung des Berührungssensors 41 erleichtern.
Ein System und ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl flexibler, kapazitiver Berührungssensoren, welche den Aufbau irgendeiner der oben beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sind in 8 schematisch abgebildet. Wie in dieser Figur gezeigt, wird während dieses Herstellungsvorgangs ein langer Bogen 33 eines Substratmaterials, wie zum Beispiel PET, von einer Rolle 23 auf eine Rolle 25, oder umgekehrt, abgewickelt. Anstelle der Rollen 23 und 25 können auch andere Mittel zum Befördern des Bogens 33 durch die Herstellungsstationen von 8 verwendet werden, zum Beispiel ein erster Behälter, aus dem Bogen 33 entfaltet wird, und ein zweiter Behälter, in den Bogen 33 wieder zusammengefaltet wird.
Der Bogen 33 ist in 9 abgebildet. Die Abmessungen des Bogens 33 sind ausreichend groß für eine Teilung dieses Bogens in eine Mehrzahl von getrennten Abschnitten 61. Jeder dieser Abschnitt entspricht einem Berührungssensor. Während des Herstellungsvorgangs, tragen Bearbeitungsstationen, wie zum Beispiel die Bearbeitungsstationen 27, 29 und 31, verschiedene Materialschichten auf den Bogen 33 auf und verrichten die verschiedenen Bearbeitungsschritte, die erforderlich sind, um die Ausführungsformen eines flexiblen, kapazitiven Berührungssensors gemäß der obigen Beschreibung herzustellen. Diese Schritte können in einem Durchgang des Bogens 33 von Rolle 23 zu Rolle 25, oder während einer Reihe solcher Durchgänge, durchgeführt werden.
Diese Herstellungsschritte können zum Beispiel umfassen: (1) Auftragen einer Schicht eines dünnen, flexiblen, transparenten Widerstandsmaterials auf die Oberseite des Bogens 33; (2) Auftragen einer Mehrzahl dünner, flexibler Elektroden auf das Widerstandsmaterial für jeden der Abschnitte; (3) Auftragen einer Mehrzahl dünner, flexibler elektrischer Leitungen auf das Widerstandsmaterial für jeden der Abschnitte; (4) Auftragen einer Mehrzahl dünner, flexibler leitender Bereiche auf das Widerstandsmaterial für jeden der Abschnitte; (5) Auftragen einer Schicht eines dünnen, flexiblen, transparenten Schutzmaterials über dem Widerstandsmaterial, den Elektroden, Leitungen und leitenden Bereichen; (6) Schneiden länglicher Linien durch die Widerstandsschicht, oder sowohl durch die Widerstandsschicht als auch die Schutzschicht, an verschiedenen Stellen für jeden der Abschnitte, um die leitenden Bereiche im Wesentlichen von den elektrischen Leitungen zu isolieren (außer dort, wo diese Leitungen an den Elektroden angeschlossen sind); und (7) Durchschneiden der Schutzschicht, der Widerstandsschicht und des Substrats entlang den Umfängen jedes der Abschnitte, um die Mehrzahl flexibler, kapazitiver Berührungssensoren bereitzustellen.
Der Bogen 33 kann sowohl mit einer Haftschicht als auch einer abnehmbaren Folie, die bereits auf dieser Haftschicht befestigt ist, bevor der Bogen 33 die in 8 abgebildeten Herstellungsschritte durchläuft, versehen sein. Ersatzweise können eine Haftschicht und eine abnehmbare Folie während dieses Herstellungsvorgangs auf den Bogen 33 aufgebracht werden.
Der Rolle-zu-Rolle-Herstellungsvorgang, der oben beschrieben ist, ermöglicht die wirtschaftliche, kostengünstige Herstellung einer Mehrzahl von preiswerten, flexiblen, kapazitiven Berührungssensoren, die eine Vielzahl an Verwendungsmöglichkeiten aufweisen. Eine solche Verwendungsmöglichkeit ist das Anbringen des Berührungssensors an einer flexiblen, aktiven Anzeige, zum Beispiel einer flexiblen, cholesterischen Flüssigkristallanzeige (LCD), einer reflektierenden, verdrillten, nematischen LCD, einer Gyricon-Anzeige, einer organischen Leuchtdioden-(OLED)Anzeige oder einer elektrophoretischen Anzeige. Eine andere Verwendungsmöglichkeit ist das Anbringen des Berührungssensors an einer flexiblen, passiven Anzeige, zum Beispiel einem Grafikposter. Flexible, kapazitive Berührungssensoren, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, sind preiswert, sehr gut haltbar und funktionieren zufrieden stellend in unzähligen Umgebungen und mit einer großen Anzahl verschiedenster Geräte.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht sich, dass diese Ausführungsformen nur als Veranschaulichung der Prinzipien und Anwendungen der vorliegenden Erfindung dienen. Es versteht sich des Weiteren, dass zahlreiche Abänderungen dieser als Beispiel dienenden Ausführungsformen möglich sind, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung, der in den folgenden Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.

Claims

Flexibler kapazitiver Berührungssensor, aufweisend: ein dünnes, flexibles, transparentes Substrat, das eine erste und eine zweite Seite aufweist; eine erste Schicht eines Widerstandsmaterials auf der ersten Seite, wobei die erste Schicht dünn, transparent, durchgängig und flexibel ist, und auf der ersten Seite eine Oberfläche, die mit einem aktiven Berührungsbereich für den Berührungssensor übereinstimmt, abdeckt; mehrere dünne, flexible Elektroden, die in elektrischer Verbindung mit der ersten Schicht stehen, wobei die Elektroden entlang dem Umfang des aktiven Berührungsbereichs angeordnet sind und dafür geeignet sind, innerhalb des aktiven Berührungsbereichs ein elektrisches Potential über die erste Schicht anzulegen; mehrere dünne, flexible, elektrische Leitungen in elektrischem Kontakt mit den Elektroden zum Übertragen elektrischer Signale zu und von den Elektroden; mehrere dünne, flexible, leitende Bereiche in elektrischer Verbindung mit der ersten Schicht, wobei die leitenden Bereiche entlang dem Umfang des aktiven Berührungsbereichs angeordnet sind und ein Muster bilden, das dafür geeignet ist, innerhalb des aktiven Berührungsbereichs das elektrische Potential über die ganze erste Schicht zu linearisieren.
Kapazitiver Berührungssensor nach Anspruch 1, des Weiteren aufweisend eine zweite Schicht aus einem Schutzmaterial auf der ersten Schicht, wobei die zweite Schicht dünn, flexibel und transparent ist und innerhalb des aktiven Berührungsbereichs im Wesentlichen die gesamte Oberfläche der ersten Schicht abdeckt.
Kapazitiver Berührungssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Durchgängigkeit der ersten Schicht durch dünne, längliche Linien zwischen den leitenden Bereichen und den elektrischen Leitungen unterbrochen ist, um die leitenden Bereiche im Wesentlichen elektrisch von den elektrischen Leitungen zu trennen.
Kapazitiver Berührungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Berührungssensor dafür geeignet ist, auf ein steifes Substrat aufgebracht zu sein.
Kapazitiver Berührungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Schicht auf der Vorderseite einen ersten Überzug aus einem ersten Widerstandsmaterial, und auf dem ersten Überzug einen zweiten Überzug aus einem zweiten Widerstandsmaterial aufweist.
Kapazitiver Berührungssensor nach Anspruch 5, wobei das erste Widerstandsmaterial Indium-Zinnoxid und das zweite Widerstandsmaterial Zinnoxid ist.
Kapazitiver Berührungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektroden, Leitungen und die leitenden Bereiche leitende Silberepoxidfarbe aufweisen.
Kapazitiver Berührungssensor nach Anspruch 2, wobei das Schutzmaterial Verbindungen zum Verringern des Reibungskoeffizienten des Schutzmaterials aufweist.
Kapazitiver Berührungssensor nach Anspruch 8, wobei die Verbindungen Organosiloxane und/oder Fluorkohlenwasserstoffe aufweisen.
Kapazitiver Berührungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, des Weiteren aufweisend eine flexible Anzeige, wobei der flexible kapazitive Berührungssensor mit der flexiblen Anzeige verbunden ist.
Kapazitiver Berührungssensor nach Anspruch 2, wobei die zweite Schicht eine aufgeraute Oberfläche aufweist, um Licht zu zerstreuen, das von der zweiten Schicht reflektiert wird.
Kapazitiver Berührungssensor nach Anspruch 11, wobei die zweite Schicht transparente Teilchen enthält, um die aufgeraute Oberfläche zu erzeugen.
Kapazitiver Berührungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, des Weiteren aufweisend eine weitere flexible Schicht aus transparentem leitendem Material auf der zweiten Seite, um den Sensor gegen elektromagnetische Strahlung abzuschirmen.
Kapazitiver Berührungssensor nach Anspruch 2, wobei die zweite Schicht einen ersten Überzug aus einem ersten Material auf der ersten Schicht und einen zweiten Überzug aus einem zweiten Material auf dem ersten Überzug aufweist, wobei der Elastizitätsmodul des ersten Überzugs kleiner ist als der Elastizitätsmodul des zweiten Überzugs.
Kapazitiver Berührungssensor nach Anspruch 14, wobei das erste Material ein erstes Polymer und das zweite Material ein zweites Polymer ist, wobei der Elastizitätsmodul des ersten Polymers kleiner ist als der Elastizitätsmodul des zweiten Polymers.
Kapazitiver Berührungssensor nach Anspruch 2, wobei die erste Schicht in der spannungsfreien Ebene der zweiten Schicht, der ersten Schicht und des Substrats angeordnet ist.
Kapazitiver Berührungssensor nach Anspruch 2, wobei die zweite Schicht eine Substanz aufweist, um der zweiten Schicht ein niedriges Leitfähigkeitsniveau zu geben.
Kapazitiver Berührungssensor nach Anspruch 17, wobei die Substanz anorganische leitende Teilchen umfasst.
Kapazitiver Berührungssensor nach Anspruch 17, wobei die Substanz ein eigenleitendes Polymer umfasst.
Kapazitiver Berührungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, des Weiteren aufweisend einen Überzug aus Isolierfarbe über den Elektroden, den Leitungen und den leitenden Bereichen.