TW201504894A - 壓電式觸控面板 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種壓電式觸控面板，包括：多個壓電感應單元，配置於一基板之一側，各壓電感應單元包括：一接地層；一訊號層；一壓電材料層，配置於該接地層及該訊號層之間，並且電性連接接地層及訊號層，其中該壓電材料層的材質包括以一3d態過渡金屬摻雜氧化鋅而形成的一固溶體；以及多條訊號導線，分別電性連接壓電感應單元的該訊號層。

Description

壓電式觸控面板

本發明有關於觸控面板，且特別是有關於壓電式觸控面板。

市場上對於電子產品的尺寸的要求朝輕薄短小的方向發展，因此許多電子產品，例如手機、個人數位助理與衛星定位系統，已不再設計會佔據大量空間的鍵盤輸入裝置，而是將觸控輸入裝置整合至各類電子產品中。

目前能夠支援多點觸控的觸控面板是以電容式觸控面板為主流。然而，電容式觸控面板檢測的是觸控面板的兩軸向感測電極之間的電容，或者觸控面板的兩軸向感測電極分別與接地端之間的電容，在受觸碰物體(如手指)影響前後所產生的電容變化量。因此觸碰物體必須是導體才能影響電容，若觸碰物體是絕緣體，則觸控面板將無法檢測到碰觸的位置。

因此，開發一種能不受觸碰物體類型限制而支援多點觸控的觸控面板技術是目前值得加以研究發展的地方。

為解決上述問題，製作一种觸控面板達到既能檢測不同類型的觸碰物體又能實現多點觸控的目的。本發明提供一種壓電式觸控面板，包括：多個壓電感應單元，配置於一基 板之一側，各壓電感應單元包括：一接地層；一訊號層；一壓電材料層，配置於該接地層及該訊號層之間，並且電性連接接地層及訊號層，其中該壓電材料層的材質包括以一3d態過渡金屬摻雜氧化鋅而形成的一固溶體；以及多條訊號導線，分別電性連接壓電感應單元的該訊號層。

本發明提供的觸控面板，採用壓電材料製作感應單元，利用基板上的多個壓電感應單元直接感測外部壓力形變，判定觸壓位置，對觸碰物體無限定，且可實現多點觸控。此外，因壓電材料可以將機械形變轉化為電信號，不需要額外的驅動電壓就可檢測觸控面板上的信息，使得本發明的觸控面板同時具有低能耗的特點；採用的壓電材料包括以一3d態過渡金屬摻雜氧化鋅而形成的一固溶體，具有較大內阻，使得本發明的觸控面板反應更加靈敏。

100、200、300、400‧‧‧壓電式觸控面板

110‧‧‧基板

112‧‧‧第一表面

114‧‧‧第二表面

120‧‧‧壓電感應單元

122‧‧‧接地層

124‧‧‧壓電材料層

126‧‧‧訊號層

130‧‧‧訊號導線

140、160、180‧‧‧絕緣層

150‧‧‧增透膜

170‧‧‧接地導線層

第1A圖繪示本發明一實施例之壓電式觸控面板的上視圖。

第1B圖繪示第1A圖之壓電式觸控面板沿I-I’線段的剖面圖。

第2A圖繪示本發明一實施例之壓電式觸控面板的上視圖。

第2B圖繪示第2A圖之壓電式觸控面板沿I-I’線段的剖面圖。

第3A圖繪示本發明一實施例之壓電式觸控面板的上視圖。

第3B圖繪示第3A圖之壓電式觸控面板沿I-I’線段的剖面圖。

第4A圖繪示本發明一實施例之壓電式觸控面板的上視圖。

第4B圖繪示第4A圖之壓電式觸控面板沿I-I’線段的剖面圖。

以下將詳細說明本發明實施例之製作與使用方式。然應注意的是，本發明提供許多可供應用的發明概念，其可以多種特定型式實施。文中所舉例討論之特定實施例僅為製造與使用本發明之特定方式，非用以限制本發明之範圍。此外，在不同實施例中可能使用重複的標號或標示。這些重複僅為了簡單清楚地敘述本發明，不代表所討論之不同實施例及/或結構之間具有任何關連性。再者，當述及一第一材料層位於一第二材料層上或之上時，包括第一材料層與第二材料層直接接觸或間隔有一或更多其他材料層之情形。在圖式中，實施例之形狀或是厚度可能擴大，以簡化或是突顯其特徵。再者，圖中未繪示或描述之元件，可為所屬技術領域中具有通常知識者所知的任意形式。

本發明係提供一種壓電式觸控面板，其具有多個配置於基板之一側的壓電感應單元以及多條分別電性連接這些壓電感應單元的訊號導線，且壓電感應單元的壓電材料層的材質包括以3d態過渡金屬摻雜氧化鋅而形成的一固溶體。本發明藉由在氧化鋅內摻雜3d態過渡金屬的方式有效提高壓電材料層的電阻率，藉此可有效保留因觸碰壓電感應單元而產生的電荷，並透過訊號導線將此電荷傳導至控制器，以對觸碰位置進行精準地定位。以下將介紹將本發明的壓電材料層應用在 多種不同類型的壓電式觸控面板中的實施例。

第1A圖繪示本發明一實施例之壓電式觸控面板的上視圖。第1B圖繪示第1A圖之壓電式觸控面板沿I-I’線段的剖面圖。請同時參照第1A圖與第1B圖，本實施例之觸控面板100包括一基板110、多個壓電感應單元120、以及多條訊號導線130，其中基板110可例如是採用透明材質來製成，例如玻璃基板、塑膠基板或薄膜基板。基板110具有相對的一第一表面112以及一第二表面114，其中在實際應用上，第一表面112是例如代表遠離使用者之側的表面，而第二表面114則是代表靠近使用者之側的表面。

壓電感應單元120配置於基板100之一側，本實施例是例如配置於第一表面112之側。附帶一提的是，壓電感應單元120的數量是根據實際的解析度需求來設計，在此並無加以限制，解析度越高則壓電感應單元120的數量越多，感測也就越精確。本實施例的各個壓電感應單元120之間是彼此分離且彼此電性絕緣，並且所有壓電感應單元120是呈矩陣排列的設計來配置於第一表面112上。當然，壓電感應單元120的排列方式是依實際設計來決定，本發明並無加以限制。本實施例的壓電式觸控面板100可進一步包含一絕緣層140，配置於壓電感應單元120之間，使這些壓電感應單元120更好的彼此電性絕緣。

訊號導線130同樣例如配置於基板110的第一表面112之側，並對應電性連接壓電感應單元120及位於觸控區T外的控制器(未繪示)，用來傳遞壓電感應單元120及控制器 之間的信號，讓控制器可利用特定的演算法來處理壓電感應單元120的感測信號以進行定位。

進一步針對壓電感應單元120來說明，各壓電感應單元120包括一接地層122、一壓電材料層124、以及一訊號層126。根據本實施例的疊層架構設計，接地層122配置於基板110的第一表面112上。壓電材料層124配置於接地層122上，且壓電材料層124的材質包括以一3d態過渡金屬摻雜氧化鋅而形成的一固溶體。訊號層126配置於壓電材料層124上。換言之，壓電材料層124是配置於訊號層126與接地層122之間，並且電性連接訊號層126及接地層122。在此架構下，前述的訊號導線130是配置於訊號層126上，並且所述多條訊號導線130是分別電性連接多個壓電感應單元120的訊號層126，讓每個壓電感應單元120是由對應的一條訊號導線130進行信號傳遞。當然，訊號導線130在走線佈局的部分則會是配置於壓電感應單元120之間的絕緣層140的表面上。

此外，在本實施例中，壓電式觸控裝置100更包括一接地導線層170，用來電性連接接地層122，並且接地導線層170進一步電性連接於控制器的接地端，讓接地層122與控制器的接地電壓準位得以一致，有利於控制器判斷觸碰位置。由於本實施例的接地層122是彼此分離且彼此電性絕緣，因此本實施例的接地導線層170可例如包含多條接地導線，用來分別電性連接各個接地層122。更具體來講，本實施例的接地導線層170配置於基板110的第一表面112上，且位於壓電感應單元120及基板110之間，其中在對應電性連接各接地層 122的接地導線之間除了是彼此分開之外，更進一步是通過另一絕緣層180來達到電性絕緣。

在一實施例中，3d態過渡金屬包括鉻、錳、銅、或是其他適合的過渡金屬。在一實施例中，若3d態過渡金屬以M代表，則固溶體的化學式為Zn_1-xM_xO，其中x=0.0001~0.05。更具體來講，在一實施例中，3d態過渡金屬為銅，且壓電材料層124的電阻率為1*10⁴歐姆厘米(Ω*cm)~9.9*10⁴歐姆厘米(Ω*cm)。在另一實施例中，3d態過渡金屬為錳，且壓電材料層124的電阻率為1*10⁵歐姆厘米(Ω*cm)~9.9*10⁵歐姆厘米(Ω*cm)。在又一實施例中，3d態過渡金屬為鉻，且壓電材料層的電阻率為1*10⁶歐姆厘米(Ω*cm)~9.9*10⁶歐姆厘米(Ω*cm)。

由上述實驗數據可知，本實施例所設計的3d態過渡金屬摻雜氧化鋅的壓電材料層124具有較高的電阻率。因此，本實施例具有較大內阻的壓電材料層124能有效保留觸碰產生的電荷，有助於壓電式觸控面板100進行動態偵測。此外，也因為壓電材料層124具有較大的內阻，讓觸碰動作結束之後也較不容易出現信號的記憶效應，使得在對觸碰動作進行定位時不會因信號的重疊而導致誤判。

詳細而言，3d態過渡金屬會替換氧化鋅中部分的Zn²⁺離子。在摻雜的過程中，由於氧化鋅的缺陷增多而形成的較多的晶界，而晶界容易散射載流子，因此，摻雜3d過渡金屬的氧化鋅所製成的薄膜具有較高的電阻率。此外，取代Zn²⁺離子的3d態過渡金屬會吸引並束縛自由電子從而降低載流子 濃度，進而提昇電阻率。再者，3d態過渡金屬摻雜會增加晶粒的周圍區域的剩餘氧濃度進而提昇電阻率。

承上所述，由於壓電感應單元120的原理是直接藉由機械形變來轉化為電信號，因此不會受限於觸碰物體的類型(導體或非導體)，並且也不需要額外的驅動電壓就可偵測觸碰位置，可有效節能。此外，由於每個壓電感應單元120有獨立對應的訊號導線130來進行傳遞信號，因此可對各個壓電感應單元120進行定址，達到多點觸碰的功能。

在一實施例中，訊號層126及接地層122分別為一透明導電層，壓電材料層124為一透明壓電材料層。詳細而言，接地層122以及訊號層126可由透明導電材料所組成，例如氧化銦錫(indium tin oxide，ITO)、氧化銦鋅(indium zinc oxide，IZO)、氧化鎘錫(cadmium tin oxide，CTO)、氧化鋁鋅(aluminum zinc oxide，AZO)、氧化銦鋅錫(indium tin zinc oxide，ITZO)、氧化錫(tin oxide)、氧化鋅(zinc oxide)、氧化鎘(cadmium oxide)、氧化鉿(hafnium oxide，HfO)、氧化銦鎵鋅(indium gallium zinc oxide，InGaZnO)、氧化銦鎵鋅鎂(indium gallium zinc magnesium oxide，InGaZnMgO)、氧化銦鎵鎂(indium gallium magnesium oxide，InGaMgO)、氧化銦鎵鋁(indium gallium aluminum oxide，InGaAlO)、奈米碳管(Carbon Nano Tube，CNT)、銀奈米碳管或銅奈米碳管等，或是其他透明導電材質與金屬或非金屬的合成物。

在一實施例中，訊號導線130的材質可為透明導 電材料或是不透明導電材料，透明導電材料例如為前述接地層122以及訊號層126可使用的材質，不透明導電材料例如為銀、金、奈米碳管。訊號導線130可為奈米級或是微米級寬度的金屬導線。此外，在本實施例中，壓電式觸控面板100更包括一接地導線層170，用來電性連接接地層122，並且接地導線層170進一步電性連接於控制器的接地端，讓接地層122與控制器的接地電壓準位得以一致，有利於控制器判斷觸碰位置。由於本實施例的接地層122是彼此分離且彼此電性絕緣，因此本實施例的接地導線層170可例如包含多條接地導線，用來分別電性連接各個接地層122。更具體來講，本實施例的接地導線層170配置於基板110的第一表面112上，且位於壓電感應單元120及基板110之間，其中在對應電性連接各接地層122的接地導線之間除了是彼此分開之外，更進一步是通過另一絕緣層180來達到電性絕緣。

在一實施例中，觸控面板100可更包括一增透膜150。增透膜150至少對應壓電感應單元120的壓電材料層124來配置於基板110的表面，本實施例是例如將增透膜150配置於基板110之第二表面114上。在一實施例中，增透膜150的面積相同於對應位於其正上方的壓電材料層124的面積。增透膜150可增加透光率，以彌補因壓電材料層124所減少的透光率。增透膜150的材質包括氟化镁(MgF2)、氧化钛(TiO2)、硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)、二氧化钙(SiO2)及五氧化二铌(Nb2O5)的至少其中之一。當然，在另外的實施例中，增透膜150亦可配置於第一表面112並且位於基板110和壓電 感應單元120之間，在此並非為本實施例所限制。此外，增透膜150也可以採一連續膜層態樣來全面覆蓋於基板110之表面，用來匹配壓電感應單元120及絕緣層140之間因材質不同所產生的折射率差異。

補充說明的是，由第1B圖之疊層架構來看，壓電感應單元120自基板110的第一表面112起依序是接地導線層170、接地層122、壓電材料層124及訊號層126的疊層態樣，並且訊號導線130再配置於訊號層126上。然而，在實際設計上，壓電感應單元120的疊層態樣亦可與本實施例相反，自基板110的第一表面112起依序是訊號層126、壓電材料層124及接地層122、接地導線層170，並且訊號導線130是配置於基板110及訊號層126之間，此一疊層態樣並非為本發明所限制。

雖然第1A圖所繪示的壓電感應單元120呈方形，但不限於此，在其他實施例中，壓電感應單元120亦可呈圓形或是其他適合的形狀。

第2A圖繪示本發明一實施例之壓電式觸控面板的上視圖。第2B圖繪示第2A圖之壓電式觸控面板沿I-I’線段的剖面圖。請同時參照第2A圖與第2B圖，本實施例之壓電式觸控面板200相似於第1A圖與第1B圖所示之壓電式觸控面板100，兩者差異之處在於本實施例之壓電式觸控面板200的所有壓電感應單元120的壓電材料層124是彼此電性相連，並且在所有壓電感應單元120的訊號層126之間是通過絕緣層140來電性絕緣，而接地層122之間是通過另一絕緣層160來電性 絕緣。

第3A圖繪示本發明一實施例之壓電式觸控面板的上視圖。第3B圖繪示第3A圖之壓電式觸控面板沿I-I’線段的剖面圖。請同時參照第3A圖與第3B圖，本實施例之壓電式觸控面板300相似於第1A圖與第1B圖所示之壓電式觸控面板100，兩者差異之處在於本實施例之壓電式觸控面板300的所有壓電感應單元120的接地層122是彼此電性相連以形成一共地層的態樣。該接地層122可通過一接地導線層來電性連接於控制器的接地端，讓接地層122與控制器的接地電壓準位得以一致，有利於控制器判斷觸碰位置。由於本實施例的所有壓電感應單元120的接地層122是電性相連成一共地層的態樣，因此接地導線層可設計成一條接地導線即可，搭接於共地層的周邊，因而在圖中未繪出。

第4A圖繪示本發明一實施例之壓電式觸控面板的上視圖。第4B圖繪示第4A圖之壓電式觸控面板沿I-I’線段的剖面圖。請同時參照第4A圖與第4B圖，本實施例之壓電式觸控面板400相似於第3A圖與第3B圖所示之壓電式觸控面板300，兩者差異之處在於本實施例之壓電式觸控面板400的所有壓電感應單元120的壓電材料層124係彼此電性相連。換言之，本實施例配置於壓電感應單元120之間的絕緣層140僅使壓電感應單元120的訊號層126彼此之間電性絕緣。由於本發明所使用的壓電材料層124的材質具有較大的內阻，因此當所有壓電感應單元120的壓電材料層124是電性相連以構成連續膜層設計時，不同壓電感應單元120之間所產生的信號也不會 相互影響。

此外，由於增透膜150至少需與各壓電感應單元120的壓電材料層124對應設置，因此，本實施例之增透膜150是對應電性相連的所有壓電材料層124而設計為一連續膜層。

藉此，由於本發明採用以3d態過渡金屬摻雜氧化鋅而形成的固溶體作為壓電材料層，故可有效提升壓電材料層的電阻率，進而有效保留因觸碰壓電感應單元而產生的電荷，並透過訊號導線將此電荷傳導至控制器以對觸碰位置進行精準地定位。再者，本發明之壓電材料層不易出現記憶效應，因此，可更加精準地定位出觸碰位置。

綜上所述，本發明之壓電式觸控面板不會受限於觸碰物體的類型，並且也不需要額外的驅動電壓就可偵測觸碰位置，由每個壓電感應單元直接將機械形變轉化為電信號傳遞至控制器，進而直接判定使用者的觸碰位置，故本發明之壓電式觸控面板可有效節能。再者，本發明的壓電感應單元在感測上是不會相互影響，並由各自對應的訊號導線來傳遞信號至控制器因而能支援多點觸碰的功能。

本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧壓電式觸控面板

110‧‧‧基板

112‧‧‧第一表面

114‧‧‧第二表面

120‧‧‧壓電感應單元

122‧‧‧接地層

124‧‧‧壓電材料層

126‧‧‧訊號層

130‧‧‧訊號導線

140、180‧‧‧絕緣層

150‧‧‧增透膜

170‧‧‧接地導線層

Claims (13)

1. 一種壓電式觸控面板，包括：多個壓電感應單元，配置於一基板之一側，各該壓電感應單元包括：一接地層；一訊號層；及一壓電材料層，配置於該接地層及該訊號層之間，並且電性連接該接地層及該訊號層，其中該壓電材料層的材質包括以一3d態過渡金屬摻雜氧化鋅而形成的一固溶體；以及多條訊號導線，分別電性連接該些壓電感應單元的該訊號層。
2. 如申請專利範圍第1項所述之壓電式觸控面板，其中該3d態過渡金屬包括鉻、錳或銅。
3. 如申請專利範圍第1項所述之壓電式觸控面板，其中若該3d態過渡金屬以M代表，則該固溶體的化學式為Zn_1-xM_xO，其中x=0.0001~0.05。
4. 如申請專利範圍第1項所述之壓電式觸控面板，其中該3d態過渡金屬為銅，且該壓電材料層的電阻率為1*10⁴歐姆厘米(Ω*cm)~9.9*10⁴歐姆厘米(Ω*cm)。
5. 如申請專利範圍第1項所述之壓電式觸控面板，其中該3d態過渡金屬為錳，且該壓電材料層的電阻率為1*10⁵歐姆厘米(Ω*cm)~9.9*10⁵歐姆厘米(Ω*cm)。
6. 如申請專利範圍第1項所述之壓電式觸控面板，其中該3d態過渡金屬為鉻，且該壓電材料層的電阻率為1*10⁶歐姆厘 米(Ω*cm)~9.9*10⁶歐姆厘米(Ω*cm)。
7. 如申請專利範圍第1項所述之壓電式觸控面板，其中該些壓電感應單元的該壓電材料層係彼此電性相連。
8. 如申請專利範圍第1或7項所述之壓電式觸控面板，其中該些壓電感應單元的該接地層係彼此電性相連以形成一共地層。
9. 如申請專利範圍第1項所述之壓電式觸控面板，其中該些壓電感應單元係彼此分離且彼此電性絕緣。
10. 如申請專利範圍第9項所述之壓電式觸控面板，其中該些壓電感應單元係呈矩陣排列。
11. 如申請專利範圍第1項所述之壓電式觸控面板，更包括：一接地導線層，電性連接該些壓電感應單元的該接地層。
12. 如申請專利範圍第1項所述之壓電式觸控面板，其中該訊號層及該接地層分別為一透明導電層。
13. 如申請專利範圍第1項所述之壓電式觸控面板，更包括：一增透膜，至少對應各該壓電感應單元的該壓電材料層來配置於該基板的一表面。