TW201727206A - 自電容觸控與壓力感測裝置及自電容觸控與壓力感測方法 - Google Patents

自電容觸控與壓力感測裝置及自電容觸控與壓力感測方法 Download PDF

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Abstract

一種自電容觸控與壓力感測裝置，包含金屬層、感測元件層、空氣間隔層及處理模組。感測元件層設置於金屬層之上方。空氣間隔層形成於金屬層與感測元件層之間。當自電容觸控與壓力感測裝置操作於自電容觸控感測模式時，金屬層被驅動與觸控訊號同步，致使感測元件層與金屬層之間無電容效應產生而感測到第一電容變化量；當自電容觸控與壓力感測裝置操作於自電容壓力感測模式時，金屬層接地，致使感測元件層與金屬層之間有電容效應產生而感測到第二電容變化量。處理模組根據第一電容變化量與第二電容變化量得到第三電容變化量。

Description

自電容觸控與壓力感測裝置及自電容觸控與壓力感測方法
本發明係與觸控與壓力感測有關，尤其是關於一種自電容觸控與壓力感測裝置及自電容觸控與壓力感測方法。
一般而言，於傳統的電容式觸控與壓力感測裝置之疊構設計中，通常都需要有獨立的電容式壓力感測元件，並且還需要在電容式壓力感測元件下方設置有額外的金屬遮蔽層(Metal shielding layer)，藉以避免電容式壓力感測元件感應到由下方而來的電容變化量(亦即雜訊)。此外，傳統的電容式觸控與壓力感測裝置亦需設置有額外的控制軟性印刷電路板(Flexible Print Circuit,FPC)以及壓力感測控制接腳或晶片(Force Sensing Control Pin or Chip)，這均會導致傳統的電容式觸控與壓力感測裝置之疊構及製程均變得較為複雜，並且其製造成本亦會隨之增加。
有鑑於此，本發明提出一種自電容觸控與壓力感測裝置及自電容觸控與壓力感測方法，以有效解決先前技術所遭遇到之上述種種問題。
根據本發明之一具體實施例為一種自電容觸控與壓力感測裝置。於此實施例中，自電容觸控與壓力感測裝置可分別操作於一自電容觸控感測模式及一自電容壓力感測模式下。自電容觸控與壓力感測裝置包含一金屬層、一感測元件層、一空氣間隔層及一處理模組。感測元件層設置於金屬層之上方。空氣間隔層形成於金屬層與感測元件層之間。處理模組耦接金屬層與感測元件層。其中，當自電容觸控與壓力感測裝置操作於自電容觸控感測模式時，金屬層係被驅動與一觸控訊號同步，致使感測元件層與金屬層之間無電容效應產生而感測到一第一電容變化量；當自電容觸控與壓力感測裝置操作於自電容壓力感測模式時，金屬層係接地，致使感測元件層與金屬層之間有電容效應產生而感測到一第二電容變化量；處理模組根據第一電容變化量與第二電容變化量得到一第三電容變化量。
於一實施例中，第一電容變化量僅包含觸控所造成之電容變化量。
於一實施例中，第二電容變化量包含觸控所造成之電容變化量與壓力所造成之電容變化量。
於一實施例中，處理模組係將第二電容變化量減去第一電容變化量而得到第三電容變化量。
於一實施例中，第三電容變化量僅包含壓力所造成之電容變化量。
於一實施例中，金屬層係為整片或圖案化之形式。
於一實施例中，自電容觸控與壓力感測裝置進一步包含一光學導電層，設置於金屬層與空氣間隔層之間。
於一實施例中，光學導電層係為整片或圖案化之形式。
於一實施例中，自電容觸控與壓力感測裝置係應用於一自電容觸控面板。
於一實施例中，自電容觸控面板係具有一內嵌式(In-cell)疊構、一On-cell疊構或一Out-cell疊構。
根據本發明之另一具體實施例為一種自電容觸控與壓力感測方法。於此實施例中，自電容觸控與壓力感測方法應用於一自電容觸控與壓力感測裝置。自電容觸控與壓力感測裝置可分別操作於一自電容觸控感測模式及一自電容壓力感測模式下。自電容觸控與壓力感測裝置包含一金屬層、一感測元件層及一空氣間隔層。感測元件層設置於金屬層之上方，空氣間隔層形成於金屬層與感測元件層之間。
自電容觸控與壓力感測方法包含下列步驟：當自電容觸控與壓力感測裝置操作於自電容觸控感測模式時，驅動金屬層與一觸控訊號同步，致使感測元件層與金屬層之間無電容效應產生而感測到一第一電容變化量；當自電容觸控與壓力感測裝置操作於自電容壓力感測模式時，將金屬層接地，致使感測元件層與金屬層之間有電容效應產生而感測到一第二電容變化量；以及根據第一電容變化量與第二電容變化量得到一第三電容變化量。
相較於先前技術，根據本發明之自電容觸控與壓力感測裝置及自電容觸控與壓力感測方法係透過控制金屬層與自電容感測元件層之電位並配合後端的數位處理，藉以在觸控感測模式與壓力感測模式共用感測元件之情況下，分別得到準確的觸控電容變化量及壓力電容變化量，其具有下列優點與功效：
(1)當本發明之自電容觸控與壓力感測裝置進行自電容觸控感測時，其疊構中之金屬層將會被驅動與一觸控訊號同步，不僅可避免自電容感測元件層受到下方的金屬層之影響而導致電阻電容負荷(RC Loading)增加，當壓力改變導致自電容感測元件層與下方的金屬層之間的空氣間隔層(Air Gap)形變時便不會產生任何電容改變的影響，此時，自電容感測元件層將只會感測到上方由於觸控所產生的電容變化量，故可有效隔絕來自下方的外在環境雜訊，以提升觸控感測的訊雜比(Signal-Noise Ratio,SNR)。
(2)當本發明之自電容觸控與壓力感測裝置進行自電容壓力感測時，由於其疊構中之金屬層會接地，可直接取代傳統的金屬遮蔽層，故能有效避免自電容感測元件層受到下方的雜訊干擾。當壓力改變導致自電容感測元件層與下方的金屬層之間的空氣間隔層形變時的電容變化量亦會被自電容感測元件層所感測到，故自電容感測元件層將會同時感測到由於觸控所產生的電容變化量以及由於壓力改變所產生的電容變化量。
(3)本發明之自電容觸控與壓力感測裝置可根據自電容壓力感測時所感測到的綜合電容變化量與自電容壓力感測時 所感測到的觸控電容變化量進行適當處理後，得到準確的壓力電容變化量，並可支援多點的壓力感測。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
1‧‧‧自電容觸控與壓力感測裝置
10‧‧‧金屬層
11‧‧‧背光模組
12‧‧‧光學導電層
13‧‧‧空氣間隔層
14‧‧‧下基板
15‧‧‧感測元件層
16‧‧‧上基板
17‧‧‧偏光鏡及光學膠
18‧‧‧上蓋透鏡
19‧‧‧處理模組
190‧‧‧電容感測器
192‧‧‧數位處理單元
FG‧‧‧手指
Cfinger‧‧‧感測元件層與手指之間的電容
Cfilm‧‧‧感測元件層與金屬層之間的電容
S10~S14、S20~S31‧‧‧步驟
圖1係繪示根據本發明之一較佳具體實施例的自電容觸控與壓力感測裝置之示意圖。
圖2係繪示當本發明之自電容觸控與壓力感測裝置操作於觸控感測模式下且尚未有觸控發生時之示意圖。
圖3係繪示當本發明之自電容觸控與壓力感測裝置操作於觸控感測模式下且已有觸控發生時之示意圖。
圖4係繪示當本發明之自電容觸控與壓力感測裝置操作於壓力感測模式下且尚未有觸控發生時之示意圖。
圖5係繪示當本發明之自電容觸控與壓力感測裝置操作於壓力感測模式下且已有觸控發生時之示意圖。
圖6係繪示根據本發明之另一較佳具體實施例的自電容觸控與壓力感測方法之流程圖。
圖7A及圖7B係繪示本發明之自電容觸控與壓力感測方法的詳細流程圖。
根據本發明之一具體實施例為一種自電容觸控與壓力感測裝置。於此實施例中，自電容觸控與壓力感測裝置可分別 操作於一自電容觸控感測模式及一自電容壓力感測模式下。實際上，自電容觸控與壓力感測裝置可應用於一自電容觸控面板，並且自電容觸控面板可具有內嵌式(In-cell)疊構、On-cell疊構或Out-cell疊構，但不以此為限。
首先，請參照圖1，圖1係繪示應用於內嵌式自電容觸控面板之自電容觸控與壓力感測裝置的示意圖。
如圖1所示，自電容觸控與壓力感測裝置1至少包含有金屬層10、空氣間隔層13、感測元件層15及處理模組19。其中，感測元件層15係設置於金屬層10之上方。空氣間隔層13係形成於金屬層10與感測元件層15之間。處理模組19包含電容感測器190及數位處理單元192。電容感測器190透過類比匯流排(Analog bus)分別耦接金屬層10與感測元件層15。數位處理單元192耦接電容感測器190。於實際應用中，金屬層10可以是整片之形式或是圖案化之形式，並無特定之限制。
此外，自電容觸控與壓力感測裝置1還可包含有背光模組11、光學導電層12、下基板14、上基板16、偏光鏡(POL)及光學膠(OCA)17及上蓋透鏡18。其中，背光模組11與光學導電層12係設置於金屬層10與空氣間隔層13之間，並且光學導電層12係位於背光模組11上方；感測元件層15係位於下基板14與上基板16之間；偏光鏡及光學膠17與上蓋透鏡18係設置於上基板16上方，並且上蓋透鏡18係位於偏光鏡及光學膠17上方。於實際應用中，光學導電層12可以是整片之形式或是圖案化之形式，並無特定之限 制。需說明的是，此實施例中之電容感測器190係耦接金屬層10，但實際上亦可視實際需求將電容感測器190耦接光學導電層12，亦可達到相同的效果。
接著，請參照圖2及圖3，圖2係繪示當本發明之自電容觸控與壓力感測裝置1操作於觸控感測模式下且尚未有觸控發生時之示意圖；圖3係繪示當本發明之自電容觸控與壓力感測裝置1操作於觸控感測模式下且已有觸控發生時之示意圖。
如圖2及圖3所示，當自電容觸控與壓力感測裝置1操作於自電容觸控感測模式時，金屬層10會被驅動與感測元件層15所接收的觸控訊號同步，致使感測元件層15與金屬層10之間不會有電容效應產生。
需說明的是，若電容感測器190耦接光學導電層12，而不是耦接金屬層10，則此時會是光學導電層12被驅動與感測元件層15所接收的觸控訊號同步，致使感測元件層15與光學導電層12之間不會有電容效應產生，後續均可依此類推，故不再另行贅述。
根據圖3可知：當自電容觸控與壓力感測裝置1操作於自電容觸控感測模式時，由於感測元件層15與金屬層10之間不會有電容效應產生，因此，當受到手指FG之觸控時，即使位於金屬層10與感測元件層15之間的空氣間隔層13之厚度發生改變，亦不會對於感測元件層15造成影響。因此，當電容感測器190發出電容感測訊號至感測元件層15時，感測元件層15所感測到的第一電 容變化量△C1將會僅包含由觸控所造成之電容變化量(亦即圖3中之Cfinger)，而不會包含由壓力所造成之電容變化量，故可有效隔絕來自下方的外在環境雜訊，以提升觸控感測時的訊雜比(SNR)。
此外，驅動金屬層10與觸控訊號同步亦可有效避免感測元件層15受到下方的金屬層10之影響而導致電阻電容負荷(RC Loading)增加，故可達到降低電阻電容負荷之具體功效。
接著，請參照圖4及圖5，圖4係繪示當本發明之自電容觸控與壓力感測裝置1操作於壓力感測模式下且尚未有觸控發生時之示意圖；圖5係繪示當本發明之自電容觸控與壓力感測裝置1操作於壓力感測模式下且已有觸控發生時之示意圖。
如圖4及圖5所示，當自電容觸控與壓力感測裝置1操作於自電容壓力感測模式時，金屬層10會接地而感測元件層15仍接收觸控訊號，致使感測元件層15與金屬層10之間會有電容效應產生，亦即圖4及圖5中之Cfilm。需說明的是，接地的金屬層10可直接取代傳統的金屬遮蔽層，故能有效避免感測元件層15受到下方的雜訊干擾。
根據圖5可知：當自電容觸控與壓力感測裝置1操作於自電容壓力感測模式時，由於感測元件層15與金屬層10之間會有電容效應產生，因此，當受到手指FG之觸控而導致位於金屬層10與感測元件層15之間的空氣間隔層13之厚度發生改變時，會造成感測元件層15與金屬層10之間的電容Cfilm改變而會對感測元件層15之電容感測造成影響。因此，當電容感測器190發出電容感 測訊號至感測元件層15時，感測元件層15所感測到的第二電容變化量△C2將會同時包含由觸控所造成之電容變化量以及由壓力所造成之電容變化量。
最後，當處理模組19分別接收到自電容觸控與壓力感測裝置1操作於自電容觸控感測模式及自電容壓力感測模式下所感測到的第一電容變化量△C1及第二電容變化量△C2時，由於第一電容變化量△C1僅包含由觸控所造成之電容變化量，而第二電容變化量△C2同時包含由觸控所造成之電容變化量以及由壓力所造成之電容變化量，因此，處理模組19即可將第二電容變化量△C2減去第一電容變化量△C1而得到僅包含由壓力所造成之電容變化量的第三電容變化量△C3。藉此，自電容觸控與壓力感測裝置1即可順利得到準確的觸控電容變化量△C1以及壓力電容變化量△C3，並可支援多點的壓力感測。
根據本發明之另一具體實施例為一種自電容觸控與壓力感測方法。於此實施例中，自電容觸控與壓力感測方法應用於一自電容觸控與壓力感測裝置。自電容觸控與壓力感測裝置可分別操作於一自電容觸控感測模式及一自電容壓力感測模式下。自電容觸控與壓力感測裝置包含一金屬層、一感測元件層及一空氣間隔層。感測元件層設置於金屬層之上方，空氣間隔層形成於金屬層與感測元件層之間。
請參照圖6，圖6係繪示此實施例中之自電容觸控與壓力感測方法的流程圖。如圖6所示，自電容觸控與壓力感測方法 包含下列步驟：步驟S10：當自電容觸控與壓力感測裝置操作於自電容觸控感測模式時，驅動金屬層與一觸控訊號同步，致使感測元件層與金屬層之間無電容效應產生而感測到一第一電容變化量；步驟S12：當自電容觸控與壓力感測裝置操作於自電容壓力感測模式時，將金屬層接地，致使感測元件層與金屬層之間有電容效應產生而感測到一第二電容變化量；以及步驟S14：根據第一電容變化量與第二電容變化量得到一第三電容變化量。
接著，請參照圖7A及圖7B，圖77A及圖7B係繪示自電容觸控與壓力感測方法的詳細流程圖。如圖7A及圖7B所示，更詳細而言，本發明之自電容觸控與壓力感測方法可包含下列步驟：步驟S20：於自電容觸控感測模式下，驅動金屬層(或光學導電層)與觸控訊號同步，致使感測元件層與金屬層(或光學導電層)之間無電容效應產生；步驟S21：輸入電容感測訊號以取得第一感測電容值；步驟S22：根據第一感測電容值與觸控電容參考值得到第一電容變化量；步驟S23：根據第一電容變化量判斷是否有受到觸控；若步驟S23之判斷結果為否，則該方法執行步驟 S24：計算更新觸控電容參考值；若步驟S23之判斷結果為是，代表第一電容變化量即為由觸控所造成之電容變化量，則該方法執行步驟S25：切換至自電容壓力感測模式下，將金屬層(或光學導電層)接地，致使感測元件層與金屬層(或光學導電層)之間有電容效應產生；步驟S26：輸入電容感測訊號以取得第二感測電容值；步驟S27：根據第二感測電容值與壓力電容參考值得到第二電容變化量；步驟S28：將第二電容變化量減去第一電容變化量而得到第三電容變化量；步驟S29：根據第三電容變化量判斷是否有受到壓力；若步驟S29之判斷結果為否，則該方法執行步驟S30：計算更新壓力電容參考值；若步驟S29之判斷結果為是，代表第三電容變化量即為由壓力所造成的電容變化量，故該方法執行步驟S31：將第一電容變化量(由觸控所造成的電容變化量)以及第三電容變化量(由壓力所造成的電容變化量)回報至主機。
相較於先前技術，根據本發明之自電容觸控與壓力感測裝置及自電容觸控與壓力感測方法係透過控制金屬層與自電容感測元件層之電位並配合後端的數位處理，藉以在觸控感測 模式與壓力感測模式共用感測元件之情況下，分別得到準確的觸控電容變化量及壓力電容變化量，其具有下列優點與功效：
(1)當本發明之自電容觸控與壓力感測裝置進行自電容觸控感測時，其疊構中之金屬層將會被驅動與一觸控訊號同步，不僅可避免自電容感測元件層受到下方的金屬層之影響而導致電阻電容負荷增加，當壓力改變導致自電容感測元件層與下方的金屬層之間的空氣間隔層形變時便不會產生任何電容改變的影響，此時，自電容感測元件層將只會感測到上方由於觸控所產生的電容變化量，故可有效隔絕來自下方的外在環境雜訊，以提升觸控感測的訊雜比。
(2)當本發明之自電容觸控與壓力感測裝置進行自電容壓力感測時，由於其疊構中之金屬層會接地，可直接取代傳統的金屬遮蔽層，故能有效避免自電容感測元件層受到下方的雜訊干擾。當壓力改變導致自電容感測元件層與下方的金屬層之間的空氣間隔層形變時的電容變化量亦會被自電容感測元件層所感測到，故自電容感測元件層將會同時感測到由於觸控所產生的電容變化量以及由於壓力改變所產生的電容變化量。
(3)本發明之自電容觸控與壓力感測裝置可根據自電容壓力感測時所感測到的綜合電容變化量與自電容壓力感測時所感測到的觸控電容變化量進行適當處理後，得到準確的壓力電容變化量，並可支援多點的壓力感測。
由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚 描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。
1‧‧‧自電容觸控與壓力感測裝置
10‧‧‧金屬層
11‧‧‧背光模組
12‧‧‧光學導電層
13‧‧‧空氣間隔層
14‧‧‧下基板
15‧‧‧感測元件層
16‧‧‧上基板
17‧‧‧偏光鏡及光學膠
18‧‧‧上蓋透鏡
19‧‧‧處理模組
190‧‧‧電容感測器
192‧‧‧數位處理單元

Claims (20)

  1. 一種自電容觸控與壓力感測裝置，可分別操作於一自電容觸控感測模式及一自電容壓力感測模式下，該自電容觸控與壓力感測裝置包含：一金屬層；一感測元件層，設置於該金屬層之上方；一空氣間隔層，形成於該金屬層與該感測元件層之間；以及一處理模組，耦接該金屬層與該感測元件層；其中，當該自電容觸控與壓力感測裝置操作於該自電容觸控感測模式時，該金屬層係被驅動與一觸控訊號同步，致使該感測元件層與該金屬層之間無電容效應產生而感測到一第一電容變化量；當該自電容觸控與壓力感測裝置操作於該自電容壓力感測模式時，該金屬層係接地，致使該感測元件層與該金屬層之間有電容效應產生而感測到一第二電容變化量；該處理模組根據該第一電容變化量與該第二電容變化量得到一第三電容變化量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之自電容觸控與壓力感測裝置，其中該第一電容變化量僅包含觸控所造成之電容變化量。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之自電容觸控與壓力感測裝置，其中該第二電容變化量包含觸控所造成之電容變化量與壓力所造成之電容變化量。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之自電容觸控與壓力感測裝置，其中該處理模組係將該第二電容變化量減去該第一電容變化量而得到該第三電容變化量。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之自電容觸控與壓力感測裝置，其中該第三電容變化量僅包含壓力所造成之電容變化量。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之自電容觸控與壓力感測裝置，其中該金屬層係為整片或圖案化之形式。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之自電容觸控與壓力感測裝置，進一步包含：一光學導電層，設置於該金屬層與該空氣間隔層之間。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之自電容觸控與壓力感測裝置，其中該光學導電層係為整片或圖案化之形式。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之自電容觸控與壓力感測裝置，其中該自電容觸控與壓力感測裝置係應用於一自電容觸控面板。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之自電容觸控與壓力感測裝置，其中該自電容觸控面板係具有一內嵌式(In-cell)疊構、一On-cell疊構或一Out-cell疊構。
  11. 一種自電容觸控與壓力感測方法，應用於一自電容觸控與壓力感測裝置，該自電容觸控與壓力感測裝置可分別操作於一自電容觸控感測模式及一自電容壓力感測模式下，該自電容觸控與壓力感測裝置包含一金屬層、一感測元件層及一空氣間隔層，該感測元件層設置於該金屬層之上方，該空氣間隔層形成於該金屬層與該感測元件層之間，該自電容觸控與壓力感測方法包含下列步驟：當該自電容觸控與壓力感測裝置操作於該自電容觸控感測模式時，驅動該金屬層與一觸控訊號同步，致使該感測元件層與該金屬層之間無電容效應產生而感測到一第一 電容變化量；當該自電容觸控與壓力感測裝置操作於該自電容壓力感測模式時，將該金屬層接地，致使該感測元件層與該金屬層之間有電容效應產生而感測到一第二電容變化量；以及根據該第一電容變化量與該第二電容變化量得到一第三電容變化量。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之自電容觸控與壓力感測方法，其中該第一電容變化量僅包含觸控所造成之電容變化量。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之自電容觸控與壓力感測方法，其中該第二電容變化量包含觸控所造成之電容變化量與壓力所造成之電容變化量。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之自電容觸控與壓力感測方法，其中該處理模組係將該第二電容變化量減去該第一電容變化量而得到該第三電容變化量。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之自電容觸控與壓力感測方法，其中該第三電容變化量僅包含壓力所造成之電容變化量。
  16. 如申請專利範圍第11項所述之自電容觸控與壓力感測方法，其中該金屬層係為整片或圖案化之形式。
  17. 如申請專利範圍第11項所述之自電容觸控與壓力感測方法，其中該自電容觸控與壓力感測裝置進一步包含一光學導電層，設置於該金屬層與該空氣間隔層之間。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之自電容觸控與壓力感測方法，其中該光學導電層係為整片或圖案化之形式。
  19. 如申請專利範圍第11項所述之自電容觸控與壓力感測方法，其中該自電容觸控與壓力感測裝置係應用於一自電容觸控面板。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之自電容觸控與壓力感測方法，其中該自電容觸控面板係具有一內嵌式(In-cell)疊構、一On-cell疊構或一Out-cell疊構。
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