TWI381043B - Ion dielectric type touch sensor and device thereof - Google Patents

Description

離子介電型觸控感測器及其裝置

本發明係關於一種感測器及其裝置之設計，特別是關於一種離子介電型之觸控感測器及其裝置。

觸控感測器是一種感測元件或是系統，藉由感測器與待測物體的直接接觸，所產生的物理效應，可以測得接觸時的狀態與待測物體表面的物理性質，其應用領域非常地廣泛。例如為單一觸控感測器可以用來當作開關，若是二維觸控感測器就可以得到一觸覺影像(tactile image)，例如在機器人上，觸控感測器是控制機器人動作，譬如抓取物體，是運動時不可缺少的感測器。在資訊電腦領域方面，觸控感測器結合顯示器就可以做為一觸控輸入裝置，也就是所謂的觸控面板(Touch Panel)，目前已廣泛地運用於家電、通訊、電子資訊等產品應用上。如目前廣泛商用之個人數位助理(PDA)、各種家電設備、遊戲輸入介面等。藉由觸控感測器結合顯示器，可供使用者以手指或觸控筆依照顯示畫面上之功能選項點選輸入所欲執行之動作如個人數位助理、各種家電設備、遊戲輸入介面，並且被利用到大眾系統查詢工具等，以提供便民效果之作業系統。

觸控感測器主要分為兩大類，即數位式觸控感測器與類比式觸控感測器，數位式觸控感測器之觸控表面係分隔成多個分散部位，每一分散部位被觸控到時即會產生一分散信號 。因此，數位式觸控感測器之感應分解度係限定於辨識被手指或電子筆接觸到之特定分隔部份。相反地，由類比式觸控感測器發出之信號非分散信號，其感應分解度僅受限於類比式觸控感測器之整體感應靈敏度以及其控制之電子電路。

此外，數位式觸控感測器與類比式觸控感測器更包括有電阻性觸控感測器、電容性觸控感測器、聲音感測器以及光學感測器，其中現今最被廣泛運用在觸控感測器上係為電阻性觸控感測技術與電容性觸控感測技術。

電容性觸控感測器係有一層電阻塗層直接沉積在一固態絕緣基底上，此基底通常是以玻璃製成，設置在基底角落上的各電極乃在電阻塗層上建立一電場，再藉由一控制器連接至各電極，用以監測流經每一電極之電流量，當人的手指或一觸控物與電極之間形成電容耦合現象，此一耦合現象可使一少量電流流經電阻塗層和每一電極。經由使用人身體和接地點之間的電容耦合性關係乃構成電流流回控制器之路徑，控制器再根據流經每一電極之電流量來計算該接觸點之座標位置。

電阻性觸控感測器係使用裝設在一基底上之一層可撓性薄膜。在可撓性薄膜和基底另一側表面上係塗敷一層透明電導性薄膜，有若干絕緣點狀間隔器佈設在前述可撓性薄膜和基底之間。當操作者觸碰可撓性薄膜時，可撓性薄膜係與透明電導性薄膜接觸。此一接觸動作使電流在薄膜和基底之間流動，再藉由一控制器比較不同電極或印刷在各電導性表面上之匯流排上流動之電流的方法，辨認薄膜和基底兩者之 接觸點。

然而，習知電阻性觸控感測器之機械強度不強，損壞率也較高，容易導致觸電。且習知電阻性觸控感測器之界面穩定性較差，容易發生偵測位置不準確，感測誤差度較高之問題。此外，使用壽命不長、室溫下導電度不佳、薄膜與電極界面之間不夠穩定也是其為人詬病等缺點。

緣此，本發明之一目的即是提供一種離子介電型觸控感測器，藉由離子介電型觸控感測器，來改善習知觸控感測器之導電介面不夠穩定所造成感應信號誤差大之缺點。

本發明之另一目的是提供一種離子介電型觸控感測裝置，藉由結合離子介電型觸控感測器，使其應用在一電子裝置上。

本發明為解決習知技術之問題所採用之技術手段係為一種離子介電型觸控感測器，用以感測一觸控物件在離子介電型觸控感測器之一觸控動作。離子介電型觸控感測器包括有一基板、一第一電極、一第二電極、一介電材料層。基板具有一電極結合面，第一電極與第二電極配置於基板之電極結合面，且第二電極係鄰近於第一電極。介電材料層係佈設在基板之電極結合面並且將第一電極及第二電極予以包覆。 當觸控物件觸壓於離子介電型觸控感測器之介電材料層時，會使得第一電極與第二電極之間之電阻之電阻值發生變化，並由一連接於第一電極與第二電極之感測電路感測出電阻值之改變。

經由本發明所採用之技術手段，其離子介電型觸控感測器之介電材料層係為至少一高分子電解質所組成，高分子電解質具有低遲滯效應(Hysteresis)、高離子導電度、低電阻值等優點，且因為高分子電解質具備熱穩定性及尺寸安定性，故可耐較高之逆電壓，所以不會有因過電壓等使用不當，而造成離子介電型觸控感測器爆炸等危險，安全性也較高。

由於離子的傳導機制係發生在高分子的非結晶區，由本發明所採用之介電材料之製備方法，改善觸控感測器之介電材料層之機械強度、界面穩定性，使其獲得最佳的導電機制與組成，比對傳統的觸控感測器可有效改善習知觸控感測器所存在感應訊號誤差大、導電度不佳之問題。

本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及附呈圖式作進一步之說明。

參閱第1圖所示，其係顯示本發明第一實施例之示意圖。本發明之離子介電型觸控感測器1包括有一基板11、一第一電極12a、一第二電極12b、一介電材料層13。離子介 電型觸控感測器1之基板11具有一電極結合面111。第一電極12a與第二電極12b配置於基板11之電極結合面111，且第二電極12b係鄰近於第一電極12a。如圖所示，離子介電型觸控感測器1之介電材料層13係佈設在基板11之電極結合面111，且介電材料層13將第一電極12a及第二電極12b予以包覆。

其中離子介電型觸控感測器1之介電材料層13係為至少一種高分子電解質(Polymer Electrolyte)所組成，凡具有該領域者皆能輕易得知，高分子電解質之主要功能係提供正負離子在正、負電極間之傳導，在本發明中，正離子可為氫離子(H^＋ )、銨離子(NR₄ ^＋ )、化學元素週期表中IA及IIA族離子，如鋰離子(Li^＋ )、鈉離子(Na^＋ )、鉀離子(K^＋ )、鎂離子(Mg^2＋ )、鈣離子(Ni^2＋ )等、化學元素週期表中B族離子，如銅離子(Cu^2＋ )、鎳離子(Ni^2＋ )、鋅離子(Zn^2＋ )等，負離子則可以為化學元素週期表中VIIA族離子，如氟離子(F^－ )、氯離子(Cl^－ )、溴離子(Br^－ )、碘離子(I^－ )等、四氟化硼(BF₄ ^－ )、六氟化磷(PF₆ ^－ )、硝酸根離子(NO₃ ^－ )、硫酸根離子(SO₄ ^2－ )等。高分子本體亦可含有正離子或負離子的官能基，如磺酸基(sulfonyl group)、羧基(Carboxyl group)、銨基(ammonium group)。為了減少信號傳遞的誤差，高分子電解質必須具有高離子導電度、低電子導電度及高化學穩定性等特性。由於正負離子是經由高分子非結晶區之路徑移動來導電及傳遞訊號，為了降低高分子電解質之結晶性，在本發明中，離子介電型觸控感測器1之介電材料層13之介電材料包括一有機高分子(Organic polymer)，由有機高分子與高分子電解質混合形成介電材料層13。或者包括一矽高分子(Silicon polymer)，由矽高分子與高分子電解質混合形成介電材料層13。或者由複數個單體(Monomer)所聚合成之一共聚合高分子(Co－polymer)，由共聚合高分子形成介電材料層13，或者介電材料層13更可包括一黏著劑(Adhesive material)，由黏著劑與高分子電解質混合形成介電材料層13。

當然，上述所提之方法，僅為本發明之介電材料層組成之其中數種，只要符合本發明所述之技術特徵，即屬於本發明所申請保護之範圍內，熟悉此技藝者亦可採用其它符合本發明之其他合成材料來達到此一目的，故在此不予贅述。

同時參閱第2圖與第3圖所示，第2圖係顯示本發明第一實施例之以手指碰觸離子介電型觸控感測器之示意圖。第3圖係顯示第2圖之等效電路圖。介電材料層13、第一電極12a、第二電極12b及一觸控物件2分別具有一電阻R1、一電阻R2、一電阻R3、一電阻R4，如第3圖所示，電阻R2、電阻R3、電阻R4之關係係為串聯，其中第一電極12a與第二電極12b之間之等效電阻(以R表示)，此時等效電阻與電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4之關係，如下所示：R＝R1(R2＋R3＋R4)/[R1＋(R2＋R3＋R4)]即等效電阻為電阻R2、電阻R3、電阻R4串聯後與電阻R1並聯。

當觸控物件2觸壓於離子介電型觸控感測器1之介電材料層13時，會使得第一電極12a與第二電極12b之間之等效電阻 之電阻值改變，並由一連接於第一電極12a與第二電極12b之一感測電路3感測出等效電阻之電阻值之變化。

其中觸控物件2係為一導體，在本實施例中則為一手指，故觸控物件2具有電阻R4。當然，觸控物件2可為其他物件，例如金屬導體或水滴或含水物件，由於金屬導體之電阻值近似為零，故當觸控物件2係為金屬導體並且觸壓於離子介電型觸控感測器1之介電材料層13時，可以不需考慮觸控物件2之電阻R4，即第一電極12a與第二電極12b之間之等效電阻與電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4之關係，如下所示：R＝R1(R2＋R3)/[R1＋(R2＋R3)]即等效電阻為電阻R2與電阻R3串聯後與電阻R1並聯。

同時參閱第4圖與第5圖所示，第4圖係顯示本發明第二實施例之示意圖。第5圖係顯示本發明第二實施例之以手指碰觸離子介電型觸控感測器之示意圖。此一實施例之離子介電型觸控感測器1a之組成裝置大致上與前述第一實施例相同，故相同之元件乃標示以相同之元件編號，以資對應。其差異在於本實施例之介電材料層13更包括一第一介電材料層13a及一第二介電材料層13b，第一介電材料層13a係包覆於第一電極12a，第二介電材料層13b係包覆於第二電極12b。由於離子介電型觸控感測器1a之結合方法與觸控物件2對於離子介電型觸控感測器1a所造成之作用變化係與 前述之第一實施例相同，故在此不與贅述。

參閱第6圖所示，其係顯示本發明之第三實施例之示意圖。在第三實施例中係為一種結合離子介電型觸控感測器1之電子裝置4，譬如觸控面板、水滴偵測、雨滴偵測、水位偵測。電子裝置4具有一電極結合面41，而離子介電型觸控感測器1則包括有一電極陣列12、一介電材料層13，其中電極陣列12包括有複數個交錯排列之第一電極12a及第二電極12b，電極陣列12係設於電子裝置4之電極結合面41，且介電材料層13係佈設在電極結合面41並且將電極陣列12之第一電極12a及第二電極12b予以包覆。當然，上述所提之應用實施例，僅為本發明之結合離子介電型觸控感測器1之其中一種裝置，只要符合本發明所述之技術特徵，即屬於本發明所申請保護之範圍內，熟悉此技藝者亦可採用其它符合本發明之裝置來達到此一目的，其為一般習此技藝者可以了解，故在此不予詳述。

由以上之實施例可知，本發明所提供之離子介電型觸控感測器及其裝置確具產業上之利用價值，故本發明業已符合於專利之要件。惟以上之敘述僅為本發明之較佳實施例說明，凡精於此項技藝者當可依據上述之說明而作其它種種之改良，惟這些改變仍屬於本發明之發明精神及以下所界定之專利範圍中。

1、1a‧‧‧離子介電型觸控感測器

11‧‧‧基板

111‧‧‧電極結合面

12‧‧‧電極陣列

12a‧‧‧第一電極

12b‧‧‧第二電極

13‧‧‧介電材料層

13a‧‧‧第一介電材料層

13b‧‧‧第二介電材料層

2‧‧‧觸控物件

3‧‧‧感測電路

4‧‧‧電子裝置

41‧‧‧電極結合面

R1、R2、R3、R4‧‧‧電阻

第1圖係顯示本發明第一實施例之示意圖； 第2圖係顯示本發明第一實施例之以手指碰觸離子介電型觸控感測器之示意圖；第3圖係顯示第2圖之等效電路圖；第4圖係顯示本發明第二實施例之示意圖；第5圖係顯示本發明第二實施例之以手指碰觸離子介電型觸控感測器之示意圖；第6圖係顯示本發明之第三實施例之示意圖。

1‧‧‧離子介電型觸控感測器

11‧‧‧基板

111‧‧‧電極結合面

12a‧‧‧第一電極

12b‧‧‧第二電極

13‧‧‧介電材料層

Claims (7)

1. 一種離子介電型觸控感測器，用以感測一觸控物件在該離子介電型觸控感測器之一觸控動作，包括：一基板，具有一電極結合面；一第一電極，配置於該基板之電極結合面；一第二電極，配置於該基板之電極結合面且鄰近於該第一電極；一介電材料層，包括至少一種高分子電解質，該介電材料層係佈設在該基板之電極結合面並且將該第一電極及該第二電極予以包覆，使該第一電極與該第二電極之間定義出一電阻值；當該觸控物件觸壓於該離子介電型觸控感測器之介電材料層時，使該第一電極與該第二電極之間之電阻值改變，並由一連接於該第一電極與該第二電極之感測電路感測出該電阻值之改變。
2. 如申請專利範圍第1項所述之離子介電型觸控感測器，其中該介電材料層更包括一有機高分子，由該有機高分子與該高分子電解質混合形成該介電材料層。
3. 如申請專利範圍第1項所述之離子介電型觸控感測器，其中該介電材料層更包括一矽高分子，由該矽高分子與該高分子電解質混合形成該介電材料層。
4. 如申請專利範圍第1項所述之離子介電型觸控感測器，其中該高分子電解質更包括由複數個單體所聚合成之一共聚合高分子，由該共聚合高分子形成該介電材料層。
5. 如申請專利範圍第1項所述之離子介電型觸控感測器，其中該介電材料層更包括一黏著劑，由該黏著劑與該高分子電解質混合形成該介電材料層。
6. 如申請專利範圍第1項所述之離子介電型觸控感測器，其中該介電材料層更包括一第一介電材料層及一第二介電材料層，該第一介電材料層係包覆於該第一電極，該第二介電材料層係包覆於該第二電極。
7. 一種結合離子介電型觸控感測器之電子裝置，包括：一電子裝置，具有一電極結合面；一離子介電型觸控感測器，包括：一電極陣列，包括複數個交錯排列之第一電極及第二電極，該電極陣列係佈設於該電極結合面；一介電材料層，包括至少一種高分子電解質，該介電材料層係佈設在該電極結合面並且將該電極陣列之第一電極及第二電極予以包覆，使該電極陣列之第一電極與第二電極之間定義出一電阻值；當一觸控物件觸壓於該離子介電型觸控感測器之介電材 料層時，使該第一電極與該第二電極之間之電阻值改變，並由一連接於該第一電極與該第二電極之感測電路感測出該電阻值之改變。