TWI409674B - 具多輸入訊息之微型觸控裝置 - Google Patents

Description

具多輸入訊息之微型觸控裝置

本發明係關於一種微型觸控裝置，尤其關於一種具多輸入訊息之微型觸控裝置。

具有觸控輸入功能的裝置，例如筆記型電腦的觸控板(Touch pad)，或者個人數位助理(PDA)、PDA行動電話(PDA phone)、智慧型行動電話(Smart phone)等的觸控螢幕(Touch screen)，其觸控功能主要是依據兩種技術達成，一種為電阻式，另一種為電容式。電阻式觸控裝置的觸控功能可以應用於任何物體的接觸，例如觸控筆或者手指的接觸，但是其缺點為同時僅能有一接觸點，例如一隻手指的接觸視為單一訊息的輸入。而電容式觸控裝置的技術優點在於可以同時接受兩點以上的輸入以組合成更多功能的應用，例如將兩隻手指同時放置於其上可以視為兩個訊息的輸入，作相互間的離開或靠近的功能，以驅動使用者的人機介面，例如將照片放大或縮小。然而電容式觸控裝置最大的缺點為無法適用於一般的物體，例如觸控筆，同時如果要有大於兩點以上的輸入，則需要三隻手指同時接觸，使用上非常困難。並且，電容式觸控裝置只能適用於手指等具有靜電功能的物體，限制了其應用，而且電容式的觸控裝置無法使用於有水的環境。

再者，上述兩技術都是巨觀的應用，例如以手指使 用觸控裝置時時，一隻手指的接觸僅能視為一接觸點，無法更進一步解析到每一手指皮膚的紋路，以藉此產生更多的訊息。而且隨著電子產品輕薄短小的趨勢，觸控裝置的微小化更是一重要趨勢。

而在產品構造上，習知的電阻或電容式觸控裝置可以分為二部分，一為觸控感測元件，另一部分的觸控感測積體電路(IC)，進而將二者組裝在一起。觸控感測元件係製作於例如玻璃基板或其他高分子基板，因此不易與IC整合製作於其上，不利於成本的下降，且組裝後的尺寸也大，不易縮小。

因此，提供一種具多輸入訊息之微型觸控裝置，利用單一手指即可以達到多輸入訊息，並且可以使用於手指或任何物體的接觸使用，而且完全不怕水的干擾，達到輕薄短小的裝置，實為本發明所欲實現的解決方案。

本發明之一個目的係提供一種具多輸入訊息之微型觸控裝置，其能解決習知指紋感測器無法感測濕手指的問題，且具有被提高之靈敏度。

為達上述目的，本發明提供一種具多輸入訊息之微型觸控裝置，其至少包含一矽基板、複數個感測元以及一組積體電路。矽基板具有一正面及一背面。此等感測元位於矽基板之正面上，用以感測一物體之不同部分接觸於此等感測元上之複數個物理量變化，並產生複數個 電訊號。此等感測元至少包含複數個下導體層、一支撐結構層及一懸浮觸控層。此等下導體層位於矽基板之正面。支撐結構層位於矽基板之正面及各下導體層之周圍。懸浮觸控層位於此等下導體層之上方以及支撐結構層上，懸浮觸控層與各下導體層之間形成一間隙，各懸浮觸控層係可被物體之此等不同部分接觸以產生物理量變化。此組積體電路係形成於矽基板之正面，並電連接至各感測元，藉以處理此等電訊號，以產生多輸入訊息。

為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖1顯示依據本發明較佳實施例之微型觸控裝置之局部分解立體示意圖。圖2顯示依據本發明較佳實施例之微型觸控裝置之應用之一。如圖1與2所示，本發明之微型觸控裝置1係被應用於一筆記型電腦2中，用以控制筆記型電腦2之滑鼠游標3的移動，亦可以控制水平及垂直卷軸的移動，也可以感受手指的單擊或雙擊的功能。本發明之微型觸控裝置最大的特色為其尺寸約略為手指大小或小於手指，不同於傳統的觸控裝置尺寸都遠大於手指的尺寸。其優點為，不佔據產品外觀太多面積，可讓產品更容易設計，擁有更美麗的外觀，再者使用時只要單隻手指只要輕微移動即可，相當省力。

同時，本發明之微型觸控裝置1係由相當微小的感測元組成之陣列，其感測手指移動方式為判斷紋路的移 動，也就是說本裝置具有多訊息的輸入功能，其訊息涵蓋到手指的部分或全部紋路，完全與傳統技術(單一手指只有單一訊息)不同。為此，本發明微型觸控裝置也可以同時作為手指指紋感測裝置，亦或位於手指皮下其他生物資訊的感測，例如微血管的熱像，血流量，血液帶氧量等。再者，本發明裝置的感測元可以感受例如手指的壓力，當然也可以作為一般的壓力量測，例如大氣壓力或者人體血壓或物體觸擊時的壓力判斷，因此除了達成多輸入訊息的觸控功能外，也是多功能應用的裝置。

再者，本發明裝置每一感測元之外露面為一獨立的懸浮結構，透過固定支撐點連接於一基板上。受到外來物體的接觸而產生物理量變化，該懸浮結構可以因物體的接觸產生形變或沒有形變，該物理量變化可以涵蓋壓力，溫度，光、電及磁等。

圖3與4顯示依據本發明較佳實施例，藉由壓力物理量變化及懸浮結構形變來實施之單一感測元之側視圖。這兩個例子的感測元都可以應用於以下的三個實施例中之微型觸控裝置。

圖5顯示依據本發明第一實施例之微型觸控裝置之側視圖。如圖5與3所示，本發明之一種具多輸入訊息之微型觸控裝置1至少包含一矽基板10、複數個感測元20及一組積體電路30。

矽基板10具有一正面10F及一背面10B。

此等感測元20位於矽基板10之正面10F上，用以感測一物體F之不同部分接觸於該等感測元20上之複數 個物理量變化，並產生複數個電訊號。此等感測元20至少包含複數個下導體層21、一支撐結構層22及一懸浮觸控層23(懸浮結構層)。此等下導體層21位於矽基板10之正面10F。支撐結構層22位於矽基板10之正面10F及各下導體層21之周圍。懸浮觸控層23位於此等下導體層21之上方以及支撐結構層22上，懸浮觸控層23與各下導體層21之間形成一間隙AG，各感測元20之各懸浮觸控層23係可被該物體F之該等不同部分接觸以產生該物理量變化，並進而轉變成電訊號。懸浮觸控層23於未受壓變形時具有一全平面。亦即，本發明的設計可以使得微型觸控裝置1與物體之一接觸面為一完全平面。每一感測元20可以具有一獨立的懸浮觸控層20，或所有感測元20可以共用一懸浮觸控層20。懸浮觸控層23可以是一導體層或一非導體層，或至少包含一導體層與一非導體層。

此組積體電路30形成於矽基板10之正面10F，並電連接至各感測元20，藉以處理複數個電訊號，以產生多輸入訊息。

此外，微型觸控裝置1可以更包含複數個上連接墊40。此等上連接墊40位於矽基板10之正面10F上，且電連接至此組積體電路30。微型觸控裝置1可以更包含複數個下連接墊70，其形成於絕緣層60之一背面60B。此等上連接墊40及此等下連接墊70可以透過數條引線來達成電連接。

於本實施例中此等感測元20之此等間隙AG彼此相 通。然而，於其他實施例中，此等感測元20之此等間隙AG亦可以彼此不連通。

圖6顯示依據本發明第二實施例之微型觸控裝置之側視圖。如圖6所示，本實施例之微型觸控裝置1可以更包含複數個貫通電極50及絕緣層60。此等貫通電極50貫通矽基板10並分別電連接至此等上連接墊40。絕緣層60位於此等上連接墊40與矽基板10之間，矽基板10之背面10B上，以及此等貫通電極50與矽基板10之間。絕緣層60之材料至少包含氧化矽、介電材料或高分子絕緣材料。

再者，微型觸控裝置1可以更包含複數個下連接墊70，其形成於絕緣層60之一背面60B，此等下連接墊70係分別透過此等貫通電極50而電連接至此等上連接墊40。或者，可以將絕緣層60視為是矽基板10之一部分。於此狀況下，下連接墊70可以被視為是形成於矽基板之背面。

又，微型觸控裝置1可以更包含一填充層80，其填充於矽基板10之正面10F上以及懸浮觸控層23之間，用以覆蓋此等上連接墊40及部分的矽基板10之正面10F。

此外，微型觸控裝置1可以更包含複數個焊料凸塊90，其分別電連接至此等下連接墊70且位於此等下連接墊70之一背面70B。

第二實施例藉由貫通電極的設計，可以使得整個微型觸控裝置(包含感測元及周邊積體電路)具有完全的平 面外觀，以利於電子產品的設計。

於第一與第二實施例中，感測元的量測方式說明如下。當使用者將手指F或其他物體置放在微型觸控裝置上時，如圖3所示，微型觸控裝置中的某些感測元20被手指F的紋峰F_ridge壓下而變形。手指F可以被視為一個導體，其與下導體層21的距離決定了一電容，藉由將對應此電容的電訊號讀出，即可判斷每一個感測元的受壓狀態。因此，微型觸控裝置可以讀出手指F的指紋。當手指F滑動時，此組積體電路或額外計算裝置或方法可以運算出手指F於兩個時間點之間的相對運動，藉以進行控制滑鼠游標移動的功能。由於兩個時間的所得到的資料為陣列資料，因此判斷結果可以更加精準。此外，安裝有本發明之微型觸控裝置亦不需要再額外安裝指紋感測器，而具有節省成本的優點。

圖7顯示依據本發明第三實施例之微型觸控裝置之側視圖。如圖7所示，本實施例之微型觸控裝置1之此等感測元20可以更包含複數個上導體層24，其連接至懸浮觸控層23，並分別對應至此等下導體層21，其中，此等上導體層24可以被視為懸浮觸控層23之全部或一部分。此等上導體層24係位於懸浮觸控層23之一背面23B而直接分別面對此等下導體層21。或者，於其他實施例中，此等上導體層24可以位於懸浮觸控層23之一正面23F或位於懸浮觸控層23中。

懸浮觸控層23及此等上導體層24之組合，在本實施例中係為一軟性電路板(Flexible printed circuit board)，軟性電路板係由金屬線路及譬如聚亞醯胺(polyimide)之高分子材料層所形成。金屬線路及高分子材料層可以是單層或多層，透過金屬層的佈局可以達成上述懸浮觸控層23及上導體層24的設計。然而，本發明並未受限於此，懸浮觸控層23及此等上導體層24可以利用半導體標準製程來形成。

於第三實施例中，感測元的量測方式說明如下。當使用者將手指F或其他物體置放在微型觸控裝置上時，如圖4所示，微型觸控裝置中的某些感測元20被手指F的紋峰F_ridge壓下而變形。上導體層24與下導體層21的距離決定了一電容，藉由將對應此電容的電訊號讀出，即可判斷每一個感測元的受壓狀態。因此，微型觸控裝置可以讀出手指F的指紋。當手指F移動時，此組積體電路或額外計算裝置或方法可以運算出手指F於兩個時間點之間的相對運動，藉以進行控制滑鼠游標移動的功能。由於兩個時間的所得到的資料為兩組多訊息圖像資料，因此判斷結果可以更加精準。此外，安裝有本發明之微型觸控裝置亦不需要再額外安裝指紋感測器，而具有節省成本的優點。

值得注意的是，圖5至7的絕緣層60可以利用單一步驟下形成，或可以利用多重步驟來形成。當絕緣層60是利用多重步驟形成時，其材料可以是同一種材料或不同種材料。

圖8顯示依據本發明第四實施例之微型觸控裝置之側視圖。如圖8所示，本實施例係類似於第一實施例， 不同之處在於懸浮觸控層23係為一軟性電路板，其具有複數個輸入連接墊231、複數條導體連線232及複數個輸出連接墊233。輸入連接墊231電連接至上連接墊40，導體連線232將輸出連接墊233電連接至輸入連接墊231。

圖9顯示依據本發明之各實施例之積體電路的方塊圖。如圖9所示，此組積體電路30至少包含一放大器32、一類比/數位轉換器33、一處理電路34、一輸入/輸出介面35及一控制邏輯31。

放大器32電連接至此等感測元20。類比/數位轉換器33電連接至放大器32。處理電路34電連接至類比/數位轉換器33。輸入/輸出介面35電連接至處理電路34。控制邏輯31電連接至此等感測元、放大器32、類比/數位轉換器33、處理電路34及輸入/輸出介面35，用以控制其運作。該處理電路在本實施例中更可以包含一運算裝置及方法以及暫存相關資料的記憶體，以使得上述所有該物體的移動或觸擊都可以即時在此計算，最後僅將計算結果以簡單的格式輸出，例如滑鼠裝置的通訊格式。

圖10顯示依據本發明較佳實施例之微型觸控裝置之應用之二。如圖10所示，本發明之微型觸控裝置1係被應用於一行動裝置4，例如行動電話中，用以控制行動裝置4之選項的移動，亦可以控制水平及垂直卷軸的移動或者全方向之移動，也可以感受手指的單擊或雙擊的功能。

由於微型觸控裝置的表面是可以變形以感測受壓狀 態，所以手指是否有潮濕並不會影響到每個感測元的受壓狀態。因此藉由本發明之微型觸控裝置，可以解決部分技術(例如電容式)無法感測濕手指的問題，且可以有效提高靈敏度。

本發明之另一優點為在組裝於PCB上面時所佔的面積相當小(比手指小或約略等於手指大小)，約略相等於整個感測晶片電路設計的實際面積，這對現在電子產品強調的輕薄短小是很重要的。簡而言之，本發明裝置藉由貫通電極設計將矽基板正面設計為手指接觸感測面，而矽基板背面設計為與PCB組裝的接觸面，因此非常適合應用於小型電子設備(行動電話)上。

在較佳實施例之詳細說明中所提出之具體實施例僅用以方便說明本發明之技術內容，而非將本發明狹義地限制於上述實施例，在不超出本發明之精神及以下申請專利範圍之情況，所做之種種變化實施，皆屬於本發明之範圍。

F‧‧‧手指/物體

AG‧‧‧間隙

F_ridge‧‧‧紋峰

1‧‧‧微型觸控裝置

2‧‧‧筆記型電腦

3‧‧‧滑鼠游標

4‧‧‧行動裝置

10‧‧‧矽基板

10B‧‧‧背面

10F‧‧‧正面

20‧‧‧感測元

21‧‧‧下導體層

22‧‧‧支撐結構層

23B‧‧‧背面

23F‧‧‧正面

23‧‧‧懸浮觸控層

231‧‧‧輸入連接墊

232‧‧‧導體連線

233‧‧‧輸出連接墊

24‧‧‧上導體層

30‧‧‧積體電路

31‧‧‧控制邏輯

32‧‧‧放大器

33‧‧‧類比/數位轉換器

34‧‧‧處理電路

35‧‧‧輸入/輸出介面

40‧‧‧上連接墊

50‧‧‧貫通電極

60‧‧‧絕緣層

60B‧‧‧背面

70‧‧‧下連接墊

70B‧‧‧背面

80‧‧‧填充層

90‧‧‧焊料凸塊

圖1顯示依據本發明較佳實施例之微型觸控裝置之局部分解立體示意圖。

圖2顯示依據本發明較佳實施例之微型觸控裝置之應用之一。

圖3顯示依據本發明較佳實施例之感測元之側視圖之一例。

圖4顯示依據本發明較佳實施例之感測元之側視圖之另一例。

圖5顯示依據本發明第一實施例之微型觸控裝置之側視圖。

圖6顯示依據本發明第二實施例之微型觸控裝置之側視圖。

圖7顯示依據本發明第三實施例之微型觸控裝置之側視圖。

圖8顯示依據本發明第四實施例之微型觸控裝置之側視圖。

圖9顯示依據本發明之各實施例之積體電路的方塊圖。

圖10顯示依據本發明較佳實施例之微型觸控裝置之應用之二。

F‧‧‧手指/物體

AG‧‧‧間隙

1‧‧‧微型觸控裝置

10‧‧‧矽基板

10B‧‧‧背面

10F‧‧‧正面

20‧‧‧感測元

21‧‧‧下導體層

22‧‧‧支撐結構層

23B‧‧‧背面

23F‧‧‧正面

23‧‧‧觸控層

24‧‧‧上導體層

30‧‧‧積體電路

40‧‧‧上連接墊

50‧‧‧貫通電極

60‧‧‧絕緣層

60B‧‧‧背面

70‧‧‧下連接墊

70B‧‧‧背面

80‧‧‧填充層

90‧‧‧焊料凸塊

Claims (19)

1. 一種具多輸入訊息之微型觸控裝置，至少包含：一矽基板，其具有一正面及一背面；複數個感測元，位於該矽基板之該正面上，用以感測一物體之不同部分接觸於該等感測元上之複數個物理量變化，並產生複數個電訊號，該等感測元至少包含：複數個下導體層，位於該矽基板之該正面；一支撐結構層，位於該矽基板之該正面及各該下導體層之周圍；及一懸浮觸控層，位於該等下導體層之上方以及該支撐結構層上，該懸浮觸控層與各該下導體層之間形成一間隙，各該懸浮觸控層係可被該物體之該等不同部分接觸以產生該物理量變化；以及一組積體電路，形成於該矽基板之該正面，並電連接至各該感測元，藉以處理該複數個電訊號，以產生多輸入訊息。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具多輸入訊息之微型觸控裝置，更包含：複數個上連接墊，位於該矽基板之該正面上，且電連接至該組積體電路。
3. 如申請專利範圍第2項所述之具多輸入訊息之微型觸控裝置，更包含：複數個貫通電極，其貫通該矽基板並分別電連接至該等上連接墊；及一絕緣層，位於該等上連接墊與該矽基板之間，該 矽基板之該背面上，以及該等貫通電極與該矽基板之間，以使得該微型觸控裝置與該物體之一接觸面為一完全平面。
4. 如申請專利範圍第3項所述之具多輸入訊息之微型觸控裝置，更包含：複數個下連接墊，形成於該絕緣層之一背面，該等下連接墊係分別透過該等貫通電極而電連接至該等上連接墊。
5. 如申請專利範圍第4項所述之具多輸入訊息之微型觸控裝置，更包含：一填充層，填充於該矽基板之該正面上以及該懸浮觸控層之間，用以覆蓋該等上連接墊。
6. 如申請專利範圍第4項所述之具多輸入訊息之微型觸控裝置，更包含：複數個焊料凸塊，分別電連接至該等下連接墊且位於該等下連接墊之一背面。
7. 如申請專利範圍第4項所述之具多輸入訊息之微型觸控裝置，其中該絕緣層之材料包含氧化矽、介電材料或高分子絕緣材料。
8. 如申請專利範圍第1項所述之具多輸入訊息之微型觸控裝置，其中該組積體電路至少包含：一放大器，電連接至該等感測元；一類比/數位轉換器，電連接至該放大器；一處理電路，電連接至該類比/數位轉換器；一輸入/輸出介面，電連接至該處理電路；及 一控制邏輯，電連接至該等感測元、該放大器、該類比/數位轉換器、該處理電路及該輸入/輸出介面，用以控制其運作。
9. 如申請專利範圍第1項所述之具多輸入訊息之微型觸控裝置，其中該等感測元更包含：複數個上導體層，其連接至該懸浮觸控層，並分別對應至該等下導體層。
10. 如申請專利範圍第9項所述之具多輸入訊息之微型觸控裝置，其中該等上導體層係位於該懸浮觸控層之一正面。
11. 如申請專利範圍第9項所述之具多輸入訊息之微型觸控裝置，其中該等上導體層係位於該懸浮觸控層之一背面而直接分別面對該等下導體層。
12. 如申請專利範圍第9項所述之具多輸入訊息之微型觸控裝置，其中該等上導體層係位於該懸浮觸控層中。
13. 如申請專利範圍第9項所述之具多輸入訊息之微型觸控裝置，其中該懸浮觸控層及該等上導體層之組合係為一軟性電路板(Flexible printed circuit board)。
14. 如申請專利範圍第13項所述之具多輸入訊息之微型觸控裝置，其中該懸浮觸控層為一軟性電路板(Flexible printed circuit board)，其包含：複數個輸入連接墊，分別電連接至該等上連接墊；複數條導體連線，分別電連接至該等輸入連接墊；及 複數個輸出連接墊，分別電連接至該等導體連線。
15. 如申請專利範圍第1項所述之具多輸入訊息之微型觸控裝置，其中該等感測元之該等間隙彼此相通。
16. 如申請專利範圍第1項所述之具多輸入訊息之微型觸控裝置，其中該等感測元之該等間隙彼此不連通。
17. 如申請專利範圍第1項所述之具多輸入訊息之微型觸控裝置，其中該物理量變化係為壓力變化。
18. 如申請專利範圍第1項所述之具多輸入訊息之微型觸控裝置，其中該物體為一手指。
19. 如申請專利範圍第1項所述之具多輸入訊息之微型觸控裝置，其中該懸浮觸控層係為一導體層。