TWI417775B - 二維位置感測器 - Google Patents

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Description

二維位置感測器
本發明是有關於一種用以決定一在一二維感測區域內之物件的位置之電容性位置感測器。
二維觸敏位置感測器的使用日益普遍。這些範例包含在膝上型電腦內使用位置感測器而取代滑鼠標指裝置，作為控制面板用以接收使用者輸入俾控制某一裝置，或者特別是作為一種具有X－Y座標輸出的玻璃觸控螢幕裝置。有些裝置會要求透晰的感測層，因此可在該螢幕下觀看一顯示畫面，而其他者僅要求一不透明觸控表面，例如對於在一廚房裝置或一PC週邊設備上的鍵板。
對於機械裝置而言，觸敏位置感測器通常為較偏好者，因為該等可提供較為強固的介面，且通常是被視為較為美觀。此外，由於觸敏位置感測器不會要求使用者須存取到移動零件，因此相較於機械性的同等元件該等較不易於磨損，並且可經供置於一經封嵌外部表面內。這使得該等在有污物或液體進入一受控裝置內之風險方面的運用特別地吸引人。
有眾多技術確牽涉到2D觸控面板及螢幕。可將該等概略區分為兩個類別：該等可回報一具有或多或少連續性質之X－Y座標者(「XY」型式)，以及該等具備一擁有一由一實體幾何性所固定之預設按鍵區域的離散感測表面者(「離散」型式)。該XY型式者主要是運用在LCD或其他型式之顯示器，而後者則是應用於固定功能按鍵面板。對此確有例外，即如膝上型電腦上的觸控平板表面可回報XY位置，然卻為不透明。XY型式者不變地涉及到一在該觸摸區域之一使用者側或「第一表面」上的感測表面。例如，連續性的電阻及電容性觸控螢幕兩者皆牽涉到一感測層，此者必須被使用者所實體按壓或幾乎是直接地碰觸，或者最多是透過一絕緣薄層(即如在滑鼠觸控平板內)。這些型式者要求產品具有一鑿刻開口，藉以讓該使用者能夠直接地或近似直接地接觸到該感測層。這些型式之裝置的一項顯著缺點，即在於面板內必須要有一個開口，而這會需要加以嵌封以抗於濕氣與污物，並因此架置成本昂貴。此外，感測器層直接地受曝於濫用風險，並可因尖銳物件或摩擦而易於損壞。雖已知存在有強固電容型式者，其中會將線路藏埋於一玻璃層內(即如US 5,844,506[1])，然該等仍要求一面板內的鑿刻開口且須加以封嵌，同時由於需要交跨各X及Y導體，因而要求兩個感測層以作為一矩陣。此外，這些螢幕的生產成本非常昂貴，而實際上是無法大規模地生產；此外，感測電路已知為複雜且高價。
在離散觸控按鍵的領域裡，現已知可將有時電容性按鍵放置在一固體表面之後而並不要求鑿刻開口。然而，這些型式僅提供有限的解析度，即如離散電極形狀之位置所預設者。可在US 4,954,823[2]、第4及6圖中尋得此一範例。雖眾知這些電極可由像是氧化銦錫(Indium Tin Oxide，ITO)之單一透晰導體層所製成，供以例如藉由將該薄層施用如一於一面板子區段之背側上的薄膜之方式而放置在一無鑿刻顯示器上，然而該項技術受限於根據各離散電極的數量、大小及放置方式而定的離散碰觸區域。
第1圖按平面視圖方式而略圖顯示一具如US 4,954,823[2]中所述之型式，然按一正交陣列方式所佈置的觸控平板2。該觸控平板2包含一經架置於一絕緣基板6上之離散電極點格4。各電極經連接於一在一控制器8內之電容測量電路通道。US 5,463,388[3]描述此幾何性為併同於其第1圖而通過，以顯示出可如何地運用此一陣列，俾透過一決定來自各個平板之各信號的形心(centroid)之方法，決定出一鄰近於感測層之物件的位置。然而，US 5,463,388並未顯示如何實作此一設計，且為代以描述一導體矩陣，且併同一連續性X－Y位置的形心計算。事實上，按如每個感測平板具有如此多的感測通道並不切實際，同時一如下所述之矩陣排置將具較高的效率性。
第2圖略圖顯示一基於一如US 5,463,388[3]所述之導體矩陣的位置感測器12。該位置感測器12包含數個經垂直對齊而經架置於一絕緣基板16之上部表面上的條帶電極(縱行)14，以及數個經水平對齊而經架置於該絕緣基板之一相對低部表面上的條帶電極(橫列)15。各個垂直條帶電極係經連接於一控制器18內之電容測量電路通道。如此，此型式之位置感測器可藉由在各橫列及縱行之間，而不是在各離散點板之間，計算出一電容形心，以提供一具連續性質的X－Y座標輸出。然而，此型式者會要求兩個感測層以路由佈置各矩陣跡線，並且無法使用光學透晰材料。
理想的碰觸表面將能夠消除對於鑿刻開口的需要(或至少，令其為選擇性)；具有一經施用於面板表面後側的價廉感測表面，可透過一合理厚度的面板材料(即如達4mm的玻璃或塑膠)而投射；選擇性地要求僅單一感測層，而在感測區域內無交跨點；可適用於像是ITO之透晰感測層；具有一XY型式之輸出；並且具有一精巧、價廉驅動器電路。然任何先前技藝皆尚未達到此組理想目標。
根據本發明之一第一態樣，茲提供一種用以決定一在一感測區域內之物件的位置之電容性位置感測器，該感測器包含一具有一表面而其上經架置有一電極排置的基板，其中該等電極定義一按縱行及橫列所排置的感測細胞陣列藉以構成該感測區域，各感測細胞含有一縱行感測電極及一橫列感測電極，而在相同縱行內之感測細胞的各縱行感測電極係經電子耦接在一起，並且在相同橫列內之感測細胞的各橫列感測電極係經電子耦接在一起，其中位在各橫列之至少一者的相反側處之感測細胞的各橫列感測電極係藉由在該感測區域之外所製作的個別橫列裹繞連接而經電子耦接於另一者。
如此，可提供一種僅在一基板之一單一薄層上具有電極的位置感測器。此外，由於位置感測器採用一感測電極之縱行及橫列的相交陣列(亦即一矩陣)，因而比起藉以一離散電極陣列為基礎之感測器需要較少的測量通道。
由於位置感測器係基於僅在一單一表面上的感測電極，因而比起已知的雙側式位置感測器其製造成本較低。這也意味著可將各感測電極直接地放置在一該相反表面(即如一顯示器螢幕)無法存取到的表面上。亦可將各感測電極放置在一裝置機體的內部表面上，如此可消除對於任何若亦要求電極須位在該外部表面上則或屬必要之保護性覆蓋的需要。
該電子橫列裹繞連接可包含一經架置於基板上的導體跡線。這可供在與在其內之各感測電極的相同製程步驟裡，製作出該感測區域外部的連接。或另者，可藉由一經適當地連接於該個別橫列感測電極的自由接線，製作出該等橫列裹繞的連接。
可按一類似方式，藉由在該感測區域外部之縱行裹繞連接，將在一感測區域之邊緣處的感測細胞之一縱行的縱行感測電極而經電子耦接於另一者。
位置感測器可進一步包含經連接於各橫列感測電極與縱行感測電極之個別者的複數個電容測量通道，其中各測量通道可運作以產生一表示一在其相關之感測電極縱行或橫列與一系統接地間之電容的信號。
此外，該位置感測器可進一步包含一處理器，可運作以藉由比較來自各縱行感測電極之各縱行的信號決定該物件沿該第一方向上的位置，並且藉由比較來自各橫列感測電極之各橫列的信號決定該物件沿該第二方向上的位置。
這可供利用經連接於各感測元件之其他傳統電路以決定出一碰觸的位置。
電容測量通道可包含電荷傳送電路，這是由於此者可提供一可靠且強固方式，以測量出在一典型實作裡或經預期之位準的電容。然而，亦可等同地採用其他形式的電容測量電路。一般說來，最好是利用一個可按一大致相位同步之方式驅動所有橫列及縱行連接的電容驅動器電路，藉此讓電場不致於跨載到鄰近橫列或縱行內。在US 5,463,388[3]中亦描述到是由一單一振盪器來驅動所有的橫列及縱行導體。
可將各感測細胞排置成三或四個縱行。這對於多數的應用項目而言，可供一位置感測器在典型大小之感測區域上具備有足夠的解析度。
在各感測細胞內的縱行及橫列感測電極可經彼此相互交錯(即如藉由螺旋環繞於另一者或是交錯/交繞)，尤其是在其中橫列及縱行間隔大於一般手指者之設計內者。這可提供更為均勻地混合來自在各相交區段內之X及Y驅動器的信號，提供對於一碰觸該疊置表面之手指的較佳位置回報。這亦如US 5,463,388[3]中所述者，即如第2圖。在其中各橫列及縱行間隔為類似於或小於人類手指的佈置裡，使用其他的電極樣式排置即為足夠，例如一鑽石形狀之陣列，即如第8圖中所示且在後文中說明者。
該位置感測器可包含一透明基板及各透明電極(即如自將氧化銦錫(ITO)沉積於該基板上所構成)。這可讓其能夠被放置在一顯示器螢幕上，而不致將底下所顯示者模糊化。如此，可對該顯示器螢幕進行組態設定，以向一使用者顯示出可由該使用者藉由將其手指放置在鄰近於該位置感測器之顯示器的適當部分上加以選按的各「虛擬」按鍵。然後可將該使用者的碰觸位置與經顯示之各「虛擬」按鍵的位置相比較，以決定出既已選定何者。
根據本發明之第二態樣，茲提供一種含有一根據本發明第一態樣之位置感測器的裝置。該位置感測器可經運用在多種裝置內。例如，該裝置可為一可攜式/手持式裝置，即如一個人資料助理(PDA)、一多媒體播放器、一行動(細胞式)電話、一可重設定遙控器，或是一靜態畫面相機或視訊相機，而例如具備有一疊置於一顯示器的位置感測器。或另者，可將該位置感測器等同地運用在較大規模的裝置，像是廚房設備、販售亭等等。可將不透明版本加以設計，俾運用於PC風格之軌跡板、鍵板及其他人類介面裝置，即如業界所眾知者。
根據本發明之第三態樣，茲提供一種建構一經沉積於一基板上之電容感測表面的方法，此方法可在當一物件鄰近於該表面時，回報一該在一作用感測區域內之物件的X－Y座標位置，包含下列步驟：(a)在該作用感測區域內沉積出一單一薄層的樣式化導體材料，該樣式包含各橫列及縱行之電極，該等係經連接於各電容感測通道之個別者，其中至少一橫列或縱行在該作用區域內被劃分成複數個節段；(b)藉一電子導體將經劃分的各節段連接在一起，其中該導體係經製作為放置在該作用感測區域的外部；(c)將各橫列及縱行連接至一多通道電容感測器電路的個別感測通道，此電路具有代表在各橫列及縱行上之電容性的振幅規模之多個輸出；以及(d)提供一處理器，此者可運作以處理該等多個輸出，以按如一XY座標決定出該鄰近物件的座標位置。
該處理器可運作以補償由樣式化導體材料之實體幾何性所引入的位置扭曲。
該處理器亦可運作以計算出跨於各橫列之信號的形心，以及跨於各縱行之信號的形心。
根據本發明之一第四態樣，茲提供一種用以決定一在一感測區域內之物件的位置之電容性位置感測器，該感測器包含一具有一表面而其上經架置有一導體電極排置的基板，其中該等電極定義一按縱行及橫列所排置的感測細胞陣列藉以構成該感測區域，各感測細胞含有一縱行感測電極及一橫列感測電極，而在相同縱行內之感測細胞的各縱行感測電極係經電子耦接在一起，並且在相同橫列內之感測細胞的各橫列感測電極係經電子耦接在一起，其中至少一縱行感測電極在該感測區域內包含一連續脊線(continous spine)，並且至少一其他縱行係透過該感測區域之外的連接而經製作為具有電子連續性。
第3圖係按平面視圖方式略圖顯示一根據本發明之一具體實施例的二維觸敏電容位置感測器22。該位置感測器22可運作以決定一物件沿一第一(x)及一第二(y)方向上的位置，其指向係經圖繪為朝向該圖的左上側。該感測器22包含一基板24，此者其上經架置有一感測電極26的排置。各感測電極26定義一感測區域，而可在其內決定出一鄰近於該感測器之物件(即如一手指或點筆)的位置。該基板24是由透明塑膠材料所製成，各電極是自利用傳統技術而經沉積於該基板24上之氧化銦錫(ITO)透明薄膜所構成。如此，該感測器之感測區域為透明，並且可被放置在一顯示器螢幕上，而不會使得在該感測區域之後所顯示者變得模糊。在其他範例裡，可無須意予將該位置感測器放置在一顯示器上，且可無須為透明者；而在這些範例裡，可將該ITO層替換成一較具經濟性之材料，例如像是銅箔層PCB。
在該基板24上之各感測電極的樣式可為令以將該感測區域劃分成按各橫列及各縱行所排置之各感測細胞28的陣列(點格)。(應注意到在此使用該詞彙「橫列」及「縱行」以簡易地在兩個方向上加以區分，且不應被解譯成意涵一垂直或一水平指向)。藉由範例，可按如第3圖之虛線外框識別出一種感測細胞28。在此位置感測器中，有四個經對齊於y方向的感測細胞縱行，以及五個經對齊於x方向的感測細胞橫列(總共有廿個位置感測器)。對於第3圖中所示之指向的最上方感測細胞橫列稱為橫列y1，向下次一者為橫列y2，依次向下而至橫列y5。而各感測細胞縱行類似地從左到右稱為縱行x1到x4。從而，在第3圖中按虛點框線所示的感測細胞28為橫列y1及縱行x3的交點。
各感測細胞包含一橫列感測電極30及一縱行感測電極32。該等橫列感測電極30及縱行感測電極係經排置於各感測細胞28內藉以與另一者相交錯(在此情況下，藉由方形螺旋繞於另一者)，然並未經電能相通地連接。由於該橫列及縱行感測電極係經交錯(交繞)，因此一鄰近於一給定感測細胞的物件可對兩者感測電極提供一顯著的電容耦接，而與該物件在該感測細胞內被放置在何處無關。該交錯處理的特徵刻度可為具有如，或小於，一待予偵測之典型物件的電容形跡之數階，藉以提供最佳結果。該感測細胞28的大小及形狀可相比於該待予偵測之物件者，或為較大(而在實際的限制內)。
在相同橫列內之所有感測細胞的橫列感測電極30為經電子連接在一起，以構成五個個別橫列的橫列感測電極。類似地，在相同縱行內之所有感測細胞的縱行感測電極32為經電子連接在一起，以構成四個個別縱行的縱行感測電極。
在縱行x2內的縱行感測電極係藉由一連接51，又稱為一脊線，而連接於另一者，此脊線係藉由將各電極之一者的一部分沉積在該基板上而被製為位在該感測區域內，並且接行於縱行x2及x3之間。此一連接可接行該感測區域的長度。如此，一經沉積於該基板24上之單一連續導體電極可提供在縱行x2內之所有感測細胞及該等之互連者的縱行感測電極32。在縱行x3內的各縱行感測電極可類似地藉一經製作於該感測區域內之連接53而連接於另一者，再次地如一脊線而接行於縱行x2與x3之間。如此，再度地，一經沉積於該基板24內之單一連續導體電極可提供在縱行x3內之所有感測細胞及該等之互連者的縱行感測電極32。
亦藉由一經製作於該感測區域內之連接，將在橫列y2之縱行x1及x2內的各橫列感測電極30連接在一起。如此，一經沉積於該基板24上之單一連續導體電極34可提供在該橫列y2之縱行x1及x2內之各感測細胞及該等之互連者的橫列感測電極。該橫列y2之縱行x3及x4內的各橫列感測電極係類似地藉由一經製作於該感測區域內之連接而連接在一起，因此一單一連續電極36可再次地提供這些橫列感測電極及其互連者。然而，由於接行於縱行x2與x3之間以連接於其個別縱行感測電極之間的基板上連接(脊線)之故，因此該橫列y2之縱行x1及x2內的各橫列感測電極無法藉由一經製作於該基板之表面上的連接而連接至該橫列y2之縱行x3及x4內的各橫列感測電極。如此，可在該感測區域之外，提供一於位在該橫列之各相反端的各橫列感測電極間之連接38(亦即在縱行x1及x4內)。該連接38接行而繞於該感測區域之外部，以將在該橫列y2之縱行x1及x2內提供各橫列感測電極的電極34，連接於在該橫列y2之縱行x3及x4內提供各橫列感測電極的電極36。如此，可將在該橫列內之所有的橫列感測電極電子連接在一起。在該感測區域之外的類似裹繞連接係經製作以確保其他橫列之個別橫列感測電極為連接在一起。應注意在第3圖中雖繪出一者，然在該感測區域外於在橫列y1相反側處之各橫列感測電極間的連接並非必要，這是因為連接於縱行x2與x3之各縱行感測電極間的脊線並不需要延伸至該感測區域的邊緣處，並且可利用一沿該感測區域之頂部邊緣而接行的連接，以連接於該橫列y1的各橫列感測電極之間。
在縱行x1內之各縱行感測電極係由一個別電極而經構成於該基板上。這些個別電極係藉由經製作於該感測區域之外(亦即外部)的連接40而連接在一起。可按一類似方式於該縱行x1之各者的方式，藉由該連接41而將在該縱行x4內的各縱行感測電極連接在一起。按此方式，外側的兩個縱行在該感測區域內可為不連續，以供由各橫列電極存取至細胞內，而仍能令各縱行為完整一體。
在此範例中，經製作於該感測區域之外，而在個別橫列之相反側處的感測細胞內之各橫列感測電極，與在該感測區域之週邊處的縱行內之各縱行感測電極間的各種連接，是利用傳統技術視適當方式而藉由經接附於該感測區域之各電極的自由接線所構成。由於是藉各自由接線以建立起各連接，從而不會因需要在該感測區域之外製作各連接，以在各位置處跨於另一者而出現困難。在一替代性設計裡，可類似於構成該感測區域之各電極，藉由在該基板上的導體跡線來提供經製作於該感測區域之外的各連接。這可為有利者，因為可在單一製程步驟裡製造出構成該感測區域的電極以及連接該感測區域之外部的電子跡線。可在其中連接該感測區域之外部而跨於另一者的位置處利用傳統的電子跳線器。又在另一替代性且較為偏好之設計裡，可藉由一類似於構成該感測區域而連接一些接附節點之各電極的基板上導體跡線，加上一經放置在這些導體之頂部處的介電絕緣器，再加上經樣式化於該介電絕緣器之頂部處，藉以將所有需予接合之各剩餘節點連接在一起的導體墨液(即如銀質墨液)之組合，來完成該接線處理。如此可產生一種低成本、薄型平面表面，這僅要求眾知製程步驟，而無須離散的跳線器。
將可瞭解橫列及縱行的數量並不需如第3圖中所述分別地必為5及4；可利用其他數量的橫列及縱行以適配於不同幾何性。同時，各橫列及縱行雖經圖示為相同基本維度而獲致各方形細胞28，然各橫列及縱行確可具有不相適或甚非均勻之維度，而獲致長方形細胞28，或可能為其他像是梯形的形狀。此外，若細胞28的範圍為經交錯者，則該等並不需要如圖所示之交錯角度樣式；該交錯可為圓形、螺旋形或其他形狀，以達到相同的一般結果。
該位置感測器22進一步包含一系列的電容測量通道42，該等係經耦接於各橫列感測電極之個別橫列以及各縱行感測電極之個別縱行。各測量通道可運作以產生一表示一在各感測電極之相關縱行或橫列與一系統接地間之電容的信號。在第3圖中，各電容測量通道42經顯示為兩個分別組庫，其一組庫經耦接於各橫列感測電極之各橫列(測量通道經標註為y1到y5)，而另一組庫則經耦接於各縱行感測電極之各縱行(測量通道經標註為x1到x4)。然而，將可瞭解在實作上所有的測量通道電路將極有可能按像是一可程式化或應用特定積體電路之單一單元而供置。此外，在第9圖中雖顯示有九個分別測量通道，然各電容測量通道可等同地由一單一而具有適當多工處理的電容測量通道所提供，不過此非一較佳操作模式。等同地，可利用在US 5,463,388[3]內所描述的該款電路或類似者，這在當使用一掃描多工器時，確會由一單一震盪器以同時地驅動所有的橫列及縱行，藉此在整個疊層基板上傳播一組薄型的感測場域。最好，該等感測通道42為如US 5,730,165[4]或US 6,466,036[5]中所描述之款式的多重共相位電荷傳送感測器。按一相位同步方式驅動該等感測電路各者，提供一所欲之薄型場域流。
亦可注意到該基板在將各電場進一步地混合方面提供一極有價值的功能，因此不僅來自X及Y線的場域可在各細胞28上更佳地混合，同時可於各細胞28的鄰近者之間產生感測梯度。這可獲致在X及Y兩者維度上提供內插位置的能力，即使是各細胞28的維度寬大於一啟動物件者亦然。注意到較厚面板可提供較佳的混合效能，並因而一較優的內插位置能力。
可對該處理電路44提供表示各測量通道42所測得之電容的信號。該處理電路係經組態設定以決定一由一鄰近於該位置感測器之物件施加在該感測區域的電容負載之內插位置。該電容負載在沿x方向上的內插位置可由來自關聯於各縱行感測電極之縱行的各電容測量通道之信號所決定，而該電容負載在沿y方向上的內插位置可由來自關聯於各橫列感測電極之橫列的各電容測量通道之信號所決定。一旦既已決定出該物件在沿x及y方向上的位置後，即將該位置回報給一主機控制器46，因此該者採取適當行動。第4圖係按平面視圖方式略圖顯示一含有第3圖中所顯示之位置感測器22的裝置50。在此範例中，該裝置為一手持式多媒體播放器，其中含有一包含各裝置控制電子元件(未經圖示)之機體52，以及一液晶顯示器螢幕54。可在該顯示器螢幕上看到各文字列，例如，表示一該裝置的命令選單。該位置感測器的感測區域疊置於該顯示器螢幕54，在經製作於該感測區域之外的各縱行與橫列感測電極間的電子連接係經隱藏在該機體52內而無法看見。該電極層完全在該機體內，位在該覆蓋塑膠之下，而為一經施加於該封裝內側的薄膜。這可提供一沒有開口的控制表面，並因此無須鑿刻。使用一具有外部節點連接的單層透晰ITO可提供高透晰度及低成本。一使用者可藉由在適當位置處點指以自經顯示於該螢幕54上的命令選單中選擇。該位置感測器將碰觸位置回報給該裝置控制器，而此者又決定應執行何者命令。這可藉由比較碰觸位置與目前顯示之選單項目的位置而完成。
第4圖中亦顯示一經放置在一點處P而鄰近於該位置感測器22且在該顯示器螢幕54上方的手指56。該手指56出現在該位置感測器22的附近會，根據該手指在該感測區域內之位置而定，不同地影響到各感測電極之橫列及縱行各者的電容。如此，該處理電路44即能夠從由個別電容測量通道所提供的信號，決定出該碰觸位置。
第5A及5B圖為略圖顯示當該手指56位在如第4圖中所顯示的位置處時，由該電容測量通道42對該位置感測器22所產生之信號的圖式。第5A圖顯示來自各縱行感測電極之各縱行的個別者(x1至x4)的信號Cx 。該垂直虛線略圖表示各縱行各者的邊界。第5B圖顯示來自各橫列感測電極之各橫列個別者(y1至y5)的信號Cy ，而垂直虛線代表各橫列各者的邊界。這些由各電容測量通道所提供之信號既已根據傳統技術加以處理，即如既已視需要而執行背景電容移除、碰觸門檻值偵測、正範化及過濾處理。
從第5A圖中能夠觀察到該手指56出現可在耦接至對於縱行x2之系統接地的電容提供最大增量(亦即縱行x2顯示最大信號值)。這意味著對應於由該手指56所施加之電容負載的內插或形心之點P是在縱行x2內。此外，耦接至對於縱行x3之系統接地的電容大於對於縱行x1者。這意味著相較於x1該點P較靠近於縱行x3。如此，可藉由比較來自不同縱行感測電極之縱行的信號，並且特別是藉由決定各信號值的內插或形心，決定出該點P在沿x方向上的位置。這可利用傳統處理技術而完成在此情況下，可決定出第5A圖所示之信號的內插或形心係位在位置Xp 處。假設各縱行具有單位寬度，並且將縱行x1之左側邊界令為x＝0，則該點P位在一沿x方向上為x＝1.8單位的位置處，即如第5A圖中由一箭頭所標註者。可對來自各橫列感測電極之各橫列的信號進行一類似分析。假設各橫列具有單位寬度，並且將橫列y1之頂部邊界令為y＝0，則該點P位在一沿y方向上為x＝2.8單位的位置處，再度地如一箭頭所標註者。如此，可決定該手指的點P為位在(x,y)＝(1.8,2.8)處。注意到由該手指對各鄰近縱行/橫列之不同電容耦接所提供的內隱性內插，意味著可決定出該手指所施加之電容負載的形心或內插(亦即經視為該碰觸位置)，而具有一佳於該等感測細胞之特徵大小的解析度。
自根據本發明多項具體實施例之位置感測器所回報的XY位置或會依照各細胞的大小、放置方式及形狀而受到扭曲。然而，這在對於選單使用或其他形式之輸入的實際使用上幾乎不會有任何淨效應，因為可例如透過一查核表，或是為各選單按鍵座標對於任何扭曲而即獲補償，以對所回報之位置隨予校正。因該細胞大小所造成的XY扭曲可自一單元至次一者而重複，這是由於此為經關聯於該樣式本身的實體現象。
例如，第9圖顯示一如第3圖之型式的鍵板或觸控螢幕，此者擁有一各感測細胞28的5x4陣列，並具一跨於該表面而自左上方至右下方而繪出的對角線91。實際回報位置或可另為如該實線93。可利用一校正演算法或查核表在X及Y方向上隨即對該回報直線93進行校正，因此該最終回報位置係經校正以為適當地沿該理想直線91。或另者，可對經對映於該位置感測器22之感測區域的各按鍵予以反扭曲處理，藉以補償如第10圖所示的經回報扭曲。在此，實體的所欲按鍵外框101及102係經扭曲成經回報形狀103及104。不以嘗試校正該經回報X－Y資料，可如圖示般將該用以進行按鍵辨識之按鍵外框扭曲成相同的經回報外框形狀103及104。若完成此項，則會將所回報之按鍵令為與所欲形狀101及102等同。
第6圖略圖顯示一第4圖所示顯示出一命令選單之裝置50的顯示器螢幕54平面視圖。該經顯示予一使用者之命令選單包含一系列其中顯示出編號0到9的方盒外框，一含有該字詞「ENTER(輸入)」之方盒外框，以及一經部分地填滿陰影且具有經標註於其側之刻度的方盒，而按如一最大容量之分數來表示所播放音樂之容量的方盒外框。在顯示畫面54上亦顯示出一範圍，此為由一虛線所界定並且顯示出一些先前所輸入的命令。在第6圖中亦顯示出與疊置於該顯示器螢幕上之位置感測器相關聯的各感測電極之樣式，然將可瞭解該位置感測器為透明並且在實作上不會被看見。由於該感測層及相關電子元件能夠回報一X－Y位置，從而各按鍵的位置可為任意，這是因此者會連同於任何類比觸控螢幕輸入裝置。因此，可在該螢幕的面部上運用任何已知的介面法則，像是選單按鍵、滑棒、滾輪、姿態辨識、字元辨識等等。此外，這些法則並不需要對齊於細胞，且可在該表面上任意放置。
第7圖係按平面視圖方式略圖顯示一根據本發明之另一具體實施例的二維電容位置感測器72。此位置感測器再次地具有五個橫列的感測細胞(經標註為y1到y5)，但是僅具有三個縱行的感測細胞(經標註為x1到x3)。縱行X2在該感測區域內構成一連續脊線73，而圖中顯示出各連接38(類似於第3圖中所示而經相對應地編號的連接)’這些可在該感測區域之外將各橫列連接在一起，並且各連接40、41(類似於第3圖中所示而經相對應地編號的連接)可在該感測區域之外使得各外部縱行為連續性。此位置感測器總共具有十五個感測細胞。這表示若此者須具有與第3圖內所顯示之感測器相同大小的感測區域，則此者相較於該位置感測器22，在沿x方向上將概具有較低的位置解析度。或另者，若此者具有一比起第3圖中所示之感測器而為較小的感測區域，則此者可具有相同(或更佳)位置解析度。另外，第7圖中所示之位置感測器72的操作類似於第3圖中所示之感測器22者，或可自其而瞭解。
第8圖係按平面視圖方式略圖顯示一根據本發明之另一具體實施例的二維電容位置感測器82。此位置感測器具有五個橫列及三個縱行的感測細胞。一第一84及一第二86感測細胞可如虛線外框所表。在本範例中，各感測細胞的各橫列及縱行感測電極並非螺旋環繞於另一者。在縱行x2內的感測細胞(即如感測細胞84)裡，該縱行感測電極如一脊線連續地接行通過該感測細胞，而橫列感測電極在該縱行感測電極之任一側上含有兩個導體範圍。在感測區域邊緣處之各縱行內的感測細胞裡(亦即縱行x1及x3，即如感測細胞86)，該橫列感測電極連續地接行通過該感測細胞，而該縱行感測電極在該橫列感測電極之任一側上含有兩個導體範圍。另外第8圖內所示之位置感測器82的操作類似於第3及7圖之位置感測器22、72，且將可自其而瞭解。將可瞭解亦可將第8圖的感測細胞視為是交錯，然按一最低度方式。這顯示亦可為其他除鑽石狀或緊密交繞跡線的基本形狀。重要態樣在於，在一細胞裡存在有一橫列電極局部及一縱行電極局部。
在一給定位置感測器內的感測區域大小將依照其實作而定。例如，在一如第4圖所示之手持式行動裝置裡，一如4cm(x方向)乘5cm(y方向)數階之感測區域或可為適當。這可提供具有1cm2 數階的感測細胞。這可相較於一手指尖端的典型尺寸，並因此可在當用以感測一使用者的手指位置時，於各細胞內確保有對各橫列及縱行感測電極兩者的良好電容耦接。然而，亦可等同地利用較大或較小的感測區域。各縱行及橫列亦無須具有相同寬度，然若該等不同，則這意味著該位置解析度或會在兩個維度上有所差別。
此外，對於可使用之橫列的數量上並無限制，而同時仍在該感測區域內提供一具有一單層感測電極的感測區域(亦即僅在該基板之一側上設有感測電極)。可在y方向上重複第3、7及8圖中所示的樣式，而對各額外橫列感測電極之橫列提供相對應的額外電容測量通道。然而，對於一僅在該基板之一側上具有感測電極的位置感測器而言，不可能具有四個以上的橫列以及四個以上的縱行兩者。
亦將可瞭解，該位置感測器並不需要在該感測區域內具有一連續脊線，以便在並非位於該感測區域之邊緣處的各縱行內之各縱行感測電極間進行連接。例如，關聯於第3圖內之縱行x2及x3的各脊線可在沿其長度上之某點處被打斷，而將各連接製作於該感測區域之外，在該斷處之上或之下的各縱行感測電極之個別群組間。例如，可在橫列y2及y3之間將脊線打斷，因此在這些橫列之縱行x1及x2間的各橫列感測電極可藉由經製作於該感測區域之內而通過各脊線斷處的連接，連接至縱行x3及x4的各橫列感測電極。對於這些橫列，並不需要將各連接製作該感測區域之外，然對於縱行x2及x3會需要在該感測區域之外的連接。
將可瞭解本發明所運用的各位置感測器可併入各式額外態樣。例如，在一些應用裡會希望擁有一「促醒」功能，藉此整個裝置可「休眠」或是在一寂靜或背景狀態下。在這些情況下，通常會希望可自一人體局部僅鄰近於某距離之遙而獲一醒機信號。可按如一單一大型電容電極來驅動該構件而無需考慮位置地點，同時該單元係在背景狀態下。在此狀態的過程中，該電子驅動器邏輯可在信號中尋找極為微小的變化，雖未必然地足以按如一2D座標加以處理，然確足夠決定一物件或人類位在近距離內。然後各電子元件可「促醒」該整體系統，並且驅動該構件藉以再度地成為一真實的位置感測器。
最後，注意到在前文說明中雖頻繁地使用該詞彙「碰觸」，然如上所述之種類的位置感測器可為足夠地敏感以能夠註記一鄰近手指(或其他像是點筆之物件)的位置，而無須要求實體接觸。因而，本文所使用的詞彙「碰觸」應據此而所解譯。
參考文獻
[1]US 5,844,506(Binstead)[2]US 4,954,823(Binstead)[3]US 5,463,388(AT&T IPM Corp.)[4]US 5,730,165(Philipp)[5]US 6,466,036(Philipp)
2．．．觸控平板
4．．．離散電極點格
6．．．絕緣基板
8．．．控制器
12．．．位置感測器
14．．．條帶電極(縱行)
15．．．條帶電極(橫列)
16．．．絕緣基板
18．．．控制器
22．．．二維觸敏電容位置感測器
24．．．基板
26．．．感測電極
28．．．感測細胞
30．．．橫列感測電極
32．．．縱行感測電極
34．．．單一連續導體電極
36．．．單一連續電極
38．．．連接
40．．．連接
41．．．連接
42．．．電容測量通道
44．．．處理電路
46．．．主機控制器
50．．．裝置
51．．．連接
52．．．機體
53．．．連接
54．．．液晶顯示器螢幕
56．．．手指
72．．．二維電容位置感測器
73．．．連續脊線
82．．．二維電容位置感測器
84．．．第一感測細胞
86．．．第二感測細胞
91．．．理想直線/對角線
93．．．回報直線
101．．．所欲按鍵外框
102．．．所欲按鍵外框
103．．．回報形狀
104．．．回報形狀
為更佳瞭解本發明，並顯示同者是如何地被實際運用，現將按範例方式參照各隨附圖式，其中：第1圖係按平面視圖方式略圖顯示一已知的二維電容位置感測器；第2圖係按平面視圖方式略圖顯示另一已知的二維電容位置感測器；第3圖係按平面視圖方式略圖顯示一根據本發明之一具體實施例的二維電容位置感測器；第4圖係按外觀視圖方式略圖顯示一含有第3圖之位置感測器的裝置；第5A及5B圖為按略圖方式顯示出電容的圖式，此電容係依如為決定一鄰近第4圖所示裝置之位置感測器的物件之位置的感測細胞縱行數(第5A圖)與橫列數(第5B圖)之函數；第6圖係按平面視圖方式以略圖顯示第4圖中所示之裝置的二維電容位置感測器以及顯示器螢幕；第7及8圖係按平面視圖方式略圖顯示根據本發明其他具體實施例的二維電容位置感測器；第9圖係按平面視圖方式略圖顯示對於一鄰近於一根據本發明之一具體實施例的位置感測器之物件，其回報位置與真實位置的比較；以及第10圖係按平面視圖方式略圖顯示對於一根據本發明之一具體實施例的位置感測器，一所欲按鍵位置之外框的顯示畫面與回報按鍵位置之外框的比較。
24．．．基板
26．．．感測電極
28．．．感測細胞
30．．．橫列感測電極
32．．．縱行感測電極
34．．．單一連續導體電極
36．．．單一連續電極
42．．．電容測量通道
44．．．處理電路
46．．．主機控制器

Claims (27)

  1. 一種用以決定在一感測區域內之一物件之位置的電容性位置感測器，該感測器包含一基板，具有一表面而其上經安裝有電極之一配置，其中該等電極定義經配置為複數個縱行及複數個橫列的一感測細胞陣列藉以構成該感測區域，各感測細胞含有一縱行感測電極及一橫列感測電極，而在相同縱行內之感測細胞的各縱行感測電極係經電耦接在一起，並且在相同橫列內之感測細胞的各橫列感測電極係經電耦接在一起，其中位在各該複數個橫列的相反側處之感測細胞的各橫列感測電極係藉由在該感測區域之外所製作的個別橫列裹繞連接(row wrap-around connections)而經電耦接於另一者。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之位置感測器，其中該等橫列裹繞連接包含一經沉積於(deposited on)該基板上的導體跡線。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之位置感測器，其中該等橫列裹繞連接包含經連接於該個別橫列感測電極的自由接線。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之位置感測器，其中位在該感測區域邊緣處之各感測細胞的一縱行之各縱行感測電極，係藉由經製作於該感測區域之外的各縱行裹繞連接而電耦接於另一者。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之位置感測器，其中該等縱行裹繞連接包含一經沉積於該基板上的導體跡線。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之位置感測器，其中該等縱行裹繞連接包含經連接於個別縱行感測電極的自由接線。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之位置感測器，其更包含經連接於各感測電極之各橫列與各縱個別者的複數個電容測量通道，其中各測量通道可運作以產生一表示一在其相關之感測電極縱行或橫列與一系統接地間之電容的信號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之位置感測器，其更包含一處理器，此者可運作以藉由相互比較來自不同縱行之信號以沿一第一方向，並且藉由相互比較來自不同橫列之信號以沿一第二方向，決定出該物件在該感測區域內的位置。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之位置感測器，其中該等電容測量通道包含一電荷傳送電路(transfer circuit)。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之位置感測器，其中該等電容測量通道係經組態設定以與另一者大致相位同步地驅動複數個感測電極。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之位置感測器，其中該等感測細胞係經排置為三個縱行。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之位置感測器，其中該等感測細胞係經排置為四個縱行。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之位置感測器，其中在各感測細胞內的縱行感測電極及橫列感測電極係與另一者相 互交錯。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之位置感測器，其中該基板係由一透明材料所構成。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之位置感測器，其中該等電極係由一透明導電材料所構成。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之位置感測器，其中該透明導電材料為一經沉積於該基板上之氧化銦錫(Indium Tin Oxide，ITO)薄膜。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之位置感測器，其更包含一圖形顯示器，其中在該感測區域內之各電極係經放置在該圖形顯示器之上以提供一觸控螢幕。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之位置感測器，其更包含一絕緣面板，其中在該感測區域內之各電極係經放置在該絕緣面板之下以提供一鍵板。
  19. 一種含有如申請專利範圍第1項所述之位置感測器的裝置。
  20. 一種建構一經沉積於一基板上之電容感測表面的方法，此方法可在當一物件鄰近於該表面時，回報在一作用(active)感測區域內之該物件的一X-Y座標位置，包含下列步驟：(a)在該作用感測區域內沉積(depositing)出一單一薄層的圖案化導體材料，該圖案包含複數個橫列及複數個縱行之電極，該等電極經連接於各電容感測通道之個別者，其中各該複數個橫列在該作用區域內被劃分成複數個經劃分的節段(segment)；(b)對於各該複數個橫 列，藉一電子導體將經劃分的各節段連接在一起，其中該導體係經製作為放置在該作用感測區域的外部；(c)將各橫列及縱行連接至一多通道電容感測器電路的個別感測通道，此電路具有代表在各橫列及縱行上之電容性的振幅規模(amplitudes of capacitive)之多個輸出；以及(d)提供一處理器，以運作處理該等多個輸出，以按如一XY座標決定出該鄰近物件的座標位置。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之方法，其中該處理器可運作以補償由該圖案化導體材料之實體幾何性所引入的位置扭曲(distortion)。
  22. 如申請專利範圍第20項所述之方法，其中該處理器可運作以計算出跨於各橫列之信號的形心(centroid)，以及跨於各縱行之信號的形心。
  23. 如申請專利範圍第20項所述之方法，其中該處理器可運作以計算出跨於各橫列之信號的內插，以及跨於各縱行之信號的內插。
  24. 如申請專利範圍第20項任一項所述之方法，其中該等電容感測通道運用大致與另一者相互相位同步的驅動信號。
  25. 一種用以決定一在一感測區域內之物件之位置的電容性位置感測器，該感測器包含一基板，具有一表面而其上經安裝有電極之一配置，其中該等電極定義經配置為複數個縱行及複數個橫列的感測細胞陣列，藉以構成該感測區域，各感測細胞含有一縱行感測電極及一橫列感測 電極，而在相同縱行內之感測細胞的各縱行感測電極係經電耦接在一起，並且在相同橫列內之感測細胞的各橫列感測電極係經電耦接在一起，其中至少一縱行感測電極在該感測區域內包含一連續脊線(continous spine)，並且至少一其他縱行感測電極係透過該感測區域之外的連接而經製作為具有電連續性，且其中位在各該複數個橫列的相反側處之感測細胞的各橫列感測電極係藉由在該感測區域之外所製作的個別橫列裹繞連接而經電耦接於另一者。
  26. 如申請專利範圍第25項所述之位置感測器，其中該等導體電極為透明，並且更包含一圖形顯示器，其中在該感測區域內之各導體電極係經放置在該圖形顯示器之上以提供一觸控螢幕。
  27. 如申請專利範圍第25項所述之位置感測器，更包含一絕緣面板，其中在該感測區域內之各導體電極係經放置在該絕緣面板之下以提供一鍵板。
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