TWI442272B

TWI442272B - PVDF Piezoelectric Film Touch Panel and Its Control Method

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Publication number: TWI442272B
Application number: TW98138089A
Authority: TW
Original assignee: Univ Nat Formosa
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2009-11-10
Publication date: 2014-06-21
Also published as: TW201117071A

Description

PVDF壓電薄膜式觸控面板及其控制方法

本發明係有關於一種PVDF壓電薄膜式觸控面板及其控制方法，尤指一種以PVDF壓電薄膜作為觸控面板的定位感應機制，俾能藉由訊號處理運算而獲悉與碰觸位置相應的座標位置資訊者。

按，一般螢幕觸控面板主要作為貼附在映像管或液晶顯示器上的觸控裝置。螢幕觸控面板功能在於使一般民眾藉由手指或觸控筆輕壓顯示器面板上的選項，即可完成資料傳輸或閱讀螢幕上的訊息。依據目前所知，觸控面板大致可分為電阻式觸控面板、電容式觸控面板、超音波觸控面板以及紅外線觸控面板。

上述電阻式觸控面板係如本國新型第M361173號『觸控面板之XY軸信號阻抗控制結構』所示的專利前案，該習用結構表層是用聚脂膜片電鍍一層氧化物體(ITO)的薄膜，更底層是玻璃基板，在玻璃基板與聚酯薄片之間，則是另一層更小的塑料分隔區間，在分隔的區間表層的聚酯薄片上，安裝Y軸方向的感測器，在底層的玻璃板上，安裝X軸方向的感測器，並同時通上微量電壓，當手指或觸控筆壓在面板上時，X軸和Y軸兩片導電電阻膜就會重疊而產生電壓差，就可以測出接觸點的位置，快速反應在螢幕上。該習用結構係採用電壓偵測方式來感應按觸座標，並可透過任何介質輸入，因而具有價格較實惠的優勢，目前多應用於PDA上，惟，其製程中(ITO薄膜)所需材料較為特殊，因此僅由少數的美日生產廠商供應與把持，難免會對台灣的廠商造成一定程度的排擠與壓縮，進而減損台灣廠商的競爭能力。

另，上述電容式觸控面板係如本國新型第M348999號『電容式觸控面板』所示之專利前案，該習結構則較電阻式觸控面板的電路更為複雜，其結構原理有兩種，一種是只有一個玻璃電鍍導電膜，應用在如ATM上的觸控螢幕；另一種為兩片玻璃間皆塗上導電塗膜，外側再覆上防刮塗膜，且塗膜上佈滿低壓電流形成電容狀態，玻璃板周圍的電極，會在外側導電層上產生均勻的低壓電場，內側導電層則可以提供電磁保護屏，可以減低雜訊。每當手指接觸到螢幕，就會與外側導電層上的電場產生電容耦合，而吸去微小的電流，用手指所吸收的電極就可測量來自各個角落的電流，這個電流的變化就是接觸點的位置，接觸面板的物體需要能導電體，才能吸收電流，所以iPhone對觸控筆不會感應，必須使用會導電的手指皮膚部份。

由於電容式觸控面板因防水、防刮，且透光度較一般電阻式為高的緣故，因此，已經大量的應用在各式的終端產品上，其缺點是面板製程較為複雜，需要鍍上多層薄膜，致使生產成本居高不下，況且現階段無法應用在小尺寸產品上，加上必須具備相當複雜的光電應用與半導體製程的緣故，致使其製造費用上亦顯得非常昂貴。

此外，超音波觸控面板由於容易受到環境影響，以致其解析度及精確性相對較差，所以廠商的接受度並不高；而紅外線觸控面板因其受限光電感測機制體積較大的緣故，使其定位解析度相對較差，而且造價相當較高，所以廠商的接受度度同樣也不高。

本發明之主要目的在提供一種PVDF壓電薄膜式觸控面板及其控制方法，主要係利用壓電薄膜之正壓電特性，使PVDF壓電薄膜作為觸控面板的壓力感應元件，不僅製作上較無基板與面積的限制，且整體結構較為簡化，於製作上更為簡單容易，因而具有生產成本低廉、商品價格相對較低以提升競爭力、應用範圍較為廣泛，並可節省電能等諸多特點。

為達上述功效，本發明採用之技術手段係包括一透明基板、一設在基板上的觸壓感測組件及一訊號處理模組，觸壓感測組件包括複數條沿著X軸方向間隔並行排列於該基板的第一PVDF壓電薄膜件，及複數條沿著Y軸方向間隔並行排列於該基板的第二PVDF壓電薄膜件，該第一PVDF壓電薄膜件與該第二PVDF壓電薄膜件相互交錯，並將該第一PVDF壓電薄膜件與該第二PVDF壓電薄膜件交錯的位置設定為座標感測區，當該座標感測區承受外力時，該第一、第二PVDF壓電薄膜件因材料應變而造成偶極距的變化，據此得以產生一作為X軸方向感測之用的第一電壓訊號，及一作為Y軸方向感測之用的第二電壓訊號，俾能藉由訊號處理模組的訊號處理下而獲悉與碰觸位置相應的座標位置資訊者。

壹‧本發明應用原理

請參看第一至三圖所示，本發明主要係利用PVDF壓電薄膜的感測特性來做成觸控式面板。由於PVDF壓電薄膜具有高壓電應力係數、高響應頻率及高耐衝擊力等特性，非常適合用於動態量測之用途。為架構一個較為完整的壓力量測系統，本發明所使用的PVDF薄膜已預先在PVDF壓電薄膜兩側鍍上薄的鋁電極(210)(220)，因此，當外力造成材料應變時，該應變會造成分子偶極矩的變化，此時在PVDF壓電薄膜兩端之電極上的自由電荷則會受到感應而在兩端之鋁電極(210)(220)產生電位差，此時的PVDF壓電薄膜會因為正電壓效應而產生電壓。另一方面，本發明的觸壓感測組件(20)係將第一、第二PVDF壓電薄膜件(21)(22)予以交錯排序，進而可以獲得較多之可供觸碰的座標感測區(23)，再藉由訊號處理模組(30)進行訊號放大及掃描量測各座標感測區(23)的感測讀值。另外，本發明所採用之PVDF壓電薄膜亦可用在量測出體重、腳底板或掌型壓力分部以及觸控面板的應用上。

貳‧本發明的技術特徵 2.1本發明基本架構

請參看第一、四圖及第五圖所示，本發明之基本技術特徵係包括一透明片狀基板(10)及一設在基板(10)上的觸壓感測組件(20)，其中基板(10)的具體實施例可以是一般玻璃製成的基板，且為使觸壓感測組件(20)表面具備防刮、防塵及防水功效，係於觸壓感測組件(20)表面上覆設有一透明的保護層(11)。

請參看第一、二圖及第六圖所示，本發明基本架構則包括一透明基板(10)、一設在基板(10)上的觸壓感測組件(20)及一訊號處理模組(30)，當使用者以其手指或身體其他部位碰觸觸壓感測組件(20)而可產生電壓訊號，該電壓訊號經由訊號處理模組(30)處理後而可產生一與碰觸位置相應的座標位置資訊。

2.2本發明主要技術特徵

請參看第一至五圖所示，上述觸壓感測組件(20)包括複數條沿著X軸方向間隔並行排列該基板(10)的第一PVDF壓電薄膜件(21)，及複數條沿著Y軸方向間隔並行排列於基板(10)的第二PVDF壓電薄膜件(22)，第一PVDF壓電薄膜件(21)與第二PVDF壓電薄膜件(22)相互交錯，並將第一PVDF壓電薄膜件(21)與第二PVDF壓電薄膜件(22)交錯的位置設定為座標感測區(23)，當座標感測區(23)承受外力時，該第一、第二PVDF壓電薄膜件(21)(22)因材料應變而造成偶極距的變化，據此得以產生一作為X軸方向感測之用的第一電壓訊號，及一作為Y軸方向感測之用的第二電壓訊號，再經訊號處理模組(30)訊號處理後而可產生一與碰觸位置相應的控制訊號，如此即可獲悉碰觸位置的實際座標資訊。

參.本發明具體實施例 3.1觸壓感測組件

請參看第一圖所示，本發明觸壓感測組件(20)包括第一PVDF壓電薄膜件(21)及第二PVDF壓電薄膜件(22)，為使本發明具備複數個矩陣座標感測區(23)目的，係使每一第一PVDF壓電薄膜件(21)與每一第二PVDF壓電薄膜件(22)分別成為條狀，且每一第一PVDF壓電薄膜件(21)與每一第二PVDF壓電薄膜件(22)分別包括有複數個片段，每二相鄰之片段貼接有導電銀膠(24)，使每二相鄰之片段形成電性導通。且第一PVDF壓電薄膜件(21)與第二PVDF壓電薄膜件(22)之兩側分別覆設一薄膜式的鋁電極(210)(220)，其一側之鋁電極(210)(220)可以作為正電極，另一側之鋁電極(210)(220)則作為負電極。

請參看第一、四圖及第五圖所示，再者，為隔離第一PVDF壓電薄膜件(21)與第二PVDF壓電薄膜件(22)目的，係於第一PVDF壓電薄膜件(21)與第二PVDF壓電薄膜件(22)之間覆設有一層透明的隔板(12)。

3.2訊號處理模組

請參看第六、七圖所示，本發明訊號處理模組(30)主要係對以矩陣排列方式的觸壓感測組件(20)所感測之電壓訊號進行掃描量測及分析，以算出觸碰位置的實際座標資訊。

於一種具體實施例中，訊號處理模組(30)係包括一訊號處理電路(31)、一訊號識別電路(32)及一運算單元(33)，該訊號處理電路(31)用以將各第一電壓訊號與各第二電壓訊號予以放大處理，再以該訊號識別電路(32)進行掃瞄以讀取各第一電壓訊號與各第二電壓訊號，並轉換成與受觸控座標感測區(23)位置相應的識別訊號，另以運算單元(33)對識別訊號進行分析與運算，以獲得受外力碰觸的座標感測區(23)所處的位置資訊，並可對該位置資訊加以利用，以產生作為座標位置相關控制的控制訊號。

請參看第六、七圖所示，上述具體實施例中之訊號處理電路(31)則包含複數個運算放大電路；另訊號識別電路(32)則包含複數個計數器(320)、複數個數位開關(321)以及一用以提供一時序觸發訊號的震盪電路(322)，各計數器(320)主要係用來掃瞄讀取各行、列上之第一電壓訊號與第二電壓訊號，再藉由各計數器(320)所處之訊號狀態來驅動各數位開關(321)，其中，數位開關之具體實施例可以是一種內建於積體電路的電晶體組，進而使各數位開關(321)產生與受觸控之座標感測區(23)位置相應的識別訊號，且識別訊號之數量與座標感測區(23)的數量相配合，以對每一座標感測區(23)進行位置識別的編碼處理。

再者，於一種可行的實施例中，本發明運算單元(33)的具體實施例可以是一般的個人電腦，並於電腦內建有一運算分析軟體，該電腦包含一顯示幕及一用以同步擷取該識別訊號的訊號擷取卡，以供運算分析軟體進行分析與解碼，進而獲得觸控位置的實際座標資訊。

於另一種可行實施例中，本發明運算單元(33)的具體實施例可以是一般的個人電腦，並於電腦內建有一LabVIEW 8.6版的圖控軟體，其中該圖控軟體內建有程式化之多通道的計數器(320)及複數個與計數器(320)對應的數位開關(321)，用以掃瞄經訊號處理電路(31)放大後之各第一電壓訊號及各第二電壓訊號，經過分析與運算後即可獲得觸控位置的實際座標資訊。

肆.本發明具體實施的運作

請參看第二至五圖所示，本發明於製作時，首先將第一PVDF壓電薄膜件(21)、第二PVDF壓電薄膜件(22)以陣列且交錯排序的方式設置在基板(10)上，並於同一行、列中之PVDF壓電薄膜件(21)(22)的每二相鄰之片段貼接有導電銀膠(24)，使每行[channel(1)~channel(5)]與每列[channel(6)~channel(10)]同條之PVDF壓電薄膜件(21)(22)之各片段各自形成電性導通狀態。

請參看第三、七圖所示，當使用者以手指觸碰在觸壓感測組件(20)其中一個座標感測區(23)時，該座標感測區(23)上之第5行通道channel 5與第6列通道channe 6則透過各自之鋁電極(210)(220)分別產生第一電壓訊號及第二電壓訊號(如5行乘5列則有10個通道channel)。另一方面，經由訊號處理電路(31)將各電壓訊號放大後，而可於示波器或透過訊號擷取卡於電腦上看出並讀取單一第一、第二PVDF壓電薄膜件(21)(22)的受力情形。相對的作用在二維以上，如第三圖所示之5行乘5列的陣列式觸壓感測組件(20)時，並將一導體(譬如手掌)壓在觸壓感測組件(20)上時，相同的在經由訊號處理電路(31)將電壓訊號放大，而可於示波器或透過訊號擷取卡於電腦上依每點作用力不同可看出及讀取觸壓感測組件(20)的受力分佈情形。

請參看第六、七圖所示，本發明可以利用訊號處理電路(31)將第一電壓訊號及第二電壓訊號放大之後，因為座標感測區(23)比較多的緣故，所以本發明的訊號識別電路(32)亦為複數組，以將觸壓感測組件(20)輸出的第一電壓訊號及第二電壓訊號利用掃描的方式給呈現出來，再利用軟體的撰寫以識別出受碰觸之座標感測區(23)的實際座標位置。如第三圖所示，受觸碰座標感測區(23)係位於觸壓感測組件(20)之第5行channel(5)與第6列channel(6)的位置上。

請參看第一至五圖所示，由於本發明第一、第二PVDF壓電薄膜件(21)(22)皆已在兩側鍍上薄的鋁電極(210)(220)之緣故，所以當外力造成材料應變造成分子偶極矩的變化時，第一、第二PVDF壓電薄膜件(21)(22)兩端的電極上的自由電荷即受到感應而在兩端鋁電極(210)(220)產生電位差，此時的第一、第二PVDF壓電薄膜件(21)(22)會因為正電壓效應而產生第一電壓訊號以及第二電壓訊號。

請參看六、七圖所示，本發明訊號處理電路(31)係為處理陣列式且多通道之觸壓感測組件(20)的第一電壓訊號及第二電壓訊號，為此目的，本發明係以Op-Amp運算放大器構成訊號處理電路(31)，並與各鋁電極(210)(220)電性連接，以將所得到的第一電壓訊號及第二電壓訊號進行電壓放大，以讓電腦控制的訊號擷取卡可以同步抓取第一電壓訊號及第二電壓訊號。

請參看第六圖所示，訊號識別電路(32)主要係將各第一電壓訊號及第二電壓訊號放大之後再由計數器(320)與數位開關(321)、震盪電路(322)所構成的訊號識別電路(32)進行掃瞄量測，且訊號識別電路(32)可以將各個獨立座標感測區(23)所量測到的第一電壓訊號及第二電壓訊號予以讀取出來，而可進行信號的掃描與量測的功能。最後利用Labview圖控軟體的撰寫，將所掃瞄出來的各第一電壓訊號及各第二電壓訊號進行訊號識別，藉以識別並獲得受觸碰座標感測區(23)所處的位置資訊。

肆.結論

藉由上述的機構設置，本發明確實可以利用壓電薄膜之正壓電特性，使PVDF壓電薄膜作為觸控面板的壓力感應機制，不僅製作上較無基板與面積的限制，且整體結構較為簡化，於製作上更為簡單容易，因而具有生產成本低廉、商品價格相對較低以提升競爭力、應用範圍較為廣泛以及節省電能等諸多特點。

以上所述，僅為本發明之一可行實施例，並非用以限定本發明之專利範圍，凡舉依據下列申請專利範圍所述之內容、特徵以及其精神而為之其他變化的等效實施，皆應包含於本發明之專利範圍內。本發明之方法及其機構，除上述優點外，並深具產業之利用性，可有效改善習用所產生之缺失，而且所具體界定於申請專利範圍之特徵，未見於同類物品，故而具實用性與進步性，已符合發明專利要件，爰依法具文提出申請，謹請鈞局依法核予專利，以維護本申請人合法之權益。

(10)．．．基板

(11)．．．保護層

(12)．．．隔板

(20)．．．觸壓感測組件

(21)．．．第一PVDF壓電薄膜件

(210)(220)．．．鋁電極

(22)．．．第二PVDF壓電薄膜件

(23)．．．座標感測區

(24)．．．導電銀膠

(30)．．．訊號處理模組

(31)．．．訊號處理電路

(32)．．．訊號識別電路

(320)．．．計數器

(321)．．．數位開關

(322)．．．震盪電路

(33)．．．運算單元

第一圖係本發明基本結構之分解示意圖。

第二圖係本發明基本結構之組合示意圖。

第三圖係本發明觸碰感測位置之示意圖。

第四圖係本發明未受觸碰時的剖視示意圖。

第五圖係本發明受到觸碰時的剖視示意圖。

第六圖係本發明電路之基本控制方塊示意圖。

第七圖係本發明訊號處理電路之詳細電路示意圖。