TWM520681U - 整合觸控與壓力感測之裝置 - Google Patents

Description

整合觸控與壓力感測之裝置

本創作係有關於一種感測裝置，特別是一種整合觸控與壓力感測之裝置。

輕薄短小的行動裝置帶動觸控顯示面板的潮流，且由於觸控的人機界面技術成熟與使用者對3D觸控的操作需求不斷提昇，壓力觸控的技術也隨之推陳出新；習知之壓力觸控顯示面板往往將微機電之壓力感測器置於顯示面板之邊緣或角落，藉以感測面板表面之觸碰壓力；不僅感測器成本高昂且貼合不易。故壓力感測觸控面板仍有改善之空間。

為改善上述習知技術之缺點，本創作之目的在於提供一種整合觸控與壓力感測之裝置。

為了達成上述目的，本創作提供一種整合觸控與壓力感測之裝置，包含:

一上基板，包含有一第一表面與相對於該第一表面的一第二表面；  一第一電極層設置於該上基板之第二表面且包含複數個第一感應電極；

一第二電極層，位於該第一電極層背對該上基板之一側，其包含至少一個第二感應電極；

一介電材料層，位於該第一電極層與第二電極層之間；

一電容偵測電路，依序或隨機將一第一電容感應激勵訊號施加於選定之該第一感應電極，並自選定之該第一感應電極輸入一觸控感應訊號，俾作觸控偵測操作，且將一與該第一電容感應激勵訊號同相位之輔助訊號施加於相對的至少一個第二感應電極；

該電容偵測電路將一第二電容感應激勵訊號施加於該至少一個第二感應電極並自該第二感應電極輸入一壓力感應訊號，俾作壓力偵測操作；該電容偵測電路於壓力偵測操作時又依序或隨機將一對應激勵訊號施加於選定之該第一感應電極。

有關本創作的詳細說明及技術內容，請參閱以下的詳細說明和附圖說明如下，而附圖與詳細說明僅作為說明之用，並非用於限制本創作。

請參考圖2A及圖2B，分別為說明一具有觸控與壓力感測之裝置12之一操作狀態側視圖。該具有觸控與壓力感測之裝置12包含由上而下之上基板120、介電材料層220及第二電極層320，其中此上基板120具有一第一表面120a、一第二表面120b及在第二表面120b上之第一電極層120C。此第一電極層120C包含多數之第一感應電極E1~E8。如圖2A所示，在外力未施加時，第一電極層120C及第二電極層320大致維持相同距離，因此第一感應電極E1~E8與第二電極層320彼此間的電容大致相等。參見圖2B，在外力施加（例如施加到對應一特定第一感應電極E4的位置）時，即會造成介電材料層220在該處位置之變形，使對應之電容C2電容值增加，藉以偵測壓力位置。

參考圖3A及圖3B，分別為說明此具有觸控與壓力感測之裝置12之另一操作狀態側視圖。如圖3A所示係一大面積輕觸，而如圖3B所示則係單指小面積重壓觸碰；當此具有觸控與壓力感測之裝置12做觸控操作時，藉由手指接觸點與第一感應電極E1~E8間之電容變化，即可由一電容偵測電路（未圖示）感測電容值變化並進一步判別手指或手掌接觸位置，而達成觸控功能。然而參見圖3B所示，若此具有觸控與壓力感測之裝置12發生翹曲，導致電容值因為第一感應電極E1~E8與及第二電極層320彼此距離改變而變化，其增大之電容偵測值(壓力)可能與圖3A因大面積輕觸的大量感應電荷堆積造成之電容偵測值雷同，進而導至壓力偵測值誤判的結果。如圖3B所示當翹曲量大時觸碰點E4周遭E3，E5與第二電極層320間的電容值亦加大造成觸控位置(面積)之誤判。

為了改善上習知技術缺失及上述具有觸控與壓力感測之裝置12之缺失，本創作提供一種整合觸控與壓力感測之裝置，下面配合附加圖示對本創作之具體實例做進一步說明。

參見圖1A，為依據本創作一具體實例之整合觸控與壓力感測之裝置10之示意圖。此整合觸控與壓力感測之裝置10包含一由上而下之上基板100、介電材料層200及第二電極層300，其中此上基板100具有一第一表面100a、一第二表面100b及在第二表面100b上之第一電極層110。此第一電極層110包含複數之第一感應電極，例如如此圖所示之第一感應電極E1~E9，但是須知此圖所示僅為一側視圖，因此第一感應電極之數量及分布方式不限於此。此整合觸控與壓力感測之裝置10尚且包含一電容偵測電路50，此電容偵測電路50包含一電容激勵驅動電路52及一電容讀取電路54。

復參見圖1A，為說明本創作之整合觸控與壓力感測之裝置用於觸控感測之操作狀況。此電容激勵驅動電路52包含一訊號源520及一驅動器522，並依序或隨機將一第一電容感應激勵訊號(stimulus signal)Vs施加於選定之一第一感應電極（例如第一感應電極E4）。此外電容激勵驅動電路52將此第一電容感應激勵訊號Vs送至一同相放大器56，該同相放大器56之增益值較佳為一，以產生與第一電容感應激勵訊號Vs同相位之輔助訊號(auxiliary signal)Va，此輔助訊號Va施加於相對的至少一個第二感應電極310。由於在相對的至少一個第二感應電極310施加與第一電容感應激勵訊號Vs同相位之訊號，等效上即可在對應選定第一感應電極E4與相對的至少一個第二感應電極310之間產生沒有電壓差或是幾乎沒有電壓差的狀態，亦即不會有電容產生或是僅有微量電容產生（不至於影響觸控感測結果之微量電容），即可避免在偵測對應選定第一感應電極E4之觸控操作時，因為介電材料層200受壓翹曲而產生電容的干擾，同時亦阻絕了經由第二感應電極310與接地點間電容並聯效應引發之干擾。

配合參見圖7，為依據本創作一實施例之整合觸控與壓力感測之裝置10之部份上視圖，主要繪示第一感應電極E1~E8, En及第二感應電極310之分布狀況。如此圖所示，第二電極層300包含兩個第二感應電極310a, 310b，且每一第一感應電極E1~E8, En都相對於至少一個第二感應電極310a或是310b，此處所謂之相對，為由投影角度觀之，每一第一感應電極E1~E8, En都與至少一個第二感應電極310部份重疊，或是鄰近至少一個第二感應電極310，以達成前述的防止介電材料層200受壓翹曲而產生電容的干擾之影響。例如對於上述之選定第一感應電極E4而言，其相對的第二感應電極即為第二感應電極310a。若第一感應電極之面積大於第二感應電極，則每一第一感應電極則可能對應多個第二感應電極。因此上述之範例僅為說明本創作之一具體實施方式，而非對於本創作之限制。

藉由圖1A所示之整合觸控與壓力感測之裝置10，可利用輔助訊號Va減少或是完全消除介電材料層200翹曲或是變形的影響。在電容偵測電路50之電容激勵驅動電路52將第一電容感應激勵訊號Vs施加於選定第一感應電極E4後，電容偵測電路50之電容讀取電路54可在檢測點P讀取觸控感應訊號Vc1，即可精確地判斷觸控位置。

復參見圖1B，為說明依據本創作另一實施例之整合觸控與壓力感測之裝置，此整合觸控與壓力感測之裝置用於觸控感測之操作狀況之示意圖。圖1B所示實施例與圖1A所示者大致相同，然而此整合觸控與壓力感測之裝置10尚且包含另一同相放大器57，可產生與第一電容感應激勵訊號Vs同相位之反射訊號Vr，且此反射訊號Vr係施加於該選定的第一感應電極E4周遭之第一感應電極，例如第一感應電極E3, E5，以使感應電力線更集中在該選定的第一感應電極E4，增加感應之靈敏度。同樣地，此實施例可利用輔助訊號Va減少或是完全消除介電材料層200翹曲或是變形的影響；且反射訊號Vr使感應電力線更集中在選定的第一感應電極E4。在電容偵測電路50之電容激勵驅動電路52將第一電容感應激勵訊號Vs施加於選定第一感應電極E4後，電容偵測電路50之電容讀取電路54可在檢測點P讀取觸控感應訊號Vc1，即可精確地判斷觸控位置。

參見圖4A及圖4B，為說明本創作之整合觸控與壓力感測之裝置用於壓力感測之操作狀況。本創作之整合觸控與壓力感測之裝置10的壓力感測階段，例如可以延續如圖1A所示之觸控感測操作階段之後立即進行；更具體而言，此壓力感測係在對於選定第一感應電極E4進行完觸控感測後，對於和選定第一感應電極E4相對的第二感應電極（例如第二感應電極310a）進行或是所有第二感應電極進行。復參見圖7，與選定第一感應電極E4相對的第二感應電極為第二感應電極310a，因此如圖4B所示，對於此第二感應電極310a施加一用於壓力感測之第二電容感應激勵訊號Vp。此整合觸控與壓力感測之裝置10之電容偵測電路50具有一同相放大器56，該同相放大器56之增益值較佳為一，可對於此第二電容感應激勵訊號Vp做同相放大以產生遮蔽訊號Vp1，此遮蔽訊號Vp1係施加到非選定的第一感應電極E1~E3, E5~E8及En（參見圖4A），亦即除了選定第一感應電極E4外之至少部份其他第一感應電極。再者，此整合觸控與壓力感測之裝置10之電容偵測電路50具有一直流參考訊號源53，可產生一對應激勵訊號Vo施加於選定第一感應電極E4，此對應激勵訊號Vo施加方式可為依序或是隨機。

參見圖4A，為說明本創作整合觸控與壓力感測之裝置10之部份上視圖，主要繪示第一感應電極E1~E8, En及第二感應電極310a, 310b之分布狀況及對應用於壓力感測之第一電容感應激勵訊號Vp、遮蔽訊號Vp1、及對應激勵訊號Vo訊號施加狀況。復參見圖4B，在進行壓力感測時，係將與電容感應激勵訊號Vp做同相之遮蔽訊號Vp1施加到非選定的第一感應電極（亦即非為選定第一感應電極E4之至少部份第一感應電極），以遮蔽來自手指操作之電容變化，提高壓力感測精確度。再者，係將一具有預定位準之對應激勵訊號Vo施加到選定第一感應電極E4，以增強相對之第二感應電極的壓力感測靈敏度。電容偵測電路50之電容讀取電路54可在檢測點P讀取來自第二感應電極（例如第二感應電極310a）之壓力感應訊號Vc2，即可精確地判斷是否有按壓動作與壓力之大小。

參見圖5A及圖5B，為說明依據另一實施例的本創作之整合觸控與壓力感測之裝置10，且此整合觸控與壓力感測之裝置10係用於壓力感測之操作狀況。此實施例大致與圖4A及4B所示者類似，然在此實施例中，電容偵測電路50中用於產生遮蔽訊號Vp1之同相放大器57輸入係不連接到電容讀取電路54之檢測點P，例如可直接連接到訊號源520，以避免來自電容讀取電路54檢測點P之壓力感應訊號Vc2之影響。

參見圖6A，為說明依據另一實施例的本創作之整合觸控與壓力感測之裝置10，且此整合觸控與壓力感測之裝置10係用於壓力感測之操作狀況。此整合觸控與壓力感測之裝置10類似圖4B所示之實施例，然而電容偵測電路50係具有一反相放大器59以取代直流參考訊號源53，換言之，此實施例之整合觸控與壓力感測之裝置10係由反相放大器59產生與第二電容感應激勵訊號Vp反相之交變訊號，以作為對應激勵訊號Vo；同樣地，也可增強相對之第二感應電極的壓力感測靈敏度。

參見圖6B，為說明依據另一實施例的本創作之整合觸控與壓力感測之裝置10，且此整合觸控與壓力感測之裝置10係用於壓力感測之操作狀況。此整合觸控與壓力感測之裝置10類似圖5B所示之實施例，然而電容偵測電路50係也具有一反相放大器59以取代直流參考訊號源53，換言之，此實施例之整合觸控與壓力感測之裝置10係由反相放大器59產生與第二電容感應激勵訊號Vp反相之交變訊號，以作為對應激勵訊號Vo；同樣地，也可增強相對之第二感應電極的壓力感測靈敏度。此外，此實施例之電容偵測電路50中用於產生遮蔽訊號Vp1之同相放大器56輸入係不連接到電容讀取電路54之輸入點，例如可直接連接到訊號源520，以避免來自電容讀取電路54輸入點之壓力感應訊號Vc2之影響。

參見圖8A~8C，為說本創作整合觸控與壓力感測之裝置10其餘實現方式之示意圖。參見圖8A，此整合觸控與壓力感測之裝置10更包含一偏光層410及一下基板400。此偏光層410係介於介電材料層200及第二電極層300之間；此下基板400係位於該第二電極層300背對該介電材料層200之一側。參見圖8B，此整合觸控與壓力感測之裝置10更包含一下基板400，且第二電極層係為可具有偏光作用之第二電極層300'。同樣地，此下基板400係位於該第二電極層300'背對該介電材料層200之一側。參見圖8C，此整合觸控與壓力感測之裝置10與圖8A所示者類似，然而偏光層410位於第二電極層300及下基板400之間。圖8A~8C所示之實施例中，下基板400可為一玻璃基板或一高分子材料基板，或是一顯示螢幕的彩色濾光基板。

在上述之各個實施例中，介電材料層200包含一彈性膠質材料，該彈性膠質材料遇壓力時體積壓縮變形，並於除去壓力時回復原有的體積與形狀。此彈性膠質材料例如可為（但是不限於）聚二甲基矽氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）材料。第一電容感應激勵訊號Vs及第二電容感應激勵訊號Vp係一交變訊號，如一弦波，方波，三角波或梯形波；第一電容感應激勵訊號Vs及第二電容感應激勵訊號Vp亦可為一電流源。對應感應激勵訊號Vo係一直流參考訊號或一與第二電容感應激勵訊號Vp反相位之交變訊號。

請參考圖9，其係為本創作之一具體實例之自電容偵測電路之示意圖。    該自電容偵測電路50'包含一電容激勵驅動電路52及一電容讀取電路54，以偵測電容讀取點P之電容變化值。該電容激勵驅動電路52包含一訊號源520、一驅動器522（包含第二阻抗522a及第三阻抗522b）。該電容讀取電路54包含一差動放大器540、一第一阻抗542及一第一電容544，以偵測一感應電極60上之電容變化，此感應電極60有附帶之第一雜散電容62及一第二雜散電容64。

該訊號源520電性連接至該第一阻抗542及該第二阻抗522a；該第一阻抗542電性連接至該第一電容544；該第一電容544電性連接至該差動放大器540之該第一輸入端540a；該第二阻抗522a電性連接至該差動放大器540之該第二輸入端540b；該感應電極60經由該自電容偵測電路50'之一接點而連接至該第二阻抗522a及該差動放大器540之該第二輸入端540b；該第一雜散電容62電性連接至該接腳；該第二雜散電容64電性連接至該感應電極60。

在圖9所示之自電容偵測電路50'中，該感應電極60係感應手指或各類導體或物件之觸碰而接收一觸控訊號；該訊號源520係一週期性之輸入訊號至該第三阻抗522b，且該第一阻抗542之阻抗值等於該第二阻抗522a之阻抗值；該差動放大器540係依據該輸入訊號及該觸控訊號使得該輸出端540c輸出差動放大後之一觸控訊號，該第一電容544之電容值等於該第一雜散電容62及該第二雜散電容64並聯之電容值，當手指或各類導體或物件接近該感應電極60時，該第二雜散電容64之電容值會改變以使得該第一輸入端540a及該第二輸入端540b之電壓值不同，經由該差動放大器540差動放大之後，該輸出端540c輸出放大後之該觸控訊號，透過量測該差動放大器540之輸出變化，以分辨該感應電極60所產生之微量電容值改變，可以有效排除電路、電源等雜訊所造成的干擾，並量測到微量電容值改變。此外，此自電容偵測電路50'之更完整細節可參見同一申請人之創作I473001微量阻抗變化檢測裝置所揭露之自電容偵測電路技術。

參考圖10，為依據本創作之一實施例之整合觸控感測與壓力感測之方法，其包含： (S10) 提供一整合觸控與壓力感測之裝置，該整合觸控與壓力感測之裝置又包含：一上基板，其一表面設置有一第一電極層，該第一電極層包含複數個第一感應電極；一第二電極層，其包含有至少一個第二感應電極；一介電材料層，位於該第一電極層與第二電極層之間，該介電材料層遇壓力時體積壓縮變形，並於除去壓力時回復原有的體積與形狀；一電容偵測電路（例如圖9所示之自電容偵測電路50'）；(S20) 進行一觸控偵測時序，於該觸控偵測時序時依序將一第一電容感應激勵訊號施加於選定之第一感應電極，並自該選定第一感應電極輸入一觸控感應訊號作觸控偵測；(S30) 進行一壓力偵測時序，於該壓力偵測時序時將一第二電容感應激勵訊號施加於該至少一個第二感應電極，並自該第二電極感應輸入一壓力感應訊號作壓力偵測。此外，在前述之步驟S20進行之觸控偵測時序結束後，可隨選判斷有否偵測到觸碰，若有，則進入壓力偵測時序S30。於上述之觸控偵測時序S20，又可隨選地將一與該第一電容感應激勵訊號同相位之輔助訊號施加於該至少一個第二感應電極。於上述之觸控偵測時序S20時，可隨選地將一與該第一電容感應激勵訊號同相之反射訊號施加於該選定的第一感應電極周遭之第一感應電極。在壓力偵測時序S30中，又將一對應激勵訊號施加於選定之第一感應電極，該對應激勵訊號係一直流參考電壓（例如一零電位之接地訊號）或該第二電容感應激勵訊號之反相訊號。於該壓力偵測時序S30時更可將該第二電容感應激勵訊號之同相位訊號（遮蔽訊號）施加於該些非選定之第一感應電極。

再者，於上述偵測時序中，第一電容感應激勵訊號或是第二電容感應激勵訊號係一交變訊號，如一弦波，方波，三角波或梯形波；該第一或是第二電容感應激勵訊號亦可為一電流源。

然以上所述者，僅為本創作之較佳實施例，當不能限定本創作實施之範圍，即凡依本創作申請專利範圍所作之均等變化與修飾等，皆應仍屬本創作之專利涵蓋範圍意圖保護之範疇。本創作還可有其它多種實施例，在不背離本創作精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本創作作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本創作所附的權利要求的保護範圍。綜上所述，當知本創作已具有產業利用性、新穎性與進步性，又本創作之構造亦未曾見於同類產品及公開使用，完全符合創作專利申請要件，爰依專利法提出申請。

10‧‧‧整合觸控與壓力感測之裝置

12‧‧‧具有觸控與壓力感測之裝置

100, 120‧‧‧上基板

100a, 120a‧‧‧第一表面

100b, 120b‧‧‧第二表面

110,120c‧‧‧第一電極層

E1~E9, En‧‧‧第一感應電極

200, 220‧‧‧介電材料層

300,300', 320‧‧‧第二電極層

310, 310a, 310b‧‧‧第二感應電極

50‧‧‧電容偵測電路
50'‧‧‧自電容偵測電路

52‧‧‧電容激勵驅動電路

520‧‧‧訊號源

522‧‧‧驅動器

54‧‧‧電容讀取電路

56, 57‧‧‧同相放大器

59‧‧‧反相放大器

Vc1‧‧‧觸控感應訊號

Vc2‧‧‧壓力感應訊號

Vs‧‧‧第一電容感應激勵訊號

Vr‧‧‧反射訊號

Va‧‧‧輔助訊號

Vp‧‧‧第二電容感應激勵訊號

Vp1‧‧‧遮蔽訊號

Vo‧‧‧對應激勵訊號

60‧‧‧感應電極

542‧‧‧第一阻抗

522a‧‧‧第二阻抗

522b‧‧‧第三阻抗

540‧‧‧差動放大器

544‧‧‧第一電容

62‧‧‧第一雜散電容

64‧‧‧第二雜散電容

540a, 540b‧‧‧輸入端

540c‧‧‧輸出端

410‧‧‧偏光層

400‧‧‧下基板

S10~S30‧‧‧步驟

圖1A為依據本創作一具體實例之整合觸控與壓力感測之裝置10之示意圖。

圖1B為依據本創作另一具體實例之整合觸控與壓力感測之裝置10之示意圖。

圖2A及圖2B分別為說明一具有觸控與壓力感測之裝置之一操作狀態側視圖。

圖3A及圖3B分別為說明此具有觸控與壓力感測之裝置之另一操作狀態側視圖。

圖4A及圖4B分別為說明本創作之整合觸控與壓力感測之裝置用於壓力感測之操作狀況。

圖5A及圖5B為說明依據另一實施例的本創作之整合觸控與壓力感測之裝置10。

圖6A為說明依據另一實施例的本創作之整合觸控與壓力感測之裝置。

圖6B為說明依據另一實施例的本創作之整合觸控與壓力感測之裝置。

圖7為依據本創作一實施例之整合觸控與壓力感測之裝置之部份上視圖。

圖8A~8C，為說本創作整合觸控與壓力感測之裝置10其餘實現方式之示意圖。

圖9係為本創作之一具體實例之自電容偵測電路之示意圖。

圖10為依據本創作之一實施例之整合觸控感測與壓力感測之方法流程圖。

10‧‧‧整合觸控與壓力感測之裝置

100‧‧‧上基板

100a‧‧‧第一表面

100b‧‧‧第二表面

110‧‧‧第一電極層

E1~E9‧‧‧第一感應電極

200‧‧‧介電材料層

300‧‧‧第二電極層

50‧‧‧電容偵測電路

52‧‧‧電容激勵驅動電路

520‧‧‧訊號源

522‧‧‧驅動器

54‧‧‧電容讀取電路

56‧‧‧同相放大器

Claims (11)

1. 一種整合觸控與壓力感測之裝置，包含:   一上基板，包含有一第一表面與相對於該第一表面的一第二表面；  一第一電極層設置於該上基板之第二表面且包含複數個第一感應電極；   一第二電極層，位於該第一電極層背對該上基板之一側，其包含至少一個第二感應電極；   一介電材料層，位於該第一電極層與第二電極層之間；   一電容偵測電路，依序或隨機將一第一電容感應激勵訊號施加於選定之該第一感應電極，並自該第一感應電極輸入一觸控感應訊號，俾作觸控偵測操作，且將一與該第一電容感應激勵訊號同相位之輔助訊號施加於相對的至少一個第二感應電極； 該電容偵測電路將一第二電容感應激勵訊號施加於該至少一個第二感應電極並自該第二感應電極輸入一壓力感應訊號，俾作壓力偵測操作；該電容偵測電路於壓力偵測操作時又依序或隨機將一對應激勵訊號施加於選定之該第一感應電極。
2. 如申請專利範圍第1項所述之整合觸控與壓力感測之裝置，其中該電容偵測電路係一自電容偵測電路。
3. 如申請專利範圍第1項所述之具整合觸控與壓力感測之裝置，該介電材料層包含一彈性膠質材料，該彈性膠質材料遇壓力時體積壓縮變形，並於除去壓力時回復原有的體積與形狀。
4. 申請專利範圍第1項所述之具整合觸控與壓力感測之裝置，該電容偵測電路於觸控偵測操作時更將一與該第一電容感應激勵訊號同相位之反射訊號施加於該選定的第一感應電極周遭之第一感應電極。
5. 如申請專利範圍第1項所述之整合觸控與壓力感測之裝置，該電容偵測電路於壓力偵測操作時更將一與該第二電容感應激勵訊號同相位之遮蔽訊號施加於該些非選定的第一感應電極。
6. 如申請專利範圍第1項所述之整合觸控與壓力感測之裝置，該第一電容感應激勵訊號或該第二電容感應激勵訊號係一交變訊號；該第一電容感應激勵訊號或該第二電容感應激勵訊號亦可為一電流源。
7. 如申請專利範圍第6項所述之整合觸控與壓力感測之裝置，該對應感應激勵訊號係一直流參考訊號或一與該第二電容感應激勵訊號反相位之交變訊號。
8. 如申請專利範圍第7項所述之整合觸控與壓力感測之裝置，該直流參考訊號係一零電位訊號。
9. 如申請專利範圍第1項所述之整合觸控與壓力感測之裝置，該上基板係一玻璃基板或一高分子材料基板。
10. 如申請專利範圍第1項所述之整合觸控與壓力感測之裝置，其又包含一下基板位於該第二電極層背對該介電材料層之一側，其係一玻璃基板或一高分子材料基板。
11. 如申請專利範圍第10項所述之整合觸控與壓力感測之裝置，該下基板係一顯示螢幕的彩色濾光基板。