觸摸感測設(shè)備及檢測方法
【專利摘要】一種觸摸感測設(shè)備，包括：一個(gè)觸敏膜、一個(gè)信號濾波器、電氣電路和一個(gè)處理單元。根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)一個(gè)外部對象進(jìn)行觸摸時(shí)，該膜能夠電容或電感耦合到所述對象。該信號濾波器至少由該膜的該電阻和到該外部對象的該電容或電感耦合形成，并且該濾波器具有至少受該觸摸的位置和/或該觸摸的電容或電感影響的特性。該電氣電路在一個(gè)或多個(gè)位置處耦合到該觸敏膜，并且被配置成用于提供一個(gè)或多個(gè)具有至少一個(gè)頻率、振幅和波形的激勵(lì)信號到該信號濾波器以及從該信號濾波器接收一個(gè)或多個(gè)響應(yīng)信號。該處理單元耦合到該電氣電路并且被配置成用于通過處理一個(gè)或多個(gè)響應(yīng)信號并且由此測量該信號濾波器的特性的變化來檢測由該外部對象進(jìn)行的觸摸的存在或接近度、所述觸摸的位置、所述觸摸的電容和/或電感。
【專利說明】觸摸感測設(shè)備及檢測方法發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及觸摸感測設(shè)備，更具體地，涉及具有觸敏膜的觸摸感測設(shè)備以及一種檢測觸摸并檢測其位置的方法。
[0002]發(fā)明背景
[0003]現(xiàn)今，用于不同種類的電裝置的用戶接口越來越經(jīng)常地用基于觸敏膜而不是常規(guī)的機(jī)械按鈕的不同類型的觸摸感測設(shè)備來制作。眾所周知的示例包括移動(dòng)電話、便攜式計(jì)算機(jī)和類似設(shè)備中的不同種類的觸摸板和觸摸屏。除了可實(shí)現(xiàn)高級的乃至奢侈的用戶體驗(yàn)以外，基于觸敏膜的觸摸感測設(shè)備還為不斷努力尋找功能上更通用、更小、更便宜、更輕以及在視覺上也更有吸引力的設(shè)備的設(shè)計(jì)者提供較多的自由。
[0004]這類觸摸感測設(shè)備中的關(guān)鍵元件是觸敏膜，該觸敏膜包括被配置成用作一個(gè)或多個(gè)感測電極的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電層。這種膜的一般操作原理是借助于該觸敏膜所連接到其上的測量電路檢測到用戶通過例如指尖或某種特定的指示器設(shè)備的觸摸。實(shí)際的測量原理可以是例如電阻式的或電容式的，現(xiàn)今后者通常被認(rèn)為是在最苛刻的應(yīng)用中提供最佳性能的最先進(jìn)的替代方案。
[0005]電容觸摸感測是基于在觸敏膜上的觸摸，從電的觀點(diǎn)，指的是將外部電容耦合到觸敏膜所連接到其上的測量電路這一原理。對于具有足夠高靈敏度的觸敏膜，甚至不需要直接接觸該觸敏膜，而只通過將一個(gè)合適的對象接近該觸敏膜就可以實(shí)現(xiàn)電容耦合。在測量電路的信號中檢測到電容耦合。在一種所謂的投射電容方法中，測量電路包括分別用于提供信號和感測電容耦合的驅(qū)動(dòng)電極和感測電極。這一電路也被安排成用于順序地快速地掃描感測電極，這樣使得測量每個(gè)供電/測量電極對之間的耦合。
[0006]對于投射電容方法中已知的觸敏膜，常見的是正確地確定觸摸的位置必然需要在導(dǎo)電層中的大量的分離感測電極。換言之，導(dǎo)電層被圖案化成分離感測電極的網(wǎng)絡(luò)。希望得到的分辨率越精確，需要的感測電極配置就越復(fù)雜。一個(gè)尤其具有挑戰(zhàn)性的問題是多個(gè)同時(shí)觸摸的檢測，從另一個(gè)方面來說，該檢測常常是觸摸感測設(shè)備目前發(fā)展水平最希望得到的特性之一。復(fù)雜的感測電極配置和大量的單個(gè)感測電極元件使得觸摸感測設(shè)備的制造工藝以及測量電子設(shè)備復(fù)雜化。
[0007]在觸摸屏中，除了觸摸感測能力之外，觸敏膜必須是光學(xué)透明的，從而使得該膜能夠在電子設(shè)備的顯示器中或其頂部使用，即，使得能夠通過觸敏膜看到設(shè)備的顯示器。此夕卜，從觸敏膜可見性的觀點(diǎn)，透明性也是非常重要的。觸敏膜的可見性對于例如LCD(液晶顯示器)、0LED (有機(jī)發(fā)光二極管)顯示器、或電子紙(e-paper)顯示器的用戶來說，嚴(yán)重地惡化了用戶體驗(yàn)。到目前為止，透明的導(dǎo)電氧化物如銦錫氧化物(ITO)已經(jīng)形成了觸敏膜中最常見的一組導(dǎo)電層材料。然而，從可見性的觀點(diǎn)，它們遠(yuǎn)非一個(gè)理想的解決方案。例如ITO的高折射率使得圖案化的感測電極可見。強(qiáng)調(diào)這個(gè)問題是因?yàn)楦袦y電極圖案化變得更加復(fù)雜化。
[0008]在由網(wǎng)絡(luò)化的納米結(jié)構(gòu)形成的或包括這些網(wǎng)絡(luò)化的納米結(jié)構(gòu)的層中發(fā)現(xiàn)了一種在觸敏膜中的有希望的新方法。除了合適的導(dǎo)電性能以外，由例如碳納米管(CNT)的網(wǎng)絡(luò)或具有共價(jià)地鍵合到管狀碳分子的一側(cè)的富勒烯或類富勒烯分子的碳NANOBUD的網(wǎng)絡(luò)
(NANOBUD?是卡娜圖沃伊(Canatu Oy)的注冊商標(biāo))組成的層可以制成比例如透明的導(dǎo)電氧化物(如ITO、ATO或FT0)對于人眼來說更不可見。此外，如眾所周知的，與例如透明的導(dǎo)電氧化物相比，基于納米結(jié)構(gòu)的層可以擁有更優(yōu)越的柔性、機(jī)械強(qiáng)度以及穩(wěn)定性。
[0009]在US 2009/0085894 Al中報(bào)告了一個(gè)基于納米結(jié)構(gòu)的解決方案。根據(jù)其描述，納米結(jié)構(gòu)可以是例如不同類型的碳納米管、石墨烯片或納米線。所提及的膜的摻雜作為用于增加其導(dǎo)電性的手段。在此討論了基于互電容和單層自電容方法的雙層配置。借助于所披露的膜，聲明多觸摸檢測是可能的。然而，這個(gè)文件中沒有解決非常復(fù)雜的電極和測量電路配置的常見問題。
[0010]WO 2011/107666 Al中建議了另一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)解決方案。其披露了一個(gè)具有例如由納米結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)制成的觸敏膜的觸摸感測設(shè)備，該膜具有大于3.0kQ的薄層電阻。當(dāng)在本發(fā)明中著手解決復(fù)雜的電路的問題時(shí)，仍然只建議用高電阻膜并且在有限的頻率范圍內(nèi)操作。
[0011]需要提供通用的觸摸感測設(shè)備，該通用的觸摸感測設(shè)備具有簡單的感測電極配置、優(yōu)選地使能單層電容工作原理、能夠在大范圍導(dǎo)電膜電阻上操作、使能信號頻率調(diào)諧用于更好的噪聲控制、并且允許使用多種多樣的感測算法。
[0012]發(fā)明目的
[0013]本發(fā)明的目的是提供新穎的解決方案，這些解決方案至少具有上述優(yōu)點(diǎn)的一部分或者全部。
[0014]發(fā)明概述
[0015]根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，提供了一種觸摸感測設(shè)備，包括:一個(gè)觸敏膜，該觸敏膜包括具有一個(gè)電阻的導(dǎo)電材料，當(dāng)一個(gè)外部對象進(jìn)行觸摸時(shí)，該膜能夠電容或電感耦合到所述外部對象；一個(gè)信號濾波器，該信號濾波器至少由該觸敏膜的該電阻和到該外部對象的該電容或電感耦合形成，該信號濾波器具有至少受該觸摸的位置、該觸摸的電容或電感或者受該觸摸的所述特性的組合影響的特性；電氣電路，該電氣電路在一個(gè)或多個(gè)位置處電阻地或者無線地耦合到該觸敏膜，該電氣電路被配置成用于提供一個(gè)或多個(gè)具有至少一個(gè)頻率的激勵(lì)信號到該信號濾波器并且從該信號濾波器接收一個(gè)或多個(gè)響應(yīng)信號；以及一個(gè)處理單元，該處理單元電阻地或者無線地耦合到該電氣電路，其中，該處理單元被配置成用于通過處理一個(gè)或多個(gè)響應(yīng)信號并且由此測量該信號濾波器的特性的變化來檢測由該外部對象進(jìn)行的觸摸的存在或接近度、所述觸摸的位置、所述觸摸的電容或電感、或者其組合。
[0016]一般而言，觸敏膜指的是可以用作觸摸感測設(shè)備中的觸敏元件的膜。此處，觸摸感測設(shè)備被寬泛地理解成涵蓋通過經(jīng)由外部對象來觸摸設(shè)備進(jìn)行操作的所有用戶接口設(shè)備，以及用于檢測此類對象的存在、接近度和位置的其他類型的設(shè)備。
[0017]本發(fā)明的觸敏膜能夠電容或電感耦合到外部對象，這意味著由外部對象進(jìn)行的觸摸在膜的濾波特性中弓I起變化。
[0018]在本發(fā)明的上下文中使用了單詞“觸摸”及其衍生詞，在廣義不僅涵蓋了在指尖、觸筆、或某些其他指示器或?qū)ο蠛陀|敏膜之間的直接的機(jī)械或物理接觸，并且也涵蓋了如下情形:這種對象位于觸敏膜的附近，這樣使得該對象在觸敏膜和周圍環(huán)境之間或者在觸敏膜的不同點(diǎn)之間產(chǎn)生足夠的電容或電感耦合。在這個(gè)意義上，本發(fā)明的觸敏膜也能夠被用作接近度傳感器。
[0019]所謂“導(dǎo)電材料”此處指的是能夠允許電荷在材料中流動(dòng)的任何材料，而不考慮該材料的導(dǎo)電機(jī)制或?qū)щ婎愋?。因此，?dǎo)電材料此處還涵蓋例如半導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料。在觸敏膜中可能有一層或多層導(dǎo)電材料。
[0020]除了導(dǎo)電材料以外，觸摸感測設(shè)備還可以包括實(shí)施整個(gè)工作觸敏元件所需的其他材料層和結(jié)構(gòu)。例如，可以存在用于該膜的機(jī)械保護(hù)的一個(gè)或多個(gè)層。此外，還可以存在用于折射率或顏色匹配的一個(gè)或多個(gè)層和/或例如用于抗刮擦、裝飾、防水、自清潔或其他目的的一個(gè)或多個(gè)涂層。除了分層的元件之外，觸敏膜還可以包括三維組織的結(jié)構(gòu)，例如貫穿觸敏膜或其一部分延伸的接觸結(jié)構(gòu)。
[0021]信號濾波器至少由觸敏膜電阻和到外部對象的電容或電感耦合形成。該信號濾波器可以是例如低通濾波器、高通濾波器、帶阻或帶通濾波器。低通濾波器的示例將是跨輸入的RC(電阻器-電容器)串聯(lián)電路，其中，跨電容器取得輸出。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，在上述低通濾波器中，膜電阻可以表示R以及由觸摸創(chuàng)建的電容耦合可以表示C。
[0022]所謂“外部對象”指的是任何電容器或電感器或者電容或電感指示器(例如人的手指或金屬觸筆)、具有電容元件或用于電感耦合的金屬線圈的指示器等。例如，具有線圈的觸筆既可以是無源的(沒有將電流主動(dòng)地施加于該線圈)也可以是有源的(將AC或DC電流施加于該線圈)。通常使用具有有源線圈的觸筆來提高觸摸的準(zhǔn)確度、響應(yīng)時(shí)間、或透明性。
[0023]通過觸敏膜的電阻和到外部對象的耦合形成信號濾波器是基于發(fā)明人的觀察，即，響應(yīng)于來自外部對象的觸摸，這種濾波器改變其特性，以及可以測量這一改變從而檢測觸摸、其位置并且用非常高的精度確定觸摸的電容或電感。
[0024]在一個(gè)或多個(gè)位置將根據(jù)本實(shí)施例的電氣電路電阻地或者無線地耦合到觸敏膜。該電路可以包括不同類型的接觸電極、線路和其他形式的導(dǎo)體、開關(guān)、以及將觸敏膜及其一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電層連接到觸摸感測設(shè)備的剩余部分所需的其他元件。電阻連接暗指物理接觸，而例如無線電波、電感或電容耦合涉及無線耦合。電阻耦合的示例包括但不限于焊接、鉗位或其他傳統(tǒng)的技術(shù)。
[0025]電氣電路被配置成用于為信號濾波器提供一個(gè)或多個(gè)激勵(lì)信號，并且從該濾波器接收一個(gè)或多個(gè)響應(yīng)信號。如下文所描述的，將電氣電路連接到處理單元。在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，通過處理單元經(jīng)由電氣電路將信號發(fā)送到濾波器并且從其接收信號。所提供的一個(gè)或多個(gè)激勵(lì)信號具有至少一個(gè)頻率、振幅和波形。這意味著每個(gè)信號可以在頻率、振幅或波形上變化或者具有恒定的頻率、振幅和波形，并且在多個(gè)信號的情況下，其可以具有相等的或不同的頻率、振幅和波形。實(shí)際上，可以將電氣電路連同處理單元部分地或者完全地集成到單個(gè)芯片。
[0026]激勵(lì)信號可以是任何電信號(例如脈沖的、上升下降時(shí)間受限的或振蕩的電壓或電流)，該電信號經(jīng)由電路被提供給觸敏膜的信號濾波器并且提供適合于監(jiān)測由觸摸引起濾波器特性的變化的條件。激勵(lì)信號也可以例如被稱為驅(qū)動(dòng)信號或刺激信號。典型的示例是AC電流和/或電壓。響應(yīng)信號相應(yīng)地是通過使用電路從信號濾波器接收并且允許基于由觸摸引起的和這個(gè)信號可檢測的濾波器特性的變化來檢測觸摸的任何所測量的電信號。
[0027]在一個(gè)實(shí)施例中，將處理單元電阻地或者無線地耦合到電氣電路。處理單元被配置成用于通過處理一個(gè)或多個(gè)響應(yīng)信號并且由此測量該信號濾波器的特性的變化來檢測由外部對象進(jìn)行的觸摸的存在或接近度、所述觸摸的位置、所述觸摸的電容或電感、或者其組合。
[0028]處理單元可以包括處理器、信號或脈沖發(fā)生器、信號比較器、解釋單元、和其他硬件和電子設(shè)備以及處理響應(yīng)信號所必需的軟件工具。
[0029]觸摸感測設(shè)備能夠利用只具有一個(gè)單一導(dǎo)電層的觸敏膜在單層模式下操作。大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)的電容觸敏膜利用對于激勵(lì)和響應(yīng)信號使用不同的導(dǎo)電層的雙層方法，與其相t匕，這是一個(gè)有利的簡化。
[0030]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，電氣電路被配置成用于從信號濾波器接收一個(gè)或多個(gè)響應(yīng)信號。在本實(shí)施例中，處理單元被配置成用于通過將所述響應(yīng)信號相互比較并且由此測量信號濾波器的特性的變化來檢測由外部對象進(jìn)行的觸摸的存在或接近度、所述觸摸的位置、所述觸摸的電容或電感、或者其組合。在一個(gè)替代實(shí)施例中，處理單元被配置成用于將響應(yīng)信號與激勵(lì)信號進(jìn)行比較，從而測量信號濾波器的特性的變化。
[0031]在一個(gè)實(shí)施例中，將交流電流或電壓作為激勵(lì)信號在信號濾波器的一個(gè)點(diǎn)處提供給信號濾波器，并且在濾波器的另一個(gè)點(diǎn)處測量作為響應(yīng)信號的交流電壓或電流。
[0032]在一個(gè)實(shí)施例中，信號濾波器進(jìn)一步由至少一個(gè)外部組件形成。該至少一個(gè)外部組件是上述實(shí)施例的觸摸感測設(shè)備的一部分，并且經(jīng)由電氣電路將其電阻地或無線地耦合到處理單元。該外部組件可以是電阻器、恒流源、電容器或電感器或者其組合?？梢詫⒃撏獠拷M件集成到設(shè)備中的其他單元中。
[0033]在一個(gè)實(shí)施例中，將交流電流或電壓作為激勵(lì)信號在信號濾波器的一個(gè)點(diǎn)處通過外部組件提供給信號濾波器，并且在濾波器的同一個(gè)點(diǎn)處測量作為響應(yīng)信號的交流電壓或電流。
[0034]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，信號濾波器的特性進(jìn)一步受所述外部對象和感測膜之間的距離、外部對象的電容或電感、所述外部對象的物理特性、膜的電阻、在敏感膜材料和外部對象之間的電介質(zhì)或絕緣層的存在、厚度或介電常數(shù)、或其組合的影響。
[0035]外部對象的物理特性包括例如其幾何結(jié)構(gòu)、材料、定向和配置。
[0036]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，電氣電路包括一個(gè)或多個(gè)電極，并且其中，這些電極中的至少一個(gè)被配置成用于將所述激勵(lì)信號提供到信號濾波器，并且這些電極中的至少一個(gè)被配置成用于從信號濾波器接收所述電響應(yīng)信號。這些電極的數(shù)量可以取決于結(jié)構(gòu)而變化。
[0037]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，信號濾波器的所測量的特性包括振幅響應(yīng)、相位響應(yīng)、電壓響應(yīng)、電流響應(yīng)或其組合。這些特性會受觸摸的存在或接近度、其位置以及其電容或電感的影響。
[0038]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，處理單元進(jìn)一步被配置成用于基于激勵(lì)信號的至少一個(gè)預(yù)先確定的頻率、振幅和波形來選擇一個(gè)或多個(gè)有待測量的特性，從而將信噪比最大化和/或提高設(shè)備在該預(yù)先確定的頻率、振幅和波形上的準(zhǔn)確度。
[0039]最優(yōu)的激勵(lì)頻率取決于許多因素。在較低頻率處噪聲會增加。另一方面，干擾觸摸檢測的天線效應(yīng)在甚高頻下成為一個(gè)問題。天線效應(yīng)指的是測量電路的不同部分起到如同天線的作用，趨向于在電路和周圍環(huán)境之間耦合擾動(dòng)信號。通常在下限截止頻率和上限截止頻率之間有一個(gè)最優(yōu)的頻率范圍。例如，該范圍取決于在觸敏膜中的導(dǎo)電材料的電阻、在該膜上的任何涂層的厚度和介電常數(shù)、外部對象的電容或電感、周圍電子設(shè)備的頻率和導(dǎo)電膜位于其上的襯底的材料。例如，具有一個(gè)足夠的高頻率，PET襯底變成導(dǎo)電性的，由此干擾激勵(lì)和響應(yīng)信號。因此，提供了選擇工作頻率范圍、基于那些影響最優(yōu)頻率的因素積極地調(diào)諧頻率以及相應(yīng)地調(diào)節(jié)設(shè)備(即，通過選擇待測量的濾波器特性或者操作范圍內(nèi)的特定的激勵(lì)頻率)的能力。
[0040]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，觸摸感測設(shè)備的觸敏膜作為連續(xù)結(jié)構(gòu)在平面內(nèi)延伸。這意味著觸敏膜通過像在例如HARM網(wǎng)絡(luò)的情況下例如作為實(shí)心的、非中斷的、和非圖案化的結(jié)構(gòu)在觸摸感測設(shè)備的整個(gè)感測區(qū)域上大幅度地延伸，該結(jié)構(gòu)在納米或微米尺度上并不是嚴(yán)格地連續(xù)的。這一結(jié)構(gòu)也是可選擇地均質(zhì)的。當(dāng)不需要層的圖案化時(shí)，這一特征不僅將導(dǎo)電層的可見性最小化而且簡化了其制造。根據(jù)本實(shí)施例，其同樣簡化了具有觸敏膜的觸摸感測設(shè)備的電子設(shè)備。
[0041]觸敏膜的良好的靈敏度和觸摸位置分辨性能使得這種非圖案化的導(dǎo)電層能夠在單層操作模式下使用。在單層模式下操作指的是在觸摸感測測量中只使用一個(gè)單一的導(dǎo)電層。多觸摸檢測能力在非圖案化單層操作模式下也是可用的。這種單層能力同樣允許將整個(gè)觸敏膜生產(chǎn)成為相當(dāng)薄的結(jié)構(gòu)。
[0042]在一個(gè)實(shí)施例中，觸敏膜包括:一個(gè)單一的條帶或者兩個(gè)或更多個(gè)平行的條帶，這些條帶由導(dǎo)電材料制成并且在觸敏膜上向一個(gè)方向延伸，以及在所述條帶之間的區(qū)域，這些區(qū)域包括非導(dǎo)電材料，其中，將電氣電路電阻地或者無線地耦合到這些條帶的每一個(gè)，并且處理單元進(jìn)一步被配置成用于沿著每個(gè)條帶檢測觸摸的存在、接近度和位置。
[0043]將電氣電路的電極耦合到每個(gè)條帶從而為測量提供和接收信號。必須只能在一個(gè)維度上確定觸摸位置，并且在每個(gè)條帶上僅使用一個(gè)電極來這樣做是可能的。
[0044]在一個(gè)實(shí)施例中，觸敏膜被形成為柔性結(jié)構(gòu)以便允許將其彎曲?！叭嵝浴苯Y(jié)構(gòu)在此指的是優(yōu)選地允許在至少一個(gè)方向上反復(fù)地彎曲膜的結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施例中，觸敏膜至少同時(shí)在兩個(gè)方向上是柔性的。
[0045]替代柔性或除了柔性以外，觸敏膜還可以被形成為一個(gè)可變形結(jié)構(gòu)，以便允許例如通過使用熱成形使觸敏膜沿著三維表面或者在其上變形。
[0046]觸敏膜的柔性和/或可變形性連同測量特征打開了實(shí)施觸摸感測設(shè)備的完全新穎的可能性。例如，用作移動(dòng)設(shè)備的用戶接口的觸敏膜可以被彎曲成或形成為延伸到設(shè)備邊緣，這樣使得觸敏膜甚至可以覆蓋設(shè)備的整個(gè)表面。在覆蓋三維設(shè)備的不同表面的觸敏膜中，可以有若干用于不同目的的觸摸感測區(qū)域。一個(gè)感測區(qū)域可以覆蓋顯示器的區(qū)域以便形成觸摸屏。其他感測區(qū)域(例如在設(shè)備的側(cè)面)可以被配置成用作替代常規(guī)的機(jī)械按鈕(例如電源按鈕或者音量或亮度滑塊或刻度盤)的觸敏元件。
[0047]如下文中更詳細(xì)描述的，對于柔性的和/或可變形的觸敏膜的一個(gè)好的選擇是包括一個(gè)或多個(gè)高縱橫比分子結(jié)構(gòu)(HARMS)網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)電層。HARM結(jié)構(gòu)及其網(wǎng)絡(luò)固有地是柔性的，因此能夠使得觸敏膜可彎曲和/或可變形。
[0048]優(yōu)選地，觸敏膜是光學(xué)透明的，因此能夠使得觸敏膜例如作為觸摸屏的一部分使用。觸敏膜的光學(xué)透明性在此指的是來自于大體上垂直于該膜的平面的方向的入射輻射的至少10%、優(yōu)選地至少90%在待解決的應(yīng)用的相關(guān)頻率/波長范圍下透射過該膜。在大多數(shù)觸摸感測應(yīng)用中，這一頻率/波長范圍是可見光的頻率/波長范圍。
[0049]對于光學(xué)透明性，關(guān)鍵的是觸敏膜的導(dǎo)電材料。同時(shí)具有導(dǎo)電性和光學(xué)透明性的要求限制了可能的材料的數(shù)量。在這個(gè)意義上，HARMS網(wǎng)絡(luò)為光學(xué)透明的觸敏膜形成了一個(gè)良好的基礎(chǔ)，這是因?yàn)镠ARMS網(wǎng)絡(luò)可以優(yōu)于例如透明導(dǎo)電氧化物提供透明性。
[0050]在一個(gè)實(shí)施例中，觸敏膜包括高縱橫比分子結(jié)構(gòu)(HARMS)網(wǎng)絡(luò)、導(dǎo)電聚合物、石墨烯或陶瓷、金屬(如銀或金)網(wǎng)格、或金屬氧化物。所謂HARMS或HARM結(jié)構(gòu)此處指的是具有納米尺度上的特征尺寸(即，小于或等于約100納米的尺寸)的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的示例包括碳納米管(CNT)、碳NANOBUD(CNB)、金屬納米線、以及碳納米帶。在HARMS網(wǎng)絡(luò)中，大量的這種單一結(jié)構(gòu)(例如CNT)彼此互連。換言之,在納米尺度上,HARM結(jié)構(gòu)不形成諸如像導(dǎo)電聚合物或透明導(dǎo)電氧化物之類的真正地連續(xù)的材料，而是形成一個(gè)電互連分子網(wǎng)絡(luò)。然而，正如在宏觀尺度考慮的，HARMS網(wǎng)絡(luò)形成一種實(shí)心的整體材料。HARMS網(wǎng)絡(luò)可以被制造成一個(gè)薄層的形式。
[0051]借助于敏感膜中的一個(gè)或多個(gè)HARMS網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)包括在要求光學(xué)透明的觸敏膜的應(yīng)用中有用的優(yōu)良的機(jī)械耐用性以及高光透射率，而且還有非常靈活可調(diào)的電特性。為了使這些優(yōu)點(diǎn)最大化，導(dǎo)電材料可以大體上由一個(gè)或多個(gè)HARMS網(wǎng)絡(luò)組成。
[0052]HARMS網(wǎng)絡(luò)的電阻率性能取決于層的密度(厚度)并且在某種程度上也取決于HARMS的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)(像結(jié)構(gòu)的長度、厚度、或晶體取向)、納米結(jié)構(gòu)束的直徑等。通過HARMS制造工藝及其參數(shù)的適當(dāng)選擇，這些特性可以被操縱。例如在卡娜圖沃伊的WO2005/085130 A2和WO 2007/101906 Al中描述了用于生產(chǎn)包括碳納米結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)電層的合適的工藝。
[0053]在根據(jù)本發(fā)明的觸摸感測設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例中，觸摸感測設(shè)備包括同樣用作觸覺界面膜。換言之，該設(shè)備進(jìn)一步包括響應(yīng)于觸摸優(yōu)選地經(jīng)由敏感膜用于提供觸覺反饋的裝置。經(jīng)由敏感膜提供觸覺反饋指的是使用敏感膜作為裝置的一部分用于產(chǎn)生觸覺反饋，而不是基于附接到觸敏膜上的單獨(dú)的致動(dòng)器來產(chǎn)生觸敏膜的振動(dòng)的常規(guī)方法。對此有各種各樣的可能性。通過借助于敏感膜產(chǎn)生適當(dāng)?shù)囊粋€(gè)或多個(gè)電磁場可以實(shí)現(xiàn)觸覺效應(yīng)。接觸觸敏膜的用戶的皮膚感測這些電場為不同的感覺。這種方法可以被稱為電容觸覺反饋系統(tǒng)。從另一方面來說，可以交替地將敏感膜用作例如基于電活性聚合物(人造肌肉)的觸覺界面的一部分，其中，敏感膜形成該界面的一層。
[0054]執(zhí)行這兩項(xiàng)功能(即，觸摸檢測和觸覺反饋)的一種可能性是將敏感膜交替地耦合到觸摸感測電路以及用于為觸覺反饋產(chǎn)生信號的裝置，這樣使得一旦在第一時(shí)間周期內(nèi)檢測到觸摸，跟隨第一次觸摸檢測在第二時(shí)間周期內(nèi)提供觸覺反饋?？梢詫⒌谝粫r(shí)間周期和第二時(shí)間周期調(diào)整的如此短以致用戶連續(xù)地體驗(yàn)設(shè)備操作。
[0055]可以例如與基于射流技術(shù)的觸覺接口(通過觸覺技術(shù)公司(TactusTechnologies)商業(yè)化)相關(guān)聯(lián),交替地使用一個(gè)或多個(gè)觸敏膜,其中，觸敏膜與柔性的外觸覺膜集成，由于液體被泵送到柔性的蓄水池，該柔性的外觸覺膜改變形狀。一個(gè)或多個(gè)觸敏膜可以位于柔性外觸覺膜的內(nèi)表面和/或外表面上。在這種情況下，可以將觸敏膜連續(xù)地耦合到觸摸感測電路。
[0056]在根據(jù)本發(fā)明的觸摸感測設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例中，觸摸感測膜同樣用作變形檢測膜。這意味著該設(shè)備結(jié)合用于例如感測膜的彎曲、扭轉(zhuǎn)和/或拉伸的裝置。這可以通過測量節(jié)點(diǎn)之間的電阻的變化或者通過同時(shí)與根據(jù)本發(fā)明的觸摸感測一起的信號濾波器特性的變化來實(shí)現(xiàn)。由于系統(tǒng)的信號濾波器特性是膜的電阻率的函數(shù)，并且，至少對于某些材料(包括但不限于HARM和導(dǎo)電聚合物，并且特別是奈米管和NANOBUD，以及更具體地說，碳納米管和NANOBUD)來說，如果膜被例如拉伸、壓縮或以其他方式變形，信號濾波器特性會改變。通過或者從電阻率或者從信號濾波器特性的角度解釋這種改變，本發(fā)明能夠檢測例如連接到傳感器膜的節(jié)點(diǎn)之間的延伸或壓縮。因此，例如，感測位于相對角落的兩組節(jié)點(diǎn)之間的延伸指示彎曲，同時(shí)在一方向感測延伸并且在另一個(gè)方向感測壓縮指示扭轉(zhuǎn)。在某些配置中，可以在多個(gè)方向使用一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行感測。根據(jù)本發(fā)明，替代的配置是可能的。
[0057]對于某些可變形的外部對象，電容或電感隨著施加到觸敏膜上的力而變化，并且因此可以將所確定的電容或電感用作力的代理。該力指的是例如當(dāng)執(zhí)行觸摸時(shí)用戶施加到設(shè)備上的力。當(dāng)施加在傳感器膜附近導(dǎo)致所增加的區(qū)域的力時(shí)，用戶手指例如變形。相應(yīng)地，這將引起電容發(fā)生變化。可替代地，如果使用電感外部對象，并且用戶例如使外部對象的線圈變形或者改變從線圈到表面的距離(例如經(jīng)由彈簧)，電感相應(yīng)地變化并且力也可以被測量。
[0058]本發(fā)明的觸摸感測設(shè)備可以被實(shí)施為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的或定制的獨(dú)立模塊，或者被實(shí)施為集成作為某個(gè)較大裝置(例如，移動(dòng)電話、便攜式或平板計(jì)算機(jī)、電子閱讀器、電子導(dǎo)航儀、游戲控制臺、冰箱、攪拌機(jī)、洗碗機(jī)、洗衣機(jī)、咖啡機(jī)、爐灶、烤箱或其他白色家電表面、汽車的儀表板或方向盤等)的一部分的一個(gè)不可分離的單元。
[0059]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，設(shè)備的部件之間的無線耦合是下列情形之一:通過無線電波耦合、通過磁場耦合、電感或電容耦合。
[0060]所謂“設(shè)備的部件之間的無線耦合”指的是以上所描述的任何設(shè)備元件之間的無線耦合。
[0061]該設(shè)置可能需要處理數(shù)據(jù)的創(chuàng)建、發(fā)送和接收的補(bǔ)充電子設(shè)備以及在位于主設(shè)備和觸摸感測模塊兩者上的電極之間創(chuàng)建或者靜電或者電動(dòng)感應(yīng)的AC電流?？梢詫⑦@兩種設(shè)備無線地或者通過下列方法中的一種或多種耦合到一起:
[0062]-電磁感應(yīng)(電感耦合、電動(dòng)感應(yīng))，其中，通過來自相對線圈之間的磁場的電流所感應(yīng)的數(shù)據(jù)和功率傳輸。
[0063]-磁共振是通過磁場的近場電磁感應(yīng)耦合。
[0064]-無線電波(例如，RFID技術(shù))，其中，功率從天線接收到的無線電波產(chǎn)生，并且數(shù)據(jù)傳輸實(shí)質(zhì)上改變了輻射場負(fù)載。
[0065]-電容耦合(或靜電感應(yīng))，其中，從電極的相對平面?zhèn)鬟f能量和數(shù)據(jù)。
[0066]可以或者通過直接地焊接的天線或者經(jīng)由連接器將觸摸傳感器完全地或者部分地集成到應(yīng)用設(shè)備。這在固定設(shè)施中是足夠的，在這些設(shè)施中，通常將傳感器定位在不需要分離地開放的區(qū)域中。例如，在便攜式設(shè)備中，通常在觸摸顯示器應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)它們，其中，顯示器實(shí)際上在觸摸感測膜的下方并且屏幕自身永久地附接到該設(shè)備上。如果觸摸感測設(shè)備位于設(shè)備的可移除部分上，那么其通常會需要一個(gè)連接器，一旦其附接到該設(shè)備上，通過該連接器其可以連接到該設(shè)備上。這種方法是有作用的，但是其在某些應(yīng)用中可能不適合。此夕卜，即使觸摸組件旨在永久地附著到設(shè)備上，存在與將組件經(jīng)由焊料或連接器連接相關(guān)聯(lián)的制造成本和設(shè)計(jì)限制。
[0067]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，提供了觸摸感測設(shè)備。其包括:一個(gè)觸摸感測模塊，該模塊包括一個(gè)觸敏膜；電氣電路，該電氣電路被配置用于為該觸摸感測模塊提供一個(gè)或多個(gè)激勵(lì)信號并且從該觸摸感測模塊接收一個(gè)或多個(gè)響應(yīng)信號。根據(jù)本實(shí)施例，將電氣電路無線地耦合到觸摸感測模塊。
[0068]在一個(gè)實(shí)施例中，將二維的和三維的觸摸傳感器設(shè)備提供給應(yīng)用，這些應(yīng)用的外殼蓋必須被移除，例如從而維護(hù)和改變內(nèi)部的耐用部件。向設(shè)備提供數(shù)據(jù)輸入方法也是一種魯棒性方法，這些設(shè)備對于例如潮濕的、爆炸性的或以其他方式危險(xiǎn)的環(huán)境或者直接連接(正如互連電線)以其他方式是不可能的、昂貴的或者非常不方便的地方要求完整的封裝。
[0069]在一個(gè)實(shí)施例中，沒有用于功率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢磉B接器是易受污垢、磨耗及損傷或斷裂的影響的。如果沒有連接器，有更少的部件易受污染、化學(xué)或物理降解或者機(jī)械損傷的影響，從而增加設(shè)備的可靠性。
[0070]可以避免直接的物理接觸，如果沒有受到穩(wěn)固地保護(hù)，其可能會具有無意識的斷開并且因此導(dǎo)致數(shù)據(jù)或功率損耗。其可以起到遠(yuǎn)離固定設(shè)施的遠(yuǎn)程控制設(shè)備的作用，該遠(yuǎn)程控制設(shè)備從該設(shè)施獲取功率并且作為專門的觸摸傳感器或通用的數(shù)據(jù)輸入輸出設(shè)備來工作。
[0071]通過將觸摸傳感器功能保留在模塊中并且將該模塊從主設(shè)備分離，它們成為不同的耐用部件，可以單獨(dú)地生產(chǎn)這些部件并且只在最后的裝配時(shí)將其組合在一起。可以成本高效地將電極實(shí)現(xiàn)為印刷電路板上的金屬區(qū)域或者印刷線路。
[0072]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，可以將觸摸傳感器模塊和主設(shè)備物理地相互附接，但是功率或數(shù)據(jù)或者這兩者在它們之間無線地傳輸。實(shí)際上，傳感器、激勵(lì)和感測電子設(shè)備連同數(shù)據(jù)處理單元，這樣使得整個(gè)單元是一個(gè)獨(dú)立的外圍設(shè)備插件。
[0073]根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，提供了一種用于用觸摸感測設(shè)備檢測外部對象的存在、接近度、位置、電感、電容或這些特征的組合的方法，該方法包括:提供一個(gè)或多個(gè)具有至少一個(gè)頻率、振幅和波形的電激勵(lì)信號到信號濾波器，該信號濾波器至少由在該觸摸感測設(shè)備中的觸敏膜的電阻和所述膜與外部對象的電容或電感耦合形成，從該信號濾波器接收一個(gè)或多個(gè)響應(yīng)信號，并且通過處理所述一個(gè)或多個(gè)響應(yīng)信號并且由此測量該信號濾波器的特性的變化來檢測由該外部對象進(jìn)行的觸摸的存在、或者所述觸摸的位置。
[0074]觸摸感測設(shè)備的觸摸檢測靈敏度和觸摸位置分辨率不僅僅取決于信號濾波器的特性和處理裝置性能。自然地，其同樣是例如接觸電極配置的問題。從另一個(gè)方面來說，觸敏膜的觸摸位置分辨率以及利用該觸敏膜的觸摸感測設(shè)備也取決于接觸位置的數(shù)量以及其相對于彼此和膜的放置。這些是關(guān)鍵的問題，特別是在具有非圖案化導(dǎo)電層的單層方法中。通常，例如在US 7，477,242 B2和US 2008/0048996 Al中所描述的更早已知的這種類型的設(shè)備依靠矩形形狀的導(dǎo)電層和在其角上的四個(gè)接觸電極。然而，這種配置需要非常復(fù)雜的信號處理，并且這種設(shè)備的準(zhǔn)確度相當(dāng)?shù)?。根?jù)該解決方案來提供一個(gè)柔性結(jié)構(gòu)是特別困難的。同樣，多點(diǎn)觸摸能力對于實(shí)現(xiàn)這種方法可以是非常具有挑戰(zhàn)性的。在本發(fā)明中，這些困難被減輕或者避免。
[0075]下面將結(jié)合附圖在示例的基礎(chǔ)上來圖示本發(fā)明。
[0076]附圖簡要說明
[0077]圖la、圖1b和圖1c展示了根據(jù)本發(fā)明的觸摸感測設(shè)備的一種可能的配置。
[0078]圖2a、圖2b和圖2c展示了根據(jù)本發(fā)明的觸摸感測設(shè)備的另一種可能的配置。
[0079]圖3a和圖3b是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的二維非圖案化的觸敏膜的圖示。
[0080]圖4a、圖4b和圖4c示出了具有變形感測能力的一個(gè)實(shí)施例。
[0081]圖5展示了另一個(gè)實(shí)施例，在該實(shí)施例中使用了帶條紋的觸敏膜。
[0082]圖6示出了在網(wǎng)格中具有U形和C形條帶的一個(gè)實(shí)施例。
[0083]圖7a和圖7b是根據(jù)本發(fā)明的將從觸摸感測設(shè)備接收的響應(yīng)信號進(jìn)行比較的圖表。
[0084]圖8a、圖8b和圖8c是所接收的響應(yīng)信號與激勵(lì)信號進(jìn)行比較的圖表。
[0085]發(fā)明詳細(xì)描述
[0086]本發(fā)明的解釋基于下文中所描述的示例繼續(xù)。
[0087]到外部對象的電容或電感耦合連同電阻膜構(gòu)成一個(gè)電子信號濾波器。由于系統(tǒng)的所得RC時(shí)間常數(shù)，具有足夠的電阻率的觸敏膜連同具有電容或電感的外部對象創(chuàng)建一個(gè)低通RC濾波器。這一低通濾波器的特性取決于薄層電阻，也取決于外部對象的位置和電容或電感。
[0088]在典型的操作模式中，將一個(gè)或多個(gè)振蕩信號或脈沖在一個(gè)或多個(gè)位置處饋入濾波器。在觸敏膜中，在位于觸摸表面上或其邊緣處的任何兩個(gè)點(diǎn)之間的電容是其相對位置和傳感器區(qū)域的幾何結(jié)構(gòu)和薄片電阻的函數(shù)。在這個(gè)系統(tǒng)中的電容或電感是該系統(tǒng)的寄生電容或電感以及在膜和所耦合的外部對象之間形成的電容或電感的組合。除了膜的電阻率之外，當(dāng)有由一個(gè)或多個(gè)電容地或電感地耦合的觸摸引起的負(fù)載呈現(xiàn)在系統(tǒng)中時(shí)，電子濾波特性的變化是實(shí)質(zhì)性的。通過測量所提到的信號或脈沖的變化，可以測量電子濾波器特性的變化并且因此可以推斷出一個(gè)或多個(gè)觸摸的位置。通過測量例如流入感測膜中的電流的變化，可以計(jì)算在傳感器和外部對象之間的電容或電感。同樣地，每個(gè)感測節(jié)點(diǎn)(電氣電路的一部分，在一個(gè)特定的位置連接到觸敏膜)的信號變化指示到外部對象的相對距離的變化，并且，通過比較在感測節(jié)點(diǎn)處的響應(yīng)信號之間的差異，連同在傳感器節(jié)點(diǎn)處的總電流消耗和絕對值的知識，可以通過各種算法來計(jì)算觸摸的相對位置。例如，采樣脈沖的振幅與觸摸位置相關(guān)并且可以用于確定實(shí)際位置。
[0089]圖1a示出了一個(gè)實(shí)施例，其中，將信號提供給節(jié)點(diǎn)并且經(jīng)由同一個(gè)節(jié)點(diǎn)測量低通濾波器的效果。系統(tǒng)由具有電阻率的觸敏膜和電容地或電感地耦合到這一觸摸感測膜的外部對象組成。在敏感膜中的某一點(diǎn)處引入信號或脈沖，盡管其可以在膜中的任何地方被引入，但通常在邊緣處?？梢圆捎猛獠拷M件(如電阻器、恒流源、電容器或電感器或者其組合)來例如增加測量結(jié)果的電壓線性度，更加均勻地分布電流或電位從而避免系統(tǒng)中的奇異性并且允許電流或電壓電位被測量。外部組件連同電阻膜和外部觸摸對象創(chuàng)建一個(gè)低通濾波器。信號耦合到由觸摸膜和外部對象創(chuàng)建的負(fù)載，并且，通過改變系統(tǒng)的低通濾波器特性，從而變更信號。在外部組件和觸敏膜之間采樣(接收)所變更的信號。對于測量兩個(gè)或更多個(gè)外部對象的多點(diǎn)觸摸，測量原理類似于單點(diǎn)觸摸的情形，區(qū)別是并非是一條而是形成了多達(dá)兩條或更多條到外部對象電容或電感的平行通路并且電容或電感耦合增加。取決于外部對象的位置和電容或電感以及信號與由觸摸膜、外部組件和外部對象形成的低通濾波器的交互，采樣信號是不同的。采用多個(gè)輸入/感測節(jié)點(diǎn)允許更加確切地指定觸摸的位置和外部對象的電容或電感。在本實(shí)施例中，為了指定X和y位置以及電容或電感，每個(gè)觸摸需要3個(gè)節(jié)點(diǎn)(這些節(jié)點(diǎn)可以在各種可能的組合中作為輸入和感測節(jié)點(diǎn)使用)，從而例如對于4個(gè)同時(shí)的觸摸，需要12個(gè)輸入和感測節(jié)點(diǎn)。
[0090]在圖1b的方框圖中示出了根據(jù)圖1a的本實(shí)施例的更一般的配置，并且在圖1c中展示了一個(gè)具體的實(shí)施例，在該實(shí)施例中，經(jīng)由三個(gè)外部組件將三個(gè)信號或脈沖提供給觸摸膜上的三個(gè)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn))。然后將采樣信號或脈沖與源信號或脈沖或者其他采樣信號或脈沖進(jìn)行比較從而確定外部對象的位置和/或電容或電感。
[0091]圖2a示出了一個(gè)示例性實(shí)施例，其中，將信號饋入節(jié)點(diǎn)并且在一個(gè)或多個(gè)相對的或相鄰的節(jié)點(diǎn)中測量低通濾波器的效果。系統(tǒng)包括具有電阻率的敏感膜和電容地或電感地耦合到這一敏感膜的外部對象。在敏感膜中的節(jié)點(diǎn)處引入信號或脈沖，通常在邊緣處(盡管可以在任何地方將其引入)并且在不同的位置處接收所變更的信號。取決于外部對象的位置和電容或電感以及信號與由觸摸膜和外部對象形成的低通濾波器的交互，所接收的信號是不同的。對于單個(gè)或者多個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)，使用多個(gè)感測節(jié)點(diǎn)允許更加確切地指定觸摸的位置和外部對象的電容或電感。在本實(shí)施例中，為了指定X和y位置以及電容或電感，每個(gè)觸摸需要3個(gè)輸入和感測節(jié)點(diǎn)，從而例如對于4個(gè)同時(shí)的觸摸，需要12個(gè)輸入和感測節(jié)點(diǎn)。
[0092]在圖2b的方框圖中示出了根據(jù)圖2a的本實(shí)施例的更一般的配置，并且在圖2c中展示了一個(gè)具體的實(shí)施例，在該實(shí)施例中，經(jīng)由三個(gè)外部組件將三個(gè)信號或脈沖提供給觸摸膜上的三個(gè)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn))。然后將采樣信號或脈沖與源信號或脈沖或者其他采樣信號或脈沖進(jìn)行比較從而確定外部對象的位置和/或電容或電感。
[0093]在圖lb、圖lc、圖2b和圖2c中，框“信號/脈沖發(fā)生器”表示一個(gè)發(fā)生器，該發(fā)生器產(chǎn)生例如一個(gè)或多個(gè)激勵(lì)電壓或電流脈沖或振蕩(激勵(lì)信號)，其可以是例如正弦曲線、三角形、方形或者鋸齒形的形式。如果需要，其也可以包括其他功能性，如控制單元和/或時(shí)鐘?！靶盘柋容^器”框指示一種設(shè)備，該設(shè)備比較并且區(qū)分激勵(lì)和/或響應(yīng)信號并且將這個(gè)信息提供給解釋單元。其可以比較例如電壓或電流頻率、振幅、相移或波形狀或波形?！敖忉寙卧笨虮硎疽粋€(gè)單元，該單元處理從信號比較器發(fā)出的信號并且同樣可能地使用來自信號/脈沖發(fā)生器(例如來自時(shí)鐘或控制功能)的信息。如果需要，其也可以包括其他功能性，如控制單元和/或時(shí)鐘。其也可以提供信息給例如信號/脈沖發(fā)生器(例如來自時(shí)鐘或控制功能)。實(shí)際上，所有這些功能可以被結(jié)合到單個(gè)單元或者芯片并且因此可以不是單獨(dú)的。
[0094]可以將激勵(lì)信號發(fā)送到單個(gè)節(jié)點(diǎn)并且可以順序地或者同時(shí)地對響應(yīng)信號進(jìn)行相應(yīng)地采樣。此外，可以將相同的或不同的激勵(lì)信號發(fā)送到單個(gè)節(jié)點(diǎn)。這些激勵(lì)信號可以是來自相同的或不同的源的。
[0095]圖3a是一個(gè)實(shí)施例的圖示，在該實(shí)施例中使用了一個(gè)具有多個(gè)輸入信號或脈沖(其可以是來自單個(gè)或多個(gè)源的)的二維觸敏膜。在這個(gè)示例中，將三個(gè)外部組件各自串聯(lián)放置在源和本質(zhì)上二維的敏感膜或者敏感薄片之間，并且在外部組件和敏感膜之間對信號進(jìn)行采樣。在沒有觸摸的情況下，采樣信號相對于濾波器的特性將具有一個(gè)給定的特性形式。當(dāng)觸摸發(fā)生時(shí)，到外部對象的電容或電感耦合改變?yōu)V波器特性?；蛘邔τ诒舜嘶蛘邔τ谳斎胄盘枺蓸有盘栔g的關(guān)系提供有關(guān)特性的這一變化并且因此有關(guān)外部對象的位置和電容或電感的信息。在本實(shí)施例中，為了指定X和y位置以及電容或電感，每個(gè)觸摸需要3個(gè)輸入和感測節(jié)點(diǎn)，從而例如對于4個(gè)同時(shí)的觸摸，需要12個(gè)輸入和感測節(jié)點(diǎn)。因此，圖3a示出了用于充分地指定就位置和電容或電感而言的單個(gè)觸摸的最小數(shù)量的節(jié)點(diǎn)。圖3b示出了其另一個(gè)實(shí)施例，其中，將四個(gè)外部組件各自串聯(lián)放置在源和本質(zhì)上二維的敏感膜或者敏感薄片之間，并且在外部組件和敏感膜之間對信號進(jìn)行采樣，這是為了增加單個(gè)觸摸的準(zhǔn)確度或者是為了例如允許多個(gè)觸摸的存在的確定。在此描述的二維觸敏膜對于3D表面也可以是柔性的和/或可變形的。
[0096]圖4a至圖4c示出了具有單層膜的感測膜變形的示例，在這些圖中，敏感膜交替地耦合到觸摸感測電路或算法以及耦合到變形感測電路或算法。在這種情況下，至少需要三個(gè)節(jié)點(diǎn)來執(zhí)行測量。可以通過DC電壓電平測量節(jié)點(diǎn)之間的電阻的變化來確定變形。
[0097]實(shí)際上，傳感器變形、扭轉(zhuǎn)或彎曲可能會通過改變再次改變?yōu)V波器特性的有源區(qū)域電阻率來影響觸摸感測。然而，在這種情況下，觸敏膜仍然可以至少在一種模式下使用，其中，當(dāng)相同的膜變形時(shí)，其用作變形傳感器，以及當(dāng)其沒有變形時(shí)，其用作觸摸傳感器。
[0098]圖5展示了具有多個(gè)輸入信號或脈沖(其可以是來自單個(gè)或多個(gè)源的)的二維觸摸傳感器的一個(gè)實(shí)施例。將外部組件51串聯(lián)地放置在一個(gè)源或多個(gè)源和單個(gè)或一組本質(zhì)上一維的感測膜(單個(gè)感測指狀物或條帶52或其集合)之間，并且在外部組件和感測膜之間采樣信號。對于良好性能，這些條帶應(yīng)該具有高縱橫比，例如，長寬比應(yīng)該大于3，或者更優(yōu)選地，大于10。這些條帶可以是例如直的或彎曲的并且不需要具有恒定的寬度。在單一條帶的情況下，該實(shí)施例可以充當(dāng)滑塊或撥號盤。在沒有觸摸的情況下，采樣信號相對于濾波器的特性將具有給定的特性形式。當(dāng)觸摸發(fā)生時(shí)，到外部對象的電容或電感耦合改變?yōu)V波器特性。采樣信號與輸入信號之間的關(guān)系從而提供有關(guān)外部對象的位置和任何給定的條帶中的觸摸的存在的信息。同樣為了檢測外部對象的電容或電感，可以從膜上(優(yōu)選地在條帶52的對端)進(jìn)行一次或多次額外的采樣。在本實(shí)施例中，為了指定沿著條帶的觸摸位置(例如X位置)以及在所述條帶上的觸摸的電容或電感，每個(gè)觸摸需要2個(gè)輸入和感測節(jié)點(diǎn)，從而例如對于沿著任何條帶的4個(gè)同時(shí)的觸摸，需要8個(gè)輸入和感測節(jié)點(diǎn)?？梢愿鶕?jù)圖1a和圖2a的兩種配置對此進(jìn)行操作。在基本上正交的例如y方向上的觸摸的位置是通過標(biāo)識在特定條帶上的觸摸的存在確定的。
[0099]這種配置的修改是為了將每個(gè)條帶制作成“U”形或“C”形，這樣使得在每個(gè)條帶兩個(gè)電極的情況下，電極位于觸摸區(qū)域的相同側(cè)或邊緣。這可以增加設(shè)備的準(zhǔn)確度并且允許沿著一個(gè)邊緣定位所有的接觸電極，從而允許設(shè)計(jì)自由并且降低對例如將觸摸區(qū)域的一個(gè)或多個(gè)邊緣磨成斜面的需要。
[0100]也可以在一個(gè)雙層結(jié)構(gòu)中使用圖6的配置，每一層具有一組條帶，其中，一層的條帶被定向以便不會與另一層的條帶平行。優(yōu)選地，定向在90度。以此方式，形成了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。圖5示出了與“U”形或“C”形條帶相結(jié)合的這種配置。通常，應(yīng)該通過例如氣隙或絕緣或介電材料將這些層分離。襯底或/和涂層可以充當(dāng)這種絕緣子或電介質(zhì)。
[0101]圖5和圖6中的標(biāo)記“AC輸入”和“AC輸出”可以分別意指信號或脈沖輸入和輸出。
[0102]圖7a是一個(gè)圖表,不出了來自于在具有統(tǒng)一電阻率的二維長方形觸摸表面上的觸摸的響應(yīng)信號的比較和六個(gè)接觸電極，其中的兩個(gè)接觸電極位于中線邊緣并且彼此相對。當(dāng)觸摸初始地從中線稍微地向左偏移繼而短暫地位于中線上但是稍微地偏離中心朝向頂部然后最終稍微地偏向右側(cè)時(shí)，該圖示出了在這兩個(gè)接觸節(jié)點(diǎn)之間的響應(yīng)信號之間的區(qū)另|J。該圖示出了不同感測節(jié)點(diǎn)(接收電極)之間的信號差異，即，根據(jù)權(quán)利要求4的實(shí)施例進(jìn)行測量。當(dāng)在距相對感測節(jié)點(diǎn)相等的距離和角度進(jìn)行觸摸時(shí)，如第二和第六幅圖的情況一樣，在理想情況下，差異為零。這清晰地示出了濾波器特性的變化是如何影響信號的以及例如如何可以測量到觸摸位置。
[0103]在圖7b中，如同在真實(shí)系統(tǒng)的情況下，在固定的間隔處對圖7a中的信號進(jìn)行采樣。
[0104]類似地，與在不同節(jié)點(diǎn)處的響應(yīng)信號的差異截然相反的是，可以采用響應(yīng)信號和激勵(lì)信號之間的差異來確定濾波器特性的變化并且因此唯一地確定觸摸的存在、接近度、位置和觸摸對象的電容或電感。圖8a至圖8c示出了類似于圖7a和圖7b的響應(yīng)信號和激勵(lì)信號的比較。由于憑視覺觀察信號的差異是困難的，圖8c顯示了當(dāng)在時(shí)間位置120 μ s處移除觸摸時(shí)響應(yīng)信號vs.激勵(lì)信號的差異。
[0105]也可以使用響應(yīng)信號的其他特性來標(biāo)識濾波器特性(如電壓或電流波形或形狀、振幅或相移)的變化?？梢宰杂傻剡x擇在濾波器特性的變化的確定中有待采樣和使用的一個(gè)特性或多個(gè)特性，從而使得例如將信噪比最大化。此外，可以選擇激勵(lì)信號的頻率、波形狀(例如正弦曲線、三角形、方形、鋸齒形等)和振幅來例如避免干擾或者將信噪比最大化。
[0106]本發(fā)明不限于以上所描述的示例，但是這些實(shí)施例可以在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)自由地變化。
【權(quán)利要求】
1.一種觸摸感測設(shè)備，包括: -一個(gè)觸敏膜，該觸敏膜包括具有一個(gè)電阻的導(dǎo)電材料，當(dāng)一個(gè)外部對象進(jìn)行一次觸摸時(shí)，該膜能夠電容或電感耦合到所述外部對象， -一個(gè)信號濾波器，該信號濾波器至少由該觸敏膜的該電阻和到該外部對象的該電容或電感耦合形成，該濾波器具有至少受該觸摸的位置、該觸摸的電容或電感或者受該觸摸的所述特性的組合影響的特性， -電氣電路，該電氣電路在一個(gè)或多個(gè)位置處電阻地或者無線地耦合到該觸敏膜，該電氣電路被配置成用于提供一個(gè)或多個(gè)具有至少一個(gè)頻率、振幅和波形的激勵(lì)信號到該信號濾波器并且從該信號濾波器接收一個(gè)或多個(gè)響應(yīng)信號，以及 -一個(gè)處理單元，該處理單元電阻地或者無線地耦合到該電氣電路，其中，該處理單元被配置成用于通過處理一個(gè)或多個(gè)響應(yīng)信號并且由此測量該信號濾波器的特性的變化來檢測由該外部對象進(jìn)行的一次觸摸的存在或接近度、所述觸摸的位置、所述觸摸的電容或電感、或者其組合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的觸摸感測設(shè)備，其中，該信號濾波器是一個(gè)低通濾波器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2任一項(xiàng)所述的觸摸感測設(shè)備，其中，該電氣電路被配置成用于從該信號濾波器接收至少兩個(gè)響應(yīng)信號；并且其中，該處理單元被配置成用于通過將所述響應(yīng)信號相互比較并且由此測量該信號濾波器的特性的變化來檢測由該外部對象進(jìn)行的一次觸摸的存在、所述觸摸的位置、所述觸摸的電容或電感、或者其組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2任一項(xiàng)所述的觸摸感測設(shè)備，其中，該電氣電路被配置成用于從該信號濾波器接收至少一個(gè)響應(yīng)信號；并且其中，該處理單元被配置成用于通過將所述響應(yīng)信號與源信號進(jìn)行比較并且由此測量該信號濾波器的特性的變化來檢測由該外部對象進(jìn)行的一次觸摸的存在、所述觸摸的位置、所述觸摸的電容或電感、或者其組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的觸摸感測設(shè)備，進(jìn)一步包括一個(gè)經(jīng)由該電氣電路電阻地或無線地耦合到該處理單元的外部組件，其中，該信號濾波器進(jìn)一步由所述至少一個(gè)外部組件形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的觸摸感測設(shè)備，其中，該信號濾波器的特性進(jìn)一步受所述外部對象和該感測膜之間的距離、該外部對象的電容或電感、所述外部對象的物理特性、該膜的該電阻、在該敏感膜材料和該外部對象之間的一個(gè)電介質(zhì)或絕緣層的存在、厚度或介電常數(shù)、或者其組合的影響。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的觸摸感測設(shè)備，其中，該電氣電路包括一個(gè)或多個(gè)電極，并且其中，這些電極中的至少一個(gè)被配置成用于將所述激勵(lì)信號提供到該信號濾波器，并且這些電極中的至少一個(gè)被配置成用于從該信號濾波器接收所述電響應(yīng)信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的觸摸感測設(shè)備，其中，該信號濾波器的特性包括振幅響應(yīng)、相位響應(yīng)、電壓響應(yīng)、電流響應(yīng)、信號形狀響應(yīng)或者其組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的觸摸感測設(shè)備，其中，該處理單元進(jìn)一步被配置成用于基于該激勵(lì)信號的至少一個(gè)預(yù)先確定的頻率、振幅和波形來選擇一個(gè)或多個(gè)有待測量的特性。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9任一項(xiàng)所述的觸摸感測設(shè)備，其中，該觸敏膜作為一個(gè)連續(xù)結(jié)構(gòu)在一個(gè)平面內(nèi)延伸。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至9任一項(xiàng)所述的觸摸感測設(shè)備，其中，該觸敏膜包括: 兩個(gè)或更多個(gè)平行的條帶，這些條帶由該導(dǎo)電材料制成并且在該觸敏膜上向一個(gè)方向延伸，以及 在所述條帶之間的多個(gè)區(qū)域，這些區(qū)域包括非導(dǎo)電材料， 其中，該電氣電路電阻地或者無線地耦合到這些條帶的每一個(gè)，并且該處理單元進(jìn)一步被配置成用于沿著每個(gè)條帶檢測該觸摸的存在和位置。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11任一項(xiàng)所述的觸摸感測設(shè)備，其中，該觸敏膜被形成為一個(gè)柔性結(jié)構(gòu)，以便允許該觸敏膜彎曲。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至11任一項(xiàng)所述的觸摸感測設(shè)備，其中，該觸敏膜被形成為一個(gè)可變形結(jié)構(gòu)，以便允許該觸敏膜變形從而形成一個(gè)三維表面。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13任一項(xiàng)所述的觸摸感測設(shè)備，其中，該觸敏膜是光學(xué)透明的。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14任一項(xiàng)所述的觸摸感測設(shè)備，其中，該觸敏膜包括一個(gè)高縱橫比分子結(jié)構(gòu)(HARMS)網(wǎng)絡(luò)、一種導(dǎo)電聚合物、石墨烯或一種陶瓷或者金屬氧化物。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15任一項(xiàng)所述的觸摸感測設(shè)備，其中，該觸敏膜同樣用作一種觸覺界面膜。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至16任一項(xiàng)所述的觸摸感測設(shè)備，其中，該觸敏膜同樣用作一種變形檢測膜。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至17任一項(xiàng)所述的觸摸感測設(shè)備，其中，由該處理單元確定的該電容或電感被用作一個(gè)用于確定力或者該觸摸的力的相對變化的代理。
19.根據(jù)權(quán)利要求1至17任一項(xiàng)所述的觸摸感測設(shè)備，其中，所述設(shè)備的部件之間的無線耦合是下列情形之一:通過無線電波耦合、通過磁場耦合、電感或電容耦合。
20.一種用于用觸摸感測設(shè)備確定外部對象的存在、接近度、位置、電感、電容或者這些特征的組合的方法，該方法包括: -提供一個(gè)或多個(gè)具有至少一個(gè)頻率、振幅和波形的電激勵(lì)信號到一個(gè)信號濾波器，該信號濾波器至少由在該觸摸感測設(shè)備中的一個(gè)觸敏膜的一個(gè)電阻和所述膜與該外部對象的一個(gè)電容或電感耦合形成， -從該信號濾波器接收一個(gè)或多個(gè)響應(yīng)信號，以及 -通過處理所述一個(gè)或多個(gè)響應(yīng)信號并且由此測量該信號濾波器的特性的變化來檢測由該外部對象進(jìn)行的一次觸摸的存在、或者所述觸摸的位置。
【文檔編號】G06F3/044GK104169851SQ201380015146
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2013年2月6日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月6日
【發(fā)明者】馬蒂·漢努·魯蘇寧, 簡·凡普法勒, 比約恩·弗里厄爾·米克拉達(dá)爾, 布拉德利·J·艾奇遜, 大衛(wèi)·P·布朗 申請人:卡納圖有限公司