单层电容式触控压力传感器的制作方法

1.本发明是有关一种三维触控传感器，特别有关一种单层电容式触控压力传感器。


背景技术：

2.已知的压力传感器包含电阻式压力传感器，通过对电阻式压力传感器施加压力以改变电阻式压力传感器的电阻值，并通过检测等效电阻上的电压或流经等效电阻的电流，来判断所施加的压力。然而，所述电阻值随压力的变化并非呈线性，且通常使用者需要施加相当的压力才能得到期望的检测结果，因而降低使用者经验。
3.此外，除了检测触控的二维位置，某些应用中还需要进一步进行三维触控检测。一种实现三维触控传感器的方式是堆栈两层检测器，其中一层用于检测位置，而其中另外一层用于检测压力。然而，这种三维触控传感器因为使用了两层结构，故具有较大的厚度，而违背了电子元件薄型化的趋势。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明另提供一种单层电容式触控压力传感器，其利用单层投射式电容传感器以同时实现触控检测及压力检测。
5.本发明的目的在于提供一种以相同的检测电极来分别检测触控信号及按压信号的单层(不堆栈检测器)电容式触控压力传感器。
6.为达上述目的，本发明提供一种包含检测电极、第一驱动电极以及第二驱动电极的触控压力传感器。所述第一驱动电极相对所述检测电极配置，用于与所述检测电极产生第一电容值。所述第二驱动电极用于与所述检测电极产生第二电容值，其中，所述检测电极完全重叠所述第一驱动电极但不与所述第二驱动电极重叠。
7.除此之外，本发明还提供一种包含多个检测电极、第一基板、多个第一驱动电极、多个第二驱动电极、第二基板以及高分子材料层的触控压力传感器。所述第一基板上阵列配置所述多个检测电极。所述多个第一驱动电极相对所述多个检测电极配置，用于与所述多个检测电极产生第一电容值。所述多个第二驱动电极用于与所述多个检测电极产生第二电容值。所述第二基板上阵列配置所述多个第一驱动电极及所述多个第二驱动电极。所述高分子材料层配置于所述第一基板与所述第二基板之间，用于当成承受压力时发生介电常数的变化以改变所述第一电容值，其中，所述多个检测电极的每一者完全重叠相对的第一驱动电极但不与所述多个第二驱动电极重叠。
8.本发明实施例的触控压力传感器中，电容值变化可通过检测电压变化或充/放电时间变化等方式来分辨。例如，检测信号可为电压信号，处理器根据不同时间的电压信号判断电压变化值或充/放电时间。
9.为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显，下文将配合所附图示，详细说明如下。此外，于本发明的说明中，相同的构件以相同的符号表示，于此合先述明。
附图说明
10.图1a是本发明实施例的触控压力传感器的剖视图，其显示手指接触于其上；
11.图1b是本发明实施例的触控压力传感器的另一剖视图，其显示手指施力于其上而压缩弹性层；
12.图2是本发明实施例的触控压力传感器的检测电极配置的示意图；
13.图3a及3b是本发明某些实施例的触控压力传感器的驱动电极配置的示意图；
14.图4是本发明实施例的触控压力传感器的检测面板连接控制电路的示意图；
15.图5a是本发明一种实施方式的触控压力传感器的信号时序图；
16.图5b是本发明另一实施方式的触控压力传感器的信号时序图；及
17.图6是本发明另一实施例的触控压力传感器的剖视图。
18.附图标记说明
19.100
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触控压力传感器
20.11
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第一基板
21.10
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弹性层
22.13
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第二基板
23.t
x1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一驱动电极
24.t
x2
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第二驱动电极
25.r
x
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
检测电极
26.cm1、cm1
’ꢀꢀꢀ
第一电容值
27.cm2、cm2
’ꢀꢀꢀ
第二电容值
具体实施方式
28.本发明实施例之触控压力传感器仅使用单片式投射电容式触控传感器即同时达成触控检测及压力检测。控制电路可在单一帧期间根据相同的检测电极的输出信号判断触控及压力，或者在不同帧期间根据相同的检测电极的输出信号分别判断触控及压力。
29.请参照图1a及图1b所示，其为本发明实施例的触控压力传感器100的剖视图，其中，图1a显示手指接触(未施力)于触控压力传感器100上，而图1b显示手指施力于触控压力传感器100上而改变两基板间的距离。可以了解的是，靠近或施力于触控压力传感器100者并不限于手指，亦可为其他导体，例如触控笔。
30.触控压力传感器100包含第一基板11、第二基板13、多个检测电极rx、多个第一驱动电极tx1、多个第二驱动电极tx2以及弹性层10配置于第一基板11及第二基板13之间。必须说明的是，虽然图1a及图1b显示弹性层10是由多个球体(或称为间隙子,spacer)所构成，但其仅用以说明而非用以限定本发明，只要是在手指施力时使第一基板11及第二基板13之距离降低，并在施力移除后回复原本的距离的任何适当材料或元件即可。第一基板11及第二基板13例如为印刷电路板(pcb)或软性基板(flexible substrate)，并无特定限制。
31.必须说明的是，虽然图1a中显示间隙子位于相同高度并具有相同间距，但其仅用以说明而并非用以限定本发明，间隙子可为在空间上随机的设置于第一基板11及第二基板13之间，例如分布于胶体内。
32.请参照图2所示，第一基板11上阵列配置有多个检测电极rx。同时，第一基板11上
还布局有多条读取线rx_read，该多条读取线rx_read的每一者在第一方向(例如图2中的横向方向)连接一行检测电极rx，用于输出每行检测电极rx的检测信号。检测电极rx的每一者在相对应的驱动电极tx1或tx2接收驱动信号时产生所述检测信号。一行检测电极rx的不同电极产生的检测信号例如可通过下列方式分辨，对不同的相对应驱动电极在不同期间发送驱动信号，或对不同的相对应驱动电极的驱动信号进行不同编码(通过频率和/或振幅调变)。检测电极rx在第一基板11的分布是根据检测面板的检测图样来决定。
33.请参照图3a所示，第二基板13上阵列配置有多个第一驱动电极tx1及多个第二驱动电极tx2。同时，第二基板13还布局有多条驱动线tx_drive，该多条驱动线tx_drive的每一者在第二方向(例如图3a中的纵向方向)连接一列第一驱动电极tx1及一列第二驱动电极tx2，其中所述第二方向与所述第一方向垂直。
34.其他实施方式中，多条驱动线tx_drive在第一基板11上为横向配置而多条读取线rx_read在第二基板13上为纵向配置。
35.优选地，多个第一驱动电极tx1及多个第二驱动电极tx2在第二基板13上呈棋盘式排列且位于第二基板13上的同一层(例如图3a所示)，但本发明并不限于此。根据不同应用，可在第二基板13上的部分区域仅配置第一驱动电极tx1但不配置第二驱动电极tx2；并在第二基板13上的另一部分区域仅配置第二驱动电极tx2而不配置第一驱动电极tx1。第一驱动电极tx1及第二驱动电极tx2在第二基板13的分布是根据检测面板的检测图样来决定。
36.请参照图3b，其显示一列第一驱动电极tx1被一条第一驱动线tx1_drive连接及驱动(但不连接第二驱动电极tx2)，且一列第二驱动电极tx2被一条第2驱动线tx2_drive连接及驱动(但不连接第一驱动电极tx1)。藉此，第一驱动电极tx1及第二驱动电极tx2在不同帧期间被驱动。
37.此外，虽然图2及图3a及图3b显示检测电极rx、第一驱动电极tx1及第二驱动电极tx2的每一者呈矩形，但本发明并不限于此。其他实施方式中，检测电极rx、第一驱动电极tx1及第二驱动电极tx2的每一者可呈菱形、圆形、椭圆形或其他形状，并无特定限制。
38.请再参照图1a及图1b，第一驱动电极tx1相对检测电极rx配置，用于当第一驱动电极tx1被驱动时与检测电极rx产生具有第一电容值cm1的第一电容。第二驱动电极tx2用于当第二驱动电极tx2被驱动时与检测电极rx产生具有第二电容值cm2的第二电容。当手指靠近或接触(未施力)于第一基板11的上表面时，会影响检测电极rx与第二驱动电极tx2之间的电场而降低第二电容值cm2；同时，受到检测电极rx的屏蔽，检测电极rx与第一驱动电极tx1之间的电场几乎不或仅些微受到手指影响而几乎不或仅些微改变第一电容值cm1。
39.因此，为了能够良好的屏蔽第一驱动电极tx1且不影响第二电容值cm2的降低，检测电极rx优选完全重叠第一驱动电极tx1但不与第二驱动电极tx2重叠。例如，检测电极rx的每一者的面积，可等于或大于相对应的第一驱动电极tx1的面积。这样的配置方式，使得弹性层10配置于检测电极rx与第一驱动电极tx1之间，以及第一基板11(没有检测电极rx的部分)与第二驱动电极tx2之间。
40.虽然图1a显示某些间隙子未直接接触于第一基板11的下表面，但其仅用于显示图1a及图1b之间存在距离变化。
41.请参照图4，其显示第一基板11及第二基板13结合后的示意图。本发明实施例的触控压力传感器100还包含控制电路40通过驱动线tx_drive连接一列第一驱动电极tx1及第
二驱动电极tx2，并通过读取线rx_read连接一行检测电极rx。控制电路40可在相同帧期间驱动第一驱动电极tx1及第二驱动电极tx2(例如图3a的实施方式)，或在不同帧期间分别驱动第一驱动电极tx1及第二驱动电极tx2(例如图3b所示的实施方式)。控制电路40例如包含行译码器及列译码器用于发出驱动第一驱动电极tx1及第二驱动电极tx2的驱动信号，及发出读取检测电极rx的读取信号。
42.必须说明的是，虽然图4显示驱动线tx_drive及读取线rx_read是通过第一驱动电极tx1、第二驱动电极tx2及检测电极rx分别布置于第二基板13及第一基板11上，但本发明并不限于此。其他实施方式中，驱动线tx_drive是以延伸于第一驱动电极tx1及第二驱动电极tx2之间且读取线rx_read是以延伸于检测电极rx之间的方式分别布置于第二基板13及第一基板11上，只要驱动线tx_drive能够将驱动信号传至第一驱动电极tx1及第二驱动电极tx2并能够从检测电极rx读出检测信号即可，并无特定限制。
43.例如参照图5a及图3a所示，控制电路40在帧期间fp通过驱动线tx_drive发出驱动信号(例如电压信号s
tx
)至多个第一驱动电极tx1及多个第二驱动电极tx2的每一列，并在所述帧期间fp通过读取线rx_read读取(例如通过读取信号s
rx
开启控制电路40中的读取开关)多个检测电极rx的每一行的检测信号，该检测信号例如为电压信号。所有检测电极rx的检测信号形成一个信号帧f供处理器50运算以求出电容值变化。例如，处理器50以预定频率处理信号帧f。
44.处理器50例如是微处理单元(mcu)或特定应用集成电路(asic)，并配置于控制电路40内。处理器50利用硬件和/或固件根据第一电容值cm1的变化判断压力，并根据第二电容值cm2的变化判断接触。例如，当手指如图1a所示接近或碰触于第一基板11上方时，第二电容值cm2变小而第一电容值cm1不变；当手指如图1b所示施力于第一基板11上方时，第二电容值cm2及第一电容值cm1都因为第一基板11与第二基板13之间的距离变小而增加为cm1’及cm2’。
45.图3b的实施方式中，处理器50根据第一电容值cm1但不根据第二电容值cm2(例如仅通过第一驱动线tx1_drive驱动)判断压力；根据第二电容值cm2但不根据第一电容值cm1判断接触(例如仅通过第二驱动线tx2_drive驱动)。
46.一种实施方式中，为了增加位置精度，在判断压力位置前，处理器50可针对相邻的检测电极rx相关的第一电容值cm1的变化进行内插(interpolation)以判断所述压力位置，藉此，压力位置也可能相对于第二驱动电极tx2的区域。此处所谓第一驱动电极tx1相关的第一电容值cm1是指该第一驱动电极tx1与相对的检测电极rx所产生的第一电容值cm1。此外，在判断接触位置前，处理器50可针对相邻的检测电极rx相关的第二电容值cm2的变化进行内插以判断所述接触位置。藉此，接触位置也可能相对于第二驱动电极tx2的区域。此处所谓第二驱动电极tx2相关的第二电容值cm2是指该第二驱动电极tx2与相关的检测电极rx所产生的第二电容值cm2。
47.另一种实施方式中，所述压力位置是判定为具有第一电容值cm1的变化超过第一预定阈值(即检测到压力)的多个像素(或检测电极rx)的重心。藉此，所述压力位置可能位于相邻的检测电极rx之间。所述接触位置是判定为具有第二电容值cm2的变化超过第二预定阈值(即检测到接触)的多个像素(或检测电极rx)的重心。藉此，所述接触位置可能位于相邻的检测电极rx之间。所述第一预定阈值可相同或不同于所述第二预定阈值。
48.例如参照图5b及图3b所示，另一种实施方式中，控制电路40在第一帧期间fp1通过第一驱动线tx1_drive发出第一驱动信号s
tx1
至多个第一驱动电极tx1的每一列并在所述第一帧期间fp1通过读取线rx_read(例如通过读取信号s
rx1
开启读取开关)读取多个检测电极rx的每一行的第一检测信号。控制电路40还在第二帧期间fp2通过第二驱动线tx2_drive发出第二驱动信号s
tx2
至多个第二驱动电极tx2的每一列并在所述第二帧期间fp2通过读取线rx_read(例如通过读取信号s
rx2
开启读取开关)读取多个检测电极rx的每一行的第二检测信号。
49.在第一帧期间fp1的所有检测电极rx的第一检测信号形成一个信号子帧f
1__sub
供处理器50运算，以求出压力值和/或施力位置。在第二帧期间fp2的所有检测电极rx的第二检测信号形成另一个信号子帧f
2__sub
供处理器50运算，以求出接触位置。处理器50以预定频率(例如在不同帧期间)交互接收并处理信号子帧f
1__sub
及f
2__sub
。图5b中，fp1及fp2的每一者是图4的检测面板的一次扫描。
50.在图4的配置方式中，检测电极rx并不相对第二驱动电极tx2。一种实施方式中，处理器40在第二帧期间fp2例如同时驱动一个检测电极rx邻近的三列第二驱动电极tx2以得到该个检测电极rx的检测信号。亦即，该一个检测电极rx的检测信号是其相邻的三个(例如检测面板的边缘检测电极)或四个(例如检测面板的非边缘检测电极)第二电容值的总和或平均。
51.请参照图6所示，其为本发明另一实施例的触控压力传感器600的剖视图，其与图1a的差异在于，图1a的弹性层10以高分子材料层60取代而形成图6的结构。本实施例中，高分子材料层60的材料是选择为当高分子材料层60承受压力时，其介电常数发生变化。因此，当高分子材料层60配置于通电的两电极rx和tx1之间时，由于高分子材料层60的介电常数发生变化，而使得两电极rx和tx1之间的电容的第一电容值cm1发生变化(优选使cm1增加)，而可感测压力。优选的，当压力愈大时，第一电容值cm1的变化值愈大。同理，当导体靠近检测面板时，第二电容值cm2降低。
52.本实施例中，除了将该高分子材料层60配置于第一基板11与第二基板13之间，用于当成承受压力时发生介电常数的变化以改变第一电容值cm1，其他元件的配置及运作均与图1a及图1b相同，故于此不再赘述。
53.亦即，本实施例中，并非通过改变第一基板11及第二基板13之间距来改变第一电容值cm1。当手指施力于第一基板11上时，第一基板11及第二基板13的间距大致不变。
54.如图6所示，高分子材料层60夹设于第一基板11(没有检测电极rx的区域)与第二驱动电极tx2之间并夹设于检测电极rx与第一驱动电极tx1之间。虽然图6显示高分子材料层60并未直接与第一基板11的下表面及第二基板13的上表面接触，但其仅用以说明而非用于限定本发明。其他实施方式中，当第二基板13位于第一基板11下方时，高分子材料层60可与第一驱动电极tx1及第二驱动电极tx2以外的第二基板13的上表面接触并与检测电极rx以外的第一基板11的下表面接触。
55.本发明中，因为放置于第一基板11上的手指有重量，可设定阈值(例如电压值或充/放电时间)与第一电容值cm1的变化比较。只有当第一电容值cm1的变化超过所述阈值时，控制电路40的处理器50才判断有效施力。
56.综上所述，传统的压力检测器具有低用户经验以及整体厚度较大的问题。有鉴于
此，本发明另提出一种触控压力传感器(例如参照图1a、图1b及图6)，其通过相同的检测电极分别检测来自不同的驱动电极的电场变化，以判断导体的接触或施力。由于所述不同的驱动电极配置于基板上的相同层，可有效降低整体厚度。
57.虽然本发明已通过前述实例披露，但是其并非用以限定本发明，任何本发明所属技术领域中具有通常知识技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的范围为准。