專利名稱：接觸位置測量層與公用電極層間采用防護面的液晶顯示器的制作方法
本申請和美國臨時申請(S/N 60/96,994)相關，后者和本申請同時申請，并且共同轉讓給本申請的受讓人。
本發明涉及采用測量接觸位置的裝置的液晶顯示器(LCD)，并且更具體地涉及其中把這種接觸測量裝置和LCD的基底集成在一起的LCD。
在許多應用中使用接觸輸入系統，這種系統確定物體或人接觸某表面的位置并且要求以高精度確定接觸位置。典型地，這樣的部件是透明的并直接裝配在計算機顯示器上。在C.Skipton的“你可接觸它！觸屏向大眾提供多媒體”(New Media，February 10，1997，p，39-42)中給出這種添加式觸屏的一些示例，這些添加式觸屏可以裝配在CRT或扁平面顯示器上。添加式觸屏具有各種確定接觸位置的方法。典型地，這種系統的表面包括一個電阻率基本均勻的層，并且在該表面的邊緣上連接多個電極。電極通常是用要比該表面更為導電的材料做成的，并且以一種專用圖案絲網印制在該表面上。一種經常使用的確定位置的方法是，在第一方向上施加電勢，然后在表面上沿垂直于第一方向的第二方向施加電勢。如Shintaro等人的美國專利3,591,718和Nakamura等人的美國專利4,649,232中所述，利用一個電容耦合的探測器(穿過絕緣層)測量電壓可確定X和Y的位置。由于人體把外加的AC信號短路到地，可以通過監視通過各電極的電流確定手指接觸的位置，但是因為手指電容很小，要求系統中的雜散電流很小。Pepper，Jr的美國專利4,293,734說明一種替代的方法，該方法i)利用AC信號向所有四側施加電源并且利用電極電流以確定手指的接觸位置，或者ii)把四個角接地并測量各角處由帶電的觸針感應的電流。在Grenias等人的美國專利4,686,332中，說明一種包括二個隔開的導體面的添加式觸屏。通過檢測手指接觸造成的導體面的電容改變，確定手指接觸位置。最后，在美國專利4,371,746中，說明一種添加式觸板，它包括一層位于電阻接觸表面之下(或者部分包圍)的由導電材料做成的防護層。用振幅上和相位上與施加到電阻接觸表面的信號相同的信號激勵該添加板的防護層，以便明顯地減小電阻接觸表面的有效對地電容。
這種添加式觸屏的一個弱點是它增加了顯示器的重量和尺寸，在使用到諸如筆記本計算機的便攜應用中它是一個很大的缺點。此外，該部件和計算機的通信需要可使用的卡槽或者串行或并行端口適配器。通過把接觸傳感器集成到LC顯示器中，可以大大減小這些缺點。對于應用到液晶顯示器，尤其是便攜式應用，由于其緊湊的尺寸和高透射比(85-90％)電容接觸技術是最為適用的。電阻接觸技術需要雙層銦錫氧化物(ITO)，而不是一層，從而只具有55％至75％的透射比。
典型地，對于彩色LC顯示器，朝向觀察者的玻璃基底具有構造在內表面的彩色濾光器，該內表面和液晶材料接觸，彩色濾光器基底(CF)沿著邊緣和第二玻璃基底粘接，第二玻璃基底包含用于對LC顯示器定址的有源(或無源)矩陣。彩色濾光器典型地由多層包含著顏料或染料的黑色矩陣材料(例如鉻或氧化鉻)聚合物層以及一層充當顯示器的公用電極的ITO層(在有源或無源矩陣顯示器中，其圖案是線條以用于對顯示器定址)組成，請參見T.Koseki等人的“用于10.4英寸對角線、4096種顏色的薄膜晶體管液晶顯示器的彩色濾光器”(IBM J.Res.Develop.Vol.36，No.1，January 1992)。此外，常常采用一層感光透明涂層，以在ITO共用電極沉積前使顏料區平面化，如Tsutsumi等的美國專利5,278,009中所述。
有二份關于改進LCD的上玻璃基底(例如，包含彩色濾光器的基底)以便允許采用電容感測的探針輸入的報告。在J.H.Kim等的“筆式應用中的位置感測TFT-LCD的設計”(SID’97，P87-90)一文中，通過一層涂層使彩色濾光器中的導電黑色矩陣(BM)層和ITO公用電極絕緣，并且對BM施以AC信號。在陣列之外建立補償電阻以線性化電場，外加電場的方向(X和Y)是交變的，并且通過測量經電容耦合到系留觸筆中的電壓以確定觸筆位置。文中提到在ITO公用電極層上感應了大信號，其幅值幾乎是對BM輸入信號的一半。
在H.Ikeda等的“帶有內置數字化功能的新型TFT-LCD”(ISW’97，P.199-202)一文中，說明一種6.6英寸的VGA反射客戶一主機(Guest-Host)AMLCD，其利用ITO公用電極充當用于觸筆輸入的電阻層。在X或Y方向上在ITO公用電極的DC偏壓之上交替地施加AC信號電壓梯度。通過沿每個邊采用分離的鋁條電極對電場進行一定的線性化，這些鋁條電極通過在2.5mm中心線上的0.25mm寬1mm長的ITO電阻器和有源區連接。在不過分功耗下為了最佳線性化調整鋁的電阻率。從系留觸筆電容地測量電場，并且利用對顯示器上典型位置預測定的和存儲在計算機里的數據確定位置。
由于信號層和ITO公用電極(Kim等)或和TFT陣列中的接線(Ikede等)之間的電容耦合(即有效電容)遠強于基底和人體之間的電容耦合，這些集成電路結構中的任一種都不適應于用LCD的基底測量人體某部位(例如手指或足指)的接觸位置。
從而，技術上存在這樣的需要，即研制一種和LCD的基底集成在一起的并且適應于用該基底測量人體某部位(例如手指或足指)的接觸位置的結構。
利用本發明的原理解決上述問題以及現有技術中的有關問題。本發明在具有多個單元的液晶顯示器中提供接觸輸入功能性，每個單元包括具有集成在其上面的一個公用電極的第一基底，具有集成在其上面的一個象素電極的第二基底，以及在公用電極和象素電極之間設置液晶材料。把第一導電層(信號層)和第二導電層(防護面層)集成到第一基底上并且設置在第一基底和公用電極之間。通過向信號層施加第一信號以確定接觸輸入部件和第一基底的接觸位置。向防護面層施加第二信號，從而降低信號層和公用電極之間的電容耦合。可通過改變第一信號的振幅比例和或偏移其相位生成第二信號。替代地，可通過改變第二信號的振幅比例和/或偏移其相位生成第一信號。測量第一信號的響應以確定接觸輸入部件的接觸位置。最好，設置在象素電極對面的信號層部分是黑色矩陣材料構成的圖案層，而且防護面層是透明ITO層。備擇地，設置在象素電極對面的信號層和防護層部分是由黑色矩陣材料構成的圖案層。一個電阻器網絡可和信號層連接，以在水平和垂直方向上線性化信號層的電阻。通過降低信號層和公用電極之間的電容耦合，防護層及其上施加的信號允許根據對源信號的實測響應確定人體部位(例如手指或足指)的接觸位置。
本發明可應用于無源矩陣顯示系統和磁矩陣顯示系統，在這些系統中從基底的第一側的上方觀察顯示象元矩陣，并且在該基底的第二側(即，反面)布置顯示象元。
圖1是常規有源矩陣交叉型液晶顯示部件的頂視圖。
圖2示出圖1的液晶顯示部件的部分剖面圖(A-A)。
圖3是圖1的有源矩陣液晶顯示部件的一個象素的原理圖。
圖4圖示說明本發明的接觸輸入功能。
圖5是說明本發明的一種實施例的圖1的液晶顯示部件的部分剖面圖(A-A)，其中把帶圖案的信號層和防護面層集成到上基底24中。
圖6是說明本發明的一種實施例的圖1的液晶顯示部件的部分剖面圖(A-A)，其中把帶圖案的信號層和防護面層集成到上基底24中。
圖7圖示說明依據本發明的被集成到上基底24中的電阻網絡，從而在水平(X)方向和垂直(Y)方向上線性化帶圖案的導電層的電阻。
圖8(A)-(H)圖示說明產生圖6的上基底的工藝步驟。
圖9(A)-(H)圖示說明產生圖5的上基底的工藝步驟。
圖10圖示說明在水平(X)和垂直(Y)方向上線性化方波信號層的電阻的電阻網絡。
圖11圖示說明在水平(X)和垂直(Y)方向上線性化矩形信號層的電阻的電阻網絡。
圖12圖示說明生成用來獲得接觸位置的提供到信號層和防護面層的角上的信號的系統。
圖1示出常規液晶顯示部件的頂視圖，其中在顯示器的子象素(示出6個)下面形成象素電極26(陰影區)。典型地，一個象素是用3個相鄰的紅(R)、綠(G)、藍(B)子象素表示的(即，在象素電極26上形成具有R、G、B顏色矩陣的3個相鄰的子象素)。子象素是在選通線32(示出3條)和數據線31(示出4條)之間構成的。
圖2示出圖1的常規液晶顯示部件的部分剖面圖。該部件包括第一基底22(以下稱為下基底)和第二基底24(以下稱為上基底)，第二基底24由諸如玻璃的透明材料構成。這二個基底排列成以高精確度彼此平行。典型地，利用直徑大約為1到20微米(通常為3至5微米)的塑料隔離球使基底22、24彼此分離，并且在各邊緣(未示出)密封從而限定了它們之間的一個封閉內部空間。在第一基底上沉積象素電極26的陣列，這些象素電極定義液晶顯示器的子象素。還在基底22中的不具有電極薄膜的選定區域上形成半導體器件，例如二極管或薄膜晶體管(TFT)30。如技術上周知的那樣，對每個子象素存在一個或多個TFT30。每個TFT30由一條導電選通線32(未示出)和一條導電數據線31控制，這些線是以這樣的方式沉積在基底22上的，即，除了每個TFT30的電源電氣上和一個對應的電極26連接外，在電氣上它們不和電極26連接。在交迭區處選通線32(未示出)和數據線31電氣上也是彼此隔離的。典型地第二基底24上沉積著顏色矩陣層23。顏色矩陣層23典型地具有如R、G或B彩色矩陣材料23-2交錯的黑色矩陣材料23-1。黑色矩陣材料23-1沉積在TFT 30、數據線31和選通線32(未示出)的對面，以便阻止環境入射光照射這些元件并且防止象素區外的光泄漏。彩色矩陣材料23-2沉積在象素電極26的對面。此外，典型地在彩色矩陣層23的上方形成一個公用電極28。如前面所述，為了平面化加顏料的區域，可以在沉積公用電極之前對彩色矩陣材料涂上光敏透明外涂層25。公用電極28最好是用導電材料的薄透明層構成的，例如銦錫氧化物(ITO)或其它適當材料。
液晶材料36填充基底22和24之間的空間。如后面更完整地解釋的那樣，該材料的性質取決于液晶顯示器20的運行方式。液晶顯示器的內表面可分別涂上對光層38和40，以便為液晶材料36的分子提供邊界條件。基底22和24的外表面可分別在它們的上面沉積光補償薄膜42和44。最后，可以把偏振薄膜46和48分別涂到補償薄膜42和44上(若采用補償薄膜)，或者分別涂到基底22和24上(若不采用補償薄膜)。
圖2中示出的常規型液晶顯示器是由位于下基底22后面的光源(未示出)照明的，并且從上基底24的上方觀察。
在圖3中示出子象素的原理圖，圖中附屬的數字具有對應于圖1和圖2的數字的相同含義。電容器111代表夾在象素電極32和公用電極28之間的液晶材料36的電容。該單元可包括一個存儲電容器120，存儲電容器120提供和液晶電容111并聯的電容，存儲電容器120端接到顯示器中所有存儲電容器公用的線121上。存儲電容器的另一種替代設計是在象素電極26和選通線32之間設置存儲電容器122。
當向選通線32施加低于門限電壓的電壓時，TFT30處于斷開狀態，從而數據線31和象素電極26上的電勢彼此隔離。當向選通線32施加大于門限電壓的電壓時，TFT30處于接通狀態(低阻抗狀態)，從而允許數據線31的電壓對象素電極26充電。施加到數據線31的電壓可以變化，從而對電極象素施加不同電壓。施加到象素電極26的電壓和公用電極28的電壓之間的電勢差控制象元的液晶分子的取向。改變施加到象素電極26的電壓和公用電極28的電壓之間的電勢差用于控制象元的液晶分子的取向，從而在液晶上傳送不同量的光，在顯示器中造成光的灰度。
本發明把接觸(以及觸筆)輸入功能性集成到顯示器的上基底24中。這種功能性的原理說明在圖4中示出。更具體地，一層可能帶圖案的傳導層被集成到上基底24中。在后文中被稱為信號層的該傳導電氣上和上基底24的公用電極28絕緣。一個信號發生器向該信號層的各個角施加信號，然后測量各角流過的電流。當用戶用人體的一部分(例如，手指和足指)或者用器具(例如，導電筆的尖端)接觸上基底24時，由于電容耦合形成一個RC網絡，造成電流從各角通過信號層流向接觸點。從信號層各角處的電流可以導出接觸位置(即，接觸點)。備擇地，器具(例如觸筆)的尖端可帶有電流，并且測量信號層各角處的電流，以代替向信號層的各角施加信號。在該情況下，當器具的尖端接觸(或很靠近)上基底24時，通過電容耦合形成RC網絡，并產生流向各角的電流。從信號層各角處的電流可以推導出器具的位置。Pepper，Jr.的美國專利4,293,734中說明從信號層各角處的電流導出接觸位置的一種電路的例子，從而該專利整體作為本文的參考文獻。該電路可集成到顯示屏上，或者設置在電氣上和信號層的各角連接的集成電路中。
依據本發明，把信號層以及被稱為防護面層的第二導電層集成到顯示器的上基底24上，以用于感測接觸輸入。在信號層和防護面層之間沉積一層不導電的絕緣層。防護面層沉積在信號層和公用電極之間。如上面對圖4所描述的那樣，對信號層的各個角施加信號，并且測量各角處的電流。從信號層各角處測得的電流推導接觸輸入的位置(即，接觸點)。此外，用信號驅動防護面層，以減少信號層對公用電極的電容負載，并且還減少或消除公用電極對信號層的噪聲電流的電容耦合。施加到防護面層的信號可以通過改變施加到信號層的信號的振幅比例和/或偏移其相位來生成。替代地，可以通過改變施加到防護層的信號的振幅比例和/或偏移其相位生成施加到信號層的信號。
圖12示出一個示例電路，其生成用于信號層和防護面層的信號。為便于說明，信號層、防護面層和公用電極是用平面描述的。該電路包括一個具有基準信號的振蕩器。通過改變基準信號的比例和/或偏移其相位生成用于信號層和防護面層的有效信號，這些施加給信號層和防護面層的有效信號分別具有匹配的振幅和相位。此外，最好只需要用零電流驅動信號層。換言之，最好僅當諸如手指或其它人體部位的電容負載非常接近信號層時，才有電流流過信號層。用于信號層的有效信號被施加到信號層的各角。此外，每個角包括一個測量流過該角的電流的電路，以便導出接觸位置。在Pepper，Jr.的美國專利4,293,734中說明這種電路的一個例子，該專利整體是本文的參考文獻。此外，為了減少噪聲電流從公用電極到信號層的電容耦合，向一個基于施加到公用電極的驅動信號的信號添加防護面層的有效信號(最好是對該驅動信號的反相、改變比例和/或相位偏移)。出于說明的目的，圖12描繪可應用于信號層和防護面層的一個角的電路。類似的電路(或者圖12中所示電路的一部分)分別用于向信號層和防護面層的其它角提供信號，從而從信號層各角處的電流導出接觸位置。
代替向信號層的各角提供信號，器具的尖端可帶有信號，并測量信號層各角處的電流。在這種情況下，從信號層各角處的電流得到器具的位置。和前一種情況不同，防護面層可按地，以防止來自公用電極28的噪聲耦合到信號層。備擇地，這也會是有好處的，即反相并按比例改變施加到公用電極28的信號的振幅，并且把結果信號施加到防護面層，以主動式地抵消在別的情況下會耦合到信號層的來自公用電極28的噪聲。然而，若公用電極噪聲不造成問題，防護面層可浮空，以便信號層上的負載為最小。
圖5示出本發明的一種實施例，其中一層帶圖案的導電黑色矩陣層23-1充當信號層。如常規那樣，帶圖案的黑色矩陣層23-1是在上基底24上面形成的彩色矩陣層23的一部分。帶圖案的導電黑色矩陣層23-1可由鉻和/或氧化鉻構成，或者由其它具有低反射率并且阻擋光傳輸的適當材料構成。在帶圖案的黑色矩陣材料23-1上形成一層透明不導電絕緣層61。透明不導電絕緣層61可以用透明外涂聚合物構成，例如丙烯酸、苯環丁二烯(BCB)或者其它適當材料。然后在絕緣層61上形成連續防護面層63。防護面層可由透明導電材料構成，例如ITO或其它適當材料。黑色矩陣層23-1和防護面層63之間的間隔最好為2-5微米。在防護面層63上形成第二透明不導電絕緣層65。第二透明不導電絕緣層65可由透明外涂聚合物構成，例如丙烯酸、BCB或其它適當材料。接著在第二絕緣層65上形成公用電極28。防護面層63和公用電極28之間的間隔最好為2-5微米。
圖6示出本發明的一種實施例，其中帶圖案的導電黑矩陣層23-1充當防護面層。更具體地，在上基底24上形成信號層71。信號層71可以用諸如ITO的透明導電材料構成，或者用諸如鉻和/或氧化鋁(或者其它具有低反射率并阻擋光傳輸的適當材料)的不透明導電材料構成。在信號層71上形成透明不導電絕緣層73。透明不導電絕緣層73可以用透明外涂聚合物構成，例如丙烯酸、BCB或其它適當材料。接著在絕緣層73上形成彩色矩陣層23。如常規那樣，帶圖案的黑色矩陣層23-1是彩色矩陣層23的一部分。帶圖案的導電黑色矩陣層23-1可以用鉻和/或氧化鉻或者其它具有低反射率并阻擋光傳輸的適當材料構成。此外，帶圖案的導電黑色矩陣層23-1充當用于接觸輸入的防護面層。黑色矩陣層23-1的圖案最好對準信號層71的圖案。例如，如圖6中所示，黑色矩陣層23-1的圖案可形成以覆蓋信號層71。信號層71和黑色矩陣層23-1之間的間隔最好為2-5微米。接著在彩色矩陣層23上形成透明不導電絕緣層75。透明不導電絕緣層75可以用透明外涂聚合物構成，例如丙烯酸、BCB或其它適當材料。接著在絕緣層75上形成公用電極28。黑色矩陣層23和公用電極28之間的間隔最好為2-5微米。
最好沿水平(X)和垂直(Y)二個方向線性化被集成到上基底24中的信號層(圖5的帶圖案的黑色矩陣層23-1或者圖6的信號層71)的各邊緣上的電阻。在這種情況下，可以按如下從各角處測量到的各電流的比準確地得到接觸輸入位置(X，Y)(即，接觸點)X=(W2)(I2+I3)(I1+I4)(I1+I2+I3+I4)]]>Y=(H2)(I1+I2)(I3+I4)(I1+I2+I3+I4)]]>若信號層的各邊的電阻是“線性化的”，這些簡單公式最為準確。也即，若上面二個角用正電壓驅動并且下面二個角接地，則等電位是均勻間隔的各條水平直線。類似地，若驅動左邊二個角并將右邊二個角接地，則等電位是均勻分布的垂直線。可以根據初等電路原理得出這樣的要求。可以通過在帶圖案的導電層的周邊連接一個電阻器網絡來達到信號層的線性化，其中改變該電阻器網絡的電阻值(即，電阻器的幾何狀態)從而使帶圖案的導電層的電阻在X、Y二個方向上都是線性的。圖7中示出一個示例，其中沿帶圖案的導電層203的四條邊中的每條邊設置一個電阻條201。如所示，一些電阻器205提供電阻條201和帶圖案的導電層的連接。此外，如所示，電阻器207提供電阻條101和四個角結點A、B、C、D的連接。后面提供一個用于確定該線性化電阻器網絡的電阻值的示例方法。
圖8(A)-(H)示出一個實施例，其中把該電阻網絡集成到圖6中所示的上基底24中。更具體地，通過首先在上基底24上沉積帶圖案的層81以制造電阻器條201和電阻器205。帶圖案的層81可以是諸如ITO的透明導電材料，或者是諸如鉻和/或氧化鉻的不透明導電材料(或者其它適當的具有低反射率并且阻擋光傳輸的不透明導電材料)。如圖8(A)和8(B)所示，層81的圖案最好形成條區83(示出一個)和螺旋區85(示出一個)，條區83定義電阻器條201，而螺旋區85定義電阻網絡的電阻器205。各螺旋區85把各條區83電氣地連接到帶圖案的信號層71。能和圖6所示的帶圖案的信號層71一起沉積并且按圖案形成帶圖案的層81。
在沉積帶圖案的層81之后，最好如圖8(C)和(D)中所示的那樣沉積并且按圖案形成透明不導電絕緣層87。絕緣層87可以是透明聚合物，例如丙烯酸或BCB。若絕緣層87是用光敏材料構成的，通過對光敏材料的曝光和顯影得到圖案。反之，可以采用常規的光刻/光蝕技術造成絕緣層87的圖案。如所示，絕緣層87的圖案最好部分地覆蓋導電層81的螺旋區85。此外，最好把絕緣層87沉積并且構形成圖6的絕緣層73的一部分。
在沉積絕緣層87之后，如圖8(E)和8(F)所示沉積黑色矩陣(BM)層89并且形成其圖案。黑色矩陣層89最好是鉻和氧化鉻的復合層，其中首先沉積氧化鉻，從而當從背面觀察時BM層89盡可能的黑，以便減少顯示器反射的光量以增加顯示對比度。BM層89提供足夠的吸收，從而基本上光不通過BM層89。最好把黑色矩陣層89的圖案形成為部分地覆蓋導電層81的螺旋區85，但由絕緣層87在電氣上和螺旋區85絕緣，如圖中所示。此外，如所示，黑色矩陣層89的圖案最好是使它直接在帶圖案層81的條區83上形成。該復合層(黑色矩陣層89和條區83)組成一個低電阻層，這對于構造電阻器條201是有好處的。此外，如所示，最好沿圖6的BM材料23-1沉積BM層89并形成其圖案。在屏的陣列區中，BM材料23-1的圖案設計成阻擋除從ITO象素電極區之外的光傳輸，在ITO象素電極區有源矩陣控制液晶上的外加電壓，以便選擇正確的灰度。
在沉積BM層89之后，如圖8(G)和8(H)中所示，沉積彩色濾光材料23-2(包括紅、綠、藍元素)、絕緣層75以及圖6的公用電極28并形成其圖案。
圖9(A)-(H)示出一個實施例，其中把電阻網絡集成到圖5中所示的上基底24中。更具體地，通過首先在上基底24上沉積帶圖案的層91來制造電阻器條201和電阻器205。帶圖案的層91可以是諸如鉻和/或氧化鉻(或者其它具有低反射率并且阻擋光的傳輸的適當材料)的不透明導電材料。如圖9(A)和9(B)中所示，層91的圖案最好形成條區93(示出一個)和螺旋區95(示出一個)，條區93定義電阻器條201而螺旋區95定義電阻網絡的電阻器205。各螺旋區95電氣上把各條區93連接到帶圖案的信號層(圖5的BM層23-1)。如所示，可以和圖5的帶圖案BM材料23-1一起沉積帶圖案的層91，并形成層91的圖案。此外，如所示，典型地連帶著BM材料23-1沉積并構形圖5的彩色濾光材料23-2(包括紅、綠、藍元素)。而且，可以直接在條區83上沉積一層附加的黑色矩陣材料(未示出)并且形成圖案，從而形成一個低電阻層，這對于構造電阻器條201是有好處的。
在沉積帶圖案的層91后，如圖9(C)和9(D)所示，最好沉積透明不導電絕緣層97并形成圖案。絕緣層97可以是透明的聚合物，例如丙烯酸或BCB。若絕緣層97是用光敏材料構造的，通過對光敏材料的曝光和顯影實現圖案形成。反之，可采用常規的光刻/光蝕技術形成絕緣層97的圖案。如所示，最好和圖5的絕緣層61一起沉積并且構形絕緣層97。
在沉積了絕緣層97后，如圖9(E)和9(F)所示，在絕緣層97上形成防護面層63。如上面對照圖5所討論的那樣，可以用透明導電材料，例如ITO或其它適當材料，構造防護面層63，并且在黑色矩陣材料23-1和公用電極28之間沉積防護面層99。
在沉積防護面層99后，如圖9(G)和9(H)所示，沉積并且構形圖5的透明不導電絕緣層65和公用電極28。
對于上面對照圖8(A)-8(H)和圖9(A)-9(H)所討論的二個實施例，在屏的每個角處，形成一個位于電阻器條205和電觸點之間的角落電阻器207。最好利用上面為構造電阻器條205而討論的過程相同地構造角落電阻器207。這些電觸點導電地連接至用于測量流過各角的電流的電路，從而如上面所討論那樣得到接觸輸入的位置(即，接觸點)。此外，在每個角處構造一個對防護面層的電觸點。對防護面層的電觸點導電地連接至驅動防護面的電路，從而如上面所討論的那樣消除公用電極和帶圖案的導電層之間的電容耦合。
現在描述一種線性化信號層的電阻的方法。首先計算在二個方向上具有均勻板電阻率Rho_s(歐姆/平方)的方形屏幕的電阻，接著再把結果變換到在水平和垂直方向上可能具有不同電阻率的矩形屏幕。
圖10更詳細地表示方形屏蔽的布局。由于對稱性，每條邊具有相同的電阻值。在接觸檢測的實際運行下，用相同的AC信號驅動全部四個角電極，但是出于確定邊電阻值的目的，研究下述情況更為方便，即，用對稱的DC電壓驅動上面的角和下面的角(例如，上面的角處為直流+1伏而在下面的角處為直流-1伏)，并研究電阻層上的電流和電壓。下面的表中提供用于圖10的定義n…… 饋入電阻器的數量Rho_s…… 屏幕的板電阻率(歐姆/平方)Rs…… 從一邊到另一邊的屏幕電阻，單元為歐姆，等于Rho_sRe…… 長邊電阻器Rc…… 角電阻器Ri…… 饋入電阻器(i＝1…n)Vs…… AC電源，按所示施加Vm…… 屏蔽各角處的AC電壓Vi…… 上端Re上的電壓(i＝1…n)假定電阻器Ri沿各邊均勻間隔。相對于屏幕的角這些電阻器是對稱的，從而Ri＝Rn+1-i。n的小數值會在屏幕的邊緣附近造成等電位中的波動。非常大的n需要許多饋入電阻，從而難以制造。通常，根據制造可能性，把n選擇為盡可能的大。
若正確地線性化屏蔽，等電位將是水平線，從上到下均勻間隔。具體地，整條上邊緣應為角電勢+Vm，而下邊緣電勢為-Vm。電流強度正比于電場，電場正比于電勢分布的梯度。從而，若等電位是均勻間隔的直線，在屏幕上電流強度是常數，垂直地從上向下流。這意味著從各側邊沒有流進或流出屏幕的電流。可以立即得出沿側電阻器條Re的電勢變化必然完全和屏幕中的電勢變化匹配。否則，電流將通過側饋入電阻器流入或流出屏幕。當并且僅當側條Re每單位長度上具有常數電阻而且Rc和Re交點處的電壓等于角電壓Vm時，才會滿足該條件。根據初等電路理論，電壓Vm將等于Vs-IRc，其中I是流入側條的電流。該電流等于2Vs/(Rc+Re+Rc)。可得出(1)Vm/Vs＝1/(1+2Rc/Re)接著考慮流過屏幕的總電流Is。屏幕從上到下的電壓差為2Vm，并且電阻為Rs。從而(2)Is＝2Vm/Rs該電流必須流過上電阻Rc和Re，然后通過饋入電阻進入屏幕。由于對稱性，這些電流的一半必須從各角流入。從而在上電阻Rc上存在等于0.5Rc Is的電壓降，從而第一電壓(圖A.3中的V1)為(3)V1＝Vs-0.5RcIs＝Vs-RcVm/Rs接著計算Vi沿上邊緣的變化。由于屏幕電流從二個角沿Re流動，電壓對稱地向角遞減。從而，只需要計算n/2個值。出于方便，假定n為偶整數。令條上每個饋入電阻器之間的電阻為Ro(4)Ro＝Re/(n-1)如前面所述，電流強度必須是均勻的。從而，每個等距相隔的饋入電阻器必須承受相等的電流If，則(5a) If＝Is/n利用式2，可得(5b) If＝2Vm/nRs帶Re中流過的電流在每個饋入電阻器之后從最大值0.5 Is開始減少If，考慮這一點，可寫出前面的一些電壓(6a) V1＝Vs-RcVm/Rs(式3)(6b) V2＝V1-(0.5Is-1If)Ro＝V1-0.5RoIs+(1)RoIf(6c) V3＝V2-(0.5Is-2If)Ro＝V1-1.0RoIs+(1+2)RoIf(6d) V4＝V3-(0.5Is-3If)Ro＝V1-1.5RoIs+(1+2+3)RoIf(6e) V5＝V4-(0.5Is-4If)Ro＝V1-2.0RoIs+(1+2+3+4)RoIf第二項可以寫成-0.5(i-1)乘以RoIs。第三項是前(i-1)個整數的和再乘以RoIf。從而第i個電壓為(7) Vi＝V1-0.5(i-1)RoIs+0.5(i)(i-1)RoIf利用式4和式5a，可得到(8a) Vi＝V1-0.5(i-1)ReIs/(n-1)+0.5(i)(i-1)ReIs/n(n-1)(8b) Vi＝V1-0.5ReIs(i-1)(n-i)/n(n-1)代入式2、3和6a，可得到(8c) Vi＝Vs-RcVm/Rs-Vm(Re/Rs)(i-1)(n-i)/n(n-1)最后，利用式1消除Vs(9a) Vi＝Vm(1+2Rc/Re)-Vm(Rc/Rs)-Vm(Re/Rs)(i-1)(n-i)/n(n-1)(9b) Vi＝Vm(1+2Rc/Re-Rc/Rs-(Re/Rs)(i-1)(n-i)/n(n-1))式9b用參數Re、Rc、Rs和Vm表示Vi。現在可以計算饋入電阻Ri。每個饋入電阻Ri在一端具有電壓Vi，并在另一端具有屏幕電壓Vm，從而電阻器電流將為(Vi-Vm)/Ri。如上面所述，對于每個電阻器該電流是相同的，并且等于If＝Is/n，從而(10a) (Vi-Vm)/Ri＝Is/n＝(2Vm/Rs)/n(10b) Ri＝(Vi-Vm)nRs/2Vm(10c) Ri＝0.5nRs(2Rc/Re-Rc/Rs-(Re/Rs)(i-1)(n-i)/n(n-1))這樣，給定一組電阻器值(Rs，Re，Rc)后，可利用式10c計算線性化屏幕的饋入電阻器值。
現在需要一個為Re、Rc、Rs選擇適當值的方法。通常，由于對導電材料的選擇，屏幕電阻是固定的。從而需要選擇Re和Rc的適當值。這些值的選擇應該使式1的耦合比Vm/Vs為最大，因這將確保信號對外部電路的有效傳送。但是，對這些式子的仔細分析顯示不是(Rs，Re，Rc)的所有組合都是能使用的。若選擇不正確的值，一些電壓(Vi-Vm)將是負的。在式9b中，在屏幕的中間出現最壞情況(最小)電壓。稱此為Vmin并把i＝n/2代入到式9b，則(11) Vmin＝Vm(1+2Rc/Re-Rc/Rs-(Re/4Rm)(n-2)/(n-1))對于(Vmin-Vm)大于0的要求成為(12a) Vm(1+2Rc/Re)-Vm(Rc/Rs)-Vm(Re/4Rm)(n-2)/(n-1)＞Vm在經過代數運算后，變為(12b) 2Rc/Re＞(Rc/Rs)+(Re/4Rm)(n-2)/(n-1)引入二個無量綱的比K和A是方便的(13a) K＝Re/2Rs(13b) A＝Vs/Vm利用式1(13c) A＝1+2Rc/Re利用式12b、8c和10b可得到(14a) K＜Kmax(14b) Kmax＝(A-1)/(A-1+0.5(n-2)/(n-1))(14c) Vi/Vm＝A-K(A-1)-2K(i-1)(n-i)/n(n-1)(14d) Ri＝0.5nRs(Vi/Vm-1)(14e) Re＝2KRs(14f) Rc＝0.5Re(A-1)可以如下應用這些關系式。首先，根據屏幕材料選擇Rs的值。接著，選擇比率Vm/Vs的折衷值。接近1的值增加耦合。計算作為該比率的倒數的A，然后從式14a計算Kmax。挑一個大概比Kmax小20％的K(若把K選擇成太接近Kmax，電阻值中存在很大的跨度，從而屏幕特性會對制造容限非常敏感)。接著，利用式14e和14f計算所需的Re、Rc的值。
利用常規材料在圍繞屏幕邊緣的有限空間中加工起來有可能Re的所需值過低。這是由于Re非常長而窄。在這樣的情況下，應該嘗試較小值的(Vm/Vs)。若找到適用的值，可利用式10c計算饋入電阻器。
一旦解決方形屏幕的問題后，很容易把它變換到如圖11中所示的寬度為W、高度為H的矩形屏幕上。令水平和垂直方向上的屏幕電阻率分別為Rh和Rv(歐姆/平方)。令垂直測量的屏幕電阻為Rs_v，水平測量的屏幕電阻為Rs_h。則(15a) Rs_v＝Rv(H/W)歐姆(15b) Rs_h＝Rh(W/H)歐姆接著如下變換前面沿著上方計算的電阻器值(16a) Re_h＝Re(Rs_v/Rs)歐姆(16b) Rc_h＝Rc(Rs_v/Rs)歐姆(16c) Ri_h＝Ri(Rs_v/Rs)歐姆接著按如下變換前面沿側邊向下計算的電阻器值(16d) Re_v＝Re(Rs_h/Rs)歐姆(16e) Rc_v＝Rc(Rs_h/Rs)歐姆(16f) Ri_v＝Ri(Rs_h/Rs)歐姆我們省略對它們的證明。簡言之，由于屏幕中垂直方向的電流通過上方的各電阻器，而水平方向的電流通過側邊的各電阻器，這是可行的。通過如上述改變各組電阻器，我們保持對方形屏幕計算的電壓。
本發明的LCD的好處包括集成在LCD的上基底上的信號層和防護面層，其中防護面層沉積在信號層和上基底的公用電極之間。用源信號激勵信號層，并測量響應。用降低公用電極和信號層之間的電容耦合的信號驅動防護面層，從而允許基于對施加到信號層的源信號所測出的響應確定人體部位(例如手指或足指)的接觸位置。此外，把信號層和防護面層集成到LCD的上基底上提供了一種對添加式接觸輸入屏幕的低成本代用品。
替代地，可以用源信號驅動器具的尖端，并測量信號層對源信號的響應。基于對源信號的測量響應，確定器具尖端在上基底上的接觸位置。
上面說明的本發明的信號層和防護面層是在有效矩陣LCD系統中實現的。然而，本發明不在這個方面上受到限制，而是可以在任何從基底的第一面的上方觀察顯示象元矩陣和把顯示象元設置在該基底的第二面(即，背面)的顯示系統中實現。例如，本發明可以在無源矩陣LCD系統中實現。在這樣的系統中，從下基底中去掉TFT器件及數據線，并且上基底上形成的公用電極是帶圖案的以形成數據線(它們在功能上等同于有源矩陣顯示器的數據線31)。通過底基底的選通線和上基底的帶圖案的數據線的交叉形成子象素區矩陣。在這樣的系統里，可以把信號層和防護面層集成到無源矩陣顯示器的上基底上，并且沉積在帶圖案的數據線和無源矩陣顯示器的上基底之間。
類似地，本發明可以在磁矩陣顯示系統(Knox等于1996年8月9日申請的美國專利申請08/695,857中說明該系統的一個例子，該申請共同轉讓給本發明的受讓人，并在整體上作為本文的參考文獻)中實現。這種系統包括一個玻璃上基底，該基底具有多個對著一個電子源的熒光元件(例如熒光條)。磁矩陣可控地引導電子源生成的電子掃描上基底的熒光元件。在這種系統中，本發明的信號層和防護面層可以集成到磁矩陣顯示器的上基底中，并沉積在磁矩陣顯示器的熒光元素和上基底之間。
盡管連帶特定的實施例說明了本發明，業內技術人員理解在不違背本發明的實質或下述權利要求書的范圍的情況下可對所公開的實施例作出各種改變。
權利要求
1.一種液晶顯示單元，包括在其上集成著公用電極的第一基底和在其上集成著象素電極的第二基底，在所述公用電極和所述象素電極之間放置液晶材料，該液晶顯示單元特征在于，集成在所述第一基底上的并放置在所述第一基底和所述公用電極之間的第一和第二導電層；放置在所述第一和第二導電層之間的第一絕緣層；放置在所述第二導電層和所述公用電極之間的第二絕緣薄膜。
2.根據權利要求1的液晶顯示單元，其中對著所述象素電極放置的所述第一導電層的一部分是一層帶圖案的光吸收材料層。
3.根據權利要求2的液晶顯示單元，其中在所述第二基底上集成黑色矩陣層，并且對著所述第一基底上集成的TFT放置所述黑色矩陣層，其中通過使所述黑色矩陣層形成圖案構成對著所述象素電極放置的第一導電層的所述部分。
4.根據權利要求1的液晶顯示單元，其中所述第二導電層是透明的。
5.根據權利要求4的液晶顯示單元，其中所述第二導電層由ITO構成。
6.根據權利要求1的液晶顯示單元，其中放置在所述象素電極對面的所述第一和第二導電層的一部分各由一層帶圖案的低反射率、光吸收材料層構成。
7.根據權利要求6的液晶顯示單元，其中在所述第二基底上集成一層黑色矩陣材料層，所述黑色矩陣材料層放置在集成于所述第一基底上的TFT的對面，并且其中通過使所述黑色矩陣材料層產生圖案，形成放置在所述象素電極對面的第一和第二導電層的所述一部分中的一個。
8.根據權利要求1的液晶顯示單元，其中向所述第一導電層施加第一信號，并且其中向所述第二導電層施加第二信號，以便降低所述第一導電層和所述公用電極之間的電容耦合，并且基于對所述第一信號的響應確定接觸輸入部件的接觸位置。
9.根據權利要求8的液晶顯示單元，其中對第一導電層連接一個電阻器網絡。
10.根據權利要求9的液晶顯示單元，其中所述電阻器網絡在水平和垂直方向上線性化所述第一導電層的電阻。
11.根據權利要求10的液晶顯示單元，其中把所述第一信號施加到所述電阻器網絡的各個角，并且其中基于所述電阻器網絡的所述各角處的電流確定所述接觸輸入的位置。
12.根據權利要求11的液晶顯示單元，其中通過按比例改變所述第一信號的振幅生成所述第二信號。
13.根據權利要求11的液晶顯示單元，其中通過對所述第一信號偏移相位生成所述第二信號。
14.根據權利要求11的液晶顯示單元，其中用第三信號驅動所述公用電極，并且其中所述第二信號基于所述第一信號和所述第三信號。
15.根據權利要求11的液晶顯示單元，其中一個串聯電容器連接所述公用電極和所述第二導電層。
16.在具有多個單元的液晶顯示器里，其中每個單元包括在其上集成著公用電極的第一基底和在其上集成著象素電極的第二基底，并在所述公用電極和所述象素電極之間放置液晶材料，一種確定接觸輸入部件和所述第一基底的接觸位置的部件，包括集成在所述第一基底上的并且放置在所述第一基底和所述公用電極之間的信號層和防護面層；第一信號發生器，用于向所述信號層施加第一信號；第二信號發生器，用于向所述防護面層施加第二信號，以降低所述信號層和所述公用電極之間的電容耦合；以及位置確定裝置，用于基于對所述第一信號的響應確定所述接觸輸入的接觸位置。
17.根據權利要求16的部件還包括放置在所述信號層和防護面層之間的第一絕緣層，以及放置在所述防護面層和所述公用電極之間的第二絕緣層。
18.根據權利要求16的部件，其中對著所述象素電極放置的所述信號層的一部分是一層帶圖案的低反射率、光吸收材料層。
19.根據權利要求18的部件，其中在所述第二基底上集成黑色矩陣層，并且對著所述第一基底上集成的TFT放置該黑色矩陣層，其中通過使所述黑色矩陣層形成圖案構成對著所述象素電極放置的信號層的所述部分。
20.根據權利要求16的部件，其中所述防護面層是透明的。
21.根據權利要求20的部件，其中所述防護面層由ITO構成。
22.根據權利要求16的部件，其中所述信號層和防護面層是形成圖案的。
23.根據權利要求22的部件，其中放置在所述象素電極對面的所述信號層和防護面層的一部分各由一層帶圖案的低反射率、光吸收材料層構成。
24.根據權利要求23的部件，其中在所述第二基底上集成一層黑色矩陣材料層，所述黑色矩陣材料層放置在集成于所述第一基底上的TFT的對面，并且其中通過使所述黑色矩陣材料層產生圖案，形成放置在所述象素電極對面的信號層和所述防護面層的所述一部分中的一個。
25.根據權利要求16的部件，還包括一個連接在所述第一信號生成裝置和所述信號層之間的電阻器網絡。
26.根據權利要求25的部件，其中所述電阻器網絡在水平和垂直方向上線性化所述信號層的電阻。
27.根據權利要求26的部件，其中所述第一信號發生器把所述第一信號施加到所述電阻器網絡的各個角，并且其中所述位置確定裝置基于所述電阻器網絡的所述各角處的電流確定所述接觸輸入部件的接觸位置。
28.根據權利要求16的部件，其中所述第二信號發生器通過按比例改變所述第一信號的振幅生成所述第二信號。
29.根據權利要求16的部件，其中所述第二信號發生器通過對所述第一信號偏移相位生成所述第二信號。
30.根據權利要求16的部件，其中用第三信號驅動所述公用電極，并且其中所述第二信號基于所述第一信號和所述第三信號。
31.根據權利要求16的部件，其中一個串聯電容器連接所述公用電極和所述防護面層。
32.根據權利要求16的部件，其中所述接觸輸入部件是人體的一個部位。
33.在具有多個單元的液晶顯示器里，其中每個單元包括在其上集成著公用電極的第一基底和在其上集成著象素電極的第二基底，并在所述公用電極和所述象素電極之間放置液晶材料，一種確定接觸輸入部件和所述第一基底的接觸位置的方法，包括提供集成在所述第一基底上的并且放置在所述第一基底和所述公用電極之間的信號層和防護面層；向所述信號層施加第一信號；向所述防護面層施加第二信號，從而降低所述信號層和所述公用電極之間的電容耦合；以及測量對所述第一信號的響應以確定所述接觸輸入的位置。
34.根據權利要求33的方法，其中在所述信號層和防護面層之間放置第一絕緣層，并在所述防護面層和所述公用電極之間放置第二絕緣層。
35.根據權利要求33的方法，其中對著所述象素電極放置的所述信號層的一部分是一層帶圖案的低反射率、光吸收材料層。
36.根據權利要求35的方法，其中在所述第二基底上集成黑色矩陣層，并且對著所述第一基底上集成的TFT放置所述黑色矩陣層，其中通過使所述黑色矩陣層形成圖案構成對著所述象素電極放置的信號層的所述部分。
37.根據權利要求33的方法，其中所述防護面層是透明的。
38.根據權利要求37的方法，其中所述防護面層是ITO構成。
39.根據權利要求33的方法，其中所述信號層和防護面層是形成圖案的。
40.根據權利要求39的方法，其中放置在所述象素電極對面的所述信號層和防護面層的一部分各由一層帶圖案的低反射率、光吸收材料層構成。
41.根據權利要求40的方法，其中在所述第二基底上集成一層黑色矩陣材料層，所述黑色矩陣材料層放置在集成于所述第一基底上的TFT的對面，并且其中通過使所述黑色矩陣材料層產生圖案，形成放置在所述象素電極對面的信號層和防護面層的所述一部分中的一個。
42.根據權利要求33的方法，其中在所述第一信號生成裝置和所述信號層之間連接一個電阻器網絡。
43.根據權利要求42的方法，其中所述電阻器網絡在水平和垂直方向上線性化所述信號層的電阻。
44.根據權利要求43的方法，其中把所述第一信號施加到所述電阻器網絡的各個角，并且其中基于所述電阻器網絡的所述各角處的電流確定所述接觸輸入的位置。
45.根據權利要求33的方法，其中通過按比例改變所述第一信號的振幅生成所述第二信號。
46.根據權利要求33的方法，其中通過對所述第一信號偏移相位生成所述第二信號。
47.根據權利要求33的方法，其中用第三信號驅動所述公用電極，并且其中所述第二信號基于所述第一信號和所述第三信號、
48.根據權利要求33的方法，其中一個串聯電容器連接所述公用電極和所述防護面層。
49.根據權利要求33的方法，其中所述接觸輸入部件是人體的一個部位。
50.一種顯示單元，包括第一基底，其具有在第二面的對面的第一面，基中從所述第一面的上方觀察所述顯示單元；放置在所述第二面上的多個顯示象元，其中至少把一個顯示象元集成到所述第一基底上；集成在所述第一基底上的并放置在所述第一基底和所述至少一個顯示象元之間的第一和第二導電層；放置在所述第一和第二導電層之間的第一絕緣層；以及放置在所述第二導電層和所述至少一個顯示象元之間的第二絕緣層。
51.根據權利要求50的顯示單元，其中所述顯示單元是磁矩陣顯示單元，并且所述至少一個顯示象元是熒光象元。
52.根據權利要求50的顯示單元，其中所述顯示單元是液晶顯示單元，并且所述至少一個顯示象元由電極構成，所述電極用于控制所述液晶顯示單元兩端上的電壓。
53.根據權利要求52的顯示單元，其中所述電極是無源矩陣顯示單元的數據線電極。
54.根據權利要求52的顯示單元，其中所述電極是有源矩陣顯示單元的公用電極。
55.根據權利要求52的顯示單元，其中向所述第一導電層施加第一信號，并且其中向所述第二導電層施加第二信號，以便降低所述第一導電層和所述電極之間的電容耦合，并且其中基于對所述第一信號的響應確定接觸輸入部件的接觸位置。
56.根據權利要求55的顯示單元，其中一個電阻器網絡和第一導電層連接。
57.根據權利要求56的顯示單元，其中所述電阻器網絡在水平和垂直方向上線性化所述第一導電層的電阻。
58.根據權利要求57的顯示單元，其中把所述第一信號施加到所述電阻器網絡的各個角，并且其中基于所述電阻器網絡的所述各角處的電流確定所述接觸輸入的位置。
59.根據權利要求58的顯示單元，其中通過按比例改變所述第一信號的振幅生成所述第二信號。
60.根據權利要求58的顯示單元，其中通過對所述第一信號偏移相位生成所述第二信號。
全文摘要
液晶顯示單元,包括:具有集成在其上面的一個公用電極的第一基底,具有集成在其上面的一個象素電極的第二基底,以及放置在公用電極和象素電極之間的液晶材料。把第一導電層(信號層)和第二導電層(防護面層)集成到第一基底上并且放置在第一基底和公用電極之間。通過向信號層施加第一信號確定接觸輸入部件和第一基底的接觸位置。向防護面層施加第二信號,從而降低信號層和公用電極之間的電容耦合。
文檔編號G02F1/13GK1246638SQ9911198
公開日2000年3月8日 申請日期1999年8月4日 優先權日1998年8月18日
發明者伊萬·喬治·考爾干, 詹姆斯·萊維斯·勒維納, 邁克爾·阿蘭·施切泊特, 格里高利·法瑟·魯瑟爾 申請人:國際商業機器公司