使用導電聚合物的電容型觸摸屏的制作方法

專利名稱：使用導電聚合物的電容型觸摸屏的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及觸摸傳感器，特別是涉及用于連接顯示器件以便形成觸摸屏的觸摸傳感器。
背景技術：
電容型觸摸屏在襯底上具有一個導電層。電容型觸摸屏典型地由一個具有薄膜導電鍍層的玻璃襯底組成，該薄膜導電鍍層位于玻璃上面。玻璃襯底上面是一層防劃玻璃外鍍層。該外鍍層封裝在傳感器電子器件中，并能防止器件被劃壞。
一典型電容型屏幕邊緣的電路在導電表面上均勻地分布一低壓AC場。當手指或其他導電物體干擾該場時，控制器測量每個角的電流的變化并計算出X和Y坐標，該坐標就表示用戶所觸摸的屏幕位置。
一般地，導電層是一個實質上透明的導體，其材料的例子為，氧化錫銦(ITO)、氧化錫銻(ATO)或氧化鋅(ZnO)，這些實例通常被稱為透明導電氧化物(TCO)。但是，在電容型觸摸面板中使用TCO還有一些缺點。表A中列出了在某些應用中的TCO的典型薄膜電阻。電容型觸摸系統(tǒng)與其他的應用相比需要相對高的薄膜電阻。
表A

為了增加TCO的薄膜電阻，一般要沉淀更薄的TCO薄膜。例如，薄膜電阻為20歐姆/平方(ohms per square)的ITO薄膜厚度大約是500nm。而具有薄膜電阻為350-400歐姆/平方(ohms per square)的ITO薄膜厚度卻只有大約35-30nm。但隨著薄膜淀積變薄，沉淀TCO的均勻性、耐用性和物理連續(xù)性通常會降低。例如，一般不能淀積成電阻率為1000-2000歐姆/平方(ohms per square)ITO，其原因為ITO已經薄得不耐用、不均勻或者不能物理連續(xù)。通常的情況是，如果襯底上表面不均勻，性能將進一步降低。為了得到更高的薄膜電阻，ATO可以涂得更薄。例如，25-30nm厚的ATO鍍層可以得到約2000歐姆/平方(ohmsper square)的薄膜電阻。但是，ATO的光學性能比ITO差，例如較低的投射比。
因此，需要一種改進的電容型觸摸面板的導電層，以便經久耐用并且具有很好的光學性能。
發(fā)明概要本發(fā)明涉及一種具有一個觸摸區(qū)域的電容型觸摸屏，包括一個作為主要信號載體的實質上透明的導電聚合物，其用于在觸摸位置與物體(object)形成電容性耦合。該電容型觸摸屏還包括將觸摸區(qū)域的導電聚合物與電源相連的電路，該電路被配置為確定觸摸位置。
優(yōu)選地，觸摸區(qū)域不包括透明導電氧化物。在觸摸區(qū)域內導電聚合物是唯一的透明導電元件也是優(yōu)選的。在一個實施例中，電容型觸摸屏進一步在導電聚合物上包括一防護鍍層，該防護鍍層可用作絕緣體。導電聚合物可以是PEDOT。觸摸區(qū)域可以包括一片導電聚合物薄層，其具有實質上均勻的電阻，或可包括導電聚合物的圖案(pattern)。
在另一個實施例中，一種觸敏顯示模塊包括一個觸摸區(qū)域、電路和可透過觸摸區(qū)域看到的顯示器件。觸摸區(qū)域包括一種作為主要信號載體的實質上透明的導電聚合物，其用于在觸摸位置與物體形成電容性耦合。該電路將連接觸摸區(qū)域的導電聚合物與電源相連，該電路被配置為確定觸摸位置。
在本發(fā)明的另一個實施例中，制造一種電容型觸摸屏的方法包括提供一個襯底，并在該襯底上形成一觸摸區(qū)域。該觸摸區(qū)域包括一實質上透明的導電聚合物，其中該導電聚合物作為主要信號載體，用于與物體形成電容性耦合。優(yōu)選地，該方法還包括在觸摸區(qū)域上形成一防護層。該物體可以是用戶身體部分、一種導電觸筆或一種接地的導電觸筆。


在結合附圖閱讀了本發(fā)明的各種實施例的如下詳細說明后，可更完整地理解本發(fā)明。
圖1是依據(jù)本發(fā)明一個實施例的一個示例性觸摸屏裝置的示意圖。
圖2是依據(jù)本發(fā)明另一實施例的另一示例性觸摸屏裝置的示意圖。
圖3是本發(fā)明一個實施例中一觸摸屏裝置的傳感器陣列的示意圖。
雖然可以對本發(fā)明進行各種形式的修改和置換，但其詳細說明書在附圖中是以舉例的方式表示的，并將在下面詳細說明。但是，應當注意的是，其意圖并不是把本發(fā)明限制于描述的特殊實施例。恰恰相反，其目的是將所有的改進、等價物和置換都落在本發(fā)明的精神和范圍內，本發(fā)明的精神和范圍由附加的權利要求限定。
具體實施例方式
本發(fā)明可應用于多個利用電容技術并使用一種導電透明的聚合物的觸摸屏。但本發(fā)明并不局限于此，通過下面給出的實例的論述，可以理解本發(fā)明的各個方面。
一電容型觸摸屏包括一個在每個末端或邊緣都具有一個終端的電阻或阻抗元件，例如一段或一塊電阻性材料。在現(xiàn)有技術中，電阻元件由一種透明導電氧化物(TCO)制成，例如ITO、ATO或ZnO。但是，在本發(fā)明中，電阻元件包括一種導電聚合物。與TCO相比，使用導電聚合物具有很多優(yōu)點，其在此將進一步詳細敘述。
這里所使用的“導電聚合物”是指具有導電性的聚合物。導電聚合物的一些例子如聚吡咯(polypyrrole)、聚苯胺(polyaniline)、聚乙炔(polyacetylene)、聚噻吩(polythiophene)、1，1，2-次乙基聚苯撐(polyphenylene vinylene)、聚苯撐硫化物(polyphenylene sulfide)、聚苯撐(poly phenylene)、1，1，2-次乙基聚雜環(huán)(polyheterocycle vinylene)以及在歐洲公開專利EP-1-172-831-A2中公開的材料。EP-1-172-831-A2討論了在電阻型觸摸面板中使用導電聚合物代替的ITO，但它沒有討論電容型觸摸面板。在美國專利5,766,515和EP-A 686,662中說明，替代聚噻吩(polythiophene)的首選物是poly(3，4-ethylenedioxythiophene)(PEDOT)。優(yōu)選的，在此描述的觸摸屏所使用的導電聚合物其本身就導電，也就是說盡管導電聚合物通常需要添加摻雜劑，但是它們不需要添加諸如炭的導電材料就可以導電。
優(yōu)選地，電阻元件要實質上透明，換句話說，至少要有約50％的內部投射比，最好有約90％的內部投射比。更優(yōu)選地，該電阻元件要有至少約95％的投射比。
圖1表示包括一電容型觸摸傳感器10的電容型觸摸裝置8的一個實例的示意圖。圖示的是觸摸傳感器10的橫截面，其包括一個作為電阻元件的導電聚合物14。在本發(fā)明的一個實施例中，該電阻元件是一個具有均勻電阻率的表面。觸摸傳感器10還包括一個襯底18和一個防護層20。觸摸傳感器10的襯底18可以是硬性的或柔性的。襯底18可以是玻璃、薄塑料或者厚或硬塑料薄片。塑料襯底具有重量輕和不易破碎的優(yōu)點。
防護層20是可選的。如果象圖1所示的這樣，防護層20可以作為一絕緣體來限制耦合在觸力和電阻元件之間的電容。防護層20還可以延長電阻元件14的使用壽命。防護層20可以任意構造成提供其他的功能，例如可以減少眩光或降低反射。觸摸傳感器10并不局限于這些層。觸摸傳感器還可以包括提供其它功能的附加層。
觸摸器件8還包括觸摸屏電路24和一電源28。電路24電連接到電阻元件14上。電路24計算耦合在電阻元件14上的電容的位置。觸摸傳感器10可位于顯示器件32上或集成于顯示器件32中。
在一個實施例中的電阻元件可以是具有均勻電阻率的矩形表面。為了方便起見，這個實施例將對具有矩形觸摸區(qū)域的觸摸屏進行詳細描述，盡管其描述的原理可以應用于不同配置的觸摸屏中，例如具有一長度的均勻電阻一軸(one-axis)觸摸區(qū)域或三角形表面。
對于為矩形電阻元件，觸摸屏包括四個終端、一個電阻耦合網絡、一個用于改變終端相對于地面的電勢的振蕩器、測量通過每個終端的電流的電流感測電路以及產生接觸位置的輸出信號的標準化電路。測量的電流和電流比率可以推導出觸點的坐標。觸摸屏的電阻耦合網絡、振蕩器、電流感測電路和標準化電路可以如美國專利No.4,293,734和4,371,746那樣構造，這兩個專利的發(fā)明人都是Pepper，Jr。
本發(fā)明的電容型觸摸傳感器可以通過許多不同的方法被物體34激活，該物體34與電阻元件形成電容性耦合。該物體可以是用戶的手指或其他身體部分，再或者是接地的導電結構，例如通過電線與地連接的導電觸筆。當物體34接觸或特別接近觸摸屏時，通過創(chuàng)建與觸摸屏的電阻元件的電容性耦合，而提供一條通向地面的通路。電路24也可以被連接到地面。
運行時，當物體34接觸或連接到電阻元件時，為振蕩信號提供通到地面的相對低阻抗的路徑，一股微弱的電流通過接觸結構34到達地面。這種通過邊界的小部分電流與到觸點邊界的距離成反比，并與到相對邊界的距離成正比。從而產生了與該小部分電流成比例的輸出電壓，因此該電壓也與到另一終端的距離成比例。該輸出向應用器件提供二進制信號，以表示正在接觸該電阻元件。
圖2表示電容型傳感器結構40的一個實施例，其中具有一透明導電聚合物48的柔性電容型傳感器44被層壓疊加到硬性襯底50上。柔性電容傳感器44包括一柔性襯底54、導電聚合物48和一防護層58。硬性襯底50可以是塑料或玻璃。粘接劑62將硬性襯底50連接到柔性電容型傳感器44的柔性襯底54上。
在本發(fā)明的另一實施例中，一個觸摸傳感器包括一個圖案(patterned)導電聚合物。圖案導電聚合物是不均勻的，但是其包括一圖案或重復圖案，例如導電聚合物的平行條或者導電聚合物的平行并垂直(parallel and perpendicular)的條。如圖3所示，一個實例就是關于近場成像傳感器(near field imaging sensor)，它包括位于有效區(qū)域中的一個圖案導電聚合物。近場成像(NFI)傳感器技術在Redmayne發(fā)明的美國專利No.5,650,597中描述。此實施例的電路可如美國專利No.5,650,597那樣構造。傳感器陣列80包括多個水平傳感器條84。水平條84可以本分組為包括多個條的組88。每條水平條84的左邊和右邊都連接到激勵信號。當向條84的一邊提供激勵信號時，條84的另一邊同時被接地。激勵信號的提供和對來自陣列地面一側的傳感器信號的檢測由觸摸傳感器電路(沒有在圖3中示出)處理以便計算出觸摸的位置。一防護導體92可以用于消除寄生負荷并由激勵信號驅動。
與具有均勻電阻表面的觸摸器件相比，NFI觸摸器件能夠建立一個耦合通過一個更大間隙的電容。這樣，NFI觸摸器件經常能檢測到戴手套的手的觸摸。此提高的靈敏性允許電阻元件的襯底作為與用戶的接口。例如，導電的圖案(conductive pattern)可在襯底的第一面上形成，用戶與該襯底的第二面相接觸，從而通過該襯底建立了與導電圖案電容性耦合。這種配置不需要電阻元件上的防護層。
傳感器條84的圖案可以采用不同的印刷方法制成，例如墨水噴射、絲網印刷、模版印刷。換句話說，該圖案也可以利用不同的圖案技術制成，比如光刻法、激光燒蝕、加熱或光漂白，或其它方法，或者這些方法的組合。
優(yōu)選的，電阻元件的線性化邊緣終端采用公知的技術。這里所用的術語線性化是指通過將適當?shù)碾妷哼B接到邊緣終端，具有均勻電阻率的觸摸電阻表面都可以產生均勻電流密度。當電阻觸摸表面被線性化時，便會有額外的性能根據(jù)對流過每個與邊緣終端相連的連接的部分電流的測量，可以確定該表面上電流吸收器(sink of electric current)的源的位置。優(yōu)選的線性化邊緣終端的例子已在美國專利No.4,371,746描述。
現(xiàn)在，將敘述本發(fā)明的電阻元件使用導電聚合物的一些優(yōu)點。TCO一般需要進行高溫處理以便使投射比和導電率達到最佳化。處理的溫度應在100-330℃范圍內，并且還包括在高溫中沉淀薄膜和沉積后(postdeposition)退火的步驟。在較低溫度處理的TCO將很可能具有較差的光學和電學特性。高溫處理的TCO限制了可使用的襯底的類型。TCO鍍層一般是由真空沉積步驟形成的，真空沉積步驟十分昂貴并要在很高的溫度中進行。
另一方面，導電聚合物不需要高溫處理。在大約100℃干燥的步驟中，可以無水淀積導電聚合物。導電聚合物電阻元件的低溫處理可使其它襯底用于電容型觸摸屏中，例如PET。
形成導電聚合物薄膜有許多種方法，大多數(shù)方法所消耗的價格和時間都比TCO的形成技術低。導電聚合物可以以高淀積速度用溶劑淀積。導電聚合物可以被絲網印刷、墨水噴射印刷、印膜淀積(die coated)或浸漬鍍層，并可以有選擇地沉積。
TCO的折射率范圍一般在1.9到2.4之間。高折射率降低了投射比并增加了反射，從而在通過觸摸屏看時，會降低顯示的整體對比。相反，導電聚合物具有范圍在1.5到1.8之間的折射率。
TCO通常十分易碎并由此易于產生裂縫，尤其淀積在例如polyethylene(聚乙烯)tetraphalate的柔性襯底上時。觸點上層薄膜的劇烈地局部彎曲就可能導致TCO破裂。TCO層上的裂痕會導致器件失靈、TCO層不均勻的電壓場以及降低觸摸位置計算的準確度。導電聚合物一般不易碎。例如一種淀積了導電聚合物的PET襯底在被彎得很厲害時并不會損壞導電聚合物。
TCO一般在可見光譜的綠色和紅色區(qū)域比藍色區(qū)域具有較高的投射比。例如，對于給定的ITO沉淀參數(shù)，ITO薄膜在波長為450-500nm時的吸收系數(shù)為0.9μm-1，在波長為400-500nm時的吸收系數(shù)為0.74μm-1。藍光的較低投射比使顯示的圖像看起來呈綠色，這是不需要，而這就是大多數(shù)的顯示屏缺乏藍色的原因。導電聚合物在藍光中一般比可見光譜中的其他色光具有更高的透射比。
導電聚合物可比TCO淀積得更厚，但仍然具有同樣的光學和電學特性。結果是，可能降低鍍層的均勻性中任何不均勻的影響。
例1一種導電聚合物溶液的配置是混合965.25克的Baytron PPEDOTPSSsolution(Baytron P可以從Bayer購買得到)和321.75克的二甲亞砜(dimethylsulfoxide)、77.4克的乙撐亞胺(ethylene glycol)、27克的3-glycidoxypropyltrimethoxysilane、1600.2克的異丙醇(isopropyl alcohol)、9克的sufynol 61表面活性劑(Surfynol 61 surfactant)(能從Kremer Pigmente購買得到)。利用一精確浸涂機以0.170英寸/秒的分離速度，將一堿-石灰玻璃襯底浸鍍在上述溶液中。隨后將鍍好的襯底在85℃中烘烤6分鐘，以便獲得2500-3000歐姆/平方的電阻薄膜。然后，利用絲網印刷在鍍好的襯底的一側上形成基于銀的線性化圖案和金屬絲線路。隨后，將印制好的襯底在130℃中處理6分鐘。接著，利用一硅樹脂化的聚丙烯酸酯溶液，在傳感器的兩側表面上形成一層防護鍍層。鍍好的觸摸傳感器在66℃中處理1小時。傳感器的電學透射比為76％。一垂直和水平手指觸摸傳感器會產生最大為1％的線路偏差。
例2一種電容型傳感器器形成方法為利用導電銀油墨將一線性化圖案和金屬絲線路絲網印刷在PET的AgfaEL1500導電聚合物薄膜(可以從Agfa-GevaertN.V.購買獲得)的表面上。導電聚合物薄膜的平均投射比約為88％和測量的平均薄膜電阻為1200歐姆/平方。在印刷處理之后，油墨要在100℃中處理一小時。通過CO2激光燒蝕導電聚合物鍍層，將金屬絲線路與線性化圖案電隔離。利用CO2激光切割導電聚合物鍍層和PET襯底，將傳感器切割成成型形狀。一水平和垂直的手指觸摸傳感器會產生最大為1％線路偏差。
上述詳細說明、實例和數(shù)據(jù)給出了生產和使用本發(fā)明的一個完整描述。由于在不背離本發(fā)明精神和范圍的條件下，可作出多種實施的例子，因此本發(fā)明存在下面所附的權利要求。
權利要求
1.一種電容型觸摸屏包括一個觸膜區(qū)域，其包括一個作為主要信號載體的實質上透明的導電聚合物，用以在一觸摸位置上與一個物體形成電容性耦合；以及電路，其將觸膜區(qū)域的導電聚合物連接到電源，以便確定所述觸摸位置。
2.如權利要求1所述的電容型觸摸屏，其中，所述觸摸區(qū)域不包括一透明導電氧化物。
3.如權利要求1所述的電容型觸摸屏，其中，所述導電聚合物是所述觸摸區(qū)域內唯一的透明導電元件。
4.如權利要求1所述的電容型觸摸屏，還包括一個位于所述導電聚合物上的防護鍍層。
5.如權利要求4所述的電容型觸摸屏，其中，所述防護鍍層作為一個絕緣層。
6.如權利要求1所述的電容型觸摸屏，其中，所述導電聚合物是PEDOT。
7.如權利要求1所述的電容型觸摸屏，還包括一襯底，其中，在所述襯底上形成所述觸摸區(qū)域；以及一顯示設備，其與所述襯底相毗鄰。
8.如權利要求1所述的電容型觸摸屏，還包括一個硬性襯底，其中，所述觸摸區(qū)域形成在所述襯底上。
9.如權利要求1所述的電容型觸摸屏，還包括一個柔性襯底，其中，所述觸摸區(qū)域形成在所述襯底上。
10.如權利要求1所述的電容型觸摸屏，其中，所述觸摸區(qū)域包括一具有實質上均勻的電阻的導電聚合物薄膜。
11.如權利要求1所述的電容型觸摸屏，其中，所述觸摸區(qū)域包括一導電聚合物圖案。
12.如權利要求11所述的電容型觸摸屏，其中，所述導電聚合物圖案包括多個平行傳感器條。
13.如權利要求1所述的電容型觸摸屏，其中，所述觸摸面板被配置為在所述觸摸區(qū)域中產生實質上均勻的電流密度。
14.如權利要求1所述的電容型觸摸屏，還包括一線性化圖案。
15.一種用于定位觸點的觸摸面板，其包括一個至少具有一對邊界的導電阻抗表面，所述阻抗表面包含一導電聚合物；其中，所述觸摸面板被配置成使一實質上線性化的電流通過所述阻抗表面，其中，在所述阻抗表面上電流從每個邊界流過一觸點，所述電流確定了所述觸點的位置。
16.如權利要求15所述的觸摸面板，其中，所述阻抗表面不包括一透明導電氧化物。
17.如權利要求15所述的觸摸面板，其中，所述導電聚合物是所述阻抗表面上的唯一透明導電元件。
18.如權利要求15所述的觸摸面板，還在所述阻抗表面上包括一個防護鍍層。
19.如權利要求18所述的觸摸面板，其中，所述防護鍍層作為一絕緣層。
20.如權利要求15所述的觸摸面板，其中，所述導電聚合物是PEDOT。
21.如權利要求15所述的觸摸面板，其中，所述阻抗表面形成在一柔性襯底上。
22.如權利要求15所述的觸摸面板，其中，所述阻抗表面形成在一硬性襯底上。
23.如權利要求15所述的觸摸面板，其中，所述阻抗表面包括含有一具有實質上均勻的電阻的導電聚合物薄膜。
24.如權利要求15所述的觸摸面板，其中，所述阻抗表面包括一導電聚合物圖案。
25.如權利要求15所述的觸摸面板，其中，所述導電聚合物圖案包括多個平行傳感器條。
26.如權利要求15所述的觸摸面板，還包括一線性化圖案。
27.一種觸敏顯示模塊包括一觸摸區(qū)域，其包括一實質上透明的導電聚合物，其作為一主要信號載體用以在觸摸位置上與一個物體形成電容性耦合；電路，其將所述觸摸區(qū)域的所述導電聚合物連接到一電源，所述電路被配置成確定所述觸摸位置；和一顯示裝置，其具有一個顯示表面。
28.如權利要求27所述的觸敏顯示裝置，其中，所述觸摸區(qū)域不包括一透明導電氧化物。
29.如權利要求27所述的觸敏示裝置，其中，所述導電聚合物是所述觸摸區(qū)域的唯一透明導電元件。
30.如權利要求27所述的觸敏顯示裝置，在所述導電聚合物上還包括一防護鍍層。
31.如權利要求30所述的觸敏顯示裝置，其中，所述防護鍍層作為一絕緣層。
32.如權利要求27所述的觸敏顯示裝置，其中，所述導電聚合物是本身就導電的聚合物。
33.如權利要求27所述的觸敏顯示裝置，其中，所述導電聚合物是PEDOT。
34.如權利要求27所述的觸敏顯示裝置，還包括一硬性襯底，其中，所述觸摸區(qū)域形成在所述襯底上。
35.如權利要求27所述的觸敏顯示裝置，還包括一柔性襯底，其中，所述觸摸區(qū)域形成在所述襯底上。
36.如權利要求27所述的觸敏顯示裝置，其中，所述觸摸區(qū)域包括一個具有實質上均勻電阻的導電聚合物薄膜。
37.如權利要求27所述的觸敏顯示裝置，其中，所述觸摸區(qū)域包括一導電聚合物圖案。
38.如權利要求37所述的觸敏顯示裝置，其中，所述導電聚合物圖案包括多個平行傳感器條。
39.如權利要求27所述的觸敏顯示裝置，其中，所述觸摸面板被配置成在所述觸摸區(qū)域中產生實質上均勻的電流密度。
40.如權利要求27所述的觸敏顯示裝置，還包括一線性化圖案。
41.一種制作一電容型觸摸屏的方法，其包括提供一襯底；在所述襯底上形成包括一實質上透明的導電聚合物的觸摸區(qū)域，其中，所述導電聚合物被配置成作為一主要信號載體，用以與一物體形成電容性耦合容。
42.如權利要求41所述的制作一電容型觸摸屏的方法，還包括在所述觸摸區(qū)域上形成一防護層。
43.如權利要求41所述的制作一電容型觸摸屏的方法，其中，所述物體要從下面的組中選取用戶的身體部分、一導電觸筆或一接地的導電觸筆。
44.如權利要求41所述的制作電容型觸摸屏的方法，進一步包括在所述觸摸區(qū)域中形成一線性圖案。
全文摘要
描述了一種具有觸摸區(qū)域的電容型觸摸屏，該觸摸區(qū)域包括一實質上透明的導電聚合物。該電容型觸摸屏還包括將觸摸區(qū)域的導電聚合物連接到一電源的電路，該電路被配置成確定在觸摸區(qū)域的電容性耦合的位置。
文檔編號G06F3/033GK1653414SQ03811388
公開日2005年8月10日 申請日期2003年4月16日 優(yōu)先權日2002年5月20日
發(fā)明者E·M·克羅斯, R·S·莫斯雷夫雜德赫, F·J·伯塔里, D·R·開恩斯, A·F·切爾尼斯基, P·J·里齊特 申請人:3M創(chuàng)新有限公司