用于觸摸屏的自電容變化檢測方法及自電容傳感裝置制造方法
【專利摘要】本發明提出用于觸摸屏的自電容變化檢測方法及自電容傳感裝置，所述自電容傳感裝置包括矩形電極，以及設置有變量采集模塊的自電容變化檢測單元。變量采集模塊包括電連接于第一節點的恒流源、鉗位電路和電荷收發檢測電路，以及接地的第二節點。在針對一個電極的檢測過程中，所述變量采集模塊的第一節點先電連接電極的第一端，且第二節點電連接電極的第二端，采集到第一自電容變化量之后，變量采集模塊的第一節點再電連接該電極的第二端，且第二節點電連接電極的第一端，以采集第二自電容變化量。本發明所述自電容傳感裝置具有上產工藝簡單，生產效率高，電極可靠性好、不易斷裂，適用電極材料廣泛，以及抗靜電釋放ESD性能好的特點。
【專利說明】用于觸摸屏的自電容變化檢測方法及自電容傳感裝置
【技術領域】[0001]本發明涉及傳感信號的檢測方法及實現該方法的裝置，特別是涉及用于觸摸屏的、將觸碰信息轉換為自電容變化量的方法及實現該方法的裝置。
【背景技術】
[0002]自電容觸摸屏作為電容式觸摸屏的一種，以自電容傳感裝置為基礎。該電容傳感裝置將對觸摸屏的觸碰信息轉換為自電容變化信號，并根據自電容變化信號確定觸碰位置坐標。所述自電容傳感裝置不僅可以用于制造獨立的觸摸屏，還可以結合應用在相關設備中，例如將自電容傳感裝置結合在顯示設備上，制成觸摸顯示屏。所述自電容傳感裝置由于其只需要單層布局布線，生產工藝簡單，良率高，成本低，在智能機和平板電腦上得到了越來越廣泛的應用。現有技術單層自電容傳感裝置的電極布置結構圖如圖12所示，采用三角形或者類三角形的電極91，各電極91成對設置成互補的電極對92，各電極對92重復堆疊而布滿整個觸摸屏或者顯示屏的屏體。從圖12所示電極布置結構中就可以明顯看出，各電極91之間沒有交叉走線的情況，令生產工序較為簡單。現有技術自電容傳感裝置還包括電連接各電極91的自電容檢測單元。
[0003]圖13和圖14示出自電容檢測的基本原理。在電極91上通常覆蓋一層用透明絕緣介質材料制成的蓋板93。自電容傳感裝置的自電容，即電極91到地的電容，如圖13所示的Cp。當人體94觸摸到蓋板93上時，由于人體近似于一個大地，相當于電極91上的又并聯了一個到地的電容Cf，從而令電極91到地的自電容增加，如圖13和圖14所示。通過偵測自電容變化情況，可以判斷出是否發生觸摸。
[0004]如圖12所示，長底邊位于左側的電極91按911L、912L、…、91 (Μ — I) L、91ML、91 (M+1)L、…編號，長底邊位于右側的電極91按911R、912R、…、91 (M — I) R、91MR、91(M+1)R、…編號,M代表一自然數。相同數字編號的兩電極91構成一電極對,例如,編號是9IML與9IMR的電極91構成電極對。當發生觸摸時自電容檢測單元通過檢測各電極91的自電容變化量。觸摸點99引起六個電極91發生自電容變化，它們的編號分別是91 (M -1)L、91ML、91 (M+1)L、91 (Μ — I) R、91MR 和 91 (M+1)R。相應地自電容變化量分別是 Dp1、Dp2、Dp3、Dp4、Dp5和Dp6。首先找出縱向方向上變化量最大的通道為觸摸發生的通道，即變化量是Dp2、編號是91ML對應電極91的通道，結合其上下通道的變化量，求出其重心位置，即為觸摸點的縱軸坐標；通過變化量最大的通道及其對面三角形電極變化量的比值，得出橫軸方向上的坐標。
[0005]現有技術自電容傳感裝置還存在以下的缺陷和不足之處:
1.生產工藝復雜；現有技術自電容傳感裝置的電極91，在實際生產中一般都無法做出真正的三角形，而以類三角形的梯形代替；為了在X軸方向上獲得比較好的精度，通常要求梯形窄的一邊，例如圖12所示編號是911L的電極91的右側，寬度越小越好，通常要求在0.3mm甚至更小，這對工藝能力有一定要求，成為影響生產成本降低的因素之一；
2.生產工序多；傳統結構的最小檢測單元是一對三角形，而且為了改善畫線線性度，還會把每個三角形拆成兩個或更多個小三角形并聯，這樣的電極結構，對于激光工藝來說，需要切割很多次，成為又一個影響生產成本降低的因素；
3.對于采用軟性基材的觸摸屏模組，例如用薄膜材料制成基材，如果在這種基材上采用現有技術自電容傳感裝置的電極91，由于三角形電極91的尖端很細，在生產、運輸、測試過程中如果基材發生彎折，可能會導致電極區用于制造電極的透明導電材料，例如氧化銦錫Indium Tin Oxide發生斷裂，而使得自電容傳感裝置，乃至觸摸屏損壞；所述三角形電極91的易損結構也是影響生產成本降低的因素；
4.電極材料要求高；對于一些新型制造電極91的材料,例如金屬網metalmesh材料，為了保證構成金屬網的金屬絲之間搭接良好，電極91的最小寬度會比現有的氧化銦錫ITO材料大，應當在Imm以上，該最小寬度對于將現有技術三角形電極91用于制造自電容傳感裝置很難接受；
5.抗靜電釋放Electro-StaticDischarge性能差；對于現有主流的透明導電材料氧化銦錫IT0，其阻抗較大，如果發生靜電釋放ESD事件，在氧化銦錫ITO寬度較小的區域，例如寬度在0.1mm以下，比較容易發生靜電釋放ESD，導致氧化銦錫ITO電極間短路。
【發明內容】
[0006]本發明要解決的技術問題在于避免現有技術的不足之處而提出一種用于觸摸屏的自電容變化檢測方法，以及應用該方法的自電容傳感裝置，通過改進電極結構，采用新的自電容檢測方法，令自電容傳感裝置的生產成本降低，提升其總體性能。
[0007]本發明解決所述技術問題可以通過采用以下技術方案來實現:
提出一種用于觸摸屏的自電容變化檢測方法，基于自電容傳感裝置，該自電容傳感裝置包括至少一電極。所述電極包括在沿第一方向的第一端和第二端。所述方法針對每個電極執行以下步驟，
A.在電極的第一端電連接恒流源、鉗位電路和電荷收發檢測電路，將該電極的第二端接地；所述恒流源向電極輸出恒定電流值的電流；所述鉗位電路令所電連接電極的一端的電位限定于恒定電位；所述電荷收發檢測電路能夠輸出電荷或者接收電荷，并檢測電荷輸出量或者接收量，量化電荷輸出量為自電容變化量；
B.電荷收發檢測電路檢測是否有電荷輸出；
如果有電荷輸出，則量化電荷輸出量為第一自電容變化量，隨后執行步驟C ；
如果沒有電荷輸出，直接執行步驟E ;
C.在電極的第二端電連接恒流源、鉗位電路和電荷收發檢測電路，將該電極的第一端接地；
D.電荷收發檢測電路量化電荷輸出量為第二自電容變化量；
E.針對所述電極的自電容變化檢測結束。
[0008]具體而言，步驟A所述恒流源向電極輸出的恒定電流值是I，所述鉗位電路令所電連接電極的一端的電位限定的恒定電位是VI，那么應當滿足Vl/I = R，R是鉗位電路和恒流源所電連接電極的電阻。
[0009]本發明解決所述技術問題還可以通過采用以下技術方案來實現:
設計、制造一種用于觸摸屏的自電容傳感裝置，包括至少一電極，以及電連接各電極的自電容變化檢測單元。所述電極呈矩形，包括用于電連接自電容變化檢測單元的、沿該電極延伸方向的第一端和第二端。所述自電容變化檢測單元包括至少一變量采集模塊。該變量采集模塊包括電連接于第一節點的恒流源、鉗位電路和電荷收發檢測電路，以及接地的第二節點。在針對一個電極的檢測過程中，所述變量采集模塊的第一節點先電連接電極的第一端，且第二節點電連接電極的第二端，采集到第一自電容變化量之后，變量采集模塊的第一節點再電連接該電極的第二端，且第二節點電連接電極的第一端，以采集第二自電容變化量。所述鉗位電路將所電連接電極一端的電位限定在恒定電位，所述恒流源向所電連接電極提供恒定電流；所述電荷收發檢測電路因其所電連接電極的自電容變化向該電極輸出電荷，并檢測電荷輸出量，量化電荷輸出量為自電容變化量。
[0010]所述鉗位電路將所電連接電極一端的電位限定的恒定電位是Vl，所述恒流源向所電連接電極提供的恒定電流是I，那么應當滿足Vl/I = R，R是鉗位電路和恒流源所電連接電極的電阻。
[0011]具體而言，所述鉗位電路包括一運算放大器，該鉗位電路所限定的恒定電位由該運算放大器正向輸入端的輸入電壓控制。所述電荷收發檢測電路包括所述用作鉗位電路的運算放大器，電連接在該運算放大器反相輸入端與輸出端之間的電荷收發電容，以及電連接所述運算放大器的輸出端的交直流轉換子模塊。所述恒流源的電流輸出端和運算放大器的反相輸入端都電連接于第一節點。
[0012]為了在每次檢測后復位電路狀態，在所述電荷收發電容的兩端之間還電連接有復位開關。
[0013]一種電極的具體結構是，所述電極的至少一個頂角被切除形成直線段斜邊，從而電極被加工成帶有斜邊的矩形電極。
[0014]另一種電極的具體結構是，所述電極的至少一個頂角被切除形成圓弧邊，從而電極被加工成帶有圓弧邊的矩形電極。
[0015]還有一種電極的具體結構是，所述電極的至少一條邊加工有至少兩個凹槽，在兩相鄰兩凹槽之間形成凸齒，從而電極被加工成帶有鋸齒邊的矩形電極。
[0016]具體應用中，所述電極用氧化銦錫、金屬網或者碳納米材料制成。
[0017]關于電極的設置，所述自電容傳感裝置還包括用樹脂合成薄膜材料或者用玻璃制成的基板，所述電極附著在該基板上。
[0018]當自電容傳感裝置與顯示設備結合時，所述自電容傳感裝置安裝在液晶顯示屏內。該液晶顯示屏包括第一液晶基板和第二液晶基板，以及夾在第一液晶基板與第二液晶基板之間的液晶材料、像素電極、彩色濾光層和黑矩陣。所述電極附著在所述第一液晶基板的上層或者下層，或者第二液晶基板的上層或者下層。
[0019]一種電極掃描檢測方式，所述自電容變化檢測單元包括一套變量采集模塊；該套變量采集模塊受控地按照設定的時序依次電連接所述各電極，即分時地電連接各電極以完成對各電極的自電容變化檢測。
[0020]另一種電極掃描檢測方式，所述變量采集模塊的數量少于電極的數量；各變量采集模塊受控地按照設定的時序依次一對一地電連接所有電極中的部分電極，即分時分區域地電連接各電極以完成對各電極的自電容變化檢測。
[0021]還可以用一對一的電極掃描檢測方式，所述變量采集模塊一對一地電連接所述電極。
[0022]當自電容傳感裝置與顯示設備結合時，所述自電容傳感裝置安裝在液晶顯示屏內。該液晶顯示屏由顯示驅動電路芯片控制。所述自電容變化檢測單元集成在所述顯示驅動電路芯片內。
[0023]當自電容傳感裝置與顯示設備結合時，為了協調液晶驅動與自電容檢測，所述自電容傳感裝置還包括協調檢測模塊。所述自電容傳感裝置安裝在液晶顯示屏內。該液晶顯示屏由顯示驅動電路控制。所述協調檢測模塊電連接所述自電容變化檢測單元和顯示驅動電路，以令自電容變化檢測單元和顯示驅動電路互不干擾地分時段和/或分區域完成各自功能。
[0024]本發明解決所述技術問題又可以通過采用以下技術方案來實現：
作為所述用于觸摸屏的自電容變化檢測方法在數據處理方面的延伸，提出一種觸碰點坐標數據處理方法，基于權利要求16所述的用于觸摸屏的自電容變化檢測方法，所述各電極沿垂直于第一方向的第二方向依序排布，其特征在于所述方法包括：
F.當一個觸碰點令K個電極的自電容發生變化時，獲取到涉及該觸碰點的K對自電容變化量，即2K個自電容變化量；
G.選擇2K個自電容變化量中最大的一個；
該最大自電容變化量所屬電極是沿第二方向的第T個電極，該最大自電容變化量是所述第T個電極的第一自電容變化量，即DTU，第T個電極的另一個自電容變化量是該電極的第二自電容變化量，即DTV，
從而第T個電極沿第二方`向兩側電極各自的第一自電容變化量分別是D (T+1) U，D(T+2)U, ···, D (T+W1)U，以及 D (T-I) U，D (T_2)U，…，D (T-W2) U ;第二自電容變化量分別是 D (T+1) V, D (T+2) V,…，D (T+W1)V，以及 D (T-l)V, D (T-2) V,…，D (T-W2)V, ffl+W2+l=K ；
H.若各電極沿第一方向的長度是X0，沿第二方向的長度是Y0，那么步驟A所述觸碰點沿第二方向坐標Y是，
【權利要求】
1.一種用于觸摸屏的自電容傳感裝置，包括至少一電極，以及電連接各電極的自電容變化檢測單元；其特征在于: 所述電極呈矩形，包括用于電連接自電容變化檢測單元的、沿該電極延伸方向的第一端和第二端； 所述自電容變化檢測單元包括至少一變量采集模塊；該變量采集模塊包括電連接于第一節點的恒流源、鉗位電路和電荷收發檢測電路，以及接地的第二節點； 在針對一個電極的檢測過程中，所述變量采集模塊的第一節點先電連接電極的第一端，且第二節點電連接電極的第二端，采集到第一自電容變化量之后，變量采集模塊的第一節點再電連接該電極的第二端，且第二節點電連接電極的第一端，以采集第二自電容變化量; 所述鉗位電路將所電連接電極一端的電位限定在恒定電位，所述恒流源向所電連接電極提供恒定電流；所述電荷收發檢測電路因其所電連接電極的自電容變化向該電極輸出電荷，并檢測電荷輸出量，量化電荷輸出量為自電容變化量。
2.根據權利要求1所述的用于觸摸屏的自電容傳感裝置，其特征在于: 所述鉗位電路將所電連接電極一端的電位限定的恒定電位是Vl，所述恒流源向所電連接電極提供的恒定電流是I，那么應當滿足Vl/I = R，R是鉗位電路和恒流源所電連接電極的電阻。
3.根據權利要求1所述的用于觸摸屏的自電容傳感裝置，其特征在于: 所述鉗位電路包括一運算放大器，該鉗位電路所限定的恒定電位由該運算放大器正向輸入端的輸入電壓控制； 所述電荷收發檢測電路包括所述用作鉗位電路的運算放大器，電連接在該運算放大器反相輸入端與輸出端之間的電荷收發電容，以及電連接所述運算放大器的輸出端的交直流轉換子模塊； 所述恒流源的電流輸出端和運算放大器的反相輸入端都電連接于第一節點。
4.根據權利要求3所述的用于觸摸屏的自電容傳感裝置，其特征在于: 在所述電荷收發電容的兩端之間還電連接有復位開關。
5.根據權利要求1所述的用于觸摸屏的自電容傳感裝置，其特征在于: 所述電極的至少一個頂角被切除形成直線段斜邊，從而電極被加工成帶有斜邊的矩形電極。
6.根據權利要求1所述的用于觸摸屏的自電容傳感裝置，其特征在于: 所述電極的至少一個頂角被切除形成圓弧線段邊，從而電極被加工成帶有圓弧邊的矩形電極。
7.根據權利要求1所述的用于觸摸屏的自電容傳感裝置，其特征在于: 所述電極的至少一條邊加工有至少兩個凹槽，在兩相鄰兩凹槽之間形成凸齒，從而電極被加工成帶有鋸齒邊的矩形電極。
8.根據權利要求1所述的用于觸摸屏的自電容傳感裝置，其特征在于: 所述電極用氧化銦錫、金屬網或者碳納米材料制成。
9.根據權利要求1所述的用于觸摸屏的自電容傳感裝置，其特征在于: 還包括用樹脂合成薄膜材料或者用玻璃制成的基板，所述電極附著在該基板上。
10.根據權利要求1所述的用于觸摸屏的自電容傳感裝置，其特征在于: 所述自電容傳感裝置安裝在液晶顯示屏內；該液晶顯示屏包括第一液晶基板和第二液晶基板，以及夾在第一液晶基板與第二液晶基板之間的液晶材料、像素電極、彩色濾光層和黑矩陣； 所述電極附著在所述第一液晶基板的上層或者下層，或者第二液晶基板的上層或者下層。
11.根據權利要求1所述的用于觸摸屏的自電容傳感裝置，其特征在于: 所述自電容變化檢測單元包括一套變量采集模塊；該套變量采集模塊受控地按照設定的時序依次電連接所述各電極，即分時地電連接各電極以完成對各電極的自電容變化檢測。
12.根據權利要求1所述的用于觸摸屏的自電容傳感裝置，其特征在于: 所述變量采集模塊的數量少于電極的數量；各變量采集模塊受控地按照設定的時序依次一對一地電連接所有電極中的部分電極，即分時分區域地電連接各電極以完成對各電極的自電容變化檢測。
13.根據權利要求1所述的用于觸摸屏的自電容傳感裝置，其特征在于: 所述變量采集模塊一對一地電連接所述電極。
14.根據權利要求1所述的用于觸摸屏的自電容傳感裝置，其特征在于: 所述自電容傳感裝置安裝在液晶顯示屏內；該液晶顯示屏由顯示驅動電路芯片控制；所述自電容變化檢測單元集成在所述顯示驅動電路芯片內。
15.根據權利要求1所述的用于觸摸屏的自電容傳感裝置，其特征在于: 還包括協調檢測模塊； 所述自電容傳感裝置安裝在液晶顯示屏內；該液晶顯示屏由顯示驅動電路控制； 所述協調檢測模塊電連接所述自電容變化檢測單元和顯示驅動電路，以令自電容變化檢測單元和顯示驅動電路互不干擾地分時段和/或分區域完成各自功能。
16.一種用于觸摸屏的自電容變化檢測方法，基于自電容傳感裝置，該自電容傳感裝置包括至少一電極；所述電極包括在沿第一方向的第一端和第二端；其特征在于: 所述方法針對每個電極執行以下步驟， A.在電極的第一端電連接恒流源、鉗位電路和電荷收發檢測電路，將該電極的第二端接地；所述恒流源向電極輸出恒定電流值的電流；所述鉗位電路令所電連接電極的一端的電位限定于恒定電位；所述電荷收發檢測電路能夠輸出電荷或者接收電荷，并檢測電荷輸出量或者接收量，量化電荷輸出量為自電容變化量； B.電荷收發檢測電路檢測是否有電荷輸出； 如果有電荷輸出，則量化電荷輸出量為第一自電容變化量，隨后執行步驟C ； 如果沒有電荷輸出，直接執行步驟E ; C.在電極的第二端電連接恒流源、鉗位電路和電荷收發檢測電路，將該電極的第一端接地； D.電荷收發檢測電路量化電荷輸出量為第二自電容變化量； E.針對所述電極的自電容變化檢測結束。
17.根據權利要求16所述的用于觸摸屏的自電容變化檢測方法，其特征在于:步驟A所述恒流源向電極輸出的恒定電流值是I，所述鉗位電路令所電連接電極的一端的電位限定的恒定電位是VI，那么應當滿足Vl/I = R，R是鉗位電路和恒流源所電連接電極的電阻。
18.—種觸碰點坐標數據處理方法，基于權利要求16所述的用于觸摸屏的自電容變化檢測方法，所述各電極沿垂直于第一方向的第二方向依序排布，其特征在于所述方法包括: F.當一個觸碰點令K個電極的自電容發生變化時，獲取到涉及該觸碰點的K對自電容變化量，即2K個自電容變化量； G.選擇2K個自電容變化量中最大的一個； 該最大自電容變化量所屬電極是沿第二方向的第T個電極，該最大自電容變化量是所述第T個電極的第一自電容變化量，即DTU，第T個電極的另一個自電容變化量是該電極的第二自電容變化量，即DTV， 從而第T個電極沿第二方向兩側電極各自的第一自電容變化量分別是D (T+1) U，D(T+2)U,…，D (T+W1)U，以及 D (T-1) U，D (T_2)U，…，D (T-W2) U ;第二自電容變化量分別是 D (T+1) V, D (T+2) V,…，D (T+W1)V，以及 D (T-1) V, D (T-2) V,…，D (T-W2)V, ffl+W2+l=K ； H.若各電極沿第一方向的長度是X0，沿第二方向的長度是Y0，那么步驟A所述觸碰點沿第二方向坐標Y是，
【文檔編號】G06F3/044GK103699278SQ201310497442
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年10月22日 優先權日:2013年10月22日
【發明者】莫良華, 劉衛平 申請人:敦泰科技有限公司