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    本發明提供之互容式觸控感應裝置包含感應面板、複數個驅動電極及複數個感應電極。該感應面板實質平行於一參考平面。該等驅動電極和該等感應電極被設置為構成矩陣。該矩陣包含複數個單位感應區域。各單位感應區域係與至少一驅動電極和至少一感應電極相關。該至少一驅動電極和該至少一感應電極間存在一間隙。該間隙投影於該參考平面上之長度大於各該單位感應區域之二對角線長度總和。
    公开号:TW201316227A
    申请号:TW100136361
    申请日:2011-10-06
    公开日:2013-04-16
    发明作者:Ting-Hao Yeh；fu-sheng Chang
    申请人:Mstar Semiconductor Inc；
    IPC主号:G06F3-00
    专利说明:
    互容式觸控感應裝置及包含互容式觸控感應裝置之電子系統
    本發明係與觸控技術相關，並且尤其與用以增強觸控裝置之雜訊抵抗能力的技術相關。
    隨著科技日益進步，各種電子產品的操作介面都愈來愈人性化。舉例而言，透過觸控螢幕，使用者可直接以手指或觸控筆在螢幕上操作程式、輸入訊息/文字/圖樣，省去使用其它輸入裝置的麻煩。實際上，觸控螢幕通常是由一感應面板及設置於感應面板後方的一顯示器組成。根據使用者在感應面板上所觸碰的位置以及當時顯示器所呈現的畫面，電子裝置可判斷該次觸碰的意涵，並執行相對應的操作結果。現有的觸控技術大致分為電阻式、電容式、電磁感應式、超音波式以及光學式幾類。互容式(mutual-capacitance)觸控技術具有可實現多點觸控方案的優點，因此近年來被廣泛應用在許多產品中。
    互容式觸控感應裝置的感應面板包含複數以透明導電材料製成的電極，該等電極交錯佈滿整個感應面板。請參閱圖一(A)所示之感應裝置俯視圖，此例中複數平行於X方向的電極12均為驅動電極(drive electrode)，複數平行於Y方向的電極14均為感應電極(sense electrode)。上述兩種不同的電極構成包含多個單位感應區域的矩陣圖樣(pattern)。如圖一(A)所示，每列驅動電極12各自連接至一驅動器16，每欄感應電極14各自連接至一接收器18。一般而言，該等驅動器16會依序送出驅動信號，該等接收器18則會持續接收感應信號。
    圖一(B)為圖一(A)的局部放大圖，圖一(C)為圖一(B)的前視圖。如前所述，一單位感應區域20係由驅動電極12和感應電極14定義。於此範例中，驅動電極12和感應電極14係設置於相互平行且垂直於Z方向的兩個不同平面。由於兩電極被設計為具有不同的電位，因此其間存在一定數量的電力線32。當使用者之手指30接近單位感應區域20時，由於手指30具有一類似接地之性質，驅動電極12和感應電極14間的部分電力線32會被手指30吸引，導致驅動電極12和感應電極14間的互容量降低。連接至該感應電極14的接收器18之輸出信號會反應出此互容變化量。根據該接收器18的位置以及觸碰發生時送出驅動信號之驅動器16的位置，後續電路即可判斷觸碰點在X/Y方向上的座標。
    須說明的是，受到手指30影響的電力線主要分布在圖一(B)中所標示的區域22A和22B，也就是驅動電極12和感應電極14在俯視圖中之交會處的兩個邊緣區域。由於屏蔽效應的緣故，感應電極14和驅動電極12之交會處下方大部分的電力線不會受到手指30太大的影響。易言之，上述互容變化量主要來自於區域22A和22B的電力線改變。
    在圖一(A)所示之先前技術中，驅動電極12和感應電極14為寬度相同的長條形電極。然而現存感應面板之電極圖樣不限於此，圖二(A)和圖三(A)為另外兩種現存的電極圖樣。在圖二(A)中，驅動電極12比感應電極14寬。不過，對圖二(A)中的各個單位感應區域而言，使用者之觸碰會影響電力線分布的區域同樣限於驅動電極12和感應電極14交會處的兩個邊緣區域，如圖二(B)中標示的區域23A和23B。
    在圖三(A)中，每一個驅動電極12和感應電極14分別為一菱形。圖三(B)為圖三(A)的局部放大圖。同一列中的相鄰驅動電極12係以平行於X方向的跨橋相連；同一欄中的相鄰感應電極14係以平行於Y方向的跨橋相連。此範例中的單位感應區域20係由兩個驅動電極12和兩個感應電極14定義。對圖三(B)中的單位感應區域20來說，主要是區域24A~24D中的電力線分布會受到使用者之觸碰影響。由圖三(B)可看出，區域24A~24D大致等同於單位感應區域20之對角線的鄰近範圍。
    為了提供一定程度的觸控精確度，圖一(B)、圖二(B)和圖三(B)中的單位感應區域20面積通常大致相同，例如皆為5毫米*5毫米。對單一單位感應區域來說，使用者造成的互容變化量愈大，愈不容易受到雜訊干擾，後續電路也愈能正確判讀觸碰點的位置。目前在某些採用多點觸控功能的電子系統中，為了增加互容變化量，以對抗多指同時動作所引入的雜訊，驅動電極12和感應電極14間的電位差被提高到十幾伏特。除了耗電量高之外，這種做法的缺點在於，相關電路都必須具有能承受高電壓的特性，因此導致觸控螢幕的硬體成本大幅上升。
    為解決上述問題，本發明提出一種新的互容式觸控感應裝置。藉由適當設計驅動電極和感應電極的形狀及配置，在同樣大小的單位感應區域中可有效包含更多會受到使用者之觸碰影響的區域，進而提升互容變化量，也就是提升感應信號的信號雜訊比(signal to noise ratio,SNR)。根據本發明之互容式觸控感應裝置及電子系統具有良好的定位準度與抗雜訊能力。相較於採用高電位差的先前技術，根據本發明之互容式觸控感應裝置較為省電，硬體成本也較低。
    根據本發明之一具體實施例為一互容式觸控感應裝置，其中包含一感應面板、複數個驅動電極及複數個感應電極。該感應面板大致平行於一參考平面。該等驅動電極和該等感應電極被設置為構成矩陣。該矩陣包含複數個單位感應區域。各單位感應區域係與至少一驅動電極和至少一感應電極相關。該至少一驅動電極和該至少一感應電極間存在一間隙。該間隙投影於該參考平面上之長度大於該單位感應區域之對角線長度總和。
    根據本發明之另一具體實施例為一電子系統，其中包含一感應面板、複數個驅動電極、複數個感應電極、一分析模組及一控制模組。該感應面板大致平行於一參考平面。該等驅動電極和該等感應電極被設置為構成一矩陣。該矩陣包含複數個單位感應區域。該分析模組係用以根據該等感應電極之輸出信號判斷是哪一個單位感應區域被觸動。控制模組係用以根據該分析模組提供之分析結果決定該電子系統之被觸動後反應。各單位感應區域係與至少一驅動電極和至少一感應電極相關。該至少一驅動電極和該至少一感應電極間存在一間隙，該間隙投影於該參考平面上之長度大於該單位感應區域之對角線長度總和。
    關於本發明的優點與精神可藉由以下發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
    在圖三(A)及圖三(B)所示之先前技術中，兩種電極之間隙投影在X-Y平面的長度為單位感應區域20的對角線長度總和，長於圖二(B)中之區域23A、23B在Y方向的長度，更長於圖一(B)中之區域22A、22B在Y方向的長度。經由模擬實驗可發現，在單位感應面積大小、電極材質等條件相同的情況下，圖一、圖二和圖三所示之電極圖樣受到相同的使用者觸碰時，在單位感應面積中會出現的互容變化量由大到小依序為圖三、圖二、圖一。
    由上述實驗結果可推論，增大單位感應面積中電力線分布會受到使用者之觸碰影響的區域之面積，於受到相同的使用者觸碰時，能夠使單位感應面積產生較大的互容變化量。因此，本發明的主要概念之一在於，藉由適當設計驅動電極和感應電極的形狀及配置，在同樣大小的單位感應區域中包含更大面積之會受到使用者之觸碰影響的區域。
    根據本發明之一具體實施例為一互容式觸控感應裝置。於實際應用中，該互容式觸控感應裝置可被整合於行動通訊裝置、平板電腦、個人電腦或是互動式資訊顯示看板等電子系統中，但不以這些應用為限。該互容式觸控感應裝置包含一感應面板、複數個驅動電極及複數個感應電極。圖四(A)為本實施例中之單一電極的形狀示意圖，圖四(B)為本實施例中驅動電極和感應電極的配置示意圖。
    於此實施例中，每個驅動電極和每個感應電極各自如圖四(A)所示，包含一中心區域41A及四個延伸區域41B。該等延伸區域41B係環繞中心區域41A設置且分別連接至中心區域41A。如圖四(B)所示，同一列中的相鄰驅動電極42係以平行於X方向的跨橋相連；同一欄中的相鄰感應電極44係以平行於Y方向的跨橋相連。複數驅動電極42和複數感應電極44構成一矩陣。該矩陣包含複數個單位感應區域，且各單位感應區域係與至少一驅動電極42和至少一感應電極44相關。
    圖四(C)為圖四(B)的局部放大圖。本實施例中的單位感應區域40係由兩個驅動電極42和兩個感應電極44定義。實務上，驅動電極42和感應電極44可被設置於相互平行且垂直於Z方向(同時垂直於X方向和Y方向)的兩個不同平面，亦可係大致設置於同一平面。易言之，根據本發明之互容式觸控感應裝置可採用單層電極結構，也可採用雙層電極結構。如圖四(C)所示，無論是上述兩種結構中的哪一種，在X-Y平面上，除了在跨橋部份有極小的重疊之外，驅動電極42和感應電極44之間都存在一間隙46。
    由於驅動電極42和感應電極44的電位不同，其間因而存在跨越間隙46的電力線。對單位感應區域40來說，間隙46的鄰近範圍也就是主要會受到使用者之觸碰影響其電力線分布的區域。間隙46投影於X-Y平面(亦即大致平行於感應面板之一參考平面)的長度愈長，能受到使用者之觸碰影響並貢獻互容變化量的範圍就愈大。間隙46投影於X-Y平面之長度顯然大於單位感應區域40之對角線長度總和。實驗結果亦證明，在單位感應面積大小、電極材質等條件相同的情況下，圖四(B)所示之電極設計確實能較圖一、圖二、圖三等先前技術提供更大的互容變化量。
    實務上，間隙的長度並非電極圖樣可決定之單位感應區域中互容變化量的唯一變因。舉例而言，間隙46投影於X-Y平面的寬度愈窄，兩種電極間的電力線耦合力愈強，使用者的觸碰愈難以影響電力線分布。另一方面，若間隙46的寬度太寬，兩種電極間固有的電力線總量就會較少，亦不利於產生較大的互容變化量。此外，若兩相鄰間隙區段(例如圖四(C)中相鄰且大致相互平行的兩間隙區段46A)的間距太小，也會發生電力線耦合力太強的情況。為了平衡上述考量，於根據本發明之一實施例中，間隙46投影於X-Y平面上的寬度被設計在0.03微米~0.3毫米間，任意兩相鄰間隙區段則被設計為相隔0.7毫米~1毫米。此處所述之尺寸設計概念同樣可應用在以下其他實施例中。
    圖五(A)為另一實施例中之單一電極的形狀示意圖，圖五(B)為此實施例中驅動電極和感應電極的配置示意圖。於此實施例中，每個驅動電極各自如圖五(A)所示，包含一中心區域51A及四個延伸區域51B；每個感應電極各自如圖五(A)所示，包含一中心區域51C及四個延伸區域51D。值得注意的是，本實施例可表彰兩種電極的形狀未必要相同。複數驅動電極52和複數感應電極54構成的矩陣亦包含複數個單位感應區域。圖五(C)為圖五(B)的局部放大圖。本實施例中的單位感應區域50係由兩個驅動電極52和兩個感應電極54定義。同樣地，驅動電極52和感應電極54之間隙投影於X-Y平面的長度被設計為大於單位感應區域50之對角線長度總和。
    圖六(A)為另一實施例中之單一電極的形狀示意圖，圖六(B)為此實施例中驅動電極和感應電極的配置示意圖。於此實施例中，每個驅動電極和感應電極各自如圖六(A)所示，包含一中心區域61A及多個延伸區域61B。值得注意的是，本實施例可表彰各個延伸區域61B的形狀未必要相同。複數驅動電極62和複數感應電極64構成的矩陣亦包含複數個單位感應區域。圖六(C)為圖六(B)的局部圖。本實施例中的單位感應區域60係由兩個驅動電極62和兩個感應電極64定義。同樣地，驅動電極62和感應電極64之間隙投影於X-Y平面的長度被設計為大於單位感應區域60之對角線長度總和。
    圖七(A)為另一實施例中之單一電極的形狀示意圖，圖七(B)為此實施例中驅動電極和感應電極的配置示意圖。於此實施例中，每個驅動電極和感應電極各自如圖七(A)所示，包含一中心區域71A及四個延伸區域71B。複數驅動電極72和複數感應電極74構成的一矩陣亦包含複數個單位感應區域。圖七(C)為圖七(B)的局部圖。本實施例中的單位感應區域70係由兩個驅動電極72和兩個感應電極74定義。同樣地，驅動電極72和感應電極74之間隙投影於X-Y平面的長度被設計為大於單位感應區域70之對角線長度總和。
    圖八(A)為另一實施例中之單一電極的形狀示意圖，圖八(B)為此實施例中驅動電極和感應電極的配置示意圖。於此實施例中，每個驅動電極和感應電極各自如圖八(A)所示，包含一中心區域81A及四個延伸區域81B。複數驅動電極82和複數感應電極84構成的一矩陣亦包含複數個單位感應區域。圖八(C)為圖八(B)的局部圖。本實施例中的單位感應區域80係由兩個驅動電極82和兩個感應電極84定義。同樣地，驅動電極82和感應電極84之間隙投影於X-Y平面的長度被設計為大於單位感應區域80之對角線長度總和。
    圖九(A)為另一實施例中之單一電極的形狀示意圖，圖九(B)為此實施例中驅動電極和感應電極的配置示意圖。於此實施例中，每個驅動電極各自如圖九(A)所示，包含一連結區域91A及兩個延伸區域91B；每個感應電極各自如圖九(A)所示，包含一連結區域91C及兩個延伸區域91D。複數驅動電極92和複數感應電極94構成的一矩陣亦包含複數個單位感應區域。圖九(C)為圖九(B)的局部放大圖。本實施例中的單位感應區域90係由一個驅動電極92和一個感應電極94定義。同樣地，驅動電極92和感應電極94之間隙投影於X-Y平面的長度被設計為大於單位感應區域90之對角線長度總和。
    除了能提供較先前技術更大的互容變化量之外，上述各種實施例還有另一個優點是能提供較均勻的互容感應變化。以圖三(B)為例，若使用者的手指寬度與單位感應區域20的邊長相當，且係沿X方向劃過單位感應區域20，在單位感應區域20之中心點和左右兩側所引發的互容變化量均較小，而在中心點和左右兩側邊中間的互容變化量則較大，互容感應變化較為不均勻。相對而言，若將同樣的測試套用至圖四~圖九所示之電極圖樣，都能獲得較均勻的互容感應變化。
    根據本發明之另一具體實施例為包含如圖四~圖九所示之觸控式感應裝置之一的電子系統。除了感應面板和電極之外，該電子系統還進一步包含一控制模組與一分析模組。該分析模組用以根據該等感應電極之輸出信號判斷是哪一個單位感應區域被觸動。該控制模組係用以根據該分析模組提供之分析結果決定該電子系統之一被觸動後反應。舉例而言，若該電子系統為一平板電腦，該控制模組可根據使用者在觸控感應面板上的動作決定要開啟或關閉應用程式，或者是將多個被觸控點連接起來，轉換為文字/圖樣內容。該電子系統中之觸控感應裝置的詳細實施方式可參考先前的段落，不再贅述。
    如上所述，本發明提出一種新的互容式觸控感應裝置。藉由適當設計驅動電極和感應電極的形狀及配置，在同樣大小的單位感應區域中可有效包含更多會受到使用者之觸碰影響的區域，進而提升互容變化量，也就是提升感應信號的信號雜訊比。根據本發明之互容式觸控感應裝置及電子系統具有良好的定位準度與抗雜訊能力。相較於採用高電位差的先前技術，根據本發明之互容式觸控感應裝置較為省電，硬體成本也較低。
    藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。
    12、42、52、62、72、82、92．．．驅動電極
    14、44、54、64、74、84、94．．．感應電極
    20、40、50、60、70、80、90．．．單位感應區域
    22A、22B、23A、23B、24A~24D．．．貢獻互容變化量的區域
    41A、51A、51C、61A、71A、81A．．．中心區域
    41B、51B、51D、61B、71B、81B．．．延伸區域
    16．．．驅動器
    18．．．接收器
    30．．．手指
    32．．．電力線
    46．．．間隙
    46A．．．間隙區段
    91A、91C．．．連結區域
    91B、91D．．．延伸區域
    圖一(A)~圖一(C)、圖二(A)、圖二(B)、圖三(A)、圖三(B)為傳統觸控感應裝置的電極圖樣示意圖。
    圖四(A)~圖四(C)、圖五(A)~圖五(C)、圖六(A)~圖六(C)、圖七(A)~圖七(C)、圖八(A)~圖八(C)、圖九(A)~圖九(C)為根據本發明之實施例中的觸控感應裝置之電極圖樣示意圖。
    40．．．單位感應區域
    42．．．驅動電極
    44．．．感應電極
    46．．．間隙
    46A．．．間隙區段
    权利要求:
    Claims (21)
    [1] 一種互容式觸控感應裝置，包含：一感應面板，實質地平行於一參考平面；複數個驅動電極；以及複數個感應電極，該等驅動電極和該等感應電極構成一矩陣，該矩陣包含複數個單位感應區域；其中，各單位感應區域與至少一驅動電極和至少一感應電極相關，該至少一驅動電極和該至少一感應電極間存在一間隙，該間隙投影於該參考平面上之長度大於該各單位感應區域之二對角線長度總和。
    [2] 如申請專利範圍第1項所述之互容式觸控感應裝置，其中每一個驅動電極和每一個感應電極各自包含一中心區域及複數個延伸區域，該等延伸區域係環繞該中心區域設置且分別連接至該中心區域。
    [3] 如申請專利範圍第2項所述之互容式觸控感應裝置，其中每一個感應電極之該中心區域以及每一驅動電極之該中心區域係分別為一矩形區域，每一感應電極之該等延伸區域自該矩形區域之四邊延伸而出，每兩延伸區域之間形成一凹口，每一感應電極之該複數個凹口係各自供容納不同驅動電極之該等延伸區域之一。
    [4] 如申請專利範圍第2項所述之互容式觸控感應裝置，其中每一個感應電極之該等延伸區域實質上為複數枝狀區域。
    [5] 如申請專利範圍第2項所述之互容式觸控感應裝置，其中每一個感應電極之該等延伸區域實質上為複數矩形區域。
    [6] 如申請專利範圍第2項所述之互容式觸控感應裝置，其中該等感應電極與該等驅動電極係具有互補之形狀。
    [7] 如申請專利範圍第2項所述之互容式觸控感應裝置，其中該等感應電極與該等驅動電極係具有對稱之形狀。
    [8] 如申請專利範圍第1項所述之互容式觸控感應裝置，其中該間隙係具有包含兩個以上轉折點之彎曲形狀，且其每一部分投影於該參考平面上之寬度係大致相同。
    [9] 如申請專利範圍第8項所述之互容式觸控感應裝置，其中各該單位感應區域所包含之該間隙具有實質相同之形狀。
    [10] 如申請專利範圍第1項所述之互容式觸控感應裝置，其中各該單位感應區域係包含一驅動電極之一部分、另一驅動電極之其餘部分、一感應電極之一部分以及另一感應電極之其餘部分。
    [11] 如申請專利範圍第10項所述之互容式觸控感應裝置，其中該驅動電極之一部分具有該驅動電極之一半面積，且該感應電極之一部分具有該感應電極之一半面積。
    [12] 如申請專利範圍第1項所述之互容式觸控感應裝置，其中每一個驅動電極和每一個感應電極各自包含一連結區域及複數個延伸區域，該等延伸區域係設置於該連結區域之一側且分別連接至該連結區域。
    [13] 如申請專利範圍第1項所述之互容式觸控感應裝置，其中該間隙投影於該參考平面上之寬度在0.03微米~0.3毫米之間。
    [14] 如申請專利範圍第1項所述之互容式觸控感應裝置，其中該間隙包含相鄰且大致相互平行之兩間隙區段，該兩間隙區段相隔0.7毫米~1毫米。
    [15] 如申請專利範圍第1項所述之互容式觸控感應裝置，其中於一觸碰發生於各該單位感應區域時，各該單位感應區域具有一較均勻的互容感應變化。
    [16] 一種電子系統，包含：一感應面板，實質地平行於一參考平面；複數個驅動電極；複數個感應電極，該等驅動電極和該等感應電極被設置為構成一矩陣，該矩陣包含複數個單位感應區域；一分析模組，用以根據該等感應電極之輸出信號判斷是否各單位感應區域被觸動，以產生一分析結果；以及一控制模組，用以根據該分析模組提供之分析結果決定該電子系統之一被觸動後反應；其中各單位感應區域與至少一驅動電極和至少一感應電極相關，該至少一驅動電極和該至少一感應電極間存在一間隙，該間隙投影於該參考平面上之長度大於該各單位感應區域之二對角線長度總和。
    [17] 如申請專利範圍第16項所述之電子系統，其中每一個驅動電極和每一個感應電極各自包含一中心區域及複數個延伸區域，該等延伸區域係環繞該中心區域設置且分別連接至該中心區域。
    [18] 如申請專利範圍第16項所述之電子系統，其中每一個驅動電極和每一個感應電極各自包含一連結區域及複數個延伸區域，該等延伸區域係設置於該連結區域之一側且分別連接至該連結區域。
    [19] 如申請專利範圍第16項所述之電子系統，其中該間隙投影於該參考平面上之寬度在0.03微米~0.3毫米之間。
    [20] 如申請專利範圍第16項所述之電子系統，其中該間隙包含相鄰且大致相互平行之兩間隙區段，該兩間隙區段相隔0.7毫米~1毫米。
    [21] 如申請專利範圍第16項所述之電子系統，其中於一觸碰發生於各該單位感應區域時，各該單位感應區域具有一較均勻的互容感應變化。
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
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    法律状态:
    2020-08-21| MM4A| Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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    US13/604,875| US8994687B2|2011-10-06|2012-09-06|Mutual-capacitance touch sensing device and electronic system including the same|
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