CN102216891A - 触摸屏传感器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种二维触摸传感器，其包含以网格图案布置于衬底上的多个电极。每一电极由互连的金属迹线形成，所述金属为固有不透明，但所述金属迹线足够窄从而几乎不可见。可经由印刷工艺(举例来说，使用铜作为所述金属)以加性方式沉积所述电极。所述迹线的窄宽度允许膜为高度透明的，这是因为可使电容性触摸屏中所使用的电场在极低金属密度的情况下传播。

Description

触摸屏传感器

相关申请案交叉参考

本申请案根据35U.S.C.119(e)主张2008年11月15日提出申请的序列号为61/115,032的美国临时专利申请案及2009年4月10日提出申请的序列号为12/421,696的美国申请案的权益，所述申请案以全文引用方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及电容性触摸屏电极层通过使用印刷到衬底上的单层细线金属网格电极的制作及应用。所述方法包括从连接器自测试电极的简单方式从而避免需要更复杂的测试方法。

背景技术

如今，大多数触摸屏(电容性或其它)使用沉积到薄塑料膜(例如PET膜)上或直接沉积到玻璃层上的氧化铟锡(ITO)溅镀层。均匀地沉积ITO，然后使用涉及众多工艺步骤的减性工艺来蚀刻所述ITO。最后，使用银墨水及电介质层来构成到膜或玻璃上的ITO的连接，此再一次添加工艺步骤。

ITO膜约92％透明(单层)，但具有相对高的电阻且已知相当易碎。相对高百分比的膜在生产期间变为受损，从而需要昂贵且耗时的测试阶段。此外，ITO膜是昂贵的且仅存在可胜任制作此类膜的几个供应商，从而给这些膜的用户造成后勤问题。最后，铟是需求日益增加的稀有金属，然而此金属的生产受到生产其的不多矿的限制。

其它材料可取代这些膜，例如聚(3，4-二氧乙烯噻吩)或PEDOT导电聚合物。然而，PEDOT不像ITO在光学上透明、难以均匀地沉积，且在不利环境条件下迅速降级。

因此，需要用于生产克服以上限制的触摸屏的新材料及/或方法。

发明内容

本发明提供一种经改良的触摸传感器，其包含具有由以网格图案布置的导电电极图案界定的敏感区域的衬底。

本发明以其最廉价形式包含使用经由印刷工艺以加性方式沉积到PET层上的细线印刷金属。使用铜的高度导电的廉价印刷金属迹线(10μm宽或更小)现在是可行的。这些迹线的窄宽度允许膜为高度透明的，这是因为可使电容性触摸屏中所使用的电场在极低金属密度的情况下传播。在测试中，已发现包含少于总屏幕面积的5％金属覆盖范围的细线电极在传播场中几乎与其所取代的整体表面一样有效。除铜以外，还可使用具有高导电性的其它金属或其合金，例如银或金。

因此，可将约10μm宽度的细金属线的网格施加到例如PET膜的衬底，所述PET是98％透明，比ITO好。金属线如此窄以致在光学上不可见。此外，网格配置允许强固性能，这是因为金属中的断裂是由缺陷周围的替代路径‘治愈’。此外，在可锻性上与ITO不同的铜可易于弯曲或扭结而不受损。不同于PEDOT，细线铜在所预期使用的正常条件下不具有环境劣化问题。

所述方法应用于单层及两层膜设计，后者通常用于较高分辨率及多触摸感测应用。可使用任一数目的图案设计。

如将在下文中所描述，自测试也视情况通过使用内置于膜中的环回测试并入。

本发明的一个方面提供一种二维触摸传感器，其包含以一图案布置于衬底上的多个电极，每一电极由互连的金属迹线网格形成，所述金属为固有不透明，但所述金属迹线足够窄从而几乎不可见。

优选地，所述金属迹线具有小于或等于10μm的宽度，或另一选择为具有小于或等于50μm、40μm、30μm、20μm或5μm的宽度。

优选地，所述金属迹线占用小于或等于每一电极的面积的5％，或另一选择为小于或等于每一电极的面积的10％、8％、6％、4％、2％或1％。

在一些实施例中，所述电极布置于单层中。在其它实施例中，所述电极布置于两个层中，所述两个层是由电介质分离。

邻近电极可通过也由互连的金属迹线制成的多个岛间隔开，所述岛的金属迹线在视觉上且在电上类似于所述电极的金属迹线。这些岛填充于电极之间以提供视觉连续性。

为提供自测试能力，优选地，将每一电极细分为上部部分及下部部分，由于来自所述上部部分及所述下部部分的所述金属迹线仅在所述电极的远端处连接，因此在所述上部部分与所述下部部分中的金属迹线之间从所述远端到所述电极的第一及第二近端无连接。用于每一电极的第一及第二电连接是连接到其相应第一及第二近端。如果电极图案旋转通过90度的角度，那么每一电极的上部部分及下部部分可分别称为左部部分及右部部分。

在一些实施例中，存在通过多个Y电极间隔开的多个X电极。每一X电极的第二近端是经由电阻性元件电连接到邻近X电极的第一近端。每一Y电极的第二近端是电连接到邻近Y电极的第一近端。

本发明的另一方面提供一种制作电容性触摸传感器的方法，所述方法包含以下步骤：提供衬底；且在所述衬底的至少一个侧上沉积多个电极，每一电极由互连的金属迹线网格形成，所述金属为固有不透明，但所述金属迹线足够窄且具有低视觉密度从而几乎不可见。

有利地，将每一电极细分为上部部分及下部部分，由于来自所述上部部分及所述下部部分的所述金属迹线仅在所述电极的远端处连接，因此在所述上部部分与所述下部部分中的金属迹线之间从所述远端到所述电极的第一及第二近端无连接。每一电极的上部部分及下部部分也可分别称为左部部分及右部部分。

在另一方面中，本发明涵盖一种测试如上制作的电容性触摸传感器的方法，其包含：将第一电压施加到多个电极中的一者的第一近端同时将所有其它电极的近端连接到接地且测量所述一个电极的第二近端处的第二电压；针对所有其它电极重复所述先前步骤；及如果所述第二电压与所述电极中的任一者的第一电压相比异常低，那么所述传感器不合格，且否则所述传感器合格。此通过在由每一“***”电极形成的环路周围使用环回测试来提供自测试。

附图说明

为更好地理解本发明且展示实现本发明的方式，现以实例方式参考附图。

图1A展示根据本发明的实施例的单层设计；

图1B展示与图1A中相同的图案，但仅出于表明目的而在电极上方具有阴影以便帮助读者观察电极区域；

图2A展示具有内置自测试的金属网格配置，其使用环回原理；

图2B展示图2A中所展示的连接到处理器的电极图案；

图2C展示用于测试图2A中所展示的电极图案的连续性的流程图；

图2D展示用于测试图2A中所展示的电极图案的连续性的流程图；

图3A展示使用包括使用自测试环回路径的方法实施的2层菱形图案(或具有跨接的1层图案)；

图3B展示图3A中所展示的连接到处理器的电极图案；

图4A展示与图2A相同的图案，但其在Y线上具有两个终止电阻器，其出于自测试目的而提供一种减少到电极的连接计数的方法；

图4B展示图4A中所展示的连接到处理器的电极图案；及

图4C展示用于测试图4A中所展示的电极图案的连续性的流程图。

具体实施方式

最近已开发出允许在塑料膜及玻璃上印刷超细金属迹线(薄达10μm或甚至更小)的工艺。所使用的金属包括铜，其是高度导电且具有比其它金属(例如铬)更深的色彩。已开发出使用标准光刻工艺的技术且所述技术可用于以极低成本以卷轴式工艺大量生产膜。在这些金属迹线的制作中不使用昂贵、稀少或异类材料。已开发出特定用于微电路应用(例如RFID标签、智能卡、显示器及类似物)的技术。

这些细金属迹线还可用于使用稀疏网格配置来开发场发射结构，所述稀疏网格配置已展示发射与整体电极形状几乎相同的充足量电场。稀疏网格允许高光学清晰度，如果迹线是10μm或更小，且所述网格仅覆盖表面面积的5％，那么光学性质将等于或超过可仅实现93％光透射的最佳可用ITO膜。在视觉上，所述膜将仅显现具有对未受训的眼睛不可感知的极浅灰色阴影。在10微米处，金属迹线是肉眼不可见的。触摸屏的表面上方的这些迹线的均匀密度或均匀稀疏分布将不产生明显视觉图案。

然而，在电极之间具有实质性间隙以允许适当的场传播通常是可取的。这些间隙可通过表现为较浅区域而形成视觉效果，因此，期望用具有与电极区域类似的密度的细线“填充”这些区域。需要提醒的是，这些填充区域应与电极断开且分解为小岛或由隔离的小金属迹线构成，以使得跨越屏幕区域的平均密度在视觉上类似。

图1A展示根据本发明的基本图案，其具有：标记为X的水平网格条，其连接在一起以形成场电极分组中的一者；及两组网格三角形，从每一侧延伸一个，标记为Y0及Y1。条X及三角形Y0、Y1是整体网格电极6。还展示由断开的网格4组成的间隔区域，其具有接近电极网格区域的区域密度。在已在网格中进行切割以隔离每一小单元的情形下，添加某一金属迹线以补偿所述切割中所损失的金属。如所展示的图案仍具有可通过使用更多明智原图设计而固定的视觉间隙区域。

金属材料6的三角形Y0、Y1及条X与间隔区域一起展示于所述图中。所述间隔区域可不填充或缺少任一金属图案以便允许电场在使用期间最佳地传播到上覆面板中。然而，金属网格(尽管大体上透明)将在某些光条件下致使间隙或间隔区域变得更明显，即使所述线本身太细而不可见也是如此。

因此，可视情况用模仿金属网格电极区域的金属图案4填充所述间隔区域，但以为电极区域提供电中断的此一方式。间隔区域4含有“断开”的金属填充以使得所有小金属段浮动。金属经成形以使得间隔区域的平均密度与电极区域大致相同，以使得在视觉上所述间隔区域掺入所述电极且不可与所述电极区分开。

图1B使用阴影勾画条(X)及三角形(Y)来图解性地展示电极本身。无阴影区域是间隙填料区，其等含有与所述电极在区域密度上匹配的材料的断开的岛以便提供视觉连续性。

电极的可靠性极重要且可受到电极的微破裂或有缺陷的金属印刷工艺的危害。因此，逐端测试电极阵列的电通路是本发明的优选特征。如图2A中所展示及下文所论述，使用细线连接及***电极技术，此可易于实现。此处展示与图1A中所展示相同的基本图案，然而电极是以如用于形成‘U’形导电路径的此一方式来切割；第一X条及第一Y三角形在此图中具有突出的切割(切割线)。每一电极还具有两个连接，所述‘U’的每一端点一个。以此方式，可使电流通过每一电极形状以确定是否具有连续性。下文进一步论述此情形。

图2A展示‘X’线，其中通常惯例是出于内插发射场目的而将数个电极用导线连接在一起。使用电阻器(Rxa、Rxb、Rxc)来互连这些电极以提供电势梯度。出于测试目的，可以能够在不添加外部连接计数的情形下在一个步骤中测试所有‘X’电极的此一方式将这些电阻器与***电极用导线连接在一起。如图所示，线Xa及Xb使用三个电阻器(Rxa、Rxb、Rxc)依次通过四个X电极，以使得如果任一个电极具有故障，那么可检测到电中断及故障且拒绝膜及/或器件。图2A展示具有内置自测试的金属网格配置，其使用环回原理。在‘Y’线Y0、Y1的情形下，通常所述‘Y’线用导线连接在一起作为列。在图2A的情形下，存在两‘列’三角形，一个在左边且一个在右边。为借助最少外部连接测试这些三角形的连续性，可利用如下事实：这些三角形通常在用作触摸屏期间通过用导线串联连接所述三角形的端而以任一方式彼此连接。图2A展示线Y0a、Y0b及Y1a、Y1b，每一对是使用一系列线2的连接而连接到其相应列。通过测量所述对端之间(即，Y0a与Y0b之间及Y1a与Y1b之间)的连续性，可同时测试屏幕中的所有三角形。此布置每一Y电极组仅需要一个到器件的额外连接；在图2A的情形下，因此仅比正常多构成2个连接。

还应注意，图2A中所展示的布置还可用于确定电极的邻近者之间(举例来说)因将X电极连接到Y电极的无意沉积金属而造成的短路。对于所属领域的技术人员来说，此测试方式应是显而易见的。

使用以上所描述的方法，沿电极的长轴将其切片且从连接在远端处‘环回’，以使得触摸屏处理器可针对短路以及开路测试所有金属网格电极的完整性。仅需要几个所添加的连接线或测试点来进行此测试。

图2B展示图2A中所展示的连接到处理器10的电极布置。处理器10可以是特制测试处理器或可以是用于操作(举例来说)触摸屏中的电极图案的相同处理器。测试处理器可在制作期间用于测试电极图案是否含有在用作触摸屏的部分时将导致所述电极图案的较差操作或不操作的任何短路或开路。如果在制作期间检测到开路或短路，那么可丢弃电极图案。另一选择为，触摸屏处理器可在使用期间(举例来说，在启动期间)测试电极图案。如果在电极图案中检测到短路或开路，那么可通知用户。

图2B中所展示的处理器展示为单个微处理器，但应了解，可组合数个单独电路以形成所述处理器，例如驱动单元、包括一个或一个以上ADC及比较器的感测单元。取决于所使用的测试策略，处理器10的连接Y0a、Y0b、Y1a、Y1b、Xa及Xb中的每一者皆可配置为输入或输出或此两者。

可借助图2C及图2D中所展示的步骤使用处理器10来检测短路及开路的存在。

图2C展示测试三角形电极Y0的步骤。在步骤S12中，使条形电极(即，连接Xa及Xb)以及三角形电极Y1(即，连接Y1a及Y1b)接地。在步骤S14中，将电压施加或连接到连接Y0a。在步骤S16中，检测或测量连接Y0b处的电压。在步骤S 18中，如果在连接Y0b处未检测或测量到电压，那么在电极图案Y0中存在开路或存在到条形电极X或三角形电极Y1的闭合电路。也就是说，如果在连接Y0b处所测量到的电压与施加到连接Y0a的电压相比异常低，那么未测量或检测到电压。

为测试三角形电极Y1，使用与以上所描述相同的步骤，除了颠倒到三角形电极Y0及Y1的连接。首先，使条形电极(即，连接Xa及Xb)以及三角形电极Y0(即，连接Y0a及Y0b)接地或连接到接地连接。然后，将电压施加到Y1A。然后，在连接Y1b处测量所述电压。如果在Y1b处未检测到电压，那么在电极图案Y1中存在开路或存在到条形电极X或三角形电极Y0的闭合电路。也就是说，如果在Y1b处所测量到的电压与施加到连接Y1a的电压相比异常低，那么在连接Y1b处未测量或检测到电压。

图2D展示测试条形电极X的步骤。在步骤S20中，使三角形电极Y0、Y1(即，连接Y0a、Y0b、Y1a及Y1b)接地。在步骤S22中，将电压施加或连接到连接Xa。在步骤S24中，测量连接Xb处的所述电压。在步骤S26中，如果在连接Xb处未检测到电压，那么在电极条图案X中存在开路或存在到三角形电极Y0、Y1的闭合电路。也就是说，如果在连接Xb处所测量到的电压与施加到连接Xa的电压相比异常低，那么在连接Xb处未测量或检测到电压。

此外，为测试电阻器Rxa、Rxb、Rxc，可将负载电阻器Rxd施加到端子Xb以接地且在最后步骤中测量跨越其的电压。Rxd用于产生电压，所述电压根据欧姆定律与其它三个电阻器的电阻成反比，以使得可弄清其值以确保其在预界定公差带内正确。

在上文中将了解，可分别将电压均等地施加到连接Xb、Y0b或Y1b且分别在Xa、Y0a及Y1a处检测所述电压。如果视情况使用以上所描述的方法来测试电阻器Rxa、Rxb、Rxc，那么电阻器Rxb将连接到端子Xa以接地。

图3A展示电极的更常规2层几何形状，其由如此项技术中所熟知的菱形图案组成但使用细线金属由电极形状的轮廓形成。关于此图案，存在菱形的垂直列32、40及水平行34、42，所述列及行互连以便在x轴及y轴两者中形成交错电极组。使用某种填充来增加有效表面面积，如图所示，使用从每一拐角向内发散的金属‘桩钉’38。此图展示两个层叠加，然而应理解，在垂直组菱形形状电极与水平组菱形形状电极之间存在绝缘层。如关于图2A，所述电极组各自具有两个连接及环回结构30，所述环回结构准许测试连续性及短路。

图3B展示图3A中所展示的连接到处理器36的电极布置。处理器36在结构及操作上类似于图2A中所展示的处理器。

可使用处理器36来将图2C及2D中所展示的测试策略应用于图3B中所展示的电极图案。举例来说，为测试垂直列电极32，将其它电极的连接(X1a、X1b、Y0a、Y0b、Y1a及Y1b)连接到接地。将电压施加或连接到连接X0a，且然后测量连接X0b处的电压。如果在连接Xb处未测量到电压，那么在垂直列电极32中存在开路或存在到其它电极中的一者的短路。也就是说，如果在连接Xb处所测量到的电压与施加到连接Xa的电压相比异常低，那么在连接Xb处未测量或检测到电压。

图4A展示一种减少对关于图2A的电极图案的‘Y’线执行环回测试需要的所需数目的所添加外部连接的方法。将电阻器Ryt0及Ryt1添加到每一组Y三角形的端点，且将其连接在一起以形成连接Yt。此消除用于每一对Y三角形组的Y线端部导线中的一者。优选地，电阻器具有高值以便不导致干涉电极的感测功能。举例来说，电阻器可是100KΩ或更大。

图4B展示图4A中所展示的连接到处理器40的电极图案。处理器40在结构及操作上类似于针对图2B中所展示的处理器所描述的结构及操作。然而，如以上所描述，存在减少的数目的连接，即连接Y0b及Y1b由单个连接Yt所取代。

用于测试条形电极的测试策略类似于图2D中的流程图中所展示的测试策略。举例来说，将连接Yt、Y0及Y1全部连接到接地。然后，将电压施加到连接Xa。然后，在Xb处测量所述电压。如果在连接Xb处未测量到电压，那么在条形电极图案中存在开路或存在到三角形电极的闭合电路。也就是说，如果在连接Xb处所测量到的电压与施加到连接Xa的电压相比异常低，那么在Xb处未测量或检测到电压。

用于测试图4A的Y线的测试程序涉及：

1)使所有X连接接地，然后，

2)将电压置于连接Yt上，然后，

3)测量Y0及Y1中的每一者上的电压，然后，

4)使Y0接地同时保持Yt上的电压，然后，

5)测量Y1的输出。

如果在步骤3中在Y0或Y1上无电压，那么因从Y电极到X电极的短路或Y电极图案中的开路而存在故障。如果在步骤5中在Y1上无电压，那么在Y1A与Y0之间存在短路。以上顺序测试可能故障的所有已知组合。

在图4C中的步骤S1到步骤S5中概述以上所描述的用于测试Y线的步骤。应了解，可在以上步骤3或步骤5(即，S3或S5)之后丢弃电极图案。也就是说，如果在步骤3中在连接Y0或Y1上或在步骤5中在连接Y1上所测量的电压与在步骤2或步骤4中施加到连接Yt的电压相比异常低，那么将电极图案视为不合格且可将其丢弃，否则认为剥去电极图案的传感器合格。

本发明还可用于制成电阻性屏幕及电致发光(EL)灯，这是因为金属密度足够高以使这些应用仍可作用但在与基于ITO或PEDOT的电极相比较时具有增强的透明度。

不同感测技术可与本发明一起用于确定电容改变及接近触摸传感器的用户的存在或不存在。举例来说，在第6,466,036号美国专利及第6,452,514号美国专利中所描述的设备及方法可各自与本发明一起被采用且以全文引用方式并入本文中。

Claims (14)

1.一种二维触摸传感器，其包含以一图案布置于衬底上的多个电极，每一电极由互连的金属迹线网格形成，所述金属为固有不透明，但所述金属迹线足够窄从而几乎不可见。

2.根据权利要求1所述的二维传感器，其中所述金属迹线具有小于或等于10μm的宽度。

3.根据权利要求1所述的二维传感器，其中所述金属迹线占用小于或等于每一电极的面积的5％。

4.根据权利要求1所述的二维传感器，其中所述电极布置于单层中。

5.根据权利要求1所述的二维传感器，其中所述电极布置于由电介质分离的两个层中。

6.根据权利要求1所述的二维触摸传感器，其中邻近电极通过也由互连的金属迹线制成的多个岛间隔开，所述岛的所述金属迹线在视觉上且在电上类似于所述电极的所述金属迹线。

7.根据权利要求1所述的二维触摸传感器，其中每一电极被细分为上部部分及下部部分，由于来自所述上部部分及所述下部部分的所述金属迹线仅在所述电极的远端处连接，因此在所述上部部分与所述下部部分中的金属迹线之间从所述电极的所述远端到第一及第二近端无连接。

8.根据权利要求7所述的二维触摸传感器，其进一步包含用于将每一电极连接到其相应第一及第二近端的第一及第二电连接。

9.根据权利要求8所述的二维触摸传感器，其中所述电极包含通过多个Y电极间隔开的多个X电极；

其中每一X电极的所述第二近端经由电阻性元件电连接到邻近X电极的所述第一近端；且

其中每一Y电极的所述第二近端电连接到邻近Y电极的所述第一近端。

10.一种制作电容性触摸传感器的方法，所述方法包含以下步骤：

提供衬底；及

在所述衬底的至少一个侧上沉积多个电极，每一电极由互连的金属迹线网格形成，所述金属为固有不透明，但所述金属迹线足够窄从而几乎不可见。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述金属迹线具有小于或等于10μm的宽度。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述金属迹线占用小于或等于每一电极的面积的5％。

13.根据权利要求10所述的方法，其中将每一电极细分为上部部分及下部部分，由于来自所述上部部分及所述下部部分的所述金属迹线仅在所述电极的远端处连接，因此在所述上部部分与所述下部部分中的金属迹线之间从所述电极的所述远端到第一及第二近端无连接。

14.一种测试根据权利要求13制作的电容性触摸传感器的方法，其包含：

将第一电压施加到所述多个电极中的一者的所述第一近端同时将所有其它电极的所述近端连接到接地且测量所述一个电极的所述第二近端处的第二电压；

针对所有其它电极重复所述先前步骤；及

如果所述第二电压与所述电极中的任一者的所述第一电压相比异常低，那么所述传感器不合格，且否则所述传感器合格。

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