CN104169851A - 触摸感测设备及检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种触摸感测设备，包括：一个触敏膜、一个信号滤波器、电气电路和一个处理单元。根据本发明，当一个外部对象进行触摸时，该膜能够电容或电感耦合到所述对象。该信号滤波器至少由该膜的该电阻和到该外部对象的该电容或电感耦合形成，并且该滤波器具有至少受该触摸的位置和/或该触摸的电容或电感影响的特性。该电气电路在一个或多个位置处耦合到该触敏膜，并且被配置成用于提供一个或多个具有至少一个频率、振幅和波形的激励信号到该信号滤波器以及从该信号滤波器接收一个或多个响应信号。该处理单元耦合到该电气电路并且被配置成用于通过处理一个或多个响应信号并且由此测量该信号滤波器的特性的变化来检测由该外部对象进行的触摸的存在或接近度、所述触摸的位置、所述触摸的电容和/或电感。

Description

触摸感测设备及检测方法
发明领域
本发明涉及触摸感测设备，更具体地，涉及具有触敏膜的触摸感测设备以及一种检测触摸并检测其位置的方法。
发明背景
现今，用于不同种类的电装置的用户接口越来越经常地用基于触敏膜而不是常规的机械按钮的不同类型的触摸感测设备来制作。众所周知的示例包括移动电话、便携式计算机和类似设备中的不同种类的触摸板和触摸屏。除了可实现高级的乃至奢侈的用户体验以外，基于触敏膜的触摸感测设备还为不断努力寻找功能上更通用、更小、更便宜、更轻以及在视觉上也更有吸引力的设备的设计者提供较多的自由。
这类触摸感测设备中的关键元件是触敏膜，该触敏膜包括被配置成用作一个或多个感测电极的一个或多个导电层。这种膜的一般操作原理是借助于该触敏膜所连接到其上的测量电路检测到用户通过例如指尖或某种特定的指示器设备的触摸。实际的测量原理可以是例如电阻式的或电容式的，现今后者通常被认为是在最苛刻的应用中提供最佳性能的最先进的替代方案。
电容触摸感测是基于在触敏膜上的触摸，从电的观点，指的是将外部电容耦合到触敏膜所连接到其上的测量电路这一原理。对于具有足够高灵敏度的触敏膜，甚至不需要直接接触该触敏膜，而只通过将一个合适的对象接近该触敏膜就可以实现电容耦合。在测量电路的信号中检测到电容耦合。在一种所谓的投射电容方法中，测量电路包括分别用于提供信号和感测电容耦合的驱动电极和感测电极。这一电路也被安排成用于顺序地快速地扫描感测电极，这样使得测量每个供电/测量电极对之间的耦合。
对于投射电容方法中已知的触敏膜，常见的是正确地确定触摸的位置必然需要在导电层中的大量的分离感测电极。换言之，导电层被图案化成分离感测电极的网络。希望得到的分辨率越精确，需要的感测电极配置就越复杂。一个尤其具有挑战性的问题是多个同时触摸的检测，从另一个方面来说，该检测常常是触摸感测设备目前发展水平最希望得到的特性之一。复杂的感测电极配置和大量的单个感测电极元件使得触摸感测设备的制造工艺以及测量电子设备复杂化。
在触摸屏中，除了触摸感测能力之外，触敏膜必须是光学透明的，从而使得该膜能够在电子设备的显示器中或其顶部使用，即，使得能够通过触敏膜看到设备的显示器。此外，从触敏膜可见性的观点，透明性也是非常重要的。触敏膜的可见性对于例如LCD(液晶显示器)、OLED(有机发光二极管)显示器、或电子纸(e-paper)显示器的用户来说，严重地恶化了用户体验。到目前为止，透明的导电氧化物如铟锡氧化物(ITO)已经形成了触敏膜中最常见的一组导电层材料。然而，从可见性的观点，它们远非一个理想的解决方案。例如ITO的高折射率使得图案化的感测电极可见。强调这个问题是因为感测电极图案化变得更加复杂化。
在由网络化的纳米结构形成的或包括这些网络化的纳米结构的层中发现了一种在触敏膜中的有希望的新方法。除了合适的导电性能以外，由例如碳纳米管(CNT)的网络或具有共价地键合到管状碳分子的一侧的富勒烯或类富勒烯分子的碳NANOBUD的网络(是卡娜图沃伊(Canatu Oy)的注册商标)组成的层可以制成比例如透明的导电氧化物(如ITO、ATO或FTO)对于人眼来说更不可见。此外，如众所周知的，与例如透明的导电氧化物相比，基于纳米结构的层可以拥有更优越的柔性、机械强度以及稳定性。
在US 2009/0085894 A1中报告了一个基于纳米结构的解决方案。根据其描述，纳米结构可以是例如不同类型的碳纳米管、石墨烯片或纳米线。所提及的膜的掺杂作为用于增加其导电性的手段。在此讨论了基于互电容和单层自电容方法的双层配置。借助于所披露的膜，声明多触摸检测是可能的。然而，这个文件中没有解决非常复杂的电极和测量电路配置的常见问题。
WO 2011/107666 A1中建议了另一个现有技术解决方案。其披露了一个具有例如由纳米结构网络制成的触敏膜的触摸感测设备，该膜具有大于3.0kΩ的薄层电阻。当在本发明中着手解决复杂的电路的问题时，仍然只建议用高电阻膜并且在有限的频率范围内操作。
需要提供通用的触摸感测设备，该通用的触摸感测设备具有简单的感测电极配置、优选地使能单层电容工作原理、能够在大范围导电膜电阻上操作、使能信号频率调谐用于更好的噪声控制、并且允许使用多种多样的感测算法。
发明目的
本发明的目的是提供新颖的解决方案，这些解决方案至少具有上述优点的一部分或者全部。
发明概述
根据本发明的第一个方面，提供了一种触摸感测设备，包括：一个触敏膜，该触敏膜包括具有一个电阻的导电材料，当一个外部对象进行触摸时，该膜能够电容或电感耦合到所述外部对象；一个信号滤波器，该信号滤波器至少由该触敏膜的该电阻和到该外部对象的该电容或电感耦合形成，该信号滤波器具有至少受该触摸的位置、该触摸的电容或电感或者受该触摸的所述特性的组合影响的特性；电气电路，该电气电路在一个或多个位置处电阻地或者无线地耦合到该触敏膜，该电气电路被配置成用于提供一个或多个具有至少一个频率的激励信号到该信号滤波器并且从该信号滤波器接收一个或多个响应信号；以及一个处理单元，该处理单元电阻地或者无线地耦合到该电气电路，其中，该处理单元被配置成用于通过处理一个或多个响应信号并且由此测量该信号滤波器的特性的变化来检测由该外部对象进行的触摸的存在或接近度、所述触摸的位置、所述触摸的电容或电感、或者其组合。
一般而言，触敏膜指的是可以用作触摸感测设备中的触敏元件的膜。此处，触摸感测设备被宽泛地理解成涵盖通过经由外部对象来触摸设备进行操作的所有用户接口设备，以及用于检测此类对象的存在、接近度和位置的其他类型的设备。
本发明的触敏膜能够电容或电感耦合到外部对象，这意味着由外部对象进行的触摸在膜的滤波特性中引起变化。
在本发明的上下文中使用了单词“触摸”及其衍生词，在广义不仅涵盖了在指尖、触笔、或某些其他指示器或对象和触敏膜之间的直接的机械或物理接触，并且也涵盖了如下情形：这种对象位于触敏膜的附近，这样使得该对象在触敏膜和周围环境之间或者在触敏膜的不同点之间产生足够的电容或电感耦合。在这个意义上，本发明的触敏膜也能够被用作接近度传感器。
所谓“导电材料”此处指的是能够允许电荷在材料中流动的任何材料，而不考虑该材料的导电机制或导电类型。因此，导电材料此处还涵盖例如半导电或半导体材料。在触敏膜中可能有一层或多层导电材料。
除了导电材料以外，触摸感测设备还可以包括实施整个工作触敏元件所需的其他材料层和结构。例如，可以存在用于该膜的机械保护的一个或多个层。此外，还可以存在用于折射率或颜色匹配的一个或多个层和/或例如用于抗刮擦、装饰、防水、自清洁或其他目的的一个或多个涂层。除了分层的元件之外，触敏膜还可以包括三维组织的结构，例如贯穿触敏膜或其一部分延伸的接触结构。
信号滤波器至少由触敏膜电阻和到外部对象的电容或电感耦合形成。该信号滤波器可以是例如低通滤波器、高通滤波器、带阻或带通滤波器。低通滤波器的示例将是跨输入的RC(电阻器-电容器)串联电路，其中，跨电容器取得输出。在本发明的示例性实施例中，在上述低通滤波器中，膜电阻可以表示R以及由触摸创建的电容耦合可以表示C。
所谓“外部对象”指的是任何电容器或电感器或者电容或电感指示器(例如人的手指或金属触笔)、具有电容元件或用于电感耦合的金属线圈的指示器等。例如，具有线圈的触笔既可以是无源的(没有将电流主动地施加于该线圈)也可以是有源的(将AC或DC电流施加于该线圈)。通常使用具有有源线圈的触笔来提高触摸的准确度、响应时间、或透明性。
通过触敏膜的电阻和到外部对象的耦合形成信号滤波器是基于发明人的观察，即，响应于来自外部对象的触摸，这种滤波器改变其特性，以及可以测量这一改变从而检测触摸、其位置并且用非常高的精度确定触摸的电容或电感。
在一个或多个位置将根据本实施例的电气电路电阻地或者无线地耦合到触敏膜。该电路可以包括不同类型的接触电极、线路和其他形式的导体、开关、以及将触敏膜及其一个或多个导电层连接到触摸感测设备的剩余部分所需的其他元件。电阻连接暗指物理接触，而例如无线电波、电感或电容耦合涉及无线耦合。电阻耦合的示例包括但不限于焊接、钳位或其他传统的技术。
电气电路被配置成用于为信号滤波器提供一个或多个激励信号，并且从该滤波器接收一个或多个响应信号。如下文所描述的，将电气电路连接到处理单元。在本发明的一个示例性实施例中，通过处理单元经由电气电路将信号发送到滤波器并且从其接收信号。所提供的一个或多个激励信号具有至少一个频率、振幅和波形。这意味着每个信号可以在频率、振幅或波形上变化或者具有恒定的频率、振幅和波形，并且在多个信号的情况下，其可以具有相等的或不同的频率、振幅和波形。实际上，可以将电气电路连同处理单元部分地或者完全地集成到单个芯片。
激励信号可以是任何电信号(例如脉冲的、上升下降时间受限的或振荡的电压或电流)，该电信号经由电路被提供给触敏膜的信号滤波器并且提供适合于监测由触摸引起滤波器特性的变化的条件。激励信号也可以例如被称为驱动信号或刺激信号。典型的示例是AC电流和/或电压。响应信号相应地是通过使用电路从信号滤波器接收并且允许基于由触摸引起的和这个信号可检测的滤波器特性的变化来检测触摸的任何所测量的电信号。
在一个实施例中，将处理单元电阻地或者无线地耦合到电气电路。处理单元被配置成用于通过处理一个或多个响应信号并且由此测量该信号滤波器的特性的变化来检测由外部对象进行的触摸的存在或接近度、所述触摸的位置、所述触摸的电容或电感、或者其组合。
处理单元可以包括处理器、信号或脉冲发生器、信号比较器、解释单元、和其他硬件和电子设备以及处理响应信号所必需的软件工具。
触摸感测设备能够利用只具有一个单一导电层的触敏膜在单层模式下操作。大多数现有技术的电容触敏膜利用对于激励和响应信号使用不同的导电层的双层方法，与其相比，这是一个有利的简化。
根据一个实施例，电气电路被配置成用于从信号滤波器接收一个或多个响应信号。在本实施例中，处理单元被配置成用于通过将所述响应信号相互比较并且由此测量信号滤波器的特性的变化来检测由外部对象进行的触摸的存在或接近度、所述触摸的位置、所述触摸的电容或电感、或者其组合。在一个替代实施例中，处理单元被配置成用于将响应信号与激励信号进行比较，从而测量信号滤波器的特性的变化。
在一个实施例中，将交流电流或电压作为激励信号在信号滤波器的一个点处提供给信号滤波器，并且在滤波器的另一个点处测量作为响应信号的交流电压或电流。
在一个实施例中，信号滤波器进一步由至少一个外部组件形成。该至少一个外部组件是上述实施例的触摸感测设备的一部分，并且经由电气电路将其电阻地或无线地耦合到处理单元。该外部组件可以是电阻器、恒流源、电容器或电感器或者其组合。可以将该外部组件集成到设备中的其他单元中。
在一个实施例中，将交流电流或电压作为激励信号在信号滤波器的一个点处通过外部组件提供给信号滤波器，并且在滤波器的同一个点处测量作为响应信号的交流电压或电流。
根据一个实施例，信号滤波器的特性进一步受所述外部对象和感测膜之间的距离、外部对象的电容或电感、所述外部对象的物理特性、膜的电阻、在敏感膜材料和外部对象之间的电介质或绝缘层的存在、厚度或介电常数、或其组合的影响。
外部对象的物理特性包括例如其几何结构、材料、定向和配置。
根据一个实施例，电气电路包括一个或多个电极，并且其中，这些电极中的至少一个被配置成用于将所述激励信号提供到信号滤波器，并且这些电极中的至少一个被配置成用于从信号滤波器接收所述电响应信号。这些电极的数量可以取决于结构而变化。
在一个优选实施例中，信号滤波器的所测量的特性包括振幅响应、相位响应、电压响应、电流响应或其组合。这些特性会受触摸的存在或接近度、其位置以及其电容或电感的影响。
根据本发明的一个优选实施例，处理单元进一步被配置成用于基于激励信号的至少一个预先确定的频率、振幅和波形来选择一个或多个有待测量的特性，从而将信噪比最大化和/或提高设备在该预先确定的频率、振幅和波形上的准确度。
最优的激励频率取决于许多因素。在较低频率处噪声会增加。另一方面，干扰触摸检测的天线效应在甚高频下成为一个问题。天线效应指的是测量电路的不同部分起到如同天线的作用，趋向于在电路和周围环境之间耦合扰动信号。通常在下限截止频率和上限截止频率之间有一个最优的频率范围。例如，该范围取决于在触敏膜中的导电材料的电阻、在该膜上的任何涂层的厚度和介电常数、外部对象的电容或电感、周围电子设备的频率和导电膜位于其上的衬底的材料。例如，具有一个足够的高频率，PET衬底变成导电性的，由此干扰激励和响应信号。因此，提供了选择工作频率范围、基于那些影响最优频率的因素积极地调谐频率以及相应地调节设备(即，通过选择待测量的滤波器特性或者操作范围内的特定的激励频率)的能力。
根据一个实施例，触摸感测设备的触敏膜作为连续结构在平面内延伸。这意味着触敏膜通过像在例如HARM网络的情况下例如作为实心的、非中断的、和非图案化的结构在触摸感测设备的整个感测区域上大幅度地延伸，该结构在纳米或微米尺度上并不是严格地连续的。这一结构也是可选择地均质的。当不需要层的图案化时，这一特征不仅将导电层的可见性最小化而且简化了其制造。根据本实施例，其同样简化了具有触敏膜的触摸感测设备的电子设备。
触敏膜的良好的灵敏度和触摸位置分辨性能使得这种非图案化的导电层能够在单层操作模式下使用。在单层模式下操作指的是在触摸感测测量中只使用一个单一的导电层。多触摸检测能力在非图案化单层操作模式下也是可用的。这种单层能力同样允许将整个触敏膜生产成为相当薄的结构。
在一个实施例中，触敏膜包括：一个单一的条带或者两个或更多个平行的条带，这些条带由导电材料制成并且在触敏膜上向一个方向延伸，以及在所述条带之间的区域，这些区域包括非导电材料，其中，将电气电路电阻地或者无线地耦合到这些条带的每一个，并且处理单元进一步被配置成用于沿着每个条带检测触摸的存在、接近度和位置。
将电气电路的电极耦合到每个条带从而为测量提供和接收信号。必须只能在一个维度上确定触摸位置，并且在每个条带上仅使用一个电极来这样做是可能的。
在一个实施例中，触敏膜被形成为柔性结构以便允许将其弯曲。“柔性”结构在此指的是优选地允许在至少一个方向上反复地弯曲膜的结构。在一个实施例中，触敏膜至少同时在两个方向上是柔性的。
替代柔性或除了柔性以外，触敏膜还可以被形成为一个可变形结构，以便允许例如通过使用热成形使触敏膜沿着三维表面或者在其上变形。
触敏膜的柔性和/或可变形性连同测量特征打开了实施触摸感测设备的完全新颖的可能性。例如，用作移动设备的用户接口的触敏膜可以被弯曲成或形成为延伸到设备边缘，这样使得触敏膜甚至可以覆盖设备的整个表面。在覆盖三维设备的不同表面的触敏膜中，可以有若干用于不同目的的触摸感测区域。一个感测区域可以覆盖显示器的区域以便形成触摸屏。其他感测区域(例如在设备的侧面)可以被配置成用作替代常规的机械按钮(例如电源按钮或者音量或亮度滑块或刻度盘)的触敏元件。
如下文中更详细描述的，对于柔性的和/或可变形的触敏膜的一个好的选择是包括一个或多个高纵横比分子结构(HARMS)网络的导电层。HARM结构及其网络固有地是柔性的，因此能够使得触敏膜可弯曲和/或可变形。
优选地，触敏膜是光学透明的，因此能够使得触敏膜例如作为触摸屏的一部分使用。触敏膜的光学透明性在此指的是来自于大体上垂直于该膜的平面的方向的入射辐射的至少10％、优选地至少90％在待解决的应用的相关频率/波长范围下透射过该膜。在大多数触摸感测应用中，这一频率/波长范围是可见光的频率/波长范围。
对于光学透明性，关键的是触敏膜的导电材料。同时具有导电性和光学透明性的要求限制了可能的材料的数量。在这个意义上，HARMS网络为光学透明的触敏膜形成了一个良好的基础，这是因为HARMS网络可以优于例如透明导电氧化物提供透明性。
在一个实施例中，触敏膜包括高纵横比分子结构(HARMS)网络、导电聚合物、石墨烯或陶瓷、金属(如银或金)网格、或金属氧化物。所谓HARMS或HARM结构此处指的是具有纳米尺度上的特征尺寸(即，小于或等于约100纳米的尺寸)的导电结构。这些结构的示例包括碳纳米管(CNT)、碳NANOBUD(CNB)、金属纳米线、以及碳纳米带。在HARMS网络中，大量的这种单一结构(例如CNT)彼此互连。换言之，在纳米尺度上，HARM结构不形成诸如像导电聚合物或透明导电氧化物之类的真正地连续的材料，而是形成一个电互连分子网络。然而，正如在宏观尺度考虑的，HARMS网络形成一种实心的整体材料。HARMS网络可以被制造成一个薄层的形式。
借助于敏感膜中的一个或多个HARMS网络可实现的多个优点包括在要求光学透明的触敏膜的应用中有用的优良的机械耐用性以及高光透射率，而且还有非常灵活可调的电特性。为了使这些优点最大化，导电材料可以大体上由一个或多个HARMS网络组成。
HARMS网络的电阻率性能取决于层的密度(厚度)并且在某种程度上也取决于HARMS的结构细节(像结构的长度、厚度、或晶体取向)、纳米结构束的直径等。通过HARMS制造工艺及其参数的适当选择，这些特性可以***纵。例如在卡娜图沃伊的WO 2005/085130 A2和WO2007/101906 A1中描述了用于生产包括碳纳米结构网络的导电层的合适的工艺。
在根据本发明的触摸感测设备的一个实施例中，触摸感测设备包括同样用作触觉界面膜。换言之，该设备进一步包括响应于触摸优选地经由敏感膜用于提供触觉反馈的装置。经由敏感膜提供触觉反馈指的是使用敏感膜作为装置的一部分用于产生触觉反馈，而不是基于附接到触敏膜上的单独的致动器来产生触敏膜的振动的常规方法。对此有各种各样的可能性。通过借助于敏感膜产生适当的一个或多个电磁场可以实现触觉效应。接触触敏膜的用户的皮肤感测这些电场为不同的感觉。这种方法可以被称为电容触觉反馈***。从另一方面来说，可以交替地将敏感膜用作例如基于电活性聚合物(人造肌肉)的触觉界面的一部分，其中，敏感膜形成该界面的一层。
执行这两项功能(即，触摸检测和触觉反馈)的一种可能性是将敏感膜交替地耦合到触摸感测电路以及用于为触觉反馈产生信号的装置，这样使得一旦在第一时间周期内检测到触摸，跟随第一次触摸检测在第二时间周期内提供触觉反馈。可以将第一时间周期和第二时间周期调整的如此短以致用户连续地体验设备操作。
可以例如与基于射流技术的触觉接口(通过触觉技术公司(TactusTechnologies)商业化)相关联，交替地使用一个或多个触敏膜，其中，触敏膜与柔性的外触觉膜集成，由于液体被泵送到柔性的蓄水池，该柔性的外触觉膜改变形状。一个或多个触敏膜可以位于柔性外触觉膜的内表面和/或外表面上。在这种情况下，可以将触敏膜连续地耦合到触摸感测电路。
在根据本发明的触摸感测设备的一个实施例中，触摸感测膜同样用作变形检测膜。这意味着该设备结合用于例如感测膜的弯曲、扭转和/或拉伸的装置。这可以通过测量节点之间的电阻的变化或者通过同时与根据本发明的触摸感测一起的信号滤波器特性的变化来实现。由于***的信号滤波器特性是膜的电阻率的函数，并且，至少对于某些材料(包括但不限于HARM和导电聚合物，并且特别是奈米管和NANOBUD，以及更具体地说，碳纳米管和NANOBUD)来说，如果膜被例如拉伸、压缩或以其他方式变形，信号滤波器特性会改变。通过或者从电阻率或者从信号滤波器特性的角度解释这种改变，本发明能够检测例如连接到传感器膜的节点之间的延伸或压缩。因此，例如，感测位于相对角落的两组节点之间的延伸指示弯曲，同时在一方向感测延伸并且在另一个方向感测压缩指示扭转。在某些配置中，可以在多个方向使用一个或多个节点来进行感测。根据本发明，替代的配置是可能的。
对于某些可变形的外部对象，电容或电感随着施加到触敏膜上的力而变化，并且因此可以将所确定的电容或电感用作力的代理。该力指的是例如当执行触摸时用户施加到设备上的力。当施加在传感器膜附近导致所增加的区域的力时，用户手指例如变形。相应地，这将引起电容发生变化。可替代地，如果使用电感外部对象，并且用户例如使外部对象的线圈变形或者改变从线圈到表面的距离(例如经由弹簧)，电感相应地变化并且力也可以被测量。
本发明的触摸感测设备可以被实施为一个标准的或定制的独立模块，或者被实施为集成作为某个较大装置(例如，移动电话、便携式或平板计算机、电子阅读器、电子导航仪、游戏控制台、冰箱、搅拌机、洗碗机、洗衣机、咖啡机、炉灶、烤箱或其他白色家电表面、汽车的仪表板或方向盘等)的一部分的一个不可分离的单元。
根据本发明的一个实施例，设备的部件之间的无线耦合是下列情形之一：通过无线电波耦合、通过磁场耦合、电感或电容耦合。
所谓“设备的部件之间的无线耦合”指的是以上所描述的任何设备元件之间的无线耦合。
该设置可能需要处理数据的创建、发送和接收的补充电子设备以及在位于主设备和触摸感测模块两者上的电极之间创建或者静电或者电动感应的AC电流。可以将这两种设备无线地或者通过下列方法中的一种或多种耦合到一起：
-电磁感应(电感耦合、电动感应)，其中，通过来自相对线圈之间的磁场的电流所感应的数据和功率传输。
-磁共振是通过磁场的近场电磁感应耦合。
-无线电波(例如，RFID技术)，其中，功率从天线接收到的无线电波产生，并且数据传输实质上改变了辐射场负载。
-电容耦合(或静电感应)，其中，从电极的相对平面传递能量和数据。
可以或者通过直接地焊接的天线或者经由连接器将触摸传感器完全地或者部分地集成到应用设备。这在固定设施中是足够的，在这些设施中，通常将传感器定位在不需要分离地开放的区域中。例如，在便携式设备中，通常在触摸显示器应用中发现它们，其中，显示器实际上在触摸感测膜的下方并且屏幕自身永久地附接到该设备上。如果触摸感测设备位于设备的可移除部分上，那么其通常会需要一个连接器，一旦其附接到该设备上，通过该连接器其可以连接到该设备上。这种方法是有作用的，但是其在某些应用中可能不适合。此外，即使触摸组件旨在永久地附着到设备上，存在与将组件经由焊料或连接器连接相关联的制造成本和设计限制。
在本发明的一个实施例中，提供了触摸感测设备。其包括：一个触摸感测模块，该模块包括一个触敏膜；电气电路，该电气电路被配置用于为该触摸感测模块提供一个或多个激励信号并且从该触摸感测模块接收一个或多个响应信号。根据本实施例，将电气电路无线地耦合到触摸感测模块。
在一个实施例中，将二维的和三维的触摸传感器设备提供给应用，这些应用的外壳盖必须被移除，例如从而维护和改变内部的耐用部件。向设备提供数据输入方法也是一种鲁棒性方法，这些设备对于例如潮湿的、***性的或以其他方式危险的环境或者直接连接(正如互连电线)以其他方式是不可能的、昂贵的或者非常不方便的地方要求完整的封装。
在一个实施例中，没有用于功率和数据传输的物理连接器是易受污垢、磨耗及损伤或断裂的影响的。如果没有连接器，有更少的部件易受污染、化学或物理降解或者机械损伤的影响，从而增加设备的可靠性。
可以避免直接的物理接触，如果没有受到稳固地保护，其可能会具有无意识的断开并且因此导致数据或功率损耗。其可以起到远离固定设施的远程控制设备的作用，该远程控制设备从该设施获取功率并且作为专门的触摸传感器或通用的数据输入输出设备来工作。
通过将触摸传感器功能保留在模块中并且将该模块从主设备分离，它们成为不同的耐用部件，可以单独地生产这些部件并且只在最后的装配时将其组合在一起。可以成本高效地将电极实现为印刷电路板上的金属区域或者印刷线路。
根据一个实施例，可以将触摸传感器模块和主设备物理地相互附接，但是功率或数据或者这两者在它们之间无线地传输。实际上，传感器、激励和感测电子设备连同数据处理单元，这样使得整个单元是一个独立的***设备插件。
根据本发明的第二个方面，提供了一种用于用触摸感测设备检测外部对象的存在、接近度、位置、电感、电容或这些特征的组合的方法，该方法包括：提供一个或多个具有至少一个频率、振幅和波形的电激励信号到信号滤波器，该信号滤波器至少由在该触摸感测设备中的触敏膜的电阻和所述膜与外部对象的电容或电感耦合形成，从该信号滤波器接收一个或多个响应信号，并且通过处理所述一个或多个响应信号并且由此测量该信号滤波器的特性的变化来检测由该外部对象进行的触摸的存在、或者所述触摸的位置。
触摸感测设备的触摸检测灵敏度和触摸位置分辨率不仅仅取决于信号滤波器的特性和处理装置性能。自然地，其同样是例如接触电极配置的问题。从另一个方面来说，触敏膜的触摸位置分辨率以及利用该触敏膜的触摸感测设备也取决于接触位置的数量以及其相对于彼此和膜的放置。这些是关键的问题，特别是在具有非图案化导电层的单层方法中。通常，例如在US 7,477,242 B2和US 2008/0048996 A1中所描述的更早已知的这种类型的设备依靠矩形形状的导电层和在其角上的四个接触电极。然而，这种配置需要非常复杂的信号处理，并且这种设备的准确度相当低。根据该解决方案来提供一个柔性结构是特别困难的。同样，多点触摸能力对于实现这种方法可以是非常具有挑战性的。在本发明中，这些困难被减轻或者避免。
下面将结合附图在示例的基础上来图示本发明。
附图简要说明
图1a、图1b和图1c展示了根据本发明的触摸感测设备的一种可能的配置。
图2a、图2b和图2c展示了根据本发明的触摸感测设备的另一种可能的配置。
图3a和图3b是根据一个实施例的二维非图案化的触敏膜的图示。
图4a、图4b和图4c示出了具有变形感测能力的一个实施例。
图5展示了另一个实施例，在该实施例中使用了带条纹的触敏膜。
图6示出了在网格中具有U形和C形条带的一个实施例。
图7a和图7b是根据本发明的将从触摸感测设备接收的响应信号进行比较的图表。
图8a、图8b和图8c是所接收的响应信号与激励信号进行比较的图表。
发明详细描述
本发明的解释基于下文中所描述的示例继续。
到外部对象的电容或电感耦合连同电阻膜构成一个电子信号滤波器。由于***的所得RC时间常数，具有足够的电阻率的触敏膜连同具有电容或电感的外部对象创建一个低通RC滤波器。这一低通滤波器的特性取决于薄层电阻，也取决于外部对象的位置和电容或电感。
在典型的操作模式中，将一个或多个振荡信号或脉冲在一个或多个位置处馈入滤波器。在触敏膜中，在位于触摸表面上或其边缘处的任何两个点之间的电容是其相对位置和传感器区域的几何结构和薄片电阻的函数。在这个***中的电容或电感是该***的寄生电容或电感以及在膜和所耦合的外部对象之间形成的电容或电感的组合。除了膜的电阻率之外，当有由一个或多个电容地或电感地耦合的触摸引起的负载呈现在***中时，电子滤波特性的变化是实质性的。通过测量所提到的信号或脉冲的变化，可以测量电子滤波器特性的变化并且因此可以推断出一个或多个触摸的位置。通过测量例如流入感测膜中的电流的变化，可以计算在传感器和外部对象之间的电容或电感。同样地，每个感测节点(电气电路的一部分，在一个特定的位置连接到触敏膜)的信号变化指示到外部对象的相对距离的变化，并且，通过比较在感测节点处的响应信号之间的差异，连同在传感器节点处的总电流消耗和绝对值的知识，可以通过各种算法来计算触摸的相对位置。例如，采样脉冲的振幅与触摸位置相关并且可以用于确定实际位置。
图1a示出了一个实施例，其中，将信号提供给节点并且经由同一个节点测量低通滤波器的效果。***由具有电阻率的触敏膜和电容地或电感地耦合到这一触摸感测膜的外部对象组成。在敏感膜中的某一点处引入信号或脉冲，尽管其可以在膜中的任何地方被引入，但通常在边缘处。可以采用外部组件(如电阻器、恒流源、电容器或电感器或者其组合)来例如增加测量结果的电压线性度，更加均匀地分布电流或电位从而避免***中的奇异性并且允许电流或电压电位被测量。外部组件连同电阻膜和外部触摸对象创建一个低通滤波器。信号耦合到由触摸膜和外部对象创建的负载，并且，通过改变***的低通滤波器特性，从而变更信号。在外部组件和触敏膜之间采样(接收)所变更的信号。对于测量两个或更多个外部对象的多点触摸，测量原理类似于单点触摸的情形，区别是并非是一条而是形成了多达两条或更多条到外部对象电容或电感的平行通路并且电容或电感耦合增加。取决于外部对象的位置和电容或电感以及信号与由触摸膜、外部组件和外部对象形成的低通滤波器的交互，采样信号是不同的。采用多个输入/感测节点允许更加确切地指定触摸的位置和外部对象的电容或电感。在本实施例中，为了指定x和y位置以及电容或电感，每个触摸需要3个节点(这些节点可以在各种可能的组合中作为输入和感测节点使用)，从而例如对于4个同时的触摸，需要12个输入和感测节点。
在图1b的方框图中示出了根据图1a的本实施例的更一般的配置，并且在图1c中展示了一个具体的实施例，在该实施例中，经由三个外部组件将三个信号或脉冲提供给触摸膜上的三个点(节点)。然后将采样信号或脉冲与源信号或脉冲或者其他采样信号或脉冲进行比较从而确定外部对象的位置和/或电容或电感。
图2a示出了一个示例性实施例，其中，将信号馈入节点并且在一个或多个相对的或相邻的节点中测量低通滤波器的效果。***包括具有电阻率的敏感膜和电容地或电感地耦合到这一敏感膜的外部对象。在敏感膜中的节点处引入信号或脉冲，通常在边缘处(尽管可以在任何地方将其引入)并且在不同的位置处接收所变更的信号。取决于外部对象的位置和电容或电感以及信号与由触摸膜和外部对象形成的低通滤波器的交互，所接收的信号是不同的。对于单个或者多个输入节点，使用多个感测节点允许更加确切地指定触摸的位置和外部对象的电容或电感。在本实施例中，为了指定x和y位置以及电容或电感，每个触摸需要3个输入和感测节点，从而例如对于4个同时的触摸，需要12个输入和感测节点。
在图2b的方框图中示出了根据图2a的本实施例的更一般的配置，并且在图2c中展示了一个具体的实施例，在该实施例中，经由三个外部组件将三个信号或脉冲提供给触摸膜上的三个点(节点)。然后将采样信号或脉冲与源信号或脉冲或者其他采样信号或脉冲进行比较从而确定外部对象的位置和/或电容或电感。
在图1b、图1c、图2b和图2c中，框“信号/脉冲发生器”表示一个发生器，该发生器产生例如一个或多个激励电压或电流脉冲或振荡(激励信号)，其可以是例如正弦曲线、三角形、方形或者锯齿形的形式。如果需要，其也可以包括其他功能性，如控制单元和/或时钟。“信号比较器”框指示一种设备，该设备比较并且区分激励和/或响应信号并且将这个信息提供给解释单元。其可以比较例如电压或电流频率、振幅、相移或波形状或波形。“解释单元”框表示一个单元，该单元处理从信号比较器发出的信号并且同样可能地使用来自信号/脉冲发生器(例如来自时钟或控制功能)的信息。如果需要，其也可以包括其他功能性，如控制单元和/或时钟。其也可以提供信息给例如信号/脉冲发生器(例如来自时钟或控制功能)。实际上，所有这些功能可以被结合到单个单元或者芯片并且因此可以不是单独的。
可以将激励信号发送到单个节点并且可以顺序地或者同时地对响应信号进行相应地采样。此外，可以将相同的或不同的激励信号发送到单个节点。这些激励信号可以是来自相同的或不同的源的。
图3a是一个实施例的图示，在该实施例中使用了一个具有多个输入信号或脉冲(其可以是来自单个或多个源的)的二维触敏膜。在这个示例中，将三个外部组件各自串联放置在源和本质上二维的敏感膜或者敏感薄片之间，并且在外部组件和敏感膜之间对信号进行采样。在没有触摸的情况下，采样信号相对于滤波器的特性将具有一个给定的特性形式。当触摸发生时，到外部对象的电容或电感耦合改变滤波器特性。或者对于彼此或者对于输入信号，采样信号之间的关系提供有关特性的这一变化并且因此有关外部对象的位置和电容或电感的信息。在本实施例中，为了指定x和y位置以及电容或电感，每个触摸需要3个输入和感测节点，从而例如对于4个同时的触摸，需要12个输入和感测节点。因此，图3a示出了用于充分地指定就位置和电容或电感而言的单个触摸的最小数量的节点。图3b示出了其另一个实施例，其中，将四个外部组件各自串联放置在源和本质上二维的敏感膜或者敏感薄片之间，并且在外部组件和敏感膜之间对信号进行采样，这是为了增加单个触摸的准确度或者是为了例如允许多个触摸的存在的确定。在此描述的二维触敏膜对于3D表面也可以是柔性的和/或可变形的。
图4a至图4c示出了具有单层膜的感测膜变形的示例，在这些图中，敏感膜交替地耦合到触摸感测电路或算法以及耦合到变形感测电路或算法。在这种情况下，至少需要三个节点来执行测量。可以通过DC电压电平测量节点之间的电阻的变化来确定变形。
实际上，传感器变形、扭转或弯曲可能会通过改变再次改变滤波器特性的有源区域电阻率来影响触摸感测。然而，在这种情况下，触敏膜仍然可以至少在一种模式下使用，其中，当相同的膜变形时，其用作变形传感器，以及当其没有变形时，其用作触摸传感器。
图5展示了具有多个输入信号或脉冲(其可以是来自单个或多个源的)的二维触摸传感器的一个实施例。将外部组件51串联地放置在一个源或多个源和单个或一组本质上一维的感测膜(单个感测指状物或条带52或其集合)之间，并且在外部组件和感测膜之间采样信号。对于良好性能，这些条带应该具有高纵横比，例如，长宽比应该大于3，或者更优选地，大于10。这些条带可以是例如直的或弯曲的并且不需要具有恒定的宽度。在单一条带的情况下，该实施例可以充当滑块或拨号盘。在没有触摸的情况下，采样信号相对于滤波器的特性将具有给定的特性形式。当触摸发生时，到外部对象的电容或电感耦合改变滤波器特性。采样信号与输入信号之间的关系从而提供有关外部对象的位置和任何给定的条带中的触摸的存在的信息。同样为了检测外部对象的电容或电感，可以从膜上(优选地在条带52的对端)进行一次或多次额外的采样。在本实施例中，为了指定沿着条带的触摸位置(例如x位置)以及在所述条带上的触摸的电容或电感，每个触摸需要2个输入和感测节点，从而例如对于沿着任何条带的4个同时的触摸，需要8个输入和感测节点。可以根据图1a和图2a的两种配置对此进行操作。在基本上正交的例如y方向上的触摸的位置是通过标识在特定条带上的触摸的存在确定的。
这种配置的修改是为了将每个条带制作成“U”形或“C”形，这样使得在每个条带两个电极的情况下，电极位于触摸区域的相同侧或边缘。这可以增加设备的准确度并且允许沿着一个边缘定位所有的接触电极，从而允许设计自由并且降低对例如将触摸区域的一个或多个边缘磨成斜面的需要。
也可以在一个双层结构中使用图6的配置，每一层具有一组条带，其中，一层的条带被定向以便不会与另一层的条带平行。优选地，定向在90度。以此方式，形成了网格结构。图5示出了与“U”形或“C”形条带相结合的这种配置。通常，应该通过例如气隙或绝缘或介电材料将这些层分离。衬底或/和涂层可以充当这种绝缘子或电介质。
图5和图6中的标记“AC输入”和“AC输出”可以分别意指信号或脉冲输入和输出。
图7a是一个图表，示出了来自于在具有统一电阻率的二维长方形触摸表面上的触摸的响应信号的比较和六个接触电极，其中的两个接触电极位于中线边缘并且彼此相对。当触摸初始地从中线稍微地向左偏移继而短暂地位于中线上但是稍微地偏离中心朝向顶部然后最终稍微地偏向右侧时，该图示出了在这两个接触节点之间的响应信号之间的区别。该图示出了不同感测节点(接收电极)之间的信号差异，即，根据权利要求4的实施例进行测量。当在距相对感测节点相等的距离和角度进行触摸时，如第二和第六幅图的情况一样，在理想情况下，差异为零。这清晰地示出了滤波器特性的变化是如何影响信号的以及例如如何可以测量到触摸位置。
在图7b中，如同在真实***的情况下，在固定的间隔处对图7a中的信号进行采样。
类似地，与在不同节点处的响应信号的差异截然相反的是，可以采用响应信号和激励信号之间的差异来确定滤波器特性的变化并且因此唯一地确定触摸的存在、接近度、位置和触摸对象的电容或电感。图8a至图8c示出了类似于图7a和图7b的响应信号和激励信号的比较。由于凭视觉观察信号的差异是困难的，图8c显示了当在时间位置120μs处移除触摸时响应信号vs.激励信号的差异。
也可以使用响应信号的其他特性来标识滤波器特性(如电压或电流波形或形状、振幅或相移)的变化。可以自由地选择在滤波器特性的变化的确定中有待采样和使用的一个特性或多个特性，从而使得例如将信噪比最大化。此外，可以选择激励信号的频率、波形状(例如正弦曲线、三角形、方形、锯齿形等)和振幅来例如避免干扰或者将信噪比最大化。
本发明不限于以上所描述的示例，但是这些实施例可以在权利要求书的范围内自由地变化。

Claims (20)

1.一种触摸感测设备，包括：
-一个触敏膜，该触敏膜包括具有一个电阻的导电材料，当一个外部对象进行一次触摸时，该膜能够电容或电感耦合到所述外部对象，
-一个信号滤波器，该信号滤波器至少由该触敏膜的该电阻和到该外部对象的该电容或电感耦合形成，该滤波器具有至少受该触摸的位置、该触摸的电容或电感或者受该触摸的所述特性的组合影响的特性，
-电气电路，该电气电路在一个或多个位置处电阻地或者无线地耦合到该触敏膜，该电气电路被配置成用于提供一个或多个具有至少一个频率、振幅和波形的激励信号到该信号滤波器并且从该信号滤波器接收一个或多个响应信号，以及
-一个处理单元，该处理单元电阻地或者无线地耦合到该电气电路，其中，该处理单元被配置成用于通过处理一个或多个响应信号并且由此测量该信号滤波器的特性的变化来检测由该外部对象进行的一次触摸的存在或接近度、所述触摸的位置、所述触摸的电容或电感、或者其组合。
2.根据权利要求1所述的触摸感测设备，其中，该信号滤波器是一个低通滤波器。
3.根据权利要求1或2任一项所述的触摸感测设备，其中，该电气电路被配置成用于从该信号滤波器接收至少两个响应信号；并且其中，该处理单元被配置成用于通过将所述响应信号相互比较并且由此测量该信号滤波器的特性的变化来检测由该外部对象进行的一次触摸的存在、所述触摸的位置、所述触摸的电容或电感、或者其组合。
4.根据权利要求1或2任一项所述的触摸感测设备，其中，该电气电路被配置成用于从该信号滤波器接收至少一个响应信号；并且其中，该处理单元被配置成用于通过将所述响应信号与源信号进行比较并且由此测量该信号滤波器的特性的变化来检测由该外部对象进行的一次触摸的存在、所述触摸的位置、所述触摸的电容或电感、或者其组合。
5.根据权利要求1至4任一项所述的触摸感测设备，进一步包括一个经由该电气电路电阻地或无线地耦合到该处理单元的外部组件，其中，该信号滤波器进一步由所述至少一个外部组件形成。
6.根据权利要求1至5任一项所述的触摸感测设备，其中，该信号滤波器的特性进一步受所述外部对象和该感测膜之间的距离、该外部对象的电容或电感、所述外部对象的物理特性、该膜的该电阻、在该敏感膜材料和该外部对象之间的一个电介质或绝缘层的存在、厚度或介电常数、或者其组合的影响。
7.根据权利要求1至6任一项所述的触摸感测设备，其中，该电气电路包括一个或多个电极，并且其中，这些电极中的至少一个被配置成用于将所述激励信号提供到该信号滤波器，并且这些电极中的至少一个被配置成用于从该信号滤波器接收所述电响应信号。
8.根据权利要求1至7任一项所述的触摸感测设备，其中，该信号滤波器的特性包括振幅响应、相位响应、电压响应、电流响应、信号形状响应或者其组合。
9.根据权利要求8所述的触摸感测设备，其中，该处理单元进一步被配置成用于基于该激励信号的至少一个预先确定的频率、振幅和波形来选择一个或多个有待测量的特性。
10.根据权利要求1至9任一项所述的触摸感测设备，其中，该触敏膜作为一个连续结构在一个平面内延伸。
11.根据权利要求1至9任一项所述的触摸感测设备，其中，该触敏膜包括：
两个或更多个平行的条带，这些条带由该导电材料制成并且在该触敏膜上向一个方向延伸，以及
在所述条带之间的多个区域，这些区域包括非导电材料，
其中，该电气电路电阻地或者无线地耦合到这些条带的每一个，并且该处理单元进一步被配置成用于沿着每个条带检测该触摸的存在和位置。
12.根据权利要求1至11任一项所述的触摸感测设备，其中，该触敏膜被形成为一个柔性结构，以便允许该触敏膜弯曲。
13.根据权利要求1至11任一项所述的触摸感测设备，其中，该触敏膜被形成为一个可变形结构，以便允许该触敏膜变形从而形成一个三维表面。
14.根据权利要求1至13任一项所述的触摸感测设备，其中，该触敏膜是光学透明的。
15.根据权利要求1至14任一项所述的触摸感测设备，其中，该触敏膜包括一个高纵横比分子结构(HARMS)网络、一种导电聚合物、石墨烯或一种陶瓷或者金属氧化物。
16.根据权利要求1至15任一项所述的触摸感测设备，其中，该触敏膜同样用作一种触觉界面膜。
17.根据权利要求1至16任一项所述的触摸感测设备，其中，该触敏膜同样用作一种变形检测膜。
18.根据权利要求1至17任一项所述的触摸感测设备，其中，由该处理单元确定的该电容或电感被用作一个用于确定力或者该触摸的力的相对变化的代理。
19.根据权利要求1至17任一项所述的触摸感测设备，其中，所述设备的部件之间的无线耦合是下列情形之一：通过无线电波耦合、通过磁场耦合、电感或电容耦合。
20.一种用于用触摸感测设备确定外部对象的存在、接近度、位置、电感、电容或者这些特征的组合的方法，该方法包括：
-提供一个或多个具有至少一个频率、振幅和波形的电激励信号到一个信号滤波器，该信号滤波器至少由在该触摸感测设备中的一个触敏膜的一个电阻和所述膜与该外部对象的一个电容或电感耦合形成，
-从该信号滤波器接收一个或多个响应信号，以及
-通过处理所述一个或多个响应信号并且由此测量该信号滤波器的特性的变化来检测由该外部对象进行的一次触摸的存在、或者所述触摸的位置。
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