DE102006043665B4

DE102006043665B4 - Kapazitiver Berührungssensor

Info

Publication number: DE102006043665B4
Application number: DE102006043665A
Authority: DE
Inventors: Harald Philipp; Samuel Brunet
Original assignee: QRG Ltd
Current assignee: Neodron Ltd
Priority date: 2005-09-20
Filing date: 2006-09-18
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2026-09-19
Also published as: GB2435998B; GB2435998A; DE202006014244U1; GB0519170D0; GB0618041D0; DE102006043665A1; KR20070032924A; JP2007086075A

Abstract

Ein kapazitiver Sensor umfassend: ein Substrat (4); eine widerstandsbehaftete erste Elektrode (Y1, Y2, Y3, Y4) auf einer Seite des Substrats (4) mit einem ersten und einem zweiten Ende; eine widerstandsbehaftete zweite Elektrode (X1, X2, X3) auf der anderen Seite des Substrats (4); und eine Kurzschlussverbindung (30, 130, 230) dazu ausgelegt, die beiden Enden der ersten Elektrode (Y1, Y2, Y3, Y4) zu verbinden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Berührungssensor zur Detektion der Gegenwart eines Objekts innerhalb eines Abtastbereichs.
Der Gebrauch berührungsempfindlicher Sensoren wird immer alltäglicher. Beispiele beinhalten den Gebrauch von Berührungssensoren in Laptop-Computern anstelle von Mauszeigergeräten und als Steuerkonsolen für die Entgegennahme von Anwendereingaben, um ein Gerät oder eine Anwendung sowohl für den häuslichen als auch tragbaren Gebrauch zu steuern.
Berührungsempfindliche Sensoren werden oft mechanischen Geräten vorgezogen, da sie eine widerstandsfähigere Schnittstelle bereitstellen und häufiger als ästhetischer angesehen werden. Da berührungsempfindliche Sensoren darüber hinaus keine für einen Anwender zugängliche beweglichen Teile benötigen, sind sie weniger verschleißanfällig als ihre mechanischen Gegenstücke und können mit einer versiegelten äußeren Oberfläche versehen sein. Dies macht ihren Gebrauch besonders ansprechend, falls die Gefahr von in ein Gerät eindringendem Schmutz oder Flüssigkeiten besteht. Darüber hinaus können berührungsempfindliche Sensoren im Gegensatz zu mechanischen Schnittstellen transparent gestaltet werden. Es besteht ein steigendes Interesse transparente Sensoren bereitzustellen, da diese über einer Anzeige verwendet werden können, um einen berührungsempfindlichen Bildschirm bereitzustellen, der einem Anwender Informationen anzeigen und auf die Berührung bestimmter Bereiche der Anzeige durch den Anwender reagieren kann.
Ein bekannter zweidimensionaler Positionssensor wird durch den vorliegenden Erfinder in WO 00/44018 [1] beschrieben. Dieser Positionssensor umfasst ein Feld aus N mal M Sensortasten. Jede Taste entspricht einer Schnittfläche zwischen einer Treiberelektrode und einer Leseelektrode. Ein elektrisches Treibersignal wird auf die Treiberelektrode angewendet. Der Grad der kapazitiven Kopplung dieses Treibersignals an die Leseelektrode wird durch eine Messung der Ladungsmenge, welche als Reaktion auf die Änderungen des Treibersignals an die Leseelektrode übergeht, festgestellt. Der Grad der kapazitiven Kopplung zwischen den Elektroden am Ort einer gegebenen Taste hängt von der Gegenwart von Objekten in der Nähe dieser Taste ab, da diese die elektrische Feldverteilung zwischen den Elektroden verändern wird. Einige Objekte, z. B. leitfähige Wasserfilme, werden die kapazitive Kopplung erhöhen. Andere Objekte, z. B. ein Mensch, der eine beträchtliche kapazitive Kopplung zur Erde besitzt, wird die kapazitive Kopplung vermindern. Dies liegt daran, dass Ladung eher durch das angrenzende Objekt zur Erde abfließen kann, als durch die Leseelektrode.
Das in WO 00/44018 beschriebene Tastenfeld ist ein matrixförmiges Feld. Dies bedeutet, dass eine einzelne Treiberelektrode den Tasten in einer gegebenen Spalte zugeordnet ist und eine einzelne Leseelektrode den Tasten in einer gegebenen Zeile zugeordnet ist. Dies vermindert die Anzahl der benötigten Steuer- und Lesekanäle, da ein einzelner Steuerkanal gleichzeitig alle Tasten einer gegebenen Spalte ansteuert und ein einzelner Lesekanal alle Tasten einer gegebenen Zeile abtastet. Die kapazitive Kopplung zwischen den Elektroden an den Positionen der unterschiedlichen Tasten kann durch die Ansteuerung der geeigneten Spalte und die Abtastung der geeigneten Zeile feststellt werden. Um beispielsweise die kapazitive Kopplung zwischen den zur Taste an der Schnittstelle der Spalte 2 und Zeile 3 gehörenden Elektroden festzustellen, wird das Treibersignal auf die Treiberelektrode der Spalte 2 angewendet, während der zur Leseelektrode der Zeile 3 gehörende Lesekanal aktiviert ist. Die Ausgabe bzw. der Ausgang des aktiven Lesekanals gibt die kapazitive Kopplung zwischen den Elektroden wieder, welche zur untersuchten Taste gehören. Es spielt keine Rolle, dass das Treibersignal auf andere Tasten in Spalte 2 angewendet wird, da die diesen Tasten zugeordneten Zeilen nicht abgetastet werden. Ebenso spielt es keine Rolle, dass die anderen Tasten in Zeile 3 abgetastet werden, da diese Tasten nicht angesteuert werden. Auf diese Weise können die unterschiedlichen Tasten über einen Durchlauf durch die verschiedenen Kombinationen von Steuer- und Lesekanälen abgefragt oder abgetastet werden.
Der in WO 00/44018 beschriebene zweidimensionale Positionssensor ist ein widerstandsfähiges und effizientes Gerät. Ein wichtiges Merkmal dieses Positionssensortyps, welches zu seiner guten Leistung beiträgt, ist jedoch die Tatsache, dass die Leseelektrode während des Ladungsübergangs von der Signalelektrode zur Leseelektrode als virtuelle Masse wirken sollte. Jeder Lesekanal umfasst einen Ladungsdetektor zur Bestimmung der als Reaktion auf die Änderung des Treibersignals (d. h. der Grad der AC kapazitiven Kopplung) übergegangenen Ladungsmenge. Es ist von Bedeutung, dass diese Elektrode einen Knoten geringer Impedanz darstellt, da dies ein effizientes Abfließen der Ladung zum Ladungsdetektor ermöglicht. Falls die Leseelektrode keine geringe Eingangsimpedanz aufweist, treten Ladungsströme in Form von Spannungsimpulsen an der Leseelektrode auf, welche im Lesekanal durch das sich ändernde Treibersignal induziert werden. Dies macht den Sensor anfällig für „walk-by”-Interferenzen von Objekten nahe der Drahtverbindung zwischen der Leseelektrode und dem Ladungsdetektor. Dies liegt daran, dass ein Objekt nahe der Verdrahtung einen Teil des Signals der Drahtverbindung absorbieren kann und somit das Signal, welches dem Ladungsdetektor zugeführt wird, reduziert. Diese kann der Kontrollschaltung als Verminderung der kapazitiven Kopplung an der Taste (d. h. ein Detektions-Ereignis) erscheinen, obwohl sich das Objekt in der Nähe der Verdrahtung und nicht der Leseelektrode befindet. Somit kann eine Hand, welche sich über die Verdrahtung einer Elektrodenzeile bewegt, um eine Taste in einer anderen Zeile zu aktivieren, zu einer fehlerhaften Ausgabe führen. Falls der Lesekanal darüber hinaus eine beträchtliche Eingangsimpedanz aufweist, wird die Länge der im Sensor verwendeten Verdrahtung eine Einflussgröße für die Ermittlung der Verstärkung der Schaltung. Dies liegt daran, dass die Verdrahtung einen kapazitiven „bleed off” eines Teils des Lesesignals in den freien Raum, angrenzende Drähte und der Masse bewirkt, wodurch ein kapazitiver Teilerschaltkreis mit kapazitiver Kopplung zwischen den Tasten gebildet wird.
Die niedrige Impedanzcharakteristik der in WO 00/44018 verwendeten Ladungsdetektionsschaltung bedeutet, dass die oben benannten Problems vermindert werden. Im Zusammenhang mit transparenten Berührungssensoren ergibt sich allerdings ein Problem, da die meisten transparenten elektrischen Leiter, welche dazu verwendet werden können Signal- und Leseelektroden in einem Positionssensor auf die in WO 00/44018 (z. B. Indium-Zinnoxid (ITO)) beschriebene Art herzustellen, im Vergleich zu Kupferverdrahtungen sehr widerstandsbehaftet sind. Beispielsweise sind 300 Ohm pro Quadrat in optimal transparenten ITO-Filmen üblich. Dies bedeutet, dass transparente Leiter im Gegensatz zu Materialien wie Kupfer im Allgemeinen nicht zu Elektroden und zugehörigen Verdrahtungen mit vernachlässigbarem Widerstand verarbeitet werden können (zumindest für Dicken für welche sie im Wesentlichen transparent bleiben). Auch wenn somit die Ladungsdetektionsschaltung selbst eine angemessene geringe Impedanz aufweist, muss dies für das Material der Spalten aus Signalelektroden und Zeilen aus Leseelektroden (und alle zugehörigen Verdrahtungen aus demselben Material) nicht der Fall sein. Somit ist es schwierig, die in WO 00/44018 beschriebenen Gerätetypen, in denen Elektroden durch einen widerstandsbehafteten Leiter hergestellt werden (z. B. transparente Leiter), zuverlässig zu realisieren.
Darüber hinaus ist bei vielen Designs für Berührungskonsolen die gleichzeitige Möglichkeit, die kapazitiven Berührungstasten benachbart eines Touch-Screen-Bereichs abzutasten, von beträchtlicher Bedeutung. Diese Art von Konsolentasten sind im Wesentlichen in WO 00/44018 in Verbindung mit Berührungsknöpfen auf einer dielektrischen Oberfläche unter Verwendung von Kupfer oder einer anderen metallischen Niedrigwiderstandsverdrahtung beschrieben. Der Wunsch, Niedrigwiderstandsverdrahtungen mit Hochwiderstandsverdrahtungen aus transparenten Leitern zu vereinen, kann zu Problemen beim Schaltkreisdesign führen, welche üblicherweise die Verwendung zweier unterschiedlicher Typen oder Leistungen kapazitiver Schaltungen erfordern.
Ein transparenter kapazitiver Sensor ist auch aus der US-Patentschrift Nr. 6,137,427 bekannt. In diesem herkömmlichen Sensor wird das Problem mit den widerstandsbehafteten Elektroden dadurch gelöst, dass mehrere dieser Elektroden zu Gruppen zusammengeschaltet werden. Daraus ergeben sich aber Nachteile hinsichtlich der Gestaltungsmöglichkeiten und der Elektrodenanordnung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen kapazitiven Sensor anzugeben, der die oben genannten Nachteile im Stand der Technik überwindet.
Dies wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung ist ein kapazitiver Sensor geschaffen, umfassend: ein Substrat, eine widerstandsbehaftete erste Elektrode auf einer Seite des Substrats; eine widerstandbehaftete zweite Elektrode auf der anderen Seite des Substrats; und eine Kurzschlussverbindung derart ausgestaltet, dass sie wenigstens zwei Stellen der ersten Elektrode verbindet.
Der Sensor kann als aktiver oder passiver Sensor betrieben werden. Wird der Sensor als aktiver Sensor betrieben, hilft die Bereitstellung der Kurzschlussverbindung die durch die Elektroden verursachte Impedanz zu vermindern, um Signale, welche auf die eine oder andere der ersten und zweiten Elektrode angewendet werden, zu treiben. Dadurch kann Ladung effizienter durch den Sensor gekoppelt werden und somit Spannungsdifferenzen zwischen den jeweiligen Elektroden und der zugeordneten Schaltung vermindert werden. Dies bedeutet, dass Effekte von „walk-by”-Interferenzen, die normalerweise auftreten können, wenn ein Sensor keinen Knoten niedriger Impedanz darstellt, um ein Signal zu treiben, reduziert werden können. Sind das Substrat und die Elektroden transparent, kann somit ein transparenter Sensor mit reduzierter Empfindlichkeit gegenüber „walk-by”-Interferenzen bereitgestellt werden, obwohl die Elektroden widerstandsbehaftet sind. Wird der Sensor als passiver Sensor betrieben (z. B. mit an die erste und zweite Elektrode gekoppelten Lesekanälen), verringert die Verminderung der Impedanz der Elektroden aufgrund der Bereitstellung der Kurzschlussverbindung auf gleiche Weise die Effekte der „walk-by”-Interferenzen.
Im Allgemeinen wird die erste (d. h. die der Kurzschlussverbindung zugeordnete) Elektrode die Elektrode mit dem größten Gesamtwiderstand sein. Dies wird abhängen von der Anordnung des widerstandsbehafteten Materials, aus dem die jeweiligen Elektroden gefertigt sind. Der Sensor kann jedoch eine weitere Kurzschlussverbindung umfassen, welche ausgestaltet ist, zwischen zwei Stellen der anderen Elektrode zu verbinden, falls dies gewünscht ist (d. h. so, dass eine Kurzschlusselektrode sowohl für die erste als auch für die zweite Elektrode bereitgestellt ist)
Die Elektroden können so in einem Muster angeordnet sein, dass ein Feld offener Bereiche auf einer Seite des Substrats und ein Feld gefüllter Bereiche auf der anderen Seite bereitgestellt sind, wobei der gefüllte Bereich mit den offenen Bereichen ausgerichtet angeordnet ist. Dies ermöglicht es, dass elektrische Felder aus dem Bereich zwischen den Elektroden herausströmen. Dies ermöglicht es einem Objekt, welches die elektrischen Eigenschaften im Bereich der herausströmenden Felder verändert (z. B. durch die Bereitstellung einer virtuellen Masse), die kapazitive Kopplung zwischen den Elektroden zu verändern und somit detektiert zu werden.
Im Falle eines aktiven Sensors kann der Sensor mit einer zugeordneten Schaltung ausgestattet sein, welche einen Treiberkanal umfasst, der elektrische Treibersignale auf eine der ersten oder zweiten Elektroden (welche aus diesem Grund als Treiberelektrode bezeichnet werden kann) anwenden kann, und einem Lesekanal, welcher (Tast-)elektrische Signale die in einer der ersten oder zweiten Elektrode in Antwort auf Treibersignale induziert werden (welche aus diesem Grund als Leseelektrode bezeichnet werden muss), detektieren kann.
Der Treiberkanal kann ein Schalterelement umfassen, welches die Treiberelektrode wahlweise mit einer Spannungsquelle verbindet oder von ihr trennen kann. Der Lesekanal kann eine Ladungstransferschaltung umfassen.
Im Fall eines passiven Sensors kann der Sensor mit einem zugeordneten Schaltkreis ausgestattet sein, welcher Lesekanäle für die Detektion von Änderungen in der Kapazität der jeweiligen Elektroden zur Erde umfasst.
Der Sensor kann mehr als eine Elektrode auf der Seite des Substrats mit der ersten Elektrode und/oder mehr als eine Elektrode auf der Seite des Substrats mit der zweiten Elektrode umfassen und somit mehrere Sensorbereiche (Tasten) bereitstellen.
Wo mehr als eine Elektrode auf der einen oder anderen Seite des Substrats vorhanden sind, können die Elektroden in einem matrixförmigen Feld angeordnet werden, um es den den Elektroden zugeordneten Schaltungselementen (z. B. die Treiber- und Lesekanäle eines aktiven Sensors) zu ermöglichen, mehr als einer Taste zu dienen.
Entsprechend einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Bedienelement (eine Steuerkonsole) bereitgestellt, welche den Sensor der ersten Ausführung der Erfindung und ein über dem Sensor liegendes Abdeckelement umfasst. Dies ermöglicht es dem Sensor, während des Gebrauchs geschützt zu sein.
Das Bedienelement kann weiterhin wenigstens eine, z. B. aus Kupfer gefertigte, Niedrigwiderstand-Elektrode umfassen, um eine konventionelle kapazitive berührungsempfindliche Taste in Verbindung mit dem Sensor nach dem ersten Aspekt der Erfindung bereitzustellen. Ein einzelner Kontroller kann verwendet werden, um den Arbeitsablauf des Sensors nach dem ersten Aspekt der Erfindung und die konventionelle kapazitive berührungsempfindliche Taste zu verwalten.
Das Abdeckelement und der Sensor können durch ein Klebemittel mit passendem bzw. aufeinander abstimmendem Brechungsindex aneinander befestigt sein. Dies kann behilflich sein, die optische Transparenz zu erhalten, wenn der Sensor und das Abdeckelement transparent sind.
Darüber hinaus kann das Bedienelement einen unter dem Sensor liegenden Anzeigeschirm umfassen. Somit kann ein berührungsempfindlicher Anzeigeschirm bereitgestellt werden. Der Anzeigeschirm und der Sensor können auch durch ein Klebemittel mit anpassendem Brechungsindex aneinander befestigt werden.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine das Bedienelement nach dem zweiten Aspekt der Erfindung umfassende Apparatur bereitgestellt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein besseres Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie dieselbe ausgeführt werden kann, wird nun auf die Beispiele der begleitenden Zeichnungen Bezug genommen:
1A und 1B zeigen schematisch jeweils Vorder- und Rückansichten eines zweidimensionalen kapazitiven Positionssensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt schematisch die Vorder- und Rückansicht des in den 1A und 1B gezeigten Sensors;
3A zeigt schematisch in Draufsicht einen Bereich des in 2 gezeigten Sensors in einem vergrößerten Maßstab;
3B zeigt schematisch den Teilbereich des in der 3A dargestellten Sensors im Querschnitt;
3C und 3D zeigen schematisch Querschnittansichten von Teilbereichen des in 3B gezeigten Sensors mit überlagerten elektrischen Feldlinien;
4A und 4B zeigen schematisch Draufsichten von Teilbereichen von Sensoren entsprechend anderen Ausführungsformen der Erfindung;
5A und 5B zeigen schematisch jeweils Vorder- und Rückansichten eines zweidimensionalen kapazitiven Positionssensors gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
6A zeigt schematisch einen elektrischen Schaltkreis für den Gebrauch mit Sensoren gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
6B zeigt schematisch die zeitliche Beziehung zwischen einigen Elementen der in 6A gezeigten Schaltung;
7 zeigt schematisch einen berührungsempfindlichen Anzeigebildschirm, welcher einen Sensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst;
8 zeigt schematisch eine Waschmaschine, welche einen Sensor entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung umfasst;
9 zeigt schematisch ein Mobiltelefon, welches einen Sensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst;
10A und 10B zeigen schematisch jeweils Vorder- und Rückansichten eines zweidimensionalen kapazitiven Positionssensors gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung; und
11A und 11B zeigen schematisch jeweils Vorder- und Rückansichten eines zweidimensionalen kapazitiven Positionssensors gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1A und 1B zeigen schematisch jeweils Vorder- und Rückansichten eines zweidimensionalen kapazitiven Positionssensors 2 entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung. Die Begriffe „Vorder-” und „Rück-” werden der Einfachheit halber verwendet, um sich auf gegenüberliegende Seiten des Sensors 2 zu beziehen und beabsichtigen keine Festlegung auf eine spezielle räumliche Orientierung. Der Begriff „Vorder-” wird verwendet, um die Seite eines Sensors zu kennzeichnen, die typischerweise einem zu erfassenden Objekt gegenüberliegt, wenn sich der Sensor im normalen Gebrauch befindet. Es ist jedoch ersichtlich, dass der Sensor in vielen Fällen umkehrbar ist.
Der Sensor 2 umfasst ein Substrat 4 mit einem Muster aus auf beiden Seiten angebrachten Elektroden, welche zusammen einen empfindlichen Bereich des Sensors definieren. Das Muster der Elektroden auf dem Substrat kann durch die Anwendung konventioneller Techniken erreicht werden. Das Substrat 4 besteht aus transparentem Kunststoffmaterial, in diesem Fall Polyethylen-Therephthalat (PET). Die Elektroden bestehen aus einem transparenten, leitfähigen Material, in diesem Fall ITO. Somit ist der gesamte empfindliche Bereich transparent und kann ohne Verdunkelung über einer darunter liegende Anzeige verwendet werden. Der Sensor umfasst zusätzlich eine Treibereinheit 6, um die Elektroden auf einer Seite mit Treibersignalen zu versorgen, in diesem Fall die Vorderseite des Substrats 4 (1A) und eine Leseeinheit 8, um Signale von den Elektroden auf der anderen Seite des Substrats 4 zu erfassen, in diesem Fall die Rückseite (1B). Der Sensor 2 umfasst weiterhin einen an die Treibereinheit 6 und die Leseeinheit 8 gekoppelten Sensor-Kontroller 10. Der Sensor-Kontroller 10 steuert den Arbeitsablauf der Treiber- und Leseeinheiten und verarbeitet Rückmeldungen der Leseeinheit, um die Position eines Objektes nahe des Sensors zu ermitteln. Die Treibereinheit 6, die Leseeinheit 8 und der Sensor-Kontroller 10 sind schematisch in 1A und 1B als getrennte Elemente dargestellt. Im Allgemeinen wird die Funktionalität dieser Elemente allerdings durch einen einzelnen integrierten Schaltungschip bereitgestellt, beispielsweise einen geeignet programmierten Mehrzweck-Mikroprozessor oder ein feldprogrammierbares Gate-Array oder eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung.
Das Elektrodenmuster auf der Vorderseite des Substrats (1A) umfasst drei „Spalten”-Elektroden X1, X2 und X3. Diese verlaufen vertikal und sind gemäß der in 1A gezeigten Orientierung waagrecht zueinander beabstandet. (Die Begriffe vertikal und waagrecht, oben und unten usw., wie sie hier benutzt werden, beziehen sich auf die Orientierung des in den 1A und 1B gezeigten Sensors 2, außer der Zusammenhang verlangt es anders. Die Begriffe beziehen sich nicht auf eine spezielle Orientierung des sich im normalen Gebrauch befindlichen Sensors. Darüber hinaus werden die Begriffe Spalte und Zeile generell dazu benutzt, sich passend auf vertikale und waagrechte Ausrichtungen zu beziehen.) Jede Spaltenelektrode X1, X2, X3 ist aus einem elektrisch durchgängigen Bereich aus ITO mit einer darin enthaltenen Vielzahl rautenförmig geformter offener Bereiche (d. h. Bereiche ohne vorhandenem ITO auf dieser Seite des Substrats) geformt. Die offenen Bereiche in jeder der Spaltenelektroden sind in vier vertikal zueinander versetzten, waagrechten Bändern angeordnet, wobei jedes Band vier Zeilen und neun Spalten an Öffnungen umfasst. Das Elektrodenmuster auf dieser Seite des Substrats enthält auch ein Masseschild 14. Dies ist aus einem durchgängigen Bereich ITO geformt, der waagrecht entlang der oberen Kante der Spaltenelektroden verläuft und sich in die Bereiche zwischen ihnen erstreckt. Das Masseschild ist mit einer Systemmasse 18 (d. h. einem Systemreferenzpotential) verbunden. Das Masseschild kann behilflich sein, ein Übersprechen zwischen den verschiedenen Spaltenelektroden während des Gebrauchs zu vermindern, kann aber bei Bedarf weggelassen werden.
Die Spaltenelektroden X1, X2, X3 sind mittels Treiberdrähten 20 mit den jeweiligen Treiberkanälen D1, D2, D3 in der Treibereinheit 6 verbunden. Deshalb werden die Spaltenelektroden manchmal als getriebene oder Treiberelektroden bezeichnet. In diesem Beispiel ist für jede Spaltenelektrode ein separater Treiberkanal bereitgestellt. Ein einzelner Treiberkanal mit geeigneter Multiplexierung kann jedoch ebenso verwendet werden. Die Treiberkanäle werden durch den Kontroller 10 gesteuert, um die Treibersignale auf die jeweiligen Spaltenelektroden, wie weiter unten beschrieben, anzuwenden. Die Treiberdrähte umfassen eine konventionelle Kupferverdrahtung (z. B. Bandstecker), welche an die ITO-Spaltenelektroden mittels Karbon-Unterlagen 26 angeschlossen sind. Die Treiberdrähte 20 sind schematisch in 1A gezeigt, und im Allgemeinen kann eine bessere Leistung erreicht werden, wenn die zu den verschiedenen Elektroden zugeordnete Treiberdrähte ähnliche Längen haben, da dies helfen kann, die Leistungsunterschiede zwischen den Kanälen zu minimieren. In einigen Beispielen können die Treiberdrähte auch aus ITO-Leiterbahnen auf dem Substrat gefertigt sein, welche durch einen Randverbinder mit den Treiberkanälen verbunden sind. Im Allgemeinen wird eine konventionelle Verdrahtung jedoch den Vorteil von Treiberdrähten mit geringerem Widerstand haben.
Das Elektrodenmuster auf der Rückseite des Substrats (1B) umfasst vier „Zeilen”-Elektroden Y1, Y2, Y3, Y4, welche waagrecht verlaufen und voneinander vertikal beabstandet sind. Jede Zeilenelektrode Y1, Y2, Y3, Y4 ist aus einem elektrisch durchgängigen Bereich aus ITO gefertigt. Die Zeilenelektroden Y1, Y2, Y3, Y4 sind derart gefertigt, dass jede von ihnen ein Muster umfasst, welches den drei Spaltenelektroden X1, X2, X3 auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats 4 zugeordnet ist, drei Mal entlang seiner Länge wiederholt wird. Das Wiederholungsmuster umfasst vier Unterzeilen aus ITO, die bezüglich der jeweiligen der vier Zeilen aus rautenförmigen offenen Bereichen in einem der entsprechenden vier Bänder der offenen Bereichen im ITO, welche die Spaltenelektroden formen, ausgerichtet sind. Jede der Unterzeilen umfasst neun gefüllte Bereiche, wobei das die Zeilen formende ITO Rautenformen ausfüllt, welche den jeweiligen der offenen Bereichen auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats entsprechen und ihnen entsprechend ausgerichtet sind. In diesem Fall kontaktieren die gefüllten Bereiche einer Unterzeile gerade die gefüllten Bereiche einer benachbarten Unterzeile, was aber nicht von Bedeutung ist. Die Enden jeder Zeilenelektrode sind durch Kurzschlussverbindungen 30 niedrigen Widerstandes miteinander verbunden, die durch eine, mittels Karbonunterlagen 27, außerhalb des empfindlichen Bereichs verlaufende Verdrahtung gegeben sind. In diesem Beispiel umfassen die Kurzschlussverbindungen 30 eine konventionelle Kupferverdrahtung (z. B. Bandverbinder), welche mit den Enden der jeweiligen Zeilenelektroden über die Karbonunterlagen 27 verbunden sind.
Die Zeilenelektroden Y1, Y2, Y3, Y4 sind durch Lesedrähte 32 mit den jeweiligen Lesekanälen S1, S2, S4, S4 in der Leseeinheit 8 verbunden. Deshalb werden die Zeilenelektroden manchmal als Leseelektroden bezeichnet. In diesem Beispiel wird für jede Zeilenelektrode ein separater Lesekanal bereitgestellt, aber wie bei den Treiberkanälen könnte ebenso ein einzelner Lesekanal mit geeigneter Datenübertragung verwendet werden. Die Lesekanäle werden durch den Kontroller 10 gesteuert, um Antwortsignale der jeweiligen Zeilenelektroden, wie weiter unten beschrieben, zu messen. Die Lesedrähte 32 umfassen konventionelle Kupferverdrahtung, welche mit der Kurzschlussverbindungen 30 verbunden sind. Somit sind die Lesekanäle mit beiden Enden der entsprechenden Zeilenelektroden durch Niedrigwiderstands-Verbindungen verbunden, die durch eine Kombination der Lesedrähte und der Kurzschlussverbindungen gegeben sind.
Selbstverständlich ist die spezielle, in 1B gezeigte Anordnung, welche Kurzschlussverbindungen 30 zwischen den jeweiligen Zeilenelektrodenenden und die Kurzschlussverbindungen mit den Lesekanälen verbindenden Lesedrähte 32 verwendet, nur eine Möglichkeit die Lesekanäle mit beiden Enden der jeweiligen Zeilenelektroden zu verbinden. Das gleiche Ergebnis könnte beispielsweise durch die Verwendung von Verbindungen erzielt werden, welche direkt von jedem der Lesekanäle zu den zwei Enden der zugeordneten Zeilenelektroden verlaufen.
Wie bei den in 1A gezeigten Treiberdrähten 20 sind die Lesedrähte 30 schematisch dargestellt, und im Allgemeinen kann eine bessere Leistung erreicht werden, wenn die den verschiedenen Elektroden zugeordnete Verdrahtung von einer ähnlichen Länge ist, um die Leistungsunterschiede zwischen den Kanälen zu minimieren. In einigen Beispielen können die Verbindungen zwischen den Lesekanälen und den Enden der Zeilenelektroden gänzlich oder teilweise aus Leiterbahnen auf dem Substrat gefertigt werden. Dies ist möglich durch eine Fertigung der Leiterbahnen aus ITO (vielleicht dicker hergestellt als im transparenten Bereich des Sensors, um ihren Widerstand zu reduzieren) aber im Allgemeinen wird es von Vorteil sein, Silber-Ink-Leiterbahnen zu verwenden, da diese im Allgemeinen einen kleineren Widerstand haben. In diesem Fall wird jedoch eine konventionelle Kupferverdrahtung verwendet, um die Lesekanäle mit den Zeilenelektroden zu verbinden, und dies hat außerdem den Vorteil, dass Verbindungen mit einem geringeren Widerstand, als er im Allgemeinen durch die Verwendung von ITO erreicht wird, bereitgestellt werden.
2 zeigt schematisch eine Draufsicht des in den Figuren 1A und 1B gezeigten Sensors 2, wobei sowohl das Elektrodenmuster der Vorderseite (1A), als auch der Rückseite (1B) zusammen gezeigt wird. Das Elektrodenmuster auf der Rückseite des Substrats wird im oberen Bereich dieser Figur gezeigt (d. h. der Betrachter sitzt hinter dem Substrat). Diese Figur zeigt, wie die gefüllten rautenförmigen Bereiche in den Elektrodenzeilen der Rückseite (1B) mit den gegenüberliegenden Öffnungen in den Spaltenelektroden auf der Vorderseite (1A) überlappen. In 2 werden die Treibereinheit 6, die Sensoreinheit 8 und der Sensor-Kontroller 10 als Untereinheiten eines einzelnen Mikro-Kontrollers 50 dargestellt, welcher die Funktionsweise aller drei Elemente steuert. Außerdem ist ein Geräte-Kontroller 52 gezeigt, welcher Positionsinformationen vom Sensor-Kontroller empfängt (d. h. ein Signal P_xy, das eine berechnete Position eines in einem Erfassungsbereich erfassten Objektes angibt) und durch Ausgabe eines Steuersignals C entsprechend der gemessenen Position reagiert, um ein mit dem Sensor verknüpftes Gerät zu steuern.
3A zeigt schematisch einen vergrößerten Teilbereich des in 2 gezeigten Sensors. Insbesondere ist der durch die gestrichelte Linie R in 2 markierte Bereich des Sensors gezeigt. 3A zeigt deutlicher, wie jede der rautenförmigen gefüllten Bereiche in den Elektrodenzeilen auf der Rückseite des Substrats (1B) mit den entsprechenden der rautenförmigen offenen Bereiche in den Spaltenelektroden auf der Vorderseite (1A) ausgerichtet sind. Die offenen Bereiche in den Spaltenelektroden sind schematisch durch gestrichelte Umrisse etwas kleiner dargestellt, als sie im Verhältnis zu den rautenförmigen gefüllten Bereichen in den Zeilenelektroden sind, damit sie in der Figur besser erkannt werden. In der Praxis würden die gefüllten Bereiche und die entsprechenden offenen Bereiche mit einer im Wesentlichen gleichen Größe ausgestaltet sein, damit sie enger überlappen.
3B zeigt schematisch eine Schnittansicht des Bereiches des in 3A gezeigten Sensors 2 entlang der Linie AA'. Die Schnittansicht zeigt außerdem andere Elemente, welche mit dem Sensor 2 kombiniert sind, um eine berührungsempfindliche Anzeige 60 und außerdem ein Objekt (in diesem Fall ein Finger des Benutzers mit einer Kapazität C_x zur Erde), dessen Position abgetastet werden soll, bereitzustellen. Die Schnittansicht der 3B ist mit der Vorderseite des Sensors 2 nach oben zeigend dargestellt.
3B zeigt die berührungsempfindliche Anzeige 60 umfassend mehrere Schichten, welche mit L1 bis L7 von der Anwenderseite nach unten zählend gekennzeichnet sind. Die oben beschriebenen Sensorelemente umfassen die Schichten L3, L4 und L5. Die Schicht L4 ist das Substrat und die Schichten L3 und L5 sind jeweils die ITO-Abscheidungen auf der Vorder- und Rückseite des Substrats. Die Schicht L5 (1B hinten) zeigt die Karbonunterlage 27 für die Verbindung der Zeilenelektrode mit der Kurzschlussverbindung 30. Angrenzend daran ist ein durchgängiger Abschnitt ITO, der entlang der Zeilenelektrode an der Stelle des Schnitts AA' verläuft. Dieser durchgehende Abschnitt ITO ist schematisch als alternierend aus ausgefüllten Bereichen 68 und schraffierten Bereichen 70 dargestellt. Die ausgefüllten Abschnitte 68 entsprechen den rautenförmigen gefüllten Bereichen und die schraffierten Abschnitte 70 entsprechen den Teilbereichen der Unterzeile der Zeilenelektrode, durch welche der Schnitt verläuft, der die rautenförmigen gefüllten Bereich verbindet. Die Schicht L3 zeigt das ITO-Abscheidungsmuster auf der Vorderseite des in 1A gezeigten Substrats. Die in 3B gezeigte Schnittansicht verläuft durch mehrere der rautenförmigen, offenen Bereiche, sodass die Schicht L3 abwechselnde Abschnitte schraffierter Bereiche 60 mit ITO und nicht ausgefüllte Bereiche 62 ohne ITO auf dieser Seite des Substrats umfasst. Aus 3B ist deutlich zu sehen, dass die rautenförmigen gefüllten Bereiche auf der Rückseite des Substrats 4 (Schicht L5) mit den rautenförmigen offenen Bereichen auf der Vorderseite ausgerichtet sind.
Die Schicht L1 der berührungsempfindlichen Anzeige 60 ist eine Abdeckkonsole, z. B. aus Glas- oder Kunststoffmaterial, welche den Sensor während des Gebrauchs schützt. Die Abdeckkonsole kann auf Wunsch auch Hinweisschilder umfassen. Die Schicht L2 ist eine haftende Schicht, welche den Sensor 2 an die Abdeckkonsole bindet. Die Schicht L7 ist ein Anzeigeschirm, z. B. eine Flüssigkristallanzeige. Die Schicht L6 ist eine haftende Schicht, welche den Sensor (und die anhaftende Abdeckkonsole) an den Anzeigeschirm bindet. Es kann vorteilhaft für die jeweilige haftende Schicht sein, einen abgeglichenen Index wie das ITO und die Abdeckkonsole/Anzeigeschirm-Abdeckung zu haben, um die Transparenz zu verbessern.
Jede der Schnittflächen zwischen einer Zeilenelektrode und einer Spaltenelektrode kann einem diskreten Erfassungsbereich (Taste) des Positionssensors 2 entsprechend angesehen werden. Somit umfasst der Positionssensor 2 zwölf Tasten, welche in vier Zeilen und drei Spalten angeordnet sind. Im Betrieb kann der Sensor auf eine, ähnlich zu der in der Druckschrift WO 00/44018 beschriebenen, Art betrieben werden, deren Inhalte unter Bezugnahme hier eingeschlossen sind. Ob ein Objekt an eine gegebene Taste grenzt oder nicht, wird durch die Untersuchung der kapazitiven Kopplung zwischen der Spaltenelektrode und der Zeilenelektrode, welche sich kreuzen und damit eine Taste definieren, festgelegt. Um festzustellen, ob ein Objekt an die in 2 gezeigte Taste oben links angrenzt, werden somit der der Spaltenelektrode X1 zugeordnete Treiberkanal D1 und der der Zeilenelektrode Y1 zugeordnete Lesekanal S1 aktiviert.
Falls aktiviert, legt der Treiberkanal D1 ein sich mit der Zeit änderndes Treibersignal an die Spaltenelektrode X1 an. Der Treiberkanal D1 kann ein einfaches CMOS-Logikgatter sein, welches durch eine konventionell regulierte Stromversorgung versorgt und durch einen Sensor-Kontroller 10 gesteuert wird, um eine periodische Vielzahl an Spannungsimpulsen einer ausgewählten Dauer (oder in einer einfachen Implementierung ein einfacher Übergang von einer Niedrig-zu-Hoch- oder Hoch-zu-Niedrigspannung) bereitstellt. Alternativ dazu kann der Treiberkanal einen sinusförmigen Generator oder einen Generator einer zyklischen Spannung mit einer anderen geeigneten Wellenform umfassen. Ein sich änderndes elektrisches Feld wird somit an den steigenden und fallenden Flanken des Verlaufes der Spannungszyklen, welche auf die gesteuerte Spaltenelektrode X1 angewendet werden, erzeugt. Die Spaltenelektrode X1 und die Zeilenelektrode Y1 wirken wie gegenüberliegende Platten eines Kondensators mit der Kapazität C_E. Die Kapazität C_E wird vorwiegend durch den Überlappbereich der Spaltenelektrode X1 und der Zeilenelektrode Y1 (d. h. an der durch die Schnittstelle dieser Elektroden definierten Position der Taste) bestimmt. Der Grund dafür ist, dass die Elektroden an dieser Stelle den kleinsten Abstand zueinander haben. Somit ist die Zeilenelektrode Y1 kapazitiv an die getriebene Spaltenelektrode X1 gekoppelt und empfängt oder senkt somit das durch die getriebene Spaltenelektrode generierte, sich ändernde elektrische Feld. Dies resultiert in einem Stromfluss in der Zeilenelektrode Y1, welcher durch die sich ändernde Spannung an der getriebenen Spaltenelektrode S1 durch kapazitive Differenzierung der sich ändernden elektrischen Felder induziert wird. Der Strom fließt zu (oder von, abhängig von der Polarität) beiden Enden der Zeilenelektrode Y1 und zu (oder von) dem Lesekanal S1 in der Leseeinheit 8 über die geeignete Kurzschlussverbindung 30 und dem Lesedraht 32. Der Lesekanal umfasst eine Ladungsmessungsschaltung, die konfiguriert ist, den durch die in der Zeilenelektrode Y1 induzierten Ströme verursachten Ladungsfluß in/aus (abhängig von der Polarität) dem Lesekanal zu messen.
Die kapazitive Differentiation ist durch die Gleichung, welche den Stromfluß durch einen Kondensator bestimmt, beschrieben, nämlich: I_E = C_E × dV / dt, wobei I_E der momentane Strom im Lesedraht 32 und dV/dt die auf die gesteuerte Spaltenelektrode X1 angewendete Spannungsänderungsrate ist. Die Ladungsmenge, welche während eines Kantenübergangs an die Zeilenelektrode Y1 (und somit in/aus dem Lesekanal S1) gekoppelt ist, ist das Integral der oberen Gleichung über die Zeit, d. h. Q_E = C_E × V.
Die an jeden Übergang gekoppelte Ladung Q_E ist unabhängig vom zeitlichen Anstieg von V (d. h. dV/dt) und hängt nur vom Spannungshub an der getriebenen Spaltenelektrode (welcher leicht fixiert werden kann) und der Größe der Kopplungskapazität C_E zwischen der getriebenen Spaltenelektrode und der Lesezeilenelektrode ab. Somit entspricht die Bestimmung der in/an den Ladungsdetektor, welcher den Lesekanal S1 umfasst, gekoppelte Ladung in Antwort auf Änderungen des auf die Spaltenelektrode X1 angewendeten Treibersignals einem Maß für die Kopplungskapazität C_E zwischen der getriebenen Spaltenelektrode X1 und der Lesezeilenelektrode Y1.
Die Kapazität eines konventionellen parallelen Plattenkondensators ist nahezu unabhängig von den elektrischen Eigenschaften des Bereichs außerhalb des Gebietes zwischen den Platten (wenigstens für Platten deren Ausmaß groß im Vergleich zu ihrem Abstand ist). Die Kombination der rautenförmigen offenen Bereiche in den Spaltenelektroden mit den Lücken im ITO zwischen den verschiedenen Unterzeilen in den Zeilenelektroden bedeutet jedoch, dass wenigstens einige der die Spaltenelektrode X1 und die Zeilenelektrode Y1 verbindenden elektrischen Felder aus dem Substrat „quellen”. Dies bedeutet, dass die kapazitive Kopplung (d. h. die Größe von C_E) zwischen der getriebenen Spaltenelektrode und der Lesezeilenelektrode bis zu einem gewissen Grad empfindlich gegenüber den elektrischen Eigenschaften des Bereiches in der Nähe der Schnittfläche der Elektroden (d. h. an der Stelle der Taste) ist, in welche sich die „herausquellenden” elektrischen Felder ausdehnen.
In Abwesenheit jeglicher angrenzender Objekte ist die Größe von C_E hauptsächlich durch die Geometrie der Spalten- und Zeilenelektroden (unter Berücksichtigung ihrer jeweiligen Öffnungen) im Bereich ihres Überlapps und der Dicke und der dielektrischen Konstante des Substrats 4 bestimmt. Ist jedoch ein Objekt im Bereich vorhanden, in welchen das elektrische Feld durch die Lücken im ITO quillt und außerhalb der die Schicht L1 umfassenden Abdeckkonsole in 3B, so kann das elektrische Feld in diesem Bereich durch die elektrischen Eigenschaften des Objekts verändert werden. Dies führt zu einer Änderung der kapazitiven Kopplung zwischen den Elektroden, und somit ändert sich die in/vom den Lesekanal umfassenden Ladungsdetektor gekoppelte gemessene Ladung. Platziert beispielsweise ein Anwender einen Finger in den von den herausgequollenen elektrischen Felder besetzten Raumbereich, wird die kapazitive Kopplung der Ladung zwischen den Elektroden reduziert, da der Anwender eine beträchtliche Kapazität zur Erde (oder anderen naheliegenden Strukturen, deren Pfad das Erdungsreferenzpotential der die Leseelemente steuernden Schaltung) aufweist. Diese verminderte Kopplung tritt auf, da das herausgequollene elektrische Feld, welches normalerweise zwischen der getriebenen Spaltenelektrode und der Lesezeilenelektrode gekoppelt ist, teilweise von der Zeilenelektrode zur Erde hin abgelenkt ist. Dies liegt daran, dass das an den Sensor grenzende Objekt elektrische Felder von der direkten Kopplung zwischen den Elektroden ableitet.
3C und 3D zeigen schematisch Schnittansichten eines Bereichs des Sensors 2, in denen die die Treiber- und Leseelektroden verbindenden elektrischen Feldlinien schematisch dargestellt sind. Diese Figuren sind ähnlich zu und ergeben sich aus 3B, aber der Einfachheit halber sind nur Teilbereiche der Schichten L3 (vorne ITO), L4 (Substrat) und L5 (hinten ITO) gezeigt. 3C zeigt die elektrischen Felder, falls kein Objekt an den Sensor angrenzt. 3D zeigt die elektrischen Felder, falls ein Objekt an den Sensor angrenzt (d. h. der Finger des Anwenders hat eine Kapazität C zur Erde). Falls kein Objekt an den Sensor angrenzt, verbinden alle elektrischen Feldlinien die zwei Elektroden. Grenzt der Finger des Anwenders jedoch an den Sensor, werden einige außerhalb des Substrats verlaufende elektrische Feldlinien durch den Finger geerdet. Somit verbinden weniger Feldlinien die Elektroden und die kapazitive Kopplung zwischen ihnen ist vermindert. Der Effekt ist ähnlich zu dem in US 5,648,642 [4] verwendeten.
Durch die Überwachung der zwischen der getriebenen Spaltenelektrode X1 und der Lesezeilenelektrode Y1 gekoppelten Ladungsmenge, können Änderungen der zwischen ihnen gekoppelten Ladungsmenge identifiziert und dazu verwendet werden festzustellen, ob ein Objekt an die Taste angrenzt (d. h. ob die elektrischen Eigenschaften des Bereiches, in welchen sich die herausgequollenen elektrischen Felder erstrecken, geändert wurden). Bei einem ersten Anschalten des Sensors 2, kann der Sensor-Kontroller 10 beispielsweise eine Messung der zwischen den Zeilen- und Spaltenelektroden bei jeder Tastenposition übertragenen Ladung für ein gegebenes Treibersignal vornehmen. Dies kann dann als ein Referenzsignallevel S_ref für jede Taste verwendet werden. Während des Betriebes kann der Sensor-Kontroller der Reihe nach die kapazitive Kopplung an jeder Tastenposition feststellen (d. h. abtasten), indem entsprechende Spalten- und Zeilenelektroden aktiviert werden. Die Menge der bei jeder Taste übertragenen, gemessenen Ladung S_meas kann dann mit dem Referenzsignallevel S_ref dieser Taste verglichen werden, um zu entscheiden, ob sie sich signifikant geändert hat, z. B. ob sie sich um wenigstens eine vorbestimmte Schwellwert-Signalmenge S_th geändert hat. Ist die Änderung größer als S_th, entscheidet der Sensor-Kontroller, dass sich ein Objekt in der Nähe der relevanten Taste befindet und zeigt dem Gerät-Kontroller 52 ein Detektionsereignis an, indem er ein geeignetes Signal P_xy, welches die Position des Objekts angibt (d. h. nahe welcher Taste es sich befindet) ausgibt. Der Sensor-Kontroller kann ebenso die Größenänderung der Ladungsmenge, welche an Tasten in der Nähe der eine über dem Schwellwert anzeigenden Taste übertragen wird, untersuchen, sodass die Berührungsposition mit einer Auflösung, welche höher als die Größe der einzelnen Tasten ist, interpoliert werden kann.
Es ist ersichtlich, dass es nicht notwendig ist, die Tasten eine nach der anderen abzutasten. Ist jeder Zeilenelektrode ein separater Lesekanal zugeordnet, können alle Zeilen gleichzeitig abgetastet werden, da eine einzelne Spaltenelektrode so getrieben wird, dass alle Taste in einer gegebenen Spalte gleichzeitig untersucht werden können.
Die Empfindlichkeit des Positionssensors hängt davon ab, zu welchem Maß elektrische Felder aus dem Bereich zwischen der Zeilen- und Spaltenelektroden (d. h. außerhalb des Substrats 4) quellen. Dies liegt daran, dass dies definiert, in welchem Ausmaß die elektrischen Eigenschaften eines Objekts nahe des Substrats (möglicherweise durch eine Abdeckkonsole) die elektrischen Felder zwischen der getriebenen Spaltenelektrode und der empfangenden Zeilenelektrode und daher die kapazitive Kopplung zwischen ihnen modifizieren kann. In dem oben beschriebenen beispielhaften Positionssensor 2, ist es die Substratseite mit den getriebenen Spaltenelektroden, welche dem Anwender während dem normalen Gebrauch zugewandt ist. Folglich ist es die Menge der auf den rautenförmigen gefüllten Regionen in den Zeilenelektroden startenden oder endenden (abhängig von der Polarität) elektrischen Felder, welche durch die entsprechenden rautenförmigen offenen Regionen in den Spaltenelektroden quellen, welche die Empfindlichkeit des Sensors festlegen. Um die Empfindlichkeit zu verbessern, würde man Idealerweise ein Elektrodenmuster auf der Anwenderseite des Substrats wählen, welches einen relativ kleinen Bereich ITO mit einem großen Bruchteil der durch die offenen Bereichen eingenommene Fläche aufweist. Während dies eventuell mit konventionellen nicht-transparenten Leitern möglich ist, ist es jedoch nicht mit den widerstandsbehafteteren transparenten Leitern möglich, da Elektrodenstrukturen, welche lediglich ein spärliches Netzwerk aus widerstandsbehafteten Leitermaterial umfassen, zu widerstandsfähig werden. „Sieht”, wie oben beschrieben, die Ausgabe des Treiberkanals zu viel Impedanz, kann die Verlässlichkeit und Antwortcharakteristik des Sensors signifikant herabgesetzt werden. Aus diesem Grund ist es wichtig, einen Ausgleich zwischen einem dichten Muster aus ITO (welches Niedrigwiderstandselektroden bereitstellt) und einem offenen Muster (welches eine gute Empfindlichkeit bereitstellt) zu finden.
Es sollte erwähnt werden, dass es, obwohl im oben stehenden Beispiel elektrische Felder, die durch die rautenförmigen offenen Regionen in die Spaltenelektroden quellen durch ein angrenzendes Objekt verändert werden, die Zeilenelektroden auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats sind, welche den größten Widerstand aufweisen, da sie schmalere Leiterbahnen aus ITO umfassen. Somit sind es in diesem Beispiel die Zeilenelektroden, welche am meisten von den Kurzschlussverbindungen profitieren. Die Spaltenelektroden selber umfassen einen relativ breiten Abschnitt ITO. Die relativ großen Mengen ITO auf der Vorderseite des Substrats begrenzen jedoch die Geometrie des ITO-Musters, welches auf der Rückseite des Substrats (d. h. die Zeilenelektroden) verwirklicht werden kann. Dies liegt daran, dass es wichtig ist, die Fläche des Substrats mit ITO an den gleichen Stellen der gegenüberliegenden Seiten zu vermindern. Dies liegt daran, dass diese Bereiche der Elektroden kapazitiv stark miteinander gekoppelt sind und somit die Menge der elektrischen Felder, welche durch die offenen Bereiche quellen, vermindern. Es bedarf einer Minimierung der Bereiche, in welchen das die Treiber- und Leseelektroden umfassende ITO auf beiden Seiten des Substrats vorhanden ist, was der grundlegenden Notwendigkeit entspricht, einen Ausgleich zwischen einem dichten und einem offenen Muster der widerstandsbehafteten Leiter zu treffen. Der dem Lesekanal dargebotene Effekt des Widerstands der Zeilenelektroden auf die Impedanz, kann durch ein Verbinden beider Enden der Zeilenelektroden mit dem Lesekanal durch eine Niedrigwiderstands-Verdrahtung, beispielsweise durch eine Verwendung der in 1B gezeigten Kurzschlussdrähte, vermindert werden. Falls nur ein Ende jeder Zeile mit dem Lesekanal verbunden wäre, wären Messungen der zu den Tasten am anderen Ende gehörenden kapazitiven Kopplung durch den gesamten elektrischen Widerstand der Elektrode beeinflußt. Durch eine Verbindung beider Enden der Elektrode mit dem Lesekanal, haben die mit den Tasten an beiden Enden der Elektrode verbundenen Stromflüsse eine relativ direkte (d. h. Niedrigwiderstands) Verbindung zum Lesekanal. Darüber hinaus können die Stromflüsse von Tasten in der Mitte der Zeilenelektroden in beide Richtungen entlang der Elektroden zu den Lesekanälen fließen. Somit wird der maximale Beitrag zur Impedanz des Sensors, welcher aus der Elektrode selbst hervorgeht, um einen Faktor von vier im Vergleich zum Fall ohne Kurzschlussverbindung vermindert. Dies liegt daran, dass der Punkt mit dem größten Widerstand von einem Ende zur Mitte der Elektrode wandert (somit den größten Widerstand halbiert) und darüber hinaus die zwei Hälften der Elektrode den Mittelpunkt mit der parallelen Messungsschaltung verbinden und somit wieder den größten Widerstand halbieren. Dies erlaubt es Positionssensoren, welche auf widerstandsbehafteten Leitern (d. h. typischerweise transparenten Leiter) auf gegenüberliegenden Seiten eines Substrats basieren, mit einem ausreichend niedrigen Elektrodenwiderstand versehen zu sein, sodass betriebssichere Positionssensoren geschaffen werden können. (Es versteht sich, dass als notwendig erachtete ähnliche Kurzschlussverbindungen zwischen Enden der gesteuerten Spaltenelektroden verwendet werden können.)
Es ist ersichtlich, dass das rautenförmige Muster nur ein spezielles Beispiel dieses Elektrodenmustertyps ist und ähnliche Muster, welche beispielsweise auf den in 4A und 4B (welche ähnlich zu und aus 3A ersichtlich sind) dargestellten kreisförmigen oder rechteckigen Bereichen und vielen anderen Anordnungen basieren, gleichfalls verwendet werden können.
Darüber hinaus zeigen 5A und 5b schematisch Elektrodenmuster auf der Vorder- und Rückseite, wie sie in einem einer anderen Ausführungsform der Erfindung entsprechenden Sensor verwendet werden. Diese Figuren sind ähnlich zu den 1A und 1B und können aus ihnen verstanden werden. 5A und 5B zeigen jedoch einen Sensor mit einer anderen Tastenanordnung. Anstatt des 4 × 3 Feldes des in den 1A und 1B gezeigten Sensors, hat dieser Sensor zwei obere Zeilen mit drei Tasten und eine einzelne untere Zeile mit vier Tasten. Die Tasten basieren auf einem ähnlichen rautenförmigen Muster, wie es oben beschriebenen wurde. Das den Tasten der unteren Zeile zugeordnete Elektrodenmuster hat einen kleineren Maßstab, dies ist allerdings nicht bedeutsam. Diese Ausführungsform zeigt beispielhaft, dass ein Konstrukteur einer der Erfindung entsprechenden Steuerkonsole eine große Freiheit besitzt, die Tasten anzuordnen.
6A zeigt schematisch eine Schaltung, welche dazu verwendet werden kann, die von der Spaltenelektrode 100 zur Lesezeilenelektrode 104 übertragene Ladung zu messen. Schaltungsanordnungen diesen Typs sind ausführlicher in WO 00/44018 beschrieben. Die kapazitive Kopplung zwischen der Spaltenelektrode 100 und der Zeilenelektrode 104 ist schematisch als ein Kondensator 105 dargestellt. Die Schaltung basiert zum Teil auf dem Ladungsübergangs-(„QT”) Apparat und Methoden, welche durch den vorliegenden Erfinder in der Druckschrift US 5,730,165 [2] offenbart sind, deren Inhalte hier durch Bezugnahme dem Inhalt der Schrift hinzugefügt werden.
Der der Spaltenelektrode 100 zugeordnete Treiberkanal, der der Lesezeilenelektrode 104 zugeordnete Lesekanal und Elemente des Sensor-Kontrollers sind kombiniert in der Verarbeitungsschaltung 400 gezeigt. Die Verarbeitungsschaltung 400 umfasst einen Abtastschalter 401, einen Ladungsintegrator 402 (hier gezeigt als einfacher Kondensator), einen Verstärker 403 und einen Rücksetzschalter 404 und kann darüber hinaus optional Ladungsauslöschungsmittel 405 umfassen. Die zeitlichen Beziehungen zwischen dem Zeilenelektroden-Steuerungssignal des Lesekanals 101 und der zeitlichen Erfassung des Abtastens des Schalters 401 sind schematisch in 6B gezeigt. Der Treiberkanal 101 und der Abtastschalter 401 sind mit geeigneten Synchronisierungsmitteln ausgestaltet, welche ein Mikroprozessor oder ein anderer digitaler Kontroller 408 sein können, um diese Beziehung einzuhalten. In der dargestellten Anwendung ist der Rücksetzschalter 404 anfänglich geschlossen, um den Ladungsintegrator 402 auf einen bekannten Anfangszustand (z. B. 0 Volt) zurückzusetzen. Der Rücksetzschalter 404 wird dann geöffnet und einige Zeit danach wird der Abtastschalter 401 mit dem Ladungsintegrator 402 über den Anschluss 1 des Schalters für ein Intervall während dem der Steuerkanal 101 einen positiven Übergang aussendet, verbunden und danach wieder mit dem Anschluss 0 verbunden, der eine elektrische Erdung oder ein anderes geeignetes Referenzpotential darstellt. Der Treiberkanal 101 kehrt dann zur Erdung zurück, und der Prozess wiederholt sich für insgesamt „n” Zyklen (wobei n = 1 (d. h. 0 Wiederholungen), 2 (1 Wiederholung), 3 (2 Wiederholungen) usw. sein kann). Es ist von Bedeutung, dass das Treibersignal nicht zur Erdung zurückkehrt, bevor der Ladungsintegrator von der Zeilenelektrode getrennt wird, da sonst eine gleiche oder gegensätzliche Ladung in/aus dem Lesekanal während positiver und negativer Kanten fließen würde und somit zu keinem Netto-Ladungsübergang in den Ladungsdetektor führen würde. Der gewünschten Zyklenzahl folgend, wird der Abtastschalter 401 an der Position 0 gehalten, während die Spannung am Ladungsintegrator 402 durch ein Messmittel 407 gemessen wird, welches einen Verstärker, ADC oder eine andere für die vorliegende Anwendung geeignete Schaltung umfassen kann. Nach erfolgter Messung wird der Rücksetzschalter 404 wieder geschlossen, und der Zyklus wird, wenn gewünscht, wieder gestartet, d. h. ohne Verzögerung oder nach einer für das gesteuerte Gerät geeignete Verzögerung. Der Prozess wird hierin als „Stoßmessung” (Burst) der Länge „n” bezeichnet, wobei „n” zwischen 1 und einer beliebigen endlichen Zahl liegen kann. Die Empfindlichkeit der Schaltung hängt direkt von „n” und invers vom Wert des Ladungsintegrators 402 ab.
Es ist offensichtlich, dass das mit 402 bezeichnete Schaltungselement eine Ladungsintegrationsfunktion bereitstellt, welche ebenso durch andere Mittel verwirklicht werden kann, und dass die Erfindung nicht auf die Verwendung eines wie durch 402 gezeigten massebezogenen Kondensators beschränkt ist. Es sollte ebenso offensichtlich sein, dass der Ladungsintegrator 402 ein auf einem Operationsverstärker basierter Integrator sein kann, um die durch die Leseschaltung fließende Ladung zu integrieren. Solche Integratoren benutzen auch Kondensatoren, um die Ladung zu speichern. Es kann angemerkt werden, dass obwohl Integratoren die Schaltungskomplexität erhöhen, sie eine bessere Summenpunktlast für die Leseströme und einen höheren Dynamikbereich bereitstellen. Falls ein Niedriggeschwindigkeits-Integrator eingesetzt wird, kann es notwendig sein, einen separaten Kondensator in der Position 402 zu verwenden, um die Ladung zeitweise bei hoher Geschwindigkeit zu speichern, bis der Integrator sie wieder absorbieren kann, aber der Wert eines solchen Kondensators wird relativ unkritisch im Vergleich zum Wert des Integrationskondensators, welcher in den Operationsverstärker-basierten Integrator enthalten ist.
Es ist hilfreich für den Abtastschalter 401 die abtastenden Zeilenelektroden des Sensors mit der Masse zu verbinden, wenn sie während den Änderungen des Treibersignals der gewählten Polarität (in diesem Fall positiv) nicht mit dem Ladungsintegrator 402 verbunden sind. Dies liegt daran, dass dies eine künstliche Erdungsebene erzeugen kann, welche somit RF-Emissionen reduziert, und außerdem, wie oben angemerkt, die gekoppelte Ladung entgegengesetzter Polarität zur durch den Ladungsintegrator 402 abgetasteten richtig abzuführen und zu neutralisieren. Es ist ebenso möglich, einen Widerstand zur Erde an den Zeilenelektrodenleitungen zu verwenden, um den gleichen Effekt zwischen Übergängen der Treiberkanäle 101 zu erreichen. Alternativ zu einem einzelnen SPDT-Schalter 401, können zwei unabhängige Schalter verwendet werden, falls sie zeitlich in geeigneter Weise betrieben werden.
Wie durch den vorliegenden Erfinder in US 5,730,165 beschrieben, gibt es viele für die Veränderung und Festlegung einer Detektion oder einer Messung der Signalamplitude mögliche Signalbearbeitungsoptionen. US 5,730,165 beschreibt außerdem das Verstärkungsverhalten der in 6A dargestellten Anordnung, obgleich in Form eines Einzelelektrodensystems. Das Verstärkungsverhalten ist im vorliegenden Fall das gleiche. Der Nutzen eines Signalauslöschungsmittels 405 wird durch den vorliegenden Erfinder in US 4,879,461 [3] beschrieben, ebenso in US 5,730,165 . Der Offenbarungsgehalt von US 4,879,461 ist hier durch Bezugnahme mit eingeschlossen. Der Zweck der Signalauslöschung besteht darin, den Spannungs- (d. h. Ladungs-)Aufbau auf dem Ladungsintegrator 402 gleichzeitig mit der Erzeugung jedes Stoßes (positiv verlaufender Übergang des Steuerungskanals) zu vermindern, um so eine stärkere Kopplung zwischen den getriebenen Spaltenelektroden und den empfangenden Zeilenelektroden zu ermöglichen. Ein Nutzen dieses Ansatzes ist es, eine große Erfassungsfläche, welche empfindlich gegenüber kleinen Abweichungen in der Kopplung zwischen den Elektroden ist, bei relativ geringen Kosten zu ermöglichen. Solche großen Lesekopplungen liegen in physikalisch großen Elektroden vor, wie sie typischerweise in menschlichen berührungsempfindlichen Feldern verwendet werden. Ladungsauslöschung erlaubt eine Messung der Kopplungsstärke mit erhöhter Linearität, da Linearität von der Fähigkeit für die gekoppelte Ladung abhängt, von der getriebenen Spaltenelektrode 100 zur abtastenden Zeilenelektrode 104 in einen virtuellen Masseknoten über den Verlauf eines Stoßes abzufließen. Falls die Spannung am Ladungsintegrator 402 während des Verlaufs eines Stoßes merklich ansteigen dürfte, würde die Spannung im umgekehrt exponentiellen Verhältnis ansteigen. Diese exponentielle Komponente hat einen schädlichen Effekt auf die Linearität und daher auf den verfügbaren Dynamikbereich.
7 zeigt schematisch in Draufsicht eine Steuerkonsole 80, umfassend eine berührungsempfindliche Anzeige 82 nach der beschriebenen Art, die in 3B gezeigt ist. Die Steuerkonsole 80 ist in einer Wand 84 eines gesteuerten Geräts befestigt, in diesem Fall eine Waschmaschine. Die Abdeckkonsole 92 der berührungsempfindlichen Anzeige 82 erstreckt sich über die ganze Fläche der Steuerkonsole, wobei der durch die berührungsempfindliche Anzeige belegte Bereich in diesem Fall nahe der Mitte der Steuerkonsole liegt. Die berührungsempfindliche Anzeige ist in 7 mit einer Anzeige gezeigt, welche eine Anzahl an Menüknöpfen, benannt mit A bis F, z. B. zu verschiedenen Waschprogrammen gehörend, die ausgewählt werden können, zeigt, eine Gleitskala 94 zur Festlegung eines variablen Parameters, z. B. einer Waschtemperatur und einige Textzeilen 96, welche einem Benutzer zur Information angezeigt werden. Somit kann ein Benutzer beispielsweise ein Waschprogramm durch Berührung der Steuerkonsole im Bereich der durch A bis F bezeichneten Menüknöpfe auswählen. Der die berührungsempfindliche Anzeige umfassende Sensor kann derart aufgebaut sein, dass die Positionen der Menüknöpfe A bis F den Stellungen der „Tasten” im Sensor entsprechen (d. h. dem Bereich der Überschneidungen zwischen Spalten- und Zeilenelektroden). Alternativ können die Menüknöpfe A bis F nicht direkt der Anordnung der unterliegenden Tasten des Sensors zugeordnet sein und können willkürlich festgelegt sein. Im letzteren Fall kann die Position einer Berührung innerhalb des empfindlichen Bereiches durch die Interpolation der Signale einer Anzahl von Tasten festgelegt werden, die Position wird dann mit den Positionen der angezeigten Menüknöpfe verglichen, um festzulegen, ob einer ausgewählt wurde. Eine Auswahl einer Temperatur von der dem Benutzer angezeigten Temperaturgleitskala 82, kann auf die gleiche Weise geschehen.
Zusätzlich zur berührungsempfindlichen Anzeige 82 umfasst die Steuerlkonsole außerdem mehrere zusätzliche Knöpfe 86 und einen An-/Aus-Schalter 88. Dies können berührungsempfindliche Tasten oder konventionelle mechanische Knopfschalter sein. In diesem Beispiel sind es berührungsempfindliche Tasten, welche die flache und versiegelte äußere Oberfläche der Steuerkonsole erhalten. Da die zusätzlichen Knöpfe in diesem Fall nicht transparent sein müssen, ist es nicht notwendig, dass sie aus ITO gefertigt sind. Folglich können billigere und wenig widerstandsbehaftetere Kupferelektroden für diese Knöpfe verwendet werden. Darüber hinaus kann ein einzelner im Sensor-Kontroller integrierter Schaltungschip in bequemer Weise dazu verwendet werden, den Positionssensor, welcher den transparenten Sensor und die gebräuchlicheren Kupferelektroden berührungsempfindlichen Knöpfe 86, 88 umfasst, zu steuern. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Kalibrierung der verschiedenen Kanäle des einzelnen Controller-Chips erreicht werden, um den unterschiedlichen Widerstand und das Aufladen des ITO-Films und der Kupferelektroden zu berücksichtigen.
Somit ist einem Konstrukteur eine große Menge an Freiheit geboten, eine Steuerkonsole, welche einen transparenten berührungsempfindlichen Positionssensor umfasst, zu entwerfen und es ist ersichtlich, dass die oben beschriebenen Prinzipien auf viele Gerät-/Anwendungstypen anwendbar sind. Zum Beispiel können ähnliche Sensoren in Öfen, Grills, Waschmaschinen, Wäschetrocknern, Geschirrspülern, Mikrowellen-Herden, Nahrungsmixern, Brotmaschinen, Getränkemaschinen, Computer, audiovisuellem Home-Equipment, tragbaren Medienspielern, PDAs, Mobiltelefonen, Computern usw. verwendet werden. Zum Beispiel zeigt 8 schematisch eine Waschmaschine 91, welche einen Sensor 93 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst, und 9 zeigt schematisch ein Mobiltelefon 95, welches einen Sensor 99 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und einen Bildschirm 97 umfasst. Allgemeiner kann die Erfindung in Verbindung mit jeder Anwendung, welche eine Mensch-Maschine-Schnittstelle aufweist, verwendet werden. Es ist auch möglich, einen wie oben beschriebenen Sensor bereitzustellen, welcher getrennt von einem Gerät/Anwendung, welches er steuert, vorgesehen ist. Beispielsweise um eine Verbesserung einer bereits existierenden Anwendung zu liefern. Es ist auch möglich, einen generischen Sensor bereitzustellen, welcher ausgestaltet ist, eine Vielzahl verschiedener Anwendungen zu steuern. Beispielsweise ein Sensor mit einer gegebenen Vielzahl an Tasten, die ein Gerät-/Anwendungs-Anbieter Funktionen einer Apparatur zuordnen will, die er durch entsprechende Konfiguration eines Kontrollers, beispielsweise durch Umprogrammierung, gestalten will.
10A und 10B zeigen jeweils schematisch Vorder- und Rückansichten eines zweidimensionalen kapazitiven Positionssensors 110 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Diese kann beispielsweise in der Steuerkonsole eines Herds verwendet werden. Der Sensor 110 ist ähnlich zu dem in 5A und 5B gezeigten Sensor dahingehend, dass er die gleiche Tastenanordnung bereitstellt. Genauer gesagt hat der Sensor 110 zwei obere Zeilen mit drei Tasten und eine einzelne untere Zeile mit vier Tasten. Das Elektrodenmuster für die Tasten ist jedoch unterschiedlich. Die Tasten des in 5A und 5B gezeigten Sensors basieren auf einem rautenförmigen Muster aus überlappenden offenen und gefüllten Bereichen, wobei jede Zeilenelektrode aus vier Unterzeilen aus leitfähigem Material gefertigt ist. Die Tasten des in den 10A und 10B dargestellten Sensors 110 basieren jedoch auf einem Muster, welches Bereiche in Form von abgerundeten Schlitzen umfasst, und darüber hinaus umfasst jede Zeilenelektrode eine einzelne Zeile aus leitfähigem Material. Darüber hinaus umfassen die Öffnungen in den Spaltenelektroden in dieser Ausführungsform immer noch Bereiche aus leitfähigem Material 111. Diese Bereiche sind vom umgebenden Elektrodenmaterial isoliert und beeinflussen somit nicht die Arbeitsweise des Sensors. Von einem ästhetischen Standpunkt her, kann es jedoch besser sein, diese Bereiche aus leitfähigem Material in transparente Sensoren einzuschließen, da dies behilflich sein kann, die Schicht aus leitfähigem Material, welches die Elektroden umfasst aufgrund der gleichmäßigeren Bedeckung weniger sichtbar für den Anwender zu machen. Die zwei Enden jeder der jeweiligen Zeilenelektroden sind durch Kurzschlussverbindungen 130 miteinander verbunden, welche ähnlich zu den oben beschriebenen sind und durch sie verstanden werden können.
Ungeachtet der Unterschiede in den spezifischen Mustern des die Elektroden formenden leitfähigen Materials, arbeitet der in den 10A und 10B gezeigte Sensor 110 auf gleiche Weise und kann durch den in 1A und 1B dargestellten Sensor verstanden werden. Somit sind in 10A auch eine Treibereinheit 116 und ein Sensor-Kontroller 110 gezeigt. Die Treibereinheit 116 unterscheidet sich von der in 1A dargestellten Treibereinheit 6 dadurch, dass sie vier (im Gegensatz zu drei) Treiberkanäle D1, D2, D3, D4 umfasst. Dies liegt daran, dass eine der Tastenzeilen für den Sensor 110 (nämlich die untere Zeile entsprechend der in 10A gezeigten Orientierung) vier Tastenbereiche umfasst und vier Treiberkanäle benötigt werden, diese Zeile zu bedienen. Neben diesen Unterschieden arbeitet die Treibereinheit 116 auf die gleiche Weise und kann die durch die in 1A dargestellte Treibereinheit verstanden werden. Gleichermaßen zeigt 10B eine Leseeinheit 118 und wieder den Sensor-Kontroller 110. Die Leseeinheit arbeitet in ähnlicher Weise und kann aus der in 1B dargestellten Leseeinheit 8 verstanden werden.
Der Sensor-Kontroller 110 arbeitet weitgehend auf die gleiche Weise wie der in den 1A und 1B dargestellte Sensor-Kontroller 10. Unterschiede in den zugehörigen Tastenanordnungen bedeuten jedoch, dass eine unterschiedliche Logik benötigt wird, um festzulegen, welche Taste berührt wird. Für den in 10A und 10B dargestellten Sensor 110 wird, falls Signale durch die Lesekanäle S1 oder S2 (die oberen zwei Zeilen) detektiert werden, der gewählte Tastenbereich davon abhängen, welche der Steuerkanäle D1, D3 oder D4 aktiv sind. (Es wird angemerkt, dass der Treiberkanal D2 kein Lesesignal an den Lesekanälen S1 oder S2 erzeugen kann, da die mit dem Treiberkanal D2 verbundene Spaltenelektrode nicht mit den diese Lesekanäle verbindenden Zeilenelektroden überlappt.) Wenn andererseits ein Signal durch den Lesekanal S3 (die untere Zeile) detektiert wird, wird der ausgewählte Tastenbereich davon abhängen, welche der Treiberkanäle D1, D2, D3 oder D4 aktiv sind.
11A und 11B zeigen jeweils schematisch Vorder- und Rückansichten eines zweidimensionalen kapazitiven Positionssensors 210 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der in den 11A und 11B dargestellt Sensor arbeitet wieder auf eine Weise, welche insgesamt ähnlich zu der in den 1A und 1B dargestellten ist, aber wieder auf einer anderen Tastenkonfiguration basiert. In diesem Fall wird ein Tastenfeld aus sechs Zeilen und acht Spalten (insgesamt 48 Tasten) bereitgestellt. Somit umfasst die entsprechende (nicht gezeigte) Treibereinheit acht Treiberkanäle, welche an die acht Spaltenelektroden gekoppelt sind, und die entsprechende (nicht gezeigte) Leseeinheit umfasst, sechs Lesekanäle, welche an die sechs Zeilenelektroden gekoppelt sind. Wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen wird die Position einer Berührung durch die Schnittfläche der mit dem aktiven Treiberkanal verbundenen Spaltenelektrode und der mit dem ein Signal sehenden Lesekanal verbundenen Leseelektrode bestimmt.
Zusätzlich zur erhöhten Zahl an Zeilen und Spalten ist das Elektrodenmuster des in 11A und 11B gezeigten Sensors 210 von dem des in 1A und 1B gezeigten Sensors 2 dahingehend verschieden, dass die Spaltenelektroden nicht durch eine Erdungsabschirmung getrennt sind. Darüber hinaus basieren die in den 1A und 1B dargestellten Tasten des Sensors auf einem rautenförmigen Muster aus offenen und gefüllten Bereichen, wobei jede Zeilenelektrode aus vier Unterzeilen aus leitfähigem Material gefertigt ist. Die Tasten des in den 11A und 11B dargestellten Sensors 210 basieren jedoch auf offenen und gefüllten Bereichen in Form verbundener Rechtecke, wobei jede Zeilenelektrode lediglich eine einzelne (im Gegensatz zu mehreren Unterzeilen) Zeile aus leitfähigem Material umfasst.
Die zwei Enden jeder der jeweils in 11B dargestellten Zeilenelektroden sind durch Kurzschlussverbindungen 230 miteinander verbunden, welche wiederum ähnlich zu oben beschriebenen sind und aus ihnen verstanden werden können. Darüber hinaus sind die Enden jeder in 11A dargestellten Spaltenelektroden ebenfalls durch Spaltenkurzschlussverbindungen 240 verbunden. Diese werden dazu verwendet, die den Treiberkanälen dargebotene elektrische Impedanz auf die gleiche Weise zu vermindern, wie die Kurzschlussverbindungen 230 zwischen den Enden der Zeilenelektroden dazu verwendet werden, die den Lesekanälen dargebotene elektrische Impedanz zu verringern. Dies kann insbesondere hilfreich für relativ großflächige Sensoren oder Sensoren, deren Tastflächen eng sind sein, da der Widerstand der Spaltenelektroden, genauso wie der Zeilenelektroden, dann signifikant wird. Dementsprechend kann der in den 11A und 11B dargestellte Sensor 210 insbesondere für größere Berührungsbildschirme geeignet sein, wie sie eventuell in einem Kassenterminal verwendet werden, d. h. etwa von der Größenordnung 16 cm mal 12 cm.
Obwohl im vorhergehenden Sensoren in Form von getriebenen Spaltenelektroden und erfassenden Zeilenelektroden beschrieben wurden, ist es ersichtlich, dass diese ohne eine Änderung der zugrunde liegenden Betriebsprinzipien vertauscht werden können. Beispielsweise könnte der in 2 dargestellte Sensor 2 genauso betrieben werden, indem die Zeilenelektroden mit den Treiberkanälen und die Spaltenelektroden mit den Lesekanälen verbunden würden. Weiterhin kann das Substrat 4 umgedreht werden, sodass die Seite, welche vorhergehend Rückseite genannt wurde, während dem normalen Gebrauch auf der benutzerzugewandten Seite des Substrats angeordnet ist. Es ist jedoch ersichtlich, dass der Grad des Herausquellens der elektrischen Felder nicht der gleiche auf jeder Seite des Substrats ist, da er im Allgemeinen vom Muster der Elektroden auf jeder Oberfläche abhängen wird. Somit kann es günstig für das Elektrodenmuster mit dem größten Grad an Herausquellen sein, während dem normalen Gebrauch auf der Seite des Substrats zu sein, welche dem zu erfassenden Objekt zugewandt ist (z. B. ein Finger des Anwenders oder ein Taststift). Es wurde auch experimentell nachgewiesen, dass eine verbesserte Empfindlichkeit erreicht werden kann, wenn die Leseelektroden während dem normalen Gebrauch auf der Seite des Substrats angeordnet sind, die dem zu erfassenden Objekt zugewandt sind. Beispielsweise wurde eine Verdoppelung der gemessenen Signalstärke im Vergleich zu dem Fall beobachtet, in welchen die getriebenen Elektroden dem zu detektierenden Objekt zugewandt sind.
Darüber hinaus, anstatt auf eine Sender-Empfängeranordnung (d. h. Einsatz von Treiber- und Leseelektroden) zu vertrauen, können das Substrat, das Elektrodenmuster und die Anordnung der Kurzschlussverbindungen wie oben beschrieben auch in einer passiven Konfiguration verwendet werden. Das heißt, anstatt Treiberkanäle vorzusehen, welche Treibersignale auf Treiberelektroden anwenden, und Lesekanäle vorzusehen, welche Lesesignale, die durch Treibersignale in Leseelektroden induziert werden, detektieren, könnte jede der Elektroden mit einem Ein-Elektroden-Kapazitätslesekanal verbunden sein (beispielsweise wie in US 5,730,165 beschrieben). Mit dieser Anordnung erfassen die jeweiligen Zeilen und Spalten aus Elektroden unabhängig voneinander die Position des Objekts entlang zweier zugehöriger Richtungen. Beispielsweise könnten, unter Bezugnahme auf die in den 5A und 5B dargestellte Ausführungsform, die drei Spaltenelektroden der 5A und die drei Zeilenelektroden der 5B jeweils mit identischen Ein-Elektroden-Kapazitätslesekanälen verbunden sein. Zu den Spaltenelektroden der 5A gehörende Signale können somit verwendet werden, die Position einer Berührung in der horizontalen Richtung (für die in 5A gezeigte Orientierung) zu identifizieren, während zu den Zeilenelektroden der 5B gehörende Signale verwendet werden können, die Position eines Objekts in der vertikalen Richtung zu identifizieren.
Letztendlich wird angemerkt, dass, obwohl der Ausdruck „Berührung” in oben stehender Beschreibung häufig verwendet wurde, ein Sensor der oben beschriebenen Art hinreichend empfindlich sein kann, die Position eines angrenzenden Fingers (oder anderen Objekts, wie eines Taststifts) zu bemerken, ohne dass ein physikalischer Kontakt notwendig ist. Der Ausdruck „Berührung”, wie hier verwendet, sollte deshalb dementsprechend interpretiert werden.
LITERATUR

[1] WO 00/44018 (Harald Philipp)
[2] US 5,730,165 (Harald Philipp)
[3] US 4,879,461 (Harald Philipp)
[4] US 5,648,642 (Synaptics Inc.)

Claims

Ein kapazitiver Sensor umfassend: ein Substrat (4); eine widerstandsbehaftete erste Elektrode (Y1, Y2, Y3, Y4) auf einer Seite des Substrats (4) mit einem ersten und einem zweiten Ende; eine widerstandsbehaftete zweite Elektrode (X1, X2, X3) auf der anderen Seite des Substrats (4); und eine Kurzschlussverbindung (30, 130, 230) dazu ausgelegt, die beiden Enden der ersten Elektrode (Y1, Y2, Y3, Y4) zu verbinden.
Der Sensor gemäß Anspruch 1, umfassend eine weitere Kurzschlussverbindung (240) dazu ausgelegt, wenigstens zwei Stellen auf der zweiten Elektrode (X1, X2, X3) zu verbinden.
Der Sensor gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei eine der ersten und zweiten Elektroden (Y1, Y2; Y3, Y4; X1, X2, X3) in einem Muster mit einem Feld aus offenen Bereichen angeordnet ist, und die andere der ersten und zweiten Elektroden in einem Muster mit einem Feld aus gefüllten Bereichen, dazu ausgelegt, entsprechend der offenen Bereiche ausgerichtet zu sein, angeordnet ist.
Der Sensor gemäß Anspruch 3, ferner umfassend Bereiche, welche aus demselben Material wie die innerhalb der offenen Bereiche angeordneten Elektroden gebildet sind und von den Elektroden elektrische isoliert sind.
Der Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektroden transparent sind.
Der Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (4) transparent ist.
Der Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend wenigstens eine weitere Elektrode auf der gleichen Seite des Substrats wie die erste Elektrode (Y1, Y2, Y3, Y4).
Der Sensor gemäß Anspruch 7, umfassend eine Masseelektrode, welche zwischen der ersten Elektrode und der wenigstens einen weiteren Elektrode angeordnet ist.
Der Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend wenigstens eine weitere Elektrode auf derselben Seite des Substrats wie die zweite Elektrode (X1, X2, X3).
Der Sensor gemäß Anspruch 9, umfassend eine Masseelektrode (14), welche zwischen der zweiten Elektrode (X1) und der wenigstens einen weiteren Elektrode (X2) angeordnet ist.
Der Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend wenigstens eine weitere Elektrode auf derselben Seite des Substrats wie die erste Elektrode und wenigstens eine weitere Elektrode auf derselben Seite des Substrats wie die zweite Elektrode, wobei die Elektroden in einem matrixförmigen Feld angeordnet sind.
Der Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Treiberkanal (D1, D2, D3), der elektrische Treibersignale auf eine der ersten oder zweiten Elektroden (Y1, Y2, Y3, Y4; X1, X2, X3) anwenden kann, und einen Lesekanal (S1, S2, S3, S4) der elektrischen Lesesignale, welche in der anderen der ersten oder zweiten Elektroden (Y1, Y2, Y3, Y4; X1, X2, X3) in Antwort auf das Treibersignal induziert werden, detektieren kann.
Der Sensor gemäß Anspruch 12, wobei der Treiberkanal (D1, D2, D3) ein Schalterelement umfasst, welches seine ihm zugeordnete Elektrode wahlweise mit einer Spannungsquelle verbinden oder von ihr trennen kann.
Der Sensor gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei der Lesekanal (S1, S2, S3, S4) eine Ladungstransferschaltung umfasst.
Der Sensor nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der Lesekanal (S1, S2, S3, S4) der Elektrode auf der Seite des Substrats (4), die während dem normalen Gebrauch einem abzutastenden Objekt zugewandt ist, zugeordnet ist.
Ein Bedienelement umfassend den Sensor einer der vorhergehenden Ansprüche und ein Abdeckelement, welches dem Sensor aufliegt.
Das Bedienelement gemäß Anspruch 16, wobei das Abdeckelement und der Sensor durch ein auf den Brechungsindex abgestimmtes Haftmittel aneinander angeheftet sind.
Das Bedienelement gemäß Anspruch 16 der 17, ferner umfassend einen Anzeigebildschirm, welcher unter dem Sensor liegt.
Das Bedienelement gemäß Anspruch 18, wobei der Anzeigebildschirm und der Sensor durch einen auf den Brechungsindex abgestimmtes Haftmittel aneinander angeheftet sind.
Eine Apparatur umfassend das Bedienelement nach einem der Ansprüche 16 bis 19.