TW201203041A - A touch sensitive film and a touch sensing device - Google Patents

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201203041 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於觸敏性薄膜，及利用觸敏性薄膜之觸摸感 測裝置。 【先前技術】 越來越多電子裝置之使用者介面係使用基於觸敏性薄膜 之觸摸感測裝置以取代傳統之機械式按紐。行動電話、手提 電腦及類似裝置之觸摸板及觸摸螢幕即為普遍之實例。除了 尖端時髦之使用者體驗外，基於觸敏性薄膜之觸摸感測裝置 也提供產品設計者不斷追求更多功能、更小、更輕、更便宜， 及視覺上更吸引人之裝置。 該類型之觸摸感測裝置之主要元件是觸敏性薄膜，其包 括作為一或多感測電極之一或多導電層。該類型之薄膜之普 遍操作方式是藉使用者之觸摸，例如使用指尖或某種特別點 觸裝置(pointer device)以改變該觸敏性薄膜所連接之電測電 路之電子特性。該電測之實際原理可例如為電阻式或電容 式’後者現今通常被認為是高效能裝置中最佳之選擇。 電容式觸摸感測之原理是基於結合外部電容與連接至電 測電路之觸敏性薄膜。使用高感度之觸敏性薄膜，電容耦合 (capacitive coupling)可藉將適當之點觸器接近該觸敏性薄^ 而起作用，即使不直接接觸該觸敏性薄膜。該電 由 該電測電路之訊號而被偵測。 σ 傳統上，電容式觸敏性_之_方式係為兩層结構。 通常，該兩層結構之各層具有分開平行線或其他樣式之感測 201203041 虽所組Ί別在線狀或拉長之制電極情形下，兩層結 才ΐ之電極通常以彼此成正交安排。驅動減可提供給其中 、曰之感測電極，而電容輕合至其他層之訊號憑藉此層之感 測，極測量。從操作觀點言之，用於提供訊號之電極及感測 電谷耦合之電極分別稱作驅動電極及感測電極。觸摸可改變 該兩層之電極間之電容耗合，該電變最大處位於觸摸 點或鄰近_處。通常’量測電路可經設置以快速地掃描過 該感測電極，使得供給/量測電極配對之間之耦合可被量測。 近來，已有若干單層電容式觸摸感測器被提出。在單層 組構中，觸摸可改變電單一導電層及/或該層與周圍之間之電 耦合。該單層方案之實例揭示於美國專利案號7477242 B2。 其中所揭示之裝置之主要特徵是使用導電聚合物作為該導電 層之材料而非傳統上用於觸摸螢幕之電容式觸敏性薄膜之導 電氧化物(conductive oxides)。 已知觸敏性薄膜之共通性是決定觸摸點需要於導電層具 有大量個別之感測電極。换言之，導電層被製作成網絡狀之 個別感測電極。若希望達到越高精確分辨率，則需要有越複 雜之感測電極組構。一極富挑戦之議題在於多數同時觸摸之 偵測，其通常也是觸摸感測裝置最需要之特性之一。複雜之 感測電極組構及大量單一感測電極元件使製造程序及觸摸感 測裝置之量測電子設備複雜化。 在觸控式螢幕中，除了觸摸感測性能外，觸敏性薄膜必 須是光學上透明，以能夠用於電子裝置之顯示器表層，亦即， 該裝置之顯示必須可從該觸敏性薄膜透視。此外，透明度從 201203041 觸敏性薄膜可見度之觀點來說也是非常重要的。觸敏性薄膜 之可見度對於例如LCD(液晶顯示器）、〇LED(有激發光二極 體)顯示器、或電子紙(electronicpaper)顯示器之使用者來說， 相當程度地降低了視覺品質。迄今，透明導電薄膜，例如 ITO(銦錫氧化物），為最普遍使用於觸敏性薄膜之導電層材 料。然而，從透明度之觀點來說，其難說是理想之材料。例 如ITO之局折射指標使得感測電極之式樣可被視見。當該感 測電極之式樣變得複雜時，該情況就更嚴重。 一個在觸敏性薄膜上極具潛力之新方法是包含網絡狀奈 米結構或由網絡狀奈米結構形成之面層。除了適當之導電性 能外’一包括碳奈米管（CNT)，或碳奈米芽（earb〇n NANOBUDS)之網絡狀物之層面是清晰明澈且相較於透明導 電薄膜，例如ITO更不易為肉眼所發現。該等碳奈米管 (fNT)，或碳奈米芽(carb〇n NAN〇BUDS)具有富勒烯或類似 富勒稀分子共價鍵結於管狀碳分子侧(NAN 〇B UD是加拿都 公司Canatu Oy之註冊商標）。此外，眾所週知’基於奈米結 構之層面，相較透明導電薄膜，例如IT〇，更具有彈性、強 度及穩定性之優勢。 基於奈米結構之方法可見於於美國專利us ，9/0085894Al，該奈米結構可具有不同類型，例如碳奈来 管、石墨烯鱗片（grapheme flakes)、或奈米線(nan〇wires)。薄 膜上之塗料以增進電導性之方法被提出。基於互電容(mutual

CapaCltance)之雙層組構形式及單層自電容(self-capacitance)之 方法也被討論於其中。其中還揭示了使用薄膜以實行多觸摸 201203041 侧之可行性。然而，該文中也牽涉㈣_ 路組構之常見問題。 包他汉列重電 另-基於奈米結構之方法揭示於 2_/0_996A卜其中主要探討的是__ 2 = 狀層依靠電阻測量之原則。此外，雷交4、 直下木、，.罔 層之單一層面方法也簡短地討論並圖式;明 目標之原則而沒有實際應用上之說明。 夕夕值马 總而言之，在市場上仍對於進—步加強觸敏 摸感測裝置有極大期許是具有簡單感測電構$ 觸摸感應能力之電容式操作方法。 ’’僻久夕

，外，市場也要求能提供具❹樣性之感測電極 觸摸感應裝置，使得抑_之_裝置或其他物件之Z 能以不同方法與觸敏㈣_合。舉例言之，觸敏 S 觸摸感應裝置不僅可感測電容式耦合該觸敏性薄膜之物件， 還可感測電感式耦合該觸敏性薄膜之物件。 【發明内容】 本發明之目的在於提供上述需求之新穎解決方法。本發 明之特徵可見於申請專利範圍第丨項及第8項。本發明之第i 特徵在於包含具有感測區之導電層。觸敏性薄膜一般指的是 可用於觸顧職置之觸雜场。聰制裝置則泛指包 括藉觸摸，例如使用指尖或尖筆(stylus)，以操作裝置之所有 使用者”面裝置’以及可感測§亥等尖端觸控物(p〇i加之存在 或位置。更詳細地說，所謂“觸摸，，在此意指不僅觸摸元件盘 觸敏性薄膜之間的實質接觸，還包括兩者之間之充分近^ 201203041 離在操作上，畲觸敏性薄膜被連結成為觸摸感測裝置之電 ，電路之—部分時’尖端觸控物於該薄膜上之碰觸，或於該 近距離即可改變該電路之一或多電性並且基於該 觸摸之被感測而決定該觸敏性薄膜之觸摸位置。在實際丄， 之感測是藉著提供激發信號給觸敏性薄膜，並接 〇觸敏性缚膜之回應及監測該觸敏性薄膜之改變。 薄膜薄膜可為電容式觸敏性薄膜。該觸敏性 賴疋-觸祕元件，其之觸誠就要是基於電 則。電容感應糊或觸敏性薄膜之電音^敏 適當感應電路，觸摸之=二= 摸處與週遭或該薄獏之其他不同位置之電 敏性薄膜、或可積測物件對破性薄膜、電感式觸 觸敏性薄膜。、 十觸敏性溥獏之電容及電感偶合之 指尖、尖摸”及其衍生係為廣A地不僅為 性薄膜，而且還包括哼等=或物件機械或實體地接觸觸敏 近’使得該物件在觸：性薄膜=:該觸敏性薄膜近距離附 發明之觸敏置合》在此意義下，本 種距離感測器（proximity 201203041 sensor) 〇 匕本發明之，敏性薄膜可被使用之實際應用非為本發明主 旨之重點。或許在商業方面最有吸引力之應 置，其不僅可_觸摸之存在及蚊其位置，而且也 及決定同時多觸摸之位置。 導電層疋由一或多導電材料所構成。在觸敏性薄膜作為 觸摸，測裝置之部件之操作巾，激發信號被提供至及回應信 號，篁測於_或，多導電層。在導電層内之感測區是該導電層 之“作用(active)，’或操作區域，亦即，其為實際觸摸感測操 作，實施區域。觸摸感砸也可覆蓋整個導電層區域。觸敏 性薄膜内可具有-或多導電層，且—導電層可具有一或 測區。除了導電層外，觸敏性薄膜也可包括實施整體觸摸^ 測兀件作用之其他層面或結構。舉例言之，該賴可能有一 或多機械保護層。此外，也包括—或多用於折射率及配色之 層面’及/或-或多，例如用於防刮傷、裝飾、自潔式或其他 目的之塗層。除了該等分層元素外，觸敏性薄膜還可包括三 維結構，例如’延伸自該薄膜或該薄膜之部分之接觸結構厂 依據本發明，導電層於感測區之薄膜電阻值⑽⑽ resistance^系等於或高於3.0 。該薄臈電阻值在此之定義 正方形狀薄膜或層面之直流電(DC)電阻。 該高DC電阻相較於先前技術係根本之改變。舉例言之， 美國專利US—7477242 B2揭示’電容式觸摸感測系統基°本上 需要之導㈣膜之薄膜電阻值為1_至2·Ω。特別在 感測應用之非結構性導電層令，早先在藉著改良導電層之導 8 201203041 m阻率以改進觸減測效能上 率，例如摻雜奈米結構網= 感測裝=Ϊ==4ΑΙ揭示“改進”電容式觸摸 131及230Ω 專膜電阻值餘1000Ω降低至 測，之高薄膜電阻值係基料發明者之意外觀 範圍❹尼之_電阻值，從先前技術之典型 辨效果。此特性特別在多觸摸感測中是 咸 、此外，根據本發明，該觸敏性薄膜也能促進 至該觸敏性薄膜之減之存在及位置。該等物體之 為不同之金屬物體’例如金屬線圈，其-般來說是不 易由，統之電容式觸摸感測器所偵測。 ，適當之導電層之薄膜電阻值在某程度係決定於提供於 ，一自導電層之感測區之激發及回應訊號之頻率。通常， 較高t電時允許使職低之鮮。理想之鮮以達良好效 果決2許多因素。噪音會伴隨頻率之降低。另一方面，頻 率太尚時，天線效應干擾觸摸感測會造成問題。該天線效應 在此意指測量電路之不同部分作用如同天線，趨向於耗合干 擾訊號於電路及週遭之間。除了頻率外，為最高化觸敏性薄 膜之感應度，導電層之電阻率必須適當地配合觸摸耦合至導 電層之(頻率相依）電抗(reactance)。依觸摸感測敏感度之觀 點，典型地存在有一界於低與高截止頻率範圍間之理想頻率 區間。5亥理想頻率區間決定於，例如，感測區所在導電層之 201203041 薄膜電阻值及導電層所在基板之材料。舉例言之，在充八言 頻下，聚乙稀對苯二甲酸酯(PET)基板會成為^體，從而= 激發及回應訊I考慮上述所有因素，本發明於許施例 及應用中可·適當之電阻率範圍。具㈣#電範 導，層可促進良好之觸摸感測效能，例如，頻率 =kHz至5 MHz。通常，高頻可促使較佳之分辨率。=是， 當頻率太高時，電容耦合發生在導電層及該導電層所^之某 板之間，從而減損了觸摸感測之敏感度。 θ 土 在本發明之-較可取實施财，薄膜電阻 =之間’較可取之範圍為1〇至_，而二 m2〇kn。該等範圍更是強化觸敏性薄膜之感應度及 電】可取值。增加電阻率會增加量測時噪音及不同 據各特定朗之整體料來設定薄 電極先前技術中，分離之感測 本發明#電層°相對地’在實施例中’ 中c於感應度及觸摸位置分辨率之特別有效，其 之結構亦即’連續、無中斷、非圖案狀 敏感产，」在^感測區。該特徵促使導電層卓越之 過程、導電層之可見度降至最低，還簡化了其製作 之觸摸感測=面無須成*圖案狀。還有，具有觸敏性薄膜 此w ’、裝置之電子產品也可精簡化。 用於u操發膜可使得非圖案狀導電層 杈式。早層杈式之操作意指只有單一導電層用 10 201203041 於觸摸感應測量。換言之，所有觸摸感測之訊號皆由該單一 導電層接收以及發送。結合密實結構覆蓋整體感測區之導電 層之單一層面特性開啟了觸摸感測裝置之設計及製作之整體 =新可行性。甚至具有非圖案式導電層之多觸摸感測性能在 f層操作模式也是可行的。單一層面特性能允許整體觸敏性 >專膜成為極薄之結構。 該導電層可由任何具有上述限定之薄膜電阻值之材料所 構成。由不同材料’例如導電聚合物及金屬氧化物，組合所 構成疋可能的。另一方面，在一較可取實施例中，導電層包 含高寬比分子結構(harms)網狀物。高寬比分子結構在此意 才曰導电結構之特徵為奈米（nanometer)尺寸，亦即，尺寸小於 或等於約100奈米。舉例言之，該等結構包括：碳奈米管 (CNTs)、碳奈米芽(CNBs)、金屬奈米線(nanowire)、及碳奈米 f(nanoribbon)。在高寬比分子結構網狀物中，大量這類單一 結構，例如，CNTs，互相連結在一起。換言之，在奈米尺寸 中，面寬比分子結構不會形成真正地連續材料，例如導電聚 合物或ITO，而是一種網狀導電性互聯分子。然而，以肉眼 可視之尺度考！_之，向寬比分子結構形成一密實、整體之材 料。高寬比分子結構之一個重要特徵是可以被製成非常薄之 層面。 使用HARMS網狀物於導電層之優點包括極佳之耐久性 及高度之光學透視度，在需要光學透明觸敏性薄膜之應用上 是極有用的’此外還包括非常彈性、易調整之電性。為強化 該等優點，導電層可基本上整體由一或多HARMS網狀物所 201203041 構成。 harms網狀物之電阻性能是決定於該層面之密度(厚 度）’以及某程度來說’也取決於該HARMS結構之特性，例 如該、，，σ構之長度、厚度、或晶向（crystal orientation)及奈米結 構束之直徑、等等。該等特性可經適當地選擇HARMS之製 作處理及其參數而加以利用。適當之處理以產生包含具有依 據本發明薄膜電阻值範圍之碳奈米結構網狀物之導電層可詳 見世界專利 W0 20〇5/〇85130 A2 及 W0 2007/101906 A1(加拿. 都公司canatuoy)之陳述。更多依據本發明之電阻值之細節將 於下文中陳述。 在一較可取實施例中，觸敏性薄膜被製作成可沿三維表 :彎曲之軟性結構。所謂“軟性結構，，意指可重複地在至少 一方向上’以小於10 mm (更可取地小於5 mm)之弧度彎曲 之結構。較可取地是觸敏性薄膜可同時至少在兩個方向上彎 曲。 口除了軟性結構外，觸敏性薄膜被製作成可塑性結構，其 用，例如，熱力塑形(therm〇f_ing)，而沿三維表面改 變成形。 π 性㈣之軟性及/或可塑形結合純有之感應性能 臈:裝5在應用上之全新可能。舉例言之’觸敏 7 .為订動電話之使用者介面可被彎曲或塑造以延伸至 緣’使得該觸敏性薄難夠覆蓋該裝置之整體表面。 二維裝置之不同表面之觸敏性薄膜中，可能有若干不 5 之感測區。一感測區可覆蓋顯示區域以形成觸控螢 12 201203041 幕，另外感測區，例如，在裝置之侧邊，可被組構成觸摸感 測元件以取代傳統之機械按鈕，例如，按鈕開關。 軟性及/或可塑形之觸敏性薄膜之一良好選擇是包含一 或多HARMS網狀物之導電層。HARm結構及其網狀物有固 有之彈性’因此能使得該觸敏性薄膜成為可彎曲及/或可塑 的。 較可取地，觸敏性薄膜是光學透明的，如此其可作用^ 觸控螢幕之部件。觸敏性薄膜之光學透明在此意指至^ 10%，較可取地，至少90%直接垂直該薄膜表面之入射輻身 強度，以相關該裝置之頻率/輻射範圍，穿透過該薄膜。在y 部分之觸敏性裝置巾，賴率/赫範圍即為可見光之範圍。 、對於光學透明而言，觸敏性薄膜之主舞層面為導電層。 導，性兼絲透明之要求將限制該層面可能之材料數目。^ 此觀點，包括—❹HARMS離物之導f層可構成一良女 2二透明觸敏性薄膜之基層’因為該HARMS網狀物可指 i透日^产例如’透明導電氧化物(tranSParent C〇ndUCtive 〇Xides I w本!第二個特徵是針對包括觸敏性_之觸摸❹ " 褒置進—步包括供應電激發訊號至該觸敏性薄膜、 二及自該觸敏性薄膜之電回應訊號之電路裝置;、财 ，還匕括可基於觸摸效應以處理來自該觸敏性 =號之處理褒置。因此’觸摸感測裝置係-整 除觸敏性薄膜外，、番e , 正瓶攻置’男 量軟於，以眚h還0括其70件’例如測量電子農置及須1 里軟體以貫軛觸摸感測操作。 13 201203041 S亥電路裝置可包括不同類型接 d⑽CK^S)、魏及其他形式之導體、_及其麵以 觸敏性賴及其中-或多導電層至觸 = ，。相應地，該處理震置可包括任何硬體及㈡置= 軟體工具，以產生及控觸作該驗 ^ '其還包括任何用以測量、_理回應=ί置此 =偵測及確定在觸敏性_之觸摸位置。該電路裝置及控制 裝置可應用已知之元件及方法。 激發訊號在此意指任何經由電路裝置與觸敏性薄膜之導 ，層辆合之電子訊號，且提供適驗監控職導致改變之狀 =。該激發喊也可稱作，彳物，麟訊號或刺激訊號。典 5L例子是AC電流及電壓。回應訊號是對應以電路裝置在導 電層所量狀任何電子訊號，及允許難之_基於觸摸引 發之訊號。 、 、本發明之觸摸測裝置可被實行成為標準或特製之單獨模 ’’且或作為較大裝置整體之一部分，例如行動電話 '手提電腦、 ，子書(e-reader·)、電子導航器、電玩主機、車用儀表板或方 向盤、等等。 ^依據本發明之第二個特徵，觸摸感測裝置之觸敏性薄膜 係依據本發明之第-特徵，其之原理及優點已於前文中敘述。 在一觸摸感測裝置之實施例中，依據本發明之第一特徵 之觸敏性薄膜之特殊感應效能特別顯著，其中電路裝置經設 置以提供電激發訊號至導電層之感測區，及接收來自該相同 感測區之電回應訊號。換言之，在此實施例中，該觸摸感測 14 201203041 裝置之組構係利用簞一邕雪舔夕留a “，

之變。在另一種方式 阻抗測量（impedance 於提供訊號至一濾波器（fllter)之輸入端及箱 監控訊號在通過該濾波器時所發生之改變 中，該觸摸感測測量可以使用例如， measi^ments) ’來進行，亦即，使用介於導電層兩點間之電 流或電壓作為激發訊號及測量之後介於該兩點之電流或電壓 以作為回應訊號。此外，在另—組電極之狀激發訊號出現 時，被耦合至導電層兩點間之訊號可視為回應訊號而被量 測。此種安排也可用於雙層操作模式。 在一觸摸感測裝置之實施例中’單層操作結構與密實非 圖案式之導電層結構結合於感測區内，以提供單層非圖案式 觸摸感測之組構。 在一單層操作之觸摸感測裝置之較可取之實施例中，處 理裝置經組構以決定回應訊號及激發訊號之間之相位移 (phase displacement)，其可基於觸摸產生之該相位移以偵測在 感測區之觸摸。當然，在此實施例中，該激發訊號必須包含 交流電及電壓，因為直流訊號是不具有關聯之相位。訊號波 形並非要點；正弦曲線電壓或電流可被使用，但例如三角形 或方形波也可適用。此外，激發訊號可為任何波形之單一脈 15 201203041 衝或多脈衝。如上述’激發訊號可為搞合至導電層之一點之 電流或電壓，其中在該導電層另一點之電流或電壓可經量測 成為回應訊號。通過導電層兩點間之訊號經常會遭遇，^振 幅衰減外，基於位在導電層内其與週遭之間之寄生電容 (parasitic capacitance)及/或電感(inductance)之若干相位移。在 此實施例中，基於本發明者之觀察，特別在包括一或多 HARMS網狀物之情況下，通過導電層之訊號相位移遠比& 統使用於觸摸感測之訊號振幅來的更敏感。專注於相位移改 變而非振幅改變能促進卓越之觸摸感摩及觸摸位置分辨，其 尤其有利於觸摸感測裝置之多觸摸操作。 ~ 此外，除了作為電容式觸摸感測裝置，監測回應訊號之 相位移也允許该觸摸感測裝置之操作成為感測在觸敏性薄膜 之物體之電感耦合之電感式觸摸感測裝置。 '、 監測回應訊號之相位移而非振幅改變之進一步優點在於 回應訊號相位之最高感應性之解可以低於相應之振幅最高 感應性之頻率。因此，較低之訊號頻率可被採用。 觸摸感測裝置之觸摸感測靈敏性及觸摸位置分辨性 取決於導電層之特性及處理裝置之性能而已。同時，也相 2例如接觸t倾構。料層模式之聰制 等中接= 區經由導電層之多數接觸區連接至電路 ΐ 確定了環繞該感測區之界線_如_。 裝置之間之電子 置之部件之♦社===== 16 201203041 有接觸區在一起之假想線， 此外，在實補巾，沿界線方 ^、’區之閉合周邊線。 跖雛y· !· s , 線方向上’兩個相鄰接觸區之平均 ，在同方向上至少兩倍、更可取地、至少5 二: 地、至少10倍於接觸區之平均寬度。 β甚至取佳 當電流或電壓被輕合至兩個接觸區之 錄魏上中 ，據上述相4接難之平均轉时雜等連線或訊號路 徑，接觸位置之分辨性可獲極大化。 一 3 另方面’觸敏性薄膜之接觸位置分辨性及利用它 =測裝置也依靠接觸區之數目及彼此之相對位置而定。這 ^是關鍵性时’制是在麵案式導電狀單層模式。典 ^•地，先前技術，例如，美國專利us 7477242 B2及us 2008/0048996 A卜依靠長方形狀導電層及其四角之四個接觸 電極。然而，此種組構需要非常複雜之訊號處理，且演瞀法 之適當選擇對於裝置之性能是決定性地。尤其，多觸摸^ 依該揭示之方法是極具挑戰性的。 、為避免接觸位置確定之上述困難，—單層操作模式之觸 摸感測裝置之較可取實施例中，接觸區之數目及放置被選 擇以使付當決疋感測區之各成對兩個接觸區之直線連接 時，有該等直線之多數交又點存在於該感測區。如上述，該 想像連接線重合於該感測區之電極配對之間之訊號路徑。觸 ，，接近其中之一之該等連接線或訊號路徑會改變該由該路 徑1測得之訊號多於由其他路徑量測得之訊號。如此可提供 導電層在一方向上之觸摸位置之資訊。換言之，基於此可決 17 201203041 疋 相近連接線，亦即，一在觸摸位置或接近觸摸位置 之連接線。確定兩個不同方向之如此“相近，’連接線能夠於 兩個方向上決定該觸摸位置。換言之，藉由選擇二或更多不 同方向地“相近”連接線，亦即，由該連接線，在該等方向 接觸產生最大改變至回應訊號。此方法，基於利用複數連接 線及其交叉點，大大地簡化基於僅有4個接觸電極及僅一連 線交叉點之先前技術所需之接觸位置演算法。原則上，接觸 電極產^複數(亦即，至少兩個）交叉點之數目最少應為5個。 然而，交又點之數目越多，則接觸位置越準確。較可取地， 連線交叉點基本上應平均分布在整個感測區。 依據本發明之觸摸感測裝置之一較可取實施例中，該觸 摸感測裝置包括提供觸覺(haptic)回饋之裝置，較可取地經由 該導電層，以回應在觸敏性薄膜上之觸摸。提供經由導電層 之觸覺回饋意指，不同於倾上基於分·_(aetuat〇rs)附 膜感測使用者之皮膚觸為不同之感應。 觸摸回饋系統。另一選擇，導電 導電層可你主里从潘*、、:!： ffiff么取人 。此種方法稱為電容式

加在觸敏性_以產生觸敏㈣職動之方法，該導電層是 覺回饋裝置之一部分。如此有數種可能方法。觸 一 由該導電層產生適當電磁場而達成。摸觸敏性薄 201203041 第一及第二時間區間可被調整的非常 短暫以致於使用者感覺操作是持續地。 泛週知的，觸覺回饋可顯著地增進觸摸 :在已知之經由導電層產生觸覺_ !法。該裝置之導電層之低電阻引導高電流 =流可招致裝置上之不關題，例如過高電力要1或電磁 ίΓίϊΓ，感=路。依據本發明，由於在觸摸感測 區之導電層之包阻’ U可賴地減低 特別是經由導電層之觸覺回饋。 Τ降低門通 【實施方式】 在圖1中顯示之觸敏性薄膜包括—基板2及 之網狀物所形成，例：， 石厌奈未官L奈蚊。該基層可由，例如，聚乙稀 I酸醋(PET)所製作成。除了該高寬比分子結構之 導電層還可包括適當物質作為換雜物，其化學上地黏合、， 上結合該層面以調整該層面之‘ 電阻。導電層3之缚層電阻之範圍在3至4〇 kn之間=層 25 kD。如前所述，此類電阻範圍及導電層之成分 = 該觸敏性薄膜之觸摸感啦置能具有絕佳之賴=用 圖1之導電層所具有之厚度可例如5 nm。 生轧。 以下係圖1之制朗，其為依據本發明之 敏性薄膜。料透日雅允許膜❹於觸控式2觸 顯Μ上。，然而，如此之光學透明性非本發明原理之應t 19 201203041 必須’該觸敏性薄膜也可是半透明的。相應地，該觸敏性薄 膜之不同層面之材料，自然地，可依揭示於此之實施例而有 所改變。 由高寬比分子結構之網狀物所構成並具有依據本發明之 電阻所形成之導電層可依據揭示於，例如，w〇 2〇〇5/〇8513〇 A2、WO 2007/101906 A1、及 WO 2009/000969 之 HARM 結 構合成及沉積原理來製作。 產生HARM結構之過程可基於，例如，懸浮微粒合成反 應，其中觸媒微粒及一或多碳源以氣相導入加熱反應爐内。 在該反應爐内，该觸媒微粒與碳源混合一起加熱，及可能加 入反應物(reagent) ’例如包括硫磺之噻吩(thi〇phene)，以促 進合成過程。然後，碳源分解及碳HARM結構形成於觸媒微 粒/得到包含有HARM結構之懸浮微粒懸浮在載氣中。該觸 媒微粒可預製以具有可控特性，例如，狹窄尺寸分布以產生 可控尺寸分布之HARM結構。該觸媒微粒可以使用熱絲發電 巧(hot wire generator)來生產。該碳源可包括，例如’ 一氧化 碳。該反應爐可例如由不鏽鋼製作β該反應器之合成區之严 度約為900〇C。 血 、由上述形成之懸浮微粒，HARM結構可被收集沉積至一 適當表面以形成HARM結構網狀物之導電層。該收集之方法 可例如引導該具有HARM結構之懸浮微粒通過過濾器或穿越 基層，如此，該HARM結構可沉積在該過濾器或該基板之表 面。該沉積所形成之電阻係該沉積内之HARM結構量之直 函數。該沉積之HARM結構量繼而與載氣(懸浮微粒)内之碳 20 201203041 奈米管(CNTs)之濃度及收集之持續時間有關聯。、火 時間以產生具有預定之尺寸大小及導電性脏彳^常道所需 是氣流及HARM結構合成率之函數。舉例言之 導電層 一氧化碳及1%二氧化碳流通過裝填1 : 4 _〇‘4lmpu 一''戊鐵-二量/μ (Ferrocene-Si〇2)混合劑於室溫之渡筒，該混合劑將合匕夕 Pa之分壓。在一試驗中，此種混合劑被作為碳源 且^3 0·8 高溫約之石英管爐。該㈣件得到之結果是 之HARMS濃縮，其於過濾器產生A4紙張大小之^ %中 並具有1〇0(Κ)Ω/平方之電阻，所需之收集時間約為42 =二; 假若HARM結構之收集是將懸浮微粒通過，例如， 博公司（Millipore)製造之HAWP過濾介質，該Harm 可以簡單方式由該過濾器轉換至，例如，由聚對苯二曱二乙 醋(PET ’ P〇iyethyienetere_.haiate)形成之基板上，&如[過 濾材料壓在基板上，以使兩種材料貼合。由於濾材與ρΕτ之 間表面能量之差異，HARM S層將自然地轉移到該ρΕΤ基板。 轉移至g PET基板之該HARMS層傾向非常鬆他地自身連接 及依附在該基板上。為改善單一 HARM結構與群體之間之電 子連接，及其與PET之間之黏著，該似腿3層可浸沒在液 體，例如乙醇，之内。當該乙醇蒸發後，表面張力將使該HARM 結構與該基板更緊密黏合在一起。 下一步驟是形成接觸電極，例如將銀墨(silver ink)壓印在 該裝置上。最後，保護性之介電質層面，例如，以印刷方式， 形成在該HARMS層及接觸面。 圖1之觸敏性薄膜1經設置以侦測在導電層3側之觸摸， 21 201203041 ，導電層在基板2之對面。介電fyf 4及硬膜(hani_)5重 疊在該導電層3之上4中，該介電質層有助於該導電層與 其周圍之電容。此外，該介電質層防止該導電層不同點之間 經過導電物件接觸該觸敏性薄膜之電流接觸；如此，有利於 如圖1之組構，其用以偵測導電層3之“上層，，側之觸摸， 亦即，該基板2之對立側。因此，該介電質層可改進該薄膜 之觸摸感測性能。然而，其在根據本發明之觸摸感測裝置中 不是必定需要的。 该硬膜層之目的是防止到痕及增加該觸敏性薄膜丨之耐 久性。介電質之適當材料之實例有杜邦(Dup〇nt)7165及蘇威 (SolVay)Solvene 250 EP，及硬膜之適當材料之實例有原子層 沉積技術(ALD)所沉積之氧化鋁(Α1ζ〇3)。該介電質層厚戶二 1000微求以下為佳，最可取地，在20微米以下。另一種^代 個別介電質層及硬麟之方式，其功能可合併在具有足夠硬 度及防到傷之單一介電質層。該介電質層形成之實例有原子 層沉積技術之鈦摻雜(Ti_d〇pped)氧化鋁，或高純氧化銓/氧 I呂(Hf〇2/Al2〇3)複合材料。 除圖1之觸敏性薄膜1之優良觸摸感測特性外，作為導 電層之主要材料之HARMS網狀物允許該 有 性及/或可塑結構。圖3所顯示的是包含依據圖二3 膜1之觸控螢幕7之行動電子裝置6,該觸敏性薄膜可順菩 裝置之弧狀邊緣表面彎曲或變形，其曲率為〇Λ 如圖1所顯示，除觸敏性薄膜i外，還包括提供導電； 及觸摸感观置之其他部分(未顯示)之間電子連接之金屬電 22 201203041 3之邊緣之頂部並且連接延伸 背伽$ &導電通孔9及進一步連接形成於該基板2之 Μήι ,|||&墊1〇。該接觸墊ι〇作為連接該觸敏性薄膜與該觸 他部分之聯繫介面。所有該等電極皆連接ί ^層其意指該觸摸感測裝置被組構成單層模式之操 二;，單層操作模式中’ _導電層㈣提供激發訊號以及 二’該回應訊號經由該導電層所發生之變化以指 如圖1及圖2所顯示，該導電層3，由肉眼可視之觀點， 糸二連續、無任何中斷或孔隙之非圖案式結構。同時，圖2 顯不圖1之觸摸感測裝置之整體電極轉之幾何圖形。該等 電極8配设於該導電層之邊緣。該等電極與導電區域之間之 接觸介面構成接觸區11，經由該接觸區該導電層可電連接至 該觸摸感測裝置之其他部分(未顯示於圖2)。一想像的連結線 12，以虛線表示於圖2，將各接觸區u與其最靠近之兩個其 他接觸區連接在—起，形成_環繞及界域囉n之假想邊 界線，該感測區13内即為觸摸感測執行之區域。該觸摸感測 裝置在感測區13之觸摸感應是基於經由該電極8在導電屛 與該裝置之其他部分之耦合之訊號。在圖2之實例中，該曰感 測區13與導電層3接近重疊。然而，電極8也可更靠近該導 電層3之中央，亦即，離該導電區之邊緣有段距離。如此， 由接觸區11所圍繞之感測區13將侷限在該導電層3之中央 部位。此外，應注意的是，圖2中導電層及感測區之正方形 狀僅為範例，其不受限於任何特定形狀。該導電層3及/或感 23 201203041 則區i3電tit可番例如為具有圓角之方形、擔圓、或圓形。 之邊“ u n立2其形狀與尺寸之選擇為，沿感測區13 之遺界線Ui測，兩個接觸區 該接觸區之平均寬度lLaL十均距離4疋大約 徵為，該電極之ί目及罢外，該電極8之進一步特 二、鱼：九 置經設置’以使得每對接觸區η之 二跨越該感測區13，該等連線μ在感測區内形 ，多數之父點15(僅部分之連線及交點顯示於圖2中）。如前 ϋϊί極數目、幾何圖案、及位置能夠促成對接觸感測 之向感應性及對接觸位置之高分辨度。 在操作時，觸摸感測裝置之指定觸摸位置之能力 觸摸改變導電層3及該導電層之附近或其他點之間之電^性 及/或導電性之耦合之改變。另一方面，上述之每個連線14 各吻合一橫跨感測區之個別電極之間之訊號路徑，亦即，電 流路徑。觸敏性薄膜上之觸摸效應自然以在最接近訊號路徑 上之觸摸為最強。此乃決定觸摸位置之更精確之基本要素。 如此，於一方向掃描通過多數訊號路徑，在經掃描之訊^路 徑中，受觸摸影響最強之訊號路徑將提供資訊，以指示該觸 摸是位於該訊號路徑或連線14之附近。此外，於另一方向受 觸摸影響最強之訊號路徑將產生該觸摸位於接近該兩個不同 方向訊號路徑或連線14之交點之資訊。藉增加初步接觸位置 周圍更多之方向數目及/或連線14之密度，該接觸位置能夠 正準確地反覆確認。依據圖1及圖2 ’該涵蓋整體感测區13 之連續導電層3具有極大優勢，使用於掃描之訊號路徑不會 受限於某特定導電層圖形結構，而可以自由地以任何兩個^ 24 201203041 觸區來決定。越多接觸區及因此可能更多不同訊號路徑，則 接觸位置越為準確。 ' 圖4之觸摸感測裝置可例如是依據圖3之行動裝置之觸 控螢幕。該觸摸感測裝置包括觸敏性薄膜1 ’及用以產生激發 訊號17及控制該訊號之提供至該觸敏性薄膜i之訊號處理單 元16。該訊號處理單元16也負責接收由該觸敏性薄膜1所測 量之回應訊號18，及基於該等訊號決定觸摸之出現及位置。 該訊號處理單元16及該觸敏性薄膜經由訊號電路19而彼此 連接。‘依據圖4之裝置經由導電層上之接觸區以耦合包含交 流電或電壓之激發訊號至該觸敏性薄膜之導電層。該接觸區 即做為該觸敏性薄膜之輸入點。另一在該導電層上之接觸區 則作為量測該回應訊號之輸出點。此種測量安排係對應傳送 電壓或電流訊號通過過濾器及監測該訊號於輸入及輸出該過 渡器之改變《上述以交流電或電壓為訊號意指具有適當頻率 及振幅之任何形式。當然，正弦訊號形式是一良好選擇，但 例如圖4之中之方形訊號也可被使用。 圖4中之訊號處理單元16也包括提供觸覺回饋訊號給導 電層3之裝置(未分開顯示於圖4)，及產生觸覺回饋訊號以回 應在觸敏性薄膜上之觸摸。該訊號處理單元16可包括，例如， 第一電路裝置，其用以提供及接收訊號Π、18 ’及第二電路 裝置’其用以提供觸摸回饋之訊號，其中該導電層經設置以 交替地被耦合該第一及第二電路裝置。在圖4之實例中，該 觸摸回饋之產生係使用該導電層3以產生適當電磁場’其可 被该裝置之使用者之皮膚感知不同觸覺。此外’使用導電層3 25 201203041 作為基於觸覺介面之電流驅動聚合物（人工肌肉）之一部分也 是可行的。 由該訊號處理單元16監控之主要參數是相對於激發訊號 17之回應訊號18之相移(phase displacement)。在依據本發明 之觸敏性薄膜1中，由導電層所測量之回應訊號之相移對於 由觸摸或接近受量測訊號路徑所引發之電容及/或電感耦合 是相當敏感的。此乃依據本發明之非常獨特之觸敏性薄膜功 能；在傳統之觸敏性薄膜中，回應訊號相移對於觸摸出現之 敏感度基本上是非常低的。此外，訊號之相移(其可例如以相 位角表示），相較於訊號振幅，比較不會干擾介面。同時，對 比於絕對參數之振幅’量測相位或相移係相對測量，其可致 使測量在穩定性及重複性方面得到有利條件。 圖5揭示藉測量回應訊號相移之觸摸感應，其顯示被耦 合至觸敏性薄膜之導電層之激發訊號17及及受測量於該導電 層之兩個回應訊號18a、i8b。在此，該激發訊號是包含綜合 成DC電平之正弦交流電部分之電壓。通過導電層之電壓 18a、18b被視為回應訊號而接受測量。該回應訊號丨如、18b 被減弱及以一時移(time dispiacement) &相對該激發訊號丨7偏 移。該時移〜也可以相移卸= 2<Δ/來表示，其中/是訊號頻道。 該相移卸也可稱作回應訊號18a、18b相對於激發訊號17之 相角(phase angle)。在無觸摸時，該回應訊號18&、丨肋之時 移Δ/及相應之相移知主要是基於與導電層關聯之寄生電容 及/或電感’且是非常小的。一接近導電層之輸入及輸出點之 間之訊號路徑之觸摸會改變回應訊號18b及激發訊號17之間 26 201203041 之相移卸。因此該相移〜之改變是 在圖5之實例中，由觸摸促使顺之基本參數。 是正值，亦即，該觸棋増加該回應訊號^之:移之改變物) 該改變也可能是負值。兴例古 目士、、寺移&。然而， potential)之金屬物件，亦;；地^有漂#電—ng 持。如此，通常，相二 峰材料。該負值變化可表示該‘^ 電感地耦合至測量電路系統^ 依據本發明’在她性祕巾，基於物件在觸敏性薄膜 上之實際接觸之=角改變__之頻率相關性，其不同於物 =僅在該觸敏性薄膜附近，例如在矩離該觸敏性薄膜約工公 刀位置，所造成之相角改變之頻率相關性。該差異 性可用於分辨物件之實際接觸或近距離之呈現。換言之，當 ，，被偵測時’相繼的2或更多不同頻率之測量能被用以決 定是否有物件與觸敏性薄膜實際接觸或在其附近。舉例言 之’在一具有HARMS網狀物構成且感測區之電阻約為10 κ Ω/平方之導電層之特別試樣中，用於上述決定之第1及第2 頻率個別為300 MHz及1 MHz。能夠分辨該兩種狀況之能力 大大開啟了利用本發明之觸敏性薄膜以設計多式樣使用者介 面之可能性。 在上述之試驗中，該方形試樣之尺寸是17 X 17αη2，而其 組構包括5個銀製之等距接觸電極於該試樣之兩側。類似之 組構已成功地用於證明本發明之偵測能力，不僅偵測指尖觸 摸，還偵測不同類型物件之呈現，其可任意放置於該觸敏性 27 201203041 薄膜之不同位置’例如’行動電話β ,圖6顯示，依據本發明，在具有薄膜電阻15至2〇1^〇之 導，層所測量得到之實部及複數雜抗之感應性。在圖6中， 〒几之’糾几係'以歐姆(〇hms)表示。阻抗之複數‘I5， 相位係以相位角之角度表示。如所週知，阻抗之實部， 亦即’圖6之“組抗”，促成傳送至導電層之訊號之振幅。 阻抗之複數部，亦即圖6之“相位，，，促成該訊號之相位。 ,,圖6之曲線清楚地表示對於觸敏性薄膜上之觸摸，“組 抗之最高感應度之所在頻率基本上低於相應之“相位，、， 之最高感應度之所在辭。此意謂著，感應是基於監 測相應於激發訊號之回應訊號之相位及其改變時，相較於傳 統上基於監測回應訊號振幅之方法，可使用較低之頻率。 以下實例’將詳述圖4之觸摸感測裝置之賴感應處理。 該處理過程依據圖丨及圖2之觸敏性_及圖5之相移 監測。該處理過程始自於通遍掃描，沒有觸摸出現，在導電 層上之所有成對接觸區u，亦即，所有訊號路徑或連接線M， 以形成回應崎之相位肖#之背景(baekg_d)或參考值之 f存區(r:gister)。對於每-對接觸區1卜其中-個接觸區u 是作為提供第-頻率之激發訊號至該導電層， 由另r個接觸區u來測量。此種背景掃描是必要的Hi 同訊號路絲連接線具有不同長度及@此提供不同相角 單一訊號路徑之相角之某些變化也可能由該導電層之可能非 -致性所造成。在背景掃描後，處雌序繼續重複^ 比較有限之連接線14群組，例如，每第二或第三連接線，^ 28 201203041 能地更進-步限祕僅掃描—方向上之平行連接線。各個回 應訊唬18之相位角知與相應之背景值作比較。當實際測量及 “或f 3接丨線14之月景值之間之差異超過預設臨界值 卜)時，亦即，觸摸被_到，則重複測量切 性被用於決定，是否有-尖端觸二:2文讀)之相依 或在該觸敏性薄狀IA觸控物貫際接觸賴敏性薄膜 及決找觸摸類型後，下-步驟將決定_ 〜接近先前所決定之相㈣改變夠超 過預a界值之-或多連接線14之較密集之連接線 被選擇並通遍掃描。若在前—階段中，僅有—方向之連 =被使用，自然地，首先即要包括至少另—方向之選擇連接

Ϊ交1i°wfi彳ί 等選擇連線接受通遍掃描。兩個連接線W 所代裊不时向及顯示最餘位角域變於它們 以上明顯不:該接觸位置之初步概估。在感測區内-個 數同時觸摸：Α 1生超出臨界值之相位角改變脚)表示多 觸担酬繼續反覆地選擇及掃描接近該初步估算之 要求之精確度為止。 直到觸摸位置達到所 單元可由任何安裝在顧❹彳裝置之訊號處理 執行。本=13件内之已知電子及/或適當設定軟體裝置來 士在太直二#不党限於上述範例，實施例可經熟悉此技蓺人 士在本專利乾圍内任意修改。 β人 29 201203041 【圖式簡單說明】 圖1剖面示意圖，其顯示依據本發明之觸摸感測裝置 之觸敏性薄膜及附加之電極； 圖2 依據圖1之觸摸感測裝置之平面圖； 圖3 依據圖1之觸敏性薄膜被使用於行動電子裝置； 圖4 方塊示意圖，其顯示依據本發明之觸摸感測裝置 之一般結構； 圖5 顯示依據本發明之觸摸感測裝置之測量原理； 圖6 顯示回應訊號振幅及像位之間之頻率相依性。 【主要元件符號說明】 1 觸敏性薄膜 2 基板 3 導電層 4 介電質層 5 硬膜 6 行動電子裝置 7 觸控螢幕 8 金屬電極 9 導電通孔 10 接觸墊 11 接觸區 12 連結線 13 感測區 14 連線 15 交點 16 訊號處理單元 17 激發訊號 18、 18a、18b 回應訊號 19 訊號電路 30

Claims (1)

1. 201203041 七'申請專利範圍： 1甘一種包括具有感測區⑽之導電層（3)之觸敏性 ，、特徵在於该導電層（3)於感測區(13)之薄膜曾 >、 或等於3kQ。 、电丨且係南於 2.如申請專利範圍第1項之觸敏性薄膜(丨），复 層(3)於感測區(13)之薄膜電阻之範圍是在5幻〇〇、了 取地’是在10至50 kQ。 導電利範圍第1或2項之—性薄膜⑴，其中該 導電S( )L伸為一涵蓋整個感測區(13)之實體結構。 專=第1至3項巾任—項之臟性薄膜 该導電層(3)包括一高寬比分子結構(HARMS)網狀 ⑴，其中該i至β4項中任—項之觸敏性薄膜 薄膜能沿三維表面疋由彈性結構構成，致使該觸敏性 6.如申請專利籍 (1)，其令該其中該觸至5項中任一項之觸敏性薄膜 該觸敏性薄膜炉：，薄膜(1)是由可塑性結構構成，致使 、b/σ二，，隹表面變形。 31 201203041 7.如申請專利範圍第1 i 6項中任―項之觸敏 (1) ’其中該觸敏性薄膜(1)是光學透明的。 /守勝 8.—種包括觸敏性薄膜⑴之觸摸感測裝置(2〇)， 測裝置進一步包括： -電路裝置(8、9、10、19)，其用以提供電激發 至該觸敏性薄膜(1)，及接收來自該觸敏性薄膜(1;) 號(18、18a、18b); -處理裝置（16)，其用以處理基於偵測在觸敏性薄膜之 摸感應之電回應訊號(18、18a、18b); 、 其特徵在於該觸敏性薄膜(1)係依據申請專利範圍第i至 7項中任一項之觸敏性薄膜(1)。 9.如申請專利範圍第8項之觸摸感測裝置(20)，其中該電 路裝置(8、9、10、19)經設置以提供電激發訊號(17)至導電層 (3)之感測區（13)，及接收來自該相同感測區（13)之電回應訊號 (18、18a、18b)。 10. 如申請專利範圍第9項之觸摸感測裝置(20)，其中該 處理裝置（16)經設定以決定回應訊號(18、18a、18b)及激發訊 號(17)之間之相移，及基於觸摸致使之該相移之改變，偵測在 感測區（13)内之觸摸。 11. 如申請專利範圍第10項之觸摸感測裝置(20)，其中該 32 201203041 ί = (13)是經由導電層⑶上之多數接觸區⑴)而€速接裏 ，該等接觸區⑼界定環繞該感測區 =之界線(12) ’並且沿所定界線(12)方向，兩個相鄰接觸區 ),平均距^離至少應兩倍、較可取至少5倍、最佳裏少1〇 倍於該接觸區（11)之平均寬度。 置(20)，8 i 12項中任—項之觸摸感測裝 八、圖式： 33