TWI575430B - 懸浮感應之互電容式輸入裝置 - Google Patents

Description

懸浮感應之互電容式輸入裝置

本發明係關於觸控板之技術領域，尤指一種懸浮感應之互電容式輸入裝置。

隨著智慧型手機與平板電腦的快速普及，繼觸控輸入與多指手勢操作之後，懸浮手勢操作之需求逐漸浮現。懸浮偵測裝置已被大量運用在不同的智慧型手機上，以增加智慧型手機的附加價值。懸浮偵測裝置在物件未觸碰狀態下，能於特定距離內偵知物件之接近、遠離、位置與運動方向。然而已商業化的懸浮手勢偵測裝置多為光學攝影或紅外線掃描方式，常有手影問題、環境光干擾與耗能之顧慮，此等皆不利於行動裝置之應用。

投射電容式觸控具有節能、使用壽命長、機構簡潔易於產品設計等優點，特別適宜行動電子裝置之應用。在投射電容式觸控面板的電容偵測方法上，一般分為自容式與互容式。圖1中的習知自電容(self capacitance)感測方法係在同一條導體線上同時連接有驅動及感測電路 110、120，先對導體線驅動後，再對同一導體線感測其訊號的變化量，以決定自感應電容大小。

另一電容式觸控面板驅動的方法係為感測互感應電容(mutual capacitance,Cm)的大小變化，用以判斷是否有物體靠近觸控面板，同樣地，互感應電容(Cm)並非實體電容，其係第一方向的導體線與第二方向的導體線之間互感應電容(Cm)。圖2係習知互感應電容(Cm)感測之示意圖，如圖2所示，驅動器210係配置於第一方向(Y)上，感測器220係配置於第二方向(X)上，於第一時間週期T1前半週期時，由驅動器210對第一方向的導體線230驅動，其使用電壓Vy_1對互感應電容(Cm)250充電，於第一時間週期T1後半週期時，所有感測器220感測所有第二方向的導體線240上的電壓(Vo_1,Vo_2,...,Vo_n)，用以獲得n個資料，經過m個驅動週期後，即可獲得mxn個資料。

習知的投射電容式觸控面板技術上僅針對觸控面板上多點觸碰的偵測進行著墨，其仍無法執行懸浮感應。因此，習知投射電容式觸控面板仍有予以改善的空間。

本發明之目的主要係在提供一懸浮感應之互電容式輸入裝置，其可將懸浮感應偵測技術實現於投射電容式觸控輸入裝置。

依據本發明之一特色，本發明提出一種懸浮感應之互電容式輸入裝置，包括複數個發射電極、複數個接收 電極、一觸控感應訊號源、至少一個增益大於零之第一放大器、一第一選擇開關電路、及一第二選擇開關電路。該觸控感應訊號源產生至少一個頻率的觸控感應訊號，並經該第一選擇開關電路耦合至該複數個發射電極。該第一選擇開關電路連接至該複數個發射電極、該觸控感應訊號源、及該至少一個增益大於零之第一放大器，該第一選擇開關電路將該觸控感應訊號依序地選擇耦合到該複數個發射電極中之至少一個發射電極，並將所選定的該至少一個發射電極之外的複數個發射電極耦合至一電容抵銷訊號。該第二選擇開關電路連接至該複數個接收電極及該至少一個增益大於零之第一放大器，該第二選擇開關電路依序將該複數個接收電極的至少一個接收電極上的感應訊號耦合到至少一個增益大於零之第一放大器，以產生該電容抵銷訊號，並將該電容抵消訊號耦合至該第一選擇開關電路。

依據本發明之另一特色，本發明提出一種懸浮感應之互電容式輸入裝置，包括複數個發射電極、複數個接收電極、一觸控感應訊號源、一選擇開關電路、複數個反射偏向電極、及複數個增益大於零之放大器。該觸控感應訊號源產生至少一個頻率的觸控感應訊號，並經該選擇開關電路耦合至該複數個發射電極。該選擇開關電路連接至該複數個發射電極、及該觸控感應訊號源，該選擇開關電路將該觸控感應訊號依序地選擇傳送到該複數個發射電極中之至少一個發射電極。該複數個反射偏向電極的每一個反射偏向電極係對應至該複數個發射電極的一個發射電 極。該複數個增益大於零之放大器之每一個放大器係對應至一個發射電極，以將對應之發射電極上的電氣訊號經該第二放大器傳送至與該發射電極對應之該反射偏向電極。

110、120‧‧‧驅動及感測電路

210‧‧‧驅動器

220‧‧‧感測器

230‧‧‧導體線

240‧‧‧導體線

250‧‧‧互感應電容

300‧‧‧懸浮感應之互電容式輸入裝置

330‧‧‧觸控感應訊號源

350‧‧‧第一選擇開關電路

360‧‧‧第二選擇開關電路

310、310-1、310-2、...、310-m‧‧‧發射電極

320、320-1、320-2、...、320-n‧‧‧接收電極

340、340-1、340-2、...、340-n‧‧‧第一放大器

370‧‧‧反射偏向電極

380、380-1、380-2、...、380-m‧‧‧第二放大器

1200、1300‧‧‧懸浮感應之互電容式輸入裝置

1250‧‧‧選擇開關電路

圖1係習知自感應電容感測之示意圖。

圖2係習知互感應電容感測之示意圖。

圖3係本發明懸浮感應之互電容式輸入裝置之一示意圖。

圖4係本發明圖3中一接收電極RX的等效電路圖。

圖5係本發明懸浮感應之互電容式輸入裝置之另一示意圖。

圖6係本發明懸浮感應之互電容式輸入裝置之再一示意圖。

圖7A係習知互電容觸控感應運作之示意圖。

圖7B係圖7A中AA'處之剖面圖。

圖8A係本發明懸浮感應之互電容式輸入裝置之工作原理之示意圖。

圖8B係圖8A中BB'處之剖面圖。

圖9係本發明懸浮感應之互電容式輸入裝置之又一示意圖。

圖10係圖9中CC'處的剖面圖。

圖11係本發明圖6中一接收電極RX的等效電路圖。

圖12係本發明懸浮感應之互電容式輸入裝置之更一示意圖。

圖13係本發明懸浮感應之互電容式輸入裝置之更另一示意圖。

圖3係本發明一種懸浮感應之互電容式輸入裝置300之一示意圖。該互電容式輸入裝置300包括複數個發射電極310、複數個接收電極320、一觸控感應訊號源330、至少一個增益大於零之第一放大器340、一第一選擇開關電路350、及一第二選擇開關電路360。

該複數個發射電極310係延一第一方向排列(X)，該複數個接收電極320係延一第二方向(Y)排列，以感應一外部物件之觸碰或近接。該第一方向(X)與該第二方向(Y)係大致互相垂直。該複數個發射電極310及複數個接收電極320之每一個電極的形狀為下列其中之一：多邊形、圓形、三角形、矩形、菱形、楔形、方形或上述形狀之串接。於本實施例中，係以長方形為例說明。

該觸控感應訊號源330產生至少一個頻率的觸控感應訊號，並經該第一選擇開關電路350耦合至該複數個發射電極310。

該第一選擇開關電路350連接至該複數個發射 電極310、該觸控感應訊號源330、及該至少一個增益大於零之第一放大器340。該第一選擇開關電路350將該觸控感應訊號依序地選擇以傳送到該複數個發射電極310中之至少一個發射電極，並將所選定的該至少一個發射電極之外的複數個發射電極連接以接收一電容抵銷訊號(Sig)。

該第二選擇開關電路360連接至該複數個接收電極320及該至少一個增益大於零之第一放大器340。該第二選擇開關電路360依序將該複數個接收電極的至少一個接收電極上的感應訊號輸出至該至少一個增益大於零之第一放大器340，以產生該電容抵銷訊號(Sig)，並輸出至該第一選擇開關電路。其中，該至少一個增益大於零之第一放大器340的增益較佳為一。

於習知技術中，當觸控感應訊號自訊號源330交連至發射電極310-1並由接收電極320-1感應訊號時，由於其它發射電極(310-2,...,310-m)與接收電極320-1之間皆存在有電容，總合形成龐大之背景電容，不利於感測發射電極310-1與接收電極320-1之間微小之感應電容變化。然而，於本發明中，如圖3所示，當觸控感應訊號輸出至該發射電極310-1且由接收電極320-1感應訊號時，該第二選擇開關電路360將該接收電極320-1感應到的訊號Sen1輸出至該至少一個增益大於零之第一放大器340，以產生該電容抵銷訊號(Sig)。此時，該第一選擇開關電路350將所選定的該至少一個發射電極(310-1)之外的複數個發射電極(310-2,...,310-m) 連接以接收該電容抵銷訊號(Sig)。由於發射電極310-2,...,310-m上的訊號與接收電極320-1感應訊號相同，因此發射電極310-2,...,310-m與接收電極320-1具有相同的電位(交流)，故發射電極310-2,...,310-m與接收電極之間的電容效應被抵消，不再成為感測之沉重負擔，也不會如習知技術般對接收電極320-1產生雜訊干擾。該至少一個增益大於零之第一放大器340的增益較佳為1。

圖4係圖3中一接收電極RX的等效電路圖。如圖4所示，、、...。C_eq1 C_eq2 C_eq3 ...C_eqn。因此，C_total=C_eq1+C_eq2+C_eq3+...+C_eqn+C_RG+C_FG=n×C_eq1+C_RG+C_FG。由於本發明使用該至少一個增益大於零之第一放大器340由接收電極320-1感應到的訊號Sen1來產生該電容抵銷訊號(Sig)，並輸出至發射電極310-2,...,310-m上，因此發射電極310-2,...,310-m與接收電極320-1具有相同的電位(交流)，故C₂=C₃=C₄=...=C_n=0，因此C_eq2=C_eq3=C_eq4=...=C_eqn=0，故C_total=C_eq1+C_RG+C_FG。由公式可知，C_FG所佔的比例大幅提昇，故偵測靈敏度亦大幅提昇。

圖5係本發明一種懸浮感應之互電容式輸入裝置300之另一示意圖。其與圖3主要差異在於：將該至少一個增益大於零之第一放大器340移至複數個接收電極320與該第二選擇開關電路360之間，並將其數量變更為n個，其中n為複數個接收電極320的數目。該至少一個增益大於零之第一放大器340可將接收電極320-1感應到的訊號Sen1緩 衝並放大後，再輸出至該該第二選擇開關電路360，以補償該感應到的訊號Sen1在傳輸過程中的衰減。

圖6係本發明一種懸浮感應之互電容式輸入裝置300之再一示意圖。其與圖5主要差異在於：新增複數個反射偏向電極370及新增複數個增益大於零之第二放大器380。

該複數個反射偏向電極370的每一個反射偏向電極係對應至該複數個發射電極310的一個發射電極。其中，每一個反射偏向電極370係設置於對應之該發射電極310之一側，該反射偏向電極370之面積不小於該發射電極310之面積。亦即，若將該複數個接收電極320所在的平面視為上層，該複數個發射電極310所在的平面則為中層，而該複數個反射偏向電極370所在的平面則為下層。其中，該反射偏向電極370係位於發射電極310之下方，故其一部分係被發射電極310所遮住。

該複數個增益大於零之第二放大器380之每一個第二放大器370係對應至一個發射電極310，以將對應之發射電極310上的電氣訊號經該第二放大器370傳送至與該發射電極310對應之該反射偏向電極370。其中，該至少一個增益大於零之第一放大器340及該複數個增益大於零之第二放大器380之每一個第二放大器之增益係分別為可程式調整。其中，該第二放大器380之增益值較佳為一。

該複數個發射電極310、該複數個接收電極320及該複數個反射偏向電極370係為導電材料所製造。該導電材料為下列其中之一：鉻、鋇、鋁、銀、銅、鈦、鎳、鉭、鈷、鎢、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鉀(K)、鋰(Li)、銦(In)、鉬、合金、銦錫氧化物(ITO)、IZO、ZnO、GZO、MG(OH)2、導電高分子、奈米炭管、石墨烯、奈米銀絲、氟化鋰(LiF)、氟化鎂(MgF2)、及氧化鋰(Li2O)。

圖7A係一習知互電容觸控感應運作之示意圖。圖7B係圖7A中AA'處之剖面圖。如圖7A所示，當發射電極310-j上有正極性之觸控感應訊號、接收電極320-(i-1)、320-i、320-(i+1)沒有觸控感應訊號時，其中，部份電力線由發射電極310-j射向接收電極320-(i-1)、320-i、320-(i+1)，部份電力線向下方射出至下方相對電位較負之鄰近導體(圖未示)。當發射電極上為負極性觸控感應訊號時，其電力線分佈方式亦同上述，只是方向相反。

圖8A係本發明懸浮感應之互電容式輸入裝置300之工作原理之示意圖。圖8B係圖8A中BB'處之剖面圖。如圖8A所示，當發射電極310-j及反射偏向電極370-j上有等量正極性之觸控感應訊號，而接收電極320-(i-1)、320-i、320-(i+1)沒有觸控感應訊號時，由發射電極310-j向外射出之電力線受反射偏向電極之同電位排斥而全部朝上射向接收電極320-(i-1)、320-i、320-(i+1)，因此，其向上之電力線倍增且延遠推高，如此其感應的範圍可以變大。而由於其感測 範圍變大，故可執行懸浮感應。

圖9係本發明一種懸浮感應之互電容式輸入裝置300之又一示意圖。其與圖6主要差異在於：每一個反射偏向電極370係設置於對應之該發射電極310之周遭。圖10係圖9中CC'處的剖面圖。由圖10可知，由於反射偏向電極370係設置在對應之發射電極310之周遭，故反射偏向電極370與發射電極310係在同一平面。

圖11係圖6中一接收電極RX的等效電路圖。如圖11所示，由於本發明使用該至少一個增益大於零之第二放大器380-1將該觸控感應訊號同時輸出至該反射偏向電極370-1，因此該發射電極310-1與該反射偏向電極370-1具有相同的電位(交流)，故該發射電極310-1與該反射偏向電極370-1之間的電容C_TRS為0，所以接收電極RX的電容C_RXeq→G=C_Rg+C_FG。由公式可知，C_FG所佔的比例大幅提昇，故偵測靈敏度亦大幅提昇。

圖12係本發明一種懸浮感應之互電容式輸入裝置1200之更一示意圖。其與圖6主要差異在於：將該至少一個增益大於零之第一放大器340移除、並因應更改該第一選擇開關電路350的結構。亦即該懸浮感應之互電容式輸入裝置1200包含複數個發射電極310、複數個接收電極320、一觸控感應訊號源330、一選擇開關電路1250、複數個反射偏向電極370、複數個增益大於零之放大器380。其中，該等放大器380之增益較佳為一。該懸浮感應之互電容式輸入裝 置1200的技術細節可參閱前述說明及圖3至圖11，不再贅述。

圖13係本發明一種懸浮感應之互電容式輸入裝置1300之更另一示意圖。其與圖12主要差異在於：每一個反射偏向電極370係設置於對應之該發射電極310相同平面之周遭。

由前述說明可知，本發明使用反射偏向電極370，使發射電極310上的電力線聚集於偵測方向並沿此方向延遠，因此其感測範圍變大，可執行懸浮感應。藉此，可將投射電容式觸控面板技術應用於懸浮感應。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限于上述實施例。

300‧‧‧懸浮感應之互電容式輸入裝置

330‧‧‧觸控感應訊號源

340‧‧‧第一放大器

350‧‧‧第一選擇開關電路

360‧‧‧第二選擇開關電路

310、310-1、310-2、...、310-m‧‧‧發射電極

320、320-1、320-2、...、320-n‧‧‧接收電極

Claims (16)

1. 一種懸浮感應之互電容式輸入裝置，包括：複數個發射電極；複數個接收電極；一觸控感應訊號源，其產生至少一個頻率的觸控感應訊號；至少一個增益大於零之第一放大器；一第一選擇開關電路，其連接至該複數個發射電極、該觸控感應訊號源、及該至少一個增益大於零之第一放大器，該第一選擇開關電路將該觸控感應訊號依序地選擇耦合到該複數個發射電極中之至少一個發射電極，並將所選定的該至少一個發射電極之外的複數個發射電極耦合至一電容抵銷訊號；一第二選擇開關電路，連接至該複數個接收電極及該至少一個增益大於零之第一放大器，該第二選擇開關電路依序將該複數個接收電極的至少一個接收電極上的感應訊號耦合到該至少一個增益大於零之第一放大器，以產生該電容抵銷訊號，並將該電容抵消訊號耦合至該第一選擇開關電路；以及複數個反射偏向電極，該複數個反射偏向電極的每一個反射偏向電極係分別對應至該複數個發射電極的一個發射電極；其中，每一個反射偏向電極係設置於對應之該發射電極之週遭。
2. 如申請專利範圍第1項所述之懸浮感應之互電容式輸入裝置，其更包含：複數個增益大於零之第二放大器，該複數個增益大於零之第二放大器之每一個第二放大器係分別對應至一個發射電 極，以將對應之發射電極上的電氣訊號經該第二放大器傳送至與該發射電極對應之該反射偏向電極。
3. 如申請專利範圍第2項所述之懸浮感應之互電容式輸入裝置，其中，該至少一個增益大於零之第一放大器及該複數個增益大於零之第二放大器之每一個第二放大器之增益係分別為可程式調整。
4. 如申請專利範圍第1項所述之懸浮感應之互電容式輸入裝置，其中，該複數個發射電極、該複數個接收電極及該複數個反射偏向電極係為導電材料所製造。
5. 如申請專利範圍第4項所述之懸浮感應之互電容式輸入裝置，其中，該導電材料為下列其中之一：鉻、鋇、鋁、銀、銅、鈦、鎳、鉭、鈷、鎢、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鉀(K)、鋰(Li)、銦(In)、鉬、合金、銦錫氧化物(ITO)、IZO、ZnO、GZO、MG(OH)2、導電高分子、奈米炭管、石墨烯、奈米銀絲、氟化鋰(LiF)、氟化鎂(MgF2)、及氧化鋰(Li2O)。
6. 如申請專利範圍第1項所述之懸浮感應之互電容式輸入裝置，其中，該複數個發射電極係延一第一方向排列，該複數個接收電極係延一第二方向排列，該第一方向係垂直該第二方向。
7. 如申請專利範圍第1項所述之懸浮感應之互電容式輸入裝置，其中，該複數個發射電極與該複數個接收電極之每一個電極的形狀為下列其中之一：矩形、三角形、多邊形、楔形、菱形、方形、圓形或上述形狀之串接。
8. 一種懸浮感應之互電容式輸入裝置，包括：複數個發射電極；複數個接收電極； 一觸控感應訊號源，其產生至少一個頻率的觸控感應訊號；一選擇開關電路，其連接至該複數個發射電極、及該觸控感應訊號源，該選擇開關電路將該觸控感應訊號依序地選擇傳送到該複數個發射電極中之至少一個發射電極；複數個反射偏向電極，該複數個反射偏向電極的每一個反射偏向電極係分別對應至該複數個發射電極的一個發射電極；以及複數個增益大於零之放大器，該複數個增益大於零之放大器之每一個放大器係分別對應至一個發射電極，以將對應之發射電極上的電氣訊號經該複數個放大器傳送至與該發射電極對應之該反射偏向電極，其中，該複數個增益大於零之放大器之每一個放大器之增益係為可程式調整。
9. 如申請專利範圍第8項所述之懸浮感應之互電容式輸入裝置，其中，每一個反射偏向電極係設置於對應之該發射電極之一側，該反射偏向電極之面積不小於該發射電極之面積。
10. 如申請專利範圍第8項所述之懸浮感應之互電容式輸入裝置，其中，該複數個發射電極、該複數個接收電極及該複數個反射偏向電極係為導電材料所製造。
11. 如申請專利範圍第10項所述之懸浮感應之互電容式輸入裝置，其中，該導電材料為下列其中之一：鉻、鋇、鋁、銀、銅、鈦、鎳、鉭、鈷、鎢、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鉀(K)、鋰(Li)、銦(In)、鉬、合金、銦錫氧化物(ITO)、IZO、ZnO、GZO、MG(OH)2、導電高分子、奈米炭管、石墨烯、奈米銀絲、氟化鋰(LiF)、氟化鎂(MgF2)、及氧化鋰(Li2O)。
12. 如申請專利範圍第8項所述之懸浮感應之互電容式輸入裝置，其中，該複數個發射電極係延一第一方向排列，該複 數個接收電極係延一第二方向排列，該第一方向係垂直該第二方向。
13. 如申請專利範圍第8項所述之懸浮感應之互電容式輸入裝置，其中，每一個反射偏向電極係設置於對應之該發射電極之周遭。
14. 一種懸浮感應之互電容式輸入裝置，包括：複數個發射電極；複數個接收電極；一觸控感應訊號源，其產生至少一個頻率的觸控感應訊號；至少一個增益大於零之第一放大器；一第一選擇開關電路，其連接至該複數個發射電極、該觸控感應訊號源、及該至少一個增益大於零之第一放大器，該第一選擇開關電路將該觸控感應訊號依序地選擇耦合到該複數個發射電極中之至少一個發射電極，並將所選定的該至少一個發射電極之外的複數個發射電極耦合至一電容抵銷訊號；一第二選擇開關電路，連接至該複數個接收電極及該至少一個增益大於零之第一放大器，該第二選擇開關電路依序將該複數個接收電極的至少一個接收電極上的感應訊號耦合到該至少一個增益大於零之第一放大器，以產生該電容抵銷訊號，並將該電容抵消訊號耦合至該第一選擇開關電路；複數個反射偏向電極，該複數個反射偏向電極的每一個反射偏向電極係分別對應至該複數個發射電極的一個發射電極；以及複數個增益大於零之第二放大器，該複數個增益大於零之第二放大器之每一個第二放大器係分別對應至一個發射電 極，以將對應之發射電極上的電氣訊號經該第二放大器傳送至與該發射電極對應之該反射偏向電極。
15. 如申請專利範圍第14項所述之懸浮感應之互電容式輸入裝置，其中，每一個反射偏向電極係設置於對應之該發射電極之一側，該反射偏向電極之面積不小於該發射電極之面積。
16. 一種懸浮感應之互電容式輸入裝置，包括：複數個發射電極；複數個接收電極；一觸控感應訊號源，其產生至少一個頻率的觸控感應訊號；一選擇開關電路，其連接至該複數個發射電極、及該觸控感應訊號源，該選擇開關電路將該觸控感應訊號依序地選擇傳送到該複數個發射電極中之至少一個發射電極；複數個反射偏向電極，該複數個反射偏向電極的每一個反射偏向電極係分別對應至該複數個發射電極的一個發射電極；以及複數個增益大於零之放大器，該複數個增益大於零之放大器之每一個放大器係分別對應至一個發射電極，以將對應之發射電極上的電氣訊號經該複數個放大器傳送至與該發射電極對應之該反射偏向電極；其中，該複數個發射電極與該複數個接收電極的每一個電極的形狀為下列其中之一：矩形、三角形、多邊形、楔形、菱形、方形、圓形或上述形狀之串接。