TWI517011B - 電容式觸控式螢幕 - Google Patents

Description

電容式觸控式螢幕

本發明涉及觸控技術領域，尤其涉及一種電容式觸控螢幕。

當前，觸控螢幕廣泛應用於各種電子產品，如筆記型電腦、顯示器、手機以及遊戲機等，其使得使用者無需外接設備，實現了隨時隨地移動辦公。現有的電容式觸控式螢幕普遍存在抗干擾性能差、掃描幀率低、體積大以及製造工藝複雜等問題。

有鑑於此，本發明提供一種電容式觸控螢幕，而能夠解決以上問題之中的至少一個。

本發明所提供的電容式觸控式螢幕包括：印刷電路板；設置於印刷電路板上的複數感應電極，所述複數感應電極排列成二維陣列；以及以板上晶片(Chip-on-Board，簡稱COB)方式綁定到印刷電路板上的觸控晶片，所述觸控晶片與所述複數感應電極之中的每一個感應電極分別透過導線相連接。

於一發明概念中，所述觸控晶片用以檢測每個感應電極的自電容。

於一發明概念中，所述觸控晶片用以透過以下方法檢測每個感應電極的自電容：用電壓源或電流源驅動所述感 應電極；以及檢測所述感應電極的電壓或頻率或電量。

於一發明概念中，所述觸控晶片用以透過以下方 法檢測每個感應電極的自電容：驅動並檢測所述感應電極，同時驅動其餘感應電極；或者驅動並檢測所述感應電極，同時驅動所述感應電極周邊的感應電極。

於一發明概念中，對於各感應電極，所述電壓源 或電流源具有同一頻率；或者對於各感應電極，所述電壓源或電流源具有兩個或兩個以上的頻率。

於一發明概念中，所述觸控晶片用以透過以下方 法檢測每個感應電極的自電容：同時檢測所有感應電極的自電容；或者分組檢測各感應電極的自電容。

於一發明概念中，所述觸控晶片用以根據二維的 電容變化陣列來確定觸摸位置。

於一發明概念中，所述觸控晶片還用以透過所述 電壓源或電流源的參數來調整觸摸檢測的靈敏度或動態範圍，所述參數包括幅度、頻率和時序之中的任一個或組合。

於一發明概念中，所述感應電極的形狀是矩形、 菱形、三角形、圓形或橢圓形。

於一發明概念中，所述導線透過通孔連接到所述 觸控晶片。

根據本發明的電容式觸控式螢幕，採用複數排列 成二維陣列的感應電極，在實現多點觸控的前提下提高了抗干擾性能。利用本發明，極大地消除了電源雜訊，也能夠減弱射頻(RF)以及來自顯示模組等其他噪音源的干擾。此外，根據 本發明的電容式觸控式螢幕，觸控晶片與每個感應電極分別透過導線相連接，並以板上晶片方式綁定到印刷電路板上，能夠避免管腳數量多可能造成的晶片體積增加和封裝成本提高。另外，藉由在驅動並檢測被測電極的同時，一併驅動其餘感應電極或被測電極周邊的感應電極，有利於降低被測電極的電容，從而降低被測電極的阻抗。透過同時或分組檢測各感應電極，可以降低掃描時間，從而避免感應電極數量多可能引起的問題。

10‧‧‧觸控晶片

16‧‧‧印刷電路板

19‧‧‧感應電極

22‧‧‧匯流排

23‧‧‧時序控制單元

24‧‧‧驅動源

41‧‧‧驅動源

42‧‧‧對地電容

44‧‧‧噪聲

45‧‧‧電荷接收模組

50‧‧‧訊號驅動單元的控制邏輯

51‧‧‧電壓源

52‧‧‧參考電壓

53、54、55‧‧‧驅動源

57‧‧‧被測電極

56、58‧‧‧相鄰電極

59‧‧‧訊號接收單元

61‧‧‧獲取感應數據

62‧‧‧濾波和降噪

63‧‧‧尋找可能觸摸區域

64‧‧‧異常處理得到合理觸摸區

65‧‧‧計算觸摸的座標

66‧‧‧分析以往幀數據

67‧‧‧追蹤觸摸軌跡

第1圖係本發明第一實施例之平面示意圖。

第2A圖係本發明第二實施例之平面示意圖。

第2B圖係本發明第二實施例之側面示意圖。

第3圖係本發明第二實施例的感應電極陣列之俯視圖。

第4圖係本發明第三實施例的感應電極驅動方法之示意圖(一)。

第5A~5C圖係本發明第三實施例的感應電極驅動方法之示意圖(二)。

第6圖係本發明第三實施例的感應電極驅動方法之示意圖(三)。

第7圖係本發明第三實施例的感應電極驅動方法之示意圖(四)。

第8圖係本發明第三實施例的四個應用場景之示意圖。

第9圖係本發明第三實施例的觸控晶片之訊號流圖。

第10A圖係本發明第四實施例採用重心運算法計算觸摸位 置的座標之示意圖。

第10B圖係本發明第四實施例於有噪音的情況下採用重心運算法計算觸控位置的座標之示意圖。

第1圖是本發明第一實施例所提供的電容式觸控式螢幕的示意圖。如第1圖所示，所述電容式觸控式螢幕包括：印刷電路板16；設置於印刷電路板上的複數感應電極19，所述複數感應電極19排列成二維陣列；以及以板上晶片(Chip-on-Board，簡稱COB)的方式綁定到印刷電路板16上的觸控晶片(未示出)，所述觸控晶片與每個感應電極19分別透過導線相連接。

所述複數感應電極19排列成的二維陣列可以是矩形陣列或其他類似形狀的二維陣列。對於電容式觸控式螢幕來說，每個感應電極19是一個電容感測器，所述電容感測器的電容在觸控螢幕上相應位置被觸摸時發生變化。採用排列成二維陣列的複數感應電極19，在實現多點觸控的前提下提高了抗干擾性能，極大地消除了電源雜訊，也能夠減弱RF以及來自液晶顯示模組等其他噪音源的干擾。將結合第四實施例對此進行更詳細的說明。

每個感應電極19透過導線連接到觸控晶片，所述觸控晶片以COB方式綁定到印刷電路板16上。由於與每個感應電極19分別透過導線相連接，觸控晶片的管腳很多，因此，將觸控晶片以COB方式綁定到印刷電路板16上能夠避免常規封裝的困難，以及管腳數量多可能造成的晶片體積增加和封裝 成本提高。所述觸控晶片本身是無封裝的晶元，也就是說，所述觸控晶片不需要進行封裝，因此，與常規的觸控螢幕使用的觸控晶片相比，佔用的印刷電路板16上的面積小，並且減少了晶片的封裝和封裝測試的成本以及觸控螢幕的整體材料成本。此外，透過COB方式，觸控晶片與觸控螢幕集成為一體，降低了兩者之間的距離，從而減小了整體的體積。

第2A圖是根據本發明第二實施例的電容式觸控式螢幕的平面示意圖。第2B圖是根據本發明第二實施例的電容式觸控式螢幕的側面示意圖。

如第2A圖和第2B圖所示，所述電容式觸控式螢幕包括：雙層印刷電路板16；設置於所述雙層印刷電路板16的頂層上的複數感應電極19，所述複數感應電極19排列成二維陣列；以及以板上晶片(Chip-on-Board，簡稱COB)的方式綁定到所述印刷電路板16的底層上的觸控晶片10，所述觸控晶片10與每個感應電極19分別透過導線相連接。

於本實施例之一實施態樣中，所述導線可以透過通孔(via)連接到所述觸控晶片10。

第2A圖示出的僅僅是感應電極19的一種排列方式，本發明並不以此為限。在某些實施態樣中，感應電極19可排列成任何二維陣列。此外，各感應電極19在任一方向上的間距可以是相等的，也可以是不等的。所屬領域中具有通常知識者應知感應電極19的數量可多於第2A圖示出的數量。

第2A圖示出的僅僅是感應電極19的一種形狀，但本發明並不以此為限。在某些實施態樣中，感應電極19的形 狀可以是矩形、菱形、三角形、圓形或橢圓形，也可以是不規則形狀。所述觸摸感應電極19的邊緣上還可以有鋸齒。各感應電極19的圖案可以是一致的，也可以是不一致的。例如，位於中間的感應電極19採用菱形結構，邊緣的採用三角形結構。

此外，各感應電極19的大小可以是一致的，也可 以是不一致的。例如，靠內側的感應電極19尺寸較大，靠外側的尺寸較小，如此有利於線路安排和邊緣的觸摸精準度。

第3圖是根據本發明第二實施例的感應電極陣列 的俯視圖。第3圖所示的感應電極陣列基於自電容的觸摸檢測原理。每個感應電極對應觸控螢幕上特定位置，在第3圖中，2a-2d表示不同感應電極。21表示一個觸摸，當觸摸發生在某感應電極所對應的位置時，所述感應電極上的電荷改變，因此，檢測所述感應電極上的電荷(電流/電壓)，能夠知道所述感應電極有沒有發生觸摸事件。一般而言，這可以透過模數轉換器(ADC)把類比量轉換為數位量來實現。感應電極的電荷改變量與感應電極被覆蓋的面積有關，例如，第3圖中感應電極2b和2d的電荷改變量大於感應電極2a和2c的電荷改變量。

觸控螢幕上的每個位置均有對應的感應電極，感 應電極之間沒有物理連接，因此，本實施例所提供的電容式觸控式螢幕能夠實現真正的多點觸控，避免了現有技術中自電容觸摸檢測的鬼點問題以及雜訊在電極間傳遞而引起的誤差，顯著提高了訊噪比。

於本實施例之一實施態樣中，在第3圖中各感應 電極可以透過導線連接到匯流排22，然後與觸控晶片相連接。

第4圖至第7圖示出了根據本發明第三實施例的 感應電極驅動方法。如第4圖所示，感應電極19由驅動源24驅動，驅動源24可以是電壓源或電流源。對於不同的感應電極19，驅動源24不一定採用相同的結構。例如，可以部分採用電壓源，部分採用電流源。此外，對於不同的感應電極19，驅動源24的頻率可以相同，也可以不同。時序控制單元23控制各驅動源24工作的時序。

各感應電極19的驅動時序有多種選擇。以下以n 個感應電極(D1、D2……Dj、Dk……Dn)為例說明。

如第5A圖所示，所有感應電極同時驅動，同時 檢測。這種方式完成一次掃描所需要的時間最短，驅動源數量最多(與感應電極的數量一致)。如第5B圖所示，感應電極的驅動源被分成若干組，每組依次驅動特定區域內的電極。這種方式能夠實現驅動源重複使用，但會增加掃描時間，不過透過選擇合適的分組數量，可以使驅動源重複使用和掃描時間達到折衷。

第5C圖表示出習知互電容觸摸檢測的掃描方 式。假設有n個驅動通道(TX)，每個TX的掃描時間為Ts，則掃描完一幀的時間為n*Ts。而採用本實施例的感應電極驅動方法，可以將所有感應電極一起檢測，掃描完一幀的時間最快僅Ts。也就是說，與習知互電容觸摸檢測相比，本實施例的方案能夠將掃描頻率提高n倍。

對於一個有40個驅動通道的互電容觸控螢幕，如 果每個驅動通道的掃描時間為500μs，則整個觸控螢幕(一幀) 的掃描時間為20ms，即幀率為50Hz。50Hz往往不能達到良好使用體驗的要求。透過本實施例的方案，這個問題可以被解決。藉由採用排列成二維陣列的感應電極，所有電極可以同時檢測，在每個電極的檢測時間保持500μs的情況下，幀率達到2000Hz。這大大超出了多數觸控螢幕的應用要求。多出來的掃描資料可以被數位訊號處理端利用，用於例如抗干擾或優化觸摸軌跡，從而得到更好的效果。

優選地，檢測每個感應電極的自電容。感應電極的自電容可以是其對地電容。

於一實施態樣中，可採用電荷檢測法。如第6圖所示，驅動源41提供恒定電壓V1。電壓V1可以是正壓、負壓或地。S1和S2表示兩個受控開關，42表示感應電極的對地電容(Cx)，45表示電荷接收模組，電荷接收模組45可將輸入端電壓限制至指定值V2，並測量出輸入或輸出的電荷量。首先，S1閉合S2斷開，Cx的上極板被充電至驅動源41所提供的電壓V1；然後S1斷開S2閉合，Cx與電荷接收模組45發生電荷交換。設電荷轉移量為Q1，Cx的上極板電壓變為V2，則由C=Q/△V，Cx=Q1/(V2-V1)，從而實現了電容檢測。

於另一個實施態樣中，也可採用電流源，或者透過感應電極的頻率來獲得其自電容。

可選擇地，在使用複數驅動源的情況下，當檢測一個感應電極時，對於與所述感應電極相鄰的或周邊的感應電極，可選擇不同於所述被測電極的驅動源的電壓。第7圖僅示出了三個感應電極：一個被測電極57和兩個相鄰電極56和58。 但本發明並不以此為限，以下例子也適用於更多個感應電極的情況。

與被測電極57相連接的驅動源54透過開關S2連接到電壓源51，以實現對被測電極57的驅動；而與被測電極57相鄰的感應電極56和58與驅動源53和55相連接，它們可以透過開關S1和S3連接到電壓源51或特定的參考電壓52(Vref，舉例而言)。若開關S1和S3連接到電壓源51，也就是說，用同一電壓源同時驅動被測電極及其周邊的電極，這樣能夠減小被測電極和其周邊電極的電壓差，有利於減小被測電極的電容和有利於防範水滴形成的虛假觸摸。

優選地，觸控晶片用以透過驅動源的參數來調整觸摸檢測的靈敏度或動態範圍，所述參數包括幅度、頻率和時序之中的任一個或組合。於一個實施態樣中，如第7圖所示，驅動源的參數(例如，驅動電壓、電流和頻率)以及各驅動源的時序可由觸控晶片內的訊號驅動單元的控制邏輯50控制。透過這些參數，可以調整不同的電路工作狀態，例如高靈敏度、中等靈敏度或低靈敏度，或不同的動態範圍。

不同的電路工作狀態可適用于不同的應用場景。第8圖顯示了根據本發明第三實施例的電容式觸控式螢幕的四個應用場景：手指正常觸摸，手指懸浮觸控，有電源/無電源筆或微小導體，以及戴手套觸摸。結合上述參數，可以實現對一個或多個正常觸摸以及一個或多個微小導體觸摸的檢測。儘管第7圖示出的訊號接收單元59和訊號驅動單元是分離的，在其他實施例中，它們可以由同一個電路實現。

第9圖示出了根據本發明第三實施例的觸控晶片的訊號流圖。當感應電極上有觸摸發生時，感應電極的電容會改變，這個改變量透過ADC轉換成數位量，就能恢復出觸摸資訊。一般而言，電容改變量與所述感應電極被觸摸物遮蓋的面積相關。訊號接收單元59接收感應電極的感應資料，經訊號處理單元恢復出觸摸資訊。

以下具體描述訊號處理單元的資料處理方法。

步驟61：獲取感應資料。

步驟62：對感應資料進行濾波和降噪。所述步驟的目的是儘量消除原始圖像中的雜訊，以利後續計算。所述步驟具體可採用空間、時間或閥值濾波辦法。

步驟63：尋找其中可能的觸摸區域。這些區域包括真實的觸摸區域以及無效訊號。無效訊號包括大面積觸摸訊號、電源雜訊訊號、懸空異常訊號、以及水滴訊號等等。這些無效訊號有的與真實觸摸接近，有的會干擾真實觸摸，有的則不應被解讀成正常觸摸。

步驟64：異常處理，以消除上述無效訊號並得到合理觸摸區。

步驟65：根據合理觸摸區的資料進行計算，以得到觸摸位置的座標。

優選地，可以根據二維的電容變化陣列來確定觸摸位置。具體來說，可以採用重心演算法來根據二維的電容變化陣列確定觸摸位置的座標。

於一實施態樣中，觸控晶片可以包括：訊號驅動/ 接收單元，用以驅動各觸摸感應電極，並接收來自各觸摸感應電極的感應資料；以及訊號處理單元，用以根據感應資料來確定觸摸位置。具體而言，訊號驅動/接收單元可以用以利用電壓源或電流源驅動所述感應電極；訊號處理單元可以用以透過感應電極的電壓或頻率或電量來計算其自電容(例如，對地電容)，並根據自電容的變化量來確定觸摸位置。

此外，訊號驅動/接收單元可以用以於每個感應電極驅動所述感應電極的同時，驅動其餘感應電極；或者用以於每個感應電極驅動所述感應電極的同時，驅動所述感應電極周邊的感應電極。

第10A圖示出了根據本發明第四實施例採用重心演算法計算觸摸位置的座標的一個例子。在以下描述中僅計算了觸摸位置的一個維度的座標；然而，所屬領域中具有通常知識者應知可以採用相同或類似的方法獲得觸摸位置的完整座標。假設第7圖所示的感應電極56-58被手指覆蓋，對應的感應資料分別為PT1，PT2，PT3，且感應電極56-58所對應的座標分別為x1,x2，x3。則採用重心演算法得到的手指觸摸位置的座標是：

可選擇地，在得到觸摸位置的座標之後還可以進行步驟66：分析以往幀的資料，以便利用多幀資料來獲得當前幀資料。

可選擇地，在得到觸摸位置的座標之後也可以進行步驟67：根據多幀資料來追蹤觸摸軌跡。此外，還可以根據使用者的操作過程，得出事件資訊並上傳。

根據本實施例的電容式觸控式螢幕，能夠在實現多點觸控的前提下，解決現有技術中雜訊疊加的問題。

以在第7圖中引入電源共模雜訊為例，以下分析雜訊對觸摸位置的計算之影響。

在現有技術的基於互電容觸摸檢測的觸摸系統中，有複數驅動通道(TX)和複數接收通道(RX)，而且每個RX與所有的TX連通。當系統中引入了一個共模干擾訊號時，由於RX的連通性，雜訊會在整個RX上傳導。特別是，當在一個RX上有複數噪音源時，這些噪音源的雜訊會疊加，從而使雜訊幅度增加。雜訊使測量的電容上的電壓訊號等發生擺動，從而導致非觸摸點發生誤報。

在本實施例所提供的電容式觸控式螢幕中，各感應電極間在連接到晶片內部前沒有物理連接，雜訊無法在感應電極間傳遞和疊加，避免了誤報。

以電壓檢測法為例，雜訊會引起被觸摸電極上的電壓變化，從而引起被觸摸電極的感應資料變化。根據自電容觸摸檢測原理，雜訊所導致的感應值與正常觸摸所導致的感應值均正比於被觸摸電極被覆蓋的面積。

第10B圖示出了根據本發明第四實施例有雜訊的情況下採用重心演算法計算觸摸位置的座標。假設正常觸摸引起的感應值分別是PT1、PT2、PT3，雜訊引起的感應值是PN1、 PN2、PN3，則(以感應電極56-58為例)：PT1 C58,PT2 C57,PT3 C56

PN1 C58,PN2 C57,PN3 C56

可得：PN1=K*PT1，PN2=K*PT2，PN3=K*PT3，其中K為常數。

當雜訊與驅動源的電壓極性一致時，由於電壓疊加最終的感應資料為：PNT1=PN1+PT1=(1+K)*PT1

PNT2=PN2+PT2=(1+K)*PT2

PNT3=PN3+PT3=(1+K)*PT3

那麼，採用重心演算法得到的座標為：

可見，式(2)與式(1)相等。因此，本實施例的電容式觸控式螢幕不會受到共模雜訊的影響。只要雜訊不超出系統的動態範圍，就不會影響到最終確定的座標。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧觸控晶片

16‧‧‧印刷電路板

19‧‧‧感應電極

Claims (10)

1. 一種電容式觸控式螢幕，包括：一印刷電路板；設置於印刷電路板上的複數感應電極，該些感應電極排列成二維陣列；以及以板上晶片(Chip-on-Board)方式綁定到印刷電路板上的一觸控晶片，該觸控晶片與該些感應電極之中的每一個感應電極分別透過一獨立導線相連接；該觸控晶片用以檢測每個感應電極的自電容。
2. 如請求項1所述的電容式觸控式螢幕，其中該觸控晶片用以透過以下方法檢測每個感應電極的自電容：用電壓源或電流源驅動該感應電極；以及檢測該感應電極的電壓或頻率或電量。
3. 如請求項1所述的電容式觸控式螢幕，其中該觸控晶片用以透過以下方法檢測每個感應電極的自電容：驅動並檢測該感應電極，同時驅動其餘感應電極；或者驅動並檢測該感應電極，同時驅動該感應電極周邊的感應電極。
4. 如請求項2所述的電容式觸控式螢幕，其中對於各感應電極：該電壓源或電流源具有同一頻率；或者對於各感應電極，該電壓源或電流源具有兩個或兩個以上的頻率。
5. 如請求項1所述的電容式觸控式螢幕，其中該觸控晶片用以透過以下方法檢測每個感應電極的自電容： 同時檢測所有感應電極的自電容；或者分組檢測各感應電極的自電容。
6. 如請求項1所述的電容式觸控式螢幕，其中該觸控晶片用以根據二維的電容變化陣列來確定觸摸位置。
7. 如請求項2所述的電容式觸控式螢幕，其中該觸控晶片更進一步用以透過該電壓源或電流源的參數來調整觸摸檢測的靈敏度或動態範圍，該參數包括幅度、頻率和時序之中的任一個或組合。
8. 如請求項1所述的電容式觸控式螢幕，其中該感應電極的形狀係選自矩形、菱形、三角形、圓形及橢圓形所構成之群組之一。
9. 如請求項1所述的電容式觸控式螢幕，其中該導線透過通孔連接到該觸控晶片。
10. 如請求項1所述的電容式觸控式螢幕，其中該印刷電路板是雙層印刷電路板；該些感應電極設置於該雙層印刷電路板的頂層上；該觸控晶片以板上晶片方式綁定到該雙層印刷電路板的底層上。