TWI762105B - 觸控感測器 - Google Patents

Abstract

一種觸控感測器，包含一第一電極、一間隔設置的第二電極及一設於該第一電極與該第二電極間的絕緣質，該第一電極與該第二電極的至少其中一者被施予能量，該第一電極與該第二電極間存在能量差。該第一電極與該第二電極的至少其中之一可為一受力者，該受力者未受力時，該觸控感測器未生成一電訊號，該受力者受力時將於一受力點產生形變並改變該受力點與另一者之間的距離，以決定一穿隧電流的產生，該觸控感測器透過該穿隧電流產生與否來生成該電訊號。藉此，本發明解決了習用觸控所產生的觸控限制，並具備良好的觸控靈敏度。

Description

觸控感測器

本發明涉及一種觸控感測器，尤指一種於透過電極之間距離變化產生的穿隧電流來判斷觸控的觸控感測器。

當前市面上的觸控裝置不外乎使用電容、電阻以及壓電等原理進行操控。又，以電容式觸控裝置來說，觸控裝置於觸控操作時必須以導體操作，當觸控體非為導體時將無法操作電容式觸控裝置，舉例來說，電容式觸控裝置雖可以手指作為觸控體，但是當使用者的手上穿戴有手套則無法對觸控裝置進行控制。另外，以電阻式觸控裝置來說，其主要由上下兩組ITO導電層疊合而成，使用時利用壓力令上下兩電極接觸而導通，經由內部控制器感知面板電壓變化而計算出接觸點位置，再者，電阻式觸控裝置乃為接觸式觸控，此觸控方式容易有精準度與靈敏度上的問題，例如以電阻式觸控裝置進行繪圖作業時精密度相對較差，另外電阻式觸控裝置多為單點觸控，當前雖有以多點觸控的裝置，但裝置解析度較差。又，現今組合電容與電阻的複合式觸控面板，雖可進一步地改善電容式觸控面板與電阻式觸控面板的缺點，然而此類觸控面板厚度無法輕薄化。再者，現今壓電式觸控裝置係以壓電材料作為面板的基礎結構，惟壓電材料的訊號控制不穩定，易有操作準確度以及靈敏度等問題。又當前壓電材料多非光學等級之材料而不適用於觸控面板上。

進一步地，專利CN 107562235A、CN 108255296A以及US 10296047B雖揭露其觸控裝置非採前述原理導通上下電極，然根據前開專利說明書內容所揭可發現，該專利主要利用在上下兩電極之間設置複數導電顆粒，並於實施時透過縮短該些導電顆粒間距離，藉此令其上下電極導通。惟，習用方式仍無法令觸控裝置準確地切分出面板受壓力位置，而使觸控裝置仍易存有操作準確度或靈敏度不足等問題。

本發明的主要目的，在於解決習用觸控裝置實施時存在觸控限制及解析度不足的問題。

為達上述目的，本發明提供一種觸控感測器，包含一第一電極、一第二電極以及一絕緣質，該第二電極與該第一電極間隔設置，該第一電極與該第二電極的至少其中一者被施予能量，該第一電極與該第二電極之間存在能量差，該絕緣質設於該第一電極與該第二電極之間。其中，該第一電極與該第二電極的至少其中之一可為一受力者，該受力者未受力時，該觸控感測器未生成一電訊號，該受力者受力而於一受力點產生形變並改變該受力點與另一者之間的距離，但仍未與另一者接觸，該第一電極與該第二電極之間距離縮短達一能量傳遞距離時，該觸控感測器生成該電訊號。

一實施例中，該絕緣質為一氣體或一有形物質。

一實施例中，該絕緣質為一氣體，該觸控感測器具有一設於該第一電極與該第二電極之間的間隔板，該間隔板上佈設有至少一提供該氣體容置其中的氣孔。

一實施例中，該觸控感測器包含一設於該第一電極遠離該絕緣質一側的第一基板，以及一設於該第二電極遠離該絕緣質一側的第二基板。

一實施例中，該第一電極與該第二電極分別以高密度佈設有複數導電線。

一實施例中，該第一電極是由複數第一子電極所組成，該些第一子電極共用同一該第一基板，該第二電極是由複數第二子電極組成，該些第二子電極共用同一該第二基板。

一實施例中，該第一基板是由複數第一子基板所組成，該些第一子基板共用同一該第一電極，該第二基板是由複數第二子基板組成，該些第二子基板共用同一該第二電極。

一實施例中，該第一基板是由複數平行間隔設置的第一子基板所組成，該第二基板是由複數平行間隔設置的第二子基板所組成，每一該第一子基板具有一第一延伸方向，每一該第二子基板具有一垂直於該第一延伸方向的第二延伸方向。

除前述之外，本發明亦提供一種觸控感測器，包含一第一電極、一第二電極以及一絕緣質，該第二電極對應該第一電極設置而未與該第一電極接觸，該第二電極與該第一電極之間具有一能量傳遞距離，該第一電極與該第二電極的至少其中一者被施予能量，該第一電極與該第二電極之間存在能量差，該絕緣質設於該第一電極與該第二電極之間。其中，該第一電極與該第二電極的至少其中之一可為一受力者，該受力者未受力時，該第一電極與該第二電極之間的距離小於該能量傳遞距離而產生一穿隧電流，該觸控感測器長時間生成一電訊號並處於未觸控狀態，該受力者受力而於一受力點產生形變並改變該受力點與另一者之間的距離，當該第一電極與該第二電極之間距離大於該能量傳遞距離而破壞該穿隧電流的產生時，該觸控感測器以該電訊號的變化判斷被觸控。

依前述發明內容所揭，相較於習用技術，本發明具有以下特點：本發明該觸控感測器不再限制觸控者需為導體或非導體，且因該穿隧電流需達一定距離條件才可產生，該穿隧電流的大小更與觸控者施力有關，而使該觸控感測器可做更具體的觸控辨識。再者，本發明所揭該觸控感測器的操作準確度與靈敏度亦優於習用以電阻架構或以電容架構實施的觸控感測器。

本發明詳細說明及技術內容，茲配合圖式說明如下：

請參閱圖1至圖3，本發明提供一種觸控感測器10，該觸控感測器10可應用於手機、平板、工業電腦等相關顯示產業的產品上，該觸控感測器10於實際應用時可以單一數量形成產品面板，亦可以複數該觸控感測器10方式實施。進一步地，複數該觸控感測器10需間隔設置，並可以規則或不規則方式排列，本文圖式所舉非用以限制本案。再者，該觸控感測器10可以複數實施時，將構成一觸控模組，而該些觸控感測器10如同前述以適當間距間隔設置，每一該觸控感測器10可分別被定義一位置資訊，令該觸控模組於實施時，可基於該位置資訊了解產生觸控的位置。

承上，該觸控感測器10包含一第一電極11、一第二電極12以及一絕緣質13，其中，該第一電極11與該第二電極12具導電性質，舉例來說，該第一電極11與該第二電極12可分別為一含有奈米銀線(Silver Nanowires，簡稱AgNW)的材料、一含有氧化銦錫(ITO)的材料、一銅質材料或是一銀質材料等。一實施例中，該第一電極11與該第二電極12的電阻率皆小於10² 歐姆公尺。又，該第一電極11與該第二電極12間隔設置，該第一電極11與該第二電極12之間可呈現互為水平或是非水平方式排列，就如圖1與圖3所繪。進一步地，本發明該第一電極11與該第二電極12無論是以前述的任一方式設置，該第一電極11與該第二電極12彼此仍不接觸。又，本文於後為方便說明該第一電極11與該第二電極12的實施，暫以該第一電極11與該第二電極12間呈水平狀態進行舉例。承上，該第一電極11與該第二電極12的至少其中一者被施予能量，舉例地說，該第一電極11未被額外施予能量，該第二電極12則被額外施予能量，使得該第一電極11與該第二電極12之間存有能量差，也就是說該第一電極11與該第二電極12分別為一低電位與一高電位。反之，該第二電極12亦可設計為低電位，該第一電極11則被施予能量而為高電位。又，該第一電極11與該第二電極12亦可被設計皆為具有能量，惟該第一電極11所具有的能量與該第二電極12所具有的能量大小不同，使得該第一電極11與該第二電極12之間同樣存在能量差。進一步地說，該第一電極11與該第二電極12之間的能量差並不足以使該第一電極11中的電子或該第二電極12中的電子跨越該絕緣質13而形成電流。換句話說，該第一電極11與該第二電極12於未受力時，該觸控感測器10處於穩態而未產生兩電極之間的實質地能量傳遞。

另外，該絕緣質13設於該第一電極11與該第二電極12之間，該絕緣質13電阻率大於該第一電極11與該第二電極12的電阻率，該絕緣質13可以一可變形且具良好彈性恢復力的有形物實施，例如矽膠、壓克力，又或者是以氣體等無形物實施。於後先以有形物進行說明，於本實施例中，該絕緣質13實際上為一未額外摻雜導電材料的物質，該絕緣質13於受壓迫形變時電阻率維持不變，該有形物質的電阻率大於10² 歐姆公尺。承此，該絕緣質13受壓迫時將產生形變，而改變該第一電極11與該第二電極12之間的距離，當該絕緣質13未受壓迫時，該絕緣質13將復歸原樣，並使該第一電極11與該第二電極12之間距離復歸至原始距離。一實施例中，該絕緣質13的厚度約為0.01nm至500μm。

進一步地，該觸控感測器10於實施時可以該第一電極11與該第二電極12的至少其中之一為一受力者。又，本文於後為方便說明遂先假設該第二電極12為該受力者進行說明。該第二電極12未受力時，該第二電極12與該第一電極11之間雖存有能量差，但該第二電極12與該第一電極11之間未有能量傳遞，該觸控感測器10未生成一電訊號(圖中未示)。於後，該第二電極12受外力作用而於一受力點121產生形變，隨著外力的施加，該受力點121與該第一電極11之間的距離被改變，需了解到，本文所指該受力點121是為該第二電極12的受力位置，非指單點。再者，本發明並不限制該受力者的受力方向，本發明該觸控感測器10產生能量傳遞與否，是受該第一電極11與該第二電極12之間的垂直距離變化決定。以圖4舉例來說，該第二電極12所承受的一外力20相對該第二電極12夾有45度角，此時該外力20可為一相對該外力20夾有45度並與該第二電極12平行的第一分力201，以及一相對該外力20夾有45度並與該第二電極12垂直的第二分力202。又，該第二電極12受該第二分力202作用而令該受力點121朝面對該第一電極11方向位移，使得該受力點121與該第一電極11之間距離被改變，但該第二電極12仍未與該第一電極11接觸。該第二電極12持續受力而令該受力點121繼續朝面對該第一電極11方向位移，該受力點121與該第一電極11之間的距離達到一能量傳遞距離14時，該第一電極11與該第二電極12之間生成一穿隧電流15(tunneling current)，令該第一電極11與該第二電極12之間出現電流，進而使該觸控感測器10生成該電訊號，該觸控感測器10進入受觸控的狀態。該穿隧電流15的計算可如後：

，其中，I為穿隧電流15，k為波數(wave number)，d為該第一電極11與該第二電極12之間的距離。

承上所述，該電訊號的大小與該受力者(即前述該第二電極12)受力大小呈正相關，該電訊號越大時表示該第二電極12承受的該外力20越大，使得兩電極中有越多的電子得傳遞至另一電極中，而使該穿遂電流15隨觸控增加。再者，該觸控感測器10亦可針對該電訊號進行訊號放大、訊號轉換等訊號處理。

請參閱圖5至圖6，由前述可知，本發明該絕緣質13亦可為無形物質實施，於後遂以氣體進行舉例說明。該氣體只要電阻率大於該第一電極11與該第二電極12即可用於實施，舉例來說該氣體可為一惰性氣體或是一氮氣等。於此實施例中，該觸控感測器10所屬結構需先界定出一密閉空間161，一實施例中，該密閉空間161可以是由該第一電極11、該第二電極12以及至少一夾設於該第一電極11與該第二電極12之間的間隔板16所形成，舉例來說，該間隔板16以單片板材實施時，該間隔板16可開設至少一氣孔162，該間隔板16與該第一電極11、該第二電極12組裝時，該氣孔162兩端將分別被該第一電極11及該第二電極12遮蔽，而轉為封閉狀。此時，位於該氣孔162中的氣體即為本發明所稱該絕緣質13。再者，該氣孔162的成形方式可藉由對該間隔板16施以黃光、雷射、印刷、腐蝕等方式形成。除此之外，該間隔板16以複數實施時，可透過複數該間隔板16放置位置的規劃界定出至少一鏤空區域(圖中未示)，該鏤空區域用途與前述該氣孔162相同，於此不與贅述。承上，本實施例實施時，該受力者(暫以該第二電極12舉例)受外在壓力作用而產生形變，而於該第二電極12形變的同時，該密閉空間161受外在壓力作用而使體積變小，令存於該密閉空間161內氣壓增加。當該外力20解除時，該第二電極12除自行產生復歸之外，亦因位於該密閉空間161內的該氣體受外在壓力的解除而復歸至原有的體積。另一方面，該氣體以空氣組成成份為例的話，其電阻率約為

歐姆公尺，該氣體電阻率雖受所含水氣多寡以及溫度作用而有所不同，但該氣體仍相對該第一電極11與該第二電極12具有較大的電阻率。

由前述可知，該觸控感測器10是以該穿隧電流15的產生來得知觸控，基於相同技術構想，該觸控感測器10亦可以未產生該穿隧電流15來得知觸控。承此，請參閱圖7至圖9，一實施例中，該觸控感測器10同樣包含該第一電極11、該第二電極12以及該絕緣質13，該第一電極11對應該第二電極12設置而未與該第一電極11接觸，該第一電極11與該第二電極12可採水平或非水平方式對應設置。該第一電極11與該第二電極12的至少其中一者被施予能量，該第一電極11與該第二電極12之間具有該能量傳遞距離14，如同前述，當該第一電極11與該第二電極12之間距離小於該能量傳遞距離14時，該第一電極11與該第二電極12之間將產生能量傳遞，而具有該穿隧電流15。然而，本實施例該第一電極11與該第二電極12於該觸控感測器10裝配完成後，該第一電極11與該第二電極12之間距離即短於該能量傳遞距離14，也就是說，該觸控感測器10於未觸控時將產生該電訊號。於本實施例中，該第一電極11與該第二電極12的至少其中之一可作為該受力者，當該第一電極11與該第二電極12任一未受力時，該觸控感測器10處於穩態而生成有該電訊號，需了解到，本實施例並非以產生有該電訊號來作為觸控的依據，此狀態將被視為未觸控。再者，本實施例中觸控者所施予的力不同於前一實施例，而是以拉力進行，舉例來說，該觸控者可為一具備吸力的物件，該觸控者對該受力者施力的同時，吸力將視為對該受力者的拉力，而令該受力點121逐漸朝遠離另一者方向位移，也就是使兩電極之間距離變大，當該受力者持續受力，致使該受力點121與另一電極之間的距離大於該能量傳遞距離14，將破壞該穿隧電流15的產生，使該觸控感測器10所產生的該電訊號產生變化，該觸控感測器10即可透過該電訊號的變化而判斷被觸控。

承上，本發明該觸控感測器10不再限制觸控者需為導體或非導體，且因該穿隧電流15需達一定距離條件才可產生，該穿隧電流15的大小更與觸控者施力有關，而使該觸控感測器10可做更具體的觸控辨識。再者，本發明前述所揭該觸控感測器10的操作準確度與靈敏度亦優於習用以電阻架構或以電容架構實施的觸控感測器。再者，本發明該觸控感測器10可與一顯示架構搭配實施，而該顯示架構除可具備獨立的基板，亦可將該第一電極11或該第二電極12視為該顯示架構所需的基板，令該顯示架構堆疊於上。

請參閱圖10至圖12，為增強本發明感知該電訊號的能力，該第一電極11與該第二電極12分別以高密度佈設有複數導電線113、124，該些導電線113、124分別以垂直姿態隨意佈設於該第一電極11及該第二電極12之中，再者，每一該導電線113(124)的其中一端將面對該絕緣質13。一實施例中，該些導電線113、124可分別為該奈米銀線。

請參閱圖13至圖21，一實施例中，該觸控感測器10更可包含一設於該第一電極11遠離該絕緣質13一側的第一基板111，以及一設於該第二電極12遠離該絕緣質13一側的第二基板122。請參閱圖14，本實施例所揭該觸控感測器10非以獨立實施為限，該觸控感測器10亦可以複數實施就如前述該觸控模組一般。

承上，一實施例中，該第一基板111與該第二基板122可以非導體實施，一旦觸控者接觸該第二基板122(或該第一基板111)，將令該觸控感測器10的整體電容值產生變化，而可藉此判斷該觸控者為導體或非導體。

承上，一實施例中，該第二電極12可以複數子單元方式實施，即該第二電極12可由複數第二子電極125所組成，該些第二子電極125間隔設置於該第二基板122上，該些第二子電極125共用同一該第二基板122，就如圖16所繪。又，請參閱圖17，於本實施例中，該觸控感測器10除以該些第二子電極125方式實施，該絕緣質13亦可以複數子單元方式設置，而該些絕緣質13單元是以有形物實施時將互為間隔設置。該些絕緣質13為該氣體實施時，該觸控感測器10所屬結構中將界定有複數該密閉空間161，該些密閉空間161不連通。進一步地，請參閱圖18，該觸控感測器10亦可同時令該第一電極11同樣由複數第一子電極112所組成，該些第一子電極112間隔設置於該第一基板111上，該些第一子電極112共用同一該第一基板111。藉此，以令該觸控感測器10可更具體判斷該受力點121位置。

再者，本文前述該些第一子電極112與該些第二子電極125非以塊狀實施為限，而可以條狀實施，就如圖19所繪。該些第一子電極112的延伸方向與該第二子電極125的延伸方向互為垂直，以圖19所繪進行舉例，該些第一子電極112以平行X軸方向排列，該些第二子電極125以平行Y軸方向排列，如此一來，本發明可以不同方向的該些第一子電極112與該些第二子電極125來偵測Y軸方向與X軸方向上的訊號變化。此外，本實施例架構更可以該第一基板111與該第二基板122的相對訊號變化進行Z軸方向的訊號變化。

除此之外，請參閱圖20與圖21，一實施例中，該觸控感測器10的兩基板以非導體或導體實施時，該第一基板111可由複數第一子基板114組成，該些第一子基板114間隔設置於該第一電極11上，該些第一子基板114共用同一該第一電極11。另一方面，該第二基板122亦可由複數第二子基板123所組成，該些第二子基板123間隔設置於該第二電極12上，該些第二子基板123共用同一該第二電極12。

再者，本文前述該些第一子基板114與該些第二子基板123非以塊狀實施為限，而可以條狀實施，就如圖21所繪。進一步地，每一該第一子基板114具有一第一延伸方向116，而每一該第二子基板123具有一垂直該第一延伸方向116的第二延伸方向127。如此一來，本發明可以方向不同的該些第一子基板114與該些第二子基板123來偵測Y軸方向與X軸方向上的訊號變化。此外，本實施例架構更可以該第一電極11與該第二電極12的相對訊號變化進行Z軸方向的訊號變化。

綜上所述者，僅爲本發明的一較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，即凡依本發明申請專利範圍所作的均等變化與修飾，皆應仍屬本發明的專利涵蓋範圍。

10:觸控感測器 11:第一電極 111:第一基板 112:第一子電極 113:導電線 114:第一子基板 116:第一延伸方向 12:第二電極 121:受力點 122:第二基板 123:第二子基板 124:導電線 125:第二子電極 127:第二延伸方向 13:絕緣質 14:能量傳遞距離 15:穿隧電流 16:間隔板 161:密閉空間 162:氣孔 20:外力 201:第一分力 202:第二分力

圖1，本發明第一實施例的結構示意圖。 圖2，本發明第一實施例複數排列結構示意圖。 圖3，本發明第一實施例的另一結構示意圖。 圖4，本發明第一實施例的實施狀態示意圖。 圖5，本發明第二實施例的結構示意圖。 圖6，本發明第二實施例的實施狀態示意圖。 圖7，本發明第三實施例的結構示意圖。 圖8，本發明第三實施例的實施狀態示意圖。 圖9，本發明第四實施例的結構示意圖。 圖10，本發明第五實施例的結構示意圖。 圖11，本發明第五實施例的局部放大示意圖。 圖12，本發明第六實施例的結構示意圖。 圖13，本發明第七實施例的結構示意圖。 圖14，本發明第七實施例複數排列結構示意圖。 圖15，本發明第八實施例的結構示意圖。 圖16，本發明第九實施例的結構示意圖。 圖17，本發明第十實施例的結構示意圖。 圖18，本發明第十一實施例的結構示意圖。 圖19，本發明第十二實施例的結構示意圖。 圖20，本發明第十三實施例的結構示意圖。 圖21，本發明第十四實施例的結構示意圖。

10:觸控感測器

11:第一電極

12:第二電極

121:受力點

13:絕緣質

14:能量傳遞距離

15:穿隧電流

20:外力

201:第一分力

202:第二分力

Claims (5)

1. 一種觸控感測器，包含：一第一電極；一第二電極，與該第一電極間隔設置，該第一電極與該第二電極的至少其中一者被施予能量，該第一電極與該第二電極之間存在能量差；以及一絕緣質，設於該第一電極與該第二電極之間；其中，該第一電極與該第二電極的至少其中之一可為一受力者，該受力者未受力時，該第一電極與該第二電極之間距離大於一能量傳遞距離，該第一電極與該第二電極之間的能量差不足以形成電流，該觸控感測器未生成一電訊號，該受力者受力而於一受力點產生形變並改變該受力點與另一者之間的距離，但仍未與另一者接觸，該第一電極與該第二電極之間距離縮短達該能量傳遞距離時，該第一電極與該第二電極之間生成一穿隧電流，該觸控感測器生成該電訊號。
2. 如請求項1所述觸控感測器，其中，該絕緣質為一氣體或一有形物質。
3. 如請求項1所述觸控感測器，其中，該絕緣質為一氣體，該觸控感測器具有一設於該第一電極與該第二電極之間的間隔板，該間隔板上佈設有至少一提供該氣體容置其中的氣孔。
4. 如請求項1至3任一項所述觸控感測器，其中，該觸控感測器包含一設於該第一電極遠離該絕緣質一側的第一基板，以及一設於該第二電極遠離該絕緣質一側的第二基板。
5. 如請求項4所述觸控感測器，其中，該第一電極與該第二電極分別以高密度佈設有複數導電線。

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