具有模塊傳感元件的觸摸傳感器的製作方法

2023-04-28 12:10:11 1

專利名稱：具有模塊傳感元件的觸摸傳感器的製作方法
模塊傳感元件的觸摸傳感器相關專利申請的交叉引用本專利申請要求2009年4月6日提交美國臨時專利申請No. 61/167027的權益， 該專利的公開內容全文以引用方式併入本文。
背景技術：
觸敏裝置為計算機或其他數據處理裝置提供了簡潔而直觀的界面。使用者可通過觸摸圖標或在觸敏面板上書寫或繪畫傳遞信息，而不必使用鍵盤輸入數據。觸摸面板被用於多種信息處理應用中。交互式可視顯示器常常包括一些形式的觸敏面板。隨著諸如手機、 個人數據助理(PDA)和手持或膝上型計算機之類的下一代可攜式多媒體裝置的出現，將觸敏面板和可視顯示器集成變得更加普遍。如今電子顯示器常見於多個應用中，例如，自動取款機、遊戲機、汽車導航系統、餐廳管理系統、雜貨店收銀臺、加氣站、信息查詢臺、和手持數據管理器，等等。已經採用多種方法確定觸敏面板上的觸摸位置。例如，可使用連接到觸摸面板的多個力傳感器確定觸摸位置。力傳感器產生響應於觸摸而變化的電信號。利用力傳感器產生的信號的相對值可以確定觸摸位置。電容式觸摸定位技術涉及對由於觸敏面板上的觸摸所產生的電容耦合而產生的電流變化的感測。少量電壓被施加到觸敏面板若干位置處，例如，觸控螢幕的每個拐角處。觸控螢幕上的觸摸產生電容耦合，該電容會改變每個角流出的電流。電容式觸摸系統測量電流， 並根據電流的相對值確定觸摸位置。電阻式觸敏面板通常為多層裝置，其具有用墊片隔開的柔性頂層和剛性底層。導電材料或導電陣列設置在頂層和底層的相對表面。觸摸會使頂層彎曲，並使相對的導電錶面彼此接觸。系統根據接觸引起的觸摸面板電阻變化確定觸摸位置。可依靠光學或聲音信號確定觸摸位置。用於觸摸面板中的紅外技術通常使用專用的聚光圈沿水平軸和垂直軸發出紅外光束。傳感器對阻斷紅外光束的觸摸進行檢測。表面聲波(SAW)觸摸定位方法使用在玻璃屏表面傳播的高頻波。利用因手指接觸玻璃屏表面而導致的波衰減來檢測觸摸位置。SAW通常採用「飛行時間」技術，該技術利用幹擾到達拾波傳感器的時間檢測觸摸位置。當介質以非頻散方式工作，使得波的速度不會在所關注的頻率範圍內顯著變化時，可以採用這種方法。彎曲波觸摸技術感測在觸敏襯底的整塊材料上的觸摸產生的振動。這些振動指示彎曲波，並可利用通常設置在襯底邊緣的傳感器檢測。對傳感器產生的信號進行分析，以確定觸摸位置。

發明內容
在一個實施例中，描述了觸敏裝置，該觸敏裝置包括能夠傳播彎曲波振動的第一襯底並具有觸摸表面；至少一個連接到該襯底的傳感器板，該傳感器板包括第二襯底，該襯底上安裝了用於測量第一襯底的彎曲波振動的傳感器；以及通信連接到至少一個傳感器板的處理器，該處理器用於處理來自傳感器的與觸摸表面上的接觸相關的信息。在另一個實施例中，描述了一種設備，該設備包括電路板，該電路板在第一電路板表面上具有至少兩個導電墊片，這兩個導電墊片各自具有表面積；能夠感測彎曲波的傳感器，該傳感器在第一傳感器表面具有至少兩個導電連接點，該第一傳感器表面具有表面積；其中所述至少兩個傳感器墊片的每一個的至少一部分機械連接並且電連接到包括兩個導電連接點的第一傳感器表面的至少兩個區域；並且其中機械連接到兩個墊片的第一傳感器表面的表面積大於第一傳感器總表面積的20%。在另一個實施例中，描述了一種製備觸敏裝置的方法，該方法包括將至少三個傳感器板機械連接到襯底，這些傳感器板各自包括至少一個壓電傳感器，該壓電傳感器能夠測量彎曲波並提供表徵所測彎曲波的信號；將至少三個傳感器板通信連接到電子器件，該電子器件被構造用於接收來自壓電傳感器的信號，並根據這些信號提供指示襯底上接觸的坐標的信號。


圖1為觸摸傳感器的拐角的圖示。圖2為傳感器板的圖示。圖3為觸摸傳感器和控制器的圖示。圖4為傳感器板的電路板襯底的圖示。圖5示意性地說明了在電路板襯底上放置傳感器的步驟。圖6為示出各種傳感器板構型的頻率響應的曲線圖。圖7為示出一種傳感器板構型和標準傳感器的頻率響應的曲線圖。
具體實施例方式圖 1 為彎曲波型觸控螢幕(例如 3M Touch Systems (Methuen，Massachusetts)以商品名MicroTouch DST銷售的觸控螢幕)的拐角的圖示。玻璃3在其上具有導電跡線2，該導電跡線電連接到電子組件(兩個電阻器5和場效應電晶體7)，這些電子組件又通過導電跡線連接到壓電傳感器1。這些導電跡線和電子組件擁有電壓緩衝電路，可將來自壓電傳感器的高阻抗輸入連接到進入控制器的低阻抗輸出(從而降低噪聲幹擾和信號損耗)。該設計具有某些缺陷。例如，必須在玻璃上印刷導電跡線，該印刷需要按玻璃尺寸定製的印刷和烘焙設備，所述設備又難以定標到新尺寸。此外，有效地將壓電傳感器直接固定到玻璃需要特殊的工藝，放置電子組件也是如此。另外，導電跡線2在某些環境條件下可能「漏電」，從而可能損壞由導電跡線形成的電路。另外，導電跡線易受來自其他元件(例如位置很可能接近觸控螢幕的顯示裝置)的電噪聲影響。在圖1所示觸摸傳感器中使用屏蔽膠帶4處理噪聲問題，該屏蔽膠帶施用到與導電跡線相對的玻璃側，但膠帶的應用構成另一道工序並產生材料成本。總之，圖1所示設計的這些方面需要涉及處理和操縱大型玻璃片的多個工序。本發明涉及一種設備，在一些實施例中，該設備可以解決這些缺陷的某一些，或提供與這些缺陷不相關的新的有益效果。此外，本發明涉及一種設備，該設備可以使新裝置或應用不具有任何上述缺陷。此外，本發明涉及製備觸敏裝置的新方法。在以下對舉例說明的實施例的描述中，參考了作為實施例組成部分的附圖，附圖以舉例說明和可實踐本發明的各種實施例的方式示出。應當理解，在不脫離本發明範圍的前提下，可以利用這些實施例，並且可以進行結構上的修改。根據本發明實施的觸摸感測設備可以具有本文所述的一種或多種特徵、結構、方法、或它們的組合。其意指此類裝置或方法視情況不必包括本文所述的所有特徵和功能，但可以被實施為包括所選的特徵和功能，這些特徵和功能的結合可提供有用的結構和/或功能。本發明涉及觸敏用戶交互裝置和方法，該裝置和方法用於通過多個傳感器感測穿過襯底傳播的振動。更具體地講，本發明涉及採用傳感器的觸摸感測裝置和方法，該傳感器被構造用於感測通過襯底傳播的彎曲波振動，並且可利用全異觸摸位置檢測技術根據這些振動確定觸摸位置信息。用於將來自傳感器的數據處理為襯底上的觸摸位置的此類觸摸感測裝置、相關的計算法、以及技術在美國專利No. 7，157，649 "Contact Sensitive Device」 (《觸敏裝置》)(Hill)、6，871，149 "Contact Sensitive Device」 (《觸敏裝置》) (Sullivan 等人)、6，922，642 "Contact Sensitive Device」(《觸敏裝置》)(Sullivan)、 7，184, 898"Contact Sensitive Device，，(《觸敏裝置》)(Sullivan 等人)、以及美國專利申請公布 No. 2006/0244732『『Touch Location Determination using Bending Mode Sensors and Multiple Detection Techniques"(《採用彎曲模式傳感器和多檢測技術確定觸摸位置》)(Geaghan)中有所描述，所述每份專利的全部內容均以引用方式併入本文。術語「彎曲波振動，，是指使得能夠支撐彎曲波振動的構件發生一定程度面外位移的激勵(例如由物理接觸產生)。許多材料能夠彎曲，其中一些材料會產生具有理想平方根頻散關係的純彎曲，一些材料會產生純彎曲和剪切彎曲的混合彎曲。頻散關係描述了波的面內速度與波的頻率的相關性。術語「彎曲」也可適用於構件在承受荷載時(例如，當觸摸面板在施加到觸摸面板上的觸摸作用下撓曲(如產生翹曲)時)的面外位移或撓曲。就這一點而言，觸摸面板的一個表面被設置為受壓，而相對表面則被設置為受拉，這樣會導致觸摸面板翹曲。利用本文所述類型的彎曲模式傳感器和下文討論的方式可以檢測到觸摸面板的這種翹曲。在包括(例如)壓電傳感器的振動感測觸摸輸入裝置中，在觸摸面板平面內傳播的振動向壓電傳感器施加壓力，從而在傳感器兩端產生可檢測的電壓。接收到的信號可能是由振動引起的，該振動是由直接觸摸輸入的衝擊直接導致的，或由因描繪(摩擦)產生的能量輸入直接導致的，或者由影響現有振動的觸摸輸入(例如通過振動衰減)引起。接收到的信號也可能是由意外輸入引起，例如，因使用者抓握或誤操作觸摸輸入裝置產生的輸入引起，或因觸摸輸入裝置外部的可感測環境源產生的輸入引起。轉到圖2，圖中示出了傳感器板125。術語「傳感器板」是指包括適用於安裝電子器件的襯底(例如電路板)、能夠檢測彎曲波的傳感器和根據需要配備的相關電子器件(用於提供表徵彎曲波的電子信號)的組件。例如，在如圖2所提供的一個實施例中，傳感器板包括電路板10，其上安裝了傳感器130(在這種情況下，壓電傳感器在例如由於觸摸事件通過襯底傳播的彎曲波而變形時產生電壓)。圖2所示傳感器板還包括場效應電晶體(FET)、 兩個電阻器、和導向電子器件的電線的連接點(圖2中未示出)，這些連接點接收來自傳感器板的信號並在一些實施例中將這些信號處理為襯底上觸摸事件的二維坐標。在其他實施例中，考慮到預期最終應用的操作條件，可根據需要去除「相關電子器件」。
傳感器130為優選的壓電傳感器，其可感測表徵襯底上接觸輸入的振動，下文將有更全面的描述。可用的壓電傳感器包括單晶片和雙晶片壓電傳感器。壓電傳感器提供多個有利的特徵，包括(例如)良好的靈敏度、相對低的成本、充分的穩健性、潛在小的波形係數、足夠的穩定性、以及響應線性。可用于振動感測觸敏裝置的其他傳感器包括電致伸縮式、磁致伸縮式、壓阻式、聲控式、電容式、和動圈式傳感器/裝置等等。現在轉到圖3，圖中示出了觸敏裝置100的一種構型，該裝置具有用於檢測彎曲波振動並利用多個全異觸摸位置檢測技術確定觸摸位置的特徵和功能。根據該實施例，觸敏裝置100包括襯底120和感測板125 (其包括振動傳感器130)，該感測板繼而耦接到襯底120的上表面。在此示例性實例中，襯底120的上表面限定了觸敏表面。雖然示出傳感器130耦接到襯底120的上表面，但作為另外一種選擇傳感器板125可耦接到襯底120的下表面。在另一個實施例中，一個或多個傳感器板125可以耦接到上表面，而一個或多個其他傳感器板125可以耦接到觸摸襯底120的下表面。傳感器板125A-125D可通過任何合適的方式耦接到觸摸板120，例如使用粘合劑或其他合適的材料，只要所達到的機械連接足以使在觸摸板中傳播的振動被振動傳感器檢測到。下文將進一步討論將傳感器板安裝到襯底上。示例性振動傳感器130和振動傳感器布置方式在共同轉讓的美國專利申請 USSN10/440, 650 (Robrecht)和USSN 10/739，471 (Hill)中有所描述，這兩份專利全文以引用方式併入本文中。襯底120可為支撐所關注振動(例如彎曲波振動)的任何襯底。示例性襯底120 包括塑料(例如丙烯酸類樹脂或聚碳酸酯)、玻璃、鋼、鋁或其他合適的材料。通常，可以使用頻散關係已知的任何材料。觸摸襯底120可為透明或不透明的，並且可以任選地包括或整合其他層或支持額外的功能。例如，襯底120可提供耐刮擦性、耐沾汙性、隔炫光性、 防反射性、對於方向和隱私的光控性、濾色、偏振、光學補償、摩擦紋理、著色性、圖形圖像等。在一個實施例中，襯底120為矩形玻璃塊。在另一個實施例中，襯底120為片型襯底， 因為其相對於長度和寬度較薄。在一些實施例中，襯底120具有相對均勻的厚度。專利申請 No. 61/080，966 "Systems and Methods for Correction of Variations in Speed of Signal Propagation Through a Touch Contact Surface" (
面傳播的信號速度差異的系統和方法)描述了用於補償襯底均勻度差異的方法和計算法， 並且以引用方式全文併入本文檔。襯底120可以非常大，對角尺寸遠超46"。例如，襯底 120對角尺寸可為50〃、60〃、70〃、80〃、90〃，或甚至100"。可以想到更大的尺寸，僅當振動太小，以至於傳感器無法檢測時，尺寸才會受到限制。襯底120可能已經整合到一些其他應用中，而未必旨在用於觸敏裝置。例如，傳感器板可以固定到窗口的玻璃上。在一些實施例中，襯底120包括在其邊緣附近布線的導電跡線，以降低電連接器 140的厚度。通常，觸敏裝置100包括至少三個傳感器板125，以在兩個維度確定觸摸輸入的位置。在一些實施例中，四個傳感器板125(如圖3所示傳感器板125A、125B、125C和125D) 可為可取的，如美國專利No. 6，922，642 (Sullivan)和7，157，649 (Hill)以及共同轉讓的美國專利申請09/746，405中所討論的，這些專利全文均以引用方式併入本檔中。在一些不需要觸摸事件的精確坐標的實施例中，可以使用更少的傳感器板125。例如，在二維解析度較少限制性要求的應用中，可以使用一個傳感器板125。例如，在顯示裝置，例如在廣告中，觸敏裝置100可與顯示器(例如LCD顯示器)結合使用，顯示器向潛在用戶顯示使用說明，建議用戶「觸控螢幕幕開始」。在此類實施例中，觸摸位置的二維坐標可能是必要的。另外，僅配置兩個傳感器板125的實施例可以提供一定程度上更高的解析度，以確定是否觸摸到屏幕的特定區域。例如，在上述廣告實例中，與顯示器連接的觸敏裝置可以換成採用位於屏幕兩個離散區域的信息來請求潛在用戶輸入，該信息為「觸摸此處開始(英語)」和「觸摸此處開始(西班牙語)」。在這種情況下，根據屏幕上離散區域的位置，可能不必包括四個傳感器板就可滿足觸摸解析度要求。在這個具體例子中，兩個傳感器板即可提供足夠的解析度。在一個實施例中，所有傳感器130均被構造用於感測觸摸襯底120中的振動。就技術和功能而言，這些傳感器130可以大致相同。例如，所有傳感器130都可為特定製造商以相同的部件號或名稱製造的彎曲模式傳感器。在其他實施例中，傳感器130可以在技術上基本相同，但在功能上不同。例如，所有傳感器130都可為特定製造商製造的彎曲模式傳感器，其中一些傳感器被實施為檢測彎曲波，另一些傳感器被實施為檢測板撓曲。在一些實施例中，一個或多個傳感器130可為彎曲模式傳感器以外的傳感器。根據另一個實施例，一個或多個傳感器130可用作發射裝置，以發射可被另一些傳感器130感測的信號，這些信號可用作基準信號或產生可在觸摸輸入下改變的振動，這些改變的振動被傳感器130感測，以確定觸摸的位置。電動傳感器可用作合適的發射裝置。 此外，一個或多個傳感器130可被構造成感測激勵雙功能傳感器，例如，如之前併入本文的美國專禾Ij No. 6，922，642和7，157，649以及共同轉讓的美國專利No. 7，411，584(Hill)(該專利全文以引用方式併入本文中)中所公開的。許多採用觸敏裝置100的應用還透過觸敏裝置100使用電子顯示器來顯示信息。 此類顯示器包括(例如)液晶顯示器、等離子體顯示器、和有機發光二極體顯示器。由於顯示器通常為矩形，因此使用矩形觸敏裝置100為典型並且便利的。因此，固定傳感器130的觸摸襯底120通常為矩形，但應當理解其他幾何形狀也可為可取的。根據一種構型，傳感器板125A、125B、125C、125D優選地設置在襯底120的拐角附近。由於許多應用需要透過觸敏裝置100瀏覽顯示器，希望將傳感器板125A-D設置在觸摸襯底120邊緣附近，從而使其不會不可取地侵佔可視顯示區域。將傳感器125A-D設置在觸摸襯底120拐角處也可以減少襯底邊緣的聲波反射的影響。觸敏裝置100感測到的接觸可具有觸筆觸摸的形式，而觸筆又可具有手持筆的形式。觸摸襯底120上觸筆的移動可以生成連續信號，該信號受觸摸襯底120上觸筆的位置、 壓力和速度影響。觸筆可以具有柔性頂端，例如橡膠頂端，其通過在襯底120上施加可變力在其中生成彎曲波。可變力可以通過頂端提供，頂端或者停留在襯底120表面或者滑過襯底120表面。或者，接觸可以是手指觸摸的形式，該接觸可以在觸摸襯底120中生成彎曲波， 該彎曲波可以通過無源和/或有源感測來檢測。彎曲波可具有在超聲波區域(> 20kHz) 內的頻率分量。圖3所示觸敏裝置100與控制器150通信連接。傳感器板125A-D通過導體(例如電線)或觸摸襯底120上形成的印刷電極圖案與控制器150通信連接。控制器150通常包括前端電子器件，該電子器件測量傳感器板125A-D上的傳感器的信號或信號變化。在另一個實施例中，控制器150向傳感器板125-A-D上的傳感器施加信號。在其他構型中，除了前端電子器件之外，控制器150還可包括微處理器。如下文所詳述的，控制器150能夠實現
8選自一系列全異觸摸位置檢測技術的一種或多種觸摸位置檢測技術，例如，如美國專利申請公開 No. 2006/0244732「Touch Location Determination using Bending Mode Sensors and Multiple Detection Techniques^利用彎曲模式傳感器和多重檢測技術測定觸摸位置)(Geaghan)中所描述的，該專利在上文以引用方式併入本文中。在典型的調配構型中，觸敏裝置100與主機計算系統(未示出)的顯示器聯合使用，以在使用者和主機計算系統之間提供視覺和觸覺交互作用。主機計算系統可包括通信接口(例如網絡接口)，以方便裝配觸敏裝置100的觸摸面板系統與遠程系統之間通信。各種觸摸面板系統的(例如)診斷、校正和維護例程可通過觸摸面板系統和遠程系統之間的相互通信實現。使用本文所述構型的傳感器板可以提供某些有益效果。例如，有興趣生產觸敏顯示器的顯示器製造商可採購包含傳感器板125和相關電子器件的套件，或者如果電子器件已併入到觸敏顯示器的電子器件中，則可僅採購傳感器板125。於是顯示器製造商在確定如何使組裝過程可最有效地適應於傳感器板固定步驟的細節時，具有非常大的靈活性。^jE考慮到分接點到每個傳感器板的距離、以及襯底的厚度、密度和楊氏模量，可以採用相對簡單的校正過程來精調觸摸點的解析度。例如，襯底可以在已知位置分接，然後通過傳感器板測量信號，生成數據。採用該數據及傳感器板的位置和襯底的物理特性，可確定襯底的精確模型並用於計算未知位置的接觸。可以分接另外的點，以進一步精調校正。感測灃意事項壓電傳感器(圖2和圖3中的傳感器130)設計用於測量襯底120中的彎曲波。這些彎曲波通常具有高頻率(5-20kHz)。因此，傳感器130和襯底120之間的界面和層對這些振動的衰減不能達到無法接受的程度。在如圖2所述的傳感器板實施例中，傳感器130和襯底120之間存在三個界面。這些界面包括1)傳感器130與電路板10的界面；2)電路板 10自身；以及幻電路板10與襯底120的界面。以下章節將對這些界面進行討論。1)傳感器與電路板的界面將壓電傳感器安裝到電路板是實現襯底中彎曲波的良好測量的重要因素。電路板和壓電傳感器之間的機械粘結必須足夠強，以將襯底120振動完全傳遞到傳感器130。使用傳感器板的初始嘗試是採用薄墊片，僅沿邊緣使用焊料粘結傳感器130。這導致粘結不夠強。圖4所示第二電路板布局設計採用較大的墊片200固定傳感器130。這些較大的墊片 200使得可以在較大的表面區域內接觸傳感器130墊片，從而形成較強的粘結。據發現，焊接圖4所示電路板的傳感器的合適技術為加熱墊片200並使焊料珠在其上流動，然後將傳感器130放置到焊料上，無需將其向下推動到墊片上。這在傳感器130 和墊片200之間留下了一層焊料。焊料冷卻時，將實現傳感器130的緊密粘結。手動操作時，難以同時在兩個墊片上進行操作。在這種情況下，採用該方法處理一個墊片，然後通過加熱墊片並讓焊料在傳感器下方流動來焊接第二墊片。圖5示出了焊接工序的示意圖，該示意圖示出了傳感器130及其2個墊片220，墊片220與電路板10的墊片200匹配，墊片 200在其上分別具有受熱的焊料210珠，以形成傳感器/電路板界面250。當具有墊片220的傳感器的約50%的側面總表面積(通過焊料)機械連接到墊片 200時，獲得了令人滿意的測試結果。當具有墊片220的傳感器的低至約20%的側面總表面積機械連接到傳感器墊片時，預期可獲得相似的令人滿意的結果。2)電路板電路板本身為傳感器130和襯底120之間的界面。典型的FR_4(—種常用於電路板的阻燃劑材料)電路板材料對傳輸的振動不具有顯著的不利影響。然而，進行了測試以了解電路板厚度是否對感測具有影響。該測試的結果匯總於圖6中，後文將有更全面的討論。一般來講，電路板的厚度對傳感器響應具有顯著影響。在實施過程中，在一些實施例中，需要電路板儘可能薄，以使傳感器和顯示器之間所需的間隙最小化。厚度為30密耳和 15密耳的電路板對於某些應用而言具有足夠的間隙。3)電路板與襯底的界面對該界面的傳感器板的初始測試使用以商品名「Loctite Superglue」銷售的粘合劑(由Henkel Corporation(Diisseldorf，Germany)的分公司銷售)。性能是足夠的。由於希望避免採取熱固化(熱固化需要烘箱和相關的處理/加工步驟)，我們嘗試了若干得自3M公司(M.Paul，MN)的市售紫外固化粘合劑。LC-1112和LC-1212為形成剛性粘結的光固化粘合劑。已發現，兩者均能將振動出色地傳遞到傳感器。光固化粘合劑可以特別適於將傳感器板安裝到玻璃襯底上，因為此類襯底通常透明，因此允許使用手持光源。重要的是，在一些應用中(例如，安裝到顯示器時)，在使用過程中觀察到的典型加熱條件下電路板和襯底之間的粘結不會變得柔性。此類應用中觸摸面板和顯示器表面之間的溫度可達到(例如)40至50攝氏度。在正常的典型LCD型顯示器加熱條件下，使用 LC-1212粘合劑未觀察到對性能的不利影響。在一個實施例中，如果使用玻璃邊緣作為弓I導來粘合傳感器板，則傳感器板設計為傳感器130在襯底上適當地對齊。這樣，可控制傳感器的正確定位。電線注意事項傳感器板需要通信連接到控制器150。在一個實施例中，使用由導體構成的薄線束或粘附到襯底的柔性電路實現該目的。在一個測試中，我們成功使用34AWG磁鐵線將傳感器板連接到控制器。在一些實施例中，使用傳感器板的潛在優勢在於，能夠最大限度地減小來自附近顯示器、其他電子器件、或外部源的噪聲汙染。例如，IXD和等離子顯示器均產生顯著量的高頻噪聲，這些噪聲可經由觸摸面板上的銀線路拾波。為處理該問題，現有的彎曲波觸敏面板可以具有施用到外部邊界的銅條帶，以助於線路屏蔽外部噪聲源。通過使用本文所述傳感器板設計理念，線束可包括屏蔽的電線或屏蔽的(多層) 柔性電路。一個可供選擇的方法是使用雙絞線，而非屏蔽。這將最大限度地減小內部和外部噪聲源的幹擾。電路板還可具有作為第二層的地電位面，以最大限度地減小電路上的幹擾(或者，使用連接到地面的導電性環氧樹脂)。有了這些屏蔽改善，控制器所觀察到的信噪比可能會增大，這將實現更好的性能並且更易於匹配較大尺寸的面板。在某些實施例中，屏蔽的另一個優點是增強靜電放電(ESD)保護。預期採用上述若干屏蔽技術的設計能夠滿足超過27kV的ESD要求。採用不同厚度電路板時的頻率響應為測定不同構型角板的響應，構建了 12個角板原型(即，3組，每組4個角板) 4個使用45密耳厚的板、4個使用30密耳厚的板、4個使用15密耳厚的板。然後使用3MLC-1112粘合劑將各組的每個角板粘附到32英寸(對角)玻璃襯底上，然後使用焊接到傳感器板的墊片上的34AWG電磁線將其耦接到控制器。電線未屏蔽外部噪聲源，儘管此類屏蔽在一些實施例中可能是可取的。然後採用設置在玻璃襯底中心的音圈測試面板。採用1 和40kHz之間的多正弦波驅動音圈並在四個拐角中每一個處測量響應。對於這些測試，玻璃襯底並未集成到顯示器，而是位於丙烯酸片上。測量每個角板的頻率響應。圖6示出了三個電路板厚度的平均頻率響應。結果顯示，不同電路板厚度的頻率響應幾乎無差別。差別在預期的正常偏差範圍內。接下來，將上述3個組的結果與3個標準32英寸市售彎曲波型觸摸面板比較，以判定角板與標準面板的信號水平大小匹配的緊密程度。這些市售觸摸面板的壓電傳感器直接粘合到襯底。圖7的結果顯示，角板的信號水平通常具有2至3dB的降低。這符合先前的測試，並且是由於穿過上述不同界面時發生了信號衰減。然而，預期由於第3節所述屏蔽而降低的噪聲將補償該信號損失。詳細實例如下文所述，構造並測試了採用傳感器板的彎曲波觸敏裝置。1)彎曲波傳感器襯底由鹼石灰浮法玻璃的矩形板組成，其尺寸為 752mmX 433mm (27. 63 英寸 X 17. 07 英寸)，厚度為 2. 2 士 0. Imm (0. 087 英寸士 0. 004 英寸)， 得自Eurptec Gmbh(GosIar，Germany)。該玻璃具有應用到前表面的防眩酸蝕刻。該玻璃經過化學鋼化，抗拉強度彡180N/mm2。光透射比>91%。玻璃邊緣經打磨和整圓，其半徑 >玻璃厚度的一半。2)構造了傳感器板，並將其附接到玻璃板的非蝕刻表面(與觸摸表面相對)的四個角的每一個。傳感器板襯底為典型商業FR-4電路板材料片，其尺寸為 15. 9mmX 15. 9mm (0. 625英寸Χ0· 625英寸)，厚度為0. 76mm (0. 030英寸)。(還成功測試了 0.015英寸和0. 045英寸厚的襯底。)然後如下文所述的，將電路板圖案化為具有適當的金屬電路線和焊料墊片。3)用於在每個傳感器板上測量彎曲波振動的傳感器為壓電傳感器，定製型號3M公司部件號25054，得自Belltec (Taipei，Taiwan)，類似於專利申請US 2005/0134574 "PIEZOELECTRIC TRANSDUCER」 (《壓電傳感器》)中的那些。傳感器的諧振頻率為570kHz士200kHz。傳感器為4. 5士0. Imm(0. 177士0. 004英寸)寬、 10. 4士0. Imm(0. 409士0. 004 英寸)長、1. 1 士0. Imm(0. 043士0. 004 英寸)厚。傳感器頂部的標誌指示正向極化方向。4)每個傳感器在其傳感器板上具有放大器電路，用於將壓電高阻抗轉變為更適合數據處理器的信號，從而最大限度地減小電噪聲。電路由得自Calogic (Fremont， California, USA)的NJFET SST204型場發射電晶體(FET)緩衝器/放大器以及IOMΩ和 365 Ω的2個偏壓電阻器組成。NJFET將電壓偏置到約2. 2V(從5V輸入軌偏置)。5)按照上文結合圖5所示程序將壓電傳感器附接到傳感器板。在電路板上形成2 個金屬粘結墊片，每個墊片為壓電傳感器自身面積的約40%，傳感器的每個電極/末端對應一個墊片。所用焊料為得自Ketster (Itasca，Illinois，USA)的標準無鉛焊料。該焊料在220°C時熔化。在將壓電傳感器焊接在適當位置後，也將FET放大器和偏壓電阻器焊接在電路板上的適當位置。
6)然後使用得自3M公司(St. Paul，Minnesota, USA)的3M 光固化粘合劑 LC-1212(3M Light Cure Adhesive LC-1212)，將組裝的傳感器板附接到玻璃板的非蝕刻觸摸表面的拐角。該材料描述為在暴露於可見光或紫外光時快速固化形成半剛性粘結的單組分中粘度粘合劑。其特徵包括具有改善的玻璃和金屬粘附力，固化為不粘表面，以及具有較低腐蝕性。典型的固化性質包括肖氏D硬度為83 (ASTM 2240)，抗拉強度為3.1兆帕 (4500磅/平方英寸)(ASTM D638)以及伸長率為15% (ASTM D638)。將傳感器板設置在玻璃板一角的未固化粘合劑的一部分上，在室溫下將得自UV Source (Lebanon, Indiana, USA) 的「Green Spot」手持式紫外(UV)光源(100瓦特，365nm主輸出波長)穿過玻璃板導向粘合劑，持續時間為40秒。7)然後將由得自Belden (Richmond，Indiana, USA)的未屏蔽型34AWG電磁線組成的電引線焊接到每個電路板的輸出端。然後將這些引線連接到DST-3000DC型控制器，當前使用的類型為得自 3M Touch Systems, Inc. (Methuen，Massachusetts，USA)的 DST 彎曲波觸摸傳感器。8)然後在觸敏裝置中將安裝泡沫(3M VHB丙烯酸泡棉膠帶5925 (3M VHB Acrylic Foam Tape 5925)和 3M VHB 丙烯酸泡棉膠帶 5962 (3M VHB Acrylic Foam Tape 5962)，得自3M公司(St. Paul,Minnesota,USA))施用到觸摸傳感器的四個邊緣，這是將3M DST彎曲波觸摸傳感器集成到顯示裝置正面的標準方式。然後將傳感器安裝在32英寸(對角)NEC 3210液晶顯示器(得自NEC Corporation (Tokyo, Japan))上，用於其餘測試。9)然後將組裝的彎曲波觸敏裝置的性能與現有的3M觸摸系統DST彎曲波傳感器產品的性能進行比較，組裝的彎曲波觸敏裝置的性能顯示準確性和靈敏度滿足相同規格， 如下文所述。接受測試的觸敏裝置安裝在能夠提供一系列叩擊或觸摸脈衝的裝置中，所述脈衝具有毫米級定位準確度和校準的力-時間脈衝。將「叩擊器」移動到鄰近觸敏裝置的選定位置，進行一系列低脈衝值(數mNt-s)下的30次叩擊。記錄檢測到的叩擊的次數和計算的位置。在相同位置採用具有更高脈衝值的叩擊重複該過程，直至設備能夠記錄所有 30次叩擊。現有產品需要準確定位小於50mNt-s的脈衝下的所有30次觸摸。該實例的組裝的彎曲波觸敏裝置也滿足這些要求。使用本文所述角板製造觸敏彎曲波型面板，可顯著降低生產傳統彎曲波型觸摸傳感器所需的設備成本，傳統方法常需要篩網印刷機(用於印刷導電跡線)和烘箱(用於固化導電跡線)。在本文所公開的某些實施例中，可能不需要此類印刷機和烘箱。此外，在一些實施例中，有興趣製造觸敏襯底的客戶可購買包含傳感器板、電線和控制器板(或這些物品的某些組合、或其他物品，例如用於將傳感器板固定到襯底的粘合劑)的套件。例如，LCD製造商可從自身來源獲得玻璃襯底，然後使用上述套件組裝觸敏面板。這可為IXD製造商提供非常大的製造靈活性並顯著降低成本。上文描述了多個實施例。然而，本發明可以多種不同形式體現，並且不應理解為限於本文示出的實施例；相反，這些實施例的提供旨在讓本公開周密完整，並將本發明的範圍完整地傳達給本領域的技術人員。根據上述說明和相關附圖所教導的有益效果，本發明所屬領域的技術人員將會想到本發明的許多修改形式和其他實施例。因此應當理解，本發明並非僅限於本文所公開的具體實施例，並且修改形式和其他實施例旨在包括在所附權利要求書的範圍內。
權利要求
1.一種觸敏裝置，包括第一襯底，所述第一襯底能夠傳播彎曲波振動並具有觸摸表面；至少一個耦接到所述襯底的傳感器板，所述傳感器板包括第二襯底，所述第二襯底上安裝了用於測量所述第一襯底的彎曲波振動的傳感器；以及處理器，其通信連接到所述至少一個傳感器板，所述處理器用於處理來自所述傳感器的與所述觸摸表面上的接觸相關的信息。
2.根據權利要求1所述的觸敏裝置，其中處理信息包括解析對所述觸摸表面的所述接觸的X和Y坐標。
3.根據權利要求2所述的觸敏裝置，其中所述傳感器板使用粘合劑耦接到所述襯底。
4.根據權利要求2所述的觸敏裝置，其中所述第一襯底為玻璃片。
5.根據權利要求4所述的觸敏裝置，其中所述玻璃片具有均勻的厚度。
6.根據權利要求2所述的觸敏裝置，其中所述襯底是透明或半透明的，並具有四個拐角，並且其中所述至少一個傳感器板包括四個傳感器板，所述四個傳感器板耦接在緊鄰所述襯底的所述四個拐角處。
7.根據權利要求6所述的觸敏裝置，還包括顯示裝置，所述顯示裝置緊鄰所述第一襯底，以透過所述第一襯底提供視覺刺激。
8.根據權利要求7所述的觸敏裝置，還包括計算機，所述計算機通信連接到所述顯示裝置，以控制所述顯示器上的視覺刺激，並且其中所述處理器也通信連接到所述計算機，並提供表徵所述顯示裝置上接觸的坐標的信肩、ο
9.一種設備，包括電路板，所述電路板在第一電路板表面上具有至少兩個導電墊片，所述兩個導電墊片各具有表面積；能夠感測彎曲波的傳感器，所述傳感器在第一傳感器表面具有至少兩個導電連接點， 所述第一傳感器表面具有表面積；其中所述至少兩個傳感器墊片的每一個的至少一部分機械連接並且電連接到所述第一傳感器表面的至少兩個區域，所述第一傳感器表面包括所述兩個導電連接點；並且其中機械連接到所述兩個墊片的所述第一傳感器表面的所述表面積大於第一傳感器總表面積的20%。
10.根據權利要求9所述的設備，其中所述傳感器為壓電傳感器。
11.根據權利要求10所述的設備，其中所述傳感器墊片使用焊料連接到所述第一傳感器表面。
12.根據權利要求10所述的設備，其中所述至少兩個墊片的所述總表面積為所述第一傳感器表面的所述表面積的至少50%。
13.—種製造觸敏裝置的方法，包括將至少三個傳感器板機械連接到襯底，所述傳感器板各自包括至少一個壓電傳感器， 所述壓電傳感器能夠測量彎曲波並提供表徵所測彎曲波的信號；將所述至少三個傳感器板通信連接到電子器件，所述電子器件被構造用於接收來自所述壓電傳感器的信號，並根據這些信號提供表徵所述襯底上接觸的所述坐標的信號。
14.根據權利要求13所述的方法，其中所述至少三個傳感器板為四個傳感器板。
15.根據權利要求14所述的方法，其中機械連接包括使用粘合劑。
16.根據權利要求15所述的方法，其中通信連接包括使用導體進行的電連接。
17.根據權利要求16所述的方法，其中所述襯底為玻璃。
18.根據權利要求17所述的方法，還包括將所述襯底機械連接到顯示裝置，使得所述顯示器可以透過所述襯底瀏覽。
全文摘要
本發明提供了一種用於解析對襯底上的接觸的彎曲波型觸摸傳感器，所述觸摸傳感器由多個耦接到所述襯底的傳感器板構成。
文檔編號G06F3/043GK102439549SQ201080022328
公開日2012年5月2日 申請日期2010年4月1日 優先權日2009年4月6日
發明者理察·L·聖皮埃爾 申請人:3M創新有限公司