專利名稱：具有非均勻電阻帶的接觸式傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及接觸式傳感器技術(shù)，更具體地說(shuō)，涉及電阻性和電容性接觸式傳感器技術(shù)。
背景技術(shù)：
接觸式傳感器是用于計(jì)算機(jī)和其他電子系統(tǒng)的透明或不透明的輸入裝置。如其名字所表明的，通過(guò)用戶的手指或觸針，或是其他裝置的接觸來(lái)啟動(dòng)接觸式傳感器。透明的接觸式傳感器，具體來(lái)說(shuō)是觸摸屏，通常配置在顯示裝置如陰極射線管(CRT)監(jiān)視器和液晶顯示器上。在商業(yè)應(yīng)用如賓館定制條目系統(tǒng)、工業(yè)進(jìn)程控制應(yīng)用、交互式博物展覽、公共信息亭、傳呼機(jī)、蜂窩電話、個(gè)人數(shù)字助理和視頻游戲中，這些系統(tǒng)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
目前使用的主流接觸傳感器技術(shù)是電阻性、電容性、紅外線和聲學(xué)接觸式傳感器技術(shù)。采用這些技術(shù)的觸摸屏能以頗具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格提供很高的性能。所有這些觸摸屏均是透明裝置，它們通過(guò)將接觸位置坐標(biāo)傳送到主計(jì)算機(jī)來(lái)響應(yīng)接觸。觸摸屏性能的一個(gè)重要方面是接觸式傳感器的接觸敏感區(qū)域(即接觸區(qū))內(nèi)的所有位置的實(shí)際接觸位置和測(cè)得的接觸位置之間的近似一致性。
圖1a和圖1b示出了一種典型的電阻性觸摸屏20，在該觸摸屏中，通過(guò)電激發(fā)位于觸摸屏上的電極子集將電壓梯度在x軸和y軸方向上依次施加到觸摸屏表面。這種類型的觸摸屏通常稱為5線觸摸屏(與將x軸和y軸電壓梯度施加到不同層的4線觸摸屏相對(duì)照)。當(dāng)接觸所述電阻性觸摸屏?xí)r，基于測(cè)得的電勢(shì)，可以確定接觸位置的x軸和y軸坐標(biāo)。如圖1a和1b所示，可以將施加到觸摸屏的電壓梯度用等勢(shì)線(即沿線電壓保持不變的線)表示。這些等勢(shì)線(以虛線示出)大致延伸于觸摸屏的頂部和底部之間(圖1a)，以提供確定接觸位置的x軸坐標(biāo)的手段，以及延伸于觸摸屏的左側(cè)和右側(cè)之間(圖1b)，以提供確定接觸位置的y軸坐標(biāo)的手段。圖1a和圖1b中還示出了由觸摸屏中空間上變化的電勢(shì)引起的相關(guān)電流的方向(實(shí)線)。
當(dāng)以簡(jiǎn)單易懂的方式將觸摸屏上測(cè)得的電勢(shì)關(guān)系關(guān)聯(lián)到笛卡兒坐標(biāo)時(shí)，最容易處理的是電阻性觸摸屏數(shù)據(jù)。在數(shù)學(xué)上最簡(jiǎn)單的情況下，將在x軸和y軸上測(cè)得的電勢(shì)線性地關(guān)聯(lián)到接觸點(diǎn)的坐標(biāo)上。以這種方式，能將由電壓梯度確定的空間直接映射到笛卡兒空間。對(duì)于具有理想線性的觸摸屏，其等勢(shì)線，即在其上電壓保持不變的線必然是完美的直線，如圖1a和1b所示。盡管已經(jīng)提出了許多方案，電阻性觸摸屏的商業(yè)實(shí)現(xiàn)一般均利用測(cè)得的電勢(shì)與空間坐標(biāo)之間的線性關(guān)系。例如，利用復(fù)雜的周邊離散電極圖的觸摸屏，如那些可在Elo TouchSystems’AccuTouchTM產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)并在美國(guó)專利5,045,644中公開(kāi)的觸摸屏，一般可以用來(lái)提供這樣的線性(至少在距所述周邊電極圖一預(yù)定距離處)。
在較簡(jiǎn)單的觸摸屏設(shè)計(jì)中，在x軸和y軸方向上測(cè)得的電勢(shì)不是線性關(guān)系的，即等勢(shì)線不是直的。其中一種最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)是圖2a和圖2b中示出的計(jì)算機(jī)模擬觸摸屏10。這種配置包括四個(gè)四分之一圓形狀的電極12，且這些電極位于一個(gè)矩形的均勻?qū)щ姷挠|摸屏10的角上。圖2a示出了當(dāng)將一個(gè)單位的電勢(shì)差施加到x軸方向上的左和右電極對(duì)之間時(shí)，產(chǎn)生的大致在y軸方向上延伸的等勢(shì)線14。圖2b示出了當(dāng)將y軸方向上的頂部和底部電極對(duì)之間的電勢(shì)差保持不變時(shí)，產(chǎn)生的大致在x軸方向上延伸的等勢(shì)線14。術(shù)語(yǔ)“大致”用來(lái)強(qiáng)調(diào)均勻場(chǎng)或等勢(shì)線不必與x軸或y軸平行。由于電極12并不設(shè)計(jì)成用來(lái)產(chǎn)生均勻場(chǎng)，因而在所得到的等勢(shì)線中存在變形(即各等勢(shì)線并未均勻分隔，而且它們也不平行于x軸或y軸)。
盡管圖2a和圖2b中示出的等勢(shì)線14不是線性的，在許多情況下，仍可以將由等勢(shì)線確定的空間映射到笛卡兒空間。以這種方式，觸摸屏表面上的每一個(gè)點(diǎn)必須具有相對(duì)于該點(diǎn)處的電勢(shì)對(duì)的唯一數(shù)值。在拓?fù)鋵W(xué)上，這種唯一性用術(shù)語(yǔ)“拓?fù)涞葍r(jià)”來(lái)表示。當(dāng)兩個(gè)表面中的其中一個(gè)表面上的所有各點(diǎn)能映射到另外一個(gè)平面上的唯一點(diǎn)時(shí)，這兩個(gè)平面稱為拓?fù)涞葍r(jià)。
當(dāng)在x軸方向上施加電壓梯度時(shí)，用二維函數(shù)v(x，y)來(lái)代表任何給定接觸位置(x，y)處的電勢(shì)。同樣，當(dāng)在y軸方向上施加電壓梯度時(shí)，用w(x，y)來(lái)代表此二維函數(shù)。注意，一般電勢(shì)函數(shù)v(x，y)和w(x，y)是x和y兩者的函數(shù)。由于電勢(shì)在x軸方向和y軸方向上的這種相互依賴，從而不能唯一地用x或y來(lái)確定單個(gè)電勢(shì)測(cè)量。因此，不可能獨(dú)立于y來(lái)測(cè)量x，也不能獨(dú)立于x來(lái)測(cè)量y。然而，在特定條件下，電勢(shì)對(duì)[v(x，y)，w(x，y)]唯一地轉(zhuǎn)換為笛卡兒空間內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)。因此，利用這種唯一性，可以找到將電勢(shì)對(duì)[v(x，y)，w(x，y)]映射到笛卡兒空間內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)的操作。
當(dāng)在拓?fù)溆成涞母拍钕率褂脮r(shí)，在圖2a和圖2b中示出的電極配置初看上去似乎是令人滿意的。與線性觸摸屏相比，非線性觸摸屏在制造上更加經(jīng)濟(jì)，需要的電能也更少。盡管對(duì)處理器的計(jì)算能力的要求可能會(huì)有所提高，以便將測(cè)得的電勢(shì)唯一地映射到笛卡兒表面上，但在電子處理器的成本和性能得到改善的情況下，非線性解決方案變得越來(lái)越有吸引力。
只要在等電勢(shì)表面和笛卡兒表面之間存在拓?fù)涞葍r(jià)，使用非線性結(jié)構(gòu)便仍是一種可行的解決方案。從圖2a和圖2b中可以看出，在幾乎整個(gè)電阻性表面區(qū)域上，可以將一個(gè)等電勢(shì)對(duì)轉(zhuǎn)換成唯一的笛卡兒坐標(biāo)。然而，在電極12附近，仍然殘留著唯一性問(wèn)題。如果將一個(gè)圓形電極在x軸方向上極化，則靠近該圓形電極的等勢(shì)線基本上是圓形的，且當(dāng)將該圓形電極在y軸方向上極化時(shí)，這些等勢(shì)線也基本上是圓形的。從而，這兩種等勢(shì)線將基本上是共軸的(即互相平行的)。因?yàn)槭沁@兩種等勢(shì)線在單個(gè)點(diǎn)處的交點(diǎn)唯一地確定了接觸位置，因而，在實(shí)際中，在電極12附近的這個(gè)小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的每對(duì)等勢(shì)線將不會(huì)唯一地轉(zhuǎn)換成一個(gè)笛卡兒坐標(biāo)。這將導(dǎo)致電極周?chē)膮^(qū)域不適于作為接觸區(qū)-在當(dāng)今高度競(jìng)爭(zhēng)的觸摸屏市場(chǎng)上，這是一種不受歡迎的后果。這將稱為“不良相交(poor crossing)”問(wèn)題，而出現(xiàn)該問(wèn)題的區(qū)域稱為“不良相交”區(qū)域。
在電勢(shì)測(cè)量過(guò)程中的噪聲或不確定性將惡化該不良相交問(wèn)題，因?yàn)樗鲈肼暫筒淮_定性將使等勢(shì)線的交點(diǎn)變得難于確定，從而，不能確定不良相交區(qū)域內(nèi)的唯一位置。因而，即使在等勢(shì)線以很小的角度相交時(shí)，也存在不良相交的問(wèn)題。例如，圖3示出了通過(guò)交替在兩個(gè)方向上向觸摸屏加偏壓而形成的兩條等勢(shì)線v和w的交點(diǎn)。將該圖的比例進(jìn)行了放大，使得在示出的區(qū)域上的等勢(shì)線近似為直線。在圖中也示出了由于噪聲和電壓測(cè)量的不確定性引起的等勢(shì)線中的偏差δv和δw。因而，看到的接觸位置與實(shí)際接觸位置之間將有一個(gè)偏移。如果將v測(cè)成v±δv，將w測(cè)成w±δw，則接觸位置上的可能誤差由v-w交點(diǎn)的四個(gè)徑向矢量給定。取決于等勢(shì)線的方向和電壓誤差的符號(hào)，對(duì)于徑向誤差有兩個(gè)唯一的量值?？梢杂靡韵碌仁接?jì)算徑向誤差Ec=|δv·▿‾w±δw·▿‾v||▿‾v×▿‾w|]]>此處對(duì)于水平和垂直偏壓的電場(chǎng)(的負(fù)數(shù))可寫(xiě)成▿‾w=∂w∂xi^+∂w∂yj^]]>▿‾v=∂v∂xi^+∂v∂yj^]]>且 和 分別表示x軸和y軸方向上的單位矢量?？梢愿鶕?jù)固定的δv和δw的分子來(lái)選擇最大徑向誤差。而這與相關(guān)誤差Ec對(duì)應(yīng)。注意，當(dāng)誤差電壓δv和δw一致相關(guān)時(shí)，徑向誤差在簡(jiǎn)單矩形觸摸屏的兩個(gè)對(duì)角象限上較大(如公式中給出的那樣)，而在觸摸屏的另兩個(gè)象限上較小?？梢酝ㄟ^(guò)令δv＝δw＝ΔV并確定Ec/ΔV(式中分子的符號(hào)總是選為使結(jié)果成為最大)來(lái)估計(jì)觸摸屏上任何點(diǎn)處的相對(duì)的相關(guān)誤差。上式清楚的表明，如果兩條等勢(shì)線以較小的角度相交或者如果電勢(shì)梯度較小，則誤差比較大，而這正是圖2a和圖2b中的不良相交區(qū)域的情形。在誤差電壓δv和δw不相關(guān)或部分相關(guān)的地方，也可以進(jìn)行類似的計(jì)算。這樣的情形一般傾向于呈現(xiàn)與在不良相交區(qū)域相同的唯一性問(wèn)題。
可以設(shè)想用各種非圓形的電極配置如L形配置來(lái)減小這些不良相交區(qū)域的大小，但是該問(wèn)題卻依然存在。在很大程度上已經(jīng)取得成功的一種解決方案包括將一些具有中間電阻率的帶(形成邊框)放置在低電阻率的電極之間，并圍繞高電阻率的接觸區(qū)。以這種方式，實(shí)現(xiàn)了從處于觸摸屏四角的完全導(dǎo)電的電極到接觸區(qū)的過(guò)渡的有效方法。
例如，圖1a和1b中所示的觸摸屏20包括用以形成接觸區(qū)24的電阻性基板22，且4個(gè)電極26配置在基板22的各個(gè)角上，該觸摸屏還包括在接觸區(qū)24和電極26之間形成的中間電阻帶28(即邊框)。如所示，與電阻帶28的電阻相比，當(dāng)觸摸屏24的電阻非常大時(shí)，等勢(shì)線為直線。相反地，與電阻帶28的電阻相比，當(dāng)觸摸屏24的電阻不是很大時(shí)，等勢(shì)線不是直線。在設(shè)計(jì)觸摸屏20時(shí)，邊框電阻與基板電阻之比，此處稱為電阻比β，必須在兩個(gè)對(duì)抗因數(shù)-低耗電和直線性之間取得平衡。在以下的討論中，該電阻比β將發(fā)揮重要的作用。在繼續(xù)說(shuō)明以前，讓我們對(duì)其進(jìn)行仔細(xì)定義。首先，β是βX或βY的簡(jiǎn)化符號(hào)，而βX和βY分別代表x軸方向和y軸方向激勵(lì)的電阻比。設(shè)Rleft、Rright、Rtop、Rbottom分別為帶段28a、28b、28c、28d的電阻。這些電阻是假設(shè)帶段28a、28b、28c、28d與接觸區(qū)24電隔離和它們彼此電隔離時(shí)處于電極26之間的帶段的電阻。我們將x軸方向上的帶電阻定義成rX＝Rtop‖Rbottom＝Rtop*Rbottom/(Rtop+Rbottom)，將y軸方向上的帶電阻定義成rY＝Rleft‖Rright＝Rleft*Rright/(Rleft+Rright)。并設(shè)被隔離的接觸區(qū)24在x軸方向上的電阻為RX，在y軸方向上的電阻為RY。例如，如果接觸區(qū)24具有均勻的電阻率ρ0，寬度W和高度H，則RX＝ρ0*W/H和RY＝ρ0*H/W。在x軸和y軸方向上的電阻比為βX＝rX/PX和βY＝rY/RY。這些電阻比β同時(shí)提供了對(duì)等勢(shì)線的功率效率和非直線性程度的定性量度。
具體來(lái)說(shuō)，如果電阻比β非常小(β＜＜1)，則觸摸屏上施加了近乎完美的等勢(shì)線，它們的性能是如此之好，已使得不再需要拓?fù)溆成浠蚍蔷€性映射了。然而，數(shù)學(xué)上也已表明較小的β帶來(lái)的局限，β是觸摸屏的功率效率，即在觸摸屏中的電流所消耗的那部分功率與在帶段中消耗的功率之比。除非基板的電阻率非常大(超過(guò)一千多歐姆/平方)，這樣小的β設(shè)計(jì)將導(dǎo)致觸摸屏僅具有小于幾個(gè)歐姆的電阻，而這將消耗過(guò)多的功率。如果將觸摸屏配置到手持的、用電池供電的裝置如個(gè)人數(shù)字助理(PDA)之中，則這個(gè)問(wèn)題尤為嚴(yán)重。一般地，對(duì)于任何給定的基板電阻率，隨著電阻比β的增大，功率消耗逐漸減小。然而，如果采用了拓?fù)溆成?，可能允許等勢(shì)線發(fā)生彎曲，這樣便會(huì)減小功率消耗。但是，如果電阻比β非常大(β＞＞1)，盡管觸摸屏功率效率接近100％，但對(duì)于兩個(gè)方向上的激勵(lì)，等勢(shì)線均傾向于環(huán)繞電極，如圖2a和圖2b中所示，從而在電極附近形成了不良相交區(qū)域。
即使采用精心設(shè)計(jì)的拓?fù)溆成浞椒ㄒ搽y以唯一地確定電極附近的坐標(biāo)。通過(guò)簡(jiǎn)單地遮掩周邊區(qū)域的接觸面積來(lái)增加觸摸屏的有效邊界寬度，可以解決這個(gè)問(wèn)題。然而，從緊湊性的角度來(lái)看，過(guò)大的邊界寬度是非常不受歡迎的。此外，與十到二十年前相比，一些具有圖形用戶界面的現(xiàn)代應(yīng)用軟件對(duì)沿接觸區(qū)的邊緣和四角的觸摸屏性能提出了更高的要求。非常希望提高在這些角落區(qū)中的精度，以便減少觸摸屏上的最大誤差，并使得它的響應(yīng)更為一致。
因而，仍然需要改善等勢(shì)空間和靠近電阻性觸摸屏的電極的外部坐標(biāo)系統(tǒng)之間的拓?fù)涞葍r(jià)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)接觸式傳感器，該傳感器包括具有電阻性接觸區(qū)的基板。如果接觸式傳感器是觸摸屏，該基板可以是透明的，或者，在不需要顯示功能的情況下，該基板可以是不透明的。所述接觸式傳感器還包括一組電連接到接觸區(qū)的電極?；蛘邔⑦@些電極直接安裝到基板，或者將它們安裝到另一結(jié)構(gòu)，如與接觸區(qū)電接觸的蓋板。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，對(duì)接觸式傳感器進(jìn)行了配置，使得電極產(chǎn)生穿越接觸區(qū)的非線性電壓梯度。接觸式傳感器也可采用電容性結(jié)構(gòu)，在這種情況下，可以在基板的電阻性接觸區(qū)上附加電介質(zhì)涂層。
所述接觸式傳感器還包括框住接觸區(qū)的電阻帶。該電阻帶是一種中間電阻帶，因?yàn)樗碾娮杪侍幱陔姌O的電阻率和接觸區(qū)的電阻率之間。該電阻帶在沿其至少一部分長(zhǎng)度，最好是其整個(gè)長(zhǎng)度上是連續(xù)的或準(zhǔn)連續(xù)的。以這種方式，可用接觸區(qū)的外邊緣一直延伸到電阻帶或距離電阻帶非常近的位置，從而最大化了有效的接觸區(qū)。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，接觸式傳感器包括帶段，且至少一個(gè)帶段具有沿其長(zhǎng)度而發(fā)生變化的線性電阻。例如，每個(gè)帶段可以具有在帶段的中央最小，而沿朝該帶段兩端的方向增大的線性電阻。計(jì)算機(jī)模擬表明，角部的電場(chǎng)強(qiáng)度有所增加，從而減小了在這些角部的誤差。
根據(jù)本發(fā)明的獨(dú)立的第二方面，提供了一種動(dòng)態(tài)接觸式傳感器系統(tǒng)。該接觸式傳感器系統(tǒng)包括響應(yīng)接觸而產(chǎn)生接觸信息的接觸式傳感器。該接觸式傳感器還產(chǎn)生可測(cè)量的、表示了接觸式傳感器中的給定電氣特性的信息。該接觸式傳感器具有中間電阻帶，該電阻帶具有基本上非均勻的線性電阻?？梢园炊喾N方式中的任何一種方式，包括以上所述的改變一個(gè)帶段內(nèi)的線性電阻的方式，來(lái)改變電阻帶內(nèi)的線性電阻。
該接觸式傳感器系統(tǒng)還包括連接到電極上的、用來(lái)從接觸式傳感器接收接觸信息和可測(cè)量信息的控制器電子裝置。所述控制器電子裝置使用一種算法(如一種映射算法)來(lái)基于所述接觸信息確定某個(gè)接觸在接觸區(qū)中的坐標(biāo)，并基于所述可測(cè)量信息對(duì)算法進(jìn)行修改。
盡管在其最廣泛的形態(tài)上說(shuō)，本發(fā)明不應(yīng)受此限制，但使用合適的中間電阻帶，尤其是如果該電阻帶包括至少一個(gè)具有非均勻線性電阻的帶段，則將改善角部區(qū)域內(nèi)的拓?fù)涞葍r(jià)，從而使得算法修改過(guò)程更為簡(jiǎn)單。
根據(jù)本發(fā)明的獨(dú)立的第三方面，至少一個(gè)帶段包括連續(xù)的電阻性背襯材料和沿帶段的縱向的至少一部分而配置在所述背襯材料上的導(dǎo)電元件陣列。所述導(dǎo)電基元具有比背襯材料的電阻率低的電阻率。盡管在其最廣泛的形態(tài)上說(shuō)，本發(fā)明不應(yīng)受此限制，但加入導(dǎo)電基元使得帶邊的線性電阻更易于控制和制造。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，導(dǎo)電基元大致配置成彼此平行，且每個(gè)基元垂直于縱向的帶邊部分而延伸。背襯材料可以拓?fù)涞胤殖蓭讉€(gè)電阻性斷片。在這種情況下，每個(gè)導(dǎo)電基元具有一個(gè)分?jǐn)?shù)寬度，該分?jǐn)?shù)寬度由沿各自的縱向部分的導(dǎo)電基元的尺寸與對(duì)應(yīng)的電阻性斷片沿所述縱向部分的尺寸和導(dǎo)電基元沿縱向部分的尺寸的和之比定義。為了更好地控制帶的線性電阻，導(dǎo)電基元的分?jǐn)?shù)寬度基本小于1，理想情況是小于0.9，更理想的是處于0.2至0.8之間，這取決于背襯材料的電阻率和所要求的電阻比β。導(dǎo)電基元的分?jǐn)?shù)寬度可以是一致的，在這種情況下，帶的線性電阻一般不會(huì)變化；其分?jǐn)?shù)寬度也可以在導(dǎo)電基元之間發(fā)生變化，在這種情況下，帶的線性電阻將沿其長(zhǎng)度發(fā)生變化。此外，也可以通過(guò)改變垂直于所述縱向部分的帶寬度來(lái)控制線性電阻。為保持帶的準(zhǔn)連續(xù)特性，與帶段的縱向尺寸相比，導(dǎo)電基元之間的間隔較小，理想情況是小于帶段的縱向尺寸的2％，更理想的是小于其1％。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，接觸區(qū)由背襯材料形成，這簡(jiǎn)化了制造過(guò)程。然而，如果電阻比β相對(duì)較小，則背襯材料可以具有處于電極電阻率和接觸區(qū)電阻率之間的電阻率，使得導(dǎo)電基元的分?jǐn)?shù)寬度充分保持在1以下。
根據(jù)本發(fā)明的獨(dú)立的第四方面，電阻性接觸區(qū)具有非矩形的幾何形狀。所述非矩形幾何形狀可以為三角形，五邊形或六邊形。所述非矩形幾何形狀可以是平面的或是非平面的。一組電極電連接到接觸區(qū)，以在接觸區(qū)上產(chǎn)生非線性電壓梯度。值得注意，許多非矩形幾何形狀的接觸區(qū)會(huì)有比矩形幾何形狀的接觸區(qū)差的拓?fù)涞葍r(jià)。這樣，使用中間電阻帶可增強(qiáng)這種拓?fù)涞葍r(jià)。為方便制造，電阻帶可以具有基本均勻的線性電阻，或者，如果希望拓?fù)涞葍r(jià)得到較大的改善，則電阻帶可以具有基本非均勻的電阻。至于矩形傳感器，可通過(guò)選擇電阻比在對(duì)功率效率的需求性和拓?fù)溆成涞娜菀仔赃@二者之間取得平衡。


了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的設(shè)計(jì)和效用，在這些圖中，類似的元件用共同的標(biāo)記來(lái)表示。為更好地理解本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和目標(biāo)，應(yīng)參照這些說(shuō)明優(yōu)選實(shí)施例的附圖。這些圖僅示出了本發(fā)明的一個(gè)(或多個(gè))實(shí)施例，不應(yīng)當(dāng)把它們當(dāng)成對(duì)本發(fā)明范圍的限制。在作了以上的陳述后，以下將通過(guò)使用附圖來(lái)對(duì)優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行更為具體和詳細(xì)的說(shuō)明和解釋。
圖1a是現(xiàn)有技術(shù)的觸摸屏的平面圖，該觸摸屏用來(lái)提在x軸方向上的電壓梯度；圖1b是現(xiàn)有技術(shù)的觸摸屏的平面圖，該觸摸屏用來(lái)提供y軸方向上的電壓梯度；圖2a是現(xiàn)有技術(shù)的觸摸屏的計(jì)算機(jī)模擬圖，對(duì)該觸摸屏施加了偏壓，以得到大致在y軸方向上延伸的、提供了變形的x軸坐標(biāo)測(cè)量的等勢(shì)線；圖2b是現(xiàn)有技術(shù)的觸摸屏的計(jì)算機(jī)模擬圖，該觸摸屏施加了偏壓，以得到大致在x軸方向上延伸的、提供了變形的y軸坐標(biāo)測(cè)量的等勢(shì)線；圖3是關(guān)于兩條等勢(shì)線相交的圖，它考慮了測(cè)量誤差；圖4是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例制造的觸摸屏系統(tǒng)的方框圖；圖5是在圖4的觸摸屏系統(tǒng)中使用的觸摸屏的平面圖。
圖6a是現(xiàn)有技術(shù)的觸摸屏的計(jì)算機(jī)模擬圖，對(duì)該觸摸屏施加了偏壓而得到大致在y軸方向上延伸的等勢(shì)線；圖6b是現(xiàn)有技術(shù)的觸摸屏的計(jì)算機(jī)模擬圖，對(duì)該觸摸屏施加了偏壓而得到大致在x軸方向上延伸的等勢(shì)線；圖7a是圖5中的觸摸屏的計(jì)算機(jī)模擬圖，對(duì)該觸摸屏施加了偏壓而得到大致在y軸方向上延伸的等勢(shì)線；圖7b是圖5中的觸摸屏的計(jì)算機(jī)模擬圖，對(duì)該觸摸屏施加了偏壓而得到大致在x軸方向上延伸的等勢(shì)線；圖8是示出了映射誤差的三維圖，所述映射誤差是圖6a和圖6b中的計(jì)算機(jī)模擬的觸摸屏的x-y坐標(biāo)的函數(shù)；圖9是示出了映射誤差的三維圖，所述映射誤差是圖7a和圖7b中的計(jì)算機(jī)模擬的觸摸屏的x-y坐標(biāo)的函數(shù)；圖10是另一種可用于圖4中的觸摸屏系統(tǒng)的觸摸屏的平面圖；圖11是一個(gè)示例電阻帶的局部平面圖；圖12是圖10中觸摸屏的計(jì)算機(jī)模擬圖，對(duì)該觸摸屏在水平和垂直方向上施加了偏壓而得到大致在x軸和y軸方向上延伸的等勢(shì)線；圖13是另一種可用于圖4中的觸摸屏系統(tǒng)的觸摸屏的平面圖；圖14是另一種可用于圖4中的觸摸屏系統(tǒng)的觸摸屏的平面圖；圖15是另一種可用于圖4中的觸摸屏系統(tǒng)的觸摸屏的平面圖；圖16是一種鋪排了許多接觸式傳感器的球體的透視圖。
具體實(shí)施例方式
參閱圖4，其中說(shuō)明了一種根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例制造的電阻性觸摸屏系統(tǒng)100。觸摸屏系統(tǒng)100一般包括觸摸屏105(即具有透明基板的接觸式傳感器)、控制器電子裝置110和顯示器(未示出)。觸摸屏系統(tǒng)100一般連接到主計(jì)算機(jī)115上。一般地，控制器電子裝置110發(fā)送激勵(lì)信號(hào)給觸摸屏105，并從觸摸屏105接收載有接觸信息的模擬信號(hào)。具體來(lái)說(shuō)，控制器電子裝置110建立了橫越觸摸屏105的電壓梯度。接觸點(diǎn)處的電壓代表了接觸位置。控制器電子裝置110將這些電壓數(shù)字化，并將這些數(shù)字化信號(hào)或基于這些數(shù)字化信號(hào)的數(shù)字形式的接觸信息傳送至主計(jì)算機(jī)115，以供其處理。
現(xiàn)在參看圖5，觸摸屏105包括具有接觸區(qū)130的基板125，該接觸區(qū)是通過(guò)將均勻的電阻性層永久地配置到基板125的表面形成的。一般地，通過(guò)電極135，將相互正交的電壓梯度輪流施加到觸摸屏105的接觸區(qū)130。在示出的實(shí)施例中，觸摸屏系統(tǒng)100了5線結(jié)構(gòu)，從而，導(dǎo)線(未示出)將處于4個(gè)角落的電極135與控制器電子裝置110連接，而第5條導(dǎo)線(未示出)將蓋板與控制器電子裝置110連接。
作為任選的方式，如圖5所示，觸摸屏105可以包括蓋板。該蓋板(未示出)放置在電極上和基板的接觸區(qū)的上方。該蓋板包括彈性的絕緣板(如聚酯)，在其與電極和基板的接觸區(qū)相對(duì)和接近的一側(cè)，該絕緣板具有內(nèi)導(dǎo)電涂層。最好是，如美國(guó)專利3,911,215所述，將較小的、透明的絕緣隔片插入到蓋板的內(nèi)部導(dǎo)電涂層和基板之間，該專利通過(guò)引用而作為本說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容。在與具有導(dǎo)電涂層的一側(cè)相對(duì)的一側(cè)，所述蓋板還可以包括堅(jiān)硬耐磨的外涂層。對(duì)于觸摸屏105具有導(dǎo)電蓋板的電阻性觸摸屏的情形，包括如圖5中所示的5線結(jié)構(gòu)，電能可以直流電流(DC)的形式加到電極。
觸摸屏105還包括由電阻性材料制成的帶140，該電阻帶配置在電阻性基板125的周邊，以框住接觸區(qū)130。電阻帶140具有處于電極135的低電阻率和接觸區(qū)130的高電阻率之間的中間電阻率，從而減少了由電極附近的不良相交區(qū)域引起的不利影響。帶140和此后說(shuō)明的帶選擇電阻性材料最好選擇為使得電阻比β處于0.1和10之間。
電阻帶140最好沿接觸區(qū)130的周邊連續(xù)地延伸。在電阻帶140的角部，將電極135以合適的方式電連接到基板125。以這種方式，電極135將電阻帶140在功能上分成了四個(gè)帶段145a-d(左，右，上，下)，每個(gè)段均是連續(xù)的，且與矩形接觸區(qū)130的一邊相鄰。在美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)為No.09/262,909的文獻(xiàn)中說(shuō)明了關(guān)于使用具有中間電阻率的導(dǎo)電帶的其他細(xì)節(jié)，該文獻(xiàn)通過(guò)引用而包含于本文。如以下將要進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明的一樣，電阻帶140具有額外的獨(dú)特性質(zhì)，具有進(jìn)一步減輕不良相交的作用。
根據(jù)典型的5線結(jié)構(gòu)，通過(guò)電極135交替地向觸摸屏基板125施加x軸和y軸方向的激勵(lì)。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)讓電流穿越接觸區(qū)130來(lái)產(chǎn)生x軸方向的激勵(lì)，在右邊的帶段145b處注入所述電流，而在左邊的帶段145a處收集該電流。結(jié)果，大致沿x軸產(chǎn)生了電壓梯度(與圖2a中所示相類似)。通過(guò)讓電流穿越接觸區(qū)130來(lái)產(chǎn)生y軸方向的激勵(lì)，在上方的帶段145c處注入所述電流，而在下方的帶段145d處收集該電流。結(jié)果，大致沿y軸產(chǎn)生了電壓梯度(與圖2b中所示相類似)。盡管控制器電子裝置110能通過(guò)上述的電壓激勵(lì)從5線電阻性觸摸屏得到接觸信息，但用電流注入的方法也能得到類似的結(jié)果。在美國(guó)專利4,220,815，4,661,665，4,731,508，4,822,957，5,045,644和5,220,136中可以找到關(guān)于5線電阻性觸摸屏的另外一些細(xì)節(jié)。另外，觸摸屏系統(tǒng)100也可采用9線或電容性結(jié)構(gòu)。在美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)為No.09/705,383的文獻(xiàn)中說(shuō)明了這些技術(shù)和其他一些技術(shù)，該文獻(xiàn)通過(guò)引用而明確地包含到本文中。
控制器電子裝置110能以各種不同方式中的任一種方式將非線性等電勢(shì)空間映射到笛卡兒空間。例如，可以表明，構(gòu)建兩個(gè)多項(xiàng)式便可將等勢(shì)線的交點(diǎn)準(zhǔn)確地映射到唯一一個(gè)坐標(biāo)上。給定用之前所述的方法測(cè)量的兩個(gè)電勢(shì)(v和w)，可以用以下的映射多項(xiàng)式將一個(gè)電勢(shì)對(duì)[v(x，y)，w(x，y)]轉(zhuǎn)換成笛卡兒坐標(biāo) 式中，將多項(xiàng)式的所有具有系數(shù)Ak和Bk的項(xiàng)k進(jìn)行相加。對(duì)于特定的精確度，多項(xiàng)式的次數(shù)取決于等勢(shì)線分布的均勻性。此外，還可采用查找表(LUT)，該表儲(chǔ)存了與由點(diǎn)[v(x，y)，w(x，y)]形成的場(chǎng)對(duì)應(yīng)的龐大陣列，且該陣列由預(yù)先確定的x，y點(diǎn)組成。另外，還可采用插值映射法。在美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)為09/262,909的文獻(xiàn)中公開(kāi)了這些和其他一些映射技術(shù)的具體細(xì)節(jié)。
不管采用何種類型的映射，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，具有沿其長(zhǎng)度的均勻線性電阻的電阻帶，盡管一般能改善等勢(shì)線在接觸區(qū)的角落處(即電極附近)的相交情形，但仍然會(huì)導(dǎo)致等勢(shì)線在這些角部區(qū)域中以很小的角度相交的不利局面。如前所述，等勢(shì)線以很小的角度相交將對(duì)該區(qū)域內(nèi)的坐標(biāo)分辨率產(chǎn)生不利影響。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)提供具有沿至少一個(gè)帶段145變化的線性電阻的帶可以改善不良相交的問(wèn)題。在圖5所示的實(shí)施例中，每個(gè)帶段145具有沿其長(zhǎng)度發(fā)生變化的寬度(即處于同一平面中的、但垂直于各自帶段的長(zhǎng)度的尺寸)。具體來(lái)說(shuō)，每個(gè)帶段145均逐漸變細(xì)，因?yàn)樗哂芯鶆驅(qū)挾鹊闹醒雲(yún)^(qū)域150，和彼此相對(duì)的漸縮的區(qū)域155，從中央?yún)^(qū)域150的邊緣開(kāi)始，直到接觸區(qū)130的角部，這些區(qū)域155具有逐漸漸縮的寬度。與具有均勻?qū)挾鹊碾娮鑾У挠|摸屏相比，改善了等勢(shì)線在角部區(qū)域的分辨率。
例如，圖6a和圖6b示出了某觸摸屏(具有均勻的電阻帶段)內(nèi)的等勢(shì)線的分布，通過(guò)在角部的電極上施加電壓，對(duì)該觸摸屏交替地施加了水平(圖6a)和垂直方向(圖6b)的偏壓。圖7a和圖7b示出了某觸摸屏(具有漸縮的電阻帶段)內(nèi)的等勢(shì)線的分布，通過(guò)在角部的電極上施加電壓，對(duì)該觸摸屏交替地施加了水平(圖7a)和垂直(圖7b)方向的偏壓。使用計(jì)算機(jī)模擬方法產(chǎn)生了如圖6和圖7所示的等勢(shì)線分布，所述計(jì)算機(jī)模擬具有對(duì)規(guī)定邊界條件的拉普拉斯方程進(jìn)行求解的程序。在圖6和圖7所示的兩例中，觸摸屏的外部尺寸是2.7×3.6英寸，且觸摸屏具有1000歐姆/平方的電阻率?？蓪D6中的模擬觸摸屏視為均勻的，就沿其每個(gè)帶段的線性電阻是均勻的而言。可將圖7中的模擬觸摸屏視為非均勻的，就沿其每個(gè)帶段的線性電阻是非均勻的而言。
為進(jìn)行比較，標(biāo)出了各個(gè)均勻和非均勻觸摸屏的帶的尺寸，并給定了它們的電阻率，使它們具有相同的平均功率消耗。具體來(lái)說(shuō)，均勻觸摸屏的電阻帶為0.2英寸寬，并具有214歐姆/平方的電阻率。而非均勻觸摸屏的電阻帶具有139歐姆/平方的電阻率。對(duì)于非均勻觸摸屏中的每個(gè)帶段，中央?yún)^(qū)域?yàn)?.2英寸寬，而其收窄區(qū)域的最小寬度為0.1英寸。對(duì)于左和右?guī)Ф?，每個(gè)收窄區(qū)域的長(zhǎng)度是1.714英寸，而對(duì)于上和下帶段，每個(gè)收窄區(qū)域的長(zhǎng)度是1.286英寸。
盡管均勻和非均勻觸摸屏消耗相同的平均功率(相差在0.1％范圍內(nèi))，從圖8和圖9中示出的圖可以看出，在角部處的相對(duì)誤差Ec/ΔV得到了改善。(如圖8和圖9所示，相對(duì)誤差Ec/ΔV是相對(duì)于具有完美的直線等勢(shì)線的觸摸屏的相關(guān)誤差的相關(guān)誤差)。即圖6的均勻觸摸屏具有最大相對(duì)誤差2.62，而圖7的非均勻觸摸屏的減小后的最大相對(duì)誤差為2.1。
表1說(shuō)明了均勻和非均勻觸摸屏相對(duì)于具有完美的直線等勢(shì)線的觸摸屏的相關(guān)誤差的相關(guān)誤差。表1也說(shuō)明了對(duì)于其他情況下沒(méi)有誤差的觸摸屏，在使用5項(xiàng)和9項(xiàng)映射多項(xiàng)式時(shí)的以英寸計(jì)量的擬合誤差。更小的擬合誤差表明等勢(shì)線得到了更好的擬合，也表明在觸摸屏的至少某個(gè)區(qū)域中非線性程度更小。盡管各觸摸屏的外部電阻相同，因而功率消耗也相同，但最大相關(guān)誤差卻得到了20％的改善。而且，5項(xiàng)和9項(xiàng)多項(xiàng)式映射的最大和RMS擬合誤差也在很大程度上得到了改善。
表1圖6和圖7的均勻和非均勻觸摸屏的經(jīng)計(jì)算得出的特性

可以按不同于沿帶段的長(zhǎng)度改變其寬度的方式來(lái)改變觸摸屏的每個(gè)帶段的線性電阻。例如，每個(gè)帶段可能具有均勻的寬度，但在其中央具有較高的導(dǎo)電率，且該導(dǎo)電率在朝該帶段的相對(duì)兩端，即靠近接觸區(qū)的角部的方向上逐漸減小到較低的導(dǎo)電率。而這可以通過(guò)沿帶段的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)其厚度(即垂直于觸摸屏基板125所在平面的尺寸)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
此外，也可通過(guò)在帶段上配置高導(dǎo)電性元件陣列和調(diào)節(jié)導(dǎo)電基元的尺寸和間隔而提供所希望的導(dǎo)電變化來(lái)改變每個(gè)帶段的至少沿長(zhǎng)度的部分的線性電阻。例如，圖10示出了一種觸摸屏305，該觸摸屏包括具有接觸區(qū)315的電阻性基板310，以及配置在電阻性基板310的周邊來(lái)框住接觸區(qū)315的電阻帶320。觸摸屏305還包括電極325，這些電極將電阻帶320在功能上分成圍繞電阻性基板310的周邊的四個(gè)帶段330a-d。每個(gè)帶段330包括一個(gè)由高導(dǎo)電性元件335構(gòu)成的排列，且?guī)Ф?30的電阻性材料為導(dǎo)電基元335形成了一個(gè)電阻性背襯。此例中，覆蓋于基板310的電阻性材料(例如銦-錫氧化物(ITO))提供了電阻帶320的部分導(dǎo)電路徑。可以通過(guò)改變導(dǎo)電基元335的寬度、長(zhǎng)度、厚度和/或間隔來(lái)控制每個(gè)帶段330的線性電阻。此外，也可以不改變帶段內(nèi)的線性電阻而用導(dǎo)電基元來(lái)提供帶段之間的不同的均勻線性電阻。
使用導(dǎo)電基元335來(lái)控制電阻帶320的線性電阻簡(jiǎn)化了生產(chǎn)和生產(chǎn)控制。因?yàn)?，極大地降低了對(duì)基板或帶材料的電阻率精度進(jìn)行控制的要求。在接觸區(qū)的基板電阻性涂層中和導(dǎo)電基元335之間共同發(fā)生的電阻率改變可導(dǎo)致觸摸屏305的電阻的整體改變，但不會(huì)改變等勢(shì)線的形狀?；疽笫?，應(yīng)當(dāng)對(duì)在觸摸屏上沉淀的高導(dǎo)電材料(如光刻)進(jìn)行精確的控制，以便為接觸位置提供可預(yù)測(cè)的電場(chǎng)。
在給定導(dǎo)電基元的選定尺寸和間隔以及基板涂層材料的電阻率的條件下，為得到電阻帶320的理想電阻，須知曉電阻帶320的電性能。值得注意的是，因?yàn)檠貙?dǎo)電基元335的長(zhǎng)度的有效導(dǎo)電率較高，而垂直于導(dǎo)電基元335的長(zhǎng)度的有效導(dǎo)電率較為適中，從而電阻帶320呈現(xiàn)出各向異性的電性能。
為說(shuō)明這一點(diǎn)參照?qǐng)D11，該圖示出了電阻帶340的一段示例長(zhǎng)度，該電阻帶具有在電阻性背襯350上的導(dǎo)電基元排列。此例中，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，圖中顯示導(dǎo)電基元335之間是均勻間隔的。每個(gè)導(dǎo)電基元335具有沿x軸方向延伸的尺寸d1(代表導(dǎo)電基元的寬度)，和沿y軸方向延伸的尺寸d2(代表導(dǎo)電基元的長(zhǎng)度)。可以將電阻性背襯350在功能上分成電阻性斷片355，每個(gè)斷片具有在x軸方向上延伸的尺寸d3(代表各個(gè)斷片355的寬度)。假設(shè)與其間隔相比，導(dǎo)電基元的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，則可以用ρx=fρc+(1-f)ρ;ρy=11ρc+1-fρ]]>來(lái)近似地表示在每個(gè)方向上的單位長(zhǎng)度的帶電阻，此處f是導(dǎo)電基元335的分?jǐn)?shù)寬度(即導(dǎo)電基元335的尺寸d1除以與其相鄰的電阻性斷片355的d3尺寸與導(dǎo)電基元335的尺寸d1之和所得的結(jié)果)，ρc是導(dǎo)電基元335的電阻率，ρ是電阻性背襯350的電阻率。如果f的值非常接近于1(如同ρc的理想值遠(yuǎn)小于ρ時(shí)一樣)，并使尺寸d1和d3之和足夠小，以至接近于準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)，則電阻性斷片355的寬度可變得非常小，并能較大程度地經(jīng)受生產(chǎn)過(guò)程中的變化。重要的是，導(dǎo)電基元335的分?jǐn)?shù)寬度f(wàn)的合理數(shù)值使得更容易控制沿電阻帶340的電阻。從而，最好將分?jǐn)?shù)寬度f(wàn)保持在充分小于1的水平上，如小于0.95的水平上，最好是處于0.1至0.9的范圍內(nèi)。在圖11中示出的電阻帶340中，分?jǐn)?shù)寬度f(wàn)接近于0.35。
值得注意的是，如果導(dǎo)電基元335具有較小的電阻，則電阻性背襯350的有效電阻率減小了一個(gè)因數(shù)1-f。假設(shè)電阻性背襯350與接觸區(qū)315的電阻性材料是共同擴(kuò)展的，則對(duì)于觸摸屏寬度與帶斷片寬度之比為0.1和βx處于0.5至2的范圍內(nèi)的情形，分?jǐn)?shù)寬度f(wàn)從0.9減小到0.6。如果電阻性背襯350具有比形成接觸區(qū)315的電阻性材料的電阻率低的電阻率，優(yōu)選的分?jǐn)?shù)寬度f(wàn)將進(jìn)一步減小，如以下詳細(xì)說(shuō)明所述。
當(dāng)將等勢(shì)線加到觸摸屏?xí)r，如果導(dǎo)電基元335的數(shù)目增加，同時(shí)保持相同的分?jǐn)?shù)寬度f(wàn)，則可以在一個(gè)連續(xù)區(qū)域計(jì)算觸摸屏上的等勢(shì)線。在這種情況下，盡管電阻帶340為各向異性的，但是它實(shí)際上變成了均質(zhì)的。雖然電阻帶具有這種各向異性，但仍可以用標(biāo)準(zhǔn)的有限元差分方法來(lái)計(jì)算等勢(shì)線。(一種有用的計(jì)算技巧是將各向異性的電阻帶340的尺寸轉(zhuǎn)化成等價(jià)的各向同性的情形，其中等價(jià)帶寬度減小了一個(gè)系數(shù)√(ρy/ρx)，而等價(jià)的各向異性電阻帶的有效導(dǎo)電率成為√(ρyρx)。
應(yīng)當(dāng)注意，盡管導(dǎo)電基元335在技術(shù)上來(lái)說(shuō)是分立元件，但與帶段330的長(zhǎng)度相比，導(dǎo)電基元335之間的間隔相對(duì)較小，結(jié)果便導(dǎo)致了在電氣上準(zhǔn)連續(xù)的電阻帶。為進(jìn)行本說(shuō)明，如果部分電阻帶段330內(nèi)的電阻性斷片355的寬度(即相鄰導(dǎo)電基元335之間的間隔)小于對(duì)應(yīng)的帶段330長(zhǎng)度的2％，則電阻性斷片330的這一部分是準(zhǔn)連續(xù)的。在優(yōu)選實(shí)施例中，電阻性斷片355的寬度小于對(duì)應(yīng)的帶段330的長(zhǎng)度的1％。
觸摸屏中具有準(zhǔn)連續(xù)的帶的重要性在于，可用接觸區(qū)的邊緣與電阻帶將隔開(kāi)非常小的距離，該距離近似等于導(dǎo)電基元之間的周期間隔(d1+d3)或可能為1mm，從而，與具有分立的周邊電阻器的尺寸相等的觸摸屏相比，提供了更大的可用接觸區(qū)。當(dāng)然，使用連續(xù)的電阻帶，如前述的觸摸屏105和205的電阻帶，以及如美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)為No.09/262,909的文獻(xiàn)中所述的觸摸屏的電阻帶，將導(dǎo)致具有一直延伸到所述電阻帶的可用接觸區(qū)的觸摸屏，從而提供了最大化的接觸區(qū)。
如果電阻帶具有非均勻的線性電阻，如圖10中所示的電阻帶320一樣，則與圖11中示出的電阻帶相比，導(dǎo)電基元335的分?jǐn)?shù)寬度f(wàn)將不一致。相反，為控制電阻帶320的局部有效電阻率和各向異性，導(dǎo)電基元335的分?jǐn)?shù)寬度f(wàn)將沿電阻帶320的長(zhǎng)度發(fā)生變化。因此，當(dāng)計(jì)算沿電阻帶320的電阻時(shí)，必須考慮這種變化。
對(duì)于具有均勻線性電阻的電阻帶，通過(guò)電阻性背襯的電阻率ρ，在假設(shè)ρ＞＞ρc的前提下，確定了在實(shí)現(xiàn)理想的觸摸屏線性度(用電阻比β衡量)時(shí)需要的分?jǐn)?shù)寬度f(wàn)。對(duì)于低功率(高電阻)的觸摸屏，可以將導(dǎo)電基元直接配置到具有相對(duì)較高的電阻率ρ的電阻性基板上。只要電阻比β相對(duì)較高，便可以將分?jǐn)?shù)寬度f(wàn)保持在較低的數(shù)值水平上，從而允許更精確地控制電阻帶的電阻。
例如，圖12示出了通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬得出的施加了水平和垂直偏壓的觸摸屏的等勢(shì)線分布。這些等勢(shì)線分布是用計(jì)算機(jī)模擬生成的，所述模擬采用求解規(guī)定邊界條件的拉普拉斯方程式的程序。該觸摸屏尺寸為2.7”×3.6”，電阻性基板具有1000Ω/平方的電阻率，其電阻比β為2.8。其電阻帶具有0.2”的寬度，由均勻間隔的、彼此平行的、沿電阻性基板的周邊配置的導(dǎo)電基元構(gòu)成。若使用等價(jià)的連續(xù)各向異性的電阻帶的、電阻為588Ω×858Ω的觸摸屏，則其導(dǎo)電基元的分?jǐn)?shù)寬度f(wàn)是0.8。
應(yīng)注意，對(duì)于希望具有非常窄的邊沿的觸摸屏，通過(guò)將導(dǎo)電基元配置到構(gòu)成電阻性基板的材料上難以實(shí)現(xiàn)較小的電阻比β，因?yàn)閷?dǎo)電基元的分?jǐn)?shù)寬度f(wàn)將接近于1，從而使得精確控制其電阻變得困難。在這種情況下，電阻帶還可以包括某種連續(xù)材料，該材料具有處于電極的電阻率和接觸區(qū)的電阻率之間的中間電阻率，這與觸摸屏105中示出的電阻帶，以及在美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)為No.09/262,909的文獻(xiàn)中所述的電阻帶類似。通過(guò)提供下層的中間電阻性材料，便允許將導(dǎo)電基元的分?jǐn)?shù)寬度減小到處于0.2至0.8范圍內(nèi)的值。
還應(yīng)注意，導(dǎo)電基元本身不必是連續(xù)的，即它們不必由直線形成。此外，導(dǎo)電基元也可以由一系列的點(diǎn)、短劃或其他任何形狀構(gòu)成，只要所述形狀沿帶的寬度提供的導(dǎo)電率大于沿帶的長(zhǎng)度的導(dǎo)電率。同樣，盡管圖中示出每個(gè)帶段330在其整個(gè)長(zhǎng)度上是準(zhǔn)連續(xù)的，但不是所有帶段330是準(zhǔn)連續(xù)的(如只有上方和下方的帶段330c和330d是準(zhǔn)連續(xù)的)，或者可以是小于帶段330的整個(gè)長(zhǎng)度的局部是準(zhǔn)連續(xù)的。
由中間電阻率材料制成的電阻帶使得該帶非常適用于具有非矩形幾何形狀的觸摸屏。特別地，很難將在笛卡兒空間中開(kāi)發(fā)的當(dāng)前的電阻性觸摸屏技術(shù)推廣到具有任意幾何形狀的表面，因后者不能方便地放置于笛卡兒空間之中。例如，施加均勻的電壓梯度(即線性的等勢(shì)線)局限于矩形觸摸屏，在這種情況下，設(shè)計(jì)非矩形觸摸屏必然會(huì)導(dǎo)致非線性的結(jié)構(gòu)。由于它們的非常規(guī)幾何形狀，在許多情況下，這些非矩形觸摸屏將存在比矩形觸摸屏更為嚴(yán)重的非線性問(wèn)題。對(duì)于非矩形幾何形狀，定義每一側(cè)或每個(gè)帶段的電阻比β等于該側(cè)或該帶段的電阻除以接觸區(qū)的電阻(歐姆/平方)的所得值。
圖13示出了具有三角形幾何形狀的觸摸屏405。觸摸屏405包括具有等邊三角形邊界的電阻性基板410和接觸區(qū)415，且電阻帶420配置在基板410的周邊，以框住接觸區(qū)415。觸摸屏405還包括3個(gè)電極425a-c，這些電極分別配置在基板410的3個(gè)角部，并與接觸區(qū)415電耦合。通過(guò)3個(gè)電極425a-c，將電阻帶420分成了3個(gè)帶段430a-c。類似于前述的電阻帶，電阻帶420具有處于電極425a-c的低電阻率和接觸區(qū)415的高電阻率之間的中間電阻率。
通過(guò)向電極425中的其中一個(gè)電極施加電壓，同時(shí)將其余兩個(gè)電極接地，可以將3個(gè)電壓激勵(lì)施加到觸摸屏405。具體來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)向電極425a施加電壓，同時(shí)將電極425b和425c接地來(lái)產(chǎn)生第一個(gè)電壓梯度?？梢酝ㄟ^(guò)向電極425b施加電壓，同時(shí)將電極425a和425c接地來(lái)產(chǎn)生第二個(gè)電壓梯度?？梢酝ㄟ^(guò)向電極425c施加電壓，同時(shí)將電極425a和425b接地來(lái)產(chǎn)生第三個(gè)電壓梯度。以與上述和觸摸屏105相關(guān)的方式類似的方式，可以將兩條等勢(shì)線的交點(diǎn)映射到唯一的坐標(biāo)上，而第三條相交等勢(shì)線提供了冗余，用以改善映射過(guò)程的精確度。
此外，也可以僅將兩個(gè)電壓激勵(lì)施加到觸摸屏405，就是通過(guò)向電極425中的其中一個(gè)電極施加電壓，同時(shí)將其余兩個(gè)電極接地，然后向電極425中的另一個(gè)電極施加電壓，同時(shí)將其余兩個(gè)電極接地，。除此之外，也可以將三個(gè)電壓激勵(lì)施加到觸摸屏405，但僅使用這三個(gè)電壓梯度中的其中兩個(gè)，選擇使用哪兩個(gè)電壓梯度將取決于要映射哪個(gè)角部區(qū)域。換言之，將會(huì)選擇在某角部區(qū)域中提供最佳精度的兩個(gè)電壓梯度來(lái)映射所述角部區(qū)域。對(duì)于其余兩個(gè)角部區(qū)域中的每一個(gè)，可以選擇兩個(gè)電壓梯度，其中一個(gè)可能不是用來(lái)映射第一角部區(qū)域的電壓梯度。當(dāng)然，其余未選中的電壓梯度可用來(lái)提供冗余，以提高映射過(guò)程的精確度。
圖14示出了具有六邊形形狀的觸摸屏505。觸摸屏505包括具有等邊六邊形周界的基板510和接觸區(qū)515，以及配置在基板510的周邊框住接觸區(qū)515的電阻帶520。觸摸屏505還包括6個(gè)分別配置在基板510的6個(gè)角部，且與接觸區(qū)電耦合的電極525a-f。6個(gè)電極525a-f將電阻帶520分成6個(gè)帶段530a-f。電阻帶520具有處于電極525的較低電阻率和接觸區(qū)515的較高電阻率之間的中間電阻率。
通過(guò)向三個(gè)選定的電極對(duì)中的一個(gè)電極對(duì)施加電壓，同時(shí)將與選定的電極對(duì)相對(duì)的電極對(duì)接地，并將剩下的電極對(duì)浮置，可以將3個(gè)電壓激勵(lì)施加到觸摸屏505。例如，可以通過(guò)向電極525a和525b施加電壓，同時(shí)將電極525d和525e接地以及將電極525c和525f浮置來(lái)產(chǎn)生第一個(gè)電壓梯度。可以通過(guò)向電極525a和525f施加電壓，同時(shí)將電極525c和525d接地以及將電極525b和525e浮置來(lái)產(chǎn)生第二個(gè)電壓梯度?？梢酝ㄟ^(guò)向電極525e和525f施加電壓，同時(shí)將電極525b和525c接地以及將電極525a和525d浮置來(lái)產(chǎn)生第三個(gè)電壓梯度?？梢詫蓷l等勢(shì)線的交點(diǎn)映射到唯一的坐標(biāo)上，而第三條相交的等勢(shì)線則用來(lái)提高映射過(guò)程的精確度。
與三角形觸摸屏405類似，可以僅將兩個(gè)電壓激勵(lì)施加到觸摸屏505，或者，可以將三個(gè)電壓激勵(lì)施加到觸摸屏505，但是，根據(jù)將要映射哪個(gè)角部區(qū)域，僅選擇其中兩個(gè)電壓激勵(lì)。當(dāng)然，可以產(chǎn)生多于三個(gè)的電壓激勵(lì)，以給映射過(guò)程提供更多的冗余。
圖15示出了一種具有扭曲的五邊形幾何形狀的觸摸屏605。觸摸屏605包括具有扭曲的五邊形邊界的電阻性基板610和接觸區(qū)615，以及放置在基板610的周邊以框住接觸區(qū)615的電阻帶620。觸摸屏605還包括5個(gè)分別配置在基板610的5個(gè)角部，并與接觸區(qū)615電耦合的電極625a-e。5個(gè)電極625a-e將電阻帶620分成5個(gè)扭曲的帶段630a-e。電阻帶620具有處于電極625的較低電阻率和接觸區(qū)615的較高電阻率之間的中間電阻率。
不難理解，帶段630a-e的扭曲幾何形狀導(dǎo)致了非線性程度更為嚴(yán)重的等勢(shì)線。電阻帶620具有處于電極625的較低電阻率和接觸區(qū)615的較高電阻率之間的中間電阻率。
可以向觸摸屏605施加許多種可能的電壓激勵(lì)，例如，可以用電壓激勵(lì)每個(gè)電極，也可以將其接地或浮置，從而為N個(gè)電極提供了3N種可能的組合。通常，在實(shí)際中僅使用這些組合的某個(gè)子集。例如，可以通過(guò)向電極625a和625e施加電壓，同時(shí)將電極625b和625c接地以及將電極625d浮置來(lái)產(chǎn)生第一個(gè)電壓梯度?？梢酝ㄟ^(guò)向電極625a和625b施加電壓，同時(shí)將電極625d和625e接地以及將電極625c浮置來(lái)產(chǎn)生第二個(gè)電壓梯度?？梢酝ㄟ^(guò)向電極625a和625b施加一個(gè)電壓，同時(shí)將電極625c和625d接地以及將電極625e浮置來(lái)產(chǎn)生第三個(gè)電壓梯度。可以將兩條等勢(shì)線的交點(diǎn)映射到唯一的坐標(biāo)上，而第三條相交的等勢(shì)線則用來(lái)提高映射過(guò)程的精確度。
與三角形觸摸屏405類似，可以僅將兩個(gè)電壓激勵(lì)施加到觸摸屏505，或者，可以將三個(gè)電壓激勵(lì)施加到觸摸屏505，但是，根據(jù)將要映射哪個(gè)角部區(qū)域，僅選擇其中的兩個(gè)電壓激勵(lì)。還是一樣，可以產(chǎn)生多于三個(gè)的電壓激勵(lì)，以給映射過(guò)程提供更多的冗余。
圖16示出了一種鋪排了8個(gè)相同的接觸式傳感器705的球體700，其中每個(gè)接觸式傳感器具有非平面的三角形形狀。球體705可以是某個(gè)機(jī)器人或任何其他設(shè)備的一部分，在球體700被觸摸后，所述設(shè)備需要計(jì)算出接觸位置。每個(gè)接觸式傳感器705包括具有三角形輪廓的電阻性基板710，該基板配置在非平面表面上，更具體地說(shuō)是在球面上。電阻性基板710也具有接觸區(qū)715。在示出的實(shí)施例中，球體700不顯示任何圖像，從而，接觸區(qū)715可以是不透明的。如前述的平面三角形觸摸屏405一樣，每個(gè)接觸式傳感器705還包括配置在基板710的周邊而框住接觸區(qū)715的電阻帶720。每個(gè)接觸式傳感器705還包括3個(gè)分別放置在基板710的3個(gè)角部、與接觸區(qū)715電耦合的電極725a-c。3個(gè)電極725a-c將電阻帶720分成了3個(gè)帶段730a-c。
可以理解，在上述非矩形觸摸屏中使用電阻帶將改善各自的觸摸屏的角部的拓?fù)涞葍r(jià)。通過(guò)提供具有非均勻線性電阻的電阻帶，例如，通過(guò)設(shè)計(jì)每個(gè)帶段，使得它具有沿其長(zhǎng)度變化的線性電阻(與觸摸屏105和305類似)，可實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn)。
在觸摸屏和接觸式傳感器中使用電阻帶，特別是那些具有非均勻線性電阻的電阻帶，還可提供除了改善等電勢(shì)空間和笛卡兒空間(或其他坐標(biāo)系統(tǒng))之間的拓?fù)涞葍r(jià)之外的好處。例如，當(dāng)使用映射多項(xiàng)式時(shí)，在不導(dǎo)致不合理的精度損失的情況下，可以減少使用的項(xiàng)數(shù)，例如，從9項(xiàng)減少到5項(xiàng)?；蛘?，如果用LUT來(lái)映射等勢(shì)線時(shí)，可以減少LUT中儲(chǔ)存的點(diǎn)的數(shù)量。以這種方式，可以減小處理量和/或LUT的大小。
這種做法還具有簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)修正技術(shù)的附帶的好處，使用所述動(dòng)態(tài)修正技術(shù)來(lái)修正在顧客使用期間觸摸屏在材料和生產(chǎn)方面的差異和變化。發(fā)生變化的材料特性和生產(chǎn)細(xì)節(jié)的例子包括觸摸屏平均導(dǎo)電率、觸摸屏導(dǎo)電率梯度、電阻帶導(dǎo)電率、電阻帶寬度，等等。對(duì)于觸摸屏精度而言，這些問(wèn)題是令人關(guān)注的，并可以嚴(yán)格地進(jìn)行控制，但其后果是增加了生產(chǎn)成本。然而，希望能自動(dòng)地修正這些差異，從而可以生產(chǎn)較低成本的觸摸屏，并且，盡管存在老化效應(yīng)，仍然可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持觸摸屏的精度。
計(jì)算機(jī)模擬表明，可以確定材料和生產(chǎn)方面的差異的通常類型，并可以將映射參數(shù)定制成當(dāng)前的觸摸屏特性?？梢赃M(jìn)行人工或自動(dòng)的測(cè)量，以提供關(guān)于偏離標(biāo)準(zhǔn)的觸摸屏性能的差異的特性和程度方面的信息。例如，通過(guò)使用控制器電子裝置將各種電壓加到電極上，可以測(cè)量流入那些電極的電流或測(cè)量在未施加偏壓的電極上測(cè)得的電勢(shì)。此外，在已知位置上的接觸也可以提供信息。之后，可以用這些測(cè)量來(lái)產(chǎn)生對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的映射算法的修正。重要之處在于，使用非均勻的電阻帶可以通過(guò)減少多項(xiàng)式映射中的項(xiàng)數(shù)，或是在用LUT來(lái)提供映射功能時(shí)，減少其中所儲(chǔ)存的點(diǎn)的數(shù)目來(lái)簡(jiǎn)化修正過(guò)程。在美國(guó)專利申請(qǐng)10/246,059的文獻(xiàn)中公開(kāi)了關(guān)于動(dòng)態(tài)修正技術(shù)的另外一些細(xì)節(jié)，該文獻(xiàn)通過(guò)引用而結(jié)合于本文。
盡管已經(jīng)示出并說(shuō)明了本發(fā)明的一些特定實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)懂得，以上討論并不是為了將本發(fā)明限制于這些實(shí)施例所界定的范圍內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行各種不同的變動(dòng)和修改而不背離本發(fā)明的精神和范圍。從而，本發(fā)明試圖包括那些可納入由后附的權(quán)利要求書(shū)規(guī)定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的其他方案、修改和等同物。
權(quán)利要求
1.一種接觸式傳感器，包括一個(gè)具有電阻性接觸區(qū)的基板；一組電連接到所述接觸區(qū)的電極；一個(gè)設(shè)置在所述電極之上且靠近電極的蓋板，該蓋板包含面向所述接觸區(qū)的導(dǎo)電層；多個(gè)框住所述接觸區(qū)的、具有處于所述電極的電阻率和所述接觸區(qū)的電阻率之間的中間電阻率的帶段，其中，所述電極配置在帶段之間，且其中至少一個(gè)帶段具有沿其長(zhǎng)度發(fā)生變化的線性電阻，且各帶段沿其長(zhǎng)度的至少一部分是連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)的；并且所述電極連接到DC電源。
2.權(quán)利要求1中所述的接觸式傳感器，其中，由所述帶段的復(fù)合電阻與所述接觸區(qū)的電阻之比所定義的電阻比大于0.05。
3.權(quán)利要求1中所述的接觸式傳感器，其中，至少一個(gè)帶段具有沿其長(zhǎng)度而變化的厚度或?qū)挾取?br> 4.一種接觸式傳感器，包括一個(gè)具有電阻性接觸區(qū)的基板；一組電連接到所述接觸區(qū)的電極；以及多個(gè)框住所述接觸區(qū)的、具有處于所述電極的電阻率和所述接觸區(qū)的電阻率之間的中間電阻率的帶段，其中，所述電極配置在帶段之間，且其中至少一個(gè)帶段具有沿其長(zhǎng)度發(fā)生變化的線性電阻并包含一個(gè)導(dǎo)電基元的排列，所述導(dǎo)電基元具有沿至少一個(gè)帶段的長(zhǎng)度而變化的間隔或尺寸，且各帶段沿其長(zhǎng)度的至少一部分是連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)的。
5.權(quán)利要求4中所述的接觸式傳感器，其中，由所述帶段的復(fù)合電阻與所述接觸區(qū)的電阻之比所定義的電阻比大于0.05。
6.權(quán)利要求4中所述的接觸式傳感器，其中，至少一個(gè)帶段具有沿其長(zhǎng)度而變化的寬度或厚度。
7.一種動(dòng)態(tài)接觸式傳感器系統(tǒng)，包括接觸式傳感器，該傳感器響應(yīng)接觸而產(chǎn)生接觸信息，并產(chǎn)生指明該接觸式傳感器中的給定電氣特性的可測(cè)量信息，該傳感器包含一個(gè)具有電阻性接觸區(qū)的基板、一組電連接到所述接觸區(qū)的電極以及一個(gè)框住接觸區(qū)的具有處于所述電極的電阻率和所述接觸區(qū)的電阻率之間的電阻率的帶，其中，所述帶具有基本上非均勻的線性電阻，所述帶沿其長(zhǎng)度的至少一部分是連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)的；以及連接到所述電極的、從素?cái)?shù)接觸式傳感器接收所述接觸信息和可測(cè)量信息的控制器電子裝置，其中，所述控制器電子裝置根據(jù)接觸信息用算法來(lái)確定所述接觸區(qū)中的接觸位置的坐標(biāo)并基于所述可測(cè)量信息修改所述算法。
8.權(quán)利要求7中所述的接觸式傳感器，其中，所述算法是一種映射算法。
9.權(quán)利要求7中所述的接觸式傳感器，其中，由所述帶的電阻與所述接觸區(qū)的電阻之比所定義的電阻比大于0.05。
10.權(quán)利要求7中所述的接觸式傳感器，其中，所述帶具有沿其長(zhǎng)度而變化的寬度或厚度。
11.權(quán)利要求7中所述的接觸式傳感器，其中，所述帶包含配置在基板上的導(dǎo)電基元排列，所述導(dǎo)電基元具有沿帶的長(zhǎng)度而變化的間隔或尺寸。
12.權(quán)利要求7中所述的接觸式傳感器，其中，所述帶包含多個(gè)帶段，電極配置在所述帶段之間，且其中至少一個(gè)帶段具有沿其長(zhǎng)度而變化的線性電阻。
13.一種接觸式傳感器，包括一個(gè)具有電阻性接觸區(qū)的基板；一組與所述接觸區(qū)電連接的電極；以及多個(gè)框住接觸區(qū)的、具有處于所述電極的電阻率和所述接觸區(qū)的電阻率之間的中間電阻率的帶段，其中，所述電極配置在所述帶段之間，且至少一個(gè)帶段包括連續(xù)的電阻性背襯材料和配置成基本與沿所述至少一個(gè)帶段的至少一個(gè)縱向部分垂直的、并與所述背襯材料接觸的導(dǎo)電基元排列，所述導(dǎo)電基元具有比所述背襯材料的電阻率低的電阻率，而所述帶的縱向部分沿其長(zhǎng)度準(zhǔn)連續(xù)。
14.權(quán)利要求13中所述的接觸式傳感器，其中，所述電阻性接觸區(qū)在所述背襯材料上形成。
15.權(quán)利要求13中所述的接觸式傳感器，其中，所述背襯材料具有與所述接觸區(qū)的電阻率不同的電阻率。
16.權(quán)利要求13中所述的接觸式傳感器，其中，所述導(dǎo)電基元垂直于所述帶的縱向部分而延伸。
17.權(quán)利要求13中所述的接觸式傳感器，其中，所述導(dǎo)電基元一般相互平行地布置。
18.權(quán)利要求13中所述的接觸式傳感器，其中，所述導(dǎo)電基元包括線性線。
19.權(quán)利要求13中所述的接觸式傳感器，其中，所述背襯材料包含一系列交錯(cuò)配置在所述導(dǎo)電基元之間的電阻性斷片。
20.權(quán)利要求19中所述的接觸式傳感器，其中，各導(dǎo)電基元具有分?jǐn)?shù)寬度，它定義為該導(dǎo)電基元沿所述帶的縱向部分的尺寸同對(duì)應(yīng)的電阻性斷片沿所述帶的縱向部分的尺寸與該導(dǎo)電基元沿所述帶的縱向部分的尺寸之和的比值。
21.權(quán)利要求20中所述的接觸式傳感器，其中，所述導(dǎo)電基元之間的分?jǐn)?shù)寬度不相一致。
22.權(quán)利要求20中所述的接觸式傳感器，其中，所述導(dǎo)電基元之間的分?jǐn)?shù)寬度互相一致。
23.權(quán)利要求20中所述的接觸式傳感器，其中，各電阻性斷片沿所述帶的縱向部分的尺寸小于所述至少一個(gè)帶段的長(zhǎng)度的1％。
24.權(quán)利要求20中所述的接觸式傳感器，其中，所述至少一個(gè)帶段包括多個(gè)帶段。
25.一種接觸式傳感器，包括一個(gè)具有非矩形幾何形狀的電阻性接觸區(qū)的基板；一組電連接到接觸區(qū)的電極，用以在接觸區(qū)上產(chǎn)生非線性電壓梯度；以及一個(gè)框住接觸區(qū)的、具有處于所述電極的電阻率和所述接觸區(qū)的電阻率之間的電阻率的電阻帶，所述電阻帶沿其長(zhǎng)度的至少一部分是連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)的。
26.權(quán)利要求25中所述的接觸式傳感器，其中，所述非矩形幾何形狀是非平面。
27.權(quán)利要求25中所述的接觸式傳感器，其中，所述帶包含多個(gè)帶段，所述電極配置在帶段之間，且至少一個(gè)帶段具有沿其長(zhǎng)度改變的線性電阻。
全文摘要
本發(fā)明針對(duì)接觸式傳感器(105)，該傳感器具有處于等電勢(shì)空間和笛卡兒空間之間的改進(jìn)的拓?fù)涞葍r(jià)，且所述等電勢(shì)空間映射到所述笛卡兒空間上。所述接觸式傳感器(105)包括一個(gè)具有接觸區(qū)(130)的基板(125)和一組電連接到接觸區(qū)(130)的電極(135)。該接觸式傳感器還包括多個(gè)框住接觸區(qū)(130)的電阻帶段(140)。所述電極(135)設(shè)置在這些電阻帶段(140)之間。各電阻帶段具有電極電阻率和接觸區(qū)電阻率之間的電阻率，從而提供了低電阻率的電極和高電阻率的接觸區(qū)之間的過(guò)渡，并改善了接觸區(qū)角部的拓?fù)涞葍r(jià)。至少一個(gè)帶段具有非均勻的線性電阻，以進(jìn)一步改善拓?fù)涞葍r(jià)。
文檔編號(hào)G06F3/033GK1849615SQ200480025749
公開(kāi)日2006年10月18日 申請(qǐng)日期2004年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月15日
發(fā)明者J·肯特, G·S·赫斯特, R·H·里奇, R·J·沃馬克, D·W·布爾丁 申請(qǐng)人:伊羅接觸系統(tǒng)公司