CN102566838B - 电容式触摸感应装置及触摸显示装置 - Google Patents
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Abstract
一种电容式触摸感应装置及触摸显示装置，所述电容式触摸感应装置包括：驱动层、感应层、以及驱动层和感应层之间的绝缘层，所述驱动层具有多条平行的驱动线，所述驱动线包括多个驱动电极和连接所述驱动电极的驱动连接部；所述感应层具有多条平行的感应线，所述感应线与所述驱动线垂直，所述感应线包括多个感应电极和连接所述感应电极的感应连接部，所述感应连接部和驱动连接部正对交叠，所述感应电极和驱动电极相互错开，所述多个驱动电极和感应电极中至少有一个电极为镂空电极。所述电容式触摸感应装置及触摸显示装置可以提升光透过率。
Description
技术领域
本发明涉及触摸感应技术，特别是涉及一种电容式触摸感应装置及触摸显示装置。
背景技术
触摸屏作为一种输入媒介，相比于键盘和鼠标，为使用者提供了更好的便利性。将触摸屏作为一种用户交互操作的界面，集成于LCD等显示面板的历史久远，触摸屏有电阻式、电容式、表面声波式、红外式等等。由于成本的原因，目前电阻式触摸屏仍有广泛的应用。电阻式触摸屏的驱动原理是利用电压降的方式寻找接触点的坐标，此类触摸屏需要使用者施加一定的压力使上下两层导电平面在某一点导通，以形成一导通回路，通过检测该点的电压变化确定其位置，这种方式无法实现多点触摸。
电容式相比其他几种结构，工艺更简单，不需要产生液晶盒的变形，也不像光学式那样有诸多限制。电容式触摸屏又可分为表面电容式及投射电容式。表面电容式触摸屏是在一具有均匀电阻特性的导电平面四周分别加电压检测电流变化。在表面电容屏的四个角上是四个电极，在它们的作用下，导电平面形成一个电场，当手指接触平面时，由于人体是导体，四边电极发出的微弱电流流向触点，并产生一个电压差，接触点到电极的距离决定了这个电流的大小。依据这个原理，控制器计算电流经过四个电极的比例，并依照特定的公式得出接触点的坐标位置。
投射式电容触摸屏是未来触摸屏技术的主流，投射式电容触摸屏根据其触控检测原理可以分为自电容结构与互电容结构。在自电容模型中，手指可以认为是一个接地的电容，在手指触碰之前，系统有寄生电容，当手指触摸后，可以认为增加了系统的接地总电容。因此，检测出这个系统对地电容的变化，就可以检测出手指是否触摸。而在互电容模型中，系统的驱动线和感应线之间有一个互电容，当手指触摸后，有一部分电流流入手指，此时可以等效为互电容发生变化，从而使感应线端的检测信号发生变化，检测出手指是否触摸。
投射式互电容触摸屏具有以下优点：一.具有电容式触摸屏的优点，即寿命长，透光率较高；二.可实现多点触控；三.成本低于表面电容式触摸屏。
图1至图4现有的投射式互电容触摸屏的结构示意图，图1是剖面图，图2和图3分别是驱动层和感应层的图形结构，图4是俯视图。如图1所示，所述互电容触摸屏由两层透明导电层(ITO)构成，一层为驱动层11，另一层为感应层13，在驱动层11与感应层13间是绝缘层12，感应层13外有绝缘层14与彩膜层(彩色滤光片，图1中未示出)相隔。
驱动层11如图2所示，有多条平行的驱动线101，感应层13如图3所示，有多条平行的感应线103，这样将触控平面分为X和Y方向电极，常见的电极图形是菱形电极。结合图2至图4，在每条驱动线101与感应线103正对交叠处102以及侧向处形成互电容，这里所说的侧向处，是指驱动线和感应线虽然没有正对交叠，但在一定的距离里还是会产生侧向电容的部分，即所形成的互电容包括正对电容和侧向电容。驱动线101和感应线103通过外围走线104与其他电路连接。
上述投射式互电容触摸屏由于存在X和Y方向电极，在显示装置中当光经过时透过率就会降低，尤其是应用于反射型显示装置或半反半透显示装置时反射率会降低。
公开号为US 2009/0096760A1的美国专利申请公开了一种整合触控感测器的液晶显示器，其主要是基板上的第一探测层上设计有X方向的电极，并沿X方向规则排布电极空白区域；该层之上是绝缘层，第二探测层形成于绝缘层上，设计有Y方向的电极，并沿Y方向规则排布电极空白区域，Y方向与X方向的垂直；彩膜上的色阻形成时对应到Y方向与X方向电极的空白区域。该方案可以提升光透过率，但色阻的形成位置受限于电极布局，使得整个液晶显示器的布局结构较为复杂。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种新型的、布局结构简单的电容式触摸感应装置，其应用于显示装置中可以提升光透过率。
为解决上述问题，本发明提供一种电容式触摸感应装置，包括：驱动层、感应层、以及驱动层和感应层之间的绝缘层，
所述驱动层具有多条平行的驱动线，所述驱动线包括多个驱动电极和连接所述驱动电极的驱动连接部；
所述感应层具有多条平行的感应线，所述感应线与所述驱动线垂直，所述感应线包括多个感应电极和连接所述感应电极的感应连接部，所述感应连接部和驱动连接部正对交叠，所述感应电极和驱动电极相互错开，
所述多个驱动电极和感应电极中至少有一个电极为镂空电极。
可选地，所述多个驱动电极和感应电极均为镂空电极。
可选的，所述镂空电极的感应比例与电极透光率相关，所述电极透光率为所述镂空电极的镂空面积占所述镂空电极面积的百分比，所述感应比例为对应于镂空电极的触摸感应灵敏度与对应于所述镂空电极未镂空前的触摸感应灵敏度的比值。
可选地，所述电极透光率小于或等于50％，所述感应比例大于80％。
可选地，所述驱动电极和感应电极的图形均为菱形，所述驱动连接部与多个连接到该驱动连接部的驱动电极的一条对角线在同一直线上，所述感应连接部与多个连接到该感应连接部的感应电极的一条对角线在同一直线上。
可选地，所述驱动电极和感应电极的图形均为正方形。
可选地，所述驱动电极和感应电极在水平方向和竖直方向上间隔排布，所述驱动连接部或感应连接部与水平方向的夹角均为45度。
可选地，所述镂空电极的未镂空部分为菱环形。
为解决上述问题，本发明实施方式还提供一种触摸显示装置，包括彩色滤光片和设置于所述彩色滤光片内的触摸感应装置，其特征在于，所述触摸感应装置为上述的电容式触摸感应装置。
可选的，所述电容式触摸感应装置设置于所述彩色滤光片上方。
可选的，所述电容式触摸感应装置设置于所述彩色滤光片下方。
可选的，所述电容式触摸感应装置集成于所述彩色滤光片内。
可选地，所述彩色滤光片包括黑色挡光矩阵以及被所述黑色挡光矩阵隔开的红色色阻、绿色色阻和蓝色色阻。
可选地，所述镂空电极的镂空部分和所述红色色阻、绿色色阻和蓝色色阻相对应。
可选地，所述镂空电极具有网格状结构。
与现有技术相比，上述技术方案提出了一种新型的、布局结构简单的电容式触摸感应装置和触摸显示装置，可以在现有的驱动线和感应线结构基础上，通过将电极(驱动线的驱动电极和/或感应线的感应电极)做成镂空电极，即能够增加光透过率。并且，彩色滤光片的色阻的形成位置不限于在电极之间的空白区域下方，也可以在电极下方，这样更有利于触摸显示装置的布局，简化其布局结构。
通过感应比例来确定镂空电极的电极覆盖率，由此确定镂空电极的镂空面积，可以在提高光透过率的同时不影响触摸感应灵敏度。
驱动电极和感应电极为正方形且在水平方向和竖直方向上间隔排布，驱动连接部和感应连接部相互垂直且与水平方向的夹角均为45度，有利于布线设计，减少了驱动线和感应线的外围走线，从而窄化触摸屏的边框。
镂空电极的镂空部分与彩色滤光片的色阻相对应，可以进一步减少光能量的浪费，更大程度地提升光透过率。
附图说明
图1至图4是现有的一种电容式触摸屏的结构示意图；
图5是本发明实施例的电容式触摸感应装置的结构示意图；
图6是电容式触摸感应装置的电极未镂空时互电容触摸感应检测的等效电路示意图；
图7是电容式触摸感应装置的电极镂空时互电容触摸感应检测的等效电路示意图；
图8是本发明实施例的感应比例和电极覆盖率的关系示意图；
图9是本发明实施例的镂空电极覆盖一个像素的示意图；
图10是本发明实施例的镂空电极覆盖多个像素的示意图。
具体实施方式
本发明实施方式的电容式触摸感应装置包括：驱动层、感应层、以及驱动层和感应层之间的绝缘层，其中，所述驱动层具有多条平行的驱动线，所述驱动线包括多个驱动电极和连接所述驱动电极的驱动连接部；所述感应层具有多条平行的感应线，所述感应线与所述驱动线垂直，所述感应线包括多个感应电极和连接所述感应电极的感应连接部，所述感应连接部和驱动连接部正对交叠，所述感应电极和驱动电极相互错开；所述多个驱动电极和感应电极中至少部分(至少有一个)电极为镂空电极。
驱动层和感应层的材料可以为氧化铟锡(ITO)，驱动电极和感应电极中至少部分电极为镂空电极具体可以是：部分驱动电极为镂空电极；或者，部分电极为镂空电极；或者，部分驱动电极和部分感应电极为镂空电极；或者，所有驱动电极和所有感应电极均为镂空电极。所述镂空电极是指镂空部分的电极材料(ITO)被去除的电极，通过将电极镂空一部分，由于镂空部分没有ITO材料，因此光线通过镂空部分时能量不会损失，从而增加了光透过率。
下面结合附图和实施例对本发明具体实施方式做详细的说明。
图5是本发明实施例的电容式触摸感应装置的结构示意图，结合图1和图5，电容式触摸感应装置包括：驱动层11、感应层13、以及驱动层11和感应层13之间的绝缘层12。
驱动层11具有多条平行的驱动线31，驱动线31包括多个驱动电极301和连接驱动电极301的驱动连接部311。
感应层13具有多条平行的感应线33，感应线33与驱动线31垂直，感应线33包括多个感应电极303和连接感应电极303的感应连接部313，感应连接部313和驱动连接部311正对交叠，感应电极303和驱动电极301相互错开。
驱动电极301和感应电极303为镂空电极，其具有镂空部分305，驱动电极301面积和感应电极面积相同，镂空部分的面积也相同；驱动连接部311和感应连接部313的正对交叠处302以及侧向处形成互电容，驱动线301和感应线303通过外围走线304与其他电路连接。
可以通过光刻和刻蚀工艺将驱动层11刻蚀成多条平行的驱动线31，将感应层13刻蚀成多条平行的感应线33。本实施例中，驱动电极301和感应电极303全部为镂空电极，在其他实施例中，也可以是部分驱动电极301和感应电极303为镂空电极，另外，驱动层11和感应层13的位置可以互换，驱动层11的驱动线31和感应层13的感应线33的图形结构也可以互换。
结合参考图1和图5，触摸感应检测的过程如下：工作时，驱动线依次施加驱动信号，通常为几十千赫兹(KHz)至几百KHz的交流电压，其余未施加驱动信号的驱动线接地，通过分别检测各条感应线上的检测信号的电压变化来确定触摸点。
本发明实施例通过将电极镂空一部分可以提高光透过率，但是，发明人发现，将电极镂空一部分会影响触摸感应的一个重要的评估参数，即触摸感应灵敏度，触摸感应灵敏度通常是指触摸前后的检测信号变化，可以用“(触摸时的检测信号-未触摸时的检测信号)/未触摸时的检测信号”来表示。
为了验证镂空电极对检测信号的影响，发明人进行了如下的电路仿真，图6是电容式触摸感应装置的电极未镂空时互电容触摸感应检测的等效电路示意图，图7是电容式触摸感应装置的电极镂空时互电容触摸感应检测的等效电路示意图：
图6和图7所示的每一条驱动线与感应线的交点处的等效电路中，每一个交点处都相当于耦合了一个互电容，为驱动线和感应线正对交叠处形成的正对电容与驱动线上图形边缘和感应线上图形边缘形成的边缘电容之和。当手指触摸时，可以将手指等效成为一个电阻和电容网络，手指存在会产生耦合电容，可以理解为手指搭了一个桥，在互电容上并联了电容，从而使互电容等效增大，导致感应线上的电流变化，因而使检测信号的电压变化。
当驱动电极和感应电极没有镂空时，如图6所示，C3是驱动线31’与感应线33’之间的互电容，C4’是驱动线31’与手指之间的电容，C5’是感应线33’与手指之间的电容。未触摸时感应电压探测分析，检测信号V0的电压数值为3.652μV；触摸时感应电压探测分析，检测信号V0的电压数值为3.965μV；触摸感应灵敏度＝(3.965-3.652)/3.652＝8.57％。
当驱动电极和感应电极镂空时，如图7所示，C3是驱动线31与感应线33之间的互电容，C4是驱动线31与手指之间的电容，C5是感应线33与手指之间的电容。未触摸时感应电压探测分析，检测信号V1的电压数值为476.634nV；触摸时感应电压探测分析，检测信号V1的电压数值为506.887nV；触摸感应灵敏度＝(506.887-476.634)/476.634＝6.35％。也就是说，采用镂空电极结构时，由于电极面积减少，耦合电容C4和C5相对于图6所示的耦合电容C4’和C5’减小，触摸感应灵敏度减弱。
因此，发明人提出，在提高光透过率的同时应考虑镂空电极的镂空面积对触摸感应灵敏度的影响。而发明人通过对电极未镂空时的触摸感应检测和电极镂空时的触摸感应检测的电路仿真，也确定了两者之间具有联系。
为清楚说明镂空电极的镂空面积和触摸感应灵敏度的关系，首先作如下定义：将(镂空电极的镂空面积/镂空电极面积)，即镂空电极的镂空面积占所述镂空电极面积的百分比定义为电极透光率；将(镂空电极的未镂空面积/镂空电极面积)，即镂空电极的未镂空面积占所述镂空电极面积的百分比定义为电极覆盖率；将对应于镂空电极的触摸感应灵敏度与对应于该镂空电极未镂空前的触摸感应灵敏度的比值定义为感应比例。其中，镂空电极面积是指单个驱动电极或感应电极的面积，所述镂空电极未镂空前的电极覆盖率为100％。
图6测得的触摸感应灵敏度8.57％对应电极未镂空，其电极覆盖率为100％，相应地，电极透光率0％；根据图7测得的触摸感应灵敏度6.35％对应的电极覆盖率为40％，相应地，电极透光率为60％，此情况下，感应比例为74％。
图8示出了电极覆盖率与感应比例的关系，从图中可以看到，随着镂空部分的减少(即电极透光率的减少)，电极覆盖率的增加，感应比例逐渐增加。因此在实际应用中，可以使电极覆盖率在50％以上，即镂空面积占该镂空电极面积的百分比(电极透光率)不超过50％，这样得到的感应比例可以大于80％，也就是镂空面积对触摸感应灵敏度的影响较小。
继续参考图5，本实施例的驱动电极301和感应电极303为相同的形状均为正方形，且面积相同。驱动电极301和感应电极303的中间部分被镂空，镂空部分305为正方形，未镂空部分为正方环形。
驱动线31和感应线33相互垂直，且驱动线31和感应线33与水平方向的夹角均为45度。其中，驱动电极301和感应电极303在水平方向间隔排布，在竖直方向也间隔排布；驱动连接部311和感应连接部313正对交叠且相互垂直，驱动连接部311与连接该驱动连接部311的驱动电极301的一条对角线(对应于正方形的一条对角线)在同一直线上，感应连接部313与连接该感应连接部313的感应电极303的一条对角线(对应于正方形的另一条对角线)在同一直线上；驱动连接部311与水平方向(或竖直方向)的夹角为45度，感应连接部313与水平方向(或竖直方向)的夹角也为45度。
本实施例中，驱动电极和感应电极为正方形(对角线相等的菱形)，在其他实施例中，驱动电极和感应电极也可以是其他形状，例如对角线不相等的菱形、矩形、正六边形等，相对于其它形状，菱形连接具有较小的连线电阻。以驱动电极和感应电极为菱形为例，其电极的中间部分被镂空，镂空部分为菱形，未镂空部分为菱环形。驱动电极和感应电极的排布可以参考图4，驱动线101的驱动电极在竖直方向上排布，感应线103的感应电极在水平方向上排布，驱动电极和感应电极相互错开，驱动连接部与连接该驱动连接部的驱动电极的一条对角线(对应于菱形的一条对角线)在同一直线上，感应连接部与连接该感应连接部的感应电极的一条对角线(对应于菱形的另一条对角线)在同一直线上。
与图4所示的电极形状及排布结构相比，本实施例的驱动线31和感应线33的电极形状和排布结构，使得在同样的感应区域，外围走线304相比于外围走线104减少了，这样就可以窄化感应区域外围的边框。
本发明实施例还提供一种触摸显示装置，包括彩色滤光片和上述的电容式触摸感应装置，所述电容式触摸感应装置可以设置于所述彩色滤光片上方或下方，或者，所述电容式触摸感应装置可以集成于所述彩色滤光片，即与所述彩色滤光片位于同一层。
由于彩色滤光片上的驱动层的驱动电极和感应层的感应电极为镂空电极，镂空部分没有ITO材料，因此透过彩色滤光片的光线通过镂空部分时能量不会损失，从而增加了光透过率。
所述彩色滤光片包括像素区域，每个像素区域包括黑色挡光矩阵以及被所述黑色挡光矩阵隔开的多个彩色色阻，如红色色阻、绿色色阻和蓝色色阻。黑色挡光矩阵用于挡住不必要的光线，防止对显示的影响。
在本发明实施例中，所述电容式触摸感应装置设置于所述彩色滤光片上方，所述镂空电极(感应电极或驱动电极)覆盖在像素区域上，如图9所示，镂空电极的镂空部分405可以对应位于红色色阻、绿色色阻和蓝色色阻上方，未镂空部分406可以对应位于黑色挡光矩阵上方，这样可以进一步地减少光能量的浪费，进而提升光透过率。镂空部分可以全部覆盖色阻，也可以部分覆盖色阻。
在一个优选的实施例中，若镂空电极(感应电极或驱动电极)覆盖多个像素区域，在黑色挡光矩阵上可以为未镂空部分506，在各个色阻上可以为镂空部分505，因此，镂空电极可以具有如图10所示的网格状结构，这样可以更大程度地减少光能量的浪费，进而提升光透过率。
综上所述，上述方案具有以下优点：
通过将驱动线的驱动电极和/或感应线的感应电极镂空一部分，由于镂空部分没有电极材料，因此光线通过镂空部分时能量不会损失，从而增加了光透过率。并且，彩色滤光片的色阻的形成位置不限于在电极(驱动电极和感应电极)之间的空白区域下方，也可以在电极下方，这样更有利于触摸显示装置的布局，简化其布局结构。
通过感应比例来确定镂空电极的镂空面积，可以在提高光透过率的同时不影响触摸感应灵敏度。
驱动电极和感应电极为正方形且在水平方向和竖直方向上间隔排布，驱动连接部和感应连接部相互垂直且与水平方向的夹角均为45度，有利于驱动层和感应层的布线，可以减少驱动线和感应线的外围走线，从而窄化触摸屏的边框。
镂空电极的镂空部分与彩色滤光片的色阻相对应，可以进一步减少光能量的浪费，进而提升光透过率。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (7)
1.一种触摸显示装置，包括彩色滤光片和电容式触摸感应装置，其特征在于，所述电容式触摸感应装置包括：驱动层、感应层、以及驱动层和感应层之间的绝缘层，
所述驱动层具有多条平行的驱动线，所述驱动线包括多个驱动电极和连接所述驱动电极的驱动连接部；
所述感应层具有多条平行的感应线，所述感应线与所述驱动线垂直，所述感应线包括多个感应电极和连接所述感应电极的感应连接部，所述感应连接部和驱动连接部正对交叠，所述感应电极和驱动电极相互错开，
其中，所述多个驱动电极和感应电极均为镂空电极，所述驱动电极和所述感应电极的中间部分被镂空，所述镂空部分为正方形，未镂空部分为正方环形；
所述镂空电极的感应比例与电极透光率相关，所述电极透光率为所述镂空电极的镂空面积占所述镂空电极面积的百分比，所述感应比例为对应于镂空电极的触摸感应灵敏度与对应于所述镂空电极未镂空前的触摸感应灵敏度的比值；
所述电极透光率小于或等于50％，所述感应比例大于80％；
所述彩色滤光片包括黑色挡光矩阵以及被所述黑色挡光矩阵隔开的红色色阻、绿色色阻和蓝色色阻；
所述镂空电极的镂空部分和所述红色色阻、绿色色阻和蓝色色阻相对应。
2.根据权利要求1所述的触摸显示装置，其特征在于，所述驱动连接部与多个连接到该驱动连接部的驱动电极的一条对角线在同一直线上，所述感应连接部与多个连接到该感应连接部的感应电极的一条对角线在同一直线上。
3.根据权利要求1所述的触摸显示装置，其特征在于，所述驱动电极和感应电极在水平方向和竖直方向上间隔排布，所述驱动连接部或感应连接部与水平方向的夹角均为45度。
4.根据权利要求1所述的触摸显示装置，其特征在于，所述电容式触摸感应装置设置于所述彩色滤光片上方。
5.根据权利要求1所述的触摸显示装置，其特征在于，所述电容式触摸感应装置设置于所述彩色滤光片下方。
6.根据权利要求1所述的触摸显示装置，其特征在于，所述电容式触摸感应装置集成于所述彩色滤光片内。
7.根据权利要求1所述的触摸显示装置，其特征在于，所述镂空电极具有网格状结构。
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