新型草支墊及其制作工藝
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摘要
一種低阻抗觸摸傳感器探測人類使用者對一個電介質(zhì)基底(10)的手動觸摸。該觸摸傳感器含有一個具有閉合、連續(xù)幾何形狀的第一導(dǎo)電電極墊(16)和一個第二導(dǎo)電電極(18),后者通過一個通道(20)以有間隔的、共平面的關(guān)系基本上包圍著第一電極。第一和第二電極設(shè)置在基底的同一個平面狀底面(14)上。一個有源電元件(26),例如一個晶體管,位在基底上接近于第一和第二電極處,并與第一和第二電極相電耦合。
草支墊書
1： 一種用于探測人類使用者的手動觸摸并能激活一個被控裝置的低阻抗觸 摸傳感器，上述觸摸傳感器包括： 一介電介質(zhì)基底，其厚度基本均勻，它含有第一表面和對面的第二表面； 一個設(shè)置在上述基底的上述第一表面上的第一薄導(dǎo)電電極墊，它具有閉合、 連續(xù)的幾何形狀，其面積可被人類肢體一部分基本覆蓋； 一個設(shè)置在上述基底的上述第一表面上的第二薄導(dǎo)電電極，它與上述第一電 極墊的關(guān)系是有間隔的、共平面的、并基本上包圍著上述第一電極墊；以及 一個設(shè)置在上述基底上的有源電元件，它設(shè)置在上述第一和第二電極附近， 并與上述第一和第二電極相電耦合，使得人類對上述基底的觸摸將激活被控裝置。
2： 根據(jù)草支墊1的設(shè)備，其中有一條讀出線設(shè)置在上述基底的上述第一 表面上，并與上述第二電極相電耦合。
3： 根據(jù)草支墊2的設(shè)備，其中有一個讀出信號被施加在上述讀出線上， 上述讀出信號在上述第一和第二電極之間產(chǎn)生一個電場。
4： 根據(jù)草支墊3的設(shè)備，其中上述電場具有從上述第二電極出發(fā)并終結(jié) 于盯這第一電極的弧形路徑。
5： 根據(jù)草支墊1的設(shè)備，它還含有一個設(shè)置在上述基底的上述第一表面 上鄰近于上述第一和第二電極處的傳感線。
6： 根據(jù)草支墊5的設(shè)備，其中上述觸摸傳感器在上述傳感線上產(chǎn)生一個 表明上述觸摸傳感器狀態(tài)的探測信號。
7： 根據(jù)草支墊6的設(shè)備，其中上述探測信號被一個探測電路接收，上述 探測電路含有一個峰值探測器。
8： 根據(jù)草支墊6的設(shè)備，其中當上述基底被上述使用者的上述肢體部分 觸摸時上述探測信號的電平發(fā)生改變。
9： 根據(jù)草支墊1的設(shè)備，其中上述基底的上述第一表面是一個非觸摸表 面，上述基底的上述第二表面是一個觸摸表面。
10： 根據(jù)草支墊1的設(shè)備，其中上述基底是玻璃的。
11： 根據(jù)草支墊1的設(shè)備，其中上述基底是塑料的。
12： 根據(jù)草支墊1的設(shè)備，其中有一個通道位在上述第一和第二電極之 間，上述通道具有大體均勻的寬度。
13： 根據(jù)草支墊1的設(shè)備，其中有多個上述觸摸傳感器設(shè)置在上述基底 的上述第一表面上。
14： 根據(jù)草支墊1的設(shè)備，其中有多個上述觸摸傳感器設(shè)置在上述基底 的上述第一表面上，并且排列成由各個行和各個列構(gòu)成的矩陣。
15： 根據(jù)草支墊14的設(shè)備，其中有一個共用的讀出線與上述觸摸傳感 器的上述一個列相電耦合，并且有一個共用的傳感線與上述觸摸傳感器的上述一 個行相電耦合。
16： 一種用于探測人類使用者的手動觸摸并能激活一個被控裝置的低阻抗 觸摸傳感器，上述觸摸傳感器包括： 一個電介質(zhì)載體； 一個設(shè)置在上述載體上的第一薄導(dǎo)電電極墊，它具有閉合、連續(xù)的幾何形狀。 其面積可被人類肢體的一部分基本覆蓋； 一個設(shè)置在上述載體上的第二薄導(dǎo)電電極，它與上述第一電極的關(guān)系是有間 隔的、并基本包圍著上述第一電極的； 一個設(shè)置在上述載體上鄰近于上述第一和第二電極，并與上述第一和第二電 極相電耦合的有源電元件；以及 一個含有第一表面和對面的第二表面的電介質(zhì)基底，上述電介質(zhì)載體設(shè)置在 上述電介質(zhì)基底的上述第一表面上，使人類對上述基底的觸摸將激活被控裝置。
17： 根據(jù)草支墊16的設(shè)備，其中上述基底的上述第一表面是一個非觸 摸表面，上述基底的上述第二表面是一個觸摸表面，上述電介質(zhì)載體設(shè)置在上述 基底的上述第二表面上。
18： 一種用于探測人類使用者的手動觸摸并能激活一個被控裝置的低阻抗 觸摸傳感器，上述觸摸傳感器包括： 一個電介質(zhì)基底，它具有基本均勻的厚度，含有第一表面和對面的第二表面； 一個設(shè)置在上述基底的上述第一表面上的第一薄導(dǎo)電電極墊，它具有閉合、 連續(xù)的幾何形狀，其面積可被人類肢體的一部分基本覆蓋； 一個設(shè)置在上述基底的上述第一表面上的第二薄導(dǎo)電電極，它與上述第一電 極墊的關(guān)系是有間隔的、共平面的、并基本包圍著上述第一電極墊的；以及 一個設(shè)置在上述基底的上述第一表面上的晶體管，它設(shè)置在上述第一和第二 電極附近，并與上述第一和第二電極相電耦合，使人類對上述基底的觸摸將激活 被控裝置。
19： 根據(jù)草支墊18的設(shè)備，其中上述晶體管是一個PNP晶體管。
20： 根據(jù)草支墊18的設(shè)備，它還含有一個設(shè)置在上述基底的上述第一 表面上的電阻，它有電耦合地位在上述第一和第二表面之間。
21： 根據(jù)草支墊18的設(shè)備，它還含有一條設(shè)置在上述基底的上述第一 表面上接近于上述第一和第二電極處的傳感線。
22： 根據(jù)草支墊18的設(shè)備，其中上述晶體管有一個基極、一個集電極 和一個發(fā)射極，上述晶體管基極連接在上述第一電極上，上述晶體管集電極連接 在上述傳感線上，以及上述晶體管發(fā)射極連接在上述第二電極上。
23： 根據(jù)草支墊18的設(shè)備，其中有多個上述觸摸傳感器設(shè)置在上述基 底的上述第一表面上。
24： 根據(jù)草支墊21的設(shè)備，其中上述觸摸傳感器在上述傳感線上產(chǎn)生 一個表明上述觸摸傳感器狀態(tài)的探測信號。
25： 根據(jù)草支墊24的設(shè)備，其中當上述基底被上述使用者的上述肢體 部分觸摸時上述探測信號的電平發(fā)生改變。
26： 多個用于探測人類使用者的手動觸摸并能激活一個被控裝置的觸摸墊， 上述觸摸墊包括： 一個電介質(zhì)基底，其厚度基本均勻，它含有第一表面和對面的第二表面； 一個第一薄導(dǎo)電電極墊，它有一個周邊邊緣，設(shè)置在上述基底的上述第一表 面上，它具有閉合、連續(xù)的幾何形狀，其面積可被人類肢體一部分基本覆蓋；以 及 一個設(shè)置在上述基底的上述第一表面上的第二薄導(dǎo)電電極，它與上述第一電 極的關(guān)系是有間隔的，上述第二電極在有一個相鄰觸摸墊的周邊邊緣上包圍著上 述第一電極。
27： 根據(jù)草支墊26的設(shè)備，它還含有一個設(shè)置在上述基底的上述第一 表面上并與上述第二電極相電耦合的讀出線。
28： 根據(jù)草支墊27的設(shè)備，其中有一個讀出信號被施加在上述讀出線 上，以在上述第一和第二電極之間產(chǎn)生一個電場。
29： 根據(jù)草支墊28的設(shè)備，其中上述電場是與由各相鄰觸摸墊所產(chǎn)生 的電場相背向的。
30： 根據(jù)草支墊26的設(shè)備，它還含有一條設(shè)置在上述基底的上述第一 表面上接近于上述第一和第二電極處的傳感線，上述觸摸傳感器在上述傳感線上 產(chǎn)生一個探測信號。
31： 根據(jù)草支墊26的設(shè)備，其中上述基底的上述第一表面是一個非觸 摸表面，上述基底的上述第二表面是一個觸摸表面。
32： 多個用于探測人類使用者的手動觸摸并能激活一個被控裝置的觸摸墊， 上述觸摸墊包括： 一個電介質(zhì)載體； 一個帶有一個周邊邊緣并設(shè)置在上述載體上的第一薄導(dǎo)電電極墊，它具有閉 合、連續(xù)的幾何形狀，其面積可被人類肢體的一部分基本覆蓋； 一個設(shè)置在上述載體上的第二薄導(dǎo)電電極，它與上述第一電極的關(guān)系是有間 隔的，上述第二電極在帶有一個相鄰觸摸墊的周邊邊緣上包圍著上述第一電極； 以及 一個具有第一表面和對面的第二表面的電介質(zhì)基底，上述載體設(shè)置在上述基 底的上述第一表面上，使人類對上述基底的觸摸將激活被控裝置。
說明書
電容性觸摸傳感器
本發(fā)明涉及一種觸摸面板系統(tǒng)，較具體地，涉及一種附著在一個基底的一側(cè)的觸摸傳感器，它用于探測使用人對該基底另一側(cè)的觸摸。
觸摸面板用于各種應(yīng)用場合，以取代普通的機械開關(guān)，例如廚房用爐、微波爐等等。觸摸面板與機械開關(guān)不同，它不含有會斷裂或磨損的運動元件。與一個基底一起使用的機械開關(guān)需要基底上有某種形式的開口，以安裝該開關(guān)。這些開口和開關(guān)本身的開口使塵土、水和其他污染物得以穿過基底，或者被捕獲在開關(guān)內(nèi)。某些環(huán)境中含有大量的污染物，它們能穿過基底開口，引起基底后面的元件短路或損壞。然而，觸摸面板可以在基底中沒有任何開口的情形下制作在一個連續(xù)的基底片上。而且，由于觸摸面板沒有易于集中塵土和其他污染物的開口和空洞，所以它很容易清潔。
現(xiàn)有觸摸面板的設(shè)計是在基底的兩側(cè)都有觸摸墊電極，也就是在基底的“前”表面和“后”表面都附著有電極。典型的情況是在基底的前表面附著一個氧化錫銻(TAO)電極，在后表面附著有一些附加的電極。當使用人觸摸TAO電極時該觸摸墊被激活。這種設(shè)計使TAO電極易于被例如劃傷、清洗溶劑和有腐蝕性的清洗墊等所損壞。此外，TAO電極增加了觸摸面板的成本和復(fù)雜性。
已有的觸摸面板往往采用高阻抗設(shè)計，這在基底上有水或呈其他液體的情況下可能造成觸摸面板工作失常。這對于通常存在有液體地地方，例如廚房，會造成問題。由于觸摸墊的阻抗比水高，所以對于內(nèi)觸摸墊所產(chǎn)生的電場，水將起導(dǎo)體的作用。于是電場走向?qū)⒀刂钚∽杩梗此穆窂?。還有，由于高阻抗設(shè)計，靜電也可能會導(dǎo)致觸摸板工作失常。觸摸墊的高阻抗阻止了靜電的快速消散。
現(xiàn)有的觸摸面板設(shè)計還存在著與各觸摸墊之間的互相串擾有關(guān)的問題。當一個觸摸墊所產(chǎn)生的電場與相鄰觸摸墊所產(chǎn)生的電場互相干擾時將出現(xiàn)串擾，造成錯誤的激活，例如激活不該激活的觸摸墊，或者同時激活兩個觸摸墊。
已有的觸摸面板設(shè)計采用各個無源的觸摸墊。在各觸摸墊近鄰處沒有有源元件。其中是用導(dǎo)線把各個無源的觸摸墊連接到有源的探測電路上去的。隨著各觸摸墊相對于探測電路的位置不同，各條觸摸墊引線有不同的長度。還有，隨著引線路徑的不同，各條引線有不同的形狀。引線長度和形狀的不同使得各條引線上的信號電平有不同程度的衰減。例如，一條長而有許多拐角的引線可以比一條短而拐角較少的引線造成大得多的探測信號衰減。因此，探測電路從不同觸摸墊所接收到的信號有很大的不同。從而，探測電路必須設(shè)計得能夠補償大的信號電平差異。
許多已有的觸摸面板采用了接地機構(gòu)，例如在每個觸摸墊的緊鄰處采用一個接地環(huán)。這些接地機構(gòu)意味著必須在每個觸摸墊附近放置和粘著一些額外的元件，從而增加了觸摸面板的復(fù)雜性。而且，某些接地機構(gòu)對各個觸摸墊需要有不同的結(jié)構(gòu)，以使到達探測電路的信號電平差異最小。因此，為了設(shè)計各種接地機構(gòu)需要額外的設(shè)計時間。
本發(fā)明通過提供一種只附著在電介質(zhì)基底的一側(cè)的有源、低阻抗觸摸傳感器，解決了上述與現(xiàn)有觸摸面板設(shè)計相關(guān)的問題。本發(fā)明的觸摸傳感器有一個第一導(dǎo)電電極墊和一個以有間隔方式基本包圍著第一電極的第二導(dǎo)電電極。第一電極墊具有閉合連續(xù)的幾何形狀，其面積可向人類肢體的一部分提供實用的觸摸范圍。兩個電極都附著在基底的同一表面上。緊鄰著兩個電極放置了一個有源電元件。
本發(fā)明的觸摸墊可以代替現(xiàn)有觸摸墊或普通開關(guān)使用。當使用人用其肢體的一部分，例如一個指尖，觸摸該基底時，觸摸墊就被激活。這種觸摸墊可以用來接通或斷開一個裝置、調(diào)節(jié)溫度、設(shè)定一個時鐘或計時器，或者實現(xiàn)普通開關(guān)所執(zhí)行的任何其他功能。除了解決與現(xiàn)有觸摸墊設(shè)計有關(guān)的問題之外，本發(fā)明對于現(xiàn)在采用薄膜型開關(guān)的應(yīng)用，例如復(fù)印機和傳真機，是特別有用的。本發(fā)明的觸摸墊設(shè)計在基底上存在液體時以及存在靜電時都能正常工作。本觸摸墊非常適用于廚房或通常存在有水、油脂和其他液體的環(huán)境，例如用作烤爐、電爐和內(nèi)設(shè)炊具等的控制面板。
在優(yōu)選形式中，觸摸墊電極附著在基底的背面?；椎谋趁嫖挥?ldquo;前”表面或“觸摸”表面的對面，因此這防止了使用人與電極相接觸。由于觸摸墊不位在基底的前表面上，所以它不會被劃痕、與基底前表面相接觸的清潔液或任何其他污染物所損壞。而且，由于在基底的前表面上不需要TAO墊，所以該觸摸面板的成本和復(fù)雜性也都減小了。
在優(yōu)選的形式中，有一條讀取線連接到外電極上，并向外電極傳送一個讀取信號。施加給讀取線的讀取信號在外電極和中央電極之間產(chǎn)生一個電場。兩個電場路徑是互相相背的，由此減少了相鄰觸摸墊之間發(fā)生串擾的可能性。電場路往的形狀是弧形的，并且延伸得穿過基底并經(jīng)過前表面?；咨相徑|摸墊處附著有一條傳感線，它把來自觸摸墊的探測信號傳送給一個峰值探測電路。當基底被一個使用人觸摸時，探測信號的電平將發(fā)生變化。
在優(yōu)選形式中，在每個觸摸墊處有一個有源電元件，例如一個安裝在表面的晶體管。該晶體管最好連接在各個觸摸墊的傳感線、中央電極、和外電極之間。該晶體管的作用是放大和緩沖觸摸墊處的探測信號，以此來減少由于引線長度和引線路徑的不同所造成的各個觸摸墊之間的信號電平差異。因此，從一個觸摸墊到另一個觸摸墊的電壓值差別大為降低，得到所有觸摸墊之間的更為一致的探測電壓。
多個觸摸墊可以以矩陣的形式排列在基底上。利用矩陣布局，讀取信號可以施加給觸摸墊的某一個特定列，而傳感線則監(jiān)測觸摸墊的某一個特定行。通過給觸摸墊的某一列施加讀取信號，并監(jiān)測觸摸墊某一行的傳感線，便可以選出一個特定的觸摸墊。
圖1示出當除去晶體管和電阻時從基底后表面看去的本發(fā)明觸摸墊；
圖2是當除去晶體管和電阻時觸摸墊和基底的側(cè)視橫截面圖；
圖3是與圖1相同的圖，但已附著有晶體管和電阻；
圖4是與圖2相同的圖，但已附著有晶體管和電阻；
圖5是圖3所示觸摸墊的電原理圖；
圖6示出當除去晶體管和電阻時從基底后表面看去的根據(jù)本發(fā)明的觸摸墊矩陣。
圖7是附著在一個基底上的三個相鄰觸摸墊的側(cè)視橫截面圖；
圖8示出讀取信號的波形；
圖9示出傳感線上探測信號的波形；
圖10示出當觸摸墊未被觸摸時峰值探測器輸出信號的波形；
圖11示出當使用人觸摸觸摸墊時峰值探測器輸出信號的波形；
圖12是觸摸墊矩陣控制電路的方框圖；
圖13是圖11所示峰值探測器電路的電原理圖；以及
圖14A和14B示出詳細說明微處理器在監(jiān)測觸摸墊矩陣時的工作的流程圖。
參見圖1，那里示出一個觸摸墊被附著在一個電介質(zhì)基底10上?；?0有基本均勻的厚度，它能由任何類型的電介質(zhì)材料來制作，例如玻璃、陶瓷、或塑料。在優(yōu)選實施例中，基底10由玻璃制成，均勻的厚度約為3mm?；?0的厚度視具體的應(yīng)用可有所改變，例如在需要額外強度時可使用較厚的基底。當基底10由玻璃制成時，它可以薄到約1.1mm，厚到約5mm。當基底10由塑料制成時，它的厚度可以薄于1mm，與塑料薄膜開關(guān)中使用的材料類似。薄的基底10可以使觸摸墊被帶手套或兩指手套的使用人操作。
基底10有一個前表面12和一個后表面14(如圖2所示)。使用人通過觸摸基底10的前表面12來激活觸摸墊。觸摸墊含有一個薄的導(dǎo)電中央電極墊16和一個薄的、基本上包圍著中央電極的導(dǎo)電外電極18。在中央電極16和外電極18之間有一個通道20。電極16和18的布置使得通道20的寬度基本均勻。
中央電極16的大小最好使得當它被使用人的指尖或肢體其他部分觸摸時，電極基本上被覆蓋。
在優(yōu)選實施例中，中央電極16是方形的，外電極18是與中央電極形狀相應(yīng)的方形。不過，應(yīng)該理解，中央電極也可以采用其他各種閉合、連續(xù)的幾何形狀，可以舉出的非限制性的例子有：長方形、梯形、圓、橢圓、三角形、六邊形和八邊形等。不論中央電極16的形狀如何，外電極18總是基本上以保持一定間隔的方式包圍著中央電極，從而通道20的寬度總的來說是均勻的。
中央電極16最好是一個實心的導(dǎo)體。然而，中央電極16也可以含有多個開孔，或者具有網(wǎng)格或柵格圖案。重要的是，中央電極16應(yīng)該具有多個基本上位于同一平面內(nèi)的，電位相同的電接觸點。
如圖1所示，有一條讀出線22連接在外電極18上。讀出線22向外電極18提供一個讀出信號(示于圖8)。在本優(yōu)選實施例中，讀出信號是一個頻率在100KHz和200KHz之間的在、0V和+5V之間振蕩的方波。或者，隨著所用探測電路的不同，讀出信號的頻率也可以小于100KHz或大于200KHz。此外，根據(jù)從被控制裝置容易得到的電壓大小，讀出信號的振蕩幅度范圍也可以在0V和+3V、0V和+12V、0V和+24V、-5V和+5V之間，或者是任何其他的范圍。
讀出信號有一個陡銳的上升沿(示于圖8)，它在外電極18和內(nèi)電極16之間產(chǎn)生一個電位差。電極16和18之間的電位差在兩電極間產(chǎn)生一個弧形電場，如圖2中的虛線所示。該電場穿越基底10并通過前表面12。
雖然在圖2中沒有示出，但電極16和18之間的電場還有一個類似的弧形路徑，它不是穿越基底，而是沿背離基底的方向延伸。這個路徑是圖2虛線所示路徑的鏡象，它不是向上延伸而是向下延伸。
如圖2所示，所產(chǎn)生的兩個電場是互相相對的。例如，圖2所示的兩個電場路徑從電極18上觸摸墊的相對兩側(cè)處出發(fā)。由于兩個電場路徑都終止于中央電極16，所以兩個路徑是互相迎面走向的。這樣，所有的電場路徑都從外電極18出發(fā)，并向著中央電極16向內(nèi)走向。
再次參閱圖1，在基底10上鄰近外電極18處附著有一條傳感線24。傳感線24把來自觸摸墊的探測信號傳送到下面要討論的探測電路的其余部分。
如圖3所示，在觸摸墊上連接有一個表面敷設(shè)晶體管26和一個表面敷設(shè)電阻28。電阻28連接在中央電極16和外電極18之間。在本優(yōu)選實施例中，電阻28的阻值是10KΩ，由此為觸摸墊提供了一個比較低的放電輸入阻抗。
晶體管26連接在中央電極16、外電極18和傳感線24之間。在本實施例中，晶體管26是一個PNP晶體管，例如2N3086。晶體管26的基極連接在內(nèi)電極16上，晶體管26的發(fā)射極連接在外電極18上，晶體管26的集電極連接在傳感線24上。晶體管26直接在觸摸墊上對探測信號提供放大和緩沖?；蛘撸部梢允褂靡粋€NPN晶體管、MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管)、或其他可觸發(fā)的有源電元件來代替PNP晶體管。
圖5示出關(guān)于晶體管26和電阻28連接到觸摸墊上的一個原理性模型。在圖5中，電極16和18之間的電容性耦合被表示成一個電容，電阻28與該電容相并聯(lián)。電阻28的作用是使電極16和18所形成的電容放電。電容27代表寄生電容和使用人的觸摸后果。電容21代表讀出線22上的寄生電容。電容23代表傳感線24上的寄生電容?？梢杂秒娮?5來補償各不同晶體管之間的β值(放大率)差異和補償由溫度引起的晶體管工作特性差異。不過，在本優(yōu)選形式中，電阻25的值是0Ω，也就是沒有使用電阻25。
在本優(yōu)選實施例中，電極16和18、讀出線22、和傳感線24是附著在一個柔性載體上的，該載體由諸如Consolidated Graphics NO.HS-500,Type561,Level 2,0.005 inches thick(Consolidated Graphics，代號Hs-500，型號561，等級2，厚度0.005英寸)這樣的聚脂材料做成。電極16和18、讀出線22、和傳感線24用例如Acheson No.427SS,0.5 mills thick(Acheson，代號427SS,0.5毫英寸厚)這樣的導(dǎo)電銀墨汁形成。然后在各電極和引線上附著晶體管26和電阻28。在各電極和引線上面敷設(shè)了一個電介質(zhì)層，以保護導(dǎo)電表面。該電介質(zhì)最好是Acheson No.ML 25089,1.5 mills thick(Acheson，代號ML25089,1.5毫英寸厚)。然后用諸如3M No.467(3M，代號467)的膠把柔性載體粘結(jié)在基底10上。柔性載體可以彎曲或扭曲，以適配基底10的形狀。
另外的做法是，可以直接把電極16和18、讀出線22、和傳感線24附著在基底10上。然后把晶體管26和電阻28附著在電極16和18以及傳感線24上。
參見圖6，那里在基底10上附著了一個觸摸墊矩陣。該矩陣中的每個觸摸墊都與上面討論的單個觸摸墊有相同的構(gòu)造。而且，如前所述，每個觸摸墊都含有一個晶體管26和一個電阻28。這些觸摸墊按各行和各列排列，并附著在基底10上。在每個特定到上的各個觸摸墊都連接在一條共同的讀出線22上。在每個特定行上的各個觸摸墊都連接在一條共同的傳感線24上。這樣，不會有兩個觸摸墊連接在讀出線22和傳感線24同樣的組合上。
盡管圖6示出了觸摸墊矩陣的一個特定的排列，但必須理解，根據(jù)具體的應(yīng)用，任意數(shù)目的觸摸墊可以以任何圖案排列。各觸摸墊不一定要按行和列來排列。各觸摸墊也可以在基底上隨機地布置，或者以圓形式對角線形式排列。在一個基底上可以附著的觸摸墊數(shù)目僅僅受該基底尺寸的限制。
參見圖7，那里示出在基底10上附著了三個相鄰的觸摸墊。與各個觸摸墊相對應(yīng)的電場用虛線示出。如前面對單個觸摸墊所說明的那樣，電場路徑從外電極18出發(fā)，沿著弧形路徑向外穿過基底10，并返回到中央電極16。由于由各個觸摸墊所產(chǎn)生的電場都指向觸摸墊的中央，所以各相鄰觸摸墊的電場是互相相背的，也即沿著相反的方向走向。這樣，相鄰觸摸墊之間的串擾機會被減少了。
在另一個實施例中，外電極18不基本上包圍著中央電極16。電極16和18布局的一個重要特征是能產(chǎn)生相背的電場。這樣，當存在一個相鄰的觸摸墊時，唯一需要的是一個相背的電場。例如，如果要在一個基底上一直線地安排三個觸摸墊，則外電極18要位在各相鄰觸摸墊之間。如果三個觸摸墊的中間那個在其左側(cè)和右側(cè)都有相鄰的觸摸墊，則外電極18應(yīng)位在中間觸摸墊的左側(cè)和右側(cè)。然而，因為沒有相鄰的觸摸墊位在中間觸摸墊的上方或下方，所以在中間觸摸墊的上方或下方?jīng)]有串擾的可能。因此，在中間觸摸墊的上方或下方不需要外電極18。類似地，由于三個觸摸墊布局中兩端的那兩個觸摸墊僅僅在其一側(cè)有一個相鄰的觸摸墊，所以只需要在有相鄰觸摸墊的那一側(cè)有外電極18。
參見圖12，那里顯示出一個用于觸摸墊矩陣的控制電路的方框圖。一個振蕩器30在線32上產(chǎn)生一個起讀出信號作用的方波。一個選通器34接收來自振蕩器30的讀出信號。一個微處理器36，例如Motorola Mc68HC05P9，在線38上產(chǎn)生讀出地址，提供給選通器34。讀出地址使選通器34從幾條接收讀出信號的輸出線中選出一條。選通器34的每條輸出線都連接到觸摸墊矩陣的一個特定列的一條讀出線22上。這樣，振蕩器30的輸出通過選通器34被連接到觸摸墊矩陣一個特定列的讀出線22上。
微處理器36還在線48上產(chǎn)生一個傳感地址，提供給分路器46。傳感地址使分路器46從幾條要被作為傳感線監(jiān)測的輸入線中選出一條。每條輸入線代表觸摸墊矩陣某一特定行的傳感線24。這樣，通過“讀出”一個觸摸墊列，同時“傳感”一個觸摸墊行，就可以有選擇地監(jiān)測矩陣中的一個特定的觸摸墊。或者，觸摸墊矩陣也可以布局得使監(jiān)測是通過“讀出”一個觸摸墊行和“傳感”一個觸摸墊列來完成的。
由分路器46選出的傳感線24通過線50連接在一個峰值探測器和放大器電路52上。電路52的輸出通過線54提供給微處理器36。微處理器36中運行的算法根據(jù)從電路52接收到的信號，確定被控制的裝置58是應(yīng)該激活、消激活、還是調(diào)整。
圖13所示的峰值探測器和放大器電路既可用于單個觸摸墊設(shè)計，也可用于多觸摸墊設(shè)計，例如觸摸墊矩陣。圖13的左半部分代表峰值探測器電路，右半部分代表放大器電路。探測信號由傳感線24傳送給運算放大器64的非反相輸入端。在傳感線24和地之間連接有一個電阻62。電阻62的值最好是10KΩ。在+5V和運算放大器64的輸出端之間連接有一個提壓電阻66。在本優(yōu)選實施例中電阻66的值為10KΩ。運算放大器64的輸出端通過二極管67 連接到運算放大器64的反相輸入端上。在地和運算放大器64的反相輸入端之間并聯(lián)著一個電阻68和一個電容70。運算放大器64和72最好是LM339型的。
運算放大器72的非反相輸入端接收來自峰值探測電路的輸出信號。在+5V和運算放大器72的輸出端82之間連接有一個提壓電阻74。在本優(yōu)選實施例中，電阻74的值是10KΩ。輸出端82通過一個電阻78連接到運算放大器72的反相輸入端上。在運算放大器72的反相輸入端和地之間連接有一個電阻76。在輸出端82和地之間連接有一個電容80。
電阻76和78的值確定了該放大器電路的放大率。在本優(yōu)選實施例中電阻76的值為66KΩ，電阻78的值為100KΩ。如熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人們所知，如果希望有不同的放大率，可以給電阻76和78取不同的值。此外，也可以采用不需要在峰值探測器的輸出端上連接放大器的探測電路。熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人們應(yīng)該知道這種探測電路。
工作中，當使用人觸摸了基底10時觸摸墊就被激活。觸摸墊能夠探測到指尖或者可以使電場受到足夠擾動的其他肢體部分，如指關(guān)節(jié)、手掌或肘部的觸摸。
圖8所示的讀出信號被施加到與外電極18相連接讀出線22上。讀出信號的上升時間最好為7ns左右。不過，直到110ns的上升時間也可以采用。較快的上升時間，例如7ns，將提供較低的輸入阻抗，因此是首先考慮的。如前所述，讀出信號在觸摸墊處產(chǎn)生一個電場。當基底10未被觸摸時，傳感線24上呈現(xiàn)圖9所示的波形。每一個讀出信號脈沖的上升沿都使晶體管26導(dǎo)通，使晶體管有基極電流流動。然后由電極16和18所形成的電容通過電阻28放電，直到下一個脈沖來到。
晶體管26的基極電流由公式IB=C(dV/dT)確定，其中IB是基極電流、C是觸摸墊的電容、dV/dT是電壓隨時間的變化。電壓隨時間的變化是由振蕩的讀出信號的電平改變造成的。當使用人觸摸由電極16和18所組成的觸摸墊時，觸摸墊電容的電荷減少，而寄生電容27的電荷增加。
晶體管26放大和緩沖每個觸摸墊處的探測信號。這減少了由于不同的引線長度和引線路徑所造成的各個觸摸墊之間的信號電平差別，通過提供更為一致的探測信號電平，便有可能在保持信號電平在0V和+5V之間的同時有較大的放大率。
圖9所示的波形被施加給圖13所示的峰值探測器電路。未被觸摸時的峰值探測器輸出如圖10所示。當被使用人觸摸時峰值探測器的輸出如圖11所示。如圖10和11所示出的，兩個波形的形狀相同，但幅度不同。于是，當使用人觸摸觸摸墊時，峰值探測器的輸出將發(fā)生改變。
當采用觸摸墊矩陣時，使用一個控制電路(如圖12所示)來有選擇地監(jiān)測矩陣中的每個觸摸墊。微處理路36通過分別向選通器和分路器輸送適當?shù)淖x出地址和傳感地址，依次地選出各個讀出線22和各個傳感線24。每條傳感線24都被峰值探測器52監(jiān)測，后者放大探測信號并把它傳送給微處理器36。
圖14a和14b示出一個用來監(jiān)測觸摸墊矩陣的程序的流程圖。該程序每次監(jiān)測一個觸摸墊，并依次地掃描矩陣中所有的觸摸墊。當接收到一個中斷時，該程序便從步驟100開始，步驟102檢驗系統(tǒng)是否是剛被接通(冷起動)。如果系統(tǒng)是冷起動，則步驟104使所有變量初始化，步驟106使讀出計數(shù)器和傳感計數(shù)器復(fù)零。
如果系統(tǒng)不是冷起動，則步驟108提取探測信號電平。接著，步驟110確定平均值是否已經(jīng)初始化。對于每個觸摸墊都已經(jīng)存儲了一個平均電平，以確定平均“未觸摸”探測信號電平。
如果平均值已經(jīng)初始化了，則程序跳至步驟114以確定平均探測信號電平和當前探測信號電平之間的差值。如果平均值還沒有被初始化，則當前探測信號電平就作為正在被監(jiān)測的那個特定觸摸墊的平均值存儲起來。
在步驟116中，如果當前探測信號電平低于平均值，則程序分路到步驟128。在步驟128中，如果設(shè)置了平均旗標，則減小平均旗標。平均旗標指明是否要對一個特定信號取平均。因為只有“未觸摸”信號需要平均，所以僅當傳感到“未觸摸”情況時才設(shè)置平均旗標。減小了平均值之后，在步驟126中把觸摸墊狀態(tài)設(shè)置為不激活(未觸摸)。
在步驟116中，如果當前探測信號電平不小于平均值，則步驟118確定其差值是否大于一個預(yù)定的設(shè)置點。該設(shè)置點是一個差值電平閾值，要指明“觸摸”狀態(tài)必須達到這個閾值。如果該差值大于設(shè)置點，則步驟120把觸摸墊的狀態(tài)設(shè)置為激活(觸摸)。
如果步驟118中的差值不大于設(shè)置點，則程序分路到步驟122，以確定是否設(shè)置了平均旗標。如果沒有設(shè)置平均旗標，則程序分路到步驟126并把觸摸墊狀態(tài)設(shè)置為不激活(未觸摸)。如果設(shè)置了平均旗標，則在步驟124中增加平均值，然后在步驟126把觸摸墊狀態(tài)設(shè)置為不激活。
在步驟132中，本程序確定是否正在傳感最后一條讀出線。如果當前正在傳感的讀出線不是最后一條讀出線，則在步驟134使讀出指針增加1，并跳至步驟158，在那里選擇一個新的讀出地址和傳感地址。如果當前正在傳感的是最后一條讀出線，則在步驟136中使讀出指針復(fù)零。在步驟138中，本程序確定當前的傳感線是否是最后一條傳感線。如果不是，則步驟140使傳感指針增加1，并跳至步驟158。
如果當前的傳感線是最后一條傳感線，則已經(jīng)完成了對矩陣的全部掃描，于是在步驟142中使傳感指針復(fù)零。步驟144清除平均旗標，步驟146使平均旗標計數(shù)器增加1。如果步驟148確定平均旗標計數(shù)器還未滿，則程序分路到步驟154。如果平均旗標計數(shù)器已滿，則在步驟150使該計數(shù)器復(fù)零，并在步驟152設(shè)置平均旗標。
在步驟154，把正在監(jiān)測的觸摸墊的狀態(tài)從微處理器輸出給其余的控制電路。步驟156復(fù)零所有的變量，使程序從矩陣的始端開始掃描。在所有的變量都被復(fù)零之后，步驟158選擇準備要監(jiān)測的新的讀出線和傳感線。步驟160使程序返回到步驟100，以等待下一次的中斷。
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