專利名稱:電容開關的制作方法
本發(fā)明涉及的是電容開關。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一個電容開關包括置于一絕緣材料層的一個表面之上或附近的一個第一電極，以及置于該絕緣材料層的與第一電極相對的一側之上并與第一電極重疊的一個第二電極和導電墊，上述第一和第二電極以及導電墊被排列成能使該開關在第一和第二狀態(tài)之間進行切換，在上述的一種狀態(tài)下，第一和第二電極間的信號傳輸因數(shù)顯著地不同于在上述兩種狀態(tài)中的另外一種狀態(tài)下的信號傳輸因數(shù)。
導電墊與第二電極可以并行排列并在其間保留一狹縫，也可以相互重疊并在其間夾上另外一層絕緣材料。通過直接線路和導電墊，第一和第二電極之間電容偶合的適當平衡可通過對各個電極之間的重疊區(qū)(A)，各個電極之間的距離(d)和/或各個電極間絕緣層的絕緣常數(shù)(K)進行恰當?shù)恼{整而實現(xiàn)。
比例(導電墊與第一電極的AK/d)/(第一電極與第二電極的AK/d)其較為可取的比值為8∶1或更大，而更好是達到40∶1的比值。通過將導電墊和第一電極制成基本相同的尺寸但以8∶1或更大的比例縮小第二電極的寬度，便可很容易地得到理想的比值。
導電墊和第一電極之間的直接電容偶合最好與導電墊和第二電極之間的直接電容偶合為同一數(shù)量級，而電容偶合的比值最好是在1∶2和2∶1之間。
可以將導電墊制成與第一和第二電極均保持固定的關系。通過這種安排，第一電極經導電墊與第二電極實現(xiàn)電容偶合，這樣當一個電負載被施加到導電墊上時，例如，通過直接地或電容性地接觸或使該導電墊接地，經過導電墊的偶合即被有效地阻斷。結果，第一電極與第二電極之間的電容偶合將顯著減小。如果對上述任意一個電極施加一個讀出信號，這種電容變化會導致另一電極上輸出信號的幅值變化。而這種幅值的變化可以被檢測出來并用于切換的目的。
在一種變更方案中，導電墊與開關啟動人及地面隔離，但采用彈性安裝，這樣它可向第一電極移動從而啟動該開關。采用這種安排，當導電墊向第一電極移動時，第一電極通過導電墊與第二電極的偶合將增加。其結果是在啟動開關時，該開關的有效電容將顯著地增加，并在輸出信號中產生相應地變化，這種變化仍可被檢測出來，并用于切換的目的。
較為可取的是，在開關的啟動與未啟動狀態(tài)之間，該開關的信號傳輸因數(shù)至少變化一個因數(shù)二。
具有上述結構的電容開關特別適用于形成開關矩陣。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，一個電容開關矩陣包括復數(shù)個如上文所述的開關，每一開關的絕緣層均由一個共同的絕緣板構成，在該板上形成的開關彼此隔開。
較為可取的是，電容開關排列成m列，每列n個開關。每一列中所有開關的第二電極可由一共同的導電條構成，并且每一列中均有一個開關的第一電極是由一個共同的導電條構成按照這種方式，整個開關矩陣的第二電極由m個導電條形成，而第一電極由n個導電條形成，這些導電條的安排使每一開關均具有一個第一和第二電極的唯一個組合。例如，構成第二電極的導電條可以是互相平行，并且與構成第一電極的導電條形成直角。
以上所述的開關矩陣可以按英國專利2059657B中公開的方式多重應用。
如果上述開關或開關矩陣的導電墊、第一、第二電極以及絕緣料料層是用透明材料制成的，該開關可與英國專利2002522B中公開的顯示器結合在一起。較為可取的是，所采用的顯示器應包括置于一對電極或幾組電極之間的一個顯示介質，該顯示介質對于在電極之間建立起的一個電場進行反應，從而做出顯示。這類顯示器包括直流場致發(fā)光顯示器，交流場致發(fā)光顯示器、液晶顯示器、等離子顯示器、電色層(electrochromic)顯示器以及電泳顯示器。這些顯示器可以被安裝成能夠提供處于關或開狀態(tài)的一種固定顯示，或者另外可以是一種可變顯示，該可變顯示可由開關的啟動或由例如開關矩陣中其它開關的啟動而改變其狀態(tài)。利用這些顯示器，置于顯示器之前的透明電極可被用作為電容開關的第一電極。每個第一電極可由復數(shù)個顯示電極構成，其條件是為了開關的檢測目的，所有這些顯示電極可被共同尋址。當顯示電極被用作第一電極時，將這些電極用作讀出電極是有利的，這樣，顯示驅動電路便可被用于向電極施加一個讀出信號。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案，一個電容開關/顯示單元包括如上文所述的一個電容開關或電容開關矩陣，上述電容開關或電容開關組的元件用透明材料制成，一個顯示介質被置于該第一電極或每一第一電極的后表面上，并且一個顯示電極被置于顯示介質的后表面上與該電容開關或每一電容開關處于重疊狀態(tài)。
通常，上述類型的顯示器應配有一個覆蓋在顯示器前部的透明罩，例如一個玻璃板。因此根據(jù)本發(fā)明，電容開關顯示單元可通過在予制好的顯示單元上加上一個透明外罩而制成。這一外罩包括一個或多個導電墊以及與固定在一個透明介電或絕緣層上的該或每個導電墊相對應的一個第二電極?；蛘?，導電墊和第二電極可直接在一個已有的顯示單元的前罩上面制成。
然后，顯示器的前罩和前部電極將提供該開關或開關組的其余的構件。當電容開關/顯示單元形成一個矩陣時，顯示器可按與電容開關類似的方式多重應用。
對于本發(fā)明的不同的實施方案，在此將僅通過舉例的方式并參照附圖予以說明，在附圖中圖1用圖解的方式顯示了根據(jù)本發(fā)明而制成的一個觸摸開關;
圖2所示為圖1中顯示的開關的等效電路圖;
圖3和圖4通過剖面圖顯示了根據(jù)本發(fā)明而制成的觸摸開關的不同結構;以及圖5以圖解的方式顯示了根據(jù)本發(fā)明一個觸摸開關/顯示矩陣的局部。
在圖1中，導電材料的觸摸墊10被置于諸如玻璃或塑料的絕緣材料層11的前表面上。一個其面積比觸摸墊10小得多的狹窄導電條檢測電極12被置于絕緣材料層11的后表面上，或被置于絕緣材料層13的前表面上。一個其面積與觸摸墊10近似大小的導電讀出電極14在絕緣層13的后表面上形成。電極10、12、14互相重疊。讀出電極14上(如圖2所示)有一個將其與電路連接的連線15，通過該電路、電脈沖信號“讀出”可被施加在讀出電極上。
當觸摸墊10未被施加電負載時，檢測電極12直接地并同時也通過觸摸墊10與讀出電極14實現(xiàn)電容偶合，如圖2所示。檢測電極12與觸摸墊10和讀出電極14相關的面積，以及絕緣層11和13的厚度和介電常數(shù)被選定為能夠使讀出電極14和檢測電極12之間經過觸摸墊10而達到的電容值，即(C2C3)/(C2+C3)至少要達到讀出電極14和檢測電極12之間直接電容C1的數(shù)量級，在這種情況下，開關的有效電容為
CE=C1+ (C2C3)/(C2+C3)當觸摸墊10被人觸摸時，在其上的電負載有效地中斷了電極14通過觸摸墊10與檢測電極12的偶合。開關的有效電容變?yōu)镃E＝C1在典型情況下，觸摸墊10和讀出電極14為12.7mm×9.525mm，檢測電極12為1.0mm×12.7mm，絕緣層11和13為介電常數(shù)是7.5的玻璃板，厚度分別為0.5mm和3mm。已發(fā)現(xiàn)，具有這種結構的開關，在未被施加負載的情況下，其有效電容CE為1.6PF，而當觸摸墊10被施加了一個負載時，該有效電容降至0.8PF。
當觸摸墊10被加以負載時電容的變化，在檢測電極12的輸出信號中也產生了相應的變化。連線16將電極12連接到一個電路上，該電路適用于檢測輸出信號中的變化并根據(jù)這一變化觸發(fā)一個切換動作。
除了用如上所述的分離絕緣材料層11和13制成開關之外，還可以利用諸如汽相沉積法將檢測和讀出電極12和14淀積在絕緣層13的前和后表面上。然后，可利用諸如浸漬或噴涂法將厚度約為0.125mm的一層玻璃的或塑料材料的薄膜淀積在檢測電極12的上面，以形成絕緣層11。此后，可將觸摸墊10淀積在玻璃或塑料薄膜之上，以形成一個具有整體結構的開關。
在圖3中，觸摸墊10和檢測電極12是在絕緣層13的前表面上并排制成。如上所述，讀出電極14在絕緣層13的后表面上制成，但是其面積增大，以便與觸摸墊10和檢測電極12都能重疊。觸摸墊10和電極12可用一薄層按上述方式制成的絕緣材料23保護起來，例如一層玻璃或塑料材料。
在典型情況下，觸摸墊10為12.7mm×9.5mm，檢測電極為0.125mm×12.7mm，兩者間的狹縫為0.05mm，采用厚度為3mm，介電常數(shù)為7.5的玻璃時，開關的有效電容在未被觸摸時為1.6PF，被觸摸時則變化為0.8PF。
圖4與圖1相同，只是對換了電極10和12的位置。
由于檢測電極12和觸摸墊10的相對大小，盡管檢測電極12位于最上部，觸摸開關的上表面仍會對觸摸墊10施加一個電負載，該電負載將中斷讀出電極14與檢測電極12之間通過觸摸墊10形成的電容偶合，正如參照圖1和圖2所作的說明那樣。另外，采用這種結構，觸摸墊10能夠阻礙檢測電極12與讀出電極14之間的直接電容偶合，其結果是，當被觸摸時，開關的有效電容應接近于零。
圖5所示的觸摸開關/顯示矩陣是基于采用圖1中的構造的一個點矩陣直流場致發(fā)光顯示器。這種顯示器包括一個玻璃板13，在其后部有一組平行延伸的電極21。電極21的后部覆蓋了一磷層20，在磷層20的后表面上置有另外一組延伸的電極22，與電極21成直角。這樣，一組當中的每一個電極都與另一組中的所有電極相重疊，從而形成一個點矩陣。在典型情況下，電極組21和22可為每厘米包含20-40個電極。電極10，19和21是透明的，例如是氧化錫，并且絕緣材料13和22也是透明的。
電極21和22均配有輸入連接線，以分別向每個電極施加電壓脈沖。在典型情況下，磷層20具有一個從80伏到120伏的發(fā)光閥，并且施加在電極21上的電壓脈沖可以是從40到60伏，而施加在電極22上的脈沖可以是從-40到-60伏。
這樣，無論在什么位置只要一個被施加了脈沖的電極21與一個被施加了脈沖的電極22相交叉，磷層20在兩電極之間的部份便會被激勵并產生一個發(fā)光點。通過同時向適當?shù)膸讓﹄姌O21和22施加脈沖，數(shù)個點將會同時發(fā)光，以形成一個字符或符號，該符號或字符可通過向不同的幾對電極21和22施加脈沖而被變換。在典型情況下，這些發(fā)光脈沖的持續(xù)期間是10-100微秒，在顯示器發(fā)光時，向電極21和22施加脈沖的頻率是0.05至2KHz。
檢測電極19的形狀是與電極21成直角的平行條。絕緣材料的薄層11被覆蓋在導電條19之上，在薄層11的前表面上置有復數(shù)個觸摸墊10。觸摸墊10被排列為橫向成行，每一行都與一個不同的導電條19相重疊，并且縱向成列，每一列都與一組不同的電極21相重疊。
在開關/顯示矩陣的邊緣上，導電條19配有連接線，通過這種方式使它們與適當?shù)臋z測電路連接。
這樣，通過依次向每一組電極21施加一個“讀出”電脈沖，同時將所有其它的電極21保持為零電位并監(jiān)測每一導電條19的輸出，即可以分別查詢矩陣中的每一開關。
當開關被啟動時，為了使該開關能夠與由同一檢測電極條19所檢測的一行中其它的開關區(qū)別開，每一觸摸墊10與條19之間的電容偶合應當顯著地低于觸動開關的人的人體電容(成年人最小約為80PF)。每一觸摸墊10與檢測電極條19之間的電容最好小于10PF。同樣，為了避免由于檢測電極19沿著一行開關的電阻值增加而造成輸出信號的過度衰減，而這種衰減可引起虛假的切換信號，每一檢測電極條19的總電阻值不應超過100KΩ。
用于向電極21施加發(fā)光脈沖的電路，也可以很方便地被用于施加讀出脈沖，這時，電路不是像為了達到發(fā)光的目的所要求的那樣分別地向各個電極施加脈沖，而是將電路安排成向一組中所有的電極21同時施加脈沖，施加這些讀出脈沖是在發(fā)光脈沖的間隔內進行，并且在典型情況下其寬度為10微秒，頻率為50Hz。
由于在電極21被施加讀脈沖時，電極22未被施加任何脈沖，因此整個磷層所承受的電壓便不會達到發(fā)光閥值，所以顯示器不會受到影響。
以上所述的開關/顯示矩陣可被制成使分離的顯示區(qū)域連接到與其重疊的開關上。根據(jù)對該開關或對矩陣中其它開關的啟動，這些顯示器可以被按照希望改變其顯示狀態(tài)，這樣，就提供了一個可編程多功能開關矩陣。采用這種運行方式，只有觸摸墊10之下的電極21和22被用于發(fā)光的目的。
另外，可以將整個板作為一個單獨的顯示器，啟動開關所產生的效果是與其下的顯示器區(qū)域相聯(lián)系的。
以上所述的觸摸墊10和導電條19可被淀積在玻璃或塑料層11之上，以形成一個覆蓋層，該層可以被應用到一個已有矩陣的玻璃覆蓋屏之上，制成一個上述形式的開關/顯示矩陣。
參見圖5，盡管我們所描述的是一個觸摸開關/顯示矩陣，但采用這種方式也可以制成單個的開關/顯示元件。
無須背離本發(fā)明即可作出不同的改動。例如，在以上所述的實施方案中是通過向觸摸墊10施加電負載而實現(xiàn)了切換，通常是由一個人觸及該觸摸墊10。這里的缺點是，所施加的負載會因人而異，并且檢測電路必須能夠在一個相當寬的范圍內運行。通過提供將觸摸墊10直接接地的連接裝置，可以獲得一個更加一致的信號變化。
以上所述的開關或開關矩陣可以配有彈性膜片，該膜片與開關的前表面分離開，并且只有按下該膜片才能啟動開關。這種膜片將提供觸覺反饋，并且還能防止導電液體流至開關的表面，另外，在開關矩陣中，還能將兩個或多個開關的觸摸墊10接通，當開關為一觸摸式開關時，該膜片可用導電材料制成，或者可在其內表面上具有一導電涂層，該涂層被接地，這樣當開關被啟動時觸摸墊10即被接地。這后一種結構的優(yōu)點在于可用一個非導電的觸針或帶手套的手指啟動該開關。當開關具有一個可移動的導電墊時，這可以在膜片的內表面制成。上述類型的膜片可用平滑的彈性材料薄片制成，該膜片通過隔離墊與開關的前表面隔開。然而，該膜片可以很方便地用覆蓋在開關上的具有凸泡結構薄片制成。在開關矩陣中，可用一個單獨的薄片覆蓋在整個矩陣上，該薄片由模壓制成復數(shù)個凸泡結構，每一凸泡用于一個開關。這種膜片也可用于開關/顯示單元，只要它們是采用透明材料制成。對于開關/顯示單元，透明的絕緣層11和13以及/或膜片(如果被采用的話)可以被染色，以強調或改變顯示器的自然外觀。
圖3和圖4中所示的觸摸墊10和檢測電極12的配置方式可用在圖5之中，以代替其中所示的配置方式。
各個附圖僅是圖解說明而已，不被用于表明元件的相對尺寸，尤其是厚度。在典型情況下，第一絕緣層11的厚度等級為1mm;第二絕緣層13的厚度等級為3mm;磷層的厚度等級為40微米，觸摸墊10以及不同的電極12、14、19、21和22的厚度等級為0.05微米。
在圖5中，磷層20，附屬電極21、22和玻璃板13可構成一個現(xiàn)有顯示單元。在這種情況下，絕緣層11、觸摸墊10和檢測電極19可構成一個分離的電容開關覆蓋罩，該覆蓋罩可被用于裝置在顯示單元之上，以便使觸摸墊10和電極19疊加在第一電極21之上。采用圖3中所示的觸摸墊10和檢測電極12的配置方式，兩者均可置于覆蓋罩的絕緣層11的同一面上。
在此所用的“信號傳輸因數(shù)”一詞的含意是在上述第一和第二電極中的一個電極上，響應于施加在另一個電極上一個脈沖，而出現(xiàn)的一個脈沖的幅值與施加在上述另一電極之上的該脈沖的幅值之比。
權利要求
1.一種電容開關，其特征在于一個第一電極(14)被置于一個絕緣材料層(13)的一個表面之上或臨近于該表面，一個第二電極(12)和導電墊(10)均被置于絕緣材料(13)的與第一電極(14)相背的一面上，并且與第一電極(14)相重疊，上述第一和第二電極(14、12)以及導電墊(10)被安排成能使該開關在第一和第二狀態(tài)之間進行切換，在這兩種狀態(tài)中的一個狀態(tài)下，第一和第二電極(14、12)之間的信號傳輸因數(shù)與這兩種狀態(tài)中的另一狀態(tài)下的信號傳輸因數(shù)顯著地不同。
2.如權項1中所要求的一個電容開關，其特征在于導電墊(10)和第二電極(12)相互重疊，在兩者之間有另外一個絕緣材料層(11)。
3.如權項1所要求的一個電容開關，其特征在于導電墊(10)和第二電極(12)是并排排列，并在其間保留一個狹縫。
4.如權項1到3中任意一個權項所要求的一個電容開關，其特征在于導電墊(10)和第一電極(14)之間的商值AK/d與第一和第二電極(14、12)之間的商值AK/d之比為8∶1或更大。
5.如權項4所要求的一個電容開關，其特征在于導電墊(10)和第一電極(14)之間的商值AK/d與第一和第二電極(14、12)之間的商值AK/d之比為40∶1的等級。
6.如權項4或5所要求的一個電容開關，其特征在于導電墊(10)和第一電極(14)的寬度與第二電極(12)的寬度之比為8∶1或更大。
7.如以上權項中任意一個權項所要求的一個電容開關，其特征在于導電墊(10)和第一電極(14)之間的直接電容偶合與導電墊(10)和第二電極(12)之間的直接電容偶合為同一等級。
8.如權項7所要求的一個電容開關，其特征在于導電墊(10)和第一電極(14)之間的直接電容偶合與導電墊(10)和第二電極(12)之間的直接電容偶合之比是在1∶2和2∶1之間。
9.如以上權項中任意一個權項所要求的一個電容開關，其特征在于導電墊(10)被置于對第一和第二電極保持固定的關系。
10.如權項1至8中任意一個權項所要求的一個電容開關，其特征在于導電墊(10)被彈性地安裝，以使其能相對于第一電極(14)進行移動。
11.一個電容開關矩陣包括復數(shù)個如權項1至10之中任意一個權項所要求的開關，其特征在于每個開關的絕緣層(13)是由一個共同的絕緣板所構成，位于該絕緣板上的開關相互間隔離。
12.如權項11所要求的一個矩陣，其特征在于一組開關的第二電極(12)是由一個共同的導電條(19)構成。
13.如權項11所要求的一個矩陣，其特征在于一組開關的第一電極(14)是由一個共同的導電條(21)構成。
14.如權項11、12或13當中任意一個權項所要求的一個矩陣，其特征在于開關被排列成復數(shù)行(m)，每一行中所有開關都具有由一個共同的導電條(19)構成的第二電極(12)并且每一行(m)中的一個開關的第一電極(14)是由一個共同的導電條(21)構成。
15.如權項14所要求的一個矩陣，其特征在于為每一行(m)開關提供第二電極(12)的導電條(19)與提供第一電極(14)的導電條(21)被安排為直角關系。
16.如權項12、14或15當中任意一個權項所要求的一個矩陣，其特征在于每一導電墊(10)和構成第二電極(12)的導電條(19)之間的電容小于10PF。
17.如權項12，14，15或16當中任意一個權項所要求的一個矩陣，其特征在于構成第二電極(12)的導電條(19)的電阻值不超過100KΩ。
18.一個電容開關/顯示單元，其特征在于如權項1至17中任意一個權項所要求的一個電容開關或電容開關矩陣，其中開關或開關矩陣的元件(10，11，12，13，14，19，21)是用透明材料制成，一個顯示介質(20)被置于該或每一第一電極(21)的后表面上，并且一個顯示電極(22)被置于顯示介質(20)的后表面上，與該或每一電容開關為重疊的關系。
19.如權項18所要求的一個電容開關/顯示單元，其特征在于顯示介質(20)根據(jù)一個電場提供顯示，該電場可在第一電極(21)和顯示電極(22)之間建立。
20.如權項19所要求的一個電容開關/顯示單元，其特征在于該顯示介質(20)包括一種場致發(fā)光材料，一種液晶，一種可電離氣體，一種電色層(eletrochromic)材料，或一種電泳材料。
21.如權項18至20當中任意一個權項所要求的一個電容開關/顯示單元，其特征在于配備了在第一和顯示電極(21，22)之間施加顯示驅動信號的裝置，向第一電極(21)施加讀出脈沖的裝置，以及檢測電容性傳輸?shù)降诙姌O(19)的脈沖的檢測裝置。
22.如權項21所要求的一個電容開關/顯示單元，其特征在于施加顯示驅動信號的裝置還用于向第一電極(21)施加讀出脈沖。
23.如權項18至22中任意一個權項所要求的一個電容開關/顯示單元，其特征為一個顯示單元具有置于安排為重疊關系的透明第一電極(21)和顯示電極(22)之間的顯示介質(20)和置于第一電極(21)之前的透明絕緣材料罩(13)，并且還具有包括一個透明的絕緣材料薄片(11)的電容開關覆蓋罩，在其上由一透明導電材料構成導電墊(10)和第二電極(19)，上述開關覆蓋罩被裝在顯示罩(13)的前表面上，以便導電墊(10)和第二電極(19)被重疊在第一電極(21)之上。
24.一個用在顯示單元上的電容開關覆蓋罩，該顯示單元包括置于安排為重疊關系的一個透明第一電極和一個顯示電極之間的一個顯示介質，和置于第一電極之前的一個透明絕緣材料罩，特征為上述開關覆蓋罩包括一個透明的絕緣材料薄片(11)，一個透明導電墊(10)和透明第二電極(19)在其上構成，上述導電墊(10)和第二電極(19)被排列成當該覆蓋罩被裝在顯示罩(13)的前表面上時，導電墊(10)和第二電極(19)將重疊在第一電極(21)之上，上述第一和第二電極(19，21)以及導電墊(10)被安排成使開關可在第一和第二狀態(tài)之間切換，在其中一種狀態(tài)下第一和第二電極之間(19，21)之間的信號傳輸因素顯著地不同于在另外一種狀態(tài)下的信號傳輸因數(shù)。
專利摘要
用絕緣層制成的電容開關，該絕緣層的一個表面上或其附近置有一個第一電極，在其反面置有一個第二電極和一個導電墊，如一個觸摸墊。導電墊和第二電極與第一電極重疊，導電墊和第二電極可以是并排排列并在其間留一狹縫，或可以相互重疊并在其間夾有另一絕緣層。
文檔編號H01G9/00GK85104084SQ85104084
公開日1986年11月26日 申請日期1985年5月28日
發(fā)明者彼得·威廉·亞歷山大 申請人:Ti有限公司, 磷光產品有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan