CN100462899C - 电容触摸板数据输入装置和键盘 - Google Patents

Abstract

一种数据输入装置(300)，包括多个由绝缘介质层下面的导电板形成的键。第一和第二键(331，332)中的每个键均具有一个连接到相应的电容读出模块(312，314)的导电板(12，24)。第三键(333)具有两个导电板，一个导电板(32)连接到第一电容读出模块(312)，另一个导电板(34)连接到第二电容读出模块(314)。当用户触摸键(331)时，用户和导电板(12)形成电容大于参考电容器(123)电容的读出电容器(113)。相应的电容读出模块(312)中的比较模块(130)生成指示键(331)正被触摸的数字位信号。译码器(301)将多个电容读出模块(331，332，333)的数字位信号译码，以相应地生成数字数据信号。

Description

电容触摸板数据输入装置和键盘

技术领域

本发明一般地涉及数据输入和开关电路，更具体而言，涉及使用电容感应触摸板的开关和矩阵开关板。

背景技术

开关、矩阵开关板、和小键盘在我们的日常生活中是非常普及的。例如，电话(包括有绳电话、无绳电话、和无线电话)具有用于输入电话号码和其它信息或功能(例如常拨号码、通讯录、快捷拨号等)的数字键盘。个人数字助理(PDA)具有用于输入命令和信息的字母数字键盘。甚至简单的电子设备都可能具有一个或多个用于控制其电源、操作模式等的开关。

小键盘或键盘中的开关或键通常包括两片彼此相邻但彼此不接触的导体。至少一片导体是活动的且通常装有弹簧。当活动的片被按压时，它接触另一片导体。活动的导体片的上部通常覆盖有绝缘材料，例如塑料、橡胶等。矩阵开关板或键盘可以包括这种机械操作的开关或键的阵列。

所有机械开关和键盘均具有可动部分，这些可动部分常常过早地损坏。特别地，开关中的弹簧可能在重复按压之后遭受疲劳而折断。机械开关还易受不利环境条件的影响。例如，溅水可能造成开关失灵，以及潮湿可能造成开关的各个部分被腐蚀，从而使它们的电气和/或机械性能变差。机械开关和键盘通常庞大且笨重。而且，机械开关和键盘通常具有刚性或半刚性的结构。这些特性使得机械开关和键盘不适合一些需要诸如体积小、重量轻、和易于存放的特性的应用。

因此，如果尺寸紧凑且重量轻，这样的开关设备或命令/数据输入装置将是有利的。人们期望该装置可靠且不易受不利操作环境条件的影响。人们还期望键盘具有柔性结构。如果开关和键盘能节约成本和省电，这也是有利的。

附图说明

图1是示出根据本发明的电容读出电路的示意图；

图2是根据本发明的触摸板键的剖视示意图；

图3是示出根据本发明的矩阵开关或键盘系统的功能示意图；以及

图4是示出根据本发明的电话键盘或小键盘系统的功能示意图。

具体实施方式

下文参照附图描述本发明的多个实施例，附图中用相同参考数字表示图中相似结构或功能的部分。应该注意，附图的目的仅仅是帮助描述本发明的优选实施例。它们的目的不是无遗漏地描述本发明或对本发明的范围加以限制。此外，附图不一定按比例绘制。

根据本发明，开关电路包括电容读出电路，该电容读出电路检测用户是否触摸开关的键或垫片(pad)，然后相应地将开关导通和断开。同样，根据本发明键盘电路包括一个或多个电容读出电路。每一读出电路均可以与键盘上的一个或多个键相连。而且，每一键可以与一个或多个电容读出电路相连。键盘电路还包括连接到电容读出电路的数字译码电路。响应于用户触摸键盘上的键，译码电路生成解释来自电容读出电路的信号的数字输出信号。

图1是示出根据本发明的电容读出电路100的示意图。读出电路100包括时钟信号发生器102。根据本发明，时钟信号发生器102可以包括任何种类的振荡信号发生器。例如，可以使用阻容(RC)振荡器、晶体振荡器等用作时钟信号发生器102。根据本发明的各种实施例，时钟信号的频率的范围可以处于几千赫到几兆赫之间。然而，更高或更低的时钟信号频率也属于本发明的范围之内。时钟信号发生器102的时钟信号被传送到读出电路100中的开关112和122的控制端。根据本发明的优选实施例，开关112和122是场效应晶体管(FET)或双极型晶体管(BJT)，并且时钟信号被传送到FET的栅极或BJT的基极。开关112和122分别与电容器113和123并联。读出电路100还包括电流源111和121。电流源111与开关112和电容器113的并联联结串联。类似地，电流源121与开关122和电容器123的并联联结串联。在本发明的一具体实施例中，由电流源111和121生成的电流彼此基本相等。当开关112和122断开时，电流源111和121分别给电容器113和123充电。当开关112和122闭合时，来自电流源111和121的电流旁路过电容器113和123并流向地105。而且，闭合的开关112和122使电容器113和123放电。

根据本发明，读出电路100中的电容器113(其又被称作读出电容器)读出与电容读出电路100相连的键是否被触摸。电路示意图图1示出读出电容器113包括两个极板114和115。一片导体用作电容器113的一个极板114(其也称作读出极板)。电容读出电路100的物理结构仅包括电容器113的一个极板114。当用户触摸或按压与电容读出电路100相连的键时，用户的身体用作电容器113的另一个极板115。图2示意性示出与电容读出电路100相连的键150的剖视图，并说明读出电容器113的形成。键150包括覆盖在电容器113的导电板114之上并与之接触的绝缘介质层116。举例来说，绝缘介质层116是开关或键盘的外罩、外壳、或外部遮盖物的部分。虽然装置的外壳可以包括各种材料，例如，塑料、橡胶、金属等，但是覆盖读出电容器极板114的外壳的部分，也就是图2所示的层116优选地由绝缘和电介质材料制成。塑料是外壳的常用材料，这是因为它是电介质、不贵，并易于制成各种形状、颜色、硬度。绝缘介质层116也可以由柔软材料制成，使得键150和相关器件可以折叠或卷成易于存放的紧凑尺寸。图2示出根据本发明的一实施例，读出电容器极板114为平板。这不是为了对本发明的范围加以限制。根据本发明，电容器113的读出电容器极板114可以具有不同的形状和大小。另外，极板114可以包括多片的相互电连接的导体。当用户触摸键150时，用户身体的一部分，例如，图2所示的手指，与覆盖在读出电容器极板114上的绝缘介质层116接触。如果接触区域与覆盖在极板114上的绝缘介质层116重叠，则用户身体的该部分用作电容器113的另一个极板115。用户身体的其它部分用作地105(图1所示)。

应该注意，当用户触摸键150时，用户身体起导体的作用。根据本发明，触摸键150的用户范围不局限于与键150直接接触的用户身体。它包括与绝缘介质层116接触的任何导电物体，并用作读出电容器113的极板115。

回过来参照图1，电容读出电路100还包括用于比较电容器113与123之间电压差的比较模块130。根据本发明的一优选实施例，比较模块130包括差动放大器134。电容器113和123分别连接到差动放大器134的第一输入端131和第二输入端132。差动放大器134的输出端135连接到又被称作集成电容器的电容器138的第一极板。电容器138的第二极板连接到地105。电容器138的第一极板还连接到比较器144的第一输入端。比较器144的第二输入端被连接用于接收参考电压143。比较器144的输出端用作比较模块130的输出端，并连接到读出电路100的输出端145。

应该注意，比较模块130的结构不局限于上面所述和图1所示的结构。根据本发明，比较模块130可以是任何能够比较输入端131和132处的电压脉冲信号并生成指示哪个电压脉冲信号更高的输出信号的电路元件。

在操作中，时钟信号发生器102以时钟信号频率的速率将开关112和122周期性地导通和断开。根据本发明的一优选实施例，开关112和122的导通和断开状态基本相互同步。所以，电容器113和123被周期性地和基本同时地充电和放电。读出电容器113的电容响应于用户是否触摸键150而变化。另一方面，又被称作参考电容器的电容器123的电容基本不变。比较模块130比较读出电容器113和参考电容器123的电容，以确定用户是否触摸键150以及相应地生成数字信号。

当用户未触摸键150时，用作读出电容器113的极板115的用户身体远离极板114。另外，不仅绝缘介质层116而且空气间隙也将极板115与极板114分开。由于空气的低介电常数，所以读出电容器113的电容显著地小于参考电容器123的电容。在开关112和122断开的时钟信号阶段中，在差动放大器134的输入端131的电压比在输入端132的电压上升得快。响应于输入端131(举例来说，反相输入端)处的较高电压，差动放大器134在输出端135生成低电压。在开关112和122闭合的时钟信号阶段中，在输入端131和132的电压都回到地电压电平。所以，差动放大器134在输出端135生成低电压脉冲信号。脉冲的频率等于电容器113和123被充电和放电的频率。电容器138对来自差动放大器135的低电压脉冲信号进行积分。特别地，在差动放大器134的输出端135的低电压脉冲重复地使电容器138放电，从而在比较器144的第一输入端生成低电压。比较器144将在它的第一输入端的电压与在它的第二输入端的参考电压143相比较。响应于第一输入端(举例来说，非反相输入端)处的电压低于第二输入端(举例来说，反相输入端)处的参考电压143，比较器144在电容读出电路100的输出端145生成低电压信号。举例来说，低电压信号的二进制值为0。

当用户触摸键150时，作为电流读出电路100的外部导电物体以及用作读出电容器113的极板115的用户身体与绝缘介质层116接触。由于极板115向极板114接近以及绝缘介质层116的大介电常数，所以读出电容器113的电容比当用户未触摸键150时读出电容器113的电容大得多。根据一优选实施例，读出电容器113的电容大于当用户触摸键150时参考电容器123的电容。在开关112和122断开的时钟信号阶段中，在差动放大器134的输入端131的电压比在输入端132的电压上升得慢。响应于输入端131(举例来说，反相输入端)处的较低电压，差动放大器134在输出端135生成高电压。在开关112和122闭合的时钟信号阶段中，在输入端131和132的电压都回到地电压电平。所以，差动放大器134在输出端135生成高电压脉冲信号。脉冲的频率等于电容器113和123被充电和放电的频率。电容器138对来自差动放大器134的高电压脉冲信号进行积分。特别地，在差动放大器134的输出端135的高电压脉冲重复地对电容器138充电，并在比较器144的第一输入端生成高电压。比较器144将在它的第一输入端的电压与在它的第二输入端的参考电压143相比较。响应于第一输入端(举例来说，非反相输入端)处的电压高于第二输入端(举例来说，反相输入端)处的参考电压143，比较器144在读出电路100的输出端145生成高电压信号，从而识别出键150被触摸。举例来说，高电压信号的二进制值为1。

根据图1所示的本发明的一具体实施例，输出端145连接到开关元件160。在一具体实施例中，开关元件160包括N沟道场效应晶体管，以及输出端145连接到N沟道晶体管的栅极。当用户触摸键150时，在栅极的高电压信号导通N沟道晶体管。另一方面，当键150未被触摸时，在栅极的低电压信号断开N沟道晶体管。在可选实施例中，输出端145经由开关元件160中的反相器连接到N沟道晶体管的栅极。在该实施例中，触摸键150会断开N沟道晶体管，而不触摸键150会导通N沟道晶体管。在另一可选实施例中，输出端145连接到开关元件160中的P沟道场效应晶体管的栅极。在该可选实施例中，触摸键150将断开P沟道晶体管，而不触摸键150将导通P沟道晶体管。在又一可选实施例中，输出端145经由开关元件160中的反相器连接到P沟道晶体管的栅极。在该可选实施例中，触摸键150将导通P沟道晶体管，而不触摸键150将断开P沟道晶体管。

根据本发明的另一具体实施例，开关元件160包括触发器(flip-flop)和开关晶体管。触发器连接在输出端145和开关元件160中开关晶体管的栅极之间。每当键150被触摸时，就在输出端145处生成高电压信号。响应于高电压信号，触发器改变在其输出端的电压电平。所以，每当键150被触摸时，开关晶体管就从断开状态改变为导通状态或从导通状态改变为断开状态。

电容读出电路100的性能和功率消耗取决于分别控制开关112和122使读出电容器113和参考电容器123充电和放电的时钟信号频率。高频率通常导致高性能和高功率消耗。根据本发明的各种实施例，时钟信号的频率范围处于几百赫兹到几兆赫之间。在一优选实施例中，时钟信号的频率大约为几千赫兹。时钟信号发生器102通常包括振荡器，该振荡器可以是简单的阻容(RC)振荡器、电压控制振荡器、电流控制振荡器、晶体振荡器等。在一优选实施例中，时钟信号发生器102包括芯片上的RC振荡器，这是由于它简单且省电。

电容读出电路100的性能和功率消耗还取决于电流源111和121、读出电容器113和参考电容器123、差动放大器134、集成电容器138、参考电压143、和比较器144的特性。例如，集成电容器138的小电容将使得充电和放电时间短，这导致读出电路100的快速响应时间。集成电容器138的小电容也导致电容读出电路100的较小功率消耗。另外，大电流源111和121将导致读出电容器113和参考电容器123的快速充电速率。根据本发明，电路设计者可以调整电容读出电路100中各种器件的参数，以获得期望响应时间和性能。

图3是示出根据本发明矩阵开关或键盘系统300的功能电路示意图。键盘系统300又被称作电容传感键盘(capacitance sensingkeyboard)、电容感应小键盘等。键盘系统300包括三位译码器301，该三位译码器具有三个位数据输入端302、304、和306，举例来说，三个输入端分别对应于三位二进制数据的最低有效位、次高有效位、和最高有效位。所以，此处所述和图3所示的键盘系统300能够接收和识别八个不同值的数字数据，例如，0、1、2、3、4、5、6、和7。

键盘系统300还包括三个电容读出电路312、314、和316。根据本发明的优选实施例，三个电容读出电路312、314、和316的每个在结构上和功能上类似于上面参照图1所述的电容读出电路100。读出电路312、314和316的输出端分别连接到译码器301的位数据输入端302、304、和306。读出电路312具有读出信号输入端322。同样，读出电路314具有读出信号输入端324，读出电路316具有读出信号输入端326。在功能上，读出信号输入端322、324、和326相当于图1所示的电容读出电路100中连接到读出电容器113的导电板114和电流源111的节点。

根据本发明的优选实施例，键盘系统300包括小键盘，该小键盘由七个数据输入键331、332、333、334、335、336、和337构成，用于分别输入数字数据值1、2、3、4、5、6、和7。键331、332、333、334、335、336、和337包括类似于上面参照图2所述的绝缘介质层116的绝缘介质层(图3中未示出)。该绝缘介质层可以是覆盖整个小键盘的整体塑料层。

键331包括导电板12，该导电板位于绝缘介质层下面并连接到读出电路312的读出信号输入端322。所以，触摸或按压键331则在译码器301的最低有效位数据输入端302生成高电压信号。译码器301响应于数据输入端302处的高电压信号而生成值为1的数字信号。

键332包括导电板24，该导电板位于绝缘介质层下面并连接到读出电路314的读出信号输入端324。所以，触摸或按压键332则在译码器301的次高有效位数据输入端304生成高电压信号。译码器301响应于数据输入端304处的高电压信号而生成值为2的数字信号。

键333包括两个导电板32和34，这两个导电板位于绝缘介质层下面。导电板32连接到读出电路312的读出信号输入端322，以及导电板34连接到读出电路314的读出信号输入端324。所以，触摸或按压键333则在译码器301的最低有效位数据输入端302和次高有效位数据输入端304生成高电压信号。译码器301响应于数据输入端302和304处的高电压信号而生成值为3的数字信号。

键334包括导电板46，该导电板位于绝缘介质层下面并连接到读出电路316的读出信号输入端326。所以，触摸或按压键334则在译码器301的最高有效位数据输入端306生成高电压信号。译码器301响应于数据输入端306处的高电压信号而生成值为4的数字信号。

键335包括两个导电板52和56，这两个导电板位于绝缘介质层下面。导电板52连接到读出电路312的读出信号输入端322，以及导电板56连接到读出电路316的读出信号输入端326。所以，触摸或按压键335则在译码器301的最低有效位数据输入端302和最高有效位数据输入端306生成高电压信号。译码器301响应于数据输入端302和306处的高电压信号而生成值为5的数字信号。

键336包括两个导电板64和66，这两个导电板位于绝缘介质层下面。导电板64连接到读出电路314的读出信号输入端324，以及导电板66连接到读出电路316的读出信号输入端326。所以，触摸或按压键336则在译码器301的次高有效位数据输入端304和最高有效位数据输入端306生成高电压信号。译码器301响应于数据输入端304和306处的高电压信号而生成值为6的数字信号。

键337包括三个导电板72、74和76，这三个导电板位于绝缘介质层下面。导电板72连接到读出电路312的读出信号输入端322，导电板74连接到读出电路314的读出信号输入端324，以及导电板76连接到读出电路316的读出信号输入端326。所以，触摸或按压键337则在译码器301的最低有效位数据输入端302、次高有效位数据输入端304、和最高有效位数据输入端306生成高电压信号。译码器301响应于数据输入端302、304、和306处的高电压信号生成值为7的数字信号。

根据本发明的一优选实施例，绝缘介质层由将单片塑料或橡胶膜覆盖在键盘系统300的小键盘中的所有键上制成。单片膜保护导电板免遭环境中的危险条件例如潮湿、溅水等的损害。另外，绝缘介质层可以由柔软材料制成。所以，键盘系统300的小键盘可以尺寸紧凑且重量轻。由于在小键盘中没有可动部件，所以键盘系统300不易受机械故障的影响，所以可靠且耐用。

此处所述的键盘系统300包括三位译码器301，所以能够接收和识别多达八个值的数字数据。结构类似于键盘系统300且包括更高位数字数据译码器和更多读出电路的键盘系统能够识别更多的数字数据值。例如，具有8位译码器和八个电容读出电路的键盘系统能够识别和区别256个数字数据值。类似地，具有16位译码器和16个电容读出电路的键盘系统能够识别和区别65,536个数字数据值。

图4是示出根据本发明的电话键盘或小键盘系统400的功能示意图。由于电话键盘或小键盘系统应该能够识别十个数字值，小键盘系统400包括具有四个位数据输入端402、404、406、和408的四位译码器401。小键盘系统400还包括分别连接到译码器401的位数据输入端402、404、406、和408的四个电容读出电路412、414、416和418。根据本发明的一优选实施例，四个电容读出电路412、414、416、和418中的每个电容读出电路在结构上和功能上类似于上面参照图1所述的电容读出电路100。各电容读出电路412、414、416、和418均具有相当于图1所示的电容读出电路100中连接到读出电容器113中的导电板114和电流源111的节点的读出信号输入端。

四位译码器401能够识别多达十六个的数字值，多于电话小键盘所需要的十个数据值。译码器401的输出端连接到音频发生器445，以生成响应于来自译码器401的数字数据信号的电话拨号音。小键盘系统400具有十二个按钮。十二个按钮中的十个按钮对应于打电话所需的数字值1、2、3、4、5、6、7、8、9、和0。剩余的两个按钮对应于接键式电话机键盘上的星号(*)和井号(#)。图4示出根据本发明的一具体实施例的十二个按钮的电路连接。

小键盘系统400还包括类似于上面参照图2所述的绝缘介质层116的绝缘介质层(图4中未示出)。根据本发明的一优选实施例，绝缘介质层由单片塑料或橡胶膜完全覆盖小键盘系统400的上表面而制成。单片膜保护导电板免遭环境中的危险条件例如潮湿、溅水等的损害。另外，绝缘介质层可以由柔性材料制成。

按钮“1”包括一个导电板，该导电板位于绝缘介质层的下面且连接到电容读出电路412。响应于按钮“1”被触摸或按压，电容读出电路412在译码器401的位数据输入端402生成高电压信号。译码器401生成对应于二进制数据值0001的译码数字信号。音频发生器445接收和处理译码数字信号0001以及在电话系统中生成对应于“1”的拨号音。

按钮“2”包括一个导电板，该导电板位于绝缘介质层的下面且连接到电容读出电路414。响应于按钮“2”被触摸或按压，电容读出电路414在译码器401的位数据输入端404生成高电压信号。译码器401生成对应于二进制数据值0010的译码数字信号。音频发生器445接收和处理译码数字信号0010以及在电话系统中生成对应于“2”的拨号音。

按钮“3”包括两个导电板，这两个导电板位于绝缘介质层的下面且连接到电容读出电路412和414。响应于按钮“3”被触摸或按压，电容读出电路412和414分别在译码器401的位数据输入端402和404生成高电压信号。译码器401生成对应于二进制数据值0011的译码数字信号。音频发生器445接收和处理译码数字信号0011以及在电话系统中生成对应于“3”的拨号音。

按钮“4”包括一个导电板，该导电板位于绝缘介质层的下面且连接到电容读出电路416。响应于按钮“4”被触摸或按压，电容读出电路416在译码器401的位数据输入端406生成高电压信号。译码器401生成对应于二进制数据值0100的译码数字信号。音频发生器445接收和处理译码数字信号0100以及在电话系统中生成对应于“4”的拨号音。

按钮“5”包括两个导电板，这两个导电板位于绝缘介质层的下面且连接到电容读出电路412和416。响应于按钮“5”被触摸或按压，电容读出电路412和416分别在译码器401的位数据输入端402和406生成高电压信号。译码器401生成对应于二进制数据值0101的译码数字信号。音频发生器445接收和处理译码数字信号0101以及在电话系统中生成对应于“5”的拨号音。

按钮“6”包括两个导电板，该两个导电板位于绝缘介质层的下面且连接到电容读出电路414和416。响应于按钮“6”被触摸或按压，电容读出电路414和416分别在译码器401的位数据输入端404和406生成高电压信号。译码器401生成对应于二进制数据值0110的译码数字信号。音频发生器445接收和处理译码数字信号0110以及在电话系统中生成对应于“6”的拨号音。

按钮“7”包括两个导电板，这两个导电板位于绝缘介质层的下面且连接到电容读出电路416和418。响应于按钮“7”被触摸或按压，电容读出电路416和418分别在译码器401的位数据输入端406和408生成高电压信号。译码器401生成对应于二进制数据值1100的译码数字信号。音频发生器445接收和处理译码数字信号1100以及在电话系统中生成对应于“7”的拨号音。

按钮“8”包括一个导电板，该导电板位于绝缘介质层的下面且连接到电容读出电路418。响应于按钮“8”被触摸或按压，电容读出电路418在译码器401的位数据输入端408生成高电压信号。译码器401生成对应于二进制数据值1000的译码数字信号。音频发生器445接收和处理译码数字信号1000以及在电话系统中生成对应于“8”的拨号音。

按钮“9”包括两个导电板，该两个导电板位于绝缘介质层的下面且连接到电容读出电路412和418。响应于按钮“9”被触摸或按压，电容读出电路412和418分别在译码器401的位数据输入端402和408生成高电压信号。译码器401生成对应于二进制数据值1001的译码数字信号。音频发生器445接收和处理译码数字信号1001以及在电话系统中生成对应于“9”的拨号音。

按钮“0”包括两个导电板，这两个导电板位于绝缘介质层的下面且连接到电容读出电路414和418。响应于按钮“0”被触摸或按压，电容读出电路414和418分别在译码器401的位数据输入端404和408生成高电压信号。译码器401生成对应于二进制数据值1010的译码数字信号。音频发生器445接收和处理译码数字信号1010以及在电话系统中生成对应于“0”的拨号音。

按钮“*”包括三个导电板，这三个导电板位于绝缘介质层的下面且连接到电容读出电路412、414、和418。响应于按钮“*”被触摸或按压，电容读出电路412、414、和418分别在译码器401的位数据输入端402、404、和408生成高电压信号。译码器401生成对应于二进制数据值1011的译码数字信号。音频发生器445接收和处理译码数字信号1011以及在电话系统中生成对应于“*”的拨号音。

按钮“#”包括三个导电板，该三个导电板位于绝缘介质层的下面且连接到电容读出电路414、416和418。响应于按钮“#”被触摸或按压，电容读出电路414、416和418分别在译码器401的位数据输入端404、406和408生成高电压信号。译码器401生成对应于二进制数据值1110的译码数字信号。音频发生器445接收和处理译码数字信号1110以及在电话系统中生成对应于“#”的拨号音。

应该明白，电话小键盘的连接不局限于上面参照图4所述的内容。译码器401也不局限于是四位译码器。例如，根据本发明的可选实施例，电话小键盘系统可以包括连接到五个电容读出电路的五位译码器。在该实施例中，与每一按钮相关联的导电板的数量可以局限于一个或两个，如果想要一个小而高度敏感的小键盘系统，这个数量可能是有利的。

到现在应该理解已提供了电容触摸板数据输入、矩阵开关电路、和键盘系统。根据本发明，键盘系统响应用户触摸键盘系统中的键或按钮而生成数字信号。键或按钮可以包括一个或多个导电板，每个导电板连接到相应的电容读出电路。数字数据译码器将电容读出电路的输出译码。这种矩阵开关布置使少量的电容读出电路能够支持键盘系统中的很多的键，从而简化了电路以及提高了系统的成本经济性和功率效率。通常，根据本发明，具有N个电容读出电路的键盘系统可以支持多达2N-1个键，其中N是整数。

根据本发明的矩阵开关或键盘系统不必有可动部件，所以可靠和耐用。另外，系统可以包含在不漏水或不透气的电介质外层中，以提供保护免遭不利操作环境条件的损害。而且，根据本发明的开关和键盘系统可以尺寸紧凑、重量轻和具有柔性结构。而且，它们是节约成本和省电的。根据本发明的小键盘系统可以用于各种需要数据和/或命令输入的应用，例如计算机键盘、PDA、计算器、移动电话、设备远程控制等。例如，PDA可以具有根据本发明的柔性字母数字小键盘。小键盘在展开时具有相对较大的区域，使得可以容易地使用字母数字小键盘上的每一个键。当不使用时，柔性小键盘可以折叠或卷成易于存放的紧凑尺寸。

虽然上面已描述本发明的特定实施例，但是它们的目的不是对本发明的范围加以限制。本发明包括那些对本领域技术人员来说是显而易见的对所述实施例的更改和变化。例如，根据本发明的开关系统可以包括通过在用户不触摸装置时断开该装置来控制该装置的功率消耗的单个电流读出电路。

Claims (20)

1.一种数据输入装置，包括：

数据译码器；

第一电容读出电路模块，其具有输入节点和连接到所述数据译码器的第一输入端的数字输出端，所述第一电容读出电路模块包括：

连接到所述输入节点的第一电流源、以及第二电流源；

参考电容器，其具有连接到所述第二电流源的第一电极和连接到地的第二电极；以及

比较模块，其具有连接到所述输入节点的第一输入端、连接到所述参考电容器的所述第一电极的第二输入端、以及连接到所述数字输出端的输出端；以及

第一键，其包括连接到所述第一电容读出电路模块的所述输入节点的导电板、以及覆盖在所述导电板上的绝缘介质层。

2.根据权利要求1所述的数据输入装置，所述第一电容读出电路模块还包括：

第一开关，其具有连接到所述输入节点的第一电极、连接到所述地的第二电极、和控制电极；

第二开关，其具有连接到所述参考电容器的所述第一电极的第一电极、连接到所述参考电容器的所述第二电极的第二电极、以及控制电极；以及

时钟信号发生器，其连接到所述第一开关的所述控制电极，和连接到所述第二开关的所述控制电极。

3.根据权利要求2所述的数据输入装置，响应于导电物体触摸所述第一键中的所述绝缘介质层，所述导电物体和所述第一键中的所述导电板形成读出电容器，所述读出电容器的电容大于所述第一电容读出电路模块中的所述参考电容器的电容。

4.根据权利要求2所述的数据输入装置，所述第一电容读出电路模块中的所述比较模块包括差动放大器，所述差动放大器具有连接到所述输入节点的第一输入端、连接到所述参考电容器的所述第一电极的第二输入端、以及连接到所述比较模块的所述输出端的输出端。

5.根据权利要求4所述的数据输入装置，所述第一电容读出电路模块中的所述比较模块还包括：

集成电容器，其具有连接到所述差动放大器的所述输出端的第一电极和连接到所述地的第二电极；以及

比较器，其具有连接到所述差动放大器的所述输出端的第一输入端、连接到参考电压电平的第二输入端、以及连接到所述比较模块的所述输出端的输出端。

6.根据权利要求1所述的数据输入装置，还包括：

第二电容读出电路模块，其具有输入节点、和连接到所述数据译码器的第二输入端的数字输出端；

第二键，其包括连接到所述第二电容读出电路模块的所述输入节点的导电板、和覆盖在所述导电板上的绝缘介质层；以及

第三键，其包括连接到所述第一电容读出电路模块的所述输入节点的第一导电板、连接到所述第二电容读出电路模块的所述输入节点的第二导电板、以及覆盖在所述第一导电板和所述第二导电板上的绝缘介质层。

7.根据权利要求6所述的数据输入装置，其中所述第一键的所述绝缘介质层、所述第二键的所述绝缘介质层、和所述第三键的所述绝缘介质层由单片绝缘介质材料构成。

8.根据权利要求6所述的数据输入装置，还包括：

第三电容读出电路模块，其具有输入节点、和连接到所述数据译码器的第三输入端的数字输出端；

第四键，其包括连接到所述第三电容读出电路模块的所述输入节点的导电板；

第五键，其包括连接到所述第一电容读出电路模块的所述输入节点的第一导电板、以及连接到所述第三电容读出电路模块的所述输入节点的第二导电板；

第六键，其包括连接到所述第二电容读出电路模块的所述输入节点的第一导电板、以及连接到所述第三电容读出电路模块的所述输入节点的第二导电板；

第七键，其包括连接到所述第一电容读出电路模块的所述输入节点的第一导电板、连接到所述第二电容读出电路模块的所述输入节点的第二导电板、以及连接到所述第三电容读出电路模块的所述输入节点的第三导电板；

绝缘介质层，其覆盖在所述第四键的所述导电板、所述第五键的所述第一导电板和所述第二导电板、所述第六键的所述第一导电板和所述第二导电板、以及所述第七键的所述第一导电板、所述第二导电板、和所述第三导电板上。

9.根据权利要求6所述的数据输入装置，还包括：

第三电容读出电路模块，其具有输入节点、和连接到所述数据译码器的第三输入端的数字输出端；

第四电容读出电路模块，其具有输入节点、和连接到所述数据译码器的第四输入端的数字输出端；

第四键，其包括连接到所述第三电容读出电路模块的所述输入节点的导电板；

第五键，其包括连接到所述第一电容读出电路模块的所述输入节点的第一导电板、以及连接到所述第三电容读出电路模块的所述输入节点的第二导电板；

第六键，其包括连接到所述第二电容读出电路模块的所述输入节点的第一导电板、以及连接到所述第三电容读出电路模块的所述输入节点的第二导电板；

第七键，其包括连接到所述第三电容读出电路模块的所述输入节点的第一导电板、和连接到所述第四电容读出电路模块的所述输入节点的第二导电板；

第八键，其包括连接到所述第四电容读出电路模块的所述输入节点的导电板；

第九键，其包括连接到所述第一电容读出电路模块的所述输入节点的第一导电板、和连接到所述第四电容读出电路模块的所述输入节点的第二导电板；以及

第十键，其包括连接到所述第二电容读出电路模块的所述输入节点的第一导电板、和连接到所述第四电容读出电路模块的所述输入节点的第二导电板；

绝缘介质层，其覆盖在所述第四键的所述导电板、所述第五键的所述第一导电板和所述第二导电板、所述第六键的所述第一导电板和所述第二导电板、所述第七键的所述第一导电板、第二导电板、第八键的导电板、第九键的第一导电板与第二导电板以及第十键的第一导电板与第二导电板。

10.根据权利要求9所述的数据输入装置，还包括：

第十一键，其包括连接到所述第一电容读出电路模块的所述输入节点的第一导电板、连接到所述第二电容读出电路模块的所述输入节点的第二导电板、以及连接到所述第四电容读出电路模块的所述输入节点的第三导电板；以及

第十二键，其包括连接到所述第二电容读出电路模块的所述输入节点的第一导电板、连接到所述第三电容读出电路模块的所述输入节点的第二导电板、以及连接到所述第四电容读出电路模块的所述输入节点的第三导电板；

绝缘介质层，其覆盖在所述第十一键的第一导电板、第二导电板以及第三导电板与所述第十二键的第一导电板、第二导电板以及第三导电板。

11.一种数据输入方法，包括以下步骤：

提供具有多个键的小键盘，每个键包括至少一个读出电容器，所述至少一个读出电容器包括在绝缘介质层下面的导电板；

通过将所述小键盘中的所述多个键中的每个键的至少一个读出电容器的电容与多个参考电容器的电容分别相比较，来识别所述小键盘中的键正被触摸；以及

响应于识别出所述小键盘中的所述键正被触摸，生成数字数据信号。

12.根据权利要求11所述的数据输入方法，其中所述识别所述小键盘中的键正被触摸的步骤还包括以下步骤：

将所述多个键中的每个键中的所述至少一个导电板连接到多个电容读出模块，每个所述电容读出模块具有参考电容器；

将所述小键盘中的所述多个键中的每个键中的所述至少一个读出电容器和所述多个参考电容器周期性地充电和放电；以及

将所述小键盘中的所述多个键中的每个键中的所述至少一个读出电容器的电压电平与所述多个参考电容器的多个电压电平相比较。

13.根据权利要求12所述的数据输入方法，其中：

所述提供具有多个键的小键盘的步骤包括以下步骤：

提供具有单个导电板的第一键；

提供具有单个导电板的第二键；以及

提供具有两个导电板的第三键；以及

所述将所述多个键中的每个键中的所述至少一个导电板连接到多个电容读出模块的步骤包括以下步骤：

将所述第一键中的所述单个导电板连接到所述多个电容读出模块的第一模块；

将所述第二键中的所述单个导电板连接到所述多个电容读出模块的第二模块；

将所述第三键中的所述两个导电板的第一导电板连接到所述第一电容读出模块；以及

将所述第三键中的所述两个导电板的第二导电板连接到所述第二电容读出模块。

14.根据权利要求12所述的数据输入方法，其中所述识别所述小键盘中的键正被触摸的步骤还包括以下步骤：

根据所述小键盘中的所述多个键中的每个键中的所述至少一个读出电容器的所述电压电平与所述多个参考电容器的所述多个电压电平之间的多个电压差值，生成多个电压脉冲信号；

通过对所述多个电压脉冲信号进行积分，生成多个模拟电压信号；以及

通过将所述多个模拟电压信号与参考电压相比较，生成多个二进制位信号。

15.根据权利要求14所述的数据输入方法，还包括通过译码所述多个二进制位信号来生成数字数据信号的步骤。

16.一种电容触摸板矩阵开关系统，包括：

数据译码器，其具有多个输入端；

第一、第二、第三、第四电容读出电路模块，其中的每个模块具有输入节点、和连接到所述数据译码器的所述多个输入端中的相应的一个输入端的数字输出端，以及包括：

时钟信号发生器；

第一电流源，其连接到所述输入节点；

第二电流源；

电容器，其具有连接到所述第二电流源的第一电极、和连接到地的第二电极；以及

第一开关，其连接在所述输入节点与地之间，并具有连接到所述时钟信号发生器的控制电极；

第二开关，其与所述电容器并联，并具有连接到所述时钟信号发生器的控制电极；以及

比较模块，其具有连接到所述输入节点的第一输入端、连接到所述电容器的所述第一电极的第二输入端、以及连接到所述数字输出端的输出端；以及

小键盘，其包括覆盖多个按钮的绝缘介质层，所述多个按钮包括：

第一按钮，其包括连接到所述第一电容读出电路模块的导电板；

第二按钮，其包括连接到所述第二电容读出电路模块的导电板；以及

第三按钮，其包括连接到所述第一电容读出电路模块的第一导电板、和连接到所述第二电容读出电路模块的第二导电板。

17.根据权利要求16所述的电容触摸板矩阵开关系统，所述小键盘中的所述多个按钮还包括：

第四按钮，其包括连接到所述第三电容读出电路模块的导电板；

第五按钮，其包括连接到所述第一电容读出电路模块的第一导电板、和连接到所述第三电容读出电路模块的第二导电板；

第六按钮，其包括连接到所述第二电容读出电路模块的第一导电板、和连接到所述第三电容读出电路模块的第二导电板；

第七按钮，其包括连接到所述第三电容读出电路模块的第一导电板、和连接到所述第四电容读出电路模块的第二导电板；

第八按钮，其包括连接到所述第四电容读出电路模块的导电板；

第九按钮，其包括连接到所述第一电容读出电路模块的第一导电板、和连接到所述第四电容读出电路模块的第二导电板；以及

第十按钮，其包括连接到所述第二电容读出电路模块的第一导电板、和连接到所述第四电容读出电路模块的第二导电板。

18.根据权利要求17所述的电容触摸板矩阵开关系统，所述小键盘中的所述多个按钮还包括：

第十一按钮，其包括连接到所述第一电容读出电路模块的第一导电板、连接到所述第二电容读出电路模块的第二导电板、以及连接到所述第四电容读出电路模块的第三导电板；以及

第十二按钮，其包括连接到所述第二电容读出电路模块的第一导电板、连接到所述第三电容读出电路模块的第二导电板、以及连接到所述第四电容读出电路模块的第三导电板。

19.根据权利要求16所述的电容触摸板矩阵开关系统，所述小键盘中的所述多个按钮还包括：

第四按钮，其包括连接到所述第三电容读出电路模块的导电板；

第五按钮，其包括连接到所述第一电容读出电路模块的第一导电板、和连接到所述第三电容读出电路模块的第二导电板；

第六按钮，其包括连接到所述第二电容读出电路模块的第一导电板、和连接到所述第三电容读出电路模块的第二导电板；以及

第七按钮，其包括连接到所述第一电容读出电路模块的第一导电板、连接到所述第二电容读出电路模块的第二导电板和连接到所述电容读出电路模块的第三导电板。

20.根据权利要求16所述的电容触摸板矩阵开关系统，所述多个电容读出电路模块中的每个模块中的所述比较模块包括：

差动放大器，其具有连接到所述输入节点的第一输入端、连接到所述电容器的所述第一电极的第二输入端、以及输出端；

集成电容器，其具有连接到所述差动放大器的所述输出端的第一电极、和连接到所述地的第二电极；以及

比较器，其具有连接到所述差动放大器的所述输出端的第一输入端、连接到参考电压电平的第二输入端、以及连接到所述比较模块的所述输出端的输出端。

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