CN100501785C - 物体接近侦测器及位置侦测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种物体接近侦测器及位置侦测器。利用振荡器的频率变化侦测一个物体接近感测板(sensor plate)。随制程参数(parameter)而变的频率可用补偿电容器而使之降至最小。于制造时勿需对产品作校准。为了加大敏感度，感测板置于振荡器的回授闭路(feed back loop)中。由同时加进补偿电容器及将感测板置于回授闭路内而获得与制程参数无关且能增加灵敏度。多数个传输闸极(transmission gate)连接至振荡器的输入及输出，而感测板连接至传输闸极以形成物体位置侦测器。

Description

物体接近侦测器及位置侦测器

技术领域

本发明涉及一种物体接近侦测器及位置侦测器，尤其涉及一种以多数个传输闸极连接至振荡器的输入及输出，而感测板则连接至传输闸极的物体位置侦测器。

背景技术

近代的物体接近侦测器被用以指示一物体接近侦测器并用以量测物体离侦测器有多远。一般用于接近的侦测器为电容传感器(capacitivesensor)或电感传感器(inductive sensor)。电容传感器将电容的变化转成数字信号，以判定是否已达有效电容，电容的变化与物体对感测板的距离有关。

有许多不同的现有方法测量两块感测板间的电容量。其中之一为经由感测板馈送一交流讯号给放大器而在放大器的输出端测量交流讯号的改变。此技术用在授予Robert J.Miller等人的美国专利案号5/374,787；美国专利案号5/495,077及美国专利案号5/841,078及授予Timothy P.Allen等人的美国专利案号5/914,465；美国专利案号6/239,389B1；及授予David W.Gillespie等人的美国专利案号6/028,271；美国专利案号6/610,936B2。利用此技术的系统包含许多模拟电路，如放大器、滤波器、极小值选择器、减法器、取样/保持及A/D转换器。在集成电路中模拟电路的芯片体积远比数位电路大，而不利成本的降低。授予方法HaraldPhilip的美国专利案号6/452,514B1的技术是一种电荷转移电路。在此电路中，交流讯号电压源被加到感测板之一，并经由感测板的另一片馈送至讯号处理器。此讯号处理器包含模拟电路，如峰值侦测器、放大器及A/D转换器。由RF讯号而来的干扰将直接加至峰值侦测器，而为系统侦测误差的来源。另一方法为在振荡器的输入端连接感测板。在振荡器输入端的电容改变将导致振荡器频率的改变。由侦测频率的变化，物体是否接近感测板即被侦测出来。此技术用在授予Christoph H.Krah等人的美国专利案号6/583,676 B2。振荡器之的频率与制程参数及电力供应电压有关。物体接近侦测器需要做频率校正以补偿此等变化。如上述专利所述，先前技术利用二个电容器及一个电阻器以在振荡器的感测板为物体接近或不为物体接近作判断。由于电容器及电阻器都制造在集成电路上，接近侦测器的灵敏度很难改变且很难在外部予以程序化。为避免对物体接近侦测器作频率校正，需设计一个振荡器使频率与制程参数及电源供应的相关降至最低。上述发明在增加一额外电路至系统内以补偿制程对振荡器的影响。先前技术常用的RC振荡器如图1所示。此电路包含三个反相器101、102、103，一个电阻104，一个电容器106，一对感测板105，感测板的电容为Cs，第一级反相器101具有斯密特(Schmitt)触发(trigger)输入，在振荡器回授回路内的电阻器104用于电路的充电/放电组件。振荡器的频率由电阻器104及电容器105、106所决定。电路的波形如图2所示。其中VTR2及VTR1为两个斯密特触发输入反相器101的转换电压(transfer voltage)。于电路的充电周期(cycle)，当反相器101的输入端的电压到达VTR2时，反相器103的输出改变状态(state)而电路开始放电周期。第一反相器101的输入端经过VTR2及VTR1。振荡器的周期(period)正比于R(Cs+C1)(VTR2—VTR1)/(VCC—(VTR2+VTR1)/2)+dt，其中dt为反相器的传送(propagation)延迟(delay)而VCC为电源供应电压。由此公式，可知频率是与转换电压VTR2及VTR1大有关联。若电路以CMOS制程设计，则电压差VTR2—VTR1与PMOS及NMOS的临限电压(threshold voltage)大有关系，若电源供应电压减少，VTR2—VTR1将减少，且dt将增加，因为传送延迟在集成电路中非常小，dt的增加不足以补偿VTR2-VTR1的减少。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种物体位置侦测器，其灵敏度与制程参数的改变无关。

本发明要解决的另一技术问题在于提供一种物体位置侦测器，使其具有高灵敏度。

本发明要解决的技术问题还在于提供一种物体接近侦测器，其灵敏度与制程参数的改变无关。

本发明要解决的另一技术问题还在于提供一种物体接近侦测器，使其具有高灵敏度。

为达成上述目的及其它目的，本发明的第一观点提供一种物体接近侦测器及位置侦测器的振荡器电路。在电路中，一个增设的电容器被加入。此电容器用以加至斯密特触发反相器的输入端的电压摆幅(voltageswing)，此部份的电压差正比于供应电压VCC，但与电路的PMOS及NMOS两晶体管的临限电压无关。两个因素互相抵消，而使振荡器频率受制程参数及电源供应电压的影响降至最小。除了与制程参数无关，侦测器的灵敏度也很重要。若dCs为图1中感测板的电容变化，振荡器的周期改变为dT/T＝dCs/(C1+Cs)，则灵敏度低。

本发明的另一观点提供一种将感测板连接至振荡器的输入及输出端以增加灵敏度的方法，灵敏度将增加一因子2VCC/(VTR2—VTR1)若VCC>>VTR2—VTR1，则灵敏度的增加将很高与制程参数无关及高灵敏度的特性可以由结合两个电路的优点而在电路中同时保持。

为了侦测物体的接近，物体接近侦测器包含一个振荡器，一对感测板，一个计数器(counter)及一个微处理器。于系统的侦测周期，不断更新参数计数(reference count)N₀。此参数计数定义为在无物体接近侦测器时的计数值。且此参数计数也为在计数过程中曾经记录的最大计数值。

一个预设的数Nr，可输入微处理器且用以定义灵敏度。为了侦测物体的接近，计数器计算振荡器的频率，若在一定的时期(period)内计数的值为Nx，N₀—Nx可测知物体接近侦测器。当测得(N₀—Nx)>Nr，即可判定有一物体接近此侦测器。较小的Nr意指一个较灵敏的系统。前述方法指出如何侦测一个物体接近侦测器。此技术可扩大并改良以侦测一个物体接近侦测器数组，并分辨哪一个数组中的侦测器侦测到。

本发明的另一较佳实施例提供一种物体位置侦测器。为了设计物体位置侦测器，M个传输闸并联连接于振荡器的输入端，且N个传输闸并联连接于振荡器的输出端。这些传输闸的输出端可用以形成M×N矩阵。一对感测板形成一个感测开关，其中一片感测板可以连接至M个传输闸之一，另一片感测板可以连接至N个传输闸之一。这些传输闸的控制闸极(control gate)连接至微处理器的输出端，且为微处理器依序扫描(scanned)。一个预设的数Nr可输入至微处理器并用以定义每一开关的灵敏度。每一开关的参考计数N₀可以于扫描开关数组(key matrix)时予以更新。若(N₀-Nx)>Nr在扫瞄开关数组时被测得，即可判定一个物体已接近开关数组中的某开关。本发明的模拟电路仅包含一个振荡器及两个传输门阵列。本发明的电路与先前技术的电路相较简化甚多。

本发明的以上及其它目的及优点参考以下的参照图标及最佳实施例的说明而更易完全了解。

附图说明

图1为常用的RC振荡器。

图2为图1的振荡器输入端电压对时间变化的函数。

图3显示依据本发明的一实施例的感测振荡器电路，

图4为图3的振荡器输入端电压对时间变化的函数。

图5为依据本发明另一实施例的振荡器电路。

图6为图5的振荡器输入端电压对时间变化的函数。

图7为依据本发明的一实施例的具有图3及图5的特性的电路。

图8为图7的振荡器输入端电压对时间变化的函数。

图9为依据本发明的一实施例的物体接近侦测器。

图10为具有电源供应调节器的物体接近侦测器。

图11为依据本发明的一实施例的物体位置侦测器。

图12为具有电源供应调节器的物体位置侦测器。

主要元件符号说明

101 第一级反相器            102 第二级反相器

103 第三级反相器            104 电阻R

105 感测板                  106 电容器C1

201 第一反相器              202 第二反相器

203 第三反相器              204 反馈电阻器R

205 感测板                  206 第一电容器C1

207 补偿电容器C2            301 第一反相器

302 第二反相器              303 第三反相器

304 电阻R                   305 感测板

306 电容器C1                401 第一反相器

402 第二反相器              403 第三反相器

404 电阻R                   405 感测板电容Cs

406 电容器C1                407 补偿电容器C2

501 感应板                  502 感测振荡器

503 时基振荡器              504 计数器

505 微处理器                601 感应板

602 感测振荡器              603 时基振荡器

604 计数器                  605 微处理器

606 电源供应调节器          701 振荡器的输入端

702 振荡器的输出端          703 感测振荡器

704 计数器           705 时基振荡器

706 微处理器         801 振荡器输入端

802 振荡器之输出端   803 感测振荡器

804 计数器           805 时基振荡器

806 微处理器         807 电源供应调节器

具体实施方式

接近(object proximity)侦测技术在物体或手指接近或接触一感测板(sensor plate)的应用上甚为有用。而位置(object position)侦测技术于物体或手指在侦测数组中的位置需要侦测时应用。

本发明物体接近电路或物体位置侦测器之一实施例至少包含一对感测板、一个感测振荡器、一个时基(time base)振荡器及一个微处理器。在许多应用中，振荡器的频率与制程参数无关至为重要，且较高的灵敏度也很需要。图3为显示依据本发明的一实施例的一个感测振荡器电路，此振荡器可补偿因制程参数改变而使频率改变的因子。图4为图3的振荡器输入端电压对时间变化的函数。如图3所示，此振荡器包含三个反相器，第一反相器201、第二反相器202及第三反相器203串接；一个第一电容器206连接于该第一反相器201的输入与接地之间；一对感测板205亦连接于该第一反相器201的输入与接地之间；一个补偿电容器207连接于该第一反相器201的输入与第二反相器202的输出之间；一个反馈电阻器204连接于该第一反相器201的输入与该第三反相器203的输出之间；该反馈电阻器204用以在振荡器的输入端对该第一电容器206、补偿电容器207及该感测板205充电及放电；该第一反相器201有两个传输电压VTR2及VTR1。于充电状态传输电压为VTR2，于放电状态传输电压为VTR1，在第一反相器201的输入端的电压升至VTR2的水平，第一反相器201的输出将改变其状态(state)，等一段传送时间后，第二反相器202的输出亦改变其状态。第二反相器202输出端的电压跳动(jump)将经由补偿电容器207至第一反相器201的输入端。图3的振荡器输入端的充电及放电的电压范围包含三部份。第一部份为VTR2—VTR1；第二部份为由补偿电容器207引起，为2VCC(C2/(C1+C2+Cs))；第三部份为传送经过反相器201、202及203所引起，若临限电压增加，VTR2—VTR1将减少。由于反相器内部电阻随临限电压的增加而增加，若临限电压增加，则充电或放电电流将减少。因此，若临限电压增加，VTR2—VTR1的充电时间必减少，而2VCC(C2/(C1+C2+Cs))的充电时间将增加而传送延迟也将增加。由适当选择电容器205、206及207，振荡器的时间周期随制程参数改变而变化的影响将降至最低。因此振荡器的频率受制程参数的影响将降至最低。则于制造时对振荡器的校准即不需要。

本发明另一实施例的振荡器电路如图5所示。而振荡器输入端电压对时间变化的函数如图6所示。在此电路中，一对感测板305连接于第一反相器301的输入与第三反相器303的输出之间；在此电路中，在第三反相器303输出的电压转变幅度为VCC，由感测电容的改变使时间周期的改变为dT/T＝(dCs/(Cs+C1))(2VCC/(VTR2—VTR1))。如与图1的振荡电路比较，图5的灵敏度被放大2VCC/(VTR2—VTR1)倍。

为了同时改善振荡频率随制程参数改变的影响及增加侦测器的灵敏度，图3及图5的优点可以结合在一起。具有此特性的电路如图7所示。而振荡器输入端电压对时间变化的函数如图8所示。在此电路中，感测板405连接于第三反相器403的输出与第一反相器401的输入之间；补偿电容器407连接于第二反相器402的输出与第一反相器401的输入之间；补偿电容器407的效应将部份为感测板405的电容所抵销。若考虑反相器401输入端的充电时程(charging range)，补偿电容器407的电容C2必须比感测板405的电容Cs大。由适当选择电容器405、406及407的电容，振荡频率随制程参数改变的影响可以降至最小。

本发明以上的电路为用于物体接近侦测器或物体位置侦测器的振荡器。一个物体接近侦测器至少包含一对感测板、一个感测振荡器、一个时基(time base)振荡器、一个计数器及一个微处理器。图9所示的系统为依据本发明的一实施例的物体接近侦测器。图9中，系统包含一对感测板501，连接至一个感测振荡器502，一个时基振荡器503，一个计数器504及一个微处理器505。感测振荡器502与感测板501为上述图3、图5或图7的电路。时基振荡器503提供系统时脉给微处理器505。于系统侦测期间，储存一个参考计数N₀在微处理器505中，且随时更新。此参考计数定义为当没有物体接近感测板501时的计数值，且参考计数亦为计数程序中所曾数过最大值。一个默认值Nr可输入至微处理器505并用以定义物体接近感测板的灵敏度。为了侦测一个物体的接近，计数器504计算感测振荡器502的频率，若在预定期间内计数值为Nx，N₀—Nx可测出一个物体是否接近感测板501。当(N₀—Nx)>Nr被测出，即可判定一个物体接近感测板501。较小的Nr意谓较灵敏的系统。输入不同的Nr至微处理器505，物体接近侦测器的灵敏度可由外部操控(programmed)。

振荡器频率受电源供应电压的影响而改变。为增进物体接近侦测器的稳定性，具有电源供应调节器606的系统显示于图10。感测振荡器602及时基振荡器603的电源供应由电源供应调节器606提供。由此改进，系统可较稳定而获得高灵敏度。

上述方法指出如何侦测一个物体接近侦测器。此技术可扩大并修饰以一个物体接近一个侦测数组，并分辨在数组中哪一个侦测器被侦测。此系统称之为物体位置侦测器。

图11为物体位置侦测器一实施例。在此电路中，有M个传输闸(761-76M)并联连接于感测振荡器703的输入端701，而N个传输闸(781-78N)并联连接于感测振荡器703的输出端702。这些传输闸的输出端可用以形成M×N矩阵。要形成一个侦测器，可连接感测板的一片至M个传输闸(731-73M)之一，另一片感测板可以连接至N个传输闸(741-74N)之一。这些传输闸(781-78N及761-76M)的控制闸极(711-71N及721-72M)连接至微处理器706的输出端(711-71N及721-72M)，且为微处理器706依序扫描(scanned)。一个预设的数Nr可输入至微处理器706并用以定义由感应板的每一开关的灵敏度。每一开关的参考计数N₀可以于扫描开关数组(key matrix)时予以更新。若(N₀-Nx)>Nr在扫瞄开关数组时被测得，即可判定一个物体已接近开关数组中的某一个开关。

在物体位置侦测器中的振荡器的频率稳定性亦可由增设一个电源供应调节器而得以改善。图12为具有电源供应调节器807的物体位置侦测器。该电源供应调节器807用以提供电源供应给感测振荡器803及时基振荡器805。电源供应调节器807的输出电压不因电源供应电压的变化而改变，因此振荡器803及805的频率稳定可以维持。在此条件下，较小的Nr可以输入到微处理器806以获得较高的灵敏度。

通过以上较佳的具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实例来对本发明的范畴加以限制。相反的，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范畴内。

Claims (8)

1.一种物体接近侦测器，包含连接至感测振荡器的一对感测板，以电容的改变来侦测物体的接近；该感测振荡器电容的改变使感测振荡器的频率改变，感测振荡器的输出连接至一计数器的输入；该计数器计数该感测振荡器的频率，其输出与一个微处理器互通；一个时基振荡器，提供微处理器的系统时脉，该微处理器计算并处理由该计数器的频率以判定一种物体已接近该侦测器；其特征在于：

该感测振荡器包含三个反相器，第一反相器、第二反相器及第三反相器串接；一个第一电容器连接于该第一反相器的输入与接地之间；该感测板亦连接于该第一反相器的输入与接地之间；一个补偿电容器连接于该第一反相器的输入与第二反相器的输出之间；一个反馈电阻器连接于该第一反相器的输入与该第三反相器的输出之间；该反馈电阻器用以在振荡器的输入端对该第一电容器、补偿电容器及该感测板充电及放电；该第一反相器为具有斯密特触发输入的反相器；该补偿电容器用以降低振荡频率随制程参数改变的影响。

2.一种物体接近侦测器，包含连接至感测振荡器的一对感测板，以电容的改变来侦测物体的接近；该感测振荡器电容的改变使感测振荡器的频率改变，感测振荡器的输出连接至一计数器的输入；该计数器计数该感测振荡器的频率，其输出与一个微处理器互通；一个时基振荡器，提供微处理器的系统时脉，该微处理器计算并处理由该计数器的频率以判定一种物体已接近该侦测器；其特征在于：

该感测振荡器包含三个反相器，第一反相器、第二反相器及第三反相器串接；一个第一电容器连接于该第一反相器的输入与接地之间；该对感测板连接于该第一反相器的输入与该第三反相器的输出之间；一个反馈电阻器连接于该第一反相器的输入与该第三反相器的输出之间；该反馈电阻器用以在振荡器的输入端对该第一电容器及该对感测板充电及放电；该第一反相器为具有斯密特触发输入的反相器；该感测板的连接用以增加该物体接近侦测器的灵敏度。

3.如权利要求2所述的物体接近侦测器，其特征在于，进一步包含：一个补偿电容器连接于该第一反相器的输入与第二反相器的输出之间。

4.如权利要求1、2或3所述的物体接近侦测器，其特征在于，进一步包含：

一个电源供应调节器，连接至该感测振荡器及该时基振荡器以保持该感测振荡器及该时基振荡器的稳定。

5.一种物体位置侦测器，包含一个感测振荡器；一个时基振荡器，提供微处理器的系统时脉，一个计数器，计数该感测振荡器的频率，其输出与一个微处理器互通；一行传输闸，连接至该感测振荡器的输入；一列传输闸，连接至该感测振荡器的输出；该行传输闸及该列传输闸形成一个开关矩阵；开关矩阵的每一开关由一对感测板所形成，其中一片感测板经由该行传输闸的输出连接至该感测振荡器的输入；而另一片感测板经由该列传输闸的输出连接至该感测振荡器的输出；该行传输闸及该列传输闸的控制闸由该微处理器进行扫描；该微处理器计算并处理由该计数器的频率以判定一个或多个物体已接近侦测数组的某一对感测板，以判定一个或多个物体在该侦测数组的位置；其特征在于：

该感测振荡器包含三个反相器，第一反相器、第二反相器及第三反相器串接；一个第一电容器连接于该第一反相器的输入与接地之间；该对感测板连接于该第一反相器的输入与接地之间；一个补偿电容器连接于该第一反相器的输入与第二反相器的输出之间；一个反馈电阻器连接于该第一反相器的输入与该第三反相器的输出之间；该反馈电阻器用以在振荡器的输入端对该第一电容器、补偿电容器及该对感测板充电及放电；该第一反相器为具有斯密特触发输入的反相器；该补偿电容器用以降低振荡频率随制程参数改变的影响。

6.一种物体位置侦测器，包含一个感测振荡器；一个时基振荡器，提供微处理器的系统时脉，一个计数器，计数该感测振荡器的频率，其输出与一个微处理器互通；一行传输闸，连接至该感测振荡器的输入；一列传输闸，连接至该感测振荡器的输出；该行传输闸及该列传输闸形成一个开关矩阵；开关矩阵的每一开关由一对感测板所形成，其中一片感测板经由该行传输闸的输出连接至该感测振荡器的输入；而另一片感测板经由该列传输闸的输出连接至该感测振荡器的输出；该行传输闸及该列传输闸的控制闸由该微处理器进行扫描；该微处理器计算并处理由该计数器的频率以判定一个或多个物体已接近侦测数组的某一对感测板，以判定一个或多个物体在该侦测数组的位置；其特征在于：

该感测振荡器包含三个反相器，第一反相器、第二反相器及第三反相器串接；一个第一电容器连接于该第一反相器的输入与接地之间；该对感测板连接于该第一反相器的输入与该第三反相器的输出之间；一个反馈电阻器连接于该第一反相器的输入与该第三反相器的输出之间；该反馈电阻器用以在振荡器的输入端对该第一电容器及该对感测板充电及放电；该第一反相器为具有斯密特触发输入的反相器；该对感测板的连接用以增加该物体位置侦测器的灵敏度。

7.如权利要求6所述的物体位置侦测器，其特征在于，进一步包含：一个补偿电容器连接于该第一反相器的输入与第二反相器的输出之间。

8.如权利要求5、6或7所述的物体位置侦测器，其特征在于，进一步包含：

一个电源供应调节器，连接至该感测振荡器及该时基振荡器以保持该感测振荡器及该时基振荡器的稳定。

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