CN101369811B - 具静电免疫的电容式触碰传感器及使用其的感测方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于具静电免疫的电容式触碰传感器及使用其的感测方法。此触碰传感器包括一感应电极、一放电元件、一感测-控制端以及一输入-输出控制端，其中放电元件耦接于感测-控制端与输入-输出控制端之间，且感应电极耦接感测-控制端。本发明的精神是在于通过感测-控制端以及输入-输出控制端使用充放电方式进行感应。故当感应电极带有的静电荷为正或者是负时都可以有相对应的补偿。因此静电所带来的诸多影响便得以消除。

Description

具静电免疫的电容式触碰传感器及使用其的感测方法

技术领域

本发明是有关于一种触碰传感器(touch sensor)相关的技术，且特别是有关于一种具静电免疫(electrostatic immunity)的电容式触碰传感器。

背景技术

近年来，由于科技的进步，许多控制按钮，例如电梯的按钮或是电子游乐器材的按钮，也从以往的弹簧机械式按钮，改采用触碰式传感器。图1是现有电容式传感器的电路图。请参考图1，此电路包括感应电极101、电阻102以及感测-控制端103。感测电极101在此电路中，相当于一个接地的电容Cx。

图2是现有电容式传感器在上述感应电极101与电阻102的耦接节点A的操作波形。请同时参考图1与图2，感测-控制端103一开始会对节点A充电到一第一额定电压V20，并且使节点A处在高阻抗状态。接下来，由于感应电极101相当于一个接地的电容Cx，因此感应电极101会开始通过电阻102进行放电。感测-控制端103会持续检测节点A的电压。当节点A的电压放电到一第二额定电压V21时，感测-控制端103会根据节点A由第一额定电压V20放电到第二额定电压V21的时间，来判断是否有手指接触到感应电极101，并且再次对节点A进行充电。

请再参考图2，波形201是手指未碰触感应电极101时，节点A的波形；波形202是手指碰触感应电极101后，节点A的波形。由此波形图可以看出，当手指碰触到感应电极101时，感应电极101的等效电容Cx增加，故波形202的放电时间T2会大于波形201的放电时间T1。因此，感测-控制端103只要判断出节点A放电到第二额定电压V21的时间大于T1，便可以判定感应电极101已经被碰触。

感应电极101的表面材质一般是以聚乙烯，聚丙烯等等塑料所构成。此种电容式传感器的感应电极101较容易受到表面材质上所带静电的影响。而上述这类的塑料材质，例如说聚乙烯、聚丙烯等等，具有静电荷累积后不易消除的特性。图3是当现有电容式传感器的感应电极101受到静电影响后，在上述节点A的操作波形。请参考与图3，当手指在上述塑料上面操作时，逐渐的会将静电荷导入或带离塑料，使感应电极101的表面材质的电场效应改变。当感应电极101的表面材质带有正电荷时，放电时间增加，节点A的波形便会如同波形301；当感应电极101的表面材质带有负电荷时，放电时间缩短，节点A的波形便会如同波形302。

因此，在上述两种情况下，仅通过上述现有检测充放电时间，并无法判断是否有物体接近。而且可能会使传感器所控制的受控物运作不正常。

发明内容

有鉴于此，本发明的一目的就是在提供一种触碰传感器以及使用其的感测方法，用以消除静电所带来的影响，并增加感测准确度。

本发明的另一目的就是在提供一种触碰传感器，用以当产生的静电荷为正或者是负时都可以有相对应的补偿。

为达上述或其他目的，本发明提出一种触碰传感器。此触碰传感器包括一第一感应电极、一第一放电元件、一第一感测-控制端以及一输入-输出控制端。第一放电元件耦接于第一感测-控制端以及输入-输出控制端之间。第一感应电极耦接第一感测-控制端。当第一感测-控制端对第一感应电极充电到一第一电压时，输入-输出控制端设为一第一共接电压且第一感测-控制端设为高阻抗。当第一感测-控制端的电压由第一电压放电至第二电压时，第一感测-控制端设为第一共接电压一预定时间后设为高阻抗，且输入-输出控制端设为一第二共接电压。当第一感测-控制端的电压由第一共接电压充电至第三电压时，根据第一感应电极由第一电压放电到第二电压的时间加上第一感应电极由第一共接电压充电到第三电压的时间，判断第一感应电极是否有接触一导体。

本发明提出一种判断导体是否有接触触碰式传感器的方法。此方法包括：提供一第一感应电极、一第一放电元件、一第一感测-控制端以及一输入-输出控制端，其中第一放电元件耦接于第一感测-控制端以及输入-输出控制端之间，且第一感应电极耦接第一感测-控制端；当第一感测-控制端对第一感应电极充电到一第一电压时，输入-输出控制端设为一第一共接电压且第一感测-控制端设为高阻抗；当第一感测-控制端的电压由第一电压放电至一第二电压时，第一感测-控制端设为第一共接电压一预定时间后设为高阻抗，且输入-输出控制端设为一第二共接电压；当第一感测-控制端的电压由第一共接电压充电至第三电压时，根据第一感应电极由第一电压放电到第二电压的时间加上第一感应电极由第一共接电压充电到第三电压的时间，判断第一感应电极是否有接触导体。

依照本发明的较佳实施例所述的触碰传感器，与判断导体是否有接触触碰式传感器的方法，还包括第2～第N感应电极、第2～第N感测-控制端以及第2～第N放电元件，其中第i个感应电极耦接第i感测-控制端且第i个放电元件的第一端耦接第i个感应电极，第i个放电元件的第二端耦接输入-输出控制端，N、i为自然数，且0＜i＜N。在第i期间时，当第i感测-控制端对第i个感应电极充电到第一电压时，输入-输出控制端设为第一共接电压且第i感测-控制端设为高阻抗；当第i感测-控制端的电压由第一电压放电至第二电压时，第i感测-控制端设为第一共接电压一预定时间后设为高阻抗且该输入-输出控制端设为第二共接电压；当第i感测-控制端的电压由第一共接电压充电至第三电压时，根据第i感应电极由第一电压放电到第二电压的时间加上第i感应电极由第一共接电压充电到第三电压的时间，判断第i感应电极是否有接触导体。

依照本发明的较佳实施例所述的触碰传感器与判断导体是否有接触触碰式传感器的方法，还包括第二感应电极耦接输入-输出控制端以及第一放电元件的第二端。其中，在第一期间，当第一感测-控制端对第一感应电极充电到第一电压时，输入-输出控制端设为第一共接电压且第一感测-控制端设为高阻抗；当第一感应电极的电压由第一电压放电至第二电压时，第一感测-控制端设为第一共接电压预定时间后设为高阻抗，且输入-输出控制端设为第二共接电压；当第一放电元件的第一端的电压由第一共接电压充电至第三电压时，根据第一感应电极由第一电压放电到第二电压的时间加上第一感应电极由第一共接电压充电到第三电压的时间，判断第一感应电极是否有接触导体。在第二期间，当输入-输出控制端对第二感应电极充电到第一电压时，第一感测-控制端设为第一共接电压且输入-输出控制端设为高阻抗；当第二感应电极的电压由第一电压放电至第二电压时，输入-输出控制端设为第一共接电压预定时间后设为高阻抗，且输入-输出控制端设为第二共接电压；当第一放电元件的第二端的电压由第一共接电压充电至第三电压时，根据第二感应电极由第一电压放电到第二电压的时间加上第二感应电极由第一共接电压充电到第三电压的时间，判断第一感应电极是否有接触导体。

依照本发明的较佳实施例所述的触碰传感器与判断导体是否有接触触碰式传感器的方法，上述第一共接电压为接地电压，且第二电压与第三电压介于第一电压与第一共接电压之间。另外，在一实施例中，放电元件为一电阻。

本发明的精神是在于通过感测-控制端以及输入-输出控制端使用充放电方式进行感应。故当感应电极带有的静电荷为正或者是负时都可以有相对应的补偿。因此静电所带来的诸多影响便得以消除。

附图说明

图1是现有电容式传感器的电路图。

图2是现有电容式传感器在上述感应电极101与电阻102的耦接节点A的操作波形。

图3是当现有电容式传感器的感应电极101受到静电影响后，在上述节点A的操作波形。

图4是根据本发明实施例所绘示的电容式传感器的电路图。

图5是根据本发明实施例图4所绘示的操作波形。

图6A是根据本发明实施例的感应电极401不带电时的操作波形。

图6B是根据本发明实施例的感应电极401带正电荷时的操作波形。

图6C是根据本发明实施例的感应电极401带负电荷时的操作波形。

图7是根据本发明实施例所绘示的触碰传感器的电路方块图。

图8是根据本发明实施例图7所绘示的触碰传感器的操作波形图。

图9是根据本发明实施例所绘示的触碰传感器的电路方块图。

图10是是根据本发明实施例图9所绘示的触碰传感器的操作波形图。

附图标号：

101、401、701、901～904：感应电极

102：电阻

103、403、909～912：感测-控制端

402、905～908：放电元件

404、913：输入-输出控制端

具体实施方式

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

图4是根据本发明实施例所绘示的触碰传感器的电路方块图。请参考图4，此触碰传感器包括感应电极401、放电元件402、感测-控制端403以及输入-输出控制端404，上述元件的耦接关系请参考图4。图5是根据本发明实施例图4所绘示的操作波形。请同时参考图4与图5，波形501是感测-控制端403的波形，波形502输入-输出控制端404的波形。由于感应电极401的等效电路相当于一接地的电容器，故在一开始时，感测-控制端403会先对感应电极401充电到电压V1。之后，感测-控制端403将会被设为高阻抗，且输入-输出控制端404会维持第一共同电压Vss。感应电极401会开始通过放电元件402对输入-输出控制端404进行放电，一般来说，放电元件402最常见的实施方式是以电阻来实施。

当感测-控制端403的电压被放电到一特定电压V2时，感测-控制端403会被设为第一共同电压Vss将感应电极401放电到共同电压Vss之后，感测-控制端403会被设为高阻抗状态。另外，输入-输出控制端404会被设为第二共同电压Vdd，通过放电元件402来对感应电极401进行充电。当感测-控制端403的电压由共接电压Vss充电至电压V1时，便重复上述步骤。由于感应电极401在没有导体触碰的情况下，其等效电容是不会改变的，故在感测-控制端403所测量到的电压波形将会是一个周期性的波形。当有导体触碰到感应电极401时，其等效电容将会变大，在感测-控制端403所测量到的电压波形的周期也会变大。因此，只要根据感应电极401由电压V1放电到电压V2的时间加上感应电极401由共接电压Vss充电到电压V2的时间，便可以判断感应电极401是否有接触一导体。

图6A、图6B以及图6C分别是根据本发明实施例的感应电极401不带电、带正电荷与带负电荷时的操作波形。请先参考图6A与图6B，当感应电极401的表面带有正电荷时，感应电极401由电压V1放电到电压V2的时间会增加，但是感应电极401由共接电压Vss充电到电压V2的时间相对的会减少。接下来，请参考图6A与图6C，当感应电极401的表面带有负电荷时，感应电极401由电压V1放电到电压V2的时间会减少，但是感应电极401由共接电压Vss充电到电压V2的时间相对的会增加。

在本发明的实施例中，不论是感应电极401带正电荷或是负电荷，此时会有相对应时期的充放电时间增加，相对的另一时期的充放电时间则会缩短。换句话说，无论感应电极401带正电荷或带负电荷，其充电时间与放电时间的总和与感应电极401未带电荷的充放电时间的总和将会大致相同。因此感测-控制端403可以检视到的电容变化，会是接触感应电极401的导体的电容加上感应电极401本身的电容。故当感应电极401带有正电荷或者是负电荷时都可以得到相对应的补偿。因此静电所带来的诸多影响便得以消除。

虽然上述实施例仅以图4、图5、图6A、图6B的实施态样作举例，但是本领域具有通常知识者应知道，上述的电压V1、V2、Vss以及Vdd是可以依照不同情况而改变的。另外，上述对感应电极401的充电目标也并不一定要选择与放电目标V2相同的电压。故本发明不应以上述电压为限。

以下，在举几个较佳实施例以便本领域的技术人员能够应用本发明的精神。

图7是根据本发明实施例所绘示的触碰传感器的电路方块图。图8是根据本发明实施例图7所绘示的触碰传感器的操作波形图。请参考图7，此电路除了包括感应电极401、放电元件402、感测-控制端403以及输入-输出控制端404之外，还包括了额外的感应电极701。此触碰传感器的操作与上述图4的触碰传感器大致相同，两者的差别在于图7的触碰传感器是采用分时多任务(Time Division Multiplexing)感测。也就是说，图7的触碰传感器的操作是分成两个阶段。请参考图8，波形81是感测-控制端403的电压波形；波形82是输入-输出控制端404的电压波形。

第一阶段T801，请参照波形81：首先，感测-控制端403对感应电极401充电到电压V1，输入-输出控制端404设为共接电压Vss且感测-控制端403设为高阻抗。接下来，感应电极401的电压由电压V1放电至电压V2时，感测-控制端403设为共接电压Vss一段预定时间以使感应电极401设为共接电压Vss之后，感测-控制端403设为高阻抗。输入-输出控制端404设为共接电压Vdd以通过放电元件402对感应电极401充电。最后，当感测-控制端403的电压由共接电压Vss充电至电压V2时，根据感应电极401由电压V1放电到电压V2的时间加上感应电极401由共接电压Vss充电到电压V2的时间，判断感应电极401是否有接触导体。

第二阶段T802的操作与第一阶段相类似，请参照波形82。首先，输入-输出控制端404对感应电极701充电到电压V1后，输入-输出控制端403设为高阻抗，且感测-控制端403设为共接电压Vss。接下来，感应电极701的电压由电压V1放电至电压V2时，输入-输出控制端404设为共接电压Vss一段预定时间以使感应电极701设为共接电压Vss之后，输入-输出控制端404设为高阻抗。之后感测-控制端403设为共接电压Vdd以通过放电元件402对感应电极701充电。最后，当输入-输出控制端404的电压由共接电压Vss充电至电压V2时，根据感应电极701由电压V1放电到电压V2的时间加上感应电极701由共接电压Vss充电到电压V2的时间，判断感应电极701是否有接触导体。

图9是根据本发明实施例所绘示的触碰传感器的电路方块图。图10是根据本发明实施例图9所绘示的触碰传感器的操作波形图。请参考图9，此电路包括了4个感应电极901～904以及4个放电元件905～908、4个感测-控制端909～912以及一输入-输出控制端913。同样的道理，此实施例与上述图7的实施例类似，采用分时多任务的感测方式。

图10是根据本发明实施例图9所绘示的触碰传感器的操作波形图。1001是感测-控制端909的波形；1002是感测-控制端910的波形；1003是感测-控制端911的波形；1004是感测-控制端912的波形；1005是输入-输出控制端913的波形。请同时参考图9与图10，由于在此实施例的电路具有4个感应电极901～904，因此，在此时施例中，需分为4个期间T101、T102、T103以及T104分别对4个感应电极901～904作感测。其感测原理与图4与图5的实施例相同，故在此不予赘述。

综上所述，本发明的精神是在于通过感测-控制端以及输入-输出控制端使用充放电方式进行感应。故无论感应电极带有的静电荷为正或者是负时都可以有相对应的补偿。因此，静电所带来的诸多影响便得以消除。

在较佳实施例的详细说明中所提出的具体实施例仅用以方便说明本发明的技术内容，而非将本发明狭义地限制于上述实施例，在不超出本发明的精神及以下申请专利范围的情况，所做的种种变化实施，皆属于本发明的范围。因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (12)

1.一种触碰传感器，其特征在于，该触碰传感器包括：

一第一感应电极；

一第一放电元件，其第一端耦接所述的感应电极；

一第一感测-控制端，耦接所述的第一感应电极以及所述的第一放电元件的第一端；以及

一输入-输出控制端，耦接所述的第一放电元件的第二端；

其中，

当所述的第一感测-控制端对所述的第一感应电极充电到一第一电压时，所述的输入-输出控制端设为一第一共接电压且第一感测-控制端设为高阻抗，

当所述的第一感测-控制端的电压由所述的第一电压放电至一第二电压时，所述的第一感测-控制端设为所述的第一共接电压一预定时间后，设为高阻抗，且所述的输入-输出控制端设为一第二共接电压，

当所述的第一感测-控制端的电压由所述的第一共接电压充电至一第三电压时，根据所述的第一感应电极由所述的第一电压放电到所述的第二电压的时间加上该第一感应电极由所述的第一共接电压充电到所述的第三电压的时间，判断该第一感应电极是否有接触一导体。

2.如权利要求1所述的触碰传感器，其特征在于，所述的第一共接电压为接地电压。

3.如权利要求1所述的触碰传感器，其特征在于，所述的第二电压与所述的第三电压介于所述的第一电压与第一共接电压之间。

4.如权利要求1所述的触碰传感器，其特征在于，所述的放电元件为一电阻。

5.如权利要求1所述的触碰传感器，其特征在于，该触碰传感器还包括：

第2～第N感应电极；

第2～第N放电元件，第i个放电元件的第一端耦接第i个感应电极，第i个放电元件的第二端耦接输入-输出控制端；以及

第2～第N感测-控制端，第i个感测-控制端耦接第i个感应电极，

其中，N、i为自然数，且0＜i＜N，且在第i期间时，

当第i感测-控制端对第i个感应电极充电到所述的第一电压时，所述的输入-输出控制端设为一第一共接电压且第i感测-控制端设为高阻抗，

当第i感测-控制端的电压由所述的第一电压放电至一第二电压时，所述的第i感测-控制端设为所述的第一共接电压一预定时间后设为高阻抗且所述的输入-输出控制端设为所述的第二共接电压，

当第i感测-控制端的电压由所述的第一共接电压充电至所述的第三电压时，根据所述的第i感应电极由所述的第一电压放电到第二电压的时间加上该第i感应电极由所述的第一共接电压充电到第三电压的时间，判断该第i感应电极是否有接触导体。

6.如权利要求1所述的触碰传感器，其特征在于，该触碰传感器还包括：

一第二感应电极，耦接所述的输入-输出控制端以及所述的第一放电元件的第二端；

其中，在第一期间，

当所述的第一感测-控制端对所述的第一感应电极充电到所述的第一电压时，该输入-输出控制端设为所述的第一共接电压且所述的第一感测-控制端设为高阻抗，

当所述的第一感测-控制端的电压由所述的第一电压放电至所述的第二电压时，所述的第一感测-控制端设为所述的第一共接电压所述的预定时间后，设为高阻抗，且所述的输入-输出控制端设为所述的第二共接电压，

当所述的第一感测-控制端的电压由所述的第一共接电压充电至所述的第三电压时，根据所述的第一感应电极由所述的第一电压放电到所述的第二电压的时间加上所述的第一感应电极由所述的第一共接电压充电到所述的第三电压的时间，判断所述的第一感应电极是否有接触导体；

在第二期间，

当所述的输入-输出控制端对所述的第二感应电极充电到所述的第一电压时，所述的第一感测-控制端设为所述的第一共接电压且所述的输入-输出控制端设为高阻抗，

当所述的输入-输出控制端的电压由所述的第一电压放电至所述的第二电压时，所述的输入-输出控制端设为所述的第一共接电压所述的预定时间后，设为高阻抗，且所述的第一感测-控制端设为所述的第二共接电压，

当所述的输入-输出控制端的电压由所述的第一共接电压充电至所述的第三电压时，根据所述的第二感应电极由所述的第一电压放电到所述的第二电压的时间加上所述的第二感应电极由所述的第一共接电压充电到所述的第三电压的时间，判断所述的第一感应电极是否有接触导体。

7.一种判断导体是否有接触触碰式传感器的方法，其特征在于，该方法包括：

提供一第一感应电极、一第一放电元件、一第一感测-控制端以及一输入-输出控制端，其中所述的第一放电元件耦接于所述的第一感测-控制端以及所述的输入-输出控制端之间，且所述的第一感应电极耦接所述的第一感测-控制端；

当所述的第一感测-控制端对所述的第一感应电极充电到一第一电压时，所述的输入-输出控制端设为一第一共接电压且第一感测-控制端设为高阻抗；

当所述的第一感测-控制端的电压由所述的第一电压放电至一第二电压时，所述的第一感测-控制端设为所述的第一共接电压一预定时间后，设为高阻抗，且所述的输入-输出控制端设为一第二共接电压；以及

当所述的第一感测-控制端的电压由所述的第一共接电压充电至一第三电压时，根据所述的第一感应电极由所述的第一电压放电到所述的第二电压的时间加上所述的第一感应电极由所述的第一共接电压充电到所述的第三电压的时间，判断所述的第一感应电极是否有接触一导体。

8.如权利要求7所述的判断导体是否有接触触碰式传感器的方法，其特征在于，所述的第一共接电压为接地电压。

9.如权利要求7所述的判断导体是否有接触触碰式传感器的方法，其特征在于，所述的第二电压与所述的第三电压介于所述的第一电压与所述的第一共接电压之间。

10.如权利要求7所述的判断导体是否有接触触碰式传感器的方法，其特征在于，所述的放电元件为一电阻。

11.如权利要求7所述的判断导体是否有接触触碰式传感器的方法，其特征在于，该方法还包括：

提供第2～第N感应电极；以及

提供第2～第N放电元件，第i个放电元件的第一端耦接第i个感应电极，第i个放电元件的第二端耦接输入-输出控制端，其中，N、i为自然数，且0＜i＜N；以及

提供第2～第N感测-控制端，第i个感测-控制端耦接第i个感应电极；

在第i期间时：

当第i感测-控制端对第i个感应电极充电到所述的第一电压时，所述的输入-输出控制端设为一第一共接电压且第i感测-控制端设为高阻抗；

当第i感测-控制端的电压由所述的第一电压放电至一第二电压时，所述的第i感测-控制端设为所述的第一共接电压一预定时间后设为高阻抗且所述的输入-输出控制端设为所述的第二共接电压；以及

当第i感测-控制端的电压由所述的第一共接电压充电至所述的第三电压时，根据所述的第i感应电极由所述的第一电压放电到所述的第二电压的时间加上第i感应电极由所述的第一共接电压充电到所述的第三电压的时间，判断所述的第i感应电极是否有接触导体。

12.如权利要求7所述的判断导体是否有接触触碰式传感器的方法，其特征在于，该方法还包括：

提供一第二感应电极，耦接所述的输入-输出控制端以及所述的第一放电元件的第二端；以及

在第一期间：

当所述的第一感测-控制端对所述的第一感应电极充电到所述的第一电压时，所述的输入-输出控制端设为所述的第一共接电压且所述的第一感测-控制端设为高阻抗；

当所述的第一感测-控制端的电压由所述的第一电压放电至所述的第二电压时，所述的第一感测-控制端设为所述的第一共接电压所述的预定时间后，设为高阻抗，且所述的输入-输出控制端设为所述的第二共接电压；以及

当所述的第一感测-控制端的电压由所述的第一共接电压充电至所述的第三电压时，根据所述的第一感应电极由所述的第一电压放电到所述的第二电压的时间加上所述的第一感应电极由所述的第一共接电压充电到所述的第三电压的时间，判断所述的第一感应电极是否有接触导体；以及

在第二期间：

当所述的输入-输出控制端对所述的第二感应电极充电到所述的第一电压时，所述的第一感测-控制端设为所述的第一共接电压且所述的输入-输出控制端设为高阻抗；

当所述的输入-输出控制端的电压由所述的第一电压放电至所述的第二电压时，所述的输入-输出控制端设为所述的第一共接电压所述的预定时间后，设为高阻抗，且所述的第一感测-控制端设为所述的第二共接电压；以及

当所述的输入-输出控制端的电压由所述的第一共接电压充电至所述的第三电压时，根据所述的第二感应电极由所述的第一电压放电到所述的第二电压的时间加上所述的第二感应电极由所述的第一共接电压充电到所述的第三电压的时间，判断所述的第一感应电极是否有接触导体。

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