CN102929422B - 力感测电容式混合触摸传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及力感测电容式混合触摸传感器。其中一种用于检测施加到电容式传感器阵列的力的大小的方法可以包括：接收受在触摸感测表面的接触影响的多个电容测量结果；以及基于接触的位置和第一多个电容测量结果的电容测量结果确定在接触的位置施加到触摸感测表面的力的大小。

Description

力感测电容式混合触摸传感器
本申请是2011年4月21日申请的美国专利申请13/091,132的部分继续申请，美国专利申请13/091,132要求2010年10月12日申请的美国临时申请No.61/392,034的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本公开涉及电容式传感器领域，尤其涉及使用电容式传感器阵列测量力的方法。
背景技术
例如笔记本电脑、个人数字助理(PDA)、公共信息查询站(Kiosk)以及移动手持装置等计算装置具有用户接口装置，该用户接口装置也称为人机接口装置(HID)。变得更普及的一种用户接口装置是触摸传感器板(通常也称为触摸板)。基本的笔记本电脑触摸传感器板模仿个人计算机(PC)鼠标的功能。为了内置便携性，触摸传感器板典型地嵌入到PC笔记本中。触摸传感器板通过使用两个定义的轴来复制鼠标的X/Y运动，该两个定义的轴包含检测例如手指等一个或多个导电物体的位置的传感器元件组。通过位于触摸板附近的两个机械按钮或者通过轻叩在触摸传感器板自身上的命令，可以复制鼠标的右/左按钮点击。触摸传感器板提供用于执行例如在显示器上定位指示器或选择项目等功能的用户接口装置。这些触摸传感器板可以包括用于在多个轴检测运动的多维传感器阵列。该传感器阵列可以包括一维传感器阵列，在一个轴检测运动。该传感器阵列也可以是二维的，在两个轴检测运动。
变得更为普遍的另一种用户接口装置是触摸屏。触摸屏(也称为触摸屏幕、触摸面板或触摸屏面板)是透明显示覆层，该透明显示覆层典型地是压力敏感的(电阻式的或压电式的)、电敏的(电容式的)、声敏的(表面声波(SAW)或光敏的(红外))。这样的覆层的效果是允许显示器用作输入装置，不需要键盘和/或鼠标作为用于和显示器的内容进行互动的主要输入装置。这样的显示器能够附接至计算机或者作为终端附接至网络。触摸屏在有时使用触笔来操控图形用户界面(GUI)并且输入数据的零售业中、销售网点系统中、ATM上、移动手持设备上、公共信息查询站上、游戏中心以及PDA上为大家所熟悉。用户能够触摸触摸屏或者触摸传感器板来操控数据。例如，用户能够通过使用手指来触摸触摸屏的表面而施加单个触摸以从菜单选择项目。
发明内容
根据本发明实施例的一方面，提供了一种方法，包括：接收受在触摸感测表面的第一接触影响的第一多个电容测量结果；以及，基于所述第一接触的位置和所述第一多个电容测量结果中的第一电容测量结果确定在所述第一接触的位置施加到所述触摸感测表面的第一力的大小。
根据本发明实施例的另一方面，提供了一种设备，包括：电容传感器，用于从电容式传感器阵列测量多个电容测量结果，其中所述多个电容值受在触摸感测表面的一个或多个接触影响；以及，处理逻辑，耦合至所述电容传感器，其中，所述处理单元用于基于所述一个或多个接触中的每个接触的位置和所述多个电容测量结果来确定所述一个或多个接触中的每个接触施加到所述触摸感测表面的力的大小。
根据本发明实施例的再一方面，提供了一种设备，包括：电容式传感器阵列，包括多个传感器元件；电容传感器，耦合至所述电容式传感器阵列，其中所述电容传感器用于从所述多个传感器元件测量多个电容测量结果；以及，处理逻辑，耦合至所述电容传感器，其中所述处理逻辑用于基于所述多个电容测量结果来确定在接触位置施加到所述电容式传感器阵列的力的大小。
附图说明
在附图中，通过示例而不是限制的方式说明本发明。
图1是说明处理触摸传感器数据的电子系统的实施例的框图；
图2是说明处理触摸传感器数据的电子系统的实施例的框图；
图3A说明了根据实施例的柔性触摸感测表面的剖面图；
图3B说明了根据实施例的双层柔性触摸感测表面的剖面图；
图4A说明了电容式传感器阵列的实施例；
图4B说明了根据实施例的电容式传感器阵列的电容分布(profile)；
图5说明了根据实施例的三维(3D)查找表；
图6说明了根据实施例的3D查找表的一层；
图7是根据实施例的说明3D纠正表的层间内插的图；
图8是根据实施例的说明基于3D纠正表的层间的外插的图；以及
图9是说明力检测处理的实施例的流程图。
具体实施方式
下述说明阐述了多个特定细节，例如特定系统、部件、方法等的实例，以提供对于本发明的几个实施例的良好理解。然而，对于本领域普通技术人员来说，本发明的至少一些实施例可以不需要这些特定细节而实现。在其它例子中，没有详细描述公知的部件或方法，或者以简单的框图格式呈现了公知的部件或方法，以避免不必要地使本发明不清楚。因而，所阐述的特定细节仅是示例。具体的实施可以与这些示例细节不同，并且仍然应当被理解为在本发明的精神和范围之内。
包括电容式传感器阵列的柔性触摸感测表面的一个实施例可以用于基于传感器阵列的电容测量结果来确定由手指或其它物体施加到触摸感测表面上的力的大小。这样的触摸感测表面可以进一步用于确定传感器在施加力的点处或者在该点附近的偏移量。
在一个实施例中，柔性触摸感测表面可以包括具有高柔性覆层的电容式传感器阵列，该高柔性覆层由例如聚乙烯-三氯氧化乙烯(甲基丙烯酸甲酯)或PMMA的材料制成。在一个实施例中，电容式传感器阵列可以响应于由导电物体接近电容式传感器阵列导致的电容变化，或者响应于由导电或非导电物体施加到传感器阵列的表面的压力。
在一个实施例中，使用电容式传感器阵列实现的柔性触摸感测表面可以覆盖显示面板(例如液晶显示器(LCD)屏幕)以实现触摸屏。在一个实施例中，向柔性触摸感测表面施加压力的导电或非导电物体可以导致电容式传感器阵列的一些传感器元件的位移，这些元件可能被移动至更靠近显示器面板，因而增加显示器面板和被位移的传感器元件之间的电容式耦合。该位移会导致在电容式传感器阵列的至少部分被位移的任意传感器元件处的电容的可测量变化。
实施上述方法的处理装置可以接收在电容式传感器输入处的第一和第二电容测量结果，然后基于第一和第二电容测量结果之间的比较来检测施加到触摸感测表面的压力的存在。在一个实施例中，处理装置可以进一步确定在接触处施加的力的大小，并且可以将力的信息发送到主机用于进一步的处理。在一个实施例中，电容测量结果可以与存储在查找表中的力值相关。在一个实施例中，该方法可以用于确定在触摸感测表面的多个接触(被同时施加了力)中每个接触的力的大小。
图1说明了电子系统100的一个实施例的框图，电子系统100包括处理装置110，处理装置110可以用于从柔性触摸感测表面测量电容并计算或检测施加到柔性触摸感测表面的力的量。电子系统100包括耦合到处理装置110的触摸感测表面116(例如触摸屏或触摸板)以及主机150。在一个实施例中，触摸感测表面116是使用传感器阵列121检测在表面116上的触摸的二维用户接口。
在一个实施例中，传感器阵列121包括作为二维矩阵(也称为XY矩阵)布置的传感器元件121(1)-121(N)(其中N是正整数)。传感器阵列121经由一个或多个传输多个信号的模拟总线115耦合到处理装置110的针脚113(1)-113(N)。在该实施例中，每个传感器元件121(1)-121(N)被表示作为电容。在传感器阵列121中的每个传感器的自电容由处理装置110中的电容传感器101测量。
在一个实施例中，电容传感器101可以包括张弛振荡器或其它器件用于将电容转换为被测量值。电容传感器101也可以包括计数器或定时器用于测量振荡器输出。电容传感器101可以进一步包括软件组件用于将计数值(例如电容值)转换为传感器元件检测决定(也称为切换检测决定)或相关大小。应当理解有多种已知方法用于测量电容，例如电流-电压的相位移测量结果、电阻-电容充电定时、电容式桥分压器、电荷转移、连续近似、Sigma-Delta调制器、电荷积累电路、场效应、互电容、频移或其它电容测量算法。然而，应当注意，替代评价与阈值相关的原始计数，电容传感器101可以评价其它测量用于确定用户交互。例如，在具有Sigma-Delta调制器的电容传感器101中，电容传感器101评价输出的脉宽比而不是超过特定阈值或低于特定阈值的原始计数。
在一个实施例中，处理设备110进一步包括处理逻辑102。处理逻辑102的操作可以以固件实现；可选地，可以以硬件或软件实现。处理逻辑102可以接收来自电容传感101的信号，并确定传感器阵列121的状态，例如，确定在传感器阵列121处或其附近是否检测到物体(例如手指)(例如确定物体的存在)，确定在传感器阵列上检测到物体的位置(例如确定物体的位置)，确定跟踪物体的运动或确定与之触摸传感器处检测到的物体相关的其它信息。
在另一个实施例中，替代执行处理装置110中的处理逻辑102的操作，处理装置110可以将原始数据或部分处理过的数据发送到主机150。如图1所示，主机150可以包括执行处理逻辑102的一些或全部操作的决定逻辑151。决定逻辑151的操作可以以固件、硬件、软件或其组合实现。主机150可以包括在对接收的数据执行例程的应用152中的高级应用编程接口(API)，该例程例如补偿敏感性差异、其它补偿算法、基线更新例程、启动和/或初始化例程、内插操作或缩放操作。针对处理逻辑102描述的操作可以在决定逻辑151、应用152或主机150外部的其它硬件、软件和/或固件中实现。在一些其它的实施例中，处理装置110是主机150。
在另一个实施例中，处理装置110还可以包括非感测动作块103。该块103可以用于处理和/或接收来自主机150的数据或发送数据至主机150。例如，可以实现另外的部件来与处理装置110以及传感器阵列121一起操作(例如，键盘、键区、鼠标、轨迹球、LED、显示器或其它外围装置)。
处理装置110可以位于公共承载基底上，例如集成电路(IC)裸片基底或多芯片模块基底上。可选地，处理装置110的部件可以是一个或多个分离的集成电路和/或离散部件。在一个实施例中，处理装置110可以是可编程片上系统(PSoCTM)处理装置，其由加利福尼亚州圣何塞的Cypress Semiconductor Corporation开发。可选地，处理装置110可以是本领域普通技术人员已知的一个或多个其它处理装置，例如微处理器或中央处理单元、控制器、特定用途处理器、数字信号处理器(DSP)，特定用途集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程装置。在可选实施例中，例如，处理装置110可以是具有多个处理器(包括核心单元和多个微引擎)的网络处理器。另外，处理装置110可以包括通用处理装置和特定用途处理装置的任意组合。
在一个实施例中，电子系统100以包括作为用户接口的触摸感测表面的装置实现，该装置例如手持电子设备、便携电话、蜂窝电话、笔记本电脑、个人电脑、个人数字助理(PDA)、公共信息查询站、键盘、电视、远程控制器、监视器、手持多媒体装置、手持视频游戏机、游戏装置、家用或工业用电器的控制面板或其它计算机外设或输入装置。可选地，电子系统100可以使用于其它类型的装置。应当注意电子系统100的部件可以包括上述所有部件。可选地，电子系统100可以仅包括上述一些部件，或包括这里没有列出的额外部件。
图2是说明电容式触摸传感器阵列121以及将测量的电容转换为坐标的电容传感器101的一个实施例的框图。基于测量的电容计算坐标。在一个实施例中，在例如电子系统100的系统中实现传感器阵列121和电容传感器101。传感器阵列121包括N×M个电极(N个接收电极和M个发送电极)的矩阵225，该矩阵进一步包括发送(TX)电极222和接收(RX)电极223。矩阵225中的每个电极通过解复用器212和复用器213连接到电容检测电路201。
电容传感器101包括复用器控制211，解复用器212和复用器213，时钟发生器214，信号发生器215，解调电路216和模数转换器(ADC)217。ADC217进一步耦合到触摸坐标转换器218。触摸坐标转换器218输出信号至处理逻辑102。
电极矩阵225中的发送和接收电极可以被布置使得每个发送电极覆盖并穿过每个接收电极以形成交点阵列，同时彼此保持电流隔离(galvanic isolation)。因而，每个电极可以电容式耦合至每个接收电极。例如，在发送电极222和接收电极223重叠的点，发送电极222电容式耦合至接收电极223。
时钟发生器214将时钟信号提供给信号发生器215，信号发生器215产生TX信号224以提供给触摸传感器121的发送电极。在一个实施例中，信号发生器215包括根据来自时钟发生器214的时钟信号操作的一套开关。开关可以通过周期地将信号发生器215的输出连接至第一电压并且然后连接至第二电压而生成TX信号224，其中所述第一和第二电压不同。
信号发生器215的输出连接至解复用器212，解复用器212允许TX信号224被施加到触摸传感器121的M个发送电极中的任一个。在一个实施例中，复用器控制211控制解复用器212从而以受控顺序将TX信号224施加到每个发送电极222。解复用器212也可以被用于接地、浮地、或将替代信号连接至当前没有被施加TX信号224的其它发送电极。
由于发送和接收电极之间的电容式耦合，施加至每个发送电极的TX信号224包括在每个接收电极中的电流。例如，当通过解复用器212将TX信号224施加到发送电极222时，TX信号224包括在矩阵225中的接收电极上的RX信号227。然后通过使用复用器213能够按顺序测量每个接收电极上的RX信号227，以按顺序将N个接收电极中的每个接收电极连接到解调电路216。
能够通过使用解复用器212和复用器213来选择TX电极和RX电极的每个可用组合而感测与TX电极和RX电极之间的每个交点相关联的互电容。为了改善性能，也可以将复用器213分段以允许将矩阵225中的多于一个的接收电极路由到另外的解调电路216。在优化配置中(其中解调电路216与接收电极之间存在1对1的对应关系)，在系统中可以不存在复用器213。
当例如手指的物体靠近电极矩阵225时，该物体导致仅一些电极之间的互电容的下降。例如，如果手指放置在发送电极222和接收电极223的交点附近，手指的存在会降低电极222和223之间的互电容。因而，除了通过识别在一个或多个接收电极上测量到降低的互电容时向其施加TX信号224的发送电极之外，通过识别具有降低的互电容的一个或多个接收电极能够确定的触摸板上的手指的位置。
通过确定与矩阵225中的电极的每个交点相关联的互电容，可以确定一个或多个触摸接触的位置。该确定可以是顺序的、并行的或者可以在经常使用的电极处更加频繁地发生。
在可选实施例中，在手指或导电物体导致在一个或多个电极处电容的上升的位置可以使用其它方法用于检测手指或导电物体的存在，该一个或多个电极可以布置为网格状或其图案。例如，放置在电容式传感器的电极附近的手指可以向地面引入额外的电容，该额外的电容增加电极和地面之间的总电容。能够从在检测到上升的电容的一个或多个电极的位置确定手指的位置。
通过解调电路216对感应的电流信号227进行整流。由解调电路216的整流的电流输出然后被ADC 217过滤并转换为数字代码。
触摸坐标转换器218将数字代码转换为指示触摸传感器阵列121上的输入的位置的触摸坐标。触摸坐标被作为输入信号发送到处理逻辑102。在一个实施例中，在处理逻辑102的输入处接收输入信号。在一个实施例中，可以将该输入配置为接收指示多个行坐标和多个列坐标的电容测量结果。可选地，可以将该输入配置为接收行坐标和列坐标。
在一个实施例中，用于跟踪触摸感测表面上的接触的位置的系统可以基于来自电容式传感器阵列的电容测量结果确定每个接触的力的大小。在一个实施例中，也能够确定在触摸感测表面施加到多个接触中的每个接触的力的大小的电容式触摸感测系统可以由柔性材料(例如PMMA)构造，并且在电容式传感器阵列和LCD显示面板之间可以不具有屏蔽。在这样的实施例中，可以由传感器元件更加靠近LCD显示面板的VCOM平面的位移导致传感器元件的电容变化。
图3A和3B说明了可以连接到例如电容传感器101的电容传感器的柔性触摸感测表面的实施例。如图3A所示的触摸感测表面300包括可以是例如图2所示的传感器阵列121的电容式传感器阵列的一部分的多个传感器元件301。
触摸感测表面300包括形成在基底303上并且由覆层302覆盖的传感器元件301。在一个实施例中，基底303由例如聚对苯二甲酸乙二(醇)酯(PET)的材料制成。在一个实施例中，基底303是柔性的和透明的。传感器元件301的层可以另外由覆层302覆盖，覆层302可以由例如PMMA的材料制成。在一个实施例中，覆层302是柔性的和透明的。柔性触摸感测表面300覆盖显示面板310，显示面板310可以是LCD显示器、LED显示器、OLED显示器或其它类型的显示面板。
如图3A所示，可以由例如触笔320的物体将压力施加到触摸感测表面300。由触笔320施加的压力使传感器元件301位移，从而将更靠近施加了压力的位置的传感器元件推动到更加接近显示面板。
如图3B所示的触摸感测表面320与触摸感测表面300类似，但是包括多层传感器元件321。触摸感测表面320覆盖显示面板330并且包括形成在基底323上并且由覆层322覆盖的两层传感器元件321。触笔340将压力施加到柔性触摸感测表面，使表面变形并使至少一部分传感器元件移动至更接近显示面板330。
如图3A和3B所示，出于清楚的目的，夸大了传感器元件的位移。在下面的描述中，术语“力”和“压力”可以互换使用来描述导致传感器元件位移或导致触摸感测表面或传感器阵列变形的条件。
由于传感器元件321更加接近LCD的偏移，电极和LCD之间的电容式耦合增加。因而，即使是非导电触笔或物体带来的传感器元件的位移也能够导致测量的电容相对于基线电容值的改变，基线电容值是当传感器元件没有被位移时从传感器元件测量的电容值。
由传感器元件的位移改变的电容测量结果的子集能够用于检测和测量施加到电容式传感器阵列的力。一些传感器元件301的偏移能够导致由例如ADC217的ADC测量的信号强度的增加。
图4A说明了包括行传感器元件411-420以及列传感器元件421-428的柔性触摸感测表面的传感器阵列401。行和列传感器元件411-428连接到处理装置110，处理装置110测量来自每个传感器元件411-428的电容值。
在一个实施例中，电容值A(没有阴影的条状)表示当由导电物体带来的接触430靠近或触摸传感器阵列401但没有在传感器阵列401上施展力并且没有使传感器401变形的时候从行传感器阵列411-420测量到的电容值。电容值B(阴影条状)表示当导电物体在接触位置430另外地施加力使传感器阵列变形时从行传感器元件411-420测量到的电容值。根据测量到各个电容值的传感器元件参考组A和B中的各个电容值，即，行元件416的电容测量结果416A或416B。组A和B每个都可以被称为与触摸感测表面处的接触的特定组相关联的电容分布(profile)。
在一个实施例中，如果非导电物体以高速向传感器阵列401施加力，则第一少数分布可以具有与不施加力的导电接触导致的分布可比较的分布比率(profile ratio)。这可能导致辨别导电接触和非导电接触的困难。为了解决该问题，可以实施去抖动技术(debouncing technique)从而可以摒弃多个初始抽样分布。例如，可以摒弃检测初始接触之后抽样的第一的一个或两个分布从而触摸物体稳定到自己的正常分布。
在图4A中，电容值组A说明没有向传感器阵列401施加力并且没有使传感器元件411-428位移的接触430导致电容信号的大小从接触430的中心向外的更加急剧的下降。相反，在接触430处由物体向传感器阵列401施加力导致的电容值组B说明电容信号的大小从接触430的中心向外的更加缓慢的下降，这是由于传感器元件靠近接触430的位移导致的。
因而，在一个实施例中，来自不施加力的导电物体的接触430导致更加急剧的分布。相反，来自施加力并且使传感器阵列变形的物体的接触430导致更宽和更平的分布。在有些情况下，即使是在接触位置430施加力的非导电物体也可以充分地增加电容信号B从而触摸感测系统可以将接触认为是导电物体的触摸。
在一个实施例中，例如连接到电容式传感器阵列401的处理装置110的处理装置可以基于来自从传感器阵列401的行元件(或列元件)取出的电容测量结果的组中的第一电容测量结果和第二电容测量结果之间的比较来检测由在传感器阵列401上的压力导致的变形。在一个实施例中，具有最大大小的电容测量结果可以被选作第一电容值，而第二电容值可以选择第n个最强的电容信号，其中n是预定整数。可选地，可以从距离第一电容值预定距离的传感器元件测量第二电容值。例如，第一电容值416A可以与第二电容值419A进行比较。
在一个实施例中，可以计算第一和第二电容值之间的分布比率，并且可以基于分布比率推导施加到传感器元件的力的量或者传感器变形或传感器元件的位移的量。例如，低于特定分布比率阈值的分布比率可以用于指示力正在被施加到传感器阵列401并且可以触发计算施加到柔性触摸感测表面的力的大小的计算处理。在一个实施例中，可以由处理装置110执行计算。
在一个实施例中，力的大小的计算处理允许基于施加到柔性触摸感测表面的力的多少来检测手势。由于当与导电物体导致的窄分布(从接触向外的较大的下降)相比，由非导电物体施加的力导致的传感器阵列的变形导致更宽的分布(从接触向外的较小的下降)，分布的形状可以用于辨别情况。
例如，可以使用下述等式1计算体现分布的形状的比率：
在一个实施例中，Cpeak是具有最大大小的第一电容值，Cn是第二电容值，选择Cn使得Cn是第n个最强信号。例如，对于n＝4，并且当信号416A是第一电容值Cpeak时，信号418A可以被选作第二电容值Cn，因为418A是第4最强电容值。可选地，Cn可以是与距离和第一电容值对应的传感器元件n个元件的传感器元件对应的电容信号。例如，对于n-4，并且当416A被选作第一电容值Cpeak时，412A或420A可以被选作第二电容值Cn。
图4B说明了根据实施例的电容分布。图4B示出的电容分布包括对于N＝1至N＝9的一系列电容测量结果。由于对于N＝5的电容测量结果具有最高值，N＝5的测量结果被指定为P1。相应地，与N＝7对应的第四最大值被指定为P4。在一个实施例中，P1和P4可以用作第一和第二电容值Cpeak和Cn。
在一个实施例中，可以选择n的值使得受传感器元件位移影响的、并且较少受到临近导电物体影响的电容值被选作第二电容值。可以通过比较由施加力的导电接触和非导电元件导致的分布来通过经验地确定n值。n值也会基于传感器阵列401中的传感器元件的节距而不同。
能够检测力的触摸感测系统的一个实施例可以将第四最强信号(P4)，峰值信号(P1)以及偏移(D)的值与在触摸感测表面上的力值和位置相关。在一个实施例中，这些值可以存储在例如3D查找表600的表中，如图5所示。
3D查找表600包括16组(P4,P1)值，例如对于每层601的值对602。3D查找表600的每层表示可以被施加到触摸感测表面的力的量。例如，当通过经验地确定查找表600中的值时，可以通过将相同量的力施加到触摸感测表面来确定相同层中的每个值。
在一个实施例中，例如3D查找表600的表可以由使用触摸物体将目标力施加到触摸感测表面上不同位置处并且利用测力计控制和测量由触摸物体施加到表面的力的量的机器人生成。在施加或测量目标力时触摸物体的Z位置能够用于估计传感器偏移量。
在一个实施例中，16(P4,P1)对可以对应于传感器阵列中的交点。可选地，可以仅对于传感器元件的一些交点存储值对，或者对于与交点不相关联的传感器阵列的表面上分布的其它点存储值对。在一个实施例中，在每层存储多于或少于16对的值对。3D查找表也可以包括多于或少于3层的层。
在一个实施例中，峰电容值(P1)和第四最强电容值(P4)可以用于纠正由于施加到触摸感测表面上的力引起的传感器元件的位移导致的任何检测到的接触坐标位置的移位。例如，与在相同位置的不使传感器元件位移的触摸相比，由使传感器元件位移的导电物体的触摸可以导致不同组的报告坐标。
在一个实施例中，除了纠正坐标移位效果之外，接触的P4值也可以用于确定在接触位置施加到触摸感测表面的力的大小。在一个实施例中，P4值表示主要由施加到接触位置的力或传感器元件的位移影响、较少受与接触触摸感测表面的物体的电容式耦合影响的信号。在一个实施例中，P4可以由主要由施加到表面的力或传感器元件的位移引起的信号代替，而不是由和手指或其它导电物体的电容式耦合引起的信号代替。
在一个实施例中，P4值随着施加到触摸感测表面的力的量单调改变。因而，对于16对值对(可以对应于在触摸感测表面上的位置)中的每对值对，施加的力可以表示P4的函数。然后可以基于测量的P4值来使用查找表确定传感器上的力。在一个实施例中，在触摸感测系统的操作过程中，基于P4值确定施加的力的大小可以实时发生。
在一个实施例中，实施用于检测施加到触摸感测表面的力的处理的触摸感测系统可以捕获由在触摸感测表面的一个或多个接触导致的电容分布，然后使用存储在查找表中的P1和P4值来纠正电容分布并且获取对于一个或多个接触中的每个接触的纠正坐标位置。例如，触摸感测系统可以确定适当的二次补偿分布以调节测量的电容分布，然后基于补偿的分布确定触摸位置。使用例如图5所示的表600的3D查找表，触摸感测系统可以进一步使用线性内插来确定对应于每个力层601的触摸位置的P4值。在一个实施例中，测量的P4值可以位于与两个力层F1和F2对应的两个内插P4值之间。触摸感测系统可以执行力层F1和F2之间的进一步内插以更加准确地将测量的P4值与力值相关。
图6说明了根据实施例的例如表600的3D查找表的一个力层900。层900中的16个点中的每个点与X/Y坐标位置相关联，X/Y坐标位置可以与触摸感测表面上的位置相对应。位置(X0,Y0)可以指示由向触摸感测表面施加力的物体在触摸感测表面的接触位置。
如图6所示，触摸位置(X0,Y0)可以由4个点(X1,Y1)，(X2,Y1)，(X1,Y2)和(X2,Y2)包围。在一个实施例中，在位置(X0,Y0)的接触导致作为4个包围点的P4值的加权平均的P4信号。在一个实施例中，可以通过从触摸位置(X0,Y0)到4个包围点中的每个包围点的距离来确定加权因子。将X和Y方向的加权因子分别定义为α和β，产生下述等式2和3：
在触摸位置(X0,Y0)处的内插P4值因而可以被表示为等式4：
P0＝(1-β)[(1-α)P11+αP12]+β[(1-α)P21+αP22] (等式4)
在一个实施例中，根据施加到接触的力，与4个包围点相关联的P4值P4 1，P4 2，P4 3和P4 4可以具有不同的值。因而，如果正被施加到触摸感测表面的力不等于与力层601相关联的任一力值，则通过4个包围点之间的内插计算得到的P4值会有一些错误。为了得到测量的P4值的更加准确的估计，触摸感测系统可以对于所有的力层601执行上述4个包围点之间的内插，并且可以发现最接近的内插P4值对(由P01和P02表示)，使得P02>P4(测量的)>P01。在一个实施例中，P01和P02中的每个可以与和正被测量的接触位置的相同的X，Y坐标位置相关联，并且可以与相邻力层相关联。
图7说明了根据一个实施例的力层之间的内插。值P4,1和P4,2是分别对于相邻力层F1和F2的P4值。施加到接触(FTouch)的实际的力导致P4 m的测量P4值。FTouch位于力层F1和F2之间；相应地，F2>FTouch>F1。通过F1和F2之间的线性内插可以确定施加到触摸感测表面的实际的力FTouch的更加准确的估计。定义加权因子γ产生下述等式：
因而，施加到接触位置的内插的力由等式5确定：
FTouch＝(1-γ)F1+γF2 (等式6)
在一个实施例中，等式6对于两个力层之间的内插有效；然而，如果估计的P4值由力层中大于最大记录的力或小于最小记录的力的施加力导致，则可以转而使用外插。在一个实施例中，外插可以基于假设力值和P4值之间的线性关系。
例如，上述等式6表示力值和P4值之间的线性关系。等式6可以由下述等式7的形式表示：
等式7表示FTouch和P4值之间的线性关系。在一个实施例中，如果估计的P4值大于与在表中的最大存储力对应的P4值，则可以使用外插来找到FTouch。
图8说明了基于具有P02的对应P4值的最大力F2、以及指定作为F1并具有P01的对应P4值的F2之下的下一力级别，来使用外插确定FTouch。假设力和P4值之间的线性关系延伸超出F2，产生下述等式8：
在等式8中，表示从电容式触摸传感器阵列测量的P4值，其对应于大于最大力值F2的力值FTouch。
在一个实施例中，在触摸感测表面的多个接触中的每个接触可以产生自己的独立的电容分布，从而根据上述方法可以独立地确定在每个接触处施加的力。因而，在基于电容测量结果确定在第一接触施加的力之后，实施这些力检测方法的触摸感测系统可以基于第二组电容测量结果(包括峰值电容和P4值)进一步确定在第二接触位置与第一力同时施加的第二力的大小。在一个实施例中，以与确定施加到第一接触的力相似的方式，触摸感测系统可以确定施加到第二接触的力。
在一个实施例中，也可以使用由电容分布感应的偏移来报告导电或非导电物体在触摸感测表面的一个或多个同时接触的位置。
在一个实施例中，可以使用用于确定施加到在触摸感测表面上的接触的力的上述方法来确定一部分触摸感测表面的位移量或偏移量。例如，接触触摸感测表面并且向接触位置施加力的物体可以导致触摸感测表面的施加了力的部分被位移。在一个实施例中，位移可以被表示为沿着垂直于触摸感测表面的轴的距离。
在一个实施例中，表示由施加到触摸感测表面的力导致的位移量的位移值可以存储在例如图5所示的表600的3D查找表中。在一个实施例中，可以通过向触摸感测表面施加已知力并且然后对多个位置中的每个位置测量导致的位移且存储该位移值，来通过经验地确定位移值。可以与确定力相似的方式确定位移值。
图9说明了可以在例如图1的电子系统100的触摸感测系统中实施的力检测处理900的实施例。在一个实施例中，力检测处理900在框901开始。在框901，触摸感测系统可以接收由在触摸感测表面的一个或多个接触影响的多个电容测量结果。例如，参考图4，在触摸感测表面的接触430可以导致在传感器阵列401中的传感器元件的电容变化，导致例如电容值B的电容值组。触摸感测系统的电容传感器可以测量这些电容，这些电容然后可以由处理逻辑接收。从框901，处理900继续到框903。
在框903，触摸感测系统基于在框901接收的电容测量结果确定一个或多个接触中的每个接触的位置。例如，可以使用行和列传感器元件的电容值的大小来计算接触的重心位置。从框903，处理900继续到框905。
在框905，对于在触摸感测表面的每个接触，触摸感测系统从多个电容测量结果中选择电容测量结果。在一个实施例中，可以基于在电容分布中电容测量结果的等级来选择电容测量结果。例如，选择的带电容测量结果可以是P4值，表示在该分布中的多个电容测量结果的第四最强电容信号。在可选实施例中，可以基于相对于峰值电容测量结果Cpeak的地点来选择选择的电容测量结果。从框905，处理900继续到框907。
在框907，触摸感测系统可以基于接触位置和选择的电容测量结果来使用查找表来确定在一个或多个接触施加的每个力的大小。例如，可以使用例如3D查找表600的查找表来将接触的接触位置以及选择的电容测量结果(例如P4值)与力值相关。如前所述，触摸感测系统可以在例如层601的层内或者在层间进行内插或外插以获取更准确的力值。从框907，处理900继续到框909。
在框909，触摸感测系统使用查找表来基于接触位置和选择的电容测量结果来确定由在一个或多个接触施加的每个力导致的位移。例如，例如表600的3D查找表可以将位移值与接触位置以及选择的电容测量结果(例如P4值)相关。在一个实施例中，位移值可以存储在与框907的力值相同的3D查找表中。在一个实施例中，触摸感测系统可以类似地在层内和层间执行内插或外插以更加准确地确定位移值。从框909，处理900继续到框911。
在框911，触摸感测系统可以将与每个接触相关联的力和/或位移值报告给主机装置。例如，参考图1，触摸感测系统的处理逻辑102可以将位置、力和位移值报告给主机150。从框911，处理900可以继续返回至框901。
因而，触摸感测系统可以重复与框901至911相关联的操作以连续更新和跟踪在触摸感测表面的接触的位置、在接触处施加到触摸感测表面的力以及在每个接触处触摸感测表面的位移量。
这里描述的本发明的实施例包括各种操作。这些操作可以由硬件部件、软件、固件或其组合执行。如这里所使用的，术语“耦合至”可以表示直接耦合或者通过一个或多个中间部件间接耦合。通过这里描述的各种总线提供的任何信号可以与其它信号在时间上复用并且在一个或多个通用总线上提供。此外，电路部件或块之间的互相连接可以被示为总线或单个信号线。每个总线可以可选地是一个或多个单个信号线，并且每个单个信号线可以可选地是总线。
特定实施例可以实施作为可以包括存储在计算机可读介质上的指令的计算机程序产品。这些指令可以用于对通用或特定用途处理器进行编程以执行上述操作。计算机可读介质包括用于以机器(例如计算机)可读的形式(例如软件、处理应用)存储或发送信息的任意机制。计算机可读介质可以包括但不限于磁存储介质(例如软盘)、光存储介质(例如CD-ROM)、磁光存储介质、只读存储器(ROM)、随机访问存储器(RAM)、可擦写可编程存储器(例如EPROM和EEPROM)、闪存或适于存储电子指令的其它类型的介质。
此外，一些实施例可以在分布式计算环境中实现，在分布式计算环境中计算机可读介质存储在多于一个的计算机系统中和/或由多于一个的计算机系统执行。另外，在计算机系统之间传递的信息可以通过连接计算机系统的传输介质而被拉近或推送。
尽管以特定顺序示出和描述了这里的方法的操作，但每个方法的操作的顺序可以改变从而特定操作可以相反的顺序执行或者特定操作可至少部分地与其它操作同时执行。在另一个实施例中，不同的操作的指令或子操作可以是间歇的和/或交替的方式。
在上述说明书中，已经参考特定示例实施例描述了本发明。然而，显而易见的是，在不偏离由所附权利要求提供的本发明的最广的精神和范围的前提下，可以进行各种变型和改变。相应地，说明书和附图将被认为是说明性的而不是限制性的。

Claims (18)

1.一种使用电容式传感器阵列测量力的方法，包括：
接收受在触摸感测表面的第一接触影响的第一多个电容测量结果；
基于所述第一接触的位置和所述第一多个电容测量结果中的第一电容测量结果确定在所述第一接触的位置施加到所述触摸感测表面的第一力的大小；
接收受在所述触摸感测表面的第二接触影响的第二多个电容测量结果；以及
基于所述第二接触的位置和所述第二多个电容测量结果中的第二电容测量结果确定在所述第二接触的位置施加到所述触摸感测表面的第二力的大小，其中所述第二力是与所述第一力同时施加的。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括基于所述第一多个电容测量结果确定所述第一接触的位置。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括基于所述第一电容测量结果的大小相对于所述第一多个电容测量结果中的其他电容测量结果的大小的等级，从所述第一多个电容测量结果中选择所述第一电容测量结果。
4.根据权利要求3所述的方法，其中选择所述第一电容测量结果进一步包括基于所述第一多个电容测量结果的等级将在所述第一多个电容测量结果中从高到低排第四的电容测量结果选择作为所述第一电容测量结果。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将与距离和峰值电容值相关联的传感器元件预定距离的传感器元件对应的电容测量结果选择作为所述第一电容测量结果。
6.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述第一力的大小进一步包括在查找表中查找指示所述第一力的大小的力值，其中所述查找表将所述力值与所述第一接触的位置和所述第一电容测量结果相关。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括确定由所述第一力导致的至少一部分所述触摸感测表面的位移量。
8.根据权利要求7所述的方法，其中确定所述位移量包括从查找表中查找指示所述位移量的位移值，其中所述查找表将所述位移值与所述第一接触的位置和所述第一电容测量结果相关。
9.一种使用电容式传感器阵列测量力的设备，包括：
电容传感器，用于从所述电容式传感器阵列测量多个电容测量结果，其中所述多个电容测量结果受在触摸感测表面的一个或多个接触影响；以及
处理逻辑，耦合至所述电容传感器，其中，所述处理逻辑用于基于所述一个或多个接触中的每个接触的位置和所述多个电容测量结果来确定所述一个或多个接触中的每个接触施加到所述触摸感测表面的力的大小；并且其中所述处理逻辑进一步用于基于所述多个电容测量结果来确定在所述触摸感测表面的第一接触位置和第二接触位置分别施加的第一力和第二力的大小，其中所述第二力是与所述第一力同时施加的。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述处理逻辑进一步用于基于所述多个电容测量结果确定所述一个或多个接触中的每个接触的位置。
11.根据权利要求9所述的设备，进一步包括查找表，所述查找表用于将每个力的大小与所述一个或多个接触中的一个接触的位置和所述多个电容测量结果中的一个电容测量结果相关，其中所述处理逻辑进一步用于通过在所述查找表中查找指示每个力的大小的力值来确定每个力的大小。
12.根据权利要求9所述的设备，其中所述一个或多个接触中的每个接触包括物体和所述触摸感测表面的接触，并且其中所述一个或多个接触是同时的。
13.根据权利要求9所述的设备，进一步包括查找表，所述查找表耦合至所述处理逻辑，其中所述处理逻辑进一步用于通过从所述查找表中查找指示位移量的位移值来确定由施加到所述触摸感测表面的每个力导致的至少部分所述触摸感测表面的位移量。
14.一种使用电容式传感器阵列测量力的设备，包括：
所述电容式传感器阵列，包括多个传感器元件；
电容传感器，耦合至所述电容式传感器阵列，其中所述电容传感器用于从所述多个传感器元件测量多个电容测量结果；以及
处理逻辑，耦合至所述电容传感器，其中所述处理逻辑用于基于所述多个电容测量结果来确定在接触位置施加到所述电容式传感器阵列的力的大小；并且其中所述处理逻辑进一步用于基于所述多个电容测量结果来确定在触摸感测表面的第一接触位置和第二接触位置分别施加的第一力和第二力的大小，其中所述第二力是与所述第一力同时施加的。
15.根据权利要求14所述的设备，其中所述处理逻辑进一步用于基于所述接触位置确定力的大小。
16.根据权利要求14所述的设备，其中所述处理逻辑进一步用于基于所述多个电容测量结果确定所述接触位置。
17.根据权利要求14所述的设备，进一步包括耦合至所述处理逻辑的查找表，所述查找表用于将所述多个电容测量结果中的一个电容测量结果与指示力的大小的力值相关，并且其中所述处理逻辑进一步用于通过查找所述力值来确定所述第一力的大小。
18.根据权利要求14所述的设备，进一步包括耦合至所述处理逻辑的查找表，其中所述查找表用于将所述多个电容测量结果中的一个电容测量结果与位移值相关，并且其中所述处理逻辑进一步用于通过从所述查找表查找所述位移值来确定由力导致的至少部分所述触摸感测表面的位移量。
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