CN102955608A - 传感器接口中的寄生电容抵消 - Google Patents

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CN102955608A
CN102955608A CN2012102799310A CN201210279931A CN102955608A CN 102955608 A CN102955608 A CN 102955608A CN 2012102799310 A CN2012102799310 A CN 2012102799310A CN 201210279931 A CN201210279931 A CN 201210279931A CN 102955608 A CN102955608 A CN 102955608A
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劳里·伊尔马里·利帕斯蒂
尤卡·萨卡里·里希亚霍
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Abstract

本申请案涉及传感器接口中的寄生电容抵消。在一个实施例中，一种方法包含将第一电压传递到触摸传感器的驱动线；将所述触摸传感器的感测线设定到预定电压；及将第二电压传递到所述驱动线。所述驱动线处从所述第一电压到所述第二电压的所得转变致使将积累于所述感测线上的电荷量传递到积分器。所述方法还包含在所述积分器处对从所述感测线传递的所述电荷量进行积分以将所述电荷量转换成输出电压。所述方法还包含将所述感测线恢复到所述预定电压。

Description

传感器接口中的寄生电容抵消
技术领域
本发明大体来说涉及测量电容。
背景技术
导电驱动及感测电极的阵列可形成具有一个或一个以上电容节点的互电容触摸屏。所述阵列中的驱动电极与感测电极的相交点可形成电容节点。在所述相交点处，驱动电极与感测电极可彼此靠近，但其彼此不产生电接触。替代地，感测电极以电容方式耦合到驱动电极。施加到驱动电极的脉冲式或交替式电压可在感测电极上诱发电荷，且所诱发的电荷量可易受外部影响(例如，物体触摸或物体接近)。当物体触摸或接近驱动及感测电极时，可在所述电容节点处发生电容改变。通过测量整个阵列的电容改变，控制器可确定触摸传感器上的触摸或接近的位置。
单个类型(例如，驱动)的导电电极的阵列可形成自电容触摸屏。所述阵列中的导电电极中的每一者可形成电容节点，且当物体触摸或接近所述电极时，可在所述电容节点处发生自电容改变且控制器可测量所述电容改变作为电压改变或将电压升高预定量所需的电荷量的改变。如同互电容触摸屏，通过测量整个阵列的电压改变，控制器可确定触摸传感器上的触摸或接近的位置。
在触敏显示器应用中，触摸屏可使得用户能够与显示于触摸屏下方的显示器上的内容直接互动，而非借助鼠标或触摸板与其间接互动。举例来说，触摸屏可附接到桌上型计算机、膝上型计算机、平板计算机、个人数字助理(PDA)、智能电话、卫星导航装置、便携式媒体播放器、便携式游戏控制台、信息亭计算机、销售点装置或其它适合装置，或提供所述触摸屏作为上述装置的部分。家用电器或其它器具上的控制面板可包含触摸屏。
发明内容
本申请案的一个方面是提供一种方法。所述方法包括：将第一电压传递到触摸传感器的驱动线；将所述触摸传感器的感测线设定到预定电压；将第二电压传递到所述驱动线，所述驱动线处从所述第一电压到所述第二电压的所得转变致使将积累于所述感测线上的电荷量传递到积分器；在所述积分器处对从所述感测线传递的所述电荷量进行积分以将所述电荷量转换成输出电压；及将所述感测线恢复到所述预定电压。
本申请案的另一方面是提供一种电路。所述电路经配置以：将第一电压传递到触摸传感器的驱动线；将所述触摸传感器的感测线设定到预定电压；将第二电压传递到所述驱动线，所述驱动线处从所述第一电压到所述第二电压的所得转变致使将积累于所述感测线上的电荷量传递到积分器；在所述积分器处对从所述感测线传递的所述电荷量进行积分以将所述电荷量转换成输出电压；及将所述感测线恢复到所述预定电压。
本申请案的另一方面是提供一种设备。所述设备包括：触摸传感器；及一个或一个以上计算机可读非暂时存储媒体，其耦合到所述触摸传感器，体现在执行时可操作以进行如下操作的逻辑：将第一电压传递到所述触摸传感器的驱动线；将所述触摸传感器的感测线设定到预定电压；将第二电压传递到所述驱动线，所述驱动线处从所述第一电压到所述第二电压的所得转变致使将积累于所述感测线上的电荷量传递到积分器；在所述积分器处，对从所述感测线传递的所述电荷量进行积分以将所述电荷量转换成输出电压；及将所述感测线恢复到所述预定电压。
附图说明
图1图解说明用于抵消感测器接口中的寄生电容的实例性系统。
图2图解说明图1的实例性系统的实例性波形。
图3图解说明图1的实例性系统的实例性使用。
图4图解说明用于抵消感测器接口中的寄生电容的实例性方法。
具体实施方式
图1图解说明用于抵消传感器接口中的寄生电容的实例性系统100。在图1的实例中，系统100包含微控制器(MCU)102及触摸传感器104。微控制器102包含多路复用器108、寄生抵消电路110、驱动器114及模/数转换器(ADC)112或任一其它电压电平检测器。寄生抵消电路110包含运算放大器116及多路复用器118。将与开关120并联的积分电容器Cint耦合到运算放大器116的负输入端子。将运算放大器116的正输入端子耦合到例如参考电压Vref/2的一半的电压。积分电容器Cint与开关120的并联组合与运算放大器116形成反馈回路。微控制器102可通过一个或一个以上感测线Y耦合到触摸传感器104。
在特定实施例中，触摸传感器104可以是互电容触摸传感器，其包含分别耦合到对应驱动线X及感测线Y中的一者的驱动电极及感测电极的阵列。驱动电极与感测电极的每一相交点形成电容节点Cx，y。在特定实施例中，触摸传感器104可以是自电容触摸传感器104。自电容触摸传感器104包含耦合到相关联的感测线Y的一个或一个以上电极。自电容触摸传感器104通过物体与由自电容触摸传感器104的一个或一个以上电极产生的电场之间的相交点来检测物体的存在。在特定实施例中，图1中示意性地展示，电容节点Cx,y的电容显著小于与感测线Y及驱动线X相关联的寄生电容Cpy及Cpx的值。尽管本发明描述相对于特定触摸传感器具有特定功能性的特定微控制器，但本发明涵盖相对于无触摸传感器的任一适合应用具有任一适合功能性的任一适合微控制器。
微控制器102可检测且处理电容改变以确定触摸或接近输入的存在及位置。微控制器102可以是一个或一个以上集成电路(IC)，例如(举例来说)通用微处理器、微控制器、可编程逻辑装置或阵列、专用IC(ASIC)。尽管本发明描述且图解说明系统100中的特定微控制器，但本发明涵盖系统100中的任一适合微控制器。
驱动器114通过驱动线X将驱动信号传输到一个或一个以上驱动电极。所述驱动信号通过电容节点Cx,y在相关联的感测电极上诱发电荷。作为实例而非通过限制方式，驱动器114可实施为具有p型金属氧化物半导体(PMOS)晶体管px及n型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管nx的反相器。驱动器114还可通过其它电路来实现，例如，提供预定电压电平的模拟缓冲器。物体122与触摸传感器104之间的互动可影响在一个或一个以上感测电极上所诱发的电荷量。所诱发电荷由微控制器102感测为电容改变。
在特定实施例中，电容节点Cx,y(“不触摸”)的自由空间电容与由和接近触摸传感器104的物体互动(“触摸”)所致的电容相比的之间的电容改变比寄生电容Cpy及Cpx的值小得多。寄生电容Cpy及Cpx的值可视温度且依据从其它电路接收干涉而变化。出于至少这些原因，和与触摸传感器104中的“不触摸”相关联的电容改变相比地确定与“触摸”相关联的电容改变可由于寄生电容Cpy及Cpx而成问题。尽管本发明描述且图解说明用于系统100的特定组件的特定布置，但本发明涵盖用于系统100的任何适合组件的任一适合布置。
寄生抵消电路110的多路复用器118选择耦合到输入多路复用器118的感测线Y中的一者。多路复用器118跨越耦合到感测线Y中的选定一者的电容节点Cx，y将电压传递到运算放大器116。在测量感测线Y中的选定一者的电压之后，多路复用器118选择感测线Y中的另一者。在特定实施例中，多路复用器118根据预定序列选择每一感测线Y上的电压。
寄生抵消电路110具有两个操作模式。在第一模式中，关闭开关120，从而绕过积分电容器Cint。绕过积分电容器Cint将运算放大器116变成单一增益放大器，其将运算放大器116的负输入端子以及多路复用器118的一个选定输入的输出处的电压驱动到运算放大器116的正端子的电压，例如，参考电压的一半(Vref/2)。另外，关闭运算放大器116的反馈回路从积分电容器Cint中移除电荷。
在第二模式中，打开耦合到运算放大器116的反馈回路的开关120，从而使用积分电容器Cint及运算放大器116形成积分器。打开开关120将积分电容器Cint耦合在所述积分器的负输入端子与输出端子之间。所述积分器产生是从感测线Y中的选定一者转移的电荷量的函数的电压。在特定实施例中，可将依据所述电荷量的电压传输到ADC112以用于转换成所述电压的数字表示。
图2图解说明图1的实例性系统的实例性波形。在图2的实例中，实例性波形包含驱动线的电压V(Cpx)、感测线中的选定一者的电压V(Cpy)及多路复用器108的选定输入上的寄生抵消电路的输出电压V(MUX)。可相对于两个不同阶段描述每一波形V(Cpx)、V(Cpy)及V(MUX)的行为。
在阶段1期间，驱动信号V(Cpx)将电源电压(即，Vcc)施加到驱动线。如上文所讨论，通过驱动线传输的驱动信号V(Cpx)在电容节点的感测电极上诱发电荷。大约同时，关闭耦合到运算放大器的开关。关闭运算放大器的反馈回路将运算放大器变成单一增益放大器，且将运算放大器的负输入端子以及多路复用器V(MUX)108的输出处的电压驱动到运算放大器的正输入端子的电压Vref/2。另外，通过寄生抵消电路的多路复用器将运算放大器的正端子的电压传递到感测线Y中的选定一者，如由V(Cpy)所看到。
在阶段2期间，打开耦合到运算放大器的反馈回路的开关。如上文所讨论，打开所述开关将积分电容器耦合在运算放大器的负输入端子与输出端子之间。大约同时，驱动信号V(Cpx)将低电压(举例来说，接地)施加到电容节点的驱动线。将在阶段1期间于电容节点的感测电极上所诱发的电压转移到耦合到运算放大器的积分电容器。电荷转移可首先视为感测线V(Cpy)的电压的下降及多路复用器V(MUX)108的输出处的电压的增加。依据电荷转移的负回馈致使积分器电路通过将电流提供到感测线直到感测线的电压返回到Vref/2来补偿。因此，由积分电容器对在选定感测电极上所诱发的电荷进行积分，其中所积分电荷可近似于以下方程式：
Q=(Vlow-Vhigh)×Cxy        (1)
Q是来自选定感测电极的经转移电荷，Vhigh是阶段1期间的驱动线驱动器114高输出值(例如，Vcc)，且Vlow是阶段2期间的驱动线驱动器114低值(例如，接地)，且Cxy是电容节点的选定一者的电容。使用方程式(1)的结构，积分器电路的输出电压Vout可近似于以下方程式，其中Cint是积分电容器的电容：
V out = ( V low - V high ) × C xy C int - - - ( 2 )
通过在电荷转移的开始(阶段1的结束)及电荷转移的结束(阶段2的结束)期间将感测线中的选定一者的电压V(Cpy)维持为大致Vref/2，从传输到积分器的电压V(Cpy)抵消感测线上的寄生电容效应。因此，阶段2期间的输出电压V(MUX)改变大致仅由感测电极上所诱发的电荷所致。从初始电压Vref/2的任何电压V(MUX)改变主要是感测电极上所诱发的电荷的结果。感测电极上所诱发的电荷取决于欲检测的物体122的存在或接近。尽管本发明描述且图解说明由特定触摸传感器引起的特定电压改变，但本发明涵盖从包含或排除触摸传感器的任一装置测量任何适合电压改变。
图3图解说明图1的实例性系统的实例性使用。在图3的实例中，触摸传感器104(连同控制器102)可检测触摸传感器104的区域内的物体触摸或物体接近存在及位置。触摸传感器104可实施触摸感测的电容形式。作为实例而非通过限制方式，触摸传感器104可包含形成电容节点的驱动电极及感测电极的阵列。触摸传感器104的电容节点处的电容改变可指示节点的位置处的物体触摸或物体接近。在单层配置中，驱动电极及感测电极可以图案安置于衬底的一个侧上。在此配置中，跨越其间的间隙以电容方式彼此耦合的驱动电极及感测电极对可形成电容节点。作为替代方案，在两层配置中，驱动电极可以图案安置于衬底的一个侧上且感测电极可以图案安置于衬底的另一侧上。在此配置中，驱动电极与感测电极的相交点可形成电容节点。此相交点可以是其中驱动电极与感测电极在其个别平面中“交叉”或彼此最靠近。驱动电极与感测电极彼此不产生电接触，替代地其跨越衬底在相交点处彼此以电容方式耦合。尽管本发明描述形成特定节点的特定电极的特定配置，但本发明涵盖形成任何适合节点的任何适合电极的任一适合配置。此外，本发明涵盖以任何适合图案安置于任一适合数目个任何适合衬底上的任何适合电极。
触摸传感器104的驱动电极可耦合到驱动线X，且触摸传感器104的感测电极可耦合到感测线Y。驱动线X及感测线Y可通过具有触摸传感器104的衬底上的接合垫630且通过连接器670耦合到控制器102，连接器670接线于控制器102位于其上的挠性印刷电路(FPC)中。接合垫630可使用各向异性导电膜(ACF)来接合。除驱动线X及感测线Y以外，还可存在具有相关联的接地连接器640的接地迹线610。驱动线X及感测线Y在接合垫630处终止。
控制器102(其可以是微控制器)可检测且处理触摸传感器104的区域内的物体触摸或物体接近的存在及位置。如上文所描述，触摸传感器104的电容节点处的电容改变可指示电容节点的位置处的触摸或接近输入。控制器102可检测且处理电容改变以确定触摸或接近输入的存在及位置。控制器102可接着将关于触摸或接近输入的信息传递到装置(例如，智能电话、PDA、平板计算机、膝上型计算机、桌上型计算机、信息亭计算机、卫星导航装置、便携式媒体播放器、便携式游戏控制台、销售点装置、另一适合装置、这些项中的两者或两者以上的适合组合、或这些项中的一者或一者以上的适合部分)的一个或一个以上其它组件(例如，一个或一个以上中央处理单元(CPU)或数字信号处理器(DSP))，所述装置可通过起始系统(或运行于所述装置上的应用)的与其相关联的功能来回应于触摸或接近输入。尽管本发明描述相对于特定装置及特定触摸传感器具有特定功能性的特定控制器，但本发明涵盖相对于任一适合装置及任一适合触摸传感器具有任一适合功能性的任一适合控制器。
控制器102可以是一个或一个以上IC，例如(举例来说)通用微处理器、微控制器、可编程逻辑装置或阵列、或ASIC。控制器102可包含处理器单元740、驱动单元710、感测单元720及存储单元730。驱动单元710可包含用以将驱动信号传递到触摸传感器104的驱动电极的驱动器。感测单元720可感测触摸传感器104的电容节点处的电荷(如上文所描述，由驱动电极与感测电极的相交点或有驱动电极及感测电极对形成)且将表示电容节点处的电容的测量信号提供到处理单元740。感测单元720可包含寄生抵消电路，如上文所描述。处理单元740可控制由驱动单元710将驱动信号传递到驱动电极且处理来自感测单元720的测量信号以检测并处理触摸传感器104上的触摸或接近输入的存在及位置。处理单元740还可追踪触摸传感器104上的触摸或接近输入的位置的改变。存储单元730可存储用于由处理单元740执行的编程，包含用于控制驱动单元710将驱动信号传递到驱动电极的编程、用于处理来自感测单元720的测量信号的编程及(在适当时)其它适合编程。尽管本发明具有借助特定组件的特定实施方案的特定控制器102，但本发明涵盖具有借助任何适合组件的任一适合实施方案的任一适合控制器102。
图4图解说明用于抵消传感器接口中的寄生电容的实例性方法。所述方法可以步骤500开始，其中将第一电压传递到驱动线。在特定实施例中，可由如图3中所图解说明的驱动单元产生第一电压。在步骤502处，可将感测线设定到预定电压。在特定实施例中，可由耦合到如图1中所图解说明的运算放大器的负输入端子的电力供应器提供所述预定电压。在步骤504处，将第二电压传递到驱动线。在特定实施例中，所述第二电压可以是逻辑低，如图2中所图解说明。在特定实施例中，将第二电压传递到驱动线可在对应感测电极上诱发电荷，从而导致所述感测线上的电压下降，如图2中所图解说明。
在步骤506处，对感测电极上所诱发的电荷进行积分。在特定实施例中，感测电极上所诱发的电荷可由耦合在运算放大器的负输入端子与输出端子之间的电容器进行积分，如图1中所图解说明。在特定实施例中，可测量所积分电荷作为预定电压与对所诱发电荷进行积分之后的电压之间的电压差。在步骤508处，可将感测线的电压恢复到预定电压，此时所述方法可结束。在特定实施例中，与所积分电荷成比例的电压可经历进一步处理，例如确定阈值。尽管本发明描述且图解说明以特定次序发生的图4方法的特定步骤，但本发明涵盖以任一适合次序发生的图4方法的任何适合步骤。此外，尽管本发明描述且图解说明实施图4方法的特定步骤的特定组件，但本发明涵盖实施图4方法的任何适合步骤的任何适合组件的任一适合组合。
本文中，对计算机可读存储媒体的提及涵盖拥有结构的一个或一个以上非暂时有形计算机可读存储媒体。作为实例而非通过限制方式，计算机可读存储媒体可包含基于半导体的或其它IC(例如，(举例来说)现场可编程门阵列(FPGA)或ASIC)、硬盘、HDD、混合硬驱动器(HHD)、光盘、光盘驱动器(ODD)、磁光盘、磁光驱动器、软盘、软盘驱动器(FDD)、磁带、全息存储媒体、固态驱动器(SSD)、RAM驱动器、安全数字卡、安全数字驱动器或另一适合计算机可读存储媒体或者在适当时这些项中的两者或两者以上的组合。本文中，对计算机可读存储媒体的提及排除不具有在35U.S.C.§ 101下受专利保护的资格的任何媒体。本文中，对计算机可读存储媒体的提及排除暂时形式的信号传输(例如，传播的电或电磁信号自身)，从而其不具有在35U.S.C.§ 101下受专利保护的资格。计算机可读非暂时存储媒体可为易失性、非易失性或在适当时易失性与非易失性的组合。
本文中，“或”为包含性而非排斥性，除非上下文另有明确指示或另有指示。因此，本文中，“A或B”意指“A、B或两者”，除非上下文另有明确指示或另有指示。此外，“及”既为联合的又为各自的，除非上下文另有明确指示或另有指示。因此，本文中，“A及B”意指“A及B，联合地或各自地”，除非上下文另有明确指示或另有指示。
本发明涵盖所属领域的技术人员将理解的对本文中的实例性实施例的所有改变、替代、变化、更改及修改。类似地，在适当时，所附权利要求书涵盖所属领域的技术人员将理解的对本文中的实例性实施例的所有改变、替代、变化、更改及修改。此外，在所附权利要求书中对经调适以、经布置以、能够、经配置以、经启用以、可操作以或操作以执行特定功能的设备或系统或者设备或系统的组件的提及涵盖所述设备、系统、组件，不论其或所述特定功能是否被激活、接通或解除锁定，只要所述设备、系统或组件经如此调适、经如此布置、能够如此、经如此配置、经如此启用、可如此操作或如此操作即可。

Claims (10)

1.一种方法，其包括：
将第一电压传递到触摸传感器的驱动线；
将所述触摸传感器的感测线设定到预定电压；
将第二电压传递到所述驱动线，所述驱动线处从所述第一电压到所述第二电压的所得转变致使将积累于所述感测线上的电荷量传递到积分器；
在所述积分器处对从所述感测线传递的所述电荷量进行积分以将所述电荷量转换成输出电压；及
将所述感测线恢复到所述预定电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其中将所述感测线恢复到所述预定电压包括通过所述积分器将电流传递到所述感测线。
3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括从多个感测线中选择所述感测线。
4.根据权利要求1所述的方法，其中对所述电荷量进行积分包括将所述积分器的积分电容器耦合在运算放大器的负端子与输出端子之间。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定电压为参考电压的一半。
6.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括通过绕过所述积分器的积分电容器而从所述积分器中移除电荷。
7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
将所述输出电压传递到模/数转换器；及
将所述输出电压转换成数字表示。
8.一种电路，其经配置以：
将第一电压传递到触摸传感器的驱动线；
将所述触摸传感器的感测线设定到预定电压；
将第二电压传递到所述驱动线，所述驱动线处从所述第一电压到所述第二电压的所得转变致使将积累于所述感测线上的电荷量传递到积分器；
在所述积分器处，对从所述感测线传递的所述电荷量进行积分以将所述电荷量转换成输出电压；及
将所述感测线恢复到所述预定电压。
9.一种设备，其包括：
触摸传感器；及
一个或一个以上计算机可读非暂时存储媒体，其耦合到所述触摸传感器，体现在执行时可操作以进行如下操作的逻辑：
将第一电压传递到所述触摸传感器的驱动线；
将所述触摸传感器的感测线设定到预定电压；
将第二电压传递到所述驱动线，所述驱动线处从所述第一电压到所述第二电压的所得转变致使将积累于所述感测线上的电荷量传递到积分器；
在所述积分器处，对从所述感测线传递的所述电荷量进行积分以将所述电荷量转换成输出电压；及
将所述感测线恢复到所述预定电压。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述逻辑进一步经配置以通过所述积分器将电流传递到所述感测线。
CN2012102799310A 2011-08-09 2012-08-08 传感器接口中的寄生电容抵消 Pending CN102955608A (zh)

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