CN103250350A - 线性突出的单层电容传感器 - Google Patents

Abstract

一种触摸式传感器，其具有多个电激励的平行激励电极，将激励设置在一个端部上或者同时设置在两个端部上，从而产生了跨越激励电极的长度的线性或者变化电场，其中相邻传感器电极连接到传感放大器和模数转换器（ADC），以确定靠近激励和/或传感电极的物体的位置，其中，该系统使用了自电容，并且测量了由每个激励器所激励的电流值，其中，通过采用时变电压激励电极，并且测量在相邻传感电极的每个端部处的感应电流，并且使用比值等式来确定手指位置，该系统在第一方法中使用互电容分流器，以及在第二方法中使用互电容分压器。

Description

线性突出的单层电容传感器

相关申请的交叉引用

本申请要求包含在2010年11月30日提交的案卷号4892.CIRQ.PR并且具有序列号61/418,047的临时专利申请中的全部主题的优先权，并且通过引用将其合并。

技术领域

本发明通常涉及一种触摸传感器技术。尤其是，本发明涉及电容触摸传感器使用的传感系统，该系统使用互电容或者自电容技术来检测并跟踪与触摸传感器接触和/或靠近触摸传感器的传导物体，其中，激励电极可从一个或两个端激励，并且在相同电极的一端或者两端上实现传感，从而确定指向物体（pointing object）沿着其长度的位置。

背景技术

为了理解本发明是如何不同于现有技术的触摸板技术，从现有技术审查传统的突出电容式传感器是有助的。

尤其是，本申请示出了一种互电容和一种自电容触摸板系统。

公司的触摸板是互电容式传感装置，并且在图1中示出了一个实施方式。触摸板可使用不透明的表面或者使用透明的表面来实现。因此，触摸板可操作为一种传统的触摸板，或者操作为一种显示器上的触摸传感表面，并且因此作为一个触屏。

在

公司的该触摸板技术中，行和列电极格栅用来限定触摸板的触摸传感区域。典型地，触摸板是具有大约16乘12电极的矩形格栅，或者当空间限制的时候具有8乘6电极的格栅。与这些行和列电极交织的是单一传感电极。全部位置测量可通过传感电极来进行。然而，行和列电极还可用作传感电极，因此重要的方面是，至少一个电极激励了信号，而另一电极用于检测信号。

更详细地，图1示出了正如

公司所教导的那样的电容式传感触摸板10，其包括在触摸板电极格栅中的行（12）和列（14）（或者X和Y）电极的格栅。触摸板参数的全部测量是从单一传感电极16而获得的，单一传感电极也布置在触摸板电极格栅上，而并不是从X或者Y电极12、14获得。没有固定的基准点用来测量。触摸板传感器控制电路20从P、N发生器22、24（正和反）产生信号，它们在不同模式中被直接传送到X和Y电极12、14。因此，在触摸板电极格栅上的电极数量以及触摸板传感器控制电路20上的激励销数量之间典型地存在一一对应。但是使用电极的多路复用技术能够改变该设置。

触摸板10并不依赖于绝对电容尺寸，来确定触摸板表面上的手指（或者其他电容式物体）的位置。触摸板10测量对于传感线路16的电荷方面的失衡。当没有指向物体位于触摸板10上时，触摸板传感器控制电路20处于平衡状态，并且并没有信号处于传感线路16上。可在电极12、14上存在或者不存在电容电荷。在

公司的方法中，这是不相关的。当指向装置由于电容耦合而产生失衡时，电容变化则发生在包括触摸板电极格栅的多个电极12、14上。所测量的是电容变化，而并不是电极12、14上的绝对电容值。触摸板10通过测量必须注入到传感线路16上而重建或者恢复传感线路上平衡的电荷数量而确定电容变化。

触摸板10必须对于X电极12以及对于Y电极14进行两个完全测量循环（四个完全测量），以便确定指向物体（例如手指）的位置。对于X12和Y14电极的步骤如下：

首先，一组电极（称为X电极12的选定组）通过来自P、N发生器22的第一信号所激励，并且使用互电容测量装置26的第一测量可用来确定最大信号的位置。然而，从该一个测量中不可能知晓手指是否处于距最大信号最靠近电极的一侧还是另一侧上。

其次，通过一个电极移位到最靠近电极的一侧，该组电极再次由信号所激励。换句话说，该电极立即增加到该组的一侧，与此同时，原来组的相反侧上的电极不再被激励。

第三，新组电极被激励，并且进行第二测量。

最终，使用比较两个所测量信号大小的等式，手指的位置得到了确定。

因此，触摸板10测量电容变化，以便测量手指的位置。上述的所有该硬件和方法假定触摸板传感器控制电路20直接激励触摸板10的电极12、14。因此，对于典型的12ｘ16电极格栅触摸板，存在从触摸板传感器控制电路20中获得的总共28个销（12+16=28），这些销用来激励电极格栅的电极12、14。

公司的触摸板灵敏度或者分辨度相比于具有16乘12行和列电极格栅的更加高。分辨度典型地大约每英寸960点数，或者更高。精确的分辨度是通过元件的灵敏度、相同行和列上的电极之间的距离以及没有成为本发明内容的其他因素而确定。

尽管如上所述的

触摸板使用了X和Y电极的格栅，以及分离且单独的传感电极，传感电极的功能还可通过使用多路复用技术而由X或者Y电极所实现。两种设计中的任何一种设计将使本发明实现其功能。

相反，自电容触摸板典型地依赖于能够确定每个单个电极上的绝对电容值。绝对电容是通过同时测量每个X和Y电极上的绝对电容而确定的。对于其操作重要的是，已知或者预定的电荷量被注入到X和Y电极上。此外，电荷必须是相对较小的，不然触摸板不能减去偏移量。

需要注意的是，对于多触点的触摸板应用，互电容系统是优选的，因为具有避免例如鬼线的问题后果的固有能力。

传统突出的电容传感器，例如上述的那些，需要构成X和Y格栅图形的导体的至少两个平面。然而，多个传导平面对于制造来说是昂贵的。因此，相比于现有技术来说有利的是，消除电极的第二平面并且仅仅使用电极的单个平面，与此同时仍旧使用突出电容传感器的基本原理。

当讨论本发明的触摸传感器的时候，应该理解，触摸传感器包括在传感器组件中使用电极的任何电容触摸传感器，并且包括这些项目，如触摸板，触摸屏，以及衍生装置，包括不透明和大体透明的传感器。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种触摸式传感器，其具有由电激励的多个平行的激励电极，其在一个端部上或者同时在两个端部上提供激励，从而产生了跨越激励电极的长度的线性或者变化电场，其中相邻的传感器电极连接到传感放大器以及模数转换器（ADC），以确定接近激励和/或传感电极的物体的位置，其中，该系统使用自电容，并且测量由每个激励器所激励的电流量，其中，通过采用时变电压激励电极，以及测量在相邻传感电极的每个端部所感应的电流，以及使用比例（ratiometric）等式来确定手指位置，该系统在第一方法中使用互电容分流器，以及在第二方法中使用互电容分压器。

对于本领域技术人员来说，本发明的这些和其他目的、特征、优点和替换方面将从下列结合附图的具体实施方式而变得明显。

附图说明

图1是示出了现有技术的触摸板的示意图。

图2是示出了当使用自电容方法时用作激励和传感的单个电极的示意图。

图3是示出了如何使用由X轴线上手指的测定位置所采集的数据以高精度对Y位置进行插值的示意图。

图4是示出了单个激励和单个传感电极如何用在互电容分流器方法中的示意图。

图5是图4的改进型，但是另外增加了另一传感电极以便处于激励电极的两侧上，其中电路通过同时在四个位置处测量电流而降低了噪音。

图6示出了当采用任何互电容方法时可使用的不同扫描图形。

图7示出了单个交错的传感电极以及当使用互电容方法时可使用的多个激励电极。

图8是激励和传感器电极的互电容实施方式的示意图，其中对于第一测量，激励电极在一个末端处被激励并且在相反末端处接地，并且被认为是分压器方法。

图9是图8中所示的激励和传感器电极的实施方式的示意图，但是其中激励电极现在被转换，以便他们在相反的端部处被激励并且在另一端部处接地。

具体实施方式

现在来参照附图，其中本发明的不同元件将给出附图标记，并且本发明将被描述，以便使得本领域技术人员制造和使用本发明。可以理解的是，下列描述仅仅是本发明原理的仅仅示范，并且将并不视为是限制了下列的权利要求。

本发明的第一方法旨在使用自电容。该方法可使用单个电极30工作，该单个电极用作触摸传感器的激励和传感电极。该电极30是阻抗材料（resistive material），并且手指32当其靠近的时候电容地耦合到电极，如所示。仅仅是为了说明的目的，这些附图中的电极厚度全部被夸大。

通过时变电压源34产生信号。电压源34连接到电极30的两端，以同时激励两个端部，其中第一端部36通过电流i1所激励，而相反端部38通过电流i2所激励。这些端部的指定是随意的，且并不影响操作。在该附图中，手指32显示为处于沿着电极30的长度的位置P处。

在手指位置被确定之前，基线或者标称测量在没有物体影响流过电极30的电流的情况下进行。在电极、激励信号和电流测量硬件的制造中制造不稳定和各种缺陷的情况下，与手指被检测到的时候所进行的测量相比，总是需要能够从基准测量消除电流的差异。

在计算流过电极30的基线电流之后，计算位置P是使用正如通过安培计42和44所测量的测量电流i1和i2的比值来实现的。当手指或者其他传导物体靠近电极30的时候，电极上的电容负载在该位置处增加。负载电容地增加导致了激励电流i1和i2方面的增加。来自电极30每个端部的激励电流值取决于手指32距离电极端部36和38的距离。当手指靠近电极30的端部时，更少的电流被激励用于i1。同样的，当手指远离i2被激励的端部时，更多的电流由i2所激励。

如果电流i1从电极端部36被激励，并且电流i2从电极端部38被激励，则位置P可使用简单比值来计算。相对于电流i1被激励处的电极端部36，通过使用下述方程而确定位置P：

P=il/il+i2

同样，相对于电流i2被激励处的电极端部38的位置P，通过使用下述方程而确定该位置P：

P=i2/il+i2

当其是大量电流的时候，从电流中减去基准测量。

上面第一实施方式的一个重要方面是，位置确定系统适合于任意数量的电极。换句话说，大量电压源和安培计可用来同时激励和测量多个电极上的电流，或者电压源和安培计可进行多路复用，并且以期望的序列或者图形连接到多个电极。

本发明的另一方面是，为了在其他轴线上确定位置，其并不必需使用垂直于当前组电极的另一组电极。因此，考虑如图3中所示的多个电极。图3示出了一排电极30。手指40可被示为一轮廓。手指40将通过电极46和48被非常强烈的检测到，并且可能通过立即靠近这些电极之上和之下甚至之外的电极而被非常强烈的检测到。虽然之前所述的等式可容易地确定手指40在X轴线上沿着电极30的长度的位置P，另一方法必须用在Y轴线上。

例如，被激励在电极46和48上的电流数量要比全部其他电极上的电流数量高。此外，除非手指40非常准确地布置在电极46和48之间，否则最靠近手指的电极将激励比其它电极更多的电流。使用在电极30上被激励的相对量的电流，可能的是在没有采取任何其他测量的情况下在Y轴线上插值该手指的位置。

在另一个实施方式中，阻抗电极可具有并非细长金属线或矩形的形状。例如，电极可具有一个或者多个已膨胀的区域或者点。这些较大的点区域内在地提供比细电极区域更高的灵敏度。

在另一可替换的实施方式中，这些电极被成形以对于一定的几何形状给出电非线性响应。同样地，电极的形状可被修改，以增加线性。

本发明的下个实施方式使用互电容代替自电容，从而通过将信号激励到靠近或者马上靠近的激励电极上而确定手指相对于传感电极的位置。

如图4中所示，该第一互电容方法被称为分流器方法。在该分流器方法中，电流i1和i2在阻抗传感电极50的每个端部被测量，作为电压施加到低或高阻抗的附近激励电极52的步骤结果。

在图4中，激励电极52的两端通过相同的方波或者使用电压源54的任何其他时变电压所激励。同时，传感电极50在每个端部处连接到传感电路。在这种情况下，传感电路测量来自传感电极50的每个任意指定端部的电流i1和i2。

正如在自电容方法中，标称或者基线电流通过在没有手指或者其他触点存在于传感电极50上或者其附件附近的情况下进行测量而被确定，这产生了il_nominal和i2_nominal。通过在产生il_finger和i2_finger的存在手指的情况下重复测量，以及对于位置P使用下列分流器公式，能够确定在传感器上面或沿着传感器的手指位置。

i1=il_nominal-il_finger

i2=i2_nominal-i2_finger

Z=i1+i2

P=i1/Z

应该理解，该等式还用于自电容方法中，并且确定手指相对于i2被测量的端部的位置P，这与找到手指相对于i1被测量的端部的位置P相反，如上面所述。

对于电极设计，该互电容方法固有地具有比在自电容情况下更多的变型，因为在该情况下，激励和传感电极是相同的电极。通过互电容，可存在不同数量的传感和激励电极，并且这些电极以不同的方式被定位。例如，考虑图5。在图5中，单个激励电极50现在两侧上由传感电极56和58所围绕。其中一个优点是，可能同时测量更多的传感电极电流。通过测量传感电流i1、i2、i3和i4，该系统对于噪音更好地抗干扰。通过每次测量超过一个的电极，也提高了扫描频率。

不仅存在可被使用的各种电极布局，而且还存在用于这些电极的扫面图形。参照图6，其示出了多个电极。在第一图形60中，这些电极被分成了电极对。在该图形中，一个电极是激励，而另一个电极是传感。这种排列以电极对来扫描，直到全部电极被扫描为止。另外，这些电极以一组三个62而被扫描，其中中间电极作为激励电极，那些外部电极用作传感电极。

另一个扫描图形是，采用一个或者多个被正激励的电极以及被负激励的相等数量的电极而激励平衡图形。跨越整个电极阵列能够转换或扫描该电图形。

在另一个可替换的激励图形中，在某些数量的测量中，每个其他的电极通过正交码所激励，并且未被激励的那些电极全部在每端处连接到两个不同的传感电路。正交性削弱了表示数据串的矢量的正交性的数学性质。例如，二进制串"1011"通过矢量（1,0,1,1）所表示。可通过采取他们的标量积，通过求和他们各自分量的结果而乘以矢量。如果标量积是零，则两个矢量被认为是彼此正交的。使用正交码激励电极对于本领域技术人员来说已经是公知的方法，并且可应用于本发明。

在另一可替换的扫描图形中，每个其他电极通过相同的图形所激励，并且未被激励的那些电极将被独立测量或者以正交码图形的方式汇总在一起。

其还说明可使用不同的物理布局。例如，激励和传感电极可全部彼此电隔离，如图6中所示。在可替换的实施方式中，传感电极可以是单个传感电极60，其与激励电极62相交错，如图7中所示。另外，激励电极可以是单个较大薄片，并且传感电极可以阵列方式布置在薄片之上。

应该理解，本发明还可用于多手指检测和跟踪。除了多个对象处于相同电极时，一个或多个手指或者传导物体的位置可通过不同的方法所确定，例如加权平均或者斜率检测或者零交叉或者峰值检测，

用于确定同一电极上两个物体的位置的方法是，基于当两个手指处于不同电极并且具有分开信号的时候的先前即时跟踪历史而推断存在两个手指。同一电极上的两个手指具有结合的结果信号，其大约是存在单个手指时候的两倍。所计算的位置然后处于两个手指之间的距离中点处。然后将使用先前即时位置历史以及电流结合位置来估算用于每个手指的所计算位置。这将仅持续长达这些手指处于相同电极之上的时间。

在可替换的多手指位置实施方式中，另一技术从对于靠近手指位置的电极的比值计算方面差异来推断两个手指。这可通过对于手指附近每个电极进行位置比值（X）测定来实现。然后，检查比值并且确定远部电极值（V2）的平均值的差异。使用比值（X）作为手指位置的平均值来计算两个手指位置，并且将每个手指替换为1/2V2。

用于确定手指位置的另一技术是检查用于每个传感电路的RC时间常数，或者群延迟。

对于采用手指或者接地物体的接触的替代物是，将较小的浮动漂浮导体布置在传感电极之上，例如键垫中碳片（pills）或者金属按钮圆顶（metal snap dome）。当由于采用手指推动而使得这些漂浮导体靠近传感器的时候，激励电极和传感电极之间的连接增加。漂浮导体位置是使用相同的等式而计算的。

本发明的下个实施方式使用代替自电容的互电容，从而通过将信号激励到靠近或者马上靠近的激励电极上而确定手指相对于传感电极的位置。然而，并不是使用分流器电路，下个实施方式使用分压器电路。

图8是示出了本发明的第一实施方式的示意图。电极的数量是仅仅为了说明的目的，而并不认为是用来限制。因此，三个激励电极150被示出构造为用于第一测量。对于第一测量，全部激励电极150是从第一端部152被激励的，并且在相反的第二端部154处接地。激励电极150中的每一个连接到用于激励电极的激励电路，例如ASIC156（专用集成电路）。每个ASIC156采用不同的电子图形来激励所选择的激励电极150。因此，本发明的另一方面是，激励电极150中的每一个当被激励的时候可具有独特的电子图形。这些不同的激励图形可每次扫描一次或者一次扫描多个。

另外，另一图形是采用具有固定间隔的相反相位来激励多个电极。另一图形是采用相反的或变换的相位或者多个具有正交码图形的频率来激励多个电极。

本发明的一个重要方面是，每个ASIC156可连接到其激励电极150的任意一端。因此，当激励电极150的一端连接到ASIC156的时候，相反端部总是构造为连接到地。

传感电极160布置在激励电极150中每一个之间。传感电极160中的每一个连接到传感放大器162，以及模数转换器（ADC）164，用于测量传感电极160上的信号。

应该理解，可依赖于触摸板设计需要而增加或减少传感电极150和激励电极160的数量。

对于第一测量，每个ASIC156同时在每个激励电极150的第一端部提供适当的激励信号，而且然后测量每个传感放大器162上的信号。在进行第一测量之后，激励电极150被重新构造，以便ASIC156现在连接到第二端部154，并且第一端部512现在接地，如图9中所示。这些ASIC156现在采用适当的信号激励，然后传感放大器162和ADC164再次测量连接到传感电极160的信号。

激励电极150和传感电极160由平行的电阻导体带（strips）或排所制成，例如触摸表面上或者中或者之下的ITO或者碳墨。

激励电极150在一个端部上具有激励，而在相反端部处接地，因而产生了跨越每个激励电极150长度的线性或者变化的电场。在进行第一和第二测量之后，该信息用于求出X（或者Y）位置和Z高度。

下列过程可用于计算位置，但是并不认为是限制，并且仅仅是为了说明的目的。因此，如果第一测量结果是m1，第二测量结果是m2，并且基线测量结果是b1和b2，则手指影响是有差异的，或者n1=m1-b1，n2=m2-b2。

手指位置然后被计算为带长度的一部分，其中一个端部是零，另一个端部是1。如果带的长度被认为是x轴线，那么手指的X位置为：

X=n1/（n1+n2）

Z轴线或者手指的灵敏度可被计算为两个测量结果的和，或者

Z=n1+n2

Y轴线的手指位置可通过从邻近的传感电极进行插值以及计算沿着电极阵列或者来自斜率的峰值Z而得到计算。

测量结果是在没有手指触摸该触摸板表面的情况下获得，从而获得了基线测量结果。当手指触摸传感器的时候，激励电极150和传感电极160之间的互电容典型的减小。在传感电极160上感应的电荷量是手指沿着激励和传感电极150、160的位置以及触摸电极的手指的尺寸的函数。基线测量结果之间的信号差异，以及何时手指触摸，用来计算手指的位置和强度。

在可替换的实施方式中，存在激励电极150和单个传感电极60。

在另一可选实施方式中，存在单个激励电极150以及多个传感电极，以便获取周围的电场。

在另一个可替换的实施方式中，存在两个激励电极150，但是他们具有相反的极性，以便到该（这些）感应电极160的标称电耦合被平衡或者无效，并且这表示导致电失衡的手指存在。

在另一个可替换的实施方式中，多个激励和传感电极150、160是同时激活的，这降低了噪音并且提高了扫描频率。

在另一可替换的实施方式中，一些接地的电极散布于激励电极150和感应电极160之间，使得对于当触摸板具有较小自电容并且没有连接到显著接地基准的时候，手指可与触摸板具有共同的电基准。例如，当触摸板处于移动装置（比如手机）中时，会是这种情况。

在另一个可替换的实施方式中，激励和传感电极可被固定并且被专用，或者他们是完全可构造的，以便用作所需的激励或者传感电极。

将要知晓的是，上述结构仅仅是本发明的原理实施的说明。大量变形和替换结构可在没有脱离本发明的精神和范围的情况下由本领域技术人员所做出。所附加的权利要求是用来覆盖这些变形和结构的。

Claims (11)

1.一种用于检测传导物体的方法，其采用了利用自电容的单层电容传感器设计，所述方法包括以下步骤：

（1）提供布置在平面绝缘基底上的电隔离电极；

（2）将时变电压源连接到电极的两端；

（3）在电极的每个端部处测量流入电极的电流，作为电流i1和电流i2；以及

（4）使用比值等式来确定传导物体的位置距离电流i1所测量处的电极端部的距离P。

2.如权利要求1所述的方法，其中，该方法还包括使用比值等式P=i1/i1+i2的步骤。

3.如权利要求2所述的方法，其中，该方法还包括以下步骤：通过确定当传导物体不存在时的标称电流，而从电流i1和电流i2减去测量电流中的任何误差，而从用于确定位置P的计算结果消除误差。

4.如权利要求1所述的方法，其中，该方法还包括以下步骤：

（1）提供多个平行于该电极并且布置在绝缘基底上的电隔离电极；以及

（2）对于多个电极中的每一个按照从阵列的一端到另一端的顺序确定传导物体的位置，从而确定沿着有多个电极的长度所限定的轴线的传导物体的位置。

5.如权利要求4所述的方法，其中，该方法还包括步骤：通过使用被激励到多个电极中的每个电极的电流相对量的插值，在正交于电极轴线的轴线上确定传导物体的位置，其中更靠近传导物体的电极将吸引更多的电流。

6.一种使用利用自电容单层电容传感器设计来检测传导物体的系统，所述传感器系统包括：

提供设置在平面绝缘基底上的电隔离电极；

将时变电压源连接到电极的两端；以及

在电极的每个端部提供安培计，从而测量进入到电极中的电流i1和电流i2，并且使用比值等式来确定传导物体的位置距离电流i1所测量处的电极端部的距离P。

7.如权利要求6所述的系统，其中，该系统还包括多个平行于该电极并且布置在绝缘基底上的电隔离电极。

8.一种用于检测传导物体的方法，其使用利用互电容以及分流器方法的单层电容传感器设计，所述方法包括以下步骤：

（1）提供平行设置并且处于平面绝缘基底上的电隔离的激励电极和传感电极；

（2）将时变电压源连接到激励电极的两端；

（3）在传感电极的每个端部处测量流出传感电极的电流，作为电流i1和电流i2；以及

（4）使用比值等式来确定传导物体的位置距离电流i1所测量处的传感电极端部的距离P。

9.如权利要求8所述的方法，其中，方法还包括使用比值等式P=i1/i1+i2的步骤。

10.如权利要求9所述的方法，其中，该方法还包括以下步骤：通过确定当传导物体并不存在时的标称电流，而从电流i1和电流i2减去测量电流方面的任何误差，而从用于确定位置P的计算中消除误差。

11.一种用于使用利用互电容和分压器的单层电容传感器设计来检测传导物体的方法，所述方法包括以下步骤：

（5）提供平行布置在平面绝缘基底上的电隔离的激励电极和传感电极；

（6）将阶跃电压源连接到激励电极的第一末端端部，与此同时相反的第二端部接地；

（7）测量传感电极上的信号；

（8）重新构造阶跃电压源，以便被连接到第二端部，并且将激励电极的第一端部接地

（9）测量传感电极上的信号；以及

（10）使用比值等式来确定传导物体位置距离电流i1所测量处的传感电极末端的距离P。

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