CN103425370A - 电容式位置传感器系统 - Google Patents

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Abstract

提供了电容式位置传感器系统，用于确定对象位置，对象位于电容式位置传感器系统的感应区内并改变在对象下布置的电容器的电容。系统包括：第一组多个传感元件，每个传感元件包括具有第一和第二电极的第一电容器，每个第一电极经由开关耦合到电压源以形成开关电容器滤波器，第二电极耦合以形成感应线；传感单元，感测代表感应线上存在的电荷量的电压电平；控制单元，将驱动信号施加到每一个耦合到第一电极的开关。在一个积分周期中，耦合到第一电极的部分开关闭合，使得部分第一电容器由第一驱动信号驱动，传感单元感测代表部分第一电容器的电荷量之和的电压电平，闭合开关的数目是至少两个。控制单元分析多个积分周期的多个感测电压电平的结果来确定对象位置。

Description

电容式位置传感器系统
技术领域
本发明涉及一种电容式位置传感器系统，用于确定对象的位置。
除此之外，本发明涉及一种电子装置。
另外，本发明涉及一种确定对象位置的方法。
此外，本发明涉及一种计算机可读介质。
除此之外，本发明涉及一种程序元件。
背景技术
许多现代消费设备要求具有令人舒适的用户数据输入和接近传感界面，这在如智能手机和便携式媒体播放器等设备中变得非常普遍。已知各种二维电容式接近位置传感器。一种常见二维传感器的实现包括由行和列驱动信号驱动的电容式传感器的矩阵组织，测量感测节点上产生的耦合电荷来获得对电容性耦合的测量。通过采用重心公式分别计算位置的x分量和y分量，来获得位置，重心公式分配权重给与传感器本身位置相关的传感器信号。加权的传感器活动水平的总和除以所有未加权的活动水平的总和，得到平均的x和y位置分量。这种方法的缺点是需要多个传感器，这增加了与控制器电路接口连接的复杂度。由于为了检测触摸事件，必须评估每个传感器电容器活动水平，所以该矩阵方法导致很长的转换时间。
位置感测中应用的测量原理是多种多样的。以下是常用的测量原理：电容式接近位置传感器，电阻式位置传感器，光学位置传感器和声学位置传感器。
前两个原理是最流行的，覆盖了超过所有位置感测应用中的90％。利用对触摸相关电阻和接近相关电容的测量，通过数值后处理来获得位置信息。积分电路用于将电阻或电容转换为定时信息，时序信息可由微控制器单元(MCU)捕获。积分器由输入信号激励，并通过MCU对产生的响应进行采样、保持和评估。另一常用的方法是使用恒定电流给待测电容器充电，并测量将电容器充电到预定电压所需的时间。在测量后，电容器由复位信号复位并且可以开始新的充电周期。电容测量的另一常用方法是使用待测电容器作为弛张振荡器中的定时元件，产生电容至频率转换。由此产生的频率通过在MCU上执行频率测量例程来测量。
前面提到的测量原理就基于软件的配置方面而言不是很灵活，特别是不能提供二维位置计算。此外，需要特殊的模拟电路实现这些测量原理。尤其是，模拟电路的集成增加了现有数字设计的复杂性，而且在许多情况下需要额外的处理，增加不必要成本。接近传感装置的单片集成是可用的，但这些装置增加了目标体系的装置计数(BOM)，进一步增加了目标系统的功率消耗。二维接近式位置传感器装置(如触摸屏)通常是高引脚数器件。
常见的电容测量方法是，使用待测的电容器作为开关电容器积分器配置中对积分电容器充电的频率相关电阻器。基本原理是众所周知，例如，在R.Gregorian等人的“Switched-Capacitor Circuit Design”，Proceedings of the IEEE，Vol71，No.8，1983年8月和KrishnaswamyNagaraj的美国专利4,894,620“Switched-Capacitor Circuit with LargeTime Constant”，1990年1月16日等公开中都有记载。
常见的基于开关电容器的位置感测装置的实施方式共享相同的方法，其中一次评估一个传感电容器。为了消除噪声，应用n键翻转(n-key-rollover)方案多次评估传感器电容，并对样本序列应用滤波功能，以消除高频噪声分量。这种方法导致处理时间长得难以接受，例如对于在线手写识别系统。
发明内容
本发明目的是提供一种电容式位置传感器系统或者方法，用于提供确定对象位置的高效途径并且避免上述弊端。
为了实现上述目的，提供了电容式位置传感器系统、电子装置、确定方法、计算机可读介质和程序元件。
根据本发明的示例性实施例，提供了电容式位置传感器系统，用于确定对象的位置，其中，对象位于电容式位置传感器系统的感应区内并改变在对象下布置的电容器的电容。所述电容式位置传感器系统包括：第一组多个传感元件，每个传感元件包括具有第一电极和第二电极的第一电容器，其中，每个第一电极经由开关耦合到电压源以形成开关电容器滤波器，其中第二电极耦合以形成感应线；传感单元，传感单元适于感测代表了感应线上存在的电荷量的电压电平；控制单元，控制单元适于将驱动信号施加到每一个耦合到第一电极的开关。在一个积分周期中，耦合到第一电极的开关中的部分开关闭合，使得部分第一电容器由第一驱动信号驱动，其中，传感单元适于感测代表了所述部分第一电容器的电荷量之和的电压电平，其中所闭合的开关的数目是至少两个。控制单元适于通过分析多个积分周期的多个感测电压电平的结果来确定对象的位置。
根据另一示例性实施例，提供一种电子装置，用于接收来自用户的输入。该电子装置包括具有上述特征的电容式位置传感器系统，其中，输入对应于用户的对象的定位。
根据另一示例性实施例，提供一种确定对象位置的方法，其中对象位于电容式位置传感器系统的感应区内并改变所述对象下方布置的电容器的电容，电容式位置传感器系统包括第一组多个传感元件，每个传感元件包括具有第一电极和第二电极的第一电容器，其中，每个第一电极经由开关耦合到电压源以形成开关电容器滤波器，第二电极耦合以形成感应线。所述方法包括：由传感单元感测代表了感应线上存在的电荷量的电压电平；由控制单元将驱动信号施加到每个耦合到第一电极的开关，其中，在一个积分周期中，耦合到第一电极的开关中的部分开关闭合，使得部分第一电容器由第一驱动信号驱动，其中，传感单元适于感测代表了所述部分第一电容器的电荷量之和的电压电平，其中所闭合的开关的数目是至少两个；由控制单元通过分析多个积分周期的多个感测电压电平的结果来确定对象的位置。
根据另一示例性实施例，提供一种计算机可读介质，其中，存储了用于确定对象位置的计算机程序，当由处理器执行时该计算机程序用于执行或控制具有上述特征的方法。
根据另一示例性实施例，提供一种程序元件(例如，源代码或可执行代码形式的软件例程)，用于确定对象位置，该程序元件在由处理器执行时用于执行或控制具有上述特征的方法。
根据本发明实施例的确定对象的位置，可以由软件的计算机程序实现或使用硬件形式的一个或多个专用电子优化电路实现，或者由软件部分和硬件部分的混合形式实现。
本发明涉及位置感测装置。特别是，本发明涉及利用电容式接近感测的位置传感器。
更具体地讲，本发明描述了一种电容式位置传感器，可以确定在一维或二维平面上非导电表面上的手指或手写笔的位置。电容测量可以利用开关电容器积分器原理实现。据此，开关电容器滤波器结构用来实现电容测量功能。
传感元件可以采用在开关电容器积分器配置中操作的接近传感电容器实现，目的是测量传感电容器的电容。传感电容器可以由连接到基板上的两个电极形成。电极相对来说可以非常薄(3-50μm)、非常窄(50-100μm)并且可以具有圆边。因此，传感电容器的直接板电容可能比其边缘(fringe)电容小。如人的手指等对象与基板接近，可能引起传感电容器边缘场的畸变。该畸变会减少传感电容器的电容。
根据该实施例，假设三个并联电容器，三个传感电容器中的两个并联传感电容器的电容可以在一次测量中被测量，而不是如前所述现有技术中仅测量一个传感电容器。因此，每次测量可得到三个传感器电容中两个电容之和。在这种情况下求和可以作为FIR低通滤波器，意味着去除了如智能卡应用等中高频载波残余等高频噪声。因此，噪声滤波可以在一次测量或积分周期内进行，不需要其他的噪声滤波周期。
本文使用的第一驱动信号可以指一组单个的驱动信号，与第一组多个传感元件相关联。例如，一个驱动信号可能与一个传感元件相关联。
接下来，将解释电容式位置传感器系统其他示例性实施例。然而，这些实施例也适用于电子装置、确定方法、程序元件和计算机可读介质。
分析多个感测电压电平的结果可能包括计算每个第一电容器的电荷。由于在每个积分周期测量多于一个电容器的电荷之和，因此需要计算每个电容器的电荷。
传感单元和控制单元可以通过在一个积分周期中驱动至少两个电容器来提供n抽头FIR噪声滤波器。
本文公开的采样方法和系统可以通过将n抽头FIR噪声滤波器支持直接实现到开关电容器测量单元中，来经济地实现位置数据采样和噪声滤波。与数字后处理一起，可以实现n抽头FIR功能。噪声滤波的实现可以减少单独数据样本滤波的成本，相比现有的实现技术具有速度上的优势。
积分周期数目可以对应于电容器的数目。在每个积分周期，所感测或测量的电容的组合可能改变。在采样或测量之后，可以确定每个单一电容器的电荷。
传感单元可以包括积分电容器，指示了部分第一电容器的电荷之和，比较器用于比较通过积分电容器感测到的电压电平与参考电压。
开关可以与传感元件或传感元件的电容器相结合，配置为对积分电容器周期性地充电和放电。通过传感元件的电容器耦合到积分电容器中的电荷量可以取决于传感元件的电容器的电容和积分电容器上的实际电压。从积分电容器移走的电荷量可以取决于传感元件的电容器的电容，并可以独立于积分电容器上的实际电压。
比较器可以是通用输入/输出引脚，控制作为比较器和/或电压比较器。
每个开关可以是通用的输入/输出引脚，控制作为开关。
许多现代消费设备配备了功能强大的微控制器单元(MCU)，提供多个通用输入/输出接口或引脚(GPIO)。在许多应用中，并不是所有的GPIO都被应用程序使用，并可以提供用于实现触摸感测算法。
常见的电容式接近传感器装置应用伪双斜率积分(pseudo dualslope integration)方案，其中，积分电容器在开关电容器积分器方案下被充电到负电压，并由电阻放电到零电压。定时器确定电容器放电所需的时间。由于积分电路的性质，积分电容器上的负电压电平必须良好地保持在所实现的输入保护二极管对地的阈值电压以下，否则二极管将开始导通并产生不必要的放电。这种行为限制了积分电压电平以及信噪比，因此该实现方案不适合基于GPIO的实现。
另一种常见的电容式接近传感器装置采用单电荷转移动作，其通过传感电容器对积分电容器充电。事实上，由于未记载的寄生效应，积分电容接近工作点，在该工作点增加的电荷被寄生效应平衡，禁止了积分电压进一步增加。这种行为由于过多限制了可用驱动范围，因而不适合基于GPIO的实现。
电容式位置传感器系统可以进一步包括第二组多个传感元件，每个元件包括具有第一电极和第二电极的第一电容器，其中，每个第一电极经由开关耦合到电压源以形成开关电容器滤波器，第二电极耦合以形成感应线；在一个积分周期中，耦合到第一电极的部分开关闭合，使得第二组多个传感元件的部分第一电容器由第二驱动信号驱动，其中，传感单元适于感测代表了第一组多个传感元件的部分第一电容器的电荷量之和的电压电平、以及代表了第二组多个传感元件的部分第一电容器的电荷量之和的电压电平。
通过采用两组传感元件，可以提供二维传感器系统。每组传感元件可以由一个驱动信号驱动。因此，所需的驱动信号可以对应于与维数。
在这种情况下，第一和第二驱动信号可以分别对应于每组传感元件的一组驱动信号。第一驱动信号可以指控制与第一组多个传感元件有关的开关的所有信号的组合，第二驱动信号可以指控制与第二组多个传感元件有关的开关的所有信号的组合。
第一组多个传感元件的每个传感元件包括具有第一电极和第二电极的第二电容器，其中，每个第一电极经由开关耦合到电压源以形成开关电容器滤波器，第二电极耦合以形成另一感应线，其中特定加权因子分配给每个电容器，其中一个传感元件的第一和第二电容器的电容对应于恒定电容值，其中，在一个积分周期中，耦合到第二电极的开关中的部分开关闭合，使得部分第二电容器由第二驱动信号驱动，其中传感单元适于感测代表了所述部分第一电容器的电荷量之和的电压电平、以及代表了所述部分第二电容器的电荷量之和的电压电平，其中，控制单元适于通过分析多个积分周期的针对第一电容器和第二电容器的多个感测电压电平的结果来确定对象的位置。
通过针对每个传感元件使用两个电容器，可以实现加权求和功能。这是中心位置计算算法的核心。加权求和功能的直接实现可以将每个维度的驱动信号要求减少到两个，从而更快生成位置数据，实现更高的位置数据采样率。
该电容式位置传感器系统可以进一步包括第二组多个传感元件，每个传感元件包括具有第一电极和第二电极的第一电容器，其中，每个第一电极经由开关耦合到电压源以形成开关电容器滤波器，第二电极耦合以形成感应线；其中，第二组多个传感元件的每个传感元件包括具有第一电极和第二电极的第二电容器，其中，每个第一电极经由开关耦合到电压源以形成开关电容器滤波器，第二电极耦合以形成另一感应线，其中特定加权因子分配给每个电容器，其中一个传感元件的第一和第二电容器的电容对应于恒定电容值，其中，在一个积分周期中，耦合到第一电极的开关中的部分开关和耦合到第二电极的开关中的部分开关闭合，使得第一组多个传感元件的部分第一电容器由第一驱动信号驱动，第一组多个传感元件的部分第二电容器由第二驱动信号驱动，第二组多个传感元件的部分第一电容器由第三驱动信号驱动，第二组多个传感元件的部分第二电容器由第四驱动信号驱动；其中，传感单元适于感测代表了第一组多个传感元件的所述部分第一电容电荷器的电荷量之和的电压电平，感测代表了第一组多个传感元件的所述部分第二电容器的电荷量之和的电压电平，感测代表了第二组多个传感元件的所述部分第一电容器的电荷量之和的电压电平，感测代表了第二组多个传感元件的所述部分第二电容器的电荷量之和的电压电平；其中，控制单元适于通过分析多个积分周期的多个感测电压电平的结果来确定对象的位置。
对于二维传感器系统采用加权求和功能可以得到高效和快速的对象位置确定。在实施例中，一组传感元件的第一电容在一个方向上递增地加权，并对该组传感元件的第二电容以相反方式加权。
第一组多个传感元件可以布置成行，第二组多个传感元件可以布置成列，来形成二维阵列。第一组多个传感元件的第一电容器可以以曲折的形式耦接，第一组多个传感元件的第二电容器也可以以曲折的形式耦接。这可以提供对感应区的良好覆盖，而不需要提供很多驱动信号。
接下来，将阐述电子装置的其他示范性实施例。然而，这些实施例也适用于电容式位置传感器系统、确定方法、程序元件和计算机可读介质。
该电子装置可以是键盘，智能卡或移动设备。由于所需驱动信号较少，能量消耗较低，所以电容式位置传感器系统可用于许多有严格位置或能耗要求的应用。本文描述的电容式位置传感器系统与常见的基于矩阵阵列的一维和二维传感器相比需要更少的I/O端口和更少的外部元件，可以使用标准GPIO实现，也允许系统集成到键盘或智能卡中。
该电容式位置传感器系统可以集成在电子装置的安全元件中。位置检测装置在安全相关目标系统中的集成可能存在接口信号必须从位置感测装置连接到安全元件来传递位置信息的缺点。该位置信息可能是安全相关的，例如，认证信息，如在线手写信息，必须不能被未经授权的第三方拦截。
电容式位置传感器系统可以在安全相关环境中实现。为了防止位置信息被截获，触摸感测电路可能是安全元件的一部分。
本发明上述定义的方面以及其他方面从下文中示例性实施例的描述显而易见，并参照这些示例性实施例进行说明。
附图说明
将结合下文中的示例实施例对本发明进行更详细描述，但不是本发明不限于这些示例实施例。
图1说明了根据本发明示例性实施例的电容式位置传感器系统。
图2说明了图1系统中的传感器电容器选择的时序图。
图3说明了图1系统中执行的各个功能步骤。
图4和5说明了根据图3在充电步骤和反转步骤中的电荷传输到积分电容器和从积分电容器传输。
图6说明了基于图1系统的FIR噪声滤波器配置。
图7说明了根据本发明实施例，重力中心原理在由4个接近传感电容器构成的水平滑块配置上的应用。
图8说明了根据本发明实施例，重力中心原理在由16个接近传感电容器构成的二维触摸传感器配置上的应用。
图9说明了基于图1系统的一维位置传感器的实施例。
图10说明了根据本发明实施例，GPIO用作开关被连接到地或直流电源电压。
图11说明了根据本发明实施例，基于GPIO控制开关电容器滤波器的用于电容式接近传感器的电容测量电路。
图12说明了根据本发明实施例，当人的手指接近传感器电容器时存在的电容。
图13说明了根据本发明实施例的传感器阵列的各种组件，包括由加权传感器电容器构成的加权传感器元件。
图14说明了根据本发明实施例，由3个加权传感器元件创建的一维横向滑块，每个传感器元件带有两个加权的传感器电容。
图15说明了根据本发明实施例，由3个加权传感器元件创建的一维横向滑块，带有通过交织单元传感器电容器实现的权重。
图16说明了根据本发明实施例，由3个并联加权传感器元件创建的一维横向滑块的实施例，包括3个三角形传感器电容器。
图17说明了根据本发明实施例，由6个未加权传感器元件创建的二维触摸传感器阵列的实施例，每个传感器元件分别由6个单元传感电容器实现。
图18说明了根据本发明实施例，由9个加权传感器元件在x和y方向形成的二维触摸传感器阵列的实施例，每个传感器元件分别具有16个交织单元电容器实现。
图19说明了根据本发明实施例，由12个加权传感器元件构成的一维滑块结构所实现的键盘的实施例，每个传感器元件分别具有16个交织的单元电容器。
图20说明了GPIO结构用于实现使用图18的传感器结构的二维位置传感器。
图21说明了GPIO结构用于实现使用图18的传感器结构的二维位置传感器。
图22说明了根据本发明实施例，GPIO结构利用数字模拟转换器(DAC)来产生软件控制的基准电平比较。
图23说明了根据本发明实施例的电容式位置传感器系统的实现。
具体实施方式
附图中的说明都是示意性的。在不同附图中，相似或相同的元素使用相同的附图标记。
下面将描述本发明的示例性实施例。为了提供这些示例性实施例的简洁描述，属于本技术领域人员的惯用实现的细节将不描述。应该理解在任何这种实现的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多实现特定的决定以达到开发者的特定目标，例如服从与系统相关和业务相关的约束，这可能在实现之间不同。此外，应该认识到这种开发努力可能是复杂和耗时的，但对于普通技术人员而言仍然是常规的设计，制造和生产任务。
根据本文所描述的系统和方法，提供了在移动设备中经济地实现一维或二维触觉用户接口的技术。在一些实施例中，系统和方法使用集成到所述设备的标准微控制器单元(MCU)的一组通用输入输出口(GPIO)以及至少一个积分电容器。开关电容器滤波器(switched-capacitor filter)结构用来实现电容测量功能。如果没有额外指出，则认为直流电源电压Vcc被施加到这里所述的电路。
图1说明了电容式位置传感器系统100。该传感器系统在下面也可以被称为互补采样(complementary sampling)单元。在这里给出的例子中，使用三个传感器电容器Cs1，Cs2和Cs3，各自代表传感元件。互补采样可以使用多于1个的适当数目的传感电容实现。该电路还可以被配置为使得两个或最多比可用传感电容器少两个的任何其它数目的传感电容器不被选择。图1所示电路被配置为在一次测量(或积分周期)中测量三个传感电容器中的两个并联传感电容器的电容，而不是像在常见系统情况下那样仅仅测量一个传感电容器。结果，每次测量得到三个传感电容器中两个之和。在这种情况下，求和用作FIR低通滤波器以去除高频噪声，如智能卡应用中的高频载波残留。如果开关S3L闭合，则电压比较器101用来比较Cint上的电压与合适的参考电压Vref。Vref也可以是GPIO输入缓冲器的脱扣(trip)点电压。在下面的图中，X可以指可以被施加驱动信号的驱动节点，Z可以指可以感测电压的感测节点，S可以指开关节点。在图1中，所有的传感电容器Cs耦合到驱动节点，其中，如果相应的开关S1iH和S1iL闭合，则驱动信号则出现在这些节点上。
图2是简化的时序图，说明如图1所示互补采样单元中传感器电容器的逻辑选择。在本例中，互补采样单元执行如图2所示的三次测量的序列，其中，在一次测量间隔期间不是每个传感器电容器都被选择。在包括三次测量的一个完整的测量序列之后，每个传感器的电容可以通过一组算术计算来获取。
图3详细说明了实现本发明实施例图1所示的互补采样单元操作所需的功能步骤。该表显示了当涉及的开关S11H，S11L，S12H，S12L，S13H，S13L，S2H，S2L，S3H和S3L必须闭合的时候。闭合开关由“X”指示。在步骤A中通过复位积分电容Cint来定义初始条件，以此开始测量序列。之后，步骤B，C，D，E，F和G被周期性地执行，直到测量F获得大于预定阈值电压的积分电压，这结束实际测量。之后，新的测量以不同的传感电容器组合开始。三次测量后，可以计算各个单独的电容值。如前所述，为计算各个单独电容所需的测量的次数可以取决于互补采样单元的配置。
图4和5说明了充电阶段(图4)以及反转阶段(图5)。参考图1，节点S的寄生电容Cpars和节点Z的寄生电容Cparz组合成总寄生电容Cpar＝Cparz+Cpars，以简化进一步考虑。可以看出，传感电容器Cs和节点Z与节点S的组合寄生节点电容是并联连接的。它们在开关电容器滤波器配置中用作快速电容器(fly capacitor)。被移动到积分电容器Cint的电荷很好地近似为ΔQcint～(Vcc-Vcint)*(Cs+Cparz+Cpars)。在反转步骤期间从积分电容器Cint移走的电荷可以很好地近似为ΔQcint～Vcc*Cs。放电可以独立于积分电容器上的电压，并可以被视为对积分电容器进行放电的触摸相关的电流。如果电容器增加和移走的电量大小相等，则积分电容器的电压不会进一步增加。该电压Vcint_max很好地近似为Vcint_max＝Vcc*(Cparz+Cpars)/(Cs+Cparz+Cpars)。为了实现良好的传感器灵敏度，组合的寄生电容Cpar应该尽可能小。附图标记21和22代表虚拟电压源。
图6是完整FIR滤波器结构的简化示意图，包括互补采样单元100，作为电压比较器的GPIO310、和两个延迟元件320及321。下面的例子说明了具有三个传感器电容器的互补采样单元中两个传感器电容同时被测量的计算过程：
●在tcs1测量得到∑1＝Cs2+Cs3
●在tcs2测量得到∑2＝Cs1+Cs3
●在tcs3测量得到∑3＝Cs1+Cs2
每个传感电容器的电容可以如下获取：
●∑tot＝∑1+∑2+∑3
●Cs1＝∑tot/2-∑1
●Cs2＝∑tot/2-∑2
●Cs3＝∑tot/2-∑3
加法器330提供三次连续测量的总和。乘法器331和332应用所需的权重，最后加法器333获得针对单独电容的经滤波的测量结果。FIR滤波器有效地去除高频高斯噪声分量，而不影响基带信号。
图7说明了通过运用修正的重心公式在一维平面中评估位置的方法。图7示出的实施例基于具有四个传感电容器的水平滑块(slider)。使用由图20所示互补采样单元来测量电容。如果人的手指50接近传感器阵列201，测量到传感电容器的电容偏差(deviation)。这些测量结果代表与电容变化的强度有关的活动水平(activity level)。这些活动水平与在X方向的传感器位置权重因子相乘。根据本文所描述的系统和方法，X权重尺度的原点精确地位于传感器阵列201的中间，这避免了非对称噪声贡献。根据四个活动水平计算X位置：
Xm＝∑ai*Xwi/∑a
图8说明了通过运用修正的重心公式在二维平面中评估位置的方法。图8示出的实施例基于具有16个传感电容器的水平滑块。使用与图20所示类似的但具有16个传感电容器的互补采样单元来测量电容。由与电容变化的强度有关的活动水平来表示测量的电容偏差。这些活动水平与在x和y方向的传感器位置权重因子相乘。根据本文中所描述的系统和方法，权重尺度的原点精确地位于传感器阵列201的几何中心，避免了非对称噪声贡献。根据16个活动水平计算X和Y位置：
Xm＝∑ai*Xwi/∑ai
Ym＝∑ai*Ywi/∑ai
图9说明了基于图1中互补采样单元的一维滑块的实施例。传感器阵列包括三个未加权的传感器电容器201，202和203。手指50接近的触摸位置51通过图8所示的原理来计算。
图10说明了如何用GPIO代替开关电容器积分器中可以连接到地或DC电源电压的开关。断开的开关可由其输出被切换到三态(高阻抗，OE＝‘0’)的GPIO实现。接地的闭合开关可通过其输出被使能(OE＝‘1’)而且输入值被设置为逻辑“低”电平的GPIO实现。连接到数字电源电压电平的闭合开关可通过其输出被使能而且输入值被设置为逻辑“高”电平的GPIO实现。
图11说明了在开关电容器积分器配置中操作的采样单元1100中的接近式传感电容器Cs，目的是测量传感电容器Cs的电容。传感器电容器Cs由附着到基板221的两个电极222和223形成。电极222和223相比基板221的厚度(200-1000μm)非常薄(3-50μm)。结果，电容器Cs的直接板电容比其边缘电容小。电容器Cs的边缘场表示为231。人的手指接近基板221产生边缘场的畸变232。该畸变降低传感电容器Cs的电容。GPIO301，310和311与传感电容器Cs结合，配置为周期性地对积分电容器Cint充电和放电。通过传感电容器Cs耦合到积分电容器的电荷量取决于传感电容器Cs的电容和积分电容器上的实际电压，从积分电容器移走的电荷量取决于传感电容器的电容，并与积分电容器Cint上的实际电压无关。在节点Z和节点S的组合寄生电容，如由GPIO310和GPIO311的配线电容或输出电容分别引起的，在这里被考虑为电容器Cpar。在Cint的充电期间，电容器Cpar可以被认为与传感电容器并联。随着积分电容器Cint上的电压增加，耦合到积分电容器的电荷越少。
图12是由人的手指50触摸的电容式传感器的简化模型。由手指引起的电容变化由电容器ΔCs1和ΔCs2说明。电容器Cint是积分电容器。由人体到大地电位的阻抗Z1gnd以及大地电位到传感器电路地的阻抗Z2gnd来建模针对ΔCs1和ΔCs2的逆流环路(back current loop)。附图标记20说明了X驱动器源。
本文所述方法和系统的一个思想就是简化一维和二维位置感测装置的实现。为了减少实现传感器所需的GPIO的数目，通过执行直接加权求和，向传感器结构部分地施加通过重心算法而应用的权重。为更好地理解该原理，图13给出了一些定义。图13描述了对应于上述感测区域的传感器阵列400。该传感器阵列包括完整的传感器结构，配置为产生位置相关的电容变化。该传感器阵列400包括多个加权的传感器元件411(或感测元件)，每个加权传感器元件411包括多个加权的传感器电容器，在所述实施例中体现为传感器电容器421和422。然而，每个传感器元件也可以包含两个以上的电容器。
图14说明了一维位置传感器，包括三个加权的传感器元件412，413和414，各自分别包括第一和第二加权的传感器电容器。一个传感元件的第一和第二加权传感器电容器的电容之和为恒定电容值。传感器电容器的电容大小表示分配给该传感器元件的位置权重。由图14指示的配置中，三个传感器元件具有的权重分配如下：
Figure BDA00003229183900151
根据图14的配置中，所有第一加权传感器电容器均连接到信号Cx1，所有第二加权传感器电容器均连接到信号Cx2。测量两个电容Cx1和Cx2，这可以允许精确确定相对触摸位置。
在节点Cx1和Cx2处测量的电容代表连接到同一个节点的所有传感器电容器活动水平的经缩放的加权平均。在位置计算时通过用Cx1和Cx2的值除以Cx1与Cx2之和进行归一化：
●x＝Cx1/(Cx1+Cx2)
●1-x＝Cx2/(Cx1+Cx2)
x代表x方向的相对位置，(1-x)代表互补的x位置。根据本文所描述的方法和系统，对于数值精度，位置x是根据两个值Cx1和Cx2中的较大者而计算的。
图15代表图14中具有三个加权传感器元件411，412和413的一维传感器的实现，其中，加权传感器电容器421和422可以由单元电容器建立，根据所需要的权重，单元电容器均匀分布在每个传感器元件区域上。本实施例的目的是为了在接近传感器的水平运动52期间确定人的手指50的位置。
图16示出一维传感器结构，包括三个平行的传感器阵列，每个阵列包括三个三角形传感器电容器421，422和423，连接至信号线X1，X2和X3。该传感器结构可以提供一维位置传感器的经济实现。在水平移动52期间人的手指50位置如上计算。
图17表示二维位置传感器的实施例400，基于x方向上的3个交织(interleaved)的传感器电容器以及y方向上的3个交织的传感器电容器。6个电容器由单元传感器电容器421形成。根据图21的互补采样单元可用于测量6个传感电容器。人的手指50的位置可以在二维平面52内被检测。
图18表示二维位置传感器的实施例400，基于9个传感器元件，每个具有4个加权的传感器电容器，分别由总共16个单元电容器来施加权重。如所示施加权重，在x方向和y方向重复使用示例性加权因子0.25，0.50和0.75。节点Z是求和节点。根据本文所描述的方法和系统，四个传感电容器Cx1，Cx2，Cy1，和Cy2是利用图20的互补采样单元来测量的。因此，所有加权传感器电容器中的75％可在一次测量中被评估。位置分量x和y可计算为：
●x＝Cx1/(Cx1+Cx2)
●1-x＝Cx2/(Cx1+Cx2)
●y＝Cy1/(Cy1+Cy2)
●1-y＝Cy2/(Cy1+Cy2)
这里所描述的原理可以应用于任何大小和任何数量的加权传感器元件的传感器阵列。位置分辨率取决于加权传感元件的数量和可达到的单元电容器的匹配。图19显示键盘的实施例。该键盘450包括传感器阵列，传感器阵列包括12个加权的传感器元件411，用于识别在特定预设位置人手指50的按键按压。根据本文所描述方法和系统的键盘可以被配置成曲折的一维位置传感器，具有分配到每个按键位置的独有权重。权重可利用如所示的单元电容器来分配，以分配独有的权重。
图20说明了具有4个传感器电容器的互补采样单元的实施例。GPIO301-304，310和311被配置来实现一维和二维位置检测器。图21说明了实现图17的二维位置检测器所需的GPIO结构。
图22是利用用于加快测量过程的软件可编程比较器101的采样单元的实施例。参考电压由内部数字至模拟转换器(DAC)350提供。通常，GPIO310从输出模式切换到输入模式需要一定的时间。在一定量的循环上跳过测量步骤可以加快积分。该可编程比较器可用于检测必须启用测量的电压水平。根据本文所描述的方法和系统，该可编程比较器的另一目的是实现可调整的参考电平，该参考电平设置为充分低于积分器电容Cint上的最大电压。
本文所描述的方法和系统可以支持创建低功率、低复杂度的基于触摸的用户接口，用于各种应用。
为了抑制与非接触式智能卡进行未经授权的通信，一维触摸传感器接口可以被嵌入到非接触式智能卡中。根据图15的一维位置传感器可以用来识别人的手指在智能卡表面上的水平扫过动作。智能卡通信接口保持去激活，直到它被持卡人在感测区域上进行水平手指移动而故意激活。
二维位置传感器可用于提供智能卡表面上的触摸接口。电子ID卡可以配备如图17或18所示的二维位置传感器。该传感器可用于直接在智能卡的表面上通过用手指或手写笔绘制来输入个人识别码(PIN)。该二维位置传感器向在线手写识别提供位置数据流，在线手写识别获取输入的数字。这种方法使得外部键盘过时，而且可以避免从键盘到主机应用的过程中撇弃PIN，因为PIN绝不会使智能卡是非加密的。在这种情况下，该PIN可以通过表示不同字符的触摸按钮或者代表不同字符的手势识别而输入。如果不能提供用于PIN输入的外部安全键盘，则该认证方法是特别有益的。该使用示例在在线安全认证中很常见的，例如，在线支付。
在仅需要键盘接口的情况下，可以应用根据图19的键盘，其基于一维滑块实现。这个键盘可以在通用MCU上使用最小数量的GPIO实现。实现触摸传感器的开销降低，带来软件方面的略有增加。
图23是表示电容式传感器接口的几种实现方案的实施例。电容式传感器接口可以被集成到带有可编程状态机81的MCU80中。电容式传感器接口的集成使用可编程状态机，这减少了CPU的时序关键任务负担，并降低MCU的功耗，这对于由读卡器设备的电磁场供电的智能卡是十分关键的。在另一实施例中，电容式传感器接口81可以直接集成到包括密码处理器的安全元件81中。电容式接近传感器接口集成到安全元件，这避免了电容式传感器装置和安全元件之间的不安全连接。该安全元件的输出直接是加密的数据。
应该指出的是，术语“包括”并不排除其他元素或特征，“一”不排除多个。同样，在不同实施例描述的元件也可以组合使用。
还应注意，在权利要求中附图标记不应被解释为对权利要求范围的限制。

Claims (15)

1.一种电容式位置传感器系统，用于确定对象的位置，其中，对象位于电容式位置传感器系统的感应区内并改变在对象下布置的电容器的电容，所述电容式位置传感器系统包括：
第一组多个传感元件，每个传感元件包括具有第一电极和第二电极的第一电容器，其中，每个第一电极经由开关耦合到电压源以形成开关电容器滤波器，其中第二电极耦合以形成感应线；
传感单元，传感单元适于感测代表了感应线上存在的电荷量的电压电平；以及
控制单元，控制单元适于将驱动信号施加到每一个耦合到第一电极的开关；
其中，在一个积分周期中，耦合到第一电极的开关中的部分开关闭合，使得部分第一电容器由第一驱动信号驱动，其中，传感单元适于感测代表了所述部分第一电容器的电荷量之和的电压电平，其中所闭合的开关的数目是至少两个，
其中，控制单元适于通过分析多个积分周期的多个感测电压电平的结果来确定对象的位置。
2.如权利要求1所述的电容式位置传感器系统，其中，分析多个感测电压电平的结果包括：计算每个第一电容器的电荷。
3.如权利要求1所述的电容式位置传感器系统，其中，传感单元和控制单元通过在一个积分周期中驱动至少两个电容器来提供n抽头FIR噪声滤波器。
4.如权利要求1所述的电容式位置传感器系统，其中，积分周期的数目对应于电容器的数目。
5.如权利要求1所述的电容式位置传感器系统，
其中，传感单元包括积分电容器，积分电容器指示所述部分第一电容器的电荷量之和，以及
比较器，用于比较经由积分电容器感测到的电压电平与参考电压。
6.如权利要求5所述的电容式位置传感器系统，
其中，比较器是被控制作为比较器和/或电压比较器的通用输入/输出引脚。
7.如权利要求1所述的电容式位置传感器系统，其中，每个开关是被控制作为开关的通用输入/输出引脚。
8.如权利要求1所述的电容式位置传感器系统，
电容式位置传感器系统进一步包括：
第二组多个传感元件，每个传感元件包括具有第一电极和第二电极的第一电容器，其中，每个第一电极经由开关耦合到电压源以形成开关电容器滤波器，第二电极耦合以形成感应线；
其中，在一个积分周期中，耦合到第一电极的开关中的部分开关闭合，使得第二组多个传感元件的部分第一电容器由第二驱动信号驱动，其中，传感单元适于感测代表了第一组多个传感元件的所述部分第一电容器的电荷量之和的电压电平、以及代表了第二组多个传感元件的所述部分第一电容器的电荷量之和的电压电平。
9.如权利要求1所述的电容式位置传感器系统，
其中第一组多个传感元件的每个传感元件包括具有第一电极和第二电极的第二电容器，其中，每个第一电极经由开关耦合到电压源以形成开关电容器滤波器，第二电极耦合以形成另一感应线，
其中特定加权因子分配给每个电容器，其中一个传感元件的第一和第二电容器的电容对应于恒定电容值，
其中，在一个积分周期中，耦合到第二电极的开关中的部分开关闭合，使得部分第二电容器由第二驱动信号驱动，其中传感单元适于感测代表了所述部分第一电容器的电荷量之和的电压电平、以及代表了所述部分第二电容器的电荷量之和的电压电平，
其中，控制单元适于通过分析多个积分周期的针对第一电容器和第二电容器的多个感测电压电平的结果来确定对象的位置。
10.如权利要求9所述的电容式位置传感器系统，
电容式位置传感器系统进一步包括：
第二组多个传感元件，每个传感元件包括具有第一电极和第二电极的第一电容器，其中，每个第一电极经由开关耦合到电压源以形成开关电容器滤波器，第二电极耦合以形成感应线；
其中，第二组多个传感元件的每个传感元件包括具有第一电极和第二电极的第二电容器，其中，每个第一电极经由开关耦合到电压源以形成开关电容器滤波器，第二电极耦合以形成另一感应线，
其中特定加权因子分配给每个电容器，其中一个传感元件的第一和第二电容器的电容对应于恒定电容值，
其中，在一个积分周期中，耦合到第一电极的开关中的部分开关和耦合到第二电极的开关中的部分开关闭合，使得第一组多个传感元件的部分第一电容器由第一驱动信号驱动，第一组多个传感元件的部分第二电容器由第二驱动信号驱动，第二组多个传感元件的部分第一电容器由第三驱动信号驱动，第二组多个传感元件的部分第二电容器由第四驱动信号驱动；
其中，传感单元适于感测代表了第一组多个传感元件的所述部分第一电容电荷器的电荷量之和的电压电平，感测代表了第一组多个传感元件的所述部分第二电容器的电荷量之和的电压电平，感测代表了第二组多个传感元件的所述部分第一电容器的电荷量之和的电压电平，感测代表了第二组多个传感元件的所述部分第二电容器的电荷量之和的电压电平；
其中，控制单元适于通过分析多个积分周期的多个感测电压电平的结果来确定对象的位置。
11.如权利要求10所述的电容式位置传感器系统，
其中，第一组多个传感元件布置成行，第二组多个传感元件布置成列，以形成二维阵列。
12.一种电子装置，用于接收来自用户的输入，该电子装置包括如权利要求1所述的电容式位置传感器系统，其中，所述输入对应于用户的对象的定位。
13.如权利要求12所述的电子装置，其中，该电子装置是键盘，智能卡或移动设备。
14.如权利要求12所述的电子装置，其中，该电容式位置传感器系统集成在电子装置的安全元件中。
15.一种确定对象位置的方法，其中，对象位于电容式位置传感器系统的感应区内并改变所述对象下方布置的电容器的电容，电容式位置传感器系统包括第一组多个传感元件，每个传感元件包括具有第一电极和第二电极的第一电容器，其中，每个第一电极经由开关耦合到电压源以形成开关电容器滤波器，第二电极耦合以形成感应线；
所述方法包括：
由传感单元感测代表了感应线上存在的电荷量的电压电平；
由控制单元将驱动信号施加到每个耦合到第一电极的开关，其中，在一个积分周期中，耦合到第一电极的开关中的部分开关闭合，使得部分第一电容器由第一驱动信号驱动，其中，传感单元适于感测代表了所述部分第一电容器的电荷量之和的电压电平，其中所闭合的开关的数目是至少两个；
由控制单元通过分析多个积分周期的多个感测电压电平的结果来确定对象的位置。
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