CN104834418A - 触摸面板校准系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于电容性触摸面板（尤其针对单端电容感测矩阵）的读出系统，能够内部校准和相等化其电容到数字转换器（CDC）的响应。读出系统包括参考线，用于把不同子电路互连在一起，并且测量在公共参考电容器上不同电路中CDC的响应。

Description

触摸面板校准系统
技术领域
本发明除了其它之外还涉及在电极或电极阵列附近的导电体的电容性检测，诸如在电容性触摸屏中所使用的电极或电极阵列。在实施例中，在一个电极和靠近它的手指或笔之间创建要检测的电容器，使得第二电极可以被认为参考地。
背景技术
电容性传感器阵列（诸如在电容性触摸屏中的那些）在现在的人机交互中是普遍存在的。如图1a和1b中所描绘的，这样的装置可以被分组成两个主要的分支：
· 差分（互）电容感测矩阵
这是在市场中被最多表现的技术。传感器阵列通常包括以行和列布置的电极矩阵以及感测线到线电容的专用电路。当用户触摸屏幕（感测x/y坐标）或靠近感测阵列到通常显著地小于几毫米时，这些系统的性能可以是卓越的，但是它们随着面板和手指之间距离z的增加而迅速降级，使得这些传感器不能良好地适合于非触摸应用，比如悬停。
· 单端（自）电容感测矩阵
这些传感器包括个体像素阵列，个体像素测量对地绝对电容。它们组合在x、y和z上的卓越性能，从而允许非触摸或“3D”感测，以及在戴手套的手和触控笔的情况下表现得更好，并且提供不受限的多点触摸感测。与先前的组相比，这些更高的性能以更复杂的面板和传感器路由以及关联的电路为代价而得出。
为了确保高性能，即为了减小由传感器和感测电路引入的误差，所有矩阵传感器必须具有匹配的和准确的电容测量。在自电容阵列测量的情况下，当保证所有通道/传感器之间一致的电容读数（相等的通道读数）以及绝对电容值测量时实现最好性能。特定先进的测试和校准系统和方法必须被用来达到这些目的。
已知系统通常试图在单个集成电路（IC）生产测试期间通过其自身来测试和校准IC内部的给定电容敏感级（可能相对于已知外部参考电容）。这个操作是重要的并且既不提供使不同级或不同IC之间传递函数相等的可能性，也不提供在应用中或在操作期间重新校准或动态适配传递函数的可能性。
发明内容
本发明提出了测试和校准电容性传感器阵列系统的新系统和方法。与现有技术相比，该新系统和方法提供如下优点：
· 不昂贵、低复杂性、灵活性
· 以不同级别测量和校准的能力：
　　? 在集成电路（IC）生产测试期间；例如在自动测试装备（ATE）上
　　? 在具有触摸屏模块的最终应用系统上原位
　　? 在触摸屏使用期间“运行中”或动态地；例如，补偿环境改变（例如，温度、用户条件）。
根据本发明，这些目标借助于所附权利要求的对象来完成。
附图说明
在通过示例的方式给出并由附图图示的实施例的描述的帮助下，本发明将被更好地理解，其中：
图1a和1b示意性地示出现有技术中已知的差分和单端电容性触敏装置的一般结构；
图2是理想电容到数字转换器（CDC）和具有偏置和增益变化的真实CDC的响应函数的绘图；
图3示意性地图示本发明的读出系统的一方面；
图4示意性地图示包括划分在各组中的电容敏感电极的矩阵的触觉系统，每一组由独立电路读取；
图5图示用于读取电容敏感电极的矩阵的几个电路的可能互连，其中每一个具有多个CDC级；
图6图示与图5的互连方案类似的、包括共享电容参考线的互连方案；
图7图示与图5和6的互连方案类似的、包括菊花链式电容参考线的互连方案；
图8示意性地示出包括用于测量浮置电容器的附加装置的电容敏感电路。
具体实施方式
现在将参考图1a和1b来回顾与其它已知解决方案所共有的本发明的一些方面。图1表示已知电容性触摸面板120，其包括电容性传感器125的矩形规则网格。在图示示例中，该网格包括8个行，每行四个传感器，但是在大多数具体实现中，传感器的数量将显著地更高。传感器125被插入在行线132和列线135之间，行线132和列线135连接到感测电路160并分别连接到调制源90。导电对象60的靠近通过附近传感器电容的变化（通常为减小）来检测。
图1b图示单端电容性传感器的可能实现。在这个实现中，电容性传感器是个体像素128，其不是如先前示例中那样矩阵寻址，而是通过连接线139个体地连接到感测电路161。电容性像素128相对于公共参考导体被偏置在固定电压，该公共参考导体可以被称为浮置地参考，并且其由调制源90驱动，以使得电容感测电路可以读取每一个电容性‘像素’128和相邻导电体60（例如手指）之间的电容。因为可以假设导电体60接地，或者处于相对于地的固定电位，所以通过附近像素128的对地电容的增加来指示它的靠近。
图3示意性地表示本发明的检测原理的一方面。感测像素128被沉积在合适的衬底43上，衬底43可能为透明衬底，其在一面上具有感测像素128，并且在另一面上具有保护电极120，如所表示的那样，并且被放置在LCD显示器40的上方。感测像素128被感测线193个体地连接到相应CDC168的输入端子，为了简单，输入端子在这里仅由模拟输入级的可能实现来表示。
根据本发明的重要方面，CDC168参考保护电极120的电位，并且它们的输入端子与保护电极处于相同的电位，或者相对于其维持恒定电压。在所表示的示例中，CDC168具有被配置为电荷放大器的输入级，但是其它部署也是可能的。由此，本发明的读出系统对像素128和地电极120之间的电容48是相对不敏感的，并且对像素间电容（未表示）也是不敏感的。当保护电极被调制源90激励时，CDC级168读取一信号，该信号与调制信号具有相同形状，并且它的幅值是与每一个像素和附近导电体60之间的电容65成比例的第一近似值，除了其它之外，该比例由每一级的反馈电容器166的值确定。
本发明的一方面涉及包括CDC的电容性触敏装置，该CDC被布置成测量出现在其输入处的电容并且把所测量的值作为数字代码递送。触敏装置的具体实现可以需要并行地读取非常大量的电容敏感电极，并且为了这个目的，在单个集成电路中或在多个集成电路中包括多个电容到数字级。电容到数字转换器通过测量输入端子处的调制电压的幅值来把输入电容的值与参考电容（通常为芯片上的内部电容器）的值相比较。形式上，它可以通过如下变换函数来表征：
其中：
k-常数（例如由设计确定）
Cs-要测量的输入电容
Ci-内部/芯片上参考电容
Vmod-调制电压
Vref-参考电压。
由于制造容差和不匹配，Ci通常在电路中逐级变化，以及逐电路变化。在相同电路中的所有电容性转换器级可以共享公共Vref，但是这个参考值可以逐电路变化。最后，Vmod是系统共用的。这在偏置和增益两者中导致逐级变化的CDC传递函数（TF）误差。图2图示理想传递函数321以及真实传递函数323，在理想传递函数321中代码输出代码（y轴）遵循等式1，真实传递函数323受偏置和斜坡误差的影响并且与理想表现偏离。即使在图中未被表示，真实传递函数也可以包括积分和微分非线性以及其它更高阶的误差。
图4示意性地图示根据本发明的一个方面的电容性触摸面板的可能结构。敏感表面120被覆盖有电容性传感器128的矩阵，每一个电容性传感器128包括与公共保护电极130一起构成微小电容器的电极。个体传感器的电容由一个或几个电路161、162、163、164读取，每一个电路连接到电极组。保护电极优选地连接到可变电压源90，可变电压源90允许测量个体电极128的电容。
图5示出本发明的可能实施例，其中可连接到电容性触摸面板的读出设备包括几个电容性读出集成电路161、162、163、164，每一个集成电路包括作为电容测量单元的多个CDC168以及复用器165，CDC168被布置为提供表示电容性触摸面板上电极的电容的信号，电极由信号线CSi,xy等连接。重要的是，读出设备具有至少一个参考电容器，该参考电容器选择性地可连接到CDC168的任一输入。优选地，每一个电路具有校准模式，在该模式中，CDC输入依次被连接到参考电容器。
重要的是，本发明包括如下特征：允许在IC 级别相等化、补偿或校正各个级之间CDC传递函数的差，或者在系统级别相等化、补偿或校正不同IC之间CDC传递函数的差。在数学上，需要被相等化的各个级之间的函数是。
根据图6和7中图示的重要方面，本发明包括一个或几个芯片上测试电容器Cref 173并且优选地包括切换装置185、186，切换装置185、186被布置为针对每一个级测量CDC响应，因此允许信道相等化作为整体电路校准的一部分。
优选地，芯片上测试电容器173是可变装置，其电容可以例如被数字控制信号选择性地改变。这个特征实现了针对输入电容的两个或更多值测量CDC级161的响应。这样的可变电容器可以由固定电容器的切换集或任何其它合适的方式来实现。
本发明的另一重要方面是存在公共参考电容线171、174、175、176，其允许在自动校准过程中由触敏读出的所有电路中的所有CDC级来测量相同的内部或外部电容。这个交叉测量允许准确相等化各个电路和各个级之间的所有级传递函数。考虑线性系统，两点测量足以从传递函数去除偏置和斜坡误差。
该校准可能相对于电路内部的内部电容器173来执行，或者，如果需要，也可以相对于在公共参考电容线上连接的外部参考电容器177来执行。
由图6和7图示的变型在所使用的公共参考线的方式方面不同。在前者中，在所有电路间使用单个公共参考线171 ，而在后者中，它是在邻近电路对之间具有共享线174、175、176的菊花链式系统。
图8表示允许测量浮置/互电容器的本发明的变型。为了简单，仅表示出一个集成电路。该电路包括激励模式选择器单元193，激励模式选择器单元193根据其‘stim_mode’输入处存在的逻辑值来改变电容器测试方法：在可通过把‘stim_mode’设置为0值来选择的正常模式中，连接到触摸面板的保护电极130的VG端子由AC调制源90驱动，并且连接到参考电容器Cref1和Cref,ext的cr_b线与地电位相联系；在可通过把‘stim_mode’输入设置为1值来选择的浮置测量模式中，VG端子被设置到地，并且AC调制信号改为被施加到cr_b线，cr_b线设置参考电压电容器Cref1和Cref,ext。优选地，电路包括极性反相级197，极性反相级197在浮置测量模式中被施加于AC控制信号，以使得由CDC级测量的信号的极性保持为与正常模式中相同。
图8的布置允许围绕保护激励信号进行切换以移动参考点，实际上模仿互电容感测。有利的是，这个测量对寄生电容不敏感。
以下为示例。
现在转向图6中表示的电路，一个集成电路情况下的自动电容校准可以如下那样进行：
· 测量第一电容点
　　? 把内部Cref1连接到级11 CDC；选择第一Cref1值，通常可以被选择为0fF电容
　　? 利用CDC级11测量Cref1；存储代码11
　　? 针对级12、13、……、1x重复上面的步骤；存储所有级代码
· 测量第二电容点
　　? 把内部Cref1连接到级11 CDC；选择不同于测量#1的Cref1值的第二Cref1值
　　? 利用CDC级11测量Cref1；存储代码11
　　? 针对级12、13、……、1x重复上面的步骤；存储所有级代码
· （可选地：通过改变内部Cref1值来测量更多电容点；例如第三、第四等电容点）
· 提取针对每一级的所有偏置和相对增益误差并且进行校正以使所有级相等；例如在2点（或更多点）上使用简单线性回归来对代码进行数字/软件后处理校正。
在多IC实施方式的情况下，使用芯片上参考电容器进行的电容校准可以如下那样发展：
· 测量IC1：
　　? 测量第一电容点
　　　　? 把内部Cref1连接到级11 CDC（断开未使用的Cref,ext）；选择第一Cref1值，通常可以被选择为0fF电容
　　　　? 利用CDC级11测量Cref1；存储代码11
　　　　? 针对级12、13、……、1x重复上面的步骤；存储所有级代码
　　? 测量第二电容点
　　　　? 把内部Cref1连接到级11 CDC（断开未使用的Cref,ext）；选择不同于第一电容测量的Cref1值的第二Cref1值
　　　　? 利用CDC级11测量Cref1；存储代码11
　　　　? 针对级12、13、……、1x重复上面的步骤；存储所有级代码
　　? 可选地：通过与第一电容点测量类似地改变内部Cref1值来测量更多电容点
　　? 可选地：使用其它Cref2、Cref3、……、Crefz芯片上电容器来执行交叉IC测量
· 针对IC2、IC3、ICz重复上面的测量；每一个IC级测量来自IC1的相同芯片上参考电容器Cref1（不是其自身的Cref2/3…/z）
· 提取针对每一级的所有偏置和增益误差并且进行校正以使所有级相等；例如在2点（或更多点）上使用简单线性回归来对代码进行数字/软件后处理校正。
图6的电路还允许借助于外部参考电容器Cref,ext进行的绝对电容校准。这可以例如如下那样执行：
· 测量IC1：
　　? 测量第一电容点
　　　　? 把内部Cref1连接到级11 CDC（断开未使用的Cref,ext）； Cref1值通常可以被选择为0fF电容
　　　　? 利用CDC级11测量Cref1；存储代码11
　　　　? 针对级12、13、……、1x重复上面的步骤；存储所有级代码
　　? 测量第二电容点
　　　　? 把外部Cref,ext连接到级11 CDC（断开未使用的Cref1）
　　　　? 利用CDC级11测量Cref,ext；存储代码11
　　　　? 针对级12、13、……、1x重复上面的步骤；存储所有级代码
　　? （可选的：通过与第一电容点测量类似地改变内部Cref1值来测量更多电容点）
· 针对IC2、IC3、ICz重复上面的测量；每一个IC级测量相同的参考电容器，即在这个情况下为Cref1和Cref,ext
· 提取针对每一级的所有偏置和增益误差并且进行校正以使所有级相等；例如在2点或更多点上使用线性回归来对代码进行数字/软件后处理校正。
在图7中示出的菊花链式CR线174、175、176的情况下，与上面所提出的相同的校准过程可以被使用，但是通过以下方式：通过选择性地对开关188起作用来选择性地把邻近电路对连接到参考线，相对于彼此校准每一个邻近对中的电路，以及最后在全局校准中使用重叠来组合结果，例如如下：
· IC1 & IC2的测量和校准
· IC2 & IC3的测量和校准
· IC3 & ICz的测量和校准
· 组合IC1、IC2、IC3、ICz之间的增益/斜坡误差校正。
根据本发明的可能变型，集成电路可以包括用于通过利用已知电流来对内部参考电容器173充电和测量达到给定电压所需的时间来确定内部参考电容器173的值的装置。这样，如果电路包括或可以访问精确电流和电压参考，则内部参考电容器173的绝对值可以被准确测量，并且CDC级的绝对校准可以被准确获得。
在上面校准的变型中，集成电路可以包括或可以访问其绝对值不精确已知的共享电流或电压参考。然而，集成电路可以利用与共享参考相联系的稳定电流对参考电容器充电，并且这样，它们的增益可以至少在IC和各级之间被相等化，即使绝对值未被精确限定。

Claims (14)

1.一种能够连接到电容性触摸面板的读出设备，包括一个或几个电容性读出集成电路，每一个集成电路包括多个电容测量单元，所述电容测量单元被布置为提供表示电容性触摸面板上电极的电容的信号，所述读出设备具有至少一个参考电容器，电容性读出集成电路具有校准模式，在校准模式中，它们被布置为把所述参考电容器连接到电容测量单元并校准它们的响应。
2.根据前面权利要求所述的读出设备，其中电容性读出单元是电容到数字转换器。
3.根据前面权利要求任一项所述的读出设备，其中所述参考电容器的值可以是变化的。
4.根据前面权利要求任一项所述的读出设备，包括多个电容性读出集成电路和至少一个公共参考线，所述至少一个公共参考线允许不同读出电路中的电容测量单元与公共参考电容器连接。
5.根据前面权利要求任一项所述的读出设备，其中公共参考电容器不被包括在电容性读出集成电路中。
6.根据权利要求4所述的读出设备，其中公共参考电容器是读出电路的一个参考电容器。
7.根据前面权利要求任一项所述的读出设备，包括：连接到调制电压源和电容性触摸面板的公共参考电极的保护电极。
8.根据前面权利要求任一项所述的读出设备，包括：用于测量浮置模式中参考电容器的电容的装置。
9.根据前面权利要求任一项所述的读出设备，包括：用于通过利用确定电流把参考电容器充电到确定值所需的时间来测量参考电容器的电容的装置。
10.一种能够连接到电容性触摸面板的电容性读出集成电路，包括至少一个电容测量单元以及至少一个参考电容器，所述电容测量单元被布置为提供表示电容性触摸面板上电极的电容的信号，电容性读出电路具有校准模式，在校准模式中，它被布置为把所述参考电容器连接到电容测量单元并校准它的响应。
11.根据前面权利要求所述的电容性读出集成电路，包括用于通过公共参考线与其它相同读出电路互连的端子，从而允许不同读出电路中的电容测量单元与公共参考电容器连接。
12.根据权利要求9或10中任一个所述的电容性读出集成电路，其中所述参考电容器是可变的。
13.根据权利要求9-11中任一个所述的电容性读出集成电路，包括：用于测量浮置模式中参考电容器的电容的装置。
14.根据权利要求9-12中任一个所述的电容性读出集成电路，包括：用于通过利用确定电流把参考电容器充电到确定值所需的时间来测量参考电容器的电容的装置。
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