CN105868821A - 触摸传感器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于感测用户触摸的触摸传感器(100，200，300，400，500，700)，包括：导电结构(101)，具有暴露至环境的导电触摸区域(103)；第一电容器(115)，具有与导电结构(101)电学相连的第一电极(117)；第二电容器(119)，具有与第一电容器(115)的第二电极(123)相连的第一电极(121)；以及驱动器装置(125)，连接到第一电容器和第二电容器并用于执行具体的操作步骤。

Description

触摸传感器
技术领域
本发明涉及一种触摸传感器，涉及一种包括NFC标签的触摸传感器系统以及一种用于感测用户触摸的方法。具体地，本发明还涉及一种包括电子标签的用户设备。此外，本发明涉及触摸点传感器的集成，所述触摸点传感器能够使用户与用户设备进行交互，使得该标签可以向读取设备供应依赖于用户的信息，或反之亦然。
背景技术
近几年，将电子标签(诸如，近场通信(NFC)标签或超高频(UHF)标签)集成到电子用户设备(例如，电子游戏设备)中变得越来越流行。传统标签设备仅可以供应预先定义的响应。因此，传统标签设备的操作无法满足在所有情况下的要求。
US 2014/152610公开了一种用于确定物体位置的电容型位置传感器系统，其中所述物体被布置在电容型位置传感器系统的敏感区域中，并改变被布置在该物体下方的电容器的电容。
然而，发现传统系统无法满足关于简明性、操作可靠性、体积和成本的所有要求。
发明内容
因此，需要一种用于感测用户触摸的触摸传感器、一种包括RFID标签的触摸传感器系统以及一种感测用户触摸的方法，其中缓解上述现有技术问题中的至少一部分。还需要一种针对用户可配置标签响应的低成本实现方案的解决方案。
根据本发明的实施例，供应了一种用于感测用户触摸的触摸传感器(一个点或多个点)，包括：导电结构，具有暴露至环境的导电触摸区域；第一电容器，具有与导电结构电相连的第一电极；第二电容器，具有与第一电容器的第二电极相连的第一电极；以及驱动器装置，与第一电容器和第二电容器相连，并用于执行以下操作步骤：向第一电容器供应驱动信号以便对第一电容器进行充电；停止向第一电容器供应该驱动信号，从而允许第一电容器的充电状态受到电接触该触摸区域的物体的影响；将第一电容器的电荷传送到第二电容器；以及测量第二电容器的充电状态。
触摸传感器可以例如感测或检测或识别用户的部位的触摸，例如用户身体的部位(诸如，手、手臂、腿、脚、手指等)的触摸。当与触摸区域或触摸区域的至少一部分发生直接的物理和电接触时，可以建立用户触摸。用户或用户身体的部位可以从触摸传感器外侧访问触摸区域。触摸区域可以包括例如平面或曲面或曲面部分与平面部分的组合。触摸区域的尺寸可以例如为1mm x 1mm到20mm x 20mm。其他尺寸也是有可能的。可以根据具体应用来改变触摸区域的尺寸。当用户身体的一部分或部位(诸如，手指)触摸所述触摸区域时，允许电流从触摸区域流向用户，或反之亦然。因此，用户可以直接地或间接地与大地(电势)相连(电相连)。用户可以例如站在地上，从而可以通过他或她的脚与大地电势相连。
导电结构可以假定所有类型的形状，并且可以由各种材料(包括导电材料)制成。例如，导电结构可以是包括绝缘材料和导电材料的合成物。具体地，导电结构可以包括塑料、含有导电材料的聚合物，诸如石墨纤维(graphic fibers)或石墨颗粒(graphic particles)。在其他实施例中，导电结构可以例如包括纯金属或不同金属的合金。导电结构可以允许将用户对触摸区域进行触摸的信息传送到另一个位置，例如，触摸传感器中的没有暴露至环境的位置。
第一电容器和第二电容器可以是常规可用的电子元件。第一电容器可以是PCB结构(由一系列导电材料导轨制成或包括一系列导电材料导轨)，第二电容器可以是PCB结构(由一系列导电材料导轨制成或包括一系列导电材料导轨)。在其他实施例中，第一电容器和第二电容器可以集成在集成电路中。当对第一电容器充电时，电场可以存在于第一电容器的第一电极和第一电容器的第二电极之间。第一电容器的第一电极可以例如经由电导轨电连接到导电结构，具体地，连接到与导电触摸区域相分离的导电结构的部分。因此，当用户触摸所述触摸区域并且电流在触摸区域与用户之间流动时，可以对第一电容器进行充电或放电。第一电容器可以具有相对较低的电容，使得仅仅通过噪声电势就可以对它进行充电，其中所述噪声电势可能存在于例如用户手指处。
第二电容器可以用作积分电容器，所述积分电容器可以在触摸传感器的操作期间多次地连续积累第一电容器的电荷。驱动器装置可以包括用于在不同操作添加下设置第一电容器和第二电容器以及执行上述操作步骤的电路。因此，驱动器装置可以包括大量常规可用(可编程)的模块，诸如通用输入/输出管脚。驱动器装置还可以包括：控制器；以及处理器，用于处理对例如第二充电器的充电状态加以表示的信号。此外，驱动器装置以包括电存储设备，用于存储例如参考值(诸如，参考数目)，且还可以包括具有算术逻辑功能的处理器。此外，驱动器装置可以包括振荡器，例如用于产生时钟信号。触摸传感器可以被集成到单个管芯上的一个集成电路，或可以是由若干组件装配而成并被放置在一起。
触摸传感器可以例如被用在针对游戏的雕像或人物上。因此，可以激活人物的交互。
当向第一电容器供应驱动信号时，第一电容器的第一电极可以被设置为限定电压，例如正电压。由电压源产生的正电压可以与第一电容器断开连接以便停止向第一电容器供应驱动信号。当将恒定电源电压与第一电容器断开连接时，第一电容器被激活为对在触摸区域处发生的用户触摸是敏感的。第一电容器的充电状态可以被特征化为在第一电容器的第一电极和第二电极之间的电压，或可以被特征化为存在于第一电容器的第一电极和/或第二电极上的电荷。第一电容器的电荷可以被传送到第二电容器，以便在第二电容器处积累来自第一电容器的大量电荷。因此，可以改善对用户触摸的检测或感测的准确度。此外，可以减小噪声。
测量第二电容器(也被称作积分电容器)的充电状态可以例如包括测量第二电容器的第一电极和第二电极之间的电压。例如可以使用运算放大器和/或比较器来测量电压，其中所述比较器确定第二电容器的电极两端的电压之间的差值是否大于参考电压。
在现有技术中(例如，上述US申请)，需要将电容传感器结构实现在用户设备中。然而，这仅是设备制造商为了应用与塑料注模技术具有更好兼容性并且供应较好的抗噪性的感测技术的需要。现在通过本发明的一些实施例来实现这个目标，具体地，在本发明的实施例中，主要根据塑料或塑料注模来制造所述导电结构，且所述导电结构还包括一些导电材料。根据本发明的实施例，满足了针对由导电材料制成的传感器供应处理单元的需要。
根据本发明的实施例，触摸传感器可以包括或可以由注塑导电塑料材料制成。此外，可以通过触摸传感器实现稳定的触摸检测，即使在非接触操作模式下(其中，触摸传感器和/或与其相连的标签与接地电势不发生电流连接)。此外，本发明的实施例可以支持基于DC输入源和具有DC叠加分量的AC输入源的混合集成方法。此外，触摸传感器可以支持无电池操作，具体地例如根据ISO 14443，由近场通信场供电。具体地，所述场的频率为13.56MHz等。此外，触摸传感器和相应触摸传感器系统可以具有较低的处理要求，并可以使能超低的成本实现方案，这是由于传统模块或单元可以用于制造所述触摸传感器。
根据本发明的实施例，当停止向第一电容器供应驱动信号时且当用户对触摸区域进行触摸时，通过从第一电容器经由导电结构和用户流向大地的电流，对第一电容器上的电荷进行放电。
具体地，感测原理不是基于电容感测，而是基于由于电流从第一电容器经由导电结构和用户流向大地产生的对第一电容器上的电荷的改变或影响。当诸如手指的物体触摸或电接触所述触摸区域时，可以从第一电容器释放电荷的一部分。因此，仅需要从第一电容器的第一板导向触摸区域的一条线路(或电路径)，来构造该触摸传感器。因此，简化了对触摸传感器的构造，并可以确保可靠的操作。此外，第一电容器可以是单独的模块或组件，可以无需如同传统基于电容的系统所观察到的那样从配线部分装配所述第一电容器。
根据本发明的实施例，导电结构包括含碳(具体地，碳纤维)的塑料，其中导电结构的电阻具体地在1kΩ到1000kΩ之间。
使用塑料或聚合物来制造导电结构使能非常成本高效的组件。此外，碳纤维展示了非常好的导电特性并可以传统方式使用。1kΩ到1000kΩ的电阻可能导致从第一电容器流向用户的电流非常低，或反之亦然，从而减小了损坏的风险。
根据本发明的实施例，为了向第二电容器传送第一电容器的电荷，将第二电容器的第二电极设置为大地电势，其中，为了测量第二电容器的充电状态，可以将第二电容器的第二电极和第一电容器的第一电极设置为大地电势。
为了将第一电容器的电荷传送到第二电容器，可以设置开关以便允许第二电容器的第二电极与地电势进行连接或断开连接。因此，通过简单的结构方便地实现了对电荷的传送。此外，为了测量充电状态，还可以设置开关或开关系统以便实现该功能。因此，可以实现构造简单的、且成本节约构造的触摸传感器。
根据本发明的实施例，第二电容器至少比第一电容器的电容高50倍，具体地，第二电容器的电容是第一电容器电容的50倍到10000倍之间(例如，在1nF和100nF之间)，其中更具体地，所述操作步骤持续1μs到1000μs，更具体地持续2μs到10μs。
第二电容器可以积累在从第一电容器向第二电容器传送电荷的一些若干周期上的电荷。因此，可以改善对实际用户触摸事件的检测的可靠性。此外，可以减小测量不准确性。此外，具有特定电容的传统可用电容器可以用于制造触摸传感器。
根据本发明的实施例，驱动器装置被用于将操作步骤重复若干次；在第二电容器的充电状态到达阈值充电状态之前，对次数进行计数；将所述次数与参考数目进行比较，并且如果所述次数至少是大于或小于参考数目的阈值数目，指示用户触摸。
可以通过生成程序、将程序存储在电子存储设备中并将所述程序加载到可以包括在驱动器装置中的处理器内，来对驱动器装置进行编程。操作步骤重复的次数可以取决于第二电容器与第一电容器的相对电容。本质上，可以重复所述操作步骤，使得或直到在完成对操作步骤的重复时第二电容器被完全充电。因此，在校准运行期间，重复周期的数目可以代表在重复周期期间没有发生触摸事件的情况。可以将周期的相应数目存储为指示没有发生触摸事件的参考次数。每当在重复周期期间发生触摸事件时，可以增加对第二电容器进行完全充电所需的周期数目，这是由于在重复周期期间，可以通过经由导电结构和用户流向地的电流，撤回第一电容器的一部分电荷。因此，当对第二电容器进行完全充电所需的重复周期的数目大于参考数目时，可以归纳或确定发生了用户触摸事件。此外，可以基于实际测量到的用于对第二电容器进行完全充电的重复周期数目与参考数目之间的偏差，来确定发生用户触摸事件的时间间隔或时间段和/或触摸事件的用户力或接合等级和/或手指与触摸区域之间的接触尺寸。因此，可以供应可靠的触摸传感器。
根据本发明的实施例，确定次数和参考数目之间的偏差，其中基于所述偏差确定触摸力或接触区域的尺寸或有效电阻。当用户身体部位(例如，手指)之间的接触区域的尺寸增加时，可以减小从第一电容器到地的电路径上的电阻，因此，可以增大从第一电容器流到地的电流，从而更快速地对第一电容器进行放电。当用户用更大的力按压触摸区域时，尤其可以发生这种接触区域尺寸的增加。备选地或附加地，还可以根据所述偏差得到用户触摸所述触摸区域的时间段，这是由于如果触摸事件的时间间隔变得更大，则在允许对第一电容器进行放电的重复周期期间将消逝更多的周期。
因此，可以得到或确定用户触摸事件的具体特征(例如，关于其时间长度、关于其压力或力)。因此，可以监控特定的单独产生的交互。
根据本发明的实施例，触摸传感器具体地在操作期间与大地不发生电流连接。因此，对于触摸传感器不存在必要的特定电要求。
根据本发明的实施例，驱动器装置还包括：第一通用输入/输出管脚，与第一电容器的第一电极相连；第二通用输入/输出管脚，与第一电容器的第二电极和第二电容器的第一电极相连；第三通用输入/输出管脚，与第二电容器的第二电极相连；以及控制器，用于控制第一、第二和第三通用输入/输出管脚，以便以重复的方式执行操作步骤。
通用输入/输出(GPIO)可以是集成电路上的普通管脚，其中可以由用户在运行时间控制所述集成电路的行为或集成电路的行为可以是可编程的，其中所述行为包括它是输入还是输出管脚。具体地，可以通过控制器来控制GPIO管脚。GPIO可以例如产生(恒定)电压以便对第一电容器进行充电。此外，GPIO可以用作欧姆值较高的输入线路，诸如，以便例如在第一电容器被用于感测用户触摸事件的情况下，使能将特定电学节点设置为电浮置的。此外，GPIO可以用于将其管脚设置为大体地电势或可以与地电势不同的参考电势，可以被称作mass或“0”。从而，可以根据传统可用的组件来装配触摸传感器。
根据本发明的实施例，触摸传感器包括：至少一个其他(具体地，多个其他)导电结构，具有暴露至环境的并与所述触摸区域电学分离的至少一个(相应)其他导电触摸区域；至少一个其他第一电容器，具有与所述其他导电结构电学相连的其他第一电极；至少一个其他第一通用输入/输出管脚，与其他第一电容器的相应其他第一电极相连，其中将触摸传感器用于针对其他第一电容器中的每个第一电容器执行所述操作步骤，同时去激活第一电容器和其他第一电容器中的至少一个，具体地，通过供应充电信号来对电容器进行充电。
因此，可以供应具有若干触摸区域的触摸传感器。具体地，可以按排布置触摸区域或将其布置在阵列中，使得可以供应一维或二维的位置敏感传感器。触摸区域可以彼此电学隔离。每个触摸区域可以具有相关联的第一电容器。然而，仅可以存在一个第二电容器，可以以连续方式将不同触摸区域切换为活性的或非活性的，使得例如仅有一个触摸区域是活性的，所有其他区域是非活性的，或使得除了一个触摸区域之外的所有区域时活性的，所述另一触摸区域是非活性的。因此，可以实现可靠的位置传感器。
根据本发明的实施例，触摸传感器还包括：声学和/或光学和/或电学指示器，以便指示用户触摸事件。因此，用户可以得到关于触摸传感器是否实际检测到特定用户动作的反馈。
根据本发明的实施例，供应了一种触摸传感器系统，包括：根据上述实施例之一的触摸传感器；以及NFC标签，与所述触摸传感器相耦接以便向触摸传感器供应电能和/或向读取设备传送触摸传感器数据和/或向触摸传感器传送读取器数据。NFC标签可以例如包括用于接收读取器场的天线、用于对要发送给读取设备的数据或要从读取设备接收的数据进行解码和编码的处理器。因此，可以供应具有与用户进行交互的能力的电学NFC设备。此外，触摸传感器系统可以实现为游戏设备，诸如，可以根据由触摸传感器感测的触摸事件进行动作的雕像。具体地，触摸传感器系统可以向读取设备发送关于触摸或用户触摸事件的数据，以便由读取设备进行处理。据此，读取设备可以向触摸传感器系统发送读取器数据，其中读取器数据也可以例如改变雕像的行为。
应理解，针对用于感测用户触摸的触摸传感器的单独地或以任意组合的方式公开、描述、应用或供应的特征还可以用于或应用于根据本发明实施例的用于感测用户触摸的方法，且反之亦然。
根据本发明的实施例，供应了一种用于感测用户触摸的方法，包括：向第一电容器供应驱动信号以便对第一电容器进行充电，第一电容器具有与导电结构电学相连的第一电极；停止向第一电容器供应该驱动信号；用手指触摸暴露至环境的导电触摸区域，触摸区域是导电结构的一部分；允许第一电容器的充电状态受到接触该触摸区域的手指的影响；将第一电容器的电荷传送到第二电容器，第二电容器具有与第一电容器的第二电极相连的第一电极；以及测量第二电容器的充电状态。
具体地，可以通过使用在上述实施例之一中所示或所述的触摸传感器来执行所述方法。
所述方法还可以包括在第二电容器的充电状态到达或超过充电状态阈值的情况下，指示用户触摸事件。因此，可以提供针对用户的反馈。
此外，提供了一种计算机可读介质，其中存储有用于感测用户触摸的计算机程序，当由处理器执行所述计算机程序时所述计算机程序用于实现或控制根据上述实施例之一的方法。具体地，计算机程序可以控制根据本发明的实施例的触摸传感器。
根据本发明实施例的信号处理方法可以识别将其手指与由导电塑料材料制成的触摸传感器接合的用户，其中触摸传感器可以是与地电势无电流连接的交互式标签的一部分。根据本发明的实施例，信号处理方法或用于感测用户触摸的方法可以包括FIR滤波方法，其中即使存在射频读取器电磁场，所述方法仍提供稳定的触摸检测。与传统的投射式电容触摸感测方法不同，根据本发明实施例的触摸传感器包括导电塑料材料，其中由于成本、可靠性或不规则形状的设备表面，不可以施加投射式触摸。根据本发明的实施例，触摸传感器可以实现为例如由计算机角色扮演使用的交互式游戏雕像。
触摸传感器可以集成在任何类型的电子设备中。因此，电子设备可以例如是键盘、智能卡、移动设备、计算机、游戏组件等。由于能量消耗较低，可以针对具有精确容量或能量要求的许多应用，使用触摸传感器。例如，所述触摸传感器可以集成在电子设备(诸如，移动电话)的安全元件中。
现参考附图描述本发明的实施。本发明不限于所示或所述的实施例。
附图说明
图1是根据本发明实施例的触摸传感器的示意电路图；
图2示出了根据本发明实施例的触摸传感器的实现方案；
图3示意性示出了根据本发明实施例的触摸传感器系统；
图4示意性示出了根据本发明实施例的触摸传感器系统；
图5示意性示出了根据本发明实施例的具有多个触摸点的触摸传感器的电路图；
图6示意性示出了在本发明实施例中出现的开关状态的实现方案详情；
图7是根据本发明实施例的具有多个触摸点的触摸传感器的实现方案的示意电路图；
图8示出了激活根据本发明实施例的触摸传感器的触摸点的时间进程；
图9示意性示出了根据本发明实施例的处理方法的示意电路图，其中可以在根据本发明实施例的触摸传感器中执行所述处理方法；
图10示意性示出了根据本发明实施例的触摸传感器中的不同状态；以及
图11示意性示出了根据本发明实施例的在操作步骤期间切换触摸传感器中的状态。
具体实施方式
图1所示的根据本发明实施例的触摸传感器100包括：导电结构101，具有暴露至环境的导电触摸区域103，使得手指105可以用它的尖部107触摸或接触触摸区域103，使得实现电学接触，从而电流可以从导电结构101流向手指105并从此经由被表示为电阻器109的用户身体流向地电势111。由于波动和干扰，手指105可能受到噪声电势，被表示为电压源113。
触摸传感器100还包括具有第一电极117的第一电容器115，其中第一电极117与导电结构101电学相连。触摸传感器100还包括具有第一电极121的第二电容器119，连接到第一电容器115的第二电极123。
此外，触摸传感器100包括含有电压源127的驱动器装置125，其中所述电压源127可以在触摸传感器100的操作期间设置为不同的操作状态。驱动器装置与第一电容器115和第二电容器119相连。应注意，触摸传感器100不必连接到接地111，而是可以浮置在它自己的参考电势129。驱动器装置125用于执行以下操作步骤：
向第一电容器115供应驱动信号131以便对第一电容器115进行充电；
停止向第一电容器115供应驱动信号131，从而允许第一电容器115的充电状态受到与触摸区域103电学导通的物体(例如，手指105)的影响；
向第二电容器119传送第一电容器115的电荷；以及
测量第二电容器119的充电状态。
图2示出了根据本发明实施例的触摸传感器200的一个实现方案，其中用仅第一位不同的附图标记来表示图1和2中结构和/或功能相似的要素。在图2所示的触摸传感器200中，驱动器装置包括第一通用输入/输出管脚(GPIO)233，其中所述GPIO连接到第一电容器215的第一电极217。驱动器装置225还包括第二GPIO 235，与第一电容器215的第二电极233和第二电容器219的第一电极221相连。驱动器装置225还包括连接到第二电容器219的第二电极222的第三GPIO237。驱动器装置225还包括控制器239，经由控制信号241控制第一、第二和第三GPIO 233、235、237。
在图1和2中，第一电容器(Cfly)和第二电容器119(Cint)以及电压源127(Vi(t))形成开关电容积分器。Vi(t)可以从0切换到Vi，导致电流经过向寄生电容器128添加电荷的第一电容器115。在安定阶段之后，Vi(t)断开连接，导致节点X处于高欧姆值的状态，其中，可以通过Z1gnd和Zs将噪声源Vs(t)(113)连接到第一电容器115，如果通过手指105触摸所述触摸点X(即，触摸区域103)，则发生上述情况，导致第二电容器121两端的电压由于所叠加的DC分量Vs(t)而改变。在被驱动器装置执行之前所述的步骤周期性的重复，直到第二电容器119两端的电压到达预定电压阈值。将第二电容器119充电到预定电压阈值所需的周期的次数是对用户身体部位(例如，手指105)与触摸传感器点接合的程度的量度，并在以下描述中命名为“活性程度”。
将第二电容器119、219两端的电压与已知的参考情况进行比较可以提供关于用户是否触摸了触摸点X的清楚指示，即，关于手指105是否触摸了触摸区域103的指示。该指示可以与被触摸状态下的活性程度是否远小于或远大于未触摸条件下的活性程度无关，这是由于可以将绝对偏差用于确定触摸事件。其他实施例也是有可能的。用作触摸端子或触摸区域103的导电塑料材料的串联电阻可以包括电阻器Zs。
为了对第一电容器215进行充电，第一GPIO 233可以输出恒定电压Vcc。然后，GPIO 233可以被设置为输入模式，使得第一GPIO 233不再对第一电容器215进行充电。为了将第一电容器215的电荷传送至第二电容器219，第三GPIO 237可以供应与0伏(mass)相对应的信号。为了测量充电状态，具体地第二电容器219的电压，第二GPIO235可以例如被设置为输入模式。为了实现由驱动器装置225执行的不同操作步骤的其他状态组合的GPIO 233、235、237也是有可能的。
可以针对对第二电容器219进行完全充电所需的周期的数目进行计数并将其存储在控制器239中或任意其他适合电存储设备中。可以将对第二电容器219进行完全充电所需的周期数目与还可以存储在控制器239中的参考数目进行比较。根据或基于对第二电容器进行完全充电的实际所需数目和参考数目之间的偏差，可以确定用户是否触摸了触摸区域203、用户对该触摸区域203触摸了多长时间、和/或用户触摸该触摸区域203的力度。
图3所示的触摸传感器系统350包括触摸传感器300和与触摸传感器300相耦接的NFC标签351，以便向触摸传感器300供应电能和/或(经由标签351)向未示出的读取设备传送触摸传感器数据353和/或向触摸传感器300传送读取设备数据355。触摸传感器300实现为多触摸垫传感器，包括导电结构301、第一其他导电结构357和第二其他导电结构359，每个都分别具有对应的触摸区域303、358和360。此外，触摸传感器包括触摸指示器361和363，以便指示对触摸区域303、358、360中的一个或更多个的触摸事件。NFC标签351包括标签处理器或标签365和天线367。
根据本发明实施例，图3所示的处理模块可以包括：含有整流器和电源的功能标签365；触摸传感器301、357、359；以及I/O控制器325，用作触摸传感器处理器和/或用作驱动器装置。上述功能可以实现为单独的集成组件和分立组件，或单片集成电路，如图4所示。可以添加光学(361)和/或声学(363)反馈指示器，以便在数据录入期间进行更好的用户引导。示意性地示出了反馈，本领域技术人员可以以最佳的可能方式来实现这种指示器。
图4所示的触摸传感器系统的实施例450与图3所示的触摸传感器系统350具有许多相似，除了将驱动器装置以及I/O控制器425与标签465一同集成在单个半导体管芯或单个集成电路469之外。I/O控制器的单片集成电路版本的触摸传感器功能可以被集成为控制电路所需I/O的状态机。
图5所示的触摸传感器500包括同样包括在图1和2所示的触摸传感器100和200中的一部分元件，其中用仅第一位不同的附图标记来标注这种元件。与图1和2所示的触摸传感器100和200相比，图5所示的触摸传感器500用作包括触摸区域503、558和560的多触摸点传感器，与图3和4中的触摸传感器系统中所示的触摸传感器300和400相同。触摸点或触摸区域503、558和560中的每个具有相关的第一电容器515，其中当激活电容器以及物体接触相关联的触摸点503、558或560时，其充电状态可能受到影响。为了激活或去激活触摸点503、558和560，或为了对第一电容器515进行充电，开关S11H、S12H、S13H、S2H和S3H允许将恒定电压Vcc或“0”连接到电路的特定节点，或让其浮置。例如，开关S11L、S12L、S13L、S2L和S3L允许将电路的特定节点设置为参考电势529，与如图1所示相同。对于不同开关为了执行以下操作步骤的设置：对第一电容器进行充电；激活相应或相关联的触摸区域以便检测用户触摸；将电荷从第一电容器传送到第二电容器；以及测量第二电容器的电荷，可以参考上述文档US 2014/152610。例如，如图11所示，可以在不同操作状态下调整开关的设置。
图5中的每个触摸区域503、558、560可以提供与用户手指和导电塑料传感器(TP1、TP2、TP3)之一的接合程度相关的活性程度。可以通过使用图6所示的转换关系，将图5所示的开关SXX实现为微控制器单元(MCU)的受控GPIO。
图6示出了如何通过使用GPIO 633来实现左手侧上的开关的不同切换状态。例如，为了实现与参考电势629相连的断开开关，GPIO633可以输出“0”，其中启用输出(output enable)＝“0”。本领域技术人员可以从图6的图中，得到其他状态实现方案。
图5所示的触摸传感器500的具体实现方案在图7中被示出为触摸传感器700。图7所示的触摸传感器700与图1所示的单个触摸传感器100或图2所示的触摸传感器200具有若干相似和类似或相同的元件。用仅第一位不同的附图标记来标记相应或相似的元件。为了去激活触摸区域703、758或760中的一个或更多个，对应GPIO 733、734或736可以例如被设置为输出“0”。然后，未去激活的触摸区域303、358和360可以是敏感的以便感测用户触摸，用户触摸可能影响相应第一电容器715的充电状态。由于图1所示的用附图标记113表示的外部电压源Vs(t)可以包括噪声分量，噪声分量可能导致错误的触摸检测，需要对由TP1...TP3接收到的输入信号进行过滤。为了执行三分之二的(n+1分之n的)FIR噪声过滤功能，可以捕获活性程度，使得可以在单个步骤中评估三分之二的触摸点信号，并获得活性程度的总和。在下表1所示的示例中，其中需要三个连续扫描来确定每个单独传感器的噪声滤波器活性程度。
表1：
可以通过应用表1所公开的方法，来得到单个触摸区域TP1...TP3中的每个的活性程度。为了识别是否触摸了触摸区域TP1...TP3，将其活性程度与参考阈值进行比较。如果实际活性程度和参考活性程度之间的绝对值差大于预定阈值，则例如通过指示器363、361(诸如，图3和4所示的指示器)来指示触摸事件。
在触摸传感器或触摸传感器系统的一个示例中，然后，可以对触摸区域TP1...TP3的活性程度进行数字滤波，以便提供足够的信号质量以确保对触摸事件的精确检测。
图8示意性示出了激活861图7所示的触摸区域703、激活863触摸区域758以及激活865触摸区域760的过程。可以从图8看出，总是激活三分之二的触摸区域以便感测触摸事件。其他方案也是有可能的。
图9示出了可以在根据本发明实施例的触摸传感器中执行的FIR滤波器图的示意图。图9是完整FIR滤波器结构的简化示意图，包括互补采样单元100、用作电压比较器的GPIO 310以及两个中继元件320和321。以下示例示出了针对具有三个传感器电容器的互补采样单元的计算过程，其中同时测量两个传感器电容：
●在tCs1时进行测量产生∑1＝Cs2+Cs3
●在tCs2时进行测量产生∑2＝Cs1+Cs3
●在tCs3时进行测量产生∑3＝Cs1+Cs2
可以通过下式来得到每个感测电容器的电容：
●∑tot＝∑1+∑2+∑3
●Cs1＝∑tot/2-∑1
●Cs2＝∑tot/2-∑2
●Cs3＝∑tot/2-∑3
加法器330提供在一行得到的三个测量值的总和。乘法器331和332施加所需要的权重，最终加法器333产生针对单个电容的过滤后的测量结果。FIR滤波器有效地移除高频告诉噪声分量，同时留下未受影响的基带信号。
图9所示的处理方法涉及一种传感器配置，包括三个传感器，即三个触摸区域。本领域技术人员可以容易地将本原理扩展到多于三个的传感器，此处不提供这些附加单独配置。
图10示意性示出了根据本发明实施例的触摸传感器的不同操作状态，以便实现所述操作步骤。在状态1100，可以通过接通开关S1并断开开关S3来将第一电容器1015与电压源1027相连，从而对第一电容器1015进行充电。在操作状态1200，通过断开开关S1并还断开开关S3，来激活相应触摸区域1003。然后，触摸该触摸区域1003的用户可以影响第二电容器1015的充电状态。在操作状态1300下，可以通过断开开关S1和S1并接通开关S3，来将在第一电容器1015上的电荷传送到第二电容器1019。可以使用GPIO来实现开关配置，其中所述配置与以上参考图2、7和6所述的配置相同。
所公开的触摸传感器或触摸感测系统的典型应用可以是在游戏雕像中的用户交互触摸点的实现方案，其中游戏雕像可以是基于计算机角色扮演的一部分。触摸雕像上的特定触摸点可以引起计算机游戏的特定反应，诸如使用特定武器或进行躲避以便相对对手进行掩护。可以通过将碳纤维添加到塑料复合物，来获得导电塑料材料。得到的导电塑料复合物可以是通过任何可行的挤压工艺而3D成型的。一旦制作了导电塑料部件，可以通过插入所述部件表面的小型金属管脚来进行连接。
本公开的另一典型应用可以是将触摸点集成在汽车、飞机或任何其他车辆的3D成型仪表盘中，在所述3D成型的仪表盘中，由于可靠性或成本原因，无法集成扁平的投射型电容触摸传感器。
公开了多种方法来使用激光束加热金属粒子来在塑料上写入导电结构，其中所述激光束加热金属粒子在进行激光处理之前被包括在聚合物材料的非常薄的绝缘膜中。通过加热材料，破坏绝缘性，导致了可以由激光束熔结的导电结构。如果将这种原理与这里所述的方法相组合，可以将键盘结构添加到3D成型的仪表盘或具有不规则表面的其他设备。
本发明实施例可以提供交互式NFC标签，其中所述交互式NFC标签可以形成交互式设备的一部分。通过评估人体部位与导电塑料传感器的接合程度，来识别交互请求。所述传感器可以形成为与电阻器串联的金属传感器。NFC标签可以是玩具，或可以是与计算机游戏交互的雕像。

Claims (15)

1.一种用于感测用户触摸的触摸传感器(100，200，300，400，500，700)，包括：
导电结构(101)，具有暴露至环境的导电触摸区域(103)；
第一电容器(115)，具有与导电结构(101)电相连的第一电极(117)；
第二电容器(119)，具有与第一电容器(115)的第二电极(123)相连的第一电极(121)；以及
驱动器装置(125)，连接到第一电容器和第二电容器并用于执行以下操作步骤：
向第一电容器(115)供应驱动信号以便对第一电容器进行充电；
停止向第一电容器(115)供应驱动信号，从而允许第一电容器的充电状态受到电接触所述触摸区域(103)的物体(105)的影响；
将第一电容器(115)的电荷传送到第二电容器(119)；以及
测量第二电容器(119)的充电状态。
2.根据权利要求1所述的触摸传感器，其中当停止向第一电容器(115)供应驱动信号且当用户(105)触摸所述触摸区域(103)时，通过从第一电容器(115)经过导电结构(101)和用户流向大地(111)的电流来对第一电容器(115)上的电荷进行放电。
3.根据权利要求1所述的触摸传感器，其中所述导电结构(101)包括含碳塑料，具体地碳纤维，其中导电结构的电阻具体地在1kΩ到10000kΩ之间。
4.根据权利要求1所述的触摸传感器，
其中为了向第二电容器(119)传送第一电容器(115)的电荷，将第二电容器的第二电极设置为接地电势，
其中为了测量第二电容器(119)的充电状态，将第二电容器的第二电极和第一电容器的第一电极设置为接地电势。
5.根据权利要求1所述的触摸传感器，
其中第二电容器(119)的电容至少比第一电容器(115)的电容高2倍，具体地至少比第一电容器(115)的电容高50倍，具体地第二电容器的电容是第一电容器的电容的50倍到10000倍之间，
其中更具体地，所述操作步骤持续10ns到1s，更具体地持续2μs到10μs。
6.根据权利要求1所述的触摸传感器，
其中所述驱动器装置(125，225)用于：
将操作步骤重复若干次；
在第二电容器的充电状态到达阈值充电状态之前，对次数进行计数；
将所述次数与参考数目进行比较；以及
如果所述次数至少是大于或小于参考数目的阈值数目，则表示用户触摸。
7.根据前述权利要求所述的触摸传感器，
其中确定所述次数和参考数目之间的偏差，其中基于所述偏差确定触摸力或触摸区域的大小。
8.根据权利要求1所述的触摸传感器，其中在操作期间，触摸传感器(100)具体地不与大地发生电流连接。
9.根据权利要求1所述的触摸传感器，其中所述驱动器装置(225，725)包括：
第一通用输入/输出管脚(233)，与第一电容器(115)的第一电极(217)相连；
第二通用输入/输出管脚(235)，与第一电容器(115)的第二电极(223)和第二电容器(219)的第一电极(221)相连；
第三通用输入/输出管脚(235)，与第二电容器(219)的第二电极(222)相连；以及
控制器(239)，用于控制第一、第二和第三通用输入/输出管脚，以便以重复的方式执行操作步骤。
10.根据前述权利要求所述的触摸传感器(300，400，500，700)，还包括：
至少一个其他导电结构(701)，具有暴露至环境并与所述触摸区域电分离的至少一个其他导电触摸区域(758，760)；
至少一个其他第一电容器(715)，具有与所述其他导电结构电相连的其他第一电极；
至少一个其他第一通用输入/输出管脚(734，736)，与其他第一电容器的相应其他第一电极相连，
其中将触摸传感器用于针对其他第一电容器中的每一个执行所述操作步骤，同时具体地通过供应充电信号来对第一电容器和其他第一电容器中的至少一个进行充电以去激活第一电容器和其他第一电容器中的至少一个。
11.根据前述权利要求所述的触摸传感器，其中所述触摸传感器用作位置传感器。
12.根据权利要求1所述的触摸传感器，还包括：
声学和/或光学和/或电学指示器(361，363)，以便指示用户触摸事件。
13.一种触摸传感器系统(350，450)，包括：
根据权利要求1所述的触摸传感器(300，400)；以及
NFC标签(351)，与所述触摸传感器耦接以便向触摸传感器供应电能和/或向读取设备传送触摸传感器数据和/或向触摸传感器传送读取器数据。
14.一种用于感测用户触摸的方法，包括：
向第一电容器供应驱动信号以便对第一电容器进行充电，第一电容器具有与导电结构电相连的第一电极；
停止向第一电容器供应所述驱动信号；
用手指触摸暴露至环境的导电触摸区域，所述触摸区域是导电结构的一部分；
允许第一电容器的充电状态受到接触所述触摸区域的手指的影响；
将第一电容器的电荷传送到第二电容器，第二电容器的第一电极与第一电容器的第二电极相连；以及
测量第二电容器的充电状态；
所述方法具体还包括：
如果第二电容器的充电状态到达或超过充电状态阈值，指示用户触摸事件。
15.一种计算机可读介质，其中存储有用于感测用户触摸的计算机程序，当由处理器执行所述计算机程序时所述计算机程序用于执行或控制根据权利要求14所述的方法。
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