CN105900046B - 电容式触摸传感器系统和方法 - Google Patents

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约翰·亚伦·萨拉加
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Abstract

公开了一种结合有内插传感器阵列的电容式触摸传感器系统和方法。该系统和方法利用触摸传感器阵列(TSA),其被配置为通过可变阻抗阵列(VIA)检测接近/接触/压力(PCP),其中VIA将耦合至阵列列驱动器(ACD)的互连的阻抗列(IIC)和耦合至阵列行传感器(ARS)的互连的阻抗行(IIR)电耦合。所述ACD被配置为基于列切换寄存器(CSR)选择所述IIC,并利用列驱动源(CDS)电驱动所述IIC。所述VIA将电流从被驱动的IIC传输至被ARS感测的IIC。ARS选择TSA中的IIR,并基于行切换寄存器(RSR)电感测所述IIR的状态。内插ARS所感测的电流/电压允许TSA PCP和/或空间位置的准确检测。

Description

电容式触摸传感器系统和方法

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 继续专利申请

[0003] 本申请是发明名称为“TOUCH SENSOR DETECTOR SYSTEM AND METHOD (触摸传感器 检测器系统和方法)”,发明人为Ilya Daniel Rosenberg和John Aaron Zarraga,于2014年 6月25日电子提交给美国专利商标局的序列号为14/314,662,EFS ID19410170,确认号码 8306,案卷JSENS. 00002的美国发明专利申请的继续专利申请,通过参考并入上述专利申请 的内容。

[0004] 发明专利申请

[0005] 根据35U.S.C.§120,本申请要求发明名称为“TOUCH SENSOR DETECTOR SYSTEM AND METHOD (触摸传感器检测器系统和方法)”,发明人为Ilya Daniel Rosenberg和John Aaron Zarraga,于2014年6月25日电子提交给美国专利商标局的序列号为14/314,662,EFS ID19410170,确认号码8306,案卷JSENS.00002的美国发明专利申请的权益。

[0006] 临时专利申请

[0007] 根据35U.S.C.§119,本申请要求发明名称为“INTERPOLATING FORCE SENSING ARRAY (内插力感测阵列)”,发明人为Ilya Daniel Rosenberg,于2013年9月27日电子提交 给美国专利商标局的,序列号为61/928,269,案卷号为P2224.01的美国临时专利申请的权 益,并通过参考并入该专利申请的内容。

[0008] 根据35U.S.C.§119,本申请要求发明名称为“INTERPOLATING FORCE SENSING ARRAY (内插力感测阵列)”,发明人为Ilya Daniel Rosenberg,于2014年1月16日电子提交 给美国专利商标局的,序列号为61/928,269,案卷号为P2224.01的美国临时专利申请的权 益,并通过参考并入该专利申请的内容。

[0009] 根据35U.S.C.§119,本申请要求发明名称为“TACTILE TOUCH SENSOR SYSTEM AND METHOD (触摸触摸传感器系统和方法)”,发明人为Ilya Daniel Rosenberg和John Aaron Zarraga,于2014年7月17日电子提交给美国专利商标局的,序列号为62/025,589,EFS ID 19606351,确认号5185,案卷号为JSENS. 00003的美国临时专利申请的权益,并通过参考并 入该专利申请的内容。

[0010] 版权的部分放弃

[0011] 基于美国和其他国家版权法,本专利申请中的全部材料受到版权保护。从本申请 的第一有效申请日起,该材料作为未发表的材料被保护。

[0012] 但是,在版权所有人不反对任何人对专利文件或专利公开进行摹真复制的范围 内,在此授予对本材料以其在美国专利及商标局存档或记录中所呈现的形式进行复制的许 可,但除此之外,保留其他所有版权权利。

[0013] 关于联邦资助研究或开发

[0014] 不适用

[0015] 参照微缩胶片附录

[0016] 不适用 发明领域

[0017] 本发明通常涉及触摸传感器装置领域。具体的发明的实施例可以特定应用于确定 施加在压敏表面上的力的位置和大小的基于触摸的力感测装置和方法。

[0018] 发明的现有技术和背景

[0019] 在基于触摸的力感测装置领域,已经开发了多触摸传感器,并通常用于将基于触 摸的用户输入添加至包括计算机、平板计算机和类似电子装置的各种通信和计算设备。

[0020] 与力感测装置相关的多触摸压力和力感测是指使用基于触摸的传感器的计算系 统区别并独立追踪实时施加在传感设备上的多个触摸的能力。这种技术使计算设备的操作 员能够利用多手和手指以及其他物体,如尖笔提供输入,并使得多个用户可同时与传感设 备相互作用。

[0021] 现有触摸传感系统的一个问题在于需要精确的确定施加在感测面的力的准确位 置和性质。此外,具有如下市场需求:需要具有用于输入基于触摸的指令以操作计算程序和 应用的更大的触屏区域的更大的装置。同样还需要具有改进的追踪分辨率的小型传感器 (例如用于移动装置的触摸传感器)。因此,在本领域,有动机寻找保持精确性并在制造和操 作上仍然具有经济可行性的触摸感测技术。

[0022] 因此,显然需要一种力感测设备,其采用较少的电子元件,能用于较大空间,并可 以感测在输入操作的多点触摸顺序中的每个触摸施加的力的存在、位置和大小。

[0023] 背景信息

[0024] 创造用于用户界面应用的多点触摸传感器的一个最大的挑战是,大多数的人能够 特别准确地移动,并期待触摸传感器如实地俘获其输入。对于好的用户体验,用于手指交互 的触屏通常需要量级为〇.5_的精度,而利用尖笔的相互作用需要量级为0.1mm的更高的精 度。进一步地,大多数的用户想要更大的装置表面进行交互。这可以通过智能手机尺寸的增 长和具有更大的触摸表面的装置,如平板电脑和触摸显示器的日益普及来证明。

[0025] 进一步地,消费电子装置的复杂性倾向于随着时间增加,而价格逐渐降低,这表明 用于消费电子应用的任何触摸传感器装置必须制造便宜,且必须具有高的性价比。因此,需 要可在大区域非常准确地追踪触摸、并能以合理价格点制造的传感器。最后,用户想要交互 性的额外维度。这种技术不仅提供以合理价格点在大表面上的准确触摸追踪,而且也能测 量每次触摸的力的额外维度,这可增加很多用户界面应用中的交互性和控制水平。

[0026] 现有技术的缺陷

[0027] 以上所述的现有技术具有如下缺点:

[0028] •现有技术的传感器系统需要用于感测阵列的每个行/列的单个列驱动器和行感 测电路。

[0029] •现有技术的传感器系统在扫描感测阵列时消耗显著的动态功率,因为必须驱动 每个列,且感测每个行,以检测感测阵列中的给定列/行交叉点处的压力/存在。

[0030] •现有技术的传感器系统需要显著的电子集成,以支持大区域感测表面。

[0031] •现有技术的传感器系统不能用同一装置感测接触和压力。

[0032] •现有技术的传感器系统需要相对复杂的制造过程,以获得高空间感测分辨率。

[0033] •现有技术的传感器系统通常与标准PCB制造过程和方法不兼容。

[0034] •现有技术的传感器系统不适合建造在非平面版式中。

[0035] •现有技术的传感器系统需要相对复杂的校准程序,以获得精确的传感器定位数 据。

[0036] •现有技术的传感器系统不会在传感器数据和检测的阵列内的空间定位之间产 生线性关系。

[0037] •现有技术的传感器系统由于在构建非矩形传感器时导致的非线性,而不利于非 矩形形状的传感器的设计。

[0038] •现有技术的传感器系统不允许在保持线性的同时,在不同分辨率下扫描传感 器。

[0039] 虽然,一些现有技术可教导这些问题中的几个的解决方案,但是还没有克服现有 技术系统中的核心缺陷。

[0040] 发明的目的

[0041] 因此,本发明的目的是(但不限于)规避现有技术的缺陷,实现以下目的:

[0042] (1)提供触摸传感器检测器系统和方法,其不需要用于感测阵列的每个行/列的单 个列驱动器和行感测电路。

[0043] (2)提供触摸传感器检测器系统和方法,当扫描感测阵列时,其通过减少为了检测 感测阵列中的给定列/行交叉点处的压力/存在而必须被驱动的列数和感测的行数,降低了 动态功率消耗。

[0044] (3)提供触摸传感器检测器系统和方法,其不需要显著的电子设备集成以支撑大 区域感测表面。

[0045] ⑷提供触摸传感器检测器系统和方法,其能用同一装置感测接触和压力。

[0046] (5)提供触摸传感器检测器系统和方法,其不需要相对复杂的制造过程以获得高 空间感测分辨率。

[0047] ⑹提供触摸传感器检测器系统和方法,其与标准PCB制造过程和方法兼容。

[0048] ⑺提供触摸传感器检测器系统和方法,其适合建造在非平面格式中。

[0049] ⑻提供触摸传感器检测器系统和方法,其不需要复杂的校准程序,以获得精确的 传感器定位数据。

[0050] (9)提供触摸传感器检测器系统和方法,其在传感器数据和检测的阵列内的空间 定位之间产生线性关系。

[0051] (10)提供触摸传感器检测器系统和方法,其允许创建非矩形传感器,其在整个传 感器上保持精确性和线性。

[0052] (11)提供触摸传感器检测器系统和方法,其允许在保持完全的精确性和线性的同 时,在不同分辨率下进行扫描。

[0053] 然而,这些目的不应该理解限制本发明的教导,通常在以下部分中讨论的本发明 实现了这些目的中的一部分或全部。本领域技术人员将毫无疑问地能够选择所公开的本发 明各方面,以实现上述目的的任何组合。

发明内容

[0054] 本发明通过以下方式解决了现有技术的几个缺陷。本发明将多组TSA相互连接成 互连的阻抗列(IICs),而不是利用触摸传感器阵列(TSA)中的单独的列驱动器单独驱动TSA 列,以此为用于检测的单个行传感器传输电流。利用在列切换寄存器(CSR)控制下的一些电 子列驱动源(⑶S)中的一个驱动这些IICs。当TSA内部可变阻抗阵列(VIA)检测传感器事件 时,VIA的各个列和行电耦合。该事件使电流能够从IICs传导至VIA内的互连的阻抗行 (IIR)。然后通过行切换寄存器®SR)选择IIRs,并通过模拟-数字转换器(ADC)进行感测。

[0055] 计算机控制装置(CCD)允许利用CSR/RSR状态的不同配置以及⑶S驱动参数连续扫 描TSA。这些扫描使CCD在TSA内部的VIA内收集差分传感器数据,并插入该信息,以收集与当 前TSA状态相关的、更精确的、传感器轮廓的指示。例如,TSA可以配置为在一个分辨率下扫 描,然后利用不同的分辨率再次扫描,以确定与TSA接触的焦点,以及该焦点随时间的移动 和跨过每个TSA扫描的位移。在本文中,当与接下来的扫描经过的焦点作比较时,一个扫描 经过的焦点也可以用于确定行进的向量。该传感器轮廓可以包括作用于TSA表面上的传感 器活动的焦点的准确位置的信息,以及关于存在于TSA表面上或附近的传感器检测的更准 确的指示的其他信息。

[0056] 在本发明更优选的实施例中,本发明可以用于创造低成本、多触摸、高分辨率、力 感测触摸传感器,这些传感器可以通过传统PCB制造方法以及额外的印刷技术制造。本发明 利用内插阵列的概念,其允许高追踪分辨率,而不需要大量驱动和感测线连接至传感器扫 描电子器件(有源线)。通过增加相对于有源驱动和感测线的追踪分辨率,与其他传感器技 术相比,本发明允许提高了传感器性能,同时降低电子器件的复杂性及成本。在此处描述了 所述传感器的几个可能的实施例,以及它如何适用于不同使用情况,如尖笔相互作用和嵌 入显示器下或显示器上。

[0057] 在一个优选内插力感测阵列(IFSA)的实施例中,本发明通过电阻器网络添加至力 感测阵列的输入和输出,来克服现有技术的缺陷,这使得力感测阵列的分辨率从驱动和感 测电路的分辨率中被解耦。该优选实施例以在每个行/列交叉点周围创造了双线性插值核 的方式,电子驱动并感测该传感器。这允许以力感测阵列的分辨率重建接触位置,即使本发 明驱动和感测电路具有特别低的分辨率。有趣地,该驱动和感测电路的分辨率仅对距离(在 该距离处两个不同的触摸对处理算法来说开始看起来像一个触摸)有影响;而对准确度(单 个触摸可被跟踪所需要的准确度)不会有影响。除了插入电阻器网络之外,本发明教导了利 用已知制造技术构造本发明的传感器的几种方法,并展示了驱动电路的实现方式、用于扫 描传感器的算法和用于解释输出的算法。本发明还说明本发明的传感器技术如何可以与其 他感测和显示技术结合。

附图说明

[0058] 为了全面理解本发明的优点,结合附图,参考以下详细说明书,其中:

[0059] 图1展示了优选的示例系统实施例的系统框图;

[0060] 图2展示了优选的示例方法实施例的流程图;

[0061] 图3展示了系统框图,描绘了可变阻抗阵列(VIA)、互连的阻抗列(IIC)和互连的阻 抗行(IIR)的细节;

[0062] 图4展示了系统框图,描绘了CSR、RSR、互连的阻抗列(IIC)和互连的阻抗行(IIR) 的细节;

[0063] 图5展示了优选的示例系统实施例的简化的系统框图;

[0064] 图6展示了优选的示例方法实施例的简化的流程图;

[0005]图7展示了示例非正交VIA配置;

[0066] 图8展示了示例径向和椭圆VIA配置;

[0067] 图9展示了示例电压模式列驱动电路的示意图;

[0068] 图10展示了使用堆叠开关设计的、示例电压模式列驱动电路的示意图;

[0069] 图11展示了使用非堆叠切换设计的、示例电压模式列驱动电路的示意图;

[0070] 图12展示了示例电压模式行切换电路的示意图;

[0071] 图13展示了结合了感测线接地启用逻辑的、示例电压模式行切换电路的示意图;

[0072] 图14展示了示例电流模式列驱动电路的示意图;

[0073] 图15展示了使用堆叠开关设计的、示例电流模式列驱动电路的示意图;

[0074] 图16展示了示例电流模式行切换电路的示意图;

[0075] 图17展示了可用于IIC和/或IIR阻抗元件的、示例可变阻抗装置;

[0076] 图18展示了示例有源可变阻抗阵列(VIA)元件的结构;

[0077] 图19展示了系统框图,描绘了在利用VIA的变频激励和行感测元件中的开关滤波 检测的实施例中的CSR、RSR、互连的阻抗列(IIC)和互连的阻抗行(IIR)的细节;

[0078] 图20展示了描绘变频扫描配置的示例VIA;

[0079]图21展不了 VIA全分辨率扫描配置;

[0080]图22展示了 VIA半分辨率扫描配置;

[0081]图23展不了不例VIA四分之一分辨率扫描配置;

[0082] 图24展示了示例VIA混合分辨率扫描配置;

[0083] 图25展示了使用笔/尖笔输入的本发明优选的示例实施例的系统框图;

[0084] 图26展示了使用笔/尖笔输入的本发明优选的示例实施例的透视图;

[0085] 图27展示了在很多本发明优选的实施例中使用的优选示例的笔/尖笔电路的示意 图;

[0086] 图28展示了在很多本发明优选的实施例中使用的优选示例的笔/尖笔电路的透视 组装图;

[0087] 图29展示了在很多本发明优选的实施例中使用的优选示例的笔/尖笔电路的顶视 图、底视图和侧视图;

[0088] 图30展示了使用笔/尖笔的本发明优选的实施例,并描绘了来自手/手指和笔/尖 笔输入端的输入;

[0089] 图31展示了与图30相关的感测的输入的感测区;

[0090] 图32展示了与图30相关的、分类为压力⑼输入和尖笔⑸输入的感测输入的感测 区;

[0091] 图33展示了典型的IFSA电路,其具有四个有源列电极和五个有源行电极,在每对 有源行电极之间结合有两个内插电极;

[0092] 图34展示了传感器的三个有源行X三个有源列区域中的内插,其中传感器具有位 于每对有源电极之间的两个内插电极(从而具有的N值为2),其中在传感器扫描的某一时 亥Ij,列-3和列+3接地,列0被电压(Vd)驱动,而行-3和+3接地,测量从行0 (Is)流出的电流;

[0093] 图35展示了当利用本发明的驱动方案对如图34所示的传感器元件的7x7阵列扫描 时,其灵敏度分布;

[0094] 图36展示了当利用本发明的驱动方案对如图34所示的传感器元件的7x7阵列扫描 时,其灵敏度分布的3D视图,并描绘了当传感器的元件沿着X和Y轴进一步远离位置(0,0)处 的交叉点时,它们的线性灵敏度衰减;

[0095] 图37展示了示例分流模式力传感器,其中基板表示为条纹,驱动/感测电极分别用 +/_表不,FSM用黑色表不;

[0096] 图38展示了示例双面直通模式力传感器,其中基板表示为条纹,驱动/感测电极分 别用+/_表示,FSM用黑色表示;

[0097] 图39展示了示例单面直通模式力传感器,其中基板表示为条纹,驱动/感测电极分 别用+/_表示,FSM用黑色表示;

[0098] 图40展示了示例夹层直通模式力传感器,其中基板表示为条纹,驱动/感测电极分 别用+/_表示,FSM用黑色表示;

[0099] 图41展示了具有分段的FSM的直通模式传感器的横截面图和俯视图(夹层直通模 式配置),其中在俯视图中,顶层的基板和力感测层(用细点表示)是透明的,以使看到内部 的列电极、FSM和行电极的图案;虚线表示相对于传感器的横截面的位置;力感测材料的垫 片(patch)与行和列的交叉点对齐,从而在每个行列电极的交叉点处创建力感测元件;

[0100] 图42展示了具有FSM涂层的电极的直通模式传感器的横截面图和俯视图,其中在 俯视图中,顶层的基板是透明的,以使看到内部的列电极、FSM和行电极的图案;虚线表示横 截面相对于传感器的位置;行,列,或行列二者都可以用FSM涂覆(创建具有单面或双面直通 式模式配置的传感器);

[0101] 图43展示了具有薄FSM电极的直通模式传感器的横截面图和俯视图,其中在俯视 图中,顶层的基板和力感测层(用细点表示)是透明的,以使看到列电极和里面的行电极的 图案;虚线表示横截面相对于传感器的位置;也可以用图案化的FSM或伪随机图案化的FSM 替代薄FSM,其中所有这些配置都是夹层直通模式配置的变体;

[0102] 图44展示了直通模式传感器顶层的细节,其中该图相对于图41 (4100)-图43 (4300)翻转,以展示电极图案,及如何安装内插电阻器;

[0103] 图45展示了直通模式传感器底层的细节,该图中的层与图41 (4100)-图43 (4300) 中的层处于相同的方位;

[0104] 图46展示了分段的FSM层的细节,其中FSM材料的段展示为黑色,将FSM材料保持在 合适位置的基板是具有细点图案的白色,每个段与单个传感器元件(位于行和列电极的交 叉点)对齐,确保传感器元件之间没有串扰。该FSM层与图41 (4100)所示的FSM层是相同的 FSM层,描绘了 FSM层可用于直通模式传感器配置。这种类型的FSM配置也可以用作任何分流 模式传感器配置中的力感测层;

[0105] 图47展示了薄FSM层的细节,其中FSM材料展示为黑色,其连续并覆盖包含行和列 电极的整个传感器区域。因为该材料是薄的,面内电阻非常高,这减少了传感器元件之间的 串扰的可能性。该FSM层与如图43 (4300)所示的FSM层是相同的,描绘了用于直通模式传感 器配置的FSM层也可以用作任何分流模式传感器配置中的力感测层;

[0106] 图48展示了图案化的FSM层的细节,其中FSM材料的垫片展示为黑色,将FSM材料保 持在合适位置的基板展示为白色。因为图案比单独传感器元件的尺寸小,从而使相邻传感 器元件之间的串扰最小化。这可用于替代图47 (4700)所示的直通模式传感器配置中的薄 FSM层。这种类型的FSM配置也可以用作任何分流模式传感器配置中的力感测层;

[0107] 图49展示了伪随机图案化的FSM层的细节,其中FSM材料的垫片展示为黑色,将FSM 材料保持在合适位置的基板展示为白色。这与图案化的FSM类似,但是使用随机或伪随机图 案,其比图案化的FSM层更容易制造。这可用于替代图48 (4800)所示的直通模式传感器配置 中的薄FSM层。这种类型的FSM配置也可以用作任何分流模式传感器配置中的力感测层;

[0108] 图50展示了分流模式内插阵列传感器的横截面图和俯视图,其包括顶部图案化的 FSM层和承载内插电阻器和行和列电极的底层。在俯视图中,图案化的FSM层被切去,以显示 位于FSM下面的暴露的行和列电极,形成分流模式传感器元件。虚线表示横截面相对于传感 器的位置。位于底层背面的迹线(traces)(在俯视图中不可见)通过过孔(通过圆圈表示)将 暴露的行电极相互连接。位于底层背面的迹线在图52 (5200)中展示地更详细;

[0109] 图51展示了分流模式传感器的横截面图和俯视图,其具有以相互交叉的手指图案 图案化的力传感器元件电极,用于改进灵敏度。该设计中的其他元件与图50 (5000)所示中 的相似;

[0110] 图52展示了如图50 (5000)-图51 (5100)所示的用于传感器的底层的背面的细节。 具有条形图案的区域为用于使行电极相互连接的导体。用圆圈表示的过孔在相对侧连接至 行电极;

[0111] 图53展示了具有双倍宽度行电极焊盘的分流模式传感器的横截面图和俯视图,其 通过在相邻传感器元件之间共用过孔而使所需过孔的数目减半,还增加了每个元件周围的 空间,这有助于制造。该设计中的其他元件与图50 (5000)所示中的相似。位于底层背面的迹 线在图55 (5500)中展示地更详细;

[0112] 图54展示了具有双倍宽度行电极焊盘和相互交叉的手指行电极图案的分流模式 传感器的横截面图和俯视图。这种设计与之前的设计具有相同的制造优点,相互交叉的手 指图案与如图51 (5100)所示的类似,并用于改进灵敏度。该设计中的其他元件与图51 (5100)所示的相似。位于底层背面的迹线在图55 (5500)中展示地更详细;

[0113] 图55展示了如图53 (5300)-图54 (5400)所示的传感器的底层的背面的细节。具有 条形图案的区域为用于使行电极相互连接的导体。用圆圈表示的过孔在相对侧连接至行电 极;

[01M]图56展示了具有菱形行和列电极图案的分流模式传感器的横截面图和俯视图。该 图案用于使每个行/列交叉点周围的灵敏度分布更对称。当创建过孔时,它还可以通过减少 所需精确度来改进可制造性。该设计中的其他元件与图50 (5000)所示中的相似。位于底层 背面的迹线在图57 (5700)中展示地更详细;

[0115] 图57展示了如图56 (5600)所示的用于传感器的底层的背面的细节。具有条形图案 的区域为用于使行电极相互连接的导体。用圆圈表示的过孔在相对侧连接至行电极;

[0116] 图58展示了在中心具有孔的、分流模式椭圆形传感器的横截面图和俯视图。移除 FSM层,以暴露行和列电极的图案。圆圈表示过孔,其与如图60 (6000)所示的底部导体图案 相互连接;

[0117] 图59展示了用于如图58 (5800)所示的椭圆形传感器的FSM层的设计。该设计展示 了分段的FSM传感器图案,但是也可以使用其他类型的FSM图案,包括如图47 (4700)-图49 (4900)所示的FSM图案;

[0118] 图60展示了如图58 (5800)所示的椭圆形传感器的底层的背面的细节。具有条形图 案的区域为用于使行电极相互连接的导体。用圆圈表示的过孔在相对侧连接至行电极;

[0119] 图61展示了具有桥的菱形图案的分流模式IFSA。这种图案可以通过创建行和列的 图案而创建(列为连续的,但是行图案有中断)(6101);将绝缘材料沉积在列在行之间行进 的区域(6102);并沉积导电材料的垫片,其桥接属于每个行的焊盘,而不会与列(6103)电连 接;

[0120] 图62展示了设计有切口和弯曲线的IFSA传感器如何弯曲成复杂形状。在该实施例 中,左边的图案可弯曲形成如右边所示的用于机器人指尖的传感器;

[0121] 图63展示了可能的IFSA传感器层叠结构的四种横截面图;

[0122] 图64展示了包括显示器的IFSA的可能的传感器层叠结构的四种横截面图;

[0123] 图65展示了用于平板电脑外形界面应用环境的本发明优选的示例实施例的右上 前透视图;

[0124] 图66展示了用于平板电脑界面应用环境的本发明优选的示例实施例的右上后透 视组装图;

[0125] 图67展示了用于平板电脑界面应用环境的本发明优选的示例实施例的基本部件 的右上前透视图;

[0126] 图68展示了用于平板电脑界面应用环境的本发明优选的示例实施例的PCB/电池 部件的右上前透视图;

[0127] 图69展示了用于平板电脑界面应用环境的本发明优选的示例实施例的PCB/电池 部件的俯视图;

[0128] 图70展示了用于平板电脑界面应用环境的本发明优选的示例实施例的压力膜部 件的右上前透视图;

[0129] 图71展示了用于平板电脑界面应用环境的本发明优选的示例实施例的覆盖部件 的右上前透视图;

[0130] 图72展示了用于平板电脑界面应用环境的本发明优选的示例实施例的面板部件 的右上前透视图;

[0131] 图73展示了用于平板电脑界面应用环境的本发明优选的示例实施例的前面横截 面图;

[0132] 图74展示了用于平板电脑界面应用环境的本发明优选的示例实施例的USB连接器 的细节透视图;

[0133] 图75展示了用于平板电脑界面应用环境的本发明优选的示例实施例的细节透视 侧横截面图;

[0134] 图76展示了用于平板电脑界面应用环境的本发明优选的示例实施例的侧横截面 图;

[0135] 图77展示了本发明的压敏触控板实施例的示例系统框图示意图;

[0136] 图78展示了本发明的压敏触控板实施例的示例性顶部铜布局;

[0137]图79展不了本发明的压敏触控板实施例的不例性底部铜布局;

[0138]图80展不了本发明的压敏触控板实施例的不例性底部铜布局的例子;

[0139] 图81展示了使用具有桥的单面菱形图案的本发明的电容式传感器布局的示例实 施例的俯视图;

[0140] 图82展示了使用具有桥的单面菱形图案的本发明的电容式传感器布局的示例实 施例的截面图;

[0M1]图83展示了使用具有直的行和列的双面图案的本发明的电容式传感器布局的示 例实施例的俯视图;

[0M2]图84展示了使用具有直的行和列的双面图案的本发明的电容式传感器布局的示 例实施例的截面图;

[0143]图85展示了与饮水杯接触、以产生压力分布图(pressure profile)的示例触摸传 感器平板电脑;

[0144] 图86展示了通过扫描TSA,由C⑶获得TSM数据,以及检测的相关压力区;

[0145] 图87展示了由VIA中的单独力感测元件看见的力的近似重建,其通过进行TSM以及 检测的相关压力区的上采样操作获得;

[0M6]图88展示了基于TSM数据,由CXD计算的示例单独检测的椭圆数据;

[0M7]图89展示了与画笔接触以产生压力分布图的示例触摸传感器平板电脑;

[0148] 图90展示了通过扫描TSA由C⑶获得TSM数据的压力分布图;

[0149] 图91展示了基于该压力分布图检测的相关压力区;

[0150] 图92展示了基于TSM数据,由CCD计算的示例各检测椭圆数据;

[0151] 图93展示了一种内插电容式触摸传感器系统,其将来自单个有源驱动电极的单个 频率传输至单个有源接收电极;

[0152] 图94展示了一种内插电容式触摸传感器系统,其将来自单个有源驱动电极的单个 频率传输至多个有源接收电极;

[0153] 图95展示了一种内插电容式触摸传感器系统,其将来自多个有源驱动电极的多个 频率传输至多个有源接收电极;

[0154] 图96展示了一种内插电容式触摸传感器系统,其将来自单个有源驱动电极的单个 频率传输至接收尖笔;

[0155] 图97展示了一种内插电容式触摸传感器系统,其接收来自有源接收电极上的传输 尖笔的单个频率;

[0156] 图98展示了一种内插电容式触摸传感器系统,其将来自双向尖笔的单个频率传输 至单个有源双向电极;

[0157] 图99展示了一种将内插电容式触摸传感器系统与内插电阻器式触摸传感器系统 组合的传感器;

[0158] 图100展示了利用PffM模块和模拟开关产生方波传输信号的电路;

[0159] 图101展示了利用PffM模块和比较器产生方波传输信号的电路;

[0160] 图102展示了利用相位移振荡器、电压跟随器和模拟开关,产生正弦波传输信号的 电路;

[0161] 图103展示了利用正弦波查找表、DAC、过滤器和放大器产生正弦波传输信号的电 路;

[0162] 图104展示了将接收的AC信号转化为ADC能够读取的DC信号的电路,其中DC值与AC 信号的接收强度对应;

[0163] 图105展示了俘获包括多个频率的AC波形的电路;

[0164] 图106展示了利用俘获的波形上的FFT确定信号的频率组成;

[0165] 图107展示了层叠结构,其通过使用粘合至柔性顶层下面的导电膜和变形中间层, 将力灵敏度添加到内插电容式触摸传感器;

[0166] 图108展示了层叠结构,其在显示器顶部添加内插电容式触摸传感器,显示器下面 可选地具有EMR传感器;

[0167] 图109展示了具有4毫米电极和图案间距的标准电容式触摸传感器配置的非线性 追踪;

[0168] 图110展示了具有4毫米电极和图案间距的标准电容式触摸传感器配置的横截面 (具有可见电力线);

[0169] 图111展示了具有4毫米有源电极间距和1毫米图案间距的内插电容式触摸传感器 配置的改进的传感器线性;

[0170] 图112展示了具有4毫米有源电极间距和1毫米图案间距的内插电容式触摸传感器 配置的改进的横截面(具有可见电力线);

[0171] 图113展示了标准的现有电容式触摸传感器分辨率的响应;

[0172] 图114展示了内插电容式触摸传感器分辨率的响应;

[0173] 图115展示了内插电容式触摸传感器分辨率的上采样输出;

[0174] 图116展示了描述用于内插电容式触摸传感器的扫描方法的流程图;

[0175] 图117展示了描述用于包含如图93所示的结构的内插电容式触摸传感器系统的扫 描方法的子例程的流程图;

[0176] 图118展示了描述用于包含如图95所示的结构的内插电容式触摸传感器系统的扫 描方法的子例程的流程图;

[0177] 图119展示了描述用于具有有源尖笔的内插电容式触摸传感器的扫描方法的流程 图;

[0178] 图120展示了描述用于包含如图96所示的结构的、具有有源尖笔的内插电容式触 摸传感器的扫描方法的子例程的流程图;

[0179] 图121展示了描述用于包含如图97所示的结构的、具有有源尖笔的内插电容式触 摸传感器的扫描方法的子例程的流程图;

[0180] 图122展示了描述用于包含如图99所示的结构的传感器的扫描方法的流程图;

[0181] 图123展示了描述用于扫描包含如图99所述的结构的传感器的可替代的扫描方法 的流程图;

[0182] 图124展示了在每个有源行和列电极处,与内插电容式传感器相互作用的有源电 容式尖笔的测量信号;和

[0183] 图125展示了当使用能够进行电容和力敏触摸感测的传感器时,用于给定接触的 可能的检测状态的矩阵。

[0184] 本发明的优选示例性实施例的描述

[0185] 虽然本发明容许很多不同的形式的实施例,但是附图中展示了本发明详细的优选 实施例,应该理解的是本公开是本发明原理的示例,而并不旨在将本发明的广泛方面限制 于所示实施例。

[0186] 具体参考呈现的优选实施例,描述本申请的很多创新性的教导,其中这些创新性 的教导有利地应用至触摸传感器检测器系统和方法的具体问题。但是,应该理解的是,该实 施例仅是此处创新性教导的很多有利用途的一个例子。通常,本申请说明书中作出的陈述 不必然限制各种要求保护的发明。此外,一些陈述可能适用于一些发明特征,但不适用于其 他发明特征。

[0187] 不限制IIC/IIR级数

[0188] 本发明可以使用互连的阻抗列(IIC)和互连的阻抗行(IIR)的各种不同的配置。在 很多优选实施例中,将有两个或更多IICs和两个或更多IIRs,因此允许通过两个或多个列 和行方向中的因素降低VIA外部访问列和行的数目。但是,一些优选发明实施例可以在一个 或多个列/行中使用单个列间阻抗元件或单个行间阻抗元件。因此,术语IIC和IIR包括VIA 的仅一个维度结合有互连的阻抗元件的情况。

[0189] 不限制列驱动源(CDS)

[0190] 本发明可使用各种源来驱动VIA传感器列,包括但不限于:DC电压源、AC电压源、任 意波形发生器(AWG)电压源、DC电流源、AC电流源和任意波形发生器(AWG)电流源。注意到, 在上下文中使用的AWG源可以包括可通过电子领域公知的传统波形生成技术动态地界定/ 生成的各种信号波形。

[0191] 不限制CSR/RSR源/阱

[0192] 本发明可以使用在列切换寄存器(CSR)和行切换寄存器(RSR)内的各种电源和电 讲(electrical sinks),以配置VIA的激励和/或感测。在上下文中,本发明预计采用选自由 以下组成的组中的CSR源:开路、零电势电压源、由CSR界定的电压源、由CSR界定的电流源、 自CDS导出的电压、或自CDS导出的电流。在上下文中,本发明预计使用选自由以下项组成的 组中的RSR讲:开路、零电势电压源、由RSR界定的电压源、由RSR界定的电流讲、或向ADC的输 入。

[0193] 不限制IIC/IIR电阻器

[0194] 在此处描述的示例IIC和IIR功能中描述的电阻器可以是固定电阻器(可能有各种 值)和/或可以包括可变电阻器,其在一些情况下可基于CSR和/或RSR进行配置。在上下文 中,可以认为所述电阻器是一般阻抗的一个可能的例子,其可以包括电阻、电容和/或电感 的任意组合。在所要求保护的发明的范围不损失一般性的前提下,其他类型的阻抗元件,如 电容或电感元件,有源元件(或有源电路),以及其组合可以替代所描述的电阻器。因此,在 IIC和IIR电路的上下文中,可以使用任何形式的阻抗替代所示电阻器元件,且可以包括可 变阻抗元件和其他半导体装置,可变阻抗元件包括有源部件,如Mosul's。

[0195] 不限制列间/行间阻抗计数

[0196] 本发明在VIA内使用列间阻抗和行间阻抗,结合列间内插和行间内插来实现触摸 传感器检测器系统和方法。每列和每行之间阻抗的数目通常配置为两个或多个,但是在更 多情况下,可以通过访问串联IIC和IIR阻抗串内的内部节点,直接映射VIA,以获得所有VIA 列/行的常规扫描。

[0197] 不限制行/列

[0198] 当描述其中触摸传感器阵列(TSA)被配置为常规可变阻抗传感器(VIA)阵列的典 型配置时,本发明将按照行/列进行讨论。但是,在不脱离所要求保护的发明的总体精神和 范围的前提下,在本发明的很多实施例中,术语“行”和“列”可以互换。

[0199] 不限制传感器阵列的几何形状

[0200] 本发明预期可以根据应用环境而使用各种传感器阵列的几何形状。虽然在本发明 的一些优选实施例中,可变阻抗元件的矩形结构阵列是有利的,但是也预期了可以使用其 他几何形状,包括多边形、圆形、椭圆和其它平面和非平面形状。在传感器几何形状的广泛 范围内,预期了公开的技术能在二维和三维形状的应用。

[0201] 不限制传感器VIA填装

[0202] 本发明预期在一些应用,VIA传感器阵列可以部分地填装为使传感器元件仅存在 于整个VIA结构的子集中。例如,预期了传感器配置,其中VIA进一步包括通过位于物理列和 物理行的交叉点处的压敏传感器元件,电耦合至物理行的物理列,其中压敏传感器元件仅 存在于交叉点的子集中,以形成成形的传感器阵列。这允许减少整体上VIA传感器的制造, 创造定制传感器应用和形状/物理配置(在一些情况下,物理配置在整个VIA阵列中可具有 不同程度的传感器密度)的可能性。

[0203] 不限制ADC

[0204] 本发明在很多优选实施例中说明了模拟-数字转换器(ADC)的使用。在一些实施例 中,ADC可以是电压模式转换器,在其他实施例中可以是电流模式转换器。进一步地,一些优 选的ADC实施例可以包括频率检测/滤波,以在模拟-数字转换过程中辨别频率。

[0205] 不限制传感器元件

[0206] 本发明还可以用于各种可变阻抗阵列(VIA)触摸传感器技术,例如压力传感器、电 容传感器、光学传感器、光敏传感器、和基于RF的传感器技术。在一些情况下,这些技术可以 结合,以形成混合传感器系统。在一些情况下,传感器阵列可以检测不必接触VIA传感器的 感测表面的近场事件。在上下文中,各感测元件也可以指本申请中的“传感器元件”。

[0207] 不限制后处理

[0208] 在很多优选实施例中,本发明产生代表从VIA中收集的信息的触摸传感器矩阵 (TSM)。该TSM数据结构可以通过计算控制装置(CCD)传输给数字数据处理器(DDP),或者由 C⑶在本地处理,以进行多种应用特定功能。

[0209] 不限制TSM的收集/处理

[0210] 可以以整体方式或在一些情况下可以以零星方式收集和/或处理代表从VIA收集 的信息的触摸传感器矩阵(TSM)。这可以在如下情况下发生(例如),扫描触摸传感器检测器 的区域,且从感兴趣的部分区域收集并处理VIA信息。类似地,该部分信息可以通过计算控 制装置(CCD)传输至数字数据处理器(DDP),或者由CCD在本地处理,以执行与检测器的部分 扫描区相关的多种应用-特定功能。因此,TSM的任何传输和处理假设也可以预期矩阵的部 分转移或处理。

[0211] 概念性概述

[0212] 本发明涉及多触点触摸传感器领域,通常用于将触摸输入添加至计算机、平板电 脑和其他电子装置。多触点感测指的是触摸传感器分辨并独立追踪多个接触的能力,这使 用户同时利用多个手、手指或其他物体(例如尖笔)进行交互,且使多个用户同时与传感器 交互。虽然很多触摸感测技术仅允许确定接触的存在/不存在及其位置,但是本发明的技术 具有确定施加至每个触摸点上的力的量的能力。

[0213] 本发明还涉及压敏阵列领域,压敏阵列经常用于工业和医疗应用,以测量区域上 的压力分布并检测压力的变化,包括压力分布的接触区、峰值和最小值。

[0214]可操作目标

[0215]在传统触摸传感器阵列的背景中,可变阻抗阵列(VIA)在特定分辨率(在传感器元 件的分辨率下)下感测接触。如果VIA的每个行和列分别被单独连接至驱动/感测电子器件, 这是可能的数据的最高的分辨率。在本发明的背景中,内插块(互连的阻抗列(IIC)和互连 的阻抗行(IIR))使VIA传感器在低分辨率下被扫描。因为IIC和IIR的配置,传感器硬件可合 适地对VIA中的信号(线性形式)进行下采样。结果,在从VIA传感器数据中提取的低分辨率 阵列(触摸传感器矩阵(TSM)数据结构)中的扫描值与线性下采样的传感器响应的扫描值类 似。这种下采样允许在软件中,在VIA的分辨率下(甚至可能是比VIA更高的分辨率)重建接 触的位置、力、形状和其他特征。

[0216] 例如,在由节距为1.25mm的177列电极和97行电极构建的VIA传感器阵列上,理论 上能够创建具有177列驱动线和97行感测线的电子器件,以支持整个VIA的感测。但是,这在 成本方面是昂贵的,且将难以以节省空间的方式在传统印刷电路板(PCB)上路由如此之多 的行和感测线。此外,该177 X 97VIA传感器配置将需要扫描177 X 97 = 17169个交叉点,这利 用低功率微控制器(例如ARM M3)将导致约IOhz (这对于用触屏交互的一般用户而言太慢) 的最大扫描率。最后,假设16位ADC值,这些触屏值的存储需要用于单帧的17169 X 2 = 34KB 的存储器,对于仅可配置有32KB的RAM的小型微控制器具有过多的内存要求。因此,在本文 中使用传统行/列触摸传感器需要更强大的处理器和更多RAM,这将使得该方案过于昂贵和 复杂,在消费电子应用中并不实用。

[0217]本发明的要点在于,该系统配置为在低分辨率下扫描,同时将信号的精确性和品 质保持为如同在177 X 97扫描的一样,而不是在全177 X 97分辨率下扫描如上所述的典型传 感器阵列。为了继续讨论如上例子的传感器阵列,用于该传感器阵列的典型的本发明实施 例的驱动电子器件将需要仅45列驱动器和25个行驱动器。内插电路使该系统仅使用45 X 25 电子器件的补充电路来扫描177X97阵列。这将必须扫描的交叉点的数目以因子16减少至 45X25 = 1125。这种配置使得在150Hz下扫描传感器,并降低了 RAM受限的微控制器应用背 景下的存储消耗。虽然丧失了分辨总共是1.25mm的两个接触的能力(或者在每个单独的传 感器元件中确切看到发生了什么),但是由于利用IIC和IIR进行的行/列插入的线性,仍然 可能以VIA的全分辨率进行追踪接触。

[0218]系统概述

[0219] 图1(0100)中描述了在典型应用环境中的优选的示例系统的实施例的全视图,其 中用户(0101)与结合计算机(通常由移动或非移动计算装置构成,本文中统称数字数据处 理器(DDP)) (0103)的图形用户界面(GUI) (0102)交互,计算机执行从计算机可用介质 (0104)处读取的机器指令。在本申请中,优选的示例触摸传感器检测器(0110)系统的实施 例结合包括可变阻抗阵列(VIA) (0112)的触摸传感器阵列(0111)。

[0220] VIA (0112)可以使用电阻或电容阵列,其由可传统正交方向设置的传感器元件的 行和列构成,或者在一些情况下,VIA (0112)可以配置为,其中行/列彼此不正交(如图7 (0700)所示的实施例)JIA (0112)在其边缘处具有互连的阻抗列(IIC) (0113)和互连的阻 抗行(IIR) (0114),其可以配置为电连接、刺激、或感测各种连接配置中的两个或多个列/行 (通过(IIC) (0113)和(IIR) (0114)中的内部电气行/列节点)。

[0221] 通过阵列列驱动器(ACD) (0115)和阵列行传感器(ARS) (0116)控制IIC (0113)和 IIR(OlH) JCD (0115)负责选择IIC (0113)的配置,用于驱动IIC (0113)的电源,和在IIC (0113) 内电驱动列的选择。ARS(0116)负责选择IIR(0114)的配置,连接至IIR(OlH)的电 阱,和在IIR (0114)内电感测的行的选择。利用驱动/感测控制电路(0117)控制ACD (0115)和 ARS (0116),该驱动/感测控制电路(0117)可以包括各个列切换寄存器(CSR)和行切换寄存 器(RSR),以及用于通过ACD (0115)驱动IIC (0113)的数字-模拟转换器(DAC),和/或用于通 过ARS (0116)感测配置的IIR (0114)的状态的模拟-数字转换器(ADC)。

[0222] 可以通过驱动/感测控制电路(0117)将从ARS (0116)读取的模拟信号的感测结果 转换为数字,并提供给数字接口(0118),用于传输至计算系统(0103),并通过在计算机 (0103)中运行的应用程序软件背景中操作系统软件进行解释。在该系统的背景中预期各种 计算机系统(0103)和相关应用。

[0223] 所述系统与现有技术在通过ACD (0115)和ARS (0116)确定的IIC (0113)和IIR (0114) 的配置方面不同,允许VIA (0112)感测元件与复杂性较低的电子器件接口连接(更少 的列驱动器和更少的行传感器),同时仍提供与VIA (0112)中存在的物理行/列间距相当的 空间粒度。在驱动/感测控制电路(0117)中,通过操作IIC(0113)和IIR(OlH)的配置并使用 合适的软件,VIA (0112)感测元件可以通过较简略的硬件接口被内插,该较简略的硬件接口 不需要用于在VIA (0112)中支持各行和列的有源电路。这种内插能力是IIC (0113)和IIR (0114)的各种硬件配置与驱动/感测控制电路(0117)中的可用于细化通过ARS (0116)手机 的原始数据的各种软件技术的结合。

[0224] 在上下文中,预期了电驱动VIA (0112)列和感测VIA (0112)行的各种方法,包括DC 和AC信令以及同时使用电压模式和电流模式驱动/感测方法。

[0225] 方法概述(0200)

[0226] 图2 (0200)的流程图概括地描述了本发明的示例方法,包括如下步骤:

[0227] (1)在可变阻抗阵列(VIA)中配置互连的阻抗列(IIC) (0201);

[0228] (2)在VIA中配置互连的阻抗行(IIR) (0202);

[0229] (3)利用列驱动电性源(CDS)电激励IIC (0203);

[0230] ⑷利用ADC感测IIR中的电响应,并将其转化成数字格式(0204);

[0231] (5)将IIR转化的数字格式响应存储于触摸传感器矩阵(TSM)数据结构中(0205);

[0232] (6)确定CDR/IIC/IIR的预定变化是否已经记录到所述TSM内,如果是,进行步骤 (8) (0206);

[0233] ⑺为下一个VIA感测变体重新配置CDS/IIC/IIR,并进行步骤⑶(0207);

[0234] ⑻内插TSM值,以确定VIA (0208)内的活动焦点;

[0235] ⑼将焦点活动信息转化为用户界面输入命令序列(0209);和

[0236] (10)将用户界面输入命令序列传输至用于操作的计算机系统,并进入步骤(1) (0210) 〇

[0237] 可根据大量因素修改该一般方法,包括由本发明的范围预期的步骤的重新布置 和/或添加/删除。本发明的整体范围预期了这个方法和其他优选示例实施例方法与文中描 述的各种优选的示例实施例系统的结合。

[0238] VIA/IIC/IIR细节(0300)

[0239] 图3 (0300)概括地描述了可变阻抗阵列(VIA) (0310)、互连的阻抗列(IIC) (0320) 和互连的阻抗行(IIR) (0330)的其他细节。此处,VIA (0310)包括阵列的列(0312)和行 (0313),其中单独的可变阻抗阵列元件(0319)可以在阵列的行/列交叉点内相互连接。基于 应用背景,这些独立的可变阻抗阵列元件(0319)可以包括有源和/或无源元件,并包括电阻 式、电容式和电感式元件的任意组合。因此,VIA (0310)阵列阻抗元件(0319)在图中概括地 描述为广义的阻抗值Z。

[0240] 应该注意的是,物理VIA列(0312)和VIA行(0313)分别通过互连的阻抗列(IIC) (0320)和互连的阻抗行(IIR) (0330)连接在一起。IIC (0320)和(IIR) (0330)配置为减少连 接至列驱动源(0321、0323、0325)和行感测阱(0331、0333、0335)的列和行的数目。这样,11〇 (0320)和(IIR) (0330)的组合将减少接口至VIA列(0312)和VIA行(0313)所需的外部部件。 在本发明的的范围内,11(:(0320)互连的数目将配置为允许列驱动源(0321、0323、0325)数 目的减少小于物理VIA列(0312)的数目(从而外部IIC列的数目通常小于内部IIC列的数 目),且IIR(0330)互连将配置为允许行感测阱(0331、0333、0335)数目的减少小于物理VIA 行(0313)的数目(从而外部IIR行的数目通常小于IIR行的数目)。这种减少通过在每个VIA 物理列(0312)之间具有一个或多个串联的IIC (0320)元件(0329),在每个VIA物理行(0313) 之间具有一个或多个IIR (0330)元件(0339)来实现。因此,XX Y VIA传感器(0310)被转换为 仅需要P个列驱动器和Q个行传感器的电接口。本发明约束:

[0241] P 彡X (1)

[0242] 和

[0243] Q彡 Y (2)

[0244] 很多优选实施例满足关系式:

Figure CN105900046BD00271

[0248] 注意到,在这些优选实施例的上下文中,可能存在IIC可以结合多个互连的阻抗, IIR结合单个互连的阻抗元件的情况,以及IIC可以结合单个互连的阻抗元件,而IIR结合多 个互连的阻抗元件的情况。

[0249] IIC (0320)阻抗元件(0329)可配置为连接单独的VIA列(0312)。基于应用背景,这 些IIC (0320)阻抗元件(0329)可以包括有源和/或无源元件,并包括电阻式、电容式和电感 式部件的任意组合。因此,IIC (0320)阻抗元件(0329)在图中概括地描述为广义的阻抗值X。 如图所示,各VIA列可以利用各列驱动源(0321、0323、0325)直接驱动,或者被插入(0322、 0324)这些直接驱动列之间。

[0250] IIR (0330)阻抗元件(0339)可配置为连接各VIA行(0313)。基于应用背景,这些IIR (0330)阻抗元件(0339)可以包括有源和/或无源元件,并包括电阻式、电容式和电感式元件 的任意组合。因此,IIR(0330)阻抗元件(0339)在图中概括地描述为广义的阻抗值Y。如图所 示,单独VIA行可以利用单独行感测阱(0331、0333、0335)直接感测,或者被插入(0332、 0334)这些直接感测行之间。

[0251] 列驱动源(0321、0323、0325)在图中概括地展示为独立的,但是在一些配置中也可 以结合使用被列切换寄存器(CSR)控制的一系列开关,列切换寄存器(CSR)界定电耦合至可 从外部访问VIA传感器(0310)的每列的列驱动源的类型。各种AC/DC励磁、电压源、开路、电 流源和其他电源驱动器组合可用作列驱动源(〇321、0323、0325)的切换配置。CSR可配置为 选择施加至VIA传感器(0310)的电源类型,以及其相对振幅/幅值。

[0252] 行感测阱(0331、0333、0335)在图中概括地展示为独立的,但是在一些配置中也可 以结合使用被行切换寄存器(RSR)控制的一系列开关,行切换寄存器(RSR)界定电耦合至从 外部访问VIA传感器(0310)的每行的行感测阱的类型。各种AC/DC励磁、电压源、开路、电流 源和其他电感测阱组合可用作行感测阱(〇331、0333、0335)的切换配置。RSR可配置为选择 施加至VIA传感器(0310)的电阱类型,以及其相对振幅/幅值。

[0253] 列/行切换逻辑(0400)

[0254] 图4 (0400)描述了CSR和RSR列/行源/阱操作的进一步的细节,其中VIA (0410)分别 通过使用IIC (0412)和IIR (0413)阻抗网络连接至列驱动源(0421、0423、0425)和行感测阱 (0431、0433、0435)。列切换寄存器(CSR) (0420)可以包括一组锁存器或其他存储器元件,以 配置开关,控制与每个列驱动源(〇421、0423、0425)相关的源驱动的类型、驱动源的振幅/幅 度、以及驱动源是否被激活。类似地,行切换寄存器(RSR) (0430)可以包括一组锁存器或其 他存储器元件,以配置开关,该开关控制与每个行感测阱(0431、0433、0435)相关的感测阱 的类型、阱的振幅/幅值、以及阱是否被激活。

[0255] 如前所述,IIC (0412)和IIR (0413)阻抗网络可以包括各种阻抗,其分别可以是静 止的,或通过CSR (0420)和RSR (0430)的配置积极参与。因此,在一些优选实施例中,CSR (0420)和RSR (0430)可配置为不仅激励/感测VIA (0410)的行为,还通过重新配置内部列互 连和内部行互连来内部配置VIA (0410)的互连性能。所有的这种行为可以凭借控制逻辑 (0440)动态地确定,控制逻辑(0440)可以包括微控制器或执行从计算机可读介质(0444)中 读取的机器命令的其他计算装置。在上下文中,可以通过CSR (0420)和/或RSR (0430)的配 置,以及控制逻辑(0440)部分地控制模拟-数字(ADC)转换器(0450)的行为。例如,基于CSR (0420)和/或RSR (0430)的配置,ADC (0450)可配置为用于特定操作模式,其与CSR (0420) / RSR (0430)设置相关的感测类型兼容。

[0256] 简化的系统实施例(0500)

[0257] 图1 (0100)-4 (0400)所描述的广义概念也可以简化成如图5 (0500)所示的一些系 统设计。此处,VIA传感器(0510)描绘为,其中互连的阻抗列(0520)形成对包括VIA传感器阵 列(0510)的物理VIA传感器列(0512)的减少的电气接口。类似地,互连的阻抗行(0530)形成 对包括VIA传感器阵列(0510)的物理VIA传感器行(0513)的减少的电气接口。注意到,在这 个实施例中,物理VIA列(0512)的数目不需要与物理VIA行(0513)的数目相同。进一步地,串 联连接VIA (0510)的每个列的列内插阻抗元件⑵的数目不必等于串联连接VIA (0510)的每 个行的行内插阻抗元件⑺的数目。换句话说,内插列(〇522、0524)的数目不必等于内插行 (0532、0534)的数目。

[0258] 控制逻辑(0540)提供信息来控制列开关(0521、0523、0525)状态和行开关(0531、 0533、0535)状态。列开关(0521、0523、0525)界定各VIA列是否接地或被驱动到来自电压源 (0527)的电压电位,在一些情况下,可通过控制逻辑(0540)调节该电压电位,以允许可用于 补偿驱动电子器件中电势的非线性的实时调节(0541)。类似地,行开关(0531、0533、0535) 界定各VIA行是否被接地或电耦合至信号调节器(0560)和相关联的ADC (0550)。

[0259] 在如图5 (0500)所示的配置中,VIA传感器(0510) —致包括位于每个列之间的两个 内插阻抗(X),和位于每个行之间的三个内插阻抗⑺。这说明在给定VIA中,内插列的数目 不必等于内插行的数目。进一步地,应该注意的是,在整个VIA上,内插列的数目不必均一, 内插行的数目也不必均一。每个参数都可以在整个VIA上改变数目。

[0260] 还注意到,VIA传感器(0510)在行和列内插阻抗上不必具有一致性,且在一些情况 下,可以使用MOSFETs或其他跨导器动态地界定阻抗的数目和/或值。在该示例VIA传感器段 中,可以看出阵列中的一个列(0523)被有源地驱动,而其余两列(0521、0525)保持在接地电 位。行配置为,使信号调节器(0560) /ADC组合(0550)感测一个行(0533),而剩余的行(0531、 0535)保持在接地电位。

[0261] 简化的方法(0600)

[0262] 图6 (0600)描绘了与图5 (0500)的简化的图相关的方法。此处,列驱动器、列源和行 阱进行如图5所描绘的简化,整个方法的复杂性相应减小。图6 (0600)概括地描述了本发明 简化的示例方法的流程图,包括以下步骤:

[0263] (1)控制逻辑一次驱动一个有源列电极(0601),而将所有其他有源列电极接地 (0602) 〇

[0264] (2)对于每个供电驱动电极,控制逻辑一次将一个感测电极连接至调节电路 (0603),而将所有其他有源行电极接地(0604)。这创造了多个可能的电流路径,该电流路径 流过供电驱动电极和连接至调节电路的感测电极的交叉点附近的力感测元件。施加至传感 器的力创造了一个信号,该信号与该力及力与交叉点的距离成正比。

[0265] (3)信号穿过调节电路,该调节电路可以进行电流至电压的转换(0605)、可选地进 行滤波、和/或放大,并产生模拟输出信号(0606)。

[0266] (4) ADC将从信号调节电路中输出的信号转化成数字值,并将其存储于存储器中的 阵列中(0607)。对有源行和有源列电极之间的每个交叉点重复上述步骤(步骤(0601)-(0607)) (0608)。

[0267] (5)扫描完全部传感器之后,控制电路可以选择性地处理存储器内的阵列,以进一 步过滤该信号、将信号归一化为已知的单元、提取如触摸特征、并随着时间推移追踪触摸 (0609) 〇

[0268] (6)控制电路可以与外部部件交互,以交换数据。还可以选择改变扫描参数,以优 化后续扫描的功率、速度或延迟。还可以响应用户要求或决定在扫描之间关机或休眠 (0610) 〇

[0269] 可根据大量因素修改该一般方法,本发明的范围预期了步骤的重新布置和/或添 加/删除。本发明的整体范围预期了这个方法和其他优选示例实施例方法与文中描述的各 种优选的示例实施例系统的结合。

[0270] 示例的非正交VIA (0700)

[0271] 如图7 (0700)所示,在一些优选实施例中,VIA可以配置为非正交配置,不会损失本 发明教导的一般性。该图展示了一般概念,各种VIA传感器元件布局都可能使用本发明的技 术,从而本文中教导的内插技术不限于特定VIA布局或坐标系统。

[0272] 示例的径向/椭圆VIA (0800)

[0273] 如图8 (0800)所示,在一些实施例中,VIA可以配置为径向配置,不会损失本发明教 导的一般性。虽然所示径向配置是相对于VIA的原点圆形对称的,但是所示的一些优选发明 实施例可以通过拉伸/收缩/旋转VIA阵列的一个或多个轴,将其配置为椭圆阵列。

[0274] 示例的电压模式列驱动电路(0900) - (1100)

[0275] 虽然列驱动电路可以采用与本发明的教导一致的各种形式,但是图9 (0900)展示 了一种示例形式。此处,有源列信号(0910)被呈现给反相器链(0901、0902),然后通过传输 门(0903)将三态连接提供到IIC列驱动信号(0920),其连接至VIA中的IIC内插结构。传输门 (0903)设计为,当使能开关信号(0930)激活时,将反相器链(0902)的输出主动耦合至IIC列 驱动(0920)。三态反相器(0904)提供必要的信号倒相,以确保传输门(0903)能够双向电流 流动。注意到,列驱动电压(0940)可能与供给至所示反相器的其他电压不同,因为根据反相 器链(0901、0902)的列的专用配置,P2 MOSroT可以配置为功率驱动器。

[0276] 应该注意到,如图10 (1000)所示,这种三态开关配置的其他实施例也是可能的,其 中可以组合使用堆叠的MOSFET开关,以提供如图9 (0900)所示的激活功能和三态驱动控制 功能。在该实施例中,为了清楚省略了用于激活和使能信号的反相电路。图10 (1000)的实施 例的主要区别存在于需要额外的电压裕度(headroom voltage)要求(电源电压必须比较 高),以及所有的切换操作使用统一的电源电压。在很多应用中,图9 (0900)的配置是优选 的,因为与切换VIA相关的动态功率消耗将等于:

Figure CN105900046BD00301

[0278] 其中P代表动态功率消耗,C代表有源的VIA负载电容,V代表开关电压差,和f代表 切换(扫描)频率。因此,贯穿VIA传感器的开关电压的减少可以显著减少触摸传感器扫描操 作消耗的功率量。通过使用图9 (0900)的实施例中的不同的驱动电压(即减少列驱动电压 (0940)),可以实现总功率消耗的显著减少。

[0279] 如图10 (1000)所示的堆叠的驱动方法可更改为如图11 (1100)所示的非堆叠的IIC 列驱动器。此处,添加驱动输出CMOS反相器的逻辑,允许用于系统的更低的总电压操作。这 种逻辑配置经常包括在微控制器三态GPIO电路中。

[0280] 示例的电压模式行感测电路(1200) - (1300)

[0281] 虽然行感测电路可以采用与本发明的教导一致的各种形式,但是图12 (1200)展示 了一种示例形式。此处,IIR行感测信号线(1210)通过连接至传输门(1202)的MOSFET开关接 地分流器(1201)被电耦合至ADC输入(1220)。当使能开关信号(1230)激活时,禁用MOSroT分 流器(1201),并通过反相器(1203)激活传输门(1202),其将选择的IIR行感测信号线(1210) 耦合至ADC (1220)。当使能开关信号(1230)未激活时,启用MOSroT分流器(1201),其将IIR行 感测信号线(1210)接地,并禁用传输门(1202),其将选择的IIR行感测信号线(1210)从ADC (1220)去耦合。

[0282] 应该注意到,在一些情况下,这种开关电路可以涉及以上简单的无源信号切换,并 可以结合有源放大/滤波装置,以在呈现给ADC (1220)之前调节IIR行感测信号线(1210)。这 种类型的切换有源缓冲的实施在电气领域的普通技术人员的技术范围内。

[0283] 如图12 (1200)所示的电路可以进行如图13 (1300)所示的增加和修改,以结合接地 使能信号(1340)和相关逻辑门(1341),以允许在行感测线未感测或接地的情况下,如多分 辨率扫描操作的情况下,可选择地禁用IIR行感测线接地。在该实施例中,电路元件(1301、 1302、1303、1310、1320、1330)与图 12 (1200)中的元件(1201、1202、1203、1210、1220、1230) 大体上对应。

[0284] 示例的电流模式列驱动电路(1400) - (1500)

[0285] 如图9 (0900)-图12 (1200)所示的示例电压模式列驱动电路在本发明的一些实施 例中也可以利用如图14 (1400)和如图15 (1500)所示的电流模式方法来实施。这些图概括地 描述了与图9 (0900)-图12 (1200)所示的类似的结构和功能,但是结合了电流模式驱动方 法,其中P5/P6器件形成电流镜,当使能信号(1430)激活N6时,电流镜反射由Rl吸取的电流。

[0286] 如图15 (1500)所示,可以使用各种方法将IIC列线接地,或者通过使用单个的 MOSFET (—种不理想的电流阱),或者使用更常规的基于电流镜的电流阱。注意到,因为这些 配置(1450、1550)中的强制电流可以利用计算机控制装置(Rl) “调拨”(如图17 (1700)所一 般描述的),该实施例可用于必须最小化功率消耗的情况中。

[0287] 示例的电流模式行感测电路(1600)

[0288] 如图12 (1200)-图13 (1300)所示的示例电压模式行感测电路在本发明的一些实施 例中也可以利用如图16 (1600)所示的电流模式方法来实施。这概括地描述了与图12 (1200)-图13 (1300)所示的类似的结构,但是加入了电流模式感测方法。此处,IIR行感测信 号(1610)供给电流,其或者由开关Nl (1601)分流,或者被N2、N4和N5的组合反射(1602),以 提供由电流模式ADC (1620)转化的阱电流。使能信号(1630)用于通过反相器(1603)打开分 流开关(1601),并通过N2提供电流镜(1602)的启用。

[0289] 示例的可变内插电阻器(1700)

[0290] 互连单独列(IIC)和单独行(IIR)的阻抗可以配置为固定电阻器(在每个列和/或 行能具有不同的值),但是也可以通过使用MOSFETs配置为可变电阻器,作为配置为如图17 (1700)所示的电压调节传输门的线性导体。此处,DAC可用于基于微控制器或其他计算装置 的控制,来调节X和/或Y阻抗的有效电阻。本领域技术人员将熟悉与该设计方法相兼容的各 种DAC硬件实施形式。

[0291] 有源电路可变阻抗阵列元件(1800)

[0292] 可变阻抗阵列(VIA)通常结合无源结构的阻抗元件,例如电阻器、电容器、电感器 或包括这些原始元件的其他无源装置的组合。但是,一些优选发明实施例可以使用与无源 VIA元件相关的有源电路。图18描述了这种有源电路结构的一个例子,其中,VIA有源传感器 元件(1810)包括无源VIA传感器元件(1811),其增加有使VIA/IIC列(1813)和VIA/IIR行 (1814)互相连接的有源电路(1812)。

[0293] 通过包括无源VIA传感器元件(1821)的VIA有源传感器元件(1820)为例,描述了该 概念的一种可能的示例实施例,该无源VIA传感器元件(1821)增加有使VIA列(1823)和行 (1824)相互连接的MOSFET (1822)。本领域技术人员将明白VIA单元(1811、1821)可以包括各 种可变阻抗元件,以及有源电路(1812、1822)可以包括与耦合各VIA列(1813、1823)和VIA行 (1814、1824)相一致的各种有源电路。

[0294] 示例的变频激励/检测(1900) - (2000)

[0295] 如图19 (1900)概括所示,本发明可以使用在CSR (1920)内产生的可选频率发生机 制激励VIA (1910)。虽然这种结构通常模仿了图4 (0400)所示的,但是可选滤波元件(1960) 的加入使得单独的激励频率从VIA (1910)过滤,然后在被控制逻辑(1940)处理前,被ADC (1950)检测。在一些情况下,可选过滤元件(1960)可以结合入ADC (1950)内。在该实施例中, CSR (1920)的AC刺激可以采取一个或多个单频,或多频。在一些实施例中,预期了在用于产 生CSR (1920)频率的配置中使用任意波形发生器(AWG)。

[0296] 注意到,CSR (1920)内多个激励频率的使用与通过可编程滤波器(1960)进行平行 的多个频率的检测,可以使VIA (1910)的多个区域同时被检测。这与合适的控制逻辑(1940) 软件/固件一起可以使多个接触区被合适地检测,并允许使用不同频率检测VIA (1910)内的 更细的记录。该多频方法也可以用于某些情况中,以减少操作触摸传感器检测器系统所需 的功率。

[0297] 图20 (2000)描述了多区域基于频率的扫描方法的例子,其中用各种频率沿着列激 励VIA,并且通过对行传感器上的频率信息进行选择性过滤,可以基于单独的VIA传感器元 件的阻抗变化以及基于频率来感测VIA。注意到,在某些情况下,允许VIA表面的多个区域与 不同感测机制相关,例如压力、接近程度、与电容方式耦合尖笔的相互作用等。

[0298] 可变扫描分辨率(2100)-(2400)

[0299] 本发明预期了通过改变IIC列刺激和IIR行感测IIR配置,可以从给定发明实施例 获得各种扫描分辨率。图21 (2100)-图24 (2400)展示了这种可变扫描分辨率能力的几个例 子。在一些实施例中,水平/垂直实线代表VIA中的有源行/列,虚线代表VIA中内插行/列。可 以认为每个行/列处于有源状态(列被驱动/接地,行被感测/接地)或断开状态(高阻抗状 体)。

[0300] 图21 (2100)展示了一种场景,其中配置为全分辨率扫描,并在一次扫描过程中,驱 动所有的列,并感测所有的行。图22 (2200)描述了一种半分辨率扫描,其中在一次扫描过程 中,每隔一行/列进行连接并驱动/感测。图23 (2300)描绘了一种四分之一分辨率扫描,其中 在一次扫描过程中,连接并驱动/感测每个第四行/列。最后,图24 (2400)展示了混合模式扫 描的概念,其中在全分辨率下扫描VIA的一部分,在较低分辨率下扫描VIA的其余部分。改变 扫描分辨率的能力,通过降低与扫描VIA的每列/行相关的动态功率损耗,极大地有助于用 于整个触摸传感器系统的节能。本领域技术人员将认识到图24 (2400)的例子可以配置为在 整个VIA结构内的多个离散区域进行全分辨率扫描。

[0301] 笔/尖笔实施例(2500) - (3200)

[0302] 概述(2500)

[0303] 如图25 (2500)-图32 (3200)所概括描述的,除了触摸传感器检测器之外,本发明可 以加入用户(2501)笔/尖笔(2520)作为⑶I (2502)输入。如图25 (2500)的框图所描述的,该 可替换实施例提供与图1(0100)类似的功能,但是添加了笔/尖笔(2520),其可以在从计算 机可读介质(2504)读取的机器命令的控制下,与触摸传感器检测器(TSD) /触摸传感器阵列 (TSA) (2510)和/或计算机系统(2503)通信。

[0304] 有源电容式尖笔(2600)

[0305] 如图26 (2600)概括描述的,在该配置中使用有源电容式尖笔使尖笔(2620)发射信 号(例如选择的AC信号)(2621),然后通过TSA (2610)检测该信号,并用于一维扫描方法中, 以分别确定尖笔的X和Y位置。如图所示,计算机系统(2601)可配置为与TSA (2610)无线通信 (2602),并与该配置中的尖笔(2620)无线通信(2603)。

[0306] 如图所示,在一些情况下,有源电容式尖笔(2620)可配置为接收来自各VIA传感器 元件(2623)的无线传输(2622),并将该信息无线通信至计算机系统(2601)。以这种方式, VIA可以用于与尖笔(2620)交流信息(位置、压力、检测电容、接近程度等),然后在传送至计 算机系统(2601)。

[0307] 示例的尖笔示意图(2700)

[0308] 图27描述了示例有源电容式尖笔的框图,其中在低功率微控制器(2703)的控制 下,通过功率控制模块(2702)对电源(通常为1.5V电池)进行升压转化,以为系统提供功率。 微控制器操作,以控制振荡器(2704),振荡器使用设计为被尖笔尖端(2706)传输后、由TSA 接收的信号驱动PCB天线(2705)。振荡器(2704)与尖笔尖端(2706)的辐射耦合通常是电容 性的,但是可以通过板载PCB天线(2705)协助。在一些情况下,可以可选地通过用户输入 (2707),通过微控制器(2703)控制由振动器(2704)发射的这种类型的信号,用户输入 (2707)可以采用尖笔主体内的TSA的形式,或者可选的键盘开关或尖笔主体内包含的电容 式传感器。用户输入(2707)可以使尖笔进入不同操作模式,其通过尖笔尖端(2706)传输不 同信息至TSA。因此,尖笔尖端(2706)不但可以传输信息,例如压力/位置到TSA,还可以基于 振荡器(2704)的输出提供模式指示。

[0309] 尖笔(2706)将模式通信给TSA,连同与此,,尖笔也可以配置有无线接口(WiFi, BLUETOOTHt等);所述无线接口可以利用振荡器(2704)和/或PCB天线(2705)与TSA电子 器件和/或如图26 (2600)所示的TSA电子器件与其通信的计算设备进行通信。

[0310] 示例的尖笔结构(2800)-(2900)

[0311] 图28 (2800) -29 (2900)提供了示例尖笔结构的细节,其中尖笔包括顶部(2801)和 底部(2802)外壳,其配置有用于组装的配合螺纹(2803)。供给功率的电池(2804)和含有有 源电子器件的PCB (2805)与尖笔尖端(2806) —起包含在该两件式外壳结构中,尖笔尖端 (2806)设计为与覆盖TSA的保护盖接触。可以包括可选的机器开关(2807),以支撑对尖笔的 功率控制,或者作为改变尖笔的操作模式的装置。可以包括弹簧(2808、2809),以影响电池 (2804)接触,以及当放置为与平坦表面,如TSA保护盖接触时,允许尖笔尖端(2806)自由移 动。

[0312] 尖笔内也可能有与微控制器(2703)相关联的多种用户输入机制(例如开关或其他 输入)(2807),其可以允许更改尖笔操作模式。如图28 (2800)展示了一个实施例,其中通过 电容耦合感测底部外壳(2802)的外表面上的带(2811、2812、2813、2814、2815),以确定向微 控制器的用户开关输入,从而设置尖笔的操作模式。其他模式选择方法也是可能的,这仅是 尖笔能够以各种模式与TSA进行操作的能力一个例子。

[0313] 图29 (2900)提供尖笔的内部结构的额外细节,包括PCB、用于尖笔尖的弹簧支撑接 触件、和用于PCB迹线天线的装置,以协助与TSA和/或利用TSA作为输入装置的计算系统进 行通信。

[0314] 示例的输入数据分布(30⑽-(3200)

[0315] 如图30 (3000)-图32 (3200)所示,本发明可以结合在平板电脑表面(31ΠΚ3210)使 用手/手指姿势以及笔/尖笔输入,以产生如图31 (3000)和32 (3200)所示的压力/存在分布 图。如图30 (3000)所示,系统可以用于收集来自各种用户手指(或用户手的其他部分)以及 尖笔/笔输入的信息。如图31 (3100)所示,这些输入可以形成压力图,其中每个手/手指/尖 笔输入与TSA中的压力分布相关。这些压力分布可以区别为来自用户手/手指(P)或尖笔 (S),如图32 (3200)所示,因为在这个例子中,尖笔是如前所述的有源电容式尖笔,并在操作 过程中向TSA发射无线信息。注意到,在图32 (3200)中,该系统可配置为区分压力输入(在这 些图中定义为椭圆)G3)与尖笔输入(S),从而允许将不同的二维平面输入至同一TSA。可以 通过在远程计算机系统上运行的应用软件使用额外的信息平面,以在应用软件中影响各种 操作模式或控制。

[0316] 详细说明-IFSA实施例(3300) - (6400)

[0317] 概述

[0318] 虽然可以在VIA中使用各种传感器技术来实施本发明,但是示例实施例的一组优 选的方式利用压敏传感器形成内插力感测阵列(IFSA)。以下讨论详述了优选实施例的这种 压敏类型,并提供详细的示例结构的环境。注意到,虽然以下详细描述了IFSA实施例,但是 在其结构中使用的技术可等同地用于其他类型的传感器技术,例如电容式、电磁式等。

[0319] 根据以上概括描述,本发明IFSA实施例描述了用于构建高分辨率力感测阵列的系 统和方法,允许驱动和感测电路具有比力感测阵列更低的分辨率的内插电路,和用于扫描 传感器并处理所得信号的电路和所附算法,和将传感器插入各种装置的方法。

[0320] IFSA传感器通常包括以下元件。每个元件的进一步的细节和解释可以在以下详细 说明中找到。

[0321] •感测区:感测区由行和列电极,和力感测元件的网格构成,其中每个力感测元件 在一个行电极和一个列电极之间连接。

[0322] •内插电阻器;一系列内插电阻器,其连接至列和行电极和驱动/感测电路。

[0323] •驱动电路:驱动电路由一系列数字和/或模拟开关和连接至有源列的相关控制 逻辑构成。

[0324] •感测电路:感测电路由一系列数字和/或模拟开关和连接至有源行的相关控制 逻辑构成。

[0325] •电压/电流源:电压或电流源将驱动电压/电流提供至驱动电路。

[0326] •信号调节:可选的信号调节部件,其调节、过滤或转化感测电路发出的信号。

[0327] •控制电路:控制电路通常是微控制器或ASIC,其产生扫描传感器所需的控制信 号序列。控制电路也可以结合用于将传感器信号从模拟格式转化为数字格式的内部或外部 ADC,用于处理并解读信号的处理器和存储器,和用于与外部部件,如主机处理器通信的IO 逻辑。

[0328] 注意到电路中的行和列可以互换,但是为了解释目的,本发明将驱动电路连接至 列,将感测电路连接至行。还注意到,为了解释目的,分别展示所述元件。在实际实施时,这 些元件的功能可以合并和/或分开。一些实施例将包括将内插电阻器与感测区合并,将电压 源合并入驱动电路,将ADC放置在控制电路外部,等。为了清楚,本发明将直接连接至驱动或 感测电路的列和行电极称为有源列和有源行电极,而那些通过内插电阻器连接至驱动和感 测电路的称为内插列电极和行电极。

[0329] 在操作时,控制电路重复扫描传感器,以检索传感器上的力分布的二维“图像”。每 次扫描循环称为一帧。下面在每帧发生的过程中的步骤的概述。在详细说明书中可以发现 每步的进一步的细节和说明。

[0330] (1)控制逻辑一次驱动一个有源列电极,而将所有其他有源列电极接地。

[0331] (2)对于每个功率驱动电极,控制逻辑一次将一个感测电极连接至调节电路,而将 所有其他有源行电极接地。这创造了多个可能的电流路径,该电流路径流过供电驱动电极 和连接至调节电路的感测电极的交叉点附近的力感测元件。施加至传感器的力产生了一个 信号,该信号与该力及力与交叉点的距离成正比。

[0332] (3)信号穿过调节电路,该调节电路可以进行电流至电压的转化、滤波、和/或放 大,并产生模拟输出信号。

[0333] (4) ADC将从信号调节电路中输出的信号转化成数字值,并将其存储于存储器中的 阵列中。对有源行和有源列电极之间的每个交叉点重复上述步骤。

[0334] (5)扫描完全部传感器之后,控制电路可以处理存储器内的阵列,以进一步过滤该 信号、将信号归一化为已知的单元、提取如接触特征、并随着时间追踪接触。

[0335] (6)控制电路可以与外部部件交互,以交换数据。还可以选择改变扫描参数,以优 化后续扫描的功率、速度或延迟。还可以响应用户要求或决定在扫描之间关机或休眠。

[0336] (7)通过产品的特定的硬件和/软件来使用输送至外部电路的信号,在该产品中 IFSA用于进行所需任务。

[0337] 所述的元件和过程协同工作,使传感器能够俘获压力分布、处理数据、并输出有意 义的信息,以启用各种应用。前述本发明的目的、特征和优点以及本发明的详细的设计、实 施和制造在本文中提供的本发明的详细的描述中更详细地澄清和讨论。

[0338] 工作原理(3300) - (3600)

[0339] 介绍

[0340] 以下讨论将从概念上描述IFSA传感器如何构造,以及这种构造如何实现内插。如 前面所述,IFSA传感器具有一系列有源行和列电极,其连接至驱动和感测电路。在每对有源 行和列电极之间,具有一个或多个内插电阻器。虽然,每个行和列之间的内插电阻器的数目 可以改变,大多数IFSA传感器设计将保持数目恒定,并用数字N表示。

[0341] 图33 (3300)描述了IFSA电路的例子,其具有四个有源列电极,五个有源行电极,和 在每对列和行电极之间的两个内插电极。因此,通过通常仅能够读取4x5传感器的电路,本 发明能够从力感测元件的10x13阵列中读取力。利用这种配置,与挂接到读取电子器件的行 和列的数目相比,本发明使在X和Y向有效的追踪分辨率增至3倍。进一步地,通过增加内插 行和列电极的数目N,本发明可以进一步增加传感器的追踪分辨率,而仅受限于创建传感器 的制造方法的能力。

[0342] 力感测元件

[0343] 在每对行和列电极的交叉点处有一个力感测元件,在本发明示意图中表示为可变 电阻器。各种材料、配置和制造方法可用于产生力感测元件,将在后面部分描述。用于IFSA 传感器的大部分力感测元件以相似的方式响应施加的力,即随着力的施加,电阻减小。但 是,电阻和力的关系通常是非线性的。基于这个原因,优选测量传感器的电导,其是电阻的 倒数;而不测量电阻。当施加压力时,电导以线性或非线性方式增加。如果比例常数(与灵敏 度对应)被设定为变量k,施加至特定传感器元件上的力为F,和传感器元件的电导为C,那么 本发明可以通过以下等式构建传感器的电导C相对于力F的模型:

[0344] C = kF (6)

[0345] 如果电压施加至整个力感测元件,欧姆定律指出流过力感测元件的电流I将与力 和电压V的乘积成正比:

[0346] I = kFV (7)

[0347] 内插电阻器

[0348] 在每对相邻电极(有源和内插)之间连接有内插电阻器。虽然一些传感器实施例的 内插电阻器的电阻值具有变化的值,对于这个例子,假设所有的内插电阻器具有相同的电 阻值Ri。这些电阻器形成一系列电阻分压器电路,可以看到,使传感器具有内插性能。内插 的活动状态

[0349] 将对本发明扫描如下详述的IFSA传感器的交叉点时发生的活动在下文进行描述。 在传感器扫描的任意点,将一个有源列电极驱动至已知电压VcU而其相邻列电极接地。同 时,测量从一个有源行电极流出的电流I s,而相邻行电极接地。如前所述,给定有源列或行 电极对之间的内插电极的数目可以在整个传感器上变化,但是为了解释目的,假设本发明 传感器实施例构造为在每对有源列和行电极之间具有恒定数目的内插电极。在此处该数目 为N0

[0350] 当驱动电子器件施加电压Vd时,在两个接地列电极和两个接地行电极之间的区域 中的每个力感测元件为总感测输出电流Is贡献了一些电流,这相对于元件上的力和距离 行-列交叉点的距离是线性的。为了理解每个这些力感测元件如何对最终输出值作出贡献, 参考图34 (3400),其描述了在传感器扫描时,正在扫描图中心处的行/列交叉点的某个时 亥MFSA传感器(如图33 (3300)中的传感器)的分段。该传感器具有位于每对有源行和列电 极之间的两个内插电极(N=2)。在图中,本发明根据到当前供电电极(在该实施例中为列电 极0)的距离,为每个列电极(无论是有源或内撖分配X坐标。在图中,最左边、中央和最右边 的电极为有源电极。它们分别编号为_3、0和3 (对于具有不同N的一般传感器,它们可以编号 为-(N+1)、0和(N+1))。在它们之间,为两组内插电极。这些电极编号为-2和-1 (通常为-N至_ 1)和1和2 (通常为1至N)。以类似的方式,我们根据到当前感测电极(在该实施例中为行电极 〇)为每个行电极分配y坐标。最后,本发明将(X,Y)坐标分配给位于列X和行Y的交叉点处的 每个力感测元件。

[0351 ] 请记住驱动和感测电极周围的所有临近的列和行电极都驱动成接地。因此,列电 极-3和3接地,行电极-3和3也接地。在该部分的最后,本发明展示了,这设置了列0和行0的 交叉点周围的灵敏度分布,其沿着X和Y方向以线性方式衰减。

[0352] 在驱动侧,在被驱动的有源电极和相邻有源电极之间互连内插电极的一组内插电 阻器(其被接地)形成了一系列分压器。这些电阻器都具有相同的电阻值Ri。因此,本发明可 以将每个列电极处的电压Vc表示为X的函数:

Figure CN105900046BD00371

[0354] 如前所述,每个行和列电极之间是力感测元件。流过力感测元件的电流与施加的 力和施加的电压成正比变化。如果给定列电极的电压为如上所述的Vc⑵,那么力感测元件 的比例常数为k,如果本发明假设力感测元件的感测侧的电势为0伏(下面将描述为什么这 是合理的假设),那么流过位置(Χ,γ)处的力感测元件的电流If (Χ,γ)为:

[0355] If (x,y) =Vc (x) XkF(x,y) ⑼

[0356] 在读取侧,每对有源电极之间的内插电阻器也作为一系列电阻分压器,除了在这 种情况下,他们分割通过位于相邻的处于接地电势的有源电极之间的力感测元件而流入电 极的电流。在这个实施例中,感测一个电极,并将相邻有源电极接地。力感测元件(X,Y)在有 源感测电极处对电流的贡献可以表示为:

Figure CN105900046BD00372

[0358]现在,将If (Χ,Υ)的等式代入以上等式中,然后将Vc⑻的等式代入所得等式中,得 到以下Ic(X,Y)的等式:

Figure CN105900046BD00373

[0360] 因为k、Vd和N都是常数,可以看出对从有源行和列电极的交叉点处读取的输出电 流的贡献与施加到位置(Χ,γ)的力F (X,Y)以及与力感测元件在X和Y坐标系中离行-列交叉 点的距离成比例。

[0361] 因为列之间的电压分压器电路和行之间的分流器都表现为线性,来自每个感测元 件的电流贡献是附加的,所以给定行列交叉点的最终感测电流Is可以表示为:

Figure CN105900046BD00374

[0363] 这个公式模拟了每个行/列交叉点相对于施加到围绕该交叉点的传感元件上的力 的分布如何起作用(注意到,有一些没有被这个公式模拟的非线性,但是这种影响通常可以 忽略,如下所述)。为了更清楚地理解发生了什么,本发明可以计算每个感测元件相对于位 于(〇,〇)的元件对有源行和列交叉点处的读取的贡献的百分比贡献。我们计算如图34 (3400)中的传感器的每个行/列交叉点处的49个力感测元件中的每一个力感测元件的贡 献。图35 (3500)描述了这些计算的结果,这是图34 (3400)所示的力感测元件的7x7阵列的相 对贡献。图36 (3600)可视化的描述了三维的灵敏度分布。

[0364] 因为每次扫描有源行和列的交叉点时,发生相同的分布,所以每个感测元件将其 信号以与其相对于这些交叉点的距离线性相关的方式,贡献给其周围的有源行/列电极交 叉点。因为在X和Y坐标系中的贡献的衰减是线性的,本发明可以使用线性内插,该线性内插 施加给从每个有源行和列的交叉点读取的力值的阵列,以精确地计算施加至传感器的力分 布的形心(centroid) ο

[0365] 进一步地,本发明可用于追踪形心的分辨率与有源感测线的分辨率不成正比,而 是与内插线的分辨率成正比。因此,通过简单增加Ν,本发明可以增加本发明传感器的追踪 分辨率。

[0366] 由于流过力感测元件的电流流引起的非线性

[0367] 在推导以上公式时,未考虑流过力感测元件的电流的影响。该电流导致在力感测 元件的驱动侧处的电压Vc减低,并导致力感测元件的感测侧处的电压升高至接地电势以 上。因此,比公式预期的较少的电流将流过传感器,导致轻微降低的灵敏度。

[0368] 更大的问题是,流过内插电阻器的电流流将改变内插电阻器的电压,并影响其他 附近力感测元件的响应。幸运的是,可通过将内插电阻器设置为低电阻值,并将力感测元件 设计成使它们在其有用的操作范围内具有显著更高的电阻值,来减轻上述问题。这确保这 种影响范围相对较小,并不会显著影响传感器的准确度。有利地,力感测元件电阻的增加也 降低了整体功率消耗。

[0369]力感测计算

[0370] 概述

[0371] 有多种优选发明实施例使用压敏阵列作为VIA结构的一部分。在本申请的上下文 中,可以将多种力的计算方法连同施加到整个VIA的多个列和行的总体内插功能一起加入 到控制逻辑中。以下详细讨论了这些计算,并提供用于实施范围广泛的本发明的实施例的 参考点,本发明实施例利用这种形式的VIA结构作为内插过程的基础。

[0372] 对从传感器读取的传感器值的二维阵列进行算术运算来计算接触的力和位置。在 力感测传感器中,感测值对应力,在电容式传感器中,他们对应电容信号。通常熟悉触摸传 感器信号处理过程的本领域技术人员已知这些计算。

[0373] 虽然在较低分辨率完成一次扫描(例如有源电极分辨率)之后,本发明不能重新构 建单独传感器元件上的力,但是本发明可以重新构建高阶信息,例如在传感器的全分辨率 下(例如VIA分辨率)的接触的力和位置。本发明实现该结果的几个理由如下:

[0374] •内插网络使传感器以线性方式被下采样;和

[0375] •用于计算接触的力和位置的计算方法本质上是线性的。

[0376] 以上操作原理部分通过数学上的展示描述了第一种能力:本发明方法创建了传感 器信号的线性下采样。该部分的剩余内容将通过更详细地描述用于计算接触的力和位置的 方法,解释第二方面。

[0377] 因为在硬件中和用于计算的数学上发生的下采样都是线性的,所以本发明在较低 分辨率下扫描传感器得到的精确性与在全分辨率下扫描传感器元件的精确性相同。进一步 地,无论接触多小或多大(无论覆盖单个传感器元件或很多传感器元件),这个结果也是成 立的。本发明唯一丧失了分辨相互距离比本发明扫描的“Nyquist期”更近的两个接触的能 力。

[0378] 这是重要的,因为这意味着本发明可通过利用低分辨率扫描电子器件来实现以高 分辨率进行感测,而不牺牲精确性。或者,本发明可以在不引入额外电子器件时,提高低分 辨率传感器的精确性。

[0379] 唯一无法用数学手段获得的是面积计算(因为内插之后,不能准确知道多少传感 器元件被激活)。但是,因为有很多方式可以估算面积计算,所以这通常不是问题。

[0380] 虽然能够使用例如样条插值法大致重新构建每个传感器元件感测的力值,但是本 发明可不选择在固件中这样做。理由在于,这将是计算量非常巨大,并在很多方面损害在较 低分辨率扫描传感器的好处。相反,本发明通常在低分辨率扫描图像上进行如下数学运算, 因为线性特性,本发明获得如同在全分辨率扫描图像上进行数学运算那样的相同结果。

[0381] 注意到一些优选的发明实施例可以对固件中的二维力阵列进行上采样,以更好地 评估接触的位置,或者进行多分辨率扫描。但是,在PC端,本发明可以利用样条插值来上采 样低分辨率力图像返回至传感器元件的分辨率,用于获得VIA数据的审美可视化。以下是本 发明如何计算接触的力和位置的概要。

[0382] 触摸力的计算

[0383] 触摸力是所有的触摸的力值的和。注意到在这部分,描述了对从传感器读取的TSM 数据的数学运算。N、X和Y指的是TSM矩阵的维度和矩阵中的数据的(X,Y)坐标,且F (X,Y)指 的是TSM中的坐标(Χ,Υ)处的数据。他们不是指内插电极。

Figure CN105900046BD00391

[0385] 在本申请中总的力记为FtotaI。

[0386] 触摸位置的计算

[0387] 在X维度的触摸位置为该触摸的多个X位置的力的加权平均。类似地,在Y维度的触 摸位置为该触摸的多个Y位置的力的加权平均。

Figure CN105900046BD00392

[0390] 在该文件的剩余部分,X和Y位置记为μχ和μγ。

[0391] 接触形状的计算

[0392] 利用围绕接触的椭圆估算接触形状。椭圆的计算与多个值的高斯分布的标准偏差 的计算类似,除了它在二维进行之外。通过计算2x2协方差矩阵开始计算:

Figure CN105900046BD00393

[0394] 在该矩阵中,ΧΧ、ΥΥ和XY是沿Χ、Υ的矩阵方差和XY对角线。从该矩阵中,能够计算特 征向量和特征值,特征向量确定矩阵的长轴和短轴和特征值,特征值确定长轴和短轴的长 度。

Figure CN105900046BD00394

Figure CN105900046BD00401

[0398] 在此处,可以利用能在任何线性代数教科书中发现简单数学计算协方差矩阵的特 征向量和特征值。要注意的是,可以通过取第一和第二特征值的平方根并与因子相乘计算 长轴和短轴的长度。该因子确定被椭圆所包围的该触摸的百分比部分(介于2和3之间的因 子通常用于沿着X和Y维度包围椭圆的95%_99%)。

[0399] 计算中的平方根导致该算法的输入和输出值之间近似线性关系,保存了本发明传 感器的线性特性的有益性。最后,将长轴和短轴的长度相乘估算面积。

[0400] 如上所示,用于计算触摸的力、位置和形状的数学运算不会受到施加至传感器的 内插水平的影响。

[0401] 多个接触

[0402] 当存在多个接触时,使用分水岭算法将传感器的区域分出独立的区域,每个区包 含单独的接触。理论上,在每个区分别计算以上算法,以计算每个接触的统计数据。

[0403] 接触面积的计算

[0404] 触摸面积为大于某个阈值t的力的数目。

Figure CN105900046BD00402

[0406] 触摸面积将受到内插水平的影响,因为当内插水平增加时,大于阈值的读取数目 将减少。这主要影响小面积的触摸,对于该小面积,不能获取足够的数据点以准确重建触摸 面积。为了改进这一点,可以使用本文中称为“软面积”的计算,其使用用于t的软截止阈值, 而非硬阈值。这比以上计算更好地评估面积。通常,对于用户界面应用,接触面积不像力和 位置那样重要,因此面积计算精确性的降低,作为下采样的结果,对于用户而言是可以接受 的。

[0407] 有益性的总结

[0408] 为了总结,可以从两方面来看本发明的压力感测方法的有益性:

[0409] •对于起始于高分辨率传感器的传感器设计,本发明的方法允许使用较低分辨率 电子器件扫描传感器,同时保持(X,Y)位置、力和形状计算的精确性。在这种情况下降低了 系统的成本、复杂性和功率消耗,而不会牺牲触摸追踪性能。

[0410] •另一种方式来看本发明的方法是对于起始于低分辨率传感器开始的设计。在这 种情况下,本发明的方法允许传感器的分辨率增加,同时保持感测电子器件的分辨率相同。 从而,改进了传感器的精确性,而不会增加电子器件的成本、复杂性和功率消耗。

[0411] 结构细节(37⑽-(58⑽

[0412]力感测材料

[0413] 有各种不同材料可以用于创建感测材料(FSM)。这些材料包括导电橡胶、导电泡 棉、导电塑料(如的Kapton®)、和导电油墨。这些材料通常通过将导电颗粒,例如碳粒子与 绝缘颗粒,例如聚合物混合来制备。导电颗粒可以包括如金属颗粒(其包括银、金和镍),以 及例如石墨烯、碳纳米管、银纳米线、和有机导体等材料。

[0414] 也可以通过将透明导电材料混合入透明非导电载体中生成透明FSM。透明导电材 料包括铟锡氧化物(ITO)、有机透明导电颗粒或太小而看不到的材料,如石墨烯、碳纳米管、 银纳米线、或金属纳米粒子(包括银、金、镍等)。用于制备透明FSM的透明非导电材料包括 PET、聚酰亚胺、聚碳酸酯、或透明橡胶例如硅橡胶。或者,可以将透明导电材料沉积到透明 基板的表面,透明基板为例如聚合物、玻璃或超薄柔性玻璃。

[0415] 这些材料的共同点是高体电阻(在导体和绝缘体之间的水平)、粗糙表面(在微观 尺寸)和一定量的柔性。结果,当材料接触导体时,在界面处的电阻将随着推动力感测材料 抵靠导体的力的增大而减小。当施加力时,作为导电粒子靠的越来越近的结果,这些材料中 的一些可能经历体电阻的改变。但是,与表面电阻的改变相比,这种影响通常较小。鉴于本 公开的目的,本发明将具有上述性质的所有材料称为力感测材料(FSM),本发明将包含/承 载有力感测材料的层称为力感测层(FSL)。

[0416] 力感测元件

[0417] 在每个行/列电极的交叉点之间有力感测元件,其产生可变电阻。图37 (3700)-图 40 (4000)描述了力感测元件的几种不同配置。两种最常用的配置在本发明中称为分流模式 和直通模式。

[0418] 在分流模式配置中,有两个基板。顶部基板涂敷有FSM,而底部基板由两个电极构 成(图37 (3700))。当这两个基板挤压在一起时,FSM使电流流过两个电极之间,引起电阻的 可变下降。本质上,FSM在两个电极之间起到分流器的作用。为了增加灵敏度,这两个电极可 以被图案化,以形成一组相互交叉的导电指。

[0419] 第二种常见的配置称为直通模式,其中这两个电极被图案化至两个分开的基板 上,FSM位于两个分开的基板之间。这种配置有三个变体。我们称第一个变体为双面直通模 式。在这种配置中,用FSM涂敷位于顶部基板和底部基板上的电极(图38 (3800))。在FSM的两 个层之间形成力敏界面。将两个层挤压到一起,产生电阻的可变下降。

[0420] 单面直通模式变化与双面直通模式类似,除了两个电极中的一个涂敷有FSM (图39 (3900))。通常,顶部或底部的两个电极中哪一个涂敷FSM都是无关紧要的。最后一个变化称 为夹层直通模式。在这种变化中,FSM并没有沉积到电极上。

[0421] 相反,它形成位于两个电极之间的一层(图40 (4000))。因此,在顶部电极和FSM之 间,以及底部电极和FSM之间形成两个力感测界面。但是,从传感器电路的角度来看,这两个 力感测元件与单个力感测元件起到相同的作用。

[0422] 力感测阵列结构(3700)-(4000)

[0423] IFSA传感器通常构造为位于一组列和行电极的交叉点处的力感测元件的二维阵 列。内插电阻器在每对相邻列电极和每对相邻行电极之间连接。然后有源列和行电极连接 至驱动和感测电路(图33 (3300))。

[0424] 可以利用各种不同的直通模式或分流模式配置构建传感器元件(图37 (3700) -40 (4000))。因为传感器阵列可以具有临近彼此的多个传感器元件,所以有必要电绝缘传感器 元件,以使一个元件上产生的信号对临近元件具有最小的影响。

[0425] 可能的传感器配置之间的差异主要在于电极的形状,力感测材料施加在电极上或 施加至电极之间的方式,以及力感测材料图案化以避免/降低临近传感器元件之间的相互 作用的方式。传感器元件设计的选择影响整体传感器结构,反之亦然。

[0426] 直通模式配置(4100)-(4300)

[0427] 图41 (4100) -43 (4300)描述了一些可能的直通模式配置。利用夹层直通模式配置 构建图41 (4100)中的阵列,其中力感测层夹在两个基板之间,两个基板承载向内朝向力感 测层的行和列电极。力感测元件在行和列电极的每个交叉点处形成。在这些图中,将力感测 材料分段,从而每个力感测元件具有其自己的电绝缘的力感测材料的垫片。图43 (4300)描 述了一种替换设置,其中连续的力感测材料的非常薄的层夹在行和列电极之间。可替代地, 具有力感测材料的图案(图48 (4800))或伪随机图案(图49 (4900))的材料可以夹在行和列 电极之间,如图43 (4300)所示。利用双面直通模式配置构建图42 (4200)所示的阵列,其中每 个行和列电极涂敷有力感测材料。该实施例的一种可能的变体(未示出)是用力感测材料仅 涂敷顶部电极或底部电极。

[0428] 分流模式配置(5000) - (5700)

[0429] 图50 (5000) -57 (5700)描述了一些可能的分流模式配置。所有的这些配置包括在 顶侧具有暴露的电极的双面电路板和放置于暴露的电极顶部的力感测层。在分流模式配置 中,列和行电极不能两者都完全位于同一层中,因为他们将相交,并彼此电短路。为了解决 这个问题,在这些实施例中,行电极与PCB背面的水平迹线互连。在图52 (5200)、55 (5500)和 图57 (5700)可以看到背面的迹线。过孔用于在位于PCB前面的所得“焊盘”之间连接至背面 的迹线。这在前表面将每个行电极的一部分与每个列电极并置,创建了分流模式力感测元 件的两个电终端。结果,通过电路板的上表面上的电极的图案和下落到该图案的顶部上的 力敏材料层,形成传感器元件的阵列。各种力感测材料和FSM图案看用于创建力感测层,如 下所述。并且,电极图案自身也可以改变,如图50 (5000)至57 (5700)所示。

[0430] 图50 (5000)展示一种简单的图案,其中每个感测元件包括暴露的导体的两个矩形 区(切去力感测层,以展示了导体图案和力感测材料的垫片对图案的对齐)。图51 (5100)是 这个的一种变体,其中交错的指状物加入两个矩形区之间,以增加每个力感测元件的灵敏 度。图52 (5200)描述了位于这两个设计的背面的行导体的图案。图53 (5300)展示了图50 (5000)的变体,其中每隔一个传感器元件被水平翻转。这具有使建立电路所需的过孔的数 目减半的效果,并增加了过孔之间的空间,从而减少了制造成本,并有助于增加传感器密 度。图54 (5400)描述了一种设计,其结合了图51 (5100)中的交错的指状物的设计,和图53 (5300)中的翻转列的设计。图55 (5500)描述了这两种设计的背面。图56 (5600)描述了图50 (5000)的设计的一种变化,其中每个过孔周围区域加宽到菱形。这种设计可以通过加宽每 个过孔周围的导体区,减少制造成本,并增加传感器密度。它还有助于使传感器相对于接触 位置更加精确/线性。图57 (5700)描述了这种设计的背面。

[0431] 力感测层(FSL)的设计

[0432] 力感测层(FSL)由力感测材料构成,或者承载力感测材料。有很多用于直通模式和 分流模式配置的这种层的可能的设计。这些设计之间的区别在于他们在相邻传感器元件之 间提供电绝缘的方式。对于每种设计,在制造困难/成本、与其他传感器层的对齐/组装上的 困难、和相邻元件之间的电绝缘水平方面存在折衷。

[0433] 电隔离力感测元件的一种方式为创建分段的力感测层(图46 (4600))。在这种设置 中,每个感测元件都存在与之对齐的FSM的单个垫片。多个所述垫片之间的缝隙避免电气互 连。这种方法提供最好的绝缘,但是需要传感器层之间准确对齐。另一种电绝缘传感器元件 的方式为使用图案化的力感测层,其具有FSM垫片的精细图案(图48 (4800))。这种图案比力 感测元件自身具有更小的尺寸。因此,FSM的多个垫片将有助于每个传感器元件的敏感度。 这种配置不需要FSM和传感器的力感测元件之间准确的对齐。在这种配置中,隔离并不完 全,因为一些FSM垫片可能形成相邻传感器元件的电连接,但是足以防止相邻传感器元件之 间的显著的串扰。

[0434] 另一种类似配置使用FSM垫片的伪随机图案(图49 (4900)),其具有比传感器元件 更小的尺寸。该图案将一些随机性引入图案化的FSM方法,这可有助于改进传感器的一致 性。还有另一种创建力感测元件的阵列的方式,不需要图案化力感测层。这种方法使用FSM 的非常薄的层。因为该层非常薄,与在垂直该层的方向上的电阻相比,它在材料的平面上具 有高电阻。因此,虽然FSM允许传感器元件之间的电流路径,他们之间的电阻非常高,从而这 种电流可以忽略。因为FSM没有被图案化,故而不需要与其他传感器层对齐。

[0435] 另外一种绝缘传感器元件的方法是用力感测材料涂敷行和/或列电极。图42 (4200)描述了当被用于直通模式传感器时,这种设计的外观。注意到,这种设计不需要位于 行和列电极之间的层。力感测材料的涂层可以分段、被图案化,或具有伪随机图案的图案 化。可替代地,可以将具有可以忽略的面内电阻的、力感测材料的非常薄的层沉积到导体的 整个图案的上面。对于分流模式传感器,可以使用类似的方法,用FSM涂敷位于PCB的上层的 电极。在这种情况下,顶层可以使用如上所述的一种FSM图案,或者它也可以仅使用图案化 的导电层,因为底层可以提供力敏感性。

[0436] 最后,能够创建一种传感器,其中电极自身具有力感测特性。例如,由碳纳米管图 案化的电极表现非常好,但是可以具有产生模拟压力响应的粗糙表面结构。

[0437] 行和列的互换性

[0438] 从电角度来看,行或列电极都可以用作驱动侧,另一侧作为感测侧。类似地,从传 感器结构的角度看,行和列电极可以交换。因此,在直通模式配置中,行可以位于顶层,列可 以位于底层,类似地,在分流模式配置中,列可以被路由穿过背面,行可以图案化至电路板 的前面。虽然这些选择可能会对传感器的性能产生一定影响,但是它们通常基于各种因素, 例如传感器布局的便利性、机械方面的考虑、和电与外部部件之间的相互作用。例如,将驱 动侧放置的离电噪声源更近,将感测侧放置的离电噪声源更远是有利的,电噪声源为例如 显示器。

[0439] 非矩形传感器阵列(5800) - (6000)

[0440] 通过IFSA技术,可以创建如图58 (5800) -60 (6000)所示的非矩形阵列。图58 (5800)-60 (6000)所示的阵列是圆形的,中心具有圆孔。为了创建这种非矩形阵列,本发明 开始于如前所述的标准矩形阵列,然后移除落入期望最终形状之外的传感器元件。同时,所 有的行和列电极必须保持电连接。但是,在已经移除传感器元件的区域,因为那里没有传感 器元件,所以本发明可以向下移动行和列电极,以填充形状的轮廓,因为此处无传感器元 件。可以相同方式制造非矩形直通模式传感器。以与原始矩形传感器相同的方式,电扫描所 得非矩形传感器,且它也与矩形传感器一样的方式运行,因此从电子器件和软件方面,二者 没有区别。仅有的区别在于,新的传感器只是不能感测传感器元件已经移除的区域的触摸。

[0441] 内插电阻器

[0442] 为了减少制造成本,相邻行和列电极之间的固定内插电阻器组通常位于与感测区 同一基板上。但是,一些实施例也可以具有位于独立的位置的内插电阻器。

[0443] 可以通过几种已知的创建电阻器的方式的任意一种提供电阻,包括电阻器部件、 印刷碳条,或其他类型的电阻材料。所有电阻器的值优选很好地控制并在已知目标范围内。 利用分立表面安装电阻器,其具有各种尺寸,并具有1%或更好的精确度等级。行和列内插 电阻器的电阻水平可以相同或不同,并根据驱动和读取电路的要求来选择。通常,更高值的 内插电阻器减少功率消耗,但是会导致精确度的损失(因为如前所述的非线性),反之亦然。

[0444] 当使用碳条时,可以简单地穿过相邻的电极印刷。只要电极之间的间距相当固定, 并且碳条的宽度和高度一致,所得的电极之间的电阻值也将一致。可以通过改变电阻式油 墨的组成或印刷条的宽度/高度来控制电阻水平。可以通过在制造步骤之后,利用例如激光 微调方法通过微调电阻来改进一致性。

[0445] 在图中,内插电阻器放置在感测区和驱动/感测电子器件之间的区域。实际上,内 插电阻器可以放置在任何位置,只要它们使相邻行电极和相邻列电极相互电连接。例如,它 们可以放置在传感器的相对侧,远离驱动/感测电子器件。它们也可以放置在PCB的背面(利 用过孔进行连接),散布在感测元件之间的感测区内,甚至嵌入PCB自身内。最后,它们可以 位于单个传感器的不同位置的组合中。例如,行电极的一些内插电阻器可以放置在感测区 的左侧,而另一些可以放置在右侧。

[0446] 制造方法(6100)

[0447] 可以通过各种制造方法制造传感器的导电层。选择包括FSM的所有的材料,以抵抗 用于给定应用,如重复弯曲、热和湿度的期望的环境和机械条件。

[0448] 可以认为,最简单的是利用标准刚性和/或柔性PCB制造过程在基板上形成电极。 该过程通常用涂敷有连续的铜层的FR4 (用于刚性)或KAPTONS (用于柔性)基础材料开 始。然后对铜进行刻蚀,以创建铜导体的图案。通常这些需要镀惰性材料,例如金,以防止氧 化。

[0449] 可替换的电镀过程,例如ENIG (化学镀镍浸金),或者丝网印刷碳层可以用于降低 电镀的成本。在这种电路中,标准表面安装(SMT)过程可用于连接内插电阻器。对于分流模 式传感器,可利用标准过程可以形成过孔,该标准过程包括钻孔,然后镀覆,以形成两层之 间的连接。过孔填充可用于填充所得的孔,留下平滑表面。

[0450] 另一种方法是使用印刷电子器件(PE)过程,其中将导电粒子以添加剂的方式沉积 以到基板,如PET或聚酰亚胺(ΚΑΡΤΟΝΊί ),这些应用中使用的一些常见导电材料包括碳纳 米管、银纳米线、和填充有导电颗粒的聚合物油墨。用于印刷电子器件的一种常使用的材料 包括载有有银颗粒的聚合物油墨,其通常利用丝网印刷过程沉积。因为诸如这种材料可能 会由于机械应力、氧化、或与其他气体/化合物反应而降级,所以可以通过对其涂敷碳或力 感测材料而将其钝化。进一步地,因为很难焊接到这样的电路中,可使用印刷碳条来形成内 插电阻器。对于用印刷电子器件(PE)过程创建的直通模式传感器,可以采用一种非常类似 于刚性/柔性PCB传感器的结构。对于分流模式传感器,可以与在PCB上创建过孔类似的方式 创建过孔,即通过用钻或激光在基板上钻孔,然后在导电材料上套印。一种可替换的方式为 印刷底部绝缘体层,然后印刷绝缘体层,将孔设置在原本在刚性/柔性PCB传感器上的过孔 所在的等效位置处。接下来,印刷顶部导体层。绝缘体层中的孔允许顶部导电层中的焊盘 (pad)与顶层上的导电迹线电桥连接。这创建了相同的电结构,但是两个导体层最终在基板 的顶侧,被绝缘体的薄层分开(所述孔设置在过孔的位置上)。

[0451] 另外一种用于制备分流模式传感器的方法为首先印刷传感器图案的顶侧,其可以 与前面所述的用于分流模式传感器的任何图案类似。如前所述,列在图案自身中连接。但 是,行通过小的桥连接。可以通过将小面积的绝缘材料沉积在位于行电极的两部分之间的 列电极所处的每个区域来创建桥。接下来,将小的导电“桥”沉积在绝缘体上,连接行电极的 连个相邻的部分。图61 (6100)概括地描述了该顺序(6101、6102、6103)。

[0452] 用于形成电极的其他方法可以包括金属或导电材料,如碳纳米管的气相沉积。可 以通过各种方法进行图案化,包括通过模板沉积、胶版印刷、激光刻蚀或转移过程。也可以 利用制备布的技术创建IFSA传感器。涂敷有FSM的导电线可以用于创建行和列电极。行电极 在一个方向延伸,而列电极在另一个方向延伸,形成织物的经纱和炜纱。由于涂覆有FSM的 两个或更多个线以直角互相接触,则力感测元件可以在每个行和列电极的交叉点处形成。 在布的边缘,电阻元件使行和列电极互连,并利用导电材料创建连接到电子器件的连接,导 电材料以规定的间隔连接至力感测阵列的边缘。在这个设计中,电阻元件通常由印刷电阻 橡胶/涂料,或电阻线制成。该电阻线紧密缠绕或织绕在行线和列线上,以形成电连接。

[0453] 传感器阵列的透明性

[0454] 为了创建完全透明传感器,透明材料可用于力感测材料、导体和传感器阵列的各 种基板层。

[0455] 上面已经描述了透明力感测材料。透明导体可以包括例如铟锡氧化物(ITO)、碳纳 米管、石墨烯、银纳米线、细网铜和有机导体等材料。基板可以包括玻璃、柔性玻璃和聚合 物,如PET、聚酰亚胺或聚碳酸酯。

[0456] 可以创建与其非透明对应物相同的分流模式和直通模式配置,但所有包括的材料 为透明材料。一种用现有制造过程直接制备的值得注意的配置是分流模式菱形传感器图 案,其具有沿着多个行连接多个菱形的多个桥。见图61 (6100)。为了创建IFSA传感器,将在 顶部用透明力感测材料覆盖该图案。

[0457] 另外一种选择是创建部分地透明传感器。这可以通过多得多的标准材料和技术来 进行。例如,利用分流模式传感器,光可以透过该过孔,可以在力感测层中设置使光通过的 开口。可以利用不透明的电极在透明基板上制造直通模式的传感器,具有允许光通过的力 感测材料。光将能够透过电极和力感测材料中的缝隙。

[0458] 组装

[0459] IFSA传感器的最终组装包括将所述多个层层压或固定在一起。通常将压敏粘合剂 施加至各多个层的单个或多个周边。有源区通常不被施加粘合剂,因为在有源区,空气或一 些其他非导电流体(例如矿物油)是必要的,以用于力感测材料的操作。但是,在传感器的有 源区内可以设置多个小的粘合区,以防止顶层从底部剥离。通常设置空气缝隙/空气通道, 以使传感器内部和外部的空气压均衡。可以将过滤器加入空气缝隙/空气通道,以防止颗粒 或湿气进入有源区。也可以将传感器气密密封,用于在恶劣环境中操作。可将顶和/或底层 层压至其他层,如显示器、中框架或其他传感器。应该在干净的环境中,例如无尘室中进行 传感器的组装,以避免表面颗粒或其他污染物进入传感器,这可能导致不一致的性能。

[0460] 弯曲或柔性传感器

[0461] IFSA技术可用于以几个不同的方式创建弯曲或柔性传感器。可以使用用于电路的 柔性基板,例如聚酰亚胺(也称为的Kapton®)、PET或用于电路的聚碳酸酯,和使用用于FSM 的柔性材料来创建柔性传感器。

[0462] 为了创建永久弯曲的传感器,可以将柔性传感器层压至弯曲的刚性表面,或者开 始用平面传感器并将其模压入非平面/压到非平面上。还能够通过已知技术,如激光直接成 型技术(LDS),或通过3D打印,利用导电和绝缘材料直接在弯曲表面上制造传感器电极。在 分流模式传感器的情况下,可将力感测层预先模压至弯曲形状,可以由可变形材料,如模制 硅橡胶做出来。在这种情况下,可将力感测材料直接沉积至力感测层上,或模制为力感测 层。可替代地,整个力感测层可以由柔性/可变形FSM制成。

[0463] 存在很多希望传感器保持柔性的应用。例如,人们可能希望将传感器放置到柔性 手机/平板电脑中,手表或手镯的腕带,鞋的鞋底,或者衣服中。在这些情况下,创建在柔性 基板上的传感器可直接嵌入这种应用。他们也可以以与制造布类似的方式制造,如前所述。

[0464] 也可以将传感器设计为,使其可以弯曲/切割(不会损坏迹线),以环绕或折叠成复 杂形状。例如,可以通过在传感器图案上制作两个切口,并将边缘连接在一起(图62 (6200)),可以在IFSA传感器中覆盖一个机器人指尖。然手可以将这种形状层压或附着至机 器人指尖的表面。外侧可以涂敷橡胶外壳,以分配力并提供更柔软的触摸。在分流模式传感 器的情况中,橡胶外壳内部可以涂敷有FSM,从而可以直接作为力感测元件的一部分,或者 整个橡胶外壳可以浸渍有导电颗粒,从而其表现为与FSM类似。

[0465] 电子器件的细节

[0466] 用于扫描IFSA的电子器件由几种部件构成。这些部件是为了说明本发明的实施 例。对于读者应该清楚的是,在本公开的精神范围下,可以使用部件的组合和可替换的变 化。进一步地,一些部件可以结合在一起(例如,通过集成电路或ASIC),可以以软件的方式 实施,或者在不显著限制扫描传感器的能力的情况下,可以完全移除。

[0467] 电压源

[0468] 电压源的目的在于提供用于驱动IFSA传感器的恒定电压。有源电子器件,例如放 大器或线性/开关电压调节器可用于提供恒定电压。电压源可以是与用于驱动电路的数字 部分的电压源独立的源,或者可以是同一个源。还可以在电压源内构建一些限流能力,以防 止传感器吸取过多的电流。限流能力可以简单地利用固定电阻器实现,可以是设计入电压 源电路中的软限制,或者当达到一定电流水平时,可以实现为硬截止。也可以利用数字电路 实现限流能力。当微控制器检测到过流条件时,它可以决定关闭扫描,或者更改扫描软件的 状态,以减少功率消耗。

[0469] 可设置模拟线,其可用于监测电压源产生的电压。这可以用于检测和/或补偿由于 电流过大引起的电压降低。可以通过模拟电路进行这种补偿。一种方式为将电压供给至用 于扫描传感器的ADC的基准电压。可替代地,该补偿可以通过以下方式数字化地实现:使用 ADC测量由所述电压源产生的电压,然后将从传感器读出的值乘以所预期的驱动电压,除以 所测量的电压。

[0470] 驱动电路

[0471] 驱动电路的工作是驱动每个有源列电极使其接地,或者驱动至电压源提供的电压 水平。它通过连接至每个有源列电极的一系列的模拟/数字开关完成驱动。列开关也可以设 置有断开一个或多个列的能力(使它们处于高阻抗状态)。这可以用于多分辨率扫描。虽然 可以可以将控制顺序的一些方面自动化/预编程,但是通过控制逻辑实现驱动电路内的列 开关的控制。通常,在操过程中,一次仅将一个列驱动至电压源提供的电压,而所有其他的 列驱动至接地或断开(处于高阻抗状态)。在一个实施例中,驱动电路使用模拟开关连接列, 所述列驱动升高至电压源。在另一个实施例中,驱动电路可以使用数字开关,以执行相同的 功能。在另一种配置中,驱动电路可以包括集成电压源。集成电压源可以在所有列电极之间 共享,但是可以有多个电压源(多达每列一个)。

[0472] 感测电路

[0473] 感测电路类似于驱动电路,但是代替驱动行至特定电压,它或者将待测量的行连 接至外部电路或者将行接地。与列开关类似,行开关也可以设置有断开一个或多个行的能 力(使它们处于高阻抗状态),这可以用于多分辨率扫描。虽然可以可以将控制顺序的一些 方面自动化/预编程,但是通过控制逻辑实现感测电路内的行开关的控制。通常,在操过程 中,一次仅将一个行连接至外部电路。但是,为了允许更快的扫描,一些实施例可以具有多 个信号调节电路和/或ADC的多个副本。在这种情况下,感测电路也可以允许多个行同时连 接至外部电路。所有其他行通常接地或者断开(处于高阻抗状态)。

[0474] 感测电路可以具有其他的特征,以支持通过接触的低功率唤醒(如下一部分所 述)。同样地,因为驱动和感测电路在功能上如此类似,因此可以使用相同的设计实施。换句 话说,驱动电路和感测电路可以使用同一个芯片、ASIC或电路。驱动和/或感测电路也可以 设计为模块,其可支持一些固定数量的有源行/列电极。在给定实施例中,可以通过简单增 加这些模块的数量,可以支撑更多数量的行/列电极。

[0475] 信号调节电路

[0476] 信号调节电路获取来自感测电路的原始信号,并对其进行调节用于通过ADC读取。 为了增加由传感器产生的信号的线性,希望将被读取的行驱动到地电势。因此,大多数线性 信号调节电路将包括跨阻放大器,其将驱动输出至接地电势,而测量这样做的所必须的电 流量,并将该值供给至外部ADC。较不精确但更简单的测量电流的方法是简单使用接地的低 电阻值下拉电阻器,并测量电阻器两端的电压。在电压太低而不能被ADC读取时,可以放大 电压以使输出范围与ADC的范围匹配,并降低噪音。因为传感器自身已经具有接地电阻路径 (通过内插电阻器),即使对地电阻器可以被去掉,所得输出信号的线性度会更低。

[0477] 信号调节电路还可以包括滤波,以减少高频噪声。这可以采用无源滤波器(如RC低 通滤波器),有源滤波器(例如运算放大器的低通滤波器)的形式,或仅仅是接地电容的形式 (由于传感器本身可以提供RC滤波器中的R部)。

[0478] 放大器也可以用于从传感器获取相对高阻抗的信号,并将其转化为用于ADC的低 阻抗信号,或将来自传感器的低电压进行升压。可编程增益放大器可用于动态地调节感测 电路的灵敏性,如果电压对于ADC过高,可采用电阻分压器来降低电压。

[0479] 所有的这些不同的方法是已知的在将信号传送至ADC之前预调节信号的方式。这 些元件的特定选择和设置取决于所需传感器的精确度和精确度、复杂性、功率消耗、电路尺 寸和价格之间的权衡。可以省略信号调节部件,但是这将导致降低的传感器性能。注意到信 号调节电路可以是独立的电路,或者可以结合至传感测电路、ADC或其一部分可以在不同部 件之间被分解。

[0480] ADC

[0481] ADC (模拟-数字转换器)获取信号调节电路产生的电压水平,并将其转换为适用于 被微控制器处理的数字表达。通常,使用具有至少8位分辨率的逐次逼近寄存器(SAR) ADC。 更大的ADC分辨率导致更精确的位置和力的测量。ADC的转换速度同样重要,因为它通常是 传感器能够快速扫描多快的限制因素。如前所述,可以并行使用多个ADC (与多个调节电路 一起),以增加扫描速度。另一个影响传感器扫描速率的因素是传感器、驱动/感测电路、和 调节电路的稳定时间。在调节用于模拟输出电压的驱动或感测电路之后,必须给定足够的 时间以进行稳定。进一步地,ADC自身可能带有来自之前测量的电压的剩余电荷。必须给定 足够的采集时间用于ADC采集输入电压,特别是当如果输入到ADC的阻抗很高时。可替代地, 在每次采样之后,可以重新设置ADC采样电容器,以防止来自之前采样的任何剩余电荷。

[0482] 数字过滤技术可以用于改进ADC读取的信号的信噪比(SNR)。例如,可以利用例如 平均值方法将多个ADC读数结合,或通过如中值滤波器等滤波技术进行滤波,以减少噪音。 可采用转换到频域内的方式来检测所希望的频率或抑制不需要的频率。

[0483] 同样地,从ADC输出的数字电压也可以利用查找表或数学计算重新映射成不同值, 以将信号转化为更有用的范围,或补偿电气系统中的非线性。

[0484] 控制器

[0485] 控制器是进行扫描顺序、收集来自ADC的数字值、可选地处理这些值、并可选地将 信息通过IO接口,如I2C、SPI、UART、USB、蓝牙、Wi-Fi等输送到外部系统。包括电压源、驱动 电路、扫描电路、信号调节和/或ADC的扫描电路的部分可以结合入控制器中。控制器可以具 有程序存储器,其允许加载不同控制顺序/算法的编码,以改变系统的行为。此外,控制器可 以使用固定功能逻辑,以自动化/加速通常操作,例如扫描或处理从传感器读取的值。

[0486] 扫描细节

[0487] 除了先前描述的传感器的基本全分辨率扫描之外,还有几种其他扫描IFSA传感器 的方式,其允许在扫描速度、分辨率、精确度、功率和区域之间的权衡。这些其他方法中的一 些可以用于实施低功率唤醒模式,其中传感器可以处于非常低的功率状态,但是仍然检测 接触的存在,这可以用于唤醒系统,或触发至快速/高分辨率扫描状态的转换。这部分描述 了一些不同的方式,其中可以扫描IFSA传感器,并提到与这些方法相关的一些权衡。

[0488] 基本扫描

[0489] 前面描述的方法为最常见的扫描传感器的方式。它包括一次驱动一个列,对于被 驱动至高电平的每列,一次感测每列处的值。这样逐渐扫描每个有源行和每个有源列电极 的交叉点。当扫描在特定行/列交叉点处的传感器元件时,所有其他有源列和行电极接地, 形成围绕该列和行电极的内插区域,其是相邻的有源列和相邻行之间的距离的两倍(图34 (3400))。基本扫描所需的时间与有源行电极的数目与有源列电极的数目的乘积成正比。

[0490] 并行扫描

[0491] 并行扫描是基本扫描的变化,其改进了扫描速度,而不会牺牲分辨率。通过同时对 多行进行ADC转换,改进了扫描速度。为了这样做,需要在多行中需要信号调节和ADC电路并 行操作的多个实例。

[0492] 为了保持内插性能,在每对感测电极之间必须至少有一个接地的有源电极。但是, 在感测电子器件使感测电极接地的实施例中(如前所述,可以通过利用跨阻放大器将电极 拉低,或者使用具有低电阻值的下拉电阻器),当被扫描时,每个电极有效接地。这允许在极 限情况下同时扫描所有行。

[0493] 平行扫描的优点在于它可以极大提高扫描速度并降低扫描功率,因为扫描可以在 更短的时间内发生,用更短的时间为传感器供电。缺点是可能需要更多的电子器件来支持 该法方法。平行扫描所需的时间与有源行电极的数目乘以有源列电极的数目再除以被平行 感测的行数成正比。

[0494] 扫描速率

[0495] 扫描传感器的速率可动态降低,以减少功率消耗,或增加,以减少输入延迟。一种 减少功率消耗的方案是进行低速率扫描,例如每秒10帧,直至检测到接触,然后增加扫描速 率至较高速率,例如在检测到接触之后每秒60帧,然后在较高速率下继续扫描,直至所有的 接触移除。

[0496] 分辨率降低的扫描

[0497] 另一种可用于减少功率或增加扫描速度的方案是通过使一些有源电极进入到高 阻抗状态,有效地使它们从驱动和感测电路中电断开,动态地降低有源行和/或有源列电极 的分辨率。这不会显著降低可感测的接触的分辨率,因为断开的电极有效作为额外内插电 极起作用,但是会减少可分辨多个接触的距离。

[0498] 例如,可通过使每隔一行的有源行和有源列电极进入高阻抗状态,而将沿着X和Y 轴的分辨率减半。可通过使更多数目的行和列电极进入入高阻抗状态,进一步减少分辨率。 例如,为了将X和Y分辨率减少四分之一,可以将每隔三个有源电极保持电连接,这些电极之 间的每组的三个有源电极置于高阻抗状态。因为分辨率减少了,所以必须扫描的行/列连接 点数也相应减少。这减少了功率消耗,并增加了扫描速度。在一些情况下,人们可能希望设 置不同的行和列分辨率,或者设置在传感器的不同区具有不同的行和/或列分辨率。将这种 方法发挥到极致,得到具有最低分辨率的扫描,其中除了第一和最后列的所有列,以及除第 一和最后行的所有行都被置于高阻抗状态。在扫描过程中,本发明将先驱动第一列,接下来 驱动最后一列,同时感测每个供电列的第一行和最后一行。总共将仅收集4个ADC值。利用这 些值,本发明将能够计算所有触摸的平均X和Y位置,以及所有触摸的总的力。

[0499] 虽然本发明通过进行这种类型的扫描放弃了多个触摸感测的能力,但是本发明获 得快的令人难以置信的扫描能力,具有非常小的功率消耗,这对于如下情况非常有用:有非 常快的事件需要被检测或其中电源处于节省状态,例如电池供电装置中。

[0500]多分辨率扫描

[0501] 因为可动态改变扫描分辨率,所以能够以有趣的方式结合多种分辨率的多种扫 描。例如,能够重叠多个低分辨率扫描(通过在X和Y上不同量进行偏移),以创建高分辨率最 终力图像。低分辨率扫描也可以用于启用唤醒模式,其中在较低分辨率扫描传感器,装置检 测到触摸,然后分辨率增加至准确地确定接触的位置。也可以先进行低分辨率扫描,然后通 过在检测触摸的区域进行较高的分辨率扫描来改进扫描。这种方法具有结合电源效率和低 分辨率扫描的高速度与全分辨率扫描的精确度的优点。

[0502] 窗口区域扫描

[0503] 当事先已知接触位置时,或者仅仅对传感器区域的一部分上的接触感兴趣时,能 够通过近简单迭代感兴趣的行和列,来进行小窗口扫描,而非扫描整个传感器。该窗口可以 动态移动和/或调整尺寸,以追踪接触,且甚至可以存在多个窗口,可以同时在传感器的不 同、可能重叠的位置扫描这些窗口。

[0504] 一维和零维扫描

[0505] 前面所述的所有扫描方法扫描传感器行/列交叉点的网格。但是,当仅需检测接触 是否发生而不管位置时,或者仅在一个维度上跟踪接触时,能够进行更快的扫描。完成这种 扫描的一种方式是对所有列供电,然后一次感测一行。这将仅提供触摸的Y位置,但会减少 所需要获取的读数的数量,将该数量减少到传感器中的有源行的数量。这样可以与前面所 述的分辨率降低的扫描理念结合,从而以降低Y分辨率为代价来减少需要感测的有源行的 数目。

[0506] 一种替换的方式将所有行接地,并一次对一个列供电。供电有源列电极上或附近 的触摸将使来自电压源的电流流增加。一种测量这种增加的电流的方式是通过将小值电阻 器放置在电压源和驱动电子器件之间,并在电阻器两端上进行电压的差分电压测量。

[0507] 可替代地,在当提供增加的电流时,电压源电压降低的情况下,本发明可以通过电 压源测量电压输出的降低。这样做将仅提供接触的X位置,并且会减少所需要获取的读数的 数量,将该数量减少到传感器中的有源列的数量。这也可以与前面所述的分辨率降低的扫 描理念结合,从而以降低X分辨率为代价来减少需要感测的有源列的数目。

[0508] 进一步地,能够使整个传感器作为一个巨大的压敏按钮起作用,来做到这一点的 一种方式为通过更改感测电子器件,以使所有的行电连接至单个模拟输入。通过对所有的 列供电,并同时感测所有的行,整个传感器变成一个巨大的压敏按钮。或者,本发明可以对 所有列供电,并将所有行接地,并简单测量流入列电极的电流流的增加,或者供电列的电压 的电压降。另一种来做到这一点的方式为电连接至力感测材料(这在力感测材料是连续的 情况下效果最好)。然后这形成一个电极,而所有的行和列形成第二电极。在这种情况下,本 发明可以将所有行和列电极接地,对FSM供电,并测量流过该连接而流至FSM的连接的电流, 或者连接至FSM的电连接的电压降的量。

[0509] 这三种方案可能有很多其他变化。例如,利用所有这些方法,本发明可以翻转极性 (对接地的供电,并对供电的接地),且仍获得相同结果。也能够测量任意电路中的任一侧的 电流/电压改变,且本发明可以测量接地线上的电流/电压改变,而非供电线上的电流/电压 改变,反之亦然。

[0510] 总之,所有的这些方法将传感器转化为线性位置传感器或单一压敏按钮,其极大 地减少了扫描时间,并增加了扫描速度,而牺牲了获取二维力图像的能力。当想要低功率唤 醒时,这些方法,特别是将整个传感器转化为单一压敏按钮的方法是有用的。例如,在电池 供电装置中,当该装置一段时间未被触摸时,本发明可能想要该装置进入低功率状态。在这 种情况下,本发明可以将电路配置为,使本发明可以读取单个电子线路或少数电子线路的 值,以确定是否在传感器上的任何位置处发生了触摸。进一步地,可将该信号送入硬件唤 醒比较线,以在没有任何软件介入时发生唤醒,当传感器一段时间没有被使用时,允许处 理单元完全关闭,并当接触发生时,立即唤醒。

[0511] 处理细节

[0512] 在需要接触追踪的应用中,在获取力图像之后,控制器通常处理图像,以检测和追 踪位于传感器上的局部的力区域的接触。以下步骤可用于检测和追踪接触。

[0513] 归一化

[0514] 在基线校正步骤(稍后描述)之前或之后,可能希望将输入值重新调节至已知比 例。例如,可能希望采集来自传感器的原始ADC值,并将其映射至已知力,如若干克。这可以 通过查找表,或使用数学等式来实现。校准步骤可以在制造时使用,或者在被请求时用于重 新校准映射。校准可以是整体的(应用至整个传感器),或者在传感器的不同位置进行。在后 一种情况,校准值可平滑地内插到整个传感器,假设整个传感器表面上的变化是渐进的。

[0515] 基线减法(baseline subtraction)

[0516] 基线减法步骤的目的是消除非零压力区,其可能是由于传感器中的瑕疵、装置组 件中的瑕疵或持续地压力点,如有物体放在传感器上引起的。基线减法算法一次处理力图 像中的数据的一个像素。对于这些像素中的每一个,它存储基线值,将其从每个帧处的力图 像中减去。通常,基线是在传感器被接通之后,通过从传感器的第一次扫描读取的值设置 的。然后基线可以根据当前在特定传感器位置基线值和当前力传感器读数,实时更新。通 常,将基线更新为介于当前基线值和当前传感器读数的值之间的某个值。如果每帧基线值 中的增加/减少量是固定的,那么基线将以恒定速率随时间变化。或者,可以将每帧的增加/ 减少速率设置为当前压力读数和当前基线值之差的百分比。在这种情况下,如果差值更大, 那么基线将改变越快,当差值越小,改变越慢。可以设置改变的速率,以控制速率,在此速率 处消除了力分布的改变。

[0517] 在这些应用中,本发明可能想要在每个传感器元件处的基线值的改变速度不同, 取决于基线是在增大还是在减小。这是因为经常希望基线缓慢增加,并快速减少,从而如果 用户按住传感器一段时间,基线将缓慢增加,防止中断未来测量的可能性。进一步地,如果 基线减少的速度比增加的速度快,当用户释放传感器上的触摸时,基线将能够更快速返回 至正常。

[0518] 斑点(blob)检测

[0519] 通常,在处理压力分布中,基线校正之后的步骤是斑点检测。斑点检测利用逐行或 逐列处理力分布的算法,以发现具有非零压力的压力点的连接区,并对它们分配唯一的标 识符。对于每个斑点,计算例如形心的(Χ,γ)位置、面积、总的力、压力和匹配椭圆形状的统 计数据。

[0520] 峰值分离

[0521] 峰的分离是可用于进一步细分具有多于一个的压力峰的斑点的可选步骤。通过在 每个斑点中发现峰来开始峰的分离。接下来,进行宽度优先搜索或算法,例如用于每个峰周 围的像素的分水岭算法,其中只采用了这些步骤:所述步骤是针对具有较低力值的、并且不 是其他斑点的一部分的像素。这有效地分离了围绕每个峰的区域,并且还允许发现相邻的 峰。可以计算用于峰的统计数据,其与那些为斑点定义的统计数据相类似。

[0522] 可以利用多种算法合适地根据需要分离或合并峰。例如,人们经常希望分割由两 个靠近的手指形成的峰,从而可独立追踪手指。同时,经常希望合并由用户手掌的不同凸点 形成峰,以将整个手掌作为一个物体来追踪。

[0523] 根据应用和实际情况,本发明可以选择进行斑点检测,峰值分离或两种算法结合 起来检测触摸。在本发明不感兴趣的追踪触摸的情况下,本发明可能两种算法都不执行,而 是简单地向用户报告从传感器读取的力阵列的读数。

[0524] 位置补偿

[0525] 因为在传感器中可能存在固有的非线性,一旦本发明具有用于斑点、峰或接触的 坐标,可能希望对于非线性施加补偿,以提高追踪精确性。补偿基本上是一系列的(Χ,γ)位 置偏移,其随传感器中的位置而变化。

[0526] 可以在设计或制造传感器时,通过实验测量或数学上预先计算这些偏移,并将其 存储至传感器的存储器中。补偿将获取一个输入(Χ,Υ)位置,并将其重新映射到附近输出 (Χ,γ)位置。补偿也可以考虑其他因素,例如接触的力和面积,以进行更精确的调节。它也可 以适用一些接触,而不适用其他接触。例如,如果用户用尖笔在传感器上书写,本发明可能 想要施加补偿,以获得最高精度。但是,如果用户用手掌接触传感器时,本发明可能不会选 择施加补偿,因为本发明可能不会关心手掌位置的精度,因为这种类型的接触相对大和不 准确。

[0527] 接触追踪

[0528] 为了使软件明白随时间变化的触摸,有必要在连续帧之间追踪触摸。为了接触追 踪步骤,本发明将来自新的帧的接触与来自旧的帧中的接触反复进行匹配。通常,接触形心 之间的(Χ,Υ)距离是用于进行匹配的关键指标。每次一对接触匹配时,将新的帧中的接触给 定旧的帧中的接触的ID,并产生“接触移动”事件。在新的帧中检测的任何接触(没有在旧的 帧中)作为新的接触,并给定新的ID,产生“接触开始”事件。在旧的帧中的、但没有在新的帧 中发现的任何接触产生“接触终止”事件,ID也随之被收回。

[0529] 接触追踪算法的结果可以反馈至峰的分离算法。通过这样做,本发明可以避免在 由于噪音、传感器的变化、和/或接触的力分布的非平滑导致的假峰出现,触摸的不合逻辑 地出现/消失。该信息也有助于峰值的分离算法确定应该分离或合并哪个峰。例如,在峰值 分离算法中,如果本发明已经在前一个帧中检测到接触,本发明可能偏向峰的分离算法,以 试图在下一帧中找到对应于该触摸的峰,如果在前一个帧中的特定位置不存在接触,本发 明可能偏置峰检测,不去发现下一个帧中该位置的峰,或者将其并入下一个峰。但是这种反 馈步骤必须仔细实施,以避免追踪已经消失的触摸的情况,或者新的触摸由于此前没有被 看到而不检测的情况。

[0530] 与外部部件的通信

[0531] 通常,外部硬件和/或软件部件对于接收力图像、接触事件或二者都感兴趣。通信 接口操控传感器的配置,和力图像的发送和/或接触事件。通常,通信开始于握手,其给予外 部部件关于传感器的信息,例如其版本、尺寸、感测的力的范围、能力等,并建立传感器的操 作参数。然后,外部部件创建他们所需要的信息。接下来,创建数据流,该数据流以预定帧速 率或在预定事件发生时,发送来自传感器的信息流。这种配置继续,直至外部硬件和/或软 件要求终止数据流或改变流的特征,例如帧速率、分辨率、发送何种数据等,或者连接被中 断时。

[0532] 其他实施例

[0533] 有源内插电子器件

[0534] 能够使用有源电子器件(由晶体管、运算放大器等)创建驱动侧的电压的线性衰 减,以及感测侧的电流的线性分流,而不使用电阻器沿着行和/或列创建内插性能。有源电 子器件的优点在于有能力减少或消除如前所述的非线性内插行为,这是由于通过传感器元 件的电流流产生的驱动和感测电极上的电势的改变导致的。有源电子器件可以在每列/行 的基础上被实现,或者可以创建在一系列行或列上进行内插的的专用电路。例如,IC可以设 计为连接至每对相邻有源电极,并也可以连接至有源电极对之间的每个内插电阻器,并在 电极组上创建内插性能(电压衰减或电流分流)。

[0535] 用于在驱动侧创建内插性能的有源电子器件可以由电阻分压器电路(与内插电阻 器类似)和一系列的运算放大器构成,运算放大器可配置为电压跟随器,以在其输出端产生 相同的电压。运算放大器的输出端连接至驱动电极(有源和内插)。电阻分压器将以这种方 式与传感器阵列的输出端电绝缘,消除由于流过传感器元件的电流产生的非线性。

[0536] 用于在感测侧创建内插性能的有源电子器件可以由一系列连接至感测电极(有源 和内插)的跨阻放大器制成。每个跨阻放大器将试图使其连接的感测电极保持接地电势。在 其输出端,它将产生于流过感测电极的电流成正比的电压。可利用平均电路将连接至感测 电极的跨阻放大器的输出电压进行平均,其中不同电极的贡献权重不同,以创建灵敏度的 线性衰减。另一种实现感测侧的方式是使用跨阻放大器,其在每个感测电极处接入跨导放 大器。然后跨导放大器的输出送入一系列与普通IFSA传感器中所找到的内插电阻器类似的 内插电阻器中。这种可以描述为电流镜的组合将在两个放大器的输出端产生电流,其与通 过连接的感测电极的电流成正比,但是感测电极将保持接地电势,从而消除了非线性。

[0537] 部分内插的力传感器阵列

[0538] 虽然目前所述实施例在每对行和列电极之间实现内插,但是可以存在这种应用, 其中优选将具有内插的传感器区与没有内插的传感器区混合,或者沿着一个传感器轴而不 沿其他轴进行内插。

[0539] 在一个实施例中,能够仅在行或仅在列上具有内插电阻器。这将沿着一个轴而不 沿其他轴创建内插,用于仅需要在一个轴上提高经内插设置的驱动/感测电子器件的检测 感测精确度或者减少的数量的应用。

[0540] 在另一个实施例中,能够省略一些相邻列队或一些相邻行对之间的内插电阻器。 这将具有分裂发生内插的区域的效果,创建彼此接近的分离的内插传感器区。在这种设计 中,在内插电阻器中“断开”的任一侧的电极将优选为有源电极,从而可以一路扫描每个独 立的内插区至其边缘。

[0541] 非内插力感测阵列

[0542] 对于所有所述的分流模式和直通模式传感器结构,也能够进行非内插扫描。在这 种情况下,将不存在内插电阻器。相反,复路电路将允许驱动和感测电路电子器件连接任何 电极。换句话说,所有的电极时非内插的。该复用电子器件也可以允许同时连接至多个电极 (用于较低分辨率和多分辨率扫描模式)。

[0543] 利用这种方法,能够更精确的测量接触的位置,进行多接触的更好地消岐,并更好 地计算接触面积。对于涉及尖笔和手指的应用,能够通过测量接触面积区分尖笔与手指对 传感器的触摸。

[0544] 进一步地,复路电子器件可以设计为使其在内插模式和非内插模式之间切换。在 内插模式中,仅电极的子集被连接至驱动/感测电子器件,剩余的电极将通过内插电阻器如 同在正常IFSA中一样连接。在非内插模式,所有电极将连接至驱动/感测电子器件。这将使 应用可以利用内插传感器的功率、性能和速度优点,以及非内插传感器的增加的分辨率。

[0545] IFSA与其他部件的集成(6300) - (6400)

[0546] 柔性覆盖层(Overlays)和支撑层(underlays)

[0547] IFSA传感器的内插性能允许增加传感器相对于驱动电子器件而的分辨率的能力。 对于追踪物体,例如手指,其通常比感测元件/电极之间的距离更大,这种方法产生非常精 确的追踪。但是,对于例如尖笔之类的物体,接触面积的尺寸可能比感测电极之间的距离小 很多。在这种情况下,当尖笔在IFSA传感器上移动时,可能存在最终尖笔变得不连续的区域 (临近传感器元件的中心)。

[0548] 为了改进对这种物体的追踪性能,本发明可以在传感器上添加薄的柔性可压缩 层。该层将允许物体轻轻压进层内,增加接触的表面积,从而产生更连续的追踪响应。为了 进一步对此进行说明,假设本发明试图使用带有1.25毫米直径尖端的尖笔,本发明使用的 传感器具有在临近传感器元件之间大致Imm间距(0.25mm-2.5mm)。如果传感器直接与尖笔 接触,仅产生一个接触点,传感器将仅能够告知哪个传感器元件被触摸,但是不能告知尖笔 位于传感器元件之间的何处。现在,如果本发明在传感器的顶部添加厚度为0.625毫米的柔 性材料,并用尖笔触摸该柔性材料,那么尖笔将能够轻轻压入柔性材料内。当它压入材料内 时,接触的表面积将增加至直径大致为1.25mm。现在,随着尖笔在表面上移动,它将一直激 活多于一个传感器元件。结果,本发明将能够在显著高于传感器元件之间的Imm间距的分辨 率下追踪尖笔。

[0549] 这种方法仅有的缺点是柔性层可能难以书写,由于增加的摩擦力。为了解决这个 问题,本发明可以将另一个薄的纹理层放置在柔性层顶部,以改进表面触感。在另一个实施 例中,本发明也可以将柔性层添加至传感器下方,获得增加尖笔的接触面积的相同效果。

[0550] 显示器的集成

[0551] IFSA传感器可以与显示器集成,以创建接触显示器。可以将透明形式的传感器覆 盖在显示器的顶部。不透明形式的传感器可以放置于显示器下方。可能的显示器类型包括 0LED、电泳显示器(如电子纸显示器)、IXD和反射型液晶显示器。在所有这些组合中,必须小 心防止凸点或颗粒留在层之间,因为这些颗粒可能造成降低传感器精确度的不同压力。

[0552] 今天,大部分的显示器创建在刚性基板顶部,如玻璃。但是,刚性显示器可能不能 很好地传递力,以允许精确的接触。因此,优选使用柔性显示器。有利地,这些显示器技术也 可以在柔性基板上制造,例如柔性聚合物膜或柔性玻璃,创造柔性显示器。当覆盖在IFSA传 感器上时,这些柔性显示器对IFSA传感器性能的影响为最低。

[0553] 也可以将IFSA感测技术结合至显示器自身的层中。例如,可将IFSA的电极与显示 器,如IXD显示器的电极并置,并将FSM与显示器的一些其它层并置,如滤色器/偏光器。作为 另一个实施例,能够将透明IFSA放置在IXD的TFT面板与背光照明源之间。

[0554] 在希望将显示器直接放置在分流模式IFSA传感器的顶部的情况下,能够使显示器 作为顶层。这样做,可以直接用已描述的任何FSM材料,例如印刷碳墨水涂敷显示器的底侧。 可替代地,可以将FSM材料,例如碳浸渍膜层压、粘合或熔合至显示器的底侧。同样,能够创 建在其底层浸渍有FSM的显示器基板,从而不需要对显示器底部进行额外的印刷/层压步 骤。在所有这些例子中,显示器都作为IFSA的顶层,必须将显示器简单地放置在具有分流模 式电极图案的层顶部,以创建组合的显示器+IFSA传感器。可替代地,显示器基板的底部可 以作为直通模式传感器的顶层或者作为分流模式传感器的底层(含有电极)。所有这些选项 的优点是能够增加产率、降低成本和减少整体厚度。

[0555] 显示器堆栈中的各层也可以设计为是柔性的,以提高前面部分所述的尖笔追踪的 分辨率。例如,在具有前光和背光的显示器中,有可能选择柔性且透明的光传输材料,如硅 橡胶。在这种情况下,前光/背光将有助于创建在传感器上创建更好的力分布,提高追踪精 确性。或者,这种方法可通过软化意外的冲击,有助于改进显示器和传感器的可靠性。

[0556] 与其他感测技术的结合

[0557] IFSA传感器可以与其他类型的感测技术结合,这些感测技术包括:电容、电磁共振 (EMR)、光学、声学等。图63 (6300) -64 (6400)描述了一些可能的传感器和显示器组合。下面 详述了 IFSA可以与这些感测技术结合的一些方式。

[0558] 电容式触摸

[0559] 电容式触摸传感器可以覆盖在IFSA传感器顶部。IFSA传感器的行和/或列甚至可 以两用,作为电容式传感器上的行/列线。这种配置用于提高系统对非常轻的接触的灵敏 度。电容式传感器还可以用于检测IFSA传感器(它也可以用于检测接近传感器的手掌、手、 脸或其他身体部位/导电物体的接近度)上方的手指“悬停”/“接近”。这种配置的另一个优 点是,它有可能将导电物体(例如手指)与非导电物体(例如塑料尖笔)区分开。

[0560] 这是因为导电物体同时具有力标志(通过IFSA传感器)和电容标志(通过电容式传 感器),而非导电物体仅有力标志,不能被电容式传感器识别。进一步地,可能使用电容式传 感器与IFSA组合的信号,来改进整体感测精确度和/或性能。

[0561] 因为IFSA传感器可以操作精确接触追踪,所以可以降低电容式传感器的复杂性和 成本,且可以调节电容式传感器,用于悬停/接近检测,而不是接触检测,以实现悬停(通过 电容式触摸传感器)和接触和力感测(通过IFSA力传感器)。

[0562] 因为电容式传感器可以在IFSA传感器感测到接触之前而感测到接触,所以电容式 传感器也可以用作唤醒源。这将允许当电容式传感器启用时通过关闭IFSA传感器,节省功 率。相反,IFSA传感器可用于校准电容式传感器。当“接触开始”或“接触终止”事件记录在 IFSA上时,电容式传感器可使用这些事件校准其接触灵敏度。这样,可在运行时动态地微调 电容式传感器的测量悬停距离/接近的能力。

[0563] 可以使用互电容式和自电容式电容式传感器。互电容式传感器由一组行和列电极 构成,在每列和行的交叉点形成电容器。可以通过电容感测电子器件测量这些电容器中的 每个,以创建电容值网格。手指的存在创建了接地的电容耦合,其导致行和列电极之间测量 的电容的下降。自电容传感器由一个或多个电容“焊盘”构成。每个具有连接至感测电子器 件的连接点。在自电容传感器中,测量每个焊盘的接地电容。当手指靠近时,该电容增加。互 电容式传感器通常更精确,但是在更小的范围操作,并更容易受到电噪音的影响。自电容式 传感器通常精确度差些(因为难以创建高分辨率网格),但是可以在更大的范围操作,且通 常不易受到电噪音的影响。二者都可以与IFSA—起使用。

[0564] 因为可以在与IFSA传感器类似的基板上制造电容式触摸传感器,所以有可能将电 容式触摸传感器层的一些或全部层图案化至IFSA传感器的未使用侧。例如,在直通模式 IFSA传感器中,可能将一组电容式触摸传感器电极图案化至顶部基板的顶侧,并将顶部基 板的底层的电极用作IFSA和电容式触摸驱动电极使用。在分流模式IFSA传感器中,可能将 一组电容式接触电极或区域图案化至力感测层的顶部。

[0565] 在一个配置中,IFSA传感器自身的FSM可用作电容式触摸传感器。在这种配置中, 将制作连接至FSM的一个或多个连接点,传感器将在电容感测模式和力感测模式之间切换。 这将有效地将FSM转化为自电容式传感器,这有利于检测悬停/接近。在电容感测模式中, IFSA电极可以接地/浮动,允许检测FSM的电容而不受到IFSA行/列电极的影响。在力感测模 式中,可以断开FSM(或者置于高阻抗状态),并可照常扫描IFSA。

[0566] 在另一种配置中,IFSA的电极可用于创建互电容式传感器。在这种情况下,同一传 感器可同时用于电容感测和电阻感测两者。这种方法通过电容扫描模式实现轻触摸和悬 停/接近感测,以及通过电阻IFSA扫描模式实现更准确、更高的压力感测。这种配置中主要 的问题是FSM可能阻断某些电场。为了防止这点,可将FSM设计为对传感器的电容场的某些 部分是透明的。或者,在分流模式IFSA中,整个传感器可以翻转倒置,从而具有电极的侧变 成接近用户的一侧,从而完全避免这个问题。

[0567] 用于电容感测和电阻感测两者的电极在使用方面的另一个困难是内插电阻器可 能干扰电容测量。为了避免这个问题,本发明可以用电感部件(例如铁氧体芯片式电感器) 替换内插电阻器。在低频率时(力感测扫描),这些可以作为电阻器其作用。在高频率时(电 容扫描),这些可以增加其阻抗并阻碍电容信号通过。另外一种方法是使用小IC代替相邻有 源线之间的电阻网格。IC可在电阻模式与电容模式之间切换,在电阻模式,内插线通过电阻 器彼此挂接,在电容模式,内插线彼此断开,或者每个有源线连接至几个相邻的内插线。在 所有这些情况下,本发明可以保持电阻扫描的高分辨率和内插。在电容扫描模式中,扫描分 辨率可以降低返回至有源线分辨率。这种方法的另一个挑战是,FSM的存在可能干扰电容扫 描。幸运的是,当用户不接触或仅轻轻接触时,FSM的电阻是高的。从而,将最低限度地影响 电容扫描模式。进一步地,本发明可在传感器的不同区域,在电阻和电容模式之间进行切 换。在没有检测到接触的区域,将扫描切换至电容模式。在检测到接触的区域,将扫描模式 切换到电阻模式。

[0568] 在希望结合电容接触、IFSA和显示器的情况下,也可以将显示器放置在透明的电 容触摸传感器和不透明的IFSA传感器之间,创建具有电容接触的悬停和轻触摸能力以及 IFSA的精确度和力灵敏度触摸显示器。

[0569] 也可能使用透明IFSAs的其他配置,其中电容式传感器和IFSA传感器(或结合这两 种元件的传感器)放置在显示器的顶部。

[0570] 磁性/电磁感测

[0571] 因为IFSA传感器对磁场是透明的,所以有可能将电磁传感器,例如电磁感应(EMR) 传感器(经常用于尖笔的追踪)放置在IFSA传感器下方,并穿透其进行感测。还有可能将 RFID/NFC读取器/写入器线圈放置在传感器下方,因为RFID/NFC以类似的方式将电磁脉冲 发送给RFID/NFC标签/收发器。因为磁场可用于传输电力,它也能够利用IFSA传感器下方的 线圈将电力传输给附近装置。实际上,所有这些技术(EMR、RFID、NFC和无线电)可以结合,因 为它们都是用一个或多个导电线圈产生电磁场。在本节的剩余部分,本发明将涉及EMR/ RFID/NFC感测技术,如仅有EMR感测。

[0572] 通过结合EMR感测与IFSA,有可能不仅检测传感器顶部的物体的位置和力,还有可 能唯一地识别具有EMR/RFID/NFC标签/收发器的物体。还有可能在物体和传感器之间传输 电力或数据。这些物体可以包括鼠标、键盘、按钮、滑块、旋钮、尖笔、甚至是手机和平板电 脑。通过将多个EMR/RFID/NFC收发器放置入这些物体中,变得有可能不仅能够感测位置,还 能感测物体的方位(例如,对于尖笔,如果将收发器放入尖端和橡皮擦两侧,那么能够告知 用户是在写或在擦)。

[0573] 同样地,能够将结合来自IFSA传感器和EMR传感器的信息,以提取额外信息。在尖 笔的情况下,例如,通过比较尖笔接触的位置与EMR收发器的位置,能够确定尖笔的倾斜角 度。还可能结合EMR传感器和IFSA传感器的信号,以改进整体精确度和/或性能。这是可能 的,因为EMR传感器可能具有更好的“相对”追踪性能(换句话说,它可能能够更好地测量位 置的小变化),而IFSA传感器可能具有更好的“绝对”追踪能力(换句话说,它可以更准确的 评估物体的位置,但是可能不能准确地测量非常小的位移)。这是因为EMR传感器可能受到 含铁物体和外部磁场的存在影响,IFSA传感器通常不会被铁磁体和外磁场的存在影响。

[0574] 因为通常在PCB层上制造EMR传感器,所以能够结合用于IFSA传感器的底部PCB与 用于EMR传感器的PCB,创建具有两种功能的3-4层P⑶。另外一种结合IFSA传感器与EMR传感 器的方式是将EMR传感器(含有行或列磁线圈)的一部分图案化至IFSA传感器的一个未使用 侦L并将EMR传感器的另一部分图案化至IFSA传感器的另一个未使用侧上。这在顶部和顶部 基板都具有一个未使用侧的直通模式IFSA传感器中最容易完成。

[0575] 结合有IFSA和EMR的传感器也可以放置在显示器的下方,以创建EMR允许的附加功 能的触屏,因为显示器不会阻挡EMR信号和IFSA信号。或者,能够将透明IFSA传感器放置在 显示器上方,同时将EMR传感器放置在显示器下方。

[0576] 光感测

[0577] 已经证明光感测技术可以在光学上追踪手指或物体。这些技术中的一些通过发射 光束穿过表面,并当一个或多个光束被中断时进行检测。其他使用发射器和接收器的阵列, 并检测用户反弹的光。这种类型的传感器也可以结合入显示器中,例如OLED或LCD显示器。 其他技术使用摄像机,以查看用户手的位置。同样地,展示了各种巧妙的设计,其可以将这 些类型的传感器的光学路径压缩至薄膜内,甚至显示器背光中。

[0578] 可以通过将IFSA放置在光学传感器下方或者将透明IFSA放置在光学传感器的上 方,来将IFSA感测技术与多种这些光感测技术结合。所述光感测技术中的一些擅长感测悬 置和接近,但是当触摸实际上接触到表面时不能准确地检测,或是不能准确地检测触摸力。 这在室外环境中尤为如此,其中明亮的阳光可能干扰光学传感器操作。IFSA传感器和光学 传感器的输出可以结合,以创建一个组合,该组合更强大,能够追踪接触表面上方的物体, 精确地检测与表面的接触,并测量施加至表面的力。

[0579] 电容、电磁和光学传感器的组合

[0580] 可以将所有四种技术(IFSA、EMR、电容和光接触)结合,在一个单一传感器上得到 这些技术(力感测、悬置和轻接触、EMR/NFC/RFID收发器的跟踪/供电)的所有特征。如前所 述,这些传感器可以共用层叠结构中的各层,以降低成本和厚度。这些也可以与显示器结 合,创建新的用户界面、硬件装置和独特的用户体验。

[0581] 特征和优点

[0582] 除了具有高精确度、可扩展至大尺寸和每次接触的力灵敏度之外,本发明还具有 很多其他理想特征。首先,基于本发明的传感器对于电噪音不敏感,因此它们不需要明显的 电屏蔽,可以在很多环境中强大地操作。这也减少了滤波的量以及减少了必须对信号进行 的后处理,从而降低了模拟电路和过滤算法的复杂性,并降低了功率消耗。

[0583] 本发明的传感器提供了高动态范围的力的灵敏度,其中从每个触摸的力从几克至 几千克。不像电容式传感器,本发明的传感器可以感测任何物体,例如塑料尖笔,而不仅仅 是导电物体,例如人的手指。它还可以感测带有手套或具有非常粗糙的皮肤的用户的手指。

[0584] 本发明极大地简化了设计过程。可以分别控制本发明传感器的触摸分离分辨率和 触摸追踪分辨率,并可容易地转化为特定应用的需要。对于给定的传感器配置,可以增加或 减少尺寸,而不改变传感器的特性,从而特定传感器设计可以应用于广泛的产品,减少设计 成本以及上市时间。进一步地,甚至可以在不改变传感器性能的前提下,改变本发明的传感 器的形状。例如,可容易地将矩形传感器设计更改为圆形、椭圆形、圆环形、花生形传感器, 可以映射到二维表面的任何其他形状。更改的传感器将具有与原始矩形传感器设计相同的 性能(包括接触追踪精确性和力灵敏度)。

[0585] 本发明的传感器可以绕非平坦表面卷绕,并甚至可以利用各种不同制造方法直接 在装置的外表面上制造。传感器甚至可以结合入纺织品和软材料中。

[0586] 可以利用简单的制造过程制造本发明的传感器,该制造过程包括标准刚性或标准 柔性印刷电路板(PCB)制造方法,通常涉及精制过程或印刷电子器件(PE)的方法(涉及利用 加成工艺印刷导电墨水)。在刚性或柔性PCB上创建传感器的一个主要优点是利用标准过 程,如SMT (表面安装),将所有的感测电子器件(以及其他电子器件)可直接连接至与传感器 自身相同的同一PCB基板。电子器件可以与传感器放置在同一表面,或者可以安装在传感器 表面的背面。此外,一些部件(例如电阻器)甚至可以嵌入传感器基板中。可替代地,传感器 可以添加至预先存在的电路板设计中,其除作为传感器之外,可以具有其他功能。例如,可 以采用TV遥控器或游戏控制器PCB (其已经具有带有离散按钮的PCB)、微控制器、接收器和 其他电路,并将IFSA传感器区添加至同一PCB,同时产生最小的设计改变。

[0587] 扫描电子器件不需要任何外部部件,可通过现有的部件或通过专用集成电路 (ASIC)来创建。在一些情况下,可利用单个微控制器和一些小的便宜的分立元件(例如电阻 器或电容器)实施扫描电子器件。

[0588] 与其他触摸技术相比,本发明的技术本质上低功耗,并支持多种进一步减少功率 的方法。例如,本发明支持多分辨率扫描,这允许用户或者使用传感器的软件减少扫描分辨 率,同时增加扫描速度和减少功率消耗。传感器的设计也支持具有减少功能的较低的功率 模式,其可检测单个或多个接触的存在和/或粗略位置,而不进行传感器的全扫描。本发明 支持非常快速的帧率,用于需要快速反馈或响应的应用,例如乐器。

[0589] 最后,本发明是强大的,并可以设计为耐受消费者、军工、汽车和工业电子器件的 严格的环保要求。因为它感测力而非电容改变,所以它可以在水或其他流体存在下操作,并 可以气密密封,以使在水下或在最恶劣的环境中起作用。

[0590] 示例的应用背景

[0591] 本发明的传感器可用于很多不同应用中。这些应用落入以下类别中,包括:通常目 的的多接触输入、替换更简单的离散控制件,例如按钮或滑块,以及测量压力分布。在第一 种类别中,应用为例如手机、平板电脑、笔记本电脑、显示器触控面板、手写板(writing pads)、数位板、签名板、跟踪垫、和游戏控制器。在第二种类别中,应用为玩具、乐器(如电钢 琴、鼓、吉他和键盘)、数码相机、手动工具、并取代汽车和其他车辆上的仪表板控制。在第三 种类别中,应用为科学/工业测量(例如测量表面的形状或平坦度),医疗测量(例如测量人 的双脚的压力分布或人的双脚在床上的移动),和机器人应用(例如,用传感器来涂覆机器 人,给它感觉触感和接触的能力)。

[0592] 进一步地,还有很多超出上述列举的范围的其他应用,很多应用可以在不同的模 式使用传感器。例如,在一些应用中,传感器可用作通用输入,一组简单的控制件,例如按钮 或滑块,或者作为区域压力传感器。这些不同的用途可以是同时的,也可以是在时间上被分 离,或者可以在空间上被分离(传感器的不同区域表现为不同方式)。更重要的是,可以以软 件方式实现传感器的不同用途,给予设计者/开发者使用传感器的方式上的令人难以置信 的灵活度。

[0593] 在用户界面应用中,本发明的传感器非常有用,因为他们可以区分轻接触和压力。 在直接操作界面,如智能手机或平板电脑,当用户将其手指从一个区移动至另一个区、滚 动、滑动、或者想要了解一个屏幕项目的更多信息时,他们经常使用轻接触。重触摸可用于 拖动、选择、激活和参与控制。进一步地,不同程度的重接触可用于调节相互交流的强度/幅 度。在间接操控的应用中,例如跟踪垫、书写垫和数位板,轻接触可用于移动屏幕上的光标 和悬停在某个项目上,以获得更多的信息,而重接触可用于(作为离合器)拖动、选择、激活 和操控。最后,压力可用于评估用户意图。例如,在模仿物理控制,如按钮、滑块或旋钮的应 用中(例如当模拟键盘、记录混合器、或通用控制面板时),控制件可忽略轻触摸,以使用户 将其手舒适地停留在界面上,而不会意外激活任何什么。

[0594] 因为本发明传感器的高精确度,它们可以用于获取精细运动。这在追踪具有高精 度的尖笔的应用中非常重要,以能够书写、绘画、素描、图画、写书法或涉及尖笔的其他互 动。可以在传感器上方或下方加入软层,以创建更好的表面感觉,并进一步提高追踪精确 度。本发明的传感器可以与显示器结合。这可以通过以下方式来实现:在创建透明传感器, 并将其层叠在显示器的顶部;将该技术结合至显示器自身的基板上;或者将传感器层叠在 显示器后面,并通过传感器感觉力。这尤其适用于柔性显示器。

[0595] 本发明的传感器还可以与其他感测技术结合。例如,电容式触摸传感器可以放置 在本发明的传感器的顶部,以实现对表面上方的悬停和极度轻的触摸的检测。

[0596] 因为本发明的传感器对磁场是透明的,所以能够将磁/电磁传感器,例如EMR传感 器放置在本发明的传感器下方,以实现尖笔或其他具有有源/无源磁性/电磁标签的装置的 检测/追踪。也可以将显示器加入这些堆叠的任何层中作为其中的层。这些不同传感器技术 的组合可以实现更丰富的相互沟通。

[0597] 因为本发明的传感器感受压力,压力容易通过大部分可变形表面转移,所以也可 以将本发明的传感器嵌入各种可变形表面的下方。例如,可以将它们嵌入柔性/可变形地板 的下方,柔性机器人皮肤的下方,或者壁上的涂料的下方。可以将它们嵌入桌子表面,或者 放置在桌子顶部的垫子上。

[0598] 本发明的传感器还用于将感测添加至不使用的表面。例如,可以将其放置在手机、 平板电脑或游戏控制器的背面,以通过触摸装置背面得到额外程度的相互交流。

[0599] 可以使用屏幕上的视觉反馈以告诉用户他们接触的位置和接触的硬度的感觉。

[0600] 还可以将传感器放置在数字手表或其他小型装置的背面,从而在不增加装置尺寸 的前提下,增加可用的触摸区,其中在这些装置中,用于用户界面装置的空间非常有限。

[0601] 可以在柔性基板上制造本发明的传感器,使其嵌入柔性装置中。

[0602] —些示例应用包括创建柔性手机或柔性平板电脑,在数字手表的表带或手镯中使 用传感器,和将传感器放置入鞋或运动鞋的鞋底,或者放置入衣服中,以追踪用户运动、检 测压力、或提供便携用户界面。

[0603] 本发明的传感器还可以设计为,使其可以被切割或折叠,以缠绕在复杂表面上,例 如机器人指尖。或者,可以直接将它们制造在复杂表面上。简言之,通过将一个本发明的传 感器层压在表面的上面、后面或内部,几乎可以使任何表面具备接触灵敏度。

[0604] 示例的平板电脑界面实施例(6500) - (8000)

[0605] 平板电脑形状因素概述(6500) - (7600)

[0606] 虽然可以基于应用背景以各种形式来实施本发明,但是优选的示例发明实施例施 加至平板电脑形状因素。图65 (6500) -76 (7600)概括地描述了用户界面环境。此处,图66 (6000)的装配图描述的平板电脑用户界面(在图65 (6500)中为组装图)由支撑印刷电路板 (PCB)(包括VIA和相关控制电子器件)(图68 (6800) -69 (6900))的平板基座(图67 (6700)), 压力膜(图70 (7000)),覆盖层(图71 (7100))和具有背光LOGO标记的覆盖边框(图72 (7200)) 构成。

[0607] 如图65 (6500) -66 (6600)所示的本发明的示例实施例设计为指向台式机/笔记本 电脑或平板电脑用户界面中的应用。对于台式机/笔记本电脑的使用,通常通过USB端口将 其与计算机连接来使用。对于平板电脑的使用,通常通过USB端口进行充电和/或配置,但是 通过蓝牙/蓝牙LE传输数据。该装置可以设计为磁性锁到平板电脑/平板电脑盖子上,并可 以具有互换和可能的背光覆盖层。

[0608] 组装视图(6600)

[0609] 如图66 (6600)概括展示的,这种优选示例实施例的组装堆栈包括基座(图67 (6700) )、PCB/电池(图 68 (6800)-69 (6900))、膜(图 70 (7000))、覆盖层(图 71 (7100))和边框 (图 72 (7200))。

[0610] 基座(6700)

[0611] 如图67 (6700)概括展示的,用于这种优选示例实施例的基座将优选由刚性材料制 成,例如铝,利用定位销(6701、6702、6703、6704),其帮助对齐包括平板电脑系统的层堆栈。

[0612] PCB/电池(6800)-(6900)

[0613] 如图图68 (6800) -69 (6900)概括展示的,PCB (6910) /电池(6920)层包括以下部分:

[0614] •区域(6911),用于微控制器,模拟感测电路、电源/电池管理、BLUETOOTH®射 频、USB TX/RX和其他电子器件;

[0615] •微型USB连接器(6912);

[0616] •传感器有源区(6913);

[0617] •电池(锂聚合物或类似电源)(6920);和

[0618] •定位孔(x4) (6931,6932,6933,6934)。

[0619] 力感测膜(7000)

[0620] 如图70 (7000)概括展示的,力感测膜层包括如下部分:

[0621] •基板(例如PET或 ΚΑΚΤΟΝ®);

[0622] •力感测材料,例如基板下侧的FSR;和

[0623] •定位孔(x4)。

[0624] 覆盖层(7100)

[0625] 如图71 (7100)概括展示的,覆盖层可以是柔韧性的,具有光滑上表面。预期该覆盖 层可以是可替换的,具有不同的图形或触摸浮雕图案。在一些配置中也可以预期覆盖层为 背光或侧光。

[0626] 边框(7200)

[0627] 如图72 (7200)概括展示的,覆盖边框可以包括如下部分:

[0628] •图形/标志,其可以是光导管,并且可以具有恒定或变化的照射图案的背光;

[0629] •用于覆盖层的开口;和

[0630] •用于USB端口或其他通信接口的开口。

[0631] 机械性能(7300) - (7600)

[0632] 如图73 (7300) -76 (7600)的横截面图或细节图中所概括描述的,虽然机械机构可 以广泛地改变,但是预期一些优选发明实施例可以配置为厚度大致为4.25_。监测VIA所需 的电子器件的复杂性的减少导致电子部件以及电池容量所需面积的减少,从而可能会得到 比竞争技术明显更薄的一些配置。

[0633] 可以通过基座和边框之间的扣,以及通过基座和PCB之间、PCB与膜之间、膜与边框 之间的薄的粘合剂层将该装置固定在一起。覆盖层可以配置为简单放入基座腔,或者可以 具有一些连接基座腔的装置,其可以包括磁铁或扣。

[0634] 示例的触控板示意图/布局(7700) - (8000)

[0635] 如图65 (6500) -76 (7600)所概括描述的示例结构应用背景可以利用如图77 (7700) 的示意框图所描述的微控制器和PCB以及图78 (7800)(顶部铜)、图79 (7900)(底部铜)和图 80 (8000)(通过焊盘)的PCB布局来实施。这种布局概括地描述了典型VIA阵列,其与压 敏材料匹配,并嵌入如图65 (6500) -76 (7600)概括所示的平板电脑形状因素中。 图7 7 (7 7 0 0)所示的示意图使用具有集成的主计算机通信(USB、I 2C、SP I、无线 (BLUETOOTH®, BLUETOOTH 其他2.4GHz接口等),UART)的传统微控制器技术、ADC 输入、通用数字I/O (GPIO)与GPIO扩展器和多路复用器结合,以实施本文中所述的列驱动器 和行感测电路。

[0636] 电容式内插传感器(8100) - (8800)

[0637] 概述

[0638] 在如图81 (8100)-88 (8800)所示的电容式传感器阵列的背景下,本发明的另一个 实施例可以利用与FSA相关的内插概念。这些图中描述的设计描述了两种示例配置:

[0639] •具有桥的单面菱形图案(如图81 (8100) -82 (8200)所概括描述的);和

[0640] •具有直的行和列的双面图案(如图83 (83⑽-84 (84⑽所概括描述的).

[0641] 这两种设计都特别针对透明电容式传感器。这种类型的传感器通常放置在显示器 和上保护层(例如塑料膜或玻璃层)之间。在传感器和显示器之间还可以存在透明屏蔽层。 注意到,在菱形图案传感器的情况下,它可以翻转倒置,然后层压至显示器上。在这种情况 中,基板可以变成用户接触的层。在双面传感器的情况中,可将双面(行和列)印刷至独立的 基板,然后将基板层压在一起。在这种情况下,可以同样将传感器翻转倒置,以使一个基板 作为触摸表面。

[0642] 具有桥的单面菱形图案(8100) - (8200)

[0643] 如图81 (8100)-82 (8200)所概括描述的,展示了使用单面菱形图案的电容式传感 器,其在基板(8101),例如玻璃或塑料上形成。在这个优选实施例中,在透明导体(8103)(例 如ITO、碳纳米管、导电聚合物、纳米线、图案化的导体等)之间形成导电桥(8102)(下方具有 电介质,以防止与列短路),以形成VIA。该阵列连接至列(8104)和行(8105)内插电阻器,列 和行内插电阻器通过在基板(8101)表面沉积电阻材料或简单通过留下透明导体的薄桥来 形成。这些IIC和IIR电阻器(8104,8105)通过列(8106)和行(8107)连接点被电连接至有源 列迹线(8108)和有源行迹线(8109)。这些列(8108)和行(8109)迹线被路由到区域(8110), 用于接合导电弯曲元件,所述导电弯曲元件与驱动和感测电子设备互连,或在某些情况下 被配置为用于直接将电子设备结合到基板(8101)上。

[0644] 参考图82 (8200)的横截面图,可以看出基板(8201)支撑列透明导体(8203)和行透 明导体(8213)。电介质层(8212)分隔开列透明导体(8203)和行透明导体(8213),并支撑导 电桥(8202)。在横截面图中还描述了行迹线连接点(8207)和行迹线(8209),行迹线可以由 蚀刻或印刷导电材料形成。

[0645] 具有直的行/列的双面图案(8300) - (8400)

[0646] 如图83 (8300)-84 (8400)中所概括描述的,展示了使用具有直的行和列的双面图 案的电容式传感器,其在基板(8301),例如玻璃或塑料上形成。在这个优选实施例中,列 (8302)和行(8303)位于传感器的相对侧(从而它们不会短路),并可以交替沉积在单独的基 板上(一个用于行,一个用于列)。列(8302)和行(8303)由透明导体(例如ΙΤ0、碳纳米管、导 电聚合物、纳米线、图案化的导体等)形成,以形成VIA。该阵列连接至列(8304)和行(8305) 内插电阻器,列和行内插电阻器通过在基板(8301)表面沉积电阻材料或简单通过留下透明 导体的薄桥来形成。这些IIC和IIR电阻器(8304,8305)通过列(8306)和行(8307)连接点被 电连接至有源列迹线(8308)和有源行迹线(8309)。这些列(8308)和行(8309)迹线被路由到 区域(8310),用于接合导电弯曲元件,所述导电弯曲元件与驱动和感测电子设备互连,或在 某些情况下被配置用于直接将电子设备结合到基板(8301)上。

[0647] 参考图84 (8400)的横截面图,可以看出基板(8401)支撑列透明导体(8402)和行透 明导体(8403)。在横截面图中还描述了行迹线连接点(8407)和行迹线(8409),行迹线可以 由蚀刻或印刷导电材料形成。

[0648] 传感器的制造

[0649] 这两种设计的优点在于它们通过目前用于制备电容式触摸传感器的完全相同的 过程制造。主要区别在于本发明的实施例添加了中间(内插)行和列,改变了用于透明导电 材料(通常为ΙΤ0)的掩模图案,以创建少量的导电线,其作为内插电阻器起作用。可以通过 改变这些线的宽度调节电阻。除了改变掩模图案之外(可能对测试程序做一些修改),没有 涉及制造这些电容式传感器的额外步骤。

[0650] 电容式传感器的优点

[0651] 基于公开的设计的内插电容式传感器的优点是比传统电容式传感器具有好得多 的线性。这导致:

[0652] •好得多的接触和尖笔追踪,而不需要校准传感器;

[0653] •更好地评估触摸的形状和面积;

[0654] •更好的信号;和

[0655] •在用户手指和传感器之间能使用薄得多的玻璃盖/塑料,允许获得更薄的装置。

[0656] 最后一点在移动/便携式装置,例如平板电脑、蜂窝手机、智能手机等的构建中非 常重要。

[0657] 对于不透明电容式传感器,能够使用这些设计中的一个,并结合如前所述的一个 IFSA导体图案,并仅移除力感测材料。在该应用中,通常用电介质(如薄塑料膜或玻璃)来代 替力感测材料。

[0658] 示例的杯子压力分布¢500) - ¢800)

[0659] 图85 (8500)描述了应用于压力传感器的平板电脑形状因素的本发明的例子,其中 饮水杯与压力传感器平板电脑表面接触。图86 (8600)描述了没有内插时所感测的压力的分 布,以及与沿着所检测的压力区域从TSA读出的TSM相关联的网格。图87 (8700)描述了通过 进行TSM的上采样操作,由VIA中的单独的力感测元件看到的力的大致重建。图88 (8800)描 述了基于图86 (8600)所示的TSM数据,由CCD计算的各检测椭圆数据。注意到,如图86 (8600) 所示的TSM数据可用于重建如图87 (8700)所示的上采样数据中看到的细节,并产生如图87 (8700)中的离散的检测区和图88 (8800)中的椭圆。

[0660] 示例的笔刷压力分布(8900) - 0200)

[0661] 图89 (8900)描述了应用于压力传感器的平板电脑形状因素的本发明的例子,其中 笔刷与压力传感器平板电脑表面接触。图90 (9000)描述了通过扫描TSA由CCD获得的TSM的 压力分布。图91 (9100)描述了基于压力分布,检测的相关压力区。图92 (8800)描述了基于图 90 (9000)所示的TSM数据,由CCD计算的各检测椭圆数据。

[0662] 从这个实施例可以看出,压力传感器VIA是灵敏的,并能够检测与接触区的各个区 相关的形状/椭圆数据。这个实施例还描述了利用本发明教导的内插技术的系统的极高的 灵敏度。

[0663] 电容式触摸传感器说明(9300) - (12500)

[0664] 内插电容式传感器电路的概述

[0665] 已经描述的内插力感测传感器的主要优点在于这些结构能够增加传感器的线性, 并能够以比有源电子器件的分辨率更高的分辨率追踪触摸。内插电容式传感器同样如此。 虽然大部分现有电容式传感器已经具有一定程度的内插性(由于电力线通过传感器周围的 空间传播),但是电容式传感器倾向于具有非常非线性的内插行为。这在高精确度很重要的 情况下是个问题,特别是用于检测触摸输入或尖笔输入时。目前,现有电容式触摸传感器的 设计者通过创建查找表来解决这个问题,其中查找表在数字上将非线性传感器(x,Y)的位 置映射至线性空间。但是,这些查找表通常根据一组条件创建,不能完全补偿所有条件下传 感器的非线性。

[0666] 利用本发明教导的技术,可能能够增加电容式传感器的分辨率,而不需要增加电 子器件中驱动和感测线的数目。这样做创建了更线性和可预测的传感器响应,产生更好的 手指触摸和尖笔性能。但是,用于向力感测传感器和电容式传感器中添加内插的各种技术 之间有一些不同,如下所述。

[0667] 内插电阻器值(9300)

[0668] 在内插力感测传感器的情况下,本发明的目标是使有源线之间的电阻大约为IK Ω,以获得理想内插行为(对于在每对有源线之间具有三个内插电阻器的传感器,例如图33 (3300)的传感器,每个内插电阻器的值将为1Κ/3 = 333Ω)。

[0669] 对于内插电容式传感器,通常可以确定在接收端有源线之间1ΚΩ电阻值太低,导 致传感器的接收端非常低的信号。实验已经确定接收端的有源线之间10ΚΩ的电阻提供很 强的信号(对于在每对有源线之间具有三个内插电阻器的传感器,例如图93 (9300)的传感 器,每个内插电阻器的值将为1〇Κ/3 = 3.3ΚΩ)。

[0670] 通常,通过实验发现,在接收端更高的电阻器产生更高的信号。但是,在某个水平, 更高的电阻值将导致传感器自身作为低通RC滤波器,从而有源线之间的电阻比IOK高太多 可能导致信号损失。在传输端,较高的电阻值减少功率消耗,但是类似地如果过高会导致RC 损失。实验和分析方法都可以用于发现用于给定传感器配置的最佳传输和接收电阻器值。

[0671] 扫描传感器

[0672] 扫描力感测内插传感器和电容式内插传感器的主要区别在于,对于电容式内插传 感器,本发明最优地发送和接收AC或振荡波形,例如方波或正弦波,而对于力感测内插传感 器,本发明最优地发送和接收DC信号。

[0673] 因此,仅要求传感器系统利用不同电路产生和俘获信号。将在后面的章节中描述 该电路。

[0674] 传感器的行为

[0675] 在内插力感测传感器的情况下,当不施加力时,接收的信号通常处于接地电位或 者接近接地电位,当用户施加力时,接受的信号增加。

[0676] 在内插电容式传感器的情况下,当不施加接触时,接收的信号通常最高。这是由于 行和列电极之间的电容耦合。当手指或其他导电物体接近传感器时,为从传感器的传输部 分发出的电力线创建穿过用户身体到地之间的导电路径。这导致接收电极接收的信号的降 低。从而,信号开始时高,当用户靠近时,信号降低。实验已经确定内插电容式传感器对力具 有很小的灵敏度。它们主要响应与传感器接触的每个触摸或导电物体的形状或面积。

[0677] 处理传感器数据

[0678] 可以使用与所述用于内插力感测传感器类似的软件算法检测内插电容式传感器 的基线水平,以当没有检测到触摸时,使信号水平(减去)去除基线。因为前面所述的所有的 处理算法都取决于信号强度,当检测到接触时,其从零开始增加,所以可以通过从测量基线 中减去从传感器接收的信号,而将内插电容式传感器的信号翻转。这有源地翻转了信号符 号,使得触摸导致信号的正增加。这允许程序的所有的后续阶段可以处理这种类型的信号: 当存在接触时,信号增加,从而使前面所述的用于内插力感测传感器的所有触摸处理算法 可以用于由内插电容式传感器产生的信号,而不需进行明显改变。

[0679]电容式传输电子器件

[0680] 如前所述,必须用AC或振荡波形驱动内插电容式传感器。这些波形通常是方波或 正弦波的形式。在下面章节,提出各种用于产生这些波形的方法。注意到,这些方法也可以 用作电容式传感器的部分,或者用在有源尖笔内以产生信号。

[0681] 方波的产生

[0682] 为了产生方波,可以使用大多数现代微控制器(MCU)中发现的标准PWM模块。这些 PMW模块可用于在微控制器内部产生周期性控制信号。当与标准GPIO模块结合时,能够在 GPIO上以固定频率产生方波输出。可以通过固件调节该频率,因为PMff模块经常能产生宽范 围的频率。不幸的是,对于给定微控制器,输出电压通常限定到逻辑电平(1.8V-5V)。为了增 加SNR,希望传输信号的振幅能够尽可能的高。因此,使用PffM输出作为电路的控制信号是有 利的,其可以产生更高电压水平。

[0683] 利用具有模拟多路复用器的PMff产生方波(10000)

[0684] 图100 (10000)展示了如何将PMW模块与模拟多路复用器配对,以产生高电压方波 输出。基本上,模拟多路复用器采用两个电压(高压和低压),并使用PWM作为控制信号。PMW 信号在高电压水平和低电压水平之间多路复用,产生与PWM具有相同频率的高压方波。在本 发明很多优选实施例中使用的频率为200Khz,但是也可以选择其他频率。该频率也可以动 态变化,以降低外部噪音的影响,或者在希望同时传输多个频率的情况下。

[0685] 该电路允许本发明将MCU的电压水平从用于驱动传感器的电压水平中解耦。VHigh 可以比MCU操作的电压更高。此外Vlow可以比MCU的接地电压更低。例如典型MCU可以在3.3V 或1.8V操作,而本发明可以使用+5V的VHigh和-5V的VLow,导致传输信号具有IOV的振幅。作 为可替代实施例,本发明甚至可以使用更高的12V的“高压”和OV的低压,导致信号具有12V 的振幅。

[0686] 利用具有比较器的PffM产生方波(10100)

[0687] 图101 (1010)展示了用于产生高压方波的可替代方法。在这种配置中,PMW输出被 馈送至运算放大器(OPAMP)的非反相输入。OPAMP配置成比较器,这意味着当PMW信号大于 Vref时,输出将是VHigh,当PffM信号小于Vref时,输出将是VLow。如图中所描述的,波形基本 与图100 (10000)中的波形相同。Rl和R2形成简单的分压器,以创建Vref。在大部分实际应用 中,Rl将等于R2,这将以VDD/2创建Vref (如图101 (1010)中的“PWM信号输出”所示)。

[0688] 正弦波的产生

[0689] 有时,输送正弦波来替代方波是有利的。方波由几种不同频率构成,而正弦波是单 一频率。当驱动内插电容式触摸传感器时,能够同时驱动多个电极。如果用不同频率驱动每 个电极,那么接收端可确定每个频率接收多少能量,从而确定来自每个驱动电极的贡献。利 用正弦波代替方波进行驱动,使信号更清楚更容易地在接收端滤波和说明。例如,正弦波可 以通过低通、高通和带通滤波而被更好地过滤,并可以利用如FFT的算法分解。

[0690] 利用振荡器产生正弦波(10200)

[0691] 有各种产生正弦波的方式。一种方式为通过建立相移振荡器,如图102 (10200)所 示。OPAMP的输出被馈送至一系列滤波器,其将输出的相位改变180度。这导致OPAMP经历的 正反馈的情况,并开始震荡。这个阶段的输出将是正弦波。可以调节电路中的R和C值,以选 择特定振荡频率。在图102 (10200)中,将电压缓冲器放置在振荡器的输出端,以防止传感器 电极进行的振荡阶段的加载。这允许调节振荡器,而不需担心其正驱动的传感器的特定阻 抗性能。将模拟多路复用器加入输出端,以启用/禁用正弦波的传输。也可以加入反馈机制, 以允许振荡电路产生的频率的实时变化。

[0692] 利用高速DAC和放大器产生的正弦波(10300)

[0693] 相移振荡器很容易建造,但是它们具有几个缺点。温度改变可能很大地影响反馈 回路中的电阻值,这将导致频率漂移。同样,没有简单的方式能可靠地以有效方式启用/禁 用振荡器(当首次启用时,振荡器通常需要时间稳定)。

[0694] 因此,通过数字化方法产生正弦波通常是有利的。图103 (10300)展示了利用数字_ 模拟转换器(DAC)产生正弦波的数字表示的正弦波产生技术。在这种实施方式中,DAC外围 利用直接存储器访问(DMA)读取存储器(存储器必须预加载有正弦波的数字表示)中的正弦 波查找表中的值。DAC采取这些数字值,并将其转换为模拟(从“DAC输出”波形可以看出)。但 是DAC输出不能直接用于驱动电极。这是因为由于DAC转换离散的值(产生离散的阶梯效 应),所以DAC产生的信号经常是锯齿状。因此,低通过滤DAC输出是有利的,以创建平滑的正 弦波信号。滤波之后,信号可用于驱动放大器,该放大器将用于驱动电极的信号振幅放大, 从而增加系统的SNR。在该电路中,传输使能信号用于启用/禁用DAC。

[0695] 该方法的一个最大的优点在于,它允许电路通过软件容易地选择理想的传输频率 和振幅。在使用频率跳变防止噪音的情况中,或者希望同时在不同电极或相同电极上传输 多个频率的情况中,这是有用的。

[0696] 电容式接收电子器件

[0697] 如前所述,内插电容式传感器可以检测AC或振荡波形。这些波形通常是方波或正 弦波的形式。在下面章节,提出各种用于产生这些波形的方法。注意到,这些方法也可以用 作电容式传感器的部分,或者用于有源尖笔内,以检测振荡信号。

[0698] 利用前置放大器、整流器和积分器的接收电路(10400)

[0699] 因为本发明传输AC频率来驱动内插电容式传感器,所以接收电子器件必须能够可 靠地检测接收的AC信号的强度。在使用单一传输频率的系统中,能够建造如图104 (10400) 所示的AC检测器电路。这种电路获取接受的AC信号,并将其转换为可以被ADC读取的DC信 号。所得DC电压水平表示接收的AC信号的强度。这通过如上所述的多阶段信号处理方法来 完成。

[0700] 第一个阶段是用于抑制高频噪音的简单的RC滤波器。这种滤波器是可选的,因为 在噪音足够低的情况下,可能需要这种滤波器。可以选择用于这种滤波器的截止频率,以仅 使所需频率通过。对于这种特定电路配置,本发明传输200KHZ的频率用于传输信号。因此, 选择的分量值为Rl = 1000 Ω和Cl = 100pF。这导致大致1.6MHz的截止频率。重要的是要注 意,该过滤不必是RC低通滤波器,如图中所示。本领域技术人员可以使用高通滤波器、带通 滤波器或陷波滤波器以应对各种噪音分布。此处使用无源滤波器,以简化电路中所需的部 件。可以用有源滤波器代替这种滤波器,以更有效地抑制噪音。

[0701] 在第一个阶段之后,将信号送入非反相、可变增益放大器(前置放大器)。对于这种 特定电路配置,对于这个实施例,可以选择R2 = 100 Ω和R3 = IOK Ω。因为R3是可变电阻器, 能够获得直至最大IOlx的可变增益。重要的是选择具有足够的增益带宽积(GBP)的运算放 大器(Ul)。对于这种电路配置,GBP是25MHz。这意味着对于101的增益,放大器阶段具有约 248KHZ的带宽,这将允许本发明200KHZ信号通过。实际上,通常在这个阶段不需要放大器的 全增益,所以25Mhz的GBP在这个阶段绰绰有余。在这个阶段也可以使用反相放大器,因为放 大信号的极性将不会显著影响后续阶段。

[0702] 在前置放大阶段之后,展示了另一个可选的过滤阶段。在这种配置中,选择R4 = IK Ω和C4 = 510pF,这将导致312KHZ的截止。如上所述,这种滤波器可以用有源滤波器代替,并 且也可以是高通滤波器、带通滤波器或陷波滤波器。

[0703] 在第二个滤波器阶段之后,将信号送入半波整流器中。这个阶段阻断波形的正侧, 仅允许负侧通过。这允许将信号送入最后阶段,积分器内。在整流器之前,信号是电荷平衡 的。如果将完整版的信号送入积分器中,结果将产生零(每个周期的波形之后的电荷之和将 大约是零)。阻断波形的正侧提供可以被合适地积分的不平衡的信号。注意到,本发明仅通 过信号负侧的原因是积分器是反相积分器,并希望积分器产生正信号。在非反相积分器的 情况中,可以改变半波整流器的极性,以使波形的正侧通过。

[0704] 如已经所描述,最后的阶段是模拟积分器。重要的是注意到,积分器具有负增益。 通过送入来自整流器的负信号,积分器的输出将变成正值。这允许使用ADCs,ADCs仅能采样 正值。对于这种电路配置,选择R6 = 100Q,R7 = 100Q,和C7 = 10nF<X7是可变电容器,其允 许改变积分器的充电速率。对于该积分器阶段,重要的是选择单位增益稳定的运算放大器 (U2)。或者,积分器将不稳定,且输出可以振荡。

[0705] SWl是模拟开关,其可以通过从CXD上的GPIO产生的信号关闭/打开。大部分标准模 拟开关可用于SWl。例如,德州仪器制造的TS12A4516,其对于这种应用是完美的。当关闭SWl 时,清除被积分器电容器存储的电荷。这在本质上是重置积分器。这种开关是AC信号检测器 的重要部件。当在扫描过程中选择连接哪行时,SWl必须保持关闭(积分器复位)。这防止对 通过该电路的前面几个阶段的切换噪音进行积分。一旦正确的行被连接至AC检测器的输入 端,SWl打开,以开始积分。这给定每个行最稳定的ADC读数。

[0706] 在图104 (10400)中,在积分器采样波形中也展示了ADC样品窗口。对于积分器,当 输入端没有电压时,输出端稳定至DC值。对于该系统,对来自传感器的传输端的有限数量的 周期进行积分。因此,在接收固定的脉冲组之后,积分器的输出将稳定至DC值。这是用ADC采 样信号的位置。在ADC采样完成之后,重置积分器,电路准备好接收下一个行。

[0707] 对于该电路,重要的是注意到可以改变两个参数,以调节系统性能(R3和C7)。接收 的信号的量经常取决于电路所连接的传感器的配置。因此,对于给定传感器,必须相应调节 R3/C7。通常,当没有东西与传感器接触时,信号是最高的,当手指接近传感器时,信号将降 低。为了使ADC俘获的信号值的动态范围最大化,希望当没有接触时由积分器输出的信号处 于ADC的较高范围,而不会被消减。进一步地,希望确保放大器不会超过其增益带宽积。可以 手动调节R3和C7 (通过调节可变电阻器/可变电容器),可以在设计阶段调节,或者也可以通 过软件进行数字调节。

[0708] 具有前置放大器和高速ADC的多频接收电路(10500)

[0709] 重要的是注意到图104 (10400)的电路不能区分多个接收频率。在单个接收电极上 需要俘获多个频率的情况中,能够使用如图105 (10500)所示的方法。该电路是一个放大器, 其馈送高速ADC。该高速ADC必须具有高于该系统中使用的2x的最大传输频率的采样速率。 本领域技术人员将明白这是为了保持采样频率高于奈奎斯特速率,这消除俘获信号中的别 名效应。为了在这种高速率下俘获,通常需要ACD通过直接存储器访问(DMA)接口俘获波形。 这允许ADC将俘获的值直接写入存储器,而不需要专用的CPU周期。

[0710] 然后可以将软件算法应用到信号,以进行过滤(例如高通、低通、带通或陷波过滤 软件),并检测传输频率下的信号的振幅。在一些情况下,这种方法比前面方法具有优点,即 使在仅需要检测一个频率的情况中,因为它消除了整流器,整流器将俘获的信号的振幅减 半,并且因为它还消除了积分器,积分器很难调节,且如果输入信号过高,积分器有可能饱 和。

[0711]利用FFT进行的频率的多频分离

[0712] 一旦准确俘获波形,能够进行FFT算法(图106 (10600)),以将信号从时域转换为频 域。这将揭示哪些特定频率组成接收的信号,并也表明在每个频带接收了多少能量。在图 106 (10600)中,可以看出FFT揭示了接收的信号由四种频率组成(F1、F2、F4和F4),且能够看 到在哪个强度接收的。

[0713] 数字地俘获信号并进行FFT使得可能同时利用多个不同频率驱动多列上的传感 器,并数字地重新构建来自每列的信号的贡献。还允许传感器确定存在过度电噪音处的频 率,并跳频到可能具有较少噪音的其他频道。

[0714] 扫描电容式传感器

[0715] 具有单个发射器/接收器的扫描电路(9300)

[0716] 图93 (9300)展示了支持一次扫描内插电容式传感器的一个有源行列交叉点的扫 描电路。

[0717] 用于单个发射器的示例的扫描方法(11600) + (11700)

[0718] 图116 (11600)展示了用于扫描这种类型的传感器的示例方法,在图117 (11700)限 定了相应的子例程细节。

[0719] 具有单个发射器/多个接收器的扫描电路(9400)

[0720] 图94 (9400)展示了支持同时扫描内插电容式传感器的多个行的扫描电路。在该方 案中,存在AC单个信号检测器和ADCs的多个实例,而不是使全部有源行连接至单个AC信号 检测器和ADC。模拟开关允许每个AC信号检测器和ADC连接至多个有源行(Texas Instruments part TS12A12511或具有合适数目的终端(throw terminals)的类似部件都 可以做好)。

[0721] 示例的用于多个接收器的扫描方法(11600) + (11700)

[0722] 用于扫描这种类型的传感器的方法与图117 (11700)所示的用于具有单个发射器 和接收器的传感器的方法相同,但是,对于每个扫描循环,多个AC信号检测器可以被连接至 多个有源感测电极和可以采用多个ADC采样,降低整体扫描时间。

[0723] 具有多个发射器(多个频率)的扫描电路(9500)

[0724] 图95 (9500)展示了在列线上具有多个发射器的扫描电路。利用这种电路,能够在 不同列上同时传输不同频率,并为给定行,重新构建来自每个有源列的信号的贡献。

[0725] 为了重新构建来自每个有源列的信号贡献,ADC必须收集随时间推移的多个信号 的采样。然后,FFT可应用至信号,以确定每个传输信号的振幅。这些信号振幅随后映射回产 生它们的列位置,并写入TSM。或者,调节成不同频率的多个AC信号检测器可以用于并行地 检测多个频率。但是,从功率和成本角度来看这是禁止的。

[0726] 如果系统中仅有单一的AC信号放大器/滤波器,可以对每个行进行一次该过程,直 至重新构建好整个电容式传感器轮廓。进一步地,同时仅驱动列的子集是有利的,以允许频 率之间的更多的分离和驱动列之间更多的空间分离。在这种情况下,可以使用列复用电路 使没有被主动驱动的列接地。然后,使用驱动和接地列的不同组合的几次扫描通过(pass) 可以用于重新构建整个电容式传感器的轮廓。

[0727] 用于多个发射器的示例扫描方法(11600) + (11800)

[0728] 图116 (11600)展示了用于扫描这种类型的传感器的方法,图118 (11800)中限定了 合适的子例程。

[0729] 具有多个发射器/接收器(多个频率)的扫描电路

[0730] 首先采取这一步,能够利用如图95 (9500)所示的位于列上的多个发射器和位于行 上的多个接收器同时扫描传感器元件的二维阵列。在这种情况下,多个发射器可同时传输 多个频率,而多个接收器同时对多个行采样。然后FFTs可应用至位于每行上的信号,以在每 行上重新构建来自每列上的发射器的不同贡献,并重新构建信号值的二维阵列。

[0731] 如前面说明书所述,同时驱动列的子集和/或仅扫描行的子集是有利的。在这种情 况下,所有其他行和/或列可利用列和行复用电路接地。然后,可以使用不同驱动行/列组合 进行几次扫描通过,以重新构建整个电容式传感器的轮廓。作为例子,在图95 (9500)中,通 过观察列和行复用电路的状态,可以看出所有的列同时被驱动,而同时仅扫描每隔一行的 行。

[0732] 支持有源尖笔

[0733] 电容式触摸传感器可通常与三种类型的尖笔中的一种共同使用。第一种类型的尖 笔试图模仿人类手指的电容特性。这种类型的尖笔通常由导电材料制成,并具有大的、湿软 的(圆滑的)、橡胶尖端。这种类型的尖笔的缺点是它们非常不准确,且这种类型的尖笔很难 做到防掌触功能,因为难以确定哪个接触来自尖笔,哪个接触来自手指/手掌。

[0734] 第二种类型的尖笔为有源尖笔,其自动同步到传感器的发射器电路,并产生与传 感器期望的信号反相的信号。这种类型的尖笔主要模仿手指的电容标志。因为它们不需要 与电容式传感器进行任何模式的通信,所以此处不再进行这种有源尖笔的任何讨论。

[0735] 第三种类型的尖笔为有源尖笔,其能够与传感器通信,以确定其相对于传感器网 格的位置。这种类型的尖笔可以配置为传输数据至传感器,接收来自传感器的数据,或者二 者都进行。这种方法的优点在于,利用这些方法中的一种的有源尖笔可以获得更好的精确 度,并且容易将这种类型的尖笔与手指或手掌区分开,使用户在使用尖笔时,可以将他们的 手放置在传感器的表面,且便于其他类型的交互。该章节的其他部分描述了利用内插电容 式传感器实施这种类型的有源尖笔的方式。

[0736] 传感器和尖笔的同步

[0737] 为了支持有源尖笔,使传感器与尖笔同步是非常重要的。如果传感器发送信号至 尖笔,尖笔需要知道在特定扫描中在给定时间传感器的位置。如果尖笔传输信号,传感器需 要知道何时启动其接收电路。进一步地,如果尖笔试图传输,同时传感器正扫描触摸时,这 将导致不想要的电噪音,并可能干扰传感器。因此,当传感器寻找尖笔时,传输的有源尖笔 应该具有仅有传输的方式。下面章节将讨论每个不同类型的扫描的同步方法。

[0738] 进行尖笔扫描(12400)

[0739] 图124 (12400)描述了有源尖笔和内插电容式传感器之间的交互。因为传感器通常 一次仅与一个尖笔通信,所以没必要为了检测尖笔的位置而进行全矩阵扫描。相反,为了确 定尖笔的位置,本发明仅需要确定其X位置和Y位置。为了确定X位置,一个扫描可以进行沿 着列进行,测量每个有源列与尖笔之间的信号强度。然后使用内插算法确定沿着X轴的尖笔 的坐标。接下来,沿着Y进行相同的程序,这次测量尖笔与每个有源行之间的信号强度。图 124 (12400)以两个图形形式(一个在传感器下方,一个在传感器右方)展示了尖笔与传感器 之间的耦合量。在尖笔正在传输而传感器正在接收的配置中,图中的点表示在每个有源电 极处接收的信号量(沿着X和Y)。在传感器正在传输而尖笔正在接收的配置中,点表示尖笔 将从每个有源电极接收的信号量。

[0740] 因为这种类型的扫描需要沿着有源列和行(代替所有的有源列行交叉点)进行,所 以这种类型的扫描进行的非常快(比用于多触摸的扫描快很多)。进一步地,因为尖笔延迟 比手指延迟更引人注目,且因为书写和素描涉及非常快速和精确的动作,所以这种类型的 扫描在比用于手指的扫描更高的频率下进行。

[0741] 尖笔内插算法

[0742] 因为有源尖笔无线地接收/传输信号至VIA,所以通常将为传感器的每个有源行和 有源列检测非零信号强度(图124 (12400))。但是,在给定时间点为远离尖笔的位置的行/列 传达的信号强度通常非常低。例如,注意到图124 (12400)的最底部有源列具有非常低的信 号。因此,在计算内插X或Y位置前,本发明必须首先确定哪个信号应该被内插。

[0743] 在一个优选示例方法中,具有两个最强信号的两个相邻位置,和邻接这两个位置 的两个额外位置(总共四个位置)用于计算内插位置。参考图124 (12400),可以看出有源列2 和3具有最强的信号。这两个相邻位置为有源列1和4。因此,在这种情况下,有源列1、2、3和4 用于计算X尖笔位置。类似地,沿着行,有源行2和3具有最强的信号,它们的邻居为有源行1 和4。因此,在这种情况下,有源行1、2、3和4用于计算Y尖笔位置。

[0744] 为了计算X和Y位置,计算这四个选择的列的加权平均位置,其中权是信号强度。计 算内插位置为:四个位置乘以其相应信号强度,然后加和,再除以在四个位置处的总的信号 强度。公式为:

[0745] 内插位置=(位置1*信号强度1+位置2*信号强度2+位置3*信号强度3+位置4*信号 强度4) /(信号强度1+信号强度2+信号强度3+信号强度4)

[0746] 作为一个例子,因为在图中124 (12400)中选择的有源列1、2、3和4的信号强度分别 为0 · 1、0 · 5、0 · 8和0 · 25,计算内插X的位置为:(1*0 · 1+2*0 · 5+3*0 · 8+4*0 · 25)八0 · 1+0 · 5+0 · 8 +0.25) =2.73。因为选择的有源行1、2、3和4的信号强度分别为0.15、0.6、0.6和0.15,计算 内插Y的平均位置为:(1*0· 15,2*0·6,3*0·6,4*0· 15)八0· 15+0·6+0·6+0· 15) =2· 5。

[0747] 尖笔尖端传感器

[0748] 目前为止所述的有源尖笔的一个挑战是可能难以确定尖笔是否处于空气中或是 否触摸感测表面。原因在于即使当尖笔位于传感器上方时,尖笔将持续传输/接收来自感测 表面的信号,且可能仅从信号难以确定尖笔是否触摸表面。进一步地,在仅有电容式触摸传 感器的情况中,可能难以确定施加至尖笔的力的量。

[0749] 为了解决这个问题,可以使尖笔包括尖端传感器,以确定尖笔是否接触传感器表 面,并确定用户施加至尖笔的力的量。有很多已知方式来实现这种类型的尖端传感器,例如 开关、光学力传感器、电容式力传感器、电阻式力传感器、和电感式力传感器等。

[0750] 关于尖笔是否触摸和施加在尖端上的力的量的信息可以通过BLUETOOTH®无 线通信或通过由尖笔传输至内插电容式传感器的信号来传递。该信息可用于应用软件(例 如),以改变尖笔渲染到屏幕上的黑度和宽度。

[0M1]除了在尖端的传感器,尖笔还可以具有嵌入主体内或另一端的、“橡皮擦”形式的 其他传感器。所有这些类型的传感器可以以类似的方式实施,并可以通过BLUETQOTH® 无线通信或通过由尖笔传输至内插电容式传感器的信号,将数据传输至装置,或传输来自 装置的数据。

[0752] 尖笔悬停

[0753] 在尖笔没有接触表面的情况中,可能能够确定传感器上方的大致的尖笔位置和高 度。在显示器和触摸传感器没有位于同一位置的情况中极为重要,使得用户在触摸下落之 前,看到尖笔在哪。这在实施虚拟绘图工具,如气刷中也是有用的(因为当在被涂覆的表面 上方的空气中时,真实的气刷施加涂料)。

[0754] 可以与确定正在触摸传感器的尖笔的位置相同的方式简单确定悬停的尖笔的位 置。通过查找具有最高信号的四个X和Y有源列和行处(前面所描述的)接收的总信号强度, 可以确定高度。对于与传感器表面接触的尖笔,这些信号强度的和通常是常数。当尖笔从传 感器表面移开时,信号强度的和将以可重复的方式减小。可以通过分析来测量总信号强度 与传感器表面上方的高度之间的关系,然后将其存储于查找表中,该查找表可以在运行时 被访问,以计算传感器表面上方的尖笔的高度。

[0755] 多个尖笔

[0756] 可以将多个有源尖笔与内插电容式传感器同时(同时使用两个或多个尖笔)使用 或不同时(用户可以具有多个不同的有源尖笔,但是一次仅使用一个)使用。

[0M7]因为每个尖笔都具有接收器/发射器,所以多个尖笔与给定内插电容式传感器之 间的通信可以在时间上排序,使得每个尖笔可具有独立确定X/Y位置的机会。进一步地,每 个尖笔具有唯一的ID,该唯一的ID通过BLUETOOTH®无线通讯通信,或者从尖笔尖端传 输至内插电容式传感器。该唯一的ID可用于给不同的尖笔不同的功能,例如不同的尖端形 状、不同颜色、或者不同用户身份(该装置可以确定哪个用户基于使用的哪个尖笔进行涂 写)。或者,多个尖笔与内插电容式传感器之间的通信可以发生在不同的AC频段。

[0M8]多个接收器/发射器

[0M9]单个尖笔可以具有多个接收器/发射器(将可以称为收发器),允许更精细地确定 尖笔的位置。例如,如果在尖端具有两个彼此靠近的收发器,可以根据两个收发器的相对 (X,Y)位置,确定尖笔的转动。或者,如果有两个收发器,一个在另一个上方,临近尖端,那么 可以通过确定收发器的相对(X,Y)位置,以及上部收发器的高度,确定尖端的倾斜。还可以 在尖笔的背面具有收发器,以支持擦除功能。

[0760] 用于向尖笔进行传输的传感器电路/方法(9600) + (11900) + (12000)

[0761] 图96 (9600)描述了一种电路配置,其中传感器传输AC信号至尖笔,尖笔被配置为 接收这些信号。图119 (11900)展示了一种与这种扫描电路相关的示例方法,图120 (12000) 进一步限定了子例程。

[0762] 传感器/尖笔的交互如下。首先,传感器和尖笔彼此必须同步。为了完成这点,传感 器将唯一的同步频率同时传输到所有传感器行/列。尖笔等待,直至它检测到这种特定频率 的存在。这标志着扫描的开始。在传感器发送器同步信标之后,传感器一次将一个有源电极 连接至AC信号源,并传输预定数目的脉冲至电极。由于尖笔与传感器同步了,所以尖笔知道 每个电极的传输将花费多长时间。

[0763] 尖笔进入接收模式,同时传感器在传输,并利用如图104 (10400)所示的方法将信 号接收强度转换为数字值。在扫描时,尖笔记录来自每个电极的信号的接收强度。扫描完成 之后,尖笔可通过BLUETOOTH®无线通讯或其他类似无线数据通道发送原始数据,从而 传感器可以处理该数据,并计算尖笔的位置。在另一个实施例中,尖笔可以利用其板载微控 制器内部计算其自身位置,并将计算的位置发送给传感器。

[0764] 可替代地,可以利用BLUETOOTH®无线通讯进行同步。这是由于 BLUETOOTH酸无线通讯发射器和接收器需要精确的时间同步,这种相同的同步可用于产 生尖笔与传感器之间共同的时间基准和时间表,这可以用于使发送到每个列和行上的信号 同步。另一种为传感器进行同步的方式为向被扫描的每个行/列发送同步脉冲序列。可以利 用调幅、调频、调相或其他已知的调制方案对这种序列进行编码。

[0765] 用于发射传感器(transmitting sensor)的传感器电路/方法(9700) + (11900) + (12100)

[0766] 在这种配置中,尖笔将向传感器传输AC信号,传感器配置为接收这些信号(见图97 (9700))。图119 (11900)展示了用于这种扫描的方法,具有图121 (12100)所限定的子例程。

[0767] 在示例实施例中,尖笔可以处于低功率模式,直至传感器准备好扫描该尖笔。这防 止尖笔在扫描触摸时进行传输。当传感器准备开始尖笔扫描时,传感器可以利用 BUJET(X)TH.K无线通信连接向尖笔发送信号,以开始传输脉冲。

[0768] 尖笔将以周期性间隔发射预定数目的脉冲。因为传感器知道这些脉冲中的每个花 费的时间,所以传感器可以依次将每个有源电极电耦合至AC信号检测器,并当尖笔应该传 输时进行接收。传感器将产生一系列接收的信号强度,其用于计算尖笔的位置。扫描完成 后,传感器可以命令尖笔返回低功率模式直至轮到下一次扫描。

[0769] 用于双向尖笔的传感器电路/方法(9800)

[0770] 可将前面两种方法结合,以允许尖笔与传感器之间的双向通信,如图98 (9800)所 示。为了这样做,内插传感器需要位于列和行上的一组AC信号发射器和检测器,类似地,尖 笔需要用于尖笔尖端的一组AC信号发射器和检测器。这种配置的一个优点是可以进行双向 同步,而不用BLUETOOTHS'无线通信。进一步地,可以通过将来自传感器的信号传输至尖 笔,从尖笔传输至传感器,或者两个方向都传输来进行三角测量。这可以用于提高三角测量 的精确性。

[0771] 其他类型的具有有源追踪的物体

[0772] 此处所展现的用于有源追踪尖笔的收发器电路可应用至其他类型的物体中。例 如,可将它们嵌入涂料刷子、尺子、玩具、甚至顶针中,以追踪内插电容式传感器表面的这些 物体。

[0773] 力感测和电容感测的组合

[0774] 力/电容感测电路0900)

[0775] 如前面所示(图41 (4100)图64 (6400))的所有的力感测传感器可以同时用DC信号 扫描测量施加的力,以及利用AC信号扫描测量电容耦合。图99 (9900)展示了电路图,该电路 图细化了同时利用AC和DC信号扫描传感器所需的电子器件。还展示了传感器VIA,其中每个 传感器元件作为可变电阻器和可变电容器起作用。

[0776] 已经通过实验确定在具有非连续力感测层的传感器(例如图41 (4100) -42 (4200), 图46 (4600)、图48 (4800)、图49 (4900)、图50 (50000)-图60 (6000))中,电力线能够穿过力感 测层并可能受到手指和导电物体的影响。因此,可能操作传感器作为电容式传感器(感测导 电物体的轻接触)或作为电阻式传感器(感测来自任何物体的压力)。

[0777] 已经通过实验确定在具有连续力感测层的传感器中(例如如图43 (4300)、图47 (4700)),不可能检测导电物体(因为力感测层倾向于阻阻断电力线)。但是,在一些情况下, 在没有看到DC信号改变之前,能够利用AC信号检测较轻的力。这是因为在传感器的层之间 可能存在细小的空气缝隙,电容扫描方法主要能够测量在足够的接触以导致这些层之间导 电率的变化之前的空气缝隙的间距。

[0778] 图99 (9900)所示的电路图可以配置为通过启用DC电压源和禁用AC信号源,并将模 拟开关(TS12A12511或等同物)切换至接收来自DC信号调节电路的信号,来利用DC信号扫描 传感器。可替代地,该电路可以配置为通过启用AC信号源,禁用DC电压源,并将模拟开关切 换至接收来自AC信号检测器的信号,来利用AC信号源扫描传感器。可以基于每次扫描的基 础,或针对被扫描的每个传感器元件,在这两种模式之间切换电路。

[0779] 力/电容感测方法(12200) - (12300)

[0780] 图122 (12200)展示了在全电容扫描之后进行全电阻扫描的方法。图123 (12300)展 示了第二种方法,其涉及在一个扫描过程中对每个传感器元件进行电阻和电容测量。

[0781] 将力感测和电容感测组合的优点

[0782] 当传感器具有感测力和电容变化的能力时,它变得可能使用来自每次扫描的数 据,以改进传感器的性能。组合这两种扫描允许更精确的特征提取,并改进了触摸追踪。以 下段落将描述实现这点的方法。注意到,虽然能够组合来自每次扫描的原始数据,但是更实 际的是将接触追踪算法(如本文中前面所述)应用至每次扫描的原始数据,并最终组合接触 数据集。因此,以下讨论集中在用于组合力和电容感测接触数据的方法。

[0783] 力和电容扫描都产生值的阵列(TSM)。如本文中前面所述,可以从这些阵列中的每 一个中提取接触数据。在接触提取之后,其余留下的是通过电容式传感器检测的接触列表, 和通过力传感器检测的接触列表。对于每个电容式扫描接触,能够计算该接触到来自力扫 描的每个接触的距离。利用简单的距离阈值,能够确定这些接触是否来自与传感器交互的 同一物体。可以对所有电容式扫描接触进行该距离计算/匹配过程。这主要产生配对的接触 的列表(虽然一些接触将没有相配者)。在匹配过程完成之后,可产生高水平的接触列表,并 产生是否在电容扫描、力扫描或这两种扫描中发现接触的指示。

[0784] 传感器的状态(12500)

[0785] 图125 (12500)显示了如何使用该数据来了解与传感器交互的物体的更多信息。因 为对于一个给定的物体,有两种传感器类型的两种可能状态,因此每个物体有四种可能的 状态。

[0786] 状态1:电阻式力传感器没有检测到物体,电容式传感器没有检测到物体。如果物 体没有激活任何传感器,有两种可能性。第一种是实际上没有与传感器交互的物体。第二种 是有悬停靠近传感器的非导电物体。

[0787] 状态2:电阻式力传感器没有检测到物体,电容式传感器检测到物体。在这种状态 中,已知物体由一些类型的导电材料制成,因为电容式触摸传感器可以检测到该物体。同 样,还已知该物体或者悬停在传感器上,或者用非常轻的力接触传感器(因为没有激活力传 感器)。

[0788] 状态3:电阻式力传感器检测到物体,电容式传感器检测到物体。在这种状态中,已 知物体由导电材料制成,且该物体施加力在传感器上(而非悬停)。

[0789] 状态4:电阻式力传感器检测到物体,电容式传感器没有检测到物体。在这种状态 中,已知物体由非导电材料制成,且该物体施加力在传感器上(而非悬停)。

[0790] 图125 (12500)还展示了用于通常类型的交互的状态变化。路径A展示了触摸传感 器的导电物体(即指尖)的状态转换。如果扫描速率足够,手指触摸将总是从状态1转换至2 然后转换至3。如果在更低帧速率扫描,可能能够从状态1转换至状态3。当接触离开传感器 时,状态将转变回1 (或者直接,或者经过状态2)。

[0791] 路径B展示了用于悬停在传感器上方,而绝不触摸表面的导电物体(即指尖)的状 态变化。这发生在如果某人完全通过悬停与传感器交互的情况中。

[0792] 路径C展示了用于触摸传感器的非导电物体的状态变化。通常不可能用电容式传 感器检测非导电物体,所以不可能检测这些物体的悬停状态。

[0793] 能够告诉物体由哪种材料制成是非常重要的。例如,如果一个人使用非导电尖笔 在传感器上涂画时,那么能够清楚区分用户的手和尖笔(由于皮肤是导电的)。用户手的接 触将是状态3,而来自尖笔的接触将是状态4。这允许正确识别尖笔,这对于需要正确识别尖 笔与手掌的绘画应用很重要。状态2对于传感器的可用性也非常重要。市场上的很多电容式 触摸方案难以区分悬停与真实触摸。现有电容式触摸解决方案的供应厂经常利用悬停转换 为触摸时的信号强度阈值。但是,在实际使用时,这种阈值可能往往会太低,导致无意的触 摸(在用户手指接触屏幕之前),或者阈值可能过高(导致屏幕不响应触摸)。通过将电容式 传感器与力传感器组合,能够容易地区分这两种悬停与触摸状态(状态2与状态3)。

[0794] 提高精确度

[0795] 当导电物体(即手指)与传感器相互交流时,实际上能够通过将电容数据与力数据 组合,提高传感器的精确度。当导电物体与传感器接触时,物体将产生两种接触(一种具有 力传感器数据,一种具有电容式传感器数据)。能够采用这两种接触,并对其进行平均,以得 到更精确的结果。对这些读数进行平均将使得最终接触更不容易受到来自读数的瞬时噪音 的影响,且在大部分情况下将使结果更精确。

[0796] 进一步地,当接触极轻时,电容信号将产生更精确的触摸位置。在这些极轻的接触 的精确度很重要的情况中,优选仅使用从电容信号提取的触摸,或者使用加权平均来组合 电容信号和力信号,其中电容信号的加权多于力信号。

[0797] 相反,还可能存在力信号比电容信号更强或更清楚的情况。当装置暴露至潮湿、强 电噪音时,或者使用尖细物体,如金属尖笔时,这可能会发生。在这些情况中,优选仅使用从 力信号提取的触摸,或者使用加权平均来组合电容和力信号,其中力信号的加权多于电容 信号。

[0798] 可以自动在软件中进行一个信号(力或电容)比另一个信号更弱或噪音更大的条 件的检测,且该软件可以通过利用更清楚的信号或通过给更清楚的信号更多的权重来进行 自动补偿。

[0799] 自电容感测

[0800]很多现存的电容式触摸传感器使用互电容式扫描和自电容式扫描的结合,以检测 触摸的位置。虽然本文中所述的用于电容式传感器的大部分扫描算法落入互电容式扫描的 类别,但是本发明的传感器也可以使用自电容式方法扫描。

[0801]互电容式扫描和自电容式扫描的主要区别在于互电容式扫描查找每个行/列交叉 点处的接触,而自电容式扫描查找或给定行或给定列处的接触。这与一维扫描类似,针对内 插力感测传感器已经描述了一维扫描,其中可以确定沿着X或Y轴的触摸的位置。这与用于 确定尖笔的(Χ,γ)位置的一维扫描方法也类似。

[0802] 可以与用于内插力感测传感器的一维扫描类似的方式,对内插电容式传感器进行 自电容扫描。对于希望测量自电容的每个列/行,将所有必须接地的临近列/行接地,然后测 量所需行/列的电容。

[0803] 一种测量该电容的方式是使用如图98 (9800)所示的电路。该图描述了位于行和列 上的AC信号源和AC信号检测器。为了利用该电路检测行/列的电容,简单的方式是传输AC信 号,并在相同行/列上接收该信号,同时将临近行/列接地。当手指或其他导电物体接近驱动 行/列时,电容将增加,导致检测信号的振幅减小。

[0804] 可替代地,能够从各不同制造商处获得的、能够结合至很多可用的微控制器的专 用的电容测量模块可用于替代如图98 (9800)所示的AC信号源和AC信号检测器的组合,以测 量给定行/列的电容。

[0805] 多分辨率电容扫描

[0806] 仅当包括内插力感测传感器时,内插电容式传感器支持以多分辨率扫描的能力。 这可用于提高扫描速度,节省功率,并实施多分辨率扫描。当扫描具有不同尺寸的物体时, 这也非常有用。例如,较低分辨率扫描可用于扫描手指,较高分辨率扫描可用于扫描尖笔。

[0807] 仅当包括内插力感测传感器时,可通过将VIA中的有源电极的子集设置为高阻抗 状态,并仅扫描剩余的有源电极,来实现较低分辨率扫描。这是通过将如图93 (9300)-图99 (9900)中的列复用电路和行复用电路中的开关设置为NC (未连接)状态来完成的。这有效地 创建了具有较低有源线分辨率的传感器,但是仍然保存传感器的线性与可以追踪接触的精 确度。

[0808] 力感测电容(10700)

[0809] 虽然到目前为止所示内插传感器实施例已经使用或电阻的改变来测量力,或电容 的改变来检测触摸,但是还能够创建使用电容的改变来测量力的传感器。这可以通过如下 方式实现:采用具有如图93 (9300)至98 (9800)所示的电子器件以及具有如图81 (8100)至84 (8400)所示的结构的电容式内插阵列,并将该结构更改为使VIA的每个行列交叉点上的每 个传感器元件改变电容以响应力。图107 (10700)展示了一个可能的实施例。

[0810] 图107 (10700)展示了由内插电容式传感器阵列构成的下层,由可变形表面构成的 上层,和湿软(squishy)的(圆滑的)位于二者之间的层。上层的底面涂敷有导电材料。该导 电层与电容传感器阵列以与图81 (8100)-84(8400)中手指与电容感测阵列的耦合相同的方 式进行电容耦合。但是,当施加压力时,中间湿软的(圆滑的)层变形,使上层与电容式传感 器阵列更接近。当这种情况发生时,导电层与传输线之间的电容耦合增加,导致接收线上的 信号减小。这导致接收线上接收的信号的减少,这种变化响应于上层的变形而改变,这基于 用户施加的压力的量而变化。

[0811] 在希望具有透明传感器的情况中,对于例如与显示器结合的应用,可以通过在整 个堆栈中使用透明材料,将整个传感器结构制成透明的。例如,顶层可由塑料或薄的、柔性 玻璃制成。透明导电材料,例如ΙΤ0、碳纳米管、银纳米线、细丝网、或透明导电聚合物可用于 在顶层底侧形成导电层。中间层可以由透明的湿软的(圆滑的)材料形成,例如硅橡胶、聚氨 酯或透明凝胶形成。

[0812] 为了改进电绝缘,顶层下侧的导电层可以电连接至地。

[0813] 与显示器和其他传感器类型的集成(10800)

[0814] 可通过将传感器层压或连接至显示器的顶部,将透明电容式传感器与显示器集 成,显示器例如为LCD、0LED或电泳显示器。图108 (10800)展示了显示器顶部的电容式传感 器的例子。可将保护顶面连接至触摸传感器上方,以保护传感器和显示器。

[0815] 在一些情况中,可能希望添加额外的传感器至组合的堆栈。图108 (10800)还展示 了一个可替代实施例,其中电磁传感器连接至显示器下方。该传感器可用于感测特定的电 磁尖笔、RFID标签的存在,或者在与屏幕接触的其他装置之间无线传输功率/数据。

[0816] 内插电容式与现有技术的对比(10900) - (11500)

[0817] 与现有不能进行内插的电容式传感器相比,本发明的传感器可以用高精确度和线 性追踪手指和尖笔。在图109 (10900)和110 (11000)描述了典型现有技术的电容式触摸传感 器(没有内插)的俯视图和横截面图。注意到,有源电极节距为4mm,感测图案的节距也是 4mm。参照图110 (11000)的横截面图,可以看出仅有一小组电力线与手指相互交流,这些线 的图案高度非线性。当手指以直线通过图109 (10900)中的传感器表面时,传感器认为的手 指采取的路径是波浪形且非线性的,如粗弯曲线所示。这是由于传感器固有的非线性导致 的,虽然很多电容式传感器设计试图利用查找表补偿这种非线性,但是不能很好地补偿所 有触摸的尺寸和形状。

[0818] 在图111 (11100)和图112 (11200)描述了本发明示例的内插电容式触摸传感器的 俯视图和横截面图。注意到,有源电极节距仍为4mm,内插元件的添加允许更紧凑的感测图 案节距,为Imm (利用典型的本发明的行/列节距,0.25-2.5mm)。参见图112 (11200)的横截面 图,可以看出有很多电力线与手指相互交流,在手指表面上导致更多的电容相互交流,从而 更多的线性响应。当手指以直线在图111 (11100)中的传感器表面移动时,传感器认为的手 指采取的路径非常线性,并具有很少的瑕疵,如粗曲线所示。这种更线性的响应是由于内插 传感器中的传感器元件的较高的节距,这增加的线性益于与传感器的所有交互,而无论用 户使用他们的手指、尖笔或任何其他导电物体。进一步地,手指位置中的瑕疵范围非常小, 并可通过使用施加至计算的手指位置的时域过滤算法容易地过滤,以在输出端得到完美的 直线。

[0819] 注意到,本发明的内插方法给出与其他电容式传感器配置类似的性能优点。例如, 具有网格图案的内插电容式传感器,如图83 (8300)-84 (8400)所示,也可以比不支持本发明 内插方法的具有网格图案的传感器更以更高精度追踪尖笔/接触。

[0820] 在图1 13 (1 1300) -1 15 (1 1500)中,比较了从主要的触摸传感器制造商( MICROCHIP^· Technology ,Inc. ,2355ffest Chandler BLVD , Chandler ,AZ 85224-6199USA)制造的现有触摸传感器获得的信号与从使用4mm有源线节距和lmm感测图案节距 的本发明传感器获得的信号。图113 (11300)展示了通过MICROCHIPS)传感器(代表其他电 容式触摸传感器)获取的单个接触的信号。此处,可以看出该信号是非常非线性的。中心元 件具有非常高的峰,周围元件衰减非常迅速。图114 (11400)展示了来自本发明内插电容式 触摸传感器的用于单个触摸的信号。此处可以看出,该信号具有更平滑的轮廓,更好地与接 触它的手指的轮廓匹配。进一步地,图115 (11500)描述了信号的采样后的重建,以评估各个 传感器元件获取的信号。此处,可以观察到,能够重新构建手指触摸的真实形状。因为其信 号固有的非线性,不能对MICROCHIP®传感器产生的信号进行这种类型的重建。

[0821] 系统概述

[0822] 本发明预期了基本结构方案的各种变化,但是可以概括为:一种触摸传感器检测 器系统,包括:

[0823] (a)触摸传感器阵列(TSA);

[0824] ⑹阵列列驱动器(ACD);

[0825] (c)列切换寄存器(CSR);

[0826] (d)列驱动源(CDS);

[0827] (e)阵列行传感器(ARS);

[0828] (f)行切换寄存器(RSR);

[0829] (g)模拟-数字转换器(ADC);和

[0830] ⑹计算控制装置(CCD);

[0831] 其中,所述TSA包括可变阻抗阵列(VIA),其包括VIA行和VIA列;

[0832] 所述VIA包括使所述VIA列和所述VIA行相互连接的电容元件;

[0833] 所述VIA配置为电耦合所述TSA内的多个互连的阻抗列(IIC)与所述TSA内的多个 互连的阻抗行(IIR);

[0834] 所述IIC进一步包括多个单独的列阻抗元件(ICIE),其在所述VIA列之间串联电连 接;

[0835] 所述IIR进一步包括多个单独的行阻抗元件(IRIE),其在所述VIA行之间串联电连 接;

[0836] 所述A⑶配置为基于所述CSR,在所述TSA内选择所述IIC;

[0837] 所述ACD配置为利用所述CDS电驱动所述选择的IIC;

[0838] 所述ARS配置为基于所述RSR,在所述TSA内选择所述IIR;

[0839] 所述ADC配置为感测所述选择的IIR的电状态,并将所述电状态转化为感测的数字 值(SDV);

[0840] 通过所述VIA内的可变阻抗元件的电流贡献的和确定所述电状态,其中每个元件 的所述电流贡献通过形成于所述VIA的列之间的分压器,形成于所述VIA的行之间的分流 器,和阻抗元件的状态来确定,以通过所述VIA产生给定行列交叉点的感测电流;和

[0841] 所述CCD配置为对来自位于所述TSA的多个位置的所述ADC的所述SDV进行采样,以 形成触摸传感器矩阵(TSM)数据结构。

[0842] 可以通过本文中描述的各种元件扩展该一般系统概述,以产生于总体设计描述相 一致的各种本发明的实施例。

[0843] 方法概述

[0844] 本发明预期了基本实施方案的各种变化,但是可以概括为:一种触摸传感器检测 器方法,其中该方法在触摸传感器检测器系统上进行,该触摸传感器检测器系统包括:

[0845] (a)触摸传感器阵列(TSA);

[0846] ⑹阵列列驱动器(ACD);

[0847] (c)列切换寄存器(CSR);

[0848] (d)列驱动源(CDS);

[0849] (e)阵列行传感器(ARS);

[0850] (f)行切换寄存器(RSR);

[0851] (g)模拟-数字转换器(ADC);和

[0852] ⑹计算控制装置(CCD);

[0853] 其中,所述TSA包括可变阻抗阵列(VIA),其包括VIA行和VIA列;

[0854] 所述VIA包括使所述VIA列和所述VIA行相互连接的电容元件;

[0855] 所述VIA配置为电耦合所述TSA内的多个互连的阻抗列(IIC)与所述TSA内的多个 互连的阻抗行(IIR);

[0856] 所述IIC进一步包括多个单独的列阻抗元件(ICIE),其在所述VIA列之间串联电连 接;

[0857] 所述IIR进一步包括多个单独的行阻抗元件(IRIE),其在所述VIA行之间串联电连 接;

[0858] 所述A⑶配置为基于所述CSR,在所述TSA内选择所述IIC;

[0859] 所述ACD配置为利用所述CDS电驱动所述选择的IIC;

[0860] 所述ARS配置为基于所述RSR,在所述TSA内选择所述IIR;

[0861] 所述ADC配置为感测所述选择的IIR的电状态,并将所述电状态转化为感测的数字 值(SDV);

[0862] 通过所述VIA内的可变阻抗元件的电流贡献的和,确定所述电状态,其中每个元件 的所述电流贡献通过形成于所述VIA的列之间的分压器,形成于所述VIA的行之间的分流 器,和阻抗元件的状态来确定,以通过所述VIA产生给定行列交叉点的感测电流;和

[0863] 所述CCD配置为对来自位于所述TSA的多个位置处的所述ADC的所述SDV进行采样, 以形成触摸传感器矩阵(TSM)数据结构;

[0864] 其中所述方法包括以下步骤:

[0865] (1)在所述C⑶的控制下,配置所述VIA内的所述IIC;

[0866] (2)在所述C⑶的控制下,配置所述VIA内的所述IIR;

[0867] ⑶在所述CCD的控制下,利用所述CDS电激励所述IIC;

[0868] ⑷在所述CCD的控制下,将所述数字数据存储于所述TSM内;

[0869] (5)在所述(XD的控制下,确定所述⑶R、所述IIC和所述IIR的预定变化是否已经记 录到所述TSM内,如果是,进行到步骤(8);

[0870] (6)在所述CCD的控制下,为新的VIA感测变体重新配置所述CDS、所述IIC和所述 IIR,并进行到步骤(3);

[0871] ⑺在所述CCD的控制下,插入所述TSM值,以确定所述VIA内的活动焦点;

[0872] ⑻在所述CCD的控制下,将所述焦点活动信息转化为用户界面输入命令顺序;和

[0873] ⑼在所述CCD的控制下,将所述用户界面输入命令顺序传输至用于操作的计算机 系统,并进入步骤(1)。

[0874] 可以通过本文中描述的各种元件扩展该一般方法概述,以产生于总体设计描述相 一致的各种本发明的实施例。

[0875] 系统/方法变体

[0876] 本发明预期了基本结构方案的各种变化。前面所呈现的例子不代表可能的用法的 整个范围。它们旨在引用几乎无限制的可能性中的一些。

[0877] 可以利用各种配套实施例扩展基本系统和方法,这些实施例包括但不限于:

[0878] •在一个实施例中,其中所述VIA进一步包括力感测材料,其响应于施加至所述 TSA的压力,其中所述CCD配置为通过测量所述VIA内的电阻,确定施加至所述TSA的压力。

[0879] •在一个实施例中,其中所述CXD配置为组合来自所述TSA的电容和力感测数据, 以形成与所述TSA相关联的平均触摸感测值。

[0880] •在一个实施例中,其中所述CCD配置为利用加权平均组合来自所述TSA的电容感 测数据和力感测数据,以形成与所述TSA相关联的结合的触摸感测值。

[0881] •在一个实施例中,其中所述CCD配置为利用加权平均组合来自所述TSA的电容感 测数据和力感测数据,以形成与所述TSA相关联的组合的触摸感测值,其中与所述电容感测 数据相关的电容比的权重比与所述力感测数据相关的力的权重更大。

[0882] •在一个实施例中,其中所述CCD配置为利用加权平均组合来自所述TSA的电容感 测数据和力感测数据,以形成与所述TSA相关联的组合的触摸感测值,其中与所述力感测数 据相关联的力的权重比与所述电容感测数据相关联的电容的权重更大。

[0883] •在一个实施例中,其中所述CCD配置为利用互电容扫描来扫描所述VIA,所述互 电容扫描确定所述VIA内的每个行/列交叉点处的触摸的存在。

[0884] •在一个实施例中,其中所述CCD配置为利用自电容扫描来扫描所述VIA,所述自 电容扫描确定所述VIA内的给定行或所述VIA内的给定行处的触摸的存在。

[0885] •在一个实施例中,其中所述CCD配置为利用配置为高阻抗状态的、所述VIA内的 有源电极的子集,扫描所述VIA。

[0886] •在一个实施例中,其中所述VIA包括感测元件,其响应于施加至所述TSA的力,改 变电容。

[0887] •在一个实施例中,其中所述CCD配置为从所述TSA收集电容感测数据(CSD)和力 感测数据(FSD),并将所述CSD和所述FSD存储于所述TSM内。

[0888] •在一个实施例中,其中所述CCD配置为从所述TSA收集与有源尖笔相关的电容感 测数据(CSD)和力感测数据(FSD),并将所述CSD和所述FSD存储于所述TSM内。

[0889] •在一个实施例中,其中所述ACD包括配置为产生正弦波的数字-模拟转换器 (DAC) 〇

[0890] •在一个实施例中,其中所述ADC包括配置为检测正弦波的模拟-数字转换器。

[0891] •在一个实施例中,其中所述CCD包括状态机,其被配置为确定所述SDV是否组成 源自导电性物体或非导电性物体的触摸状态。

[0892] •在一个实施例中,其中所述A⑶包括单个发射器,其配置为一次扫描所述VIA中 的一个有源行列交叉点,所述ARS包括配置为一次感测单个行的接收器。

[0893] •在一个实施例中,其中所述ACD包括多个发射器,其配置为驱动所述VIA的多个 列。

[0894] •在一个实施例中,其中所述ARS包括多个接收器,其配置为感测所述VIA的多个 行。

[0895] •在一个实施例中,其中所述ACD包括在多频下操作的多个发射器,其配置为驱动 所述VIA的多个列。

[0896] •在一个实施例中,其中所述ACD包括在多频下操作的多个发射器,其配置为驱动 所述VIA的多个列;且所述ARS包括多个接收器,其配置为在多个频率下感测所述VIA的多个 行。

[0897] •在一个实施例中,其中所述VIA包括放置于相同层内的驱动电极和感测电极,和 导电桥,该导电桥使一组所述驱动电极和所述感测电极彼此重叠而不会短路。

[0898] •在一个实施例中,其中所述VIA包括具有放置于相同层内的驱动电极和感测电 极,和导电桥的菱形图案,该导电桥使一组所述驱动电极和所述感测电极彼此重叠而不会 短路。

[0899] •在一个实施例中,其中所述VIA包括结合有所述IIC和所述IIR的双层结构。

[0900] •在一个实施例中,其中所述VIA包括行列节距为0.25-2.5mm的感测元件。

[0901] •在一个实施例中,其中所述VIA包括电阻式传感器元件。

[0902] •在一个实施例中,其中所述VIA包括包含导体的传感器元件。

[0903] •在一个实施例中,其中所述VIA包括传感器元件,所述传感器元件包括电阻器、 电容器和电感器的任意组合。

[0904] •在一个实施例中,其中所述ICIE包括印刷窄电阻条。

[0905] •在一个实施例中,其中所述IRIE包括印刷窄电阻条。

[0906] •在一个实施例中,其中所述ICIE包括透明导电材料的薄桥。

[0907] •在一个实施例中,其中所述IRIE包括透明导电材料的薄桥。

[0908] •在一个实施例中,其中所述ICIE和所述IRIE由与所述VIA中的相应列和行的材 料相同的材料组成。

[0909] •在一个实施例中,其中所述ICIE和所述IRIE包括激光微调电阻器。

[0910] •在一个实施例中,其中用薄电介质层覆盖所述VIA。

[0911] •在一个实施例中,其中TSA进一步包括通过屏蔽材料的透明导电层与VIA分隔开 的显示器。

[0912] •在一个实施例中,其中所述VIA进一步包括由透明导电材料形成的列电极和行 电极。

[0913] •在一个实施例中,其中所述VIA进一步包括由透明导电材料形成的列电极和行 电极,所述透明导电材料选自由以下项组成的组:氧化铟锡(ITO)、透明有机导电颗粒、石墨 烯、碳纳米管、银纳米线、微型图案化的导电网格、透明导电性聚合物、或金属纳米粒子。

[0914] •在一个实施例中,其中所述VIA在显示器顶部形成,或层压至显示器。

[0915] •在一个实施例中,其中所述VIA集成在显示器的层内。

[0916] •在一个实施例中,其中所述TSA配置为将信号从所述VIA的每个行和列传输至尖 笔,且所述尖笔配置为通过所述传输确定信号强度,并将所述信号强度传输至所述CCD。

[0917] •在一个实施例中,其中所述TSA配置为从尖笔接收来自所述VIA的每个行和列的 信号,并通过分析所述接收的信号来确定所述尖笔的位置。

[0918] •在一个实施例中,其中所述TSA配置为通过经由所述VIA的所述行和列与尖笔的 双向通信,确定所述尖笔的位置。

[0919] •在一个实施例中,其中所述TSA配置为经由所述VIA的所述行和列,与多个尖笔 通信。

[0920] •在一个实施例中,其中所述TSA配置为与具有多个收发器的尖笔通信。

[0921] •在一个实施例中,其中所述TSA配置为与尖笔通信,所述尖笔配置为通过 BiUETQOTH®无线通信与主计算机通信。

[0922] 本领域技术人员将理解基于上述发明描述中教导的元件的组合,其他实施例也是 可能的。

[0923] 广义的计算机可用介质

[0924] 在各种可替换实施例中,本发明可以实现为与电脑计算系统一起使用的计算机程 序产品。本领域技术人员将容易理解可以将定义由本发明所限定的功能的程序可以以任何 合适的编程语言来编写,并以多种形式传递到计算机,这些形式包括但不限于:(a)永久存 储于非可写存储介质(例如只读存储器装置,如ROMs或CD-ROM盘)中的信息;⑹可变存储于 可写存储介质(例如软盘或硬盘驱动器)中的信息;和/或(c)通过通信介质,例如局域网、电 话网络、或公用网例如因特网传播到计算机的信息。当承载可实施本发明方法的计算机可 读命令时,这种计算机可读介质代表本发明的可替换实施例。

[0925] 如本文中概括论述的,本发明系统实施例可以结合包括具有嵌入其中的计算机可 读编码装置的计算机可用介质的各种计算机可读介质。本领域技术人员将明白与本文中所 述各种过程相关的软件可以嵌入可加载和激活软件的各种计算机可访问介质中。根据In re Beauregard,35USPQ2d 1383 (美国专利5,710,578),本发明预期并包括在本发明范围内 的这种类型的计算机可读介质。根据In re Nui jten,500F.3d 1346 (Fed.Cir.2007) (U.S.Patent Application S/N 09/211,928),本发明的范围所限制的计算机可读介质,其 中介质是有形且非临时性的。

[0926] 结论

[0927] 公开了结合有内插传感器阵列的电容式触摸传感器系统和方法。该系统和方法利 用触摸传感器阵列(TSA),其配置为通过可变阻抗阵列(VIA)检测接近/接触/压力(PCP),其 中VIA将耦合至阵列列驱动器(ACD)的互连的阻抗列(IIC)和耦合至阵列行传感器(ARS)的 互连的阻抗行(IIR)电耦合。所述ACD配置为基于列切换寄存器(CSR)选择所述IIC,并利用 列驱动源(⑶S)电驱动所述IIC。所述VIA将电流从被ARS驱动的IIC传输至被ARS感测IIC。 ARS选择TSA中的IIR,并基于行切换寄存器(RSR)电感测所述IIR的状态。ARS内插感测的电 流/电压允许TSA PCP和/或空间位置的准确检测。

[0928] 权利要求的解释

[0929] 当解释本发明的权利要求时,适用以下规则:

[0930] •应该认为权利要求的前序部分限制所要求保护的发明的范围。

[0931] •应该认为“其特征在于”句子限制所要求保护的发明的范围。

[0932] •应该认为“其中/其特征在于”句子限制所要求保护的发明的范围。

[0933] •应该认为“从而”句子限制所要求保护的发明的范围。

[0934] •应该认为“适用于”句子限制所要求保护的发明的范围。

[0935] •应该认为“用做”句子限制所要求保护的发明的范围。

[0936] •在上下文中,表达“X和/或Y”的短语“和/或”,根据Ex Parte Gross的解读 (USPT0 Patent Trial and Appeal Board,Appeal 2011-004811,S/N 11/565,411, Γ 和/ 或’包括仅具有元素A,仅具有元素B,或具有元素A和B的实施例)应该解释为限定“ (X和Y) ” 集合和“(X或Y)”集合的并集。

[0937]权利要求

[0938] 虽然本发明的优选实施例已经展示于附图中,并通过前述详细的说明书描述,但 是应该理解的是本发明不限于所公开的实施例,在不脱离由所附权利要求限定的本发明精 神的前提下,能够做出各种重新安排、更改和替换。

[0939] 所主张的权利要求如下:

Claims (132)

1. 一种电容式触摸传感器系统,其包括: (a)触摸传感器阵列TSA; ⑹阵列列驱动器A⑶; (c) 列切换寄存器CSR; (d) 列驱动源CDS; (e) 阵列行传感器ARS; (f) 行切换寄存器RSR; (g) 模拟-数字转换器ADC;和 ⑹计算控制装置CCD; 其中,所述TSA包括可变阻抗阵列VIA,所述可变阻抗阵列VIA包括VIA行和VIA列; 所述VIA包括使所述VIA列和所述VIA行互连的电容元件; 所述VIA被配置为电耦合所述TSA内的多个互连的阻抗列IIC与所述TSA内的多个互连 的阻抗行IIR; 所述IIC进一步包括多个单独的列阻抗元件ICIE,其中所述列阻抗元件ICIE在所述VIA 列之间串联电连接; 所述IIR进一步包括多个单独的行阻抗元件IRIE,其中所述行阻抗元件IRIE在所述VIA 行之间串联电连接; 所述ACD被配置为基于所述CSR,在所述TSA内选择所述IIC; 所述ACD被配置为利用所述CDS电驱动所述选择的IIC; 所述ARS被配置为基于所述RSR,在所述TSA内选择所述IIR; 所述ADC被配置为感测所述选择的IIR的电状态,并将所述电状态转化为感测的数字值 SDV ; 通过所述VIA内的可变阻抗元件的电流贡献的和,确定所述电状态,其中每个可变阻抗 元件的所述电流贡献通过形成于所述VIA的列之间的分压器,形成于所述VIA的行之间的分 流器,和可变阻抗元件的状态来确定,以通过所述VIA产生给定行列交叉点的感测电流;和 所述CCD被配置为对来自位于所述TSA内的多个位置的所述ADC的所述SDV进行采样,以 形成触摸传感器矩阵TSM数据结构。
2. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述VIA进一步包括力 感测材料,其响应于施加至所述TSA的压力,其中所述CCD被配置为通过测量所述VIA内的电 阻,确定施加至所述TSA的压力。
3. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述CCD被配置为组合 来自所述TSA的电容感测数据和力感测数据,以形成与所述TSA相关联的平均触摸感测值。
4. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述CCD被配置为利用 加权平均组合来自所述TSA的电容感测数据和力感测数据,以形成与所述TSA相关联的组合 的触摸感测值。
5. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述CCD被配置为利用 加权平均组合来自所述TSA的电容感测数据和力感测数据,以形成与所述TSA相关联的组合 的触摸感测值,其中与所述电容感测数据相关联的电容的权重比与所述力感测数据相关联 的权重更大。
6. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述CCD被配置为利用 加权平均组合来自所述TSA的电容感测数据和力感测数据,以形成与所述TSA相关联的组合 的触摸感测值,其中与所述力感测数据相关联的力的权重比与所述电容感测数据相关联的 电容的权重更大。
7. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述CCD被配置为利用 互电容扫描来扫描所述VIA,所述互电容扫描确定所述VIA内的每个行/列交叉点处的触摸 的存在。
8. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述CCD被配置为利用 自电容扫描来扫描所述VIA,所述自电容扫描确定所述VIA内的给定行或所述VIA内的给定 列处的触摸的存在。
9. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述CCD被配置为利用 被配置为高阻抗状态的、所述VIA内的有源电极的子集扫描所述VIA。
10. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述VIA包括感测元 件,其响应于施加至所述TSA的力,改变电容。
11. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述CCD被配置为从所 述TSA收集电容感测数据CSD和力感测数据FSD,并将所述CSD和所述FSD存储于所述TSM内。
12. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述CCD被配置为从所 述TSA收集与有源尖笔相关联的电容感测数据CSD和力感测数据FSD,并将所述CSD和所述 FSD存储于所述TSM内。
13. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述ACD包括被配置为 产生正弦波的数字-模拟转换器DAC。
14. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述ADC包括被配置为 检测正弦波的模拟-数字转换器。
15. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述CCD包括状态机, 其被配置为确定所述SDV是否组成源自导电性物体或非导电性物体的触摸状态。
16. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述ACD包括单个发射 器,其被配置为一次扫描所述VIA中的一个有源行列交叉点,所述ARS包括配置为一次感测 单个行的接收器。
17. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述ACD包括多个发射 器,其被配置为驱动所述VIA的多个列。
18. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述ARS包括多个接收 器,其被配置为感测所述VIA的多个行。
19. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述ACD包括在多个频 率下操作的多个发射器,其被配置为驱动所述VIA的多个列。
20. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述ACD包括在多个频 率下操作的多个发射器,其被配置为驱动所述VIA的多个列;且所述ARS包括多个接收器,其 被配置为在多个频率下感测所述VIA的多个行。
21. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述VIA包括放置于相 同层内的驱动电极和感测电极,和导电桥,其中所述导电桥使一组所述驱动电极和所述感 测电极彼此重叠而不会短路。
22. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述VIA包括具有放置 于相同层内的驱动电极和感测电极,和导电桥的菱形图案,其中所述导电桥使一组所述驱 动电极和所述感测电极彼此重叠而不会短路。
23. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述VIA包括结合有所 述IIC和所述IIR的双层结构。
24. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述VIA包括行列节距 为0.25-2.5mm的感测元件。
25. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述IRIE包括电阻式 传感器元件。
26. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述ICIE包括电阻式 传感器元件。
27. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述ICIE包括印刷窄 电阻条。
28. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述IRIE包括印刷窄 电阻条。
29. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述ICIE包括透明导 电材料的薄桥。
30. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述IRIE包括透明导 电材料的薄桥。
31. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述ICIE和所述IRIE 由与所述VIA中的相应列和行的材料相同的材料组成。
32. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述ICIE和所述IRIE 包括激光微调电阻器。
33. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述VIA被薄电介质层 覆盖。
34. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述VIA被屏蔽材料的 透明导电层电屏蔽。
35. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述VIA进一步包括由 透明导电材料形成的列电极和行电极。
36. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述VIA进一步包括由 透明导电材料形成的列电极和行电极,所述透明导电材料选自由以下项组成的组:氧化铟 锡ITO、透明有机导电颗粒、石墨烯、碳纳米管、银纳米线、微型图案化的导电网格、透明导电 性聚合物、和金属纳米粒子。
37. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述VIA在显示器顶部 形成,或被层压至显示器。
38. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述VIA集成在显示器 的层内。
39. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述TSA被配置为将信 号从所述VIA的每个行和列传输至尖笔,且所述尖笔被配置为通过所述传输确定信号强度, 并将所述信号强度传输至所述CCD。
40. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述TSA被配置为从尖 笔接收来自所述VIA的每个行和列的信号,并通过分析所述接收的信号来确定所述尖笔的 位置。
41. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述TSA被配置为通过 经由所述VIA的行和列与尖笔的双向通信,确定所述尖笔的位置。
42. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述TSA被配置为经由 所述VIA的所述行和列,与多个尖笔通信。
43. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述TSA被配置为与具 有多个收发器的尖笔通信。
44. 根据权利要求1所述的电容式触摸传感器系统,其特征在于,所述TSA被配置为与尖 笔通信,所述尖笔被配置为通过BLUETOOTH®无线通信与主计算机通信。
45. 用于操作电容式触摸传感器系统的电容式触摸传感器方法,所述电容式触摸传感 器系统包括: (a)触摸传感器阵列TSA; ⑹阵列列驱动器A⑶; (c) 列切换寄存器CSR; (d) 列驱动源CDS; (e) 阵列行传感器ARS; (f) 行切换寄存器RSR; (g) 模拟-数字转换器ADC;和 ⑹计算控制装置CCD; 其中,所述TSA包括可变阻抗阵列VIA,所述可变阻抗阵列VIA包括VIA行和VIA列; 所述VIA包括使所述VIA列和所述VIA行互连的电容元件; 所述VIA被配置为电耦合所述TSA内的多个互连的阻抗列IIC与所述TSA内的多个互连 的阻抗行IIR; 所述IIC进一步包括多个单独的列阻抗元件ICIE,所述列阻抗元件ICIE在所述VIA列之 间串联电连接; 所述IIR进一步包括多个单独的行阻抗元件IRIE,所述行阻抗元件IRIE在所述VIA行之 间串联电连接; 所述ACD被配置为基于所述CSR,在所述TSA内选择所述IIC; 所述ACD被配置为利用所述CDS电驱动所述选择的IIC; 所述ARS被配置为基于所述RSR,在所述TSA内选择所述IIR; 所述ADC被配置为感测所述选择的IIR的电状态,并将所述电状态转化为感测的数字值 SDV ; 通过所述VIA内的可变阻抗元件的电流贡献的和确定所述电状态,其中每个可变阻抗 元件的所述电流贡献通过形成于所述VIA的列之间的分压器,形成于所述VIA的行之间的分 流器,和可变阻抗元件的状态来确定,以通过所述VIA产生给定行列交叉点的感测电流;和 所述CCD被配置为对来自位于所述TSA内的多个位置的所述ADC的所述SDV进行采样,以 形成触摸传感器矩阵TSM数据结构; 其中所述方法包括以下步骤: (1)在所述CCD的控制下,配置所述VIA内的所述IIC; ⑵在所述CCD的控制下,配置所述VIA内的所述IIR; ⑶在所述CCD的控制下,利用所述CDS电激励所述IIC; ⑷在所述CCD的控制下,利用所述ADC感测所述IIR中的所述电状态,作为所述VIA内的 给定行列交叉点的感测电流,并将所述电状态转化为数字数据; ⑸在所述CCD的控制下,将所述数字数据存储于所述TSM内; ⑹在所述CCD的控制下,确定所述CDS、所述IIC和所述IIR的预定变化是否已经记录到 所述TSM内,如果是,则进入步骤(8); (7)在所述CCD的控制下,为新的VIA感测变体重新配置所述CDS、所述IIC和所述IIR,并 进入步骤⑶; ⑻在所述CCD的控制下,内插所述TSM值,以确定所述VIA内的活动焦点; ⑼在所述CCD的控制下,将所述焦点活动信息转化为用户界面输入命令序列;和 (10)在所述CCD的控制下,将所述用户界面输入命令序列传输至计算机系统用于操作, 并进入步骤(1)。
46. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述VIA进一步包括 力感测材料,其响应于施加至所述TSA的压力,其中所述CCD被配置为通过测量所述VIA内的 电阻,确定施加至所述TSA的压力。
47. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述CCD被配置为组 合来自所述TSA的电容感测数据和力感测数据,以形成与所述TSA相关联的平均触摸感测 值。
48. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述CCD被配置为利 用加权平均组合来自所述TSA的电容感测数据和力感测数据,以形成与所述TSA相关联的组 合的触摸感测值。
49. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述CCD被配置为利 用加权平均组合来自所述TSA的电容感测数据和力感测数据,以形成与所述TSA相关联的组 合的触摸感测值,其中与所述电容感测数据相关联的电容的权重比与所述力感测数据相关 联的力的权重更大。
50. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述CCD被配置为利 用加权平均组合来自所述TSA的电容感测数据和力感测数据,以形成与所述TSA相关联的组 合的触摸感测值,其中与所述力感测数据相关联的力的权重比与所述电容感测数据相关联 的电容的权重更大。
51. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述CCD被配置为利 用互电容扫描来扫描所述VIA,所述互电容扫描确定所述VIA内的每个行/列交叉点处的触 摸的存在。
52. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述CCD被配置为利 用自电容扫描来扫描所述VIA,所述自电容扫描确定所述VIA内的给定行或所述VIA内的给 定列处的触摸的存在。
53. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述CCD被配置为利 用配置为高阻抗状态的、所述VIA内的有源电极的子集扫描所述VIA。
54. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述VIA包括感测元 件,其响应于施加至所述TSA的力,改变电容。
55. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述CCD被配置为从 所述TSA收集电容感测数据CSD和力感测数据FSD,并将所述CSD和所述FSD存储于所述TSM 内。
56. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述CCD被配置为从 所述TSA收集与有源尖笔相关联的电容感测数据CSD和力感测数据FSD,并将所述CSD和所述 FSD存储于所述TSM内。
57. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述ACD包括被配置 为产生正弦波的数字-模拟转换器DAC。
58. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述ADC包括被配置 为检测正弦波的模拟-数字转换器。
59. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述CCD包括状态机, 其被配置为确定所述SDV是否组成源自导电性物体或非导电性物体的触摸状态。
60. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述ACD包括单个发 射器,其被配置为一次扫描所述VIA中的一个有源行列交叉点,所述ARS包括被配置为一次 感测单个行的接收器。
61. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述ACD包括多个发 射器,其被配置为驱动所述VIA的多个列。
62. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述ARS包括多个接 收器,其被配置为感测所述VIA的多个行。
63. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述ACD包括在多个 频率下操作的多个发射器,其被配置为驱动所述VIA的多个列。
64. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述ACD包括在多个 频率下操作的多个发射器,其被配置为驱动所述VIA的多个列;且所述ARS包括多个接收器, 其被配置为在多个频率下感测所述VIA的多个行。
65. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述VIA包括放置于 相同层内的驱动电极和感测电极,和导电桥,其中所述导电桥使一组所述驱动电极和所述 感测电极彼此重叠而不会短路。
66. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述VIA包括具有放 置于相同层内的驱动电极和感测电极,和导电桥的菱形图案,其中所述导电桥使一组所述 驱动电极和所述感测电极彼此重叠而不会短路。
67. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述VIA包括结合有 所述IIC和所述IIR的双层结构。
68. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述VIA包括行列节 距为0.25-2.5mm的感测元件。
69. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述IRIE包括电阻式 传感器元件。
70. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述ICIE包括电阻式 传感器元件。
71. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述ICIE包括印刷窄 电阻条。
72. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述IRIE包括印刷窄 电阻条。
73. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述ICIE包括透明导 电材料的薄桥。
74. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述IRIE包括透明导 电材料的薄桥。
75. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述ICIE和所述IRIE 由与所述VIA中的相应列和行的材料相同的材料组成。
76. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述ICIE和所述IRIE 由激光微调电阻器组成。
77. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述VIA被薄电介质 层覆盖。
78. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述VIA被屏蔽材料 的透明导电层电屏蔽。
79. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述VIA进一步包括 由透明导电材料形成的列电极和行电极。
80. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述VIA进一步包括 由透明导电材料形成的列电极和行电极,所述透明导电材料选自由以下项组成的组:氧化 铟锡ITO、透明有机导电颗粒、石墨烯、碳纳米管、银纳米线、微型图案化的导电网格、透明导 电性聚合物、和金属纳米粒子。
81. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述VIA在显示器顶 部形成,或被层压至显示器。
82. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述VIA集成在显示 器的层内。
83. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述TSA被配置为将 信号从所述VIA的每个行和列传输至尖笔,且所述尖笔配置为通过所述传输确定信号强度, 并将所述信号强度传输至所述CCD。
84. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述TSA被配置为从 尖笔接收来自所述VIA的每个行和列的信号,并通过分析所述接收的信号来确定所述尖笔 的位置。
85. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述TSA被配置为通 过经由所述VIA的所述行和列与尖笔的双向通信,确定所述尖笔的位置。
86. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述TSA被配置为经 由所述VIA的所述行和列,与多个尖笔通信。
87. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述TSA被配置为与 具有多个接收器的尖笔通信。
88. 根据权利要求45所述的电容式触摸传感器方法,其特征在于,所述TSA被配置为与 尖笔通信,所述尖笔配置为通过BLUETOOTH®无线通信与主计算机通信。
89. —种具有计算机可读程序编码装置的有形的非临时性计算机可用介质,包括被配 置以操作电容式触摸传感器系统的电容式触摸传感器方法,所述电容式触摸传感器系统包 括: (a)触摸传感器阵列TSA; ⑹阵列列驱动器A⑶; (c) 列切换寄存器CSR; (d) 列驱动源CDS; (e) 阵列行传感器ARS; (f) 行切换寄存器RSR; (g) 模拟-数字转换器ADC;和 ⑹计算控制装置CCD; 其中,所述TSA包括可变阻抗阵列VIA,所述可变阻抗阵列VIA包括VIA行和VIA列; 所述VIA包括使所述VIA列和所述VIA行互连的电容元件; 所述VIA被配置为电耦合所述TSA内的多个互连的阻抗列IIC与所述TSA内的多个互连 的阻抗行IIR; 所述IIC进一步包括多个单独的列阻抗元件ICIE,所述列阻抗元件ICIE在所述VIA列之 间串联电连接; 所述IIR进一步包括多个单独的行阻抗元件IRIE,所述行阻抗元件IRIE在所述VIA行之 间串联电连接; 所述ACD被配置为基于所述CSR,在所述TSA内选择所述IIC; 所述ACD被配置为利用所述CDS电驱动所述选择IIC; 所述ARS被配置为基于所述RSR,在所述TSA内选择所述IIR; 所述ADC被配置为感测所述选择的IIR的电状态,并将所述电状态转化为感测的数字值 SDV ; 通过所述VIA内的可变阻抗元件的电流贡献的和,确定所述电状态,其中每个可变阻抗 元件的所述电流贡献通过形成于所述VIA的列之间的分压器,形成于所述VIA的行之间的分 流器,和可变阻抗元件的状态来确定,以通过所述VIA产生给定行列交叉点的感测电流;和 所述CCD被配置为对来自位于所述TSA内的多个位置的所述ADC的所述SDV进行采样,以 形成触摸传感器矩阵TSM数据结构; 其中所述方法包括以下步骤: (1)在所述CCD的控制下,配置所述VIA内的所述IIC; ⑵在所述CCD的控制下,配置所述VIA内的所述IIR; ⑶在所述CCD的控制下,利用所述CDS电激励所述IIC; ⑷在所述CCD的控制下,利用所述ADC感测所述IIR中的所述电状态,作为所述VIA内的 给定行列交叉点的感测电流,并将所述电状态转化为数字数据; ⑸在所述CCD的控制下,将所述数字数据存储于所述TSM内; ⑹在所述CCD的控制下,确定所述CDS、所述IIC和所述IIR的预定变化是否已经记录到 所述TSM内,如果是,则进入步骤(8); (7)在所述CCD的控制下,为新的VIA感测变体重新配置所述CDS、所述IIC和所述IIR,并 进入步骤⑶; ⑻在所述CCD的控制下,内插所述TSM值,以确定所述VIA内的活动焦点; ⑼在所述CCD的控制下,将所述焦点活动信息转化为用户界面输入命令序列;和 (10)在所述CCD的控制下,将所述用户界面输入命令序列传输至计算机系统用于操作, 并进入步骤(1)。
90. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述VIA进一步包括力感测 材料,其响应于施加至所述TSA的压力,其中所述CCD被配置为通过测量所述VIA内的电阻, 确定施加至所述TSA的压力。
91. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述CCD被配置为组合来自 所述TSA的电容感测数据和力感测数据,以形成与所述TSA相关联的平均触摸感测值。
92. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述CCD被配置为利用加权 平均组合来自所述TSA的电容感测数据和力感测数据,以形成与所述TSA相关联的组合的触 摸感测值。
93. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述CCD被配置为利用加权 平均组合来自所述TSA的电容感测数据和力感测数据,以形成与所述TSA相关联的组合的触 摸感测值,其中与所述电容感测数据相关联的电容的权重比与所述力感测数据相关联的力 的权重更大。
94. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述CCD被配置为利用加权 平均组合来自所述TSA的电容感测数据和力感测数据,以形成与所述TSA相关联的组合的触 摸感测值,其中与所述力感测数据相关联的力的权重比与所述电容感测数据相关联的电容 的权重更大。
95. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述CCD被配置为利用互电 容扫描来扫描所述VIA,所述互电容扫描确定所述VIA内的每个行/列交叉点处的触摸的存 在。
96. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述CCD被配置为利用自电 容扫描来扫描所述VIA,所述自电容扫描确定所述VIA内的给定行或所述VIA内的给定列处 的触摸的存在。
97. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述CCD配置为利用配置为 高阻抗状态的、所述VIA内的有源电极的子集扫描所述VIA。
98. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述VIA包括感测元件,其响 应施加至所述TSA的力,改变电容。
99. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述CCD被配置为从所述TSA 收集电容感测数据CSD和力感测数据FSD,并将所述CSD和所述FSD存储于所述TSM内。
100. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述CCD被配置为从所述 TSA收集与有源尖笔相关联的电容感测数据CSD和力感测数据FSD,并将所述CSD和所述FSD 存储于所述TSM内。
101. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述ACD包括被配置为产生 正弦波的数字-模拟转换器DAC。
102. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述ADC包括被配置为检测 正弦波的模拟-数字转换器。
103. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述CCD包括状态机,其被 配置为确定所述SDV是否组成源自导电性物体或非导电性物体的触摸状态。
104. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述ACD包括单个发射器, 其被配置为一次扫描所述VIA中的一个有源行列交叉点,所述ARS包括被配置为一次感测单 个行的接收器。
105. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述ACD包括多个发射器, 其被配置为驱动所述VIA的多个列。
106. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述ARS包括多个接收器, 其被配置为感测所述VIA的多个行。
107. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述ACD包括在多个频率下 操作的多个发射器,其被配置为驱动所述VIA的多个列。
108. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述ACD包括在多个频率下 操作的多个发射器,其被配置为驱动所述VIA的多个列;且所述ARS包括多个接收器,其被配 置为在多频下感测所述VIA的多个行。
109. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述VIA包括放置于相同层 内的驱动电极和感测电极,和导电桥,其中所述导电桥使一组所述驱动电极和所述感测电 极彼此重叠而不会短路。
110. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述VIA包括具有放置于相 同层内的驱动电极和感测电极,和导电桥的菱形图案,其中所述导电桥使一组所述驱动电 极和所述感测电极彼此重叠而不会短路。
111. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述VIA包括结合有所述 IIC和所述IIR的双层结构。
112. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述VIA包括行列节距为
0.25-2.5mm的感测元件。
113. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述IRIE包括电阻式传感 器元件。
114. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述ICIE包括电阻式传感 器元件。
115. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述ICIE包括印刷窄电阻 条。
116. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述IRIE包括印刷窄电阻 条。
117. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述ICIE包括透明导电材 料的薄桥。
118. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述IRIE包括透明导电材 料的薄桥。
119. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述ICIE和所述IRIE由与 所述VIA中的相应列和行的材料相同的材料组成。
120. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述ICIE和所述IRIE由激 光微调电阻器组成。
121. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述VIA被薄电介质层覆 盖。
122. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述VIA被屏蔽材料的透明 导电层电屏蔽。
123. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述VIA进一步包括由透明 导电材料形成的列电极和行电极。
124. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述VIA进一步包括由透明 导电材料形成的列电极和行电极,所述透明导电材料选自由以下项组成的组:氧化铟锡 (ITO)、透明有机导电颗粒、石墨烯、碳纳米管、银纳米线、微型图案化的导电网格、透明导电 性聚合物、和金属纳米粒子。
125. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述VIA在显示器顶部形 成,或被层压至显示器。
126. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述VIA集成在显示器的层 内。
127. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述TSA被配置为将信号从 VIA的每个行和列传输至尖笔,且所述尖笔配置为通过所述传输确定信号强度,并将所述信 号强度传输至所述(XD。
128. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述TSA被配置为从尖笔接 收来自所述VIA的每个行和列的信号,并通过分析所述接收的信号来确定所述尖笔的位置。
129. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述TSA被配置为通过经由 所述VIA的所述行和列与尖笔的双向通信,确定所述尖笔的位置。
130. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述TSA被配置为经由所述 VIA的所述行和列,与多个尖笔通信。
131. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述TSA被配置为与具有多 个收发器的尖笔通信。
132. 根据权利要求89所述的计算机可用介质,其特征在于,所述TSA被配置为与尖笔通 信,所述尖笔被配置为通过BLUETOOTH®无线通信与主计算机通信。
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