CN106155435B - 高灵敏度的电容触控装置及其运作方法 - Google Patents

Abstract

一种电容触控装置，包含触控面板及控制晶片。所述触控面板包含检测电极用以形成自感电容。所述控制晶片包含模拟电路及减法电路。所述模拟电路用以输出参考信号。所述减法电路耦接所述模拟电路与所述检测电极，将所述模拟电路输出的所述参考信号与所述检测电极输出的检测信号进行差分运算以输出差分检测信号，并根据放大后差分检测信号识别接触事件，借以提高触碰灵敏度。

Description

高灵敏度的电容触控装置及其运作方法

技术领域

本发明有关一种触控装置，更特别有关一种高灵敏度的电容触控装置及其运作方法。

背景技术

触控面板由于能让使用者以直觉操作，故已广泛的应用于各式电子装置中。触控面板一般可分为电容式、电阻式及光学式触控面板。

电容式触控装置又可进一步区分为自容式触控装置(self-capacitive接触sensor)以及互容式触控装置(mutual capacitive接触sensor)，这两种触控装置具有不同的电容变化特性，因而可适用于不同功能。例如，互容式触控装置可用以进行多点检测(multi-接触detection)而自容式触控装置对悬浮操作具有较高的灵敏度且对水滴具有较低的灵敏度。然而，这两种电容式触控装置中，如何提高接触灵敏度均为一重要课题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种高灵敏度的电容触控装置及其运作方法。

本发明提供一种电容触控装置及其运作方法，其于控制晶片中设置模拟电路用以产生参考信号以作为检测信号的消去值(cancellation)，借以降低所述控制晶片中检测电容器的尺寸。

本发明提供一种电容触控装置及其运作方法，其于控制晶片中设置模拟电路用以产生参考信号以作为检测信号的消去值，借以增加接触灵敏度。

本发明提供一种电容触控装置，包含触控面板及控制晶片。所述触控面板包含检测电极用以形成自感电容。所述控制晶片包含检测电容、输入电阻、放大电路以及模拟电路；其中，所述检测电容、所述自感电容、所述输入电阻及所述放大电路形成第一滤波电路而所述模拟电路形成第二滤波电路，且所述第二滤波电路的频率响应根据所述第一滤波电路的频率响应决定。

本发明还提供一种电容触控装置，包含触控面板及控制晶片。所述触控面板包含多个检测电极用以分别形成自感电容。所述控制晶片包含模拟电路、多个可程式滤波器及减法电路。所述模拟电路用以输出参考信号。所述可程式滤波器分别耦接所述检测电极。所述减法电路耦接所述模拟电路，用以于自容检测模式下依次电性耦接所述可程式滤波器，将所述模拟电路输出的所述参考信号与所耦接的所述可程式滤波器输出的检测信号进行差分运算以输出差分检测信号。

本发明还提供一种电容触控装置的运作方法。所述电容触控装置包含触控面板及控制晶片。所述触控面板包含多个驱动电极及多个接收电极延伸于不同方向。所述控制晶片包含多个驱动电路、多个检测电容、减法电路及抗噪声滤波器。所述运作方法包含：自容检测模式下，将所述驱动电路通过所述检测电容分别电性耦接至所述驱动电极的第一端，并将所述减法电路依次电性耦接至所述驱动电极的第二端；互容检测模式下，将所述驱动电路不通过所述检测电容分别电性耦接至所述驱动电极的所述第一端，并将所述抗噪声滤波器不通过所述减法电路依次电性耦接至所述接收电极的第二端。

本发明说明的电容触控装置可适用于仅使用自容检测的触控装置以及同时使用自容检测与互容检测的双模检测(dual-mode detection)的触控装置。

为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显，下文将配合所附图示，详细说明如下。此外，在本发明的说明中，相同的构件以相同的符号表示，在此先述明。

附图说明

图1为本发明说明一实施例的电容触控装置的方块示意图；

图2为本发明说明一实施例的电容触控装置的方块示意图；

图3为本发明说明一实施例的电容触控装置的另一方块示意图；

图4A为图2-3实施例的电容触控装置中检测信号与参考信号的波形；

图4B为图4A的检测信号与参考信号的差分检测信号的波形；

图5为本发明说明一实施例的电容触控装置的运作方法的流程图；

图6为本发明说明一实施例的电容触控装置的滤波电路的频率响应。

附图标记说明

1 电容触控装置

100 控制晶片

11 驱动电路

13 触控面板

150 模拟电路

C_in 检测电容

具体实施方式

请参照图1所示，其为本发明一实施例的电容触控装置的方块示意图。电容触控装置1包含控制晶片100以及触控面板13；其中，所述电容触控装置1较佳可利用自容检测模式(self-capacitive mode)进行检测。某些实施例中，所述电容触控装置1可分时地利用自容检测模式及互容检测模式(mutual capacitive mode)检测接近物体并判断触控位置。例如，某些实施例中，由于所述自容检测模式的扫描期间较短，所述电容触控装置1可先利用所述自容检测模式识别是否有物体靠近，当判定接近物体时，接着再利用所述互容检测模式识别触控位置；其他实施例中，所述电容触控装置1可先利用所述自容检测模式判定接近物体的大略位置(rough position)并决定欲检测范围(window of interest,WOI)，接着再利用所述互容检测模式识别所述欲检测范围中的精确位置(fine position)，借以降低所述互容检测模式中所需处理的数据量。必须说明的是，上述自容检测模式及互容检测模式的实施方式仅用以说明，但并非用以限定本发明说明。

所述触控面板13包含多个检测电极131用以分别形成自感电容C_s；其中，所述检测电极131包含多个驱动电极及多个接收电极延伸于不同方向，例如彼此相互垂直，所述驱动电极与所述接收电极间可形成互感电容C_m(参照图2及3)。电容触控面板中形成自感电容与互感电容的原理已为已知，且其并非本发明说明的主题，故于此不再赘述。

所述控制晶片100包含多个驱动电路11、多个检测电容C_in以及模拟电路150；其中，所述模拟电路15用以模拟自容检测模式下的检测线路的电路特性(举例详述于后)。所述自容检测模式下，所述驱动电路11与所述检测电容C_in通过引脚(pin)电性耦接至所述检测电极131的信号输入端。所述驱动电路11用以输出驱动信号Sd，例如正弦波、余弦波、方波等至所述检测电极131。互容检测模式下，仅相对应驱动电极的驱动电路11输出驱动信号Sd，而相对应接收电极的驱动电路11被开路。

请参照图2所示，其为本发明说明一实施例的电容触控装置的方块示意图。如前所述，所述电容触控装置1包含触控面板13以及控制晶片100。所述控制晶片100包含多个驱动电路11、多个检测电容C_in、模拟前端15以及数字后端16；其中，所述数字后端16并非本发明说明的主题，故于此不再赘述。本发明说明中，所述驱动电路11可通过所述检测电容C_in电性耦接至检测电极131的信号输入端(例如自容检测模式下)，或可绕过(bypass)所述检测电容C_in电性耦接至所述检测电极131的信号输入端(例如互容检测模式下)；其中，可通过设置多个切换开关SW₁于所述驱动电路11与所述触控面板13间来实现。

所述模拟前端15包含模拟电路150、多个可程式滤波器151、减法电路52、增益电路153以及抗噪声滤波器(AAF)154。所述可程式滤波器151与所述检测电容C_in及所述检测电极131的自感电容C_s形成第一滤波电路；其中，所述第一滤波电路例如为带通滤波器(BPF)或高通滤波器(HPF)，所述第一滤波电路可进而与所述抗噪声滤波器154所形成的低通滤波器形成具有预设频宽的带通滤波器。一实施例中，每一检测电极131的信号输出端均连接(例如通过开关元件)可程式滤波器151。必须说明的是，虽然图2及3仅显示横向配置的检测电极131连接可程式滤波器151，其他实施例中，可程式滤波器151也连接于纵向配置的检测电极131，并不限于图2-3中所显示。

所述模拟电路150形成第二滤波电路，并用以输出参考信号S_ref；其中，所述第二滤波电路例如为带通滤波电路或高通滤波电路，所述第二滤波电路可进而与所述抗噪声滤波器154所形成的低通滤波器形成具有预设频宽的带通滤波器。所述减法电路152耦接所述模拟电路150，用以于自容检测模式下通过切换开关SW₂依次电性耦接所述可程式滤波器151，以进而电性耦接至所述检测电极131。所述减法电路152用以将所述模拟电路150输出的所述参考信号S_ref与所耦接的所述可程式滤波器151输出的检测信号S_o1进行差分运算以输出差分检测信号S_diff。更详而言之，本发明说明中，所述检测电容C_in通过多个切换开关(例如SW₁)分别被电性耦接至所述检测电极131的信号输入端，而所述减法电路152通过多个切换开关(例如SW₂)分别被电性耦接至所述可程式滤波器151及检测电极131。

本发明说明中，所述检测电容C_in设置于所述控制晶片100内，用以与自感电容C_s形成分压。藉此，所述电容触控装置1可根据所述差分检测信号S_diff的峰对峰值(peak-to-peak values)变化判定接触事件；其中，所述差分检测信号S_diff为时间连续信号；其中，在判断接触事件前，所述差分检测信号S_diff可进一步被滤波、数字化等。例如，图2显示接触差分检测信号S_接触以及未接触差分检测信号S_未接触。然而，由于所述自感电容C_s通常相当大，因此若要达成有效分压，也需要很大的检测电容C_in，因而于晶片中需要相对的设置空间，故无法降低所述控制晶片100的整体尺寸。

因此，本发明说明中，通过设置所述模拟电路150以模拟检测线路(例如，从所述驱动电路11经过所述检测电容C_in、所述检测电极131及所述可程式滤波器151)的电路特性以输出所述参考信号S_ref以作为所述检测信号S_o1的消去值，如图4A所示。通过从所述检测信号S_o1扣除所述消去值，即可降低所述检测电容C_in的值。例如，所述检测电容C_in的电容值较佳小于所述自感电容C_s的电容值的10％。因此，可有效降低所述控制晶片100的整体尺寸。

为了使所述接触差分检测信号S_接触与所述未接触差分检测信号S_未接触间的差异更为明显，某些实施例中，增益电路153可用以放大所述差分检测信号S_diff；其中，所述增益电路153的增益值(gain)可根据所述数字后端16中的模拟数字转换单元(ADC)的解析范围而决定，并无特定限制。如图2所示，所述增益电路153的输出信号中(即放大后差分检测信号)，所述接触差分检测信号S_接触与所述未接触差分检测信号S_未接触间的差异增加了，因此可更轻易地识别是否发生接触事件。接着，所述抗噪声滤波器154用以对所述放大后差分检测信号进行滤波，如前所述，所述抗噪声滤波器154例如为低通滤波器。

请参照图3所示，其为本发明说明一实施例的电容触控装置的另一方块示意图；其中，图3还显示出所述模拟电路150及所述可程式滤波器151的实施方式。

某些实施例中，所述可程式滤波器151包含输入电阻R_in及放大电路15A；其中，所述检测电容C_in、所述自感电容C_s、所述输入电阻R_in及所述放大电路15A形成第一滤波电路而所述模拟电路150形成第二滤波电路。如前所述，所述减法电路152用以将所述第一滤波电路输出的检测信号S_o1与所述第二滤波电路输出的参考信号S_ref进行差分运算以输出差分检测信号S_diff，参照图4A-4B；其中，图4B为图4A的检测信号S_o1与参考信号S_ref的差分检测信号S_diff的波形。

一实施例中，所述放大电路15A包含运算放大器OP、反馈电阻Rf及补偿电容Cf。所述反馈电阻Rf及所述补偿电容Cf跨接于所述运算放大器OP的负输入端及输出端间，所述输入电阻R_in耦接于所述检测电极131的第二端(即信号输出端)与所述运算放大器OP的负输入端间，所述检测电极131的第一端(即信号输入端)耦接所述检测电容C_in。本实施例中，所述第一滤波电路的频率响应可以方程式(1)以及图6的波德图(Bode diagram)表示，所述第一滤波电路具有两极点(pole)及零点(zero)位于0

(V_out/V_in)＝-(Rf/R_in)×(s·C_in·R_in)/(1+s·Rf·Cf)·(1+s·R_in·C_s+s·R_in·C_in) (1)

如前所述，由于所述模拟电路150的输出作为所述第一滤波电路的消去值，所述模拟电路150的频率响应较佳相似于所述第一滤波电路，也即，所述模拟电路150的频率响应根据所述第一滤波电路的频率响应决定。某些实施例中，所述两频率响应相似例如包含，但不限于，所述模拟电路150的两极点接近于所述第一滤波电路的两极点。例如，所述模拟电路150的两极点可根据所述第一滤波电路的两极点决定，而由于此时零点没有影响，故仅需考虑极点频率。例如，所述模拟电路150的两极点的极点频率(pole frequency)与所述第二滤波电路的相对应极点的频率差设计为低于所述极点频率的35％，较佳低于20％。虽然理论上所述模拟电路150的两极点与所述第一滤波电路的两极点越接近越好，然而由于实际上每一条检测电极131的自感电容C_s不容易精确地事前得知，因此以预估的方式设计所述模拟电路150。

一实施例中，所述模拟电路150包含模拟检测电容C_{ref_in}、模拟自感电容C_{ref_s}、模拟输入电阻R_{ref_in}以及模拟放大电路15B，且所述模拟检测电容C_{ref_in}、所述模拟自感电容C_{ref_s}、所述模拟输入电阻R_{ref_in}与所述模拟放大电路15B的连接方式相同于所述检测电容C_in、所述自感电容C_s、所述输入电阻R_in与所述放大电路15A的连接方式，以得到类似的频率响应。也即，所述模拟自感电容C_{ref_s}用以模拟检测电极131的自感电容C_s，所述模拟检测电容C_{ref_in}相对应模拟检测电容C_in，所述模拟输入电阻R_{ref_in}相对应输入电阻R_in，所述模拟放大电路15B相对应放大电路15A。必须说明的是，所述模拟电路150的电路参数(极RC值)可不完全相同于第一滤波电路的电路参数，只要所述模拟电路150与所述第一滤波电路具有相似的频率响应且能够缩减所述检测电容C_s即可，并无特定限制。

所述模拟放大电路15B同样包含运算放大器OP'、模拟反馈电阻R_{ref_f}以及模拟补偿电容C_{ref_f}；其中，所述模拟放大电路15B中元件的连接方式相同于所述放大电路15A。因此，所述模拟电路150形成的第二滤波电路同样具有类似方程式(1)及图6的频率响应，不同之处在于所述模拟电路150中的所有元件参数均为事先设计。因此，通过改变所述模拟电路150中的元件参数，即电阻值与电容值，即可调整两个极值的位置。

请参照图5所示，其为本发明说明实施例的电容触控装置的运作方法的流程图，其包含自容操作模式(步骤S₅₁)及互容操作模式(步骤S₅₂)。本实施例中，所述自容操作模式与所述互容操作模式分时地运作，例如先以所述自容操作模式判定接近物体和/或欲检测范围(WOI)，接着再以所述互容操作模式判断触控位置和/或手势。

所述自容检测模式下，将所述驱动电路11通过所述检测电容C_in分别电性耦接至所述驱动电极131的第一端，并将所述减法电路152依次电性耦接至所述驱动电极131的第二端。同时，由于所述减法电路152接收所述模拟电路150输出的参考信号S_ref且所述减法电路152通过可程式滤波器151电性耦接至所述驱动电极131的所述第二端，因此所述减法电路152可将所述可程式滤波器151输出的检测信号S_o1与所述模拟电路150输出的所述参考信号S_ref进行差分运算以输出差分检测信号S_diff，如图4A及4B所示。接着，增益电路153可用以放大所述差分检测信号S_diff以使得接触差分检测信号S_接触与未接触差分检测信号S_未接触间的差异更为明显，如图2所示。此外，一实施例中，仅检测多个驱动电极或多个接收电极输出的检测信号，以判断是否有接触事件发生，如此能以较短的扫描期间运作。

另一实施例中，可检测多个驱动电极以及多个接收电极输出的检测信号，以于互容操作模式下大致识别欲检测范围(WOI)。因此，所述自容检测模式下，还将所述驱动电路11通过所述检测电容C_in分别电性耦接至所述接收电极131的第一端(即信号输入端)，并将所述减法电路152依次电性耦接至所述接收电极131的第二端(即信号输出端)。通过判断感测到接近物体的驱动电极以及接收电极后，即可决定所述欲检测范围。如上所述，本发明说明中，所述驱动电极及所述接收电极均属于检测电极131，用以于其间产生互感电容C_m。

所述互容检测模式下，所述驱动电路11不通过所述检测电容C_in分别被电性耦接至所述驱动电极131的所述第一端；例如图2-3中，所述驱动电路11利用切换开关SW₁旁路(bypass)所述检测电容C_in而直接将驱动信号S_d输入至检测电极131。此外，所述抗噪声滤波器154不通过所述减法电路152依次被电性耦接至所述驱动电极131的所述第二端，例如图2-3中，所述抗噪声滤波器154利用另一切换开关SW₂旁路所述减法电路152(及所述增益电路153)，以使所述可程式滤波器151输出的检测信号S_o1直接输出至所述抗噪声滤波器154。所述抗噪声滤波器154的滤波参数可根据实际应用而决定，并无特定限制。

本发明说明中，在自容检测模式下，由于传送至检测线路的信号并未经过面板的电阻与电容，因此参考线路(即模拟电路)与检测线路间的相位差不明显，故参考信号S_ref可作为扣除检测信号中的消去值。

必须说明的是，虽然图2中显示未接触差分检测信号S_未接触的振幅(或峰对峰值)大于接触差分检测信号S_接触的振幅(或峰对峰值)，然其仅用以说明而并非用以限定本发明说明。根据所述模拟电路150的参数设定(即RC值)，所述接触差分检测信号S_接触的振幅可能大于所述未接触差分检测信号S_未接触。

必须说明的是，虽然图4A中显示检测信号S_o1的振幅(或峰对峰值)大于参考信号S_ref的振幅(或峰对峰值)，然其仅用以说明而并非用以限定本发明说明。根据所述模拟电路150的参数设定(即RC值)，所述参考信号S_ref的振幅也可能大于所述检测信号S_o1的振幅。

综上所述，如何提升电容触控装置的接触灵敏度为重要课题。因此，本发明提供一种电容触控装置(图1-3)及其运作方法(图5)，其通过于控制晶片中设置模拟电路以产生检测信号的消去值，借以降低所述控制晶片中使用于自容检测模式中的电容器尺寸，并可提升接触灵敏度。

虽然本发明已通过前述实例披露，但是其并非用以限定本发明，任何本发明所属技术领域中具有通常知识的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的范围为准。

Claims (20)

1.一种电容触控装置，该电容触控装置包含：

触控面板，该触控面板包含检测电极用以形成自感电容；及

控制晶片，该控制晶片包含：

检测电容，电性耦接至所述检测电极的信号输入端；

输入电阻，耦接至所述检测电极的信号输出端；

放大电路，耦接所述输入电阻；以及

模拟电路，该模拟电路的驱动信号的接收端未连接至所述检测电极的所述信号输出端，

其中，所述检测电容、所述自感电容、所述输入电阻及所述放大电路形成第一滤波电路而所述模拟电路形成第二滤波电路，且所述第二滤波电路的频率响应根据所述第一滤波电路的频率响应决定。

2.根据权利要求1所述的电容触控装置，该电容触控装置还包含减法电路用以将所述第一滤波电路输出的检测信号与所述第二滤波电路输出的参考信号进行差分运算以输出差分检测信号。

3.根据权利要求2所述的电容触控装置，该电容触控装置还包含增益电路用以放大所述差分检测信号。

4.根据权利要求3所述的电容触控装置，其中所述电容触控装置根据放大后所述差分检测信号的峰对峰值变化判定接触事件。

5.根据权利要求1所述的电容触控装置，其中所述检测电容的电容值小于所述自感电容的电容值的10％。

6.根据权利要求1所述的电容触控装置，其中所述第一滤波电路的两极点的极点频率与所述第二滤波电路相对应极点的频率差低于所述极点频率的35％。

7.根据权利要求1所述的电容触控装置，其中所述放大电路包含运算放大器、反馈电阻及补偿电容，所述反馈电阻及所述补偿电容跨接于所述运算放大器的负输入端及输出端，所述输入电阻耦接于所述检测电极的所述信号输出端与所述负输入端间。

8.根据权利要求7所述的电容触控装置，其中所述模拟电路包含模拟检测电容、模拟自感电容、模拟输入电阻及模拟放大电路，且所述模拟检测电容、所述模拟自感电容、所述模拟输入电阻与所述模拟放大电路的连接相同于所述检测电容、所述自感电容、所述输入电阻与所述放大电路的连接。

9.一种电容触控装置，该电容触控装置还包含：

触控面板，该触控面板包含多个检测电极用以分别形成自感电容；以及

控制晶片，该控制晶片包含：

模拟电路，用以输出参考信号且所述模拟电路的驱动信号的接收端未连接至所述多个检测电极的信号输出端；

多个可程式滤波器，分别耦接所述多个检测电极的所述信号输出端；及

减法电路，耦接所述模拟电路，用以于自容检测模式下依次电性耦接所述可程式滤波器，将所述模拟电路输出的所述参考信号与所耦接的所述可程式滤波器输出的检测信号进行差分运算以输出差分检测信号。

10.根据权利要求9所述的电容触控装置，其中所述控制晶片还包含增益电路用以放大所述差分检测信号。

11.根据权利要求10所述的电容触控装置，其中所述电容触控装置根据放大后所述差分检测信号的峰对峰值变化判定接触事件。

12.根据权利要求9所述的电容触控装置，该电容触控装置还包含多个检测电容用以在所述自容检测模式下被电性耦接至所述检测电极的信号输入端。

13.根据权利要求12所述的电容触控装置，其中所述可程式滤波器用以与所述自感电容及所述检测电容形成第一滤波电路。

14.根据权利要求13所述的电容触控装置，其中所述模拟电路形成第二滤波电路，且所述第二滤波电路的频率响应根据所述第一滤波电路的频率响应决定。

15.根据权利要求12所述的电容触控装置，其中所述多个检测电容的电容值小于所述自感电容的电容值的10％。

16.根据权利要求12所述的电容触控装置，其中所述多个检测电容通过多个切换开关分别被电性耦接至所述检测电极；所述减法电路通过多个切换开关分别被电性耦接至所述可程式滤波器。

17.一种电容触控装置的运作方法，所述电容触控装置包含触控面板及控制晶片，所述触控面板包含多个驱动电极及多个接收电极延伸于不同方向，所述控制晶片包含多个驱动电路、多个检测电容、减法电路及抗噪声滤波器，所述运作方法包含：

自容检测模式下，将所述驱动电路通过所述检测电容分别电性耦接至所述驱动电极的第一端，并将所述减法电路依次电性耦接至所述驱动电极的第二端；以及

互容检测模式下，将所述驱动电路不通过所述检测电容分别电性耦接至所述驱动电极的所述第一端，并将所述抗噪声滤波器不通过所述减法电路依次电性耦接至所述接收电极的第二端。

18.根据权利要求17所述的运作方法，该运作方法还包含：

所述自容检测模式下，将所述驱动电路通过所述检测电容分别电性耦接至所述接收电极的第一端，并将所述减法电路依次电性耦接至所述接收电极的所述第二端。

19.根据权利要求17所述的运作方法，其中所述控制晶片还包含模拟电路及可程式滤波器，所述减法电路通过所述可程式滤波器电性耦接至所述驱动电极的所述第二端，所述运作方法还包含：

将所述可程式滤波器输出的检测信号与所述模拟电路输出的参考信号进行差分运算以输出差分检测信号；

放大所述差分检测信号；以及

根据放大后所述差分检测信号的峰对峰值变化判定接触事件。

20.根据权利要求19所述的运作方法，其中所述可程式滤波器与所述检测电容及所述驱动电极的自感电容形成第一滤波电路而所述模拟电路形成第二滤波电路，所述第二滤波电路的频率响应根据所述第一滤波电路的频率响应决定。