CN106471454B

CN106471454B - 用于手势检测及触摸检测的方法及系统

Info

Publication number: CN106471454B
Application number: CN201580036278.7A
Authority: CN
Inventors: 艾克索·汉姆; 安德烈亚斯·多夫纳; 奥鲍尔·罗兰
Original assignee: Microchip Technology Germany GmbH
Current assignee: Microchip Technology Germany GmbH
Priority date: 2014-07-10
Filing date: 2015-07-09
Publication date: 2020-09-01
Anticipated expiration: 2035-07-09
Also published as: EP3167351B1; CN106471454A; KR20170105475A; TW201606616A; US9927933B2; US20160011692A1; KR102366237B1; EP3167351A1; JP6542348B2; TWI669651B; WO2016005538A1; JP2017525036A

Abstract

一种系统具有手势检测装置，其具有多个输入信道及输出信道，且使用通过与所述输出信道耦合的至少一个传输电极所产生的交流近电场，其中所述输入信道中的一些与所述手势检测装置的接收电极耦合。所述系统进一步具有多个触摸电极，其中所述触摸电极通过多路复用与所述输入信道中的一者耦合。

Description

用于手势检测及触摸检测的方法及系统

相关专利申请案

本申请案主张2014年7月10日申请的共同拥有的案第62/023,061号美国临时专利申请的优先权；所述临时申请案出于全部目的特此以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及人性化装置接口(human device interface)，特定来说，涉及一种用于手势检测及触摸检测的方法及系统。

背景技术

由申请人制造的

集成电路(也称为MGC3130)是用于使用交流近电场(例如，约100到200kHz)进行非触摸手势检测的高度灵敏的电容式感测技术。使用电容式感测的人性化接口装置(HID)包括通常形成于导电材料层中的传感器电极，举例来说，印刷电路板层(PCB)的铜条。这些电极电连接到例如同一PCB上的手势检测单元以形成紧凑单元。手势检测单元的测量值尤其取决于传感器电极附近的目标对象(手指/手)的位置，其影响电极与目标之间的电容式耦合，从而取决于交流电场的畸变而产生目标测量信号。手势执行于检测区域上方而未触摸相应装置的任何区域。另外，执行/起始装置的某些功能还可需要触摸检测。

发明内容

根据实施例，一种系统可包括三维(3D)手势检测装置，其具有多个输入信道及输出信道，其中所述3D手势装置使用通过与所述输出信道耦合的至少一个传输电极产生的交流近电场，其中所述输入信道中的一些与所述3D手势检测装置的接收电极耦合，所述系统进一步包括多个触摸电极，其中所述输入信道中的至少一者通过多路复用耦合到所述多个触摸电极中的至少一者。

根据另一实施例，多路复用可为运用时分多址方案的时间多路复用。根据另一实施例，TDMA模式可包括不同子模式，其包括经调度受控、基于事件的受控或载波感测TDMA。根据另一实施例，所述手势检测装置可包括控制器，所述控制器包括与所述触摸电极耦合且经控制以执行所述多路复用的一或多个接收多路复用器。根据另一实施例，所述手势检测装置可包括具有通用输入/输出引脚的控制器，且所述系统进一步包括与所述触摸电极耦合且通过所述手势检测系统的所述通用I/O引脚控制以使所述触摸电极中的一者与所述输入信道中的一者耦合的一或多个接收多路复用器。根据另一实施例，所述手势检测装置可包括五个输入信道，且其中四个输入信道连接到四个接收电极，且第五输入信道与所述接收多路复用器的输出端耦合。根据另一实施例，所述系统可包括与接收多路复用器输入端中的一者耦合的第五接收电极。根据另一实施例，所述手势检测装置可包括具有通用输入/输出引脚(GPIO)的控制器，且所述系统进一步包括与所述手势检测装置耦合的受控于GPIO的一或多个离散传输多路复用器。根据另一实施例，所述手势检测装置可包括具有通用输入/输出引脚(GPIO)的控制器，且所述系统包括各自与所述手势检测装置耦合的受控于GPIO的一或多个离散模拟多路复用器及一或多个离散数字多路复用器。根据另一实施例，所述系统进一步可包括多个传输电极，其中所述控制器包括与所述数字多路复用器的输入端耦合的一个输出信道，其中所述传输电极与所述数字多路复用器的输出端耦合，且其中所述触摸电极与所述模拟多路复用器的输入端耦合。根据另一实施例，所述触摸电极可包括一或多个触摸按钮电极。根据另一实施例，所述触摸电极可包括经布置以形成滑块电极(slider electrode)的一或多个触摸片段电极。根据另一实施例，所述接收电极及所述触摸电极可沿直线布置。根据另一实施例，所述接收电极及所述触摸电极可由触摸检测电极栅格(electrode grid)的电极片段形成。根据另一实施例，所述触摸电极可由触摸检测电极栅格的电极片段形成，且所述接收电极布置于所述触摸检测电极栅格周围。根据另一实施例，所述触摸电极栅格可包括布置于单层中的电极片段。根据另一实施例，所述触摸电极栅格可包括布置于单层中的电极片段。根据另一实施例，触摸电极可布置于传输电极上方。根据另一实施例，触摸电极可布置于与相关联传输电极相同的层中且邻近于所述相关联传输电极。根据另一实施例，触摸电极可布置于传输电极下方。根据另一实施例，所述传输电极可为网状电极(meshed electrode)。根据另一实施例，所述接收电极可布置于与所述网状传输电极相同的层中。根据另一实施例，所述系统进一步可包括布置于所述接收电极下方的额外传输电极。根据另一实施例，触摸电极可包括布置于与相关联传输电极相同的层中的第一片段及布置于所述传输电极下方的第二片段。

根据另一实施例，一种系统可包括三维(3D)手势检测装置，其具有多个输入信道及输出信道，其中所述3D手势装置使用通过与所述输出信道耦合的至少一个传输电极产生的交流近电场，其中所述输入信道中的一些与所述3D手势检测装置的接收电极耦合，所述系统进一步包括与接收触摸电极相关联的多个传输触摸电极，所述接收触摸电极与输入信道耦合，其中所述输出信道通过多路复用与所述多个传输触摸电极中的至少一者耦合。

根据上述系统的另一实施例，所述手势检测装置可包括具有通用输入/输出引脚(GPIO)的控制器，且所述系统进一步包括与所述手势检测装置耦合的受控于GPIO的一或多个离散传输多路复用器。根据上述系统的另一实施例，所述传输多路复用器是数字多路复用器。根据上述系统的另一实施例，所述手势检测装置可包括一或多个内部传输多路复用器。

根据另一实施例，一种用于操作使用交流近电场且包括至少一个传输电极及多个输入信道的三维(3D)手势检测装置的方法可包括以下步骤：使所述输入信道中的一些与所述3D手势检测装置的接收电极耦合；以及使用多路复用器多路复用多个触摸电极，其中所述多路复用器经控制以使至少一个所选择的触摸电极与所述多个输入信道的剩余一者耦合。

根据另一实施例，多路复用可为运用时分多址方案的时间多路复用。根据另一实施例，TDMA模式可包括不同子模式，其包括经调度受控、基于事件的受控或载波感测TDMA。根据另一实施例，所述触摸电极可包括经布置以形成滑块电极的一或多个触摸片段电极。根据另一实施例，所述接收电极及所述触摸电极可沿直线布置。

附图说明

图1展示下方具有常规2D触摸栅格及大电极以在3D操作期间检测触摸的用于3D检测的四个框架电极(frame electrode)。

图2A及2B展示呈优选布置的四个

Rx电极以及由模拟多路复用器(MUX)多路复用到MGC3130的第五Rx信道上的八个按钮。

图3展示具有按钮的四电极

框架。

图4展示具有滑块的四电极

框架。

图5展示具有按钮及滑块的四电极

框架。

图6展示具有按钮及滑块的四电极

的线。

图7展示具有2D触摸栅格的四电极

框架。

图8展示具有四个优选电极的常规2D触摸设计。

图9展示单侧电极连接的2D触摸设计的摘录(excerpt)。

图10展示具有Tx与Rx电极之间的强基极耦合的信号吸收。

图11展示具有Tx与Rx电极之间的弱基极耦合的信号传输。

图12展示具有以传输模式操作的四个按钮(Rx在底层中)的

框架的横截面视图。

图13展示模式多路复用。

图14展示利用吸收效应(1)及传输效应(2)两者的Rx电极。

图15展示Tx多路复用(传输模式)。

图16展示用以以传输模式操作按钮的单层设计。

图17展示具有一个Rx信道的码分多路复用。

图18展示用于互电容测量的3D框架电极外加2D触摸栅格。

具体实施方式

根据各种实施例，可通过应用与通常应用于触摸检测的方法不同的电容式感测方法而操作交流近场电容式手势检测装置—且因而此手势检测方法同样可用于触摸检测。

根据各种实施例，可提供用于3D手势辨识及位置跟踪以及触摸检测的电容式传感器系统的设置及操作。以此方式，触摸检测可采用按钮、滑块或2D触摸面板传感器。

问题在于，在如先前描述的系统中，仅存在一个物理电场且因此不同系统的电场激发可相互干扰。此外，使用交流近电场的电场传感器是高度灵敏的，使得电容式网络中的耦合的变化甚至是在微微法拉(Picofarad)范围内也使3D测量失真。

用于3D感测的常规方法(例如，如其全文特此以引用的方式并入的美国专利申请公开案US2014/0049266中所公开)及电容式触摸感测(例如，电容式分压器(CVD)，参阅举例来说，其全文特此以引用的方式并入的微芯公司的应用批注AN1478)以无法(容易地)得到补偿的方式扰乱彼此的传感器信号。举例来说，在CVD中，Rx电极的电势反复地切换到Vdd或GND，其后接着其中以另一电容器使充电均衡的浮动状态。电容、电势及充电均衡的这些转变可影响周围电场(E-field)，而使得无法容易地同时操作两个系统。

微芯公司的

库v1.0中已引入对

电极的触摸检测，触摸区域的数目受限于五个

电极的数目。以下描述将涉及用于非触摸3D检测系统的

系统。然而，所揭示的教示可应用于使用交流近电场的任何其它检测系统，且因此不限于

系统及其相关联电极。

根据各种实施例，可同步化3D及触摸检测的传输信号，且触摸检测系统的传输信号路径可经调适使得触摸系统对例如

接收信号的干扰变得确定，且可在运行时间得到充分补偿。

有两种用于3D及触摸检测系统的联合操作的一般方法：多路复用，即，分离系统的共享传输信道以最小化相互干扰；以及干扰补偿。

通常，归因于交流近电场3D检测系统的较高灵敏度，触摸检测系统对接收信号的干扰是至关重要的干扰，且因此是本申请案的重点。

1.多址(MA)

根据通信理论，当应用多址方案以在单个共享物理信道上多路复用不同传输信号从而建立多个逻辑子信道时，可抑制或甚至消除传输信道之间的干扰。

a.空分多址(SDMA)

当两个或两个以上电容式传感器系统经放置而距彼此足够远时(即，当其在空间上分离时)，可假设系统未共享相同传输信道(但具有独立信道)且可忽视相互干扰，或可将其视为噪声且将其作为噪声进行处置。

2015年1月13日申请的共同待决的申请案“用于手势控制的系统及方法(Systemand Method for Gesture Control)”(申请案号14/596120，其全文特此以引用的方式并入本文中)呈现这样一个联合系统，其中四个

‘框架’电极如同环一样被定位于2D触摸垫周围。

b.时分多址(TDMA)

为避免随定位成紧靠在一起的系统的同时操作而产生的问题，可应用时分多址，即，在任何时间，应用使用

方法的3D感测或例如使用CVD的电容式触摸感测。若干新问题/挑战随此方法产生：在一个系统作用时，另一系统可错过用户活动。噪声：当未连续取样信号电平时，噪声抑制受限。对于用于其中信噪比(SNR)通常较小的3D感测的电极来说这是尤其重要的。校准：为能够跟随信号漂移(例如，归因于温度变化、机械变形、电影响)，两个系统必须以规则间隔作用，且调适检测阈值及信号偏移。校准的需要及错过用户活动的风险限制在测量方法之间切换的最大时间。瞬时效应：不同测量方法之间的切换可引起对信号电平的瞬时效应，例如，归因于浮动电极上的电荷变化。将对应电极预充电到所要电势可降低此效应。瞬时效应限制系统之间的切换的最小时间。存在TDMA的若干子模式：

i.经调度TDMA

TDMA的最常见方法是在经调度基础上，即，预先界定或调度每一测量系统在切换到另一测量系统之前的活动的时隙，且激活通常发生于循环反复框架结构中。

ii.基于事件的TDMA

另一方法是基于事件的TDMA：举例来说，在3D感测是默认方法的情况下，当检测到触摸时其切换到触摸感测，且在不再检测到触摸之后其切换回到3D感测。然而，在3D模式中时，这隐含地要求触摸检测。以下实例说明这可如何通过使用用于触摸检测的电极以及到3D感测芯片(MGC3130)的特殊电极输入端的电容式耦合来完成。

图1展示可用于基于事件的时分多址的常规传感器系统100。系统包括四个接收电极110、120、130及140，其经布置于下方具有常规2D触摸栅格150及大传输电极160以在3D操作期间检测触摸的用于3D检测的框架中。

微芯公司MGC3130微控制器(μC)(未展示)可用于3D感测，且PIC微控制器或任何其它合适微控制器(未展示)可用于对矩形触摸栅格150的触摸检测，所述矩形触摸栅格150例如使用电容式分压器(CVD)方法来进行投影电容(pCap)测量。MGC3130的五个Rx信道中的四个连接到触摸栅格150周围的四个框架电极110、120、130、140。第五Rx信道连接到触摸栅格150下方的大的、通常栅栏(hedged)电极160。在触摸事件之后，当MGC3130在作用中时，需要快速检测其信号电平的上升，这是因为需要将活动交递到需要执行触摸扫描以确认且定位触摸及其位置的PIC微控制器。因此，用于MGC3130中的触摸检测的信号无法通过具有50ms的阶跃响应的标准低通滤波器滤波，这是因为在PIC微控制器在作用中之前，可已经过短暂触摸事件。在2014年4月17日临时申请的共同待决的申请案“电容式传感器系统中的触摸检测(Touch Detection in a Capacitive Sensor System)”(申请案号61/981,140，其全文特此以引用的方式并入本文中)中解决此问题，其中提出低延时触摸检测算法。尽管如此，与PIC在无3D检测的单独系统中操作的情况相比，最小触摸时间仍较大。

这些困难需要两个微控制器之间的快速交递。此方法的另一缺点在于，MGC3130及PIC微控制器中的触摸检测算法的冗余，这是闪存需求的额外开销。当未检测到活动时，以规则间隔中断

3D操作，以允许PIC微控制器的校准测量。

尽管与经调度多路复用方案相比，在2D与3D感测之间切换的次数减少，但在从2D切换到3D之后的信号瞬时可具显著持续时间(>1s)。用

Tx信号驱动pCap Tx线确实显著减少此瞬时时间(到几毫秒)，这是因为其以触摸检测的较低灵敏度为代价而降低浮动线具有逐渐(放)充电漂移的效应。

双芯片解决方案的另一缺点在于，两个微控制器按定义的必要性—且将始终需要以某一方式同步化这些微控制器。

iii.受控TDMA

一个系统(主控装置)控制系统中的每一者何时被激活。举例来说，触摸控制器发信号通知3D手势控制器其何时闲置且及其何时执行触摸扫描，且3D手势控制器必须相应地动作，即，当触摸控制器闲置时进行3D手势测量。如果3D手势测量不干扰触摸测量，那么还可连续地执行3D手势测量。接着，在触摸控制器作用时，需要忽略所获取的3D手势测量数据或将其视为噪声。

iv.载波感测TDMA

类似于受控TDMA，但不需要在两个系统之间发信号的构件。举例来说，当3D检测系统可感测触摸控制器的活动或扫描时。运用MGC3130，例如这可通过接收信道到触摸系统的传输电极的电容式或电阻式耦合以及例如关于对应经接收信号的信号方差评估对应经接收信号而完成。

c.频分多址(FDMA)

以不同频率操作两个或两个以上系统。

归因于

传感器中的经接收信号的有限带通滤波，其它传感器系统的频谱可未与

频谱充分分离，而是重叠。因此，此并非优选解决方案。

d.码分多址(CDMA)

码分多址是允许系统在时间上同时操作的扩频技术。

2.干扰补偿

与运用多址方案的多路复用解决方案相比，运用此方法，其它传感器系统的操作对经接收传感器信号的影响例如借助于校准而得以补偿。这需要每次完全了解此影响或至少达到足够的程度。

举例来说，当同步化用于3D及触摸检测的Tx信号或甚至针对两者使用相同Tx信号时，此知识的获取(通常取决于系统且在实际测量之前发生)可简化。

下文更详细描述干扰补偿的方法。与上述多路复用解决方案相比，假设3D及触摸检测系统两者在相同逻辑(子)信道上同时运行。

此方法的核心解决方案是

a)以模式操作2D触摸检测，使得可充分补偿对来自3D手势系统(例如，

系统)的经接收信号的干扰影响。这可例如通过针对3D及电容式触摸测量两者使用相同电场激发(即，相同Tx信号，例如，矩形脉冲列)而实现，参阅章节XIII中的对

电极的触摸检测。

b)多路复用物理电极以增加(虚拟)子信道的数目，因此增加触摸事件的局部分辨率。因此，提出两种多路复用方案：例如，使用集成或离散多路复用器(MUX)的时间多路复用，及通过取决于电极设计的开发的模式多路复用，吸收模式或传输模式为主导，且在触摸之后测量信号的偏差方向取决于此主导模式(对于触摸事件，分别是负或正信号偏差)。

c)对于与时间多路复用一起使用的Rx信道，针对每一子信道使用个别Rx衰减器(参见下文“Rx衰减器的调谐”)以适应每一子信道的电容式网络(结合

Rx路径中的差分PGA所需)。在先验配置程序期间，这些衰减参数可例如自动获得为现今的Aurea的(v1.0、v1.1)模拟前端参数化的扩展版本。

d)在多路复用器切换之后，借助于使用例如先验经计算偏移值的基线，可以自动方式用数字方式补偿尤其是灵敏

信道上由电容式耦合(即，电容式网络)的变化引起的信号跳跃。

将假设大量的

数字信号处理以例如1kHz的抽选(即，低通滤波及下取样)取样频率发生。为简单起见且为最小化所必需的不同信号偏移的数目使用多路复用器补偿由触摸检测引起的效应，有利的是

a)在1ms内循环结束多路复用器的全部所要触摸子信道(可多次)，也就是说平均化归因于电容式及电场变化而对

信号的影响，使得在后续处理阶段中可假设可忽视对于全部此类1ms样本相等的此影响(不存在待补偿的多路复用器状态相依偏移)，及/或

b)在多路复用器状态上循环以使对1ms样本的影响周期性重复，且将在此周期内对1ms样本中的每一者的此影响确定并存储为基线值，且稍后在运行时间使用此基线值以进行信号电平补偿。举例来说，可每1ms改变多路复用器状态。

优选地，根据各种实施例，3D及触摸检测两者使用相同控制器操作以避免两个或两个以上控制器之间的发信号努力及/或延迟。根据上述术语的单个微控制器系统的关键优点在于：

归因于对优选电极的连续取样的增加的噪声稳定性(无需

的时间多路复用)

中央控制：仅一个“智能”芯片，无需不同微控制器之间的同步化或交递

客户友好&简单：参数化精灵“Aurea”可经调适以支持经多路复用子信道的参数化，举例来说，触摸阈值参数化，因此可参数化黑箱固件是可行的

单个传感器技术->无Tx信号干扰

对于触摸检测，关于其对

接收信号的经产生电场的影响，存在操作的优选模式及欠佳模式：

时间多路复用接收信号

根据各种实施例的优选模式可为，针对具有低SNR 3D检测的增加的噪声稳健性(通常框架布局中的四个电极)对用于3D检测的优选电极连续取样，及以经调度方式将用于触摸检测的接收电极(非优选电极)多路复用到一或多个接收信道上。通常将未使用的Rx电极(即，目前未由MUX寻址的电极)置于高阻抗(例如，1MOhm)偏压状态，以不影响由Tx电极上的信号激发的电场。这是优选模式，这是因为运用所述模式，多路复用理论上对电场无影响。

此外，根据一些实施例，优选电极通常可获得比非优选电极更高的时间分率。各种布置可用于多路复用优选及/或非优选电极。举例来说，3D手势检测装置可包含多个内部模/数转换器(ADC)，其中优选3D电极各自指派给专用ADC而无需多路复用，且仅一或多个剩余ADC将例如使用多路复用而用于非优选触摸电极，这可使用内部多路复用器或外部多路复用器来执行。其它实施例还可针对优选电极优选通过内部多路复用器使用多路复用。因此，根据一个实施例，3D手势检测装置可不包含内部多路复用器且包含各自具有专用ADC的多个输入信道，其中每一3D电极连接到一个输入信道，且触摸电极使用外部多路复用器多路复用到一或多个剩余ADC。根据另一实施例，3D手势检测装置可包含各自具有专用输入多路复用器的多个ADC。根据另一实施例，3D检测装置可包含上述的组合，举例来说，一些ADC不具相关联多路复用器且一些ADC具有相关联多路复用器。

每一所选择的信道的取样时间可不同，以允许将更多取样周期指派给优选3D电极。举例来说，在具有各自与其自身ADC(无内部多路复用)相关联的五个输入信道的3D手势检测装置的实施例中，四个3D电极完全未多路复用，且外部多路复用器用于待与非优选电极中的一者耦合的剩余ADC。在3D检测装置内使用内部5:1多路复用器及仅单个ADC的实施例中，多路复用器的四个输入信道可与四个优选电极耦合，且剩余输入信道可通过外部多路复用器指派给多个触摸电极。在此实施例中，多路复用器可通过五个输入信道平等地取样，其中在每一个取样回合中，每一优选电极将被扫描一次，且每取样回合仅将扫描非优选电极中的一者。在具有多个内部ADC(例如，五个ADC)的实施例中，每一ADC还包括相关联内部多路复用器。每一多路复用器的第一输入端可与优选3D检测电极耦合，且剩余输入端可分别与多个触摸电极耦合。可通过多路复用器来指派信道时间，使得可随时间主要扫描优选电极。在使用仅内部或内部及外部多路复用器的组合的任一实施例中，可应用任何种类的扫描比率。取样方案可为动态的且变化的，举例来说，如果系统未检测到足够接近以预期触摸的靠近，那么仅扫描优选电极。3D电极与触摸电极之间的扫描比率可取决于经检测靠近而变化，且如果对象正接近检测表面，那么可相对于触摸电极的扫描而增加。其它准则可用以改变比率或在某些应用中可使用固定比率。

实例：具有外部模拟多路复用器的MGC3130

控制器

由本申请案的受让人制造的MGC3130集成电路控制器具有5个Rx信道及相关联电极110到150，其中的四个通常是定位成如图1中所示的框架形状且用于手势辨识(例如，轻点及悬浮转盘(AirWheel))以及3D中的粗糙x/y定位(即，无触摸)。第五Rx 150信道可用于接近检测及触摸检测，然而对于触摸检测，所提供的(x,y)触摸位置通常是低精度的，这是因为其是从在触摸之后通常失真的四个框架电极的信号计算出的。MGC3130具有可用于控制外部模拟MUX的总共五个通用输入/输出端(GPIO)(剩余3个GPIO针对到主机控制器的I2C通信保留)，因此用多路复用器可寻址2^5＝32的最大值的子信道，将触摸电极映射到其第五接收信道上。图2A及B展示两个实例传感器电极布局200及205，其具有直接连接到评估装置210(例如，具有五个Rx信道的MGC3130)中的四者的四个“优选”框架电极110、120、130、140，以及连接到模拟多路复用器230的输入端的八个电容式触摸按钮220，模拟多路复用器230的输出端连接到第五MGC3130Rx信道且由MGC3130使用其5个可用通用输入/输出(GPIO)端口中的3者来控制。框架电极110到140及按钮220放置于印刷电路板(PCB)的顶层上，反馈线布线在中间层中。全部框架电极及按钮下方的底层是激发电场的大的、实心或栅栏传输器(Tx)电极。图2A及2B未展示如所述通常布置于接收电极下方的层中的此传输电极。可使用以下示范性多路复用器(模拟)：ADG708(8:1)、74HC4051(8:1)、74HC4067(16:1)。然而，其它多路复用器还可为合适的。

图3展示呈极简单版本300的图2的设置，其展示底层中的Tx电极160及六个触摸按钮220以及框架接收电极110到140。多路复用器230使六个按钮电极220中的一者与

芯片210的第五电极输入端Rx5耦合。

图4展示图3的电极的经修正版本，其中由两对滑块电极410取代触摸按钮。在给出全部滑块电极的信号电平的前提下，滑块电极410设置不仅允许检测二进制触摸事件，而且允许估计触摸手指沿滑块的轴的1D位置。

图5展示具有触摸电极420及滑块电极410两者的变体。图6展示其中优选电极610a、b、c、d放置成线而中间具有按钮650及滑块620、630、640的变体。中间滑块630设置由3个电极组成，右侧滑块640设置由5个电极组成。滑块设置中含有越多电极，位置估计的可能分辨率越高。为简单起见，图4到6中省略Tx底层。

算法/软件

RX衰减器的调谐。

Tx信号主要是低通滤波矩形脉冲列，且Rx信号是其振幅调制(AM)版本，其中调制反映系统及其环境的电容式网络中的电容式变化。

模拟前端(AFE)的核心特征在于，在接收信号路径中，从接收信号减去Tx信号的衰减版本，且将所得差输入到放大器。因为此差信号中含有有用信息，所以放大器用以将其动态范围增加或调适到模/数转换器(ADC)的输入范围，且因此增加信号分辨率。衰减器值经选取使得(经放大)差信号位于ADC的输入范围内。举例来说，当系统附近不存在手指或手时，其可经选取使得差信号为零。这是在执行AFE自动参数化时由微芯公司的Aurea软件针对全部五个Rx信道自动完成。因为信道的信号电平并不完全独立于其它信道的衰减器，所以使用迭代算法来发现全部信道的最优衰减器值。当具有一或多个多路复用Rx信道时，当针对全部多路复用器状态个别地匹配信号值时将获得最优衰减器值，且因此在运行时间应用所获得衰减器值，即在每一个多路复用器状态改变之后更新全部衰减器。然而，因为信号电平与其它信道的衰减器的相依性通常足够小，所以通常如下做法就够了：首先针对一个多路复用器状态进行衰减器匹配以获得全部信道的衰减器的基本设置，且接着针对具有多路复用电极的每一信道连续循环全部子信道且优化此信道的衰减器以进行最优信号匹配，同时使其它衰减器保持在其基本设置。一般来说，Rx衰减器的调谐可视为粗糙形式的模拟校准。

基线。通常需要在数字域中且通常针对全部多路复用器状态个别地完成较精细校准。然而，这通常简化，这是因为对于给定系统设置，在多路复用器状态改变之后信号电平的改变通常不随时间改变。即，给定某一多路复用器状态的参考基线值，其它状态的基线与参考值相差德耳塔值(delta value)，且这些德耳塔值并不例如归因于温度漂移而随时间改变。因此，德耳塔值是系统相依的，且可通过在全部多路复用器状态上迭代而先验测量且存储。这可例如在Aurea的AFE自动参数化期间在确定衰减器值之后自动完成。

触摸检测。对时间多路复用信道进行触摸检测的直接方法是以持续时间T的时间间隔循环全部子信道。在获得每一此间隔测量数据期间，丢弃遭受瞬时效应的样本，且在间隔结束时以某一方式将剩余数据组合成单个输出值以优化噪声稳健性。接着，比较输出值与一或多个触摸检测阈值。如果阈值在正或负方向上超出，那么输出触摸事件。将需要根据不存在触摸时的信号电平(“基线”)来调适阈值。

实例：MGC3130的GPIO的切换时间及因此多路复用器状态的切换与每一5ms

时间窗的开始同步化。在内部，解调制及下取样

测量值通常在1kHz＝1/1ms处可用，为通常阶M＝2级联积分梳(CIC)滤波器的输出。以5ms时隙组合第二、第三、第四及第五样本，给出触摸信号电平的估计。取决于MUX切换及其它瞬时时间的延迟，还可需要忽略第二个1ms。在每一5ms窗之后，GPIO将MUX切换到下一个触摸子信道。

二进制搜索算法：迭代触摸电极将检测触摸的最大延迟隐含地界定为大约整个循环的时间。在算法的变体中，当多路复用器允许短路全部触摸电极以及以下这些的子集时，可加速对按钮上的触摸的检测且使其更为噪声稳健(归因于增加的取样时间)：短路全部触摸电极及MUX输出，直到检测到触摸。接着，当已检测到触摸但仍不明确已触摸哪一电极时，短路电极及MUX输出的一半以检查所触摸按钮是否在此电极集合中。取决于此检查的结果，再次将当前或另一半的电极划分成两份且过程继续直到仅留下一个按钮，在其上再次确认按钮按压。此算法限于单个按钮触摸的检测，且可需要若干不同触摸检测信号阈值，被短路的每一电极集合皆需要一个。

2D触摸设计

图7展示具有水平及垂直电极的标准实例2D触摸面板或触摸显示器710的主要电极布局。在触摸栅格周围，四个

电极110到140放置成框架式。在全部这些电极下方，在底层中，定位大

Tx电极160。运用框架电极110到140，完成标准3D

处理。将2D栅格的内部(垂直及水平)电极710多路复用到第五

Rx信道上。运用2D栅格的内部电极710，可获得触摸手指的x/y位置的连续估计。当以

模式操作(即，具有电场激发)时，通过将

Tx信号置于Tx电极160上而以如上述的多路复用方案扫描2D栅格的Rx电极。一个电极及时连接到MGC3130Rx输入端或一组短路电极，2D栅格的其它电极设置为经界定电势或高阻抗。高阻抗电极将改进由Tx电极160激发的电场的分布。在此模式中，测量Tx电极160与所选择的2D电极之间的互电容以及从所选择的2D电极对接地的自电容。两种测量原理对触摸事件期间的总体信号偏移具有影响。通过应用标准信号处理算法可获得位置估计，这是因为其适用于具有自电容测量值的触摸垫。多点触摸定位也是可行的，但将导致所谓的假点(ghost point)，即(例如)，就两个触摸来说，无法将x方向上的两个1D估计值x1及x2独有地映射到y方向上的两个1D估计值y1及y2。然而，不管是否存在假点，如同双指缩放的特征均具功能性，这是因为重要的仅仅是估计位置是否移动而远离彼此或移动朝向彼此。

图8展示如图7的类似设置，但无框架电极。代替地，2D栅格710的四个最外电极730、740、750及760用作用于3D操作的“优选”

电极，即，其未多路复用。而是，栅格710的外部行及列的这些电极730、740、750及760单独连接使得其可类似于如图7中用实线所示的电极110、120、130及140那样使用，而可多路复用剩余内部电极。可使用及控制形成如图8中所示的类似电极730、740、750及760的具有电极栅格的其它矩阵布置。图8还展示经连接2D/3D控制器，其可以两种模式操作以执行触摸检测及非触摸手势检测。

因此，这些类型的实施例中的优选电极是用于2D定位的可能规则的2D栅格710的部分。为从具有与经时间多路复用的栅格的内部电极相同的取样状况且因此各自具有较少取样时间的用于触摸检测的优选电极获得测量值，可针对2D定位忽略连续取样优选电极的样本的部分。还可选择除最外电极外的其它电极作为优选电极。

图9展示其中电极连接器仅定位于一个层(此处：顶层)上的2D触摸设计。

从2D栅格的电极获得的信号不仅可用于检测触摸手指，而且可用于检测非触摸悬停手指。

模式多路复用

自电容测量效应是基于当手指正接近且增加电容时Rx与GND之间的电容的变化。在此情况中，Rx信号及输入电压将降低。(对于极罕见电势及手指与传感器系统之间的耦合状况，此处Rx输入电压还可增加，在此情况中此章节中的全部电压变化将反转。)互电容测量效应是基于Tx与Rx之间的电容的改变。取决于系统及电极设置，接近手指正增加耦合(传输效应)或降低耦合(吸收效应)。图10展示Rx与Tx之间具有强基极耦合及相较于基极耦合的小的杂散场的电极设置。接近手指将不影响基极耦合但将降低Tx与Rx之间的杂散场。在此情况中，信号及输入电压将降低。与自测量效应组合，这在触摸事件之后将导致降低的信号。这是第一模式，其中施加触摸获得降低信号。图11展示具有Rx与Tx电极之间的小基极耦合的电极设置。运用触摸事件，手指将增加Rx与Tx电极之间的耦合。这将导致增加的信号及输入电压。只要对于自测量效应，具有此传输效应的互电容测量为主导，那么这将导致增加的总体信号及输入电压。这是第二模式，其中获得增加信号及输入电压。

图12展示其中触摸Rx电极放置于栅栏Tx电极下方的底层中的实例的横截面。图12展示以传输模式操作的四个按钮(Rx在底层中)。

假设吸收效应致使测量信号在手指的接近之后在一个方向上改变，且传输效应引起测量信号在相反方向上改变，那么全部信号偏差取决于组合自测量及互测量效应，借此相互部分是吸收或传输效应为主导。主导是由传感器布局给定。因此在一个位置中电极经设计以主导吸收模式，且在另一可能相邻位置中主导传输模式的条件下，可使用一个Tx及一个Rx信道且仍能够区分(在软件方面)两个不同位置中的触摸。

在下文中，此类型的多路复用将称为模式多路复用。图13中展示具有两个触摸位置的实例传感器布局(PCB的横截面)。在左侧上，Rx电极在用于主导吸收模式的顶层中，在右侧上，Tx电极在顶层中且Rx电极在底层中。Tx电极不可屏蔽Rx电极使其无法触摸手指，因此在图中将其描绘为网状电极。对于模式多路复用，取决于触摸位置，吸收模式或传输模式为主导，而致使传感器信号在触摸之后在一个方向或另一方向上偏差。

图14(顶部)给出模式多路复用传感器布局的另一实例。对于其中Rx电极在Tx电极顶部上的电极的左侧部分(1)，吸收效应为主导，这是因为Rx电极放置于Tx与手指之间，而对于电极的右侧部分，传输效应为主导，这是因为Rx及Tx电极在相同层中，Tx电极围绕Rx电极‘抓持’。在图的底部中，展示随时间的信号偏差，其中首先触摸电极的左侧部分(1)，且接着右侧部分(2)，从而致使信号偏差在相反方向上改变。

将模式多路复用应用于Rx信道事实上确实允许加倍可能触摸信道的数目。举例来说，运用MGC3130的五个GPIO、具有32个物理信道的32:1模拟多路复用器连同子信道中的每一者上的模式多路复用，虚拟触摸信道的总数目是32*2＝64。

模式多路复用可应用于任何(子)信道，包含连续取样优选信道。举例来说，经设计以用于主导传输模式的触摸传感器布局可使用与用于3D测量的优选电极相同的Rx及Tx信道。

时间多路复用传输信号

还可将时间多路复用应用于具有若干Tx电极的Tx信道。在此情况中，大量触摸电极共享相同Rx信道，但具有不同Tx信道。

如按定义，时间多路复用Tx电极并非永久呈浮动状态，在已由Tx信号激发之后(即，在已由MUX寻址之后)电荷可留存在Tx电极上。这些电荷可漂移，这可导致Rx信号上的不当瞬时。可能对策是在Tx操作之后在将其置于浮动状态之前，将Tx电极的电荷引到中性值(例如，通过将其置于中间电压上)，或用Tx信号驱动全部Tx电极，但一个电极(或电极子集)具有反相Tx信号，且相应地评估Rx测量信号。在测量期间，未驱动Tx信道还可设置为经界定静态电势。

与Rx信道相反，Tx信道的时间多路复用的优点在于其可用数字MUX完成，其通常比模拟MUX更廉价。缺点在于Tx信号到不同Tx电极上的时间多路复用不影响所激发电场，这可以消极方式影响优选电极的高度灵敏测量。这可用Tx多路复用的适当时序来补偿。

图15展示具有顶层中的三个时间多路复用Tx电极及底层中的单个大Rx电极的传感器布局的横截面。底层中的大Rx电极是网状的，且环或小Tx电极在顶层中。手指对Rx-GND电容(如用自测量获得)的影响通过将Rx电极移动到底层而降低。

图16展示具有待以传输模式操作的三个按钮的单层设计的另一实例。此处全部接收电极连接到彼此。然而，每一接收电极具有专用传输电极。接收电极可为例如环形且分别围绕每一相关联传输电极。多路复用器可为模拟或数字多路复用器，其包括单个输入端及连接到传输电极的多个输出端。

码分多路复用

码分多路复用是允许同一信道的多个使用的扩频技术。已知代码，接收器可区分来自不同源的信息。举例来说，MGC3130具有CAL引脚，其可置于Tx信号上或中间电压Vmid上。图17展示具有可包括多个经连接片段的一个Rx电极的用于进行码分多路复用的实例布局。虽然按钮B1上的手指始终增加Rx电极与手指之间的电容Rx-F及Rx与Tx电极之间的电容Rx-Tx两者，但按钮B2上的手指仅在CAL在Tx信号上时同样如此。但当CAL在Vmid上时，手指不影响Rx-Tx电容，且因此当手指在B2上时，在Rx信道上测量的信号电平的变化取决于CAL状态。相比之下，按钮B1上的手指还将改变Rx信号电平，但理论上与CAL状态无关。

多路复用方案的组合

可组合Rx时间多路复用及/或Tx时间多路复用及/或模式多路复用。图18展示与MGC3130及其五个GPIO一起使用的实例传感器布置。用于3D手势辨识及位置跟踪的四个框架电极Rx1到Rx4直接连接到MGC3130的Rx输入信道中的四者，且八个垂直栅格电极Rx00到Rx07应使用八信道模拟多路复用器(受控于3个GPIO)多路复用到第五Rx输入信道。四个水平Tx栅格线Tx1到Tx4使用模拟或数字四信道多路复用器(受控于2个GPIO)多路复用到Tx信号。为简单起见，并未展示框架电极或整个传感器布置下方的大的连续驱动Tx电极。水平Tx及垂直Rx电极的栅格允许互电容测量且因此允许多点手指检测及跟踪。

电容耦合电极

电容式传感器电极不一定需要电流耦合到Tx/Rx信道或对应反馈线。取决于应用，电容耦合将足够。

应用

由使用例如由本发明的受让人制造的MGC3130的手势检测装置的所提出的系统设置涵盖的特征为：

具有响应时间及局部分辨率的适度要求的电容式按钮、滑块及/或触摸面板，

3D手势检测及位置跟踪，

由当前/最新触摸装置使用自电容测量提供的任何特征，其包含

单手指跟踪，

缩放(Pinch/zoom)(此处不关注假点，仅关注点移动朝向彼此或远离彼此)，传感器板可为显示器玻璃、(弯曲)PCB、任何其它电介质或非导电材料，通过使用2D触摸栅格量化所估计的连续2D位置的大量的虚拟离散按钮。

应用领域

根据本发明的各种实施例可包含家用、汽车、工业、消费性电子器件、医学或卫生器具。举例来说，此装置可用于具有触敏按钮选择及非触摸手势检测的例如咖啡机的家用电器中，非触摸手势检测例如“悬浮转盘”，其检测空中由手指的圆周运动来取代机械滚轮以选择咖啡的强度。任何类型的增加/降低控制可由此非触摸手势执行，包含体积、速度等等。触摸功能性可包含数字小键盘。其它消费型电子器件可包含电子书阅读器或任何其它移动装置。目前已使用电容式或机械式按钮的任何其它应用可使用其中如上文描述那样体现触摸功能的3D手势进行特征改进。

Claims

1.一种检测系统，其包括三维3D手势检测集成电路装置，所述3D手势检测集成电路装置具有多个输入引脚和一个输出引脚，且包括3D手势控制器单元，其中所述3D手势控制器单元不包括专用于检测触摸的控制器，其中所述3D手势检测集成电路装置使用交流近电场，所述交流近电场是由与所述输出引脚耦合的至少一个传输电极产生，且其中所述3D手势检测集成电路装置的所述输入引脚中的每一者经配置以与3D传感器接收电极连接以用于感测所述交流近电场，其中所述输入引脚中的一些与所述系统的3D传感器接收电极耦合，以使得所述输入引脚中的一者不与所述3D传感器接收电极中的任一者连接，所述系统进一步包括多个触摸电极，其中所述3D手势检测集成电路装置中的所述一者通过多路复用耦合至所述多个触摸电极中的至少一者，其中所述3D传感器接收电极和选定的触摸电极感测由所述传输电极产生的交流近电场，且其中所述3D手势控制器单元经配置以处理从所述3D传感器接收的信号以确定3D位置信息且将阈值应用于在所述输入引脚中的所述一者处接收的信号以确定触摸。

2.根据权利要求1所述的检测系统，其中多路复用是运用时分多址方案的时分多路复用。

3.根据权利要求2所述的检测系统，其中所述时分多址方案包括不同子模式，所述子模式包括调度受控、基于事件的受控或载波感测时分多址。

4.根据权利要求1所述的检测系统，其中所述3D手势检测集成电路装置包括控制器，所述控制器包括与所述触摸电极耦合且经控制以执行所述多路复用的一或多个接收多路复用器。

5.根据权利要求1所述的检测系统，其中所述3D手势检测集成电路装置包括具有通用输入/输出引脚的控制器，且所述系统进一步包括一或多个接收多路复用器，所述一或多个接收多路复用器与所述触摸电极耦合且通过所述3D手势检测集成电路装置的通用输入/输出引脚来控制，以使所述触摸电极中的一者与所述3D手势检测集成电路装置的输入信道中的一者耦合。

6.根据权利要求5所述的检测系统，其中所述3D手势检测集成电路装置包括五个输入信道，且其中四个输入信道连接到四个接收电极，且第五输入信道与所述接收多路复用器的输出端耦合。

7.根据权利要求6所述的检测系统，其进一步包括与所述接收多路复用器输入端中的一者耦合的第五接收电极。

8.根据权利要求1所述的检测系统，其中所述3D手势检测集成电路装置包括具有通用输入/输出引脚GPIOs的控制器，且所述系统包括各自与所述3D手势检测集成电路装置耦合的受控于所述GPIOs的一或多个离散模拟多路复用器及一或多个离散数字多路复用器。

9.根据权利要求8所述的检测系统，其进一步包括多个传输电极，其中所述控制器包括与所述数字多路复用器的输入端耦合的一个输出信道，其中所述传输电极与所述数字多路复用器的输出端耦合，且其中所述触摸电极与所述模拟多路复用器的输入端耦合。

10.根据权利要求1所述的检测系统，其中所述触摸电极包括一或多个触摸按钮电极。

11.根据权利要求1所述的检测系统，其中所述触摸电极包括经布置以形成滑块电极的一或多个触摸片段电极。

12.根据权利要求1所述的检测系统，其中所述接收电极及所述触摸电极沿直线布置。

13.根据权利要求1所述的检测系统，其中所述接收电极及所述触摸电极由触摸检测电极栅格的电极片段形成。

14.根据权利要求1所述的检测系统，其中所述触摸电极由触摸检测电极栅格的电极片段形成，且所述接收电极经布置以围绕所述触摸检测电极栅格。

15.根据权利要求14所述的检测系统，其中所述触摸电极栅格包括布置于单个层中的电极片段。

16.根据权利要求1所述的检测系统，其中触摸电极布置于传输电极上方。

17.根据权利要求1所述的检测系统，其中触摸电极布置于与相关联传输电极相同的层中且邻近于所述相关联传输电极。

18.根据权利要求1所述的检测系统，其中触摸电极布置于传输电极下方。

19.根据权利要求18所述的检测系统，其中所述传输电极是网状电极。

20.根据权利要求19所述的检测系统，其中所述接收电极布置于与网状的传输电极相同的层中。

21.根据权利要求20所述的检测系统，其进一步包括布置于所述接收电极下方的额外传输电极。

22.根据权利要求1所述的检测系统，其中触摸电极包括布置于与相关联传输电极相同的层中的第一片段及布置于所述传输电极下方的第二片段。

23.一种检测系统，其包括三维3D手势检测集成电路装置，所述3D手势检测集成电路装置具有多个输入引脚和一个输出引脚，且所述3D手势检测集成电路装置包括3D手势控制器，其中所述3D手势控制器不包括专用于检测触摸的控制器，其中所述3D手势检测集成电路装置使用交流近电场，所述交流近电场是由与所述输出引脚耦合的至少一个3D传输电极产生，其中所述3D手势检测集成电路装置的所述输入引脚中的一些与3D接收电极耦合，所述系统进一步包括与接收触摸电极相关联的多个传输触摸电极，所述接收触摸电极与输入引脚耦合，其中所述3D手势检测集成电路装置的所述输出引脚通过多路复用与所述多个传输触摸电极中的至少一者耦合，其中所述接收触摸电极感测由选定的传输触摸电极产生的交流近电场，且其中所述3D手势控制器经配置以处理从所述系统的3D传感器接收的信号而不使用触摸控制器以确定3D位置信息且将阈值应用于在所述接收触摸电极处接收的信号以确定触摸。

24.根据权利要求23所述的检测系统，其中所述3D手势检测集成电路装置包括具有通用输入/输出引脚GPIOs的控制器，且所述系统进一步包括与所述3D手势检测集成电路装置耦合的受控于所述GPIOs的一或多个离散传输多路复用器。

25.根据权利要求24所述的检测系统，其中所述传输多路复用器是数字多路复用器。

26.根据权利要求23所述的检测系统，其中所述3D手势检测集成电路装置包括一或多个内部传输多路复用器。

27.一种用于操作三维3D手势检测集成电路装置的方法，所述3D手势检测集成电路装置包括3D手势控制器，其中所述3D手势控制器单元不包括专用于检测触摸的控制器，所述3D手势检测集成电路装置使用交流近电场且包括至少一个3D传输电极及多个输入引脚，所述方法包括以下步骤：

使所述3D手势检测集成电路装置的所述输入引脚中的一些与3D接收电极耦合，其中所述3D手势检测集成电路装置中的一个输入引脚不与所述3D接收电极中的任一者连接，及使用多路复用器来多路复用多个触摸电极，其中所述多路复用器经控制以使至少一个选定的触摸电极与未连接到所述3D接收电极中任一者的产生交流近电场的所述一个输入引脚耦合，使用所述3D接收电极和所述至少一个选定的触摸电极感测所述交流近电场，通过3D手势控制器从所述3D接收电极接收的信号确定3D位置信息，且将阈值应用于由所述3D手势控制器从选定的所述触摸电极接收的信号，而不使用单独的触摸控制器来确定选定的所述触摸电极处的触摸。

28.根据权利要求27所述的方法，其中多路复用是运用时分多址方案的时分多路复用。

29.根据权利要求28所述的方法，其中所述时分多址方案包括不同子模式，所述子模式包括调度受控、基于事件的受控或载波感测时分多址。

30.根据权利要求27所述的方法，其中所述触摸电极包括经布置以形成滑块电极的一或多个触摸片段电极。

31.根据权利要求27所述的方法，其中所述接收电极及所述触摸电极沿直线布置。