CN107179852B - 使用行电极和列电极的电容成像装置和方法 - Google Patents

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Abstract

使用在基板100上的行电极101和列电极102的阵列的电容成像方法或装置，其中，根据在其余电极接地的情况下测量的行电极101自电容、在其余电极接地的情况下测量的列电极102自电容、以及在其余电极接地的情况下测量的组合的行和列电极自电容，获得行电极和列电极之间的交叉电容。优选实施例是用于检测隐藏特征的手持式壁扫描仪，其具有与阵列相同尺寸且位于阵列上方的二维显示器。因此影响行列交叉电容的隐藏特征以实际大小并在它们的真实位置被成像。

Description

使用行电极和列电极的电容成像装置和方法
技术领域
本发明涉及使用行电极和列电极的阵列来定位附近的特征(例如，多点触摸屏实施例或触控板上的手指或者隐藏对象检测器或螺柱探测器中的螺柱、管线和布线)的电容成像装置和方法。
背景技术
使用M行电极和N列电极的阵列的电容成像装置与使用通过M×N条连接线或通过最少M×N个有源元件(例如场效应晶体管)连接到处理电路的M×N个电极的网格的装置相竞争。然而，M行和N列电极的阵列可以在任何基板上实现，并且仅需要M+N个连接来感测集中在行列交叉处附近的M×N个行列互电容或交叉电容。
使用行电极和列电极的阵列的现有技术的电容成像装置通过一个电极组(行或列)来感测交叉电容，所述电极组作为驱动器操作，耦合到作为拾取器操作的另一电极组，如US 7,663,607(Hotelling等)所公开的，具体参见图9和相关文本。为了保持测量不受到拾取电极电容负载的影响，可以插入电荷放大器(具有从输出到反相输入的电容反馈的运算放大器)，如图13和相关文本中所公开。
然而，从驱动电极耦合到拾取电极的交叉电容仅发生在其交叉处附近，而来自诸如AC线的电压源的干扰信号可耦合到拾取线的实质部分，从而向测量增加了噪声。
如US 8,654,098(Ningrat)的实施例中所公开的，将列电极的自电容的测量与前述的行列交叉电容测量相组合，并组合这两个数据集以减少噪声的影响。但是这种更复杂的方法只适用于触摸检测。
对于隐藏对象检测器，通过在电容电极阵列正上方或附近的显示器来向用户最佳地显示电容图像。在此仅针对其电容图像显示而提及以下两个专利，但它们都没有公开行电极和列电极。US 8,476,912(Dorrough)公开了一种螺柱传感器，其具有由线性LED阵列覆盖的线性电极阵列，使得用户沿着线“看见”螺柱。US 9,103,929(Krapf等)公开了由显示点的平面阵列覆盖的单独可寻址电极或像素的平面阵列，使得用户“看见”隐藏对象。相似大小的成像和显示阵列产生一种“窗口”的错觉，通过该“窗口”可以“看见”隐藏对象，从而帮助用户识别隐藏对象。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的使用行列电极阵列的电容成像装置和方法的缺点。
因此，提供一种使用行电极和列电极的阵列的电容成像装置和方法，其中，根据行电极自电容、列电极自电容以及组合的行和列电极自电容来获得行和列之间的交叉电容。
在本发明的实施例中，一行电极和一列电极之间的交叉电容根据以下项来获得：在其余电极接地的情况下测量的该行电极的自电容、在其余电极接地的情况下测量的该列电极的自电容、以及在该行电极和该列电极连接在一起且其余电极接地的情况下测量的组合的该行电极和该列电极的自电容。
在本发明的实施例中，多个行电极和多个列电极之间的交叉电容根据以下项来获得：在该多个行电极连接在一起且其余电极接地的情况下测量的该多个行电极的自电容、在该多个列电极连接在一起且其余电极接地的情况下测量的该多个列电极的自电容、以及在该多个行电极和该多个列电极连接在一起且其余电极接地的情况下测量的组合自电容。
优选地，通过将行电极自电容与列电极自电容相加并减去组合的行和列电极自电容，来获得行列交叉电容。
有利地，可以将在通电后或在任何其他方便的时间获得的交叉电容映射在存储器中，以作为偏移随后获得的交叉电容值中减去。
优选地，行电极自电容、组合的行和列自电容以及列电容的测量快速相继。
可选地，行和列被成形为在它们的交叉处附近较窄并且在交叉处之间较宽。
有利地，屏蔽层(screen)将背离要检测的对象的一侧上的电极进行屏蔽。
有利地，屏蔽层形成在基板的面向电极阵列的一侧上，电路实现在远离电极阵列的一侧上。
电子电路至少部分地与电极阵列实现在同一基板上。
屏蔽层可以作为导电层与电极阵列集成在同一基板上。
本发明的优选实施例是隐藏对象检测器。
有利地，用于隐藏对象检测器的显示器具有与其电容成像装置大致相同的尺寸并且覆盖它。
有利地，电容成像装置能够向诸如智能电话、平板电脑或膝上型电脑的装置发送数据。
附图说明
图1A和1B指导性地示出了使用行电极和列电极的电容成像装置中的等效集总电容模型。
图2A至2C原理性地示出了对根据本发明的电容成像装置和方法中的行/列电极组合进行的三个自电容测量。
图3示出了基板上的行电极和列电极的阵列，其中行电极在基板的一侧上，列电极在另一侧上。
图4是本发明的实施例的视图。
图5是成形的行电极和列电极的局部视图，其中行电极在基板的一侧上，列电极在另一侧上。
图6A和6B是本发明的优选实施例的顶视图和正视图。
具体实施方式
这里给出使用行电极和列电极的阵列的电容成像装置的电特性以便于描述本发明。
图1A和1B针对根据本发明的电容成像装置指导性地示出了行电极101和列电极102的两个等效集总电容模型，包括它们到测量电路200的连接线201和202，并且其余的行电极和列电极(未示出)接地，即连接到地或公共电位。
行电极101和列电极102之间的交叉电容C12，受到行列交叉处附近的电介质配置的影响，是所感兴趣的互电容。注意，连接线201、202和测量电路200对交叉电容C12也有贡献。这个问题将在稍后解决。
在图1A中，从行电极101到地的自电容C1还包括线201到地的电容，并且从列电极102到地的自电容C2还包括线202到地的电容。最终，存在从行电极101到与噪声电压源301相连的外部电极300的互电容C13和从列电极102到外部电极300的互电容C23。
由于准静态条件占主导地位(感兴趣的最短波长远大于器件尺寸)，行电极101到地的电容C1和到噪声电压源300的电容C13电学上等效于耦合到噪声电压源310的单个电容C10＝C1+C13(图1B所示的C10)，并且列电极102的电容C2和C23电学上等效于耦合到噪声电压源320的单个电容C20＝C2+C23(图1B所示的C20)。因此，用耦合到噪声电压源310、320的C10、C20(如图1B所示)来代替到地的电容C1、C2和到噪声电压的电容C13、C23。
简化起见，在没有噪声的情况下，在示出本发明原理的图2A至2C中将C10和C20接地。当然，在分析噪声的影响时将避免这种简化。
回到图1B，在交叉电容C12的测量中应消除电容C10和C20的影响。在现有技术中，列或行上的驱动信号通过交叉电容C12耦合，并且由负载了电容C10或C20的对应的行或列来感测。
根据本发明，通过利用包括自电容数字转换器的微控制器来测量三个自电容，可以获得行电极和列电极的交叉电容。图2A至2C示出了获得行电极101和列电极102的交叉电容C12的原理。在其余电极(未示出)接地的情况下，对行电极101和列电极102进行自电容测量。行电极101和列电极102分别通过线201和202连接到测量电路200，测量电路200可以将每条线201和202切换到地(或公共电位)，或者切换到自电容数字转换器210(图2A至2C中未示出开关)。
图2A示出了在列电极102接地的情况下行电极101的自电容的测量。在测量电路200中，线201(因而行电极101)被切换到自电容数字转换器210，线202(因而列电极102)被切换到地：自电容数字转换器感测行电极101的电容C10，再加上到接地列电极102的交叉电容C12，使得感测到的自电容为C10+C12。
图2B示出了在行电极101接地的情况下列电极102的自电容的测量。在测量电路200中，线202(因而列电极102)被切换到自电容数字转换器210，线201(因而行电极101)被切换到地。因此，自电容数字转换器感测列电极102的电容C20，再加上到接地行电极101的交叉电容C12，使得感测到的自电容为C20+C12。
图2C示出了行电极101和列电极102连接在一起时的自电容的测量。在测量电路200中，线201(因而行电极101)和线202(因而列电极102)一起被切换到自电容数字转换器210。因此，自电容数字转换器200感测电容C10和C21二者，但不感测交叉电容C12(其端子处于相同的电压)，使得感测到的自电容仅为C10+C20。
将前两个自电容相加并减去后者，得到：
(C10+C12)+(C20+C12)-(C10+C20)＝2C12.
由于行电极101和列电极102(包括线201和202)的电容C10和C20抵消，并且只要它们的和保持在转换器的输入范围内就没有影响，因此只有交叉电容C12保留在结果中。这使得行电极和列电极及其连接线的布局更容易，因为仅需要将行电极连接线201与列电极连接线202屏蔽，或至少将它们保持分离，以使来自行电极和列电极的阵列之外的寄生交叉电容对交叉电容C12的贡献最小化。
根据本发明的方法的优点在于，所需的电路可以用诸如Silicon Labs的微控制器家族C8051F97x之类的低成本微控制器来实现，其包含快速和精确的自电容数字转换器，该自电容数字转换器的输入可以被切换到微控制器的一个或多个感测垫，未选中的感测垫则接地。
可以感测电介质或导电物体的距阵列的范围或距离是行或列的间距的量级。图3中透明示出的在基板100的任一侧上的电极101和102通常是直的以容许两侧的未对准，但是如从现有技术已知的，可以通过使电极在交叉处附近变窄并且在交叉处之间变宽来提高范围；这将在下面进一步说明。
提高检测范围而不显著降低分辨率的另一种方式是将行电极连接在一起并且将列电极连接在一起，以形成电学上更宽的行和列，例如将行1和行2连接在一起，然后将行2和行3连接在一起。从一个这样的组合行到下一个组合行的移位与单行电极时相同，使得分辨率仅受到轻微影响。该方案不限于相邻的行：可以将第一行和第三行连接在一起，漏过第二行(切换到地)，然后可以将第二和第四行连接在一起，漏过第三行，依此类推。
图2A至2C中所示的根据本发明的针对单行电极和单列电极的测量方法也适用于多行电极和多列电极，其中，多行电极替代单行电极，多列电极替代单列电极。具体地，测量以下自电容：在其余电极接地的情况下切换到自电容数字转换器的多行电极的自电容，在其余电极接地的情况下切换到自电容数字转换器的多列电极的自电容，以及在其余电极接地的情况下一起切换到自电容数字转换器的多行电极和多列电极的所有组合的自电容。
在相同实施例中用单个电极或由多个互连电极形成的电极进行测量增加了利用单个电极在附近范围处检测精细电介质特征或不均匀性、或者还利用多个电极在更远处检测更大特征的选择，从而允许更深入的感知。
由于除交叉电容C12之外的所有电容抵消，成像精度和稳定性最大化。然而，如已经指出的，交叉电容C12不限于电极的交叉区域，因为连接线201、202和测量电路200对交叉电容也有贡献。布局和屏蔽可以减少它们的贡献，但不能消除它们的贡献。对象尤其是远距离对象对交叉电容的影响相当小，可能需要补偿连接线201、202和测量电路200对交叉电容C12的贡献。
这可以通过校准来完成，在校准期间，在行电极和列电极附近没有对象的情况下获得交叉电容，并将交叉电容作为偏移映射在存储器中。在校准之后，通过先前在相同位置处获得的所存储的偏移来校正所获得的每个交叉电容，使得刚好在校准之后，所有经校正的交叉电容保持在零附近，直到电介质特征出现在附近。如果这些寄生交叉电容保持恒定，则只需在工厂进行一次校准。如果它们随时间漂移，则可以在每次通电时进行校准。
在本发明的多个实施例中，来自噪声电压源的耦合是主要问题，尤其是从50/60Hz电力线，直接地，如在隐藏对象检测器中，或间接地，通过其他导电体或末端，如触摸检测器或触控板上没有电接地的人的手指；或持有设备的没有接地的人员。回顾图1B，清楚的是，等效的行和列噪声电压源310和320通过比交叉电容C12大得多的电容C10和C20耦合，此外，C12仅一部分受到附近对象的影响。
然而，如果图2A至2C中所示的三个自电容测量仅以很小的延迟彼此跟随，则噪声的低频分量从一个测量到下一个测量将不会产生很大变化：电容C10和C20相同，并且噪声电压源或至少其50/60Hz附近的低频分量几乎相同，将快速连续的两次测量相减将抑制噪声。为此，自电容数字转换器必须足够快：在所引用的Silicon Labs微控制器中，决定样本之间的延迟的最小转换时间为30微秒的量级。50/60Hz电压源的角频率(ω)的倒数(tau)大约为3毫秒，这意味着连续噪声电压样本仅变化了1％(30微秒除以3毫秒)，因此在这种情况下50/60Hz电压噪声的影响衰减到1％。
快速连续地进行自电容测量的另一个好处是，能够适应从一个自电容测量到下一个自电容测量改变电容C10和C20的运动，因此延迟越长，它们抵消得越少。因此，测量之间的短延迟对于减少运动的影响也是重要的。
顺便提及，在不是根据本发明而是相同电路的不同操作模式中检测噪声电压源(而不是排除它们)可能是有利的。例如，这可以通过在感兴趣的频率处以最佳半个周期的间隔(例如对于50/60Hz，8至10ms)测量行或列的自电容两次并且从一个测量减去另一个测量来完成，使得自电容抵消，但是从两个测量的相反电压变化耦合的信号相加。位置精度限于整行或整列，因为在这种情况下仅可以可靠地测量行或列自电容的变化，而不是行列交叉电容的变化。然而，通过检查哪些列和行拾取到最强的差信号，和/或通过与在根据本发明的操作模式中获得的交叉电容数据进行相关，可以提高位置精度。
图3示出了本发明的实施例的基板(例如印刷电路)上的行电极和列电极。为了更好地观察，通常不透明的基板100被示为透明的。在基板一侧上具有恒定宽度的行电极101，在另一侧上具有恒定宽度的列电极102。电极101和102可以具有不同的形状，例如，在交叉处附近窄，并且在交叉处之间宽。如下面进一步解释的，这提高了检测范围，但是对于窄的行和列间距，恒定宽度的电极使基板两侧的叠加移位或不对准的有害影响最小化。
基板应足够厚以使行列交叉电容最小化，但不应厚到足以使经由基板电介质到接地的相邻行电极和列电极的行电极和列电极的自电容C10和C20增加而超过自电容数字转换器的输入范围。注意，行电极101和列电极102从交叉处延伸足够远，以在每个交叉处提供相当均匀的电场条件。行电极和列电极延伸得比它们连接到连接线201和202的位置更远一些，以便使线路对感测的不期望贡献最小化。基于相同的原因，连接线201和202应该尽可能薄。注意，在图3中仅示出了连接线201、202的端部，即，它们接触电极101、102的位置。
图4示出了本发明的实施例，包括一侧具有行电极101且另一侧具有列电极102的基板100以及与基板100基本上平行的第二基板120。基板120在面向基板100的一侧上具有屏蔽层(screen)110，并且在背对电路100的一侧上具有包括自电容数字转换器210的测量电路200。连接线201(仅看到最近的线，其余部分隐藏在其后面)将行电极101(也仅看到最近的一个)连接到电路200，并且连接线202将行电极102连接到测量电路200。图4中仅示出了说明实施例的操作所必需的部件：例如，未示出用于将电路100和120保持在一起的机械装置。
由于行电极和列电极基板100固有地对其任一侧上的电介质特征敏感，所以远离电介质或导电特征的一侧应面对没有电介质的空间或至少均匀的空间。这是不切实际的，因为甚至远距离的对象仍然可能干扰。屏蔽层110通过将基板100与外部对象和电路(特别是测量电路200和连接线201和202的一部分)屏蔽来补救这一点。屏蔽层110应以最小的重叠来覆盖阵列，以在所有交叉电容上提供均匀的电场条件。
还可以在阵列的基板上实现电气/电子电路中的一些或全部，以使寄生电容最小化。当然，应当通过将电路与阵列的行电极和列电极保持充分分开和/或通过将它们彼此屏蔽，而使它们之间的非预期耦合保持得尽可能低。
为了节省成本并减小在一个基板上实现其电路的实施例的尺寸，屏蔽层110可以在背离电介质或导电特征的一侧上集成在基板100上，代价是增加了行电极和列电极的自电容。
行电极和列电极的形状也对检测的质量有贡献：恒定宽度的电极主要检测其交叉处附近的电介质不均匀性，大部分交叉电容集中于此。因此来自远距离特征的弱信号更难以检测。这是隐藏对象成像的主要问题，尤其是对于壁扫描仪或螺柱传感器，其中，应当检测诸如管线、螺柱或电线的远距离特征，而不是壁面粗糙度或微小电介质不均匀性。
图5示出了具有被成形以便更容易检测远距离对象的行和列的阵列的一部分。其行101由通过窄导体511连接的区域501组成，其列102由通过窄导体512连接的一系列区域502组成。区域501、502优选地如图所示是圆形，或菱形(钻石形)，但是可以具有任何其他合适的形状。区域501、502可以最佳地在其基板的一侧上，或者如图5所示在基板两侧上以更容易布线，其中行101在足够薄的基板的一侧上，列102在另一侧上，以大大减少所需的镀通孔的数量。
远距离特征检测的改进在于，大大减小了行101和列102之间的互电容，特别是在紧邻交叉处附近。这导致对最接近交叉处的不均匀性的灵敏度降低，而对远距离特征的灵敏度则保持与恒定宽度的电极大致相同。
因此，远距离特征更容易检测，并且对电极附近的电介质的灵敏度降低减小了变化间隙对互电容测量的影响。例如，大多数螺柱传感器需要在要检查的壁的介电均匀区域上进行重新校准，其风险是，例如在包括螺柱的不均匀区域上错误地进行重新校准。成形的阵列对间隙和壁的平均介电常数的灵敏度降低，使得不必频繁地甚至不需要重新校准。并且在许多情况下，所有电流校准偏移的简单恒定移位可以有利地替代重新校准。
图6A和6B是体现本发明的优选装置的顶视图和正视图，诸如螺柱传感器的手持式壁隐藏对象检测器。图6A示出了利用间隔件405(优选地滚件)接触壁600的实施例400。其面对壁600的一侧具有行电极和列电极基板100。图6B示出了位于与基板100基本上平行的平面中并且包括显示器410的实施例400的正面。
装置400可以将图4所示的实施例或任何其他合适的实施例与添加的显示器410集成。由于所显示的电介质特征可能不完全对应于实际的隐藏特征，所以观察应当尽可能直观。这可以通过具有与基板100的行列交叉区域的范围大致相同的尺寸并且在适当的短距离处覆盖它的显示器来帮助，从而为操作者提供看到壁中的窗口的错觉，特别是如果装置400沿着壁移动的话。这使得操作者更容易识别隐藏的特征，即使在低分辨率显示器情况下。
体现本发明的另一装置具有用于向外部显示器(通常为智能手机或平板计算机而不是显示器)发送数据的装置，这将显著降低其成本。还可以通过添加将智能手机或平板计算机停靠在装置上的可能性来创建窗口的错觉。
根据本发明的电容成像装置对于上述应用以及对于多点触摸传感器和触控板是最佳的。然而，它们也可以适用于不太明显的应用，例如指纹感测或矿产探测。
行电极和列电极的阵列可以具有适合于应用的其他形状，例如，同心行和径向列，或者球面上的平行线和子午线。圆柱形表面上的行和列可以检测注射器和泵中的液体。

Claims (12)

1.一种使用行电极和列电极的阵列的电容成像方法，其中，根据行电极自电容、列电极自电容以及组合的行和列电极自电容来获得行和列之间的交叉电容；
其中，一行电极和一列电极之间的交叉电容通过以下操作来获得：将在其余电极接地或位于直流电压源的情况下测量的该行电极的自电容与在其余电极接地或位于直流电压源的情况下测量的该列电极的自电容相加并减去在该行电极和该列电极连接在一起且其余电极接地的情况下测量的组合的行电极和列电极的自电容。
2.根据权利要求1所述的电容成像方法，其中，在通电后或在任何其他方便的时间获得的交叉电容被映射在存储器中，以作为偏移从随后获得的交叉电容值中减去。
3.根据权利要求1所述的电容成像方法，其中，行电极自电容、组合的行和列电极自电容以及列电极自电容的测量快速相继进行。
4.一种使用行电极和列电极的阵列的电容成像装置，其中，根据行电极自电容、列电极自电容以及组合的行和列电极自电容获得行和列之间的交叉电容；
其中，一行电极和一列电极之间的交叉电容通过以下操作来获得：将在其余电极接地或位于直流电压源的情况下测量的该行电极的自电容与在其余电极接地或位于直流电压源的情况下测量的该列电极的自电容相加并减去在该行电极和该列电极连接在一起且其余电极接地的情况下测量的组合的行电极和列电极的自电容。
5.根据权利要求4所述的电容成像装置，其中，在通电后或在任何其他方便的时间获得的交叉电容被映射在存储器中，以作为偏移从随后获得的交叉电容值中减去。
6.根据权利要求4所述的电容成像装置，其中，行电极自电容、组合的行和列电极自电容以及列电极自电容的测量快速相继进行。
7.根据权利要求4所述的电容成像装置，其中，行电极在绝缘基板的一侧上，列电极在所述绝缘基板的另一侧上。
8.根据权利要求4所述的电容成像装置，其中，与行电极和列电极的阵列大致相同尺寸的显示器覆盖所述阵列。
9.根据权利要求4所述的电容成像装置，能够向另一装置发送数据。
10.根据权利要求9所述的电容成像装置，其中，所述另一装置包括智能电话、平板电脑或膝上型电脑。
11.一种使用行电极和列电极的阵列的电容成像方法，其中，根据行电极自电容、列电极自电容以及组合的行和列电极自电容来获得行和列之间的交叉电容；
其中，多个行电极和多个列电极之间的交叉电容通过以下操作来获得：将在该多个行电极连接在一起且其余电极接地的情况下测量的该多个行电极的自电容与在该多个列电极连接在一起且其余电极接地的情况下测量的该多个列电极的自电容相加并减去在该多个行电极和该多个列电极连接在一起且其余电极接地的情况下测量的组合的行和列电极自电容。
12.一种使用行电极和列电极的阵列的电容成像装置，其中，根据行电极自电容、列电极自电容以及组合的行和列电极自电容获得行和列之间的交叉电容；
其中，多个行电极和多个列电极之间的交叉电容通过以下操作来获得：将在该多个行电极连接在一起且其余电极接地的情况下测量的该多个行电极的自电容与在该多个列电极连接在一起且其余电极接地的情况下测量的该多个列电极的自电容相加并减去在该多个行电极和该多个列电极连接在一起且其余电极接地的情况下测量的组合的行和列电极自电容。
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