CN107533412A - 具有多个发射电极的电容式传感器系统 - Google Patents

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Abstract

一种电容式传感器系统具有：接收电极，其具有到接地平面或接地电极的电容性耦合；第一发射电极，其布置在所述接收电极与所述接地平面之间且相对于所述接收电极具有使得所述发射电极覆盖所述接收电极的表面区域的大小；及第二发射电极，其邻近于所述接收电极而布置且不与所述第一发射电极耦合，其中用比所述第一发射电极高的交流电压来驱动所述第二发射电极。

Description

具有多个发射电极的电容式传感器系统
相关专利申请案
本申请案主张于2015年4月22日提出申请的共同拥有的第62/151,172号美国临时专利申请案的优先权，所述美国临时专利申请案特此出于所有目的以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及电容式传感器系统。
背景技术
电容式传感器装置通常实施于例如触摸屏的显示器应用中。使用互电容及自电容感测的不同感测技术用于检测触摸位置。进一步开发提供非触摸输入系统，其产生交流电近场并用(举例来说)围绕显示器以框架方式布置的四个电极来测量此一场的失真以确定进入所述场的物件的三维位置数据。此一系统还称为系统并已由本申请案的受让人开发，且一般描述(举例来说)揭示于由微芯科技公司(Microchip Technology Inc.)于2013年公开的申请案注解“MGC3130–Sabrewing单区评估工具包用户指南”中，所述申请案注解特此以引用的方式并入。图8展示此系统，所述系统具有：四个接收电极A、B、C、D；发射电极820，其布置在接收电极A、B、C、D下方；及控制器810，其与接收电极A、B、C、D耦合且提供用于发射电极820的交流驱动信号。控制器810可提供用于计算机系统或任何其它后处理装置的输出信号。因此，如图8中所展示的系统800可操作为类似于计算机鼠标或键盘的输入装置。举例来说，所述装置可通过将接收电极A、B、C、D布置成环绕显示器屏幕而容易地集成在显示器内。
发明内容
然而，需要电容式感测系统来使传感器获得较大敏感度以为需要较大传感器大小/敏感度的应用(明确地说显示器应用)提供条件。根据各种实施例，具有不同电压电平的多个发射电极可用于在不过驱动感测输入的情况下增加互耦合效应并维持自感测效应。
根据实施例，一种电容式传感器系统可包括：接收电极，其具有到接地平面或接地电极的电容耦合；第一发射电极，其布置在所述接收电极与所述接地平面之间且相对于所述接收电极具有使得所述发射电极覆盖所述接收电极的表面区域的大小；及第二发射电极，其邻近于所述接收电极而布置且不与第一发射电极耦合，其中用比所述第一发射电极高的交流电压来驱动所述第二发射电极。
根据另一实施例，驱动所述第一及第二发射电极的第一及第二信号可具有相同频率且可同相。根据另一实施例，所述第二发射电极可与所述第一发射电极共面布置。根据另一实施例，所述第二发射电极可与所述接收电极共面布置。根据另一实施例，所述第二发射电极可至少部分地环绕所述接收电极。根据另一实施例，所述第二发射电极可布置在所述第一发射电极下方。根据另一实施例，所述第一发射电极可被分段。根据另一实施例，所述第二发射电极可被分段。根据另一实施例，所述第二发射电极可大于所述第一发射电极。根据另一实施例，所述电容式电极系统可进一步包括产生馈送到所述第一及第二发射电极的第一及第二驱动信号的控制器。根据另一实施例，所述电容式电极系统可进一步包括接收不同于所述第一及第二发射电极的电压的至少一个另外发射电极。根据另一实施例，第二及第三发射电极可与所述接收电极共面布置，其中所述第二发射电极至少部分地环绕所述接收电极，且其中所述第三发射电极至少部分地环绕所述第二发射电极。
根据另一实施例，一种用于操作电容式传感器的方法，所述电容式传感器包括：接收电极，其具有到接地平面或接地电极的电容耦合；第一发射电极，其布置在所述接收电极与所述接地平面之间且相对于所述接收电极具有使得所述发射电极覆盖所述接收电极的表面区域的大小；及第二发射电极，其邻近于所述接收电极而布置且不与所述第一发射电极耦合，其中所述方法包括用比所述第一发射电极高的交流电压来驱动所述第二发射电极的步骤。
根据所述方法的另一实施例，驱动所述第一及第二发射电极的第一及第二信号可具有相同频率且可同相。根据所述方法的另一实施例，所述第二发射电极可与所述第一发射电极共面布置，或其中所述第二发射电极可与所述接收电极共面布置。根据所述方法的另一实施例，所述第二发射电极可至少部分地环绕所述接收电极。根据所述方法的另一实施例，可将所述第二发射电极布置在所述第一发射电极下方。根据所述方法的另一实施例，可将所述第一及/或第二发射电极分段。根据所述方法的另一实施例，所述第二发射电极可大于所述第一发射电极。根据所述方法的另一实施例，所述电极系统可包括至少一个另外发射电极，且所述方法包括将与用于所述第一及第二发射电极的电压不同的电压馈送到第三发射电极的步骤。根据所述方法的另一实施例，可将所述第二及第三发射电极与所述接收电极共面布置，其中所述第二发射电极至少部分地环绕所述接收电极，且其中所述第三发射电极至少部分地环绕所述第二发射电极。
根据又一实施例，一种装置可包括显示器及围绕所述显示器以框架方式布置的四个电极群组，其中每一电极群组可包括：接收电极，其具有到接地平面或接地电极的电容性耦合；第一发射电极，其布置在所述接收电极与所述接地平面之间且相对于所述接收电极具有使得所述发射电极覆盖所述接收电极的表面区域的大小；及第二发射电极，其邻近于所述接收电极而布置且不与所述第一发射电极耦合，其中用比所述第一发射电极高的交流电压来驱动所述第二发射电极。
附图说明
图1展示常规传感器布置；
图2及3展示根据实施例的传感器电极布置；
图4-7a展示电极布置的各种实施例的横截面图；
图7b-7d展示根据图7a的实施例的俯视图；
图8展示常规手势检测系统；
图9展示根据实施例的驱动电路框图；
图10展示根据实施例的手势检测系统。
具体实施方式
如(举例来说)图8中所展示，系统的大小受限于接收电极A、B、C、D的敏感度。根据各种实施例，将输入信号的电平增大3倍及更多倍以及实现需要较高系统敏感度的新应用领域是可能的。所提议的技术并不限于系统，而是可用于各种电容式测量系统中。
如图1中所展示，发射电极Tx1放置在接收电极Rx与接地电极120之间。用由接收电极Rx接收的特定频率刺激发射电极Tx1。发射电极Tx1使电极Rx免于接地，换句话说，发射电极Tx1减少电容性耦合CRx-Gnd。效应将是Rx电极的经减少基极自电容。因此，人的手的接近将产生较大信号移位(自电容测量)。然而，Tx1的信号电压是限制的，因为高电压电平将过驱动感测输入。对互电容测量来说，在于发射电极Tx与接收电极Rx之间具有低基极耦合CTx1-Rx的情况下工作是有益的。发射电极Tx未必一定在接收电极Rx下方。当在Tx与Rx电极之间的基极耦合低时，可在较高电压的情况下工作，因为输入不会容易地过驱动。举例来说，当人的手接近杂散场并将杂散场分流到接地CHand-Gnd时，用于Tx信号的较高电压将导致接收电极Rx上的较高信号移位。
图1展示常规发射电极Tx，其中下伏于接收电极Rx的部分加阴影线展示且剩余部分不加阴影线。明确地说，如图1中所展示，Tx1的加阴影线部分减少基极耦合CRX-GND并因此改进自电容测量。Tx1的不加阴影线部分提供用于互电容测量的直场。Tx1的加阴影线部分具有到Rx的高耦合且Tx信号电压U1受限制以避免信号输入的过驱动。Tx的不加阴影线部分将需要用于最优互电容测量输出的高电压发射信号(U1)。
如图2及3中所展示，根据各种实施例，引入未使Rx免于接地(换句话说，未布置在接地电极120与接收电极Rx之间)的第二发射电极Tx2。此第二发射电极Tx2使得系统能够使互电容测量及自电容测量最优化，并通过发射电极Tx2上的较高电压获得并提供显著较高总体敏感度。此较高电压在互电容测量的情况下提供信号移位的增益。在Tx2处的较高电压不产生关于过驱动Tx1低电压的问题且从Rx到GND的较低基极耦合CRx-GND避免在高电压的情况下过驱动输入。传感器的Rx及Tx传感器通道的数目并不受限制。
有效地，将如图1中所展示的单个发射电极分成两个或多于两个电极分段，其中个别电极分段由不同信号驱动。举例来说，将用低电压(U1)驱动具有到接收电极RX的高耦合(CTx1-Rx)的发射电极Tx1以避免输入的过驱动。发射电极Tx2具有到接收电极Rx的低电容耦合(CTx2-Rx)且将用高电压(U2)来驱动以实现最优互效应(不具有输入的过驱动)。可将发射电极分成多个发射电极且所述系统未必限制于如图2及3中所展示的两个发射电极。
根据实施例，第一发射电极可用第一交流信号(举例来说，具有第一振幅(举例来说介于0伏特到20伏特之间)的方波信号)来驱动。第二发射信号可源自第一信号但具有更高振幅，举例来说，6伏特到40伏特。因此，根据实施例，在信号之间不存在相移且仅两个驱动信号的振幅不同。
各种实施例使得可添加3D手势检测作为对具有(举例来说)5"到17"的大小的显示器的输入方法。如上文所提及，根据各种实施例的方法及系统还可适用于各种其它电容式测量技术，举例来说，其结合微芯科技公司的Pcap解决方案也有效。各种实施例允许用于较大显示器的经组合2D-3D输入解决方案。此外，一般来说可扩大常规GestIC系统的敏感度/检测范围。
图4展示其中发射电极分段Tx1、Tx2彼此上下地布置且介于接收电极与接地电极之间的另一实施例。此处，根据实施例，布置在第二发射电极Tx2上方的第一发射电极Tx1的大小小于第二发射电极。此外，根据实施例，接收电极可小于第一发射电极。
图5展示其中仅第一发射电极Tx1布置在接收电极Rx与接地电极120之间的另一可能实施例。第二发射电极Tx2与接收电极Rx共面布置。再者，根据实施例，第一发射电极Tx的大小可小于第二发射电极Tx2。
图6展示其中再次地仅第一发射电极Tx1布置在接收电极Rx与接地电极120之间的另一实施例。然而，第二发射电极Tx2与第一发射电极Tx1共面布置。再者，根据实施例，第一发射电极Tx的大小可小于第二发射电极Tx2。
图7a展示其中提供三个发射电极的另一实施例。再次地，仅第一发射电极Tx1布置在接收电极Rx与接地电极120之间。第二发射电极Tx2与接收电极Rx共面布置。其它两个发射电极Tx2及Tx3均成环形且因此环绕接收电极Tx。图7b及7c展示图7a中所展示的实施例的俯视图可能实施方案。如可见，发射电极Tx2及Tx3未必完全环绕接收电极Rx。可提供开孔，尤其是在馈送线被提供于同一层中的情况下。此外，根据其它实施例，可将发射电极Tx2及/或Tx3各从分段成多个分段，其中发射电极的每一分段均接收与图7d的实施例中所展示相同的信号。
图9展示具有控制器910的传感器电路900的框图，控制器910产生馈送到两个放大器级920及930的驱动信号，例如方波信号或正弦信号。第一放大器级可是增益为1的缓冲级而第二级930可给出增益为3。其它增益比率可适用。因此，产生仅振幅不同的两个交流驱动信号。接着，分别将这些信号馈送到第一发射电极Tx1及第二发射电极Tx2。控制器可进一步经配置以从相关联接收电极Rx接收信号。放大器级920、930可是如图9中所展示的外部驱动器或可集成在控制器910内。
如图9中所展示的系统可提供用于一个以上传感器布置的驱动及接收信号。举例来说，可通过提供与每一接收电极A、B、C、D相关联的单独发射电极来增强如图8中所展示的系统。可根据上文所论述的实施例中的任一者相对于接收电极A、B、C、D布置发射电极。图10展示此一系统1000的可能实施方案。类似于图8的实施例，四个接收电极A、B、C、及D以框架方式布置以(举例来说)环绕显示器屏幕1050。每一接收电极A、B、C、D分别具有两个相关联发射电极1010a、1010b、1010c、1010d及1020a、1020b、1020c、1020d。手势控制器1040提供驱动信号。根据一个实施例，第一发射电极1010a、1010b、1010c、1010d可全部接收相同交流信号。类似地，第二发射电极1020a、1020b、1020c、1020d可全部接收相同信号。然而，根据其它实施例，每一电极群组可接收相对于另一群组的不同频率或相移信号。如图10中进一步展示，第一发射电极全部具有与相应接收电极大约相同的大小或略大以覆盖相应接收电极的区域。

Claims (22)

1.一种电容式传感器系统，其包括：
接收电极，其具有到接地平面或接地电极的电容耦合，
第一发射电极，其布置在所述接收电极与所述接地平面之间且相对于所述接收电极具有使得所述发射电极覆盖所述接收电极的表面区域的大小，及
第二发射电极，其邻近于所述接收电极而布置且不与所述第一发射电极耦合，其中用比所述第一发射电极高的交流电压来驱动所述第二发射电极。
2.根据权利要求1所述的电容式电极系统，其中驱动所述第一及第二发射电极的第一及第二信号具有相同频率且同相。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的电容式电极系统，其中所述第二发射电极与所述第一发射电极共面布置。
4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的电容式电极系统，其中所述第二发射电极与所述接收电极共面布置。
5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的电容式电极系统，其中所述第二发射电极至少部分地环绕所述接收电极。
6.根据前述权利要求中任一权利要求所述的电容式电极系统，其中所述第二发射电极布置在所述第一发射电极下方。
7.根据前述权利要求中任一权利要求所述的电容式电极系统，其中所述第一发射电极被分段。
8.根据前述权利要求中任一权利要求所述的电容式电极系统，其中所述第二发射电极被分段。
9.根据前述权利要求中任一权利要求所述的电容式电极系统，其中所述第二发射电极大于所述第一发射电极。
10.根据前述权利要求中任一权利要求所述的电容式电极系统，其进一步包括产生馈送到所述第一及第二发射电极的第一及第二驱动信号的控制器。
11.根据前述权利要求中任一权利要求所述的电容式电极系统，其进一步包括接收不同于所述第一及第二发射电极的电压的至少一个另外发射电极。
12.根据权利要求11所述的电容式电极系统，其中所述第二及第三发射电极与所述接收电极共面布置，其中所述第二发射电极至少部分地环绕所述接收电极，且其中所述第三发射电极至少部分地环绕所述第二发射电极。
13.一种用于操作电容式传感器的方法，所述电容式传感器包括：接收电极，其具有到接地平面或接地电极的电容耦合；第一发射电极，其布置在所述接收电极与所述接地平面之间且相对于所述接收电极具有使得所述发射电极覆盖所述接收电极的表面区域的大小；及第二发射电极，其邻近于所述接收电极而布置且不与所述第一发射电极耦合，所述方法包括以下步骤：
用比所述第一发射电极高的交流电压来驱动所述第二发射电极。
14.根据权利要求13所述的方法，其中驱动所述第一及第二发射电极的第一及第二信号具有相同频率且同相。
15.根据权利要求13或权利要求14所述的方法，其中所述第二发射电极与所述第一发射电极共面布置，或其中所述第二发射电极与所述接收电极共面布置。
16.根据权利要求13到15中任一权利要求所述的方法，其中所述第二发射电极至少部分地环绕所述接收电极。
17.根据权利要求13到16中任一权利要求所述的方法，其中所述第二发射电极布置在所述第一发射电极下方。
18.根据权利要求13到17中任一权利要求所述的方法，其中将所述第一及/或第二发射电极分段。
19.根据权利要求13到18中任一权利要求所述的方法，其中所述第二发射电极大于所述第一发射电极。
20.根据权利要求13到19中任一权利要求所述的方法，其中所述电极系统包括至少一个另外发射电极，且所述方法包括将与用于所述第一及第二发射电极的电压不同的电压馈送到第三发射电极的步骤。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述第二及第三发射电极与所述接收电极共面布置，其中所述第二发射电极至少部分地环绕所述接收电极，且其中所述第三发射电极至少部分地环绕所述第二发射电极。
22.一种装置，其包括：
显示器；及
四个电极群组，其围绕所述显示器以框架方式布置，其中每一电极群组包括：
接收电极，其具有到接地平面或接地电极的电容耦合，
第一发射电极，其布置在所述接收电极与所述接地平面之间且相对于所述接收电极具有使得所述发射电极覆盖所述接收电极的表面区域的大小，及
第二发射电极，其邻近于所述接收电极而布置且不与所述第一发射电极耦合，其中用比所述第一发射电极高的交流电压来驱动所述第二发射电极。
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