CN108139845B - 接近激活手势电路及相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种接近激活手势电路，其包含激活接收器电极、发射器电极、额外接收器电极、控制电路及信号处理器电路。所述控制电路经配置以在由所述激活接收器电极进行的电容测量达到阈值时激活所述发射器电极及额外接收器电极。所述信号处理器电路经配置以将来自所述额外接收器电极的测量解译为手势。

Description

接近激活手势电路及相关方法
相关专利申请案
本申请案主张2016年1月21日申请的共同拥有的美国临时专利申请案第62/281,587号的优先权；所述申请案出于所有目的以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及接近及触摸感测，且更特定来说，本发明涉及一种用于感测电极之间局部空间中的阻抗变化的方法及系统。
背景技术
如今可用广泛多种触摸、接近及手势检测装置。例如，触摸、电容式触摸、
Figure GDA0003245667050000012
2D及
Figure GDA0003245667050000011
3D技术可自本申请案的受让人获得。这些基于电容性分压(CVD)或充电时间测量技术来运作。RC振荡器的开发也已具有一段历史。
发明内容
本发明的实施例包含一种接收器级，其包括接收器电极及回路滤波器。所述回路滤波器可经配置以在激活电振荡后发出电容测量。与以上实施例中的任一者组合，所述电容测量包含相对于待用发射器电极及激活接收器电极的电容。与以上实施例中的任一者组合，所述回路滤波器经进一步配置以通过所述电振荡激活所述接收器级。与以上实施例中的任一者组合，所述回路滤波器经进一步配置以在电容测量达到阈值时通过所述电振荡激活接收器级。与以上实施例中的任一者组合，所述回路滤波器经进一步配置以在电容测量达到阈值时激活待用接收器电路。与以上实施例中的任一者组合，所述回路滤波器经进一步配置以在电容测量下降到所述阈值时激活接收器级，从而指示物体的接近或触摸。与以上实施例中的任一者组合，所述回路滤波器经进一步配置以在电容测量上升到所述阈值时激活接收器级，从而指示物体的接近或触摸。与以上实施例中的任一者组合，所述回路滤波器经进一步配置以在连接所述接收器级的反馈控制回路的回路增益大约为一时激活所述接收器级。与以上实施例中的任一者组合，所述回路滤波器经进一步配置以在连接所述接收器级的反馈控制回路的增益小于一时延迟电容测量的发出。
本发明的实施例可包含传感器系统，其包含上述接收器级中的任一者。
本发明的实施例可包含一种传感器系统，其包括：接收器电路，其包含接收器电极；发射器电路，其包含发射器电极；及控制电路，其包含回路滤波器。所述传感器系统可与接收器电路的以上实施例中的任一者组合实施。与以上实施例中的任一者组合，所述接收器电路经配置以在电容测量达到阈值时振荡。与以上实施例中的任一者组合，所述电容测量包含所述接收器电极与发射器电极之间的电容。与以上实施例中的任一者组合，在解除激活所述发射器电极时执行所述电容测量。与以上实施例中的任一者组合，所述控制电路经配置以在所述接收器电路振荡时激活所述发射器电路。与以上实施例中的任一者组合，在所述发射器电极不振荡时解除激活所述发射器电极。与以上实施例中的任一者组合，所述控制电路经配置以通过振荡几乎同时激活所述发射器。与以上实施例中的任一者组合，所述控制电路经进一步配置以在所述电容测量降低到所述阈值时激活所述发射器电路，从而指示相对于所述接收器电极的物体的接近或触摸。与以上实施例中的任一者组合，所述控制电路经进一步配置以在所述电容测量上升到所述阈值时激活所述发射器电路，从而指示相对于所述接收器电极的物体的接近或触摸。与以上实施例中的任一者组合，所述控制电路经进一步配置以在连接所述接收器电路的反馈回路的一回路增益大约为一时激活所述发射器电路。与以上实施例中的任一者组合，所述控制电路经进一步配置以在连接所述接收器电路的反馈回路的回路增益小于一时延迟所述发射器电路的激活。与以上实施例中的任一者组合，所述反馈回路可包含在有源操作期间几乎同时振荡的所述接收器电路及发射器电路。
本发明的实施例包含一种系统，其包括用于空间检测观察区域中的物体的电极装置。所述电极装置可包括紧密接近于第一接收电极的发射电极及与所述发射电极间隔开的至少另一接收电极。与以上实施例中的任一者组合，所述系统可包含接收器电路，其经配置以检测所述第一接收电极的触摸或紧密接近且因此激活回路滤波器。与以上实施例中的任一者组合，所述回路滤波器经配置以激活反馈回路中的发射电极及至少另一接收电极。与以上实施例中的任一者组合，所述回路滤波器包括：至少一个可控制阻抗，其经配置以耦合在所述至少另一接收电极与所述发射电极之间；传感器电路，其与所述至少另一接收电极及所述发射电极耦合，其中传感器核心经配置以从所述至少另一接收电极接收信号且自馈送到所述发射电极的所述经接收信号产生驱动信号；信号处理器，其与所述至少另一接收电极及所述发射电极耦合；及起动及时序电路，其经配置以将所述可控制阻抗改变到指定状态以满足持续自激振荡。与以上实施例中的任一者组合，所述系统包含多个进一步接收电极及经配置以将所述多个进一步接收电极中的一者与所述可控阻抗耦合来闭合所述反馈回路的多路复用器。与以上实施例中的任一者组合，所述系统包含多个进一步接收电极，其中来自所述多个进一步接收电极的信号分别经馈送通过转移函数电路Hn且经相加，其中将相加信号作为驱动信号馈送到所述发射电极。与以上实施例中的任一者组合，所述系统经配置以在三个操作模式中的一者中操作，其中第一操作模式提供自持振荡，第二操作模式为振荡经驱动为饱和的饱和模式，且第三操作模式为衰减突发模式，其中通过将来自起动及时序电路的脉冲馈送给所述反馈回路，产生衰减正弦波的瞬时突发。与以上实施例中的任一者组合，在所有三个操作模式中，所述系统经配置以执行相对振幅及相位测量以确定关于感测空间中的阻抗变化的多维信息。
与以上实施例中的任一者组合，可通过使电路组件振荡来执行元件的激活。与以上实施例中的任一者组合，可与在反馈回路中连接的其它元件并行执行元件的激活。与以上实施例中的任一者组合，可解除激活元件，其中虽然仍对所述元件供电，但其并不振荡。
本发明的实施例包含一种接近激活手势电路。所述电路可包含第一激活接收器电极、第一发射器电极、多个第二接收器电极、控制电路及信号处理器电路。与以上实施例中的任一者组合，所述控制电路可经配置以在由所述第一激活接收器电极进行的电容测量达到阈值时激活所述第一发射器电极及所述多个第二接收器电极。与以上实施例中的任一者组合，所述信号处理器电路可经配置以将来自所述第二接收器电极的测量解译为手势。与以上实施例中的任一者组合，所述电容测量包含当所述第一发射器电极处于待用中时所述第一激活接收器电极与所述第一发射器电极之间的电容。与以上实施例中的任一者组合，所述手势电路进一步包含第二激活接收器电极。与以上实施例中的任一者组合，所述控制电路经进一步配置以在由所述第一激活接收器电极进行的所述电容测量达到阈值时或在由所述第二激活接收器电极进行的电容测量达到另一阈值时激活所述第一发射器电极及所述多个第二接收器电极。与以上实施例中的任一者组合，所述手势电路包含第二激活接收器电极。与以上实施例中的任一者组合，所述控制电路经进一步配置以在由所述第一激活接收器电极进行的所述电容测量达到阈值且由所述第二激活接收器电极进行的电容测量达到另一阈值时激活所述第一发射器电极及所述多个第二接收器电极。与以上实施例中的任一者组合，所述第一激活接收器经放置于用于检测的空间的一个边缘处，且所述第二激活接收器经放置于用于检测的所述空间的相反边缘处。与以上实施例中的任一者组合，所述第一激活接收器及所述第二激活接收器经放置于表示虚拟键盘的空格键的空间的边缘处。与以上实施例中的任一者组合，所述多个第二接收器电极经配置以检测虚拟键盘中的手势。与以上实施例中的任一者组合，所述多个第二接收器电极以线性方式布置以捕获多维移动。与以上实施例中的任一者组合，所述多个第二接收器电极以线性方式布置以捕获相邻于所述电路的多维移动。与以上实施例中的任一者组合，所述信号处理器电路经配置以从来自所述多个第二接收器电极的振幅或相位数据及来自所述第一激活接收器电极的频率数据解译所述手势。与以上实施例中的任一者组合，所述第一激活接收器电极相邻于所述第一发射器电极。与以上实施例中的任一者组合，所述多个第二接收器电极经布置以定义待监测的空间。
本发明的实施例包含一种与以上实施例中的任一者组合形成的设备。
本发明的实施例包含一种用于执行或操作上文描述的实施例中的任一者的方法。
本发明的实施例可包含一种自起动发射器检测器组合件，其可激活发射器信号且将所述信号强耦合到附近主体、尖笔、手指、手或其它物体。接着，此物体可将所述信号传递到其它接收器。因此，所述物体的相对位置及位置变化可经测量且转译为有用的手势。这可使用与这些接收器组合的相同或不同发射器来完成。结果可为用于电子装置(例如移动电话、触摸屏、计算机、平板计算机及其它装置)中的电容式、接近、触摸或其它传感器。
附图说明
图1说明根据本发明的实施例的用于检测电容变化的简化模型的实例；
图2是根据本发明的实施例的接收器输入级的说明；
图3是根据本发明的实施例的电容式传感器电路的说明；
图4是根据本发明的实施例的另一电容式传感器电路的说明；
图5是根据本发明的实施例的又一电容式传感器电路的说明；
图6及7说明根据本发明的实施例的并入感测阻抗变化的传感器电路的实例系统；
图8说明根据本发明的实施例的发射器电极及接收器电极的装置及配置；
图9说明根据本发明的实施例的发射器电极及接收器电极的另一装置及配置；
图10说明根据本发明的实施例的发射器及接收器的又一装置及配置；
图11说明根据本发明的实施例的紧密耦合到发射器电极的接收器电极的装置；
图12说明根据本发明的实施例的阻抗网络；
图13说明根据本发明的实施例的简化阻抗网络模型；
图14说明根据本发明的实施例的虚拟键盘电极装置；及
图15说明根据本发明的实施例的用于感测电容变化的方法的流程图。
具体实施方式
本发明的实施例可包含自起动发射器检测器组合件，其可激活发射器信号且将所述信号强耦合到附近主体、尖笔、手指、手或其它物体。接着，此物体可将所述信号传递至其它接收器。因此，所述物体的相对位置及位置变化可经测量且转译为有用的手势。此可组合此等接收器使用相同或不同发射器来完成。结果可为用于电子装置(例如移动电话、触摸屏、计算机、平板计算机及其它装置)中的电容式、接近、触摸或其它传感器。
已投入使用的传感器的设计需求提出各种挑战。一些装置可在接收器终端的输入处需要10MOhm的偏置电阻且在信号滤波器中需要大于10MOhm的偏置电阻。此可使用过多裸片面积来制造半导体装置，这导致制造成本增加。经接收信号相对于接地可具有对衬垫电容的高相依性。对此电容的非线性的敏感性导致性能限制。
一些感测方法需要(例如)五个RX通道及具有几乎等于总应用PCB的面积的面积的TX电极。此类解决方案可使用12位模/数转换(ADC)分辨率及每个测量超过1000个样本。然而，为实现类似于旧型感测方法的性能，根据本发明的各种实施例可使用少至3个RX通道以及更小TX电极。
根据本发明的各种实施例，使用较低分辨率电子仪器允许实现非常高的分辨率感测。此可基于其中机械及电容系统改变比取样频率(其必须比载波频率的一半(即，模拟振荡器频率)慢)慢的条件。例如，在模拟振荡器的约六十个循环之后，物理电容的变化的1/4000可呈现为测量电路中的40mV变化。此转译为2V测量范围的约1/50变化，此转译为大致6位ADC分辨率。
众所周知，根据满足巴克豪森(Barkhausen)准则的原则设计的模拟振荡器难以模拟且具有极少被考虑到的许多寄生敏感度问题及行为假象。在本发明中，各种实施例利用电路的一些行为习性，例如过驱动/饱和模式及衰减瞬时突发模式。依据设计，各种实施例的性能在很大程度上不受这些电路习性中的一些影响。
根据各种实施例，模拟电路可扩展到具有加权通道总和的多个通道(各自具有特定设计的开放回路转移函数)，且关于自触发振荡点的闭合回路操作形成具有若干操作模式的电容式传感器。
图1说明根据本发明的实施例的用于检测电容变化或其它信号的电路100的简化模型的实例。电路100中的电容及电阻元件可说明与接收器及发射器电极相关联的等效阻抗。用于检测电容变化或其它信号的系统可包含多个接收器通道。此外，此系统可包含多个发射器通道。
电路100可表示用于计算发射器电路、天线或电极104与接收器电路、天线或电极112之间的电容的CVD电路。电容可由C 106表示。电容可与物体到装置(电路100驻留于其中)中的电极的距离相关。电路100可在用于检测触摸或接近的任何适当装置(例如触摸屏、计算机或移动装置)中实施。源102可发出发射信号到发射器电路104。发射信号可为正弦信号。发射信号可经发送到环境，因此，物体(例如手、尖笔或手指)可与发射信号交互。来自环境的所得信号又可由接收器电路112接收且加以测量。可计算Rx/Tx的增益。所得信号及增益可经分析以确定C 106。一旦确定C 106，便可进一步计算触摸或接近值。电路100可包含电阻器R 110及固有电容(C0)108。C0 108可归因于特定裸片或装置特性。C0 108可为恒定的。
在图1中，源102可为独立源，其中其电压信号可能需要已知且与发生在电路100中的别处的操作分离。然而，在一些实施例中，电路100可包含源。此源可经历针对电路100的其它部分存在的寄生电容。与独立源相反，此源可构建于与电路100相同的裸片或封装上。
电路100的增益可如下给定：
Figure GDA0003245667050000061
Figure GDA0003245667050000062
Figure GDA0003245667050000063
使用此，源102的输出信号可用于驱动发射器电路104，可接收且测量由接收器电路112接收的信号，且在假定R 110及C0 108的值恒定的情况下计算C 106的值。
然而，R 110的值可超额且引起问题。如果R 110远大于“1/s(C+C0)”，那么可存在此超额条件。可能未知C0 108的值。如果C0 108的值实际上远大于C 106的值，那么电路100可能经历低电压增益及低电流增益，且因此难以检测由接收器电路112接收的信号。如果C0108的值实际上远小于C 106的值，那么可存在低敏感度。因此，可选择低于“1/s(C+C0)”的R110的值。
在一个实施例中，源102可作为独立源进行移除，且代替地集成为电路100的其余部分或其它元件内的源。
图1说明针对其中阻抗主要为电容性的情况的接收器通道模型。电路104与112之间的等效电容C 106可随着外部手、手指、尖笔或其它物体的运动而改变。如上文所讨论，半导体集成电路中的C0 108可由裸片或集成电路衬垫的元件的非线性电容主导。R 110的值可依据设计选择。当R 110的值非常小时，接收器电路112级转移函数有效地独立于C0 108。虽然电压增益确实也减小，但此未必是问题，因为在原则上，如果通过R 110的电流代替跨其的电压用作测量输入，那么可使R 110约为零或确切为零。
如果接收器电路112的输入阻抗较低但非零，那么可使用电压输入且可部分消除C0 108的效应。如果接收器电路112的输入阻抗为零，那么可使用电流输入且可消除C0 108的效应。如果接收器电路112的输入在MOSFET(例如在比较器或其它基于晶体管的操作器中)的输入栅极之前通过电阻器连结，那么可需要较小静电放电保护。此外，带通滤波器可恰好施加于输入处。否则，如果接收器电路112的输入直接连结到MOSFET的输入栅，那么带通滤波器不可能恰在输入处，但可能需要较小组件计数。在一个实施例中，当发射器与接收器之间的电容增加(其中此增加指示物体的靠近)时，可以饱和模式执行使用电路100的系统的操作。在另一个实施例中，当使用突发模式时，发射器与接收器之间的电容可减小(其中此减小指示物体的靠近)。
图2是根据本发明的实施例的接收器输入级的说明，接收器输入级包括经由电容206与接收器电路212电容耦合的发射器电极204。为处理来自接收器电路的测量，级200可添加对电路100的增强。例如，可将接收器电路212的输出施加到运算放大器(op-amp)214。可将运算放大器214的输出连接到电阻分压器，所述电阻分压器包含电阻器216、218且反馈到运算放大器214。级200的增益可如下给定：
Figure GDA0003245667050000071
图3是根据本发明的实施例的电容式传感器电路的说明。图3可说明包括图2的接收器输入级200的电容式传感器电路。此外，电容式传感器电路可包含反馈控制回路滤波器、发射器输出级及发射器接收器电极阵列，其全部连接在反馈控制回路中。例如，一系列电容器322、324可添加到运算放大器314的输出而通过电阻器330分压。可将电容器324的输出施加到具有反馈电阻器328的另一运算放大器326，将运算放大器326的输出路由到发射器304及另一电容器320。元件C1、R1及C2形成回路滤波器的部分。将C2中的正弦或AC电流馈送到由运算放大器及Rf1形成的发射器输出级。发射器输出级中的运算放大器驱动发射器电极且也可路由到具有已知或可控制值的另一电容器CP 320。此后电容器CP并联连接到发射器与接收器电极之间待测量的未知电容。
此外，级300的部分可经多次复制以实施多个接收器通道。例如，元件306、312、320、314、322、324、308、310、316、318及330可包含于经复制的接收器级中，这是因为需要许多接收器通道。
当物体更靠近电极时，级300的拓扑提供电压输入、在输入处无带通滤波器及低IDD/精确度(衰减突发)操作模式。
电容器Cp 320的值可为已知的且可为控制值来抵消Cx 306的效应。可选择电容器Cp 320的值以将级300的操作拉回到可接受操作范围中。将由接收器电路312测量的总电容C可包含Cp 320及Cx 306两者的总电容。因此，级300的增益可如下给定：
Figure GDA0003245667050000081
Figure GDA0003245667050000082
Figure GDA0003245667050000083
在振荡阈值处的增益的角度(假定为零)可如下给定：
∠T＝90°-tan-1ωR2(C1+C2)-tan-1ωR(C+C0)＝0°
因此，方程式可重写为：
Figure GDA0003245667050000084
其中ω是级的振荡频率。换句话说，方程式可表达为：
Figure GDA0003245667050000085
根据方程式1，当级处在作用中时，其按频率ω振荡。其根据C的值变化，而非直接根据输入源变化。因此，源不再需要作为独立源(如在图1中展示为源102)，而代替地可并入还容置接收器级的裸片内。源可受作用于接收器级上的相同寄生力影响，但可计算增益的测量。
则增益的绝对值可表达为：
Figure GDA0003245667050000091
方程式2定义是否将存在振荡。阈值为当增益等于1时。可能已知除C的值(其由接收器电路测量)外的所有其它参数。针对C的特定值，增益为一。针对C的较高值，方程式2的表达的值大于1，其中存在振荡。当方程式2的表达的值小于1时，不存在振荡。
因此，使用方程式1及2，级的振荡频率可表达为：
Figure GDA0003245667050000092
应用方程式1及3给定以下关系：
Figure GDA0003245667050000093
方程式3及4可用于表达关系来帮助接收器级的设计者挑选电阻器及电容器的值以产生针对接收器级将振荡且测量的C的阈值。
因此，针对图3的电路，当经测量C低于特定值时，电路振荡，其中发射器级部分驱动振荡且接收器级部分协作地接收振荡。当C高于特定值时，振荡消失且可呈现为衰减突发。因此，振荡可取决于C。因此，在一个实施例中，不需要特定轮询接收器电路及级且不需要在外部驱动发射器级，相反，在C的值达到振荡阈值时激活所述级。
针对C的特定值，T的绝对值为1。如果C增大，那么T的绝对值小于1，其中不存在振荡。
然而，方程式1说明C0 308仍为考虑的因子。然而，方程式展示，如果C大于C0 308，那么可最小化C0 308效应。事实上，使C比C0 308大一倍或两倍可显著降低C0 308的影响及在级300的不同例子之间C0 308的变动的影响。鉴于C为Cx 306(发射器与接收器之间的实际电容)及Cp 320的总和，一旦指定Cx 306的范围，便可选择Cp 320的值。选择Cp 320的过大值表示Cx 306(其需要精确测量)可变成小于Cp 320。然而，此方法的一个优势可包含：即使Cp 320远大于Cx 306，但关于自持振荡平衡状态的电路的敏感度大体上不变。此外，虽然设置Cp 320的较大值可降低振幅测量的敏感度，但各种通道上方的Cp 320的分布可经加权以保持良好振幅测量敏感度。此外，代替性地可强调进行相位测量。注意，ω立方项方程式2具有最高幂且因此在实际意义上主导。根据方程式1，当C增大(通常为物体靠近接收器电极阵列的结果)时，操作频率以及T倾向于减小。因此，当物体穿越指定边界且移动到更接近电极组合件时进入衰减突发模式，此为本发明及拓扑的特征。针对给定物体及位置已知Cx306的值允许设计者设置Cp 320以便设置各种操作模式的物理边界。级300的设计的许多自由度允许调整/选择典型操作频率以及针对大小进行优化。
图4是根据本发明的实施例的又一电容式传感器电路的说明。可将级400视为级300的变动，其中使用接收器输入级来取代发射器输出级，且反之亦然。具有路由到电阻式分压器Rf及RA且反馈到负输入的输出的运算放大器444可形成发射器输出级，而具有反馈电阻器R 432的运算放大器414可形成接收器输入级。运算放大器444的输出可路由到发射器。为处理来自接收器电路的测量，级400可对图1到3添加增强。例如，一系列电容器422、424可经添加到运算放大器414的输出而通过电阻器430及任选增益运算放大器436分压。反馈电阻器432可连接到返回到负输入的运算放大器414的输出。可将电容器424的输出并行施加到另一运算放大器444及电阻器438。可将运算放大器444的输出路由到由反馈到负输入的电阻器440、442组成的电阻分压器网络。可将运算放大器444的输出路由回到发射器404。
此外，级400的部分可经多次复制以实施多个接收器通道。例如，元件406、412、420、414、432、422、436、424、430及408可包含于经复制的接收器级中，这是因为需要许多接收器通道。
图4的拓扑提供电流输入及独立于C0 408的值的操作。此外，存在更少或更小的组件，且当物体靠近接收器时存在精确衰减突发模式。
图4的拓扑的回路增益可如下般给定：
Figure GDA0003245667050000101
频率可建立为：
Figure GDA0003245667050000102
因此，在平衡模式中，频率独立于C。然而，在饱和模式中，其不独立于C。
增益可重写为：
Figure GDA0003245667050000111
当C高于指定设计值时，图4中的设计可具有处于作用中或振荡的效应。
图5是根据本发明的实施例的又一电容式传感器电路的说明。电路500可为上文实施方案的变动。具体来说，级400可将输入电阻器546添加到运算放大器514和电容器Cp 520之间且将回送电容器548(其与电阻器532并联)从运算放大器514的输出添加到其负输入。此拓扑可提供带通滤波器，但不完全消除C0 508的效应。在此拓扑中，系统频率应仅低于带通滤波器的高通角频率以用于最小化组件计数。
针对图3到5中的拓扑中的每一者，如果被视为有利于额外组件计数的成本，那么可添加带通滤波器、缓冲器及反相放大器对。取决于目标/特征集合，通道可由相同或不同拓扑版本构建。即，可从图3到5的拓扑中的不同拓扑个别地选择一个系统中的多个接收器通道。
图6说明根据本发明的实施例的并入感测阻抗变化的接收器电路的实例系统。系统600可包含一或多个接收器级602、604、606。接收器级602、604、606中的每一者可通过图1到5中所说明的实施方案中的一或多者实施。此外，个别接收器级602、604、606可使用系统600的相同例子通过图1到5中所说明的级的不同者实施。系统600可在用于确定接近或触摸检测或其它电容感测的计算机、移动装置、平板计算机或其它装置内实施。鉴于从接收器电路612及接收器级602、604、606接收的输入信号，系统600可确定物体是否靠近或已触摸传感器。此确定可作为测量及决策数据输出发出。
系统600可包含传感器核心，其包含发射器电路614、接收器612、接收器级602、604、606、加法器608及由来自接收器级602、604、606的信号的总和、加法或其它组合产生的所得输入信号610。当测量电容C(包含到接收器级的内部电容及相应接收器612与发射器614之间的电容)高于或低于(取决于接收器级的实施方案)指定值时，接收器级602、604、606中的每一者可激活或振荡。指定值可根据应用需要加以设置，例如对应于特定物体(戴手套或未戴手套的手)、受保护或不受保护的触摸表面、距离或其它适当准则的值。
系统600可包含信号参数测量及处理核心，其包含包封检测器622、信号处理器620、振幅检测器611、频率检测器616及相位检测器618。包封检测器622、振幅检测器611、频率检测器616及相位检测器618中的每一者可在适当电路中实施且提供从接收器级602、604、606接收的信号的测量以满足如在图1到5中演示的计算。可通过信号处理器620(其可在数字及模拟电路的任何适当组合中实施以执行运算)执行计算。
系统600可包含起动及时序控制硬件及算法(标注为起动624)。
接收器级602、604、606可根据图2到5中所展示的实施方案执行转移函数。每一者的输出可经加总且塑造成低阻抗发射器驱动器信号，所述信号又跨感测空间反馈到接收器。针对给定发射器接收器电极配置，阻抗元件Zpn(通常为当前预期应用中的跨Tx到Rxn的电容器)由起动624设置或改变，使得针对感测空间的指定中间或边界状态，反馈回路的总反馈回路增益满足自持振荡的巴克豪斯准则。在上文中更详细讨论自持振荡。在标称操作频率下，回路增益的相位可为零度且回路增益的量值可为一。在此标称操作频率中，回路增益(T)等于Ho乘以Hn及RXn/TX的乘积的总和，其中n为通道数目。在图6中，展示三个通道作为一个实例，但可使用更多或更少通道。
可相对于此边界状态定义系统600的传感器操作(其中在标称操作频率下，回路增益的相位可为零度且回路增益的量值可为一)。首先，在自持模式中，边界状态可经设计为感测空间的静止状态或零状态。经由共模负反馈回路，响应于感测空间中的阻抗变化调变回路增益以便维持自持振荡。如此需要的调变经测量且用作自静止状态的偏离或变化的测量。
第二，在饱和模式中，静止状态从边界状态偏移使得零相位频率(设计为操作频率)下的回路增益大于1。发射振荡仍被维持但经驱动到饱和及失真。然而，其频率仍随着感测空间中的阻抗变动而改变且可用于检测及测量此类变动。
第三，在衰减突发模式中，静止状态从边界状态偏移使得零相位频率(也为操作频率)下的回路增益小于1。通过使用来自起动块的脉冲联机测试振荡器Tx到Rx回路，产生衰减正弦波的瞬时突发。每一瞬时突发的衰减速率及频率取决于感测空间中的阻抗且因此，可测量这些参数以跟踪感测空间中的阻抗变化。
在刚描述的所有三个模式中，相对振幅及相位测量可用于搜集关于感测空间中的阻抗包含的多维信息且因此可用于在二维及三维空间中绘出、三角测量或检测。
可根据系统将应用于的应用程序(特定来说，根据系统说明书及特征集合)来定制起动624及信号处理器620的设计。然而，各种实施例可遵循若干设计考虑。如果负反馈回路用于维持自持振荡，那么应注意在所有情况中，在所有回路中维持足够增益裕度及相位裕度。相同的建议可适用于主传感器核心回路。另外，为避免高频噪声问题，可使用滤波器来最小化带宽而不负面影响系统性能。此外，取决于最有用的测量参数，可完全移除一些测量块。此外，可使用用于时序控制的频率信号但在一些情况中可为不必要的。另外，可通过变容器型电压控制或通过二进制存储体选择或数字控制来完成Zp控制。此外，许多不同但相互关联的测量参数的自然存在可使神经网络控制及信号处理具有吸引力。另外，馈送到处理块的接收器信号可能无需直接来自衬垫。其可更自然地在Hn的第一级之后来到。类似地，接收器缓冲器及滤波器可能无需与传感器核心分离但可为Hn块的部分。
归因于各种实施例固有的正或再生反馈，更大敏感度可为可能的。如果需要，可容易地将滞后添加到设计中以防止在模式之间快速来回切换。如果需要，可使用开关及模拟多路复用器以添加更多通道或电极，如图7中所展示。
使用图1到7的元件，新感测方法允许自触发发射器信号及对接收器通道的振幅、相位及频率测量的选择。因此，可经定制及加权以最大化对特定电极的测量的特定选择的有用性的新的发射器接收器配置是可能的。在一个实施例中，使用图1到7的元件，传感器或测量系统的部分无需发出任何振荡信号直到物体靠近。代替地，可测量发射器与接收器之间的环境电容。图1到7的接收器可不振荡，直到接收器与发射器之间的电容(包含特有电容)达到低或高电容阈值。接着，可激活发射器以便进行已靠近的物体的更精确检测。
其它系统可能需要来自发射器的正弦或其它输出信号的持续发出。此外，其它系统可能需要通过接收器持续检查值，其中轮询为持续或周期性的。相比之下，本发明的实施例无需从发射器发出输出信号来确定物体已靠近。在一个实施例中，当未靠近或触摸接收器时，不发出接收器或发射器信号。代替地，接收器仅在充分影响发射器与接收器之间的电容的物体靠近后激活或振荡。随后，发射器可使用正弦信号激活且接收器可经激活以接收此信号的偏转或失真版本(如受靠近物体影响)且计算电容、接近或触摸。
发射器及接收器电极及电路以及阵列可遵循已广泛使用的配置。图8说明发射器及接收器的布置及配置。如图8中所展示，发射器电极可相对于围绕其的接收器电极而居中。
图9说明发射器及接收器的另一布置及配置。如图9中所展示，发射器电极可从中心偏移以允许为其它电极及系统组件(例如显示屏)留出空间。
图10说明发射器及接收器的又一布置及配置。在图10中，发射器电极、接收器电极或两种类型的电极的任何组合可通过多个电极分离或共享或可在多个电极或电极组合内选择性地切换。
图11说明根据本发明的实施例的紧密耦合到发射器电极的接收器电极的布置。具体来说，接收器电极1102可紧密耦合到发射器电极1104。接收器电极1102可经加权(相对于其输入信号)以便作为设置发射器电极1104的频率的主导电极。可将发射器电极的频率建立为系统频率。
在一个实施例中，相对于其它接收器电极1106、1108，接收器电极1102周围的感测空间中的扰动又可主导频率测量中的变动。因此，相较于其它接收器电极，频率测量将最有助于与接收器电极1102相关联的通道及级。同时，更远离发射器电极1104的其它接收器电极1106、1108可经加权使得其经接收信号振幅将系最有用的测量，这是因为其将是对与所述RX电极相关联的感测空间中的变化最敏感的测量。如果所述相同接收器电极1106、1108远离发射器电极1104使得经接收信号振幅相对较小，那么通过零交叉相位检测器测量的相对相位变化将更可靠。电极的所要加权可通过阻抗Zpn的设计或通过转移函数块Hn(具有相关联等效阻抗Zin)的设计来完成。
虽然通过感测空间中的发射器接收器数组形成的阻抗网络可相当复杂，但可通过仅考虑每一发射器与接收器电极对之间的等效阻抗理解电路操作。图12说明根据本发明的实施例的阻抗网络。图12说明具有一个发射器、两个接收器及一个外部物体(OB)的情况。图12中的每一元件可包含相对于其它元件及接地的阻抗。图13说明根据本发明的实施例的简化阻抗网络模型。图12的网络可经缩减为图13的网络，其中Zpn(来自图12)包含于ZnTeq(来自图13)中且依据设计促成ZnTeq。在一个实施例中，将最小化元件Zn0的效应(接地阻抗)。此外，鉴于与Zn0串联的噪声源，此感测方法可比当前可用的其它方法更容易且自然地剔除接收器电极与接地之间的阻抗。然而，当ZoO相较于网络中的其它阻抗非常低时，消除ZoO的效应(外部物体与接地之间的阻抗)可具有挑战性。
在当前预期应用中，物体可为人手、尖笔、手指、或围绕电极组合件在空中打手势的其它物体，且主导阻抗可为电容。接着，各种实施例的目的将是检测手的相对位置及运动。
返回到图11，物件的靠近(例如拇指靠近、交叉盘旋或触摸)可引起足以触发接收器电极1102的振荡的电容变化。在此触发后，可通过紧密耦合的发射器电极1104进行正弦或其它信号的发射。发射器电极1104(现经激活)也可相对接近于激活接收器电极1102的物体。如果主体具有足够导电性(如人体)，那么来自发射器电极1104的信号行进穿过手掌及其它手指(或物体的其它电连接部分)且耦合到其它接收器电极1106、1108或原始接收器电极1102。取决于物体的最近延伸部(例如手指)的相对位置，信号可传播到不同角度。通过测量相对振幅(且也可能是经接收信号的相位以及发射器系统操作频率自身的频率的改变)，可获得足够信息来检测相对位置及手势。
接着，此设备可用于在触摸板、PC鼠标、脉冲率监测器及甚至虚拟键入键盘的范围中的应用中。此设备可包含于移动智能电话、平板计算机或类似装置上，其中电极组合件安装于装置的外环或边缘上。例如，此可导致音量控制的更简单且更用户友好的实施方案。在此实施方案中，来自接收器电极1106、1108的相对测量可经获得且分析以确定物体是否正上下打手势。
使用类似技术，系统可应用于二维或三维应用，例如鼠标移动或虚拟键盘。例如，图14说明根据本发明的实施例的虚拟键盘电极配置。可包含两个紧密耦合的发射器接收器对。这些可为在空间的左手侧上的接收器电极1402及发射器电极1404，及在空间的右手侧上的接收器电极1408及发射器电极1406。其它接收器电极1410、1412、1414、1416可定义将对虚拟键盘的操作识别且跟踪手势的空间。通过在左下角及右下角处提供激活位置，当拇指悬停在两个激活位置上方就像拇指将悬停在真实键盘空格键上方时，所得虚拟键盘可自动激活。接收器电极1402、1408可不振荡直到接收器电极1402、1408中的一者或两者确定电容的充分改变。此外，发射器电极1404、1406可不振荡。另外，接收器电极1410、1412、1414、1416可不在作用中。一旦接收器电极1402、1408中的一者或两者检测到电容的充分变化，发射器电极1404、1406便可发出正弦或其它信号，且这些的变形或改变版本可通过现激活的接收器电极1410、1412、1414、1416检测。振幅、相位及频率测量可自这些接收器电极收集且经解译为呈键击的形式的手势。“较短距离”键击手势(相对于电极)可更容易通过观看接收器处的信号振幅而拾取。“远距离“可引起发射器信号的更多频移，同时还引起接收器信号振幅的明显下降，这两者都可用作解码过程中的告示(tells)。
感测系统可包含于移动智能电话、平板计算机或类似装置上，其中电极组合件安装在装置的外环或边缘上。装置上的显示器可说明将在其上方执行例如音量手势的控制的屏幕的部分。此外，二维鼠标手势可移动到屏幕的侧边。另外，上述虚拟键盘可经跟踪到平铺在表面上的此装置的底部。
图15说明根据本发明的实施例的用于感测电容变化的方法的流程图。
方法1500可通过任何适当机制(例如图1到14的元件)实施。方法1500可视情况重复或终止于任何适当点。再者，虽然说明特定数目个步骤来实施方法1500，但方法1500的步骤可视情况重复、并行或彼此递归地执行、省略或视需要以其它方式修改。例如，1520及1525可同时发生。方法1500可在任何适当点(例如在1505)起始。
在1505中，可解除激活发射器。此外，可解除激活非激活接收器。在1510中，激活接收器可不振荡或激活以传播输出信号。
在1515中，可确定电容是否已达到阈值。阈值可在降低后达到下阈值或在上升后达到上阈值。电容变化可归因于靠近激活接收器电极的物体。可通过经配置以仅在已达到特定电容阈值之后激活或振荡的接收器级进行电容确定。电容可包含激活接收器与发射器之间的电容。电容也可包含激活接收器内部的电容。在一个实施例中，电容测量可由阻抗测量取代。
如果已达到电容阈值，那么方法1500可进行到1520。否则，1515可重复。在1520中，激活接收器可振荡。
在1525中，可激活发射器。可激活其它接收器。可将广播信号提供到发射器。
在1530中，可测量增益。增益可为相对于源自与主体交互的广播信号的经接收、失真信号的系统及接收器级的增益。此外，可测量经接收信号的频率、振幅及相位信息。
在1535中，可将所收集资料解译为手势。
在1540中，可确定将解译为手势的主体的效应的测量是否将继续。如果是，那么方法1500可在1530中重复。否则，方法1500可进行到1545。
在1545中，可确定方法1500是否将重复。如果是，那么方法1500可在(例如)1510中重复。否则，方法1500可终止。
虽然已在上文展示实例实施例，但根据一般技术人员的知识及能力，可在不背离本发明的精神及范围的情况下对这些实施例做出改变、添加、删减或其它排列。

Claims (24)

1.一种接近激活手势电路，其包括：
反馈电路，其由以下部分组成：
第一激活接收器电极，其与相关联接收器级耦合；
第一发射器电极；
多个第二接收器电极以及相关联接收器级；
其中所述反馈电路经配置以当所述第一发射器电极与所述第一激活接收器电极之间的第一电容达到阈值时振荡，从而激活所述手势电路；
总和节点，其经配置以接收来自所述接收器级的输出信号、并对所述输出信号进行求和以及将总和信号馈送到所述第一发射器电极；及
信号处理器电路，其经配置以接收来自所述第二接收器电极的信号以确定手势。
2.根据权利要求1所述的接近激活手势电路，进一步包括所述第一激活接收器电极与第一发射器电极之间的第二电容。
3.根据权利要求2所述的接近激活手势电路，其中所述第二电容是可变的且由控制电路所控制。
4.根据权利要求1所述的接近激活手势电路，进一步包括包封检测器，其与所述第一激活接收器电极、所述多个第二接收器电极以及所述信号处理器电路耦合。
5.根据权利要求1所述的接近激活手势电路，其进一步包括第二激活接收器电极，其中所述反馈电路经进一步配置以当所述第一电容达到阈值或当所述第一发射器电极和所述第二激活接收器电极之间的第三电容达到另一阈值时振荡。
6.根据权利要求1所述的接近激活手势电路，其进一步包括第二激活接收器电极，其中所述反馈电路经进一步配置以在下列两者时振荡：
所述第一电容达到阈值；及
所述第一发射器电极和所述第二激活接收器之间的第三电容达到另一阈值。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的接近激活手势电路，其中所述第一激活接收器电极放置于用于检测的空间的一个边缘处，且所述第二激活接收器电极放置于用于检测的所述空间的相反边缘处。
8.根据权利要求5或权利要求6所述的接近激活手势电路，其中所述第一激活接收器电极及所述第二激活接收器电极放置于表示虚拟键盘的空格键的空间的边缘处。
9.根据权利要求1所述的接近激活手势电路，其中所述多个第二接收器电极经布置以检测虚拟键盘中的手势。
10.根据权利要求1所述的接近激活手势电路，其中所述多个第二接收器电极以线性方式布置以捕获多维移动。
11.根据权利要求1所述的接近激活手势电路，其中所述多个第二接收器电极以线性方式布置以捕获相邻于所述接近激活手势电路的多维移动。
12.根据权利要求1所述的接近激活手势电路，其中所述信号处理器电路经配置以从来自所述多个第二接收器电极的振幅或相位数据及来自所述第一激活接收器电极的频率数据解译所述手势，其中：
所述第一激活接收器电极相邻于所述第一发射器电极；且
所述多个第二接收器电极经布置以定义待监测的空间。
13.一种用于接近激活手势检测的方法，其包括以下步骤：
提供其由以下部分组成的反馈电路：
第一激活接收器电极，其与相关联接收器级耦合；
第一发射器电极；
多个第二接收器电极以及相关联接收器级；配置所述反馈电路以当所述第一发射器电极与所述第一激活接收器电极之间的第一电容达到阈值时振荡，从而激活手势电路；
从所述接收器级接收输出信号、并对所述输出信号求和以及将总和信号馈送到所述第一发射器电极；以及
当所述反馈电路振荡时，利用信号处理器电路对接收自所述第二接收器电极的信号进行处理以确定手势。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括所述第一激活接收器电极与所述第一发射器电极之间的第二电容。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第二电容是可变的且由控制电路所控制。
16.根据权利要求13所述的方法，进一步包括包封检测器，其与所述第一激活接收器电极、所述多个第二接收器电极以及所述信号处理器电路耦合。
17.根据权利要求13所述的方法，进一步包括第二激活接收器电极，其中所述反馈电路进一步经配置以当所述第一电容达到阈值或当所述第一发射器电极和所述第二激活接收器电极之间的第三电容达到另一阈值时振荡。
18.根据权利要求13所述的方法，进一步包括第二激活接收器电极，其中所述反馈电路经进一步配置以在下列两者时振荡：
所述第一电容达到阈值；及
所述第一发射器电极和所述第二激活接收器之间的第三电容达到另一阈值。
19.根据权利要求17或权利要求18所述的方法，其中所述第一激活接收器电极放置于用于检测的空间的一个边缘处，且所述第二激活接收器电极放置于用于检测的所述空间的相反边缘处。
20.根据权利要求17或权利要求18所述的方法，其中所述第一激活接收器电极及所述第二激活接收器电极放置于表示虚拟键盘的空格键的空间的边缘处。
21.根据权利要求13所述的方法，其中所述多个第二接收器电极经布置以检测虚拟键盘中的手势。
22.根据权利要求13所述的方法，其中所述多个第二接收器电极以线性方式布置以捕获多维移动。
23.根据权利要求13所述的方法，其中所述多个第二接收器电极以线性方式布置以捕获相邻于所述手势电路的多维移动。
24.根据权利要求13所述的方法，其中所述信号处理器电路经配置以从来自所述多个第二接收器电极的振幅或相位数据及来自所述第一激活接收器电极的频率数据解译所述手势，其中：
所述第一激活接收器电极相邻于所述第一发射器电极；且
所述多个第二接收器电极经布置以定义待监测的空间。
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