CN108351728B

CN108351728B - 用于感测在电极之间局部空间中的阻抗改变的方法和系统

Info

Publication number: CN108351728B
Application number: CN201780003593.9A
Authority: CN
Inventors: 阿特玛·夏尔马
Original assignee: Microchip Technology Inc
Current assignee: Microchip Technology Inc
Priority date: 2016-01-21
Filing date: 2017-01-23
Publication date: 2021-09-21
Anticipated expiration: 2037-01-23
Also published as: WO2017127783A1; EP3405855B1; JP6862432B2; KR20180104590A; TWI745341B; EP3405855A1; US20170212619A1; TW201732520A; JP2019508758A; CN108351728A; US10365775B2

Abstract

一种传感器系统的接收器级包含接收器电极和回路滤波器。所述回路滤波器配置以在电容测量达到阈值时激活电振荡且因此激活所述接收器级且在所述接收器级激活之后发出所述电容测量。所述电容测量包含相对于非作用中发射器电极的电容。

Description

用于感测在电极之间局部空间中的阻抗改变的方法和系统

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第62/281,573号美国临时专利申请案的优先权；所述专利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，涉及一种用于感测电极之间局部空间中的阻抗改变的方法及系统。

背景技术

如今，可获得广泛多种触摸、接近及手势检测装置。例如，触摸、电容式触摸、

2D及

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而运作。RC振荡器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非作用中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所述电容测量达到阈值时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所述电容测量达到阈值时激活非作用中接收器电路。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所述电容测量下降到所述阈值而指示一个物体接近或触摸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所述电容测量上升到所述阈值而指示一个物体接近或触摸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回路增益约等于或大于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发出所述电容测量。

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所述发射器电极之间的电容。与以上实施例中的任一者组合，在撤销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撤销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而指示一个物体相对于所述接收器电极接近或触摸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所述电容测量上升到所述阈值而指示一个物体相对于所述接收器电极接近或触摸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约等于或大于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激活所述发射器电路。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，其包括用于对观察区域中的物体进行空间检测的电极布置。所述电极布置可包括紧密接近第一接收电极的发射电极及与所述发射电极间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空间检测电路。与以上实施例中的任一者组合，所述空间检测电路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，所述空间检测电路包括：至少一个可控制阻抗，其经配置以耦合于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从所述经接收信号产生馈送到所述发射电极的驱动信号；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变更到指定状态以满足自持振荡。与以上实施例中的任一者组合，所述系统包含另外多个接收电极及一个多路复用器，所述多路复用器经配置以将所述另外多个接收电极中的一者与所述可控制阻抗耦合以闭合所述反馈回路。与以上实施例中的任一者组合，所述系统包含另外多个接收电极，其中来自所述另外多个接收电极的信号分别通过转移函数电路Hn馈送且加总，其中加总信号作为驱动信号经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，第二操作模式是振荡经驱动为饱和的饱和模式，且第三操作模式是衰减突发模式，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来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、频率及相位测量以确定关于感测空间中的阻抗改变的多维信息。

与以上实施例中的任一者组合，可通过振荡电路组件来执行元件的激活。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，可撤销激活元件，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通过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非作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通过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通过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通过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通过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对边缘处。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邻近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邻近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界定待监测的空间。

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执行或操作上文所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改变可经测量且转译为有用手势。此可组合这些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。

附图说明

图1说明根据本发明的实施例的用于检测电容改变的简化模型的实例；

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种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种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改变的传感器电路的示范性系统；

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布置及配置；

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种布置及配置；

图10说明根据本发明的实施例的发射器及接收器的又一种布置及配置；

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布置；

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布置；及

图15说明根据本发明的实施例的用于感测电容改变的方法的流程图。

具体实施方式

已投入使用的传感器的设计需求提出各种挑战。一些装置可需要接收器终端的输入处的10Mohm偏置电阻及信号滤波器中的大于10MOhm偏置电阻。此可使用过多裸片面积来制造半导体装置，这将导致制造成本增加。所接收信号可相对于接地具有对衬垫电容的高相依性。对此电容的非线性的敏感性将导致性能限制。

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通道以及一个更小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实现非常高分辨率感测。此可基于其中机械及电容式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，物理电容改变的1/4000可呈现为测量电路中的40mV改变。此将转变为2V测量范围的约1/50改变，此转变为大致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考虑的许多寄生敏感度问题及行为假影。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。通过设计，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所影响。

根据各种实施例，模拟电路可扩展到具有加权通道加总的多个通道(各具有特别设计的开放回路转移函数)，且围绕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改变或其它信号的电路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。用于检测电容改变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。电容可通过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可经实施于用于检测触摸或接近的任何适当装置(例如触摸屏、计算机或行动装置)中。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可又由接收器电路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，其中可需要知道其电压信号且电压信号可与发生在电路100中别处的操作分离开。然而，在一些实施例中，电路100可包含一个源。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：

使用此，源102的输出信号可用于驱动发射器电路104，可接收且测量通过接收器电路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的值可过大且引起问题。如果R 110远大于“1/s(C+C₀)”，那么可存在此过大状况。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，且因此难以检测通过接收器电路112接收的信号。如果C₀ 108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R 110值。

在一个实施例中，源102可作为独立源移除，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。如上文论述，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所主导。可通过设计选择R 110值。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，但此未必成为问题，这是因为原则上，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C₀108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，带通滤波器可正好施加于输入处。另外，如果接收器电路112的输入直接连结到MOSFET的输入栅极，那么带通滤波器不可能正好位于输入处，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靠近)时，可以饱和模式执行使用电路100的系统操作。在另一实施例中，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靠近)。

图2是根据本发明的实施例的接收器输入级的说明，所述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的增益可如下般给定：

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可经添加到运算放大器314的输出而为电阻器330所分压。电容器324的输出可经施加到具有反馈电阻器328的另一运算放大器326，运算放大器326的输出经路由到发射器304及另一电容器320。元件C1、R1及C2形成回路滤波器的部分。C2中的正弦或AC电流经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被路由到具有已知值或可控制值的另一电容器CP 320。此后一个电容器CP经并联连接到发射器与接收器电极之间的待测量未知电容。

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可经包含于接收器级中，所述接收器级经复制接收器通道所需要的次数。

当物体更接近电极时，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。

可已知电容器Cp 320的值且其可为用于抵消Cx 306的效应的控制值。电容器Cp320的值可经选择以将级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：

振荡阈值时的增益的角度(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：

其中ω是级的振荡频率。换句话说，方程式可表达为：

根据方程式1，当级处于作用中时，其按频率ω振荡。其根据C值变化，而非直接根据输入源变化。因此，源不再需要为一个独立源(如在图1中展示为源102)，而相反，其可并入于也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所影响，且尽管如此，仍可计算增益的测量。

则增益的绝对值可表达为：

方程式2定义是否将存在振荡。阈值是当增益等于1时。可已知除C值(其通过接收器电路测量)之外的所有其它参数。针对特定C值，增益为一。针对较高C值，方程表达式2的值大于1，其中存在振荡。当方程表达式2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：

应用方程式1及3给定以下关系：

方程式3及4可用于表达用以帮助接收器级的设计者挑选寄存器及电容器的值以产生针对接收器级将振荡且测量时的C阈值的关系。

因此，就图3的电路来说，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，既无需特定轮询接收器电路及级，也无需在外部驱动发射器级，而替代地，在C值达到振荡阈值时激活所述级。

针对特定C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。

不过，方程式1说明C₀ 308仍为需要考虑的一个因子。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的影响及级300的不同例子之间C₀ 308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)可变得小于Cp 320。然而，此方法的一个优势可包含：即使Cp 320远大于Cx 306，关于自持振荡平衡状态的电路的敏感度仍大体上不变。此外，虽然为Cp 320设置较大值可降低振幅测量的敏感度，但各种通道上方的Cp 320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更接近电极组合件而移动时，进入衰减突发模式，这是本发明及拓扑的特征。已知针对给定物体及位置的Cx 306值容许设计者设置Cp 320以便设置各种操作模式的物理边界。级300的设计中的许多自由度容许调整/选择典型操作频率以及对大小进行优化。

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。级400可视为级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的输出可经路由到发射器404。为处理来自接收器电路的测量，级400可添加对图1到3的增强。例如，一系列电容器422、424可经添加到运算放大器414的输出而为电阻器430及任选增益运算放大器436所分压。反馈电阻器432可经连接到运算放大器414的输出(其经返回到负输入)。电容器424的输出可经并行施加到另一运算放大器444及电阻器438。运算放大器444的输出可经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。运算放大器444的输出可经路由回到发射器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可经包含于接收器级中，所述接收器级经复制接收器通道所需要的次数。

图4的拓扑提供电流输入及独立于C₀ 408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给定：

频率可确定为：

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：

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中的效应。

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可为上述实施方案的变体。明确来说，级400可添加到运算放大器514的输入电阻器546及从运算放大器514的输出到其负输入的回送电容器548(其与电阻器532并联)。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。

就图3到5中的拓扑中的每一者来说，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。取决于物体/特征集，通道可由相同或不同拓扑版本构建。即，系统中的多个接收器通道可从图3到5的拓扑中的不同拓扑个别地选择。

图6说明根据本发明的实施例的并入感测阻抗改变的接收器电路的示范性系统。系统600可包含一个或多个接收器级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来实施。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来实施。系统600可经实施于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。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可确定一个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中的每一者可经实施于适合电路中且提供从接收器级602、604、606接收的信号的测量以满足如在图1到5中所演示的计算。可通过信号处理器620执行计算，其可经实施于数字及模拟电路的任何适当组合中以执行运算。

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经反馈到接收器。就给定发射器接收器电极布置来说，阻抗元件Zpn(通常为当前预期应用中的跨Tx到Rxn的电容器)通过起动624设置或变更，使得就感测空间的指定中间或边界状态来说，反馈回路的总反馈回路增益满足自持振荡的巴克豪森准则。在上文中更详细论述自持振荡。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。通过共模负反馈回路，响应于感测空间中的阻抗改变调制回路增益以便维持自持振荡。经如此要求的调制经测量且用作与静止状态的偏离或改变的测量。

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。仍维持发射振荡但将其驱动到饱和且失真。然而，其频率仍随着感测空间中的阻抗变化而变化且可用于检测及测量此类变动。

第三，在衰减突发模式中，静止状态自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回路来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改变。

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改变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。

可根据将应用系统的应用(特定来说，根据系统说明书及特征集)定制起动624及信号处理器620的设计。然而，各种实施例可遵循诸多设计考虑。如果将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。此外，为避免高频噪声问题，可使用滤波器最小化带宽而不负面影响系统性能。此外，取决于哪些测量参数最有用，可完全移除一些测量块。此外，可使用用于时序控制的时钟信号，但在一些情况中，所述频率信号可为不必要的。并且，可通过变容器型电压控制或通过二进制排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。并且，馈送到处理块的接收器信号可无需直接来自衬垫。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反馈或再生反馈，更大敏感度可为可能的。如果需要，可轻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，如在图7中所展示。

如果使用图1到7的元件，新感测方法允许自触发发射器信号且允许选择接收器通道的振幅、相位及频率测量。因此，新的发射器接收器配置为可行的，所述配置可经定制且经加权以最大化对特定电极的测量的特定选择的有用性。在一个实施例中，如果使用图1到7的元件，那么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。替代地，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)达到低电容阈值或高电容阈值。接着，可激活发射器以便对已靠近物体进行更精确检测。

其它系统可需要从发射器持续发出正弦或其它输出信号。此外，其它系统可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，本发明的实施例不需要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，当不靠近或触摸接收器时，不发出接收器或发射器信号。替代地，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之后激活或振荡。随后，发射器可由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(如受靠近物体所影响)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种布置及配置。如图9中所展示，发射器电极可从中心偏移以为其它电路及系统组件(例如显示屏)留出空间。

图10说明发射器及接收器的又一种布置及配置。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被多个电极分离开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。明确来说，接收器电极1102可经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。发射器电极的频率可经确定为系统频率。

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可又主导频率测量的变化。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可经加权使得其接收信号振幅将是最有用的测量，这是因为其将是对与所述RX电极相关联的感测空间中的改变最敏感的测量。如果所述相同接收器电极1106、1108远离发射器电极1104使得所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改变将是更可靠的。电极的所要加权可通过设计阻抗Zpn或通过设计转移函数块Hn(其具有相关联等效阻抗Zin)来完成。

尽管由感测空间中的发射器接收器阵列形成的阻抗网络可相当复杂，但可通过仅考虑各发射器与接收器电极对之间的等效阻抗来理解电路操作。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中的每个元件可包含相对于其它元件的阻抗及接地的阻抗。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)经包含于ZnTeq(来自图13)中且通过设计促成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更自然地剔除接收器电极与接地之间的阻抗。然而，当与网络中的其它阻抗比较，ZoO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为检测手的相对位置及运动。

返回到图11，物体靠近(例如拇指靠近、紧密悬停或触摸)可引起足以触发接收器电极1102振荡的电容改变。在此触发后，可通过紧密耦合的发射器电极1104发射正弦信号或其它信号。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)且经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，信号可不同程度地传播。通过测量相对振幅(及也可测量所接收信号的相位以及发射器系统操作频率自身的频率改变)，可获得足够信息以检测相对位置及手势。

接着，可将此设备用于在触摸板、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。此设备可经包含于移动智能电话、平板计算机或类似装置上，其中电极组合件经安装于装置的外环或边缘上。例如，此可导致更简单且更用户友好的音量控制实施方案。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经分析以确定物体是否正上下打手势。

如果使用类似技术，那么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布置。可包含两个紧密耦合的发射器接收器对。这些可是在一个空间的左手侧上的接收器电极1402及发射器电极1404，及在所述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可界定将识别手势且跟踪所述手势到虚拟键盘操作的空间。通过在左下角及右下角处提供激活位置，当拇指以就像拇指将悬停在真实键盘空格键上方的方式悬停在两个激活位置上方时，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足够的电容改变。此外，发射器电极1404、1406可不发射。另外，接收器电极1410、1412、1414、1416可处于非作用中。一旦接收器电极1402、1408中的一者或两者检测到足够电容改变，发射器电极1404、1406便可发出正弦或其它信号，且这些信号的变形或改变版本可通过现激活的接收器电极1410、1412、1414、1416来检测。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，同时也引起接收器信号振幅明显下降，这两者都可用作解码过程中的告示(tells)。

感测系统可经包含于移动智能电话、平板计算机或类似装置上，其中电极组合件经安装于装置的外环或边缘上。装置上的显示器可说明其上方将执行例如音量手势的控制的屏幕部分。此外，二维鼠标手势可经移动到屏幕的侧边上。另外，前述虚拟键盘可经跟踪到平铺于一个表面上的此装置得的底部。

方法1500可通过任何适当机制(例如图1到14中的元件)实施。方法1500可视情况重复或终止于任何适当点。此外，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，可同时发生1520及1525。方法1500可在任何适当点时(例如在1505处)起始。

在1505，可撤销激活发射器。此外，可撤销激活非激活接收器。在1510，激活接收器可不振荡或激活以传播输出信号。

在1515，可确定电容是否已达到阈值。所述阈值可在降低后达到下阈值或在上升后达到上阈值。电容改变可归因于物体靠近激活接收器电极。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来进行电容确定。电容可包含激活接收器与发射器之间的电容。电容还可包含激活接收器内部的电容。在一个实施例中，电容测量可为阻抗测量所取代。

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时，激活接收器可振荡。

在1525时，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时，可测量增益。增益可为相对于所接收失真信号(源自广播信号与主体交互)的系统及接收器级的增益。此外，可测量所接收信号的频率、振幅及相位信息。

在1535时，可将所收集数据解译为手势。

在1540时，可确定对将转译为手势的主体效应的测量是否将继续。如果是，那么方法1500可在1530处重复。否则，方法1500可进行到1545。

在1545时，可确定方法1500是否将重复。如果是，那么方法1500可在(例如)1510处重复。否则，方法1500可终止。

虽然已在上文展示示范性实施例，但所属领域的一般技术人员根据其知识及能力，可在不脱离本发明的精神及范畴的情况下对这些实施例做出改变、添加、删减或其它排列。

Claims

1.一种电容性传感器装置，包括与转移函数电路的输出耦合的发射器电极和具有与所述转移函数电路的输入耦合的输出的接收器级，其中，所述接收器级包括：

接收器电极；及

回路滤波器，其经配置以：

在由所述发射器电极、所述转移函数电路及所述接收器级形成的反馈电路的电振荡激活之后发出电容测量，其中振荡取决于所述反射器电极与所述接收器电极之间的电容性耦合。

2.根据权利要求1所述的电容性传感器装置，其中所述回路滤波器和电容性耦合经配置以在物体以预定义接近方式至所述发射器电极和所述接收器电极时通过所述电振荡激活所述接收器级。

3.根据权利要求1所述的电容性传感器装置，其中所述回路滤波器和电容性耦合经配置以在所述电容性耦合达到或超过阈值时通过所述电振荡激活所述接收器级。

4.根据权利要求1所述的电容性传感器装置，其中所述回路滤波器经配置以在所述电容性耦合达到或下降到阈值时通过所述电振荡激活所述接收器级。

5.根据权利要求1所述的电容性传感器装置，其进一步包括耦合于所述发射器电极与所述接收器电极之间的电容。

6.根据权利要求5所述的电容性传感器装置，其中所述电容是可变的且由控制电路控制。

7.根据权利要求1所述的电容性传感器装置，其中所述接收器级包括耦合于所述接收器电极与所述回路滤波器之间的运算放大器。

8.根据权利要求7所述的电容性传感器装置，其中所述回路滤波器包括串联耦合于所述运算放大器的输出与所述接收器级的输出之间的第一电容器和第二电容器以及耦合于接地与介于所述第一电容器和所述第二电容器之间的节点之间的电阻器。

9.根据权利要求8所述的电容性传感器装置，其进一步包括耦合于所述节点和所述第二电容器之间的缓冲器。

10.根据权利要求1所述的电容性传感器装置，其包括多个接收器电极和与所述多个接收器电极相关联的多个接收器级。

11.根据权利要求10所述的电容性传感器装置，其中所述多个接收器电极中的第一接收器电极经布置以比所述多个接收器电极中的剩余的接收器电极(612B、612C、1106、1108)更靠近所述发射器电极。

12.根据权利要求10所述的电容性传感器装置，其中所述发射器电极和所述多个接收器电极围绕显示屏布置。

13.根据权利要求10所述的电容性传感器装置，其中所述多个接收器级中的接收器级经配置以测量频率变动或者振幅变动或者相位改变。

14.根据前述权利要求10-13中任一项权利要求所述的电容性传感器装置，其中所述装置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，第二操作模式是所述振荡经驱动到饱和的饱和模式，且第三操作模式是衰减突发模式，其中通过将来自起动及时序电路的脉冲馈送给所述反馈电路来产生衰减正弦波的瞬时突发。

15.根据权利要求14所述的电容性传感器装置，其中在所有三个操作模式中，所述装置经配置以执行相对振幅、频率及相位测量中的两者或两者以上以确定关于感测空间中的阻抗改变的多维信息。