CN108475154B - 触摸检测设备中集成的触摸感测和力感测 - Google Patents

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Abstract

一种用于触摸显示器的单层ITO结构，其可用于经由互电容扫描的力感测和用于经由自电容扫描的触摸感测。在一些实施方式中，通过在ITO结构下方引入气隙(206)来启用力感测操作。在一些实施方式中，当ITO结构用于力感测时，提供耦合层以用于TX驱动。

Description

触摸检测设备中集成的触摸感测和力感测
技术领域
这通常涉及触摸检测设备，包括但不限于用于将触摸检测和力感测集成在触摸检测设备中的方法和系统。
背景
电容感测系统可以感测在电极上生成的反映电容变化的电信号。这种电容变化可以指示触摸事件(例如，对象与特定电极的接近)。电容感测元件可用于代替机械按钮、旋钮和其它类似的机械用户界面控件。电容感测元件的使用允许消除复杂的机械开关和按钮，从而在苛刻条件下提供可靠的操作。另外，电容感测元件广泛用于现代客户应用中，在现有产品中提供用户界面选项。电容感测元件的范围可以从单个按钮到以用于触摸感测表面的电容感测阵列的形式布置的大量按钮。
利用电容感测阵列的透明触摸屏在当今的工业和消费市场中被广泛应用。它们可以在蜂窝电话、GPS设备、机顶盒、照相机、计算机屏幕、MP3播放器、数字平板电脑等上找到。电容感测阵列通过测量电容感测元件的电容并寻找指示导电对象的存在或触摸的电容变化来工作。当导电对象(例如，手指、手或其它对象)与电容感测元件接触或紧密接近时，电容改变并且导电对象被检测。电容触摸感测元件的电容变化可以由电路测量。还可以根据电容触摸感测元件的电容变化来确定一个或更多个触摸定位。
另一方面，非导电对象的触摸定位不能够如导电对象的触摸定位那样被有效和高效地确定。此外，一直存在对于测量与导电或非导电对象的触摸相关联的力的大小的需要。
概述
在所附权利要求的范围内的系统、方法和设备的各种实施例各自具有若干方面，其中没有一个单独负责本文所述的属性。在不限制所附权利要求的范围的情况下，在考虑本公开之后，特别是在考虑标题为“详细描述”的章节之后，人们将理解如何使用各种实施例的方面来感测在触摸检测设备中的电容感测阵列的表面上由导电或非导电对象施加的触摸和力两者。
在一个方面中，本申请公开了一种触摸检测设备，包括：触摸感测电极层，其包括多个感测电极；导电层，其包括至少一个力电极；以及处理设备，其电耦合到多个感测电极和至少一个力电极。导电层基本上平行于触摸感测电极层而被设置并且与触摸感测电极分离至少气隙。处理设备被配置为：(1)在触摸感测状态下，在使至少一个力电极电浮置的同时，测量感测电极的子集的每个电极的自电容，并且如果一个或更多个对象触摸该触摸检测设备的顶表面，则检测一个或更多个触摸定位；以及(2)在力感测状态下，在通过发射信号驱动至少一个力电极的同时，测量感测电极的子集的每个电极相对于至少一个力电极的互电容，并且如果对象触摸该触摸检测设备的顶表面，则检测触摸定位上的触摸力。
附图简述
为了更好地理解各个所述实现方式，应结合以下附图参考下面的实施方式的描述，在所有图中，相同的参考数字是指相应的部件。
图1是示出根据本申请的一些实现方式的具有处理设备的电子系统的框图的框图。
图2示出了根据本申请的一些实现方式的电容感测触摸感测系统。
图3是根据本申请的一些实现方式的包括多个结构层的触摸检测设备的透视图。
图4是根据本申请的一些实现方式的包括多个结构层和气隙的另一个触摸检测设备的透视图。
图5是根据本申请的一些实现方式的被配置成在触摸感测状态下操作的触摸感测电极层和导电层的结构图。
图6是根据本申请的一些实现方式的被配置成在力感测状态下操作的触摸感测电极层和导电层的结构图。
图7是根据本申请的一些实现方式的用于交替地启用触摸感测状态和力感测状态的两个示例控制信号(例如，FW中的状态机)的时序图。
在附图的几个视图中，相同的参考数字指的是相应的部分。
实现方式的描述
在以下的描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节，以便提供对本发明的彻底理解。然而，对本领域的技术人员将明显的是，本发明可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在其他实例中，众所周知的电路、结构和技术没有被具体示出，而且以框图示出，以避免对本说明书的理解的不必要的模糊。
图1是示出根据本申请的一些实现方式的具有处理设备的电子系统的框图的框图。处理设备110被配置为检测靠近触摸感测设备(诸如，电容感测阵列125)所检测到一个或更多个触摸。处理设备110可以检测导电对象，诸如触摸对象140(手指或无源触笔、有源触笔130或其任意组合)。电容感测电路101可以使用电容感测阵列125测量由触摸所产生的触摸数据。触摸可被单个或多个感测单元检测，每个单元表示电容感测阵列125的独立的感测元件或感测元件的交叉点(例如，电极)。在一些实现方式中，当电容感测电路101(例如，使用电容感测阵列125)测量触摸感测设备的互电容时，电容感测电路101获得触摸感测对象的2D电容图像并针对峰值和位置信息处理数据。可选地，在一些实现方式中，处理设备110是从应用处理器150(诸如从电容感测阵列125)获得电容触摸信号数据集的微控制器，并且运行在微控制器上的手指检测固件识别指示触摸的数据集区、检测和处理峰值、计算坐标或其任意组合。微控制器可以将精确的坐标和其他信息报告给应用处理器。
电子系统100包括处理设备110、电容感测阵列125、触笔130和应用处理器150。电容感测阵列125可以包括作为导电材料(例如，铜)的电极的电容感测元件。感测元件还可以是铟锡氧化物(ITO)面板(有时被称为VCOM)的部分。电容感测元件可以用于允许电容感测电路101测量自电容、互电容或其任意组合。在所描述的实施例中，电子系统100包括经由总线122耦合到处理设备110的电容感测阵列125。电容感测阵列125可包括多维电容感测阵列。多维感测阵列包括被组织成行和列的多个感测元件。可选地，在一些实现方式中，电容感测阵列125是不透明的电容感测阵列(例如，PC触摸板)。电容感测阵列125可布置为具有平坦的表面轮廓。可选地，电容感测阵列125可以具有非平坦的表面轮廓。可选地，可以使用电容感测阵列的其他配置。例如，代替垂直列和水平行，电容感测阵列125可具有六边形布置或类似物，如将由具有本公开的益处的领域中的普通技术人员所认识到的。在一些实现方式中，电容感测阵列125可以被包括在ITO面板或触摸屏面板中。
在本文中描述了用于检测和跟踪触摸对象140和触笔130的处理设备110和电容感测阵列125的操作和配置。简而言之，处理设备110可被配置为检测在电容感测阵列125上触摸对象140的存在、触笔130的存在或其任何组合。如果触摸对象是有源触笔，则在一些实现方式中，有源触笔130可配置为作为定时“主控”操作，并且当有源触笔130正在使用时，处理设备110调整电容感测阵列125的定时以匹配有源触笔130的定时。在一些实现方式中，电容感测阵列125与有源触笔130电容耦合，这与传统的电感触笔应用相反。还应当注意，用于电容感测阵列125的相同组件(其可配置为检测触摸对象140)也用于检测和跟踪触笔130，而不需要用于感应跟踪有源触笔130的附加PCB层。
在所描述的实施例中，处理设备110包括模拟和/或数字通用输入/输出(“GPIO”)端口107。GPIO端口107可以是可编程的。GPIO端口107可耦合到可编程互连和逻辑(“PIL”)，其用作处理设备110的GPIO端口107和数字块阵列之间的互连(未示出)。在一些实现方式中，数字块阵列可以配置为使用可配置的用户模块(“UM”)实现各种数字逻辑电路(例如，DAC、数字滤波器或数字控制系统)。数字块阵列可以耦合到系统总线。处理设备110还可以包括存储器，诸如随机存取存储器(“RAM”)105和程序闪存104。RAM 105可以是静态RAM(“SRAM”)，并且程序闪存104可以是非易失性储存器，其可用于存储固件(例如，由处理核心109可执行以实现本文描述的操作的控制算法)。处理设备110还可以包括耦合到存储器的存储器控制器单元(“MCU”)103和处理核心109。处理核心109是被配置为执行指令或执行操作的处理元件。处理设备110可包括如受益于本公开的本领域普通技术人员将认识到的其它处理元件。还应当注意的是，存储器可在处理设备内部或在其外部。在存储器是内部的情况下，存储器可耦合到处理元件，诸如处理核心109。在存储器在处理设备外部的情况下，如受益于本公开的本领域普通技术人员将理解的，处理设备耦合到存储器所驻留的另一设备。
在一些实现方式中，处理设备110还包括处理逻辑102。处理逻辑102的一些或全部操作可以在固件、硬件或软件或它们的某些组合中实施。处理逻辑102可以从电容感测电路101接收信号，并且确定电容感测阵列125的状态，诸如是否在电容感测阵列125上或附近检测到对象(例如，手指)(例如，确定对象的存在)，解析对象在感测阵列上的位置(例如，确定对象的定位)，跟踪对象的运动，或与在触摸传感器处检测到的对象有关的其它信息。可选地，在一些实现方式中，处理逻辑102可以包括电容感测电路101。可选地，在一些实现方式中，处理逻辑102可以执行电容感测电路101和/或处理设备110的一些或所有功能。
在一些实现方式中，处理逻辑102生成多触摸使能信号120和触摸力使能信号160，以控制电容感测电路101分别检测触摸定位和测量与触摸定位相关联的力。多触摸使能信号120启用触摸感测状态，其中电容感测阵列125的力电极与任何电源(例如接地)解耦，并且扫描感测电极的子集的每个电极的自电容，使得如果一个或更多个对象触摸触摸检测设备100的顶表面，则检测一个或更多个触摸定位。触摸力使能信号160启用力感测状态，其中电容感测阵列125的至少一个力电极由发射信号驱动，并且扫描感测电极的子集的每个电极相对于至少一个力电极的互电容，使得如果对象触摸触摸检测设备的顶表面，则可以检测触摸定位上的触摸力。
在一些实现方式中，处理核心109生成多触摸使能信号120和触摸力使能信号160，以控制电容感测电路101分别检测触摸定位和测量与触摸定位相关联的力。
处理设备110还可包括模拟块阵列(未示出)(例如，现场可编程模拟阵列)。模拟块阵列还耦合到系统总线。在一些实现方式中，模拟块阵列还可配置成使用可配置的UM来实现各种模拟电路(例如，ADC或模拟滤波器)。模拟块阵列还可耦合到GPIO 107。
如所示，电容感测电路101可集成到处理设备110中。电容感测电路101可以包括用于耦合到诸如触摸传感器板(未示出)、电容感测阵列125、触摸传感器滑动条(未示出)、触摸传感器按钮(未示出)和/或其他设备的外部部件的模拟I/O。电容感测电路101可以被配置为使用互电容感测技术、自电容感测技术、电荷耦合技术、电荷平衡技术等来测量电容。在一些实现方式中，电容感测电路101使用电荷累积电路、电容调制电路或本领域技术人员已知的其它电容感测方法来操作。在一些实现方式中，电容感测电路101是Cypress TMA-3xx、TMA-4xx或TMA-xx系列的触摸屏控制器。可选地，可以使用其它电容感测电路。如本文所述的互电容感测阵列或触摸屏可以包括布置在视觉显示器本身(例如LCD监视器)或显示器前方的透明衬底之上、之中或之下的透明的、导电感测阵列。在一些实现方式中，TX和RX电极分别以行和列配置。应当注意的是，成行和列的电极可由电容感测电路101以任何选择的组合配置为TX或RX电极。在一些实现方式中，感测阵列125的TX和RX电极可配置为在第一模式下作为互电容感测阵列的TX电极和RX电极来操作以检测触摸对象，并且在第二模式下作为耦合电荷接收器的电极来操作以检测在感测阵列的相同电极上的触笔。当被激活时生成触笔TX信号的触笔用于将电荷耦合到电容感测阵列，而不是如在互电容感测期间所做的那样测量RX电极和TX电极(感测元件)的交叉点处的互电容。两个感测元件之间的交叉可理解为一个感测电极越过另一感测电极或与其重叠，同时保持彼此的电流隔离的定位。与TX电极和RX电极之间的交叉点相关联的电容可通过选择TX电极和RX电极的每个可用组合来感测。当触摸对象(诸如手指或触笔)靠近电容感测阵列125时，该对象会导致在一些TX/RX电极之间的互电容的降低。可选地，在一些实现方式中，手指的存在增加电极相对于环境(地)接地的电容，其通常被称为自电容变化。利用互电容的变化，可通过识别在RX电极和在RX电极上测量到减小的电容的时刻处TX信号所施加于的TX电极之间具有减小的耦合电容的RX电极来确定在电容感测阵列125上的手指的定位。因此，通过顺序地确定与电极的交叉相关联的电容，可确定一个或更多个触摸对象的定位。应当注意的是，该过程可通过确定对于感测元件的基线来校准感测元件(RX和TX电极的交叉点)。还应当注意的是，如受益于本公开的本领域普通技术人员将认识到，可使用插值以比行/列间距更好的分辨率来检测手指位置。另外，如受益于本公开的本领域普通技术人员将认识到，可使用各种类型的坐标插值算法来检测触摸的中心。
无源积分器电路可以是片外分立部件、电容感测阵列125的片上部分或上述的任何组合。
处理设备110可以包括内部振荡器/时钟106和通信块(“COM”)108。可选地，在一些实现方式中，处理设备110包括扩频时钟(未示出)。振荡器/时钟块106向处理设备110的一个或更多个部件提供时钟信号。通信块108可用于经由应用接口(“I/F”)线151与诸如应用处理器150的外部部件通信。
处理设备110可驻留在共同载体衬底上，诸如，例如集成电路(“IC”)管芯衬底、多芯片模块衬底等。可选地，处理设备110的部件可以是一个或更多个独立的集成电路和/或分立部件。例如，处理设备110是片上可编程系统
Figure BDA0001699450960000071
处理设备，由加利福尼亚州圣何塞市的Cypress Semiconductor公司开发。可选地，处理设备110可以是由本领域普通技术人员已知的一个或更多个其他处理设备，诸如微处理器或中央处理单元、控制器、专用处理器、数字信号处理器(“DSP”)、专用集成电路(“ASIC”)、现场可编程门阵列(“FPGA”)等等。
还应当注意的是，本文描述的实施例不限于具有将处理设备耦合到应用处理器的配置，而且可包括测量感测设备上的电容并将原始数据发送到通过应用对其分析的主机计算机的系统。实际上，由处理设备110执行的处理也可以在应用处理器中被执行。
电容感测电路101可集成到处理设备110的IC中，或者可选地，集成在独立的IC中。可选地，电容感测电路101的描述可被生成并且编译以用于并入到其它集成电路中。例如，描述电容感测电路101或其部分的行为级代码可使用硬件描述语言(诸如VHDL或Verilog)来生成，并且存储到机器可访问介质(例如，CD-ROM、硬盘、软盘等)。此外，行为级代码可被编译为寄存器传送级(“RTL”)代码、网表或甚至电路布局，并存储到机器可访问介质。行为级代码、RTL代码、网表和电路布局可表示描述电容感测电路101的各种抽象级。
应当注意的是，电子系统100的部件可包括上述所有部件。可选地，电子系统100可包括上述部件中的一些。
在一些实现方式中，电子系统100用在平板计算机中。可选地，电子设备可用于其他应用中，诸如笔记本计算机、移动手持设备、个人数据助理(“PDA”)、键盘、电视、遥控器、监视器、手持多媒体设备、手持媒体(音频和/或视频)播放器、手持游戏设备、用于销售交易点的签名输入设备、电子书阅读器、全球定位系统(“GPS”)或控制面板。本文描述的实施例不限于用于笔记本实现方式的触摸屏或触摸传感器板，而且可用于其他电容感测实现方式中，例如，感测设备可以是触摸传感器滑动条(未示出)或触摸传感器按钮(例如，电容感测按钮)。在一些实现方式中，这些感测设备包括一个或更多个电容传感器或其它类型的电容感测电路。本文描述的操作不限于笔记本指针操作，而且可包括其他操作，诸如照明控制(调光器)、音量控制、图形均衡器控制、速度控制或需要渐进或离散调整的其他控制操作。还应当注意的是，电容感测实现方式的这些实施例可与非电容感测元件结合使用，非电容感测元件包括但不限于拾取按钮、滑动条(例如，显示器亮度和对比)、滚轮、多媒体控制(例如，音量、音轨前进等)手写识别和数字小键盘操作。
图2示出了根据本申请的一些实现方式的电容感测触摸感测系统200。电容触摸感测系统200包括感测阵列220。感测阵列220可以是电容感测阵列。在一些实现方式中，感测阵列220包括多个行电极和多个列电极。行电极和列电极连接到处理设备110，该处理设备110可以包括电容感测电路101的功能，如图1所示。在一些实现方式中，感测阵列220包括由多个电极单独寻址的多个单位单元250(如图2所示)。在一些实现方式中，处理设备110可执行对感测阵列220的自电容测量扫描以测量与感测阵列220中的电极的每一个相关联的自电容值。所测量的电容可以进一步被处理以确定靠近感测阵列220的导电对象的触摸定位(其可选地由一个或更多个触点的质心定位表示)。
在一些实现方式中，处理设备110连接到应用处理器150，该应用处理器150可以从处理设备110接收测量的电容或计算的质心定位。
图2中所示的感测阵列220包括布置成产生互连菱形图案的电极。具体地，感测阵列220的电极231-248形成单个实心菱形(SSD)图案。在一些实现方式中，每个电极限定单位单元。
在一些实现方式中，电容触摸感测系统200可通过执行扫描以测量包括触摸感测表面的单位单元的电容来从感测阵列220的整个触摸感测表面收集数据，然后与随后扫描串行或并行地处理触摸数据。例如，串行处理触摸数据的一个系统可以从整个触摸感测表面的每个单位单元收集原始电容数据，并且过滤原始数据。基于过滤的原始数据，系统可以确定局部最大值(对应于局部最大电容变化)以计算手指或其它导电对象的位置，然后执行对解析位置的后处理以报告导电对象的定位，或者执行诸如运动跟踪或手势识别的其它功能。
在一些实现方式中，电容触摸感测系统200可以被配置为执行自电容感测。在一些实现方式中，电容触摸感测系统200被配置成顺序地或并行地执行自电容感测，以测量触摸感测表面(例如，感测阵列220)的每个电极的自电容，使得对于具有N行和M列的电容感测阵列，感测操作的总数为N×M。在一些实现方式中，电容触摸感测系统200可以能够将各个电极连接在一起以与单个操作并行地被感测。例如，多个电极可以被耦合在一起并在单个操作中被感测，以确定导电对象是正在触摸触摸感测表面还是接近触摸感测表面。
在一些实现方式中，多个电容感测电路可被并行使用以从施加到一个或更多个行电极的信号测量同时耦合到多个列电极的信号。在一些实现方式中，对于具有可被同时感测的X行、Y列和N列的电容感测阵列(例如，感测阵列220)，互电容感测操作的数目是大于或等于XxY/N的最小整数。
在一些实现方式中，触摸定位的每次更新可以包括感测部分和非感测部分。感测部分可包括与电极之间的交叉点相关联的电容的测量值，而非感测部分可包括基于电容测量值的触摸定位的计算以及将计算出的触摸定位报告给主机设备。
另外，电容触摸感测系统200可以包括积分器电路(未示出)。
在一些实现方式中，电容感测阵列220还包括力电极，该力电极设置在感测电极下方并且与感测电极分离至少气隙。力电极电耦合到处理设备。在触摸感测状态下，处理设备110使至少一个力电极电浮置(即，使力电极与地面或任何其它电流或电压源去耦)。在力感测状态下，处理设备110通过发射信号驱动力电极。
图3是根据本申请的一些实现方式的包括多个结构层的触摸检测设备300的透视图。触摸检测设备300将触摸感测功能与液晶显示器(LCD)集成，并由此包括LCD堆叠302、触摸感测堆叠302和背光堆叠303。LCD堆叠302包括顶部偏振器面板、顶部玻璃面板、滤色器层、LCD面板和至少一个像素电极层中的一个或更多个。至少一个像素电极层由透明且导电的材料(例如，铟锡氧化物(ITO))制成。像素电极层被图案化以包括多个显示电极，每个显示电极被配置为驱动LCD面板的至少一个显示像素(即，不同地偏振显示像素中的LCD分子以使入射光通过或者阻挡入射光)。背光堆叠303包括背光漫射器和底部偏振器中的一个或更多个，并且在入射光到达LCD堆叠302之前调制来自触摸检测设备300的侧面或背面的入射光。因此，LCD堆叠302和背光堆叠303一起提供在大多数LCD显示设备中可用的常规显示功能。
触摸感测堆叠302设置在LCD堆叠和背光堆叠303之间。触摸感测堆叠302包括底部玻璃层、布线层和透明且导电的触摸感测电极层。在特定示例中，触摸感测电极层由ITO制成。在一些实现方式中，底部玻璃层是在其上形成有布线层和触摸感测电极层的衬底。触摸感测电极层被沉积并光刻限定到形成如图2所示的单个实心菱形(SSD)图案的感测电极的阵列。布线层包括一个或更多个导电材料层，并且每个导电材料层被图案化为互连线。布线层的互连线提供对触摸感测电极层中的感测电极的接入，并与感测电极的阵列形成如图1和图2所示的电容感测阵列125或220。如上文参考图1和图2所解释的，电容感测阵列125电耦合到处理设备110，该处理设备110被配置为通过向感测电极提供驱动信号并处理从感测电极接收的信号来实现自电容感测和互电容感测。
图3中的表提供了用于形成触摸感测显示器300的材料的示例列表。还列出了在图3的表中列出的材料的一些几何、光学和电学性质。
图4是根据一些实现方式的包括多个结构层和气隙的另一个触摸检测设备400的透视图。触摸检测设备400将触摸感测功能与液晶显示器(LCD)集成。触摸检测设备400还被配置成使得能够定量测量与由导电或非导电对象引起的触摸事件相关联的触摸力。另一方面，触摸检测设备400仍被配置为检测触摸电容感测阵列的顶表面的导电或非导电对象的一个或更多个触摸定位。
与触摸检测设备300类似，触摸检测设备400包括LCD堆叠301、触摸感测堆叠302和背光堆叠303。LCD堆叠301包括顶部偏振器面板、顶部玻璃面板、滤色器层、LCD面板和至少一个像素电极层中的一个或更多个。背光堆叠303包括背光漫射器和底部偏振器中的一个或更多个。LCD堆叠301和背光堆叠303一起提供在大多数LCD显示设备中可用的常规显示功能。触摸感测堆叠302设置在LCD堆叠301和背光堆叠303之间，底部玻璃层、布线层和触摸感测电极层(例如，ITO VCOM)。形成在布线层上的互连线提供对触摸感测电极层中的感测电极的接入，并与感测电极阵列形成如图1和图2所示的电容感测阵列125或220。如上所解释，电容感测阵列125或220电耦合到处理设备110，该处理设备110被配置为向感测电极提供驱动信号并处理从感测电极接收的信号。因此，可以经由对电容感测阵列125的感测电极的自电容感测和互电容感测来同时或顺序地检测来自导电对象的一个或更多个触摸。
除了LCD堆叠301、触摸感测堆叠302和背光堆叠303之外，触摸检测设备400还包括导电层404(例如，金属层)。可选地，导电层404是金属层。可选地，导电层404是透明且导电的。导电层404可选地设置在底部偏振器的顶部上(即，底部玻璃和底部偏振器之间)、底部偏振器和背光漫射器之间或背光漫射器下方。在具体示例中，导电层404由ITO制成，并涂覆在第三玻璃层上。然后，涂覆有导电层404的第三玻璃层设置在背光漫射器下方，并且入射光可选地从其侧面进入背光漫射器或通过导电层404到达背光漫射器。在另一示例中，导电层404涂覆在背光漫射器的表面上。
此外，导电层404与触摸感测电极分离至少气隙406，该气隙具有预定厚度。气隙406可选地布置在底部玻璃与底部偏振器之间、底部偏振器与背光漫射器之间或背光漫射器与导电层404之间。例如，导电层404涂覆在第三玻璃层上。第三玻璃层设置在底部偏振器和背光漫射器之间，并且当底部偏振器机械耦合到底部玻璃时，第三玻璃层通过气隙与底部偏振器分离。可选地，如图4所示，第三玻璃层设置在背光漫射器下方，并且当底部偏振器机械耦合到底部玻璃时，背光漫射器通过气隙与底部偏振器分离。在一些实现方式中，气隙的预定厚度在0.1-3mm的范围内。气隙406的高度随着力施加到触摸感测堆叠302(引起堆叠302的偏转)而改变，这反映在具有靠近所施加的力的x-y位置的定位的电极处测量的互电容的相应变化中。
导电层404包括至少一个力电极。可选地，导电层404包括力电极的阵列。
如图2所示，在一些实现方式中，处理设备110电耦合到触摸感测电极层的多个感测电极和导电层404的至少一个力电极。处理设备被配置为在触摸感测状态(参见图5)和力感测状态(参见图6)下操作。在触摸感测状态下，处理设备110被配置为使至少一个力电极电浮置，测量感测电极的子集的每个电极的自电容，并且如果一个或更多个对象触摸触摸检测设备400的顶表面，则检测一个或更多个触摸定位。在力感测状态下，处理设备110被配置为通过发射信号驱动导电层404的至少一个力电极，测量感测电极的子集的每个电极相对于至少一个力电极的互电容，并且如果对象触摸触摸检测设备的顶表面，则检测触摸定位上的触摸力。
在一些实现方式中，LCD堆叠301和触摸感测堆叠302以及底部偏振器集成在LCD模块中。气隙被布置在背光漫射器和底部偏振器之间。导电层404设置在背光漫射器的上方或下方，但是不影响集成LCD模块。特别地，当导电层404设置在背光漫射器下方时，其仅引入有限的成本。
在一些实现方式中，导电层404的至少一个力电极包括两个或更多个力电极，并且耦合到能够提供一个或更多个发射信号以驱动两个或更多个力电极的两个或更多个电引脚。
图5是根据本申请的一些实现方式的被配置成在触摸感测状态下操作的触摸感测电极层和导电层的结构图。触摸感测电极层包括多个感测电极，并且设置成比导电层更靠近触摸检测设备(例如，触摸检测设备300或400)的顶表面。导电层包括至少一个力电极，并且导电层基本上平行于触摸感测电极层设置并且通过至少气隙与触摸感测电极分离。处理设备110选择感测电极的子集，并扫描感测电极的子集以测量感测电极的子集中的每一个的自电容。具体而言，处理设备110测量感测电极的子集中的每一个与触摸检测设备的接地之间的相应电容。作为自电容扫描的结果，处理设备110可同时或顺序地识别触摸检测设备的顶表面上的多于一个的触摸定位。
在触摸感测状态下，导电层的至少一个力电极保持电浮置。处理设备110被配置为将导电层的至少一个力电极与接地及触摸检测设备中可用的任何电压或电流源去耦合。导电层保护触摸感测电极层的感测电极免受不期望的噪声源的影响，并且为所选择的感测电极的自电容的测量提供有源屏蔽。
图6是根据本申请的一些实现方式的被配置成在力感测状态下操作的触摸感测电极层和导电层的结构图。力感测状态对于相同的触摸检测设备被启用，该触摸检测设备被配置为在如参照图5所解释的触摸感测状态下操作。在力感测状态下，处理设备110通过发射信号驱动导电层404的至少一个力电极。发射信号可选地是DC电压信号(例如接地)或脉冲信号。处理设备100进一步选择感测电极的子集，并扫描感测电极的子集以测量至少一个力电极和感测电极的子集中的每一个感测电极之间的互电容。处理设备110和应用处理器150被配置为基于在至少一个力电极与所选择的感测电极中的每一个之间测量的互电容来确定一个或更多个触摸定位和相应的触摸力。
具体地，在一些实现方式中，整个气隙的间隙厚度响应于触摸检测设备的顶表面上的触摸而变化。气隙上方的堆叠可能倾斜，因此气隙的一侧以较小的间隙厚度被压下，而气隙的另一侧以较大的间隙被稍微抬起。可选地，气隙上方的整个堆叠可以被向下按压，其中在触摸检测设备的不同定位处间隙厚度不同地减小。由于间隙厚度变化，至少一个力电极与所选择的感测电极中的每一个之间的互电容不同但相关。处理设备110和应用处理器150被配置为基于在至少一个力电极与所选择的感测电极中的每一个之间测量的互电容来确定一个或更多个触摸定位和相应的触摸力。在一些实现方式中，触摸检测设备在不同触摸定位和触摸力下被校准，并且处理设备110和应用处理器150被配置为基于校准来检测触摸力。
因为力感测状态依赖于气隙厚度的变化，所以其可用于检测接触电容感测阵列的顶表面的非导电对象的触摸定位，而常规触摸检测设备300不能在力感测状态下操作，并且仅检测与导电对象相关联的触摸定位。然而，在一些实现方式中，由于邻近触摸定位的相邻感测电极也与气隙变化和互电容变化相关联，因此如果在力感测状态下测量，则导电或非导电对象的触摸定位不如在对于导电对象的触摸感测状态下测量的触摸定位准确。然而，力感测状态允许触摸检测设备400获得与由导电或非导电对象引起的触摸事件相关联的触摸力的定量测量，这在触摸检测设备300处是不可行的。
在一些实现方式中，触摸检测设备包括触摸感测模式(也称为自扫描模式)和力感测模式(也称为互扫描模式)，其分别用于启用触摸感测状态和力感测状态。
此外，在一些实现方式中，在互电容状态下，在使至少一个力电极电浮置的同时，处理设备110被配置为测量各自在多个感测电极的两个之间的多个互电容，并且如果一个或更多个对象触摸触摸检测设备的顶表面，则检测一个或更多个触摸定位。类似地，在一些实现方式中，触摸检测设备包括用于启用互电容状态的互电容模式。
图7是根据本申请的一些实现方式的用于交替地启用触摸感测状态和力感测状态的两个示例控制信号的时序图。控制信号包括多触摸使能信号120和触摸力使能信号160，每一个都具有各自的占空比。在一些实现方式中，多触摸使能信号120和触摸力使能信号160基本上互补，并且它们的占空比之和基本上等于1(例如，两个占空比都等于0.5)。可选地，在一些实现方式中，两个占空比的总和小于1(例如，总和仅为0.9)。多触摸使能信号120和触摸力使能信号160用于根据其各自的占空比交替地(例如，在两个不同的时隙处)在电容感测阵列和处理设备110上启用触摸感测状态和力感测状态。
在一些实现方式中，多触摸使能信号120和触摸力使能信号160由在处理逻辑102中实现的状态机生成。
为了说明的目的，前面的描述已经参照具体实现方式进行了描述。然而，以上的说明性讨论并不旨在穷举或将权利要求的范围限制在所公开的精确形式。鉴于以上教导，许多修改和变型是可能的。实现方式之所以被选择是为了最好地解释代表权利要求的原理及其实际应用，由此使得本领域的技术人员能够采用适用于预期的特定用途的各种修改来最佳地利用实现方式。
现在将详细参考实现方式，该实现方式的示例在附图中示出。在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对各个所描述的实现方式的透彻理解。然而，对于本领域的普通技术人员来说将明显的是，各个所描述的实现方式可在没有这些具体细节的情况下被实践。在其它实例中，公知的方法、程序、部件、机械结构、电路以及网络没有详细描述，以免不必要地模糊实现方式的各个方面。
还将理解的是，尽管本文所使用的术语第一、第二等在一些实例可用于描述各个元件，但这些元件不应被这些术语限制。这些术语只是用来将一个元件与另一个区分开。例如，在不脱离各个所描述实现方式的范围的情况下，第一紧固结构可以被称为第二紧固结构，并且类似地，第二紧固结构可以被称为第一紧固结构。第一紧固结构和第二紧固结构都是紧固结构，但是它们不是相同的紧固结构。
本文中各个所描述的实现方式的描述中所用的术语仅是为了描述特定实现方式的目的，而不意在进行限制。除非上下文另有清楚的说明，否则如在各个所描述的实现方式和所附的权利要求的描述中所用的单数形式“一(a)”、“一(an)”和“所述”意在同样包括复数形式。还将理解的是，如在本文中所用的术语“和/或”是指并包括一个或更多个相关联的所列出的项目的任何的和所有的可能的组合。还将理解的是，术语“包括(includes)、“包括(including)”、“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”当在本说明书中使用时指定了所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件、部件、结构和/或组的存在，但不排除一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件、结构和/或它们的群组的存在或添加。
如本文所用，术语“如果”可选地被解释为表示“当”或“在...时”或“响应于确定”或“响应于检测”或“根据确定了...”，这取决于上下文。类似地，短语“如果确定了”或“如果检测到[所述条件或事件]”可选地被解释为表示“在确定...时”或“响应于确定了”或“在检测到[所述条件或事件时]”或“响应于检测到[所述条件或事件]”或“根据检测到[所述条件或事件]的确定”，这取决于上下文。
应当注意，本文描述的支架组件是示例性的，而不是限制性的。例如，本文所述的任何尺寸、形状、样式和/或材料是示例性的，而不是限制性的。附图不是按比例绘制的。为了简洁，当描述其它实现方式时，结合一些实现方式描述的特征或特性可能不一定重复或反复。即使在此没有明确描述，但是结合一些实现方式描述的特征或特性也可以由其他实现方式使用。

Claims (19)

1.一种触摸检测设备，包括：
触摸感测电极层，其包括多个感测电极；
导电层，其包括至少一个力电极，所述导电层基本上平行于所述触摸感测电极层而被设置并且机械耦合到背光漫射层下方，其中，所述导电层和背光漫射层与所述触摸感测电极层分离至少气隙；以及
处理设备，其电耦合到所述多个感测电极和所述至少一个力电极，其中所述处理设备被配置为：
在触摸感测状态下，在使所述至少一个力电极电浮置的同时，测量所述感测电极的子集的每个电极的自电容，并且如果一个或更多个对象触摸所述触摸检测设备的顶表面，则检测一个或更多个触摸定位；以及
在力感测状态下，在通过发射信号驱动所述至少一个力电极的同时，测量所述感测电极的子集的每个电极相对于所述至少一个力电极的互电容，并且如果对象触摸所述触摸检测设备的顶表面，则检测触摸定位上的触摸力。
2.根据权利要求1所述的触摸检测设备，其中，所述处理设备被配置为生成一个或更多个控制信号以交替启用所述触摸感测状态和所述力感测状态，使得所述感测电极的相同子集在所述触摸感测状态和所述力感测状态之间交替。
3.根据权利要求2所述的触摸检测设备，其中，所述触摸感测状态和所述力感测状态的占空比基本上等于50％。
4.根据权利要求1所述的触摸检测设备，其中，所述触摸检测设备包括分别用于启用所述触摸感测状态和所述力感测状态的触摸感测模式和力感测模式。
5.根据权利要求1所述的触摸检测设备，其中，所述触摸检测设备被配置为：
在使所述至少一个力电极电浮置的同时，测量每个在所述多个感测电极的两个感测电极之间的多个互电容，并且如果一个或更多个对象触摸所述触摸检测设备的顶表面，则检测一个或更多个触摸定位。
6.根据权利要求1所述的触摸检测设备，其中，在所述力感测状态下，所述触摸检测设备被配置为基于在所述至少一个力电极和所述感测电极的相关联的子集之间测量的互电容来检测非导电对象触摸的触摸定位。
7.根据权利要求1所述的触摸检测设备，还包括：
液晶显示器LCD堆叠，其设置在所述触摸感测电极层与所述触摸检测设备的顶表面之间，其中所述LCD堆叠被配置为启用基于LCD的显示器。
8.根据权利要求2所述的触摸检测设备，其中，所述处理设备包括状态机，所述状态机被配置为生成所述一个或更多个控制信号以用于控制所述触摸感测状态和所述力感测状态的占空比。
9.根据权利要求1所述的触摸检测设备，其中，所述处理设备被配置为识别非导电对象，并且将在所述力感测状态下检测到的所述触摸定位确定为所述非导电对象的触摸定位。
10.根据权利要求1所述的触摸检测设备，其中，所述处理设备被配置为识别一个或更多个导电对象，并且将在所述触摸感测状态下检测到的所述一个或更多个触摸定位确定为所述一个或更多个导电对象的一个或更多个触摸定位。
11.一种检测触摸事件的方法，包括：
在具有触摸感测电极层、导电层和处理设备的触摸检测设备处，所述触摸感测电极层包括多个感测电极，所述导电层包括至少一个力电极，所述处理设备电耦合到所述多个感测电极和所述至少一个力电极，所述导电层基本上平行于所述触摸感测电极层而被设置并且机械耦合到背光漫射层下方，其中，所述导电层和背光漫射层与所述触摸感测电极层分离至少气隙：
根据触摸感测状态的确定，使所述至少一个力电极电浮置，并且测量所述感测电极的子集的每个电极的自电容，并且如果一个或更多个对象触摸所述触摸检测设备的顶表面，则检测一个或更多个触摸定位；以及
根据力感测状态的确定：
通过发射信号驱动所述至少一个力电极；
测量所述电极的子集的每个电极相对于所述至少一个力电极的互电容；以及
如果对象触摸所述触摸检测设备的顶表面，则检测触摸定位上的触摸力。
12.根据权利要求11所述的检测触摸事件的方法，还包括：
在使所述至少一个力电极电浮置的同时，测量每个在所述多个感测电极的两个感测电极之间的多个互电容，并且如果一个或更多个对象触摸所述触摸检测设备的顶表面，则检测一个或更多个触摸定位。
13.根据权利要求11所述的检测触摸事件的方法，其中，所述处理设备包括状态机，所述状态机被配置为生成一个或更多个控制信号以用于控制所述触摸感测状态和所述力感测状态的占空比。
14.根据权利要求11所述的检测触摸事件的方法，还包括：
识别非导电对象；以及
将在所述力感测状态下检测到的所述触摸定位确定为所述非导电对象的触摸定位。
15.根据权利要求11所述的检测触摸事件的方法，还包括：
识别一个或更多个导电对象；以及
将在所述触摸感测状态下检测到的所述一个或更多个触摸定位确定为所述一个或更多个导电对象的一个或更多个触摸定位。
16.一种触摸检测设备，包括：
多个感测电极；
至少一个力电极，其基本上平行于所述多个感测电极而被设置并且机械耦合到背光漫射层下方，其中，所述至少一个力电极和背光漫射层与所述多个感测电极分离至少气隙；以及
处理设备，其电耦合到所述多个感测电极和所述至少一个力电极，其中所述处理设备被配置为：
在触摸感测状态下，在使所述至少一个力电极电浮置的同时，测量所述感测电极的子集的每个电极的自电容，并且如果一个或更多个对象触摸所述触摸检测设备的顶表面，则检测一个或更多个触摸定位；以及
在力感测状态下，在通过发射信号驱动所述至少一个力电极的同时，测量所述感测电极的子集的每个电极相对于所述至少一个力电极的互电容，并且如果对象触摸所述触摸检测设备的顶表面，则检测触摸定位上的触摸力。
17.根据权利要求16所述的触摸检测设备，还包括：
液晶显示器LCD堆叠，其设置在所述触摸感测电极层与所述触摸检测设备的顶表面之间，其中所述LCD堆叠被配置为启用基于LCD的显示器。
18.根据权利要求16所述的触摸检测设备，其中，所述处理设备被配置为识别非导电对象，并且将在所述力感测状态下检测到的所述触摸定位确定为所述非导电对象的触摸定位。
19.根据权利要求16所述的触摸检测设备，其中，所述处理设备被配置为识别一个或更多个导电对象，并且将在所述触摸感测状态下检测到的所述一个或更多个触摸定位确定为所述一个或更多个导电对象的一个或更多个触摸定位。
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