CN110050253B - 传感器阵列的多阶段自电容扫描 - Google Patents

Abstract

本文描述了用于传感器阵列的多阶段自电容(MPSC)扫描的技术。在示例实施例中，设备包括耦合到处理逻辑的传感器逻辑。传感器逻辑被配置成在多个扫描操作的每一个扫描操作中同时感测传感器阵列的多个传感器元件，以便获得多个测量值，其中每个测量值表示多个传感器元件的在相对应的扫描操作期间累积的收集电荷。处理逻辑被配置成基于所获得的多个测量值来确定数据值，其中数据值分别表示多个传感器元件的自电容。

Description

传感器阵列的多阶段自电容扫描

优先权

本申请是2017年3月31日提交的美国专利申请第15/475,412号的国际申请，该美国专利申请要求2016年12月14日提交的美国临时申请第62/434,319号的优先权和利益，所有申请通过引用被全部并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及触摸传感器设备领域，且尤其涉及对触摸传感器数据的处理。

背景

计算设备，如膝上型/笔记本计算机、移动通信设备、便携式娱乐设备(例如，手持视频游戏、多媒体播放器等)等等，可以包括便于用户和计算设备之间交互的用户界面设备。已经变得普遍的一种用户界面设备是通过电容感测进行操作的触摸传感器设备或触摸输入设备。触摸传感器设备可以实现为触摸屏、触摸传感器垫、触摸传感器滑块、或触摸传感器按钮，并且可以包括包含电容传感器元件的阵列的触摸传感器。电容感测通常包括扫描操作，该扫描操作周期性地测量与电容传感器元件相关联的电容变化，以相对于触摸传感器确定导电对象(例如，触笔、用户手指等)的存在、位置、类型、和/或移动。

各种电容感测应用(例如，诸如汽车应用)需要这样的电容感测，其能够限制电磁(EM)辐射的干扰，并支持高灵敏度和防水感测属性。然而，当前可用扫描技术(例如，诸如具有有源屏蔽的自电容感测)的一个缺点是，它不能在支持高灵敏度和防水感测的同时提供免受EM辐射的保护。

附图简述

图1是示出根据本文描述的多阶段自电容(MPSC)扫描技术的示例电子系统的实施例的框图。

图2是示出根据示例实施例的使用电容sigma-delta(CSD)调制器电路的MPSC扫描操作的各个阶段(周期)的框图。

图3A-3D是示出根据示例实施例的MPSC扫描操作模式的框图。

图4是示出例如根据图3A-D的示例实施例的MPSC扫描操作模式的示例电压波形的时序图。

图5A-5B是示出根据示例实施例的以四阶段架构的MPSC扫描操作的各个阶段的框图。

图6是示出例如根据图5A-5B的示例实施例的MPSC扫描操作模式的示例电压波形的时序图。

图7A-7B分别是示出根据示例实施例的具有自电容传感器元件的电容传感器阵列的框图和其示意图。

图8A-8C是示出例如根据图7A-B的示例实施例的电容传感器阵列的MPSC扫描操作的各个阶段的示例示意图的框图。

详细描述

以下的描述阐述了很多特定的细节，诸如特定的系统、部件、方法等的示例，以便提供对本文所描述的关于传感器阵列的多阶段自电容(MPSC)扫描的技术的各个实施例的良好理解。然而，对本领域的技术人员明显的是，至少一些实施例可在没有这些特定细节的情况下被实施。在其它实例中，没有详细地描述或以简单的方框图格式呈现公知的部件或方法，以便避免不必要地模糊本文描述的技术。因此，在下文中阐述的特定细节仅仅是示例性的。特定的实现方式可与这些示例性细节不同且仍然被认为在本发明的精神和范围内。

在描述中对“实施例”、“一个实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”、和“各个实施例”的引用意味着结合实施例所描述的特定特征、结构、或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。此外，在描述中的各个地方出现的短语“实施例”、“一个实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”、和“各个实施例”并不一定都指相同实施例。

该描述包括对附图的参考，附图形成了详细描述的一部分，并且其中相似的参考数字可以指代相似的部件或操作。附图示出了根据示例性实施例的图示。在本文中也可被称为“示例”的这些实施例被足够详细地描述，以使本领域中的技术人员能够实践本文所描述的所要求保护的主题的实施例。在不背离所要求保护的主题的范围和精神的情况下，可组合实施例，可使用其它实施例，或可做出结构、逻辑、和电气的改变。应理解的是，本文中所描述的实施例并不旨在限制主题的范围，而是使本领域中的技术人员能够实践、制作、和/或使用该主题。

一些传统的感测技术使用单阶段方法来扫描自电容传感器阵列。例如，自电容感测通道一次连接到一个传感器元件，以由此感测累积的电荷，而传感器阵列的所有其他(未使用的)传感器元件可以连接到有源屏蔽信号。有源屏蔽信号可以基本上再现传感器激励信号，并且通常用于消除未使用的传感器元件的互电容对表示被感测的传感器元件的自电容的测量值的影响。换句话说，传感器阵列的所有传感器元件同时被激励(充电)，但是一次只有一个传感器元件被感测，并且获得的测量值被转换成表示该传感器元件的自电容的数据值(因此，该方法被称为单阶段扫描方法)。

这种单阶段扫描方法的一个缺点是有源屏蔽信号不能精确再现激励信号的形状，并且由此阵列的传感器元件之间的互电容会显著影响表示被感测的传感器元件的自电容的测量值。此外，这种单阶段扫描方法产生高的电磁(EM)辐射，因为传感器阵列中除一个传感器元件之外的所有传感器元件都被有源屏蔽信号激励。降低如此高的EM辐射的一种方法是降低用于给传感器元件充电的激励电压。然而，激励电压的降低导致自电容传感器阵列的灵敏度降低。此外，在使用一个自电容感测通道的触摸传感器设备中，不可能在保持相同信噪比(SNR)的同时提高扫描速率。

为了解决与自电容感测(例如，悬停、接近、和厚覆盖)相关的这些和其他问题，本文描述了用于传感器阵列的MPSC扫描的技术的各种实施例。除非另有明确说明，“传感器阵列”本文也称为“触摸传感器”、“触摸传感器阵列”等。自电容传感器阵列的示例包括但不限于电容式触摸屏、触摸传感器垫、触摸滑块、触摸传感器按钮、和可以被配置成响应于用户发起的接触而作为界面操作的各种其他基于ITO的面板。用户发起的接触可以是导电对象(例如，触笔、用户手指等)在传感器阵列的触摸表面上的物理触摸，或者是导电对象足够接近以影响传感器阵列的传感器元件而不与其触摸表面物理接触的悬停。如本文所使用的，“传感器元件”指的是一个或更多个电极的离散组，其与传感器阵列中的其他电极组是分离的和不同的。

在一个示例实施例中，设备包括耦合到处理逻辑的传感器逻辑。传感器逻辑被配置成在多个扫描操作的每一个扫描操作中同时(例如，一起或基本上一起)感测传感器阵列的多个传感器元件，以获得多个测量值，其中每个测量值表示多个传感器元件的在相对应的扫描操作期间累积的收集电荷。处理逻辑被配置成基于多个测量值确定分别表示多个传感器元件的自电容的数据值。在操作中，多个测量值可以表示与传感器阵列接触或接近的导电对象，并且处理逻辑还可以被配置成基于数据值确定导电对象在传感器阵列上的位置。在该实施例的示例方面中，在特定扫描操作期间，传感器逻辑被配置成用具有与耦合到剩余传感器元件的信号相反极性的信号来激励一个或更多个传感器元件的特定组。在示例方面，设备还包括多路复用器逻辑，该多路复用器逻辑被配置成根据对应于扫描操作的激励模式将传感器逻辑耦合到传感器元件。在示例方面，在每个扫描操作中，传感器逻辑被配置成在预充电阶段激励传感器元件，并且在电荷共享阶段测量传感器元件的收集电荷。在示例方面，处理逻辑被配置成基于对应于扫描操作的去卷积系数矩阵来确定数据值。

在另一示例性实施例中，用于对传感器阵列的MPSC扫描的方法包括以下操作：在多个扫描操作的每一个扫描操作中同时感测传感器阵列的多个传感器元件，以获得多个测量值，其中每个测量值表示多个传感器元件的在相对应的扫描操作期间累积的收集电荷；以及基于多个测量值，确定分别表示多个传感器元件的自电容的数据值。在操作中，多个测量值可以表示与传感器阵列接触或接近的导电对象，并且该方法还可以包括基于数据值确定导电对象在传感器阵列上的位置的操作。在该实施例的示例方面，方法还包括在特定扫描操作期间用具有与耦合到剩余传感器元件的信号相反极性的信号激励一个或更多个传感器元件的特定组。在示例方面，方法还包括根据表示对应于扫描操作的激励模式的激励矩阵激励传感器元件。在示例方面，方法还包括在每个扫描操作的预充电阶段激励传感器元件，并且在电荷共享阶段测量传感器元件的收集电荷。在示例方面，确定数据值包括基于对应于多个扫描操作的去卷积系数矩阵来转换多个测量值。

在另一示例实施例中，系统包括电容传感器阵列、传感器逻辑、和处理逻辑。传感器阵列包括多个传感器元件，例如，行电极和/或列电极。传感器逻辑被配置成在多个扫描操作的每一个扫描操作中同时感测多个传感器元件，以获得多个测量值，其中每个测量值表示多个传感器元件的在相对应的扫描操作期间累积的收集电荷。处理逻辑被配置成基于多个测量值确定分别表示多个传感器元件的自电容的数据值。在该实施例的示例方面中，在特定扫描操作期间，传感器逻辑被配置成用具有与耦合到剩余传感器元件的信号相反极性的信号来激励一个或更多个传感器元件的特定组。在示例方面，系统还可以包括多路复用器逻辑，该多路复用器逻辑被配置成根据对应于扫描操作的激励模式将传感器逻辑耦合到传感器元件。在示例方面，多个测量值可以表示与传感器阵列接触或接近的导电对象，并且处理逻辑还被配置成基于数据值确定导电对象在传感器阵列上的位置。

图1示出了根据本文描述的MPSC扫描技术配置的示例电子系统100的框图。电子系统100包括耦合到处理设备110的传感器阵列121，处理设备110可以耦合到主机150。电子系统100可以被实施为包括作为用户界面的传感器阵列的电子设备。这样的电子设备的示例包括但不限于智能电话、蜂窝电话、平板电脑、笔记本电脑、个人计算机、个人数据助理(PDA)、信息亭、键盘、电视、遥控器、监视器、手持多媒体设备、手持视频播放器、游戏设备、家用或工业设备的控制面板、以及其他计算机外围设备、输入设备、和/或手持设备。可选地，电子系统100可以被实施为可以配置有触摸传感器用户界面的其他类型的设备。应当注意的是，电子系统100的部件可以包括图1中示出的所有部件。可替代地，电子系统100可以仅包括一些示出的部件，或者可以包括图1中未示出的另外的部件。因此，图1的电子系统100应当被认为是说明性而非是限制性的。

传感器阵列121可以设置在触摸面板(例如，触摸屏、触摸板、具有电容按钮的触摸面板等，其上具有触摸感测表面)中，触摸面板可以被配置为用户界面以检测接触或接近传感器阵列的导电对象(例如，触笔、用户手指等)。传感器阵列121包括传感器元件121(1)-121(N)。在图1中，为了说明的目的，每个传感器元件121(1)-121(N)示意性地表示为电容器。在各种实施例中，传感器元件121(1)-121(N)可以是行电极、列电极、和/或成形的行电极和列电极，它们在触摸面板上彼此电绝缘，但是在操作期间可能经受电容耦合。

处理设备110包括耦合到处理逻辑102的传感器逻辑101，处理逻辑102也可以耦合到非感测逻辑103。(如本文所使用的，“逻辑”指的是可以通过各种模拟/数字信号控制并被配置成执行某些操作的一组硬件电路、块、和/或部件。)处理设备110可驻留在公共载体衬底上，如在集成电路(“IC”)晶片衬底、或多芯片模块衬底等上。在一个实施例中，处理设备110可以是在单个IC晶片上制造的芯片上可编程系统，例如，由加利福尼亚州圣何塞的赛普拉斯半导体公司(Cypress Semiconductor Corporation)开发的芯片上可编程系统(PSoC^TM)处理设备。可替代地，处理设备110可以是一个或更多个其他处理设备，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)，或其他可编程设备。例如，在一些实施例中，处理设备110可以是网络处理器，其具有包括核心单元和多个微引擎的多个处理器。另外，处理设备110可以包括通用处理设备和专用处理设备的任意组合。在操作中，处理设备110被配置成根据本文所描述的MPSC扫描技术周期性地(例如，以特定频率)对传感器阵列121执行扫描操作，以便测量在其传感器元件的自电容中反映的变化，从而确定导电对象相对于传感器阵列的存在、位置、和/或移动。

处理设备110经由多路复用器113耦合到传感器阵列121，多路复用器113可以包括一根或更多根模拟总线、开关、和/或用于传输信号的其他电路。处理设备110(和/或其部件，如传感器逻辑101)包括各种硬件电路和/或固件(例如，扫描定序器)，以根据本文描述的MPSC扫描技术操作多路复用器113。例如，在扫描操作的预充电阶段，处理设备110(和/或其部件)配置多路复用器113以将传感器阵列121的一个或更多个传感器元件耦合到具有给定极性(例如，相移)的激励信号，同时将传感器阵列的剩余传感器元件耦合到具有不同或相反极性(例如，相移)的信号。在扫描操作的电荷共享阶段，处理设备110(和/或其部件)配置多路复用器113以将传感器阵列121的传感器元件耦合到处理设备110的自电容感测通道，从而提供对所有传感器元件的同时感测(扫描)。

在图1的实施例中，传感器逻辑101被配置成包括处理设备110的自电容感测通道(未显示)。自电容感测通道包括硬件电路，其操作以通过多路复用器113接收和处理来自传感器阵列121的信号。这种感测通道可以包括张弛振荡器、电容sigma-delta(CSD)调制器、全波CSD、斜坡转换器ADC(模数转换器)、或其他装置，以将从传感器阵列接收的信号处理和/或转换成表示自电容电荷的测量值(例如，也称为“原始数据”或“原始数据计数”)。根据本文描述的MPSC感测技术，从传感器阵列121接收的测量值表示多个传感器元件121(1)-121(N)的在扫描操作的预充电阶段累积的收集电荷。在一些实施例中，传感器逻辑101获得的测量值可以是表示信号的一个或更多个特征的信号值；附加地，或者替代地，在一些实施例中，信号值可以是从测量值中基于信号特征(例如，电压和/或电流幅度、原始电容等)导出的值。应当注意的是，存在各种已知的用于测量表示电容的信号特征的方法，如电流对电压相移测量、电阻-电容充电定时、电容桥式分压器、电荷转移、连续逼近、sigma-delta调制器、电荷累积电路、场效应、互电容、频移、或其他电容测量算法。还应当注意的是，除了估计相对于阈值的测量值(例如，原始数据计数)，传感器逻辑还可以被配置成估计其他测量的值以确定用户与传感器阵列的交互。例如，在具有CSD调制器的传感器逻辑中，传感器逻辑可以被配置成估计调制器输出的脉冲宽度比，而不是原始数据计数超过或低于某个阈值。

处理设备110还包括处理逻辑102。处理逻辑102被配置成执行本文所描述的MPSC扫描技术的各种操作，其中这些操作可以在固件中、或者可替代地在硬件和/或软件中实现。例如，处理逻辑102被配置成针对在传感器阵列121上执行的多个扫描操作中的每一个操作，接收并存储来自传感器逻辑101的测量值，并且然后对接收/存储的测量值去卷积，以便在给定的时间获得分别表示传感器阵列的传感器元件的自电容的数据值(例如，数字计数)。处理逻辑102然后可以使用数据值来确定在传感器阵列121上或附近是否检测到导电对象(例如，确定对象的存在)，其中在传感器阵列上检测到对象(例如，确定对象的位置)，跟踪对象的运动，或者确定与检测到的对象相关的其他信息。

在一些实施例中，处理设备110可以被配置成向主机(例如，主机150)发送测量值(例如，原始数据计数)或部分处理的数据，而不使用处理逻辑102来执行上述操作。如图1所示，主机150可以包括决策逻辑151，决策逻辑151被配置成执行以上针对处理逻辑102描述的一些或所有操作。处理逻辑151的操作可以在固件、硬件、软件、或其组合中实现。主机150可以包括针对应用152的高级应用编程接口(API)，该API可以被配置成针对可用来实现本文所描述的MPSC扫描技术的各种操作对接收到的数据执行例程。因此，在各种实施例中，处理逻辑102的操作可以在决策逻辑151、应用152中实现，或者在处理设备110外部的其他硬件、软件、和/或固件中实现。在某些实施例中，处理设备110可以是主机150。在这些和其他实施例中，处理设备110还可以包括非感测逻辑103。非感测逻辑103可以被配置成处理/接收/发送往来于自主机150的数据。例如，非感测逻辑103可以包括可用于与处理设备110一起和/或与传感器阵列121一起操作的部件(例如，键盘、小键盘、鼠标、轨迹球、LED、显示器、或其他外围设备)。

当在具有多个传感器元件的传感器阵列上执行自电容扫描操作时，本文所描述的MPSC扫描技术提供了多阶段激励方法的使用。这种多阶段激励方法影响两个扫描参数(除了其他的)——扫描时间和信噪比(SNR)。在各种实施例中，这些方法可以以恒定的SNR减少扫描时间，或者可替代地，如果扫描时间相对于传统的自电容扫描技术保持相同(例如，恒定)，则可以提高SNR。从而，本文所描述的MPSC扫描技术比传统的自电容扫描技术具有更高的灵敏度，但是产生更低的EM辐射。例如，在最佳情况下，如果传感器阵列的传感器元件的数量是N，那么扫描时间可以减少N倍，或者SNR可以增加

倍。此外，根据本文所描述的MPSC扫描技术，在特定扫描操作期间，所有传感器元件同时(例如，一起或基本上一起)被感测，但是每个传感器元件的激励信号的极性(例如，相移)取决于特定的多阶段激励模式，并且这种模式的数量等于传感器阵列中传感器元件的数量。

下表1提供了具有四个传感器元件的传感器阵列的多阶段激励模式和自电容值计算的示例集合。

表1多阶段激励模式及其电容值计算

在上面的表1中，模式1-4分别用于第一次至第四次扫描操作；C1、C2、C3和C4是传感器元件的电容；a1、a2、a3和a4是由传感器逻辑的激励电压和感测通道转移函数定义的常数；并且A、B、C、D是由处理设备获得的测量值。极性减(表1中常数前面的“-”符号)表示相对应的传感器元件的激励信号具有与其他传感器元件的激励信号相反的极性/相移(例如，180°相移)。

根据表1中的多阶段激励模式，当扫描传感器阵列时，处理设备可以形成并使用以下的方程组(1)：

实际上，对于大多数实施例，激励电压和感测通道转移函数是相同的，因此下面的方程(2)成立：

a1＝a2＝a3＝a4＝a (2)

因此，方程组(1)可以改写为下面的方程组(3)：

其中A'＝A/a，B'＝B/a，C'＝C/a，D'＝D/a。方程组(3)中的左矩阵被称为“激励矩阵”，因为它存储表示激励模式的信息，该激励模式可被处理设备用来驱动传感器阵列的传感器元件上的激励信号。在一些实施例中，处理设备将激励矩阵实现为具有被存储在可由处理设备的各种部件访问的易失性和/或非易失性存储器中的数据的数据结构。

在处理设备执行扫描操作以获得相对应的测量值之后，处理设备可以使用下面的方程组(4)来计算表示传感器阵列的传感器元件的自电容的数据值：

方程组(4)中的中间矩阵被称为“去卷积矩阵”，因为它存储了去卷积系数，这些去卷积系数可以被处理设备使用以计算表示传感器阵列的每个传感器元件的所测量的自电容的数据值。在一些实施例中，处理设备将去卷积矩阵实现为具有被存储在可由处理设备的各种部件访问的易失性和/或非易失性存储器中的去卷积系数数据的数据结构。

方程组(4)中的每一行表示一个有限脉冲响应(FIR)滤波器，且去卷积系数可以被认为是FIR滤波器的系数。FIR滤波器的噪声抑制比K_ns由下面的方程(5)表示：

其中sl_i是任一行的去卷积系数，而N是该行的元素数量。

为了提供本文所描述的MPSC扫描技术，各种实施例的测量和扫描部件必须测量与传感器元件电容的和及减(差)直接成比例的值。例如，在一些实施例中，MPSC扫描技术可以使用无源积分器和有源积分器。具有无源积分器的实施例使用电荷转移方法，其中电荷在传感器元件电容和积分器或调制器电容之间共享。因此，在这样的实施例中，积分器或调制器电容必须具有比传感器元件电容高得多的值。

图2示出了根据本文描述的MPSC扫描技术的示例实施例中利用电容sigma-delta(CSD)调制器电路实现的扫描操作的阶段(周期)。在该示例实施例中可以实现两种电荷转移类型——“负”和“正”。图2示出了耦合到传感器阵列221的传感器逻辑201的操作环境中的这两种示意性类型。传感器逻辑201包括CSD调制器电路和传感器扫描定序器(未显示)，传感器扫描定序器被配置成在两个阶段控制扫描操作：预充电阶段202(Ph0)和电荷转移阶段204(Ph1)。在扫描操作的预充电阶段202，传感器逻辑201(例如，根据其扫描定序器)被配置成通过正总线205和负总线207耦合传感器阵列221的传感器元件，其中正总线205上提供的激励信号具有与负总线207上提供的激励信号不同或相反的极性(例如，180°相移)。在预充电阶段202期间，传感器元件中的一个传感器元件耦合到正总线，而剩余的传感器元件耦合到负总线。在负电荷转移电路(例如，通过总线207)中，传感器元件(例如，“Cs2”、“Cs3”、和“Cs4”中的每一个)耦合到系统接地，从而其电容(“Csn”)电荷变为零。在正电荷转移电路(例如，通过总线205)中，一个传感器元件(例如，“Cs1”)耦合到电源(例如，“VDDA”)，从而其电容电荷(“Csp”)变为C_sp*VDDA。根据本文所述的MPSC扫描技术，在扫描操作的电荷共享阶段204，所有传感器元件(例如，“Cs1”、“Cs2”、“Cs3”、“Cs4”)一起耦合到(例如，通过使用合适的多路复用器)同一个节点213，该节点213耦合到具有电容(“Cmod”)的CSD调制器电路。因此，根据下面的方程(6)和(7)，传感器阵列221的每个传感器元件与CSD调制器电路的电容(“Cmod”)共享其电容电荷(例如，具有电容“Cs1”的传感器元件共享其电荷“Csp*VDDA”，并且具有电容“Cs2”、“Cs3”、和“Cs4”的每个传感器元件共享电荷“Csn”)：

因此，根据下面的方程(8)，所有传感器元件在扫描操作期间累积的总的收集电荷变得与传感器元件电容的减成正比：

方程(8)表明，具有两种电荷转移类型的上述激励方法可以容易地用于多阶段自电容扫描操作。在一些实施例中，这种激励方法可以由配置有两阶段定序器的传感器逻辑来实现。例如，在激励/预充电阶段，传感器逻辑可以被配置成将一组一个或更多个传感器元件耦合到正电荷转移总线，并将剩余的传感器元件耦合到负电荷转移总线。然后，在扫描/电荷转移阶段期间，传感器逻辑被配置成彼此耦合，并且同时扫描所有传感器元件，以便测量表示所有传感器元件的在激励阶段期间累积的收集电荷的求和电流(或电压)。该求和电流(或电压)等于(或正比于)负激励传感器元件的电流总和和正激励传感器元件的电流总和之间的差值。(虽然该技术在图2和到此为止的其他图中示出用于四个传感器元件，但是应当注意的是，本文描述的MPSC技术不限于四个传感器元件，并且各种实施例可以使用具有不同数量的传感器元件的传感器阵列，例如，具有多达71个传感器元件的传感器阵列)。例如，在图2的实施例中，在预充电阶段202期间，一组一个“正”传感器元件通过正总线205耦合到电源“VDDA”，一组三个“负”传感器元件通过负总线207耦合到接地。在电荷共享阶段204期间，所有传感器元件通过公共节点213一起耦合到具有电容(“Cmod”)的CSD调制器电路。CSD调制器电路中的转换器将节点213处的电压“Vcmod”保持在参考电压“Vref”左右(例如，非常接近)。在优选配置中，参考电压“Vref”保持在电源电压VDDA的大约一半，即V_ref≈1/2VDDA。在其他配置中，假设去卷积系数被相应地调整，针对VDDA可以使用不同的值，其中这些系数取决于“VDDA”和“Vref”之间的关系(如将在此之前描述的)。

图3A-3D是示出根据本文描述的MPSC扫描技术的扫描操作的多阶段激励模式的框图。在图3A中，扫描操作的预充电阶段的激励模式300(1)在传感器阵列321的环境中示出，其中传感器元件中的一个(“Cs1”)耦合到正总线305(例如，用于接收具有正极性的激励信号)，而剩余的传感器元件(“Cs2”、“Cs3”、和“Cs4”)耦合到接地的负总线307(例如，用于接收具有不同极性的激励信号)。根据本文所描述的MPSC扫描技术，在扫描操作的电荷转移阶段，所有传感器元件(例如，“Cs1”、“Cs2”、“Cs3”、“Cs4”)耦合在一起，并且传感器逻辑(未显示)被配置成测量预充电阶段期间由所有传感器元件累积的收集电荷Q_sum1。收集电荷Q_sum1由下面的方程(9)表示：

Q_sum1＝C_s1·(V_DDA-V_ref)-V_ref·(C_s2+C_s3+C_s4) (9)

在图3B中，扫描操作的预充电阶段的激励模式300(2)在传感器阵列321的环境中示出，其中一个传感器元件(“Cs2”)耦合到正总线305(例如，用于接收具有正极性的激励信号)，而剩余的传感器元件(“Cs1”、“Cs3”和“Cs4”)耦合到接地的负总线307(例如，用于接收具有不同极性的激励信号)。根据本文所描述的MPSC扫描技术，在扫描操作的电荷转移阶段，所有传感器元件(例如，“Cs1”、“Cs2”、“Cs3”、“Cs4”)耦合在一起，并且传感器逻辑(未显示)被配置成测量预充电阶段期间由所有传感器元件累积的收集电荷Q_sum2。收集电荷Q_sum2由下面的方程(10)表示：

Q_sum2＝C_s2·(V_DDA-V_ref)-V_ref·(C_s1+C_s3+C_s4) (10)

在图3C中，扫描操作的预充电阶段的激励模式300(3)在传感器阵列321的环境中示出，其中一个传感器元件(“Cs3”)耦合到正总线305(例如，用于接收具有正极性的激励信号)，而剩余的传感器元件(“Cs1”、“Cs2”、和“Cs4”)耦合到耦合接地的负总线307(例如，用于接收具有不同极性的激励信号)。根据本文所描述的MPSC扫描技术，在扫描操作的电荷转移阶段，所有传感器元件(例如，“Cs1”、“Cs2”、“Cs3”、“Cs4”)耦合在一起，并且传感器逻辑(未显示)被配置成测量预充电阶段期间由所有传感器元件累积的收集电荷Q_sum3。收集电荷Q_sum3由下面的方程(11)表示：

Q_sum3＝C_s3·(V_DDA-V_ref)-V_ref·(C_s1+C_s2+C_s4) (11)

在图3D中，扫描操作的预充电阶段的激励模式300(4)在传感器阵列321的环境中示出，其中一个传感器元件(“Cs4”)耦合到正总线305(例如，用于接收具有正极性的激励信号)，而剩余的传感器元件(“Cs1”、“Cs2”、和“Cs3”)耦合到耦合接地的负总线307(例如，用于接收具有不同极性的激励信号)。根据本文所描述的MPSC扫描技术，在扫描操作的电荷转移阶段，所有传感器元件(例如，“Cs1”、“Cs2”、“Cs3”、“Cs4”)耦合在一起，并且传感器逻辑(未显示)被配置成测量预充电阶段期间由所有传感器元件累积的收集电荷Q_sum4。收集电荷Q_sum4由下面的方程(12)表示：

Q_sum4＝C_s4·(V_DDA-V_ref)-V_ref·(C_s1+C_s2+C_s3) (12)

图4示出了时序图400，其分别示出了根据图3A-3B的示例实施例的激励模式300(1)和300(2)的电压波形。在时序图400中，“VCs1”、“VCs2”、“VCs3”、和“VCs4”分别表示传感器阵列的四个传感器元件在预充电阶段(“Ph0”)的激励信号的电压，以及“Vref”表示传感器逻辑的CSD调制器电路使用的参考电压，该参考电压被设置为V_ref＝1/2VDDA。

根据本文所描述的MPSC扫描技术，传感器逻辑以上述两阶段方式对传感器阵列中的每个传感器元件“i”执行扫描操作，以获得并存储相对应的测量值，该相对应的测量值表示在特定扫描操作中传感器元件累积的收集电荷

执行扫描操作后，有四个方程和四个变量。因此，表示这些扫描操作的激励矩阵可以根据下面的方程组(13)来写入：

处理逻辑(和/或其部件)然后可以求解方程组(13)，以便根据下面的方程组(14)获得表示阵列的传感器元件电容的数据值(“Cs1”、“Cs2”、“Cs3”和“Cs4”)：

在传感器逻辑的CSD调制器电路使用的参考电压被设置为V_ref＝1/2VDDA的实施例中，处理逻辑可以使用方程组(14)将测量的电荷(原始数据计数)

和

转换成表示传感器元件的自电容的数据值(也称为“代码”或数字数据值)，如下面的方程组(15)中所表达的：

在该实施例中，系统的FIR滤波器的噪声抑制比是K_ns＝2。噪声抑制比K_ns等于“2”意味着根据本文所描述的技术的MPSC扫描中的白噪声水平比传统单阶段扫描的噪声抑制比低两(2)倍，其中该传统的单阶段扫描针对具有相同数量和类型的传感器元件的传感器阵列使用相同的扫描时间和相同的激励电压“Vref”。

各种实施例可以使用不是基本上等于VDDA电压一半的参考电压，并且在这些实施例中，去卷积系数(例如，在方程组15的中间矩阵中)不具有相等的绝对值。例如，如果传感器逻辑的CSD调制器电路使用的参考电压被设置为V_ref＝1/3VDDA，那么方程组(14)可以以下面的方程组(16)进行变换：

在使用上述方程组(16)的实施例中，系统的噪声抑制比是K_ns＝1.75。因此，虽然针对噪声减轻来说，该实施例可能不如使用基本上等于VDDA电压一半的参考电压的实施例有效，但是该实施例示出了本文描述的用于MPSC扫描的技术可以用使用各种参考电压的各种电子部件和比较器来实现。然而，要注意的是，作为本文描述的技术的一般规则，激励/去卷积矩阵的行值之和不能等于零/空，因为矩阵将变得奇异并因此不可解。例如，如果参考电压“Vref”等于VDDA电压的四分之一，则相对应的激励/去卷积矩阵将是奇异的，并且因此处理逻辑将无法基于从相对应的扫描操作接收的测量值轻易地计算出解。也就是说，处理逻辑将无法将接收的测量值去卷积成对应于底层传感器元件的自电容的数据值。

在一些实施例中，本文所描述的MPSC扫描技术可以在传感器逻辑中使用较长的多阶段定序器，该传感器逻辑使用任何全波转换器将整个激励电压波形转换成恒定极性(正极性或负极性)的激励信号。这种全波转换器的一个示例是使用两个积分电容器的CSD通道架构。在使用这种通道架构的示例实施例中，传感器逻辑的定序器可以被配置为根据四个阶段操作。

图5A-5B是示出根据示例实施例的这种四阶段架构中的MPSC扫描操作的阶段的框图。在该实施例中，扫描操作的预充电阶段和电荷共享阶段是交错的，但是(连续扫描操作的)预充电阶段根据与两阶段架构中使用的激励模式不同的激励模式来执行。例如，根据四阶段激励模式，传感器元件的“负”组和“正”组在连续扫描操作的预充电阶段互换。在电荷共享阶段，传感器元件仍然相互耦合并一起感测，但是四阶段传感器逻辑使用的积分电容器“Cint”不同于两阶段架构的传感器逻辑中使用的调制电容器“Cmod”。

图5A示出了四阶段MSCP扫描操作的前两个阶段(“Ph0”和“Ph1”)。在第一扫描操作的预充电阶段502(“Ph0”)，传感器阵列521的传感器元件中的一个(“Cs1”)耦合到正总线505，以接收基于电源电压“VDDA”的激励信号，而剩余的传感器元件(“Cs2”、“Cs3”、和“Cs4”)耦合到耦合接地的负总线507。在第一扫描操作的电荷转移阶段504(“Ph1”)，传感器逻辑501将所有传感器元件(例如，“Cs1”、“Cs2”、“Cs3”、“Cs4”)(例如，通过使用合适的多路复用器)一起耦合(或导致耦合)到同一节点513。传感器逻辑(或其感测通道的部件)然后基于耦合到正电源电压源的具有电容(“Cint1”)的第一积分电容器测量表示由所有传感器元件累积的电荷的信号。图5B示出了四阶段MSCP扫描操作的最后两个阶段(“Ph2”和“Ph3”)。在第二扫描操作的预充电阶段506(“Ph2”)，传感器元件的耦合被交换——也就是说，先前耦合到正总线505的传感器元件(“Cs1”)现在耦合到负总线507，而剩余的传感器元件(“Cs2”、“Cs3”、和“Cs4”)现在耦合到正总线505。然后，在第二扫描操作的电荷转移阶段508(“Ph3”)，传感器逻辑501将所有传感器元件(例如，“Cs1”、“Cs2”、“Cs3”、“Cs4”)(例如，通过使用合适的多路复用器)一起耦合(或导致耦合)到同一节点513。传感器逻辑(或其感测通道的部件)然后基于耦合到负电压电源的具有电容(“Cint2”)的第二积分电容器测量表示由所有传感器元件累积的电荷的信号。

图6示出了时序图600，其示出了根据图5A-5B的示例性实施例的两个激励模式的电压波形。如时序图600所示，当传感器逻辑使用的参考电压仍然被设置为V_ref＝1/2VDDA时，在预充电阶段“Ph0”和“Ph2”期间使用激励信号电压(“VCs1”、“VCs2”、“VCs3”、和“VCs4”)的全波。注意，根据四阶段架构的其他激励模式可以以类似的方式形成。此外，处理逻辑使用类似于(14)的方程组来计算表示传感器阵列521的传感器元件的自电容的数据值(例如，“Cs1”、“Cs2”、“Cs3”、和“Cs4”)，不同的是去卷积矩阵中的系数对应于注入分别具有电容

和

的两个积分电容器中的每一个中的测量电荷

和

的绝对值之和。

本文描述的MPSC扫描技术的各种实施例可以使用具有多个传感器元件的各种传感器阵列和具有一个接收/感测通道的传感器逻辑。典型地，在这种实施例的传感器阵列中的传感器元件之间的操作期间出现互电容。当使用自电容感测时，这种互电容本质上是寄生的，并且本文描述的技术在这种实施例中有效地消除了互电容的影响。关于这一点，图7A示出了具有多个传感器元件的示例传感器阵列的片段，并且图7B、8A-8C显示了示例示意图，以示出互电容影响的消除。

图7A示出了具有自电容传感器元件的传感器阵列片段的结构。在图7A中，传感器阵列721由诸如电极721(1)和721(2)的行电极和诸如电极721(3)和721(4)的列电极形成。虽然在图7A的传感器阵列片段中仅示出了两个行电极和两个列电极，但是应当注意的是，传感器阵列可以具有任意数量(例如，多达71个)的行电极和列电极。在传感器阵列721中，行电极721(1)-721(2)彼此电绝缘，并且列电极721(3)-721(4)中的每一个也彼此电绝缘。因此，在操作期间，行电极721(1)可以具有自电容“Cs1”，行电极721(2)可以具有自电容“Cs2”，列电极721(3)可以具有自电容“Cs3”，并且列电极721(4)可以具有自电容“Cs4”。然而，如图7B的等效示意图732所示，在操作期间，行电极721(1)-721(2)和列电极721(3)-721(4)也可以彼此电容耦合。例如，互电容“Cm1”可以形成在行电极721(1)和列电极721(3)之间，互电容“Cm2”可以形成在行电极721(2)和列电极721(3)之间，互电容“Cm3”可以形成在行电极721(1)和列电极721(4)之间，以及互电容“Cm4”可以形成在行电极721(2)和列电极721(4)之间。根据本文描述的MPSC扫描技术，对这些不希望有的互电容的消除在图8A-8C中被示出。

图8A示出了示意图832，其等同于传感器阵列(如图7A的传感器阵列721)上扫描操作的预充电阶段。如图8A所示，在预充电阶段802期间，所有寄生互电容“Cm”收集一些电荷，并且因此具有一些电容。图8B-8C示出了扫描操作的电荷共享阶段804的示意图842，在此期间，传感器阵列的所有传感器元件在节点813处(例如，通过合适的多路复用器)耦合在一起，并且传感器逻辑801耦合到节点813以测量传感器元件累积的收集电荷。在电荷共享阶段804期间，当传感器逻辑801扫描传感器阵列的传感器元件时，所有“Cm”电容器自身短路(如图8C中的参考数字815更清楚指示的)，这意味着“Cm”电容不影响传感器逻辑801在节点813处测量的累积电荷值。以这种方式，本文所描述的MPSC扫描技术消除了传感器阵列的自电容扫描期间可能出现的任何寄生互电容。

在各种实施例中，本文所描述的MPSC扫描技术提供了避免传统单阶段自电容扫描可能导致的一些不利方面。例如，在一些实施例中，本文描述的技术提供了低EM辐射(例如，通过避免使用有源屏蔽信号)、高灵敏度以(例如，通过同时扫描传感器阵列的所有传感器元件)确定导电对象的存在、位置和移动、和/或提供了防水操作(例如，通过消除可能存在于传感器阵列上的水的互电容副作用)。此外，在一些实施例中，本文描述的技术以恒定的SNR减少扫描时间，或者如果扫描时间保持恒定/与传统的自电容扫描技术一致，则提高信噪比。

本文所描述的用于传感器阵列的MPSC扫描的各个实施例可包括各种操作。这些操作可由硬件部件、固件/软件、或其组合执行。在本文使用时，术语“耦合到”和“与......耦合”意味着直接耦合或通过一个或更多个中间部件间接耦合。本文所述的在各种总线上提供的任何信号可以与其它信号时间复用并通过一个或更多个公共总线被提供。此外，在电路部件或块之间的互连可被示为总线或单信号线。总线中的每个可以可选地是一个或更多个单信号线，并且单信号线中的每个可以可选地是总线。

某些实施例可被实施为可包括储存在非暂态计算机可读介质(例如，诸如易失性储存器和/或非易失性储存器)上的指令的计算机程序产品。这些指令可用于对包括一个或更多个通用或专用处理器(例如，诸如中央处理单元或CPU)或其等效形式(例如，诸如处理核心、处理引擎、微控制器等)的一个或更多个设备编程，使得当由处理器或其等效形式执行时，指令使设备执行用于传感器阵列的MPSC扫描的所述操作。非暂态计算机可读存储介质可包括但不限于电磁储存介质(例如，软盘、硬盘等等)、光学储存介质(例如，CD-ROM)、磁光储存介质、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、可擦除可编程存储器(例如，EPROM和EEPROM)、闪存、或适合储存信息的另一现在已知类型或以后开发的类型的介质。

虽然本文中任何方法的操作可能以特定次序示出和描述，但是每种方法的操作次序可以被改变，使得特定操作可以以相反次序执行，或使得特定操作可与其他操作至少部分并行执行。在其他实施例中，不同操作的指令或子操作可以以间歇和/或交替的方式。

在前述说明书中，本发明已参考其特定示例实施例进行描述。然而明显的是，在不偏离如在所附权利要求中阐述的本发明的更宽的精神和范围的情况下，可对其做出各种修改和改变。说明书和附图相应地是从说明性意义上而非从限制性意义上来考虑的。

Claims (20)

1.一种传感器阵列的多阶段自电容扫描设备，包括：

传感器逻辑，其被配置成在多个自电容扫描操作的每一个自电容扫描操作中将传感器阵列的多个传感器元件耦合在一起，并同时感测所述传感器阵列的多个传感器元件，以获得多个测量值，其中，每个测量值表示所述多个传感器元件的在所述多个自电容扫描操作的相对应的自电容扫描操作期间累积的收集电荷；以及

处理逻辑，其被配置成基于所述多个测量值确定分别表示所述多个传感器元件的每个传感器元件的自电容的数据值。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，在所述多个自电容扫描操作的特定自电容扫描操作期间，所述传感器逻辑被配置成用具有与耦合到所述多个传感器元件的剩余传感器元件的信号相反极性的信号来激励一个或更多个传感器元件的特定组。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述传感器逻辑被配置成根据激励矩阵来激励所述多个传感器元件，所述激励矩阵表示对应于所述多个自电容扫描操作的多个激励模式。

4.根据权利要求3所述的设备，还包括多路复用器，所述多路复用器被配置成根据所述多个激励模式将所述传感器逻辑耦合到所述多个传感器元件。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，在所述多个自电容扫描操作的每一个自电容扫描操作中，所述传感器逻辑被配置成在预充电阶段期间激励所述多个传感器元件，并且在电荷共享阶段期间测量所述多个传感器元件的收集电荷。

6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述传感器逻辑包括自电容感测通道，所述自电容感测通道包括电容sigma-delta(CSD)调制器、全波sigma-delta(CSD)调制器、和斜率转换器中的一者。

7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述处理逻辑被配置成基于对应于所述多个自电容扫描操作的去卷积系数矩阵来确定所述数据值。

8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个测量值表示接触或接近所述传感器阵列的导电对象。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述处理逻辑还被配置成基于所述数据值来确定所述导电对象在所述传感器阵列上的位置。

10.一种传感器阵列的多阶段自电容扫描的方法，所述方法包括：

从对所述传感器阵列的多个相对应的自电容扫描操作获得多个测量值，其中从相对应的自电容扫描操作获得测量值包括：

将所述传感器阵列的多个传感器元件耦合在一起；以及

同时感测所述多个传感器元件；

其中，所述测量值表示所述多个传感器元件的在所述相对应的自电容扫描操作期间累积的收集电荷；以及

基于所述多个测量值确定分别表示所述多个传感器元件的每个传感器元件的自电容的数据值。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括在所述多个自电容扫描操作的特定自电容扫描操作期间，用具有与耦合到所述多个传感器元件的剩余传感器元件的信号相反极性的信号激励一个或更多个传感器元件的特定组。

12.根据权利要求10所述的方法，还包括根据激励矩阵来激励所述多个传感器元件，所述激励矩阵表示对应于所述多个自电容扫描操作的多个激励模式。

13.根据权利要求10所述的方法，还包括在所述多个自电容扫描操作的每一个自电容扫描操作中，在预充电阶段期间激励所述多个传感器元件，其中，同时感测所述多个传感器元件包括在电荷共享阶段期间测量所述多个传感器元件的收集电荷。

14.根据权利要求10所述的方法，其中，确定所述数据值包括基于对应于所述多个自电容扫描操作的去卷积系数矩阵来转换所述多个测量值。

15.根据权利要求10所述的方法，其中，所述多个测量值表示接触或接近所述传感器阵列的导电对象，并且所述方法还包括基于所述数据值确定所述导电对象在所述传感器阵列上的位置。

16.一种传感器阵列的多阶段自电容扫描系统，包括：

传感器阵列，所述传感器阵列包括多个传感器元件；

传感器逻辑，所述传感器逻辑耦合到所述传感器阵列，所述传感器逻辑被配置成在多个自电容扫描操作的每一个自电容扫描操作中将所述多个传感器元件耦合在一起并同时感测所述多个传感器元件，以获得多个测量值，其中，每个测量值表示所述多个传感器元件的在所述多个自电容扫描操作的相对应的自电容扫描操作期间累积的收集电荷；以及

处理逻辑，所述处理逻辑耦合到所述传感器逻辑，所述处理逻辑被配置成基于所述多个测量值来确定分别表示所述多个传感器元件的每个传感器元件的自电容的数据值。

17.根据权利要求16所述的系统，其中，在所述多个自电容扫描操作的特定自电容扫描操作期间，所述传感器逻辑被配置成用具有与耦合到所述多个传感器元件的剩余传感器元件的信号相反极性的信号来激励一个或更多个传感器元件的特定组。

18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述多个传感器元件是所述传感器阵列的多个行电极或多个列电极。

19.根据权利要求16所述的系统，还包括多路复用器，所述多路复用器被配置成根据对应于所述多个自电容扫描操作的多个激励模式将所述传感器逻辑耦合到所述多个传感器元件。

20.根据权利要求16所述的系统，其中，所述多个测量值表示接触或接近所述传感器阵列的导电对象，并且所述处理逻辑还被配置成基于所述数据值确定所述导电对象在所述传感器阵列上的位置。

Images