CN110568952B - 压力感测装置和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了压力感测装置和方法。描述了处理来自触摸面板的信号的装置。触摸面板包括设置在感测电极和公共电极之间的压电材料层。装置包括连接到感测电极的第一电路。第一电路生成第一压力信号。第一压力信号对应于感测电极并指示靠近对应的感测电极作用在触摸面板上的压力。装置还包括连接到公共电极的第二电路。第二电路生成指示施加到触摸面板的总压力的第二压力信号。装置还包括控制器，控制器配置成基于第二压力信号和第一压力信号的加权总和确定外部干扰信号。控制器还配置成将外部干扰信号与阈值进行比较。控制器还配置成响应于外部干扰信号大于或等于阈值而输出干扰标志，干扰标志指示第一压力信号和第二压力信号受到与外部电场耦合的影响。

Description

压力感测装置和方法
技术领域
本发明涉及用于处理来自压力感测触摸面板的信号的装置和方法，以及使用该设备和方法的触摸面板系统。
背景技术
电阻式触摸面板和电容式触摸面板用作计算机和移动设备的输入设备。一种类型的电容式触摸面板(如投射电容式触摸面板)通常用于移动设备。在US 2010/0079384A1中描述了投射电容式触摸面板的示例。
投射电容式触摸面板通过检测由导电物体的接近引起的电场变化来操作。通常使用电容传感器的阵列或网格来确定投射电容式触摸面板被触摸的位置。虽然投射电容式触摸面板通常可以在单点触摸事件和多点触摸事件之间进行区分，但是投射电容式触摸面板具有无法感测压力的缺点。因此，投射电容式触摸面板倾向于不能在相对轻的敲击和相对重的按压之间进行区分。可以感测压力的触摸面板可以允许用户通过提供关于用户与触摸面板交互的附加信息以新的方式与设备交互。
WO 2016/102975A2描述了用于组合式电容和压力感测的装置和方法，其中单个信号被放大，然后随后被分成压力分量和电容分量。WO 2017/109455A1描述了用于组合式电容和压力感测的装置和方法，其中单个信号被分成电容信号和被放大的压力信号。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于处理来自触摸面板的信号的装置。触摸面板包括设置在多个感测电极和至少一个公共电极之间的压电材料层。该装置包括用于连接到多个感测电极的第一电路。第一电路被配置成生成多个第一压力信号。每个第一压力信号对应于一个或多个感测电极并指示靠近对应的一个或多个感测电极作用在触摸面板上的压力。该装置还包括用于连接到至少一个公共电极的第二电路。第二电路被配置成生成第二压力信号，第二压力信号指示施加到触摸面板的总压力。该装置还包括控制器，该控制器被配置成基于第二压力信号和多个第一压力信号的加权总和来确定外部干扰信号。控制器还被配置成将外部干扰信号与预先校准的阈值进行比较。控制器还被配置成响应于外部干扰信号大于或等于预先校准的阈值而输出干扰标志，该干扰标志指示第一压力信号和第二压力信号受到与一个或多个外部电场耦合的影响。
每个感测电极可以贡献单个第一压力信号。
控制器还可以被配置成确定向触摸面板施加压力的位置。控制器可以被配置成响应于设置干扰标志，使用被配置成减少或消除与一个或多个外部电场耦合的影响的信号后处理方法来处理第一压力信号和/或第二压力信号。
使用被配置成减少或消除与一个或多个外部电场耦合的影响的信号后处理方法来处理第一压力信号和/或第二压力信号，可以包括识别接近该位置的一个或多个感测电极，并从计算中排除所识别的感测电极以确定总压力。
控制器还可以被配置成基于其余未排除的感测电极来估计靠近一个或多个被排除的感测电极作用在触摸面板上的一个或多个压力。
第一电路可以被配置成对每个感测电极生成指示感测电极的电容的电容信号。控制器可以被配置成基于电容信号来确定向触摸面板施加压力的位置。
生成第一压力信号和电容信号可以包括分离从感测电极接收的单个信号。
每个第一压力信号可以对应于单个感测电极。
一种触摸面板系统可以包括该装置、以及包括设置在多个感测电极和至少一个公共电极之间的压电材料层的触摸面板。
一种电子设备可以包括触摸面板系统。
根据本发明的第二方面，提供了一种处理来自触摸面板的信号的方法。触摸面板包括设置在多个感测电极和至少一个公共电极之间的压电材料层。该方法包括生成多个第一压力信号。每个第一压力信号基于从一个或多个感测电极接收的信号。每个第一压力信号指示靠近对应的一个或多个感测电极作用在触摸面板上的压力。该方法还可以包括基于从至少一个公共电极接收的信号来生成第二压力信号，第二压力信号指示施加到触摸面板的总压力。该方法还可以包括基于第二压力信号和多个第一压力信号的加权总和来确定外部干扰信号。该方法还可以包括将外部干扰信号与预先校准的阈值进行比较。该方法还可以包括响应于外部干扰信号大于或等于预先校准的阈值而输出干扰标志，该干扰标志指示第一压力信号和第二压力信号受到与一个或多个外部电场耦合的影响。
该方法还可以包括确定向触摸面板施加压力的位置，以及响应于设置干扰标志，使用被配置成减少或消除与一个或多个外部电场耦合的影响的信号后处理方法来处理第一压力信号和/或第二压力信号。
使用被配置成减少或消除与一个或多个外部电场耦合的影响的信号后处理方法来处理第一压力信号和/或第二压力信号，可以包括识别接近该位置的一个或多个感测电极，并从随后的计算中排除所识别的感应电极以确定总压力。
该方法还可以包括基于其余未排除的感测电极来估计靠近一个或多个被排除的感测电极作用在触摸面板上的一个或多个压力。
该方法还可以包括基于从每个感测电极接收的信号来生成指示感测电极的电容的电容信号。该方法还可以包括基于电容信号来确定向触摸面板施加压力的位置。
生成第一压力信号和电容信号可以包括分离从感测电极接收的单个信号。
每个第一压力信号可以对应于单个感测电极。
附图说明
现在，将参考附图以示例的方式描述本发明的某些实施例，其中：
图1是压电传感器的等效电路图；
图2是第一测量电路的电路图；
图3是第二测量电路的电路图；
图4是第三测量电路的电路图；
图5是第四测量电路的电路图；
图6是第五测量电路的电路图；
图7是用于压电压力测量的第一触摸面板的横截面图；
图8示出了用于压电压力测量的第一装置；
图9和图10示出了获得压电压力测量的方法；
图11示出了在来自外部源的干扰存在的情况下，实际压力信号和理想压力信号之间的潜在差异；
图12示出了对测量的压力信号进行后处理以减少或消除来自外部源的干扰的示例；
图13示出了对应于感测电极和公共电极上的外部感应电荷的测量信号；
图14示出了对应于感测电极和公共电极上的压电感应电荷的测量信号；
图15示出了用于压电压力测量的第二装置；
图16A至图16C示出了使用与驱动信号同步的模数转换器分离叠加的电容压力信号和压电压力信号；
图17示出了用于压电压力测量的电荷放大器的示例性配置；
图18是用于压电压力测量的第二触摸面板的平面图；
图19是用于压电压力测量的第三触摸面板的平面图；以及
图20示出了用于压电压力测量的第三装置。
具体实施方式
在以下描述中，相同的部件由相同的附图标记表示。
在一些情况下，各种不需要的信号可以通过用户的手指或导电笔耦合到压电压力感测触摸面板或组合式电容和压电压力感测触摸面板的感测电极。这些信号可以与所需的压电压力信号一起被放大，并且可以具有与压电压力信号相当或更大的幅度。例如，放置在压电压力感测触摸面板或组合式电容和压电压力感测触摸面板传感器上的用户的手指可以将主要干扰耦合到感测电极中。附加地或替代地，用户可以充斥静电，该静电可以耦合到压电压力感测触摸面板或组合式电容和压电压力感测触摸面板的感测电极。可以采用旨在减少或消除这种不需要的信号的影响的信号后处理方法。然而，为了避免消除或减少实际信号，重要的是能够检测不需要的信号的发生。在本说明书中，将描述用于简单且可靠地检测这种不需要的干扰的存在和/或程度的方法。
压电传感器是通常在低频时具有高输出阻抗的两个电极装置，这可能导致压电传感器变得易获取外部电场的干扰。由于机械应变而在压电传感器的两个电极上生成的所需的信号具有相反的极性。相反，由于耦合到外部电场而导致的干扰在两个电极上将具有相同的极性。本说明书描述了用于组合来自布置在压电材料层的相对侧上的电极的信号的方法和装置，使得来自耦合到外部电场的干扰可以更可靠地被检测。可靠地检测来自耦合到外部电场的干扰的存在，使得能够准确应用信号后处理方法，该信号后处理方法旨在减少或消除这种干扰。
压电感测
参考图1，示出了压电传感器1的等效电路。
压电传感器1可以被建模为与电容Cpiezo串联的电压源Vpiezo。电容Cpiezo表示第一电极和第二电极之间的电容，该第一电极和第二电极在它们之间布置有压电材料。电压源Vpiezo表示当向压电传感器1施加力时，在电容Cpiezo上生成的开路电压。
还参考图2，示出了测量电路2的第一示例。
第一测量电路2包括：单端放大器A1，该单端放大器A1具有连接到压电传感器1两端的输入；以及反馈网络，该反馈网络由电阻器Rfb和电容器Cfb并联连接到放大器A1的输出端和反相输入端形成。实际上，第一测量电路2还可以包括无源元件、用于重置反馈网络的开关等。根据所使用的具体配置，第一测量电路2可以测量电压、电流、电荷或其组合。
还参考图3，示出了测量电路3的第二示例。
第二测量电路3与第一测量电路相同，除了单端放大器A1的非反相输入端接地，而不是连接到压电传感器1的电极。这样，第二测量电路3测量流入处于接地电位的反相输入端的电流I1。第二测量电路的这种配置可以减少或消除寄生电容的影响。在理想情况下，测量的电流I1基本上等于感应压电电流信号Ipiezo，即I1≈Ipiezo。通常，第二测量电路3被配置成对电流信号I1进行积分，以在输出Vout1上提供对应于在压电传感器1上感应的电荷Qpiezo的电荷信号。换句话说，Vout1与压电电荷Qpiezo在功能上相关，该压电电荷Qpiezo又与施加到压电传感器1的力在功能上相关。
还参考图4，示出了测量电路4的第三示例。
第三测量电路4与第二测量电路3相同，除了第三测量电路4包括表示与外部电磁干扰源Vint的电容耦合的等效电路5。
单端放大器A1的潜在问题是外部电场可以在放大器输入端上感应出电荷，该电荷可以被解释为压电压力信号。这种问题可能发生在：用于压电压力感测的触摸屏的压电力传感器或用于组合电容式触摸和压电压力感测的触摸屏中。通常由一个或多个玻璃和/或塑料薄层使施加待测量的力的用户的手指或导电笔与形成压电力传感器的电极分离。用户的手指或导电笔可以与形成压电力传感器的电极处于不同的电位。这种电位差可能由于例如静电充电或耦合到其他电源而产生，例如由主电源供电引发的获取。
在第三测量电路4中，干扰电磁源Vint通过一对电容Cint1和Cint2耦合到压电传感器1的两个电极。因此，测量信号I1是所需的压电压力信号Ipiezo和不需要的干扰信号Iint1的叠加，即I1＝Ipiezo+Iint1。在测量信号I1中包括的干扰信号分量Iint1可在确定施加的力时导致误差，例如错误检测施加的力和/或导致施加的力的最小可靠测量的增量增加。尽管可以应用信号后处理方法，以试图减少或消除不需要的干扰信号Iint1的影响，但是这种后处理应当优选地仅在测量信号I1已知时应用或者在很可能受到不需要的干扰信号Iint1影响的情况下应用。否则，存在减少或消除实际信号Ipiezo的风险。
差分测量
响应于形成压电传感器1的一对第一电极和第二电极之间的压电材料的极化P而感应的电流，在第一电极和第二电极中的每一个电极中具有相反的方向。相反，由外部源Vint引起的干扰信号将针对形成压电传感器1的第一电极和第二电极具有相同的符号。减轻由耦合到外部电场引起的干扰影响的一种方法是执行差分测量。
还参考图5，示出了测量电路6的第四示例。
在第四测量电路6中，第一单端放大器A1具有的一个输入端连接到压电传感器1的第一电极7以接收第一测量电流I1，并且第一放大器A1的另一个输入端接地。类似地，第二单端放大器A2具有的一个输入端连接到压电传感器1的第二电极8以接收第二测量电流I2，并且第二放大器A2的另一个输入端接地。第三单端放大器A3具有的一个输入端连接到第一放大器A1的输出端Vout1，并且第三放大器A3具有的另一个输入端连接到第二放大器A2的输出端Vout2。放大器A1、A2、A3中的每一个放大器具有相应的电阻-电容反馈网络Rfb1-Cfb1、Rfb2-Cfb2、Rfb3-Cfb3。
干扰源Vint通过第一电容Cint1电容耦合到第一电极7并且通过第二电容Cint2电容耦合到第二电极8。如上所述，响应于第一电极7和第二电极8之间的压电材料的极化P而感应的电流Ipiezo，在每个端子7、8中具有相反的方向，而由干扰源Vint引起的干扰信号Iint1、Iint2将具有相同的符号。因此，第一测量电流和第二测量电流可以近似为：
I1＝Iint1+Ipiezo
I2＝Iint2-Ipiezo (1)
第三放大器A3用于获得差值，当Iint1≈Iint2时，第三放大器A3的输出Vout将涉及以下项：
I1-I2≈2Ipiezo (2)
以这种方式，通过测量从压电传感器1的两个电极7、8流出的电流，可以确定压电电流Ipiezo的量度，其中干扰源Vint的影响被减少或消除。
替代地，如果第一放大器A1和第二放大器A2的输出例如通过使输出Vout1、Vout2中的一个反相而相反求和，则第三放大器A3的输出Vout将涉及以下项：
I1+I2≈Iint1+Iint2 (3)
以这种方式，求和信号可以近似独立于压电电流Ipiezo。尽管这可能看起来违反直觉，但是本说明书的发明人已经认识到，求和信号I1+I2可以用作外部干扰源Vint的存在或不存在的指示符。因此，当需要这样的后处理时，可以使用求和信号I1+I2来触发信号后处理的应用，以便减轻外部干扰源Vint的影响。避免不必要的后处理可以减少无意中减少或消除异常强或尖锐的实际信号的可能性。这可以具有提高压电触摸面板系统或组合式压电和电容触摸面板系统的可靠性和灵敏度的效果。虽然当应用于简单的双电极压电传感器1时，获得求和信号I1+I2的效用可能不是立即显而易见的，但是如下文所述，当应用于包括更多数量的感测电极的压电触摸面板10(图7)时，该方法可能更有用。
在一般情况下，如果Cint1≠Cint2且Iint1≠Iint2，则可以使用加权差异。例如，如果Iint1＝α·Iint2其中α是从校准实验确定的标量常数，则可以通过获得以下项来减少或消除干扰源Vint的影响：
I1-αI2＝(1+α)Ipiezo (4)
相反，即使在一般情况下，在第一电极7和第二电极8中生成的压电电流在一起求和时应该基本上相互抵消(例如，直到测量误差)。因此，当测量信号I1、I2相加时，仍应消除压电电流Ipiezo(除了任何测量误差之外)，获得以下项：
I1+I2≈Iint1+Iint2
I1+I2≈(1+α)Iint2 (5)
通常，获得测量信号I1、I2的差值或总和可以通过处于模拟信号电平的特定配置电路来执行，或者通过转换为数字信号之后的后处理来执行。例如，虽然第四测量电路6被配置成获得第一放大器A1的输出Vout1和第二放大器A2的输出Vout2的差值，但是在替代布置中，可以用加法器(未示出)替换第三放大器A3来获得总和，或通过使第一放大器A1和第二放大器A2中的任何一个的输出Vout1、Vout2反相来获得总和。
无需知道干扰电容Cint1、Cint2的绝对值。根据等式(4)，可以观察到所需要的只是在第一电极7上引入的噪声与引入第二电极8的噪声之比α。比率α可以从校准实验获得，例如通过故意将模拟干扰信号Vint的测试信号引入系统并在没有向压电传感器1施加任何力的情况下记录第一测量电流I1和第二测量电流I2的响应，即使得I1＝Iint1和I2＝Iint2，获得比率α。该信息可用于将校正比确定为α＝I1/I2。
实际上，在第四测量电路6中可以通过获得第一放大器A1的输出Vout1和第二放大器A2的输出Vout2的差值来执行校正。这可以按照相同的方式，响应于测试信号并在没有向压电传感器1施加任何力的情况下，通过获得输出Vout1、Vout2的比率来校准。如果从校准确定的比率β＝Vout1/Vout2大体上不等于1，则可以通过在第一放大器A1的输出Vout1和第二放大器A2的输出Vout2与第三放大器A3的相应输入之间插入适当阻抗来获得加权差Vout1-β·Vout2。替代地，可以省略第三放大器A3，并且可以通过在数字信号域中处理来获得加权差Vout1-β·Vout2。
替代地，当获得求和信号例如I1+I2或Vout1+Vout2时，常数α可能不需要被确定。在不存在任何干扰源Vint的情况下，对于求和信号Vout1+Vout2的一个或多个阈值Vthresh应该预先被校准。随后，如果求和信号Vout1+Vout2超过校准阈值Vthresh，则这将提供干扰源Vint正在影响测量信号I1、I2的强烈指示。
还参考图6，示出了测量电路9的第五示例。
在第五测量电路9中，差分放大器DA1具有的一个输入端连接到第一电极7和另一个输入端连接到第二电极8。干扰源Vint的影响的减少或消除可以在模拟域中，通过根据干扰电容Cint1、Cint2之间的比率设置第一反馈网络Rfb1、Cfb1和第二反馈网络Rfb2、Cfb2的值来实现。例如，通过选择Cfb1/Cfb2＝Cint1/Cint2。这种选择可以通过类似于上文描述的校准实验并通过使用例如微调电容器来提供反馈电容Cfb1、Cfb2来执行。
替代地，来自第一电极7和第二电极8的信号可以输入到加法器(未示出)以获得求和信号。
在触摸面板中用于压电压力测量的测量
在上文描述的示例中，已经描述了关于压电传感器1的测量，其中第一电极7和第二电极8可以基本上共同延伸并且具有简单的几何形状。这种配置允许相对简单的差分测量。然而，在用于压电压力测量或组合式电容和压电压力测量的实际触摸面板中，第一电极7可以是共享公共第二电极8的许多电极中的一个。另外，在一些示例中，第一电极7可以是电极，第一电极7另外用作电容测量系统的接收Rx电极和/或发射Tx电极。在这样的触摸面板中，第二电极8可以是具有比多个第一电极7中的每一个相对更大或大得多的总面积的公共反电极。为每个Rx电极和/或Tx电极提供单独的匹配的反电极，将需要额外的图案化导电层或相关的电连接。因此，关于第四测量电路6或第五测量电路9所示的简单差分测量可能是不切实际或不可取的。
代替差分测量，本说明书描述了用于获得并使用来自用于压电压力测量的触摸面板的信号的总和测量的方法，该触摸面板包括至少一个未图案化的公共电极(对应于第二电极8，有时称为反电极)。本说明书的方法同样适用于用于组合式电容和压电压力测量的触摸面板。求和的信号可用于检测是否存在不需要的干扰信号，例如该不需要的干扰信号由干扰源Vint、用户的静电充电等引起。本说明书的方法(稍作修改)也适用于用于压电压力测量的触摸面板或用于组合式电容和压电压力测量的触摸面板，其中存在两个或更多个第二电极8，每个第二电极8对于两个或更多个第一电极7是公用的。
第一装置
参考图7，示出了用于压电压力测量或组合式电容和压电压力测量的触摸面板10的第一示例。
第一触摸面板10包括具有第一面12和相对的第二面13的第一层结构11。多个第一感测电极14设置在第一层结构11的第一面12上。第一感测电极14中的每一个感测电极沿着第一方向x延伸(或等效地伸长)，以及第一感测电极14沿着第二方向y间隔开。公共电极15设置成基本上覆盖第一层结构11的第二面13。
第一层结构11包括一个或多个层，包括至少一层压电材料16。包括在第一层结构11中的每个层通常是平面并沿着垂直于厚度方向z的第一方向x和第二方向y延伸。第一层结构11的一个或多个层被布置在第一面12和第二面13之间，使得第一层结构11的每个层的厚度方向z基本垂直于第一面12和第二面13。
第一触摸面板10还包括第二层结构17，第二层结构17具有第一面18和相对的第二面19。多个第二感测电极20设置在第二层结构17的第一面18上。第二感测电极20中的每一个感测电极沿着第二方向y延伸(或等效地伸长)，第二感测电极20沿着第一方向x间隔开。
第二层结构17包括一个或多个介电层21。每个介电层21通常是平面并沿着垂直于厚度方向z的第一方向x和第二方向y延伸。第二层结构17的一个或多个介电层21被布置在第二层结构17的第一面18和第二面19之间，使得第二层结构17的每个介电层21的厚度方向z垂直于第一面18和第二面19。
优选地，压电材料层16包括诸如聚偏二氟乙烯(PVDF)或聚乳酸的压电聚合物或由诸如聚偏二氟乙烯(PVDF)或聚乳酸的压电聚合物形成。然而，替代地，压电材料层16可以是压电陶瓷层例如锆钛酸铅(PZT)。优选地，第一感测电极14和第二感测电极20以及公共电极15由银纳米线形成。然而，替代地，第一感测电极14和第二感测电极20以及公共电极15可以由透明导电氧化物例如氧化铟锡(ITO)或氧化铟锌(IZO)形成。第一感测电极14和第二感测电极20以及公共电极15可以是诸如铝、铜、银的金属膜或适于沉积和图案化成为薄膜的其他金属。第一感测电极14和第二感测电极20以及公共电极15可以是导电聚合物，例如聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯或聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT/PSS)。第一感测电极14和第二感测电极20以及公共电极15可以由金属网、金属纳米线、石墨烯和/或碳纳米管形成。介电层21可以包括聚合物介电材料层，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或压敏粘合剂(PSA)材料层。然而，介电层21可包括陶瓷绝缘材料层，例如氧化铝。
第一层结构11可以仅包括压电材料层16，使得第一面12和相对的第二面13是压电材料层16的面。替代地，第一层结构11可以包括一个或多个介电层21，该介电层21被堆叠在压电材料层16和第一层结构11的第一面12之间。第一层结构11可以包括一个或多个介电层21，该介电层21被堆叠在第一层结构11的第二面13和压电材料层16之间。
第二层结构17可以仅包括单个电介质层21，使得第二层结构17的第一面18和第二面19是单个电介质层21的面。
替代地，不需要使用第二层结构17(参见图7)，并且第二感测电极20可以与第一感测电极一起设置在第一面12上(图9)。
在图7中，参考标记为x，y和z的正交轴已示出了第一触摸面板10。然而，第一方向、第二方向和厚度方向不需要形成右手正交组。
还参考图8，示出了用于压电压力测量或组合式电容和压电压力测量的第一装置22。
第一装置22包括第一触摸面板10、第一电路23、第二电路24和控制器25。第一感测电极14和第二感测电极20中的每一个感测电极通过对应的导电引线26连接到第一电路23。公共电极15连接到第二电路24。
第一电路23从第一感测电极14和第二感测电极20接收信号和/或向第一感测电极14和第二感测电极20发送信号。第一电路23测量第一压电压力信号29。第一电路23可连接到成组的或单独的第一感测电极14和第二感测电极20中的每一个。每个第一压电压力信号29对应于第一感测电极14或第二感测电极20中的一个或多个，并且每个第一压电压力信号29指示靠近相应的第一感测电极14或第二感测电极20作用在触摸面板10上的压力。例如，第一电路可以测量或生成对应于每个第一感测电极14的第一压电压力信号29和对应于每个第二感测电极20的第一压电压力信号29。替代地，每个第一压电压力信号29可以对应于一对相邻的第一感测电极14或第二感测电极20等。每个感测电极14、20贡献一个第一压电压力信号29。
可选地，第一电路23还可以测量与第一感测电极14和第二感测电极20的每个交叉点28对应的互电容信号27。在其他示例中，替代地，第一电路23可以测量与第一感测电极14和第二感测电极20中的每个感测电极对应的自电容信号。第一电路23可以同时确定电容信号27和第一压电压力信号29。替代地，第一电路23可以在确定电容信号27和第一压电压力信号29之间交替。
例如，第一电路23可以被配置成用于组合式电容和压电压力测量，如WO 2016/102975A2中所描述的，其全部内容通过引用并入本文。特别地，第一电路23可以被配置成如关于WO 2016/102975A2的图21至图26所示的示例所描述的那样。替代地，第一电路23可以被配置成用于组合式电容和压电压力测量，如WO 2017/109455A1中所描述的，其全部内容通过引用并入本文。特别地，第一电路23可以被配置成如关于WO 2017/109455A1的图4至图21所示的示例所描述的那样。在其他示例中，第一电路23可以被配置成如下文中特别参考图15至图20所描述的那样。
然而，本说明书的方法不限于这些示例，并且可应用于能够提供上文描述的功能的任何第一电路23。
第二电路24测量对应于公共电极15的第二压电压力信号30。第二压电信号30应表示施加到触摸面板10的总压力。当使用多于一个公共电极15时，可以生成对应于每个公共电极15的第二压电信号30，第二压电信号30用于随后由控制器25求和。替代地，当使用多于一个公共电极15时，第二电路24可以基于在所有公共电极15上感应的电荷生成单个第二压电信号30。在理想条件下并且在不存在外部干扰的情况下，第二压电压力信号30和第一压电信号29之和应该近似为零(直到测量误差)，原因是感测电极14、20以及公共电极15被布置在压电材料层16中引起的任何极化P的相对侧。
响应于用户与第一触摸面板10的交互或者与覆盖第一触摸面板10的材料层的交互而产生压电压力信号29、30以及可选的电容信号27。在下面的描述中，参考的“用户交互”应当被认为包括用户触摸或按压触摸面板10或覆盖的材料层。术语“用户交互”应当被认为包括涉及用户的手指或手写笔的交互(无论是否导电)。术语“用户交互”还应当被认为包括用户的手指或导电笔靠近触摸传感器或触摸面板而没有直接的物理接触(即，为零或可忽略的施加压力)。
控制器25接收第一压电压力信号29和第二压电压力信号30，并将它们相加以生成外部干扰信号32。外部干扰信号32可以是未加权的第一压电压力信号29和第二压电压力信号30的简单求和，或者外部干扰信号32可以是第一压电压力信号29和第二压电压力信号30的加权总和。控制器25还被配置成将外部干扰信号32与预先校准的阈值(例如Vthresh)进行比较。控制器25还被配置成响应于外部干扰信号32大于或等于预先校准的阈值，输出干扰标志Intflag，干扰标志Intflag指示第一压电压力信号29和第二压电压力信号30受到与一个或多个外部电场耦合的影响。干扰标志Intflag可以输出到处理器(未示出)，该处理器控制包含第一装置22的设备(未示出)。可选地，外部干扰信号32也可以输出到处理器(未示出)以提供外部干扰的大小的指示。在其他示例中，外部干扰信号32可以输出到处理器(未示出)，并且处理器(未示出)可以执行比较并生成干扰标志Intflag。另外，控制器25将原始的第一压电压力信号29和/或第二压电压力信号30传输到处理器(未示出)，该处理器操作包含第一装置22的设备(未示出)。在一些示例中，处理器(未示出)而不是控制器25可以简单地将第一压力信号29和第二压力信号30输出到处理器(未示出)，并且处理器(未示出)可以确定外部干扰信号32。
在一些示例中，控制器25可以基于第一压力信号29和第二压力信号30来确定触摸位置数据31。触摸位置数据31指示一个或多个用户交互的位置，例如x，y坐标。触摸位置数据31输出到处理器(未示出)，该处理器操作包含第一装置22的设备(未示出)。
当测量时，控制器25接收电容信号27并将它们传输到处理器(未示出)，该处理器操作包含第一装置22的设备(未示出)，或者执行电容值27的进一步处理。例如，控制器25可以处理电容值27以生成触摸位置数据31而输出到处理器(未示出)，该处理器操作包含第一装置22的设备(未示出)。电容信号27可以允许比第一压力信号29和第二压力信号30更精确地确定触摸位置数据31。
检测与外部电场耦合的存在和/或程度的方法
还参考图9和图10，将描述一种在压电压力测量期间检测与外部电场耦合的存在和/或程度的方法。
靠近或触摸触摸面板10的物体33(例如用户的手指)可以通过静电充电被充电到电位Vint，或者充当用于电磁干扰源Vint的天线。在物体33与所有感测电极14、20以及公共电极15的整个组合之间存在电容耦合Cext。在所有感测电极14、20以及公共电极15的整个组合中感应出总静电电荷QES约为QES＝Cext·Vint。应该注意的是，在实践中可能无法校准Cext，原因是当用户相对于触摸面板10移动其手指和/或触笔时，精确的几何形状将不断发生变化，并且在不同的用户和同一用户的不同手指之间也会发生变化。此外，Vint通常可能无法测量。然而，对于检测与外部电场耦合的存在和/或程度的方法，不需要确定或估计Cext和/或Vint。
该方法基于这样的前提：在电极14、15、20上感应的未知的总静电电荷QES将由在每个电极14、15、20上感应的各个静电电荷的总和构成。
在下文中，M个第一感测电极14的第m个第一感测电极可替代地表示为ym，并且N个第二感测电极20的第n个第二感测电极可替代地表示为xn。如果由物体33在N个第二感测电极20的第n个第二感测电极xn上感应的静电电荷表示为Sxn等，则由物体33在M个第一感测电极14的第m个第一感测电极ym上感应的静电电荷表示为Sym等，并且由物体33在反电极15上感应的静电电荷表示为SCE，则总静电电荷QES可近似为：
Figure BDA0002087561300000161
当在公共电极15和感测电极xn，ym之间感应出压电材料层16的极化P时，在感测电极xn，ym上感应的电荷具有与在公共电极15上感应的电荷相反的极性。换句话说，与物体33的外部耦合在系统接地或共模电压与所有电极xn，ym，15的整个组合之间感应电荷流，而相反，压电材料层16的极化P感应在反电极15与感测电极xn，ym之间流动的电荷。如上所述，一个结果是预计至少在测量误差内，由压电材料层16的极化P感应的电荷的总和为零。
如果在N个第二感测电极的第n个第二感测电极xn上由压电材料层16的极化P感应的压电电荷表示为Fxn等，则在M个第一感测电极的第m个第一感测电极ym上由压电材料层16的极化P感应的压电电荷表示为Fym等，并且在反电极15上由压电材料层16的极化P感应的压电电荷被表示为FCE，则总感应压电电荷QPT可近似为：
Figure BDA0002087561300000162
可以注意到，在反电极15上感应的压电电荷FCE可以提供施加到触摸面板10的总力的良好量度。
特别参考图10，在N个第二感测电极的第n个第二感测电极xn上感应的电荷可写为：
Qxn＝Sxn+Fxn (8)
类似地，在M个第一感测电极的第m个第一感测电极ym上感应的电荷可以写为：
Qym＝Sym+Fym (9)
并且在反电极15上感应的电荷可写为：
QCE＝SCE+FCE (10)
在检测与外部电场耦合的存在和/或程度的方法中，在所有感测电极xn、ym上测量的电荷Qxn、Qym与在公共电极15上测量的电荷SCE相加，以产生：
Figure BDA0002087561300000171
Figure BDA0002087561300000172
Figure BDA0002087561300000173
其中，Qext是由公共电极15和所有感测电极xn、ym测量的所有电荷的总和。外部干扰信号32可以对应于Qext或与总和Qext相关。参考等式(6)和(7)，在理想条件下，等式(11)的第一个括号项等于总静电电荷QES，等式(11)的第二个括号项等于零。在实际的非理想条件下，外部干扰信号32Qext仍然可以近似于总静电电荷QES：
Figure BDA0002087561300000174
实际上，可以使用电荷放大器34检测电荷Qxn、Qym、QCE，使得对应于N个第二感测电极的第n个第二感测电极xn，20的电压输出是Vxn，并与Qxn有关等。通常，电荷放大器34将对输入电流进行积分。例如，如果N个第二感测电极的第n个第二感测电极xn上的电流是Ixn，那么在理想条件下，N个第二感测电极的第n个第二感测电极xn在时间t的电压Vxn可以表示为：
Figure BDA0002087561300000175
其中，Gxn是连接到N个第二感测电极xn的N个电荷放大器34的第n个电荷放大器的增益，并且τ是积分变量。类似地，M个第一感测电极的第m个第一感测电极ym的上的电压可表示为：
Figure BDA0002087561300000176
其中，Gym是连接到M个第一感测电极ym的M个电荷放大器34的第m个电荷放大器的增益，Iym是M个第一感测电极的第m个第一感测电极ym上的电流，并且τ是积分变量。类似地，公共电极15上的电压可表示为：
Figure BDA0002087561300000181
其中，GCE是连接到公共电极15的电荷放大器34的增益，ICE是公共电极15上的电流，并且τ是积分变量。外部干扰信号32在这种情况下表示为Vext，该外部干扰信号32然后可以近似为所有电荷放大器34信号的总和：
Figure BDA0002087561300000182
Figure BDA0002087561300000183
如果全部增益基本上相等，使得Gxn≈Gym≈GCE≈G，则就电压Vext而言的外部干扰信号32可以表示为就电荷Qext而言的外部干扰信号32的简单倍数，即Vext≈G·Qext。然而，在实践中，电荷放大器34增益Gxn、Gym、GCE将不相同。此外，除了电压输出中的低频和直流分量的时间依赖性衰减(有时称为“滚降”)之外，每个电荷放大器34实际上将经历直流偏移和漂移。
因此，实际上，外部干扰信号32可以被视为对应于由干扰源Vint感应的电荷QES的测量加上噪声项：
Figure BDA0002087561300000184
其中，GT是与电荷放大器34的总增益相关的常数，并且ε是表示由上文描述的各种源产生的瞬时误差或噪声的项。噪声项ε被认为主要由压力信号的残余分量组成，这些残余分量由于各个电荷放大器34增益Gxn、Gym、GCE中的轻微不平衡而未被抵消。虽然常数GT的值可以被校准，但这是不必要的。所需要的只是确定合适的阈值Vthresh，高于该阈值就可以可靠地确定外部干扰信号32Vext正在检测干扰源Vint的影响。
例如，触摸面板10可以被放置在屏蔽容器中，并且使用非导电性触笔或相当的物体33施加一系列输入力。在这种情况下，总外部感应电荷QES应该近似为零，使得等式(17)成为：
Vext≈ε (18)
在跨越施加的力的合适范围例如在0.5N和10N之间，记录合适长度的信号之后，可以基于测量值ε来确定合适的阈值Vthresh。阈值Vthresh可以设置成记录ε的最大绝对值的倍数。例如Vthresh＝1.5×max(|ε|)或Vthresh＝2×max(|ε|)等。
替代地，可以基于测量值ε计算标准误差σε，并且阈值电压Vthresh可以设置成标准误差σε的倍数。例如，Vthresh＝3×σε或Vthresh＝5×σε。
在使用中，控制器25可以获得外部干扰信号32，Vext作为电荷放大器输出VCE、Vxn、Vym之和，并将Vext与预先校准的阈值Vthresh进行比较。如果外部干扰信号32的幅度小于阈值Vthresh，即|Vext|<Vthresh，则压电压力信号29、30不太可能受到外部干扰源Vext的显著影响。在这种情况下，干扰标志Intflag保持未设置、设置为'假'或零的值等。然而，如果外部干扰信号32的幅度大于或等于阈值Vthresh，即|Vext|≥Vthresh，则压电压力信号29、30可能受外部干扰源Vext的影响。在这种情况下，干扰标志Intflag设置成合适的值，例如“真”，1等。
确定第一压电压力信号29和第二压电压力信号30中的外部电干扰的存在和/或程度的功能可以允许应用合适的后处理方法来减少或消除外部干扰源Vext的影响。
不是在所有电荷放大器34的输出Vxn、Vym、VCE上简单的未加权求和，在一些示例中，将外部干扰信号32计算为输出Vxn、Vym、VCE上的加权总和可能是有利的。例如，加权的外部干扰信号32，V'ext可以根据下式确定：
Figure BDA0002087561300000191
其中，Axn是对应于GT/Gxn的常数，Aym是对应于GT/Gym的常数，ACE是对应于GT/GCE的常数，并且ε'是降低的噪声信号。还参考等式(16)，通过适当的校准加权因子Axn、Aym、ACE，加权的外部干扰信号32，V'ext可以减小来自电荷放大器34的增益Gxn、Gym、GCE的任何可变性的影响。很明显，当所有加权因子Axn、Aym、ACE相等即Axn＝Aym＝ACE时，等式(17)对应于等式(19)的特殊情况。
用于减少或消除外部电噪声的后处理示例
本说明书的主题是确定与外部电场(例如来自外部干扰源Vint的干扰)耦合的存在和/或程度的方法。一旦检测到与外部电场耦合的存在，用于减少或消除例如外部干扰源Vint的影响的后处理的类型不受特别限制。可以使用任何合适的后处理。然而，为了帮助解释所描述的用于确定与外部电场耦合的存在和/或程度的方法的有用性，考虑合适的后处理方法的具体的非限制性示例可能是有帮助的。
在用于压电或组合式电容和压电感测的触摸面板10中，所施加的力的影响通常至少在一定程度上由所有感测电极14、20检测。这被认为是由包括盖透镜(未示出)的触摸面板10产生，该盖透镜通常是刚性玻璃，共同弯曲，使得压电材料层16的几乎每个部分都经历一些面内拉伸。应当注意，取决于触摸面板10上的机械边界条件，最大应变和最大压电压力信号29不需要直接在用户交互位置的下方发生。
例如，还参考图11，示出了由直接施加在N＝21个第二感测电极20，x1…x21的第16个第二感测电极上的力产生的理想化的基础压力信号值35的可视化图。
纯粹为了说明的目的，基础压力信号值35表示为与被建模成欧拉梁的触摸面板10的偏转成比例，该欧拉梁简单地支撑在任一端(x1，x21)。基础压力信号值35表示可以在不存在来自外部电场的任何干扰的情况下测量的值。实际上，触摸面板10的偏转将对应于明显更复杂的板偏转问题。然而，图11的图示用于帮助可视化：用户交互的位置不需要对应于第一压力信号29的最大值。通常，压力信号29来自成组的或全部的第一感测电极14和第二感测电极20。第一感测电极14和第二感测电极20可用于反转相关的板偏转问题，以便推断由一个或多个用户交互施加的力。
相反，用户交互对感测电极14、20之间的互电容的影响通常相对于接触触摸面板10的物体33被定位到最近和次最近的电极14、20。类似地，由物体33耦合到感测电极10的电干扰通常对于那些最靠近物体33的感测电极14、20是最大的。
再次参照图11，由于物体33耦合到第一感测电极14和第二感测电极20，所以测量的压力信号值36可以偏离接近力施加点的基础压力信号值35。例如，测量值V16在该示例中对应于最近的第二感测电极20，x16到用户交互，可能受到由物体33耦合到外部干扰的强烈影响。值V15，V17对应于次最近的第二传感电极20，x15，x17也可能受到由物体33耦合到任何外部干扰的显著影响。由耦合到外部电场导致的这种局部偏差可能引起误差。例如，基于测量的压力信号值36的拟合过程可能偏离基础值35，导致由一个或多个用户交互所施加的力的不精确的重建。在图11中，可以观察到：使用多项式最佳拟合线37(三阶虚线)与测量的压力信号值36的拟合的示例显著偏离基础的压力信号值35。发生该偏差主要是由于值V15、V16、V17，这些值受到耦合到外部电场(例如耦合到物体33的干扰源Vint)的最大影响。
然而，如果采用本说明书的方法来确定测量的压力信号值36何时耦合到外部干扰，则可以采用后处理方法来减少或消除外部干扰的影响。
例如，还参考图12，在一个简单的非限制性示例中，响应于检测到与外部电场的耦合，即当干扰标志Intflag设置为“真”，值1等时，可以简单地排除最近的V16和次最近的V15，V17测量值。例如当Vext≥Vthresh时。
可以观察到，当排除最近的V16和次最近的V15，V17测量值时，多项式最佳拟合线37(三阶虚线)显示与基础压力信号值35更接近于一致。同样的效果将适用于任何功能形式的拟合或插值。
以这种方式，当没有检测到与外部电场的耦合时(即当干扰标志Intflag未设置或具有“假”，值零等时)，可以使用所有测量的压力信号值36确定触摸面板10偏转的最精确拟合，以便尽可能精确地确定所施加的压力/力。然而，当本说明书的方法检测到与外部干扰源Vint的耦合时，例如当Vint≥Vthresh时(即当干扰标志Intflag设置为“真”，值1等)时，受影响最大的值可以被排除以减少或消除外部干扰的影响。
提供参考图11和图12示出和描述的前述示例，纯粹是为了说明能够使用本说明书的方法，简单且可靠地确定外部干扰的存在和/或程度的技术重要性。
在其他示例中，对未排除的测量压力信号值36的拟合可以用于对用于一个或多个排除的测量压力信号值36的替换值进行内插或外推。
实验数据
还参考图13，示出了说明感测电极xn，ym和公共电极15上的外部感应电荷的实验数据。
第一电压信号38(实线)对应于对公共电极15测量的电荷放大器34的输出。第二电压信号39(虚线)对应于对感测电极xn，ym测量的电荷放大器输出。图13中所示的信号38，39使用处于充电到静电电位的手指形式并保持几乎与触摸面板10接触的物体33获得。没有压力施加到触摸面板10。
可以在图13中观察到，第一电压信号38和第二电压信号39具有对应的符号(换句话说，信号在给定时间具有基本相同的极性)。
还参考图14，示出了说明在感测电极xn，ym和公共电极上的压电感应电荷的实验数据。
按照与图13相同的方式，第一电压信号38和第二电压信号39分别对应于公共电极15和感测电极xn，ym。然而，响应于使用非导电物体轻敲触摸面板10而捕获图14中所示的数据，以生成基本上没有来自外部电场的噪声的压电压力信号。
可以在图14中观察到，第一电压信号38和第二电压信号39具有相反的符号(换句话说，信号在给定时间具有基本相反的极性)。
观察到的极性并不精确地对应于图38，39中的任何一个的理想情况，这被认为是直流偏移和其他测量误差源的小变化的结果。
第二装置
用于组合式电容和压力感测的装置已在WO 2016/102975A2中描述，特别是参考该文献的图22至图26描述。
为了帮助理解第二装置40(本说明书的图15)，简要讨论如WO 2016/102975A2中所描述的用于组合式电容和压力感测的装置的操作可能是有帮助的。下文中的讨论参考本说明书的第一触摸面板10的结构而做出。
压电材料层16被极化。因此，由用户交互施加的压力将引起应变，该应变引起压电材料层16的极化P。压电材料层16的极化P产生感应电场Ep ，感应电场Ep 具有沿着厚度方向的分量感应电场Ez 。产生极化P的变形可以由压缩或张力引起。产生极化P的变形可以主要是响应于用户交互施加的压力而在压电材料层16的面内拉伸。
感应电场Ep 在公共电极15和任何一个感测电极14，20之间产生电位差。电子在电极14，15，20上流动或从电极14，15，20流出，一直到感应电场Ep 被通过电极14，15，20的充电产生的电场Eq 抵消。换句话说，电场Eq 由电荷Fxn，Fym，FCE产生。
当触摸面板10用于组合式电容和压力感测时，从感测电极14，20接收的信号通常采用压电信号压力信号和施加或感测的电容测量信号的叠加的形式。如WO 2016/102975A2中特别是参考图22至图26描述的用于组合式电容和压力感测的装置如下操作：通过使用第一频率相关滤波器和第二频率相关滤波器(未示出)来将从感测电极14，20接收的信号分离成包括电容信息的第一分量和包括压电压力信息的第二分量。第一频率相关滤波器和第二频率相关滤波器(未示出)可以是物理滤波器，或者可以在数字信号处理期间应用。这是可能的，原因是压电压力信号和电容测量信号通常具有不同的可分离的频率内容。
例如，一对感测电极14，20之间的互电容通常可在0.1至3000pF或更大值的范围内，优选地在100至2500pF的范围内。为了有效地耦合到该范围内的电容，电容测量信号通常可具有大于或等于10kHz、大于或等于20kHz、大于或等于50kHz或者大于或等于100kHz的基本频率。相反，压电压力信号通常包括跨越几Hz到几百或几千Hz范围的宽带频率内容。这至少部分是因为压电压力信号由人类用户的用户交互产生。
还参考图15，示出了用于组合式电容和差分压电压力测量的第二装置40。
在WO 2016/102975A2中描述的装置中，第一频率相关滤波器和第二频率相关滤波器(未示出)在硬件中实现为前端模块的一部分，或者在数字域中例如通过控制器实现。相反，本说明书的第二装置40实现第一频率相关滤波器，以使用模数转换器(ADC)41a，41b选择第一压电压力信号29，该模数转换器在第一次采样频率fpiezo时与电容测量信号42同步。第二装置40在数字域中实现第二频率相关滤波器以获得电容信号27。例如，通过应用数字高通滤波器，或通过使用第一压电压力信号29的最近样本值或值来提供基线。
第二装置40包括第一触摸面板10和用于组合式电容和压差感测的触摸控制器43。第二装置40可以结合到电子设备(未示出)中，电子设备例如移动电话，平板电脑，膝上型电脑等。第一触摸面板10可以粘合成覆盖电子设备(未示出)的显示器(未示出)。在这种情况下，第一触摸面板10的材料应该是基本透明的。盖透镜(未示出)可以粘合成覆盖第一触摸面板10。盖透镜(未示出)优选地是玻璃，但可以是任何透明材料。
触摸控制器43包括控制器25。触摸控制器43还包括第一电路23，第一电路23包括一对放大器模块44a，44b，一对多路复用器45a，45b，一对主ADC 41a，41b和一对次级ADC46a，46b。触摸控制器还包括第二电路24，第二电路24包括公共电极电荷放大器47和公共电极ADC 48。控制器25可以使用链路49与电子设备(未示出)的一个或多个处理器(未示出)通信。控制器25包括信号源(未示出)，以用于向一个或两个放大器模块44a，44b提供驱动电容测量信号42，Vsig(t)(图16，下文中也简称为“驱动信号”)。
将参考如下示例来描述第二装置40，其中驱动信号42，Vsig(t)被提供给第一放大器模块44a，使得第一感测电极14是发射Tx电极和第二感测电极的20是接收Rx电极。
每个放大器模块44a，44b包括多个单独的电荷放大器34。第一放大器模块44a的每个电荷放大器34通过导线26连接到对应的第一感测电极14。第一放大器模块44a的每个电荷放大器34的输出端连接到第一多路复用器45a的对应的输入端。以这种方式，第一多路复用器45a可以输出对应于寻址的第一感测电极14的放大信号50a。
第一主ADC 41a从第一多路复用器45a的输出接收对应于当前寻址的第一感测电极14的放大信号50a。对应于当前寻址的第一感测电极14的放大信号50a包括驱动信号42，Vsig(t)和压电压力信号29，Vpiezo(t)的叠加。第一主ADC 41a还从控制器25接收第一同步信号51a(也称为“时钟信号”)。第一同步信号51a触发第一主ADC 41a以获得第一采样频率fpiezo的采样，该采样有时对应于驱动信号42，Vsig(t)的幅度基本上等于接地，共模或最小值。以这种方式，第一主ADC 41a可以获得处于采样信号形式的第一滤波信号52a，第一滤波信号52a大致对应于由与第一多路复用器45a连接的第一感测电极14生成的压电压力信号29，Vpiezo(t)。第一同步信号51a不需要触发第一主ADC 41a以在驱动信号42，Vsig(t)的每个单个周期期间获得采样，而是可以触发第一主ADC 41a以例如每隔一个周期、每隔十个周期，每隔一百个周期等获得采样。
例如，还参考图16A至图16C，示出了获得处于第一滤波信号52a形式的压电压力信号29的示例。
出于可视化目的，在图16A至图16C中，已经示出了驱动信号42，Vsig(t)和叠加的压电压力信号29，Vpiezo(t)，其频率和幅度的差异比实际预期要小得多。实际上，预期驱动信号42，Vsig(t)具有明显更大的幅度，并且在比压电压力信号29，Vpiezo(t)大几个数量级的频率上变化。
特别参考图16A，基频fd的驱动信号42，Vsig(t)的示例可以采用占空比为50:50且周期为1/fd的脉冲波形式。在该示例中，第一同步信号51a在驱动信号42，Vsig(t)的最小或零周期的大约中点处触发第一主ADC 41a。例如，第一主ADC 41a可以在时间t1，t2＝t1+1/fd，t3＝t1+2/fd等处获得采样。
特别参考图16B，第一感测电极14用作发射器电极Tx，以及第二感测电极20用作接收电极Rx，放大信号50a可以近似为压电压力信号29，Vpiezo(t)和驱动信号42，Vsig(t)的叠加。当驱动信号42，Vsig(t)对放大信号50a的贡献基本上等于接地，共模或最小值时，第一同步信号51a触发放大信号50a的采样。以这种方式，可以获得基本上仅对压电压力信号29，Vpiezo(t)的采样。
特别参考图16C，第一滤波信号52a然后在时间t1，t2，t3等采取压电压力信号29，Vpiezo(t)的采样序列的形式。
第一次级ADC 46a从第一多路复用器45a的输出接收对应于当前寻址的第一感测电极14的放大信号50a。第一次级ADC 46a以采样频率fcap对放大信号50a进行采样，该采样频率fcap至少是驱动信号42，Vsig(t)的基频fd的几倍。第一次级ADC 46a将数字化放大信号53a输出到控制器25。控制器25接收数字化放大信号53a并应用数字高通滤波器以获得数字域中的第二滤波信号。第二滤波信号对应于电容信号27。
替代地，由于压电压力信号29，Vpiezo(t)通常在比驱动信号42，Vsig(t)的基频fd低几个数量级的频率上变化，所以控制器25可以处理第一滤波信号52a的最近采样值例如Vpiezo(t3)作为附加偏移并从数字化放大信号53a中减去该值。可以采用更精确的基线校正，例如基于第一滤波信号52a的两个最近采样值的线性插值，或者基于第一滤波信号52a的三个最近采样值的二次插值。
主ADC 41a和次级ADC 46a可以相同。然而，有利的是，主ADC 41a和次级ADC 46a不同。特别地，主ADC 41a可以对压电压力信号29，Vpiezo(t)的动态范围进行优化，而不需要测量对应于驱动信号Vsig(t)的较大幅度。此外，因为第一采样频率fpiezo应该至多等于电容测量信号42，Vsig(t)的基频fd，所以与次级ADC 46a相比，主ADC 41a需要更低的带宽。对于成本敏感的应用，这使得更便宜的ADC能够用于主ADC 41a。相反，对于性能应用，这使得能够使用更精确的ADC，能够在相同的动态范围内区分更大数量的信号电平(在其他条件相同时，16位ADC通常比8位ADC更慢)。
来自第二感测电极20的信号的处理类似于来自第一感测电极14的信号的处理，除了因为第二感测电极20是接收Rx电极，第二主ADC 41b的第二同步信号51b可以相对于第一同步信号51a进行偏移。
第二放大器模块44b的每个电荷放大器34通过导线26连接到对应的第二感测电极20，并且第二放大器模块44b的每个电荷放大器34的输出端连接到第二多路复用器45b的对应的输入端。以这种方式，第二多路复用器45b可以输出对应于寻址的第二感测电极20的放大信号50b。
对应于当前寻址的第二感测电极20的放大信号50b包括接收的电容测量信号(未示出)Vmeas(t)和压电压力信号29，Vpiezo(t)的叠加。接收的电容测量信号Vmeas(t)(下文中简称为“接收信号”)是驱动信号42，Vsig(t)，通过寻址的第二感测电极20和第一感测电极14之间的互电容耦合到寻址的第二感测电极20。接收信号Vmeas(t)与驱动信号42，Vsig(t)相关并具有与驱动信号42，Vsig(t)类似的形式，并且特别地具有基本相同的频率内容。然而，与驱动信号Vsig(t)相比，接收信号Vmeas(t)可以包括幅度的变化和/或相位的变化。第二主ADC41b从控制器25接收第二同步信号51b(也称为“时钟信号”)。第二同步信号51b触发第二主ADC 41b以获得采样频率fpiezo的采样，该采样有时对应于接收信号Vmeas(t)的幅度基本上等于接地，共模或最小值。根据驱动信号42，Vsig(t)的形式以及驱动信号42，Vsig(t)和接收信号Vmeas(t)之间的典型相移，在第一同步信号51a和第二同步信号51b之间存在若干可能的关系。
当接收信号Vmeas(t)与驱动信号42，Vsig(t)近似同相时，第二同步信号51b可以与第一同步信号51a相同。当接收信号Vmeas(t)对放大信号50b的贡献基本上等于接地，共模或最小值时，第二同步信号51b将触发放大信号50b的采样。以这种方式，可以获得基本上仅对压电压力信号29，Vpiezo(t)的采样。
类似地，对于如图16A所示的处于脉冲波形式的驱动信号42，Vsig(t)，在接收信号Vmeas(t)和驱动信号42，Vsig(t)之间的高达约
Figure BDA0002087561300000281
的小相移
Figure BDA0002087561300000282
可以不需要第一同步信号51a和第二同步信号51b之间的任何偏移而适应。对于脉冲波，可以容忍这种相移，原因是驱动信号42，Vsig(t)和接收信号Vmeas(t)中的每一个在每个周期的半个周期中基本上等于零。
对于较大的相移
Figure BDA0002087561300000283
或驱动信号42，Vsig(t)的不同的非方波形，第二同步信号51b可以相对于第一同步信号51a偏移，使得在对于对应的触摸面板10测量/预期的电容范围内，第二同步信号51b在接收信号Vmeas(t)的低或零信号电平的时段期间触发第二主ADC 41b。换句话说，第二同步信号51b可以使第二主ADC41b的采样与接收信号Vmeas(t)同步，而不是与驱动信号42，Vsig(t)同步。
替代地，可以响应于接收信号Vmeas(t)的条件生成第二同步信号51b。例如，响应于接收信号Vmeas(t)下降到预先校准的接地，共模或最小值范围内，可以使用简单的比较器电路来生成第二同步信号51b。触发第二同步信号51b的电路可以包括延迟计时器。
以这种方式，第二主ADC 41b可以获得处于采样信号形式的第二滤波信号52b，该采样信号大致对应于通过第二多路复用器45b连接的第二感测电极20生成的压电压力信号29，Vpiezo(t)。第二同步信号51b不需要触发第二主ADC 41b以在驱动信号42，Vsig(t)或测量信号Vmeas(t)的每个单个周期期间获得采样，而是可以触发第二主ADC 41b例如每隔一个周期，每隔十个周期，每隔一百个周期等获得采样。
控制器25还可以向多路复用器45a，45b和/或放大器34提供次级同步信号54。根据由控制器25确定的序列，第二同步信号54可以使多路复用器45a，45b寻址第一感测电极14和第二感测电极20的每个组合。以这种方式，触摸控制器25可以根据由控制器25确定的序列，从每一对第一感测电极14和第二感测电极20接收放大信号50a，50b。该序列可以预先确定，例如在重复之前，序列可以选择每一对第一感测电极14和第二感测电极20。可以动态地确定序列，例如当检测到一个或多个用户交互时，控制器25可以扫描与每个检测到的用户交互相邻的第一感测电极14和第二感测电极20的子集，以便提供更快和/或更精确的用户触摸跟踪。
公共电极电荷放大器47接收来自公共电极15的信号并生成公共电极放大信号55。公共电极ADC 48接收公共电极放大信号55并以压电采样频率fpiezo进行采样，以生成第二压电信号30。可选地，公共电极ADC 48也通过第三同步信号51c被同步，第三同步信号51c可以与第一同步信号相同或偏离第一同步信号，以便在对应于驱动信号42，Vsig(t)的接地，共模或最小值和/或接收信号Vmeas(t)的接地，共模或最小值时对第二压电信号30进行采样。公共电极ADC 48的同步可以帮助减少或避免来自电容测量的串扰。
基于所获得的滤波信号52a，52b，控制器25可以计算对应于寻址的第一感测电极14和第二感测电极20的外部干扰信号值32a，32b。使用上文描述的方法，基于第一压电压力信号29和第二压电压力信号30确定外部干扰信号值32a，32b。可以通过链路49输出外部干扰信号值32a，32b。
如上文提到的，控制器25将驱动信号42，Vsig(t)提供给第一放大器模块44a的每个放大器34。第一放大器模块44a的每个放大器34的输入端可以用于使用驱动信号42，Vsig(t)来驱动第一触摸面板10的对应的第一感测电极14。基于驱动信号42，Vsig(t)以及由控制器25获得的第一数字化放大信号53a和第二数字化放大信号53b，控制器25基于寻址的第一感测电极14和第二感测电极20之间的互电容计算电容值27和/或触摸数据31。可以通过链路49输出电容值27和/或触摸数据31。
还参考图17，示出了适用于第二装置40的电荷放大器34a，34b，47的一种配置的示例。
在一种配置中，每个电荷放大器34a，34b，47包括具有反相输入端，非反相输入端和输出端的运算放大器OP。
例如，形成第一放大器模块44a的一部分的每个电荷放大器34a包括运算放大器OP，该运算放大器OP具有用于通过串联连接的输入电阻Ri和第一开关SW1耦合到对应的第一感测电极14的反相输入端。运算放大器OP的非反相输入端连接到驱动信号42，Vsig(t)。驱动信号42，Vsig(t)可以由控制器25通过第二装置40的单独模块(未示出)提供，或者可以从外部源接收到第二装置40中。由于反相输入端的电压实际上与非反相输入端的电压相同，因此可以使反相输入端驱动对应的第一感测电极14。电荷放大器34a的反馈网络包括并联连接在运算放大器OP的反相输入端和输出端之间的反馈电阻Rf、反馈电容Cf和第二开关SW2。运算放大器OP的输出端提供放大信号50a。
形成第二放大器模块44b的一部分的每个电荷放大器34b与第一放大器模块44a的每个电荷放大器34a相同，除了运算放大器OP的非反相输入端耦合到共模电压VCM而不是驱动信号42，Vsig(t)，并且反相输入端连接到第二感测电极20而不是第一感测电极14。
公共电极电荷放大器47与形成第二放大器模块44b的一部分的电荷放大器34b相同，除了公共电极电荷放大器47的反相输入端连接到公共电极15并且公共电极电荷放大器47省略第一开关SW1。
可以存在运算放大器OP的其他端子，例如电源端子，但是这些其他端子未在这里描述的这个电路图或其他示意性电路图中示出。
第二开关SW2允许对应的反馈电容器Cf放电。第二开关SW2的断开和闭合可以由控制器25提供的次级同步信号54控制。以这种方式，每个电荷放大器34a，34b的反馈电容器Cf可以周期性地放电，以便重置运算放大器OP反馈网络，以防止过度漂移。可选地，还可以使用第二同步信号54来同步公共电极电荷放大器47的第二开关SW2。
第一开关SW1可以由控制器25提供的第二同步信号54控制，以使放大器34a，34b能够在需要时与对应的感测电极14，20连接或断开连接。
第一感测电极14不需要是发射Tx电极，第二感测电极20不需要是接收Rx电极。替代地，控制器25可以将驱动信号42，Vsig(t)提供给第二放大器模块44b，使得第二感测电极20是发射Tx电极，使用第一感测电极14检测接收信号Vmeas(t)。
在其他示例中，第二装置40不需要被配置成用于互电容测量，而是可以被配置成测量每个第一感测电极14和第二感测电极20的自电容。在这种情况下，自电容测量信号(未示出)可以提供给第一放大器模块44a和第二放大器模块44b。
第二触摸面板
在第一触摸面板10中，第一感测电极14和第二感测电极20已经以细长矩形电极的形式示出。然而，可以使用其他形状。
还参考图18，示出了具有第一感测电极14和第二感测电极20的替代几何形状的第二触摸面板56。
作为矩形的替代，每个第一感测电极14可以包括多个垫片段57，多个垫片段57沿着第一方向x均匀间隔开并沿着第一方向x通过相对窄的桥接段58彼此连接。类似地，每个第二感测电极20可以包括多个垫片段59，多个垫片段59沿着第二方向y均匀间隔开并沿着第二方向y通过相对窄的桥接段60彼此连接。第一感测电极14的垫片段57是沿着第二方向y具有第一宽度W1的菱形，第一感测电极14的桥接段58沿着第二方向y具有第二宽度W2。第二感测电极20的垫片段59和桥接段60具有与第一感测电极14相同的相应形状和宽度W1，W2。
第一感测电极14和第二感测电极20被布置成使得第二感测电极20的桥接段60覆盖第一感测电极14的桥接段58。替代地，第一感测电极14和第二感测电极20可以被布置成使得第二感测电极20的垫片段59覆盖第一感测电极14的垫片段57。垫片段57，59不需要是菱形，而是可以是圆形。垫片段57，59可以是正多边形，例如三角形，正方形，五边形或六边形。垫片段57，59可以是I形或Z形。
第二触摸面板56的替代几何形状同样可与第一装置22或第二装置40结合使用。
第三触摸面板
还参考图19，第三触摸面板61可以与第一装置22或第二装置40结合使用。
第三触摸面板61与第一触摸面板10大致相同，不同之处在于第三触摸面板61不包括第二层结构17且除了第一感测电极14之外，第二感测电极20设置在第一层结构11的第一面12上。每个第一感测电极14是沿着第一方向x延伸的连续导电区域。例如，每个第一感测电极14可以包括多个垫片段62，多个垫片段62沿着第一方向x均匀间隔开并沿着第一方向x通过相对窄的桥接段63彼此连接。每个第二感测电极20可以包括沿着第二方向y均匀地间隔开的多个垫片段64。然而，第二感测电极20的垫片段64设置在第一层结构11的第一面12上并通过第一感测电极14散布且与第一感测电极14分开。对应于每个第二感测电极的垫片段64通过导电跳线65连接在一起。跳线65各自跨越第一感测电极14的一部分，并且跳线65通过薄介电材料层(未示出)与第一感测电极14绝缘，所述介电材料层可以定位在跳线65与第一感测电极14的交叉点周围的区域。
替代地，薄介电层(未示出)可以覆盖第一层结构11的第一面12、第一感测电极14和第二感测电极20的导电片64。沿着第二方向y延伸的导线(未示出)可以设置在介电层(未示出)上，每个导线(未示出)覆盖构成一个第二感测电极20的垫片段64。覆盖的导电线(未示出)可以使用穿过薄介电层(未示出)形成的通孔(未示出)连接构成每个第二感测电极20的垫片段64。
修改
应当理解，可以对上文描述的实施例进行许多修改。这些修改可以包括在压力和/或投射电容式感测触摸面板的设计、制造和使用时已知的等效和其他特征，并且可以代替或补充本文已经描述的特征使用这些等效和其他特征。一个实施例的特征可以由另一个实施例的特征替换或补充。
第三装置
还参考图20，第三装置69包括用于组合式压力和电容感测的第一触摸面板10和第二控制器70。
第二控制器70与第一控制器43相同，除了在第二控制器70中，来自第一感测电极14的输入信号通过第一多路复用器45a连接到单个电荷放大器34a。电荷放大器34a输出第一放大信号50a，第一放大信号50a由第一主ADC 41a、第一次级ADC 46a和控制器25以与第一控制器43相同的方式处理。类似地，来自第二感测电极20的输入信号通过第二多路复用器45b连接到单个电荷放大器34b。电荷放大器34b输出第二放大信号50b，第二放大信号50b由第二主ADC 41b、第二次级ADC 46b和控制器25以与第一控制器43相同的方式处理。来自公共电极15的信号的获取和处理与第二装置40相同。
以与第一控制器43相同的方式，不是必需使用主ADC 41和次级ADC 46。相反，单个ADC(未示出)能够以压电采样频率fpiezo和电容采样频率fcap交替工作，以便顺序地获得信号52，53。
尽管已经参考组合式压电和电容触摸面板和装置主要描述了上文描述的示例，但是应当理解，本说明书的方法也可以用于不测量电容且仅测量压电压力信号的触摸面板装置中。
尽管在上文描述的示例中，对应于第一感测电极14或第二感测电极20中的每个感测电极生成第一压电压力信号29，但不一定是这种情况。在其他示例中，来自两个或更多个相邻的感测电极14，20组的信号可以由单个电荷放大器34组合，以产生对应于在两个或更多个相邻的感测电极14，20组上感应的电荷的第一压电压力信号29。
尽管已经参考使得第一感测电极14和第二感测电极20沿着垂直方向伸长的触摸面板主要描述了上文描述的示例，但不一定是这种情况。在其他示例中，可以省略第二感测电极20，并且第一感测电极可以采用离散触摸面板的二维阵列的形式。本说明书的第一方法和第二方法仍可与这些示例一起使用。
尽管在本申请中已经将权利要求表达为特征的特定组合，但是应当理解，本发明的公开内容的范围还包括在本文中明确地或隐含地或其任何概括而公开的任何新颖特征或任何新颖特征的组合，无论它是否涉及与任何权利要求中目前要求保护的相同的发明，以及无论它是否如本发明一样减轻了任何或所有相同的技术问题。申请人在此通知，在本申请或由此衍生的任何进一步申请的审查期间，新的权利要求可以表达为这些特征和/或这些特征的组合。

Claims (14)

1.一种用于处理来自触摸面板的信号的装置，所述触摸面板包括设置在多个感测电极和至少一个公共电极之间的压电材料层，所述装置包括：
第一电路，所述第一电路用于连接到所述多个感测电极并且被配置成生成多个第一压力信号，其中每个第一压力信号对应于一个或多个感测电极并指示靠近对应的一个或多个感测电极作用在所述触摸面板上的压力；
第二电路，所述第二电路用于连接到所述至少一个公共电极并且被配置成生成第二压力信号，所述第二压力信号指示施加到所述触摸面板的总压力；
控制器，配置成：
基于所述第二压力信号和所述多个第一压力信号的加权总和来确定外部干扰信号；
将所述外部干扰信号与预先校准的阈值进行比较，并响应于所述外部干扰信号大于或等于所述预先校准的阈值而输出干扰标志，所述干扰标志指示所述第一压力信号和第二压力信号受到与一个或多个外部电场耦合的影响。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器还被配置成：确定向所述触摸面板施加压力的位置；以及
响应于设置所述干扰标志，使用被配置成减少或消除与一个或多个外部电场耦合的影响的信号后处理方法来处理所述第一压力信号和/或第二压力信号。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，使用被配置成减少或消除与一个或多个外部电场耦合的影响的信号后处理方法来处理所述第一压力信号和/或第二压力信号，包括识别接近所述位置的一个或多个感测电极，并从计算中排除所识别的感测电极以确定总压力。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述控制器还被配置成：基于其余未排除的感测电极来估计靠近所述一个或多个被排除的感测电极作用在所述触摸面板上的一个或多个压力。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，所述第一电路被配置成对每个感测电极生成指示所述感测电极的电容的电容信号；
其中，所述控制器被配置成：基于所述电容信号来确定向所述触摸面板施加压力的位置。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，生成所述第一压力信号和电容信号包括分离从所述感测电极接收的单个信号。
7.一种触摸面板系统，包括：
根据权利要求1至6中任一项所述的装置；以及
触摸面板，所述触摸面板包括设置在多个感测电极和至少一个公共电极之间的压电材料层。
8.一种电子设备，所述电子设备包括根据权利要求7所述的触摸面板系统。
9.一种处理来自触摸面板的信号的方法，所述触摸面板包括设置在多个感测电极和至少一个公共电极之间的压电材料层，所述方法包括：
生成多个第一压力信号，每个第一压力信号基于从一个或多个感测电极接收的信号，并且每个第一压力信号指示靠近对应的一个或多个感测电极作用在所述触摸面板上的压力；
基于从所述至少一个公共电极接收的信号来生成第二压力信号，所述第二压力信号指示施加到所述触摸面板的总压力；
基于所述第二压力信号和所述多个第一压力信号的加权总和来确定外部干扰信号；
将所述外部干扰信号与预先校准的阈值进行比较，并且响应于所述外部干扰信号大于或等于所述预先校准的阈值而输出干扰标志，所述干扰标志指示所述第一压力信号和第二压力信号受到与一个或多个外部电场耦合的影响。
10.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括：确定向所述触摸面板施加压力的位置；
响应于设置所述干扰标志，使用被配置成减少或消除与一个或多个外部电场耦合的影响的信号后处理方法来处理所述第一压力信号和/或第二压力信号。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，使用被配置成减少或消除与一个或多个外部电场耦合的影响的信号后处理方法来处理所述第一压力信号和/或第二压力信号，包括识别接近所述位置的一个或多个感测电极，并从随后的计算中排除所识别的感测电极以确定总压力。
12.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括：基于其余未排除的感测电极来估计靠近所述一个或多个被排除的感测电极作用在所述触摸面板上的一个或多个压力。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，所述方法包括：基于从每个感测电极接收的信号来生成指示所述感测电极的电容的电容信号；
所述方法还包括：基于所述电容信号来确定向所述触摸面板施加压力的位置。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，生成所述第一压力信号和电容信号包括分离从所述感测电极接收的单个信号。
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