CN111324264B - 用于驱动接触传感器以实现更快的传感器稳定的方法 - Google Patents

用于驱动接触传感器以实现更快的传感器稳定的方法 Download PDF

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Abstract

用于使用多电平驱动方案来驱动触摸传感器装置中的电容性像素的方法和系统。该驱动方案包括在第一时期内以升压电压来驱动发射器电极，以及在第二时期内以第二电压来驱动发射器电极。多电平发射器信号基于与触摸传感器装置的电容性像素关联的不同稳定响应来确定。

Description

用于驱动接触传感器以实现更快的传感器稳定的方法
本申请是申请日为2013年6月7日、申请号为2013800430997、发明名称为“用于驱动接触传感器以实现更快的传感器稳定的方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明的实施例一般涉及驱动电子装置中的负载，或者更具体地，驱动电容性感测装置中的发射器信号。
背景技术
包括接近传感器装置(通常又称作触摸板或触摸传感器装置)的输入装置广泛用于多种电子系统中。接近传感器装置典型地包括通常由表面来区分的感测区，在其中接近传感器装置确定一个或多个输入对象的存在、位置和/或运动。接近传感器装置可用来提供电子系统的接口。例如，接近传感器装置通常用作较大计算系统的输入装置(诸如集成在或外设于笔记本或台式计算机的不透明触摸板)。接近传感器装置还通常用于较小计算系统(诸如集成在蜂窝电话中的触摸屏)中。
为了操作电子装置、诸如显示器和输入装置，通常需要驱动负载。驱动负载所需的时间可以是电阻和/或电容的函数(即，RC时间常数)。常规驱动方法使用两个电压电平(即，高电平和低电平)。例如，触摸传感器装置中的发射器电极可采用包括一系列方波的波形来驱动。但是，波形的频率可受到限制，因为有必要提供长致足以允许发射器电极“稳定”至期望值的感测周期。稳定时间趋向于随着电阻和/或电容增加而增加。例如，使用更细和更长电导体来驱动负载可增加电阻，而驱动物理上更大的负载可增加电容。结果，RC时间常数会更长。但是，长稳定时间因噪声和系统性能(其可能要求以高频率来操作电子装置)而可能是不合意的。因而，减少电子装置的稳定时间是合意的。
发明内容
所公开的是一种用于减少使负载在被驱动时稳定所需的时间量的方法。特别地，稳定时间能够通过采用多个电压电平，包括例如升压电压，来驱动负载而被减少。按照各种实施例，负载能够是电子装置的组件，诸如显示器组件或传感器组件。按照各种实施例，负载能够与驱动显示器中的像素或者与驱动触摸传感器装置的发射器电极关联。
本发明的一个实施例提供一种用于驱动传感器的方法。该方法还包括基于与第一发射器电极关联的第一稳定响应在第一持续时间内向第一发射器电极施加第一电压，其中第一电压大于第一发射器电极的终止电压。该方法包括基于针对传感器的第二稳定响应在第二持续时间内向第一发射器电极施加第二电压，其中施加第一电压和施加第二电压基于第一稳定响应和第二稳定响应。第一稳定响应和第二稳定响应可以是不同的。
本发明的一个实施例还包括具有驱动器模块的处理系统，其中驱动器模块具有驱动器电路，其配置用于耦合到与第一稳定响应关联的第一电容性像素以及与第二稳定响应关联的第二电容性像素。第一电容性像素包括第一发射器电极和第一接收器电极。驱动器模块配置成在第一持续时间内向第一发射器电极施加第一电压，第一电压大于第一电容性像素的终止电压。驱动器模块还配置成在第二持续时间内向第一发射器电极施加第二电压。第一电压和第二电压基于第一稳定响应和第二稳定响应来选择。
本发明的另一个实施例提供一种具有集成显示装置的显示装置。按照一实施例，该显示装置包括配置成被驱动用于电容性感测的多个电容性像素，包括与第一稳定响应关联的第一电容性像素以及与第二稳定响应关联的第二电容性像素。第一电容性像素可包括第一发射器电极和第一接收器电极。该显示装置还包括处理器，其耦合到第一电容性像素和第二电容性像素，并且配置成在第一持续时间内向第一发射器电极施加第一电压。第一电压大于第一电容性像素的终止电压。处理器还配置成在第二持续时间内向第一发射器电极施加第二电压，其中第一电压和第二电压基于第一稳定响应和第二稳定响应来选择。
附图说明
图1是按照本发明的一实施例、包括输入装置的示范系统的框图。
图2示出按照本发明的一实施例、具有示例传感器电极图案的输入装置的一个实施例，其中该示例传感器电极图案配置成在与该图案关联的感测区中进行感测。
图3示出按照本发明的一实施例、具有关联驱动和接收电路的触摸传感器装置的示意图。
图4例示按照驱动触摸传感器装置的常规方法的传感器的稳定特性。
图5示出按照本发明的一实施例、具有升压电压电平的发射器信号。
图6例示按照本发明的一实施例、将升压波形用于驱动触摸传感器装置的传感器的稳定特性。
图7是按照本发明的一个实施例、用于驱动传感器的方法的流程图。
图8是按照本发明的一实施例、用于使用升压波形来驱动触摸传感器装置的示范系统的框图。
图9-10例示按照本发明的一实施例、用于驱动触摸传感器装置的升压波形和对应的控制信号。
为了促进理解，相同的参考标号在可能的情况下已被用于标明对附图是共同的相同元件。应预期一个实施例中公开的元件可获利地用于其他实施例而无需具体说明。这里所参照的附图不应当被理解为按比例绘制，除非特别说明。另外，附图通常经过简化，并且为了呈现和说明的清楚起见而省略细节或组件。附图和论述服务于解释以下所述的原理，其中相似标号表示相似元件。
具体实施方式
本发明的实施例描述用于使用具有多个电平的驱动信号来驱动电容性传感器的方法。多电平驱动方案减少电容性传感器的稳定所需的时间，由此实现增加的感测频率(针对给定的稳定要求)。常规驱动技术使用两个电平，即产生方波的高和低电平。感测周期持续时间被限制为长致足以允许电容性传感器稳定到某个电平(例如在目标电平的95％之内)。随着传感器变得更细和更大，以及设计要求变得更极端(要求更小间距)，稳定行为成为更重要因素。更低感测频率导致噪声性能的降级。因而，本发明的实施例提供一种用于增加感测频率的技术，其导致电容性传感器性能的显著增益。
图1是按照本技术的实施例的示范输入装置100的框图。在一个实施例中，输入装置100包括具有集成感测装置的显示装置。虽然本公开的实施例可用于与感测装置集成的显示装置中，应预期本发明可在没有集成输入装置的显示装置中具体化。输入装置100可配置成向电子系统150提供输入。如本文档所使用的，术语“电子系统”(或“电子装置”)广义地指能够电子地处理信息的任何系统。电子系统150的一些非限制性示例包括所有尺寸和形状的个人计算机，诸如台式计算机、膝上型计算机、上网本计算机、平板、网络浏览器、电子书阅读器和个人数字助理(PDA)。附加示例电子系统150包括合成输入装置，诸如包括输入装置100和独立操纵杆或按键开关的物理键盘。其他示例电子系统150包括诸如数据输入装置(包括遥控和鼠标)和数据输出装置(包括显示屏幕和打印机)之类的外围设备。其他示例包括远程终端、信息亭和视频游戏机(例如视频游戏控制台、便携游戏装置等)。其他示例包括通信装置(包括蜂窝电话，诸如智能电话)和媒体装置(包括记录器、编辑器和诸如电视机的播放器、机顶盒、音乐播放器、数码相框和数码相机)。另外，电子系统可能是输入装置的主机或从机。
输入装置100能够实现为电子系统150的物理部件，或者能够与电子系统150在物理上分离。视情况而定，输入装置100可使用下列的任一个或多个与电子系统的部件进行通信：总线、网络和其他有线或无线互连。示例包括I2C、SPI、PS/2、通用串行总线(USB)、蓝牙、RF和IRDA。
图1中，输入装置100示出为接近传感器装置(通常又称作“触摸板”或“触摸传感器装置”)，其配置成在感测区120中感测一个或多个输入对象140所提供的输入。示例输入对象包括手指和触控笔，如图1所示。
感测区120包含输入装置100之上、周围、之中和/或附近的任何空间，在其中输入装置100能够检测用户输入(例如由一个或多个输入对象140所提供的用户输入)。特定感测区的尺寸、形状和位置可以逐个实施例极大地改变。在一些实施例中，感测区120沿一个或多个方向从输入装置100的表面延伸到空间中，直到信噪比阻止充分准确的对象检测。在各种实施例中，这个感测区120沿特定方向所延伸的距离可以是大约小于一毫米、数毫米、数厘米或者更多，并且可随所使用的感测技术的类型和期望的精度而极大地改变。因此，一些实施例感测输入，其中输入包括没有与输入装置100的任何表面相接触、与输入装置100的输入表面(例如触摸表面)相接触、与耦合某个量的外加力或压力的输入装置100的输入表面相接触、和/或它们的组合。在各种实施例中，输入表面可由传感器电极所在的壳体的表面、由施加在传感器电极或者任何壳体之上的面板等来提供。在一些实施例中，感测区120在投射到输入装置100的输入表面时具有矩形形状。
输入装置100可利用传感器组件和感测技术的任何组合来检测感测区120中的用户输入。输入装置100包括用于检测用户输入的一个或多个感测元件。作为若干非限制性示例，输入装置100可使用电容性、倒介电、电阻性、电感性、磁、声、超声和/或光学技术。
一些实现配置成提供跨越一维、二维、三维或更高维空间的图像。一些实现配置成提供沿特定轴或平面的输入的投影。
在输入装置100的一些电阻性实现中，柔性和导电第一层通过一个或多个间隔元件与导电第二层分隔。在操作期间，跨层创建一个或多个电压梯度。按压柔性第一层可使它充分弯曲以在层之间创建电接触，从而产生反映层之间的接触点的电压输出。这些电压输出可用于确定位置信息。
在输入装置100的一些电感性实现中，一个或多个感测元件获得由谐振线圈或线圈对所感应的回路电流。电流的幅值、相位和频率的某个组合可随后用来确定位置信息。
在输入装置100的一些电容性实现中，施加电压或电流以创建电场。附近的输入对象引起电场的变化，并且产生电容性耦合的可检测变化，其可作为电压、电流等的变化来检测。
一些电容性实现利用电容性感测元件的阵列或者其他规则或不规则图案来创建电场。在一些电容性实现中，独立感测元件可欧姆地短接在一起以形成较大传感器电极。一些电容性实现利用电阻片，其可以是电阻均匀的。
一些电容性实现利用基于传感器电极与输入对象之间的电容性耦合的变化的“自电容”(或“绝对电容”)感测方法。在各种实施例中，传感器电极附近的输入对象改变传感器电极附近的电场，从而改变所测量的电容性耦合。在一个实现中，绝对电容感测方法通过相对基准电压(例如系统地)调制传感器电极，以及通过检测传感器电极与输入对象之间的电容性耦合来进行操作。
一些电容性实现利用基于传感器电极之间的电容性耦合的变化的“互电容”(或者“跨电容”)感测方法。在各种实施例中，传感器电极附近的输入对象改变传感器电极之间的电场，从而改变所测量的电容性耦合。在一个实现中，跨电容性感测方法通过检测一个或多个发射器传感器电极(又称作“发射器电极”或“发射器”)与一个或多个接收器传感器电极(又称作“接收器电极”或“接收器”)之间的电容性耦合来进行操作。发射器传感器电极可相对于基准电压(例如系统地)来调制以传送发射器信号。接收器传感器电极可相对于基准电压保持大体恒定以促进结果信号的接收。结果信号可包括与一个或多个发射器信号和/或与一个或多个环境干扰源(例如其他电磁信号)对应的影响。传感器电极可以是专用发射器或接收器，或者可配置成既传送又接收。
图1中，处理系统110示出为输入装置100的部分。处理系统110配置成操作输入装置100的硬件来检测感测区120中的输入。处理系统110包括一个或多个集成电路(IC)的部分或全部和/或其他电路组件。(例如，用于互电容传感器装置的处理系统可包括配置成以发射器传感器电极来传送信号的发射器电路和/或配置成以接收器传感器电极来接收信号的接收器电路)。在一些实施例中，处理系统110还包括电子可读指令，例如固件代码、软件代码等。在一些实施例中，组成处理系统110的组件定位在一起，诸如在输入装置100的(一个或多个)感测元件附近。在其他实施例中，处理系统110的组件在物理上是独立的，其中一个或多个组件靠近输入装置100的(一个或多个)感测元件，而一个或多个组件在别处。例如，输入装置100可以是耦合到台式计算机的外设，并且处理系统110可包括配置成运行于台式计算机的中央处理单元上的软件以及与中央处理单元分离的一个或多个IC(也许具有关联固件)。作为另一个示例，输入装置100可在物理上集成到电话中，并且处理系统110可包括作为电话的主处理器的一部分的电路和固件。在一些实施例中，处理系统110专用于实现输入装置100。在其他实施例中，处理系统110还执行其他功能，诸如操作显示屏幕、驱动触觉致动器等。
处理系统110可实现为操控处理系统110的不同功能的一组模块。各模块可包括作为处理系统110的一部分的电路、固件、软件或者它们的组合。在各个实施例中，可使用模块的不同组合。示例模块包括：硬件操作模块，其用于操作诸如传感器电极和显示屏幕之类的硬件；数据处理模块，其用于处理诸如传感器信号和位置信息之类的数据；以及报告模块，其用于报告信息。另外的示例模块包括：传感器操作模块，其配置成操作感测元件来检测输入；识别模块，其配置成识别诸如模式变更手势之类的手势；以及模式变更模块，用于变更操作模式。具有一组模块(例如驱动器模块、接收器模块等)的处理系统110的一个实施例随后结合图2来描述。
在一些实施例中，处理系统110直接通过引起一个或多个动作，来响应感测区120中的用户输入(或者没有用户输入)。示例动作包括变更操作模式，以及诸如光标移动、选择、菜单导航和其他功能之类的GUI动作。在一些实施例中，处理系统110向电子系统的某个部分(例如，向与处理系统110分离的电子系统的中央处理系统，若这种独立中央处理系统存在的话)提供与输入(或者没有输入)有关的信息。在一些实施例中，电子系统的某个部分处理从处理系统110接收的信息，以便对用户输入起作用，诸如促进全范围的动作，包括模式变更动作和GUI动作。
例如，在一些实施例中，处理系统110操作输入装置100的(一个或多个)感测元件，以产生指示感测区120中的输入(或者没有输入)的电信号。处理系统110可在产生提供给电子系统的信息中对电信号执行任何适当量的处理。例如，处理系统110可数字化从传感器电极所得到的模拟电信号。作为另一个示例，处理系统110可执行滤波或者其他信号调节。作为又一个示例，处理系统110可减去或者以其他方式计及基线，使得信息反映电信号与基线之间的差异。作为又一些示例，处理系统110可确定位置信息，将输入识别为命令，识别笔迹等。
本文所使用的“位置信息”广义地包含绝对位置、相对位置、速度、加速度和其他类型的空间信息。示范“零维”位置信息包括近/远或接触/无接触信息。示范“一维”位置信息包括沿轴的位置。示范“二维”位置信息包括平面中的运动。示范“三维”位置信息包括空间中的瞬时或平均速度。另外的示例包括空间信息的其他表示。还可确定和/或存储与一种或多种类型的位置信息有关的历史数据，包括例如随时间来跟踪位置、运动或者瞬时速度的历史数据。
在一些实施例中，输入装置100采用由处理系统110或者由某个其他处理系统所操作的附加输入组件来实现。这些附加输入组件可提供用于感测区120中的输入的冗余功能性或者某种其他功能性。图1示出感测区120附近的按钮130，其能够用于促进使用输入装置100的项目的选择。其他类型的附加输入组件包括滑块、球、轮、开关等。相反，在一些实施例中，输入装置100可以在没有其他输入组件的情况下实现。
在一些实施例中，输入装置100包括触摸屏界面，并且感测区120与显示装置的显示屏幕的工作区的至少一部分重叠。例如，输入装置100可包括覆盖显示屏幕、大体透明的传感器电极，并且提供用于关联电子系统的触摸屏界面。显示屏幕可以是能够向用户显示可视界面的任何类型的动态显示器，并且可包括任何类型的发光二极管(LED)、有机LED(OLED)、阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、等离子体、电致发光(EL)或者其他显示技术。输入装置100和显示装置可共用物理元件。例如，一些实施例可将相同电组件的一些用于显示和感测。作为另一个示例，显示装置可部分或整个地由处理系统110操作。
应当理解，虽然在全功能设备的上下文中描述本技术的许多实施例，但是本技术的机制能够作为多种形式的程序产品(例如软件)来分配。例如，本技术的机制可作为电子处理器可读的信息承载介质(例如，处理系统110可读的非暂时性计算机可读和/或可记录/可写信息承载介质)上的软件程序来实现和分配。另外，不管用于执行分配的介质的特定类型，本技术的实施例同样适用。非暂时性、电子可读介质的示例包括各种光盘、存储棒、存储卡、存储模块等。电子可读介质可基于闪速、光、磁、全息或者任何其他存储技术。
图2示出输入装置100的一个实施例，其中根据一些实施例，示例传感器电极图案的一部分配置成在与该图案关联的感测区中进行感测。为了说明和描述的清楚起见，图2示出作为多个简单矩形的传感器图案，然而应理解，该阵列可具有其他几何形式和/或未示出的各种组件。这个传感器电极图案包括多个发射器电极210(210-1、210-2、210-3、…210-n)以及设置在多个发射器电极210之上的多个接收器电极220(220-1、220-2、220-3、…220-n)。
发射器电极210和接收器电极220彼此欧姆地绝缘。也就是说，一个或多个绝缘体隔离发射器电极210和接收器电极220，并且防止它们彼此电短接。在一些实施例中，发射器电极210和接收器电极220由在交迭区设置在它们之间的绝缘材料来隔离；在这类构造中，发射器电极210和/或接收器电极220可采用连接同一电极的不同部分的跳线来形成。在一些实施例中，发射器电极210和接收器电极220由一层或多层绝缘材料来隔离。在某些其他实施例中，发射器电极210和接收器电极220由一个或多个衬底来隔离；例如，它们可设置在同一衬底的相对侧上，或者在层压在一起的不同衬底上。
发射器电极210与接收器电极220之间局部化的电容性耦合的区域可称作“电容性像素”。例如，图2所示的实施例例示定位在发射器电极210-1和接收器电极220-2的相交处的第一电容性像素212(描绘为虚线圆圈)。作为另一个示例，感测区120包括定位在与第一电容像素212相同的发射器电极210-2和不同的接收器电极220-3的相交处的第二电容性像素214。在又一示例中，感测区120包括定位在不同发射器电极210-3和不同接收器电极220-n的相交处的第三电容性像素216。发射器电极210与接收器电极220之间的电容性耦合随与发射器电极210和接收器电极220关联的感测区中输入对象的接近性和运动而发生变化。
在一些实施例中，“扫描”传感器图案以确定这些电容性耦合。也就是说，驱动发射器电极210以传送发射器信号。可操作发射器以使得一次一个发射器电极进行传送，或者多个发射器电极同时进行传送。在多个发射器电极同时进行传送的情况下，这多个发射器电极可传送相同的发射器信号，并且实际上产生实际上更大的发射器电极，或者这多个发射器电极可传送不同的发射器信号。例如，多个发射器电极可按照使它们对接收器电极220的结果信号的组合影响能够被独立确定的一个或多个编码方案来传送不同的发射器信号。
可单个或者多个地操作接收器电极220以获取结果信号。结果信号可用于确定电容性像素处电容性耦合的度量。
来自电容性像素的一组度量形成“电容性图像”(又称作“电容性帧”)，其表示像素处的电容性耦合。可在多个时间段内来获取多个电容性图像，以及它们之间的差异用来导出与感测区中输入有关的信息。例如，在连续时间段内所获取的连续电容性图像能够用于跟踪进入、退出感测区、以及在感测区内的一个或多个输入对象的运动。
传感器装置的本底电容是与感测区中没有输入对象关联的电容性图像。本底电容随环境和操作条件而发生变化，并且可按照多种方式来估计。例如，一些实施例在确定没有输入对象处于感测区中时获得“基线图像”，并且将那些基线图像用作它们本底电容的估计。
能够针对传感器装置的本底电容来调节电容性图像，以获得更有效处理。一些实施例通过对电容性像素处的电容性耦合的度量进行“基线化”以产生“基线化的电容性图像”来实现这一点。也就是说，一些实施例将形成电容图像的度量与关联那些像素的“基线图像”的适当“基线值”进行比较，并且从那个基线图像来确定变化。
在一些触摸屏实施例中，发射器电极210包括一个或多个共用电极(例如“V-com电极”)，其用于更新显示屏幕的显示中。这些共用电极可设置在适当显示屏幕衬底上。例如，共用电极可布置在一些显示屏幕(例如平面内切换(IPS)或平面至线转换(PLS))中的TFT玻璃上、一些显示屏幕(例如图案垂直调整(PVA)或多域垂直调整(MVA))的滤色器玻璃的底部上、耦合到有机发光二极管(OLED)的一端等。在这类实施例中，共用电极也能够称作“组合电极”，因为它执行多个功能。在各种实施例中，每一发射器电极210包括一个或多个共用电极。在其他实施例中，至少两个发射器电极210可共用至少一个共用电极。
在各种触摸屏实施例中，“电容性帧率”(获取连续电容性图像的速率)可与“显示帧率”(更新显示图像的速率，包括刷新屏幕以重新显示相同图像)的那个相同或不同。在两个速率有所不同的一些实施例中，连续电容性图像按不同显示更新状态来获取，并且不同显示更新状态可影响获取的电容性图像。也就是说，显示更新特别地影响本底电容性图像。因此，如果在显示更新处在第一状态时获取第一电容性图像，并且在显示更新处在第二状态时获取第二电容性图像，则第一和第二电容性图像因与显示更新状态关联的本底电容性图像的差异而不是因感测区中的变化，而有所不同。这在电容性感测和显示更新电极彼此极接近的情况下，或者在它们被共用(例如组合电极)时更有可能。
为了便于说明，在特定显示更新状态期间获取的电容性图像被认为属于特定帧类型。也就是说，特定帧类型与特定电容性感测序列与特定显示序列的映射关联。因而，在第一显示更新状态期间所获取的第一电容性图像被认为属于第一帧类型，在第二显示更新状态期间所获取的第二电容性图像被认为属于第二帧类型，在第一显示更新状态期间所获取的第三电容性图像被认为属于第三帧类型，等等。在显示更新状态和电容性图像获取的关系为周期性时，所获取的电容性图像在帧类型中循环并且然后重复进行。
在一个实施例中，处理系统110包括驱动器模块202，其具有配置用于耦合到多个发射器电极210的驱动器电路(未示出)。驱动器模块202配置成通过向发射器电极210的一个或多个施加电压来驱动发射器电极210的一个或多个。处理系统110还可包括接收器模块204，其具有耦合到多个接收器电极220并且配置成在发射器电极210的一个或多个被驱动的同时操作接收器电极220来获取结果信号的接收器电路(未示出)。在一些实施例中，处理系统110可包括测量模块208，其配置成促进调整用于驱动多个发射器电极210的方法，并且随后更详细地描述。
图3示出包括传感器302、驱动电路和接收器电路的示例触摸传感器电路300的示意图。图3描绘作为电阻器和电容器的电路的、电容性传感器302中跨电容性像素的简化抽象。作为示例，所示的触摸传感器电路300可对应于由发射器电极210-1和接收器电极220-2的相交处所组成的第一电容性像素。应理解，图3仅仅例示按照本发明的实施例来驱动的负载的一个示例，并且其他实施例是预期的，例如按照触摸传感器电路的其他配置、按照其他类型的传感器、以及按照用于显示和输入装置的其他电路。
在所示实施例中，驱动器电路向传感器的发射器电极的一个或多个(例如发射器电极210-1)施加驱动信号Vdrive(t)。耦合到一个或多个接收器电极(例如接收器电极220-2)的接收器电路对结果信号进行积分以生成Vout(t)。照这样，传感器的每一发射器电极210和接收器电极220可被看作是分布式RC网络，其能够被近似为每一电极的单极。因而，图3所示的触摸传感器电路300的总体行为是“二阶”系统的行为；跨电容充当产生电荷(其随后由触摸控制器接收器(例如接收器模块204)来积分)的微分器。应当理解，二阶模型是合理保真度的模型，并且在本文中作为示例模型来提出。即使实际传感器可能呈现更复杂行为，该模型捕获展示由此所述的本发明的实施例的优点的行为。
在一个实施例中，传感器302的电容性像素可具有变化的“稳定响应”，其基于具体化触摸传感器电路的特性。稳定响应指响应被某个电压信号(例如发射器信号)所驱动而由输出信号所表达的电容性像素的行为。电容性像素的稳定响应由图3中近似所示的触摸传感器电路300的电阻器和电容器的值来确定。稳定响应可在同一传感器中逐个电容性像素地变化。在许多情况下，沿输入装置的传感器电极图案的电阻和电容的小变化可导致第一电容性像素具有比第二电容性像素更快的稳定响应。例如，由于较长布线迹线或导线所引起的较高电阻，更远离驱动电路的电容性像素可具有比靠近驱动电路的电容性像素更长的稳定时间。另外，电容性像素的稳定响应的范围对不同类型的传感器能够是不同的。
在一个实施例中，电容性像素的稳定时间描述在施加特定电压信号时使电容性像素的输出达到并且停留在目标值的范围或者某个百分比(例如，具有终止输出的2-5％)之内所需的时间。
图4例示具有高和低电平的常规驱动方法的稳定特性。为了方便起见，本文所述的驱动方法相对于电容性触摸传感器进行描述，但是应认识到，该方法可与任何电容性或电阻性感测装置、或者关联驱动显示器中的像素或驱动触摸传感器装置的发射器电极的任何负载一起使用。
如所示，常规驱动方法使用触摸感测信号402，其在图4中例示为方波，其以时期T在电压电平Vlow与Vhigh之间摆动。图4还示出具有不同稳定响应的两个电容性像素的积分信号Vout(t)：对应于具有快速稳定响应的电容性像素的第一输出信号404以及对应于具有慢速稳定响应的电容性像素的第二输出信号406。在图4中能够看到，慢速稳定像素可能花费比快速稳定像素更长的时间转变到期望电压电平(例如Vhigh、Vlow)。
按照本发明的实施例，已经确定“慢速”像素的稳定时间能够通过采用多电平波形来驱动像素而被减少。特别地，触摸感测波形施加“升压”电压，其超出像素稳定至的电压以“过驱动”像素。通过以升压电压而不是仅以终止电压(例如Vhigh和Vlow)进行驱动，有可能更猛烈地驱动慢速稳定像素以减少它们到期望电压电平(例如Vhigh和Vlow电平)的稳定时间。图5例示用于驱动传感器的升压触摸感测波形500的一个实施例的一般化描绘。
在这个实施例中，波形500包括升压部分506，其中在第一持续时间502内(例如直到时间T1)施加升压电压电平(例如V+Vboost)。波形500还包括稳定部分508，其中在第二持续时间504内(例如直到时间T2)施加第二电压电平(例如V)。在一个实施例中，升压部分506的电压电平可大于稳定部分508的电压电平，尽管有极性。极性指电压转变的符号。简单地按常规，导致电压电平的增加的转变被称作具有正极性，而导致电压电平的减小的转变具有负极性。在一些实施例中，电压电平V表示感测操作期间所使用的电压。虽然所描绘波形500是用于驱动高电平(例如Vhigh)，但是应认识到，多电平波形可施加到低电压电平(例如具有至Vlow1升压的Vlow)，如图6所描绘。还应认识到，能够采取许多方法来确定用于实现目标稳定时间的最优化升压电压(例如Vboost)和升压持续时间(例如持续时间502)。
图6例示按照本发明的一实施例、将升压波形用于驱动触摸传感器装置的传感器的稳定特性。触摸传感器装置可使用多电平感测信号602来驱动，其以与图4所描绘信号402相同的时期T在电压电平Vlow1与Vhigh1之间摆动。电平Vhigh以时间偏移T1用于每个第一半感测期中，而电平Vlow以相同时间偏移T1用于每个第二半感测期中。通过以升压电压(例如Vhigh1和Vlow1)而不是仅以Vhigh和Vlow进行驱动，感测信号602更猛烈地驱动慢速稳定像素(即，输出信号606)以减少它们到期望电压电平(诸如Vhigh或Vlow电平)的稳定时间。图6示出快速稳定像素(例如输出信号604)和慢速稳定像素(例如输出信号606)均比图4并行所示的常规感测中更快地稳定到Vhigh和Vlow。如所示，初始转变超过Vhigh-Vlow。也就是说，第一转变Vlow到Vhigh1比Vhigh-Vlow超出量Vboost＝Vhigh1-Vhigh。第二转变也比-(Vhigh-Vlow)超出量-Vboost。
因而，本发明的实施例提供一种技术，其减少使负载(诸如与驱动显示器中的像素或者与驱动触摸传感器装置的发射器电极关联的负载)在被驱动时稳定所需的时间。已经确定，在触摸传感器装置的情况下，减少稳定时间使传感器能够以更高频率进行操作，这提供许多优点。
例如，通过使用具有实现更高感测频率的升压波形的发射器信号，输入装置能够对每一发射器信号更多样本求平均以获得更好噪声减轻(而无需减少触摸报告速率)，或者在另一种情况下，在对与常规驱动方法中相同数量的每一发射器样本求平均的同时增加触摸数据报告速率。另外，给定传感器的最大感测频率可使用升压波形来提升，这使干扰避免更为简易(例如，因为干扰能量趋向于随频率减少)。
在使用共享显示更新和触摸感测的时间的复用方案(诸如单元内(in-cell)显示技术)的实施例中，所述方法允许更少时间用于触摸数据的收集，由此给予更多时间用于显示更新，并且也提供干扰的更好减轻，如上所述。
图7是按照本发明的一个实施例、用于驱动传感器的方法700的流程图。方法700开始于步骤702，确定与第一发射器电极关联的第一稳定响应。在一些实施例中，第一稳定响应可与由第一发射器电极(例如发射器电极210-1)和第一接收器电极(例如接收器电极220-2)所组成的第一电容性像素(例如电容性像素212)关联。
在步骤704，可确定与传感器关联的第二稳定响应，第二稳定响应不同于第一稳定响应。已预期第二稳定响应的各种实施例，并且本文中论述一些示例。
在一个实施例中，第二稳定响应可与第一发射器电极关联。例如，第二稳定响应可与第二电容性像素214(其与第一电容性像素共用同一发射器电极210-1，但是包括不同接收器电极220-2)关联。
在另一个实施例中，第二稳定响应可与第二发射器电极关联。例如，第二稳定响应可与第三电容性像素216关联，其中第三电容性像素216由与第一电容性像素不同的发射器电极210-3和不同的接收器电极220-n所组成。
在步骤706，驱动器模块202在第一持续时间内向第一发射器电极施加第一电压。第一电压可超出第一发射器电极的终止电压，并且在本文中有时可称作“升压电压”。例如，当期望驱动器模块202增加第一电极上的电压时，升压电压高于(即超出)此后施加的电压Vhigh。在期望降低施加到发射器电极的电压的另一个示例中，升压电压低于(即，超出)此后施加的电压Vlow。
在步骤708，驱动器模块202在第二持续时间内向第一发射器电极施加第二电压。在一些实施例中，第一和第二电压的施加可基于在步骤702和704所确定的第一稳定响应和第二稳定响应。在一些实施例中，第一和第二持续时间可基于第一稳定响应和第二稳定响应来选择。第一和第二持续时间可选择成使与第一稳定响应关联的第一稳定时间和与第二稳定响应关联的第二稳定时间是相似的。在一个实例中，第一和第二持续时间可选择成使第一和第二稳定时间是相似、相同或者大体相同的。
应认识到，这些持续时间能够选择成支持多种使用情况，包括驱动单个升压波形用于整个电子系统150、不同升压波形用于不同编组的电容性像素(例如多行像素)、或者不同升压波形用于个体像素。在单个波形可用于整个传感器图案的一个实施例中，可使用具有第一和第二持续时间的单个波形，使得针对传感器图案中的所有电容性像素的稳定时间是相同的。例如，相同波形可在执行针对电容性像素212和216的电容性时分别用来驱动发射器电极210-1和210-3，使得电容性像素212和216的稳定时间是相似的。
在不同波形用于不同编组的电容性像素的一个示例实施例中，可为每组电容性像素选择不同波形，使得每组内所有电容性像素的稳定时间是相似的。在一些实施例中，电容性像素可相对于其对应发射器电极来组织。照这样，不同波形可被关联并且用于每一发射器电极，其中每一波形使它们自己相应的第一和第二持续时间基于具有那个发射器电极的电容性像素的不同稳定响应来选择。例如，可为与发射器电极210-1关联的一行电容性像素(包括电容性像素212和214)选择具有第一和第二持续时间的波形，使得那一行像素中的最慢稳定电容性像素的稳定时间与那一行像素中的最快稳定电容性像素的稳定时间是相似的。
在不同波形用于不同编组的电容性像素的另一个实施例中，可选择不同波形用于立刻驱动不同编组的发射器电极，诸如在用于驱动传感器图案的码分复用(CDM)方案中。在这种实施例中，可为每组发射器电极选择波形，使得与那一组中所有发射器电极关联的所有电容性像素的稳定时间是相似的。例如，在CDM驱动方案使发射器电极210-1和210-3同时驱动的情况下，波形可选择成使得与发射器电极210-1和210-3关联的所有电容性像素(包括电容性像素212、214和216)的稳定时间是相似的。
在使用不同波形的实施例中，应认识到，具有相应第一和第二持续时间的不同波形可用来实现共同稳定时间。例如，与发射器电极210-1关联的一行像素可总体上具有比与发射器电极210-3关联的一行像素更慢的稳定响应。在这种情况下，用来驱动发射器电极210-1的波形可选择成具有用于驱动升压电压的第一持续时间和用于驱动稳定电压的第二持续时间，并且用来驱动发射器电极210-3的波形可选择成具有用于驱动升压电压的第三持续时间(不同于第一持续时间)和用于驱动稳定电压的第四持续时间(不同于第二持续时间)，使得所有电容性像素的稳定时间是相似的。
在一个实施例中，第一和第二电压也可基于第一稳定响应和第二稳定响应来选择。按照各种实施例，电子系统150可配置成提供特定电压电平(例如Vhigh1和Vlow1电压)。备选地，也许有可能使用电子装置中已经存在的电压来使电子装置中必须提供的电压的数量最小化。另外，应认识到，与针对各种使用情况所选择的波形有关的以上论述可适用于第一和第二电压的选择，即，具有第一和第二电压的波形可选择成使得与不同稳定响应关联的稳定时间(无论在整个传感器图案上、在一组电容性像素内、等)是相似的。
在一个实施例中，用于针对给定传感器施加“升压”电压的持续时间可基于作为二阶系统的电容性像素系统(诸如图3所描绘)的分析来确定。已经确定，传感器(例如电容性像素212)的稳定响应可与具有大约RC/2的极时间限制的二阶系统的稳定响应相似。电容性像素系统的分析可能如下。
在一个实施例中，二阶系统的拉普拉斯变换(假定接收器和发射器极没有处在相同频率)可以是：
阶跃响应的拉普拉斯变换包括1/s，以对流经传感器的电荷进行积分，并且在图3的积分器的输出产生电压：
其中，Vout表示积分的接收信号。时域阶跃响应是这样：
其中，u(t)是单位阶跃函数。
在一个实施例中，假定如图3所描绘的命名，其中在时间T1内施加电压信号Vboost，以及施加电压电平V直到时间T2，一直到时间T1的响应通过下式来确定：
另外，在时间T2的最终响应通过下面等式4B所示的函数来确定：
在一些实施例中，可用于驱动电容性像素的电压电平(例如V和Vboost)是固定的。例如，在具有V＝6和Vboost＝3的可用电压电平的电子系统中，用于驱动的电压电平在一个实例中可以是Vlow1＝0、Vlow＝3、Vhigh＝6以及Vhigh1＝9。在这些实施例中，升压波形可围绕用于施加预配置电压电平的持续时间来最优化，以在一个或多个传感器中实现期望稳定时间。
在一个实施例中，针对多个像素的升压持续时间T1可基于对于其稳定时间将是相似的多个像素的“最慢”稳定像素和“最快”稳定像素来确定。照这样，在上面等式4B中，设(α1,β1)是传感器上的“最慢“稳定像素的极，以及(α2,β2)是传感器上的“最快”稳定像素的极。相应地，本发明的实施例配置成选择升压持续时间T1和电压Vboost来引起稳定时间T2，使得满足下列条件：
(i)Vout(T2)＝(1-c)V，其中c≈5％是最慢像素的稳定要求；
(ii)T2被最小化；以及
(iii)最快稳定像素也被稳定至至少(1+c)V。
提出条件(iii)，因为简单地选择T1＝T2并且求解等式4(a)以满足第一条件(i)可使最快稳定像素过冲(overshoot)。下面描述用于满足三个条件(i)-(iii)的许多方法。
按照一种方法，用于施加升压电压的时间段可使用数值最优化方法来确定，在其中最慢和最快稳定像素的响应可作为最优化问题的部分来被结合。例如，设vout1对应于最慢稳定像素的响应，以及vout2对应于最快稳定像素的响应。与(α1,β1)和(α2,β2)对应的值可对该传感器经验性地测量。照这样，给出：
vout1(T2)＝F(α1，β1，Vboost，T1) (5A)
vout2(T2)＝F(α2，β2，Vboost，T1) (5B)
因而，对于具有预配置电压V和Vboost的给定实施例，升压持续时间的选择可表达为最小化(例如减少)稳定时间T2的最优化问题，如下：
在一些实施例中，按照用于执行数值最优化的众所周知技术，等式6可作为易处理的数值最优化问题来求解。备选地，如随后描述的迭代调整技术能够求解等式(6)。
按照另一种方法，用于施加升压电压的电压和时间段可经由动态调整来确定。在一个实施例中，电子系统150可配置成提供反馈，以监测一个或多个电容性像素的稳定时间。例如，在触摸传感器装置的情况下，能够提供接收器来监测驱动发射器的信号。在一个实施例中，处理系统110可包括测量模块208(如图2所示)，其配置成在给定时间点来测量特定电容性像素的电压响应(例如vout1(t))。以所接收反馈为基础，能够调节升压期和电压以实现期望稳定时间。
在一个实施例中，测量模块208可配置成通过迭代地递增用于施加升压电压的持续时间T1直到第一电容性像素212在与第二电容性像素214关联的稳定时间被测量为过冲终止电压，来确定用于施加升压电压的持续时间T1。在这个实施例中，假定与第一电容性像素关联的第一稳定响应比与第二电容性像素关联的第二稳定响应更快。这个调整算法在下表1中示出，但是，可使用用于动态调整的其他实施例，并不局限于测量模块208。
表1：示例调整算法
如表1所示，调整算法将升压持续时间T1初始化为零。在调整算法的每次迭代，使升压持续时间T1递增，以及确定最慢稳定像素的稳定时间T2(即，使得vout1(T2)>(1-c)V)。如果在相同时间T2最快像素的输出信号尚未过冲目标电平V(即，vout2(T2)<(1+c)V)，则调整算法重复至步骤2(例如使T1递增)。如果在相同时间T2最快像素的输出信号已经过冲目标电平V，则调整算法使升压持续时间递减并且退出。
虽然本发明的一实施例详细描述为具有带有单个升压电平(例如Vboost)的多电平波形，但是应认识到，本发明的实施例可扩展到包括具有多个升压电平(即，阶梯波形)的发射器信号。例如，驱动器模块202可配置成在第三持续时间内施加第三电压(例如向第一发射器电极)，其中第三电压和第三持续时间选择成使第一稳定时间和第二稳定时间是相似的。在另一个实施例中，发射器信号可作为进行最优化以减少基于稳定响应的稳定时间的连续函数来配置。
另外，如上所述，升压电平的数量、升压电平电压和升压次数对于每一电子装置、行或个体像素能够是不同的。在一些实施例中，发射器信号波形的升压部分和稳定部分的压摆率能够是不同的，以便(a)改进稳定或者(b)减少寄生发射。也可使用不同于阶跃响应的波形曲线，例如正弦波、三角波等。此外，有可能基于反馈、诸如稳定时间的度量来动态改变升压参数。
图8是按照本发明的一实施例、配置成采用升压波形来驱动发射器电极的驱动器模块202的框图。驱动器模块202可向复用器804、806提供多个控制信号802，以生成如上所述用于在电容性感测期间驱动发射器电极的多电平驱动信号。配置成生成多电平驱动信号的驱动器模块202可按照多种布置和配置来具体化，包括独立ASIC或者作为集成触摸和显示IC的一部分。在各种实施例中也可布置复用器804、806，包括在独立显示驱动IC中、在集成触摸和显示IC中、或者在显示器的玻璃上的电路中。
如图8所示，驱动器模块202向复用器804、806提供多个控制信号802，以便驱动一个或多个发射器电极210上的发射器信号。在一些实施例中，控制信号802可包括对极性和电平进行编码的数字逻辑信号，其在触摸感测波形的不同时期期间施加。所使用的电平的数量以及时期的数量可基于特定实现而改变。例如，设Nlevels是一个感测期中所使用电平的数量，则ceiling(log2(Nlevels)定义用于电平复用器804的逻辑控制信号的数量。电压的定时、选择和/或生成能够由任何适当电路、软件或固件来提供。按照各种实施例，被施加的所施加电压例如使用电压调压器或电压源来生成。按照另外的实施例，所施加电压从可用电压源来选择。
在图8所示的实施例中，驱动器模块202向电平复用器804提供控制信号，以便从多个电压电平808中选择以在电容性感测期间使用。一旦选择电压电平，结果多电平感测信号602能够被提供给配置成驱动发射器电极用于触摸感测的电路(例如发射器复用器806)，例如基于其他控制信号810(其可能来自处理系统110、显示驱动器或者玻璃上逻辑)来选择活动发射器。
图9-10例示按照本发明的一实施例、用于驱动触摸传感器装置的升压波形和对应控制信号。如图9所示，多电平升压波形包括两个极性(例如Vhigh和Vlow)，其中每一极性包括两个不同电压电平。这导致具有四个不同电压电平(即，V1、V2、V3和V4)的波形。为了提供这些升压电平，图10所示的两个逻辑控制信号，C1和C2，由驱动器模块202提供给电平复用器804。控制信号C1和C2在电压电平V1、V2、V3和V4(其用来驱动用于执行触摸感测的发射器电极)之中进行选择。在一些实施例中，处理系统110可包括多个寄存器(未示出)，以配置升压期的持续时间以及用于每一极性的时期的持续时间。在一个实施例中，电平复用器804的操作模式通过下表2来定义：
输入：控制信号
C1 0 1 0 1
C2 0 0 1 1
输出：电平 V1 V2 V3 V4
表2：操作模型
鉴于前述，本公开的范围由附随的权利要求来确定。但是，本领域的技术人员将认识到，前述描述和示例只是为了说明和示例的目的而提出。所阐述的描述并非意在是穷举性的或者将本发明限定于所公开的精确形式。

Claims (15)

1.一种驱动传感器的方法，所述方法包括：将第一发射器电极从起始电压驱动至目标电压，包括：
基于第一稳定响应在第一持续时间内向所述第一发射器电极施加第一电压，其中所述第一电压大于所述起始电压和所述目标电压；以及
基于第二稳定响应在第二持续时间内向所述第一发射器电极施加所述目标电压；
其中,所述第一稳定响应与所述第一发射器电极及第一接收器电极关联，并且所述第二稳定响应与不同于所述第一发射器电极的第二发射器电极及不同于所述第一接收器电极的第二接收器电极关联。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一持续时间和所述第二持续时间基于所述第一稳定响应和所述第二稳定响应来选择。
3.如权利要求1所述的方法，其中与所述第一发射器电极关联的所述第一稳定响应至少部分地定义在向所述第一发射器电极施加电压时达到并且停留在所述目标电压的预定范围之内的稳定时间。
4.如权利要求1所述的方法，还包括：
向一个或多个复用器提供多个控制信号，以驱动发射器信号至一个或多个发射器电极上，其中所述控制信号包括对所述发射器信号的极性和电平进行编码的数字逻辑信号。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述第一持续时间和所述第二持续时间选择成使得与所述第一稳定响应关联的第一稳定时间和与所述第二稳定响应关联的第二稳定时间是相同的。
6.如权利要求1所述的方法，还包括：
通过迭代地递增用于施加所述第一电压的所述第一持续时间直到所述第一发射器电极在与所述第二稳定响应关联的稳定时间过冲终止电压，来确定用于施加所述第一电压的所述第一持续时间；其中，与所述第一发射器电极关联的所述第一稳定响应比所述第二稳定响应更快。
7.一种处理系统，所述处理系统包括：
驱动器模块，具有配置用于耦合到与第一稳定响应关联的第一电容性像素和与第二稳定响应关联的第二电容性像素的驱动器电路，其中所述第一电容性像素包括第一发射器电极和第一接收器电极，所述第二电容性像素包括第二发射器电极和第二接收器电极；
其中所述驱动器模块配置成将所述第一发射器电极从起始电压驱动至目标电压，包括：
在第一持续时间内向所述第一发射器电极施加第一电压，其中所述第一电压大于所述第一电容性像素的所述起始电压和所述目标电压；以及
在第二持续时间内向所述第一发射器电极施加所述目标电压，其中所述第一电压和所述目标电压基于所述第一稳定响应和所述第二稳定响应来选择。
8.如权利要求7所述的处理系统，其中所述第一持续时间和所述第二持续时间基于所述第一稳定响应和所述第二稳定响应来选择。
9.如权利要求7所述的处理系统，其中与所述第一发射器电极关联的所述第一稳定响应至少部分地定义在向所述第一发射器电极施加电压时达到并且停留在所述目标电压的预定范围之内的稳定时间。
10.如权利要求7所述的处理系统，其中所述驱动器模块还配置成向一个或多个复用器提供多个控制信号，以驱动发射器信号至一个或多个发射器电极上，其中所述控制信号包括对所述发射器信号的极性和电平进行编码的数字逻辑信号。
11.如权利要求7所述的处理系统，其中所述第一持续时间和所述第二持续时间选择成使与所述第一电容性像素关联的第一稳定时间和与所述第二电容性像素关联的第二稳定时间是相同的。
12.如权利要求7所述的处理系统，还包括：
测量模块，配置成通过迭代地递增用于施加所述第一电压的所述第一持续时间直到所述第一电容性像素在与所述第二电容性像素关联的稳定时间过冲终止电压，来确定用于施加所述第一电压的所述第一持续时间；
其中与所述第一电容性像素关联的所述第一稳定响应比与所述第二电容性像素关联的所述第二稳定响应更快。
13.一种具有集成感测装置的显示装置，所述显示装置包括：
配置成被驱动用于电容性感测的多个电容性像素，包括与第一稳定响应关联的第一电容性像素和与第二稳定响应关联的第二电容性像素，其中所述第一电容性像素包括第一发射器电极和第一接收器电极，而所述第二电容性像素包括第二发射器电极和第二接收器电极；
处理器，耦合到所述第一电容性像素和所述第二电容性像素，其中所述处理器配置成将所述第一发射器电极从起始电压驱动至目标电压，包括：
在第一持续时间内向所述第一发射器电极施加第一电压，其中所述第一电压大于所述第一电容性像素的所述起始电压和所述目标电压；
在第二持续时间内向所述第一发射器电极施加目标电压，其中所述第一电压和所述目标电压基于所述第一稳定响应和所述第二稳定响应来选择。
14.如权利要求13所述的显示装置，其中所述处理器配置成向一个或多个复用器提供多个控制信号，以驱动发射器信号至一个或多个发射器电极上，其中所述控制信号包括对所述发射器信号的极性和电平进行编码的数字逻辑信号。
15.如权利要求13所述的显示装置，其中所述处理器还配置成通过迭代地递增用于施加所述第一电压的所述第一持续时间直到所述第一电容性像素在与所述第二电容性像素关联的稳定时间过冲终止电压，来确定用于施加所述第一电压的所述第一持续时间；
其中与所述第一电容性像素关联的所述第一稳定响应比与所述第二电容性像素关联的所述第二稳定响应更快。
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