CN111465914A - 电容式运动传感器 - Google Patents

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Abstract

公开了基于空间频率的电容式运动传感器及其操作方法。在一个实施方式中，运动传感器包括感测单元阵列，以电容性地感测由表面接近所述阵列感应出的电容变化。运动传感器还包括处理电路，该处理电路包括复用器和处理器，以处理来自阵列的测量所述表面在平行于阵列的表面的方向上的运动的运动相关输出信号。一般来说，处理器适于执行用于以下操作的程序：控制复用器以互连阵列的感测单元，从而将阵列配置为梳状滤波器，以检测电容变化的至少一个空间频率分量，并测量所述表面在平行于阵列的方向上的运动。还公开了其它实施例。

Description

电容式运动传感器
相关申请的交叉引用
本申请是2018年3月20日提交的申请号为15/926,175的美国专利申请的国际申请，其根据35U.S.C.119(e)要求享有于2017年12月14日提交的序列号为62/598,618的美国临时专利申请的优先权的权益，所有这些申请文件通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及运动传感器，且更具体地，涉及包括感测单元阵列并使用空间频率检测来检测表面相对于阵列的运动的电容式运动传感器。
背景
能够跟踪手指或触笔在表面上的移动的运动传感器是众所周知的，并且广泛用于系统(诸如手指导航系统)中，以移动光标或输入数据。一般来说，常规的运动传感器可以根据手指或触笔的表面被感测的方式(光学地或电容性地)而被分为两种类型中的一种。
光学导航传感器使用激光或LED光源和光电二极管阵列，基于手指表面的图像或通过从粗糙表面散射相干光生成的被称为散斑(speckle)的随机光强分布来检测运动。然后，可以通过使用图像相关性的算法通过检测手指表面的图像的移动或者通过对散斑的空间频率计算，来确定运动。光学导航传感器通常具有高成本和相对较大的尺寸，这是由于需要激光器或光源，该激光器或光源必须在内部与光电二极管阵列屏蔽开，并且需要精确的光学组件来将从手指表面反射的光投射到光电二极管阵列上。光学导航传感器对环境照明也很敏感，并且当没有表面存在时由于背景光的变化，其会错误地检测到运动。最后，图像相关性运动计算可能是计算密集型的，并且需要昂贵的处理电路。
最常见类型的电容式运动传感器是电容式触控板，它使用小的电容式传感器阵列来检测手指位置，并通过比较多个连续的手指位置来确定运动。因此，应理解的是，因为如果要被跟踪的表面覆盖整个电容式传感器阵列，电容式触控板就不起作用，所以电容式触控板的显著缺点是它们必须总是大于手指的表面，并且通常要大得多，以检测手指在多个连续位置的位置。因此，大的触控板很难适应许多表面积有限的应用。另外，由于检测位置占用的时间，电容式触控板不适用于高速运动。跟踪高速运动需要更大的电容式传感器阵列。
另一类型的电容式传感器是指纹传感器。指纹传感器使用电容式阵列，通过感测在手指脊线和谷线之间的电容差，来检测指纹图像。过去，曾尝试通过比较后续图像并在每个可能的偏移处执行图像相关性计算来检测运动，将指纹传感器用作运动传感器。然而，速度受限于捕获指纹图像所需的时间和/或执行图像相关的时间。更快的运动需要更快的图像捕获和更快的计算，这限制了最大速度或增加传感器区域。此外，计算经常需要高性能处理器，这增加了成本。最后，指纹图像的捕获和传输引起了许多安全和隐私问题。
因此，需要一种便宜的运动传感器，其能够检测高速运动，并且需要较小的处理功率，以及感测区域较小。还希望运动传感器在不会引起由于检测和存储指纹图像而导致的安全性问题的情况下实现这些目标。
概述
提供了一种基于空间频率的电容式运动传感器及其操作方法。在一个实施例中，运动传感器包括感测单元阵列，以电容性地感测在表面的结构接近阵列时的电容变化。运动传感器还包括处理电路，该处理电路包括复用器和处理器，以处理来自阵列的测量所述表面在平行于阵列的表面的方向上的运动的运动相关输出信号。一般来说，处理器适于执行用于以下操作的程序：控制复用器以互连阵列的感测单元，从而将阵列配置为梳状滤波器来检测电容变化的至少一个空间频率分量，以及测量表面在平行于阵列的方向上的运动。在一些实施例中，处理电路和阵列还被配置成使得感测单元的间距和阵列的尺寸能够在操作中动态改变，以适应可能由表面的电容变化引起的不同空间频率，从而生成具有最大强度的关于运动正在被检测的表面的输出信号。
本发明的实施例的另外的特征和优点以及本发明的各种实施方式的结构和操作在下面参考附图被详细地描述。应当注意，本发明不限于本文中描述的具体实施方式。本文中呈现的这些实施方式只是用于例证的目的。基于本文中包含的教导，另外的实施方式对于相关领域的技术人员将是明显的。
附图简述
现在将参考所附示意图仅以示例的方式描述本发明的实施方式，所附示意图中相对应的参考符号指示相对应的部分。而且，被并入本文且形成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施方式，并且连同描述一起进一步地用来解释本发明的原理，并使得相关领域的技术人员能够开发并使用本发明。
图1是电容阵列的一部分的示意性框图；
图2是电容阵列的一部分的示意性表示，其中发射(Tx)电极被描绘为行，而接收(Rx)电极被描绘为列；
图3是具有发射和接收复用器(MUX)的电容阵列的一部分的框图；
图4A是基于空间频率的电容感测单元的线性或一维(1D)阵列的示意性框图；
图4B是图4A的1D阵列的输出的曲线图；
图4C是电容感测单元的1D阵列的示意框图，其包括使用用于从输出中消除DC分量的差分检测器组合的多个交错感测单元；
图5是用于对一维运动的基于空间频率的检测的电容感测单元的1D阵列的示意性框图；
图6A是用于对二维运动的基于空间频率的检测的电容感测单元的二维(2D)阵列的示意性框图；
图6B是图6A的阵列中的感测单元块的示意性框图；
图7是电容式运动传感器的示意性框图，其包括电容感测单元的阵列，并使用基于空间频率的检测来检测二维运动；
图8A是运动传感器的一部分的框图，其包括具有预配置的发射复用器(MUX)和接收复用器的2D阵列、以及被配置成生成四个信号(CC、CS、SC、SS)中的第一信号(CC)的差分检测器；
图8B是运动传感器的一部分的框图，其包括具有预配置的发射MUX和接收MUX的2D阵列、以及被配置成生成四个信号中的第二信号(CS)的差分检测器；
图8C是运动传感器的一部分的框图，其包括具有预配置的发射MUX和接收MUX的2D阵列、以及被配置成生成四个信号中的第三信号(SC)的差分检测器；
图8D是运动传感器的一部分的框图，其包括具有预配置的发射MUX和接收MUX的2D阵列，以及被配置成生成四个信号中的第四信号(SS)的差分检测器；
图9A是图示发射复用器的第一替代配置的框图，其中，多个发射电极接地，以实现阵列的中心或峰值空间频率的动态调整；
图9B是图示发射复用器的第二替代配置的框图，其中，多个发射电极接地，以实现阵列的中心或峰值空间频率的动态调整；
图9C是图示发射复用器的第三替代配置的框图，其中，多个发射电极接地，以实现阵列的中心或峰值空间频率的动态调整；
图10是用于操作基于空间频率的运动传感器的方法的流程图，该基于空间频率的运动传感器包括能够被配置为多频空间滤波器的电容感测单元阵列；
图11A是图示了四个感测单元块的电容感测单元的2D阵列的一部分的示意框图；
图11B是图示了对二维运动的基于空间频率的检测的替代配置的感测单元的2D阵列的一部分的示意框图；和
图12是用于操作基于空间频率的运动传感器的方法的流程图，该基于空间频率的运动传感器包括配置为梳状滤波器的阵列；
本发明的实施方式的特征和优点从下面结合附图所阐述的详细描述中将变得更明显。在附图中，类似的参考数字一般指示相同的、功能上类似的、和/或结构上类似的元素。
详细描述
本说明书公开了包括本发明的特征的一个或更多个实施方案。所公开的实施方式仅仅举例说明本发明。本发明的范围不限制于所公开的实施方式。本发明由本文所附的权利要求限定。
所描述的实施方式和说明书中对“一个实施方式”、“实施方式”、“示例实施方式”等的引用指示所描述的实施方式可包括特定特征、结构、或特性，但可能不是每个实施方式都必须包括特定特征、结构、或特性。而且，这样的词组并不必然地指相同的实施方式。另外，当结合实施方式描述该特定特征、结构、或特性时，应当理解无论是否明确地描述，结合其他实施方式实施这样的特征、结构、或特性均在本领域技术人员的知识内。
在更详细地描述各种实施方式之前，将给出关于在整个描述中可能使用的某些术语的进一步解释。
“空间频率”意为其在空间中的位置上是周期性的任何结构或表面的特性或特征，或者是每单位时间内大体上正弦的信号的循环次数。根据被感测的特性或特征以及用于检测运动的基于空间频率的运动传感器的设计，表面可以由可能无限数量的单独空间频率的叠加构成。因此，本文使用的基于空间频率的运动传感器是指被设计成感测由相对于运动传感器移动的表面的结构变化引起的电容变化的一个或少量的空间频率分量的传感器，并且该基于空间频率的运动传感器通过检测到的一个或多个空间频率在运动传感器上的移动来检测运动。如下面进一步详细描述的，电容的变化可能是由在检测器上移动的指纹的脊线和谷线或者戴手套的手指上的织物纹理引起的。
在本文中，术语“梳状阵列”或“被配置为梳状滤波器的阵列”一般用来描述以周期性方式连接的电容式检测器阵列，使得该阵列充当针对来自该阵列的输出信号的一个空间频率分量(及其奇次谐波)的滤波器。被配置为梳状滤波器的一维(1D)阵列意为沿着单个长轴布置的多个感测单元，并且沿着短轴的宽度基本上等于感测单元的宽度。这种1D阵列的示例在图4A-4C和图5中示出，将在下面进一步详细描述。被配置为梳状滤波器的二维(2D)阵列意为沿着至少两个非平行的轴布置的多个感测单元。这种2D阵列的一个示例在图6A和图6B中示出，下面将进一步详细描述，其中多个感测单元布置成矩形或正方形阵列。注意，虽然在这个特定实施方式中示出的2D阵列看起来仅仅是相邻的1D阵列的多个实例，但是2D阵列区别于1D阵列之处在于电容式感测单元与其他感测单元在x方向和y方向上以周期性的方式连接。还应注意的是，尽管图6A和图6B的2D阵列是矩形的，然而这不必是每个实施方式中的情况。例如，2D阵列可以包括沿着三个非平行轴布置的感测单元阵列，以形成六边形2D阵列。
本公开的基于空间频率的电容性运动传感器可以用多种类型的电容感测单元(包括互电容感测单元和自电容感测单元(也称为绝对电容式感测元件))来实现。
现在将参考图1描述互电容感测单元的操作原理。图1是互电容感测单元阵列100的一部分的示意性框图。阵列100由具有由绝缘电介质层或绝缘体106隔开的发射(Tx)电极102和上面的接收(Rx)电极104的行和列组成。Tx电极和Rx电极的每个交叉部形成阵列中的检测器或感测单元108。在一些实施方式中，绝缘体106包括透明材料(诸如玻璃)，而Tx电极102和Rx电极104由导电材料层形成。在一些实施例中，导电材料是光学透明的和/或足够薄到允许至少一些波长的光基本上不衰减地穿过阵列100，从而使得基于空间频率的电容性运动传感器能够与显示器(诸如蜂窝电话的屏幕或光学指纹传感器)一起使用。
在操作中，当信号被施加到Tx电极102时，生成感应在Rx电极104中的电流的电场线110。Rx感测电极接收信号取决于在Tx电极102和Rx电极104之间的耦合电容。这就是所谓的互电容。当导电物体或表面112(或具有非单位介电常数的导电物体或表面)非常接近Rx电极104时，互电容改变。通过测量在Rx电极104处的信号与在没有具有非单位介电常数的表面接近Rx电极104时的信号相比的变化，可以计算由于表面112引起的互电容变化。使用具有这种互电容感测单元108的阵列100，并扫描Tx电极102和Rx电极104，可以从有限数量的信号中确定运动，如下面进一步详细所述。当指纹在感测单元上移动或相对于感测单元移动时，单元互电容的变化或改变导致接收电路中的信号改变。
可替代地，该阵列可以是自电容阵列，其包括多个自电容感测单元，该多个自电容感测单元检测其上形成该阵列的基板或IC的顶表面上的顶板或电极与基板的下表面上的接地面之间的电容。
图2是电容阵列200的一部分的示意性表示，其中，发射(Tx)电极202被描绘为行，而接收(Rx)电极204被描绘为列。图中的每个正方形206表示将要由在Tx电极202和Rx电极204的交叉部形成的特定感测单元207测量的电容区域。阵列200的总体尺寸取决于Tx电极202的尺寸和Rx电极204的尺寸、以及相邻Tx电极和相邻Rx电极之间的距离或间隔(也称为间距)。通常，Tx电极202和Rx电极204的尺寸、以及相邻Tx电极和相邻Rx电极之间的间隔是基于对于待检测表面的空间频率含量(spatial frequency content)的估计来选择的，并且可以与待检测的表面的结构中的突起或特征的空间频率匹配，或者可以与之不匹配。
如上所述，互电容阵列中的Tx电极用信号驱动，并且Rx电极连接到放大器或感测电路，以测量输入信号并因此测量阵列中感测单元的电容。如图3所示，为了避免驱动和感测电路的过度复制，使用了有限数量的Tx驱动电路302和Rx感测电路304，然后它们分别经由Tx复用器(MUX 306)和Rx复用器(MUX 308)连接到阵列300。如图3所示，Tx驱动电路302和Rx感测电路304都可以是单端的或差分的。对于处于差分模式的Tx驱动电路302，生成Tx-信号，该Tx-信号是Tx+的反相版本(inverted version)。对于Rx感测电路304，Rx+和Rx-信号连接到差分检测器的正输入端和负输入端(该图中未示出)。可替代地，如以下参考图9A-9C更详细解释的，Rx复用器308可以被配置成使得每个单独的Rx电极可以连接到Rx+线、Rx-线或接地。Tx复用器306可以被配置成使得每个单独面板的Tx电极可以连接到Tx+线、Tx-线或接地。
现在将参考图4A至图6描述在基于空间频率的运动传感器中用于测量一维位移运动的线性或一维(1D)阵列。
图4A是具有沿着单个长轴布置的互电容或自电容感测单元402的1D阵列400的示意性框图，并且1D阵列400沿着短轴的宽度基本上等于感测单元的宽度。感测单元402以间隙Λ间隔开，并且被配置成测量输入空间信号404，该输入空间信号404由电容的变化组成，该电容的变化是由非常靠近1D阵列的、具有非单位介电常数的表面的变化引起的。在操作中，感测单元402被线路汇总或连接在一起，生成代表来自每个感测单元的输出之和的单个输出信号406。输入空间信号404相对于1D阵列400移动，生成作为运动量的函数的输出信号406。假设输入空间信号404具有在空间频率Λ处的一些含量，则输出信号406将会是具有频率Λ的周期信号，如图4B所示。这是因为输入空间信号404的总体大小比空间频率Λ的周期大得多，阵列400用作梳状阵列或梳状滤波器，并处理多个基频空间周期上的信息，这意味着一次测量的整个输入空间信号与另一次测量的输入空间信号非常相似。可以通过测量输出信号406的相位变化来计算输入空间信号404相对于1D阵列400的位移。
从图4B中，可以看出输出信号406具有大的DC分量。通过添加耦合到差分检测器410的反相输入端的第二组感测单元408(如图4C所示)，可以消除DC分量。参考图4C，来自差分检测器410的总输出信号iP是来自第一组感测单元402的信号i1和来自第二组感测单元408的信号i3的差。图4C的阵列400中的感测单元402、408的差分检测和间隔导致DC和偶数阶空间谐波抵消。来自差分检测器410的输出信号iP的输出信号是：
Figure BDA0002533000000000091
其中，x是位移，Λ频率是输出信号iP的频率，而B是常数。
注意，来自图4C的阵列400的输出信号iP不能区分正向和负向运动。也就是说，图4C的阵列400可以检测运动并测量位移，但不能确定位移发生在沿阵列长轴的哪个方向。
通过添加额外的感测单元(如图5所示)，产生输出信号的同相部分和正交部分。因此，可以通过检查输出信号的正交部分(iQ)在时间上领先还是落后于输出信号的同相部分(iP)来确定位移的方向。可替代地，可以将iP和iQ解释为复矢量的实部和虚部，并且可以通过观察矢量相位变化的方向来确定运动方向。
参考图5，1D阵列500包括第一组感测单元502a、第二组感测单元502b、第三组感测单元502c、和第四组感测单元502d。来自第一组感测单元502a的输出(i1)被线路汇总或连接在一起并耦合到第一差分检测器504a的非反相输入端。来自第三组感测单元502c的输出(i3)连接在一起并耦合到第一差分检测器504a的反相输入端，以生成输出信号的同相部分(iP)。第二组感测单元502b的输出(i2)连接在一起并耦合到第二差分检测器504b的非反相输入端。第四组感测单元502d的输出(i4)连接在一起并耦合到第二差分检测器504b的反相输入端，以生成输出信号的正交(quadrature)部分(iQ)。如以上方程式(1)给出输出信号的同相部分(iP)。来自图5的1D阵列500的输出信号的正交部分(iQ)是：
Figure BDA0002533000000000092
其中x是位移，Λ频率是输出信号iQ的频率，而B是常数。
注意，尽管1D阵列500包括连接成四(4)组的多个单独的感测单元502a-d，但是只有来自差分检测器504a、504b的两个输出信号(iP和iQ)连接到1D阵列。
在另一个实施例中，该阵列是二维(2D)阵列，包括以二维方式布置的电容式感测单元，如图6A和图6B所示。图6A和图6B是包括电容式感测单元的2D阵列602的运动传感器的一部分的示意框图。参考图6A，2D阵列602中的每个正方形604代表将要由在Tx电极606和Rx电极608的交叉部形成的特定感测单元测量的电容区域。2D阵列602进一步被划分或布置成感测单元组或块610，每个感测单元块具有以每单元4×4个元素(或4×4个元素/周期)的配置布置的电容式感测单元。具有相同字母的感测单元块610内的电容式感测单元(如图6B详细示出)在RX Mux 612中电连接或线路汇总，以生成八个信号614(A1至D2)。八个线路汇总信号614被差分检测器616进一步组合，以生成四个输出信号(CC、CS、SC和SS)，其包含由x和y方向上的运动或位移导致的同相和正交信息。图6B中所示的感测单元块610的每个元素连接到差分检测器616之一的正输入端(A1、B1、C1、D1)或负输入端(A2、B2、C2、D2)，如图6A所示。
其中，如在所示实施例中，2D阵列602是互电容感测单元的阵列，运动传感器还可以包括TX Mux 618，以避免Tx驱动电路的过度复制。可替代地，在2D阵列602是自电容感测单元的阵列的情况下，可以省略Tx Mux 618，并且“Tx电极”电耦合到地或固定电压。
图6的2D阵列602的信号(CC、CS、SC和SS)可以计算如下：
Figure BDA0002533000000000101
Figure BDA0002533000000000102
Figure BDA0002533000000000103
Figure BDA0002533000000000104
其中，x是x维度的位移，y是y维度的位移，Λ频率是输出信号的频率，而A是常数。
同样，注意到尽管2D阵列602包括多个单独的感测单元，该感测单元被分组为具有感测单元块610的多个组，并且提供耦合到四个单独的差分检测器616的八个线路汇总信号614，但是整个系统仅导致生成四个输出信号(CC、CS、SC和SS)。因为只需要处理四个信号，所以处理器的速度和存储器要求远低于使用图像相关性的光学或电容式运动传感器的其他实现方式所需的速度和存储器要求。同样，将会理解的是，仅生成四个信号，并且没有指纹图像被检测或存储在存储器中。
然后，可以根据四个信号CC、CS、SC和SS通过计算表示为PI、PQ、MI和MQ的“正”和“负”信号来确定位移，PI、PQ、MI和MQ定义如下：
PI＝CC–SS (7)
PQ＝CS+SC (8)
MI＝CC+SS (9)
MQ＝CS–SC (10)
这些P和M信号可以被视为矢量，其中，幅度与信号的强度成比例，并且相位代表沿着感测单元的位移。360度的相位旋转代表具有Λ的运动位移(感测单元的间隔)。
虽然图6A和图6B中的2D阵列600在上面被示出和描述为在阵列中具有特定数量的感测单元块606，每个感测单元块具有特定数量的单个感测单元604，但是应当理解，其他实施方式和配置是可能的。通过改变Rx复用器和Tx复用器(在这些图中未示出)的设置来改变由Tx复用器驱动的和/或通过Rx复用器耦合到差分检测器608的感测单元604，可以增加或减少2D阵列600中感测单元块606的数量以及每个感测单元块中单独感测单元604的数量。简而言之，该方法涉及到配置Rx复用器和Tx复用器以用于CC信号生成，扫描和测量CC信号；配置Rx复用器和Tx复用器以用于CS信号生成，扫描和测量CS信号；配置Rx复用器和Tx复用器以用于SS信号生成，扫描和测量SS信号；以及配置Rx复用器和Tx复用器以用于SC信号生成，扫描和测量SC信号。添加感测单元块606给出了更高的信号强度，但是导致更大的阵列区域，并且减少了空间频率检测的带宽，这限制了可被检测的表面的类型，因此产生了可以针对给定的应用进行优化的折衷。较大的感测单元块606(即包括较大数量的单个感测单元604的感测单元块)提供了更好的运动精度，但是限制了可以被跟踪的表面的类型；产生了可以针对给定的应用进行优化的折衷。
图7是电容式运动感测系统或运动传感器700的示意性框图，其包括电容感测单元的2D阵列702，并使用基于空间频率的检测来检测二维运动。参考图7，除了2D阵列702之外，运动传感器700还包括处理电路704，处理电路704用于处理来自2D阵列的测量在平行于2D阵列的表面的方向上的表面运动的运动相关输出信号。在所示的实施方式中，处理电路704包括用于驱动2D阵列702的Tx电极(在该图中未示出)的发射驱动电路和复用器(Tx和MUX706)、以及接收感测电路和复用器(Rx和MUX 708)、以及处理器710。如上所述，处理器710控制Rx和MUX 708来组合来自2D阵列702的输出信号，以生成四个信号(CC、CS、SC和SS)，这四个信号包含来自2D阵列的由沿x轴和y轴的运动生成的输出信号的同相和正交信息。处理器710随后执行程序或算法，以基于从Rx和MUX 708输出的四个信号(CC、CS、SC和SS)并根据上面的方程式(7)至(10)来计算运动。
因为仅必须处理四个信号，所以处理器710的处理时间、处理功率和存储器要求比使用图像相关性的光学或电容式运动传感器的其他实现方式所需的少得多，从而相比以前的运动传感器，对于给定的样本和处理时间，能够检测和测量更快的运动。包括如上所述的1D阵列或2D阵列的基于空间频率的电容式运动传感器可以检测超过1,000mm/秒的运动，其需要的处理功率更少，并且阵列或感测区域更加小得多。在一个实施方式中，包括2D阵列的基于空间频率的电容式运动传感器被实现为具有小于4×4mm的感测区域，以及小于10％的48MHz处理器负载。典型的触控板大约为25x25mm，并且使用图像相关性的电容式运动传感器一般不能实现超过100mm/秒的跟踪速度。
应该进一步理解的是，本公开的基于空间频率的电容式运动传感器实现了这些结果，而没有检测、处理和存储指纹图像的安全性问题。由于Rx MUX 708和Tx MUX 706的设置在处理器710的直接控制下，并且对外部控制不可用，因此2D阵列702不能用于捕获感测表面的图像，这使得不可能读取、存储、或报告指纹图像。这种无法读取、存储或报告指纹图像是期望的安全特征。
运动传感器700的部件可以在一个或更多个集成电路(IC)中实现，或者可以实现为封装在公共多芯片模块(MCM)中或安装到印刷电路板(PCB)的分立部件，可以在公共或共享基板上集成地形成为单个IC。例如，在一个实施方式中，2D阵列702、Tx和MUX 706以及Rx和MUX 708可以集成地形成为安装到PCB上的单个IC，或者与在单独的IC上形成的处理器710封装在一起。
图8A至图8D是包括2D阵列800、发射复用器(Tx MUX 802)、接收复用器(Rx MUX804)、差分检测器806、和Tx驱动电路808的运动传感器的一部分的框图。这些图中的每个图中的Tx MUX 802和Rx MUX 804被配置成生成四个信号(CC、CS、SC和SS)中的一个信号。
图8A图示了第一配置，其中Tx MUX 802和Rx MUX 804如图所示地配置，并且执行检测扫描以生成CC信号。
在图8B中所示的第二种配置中，Tx MUX 802的配置保持相同，而Rx MUX 804被重新配置以改变耦合到电接地812的接收(Rx)电极810，改变哪些Rx电极被连接在一起以耦合到差分检测器806的反相输入端(Rx-)，以及哪些Rx电极被连接在一起以耦合到差分检测器的非反相输入端(Rx+)。然后，执行第二检测扫描，以生成CS信号。
在图8C中所示的第三种配置中，Rx MUX 804的配置保持与图8B中所示的配置不变，而Tx MUX 802被重新配置以改变耦合到电接地812的发射(Tx)电极814，改变哪些Tx电极被连接在一起以耦合到Tx驱动电路808的正驱动信号(Tx+)，以及哪些Tx电极被连接在一起以耦合到Tx驱动电路的负驱动信号(Tx-)。然后，执行第三检测扫描，以生成SC信号。
在图8D中所示的第四种配置中，Tx MUX 802的配置保持与图8C中所示的配置不变，而Rx MUX 804被重新配置以改变耦合到电接地812的Rx电极810，改变哪些Rx电极被连接在一起以耦合到差分检测器806的反相输入端(Rx-)上，以及哪些Rx电极被连接在一起以耦合到差分检测器的非反相输入端(Rx+)。然后，执行第四检测扫描，以生成SS信号。
然后，这四个信号(CC、CS、SC、SS)被执行程序或算法的处理器(在该图中未示出)使用以基于这四个信号计算运动。
在某些实施方式中，阵列的中心或峰值空间频率被选择为基本上匹配电容变化中的空间频率分量，该电容变化是由相对于运动传感器移动的表面的结构的变化引起的。例如，当移动的表面是手指或指尖时，这些变化的一个常见原因是由指纹的脊线和谷线引起的。指纹中的脊线之间的平均距离或周期(通常称为平均脊线宽度或MRB)取决于用户，并根据用户的年龄、性别、身高或尺寸、以及种族而从300μm至600μm不等。在其上阵列可用作梳状滤波器的峰值频率或频率范围一般由感测单元之间的物理间隔或间距决定。然而，本公开的运动传感器的处理电路能够通过处理器控制Rx Mux以改变感测单元之间的互连来动态地并且在一些实施例中自动地改变。因此，有可能将阵列的峰值空间频率与特定的MRB匹配，以使信号强度、跟踪速度和精度最大化。
在一个实施例中，运动传感器包括被配置为梳状滤波器的阵列，其中通过在由发射(Tx)电极驱动或由接收(Rx)电极感测的感测单元之间具有更多接地感测单元，或者通过连接更少的Rx电极，可以动态地调整峰值频率以实现更低的峰值频率。在该实施方式的一个版本中，如图9A至图9C所示，通过使用处理器(在这些图中未示出)配置Tx MUX 900来将感测单元接地，使得交替的Tx电极902耦合到电接地904，并且与这些接地电极相关联的感测单元不被Tx信号驱动，并且基本上不累积任何电荷或可测量的电容变化。
参考图9A，在第一实施例中，运动传感器的处理器(在这些图中未示出)执行程序以操作或配置Tx MUX 900，使得交替的Tx电极902a通过节点906接地。处理器然后驱动未接地的Tx电极902b正驱动信号(Tx+)和负驱动信号(Tx-)，提供等于1/(4d)的阵列中心或峰值频率F1，其中d是相邻Tx电极之间的间隔。
参考图9B，在第二实施例中，处理器配置Tx MUX 900，使得未接地的Tx电极902b之间的相邻成对接地的Tx电极902a提供等于1/(6d)的阵列峰值频率F2。
参考图9C，在第三实施例中，处理器配置Tx MUX 900，使得成对未接地的Tx电极902b之间的相邻成对接地的Tx电极902a接地，这提供等于1/(8d)的阵列峰值频率F3。
在操作中，运动传感器的处理器可以被配置成以不同阵列峰值频率F1、F2和F3中的两个或更多个频率自动执行多个检测扫描，并基于来自阵列的处于峰值频率F1、F2和F3的输出信号的信号幅度(SF1、SF2和SF3)来决定使用来自哪个扫描周期的数据来处理位移(运动)计算。可使用以下公式计算信号幅度(SF1、SF2和SF3)：
Figure BDA0002533000000000151
其中，Pi是根据如上所述的由CC–SS确定的同相加矢量；Pq是由CS+SC确定的正交加矢量；Mi是由CC+SS确定的同相减矢量；并且Mq是由CS–SC确定的正交减矢量。
注意，在计算位移(运动)之前，不需要重复所选峰值频率的扫描，因为用于计算信号幅度的输出信号也可以用于计算位移。类似地，在检测到表面接近运动传感器之后并且在计算位移之前，不必每次都重复以不同阵列峰值频率F1、F2和F3中的每一个频率的多次检测扫描，因为MRB很可能在短时间内不会发生很大或很快的变化。相反，处理器可以被配置成在预定时间之后或者在预定次数的扫描之后，或者当所使用的峰值频率的信号幅度下降到预定阈值以下时，检查信号幅度(SF1、SF2和SF3)。
现在将参考图10描述用于操作基于多频空间频率的电容式运动传感器的方法。图10是示出了用于操作运动传感器的基于空间频率的方法的流程图，该运动传感器包括能够被配置或重新配置为多频空间滤波器的电容感测单元阵列，其中通过将互连的感测单元之间的一个或更多个发射(Tx)电极接地来实现较低的峰值频率，如图10A至图10C所示。参考图10，如图10A所示，该方法开始于配置Tx MUX 1000，使得交替的Tx电极1002接地，这提供了阵列峰值频率F1，并执行阵列的接收(Rx)电极的扫描(步骤1002)。接下来，如图10B所示的Tx MUX 1000使得成对的Tx电极1002在每对未接地的Tx电极之间接地，这提供了阵列峰值频率F2，以及执行阵列的Rx电极的第二扫描(步骤1004)。然后使用上面给出的公式针对F1和F2扫描计算加(P)和减(M)信号幅度(SF1和SF2)(步骤1006)。然后比较信号幅度SF1和SF2(步骤1008)。如果信号幅度SF1大于信号幅度SF2，则将F1数据用于位移(运动)计算(步骤1010)。如果信号幅度SF1不大于信号幅度SF2，则将F2数据用于位移(运动)计算(步骤1012)。虽然上述并且在图10中示出的用于操作基于多频空间频率的电容式运动传感器的方法仅使用在两个峰值频率F1和F2的扫描，但是应当理解的是，因为Tx MUX 1000的重新配置以及计算是由运动传感器中的处理器自动且快速地执行的，所以该方法可以扩展到执行在多个峰值频率(例如以F1、F2和F3)的额外的扫描，如以上参考图10A至图10C所述，而运动传感器的性能没有显著降低。
在另一个实施例中，参考图11A和图11B所示，运动传感器的处理电路可用于改变2D阵列中感测单元块的尺寸、形状或取向。图11A图示了包括四个感测单元块1104的2D阵列1102的一部分，每个感测单元块具有以每单元4×4个元素(或4×4个元素/周期)的配置布置的感测单元1106。每个感测单元块1104内的感测单元1106、以及感测单元块被电连接或线路汇总，以生成八个信号(A1至D2)，如上文参考图6A和图6B示出和描述的。参考图11B，使用复用器改变了感测单元1106之间的互连，以有效地将2D阵列1102中的感测单元块1104的取向旋转45度，这增加了感测单元块中的各个感测单元之间的间距或间隔，并导致峰值空间频率大约变化41％。
现在将参考图12的流程图描述操作基于空间频率的电容式运动传感器的方法。参考图12，在第一步中，使用运动传感器中的电容式感测单元阵列，生成由表面接近阵列引起的阵列上的电容变化的图(步骤1202)。如上面参考图5和图6A及图6B所示并且所述的，这可以通过将阵列配置为梳状滤波器以仅在单个空间频率上生成电容变化的图来实现。可替代地，生成电容图可以包括表面的完整电容图的图像，随后可以从该图像中检测至少一个空间频率。接下来，在由表面接近阵列引起的阵列上的电容变化中检测空间频率(步骤1204)，并且该表面在平行于阵列的表面的方向上相对于阵列移动或移位(步骤1206)。表面的这种位移导致生成输出信号，该输出信号是表面的移位的函数，并且是处于空间频率的周期性信号(步骤1208)。如上所述，在阵列是包括至少两个非平行轴的2D阵列的情况下，该步骤一般包括组合来自2D阵列的输出信号，以生成四个信号(CC、CS、SC和SS)，这四个信号包含由沿着轴的运动引起的同相和正交信息。处理器随后执行程序或算法，以基于从Rx和MUX输出的四个信号(CC、CS、SC和SS)并根据上面的方程式(3)至(6)来计算运动。然后，测量输出信号的相位变化(步骤1210)，并且通过使用方程式(7)至(10)计算P和M信号，根据输出信号确定表面相对于阵列的位移(步骤1212)。如上所述，这些PI、PQ、MI和MQ可以被视为矢量，其中幅度与信号的强度成比例，并且相位代表沿着感测单元的位移。
应当理解的是，在需要表面的运动感测的任何系统或设备中可以包括本文描述的包括1D或2D阵列的基于空间频率的电容式运动传感器。示例包括与计算机或移动设备一起使用的手指导航系统，以输入数据、滚动或选择滚动列表上的项目，或者在显示器上将光标重新定位于图标区域或图像中。此外，因为基于空间频率的电容式运动传感器是坚固的(rugged)设备，不受环境条件(诸如振动和环境照明)的影响，所以它们特别适用于安装在汽车的方向盘、仪表板、或控制台上的用户界面，该用户界面基于运动执行任务，诸如改变音量、座椅位置、气候控制温度等。
应当进一步理解的是，详细描述部分(而不是概述和摘要部分)旨在用于解释权利要求。概述和摘要部分可能阐述了一个或更多个但并非如发明人所设想的本发明的所有示例性实施例，因此，并非旨在以任何方式限制本发明及所附权利要求。
因此，已经公开了基于空间频率的运动传感器，该基于空间频率的运动传感器包括电容式感测单元阵列，并且使用空间频率检测来检测表面相对于该阵列的运动。上面已经借助于示出指定功能(function)及其关系(relationship)的实现方式的功能的和示意性框图描述了本发明的实施方式。为了便于描述，已经在本文随意地限定了这些功能构建块(block)的边界。只要适当地执行所指定的功能及其关系，就可以限定替代边界。
特定实施方式的前述描述将完全揭示本发明的一般性质，使得其他人可以通过应用本领域技术内的知识，在不偏离本发明的一般概念的情况下，对于各种应用容易地修改和/或适应这样的特定实施方式，而无需过度实验。因此，基于本文呈现的教导和指导，这样的适应和修改被认为在所公开的实施方式的等同物的含义和范围内。应当理解，本文的措辞或术语是为了描述而不是限制的目的，使得本说明书的术语或措辞将由本领域技术人员根据教导和指导来解释。
本发明的广度和范围不应被上面描述的任何示例性实施方式所限制，而是只应根据所附权利要求和它们的等同物来限定。

Claims (20)

1.一种运动传感器，包括：
感测单元的阵列，所述阵列电容性地感测在表面的结构接近所述阵列时的电容变化；和
处理电路，所述处理电路包括复用器和处理器，以处理来自所述阵列的用于测量所述表面在平行于所述阵列的表面的方向上的运动的运动相关输出信号，
其中，所述处理器适于执行用于以下操作的程序：控制所述复用器以互连所述阵列中的所述感测单元，从而将所述阵列配置为梳状滤波器，以检测所述电容变化的至少一个空间频率分量，以及测量所述表面在平行于所述阵列的方向上的运动。
2.根据权利要求1所述的运动传感器，其中，所述阵列包括感测区域，所述感测区域比相对于所述阵列移动的所述表面小。
3.根据权利要求1所述的运动传感器，其中，所述阵列是二维阵列，所述二维阵列包括沿着至少两个非平行轴布置的感测单元。
4.根据权利要求3所述的运动传感器，其中，所述处理电路还包括差分检测器，所述差分检测器耦合在复用器和所述处理器之间，以根据来自所述二维阵列的输出信号生成包括同相信号和正交信号的四个信号，所述输出信号是由沿着所述两个非平行轴的运动引起的。
5.根据权利要求4所述的运动传感器，其中，所述处理器还适于处理所述四个信号，以生成在沿着所述两个非平行轴的每个方向上的矢量，其中，所述矢量的幅度代表所述正交信号的强度，并且所述矢量的方向的改变代表沿着所述两个非平行轴的运动。
6.根据权利要求5所述的运动传感器，其中，所述处理器还适于控制所述复用器改变所述感测单元的互连，进而改变由所述阵列中的所述感测单元感测的所述空间频率分量的频率。
7.根据权利要求6所述的运动传感器，其中，所述处理器还适于比较所述四个信号在由所述阵列中的所述感测单元感测的所述空间频率分量的不同频率处的强度，并且控制所述复用器来选择对于运动正在被检测的所述表面具有最大强度的输出信号的频率。
8.根据权利要求1所述的运动传感器，其中，所述阵列是互电容阵列，包括在第一方向上延伸的多个接收(Rx)电极和在不平行于所述第一方向的第二方向上延伸的多个发射(Tx)电极，所述多个Rx电极通过绝缘体与所述Tx电极分开，并且其中，Tx电极和Rx电极的每个交叉部形成所述阵列中的互电容感测单元。
9.根据权利要求1所述的运动传感器，其中，所述阵列是自电容阵列，包括耦合到所述处理电路并在第一方向上延伸的多个第一电极、以及耦合到DC电压电平并在不平行于所述第一方向的第二方向上延伸的多个第二电极，所述多个第一电极通过绝缘体与所述第二电极隔开，并且其中，第一电极和第二电极的每个交叉部形成所述阵列中的自电容感测单元。
10.根据权利要求1所述的运动传感器，其中，所述表面是手指的表面，并且所述表面的结构中的电容变化是由指纹的脊线和谷线引起的。
11.根据权利要求10所述的运动传感器，其中，所述指纹的图像既不由所述运动传感器生成，也不被存储在与所述运动传感器耦合的存储器中。
12.根据权利要求1所述的运动传感器，其中，所述表面是手套的表面，并且所述表面的结构中的电容变化是由所述手套的被检测的表面上的织物纹理引起的。
13.一种运动传感器，包括：
感测单元的二维(2D)阵列，所述感测单元沿着至少两个非平行轴布置，以电容性地感测由接近所述2D阵列的手指的指纹的脊线和谷线引起的电容变化；和
处理电路，所述处理电路包括处理器，以互连所述2D阵列中的所述感测单元，从而将所述2D阵列配置为梳状滤波器，以检测所述电容变化的至少一个空间频率分量，并且测量所述表面在平行于所述2D阵列的方向上的运动，
其中，所述指纹的图像既不由所述运动传感器生成，也不被存储在与所述运动传感器附接的存储器中。
14.根据权利要求13所述的运动传感器，其中，所述处理电路被配置成根据来自所述2D阵列的输出信号生成四个信号，所述四个信号包括同相信号和正交信号，所述输出信号是由所述表面的运动引起的。
15.根据权利要求14所述的运动传感器，其中，所述处理器被配置成改变所述感测单元的互连，进而改变由所述2D阵列中的所述感测单元感测的所述空间频率分量的频率。
16.根据权利要求15所述的运动传感器，其中，所述处理器还适于比较所述四个信号在由所述2D阵列中的所述感测单元感测的所述空间频率分量的不同频率处的强度，并且改变所述感测单元的互连，以选择所述四个信号具有最大强度时的所述空间频率分量的频率。
17.一种方法，包括：
使用运动传感器中的电容式感测单元的阵列生成由表面接近所述阵列引起的在所述阵列上的电容变化的图；
至少检测所述图中的第一空间频率；
在平行于所述阵列的表面的方向上使所述表面相对于所述阵列移位；
生成输出信号，所述输出信号是所述表面的移位的函数，其中，所述输出信号是处于所述第一空间频率的周期信号；
确定多个输出信号的相位改变；和
根据所述相位改变，计算所述表面的移位。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，生成电容变化的图包括生成所述表面的完整电容图的图像。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，生成电容变化的图包括将所述阵列配置为梳状滤波器，以生成在第一空间频率的电容变化的图。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，配置所述阵列包括互连来自第一组感测单元的输出端，以及互连来自第二组感测单元的输出端，使得每组中所互连的感测单元沿着所述阵列中的至少一个轴以与所述第一空间频率成比例的间隙被交错和间隔开。
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