CN111771181B - 用于无接触手势检测以及悬停和触摸检测的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结合第一检测系统和第二检测系统的传感器系统，该传感器系统向这些系统的节点A和节点B电极提供驱动信号。驱动序列由基本采集周期的重复组成，该基本采集周期具有带有预充电阶段和采集阶段的两个连续主要阶段。在第一预充电阶段期间，节点A被驱动至用于第一采集阶段的第一电势以及在第一采集阶段期间被驱动至第一中间电势，并且节点B被驱动至第二电势，并且然后节点B被切换成在DC处的高阻抗，并且在第二预充电阶段期间，节点A被驱动至第三电势，并且在第二采集阶段期间被驱动至第二中间电势，并且节点B被驱动至第四电势，并且然后将节点B切换成DC处的高阻抗。第一检测系统和第二检测系统分别对节点A和节点B执行电测量。

Description

用于无接触手势检测以及悬停和触摸检测的方法和系统
相关专利申请
本申请要求2018年3月1日提交的共同拥有的美国临时专利申请号62/637,002；标题为“Method and System for Touchless Gesture Detection and Hover and TouchDetection”的优先权，并且以引用方式并入本文以用于所有目的。
技术领域
本公开涉及人机界面(human device interface)，具体地涉及用于手势检测以及悬停和触摸检测的方法和系统。
背景技术
集成电路，也称为MGC3130，由本申请的受让人制造，是用于使用交变近场(例如大约40-250kHz)进行非触摸手势检测的高度敏感的电容感测技术。使用电容感测的人机界面(HMI)设备包括传感器电极，该传感器电极通常形成在导电材料层中，例如玻璃上的印刷电路板层(PCB)或氧化铟锡(ITO)的铜条。这些电极电连接到例如相同PCB或单独板上的手势检测单元。除了其它以外，手势检测单元的测量值取决于传感器电极附近的目标对象(手指/手)的位置，该位置影响电极和目标之间的电容耦接，从而根据交流电场的失真产生目标测量信号。手势在检测区域上方执行，而不触摸相应设备的任何区域。
通常使用附加的触摸检测传感器设备来精确地确定触摸点。触摸检测通常不能从3D坐标，特别是由3D检测系统提供的竖直距离来执行。例如，因为此类系统确定对所生成的电场的干扰以生成3D位置数据，所以系统识别对象内的位置，诸如重心或质心。因此，当在竖直方向上的确定距离仍大于0时，可发生对象的另一部分的触摸。为此，由于检测系统之间的差异的性质，通常在纯触摸检测系统和3D检测系统之间使用多路复用。美国专利申请US2016/0261250A1公开了此类时分复用系统的示例，该专利申请据此全文以引用方式并入。
图1示出了可从本专利申请的受让人获得的以时分复用方式运行2D扫描和3D扫描的典型2D/3D手势/触摸检测系统100。此类系统提供触摸网格150和四个接收电极110-140。当在3D模式下操作时，触摸网格也可作为传输电极来操作。此类系统可如图1a所示以例如12ms持续时间的多路复用周期操作，其中对于2ms时隙，2D扫描是活动的，并且对于剩余的10ms时隙，3D扫描是活动的，同时用传输信号Tx驱动2D电极网格150以支持3D扫描。即，其执行时分复用，其中信道接入在2D和3D扫描之间交替，并且2D或3D扫描的每个时隙包含多个元素采集周期，如将在下文更详细地讨论。如果在2D扫描的2ms时隙期间检测到触摸，则系统进入仅2D模式，直到不再检测到触摸，即，触摸被释放，并且2D扫描和3D扫描之间的多路复用继续。这在图9的流程图中示出。
然而，此类多路复用通常具有第一触摸检测的高最大延迟。当系统处于3D扫描模式时，无法检测到2D网格上的触摸。出于上述原因，只有在系统返回2D触摸检测模式时才能检测到这种触摸。因此，与具有100％扫描时间的仅2D系统相比，该解决方案对于第一触摸检测经历高达10ms的附加延迟。
当系统在两种操作模式中的一种下操作时，对于另一种操作模式不采集数据。这直接减少了所接收的信号能量。例如，对于上述配置，与仅3D系统相比，3D测量灵敏度降低到(10ms/12ms)＝83％。
此外，复用还降低了3D扫描的噪声抑制能力。采集数据时时序缺乏连续性显著降低了数字滤波器(例如，低通滤波器)在仅存在噪声但不存在信号的频率下抑制能量的能力。图19示出了对于fTx＝100kHz的载波频率，仅考虑数字滤波，3D对单音调噪声的易感性。假设采样频率为2*fTx＝200kHz，并且下采样至1kHz。以1kHz周期性地丢弃十二个样本中的两个，反映在穿刺图案PP＝[0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1]。底部曲线图示出了围绕载波频率的放大顶部曲线图。我们观察到噪声的易感性显著增加，最严重地接近载波频率(以及其奇数倍，这在图中未示出)，其中对于具有时分复用的情况，出现新的侧峰，即使当距载波频率超过1kHz时，也明显高于-60dB。噪声抑制能力降低直接意味着噪声环境中的检测范围降低。
此外，2D扫描的噪声抑制能力降低。为了使3D扫描的检测范围和噪声稳健性最大化，3D扫描时间被最大化到12ms中的10ms，对于2D仅留下两毫秒的扫描时间。该扫描时间仅足以检测初始触摸，但不执行噪声稳定的悬停位置跟踪。
发明内容
需要一种用于多指2D触摸检测的电容式感测系统，该多指2D触摸检测包括悬停检测，即一个或多个手指的近场(<5cm)检测和跟踪，以及中程或'3D'(～5-20cm)位置跟踪和手势检测。
根据一个实施方案，传感器系统可组合第一检测系统和第二检测系统，其中传感器系统被配置为向第一检测系统和第二检测系统的电极提供驱动信号，其中该驱动信号包括由基本采集周期的重复组成的驱动序列，每个基本采集周期包括两个连续的主要阶段，其中在第一主要阶段期间，传感器系统被配置为，在第一主要阶段的预充电阶段期间，在第一主要阶段的预充电阶段的至少一段时间内，将与第一检测系统的至少一个电极耦接的节点A驱动至第一电势，以及在第一主要阶段的采集阶段期间，在第一主要阶段的采集阶段的至少一段时间内将节点A驱动到第一中间电势，以及在第一主要阶段的预充电阶段的至少一段时间内将与第二检测系统的至少一个电极耦接的节点B驱动到第二电势，并且然后在第一主要阶段的采集阶段的至少一段时间内将节点B切换到DC处的高阻抗，并且其中在第二主要阶段期间，传感器系统被配置为在第二主要阶段的预充电阶段期间，在第二主要阶段的预充电阶段的至少一段时间内，将节点A驱动至第三电势，并且在第二主要阶段的采集阶段期间，在第二主要阶段的采集阶段的至少一段时间内将节点A驱动到第二中间电势，并且在第二主要阶段的预充电阶段的至少一段时间内将节点B驱动到第四电势，然后在第二主要阶段的采集阶段的至少一段时间内将节点B切换成DC处的高阻抗，其中第一检测系统还被配置为在节点A上执行电测量，并且其中第二检测系统还被配置为在节点B上执行电测量。
根据另一个实施方案，用于组合第一检测方法和第二检测方法的方法可包括：向电极提供驱动信号，其中驱动信号包括由基本采集周期的重复组成的驱动序列，每个基本采集周期(EAC)由两个连续的主要阶段组成，其中在第一主要阶段期间，在第一主要阶段的预充电阶段期间，在第一主要阶段的预充电阶段的至少一段时间内将与至少一个电极耦接的节点A驱动至第一电势，并且在第一主要阶段的采集阶段期间，在第一主要阶段的采集阶段的至少一段时间内将节点A驱动至第一中间电势，以及在第一主要阶段的预充电阶段的至少一段时间内将节点B驱动到第二电势，然后在第一主要阶段的采集阶段的至少一段时间内将节点B切换到DC处的高阻抗，并且其中在第二主要阶段期间，在第二主要阶段的预充电阶段期间，在第二主要阶段的预充电阶段的至少一段时间内将节点A驱动到第三电势，并且在第二主要阶段的采集阶段期间，在第二主要阶段的采集阶段的至少一段时间内将节点A驱动到第二中间电势，以及在第二主要阶段的预充电阶段的至少一段时间内将节点B驱动至第四电势，然后在第二主要阶段的采集阶段的至少一段时间内将节点B切换至DC处的高阻抗，在节点A上执行电测量，并在节点B上执行电测量。
根据上述传感器系统或方法的另一个实施方案，第一检测系统还可被配置成在节点A上执行电测量，同时将节点A分别驱动到第一中间电势和第二中间电势，并且其中第二检测系统被进一步配置为测量节点B上的电势，在将节点B切换成DC处的高阻抗之后达到电势。根据上述传感器系统或方法的另一个实施方案，第一中间电势可低于第一电势，并且第二中间电势可高于第三电势。根据上述传感器系统或方法的另一个实施方案，第一电势可高于第二中间电势，并且第三电势可低于第一中间电势。根据上述传感器系统或方法的另一个实施方案，第一电势可等于第二中间电势，并且第三电势可等于第一中间电势。根据上述传感器系统或方法的另一个实施方案，传感器系统可被配置为在每个预充电阶段期间、在第一时间间隔之后、在第二时间间隔期间将节点A驱动至第一电势或第三电势，并且在每个采集阶段期间，在第三时间间隔之后将节点A分别驱动至第二中间电势或第一中间电势。根据上述传感器系统或方法的另一个实施方案，传感器系统可被配置为在第二时间间隔之后将节点A切换到三态。根据上述传感器系统或方法的另一个实施方案，传感器系统可被配置成在每个预充电阶段期间，在第四时间间隔之后，在第五时间间隔期间将节点B驱动到第二电势或第四电势，然后将节点B切换到三态，并且在每个采集阶段期间，将节点B保持在DC的高阻抗。根据上述传感器系统或方法的另一个实施方案，第一电势和第二电势可相同，并且其中第三电势和第四电势相同。根据上述传感器系统或方法的另一个实施方案，当节点A处于第一电势或第三电势并且节点B处于第二电势或第四电势时的时间间隔可分别重叠。根据上述传感器系统或方法的另一个实施方案，传感器系统可被配置为在第一主要阶段的预充电阶段期间将节点A保持在第一电势，以及在第一主要阶段的采集阶段期间将节点A驱动到第一中间电势，并且在第二主要阶段的预充电阶段期间将节点A保持在第三电势，并且在第二主要阶段的采集阶段期间将节点A驱动到第二中间电势。根据上述传感器系统或方法的另一个实施方案，电节点中的每个电节点电流耦接或连接到集成电路的端口，其中这些端口中的每个端口连接到芯片封装的焊盘。根据上述传感器系统或方法的另一个实施方案，节点A可用于触摸和/或悬停检测。根据上述传感器系统或方法的另一个实施方案，节点B可用于中程位置和手势检测。根据上述传感器系统或方法的另一个实施方案，模数转换器可在采集阶段期间进行采样。根据上述传感器系统或方法的另一个实施方案，传感器系统可被设计用于检测触摸面板上或触摸面板前面或附近的至少一个对象的位置。根据上述传感器系统或方法的另一个实施方案，由第一电势和第三电势之间的切换限定的载波频率可介于1kHz和1000kHz之间。根据上述传感器系统或方法的另一个实施方案，系统可包括一个或多个节点A，并且每个节点A连接到触摸面板的电极。根据上述传感器系统或方法的另一个实施方案，系统可包括一个或多个节点B，并且至少一个节点B连接到触摸面板的电极。根据上述传感器系统或方法的另一个实施方案，系统可包括一个或多个节点A和连接到布置在触摸面板附近的第二检测系统的电极的至少一个节点B。根据上述传感器系统或方法的另一个实施方案，节点A可以是用于2D触摸和悬停检测的第一微控制器的一部分，并且节点B可以是用于3D中程位置和手势检测的第二微控制器的一部分。根据上述传感器系统或方法的另一个实施方案，节点A和B可以是用于联合2D触摸和悬停检测以及3D位置和手势检测的微控制器的一部分。根据上述传感器系统或方法的另一个实施方案，传感器系统可允许3D中程位置检测、2D悬停位置检测和触摸位置检测之间的无缝过渡。根据上述传感器系统或方法的另一个实施方案，连接到节点A的电极可用于触摸和/或悬停检测。根据上述传感器系统或方法的另一个实施方案，连接到节点B的电极可用于3D无接触位置和/或手势检测。
附图说明
图1示出以时分复用操作的2D/3D检测系统；
图1a示出了图1的系统的时序图；
图2示出了用于测量自电容的电路图；
图3示出了用于特定自电容测量方法的时序图；
图4示出了使用CVD测量的仅3D采集的时序；
图5示出了根据一个实施方案的用于测量自电容的电路图；
图6和图6a示出了根据本专利申请的实施方案的时序图；
图6b示出了用于根据图6a所示的时序图测量自电容的电路图；
图7示出了又一个实施方案的时序图，其示出了用于交错感测的叠加2D和3D扫描周期；
图8示出了根据又一个实施方案的当执行预充电到VVE_high和VVE_low时具有2D焊盘驱动序列的时序图。
图9示出了常规时分复用的简化状态图；
图10示出了具有常规开关的状态图；
图11和图12示出了具有2D网格的实施方案，该2D网格具有水平电极和竖直电极(“行”)以及另外四个电极的框架；
图13示出了具有2D网格的另一个实施方案，该2D网格具有水平电极和竖直电极(“行”)以及靠近2D网格的一侧的分段电极；并且
图14示出了具有2D网格的另一个实施方案，该2D网格具有水平电极和竖直电极(“行”)、靠近2D网格的一侧的分段电极以及在2D网格的相对侧上的另一个电极；
图15至图18示出了传感器布置的各种其他实施方案；并且
图19示出了在进行和不进行时间复用的情况下的噪声易感性。
具体实施方式
2D触摸检测系统已长期演进到例如在触摸显示器中的标准人机界面。用于此类显示上方的悬停位置跟踪的用例是例如在上下文菜单或任务栏中突出显示手下所显示的上下文。例如，使用此类界面的显示器可显示通用信息，并且当用户的手接近显示器并达到预定义的距离时，弹出菜单可显示出来。此外，手指可以悬停在各种菜单按钮上方，当手指悬停在菜单按钮上方时，可以放大显示菜单按钮。一旦检测到实际触摸，就可突出显示相应按钮，改变颜色或可显示另一功能菜单。用于3D手势检测的示例性用例是用于在菜单中进行导航或切换音轨的轻弹手势，以及用于音频音量控制的圆形移动手势。对此类特征的需求已得到解决，尤其是在汽车市场中。
如上所述，存在用于独立2D触摸/悬停检测的现有解决方案，例如芯片，并且存在用于独立3D中程检测的其他现有解决方案，例如由Microchip TechnologyInc提供的MGC3xxx/>芯片。这些系统采用电容感测。它们产生重复的电激励并且测量其对在感测电极处测量的量的影响。通过感测电极的电容环境的变化，特别是通过对该环境内的手指或手的取决于位置的电容，对该量进行振幅调制。该激励的重复频率被称为载波频率，并且其通常在40kHz至250kHz的范围内。在该激励旁边，电容式传感器系统通常被配置为运行同样周期性的数字和/或模拟驱动和控制序列，例如，对于输入端口开关、放大器、模数转换器(ADC)或其他前端定时，这些驱动和控制序列可以是或可以不是直接可测量的。这组同时周期性激励和序列中的一个周期被表示为元素采集周期(EAC)，即EAC本身是非周期性序列。
利用控制器的触摸检测(尤其是第一触摸检测)通常通过执行自电容测量来完成，其中在测量期间感测电极被驱动到所谓的虚拟地(VE)电势。传感器的多个电极可同时用于此类自电容测量。此外，当前未被感测的电极仍然可以与感测的电极相同的方式被驱动，从而抑制对测量数据的互电容效应，这被称为“驱动屏蔽”。
图2示出了具有电路的传感器电极的自电容测量的示例性配置，该电路包括开关单元240、积分器220和相关联的ADC 230。通过在S0打开时将开关S1闭合到Vdd或将开关S2闭合到接地对焊盘215及其连接的传感器电极210进行预充电，并且还闭合开关Sint以在S0打开时将积分电容器Cint放电。然后，对于采集阶段，打开所有开关，然后闭合S0。由此，焊盘215及其连接的电极210被驱动到虚拟地电势VVE，并且Cint对移动到传感器电极210或从传感器电极210移动的电荷进行积分。可通过将传感器电极210预充电到相反的电势、接地或Vdd并使用不同的虚拟地电势来重复该过程。
图3示意性地示出了自电容EAC期间的焊盘电压(即，激励)的时序，该自电容EAC基本上由两个主要阶段组成，其中每个阶段可包括预充电阶段和采集阶段。因此，根据一个实施方案，在EAC中，存在两个预充电阶段P1、P2和两个采集阶段Q1、Q2，在这两个预充电阶段P1、P2中，焊盘被驱动到期望的电势，在这两个采集阶段Q1、Q2中，焊盘被驱动到其他电势，虚拟地电势VVE_high或VVE_low，并且流动到焊盘的电荷的量正被测量。这可例如通过如图2所示的电路或通过相应驱动电路的电流测量来实现。这也汇总于表1中，其中预充电阶段P1包括子阶段P1_A1、P1_A2和P1_A3，采集阶段Q1包括子阶段Q1_A1和Q1_A2，预充电阶段P2包括子阶段P2_A1、P2_A2和P2_A3，采集阶段Q2包括子阶段Q2_A1和Q2_A2。此外，在表1中，我们将子阶段P1_A2中的预充电电压Vdd概括为VPC，high，并且将子阶段P2_A2中的预充电电压Vss或接地概括为VPC,low。传感器电极可连接到的每个焊盘电流连接到电路的电节点。我们将由用于虚拟地测量的驱动序列驱动的电节点称为A型节点或节点A。如本领域已知的，电节点不被认为形成电路图中的任何物理点，而是基本上是指电流耦接的任何点。
对于所有2D网格电极，即图1中的网格150的水平电极和竖直电极，驱动序列基本上相同。然而，通常仅感测2D电极的子集。通常，以交替方式感测电极子集，使得在交替循环之后每个电极已被感测至少一次。因此，“所感测的”或“感测”是指分别在阶段Q1和Q2期间测量流至2D电极或从2D电极流出的电荷量。
表1：预充电和采集阶段
每个阶段或子阶段对应于EAC中的时隙，如图3所示。首先，在阶段P1期间，将节点A上具有其连接的接收电极的接收焊盘驱动到VPC,high＝Vdd，然后在所谓的电荷积聚阶段Q1驱动到VVE_low，然后在阶段P2期间将节点A上的焊盘驱动至VPC,low＝Vss，然后在另一个电荷积聚阶段Q2期间驱动至VVE_high。阶段P1和Q1可与阶段P2和Q2共同交换而不影响功能。只要表1中列出的驱动状态P1_A2、Q1_A2、P2_A2和P2_A3在每个对应的时隙内保持至少一段时间，焊盘(或更准确地说，连接的电节点)就可以随时处于三态。在阶段P1_A1、Q1_A1、P2_A1和Q2_A1期间，节点状态，即节点是否正被驱动、设置高阻抗或三态，不影响在采集阶段期间测量的值，并且因此被标记为“无关紧要”。
对于3D测量，微芯片技术公司(Microchip Technology Inc.)的MGC3140控制器使用所谓的电容式分压(CVD)测量来执行组合的自电容和互电容测量，还可参见由本申请的受让人公布的申请注释AN1478，该申请据此全文以引用方式并入。当在Rx感测电极上在连接到Tx焊盘的相邻所谓Tx电极上执行自电容测量，电势在CVD采集阶段期间改变。图4示意性地示出了在EAC期间基本上表示第二激励的Tx焊盘电压、Rx(感测)焊盘电压以及内部电容器上的电压的时序图。与虚拟地测量一样，传感器电极可连接到的每个焊盘电流连接到电路的电节点。我们将利用用于CVD测量的驱动序列驱动的电节点称为B型节点或节点B。可连接到CVD Rx焊盘和电极的节点B上的一个EAC的驱动序列也在表1的列“CVD–节点B”中列出：基本上，该序列包括将连接到节点B的焊盘交替地预充电至两个电压VB,high和VB,low，然后将焊盘高阻抗设置为直流电流(DC)，即，不驱动焊盘。在图4的示例中，VB,high＝Vdd和VB,low＝Vss。DC处的高阻抗的一种可能的实现方式是将焊盘连接到电容电抗，例如ADC的采样电容器。在阶段Q1_B和Q2_B期间的至少一些时间内完成将焊盘高阻抗设置在DC处。根据另一个实施方案，在Q1_B和Q2_B期间的一些时隙内，节点可以是三态的或例如断开的。
可实施多个节点A和节点B，并且可根据它们可并行或顺序评估的系统来实施。例如，3D检测系统可使用如图11至图18所示的四个或更多个传感器电极以及电极110至140和180。这些电极可根据各种实施方案顺序地或并行地评估。
图5示出了使用开关单元310和相关联的ADC230进行CVD自电容测量的主要配置：在开关单元310的开关Saperture打开(即，断开)的情况下，具有接地的自电容Cs的传感器电极210被预充电到Vdd或接地，并且当传感器电极210被预充电至Vdd时，通过将开关单元310的相应开关闭合至Vdd或接地，ADC230的内部保持电容器CHold被预充电至相对的电势，即预充电至接地，反之亦然。然后，在预充电之后，打开开关单元310的所有开关并且闭合孔径开关Saperture。因此，必须保持Vs＝-VHold，因此电荷在Cs和CHold之间移动以满足该公式。然后通过ADC 230测量VHold。
假设用于2D感测和3D感测的这两个系统可独立地操作，则期望的传感器布局的示例在图11至图14中示出。
图11和图12示出了用于2D触摸和悬停位置检测的具有例如由透明氧化铟锡(ITO)制成的水平和竖直导电线或电极的2D网格170的标准矩形触摸面板。此外，图11示出了根据各种实施方案的触摸网格可如何用于触摸位置检测以及用于接近和3D触摸检测。此外，图11示出了具有时分复用430的2D触摸检测电路410和3D手势检测电路420。在2D感测的时间期间，3D框架电极110、120、130、140被设定为恒定电势。在3D感测的时间期间，触摸控制器410将一组2D网格电极170切换到3D激励。该组可仅由如图11所示的列组成。然而，其他实施方案可仅选择行、某些列和行的组合或所有列和行电极。
图12示出了根据一个实施方案的n条线用于将该网格170与评估电路190连接。围绕该触摸面板布置有四个框架电极110-140，用于检测触摸面板上方的对象距触摸面板表面最多至例如10cm的位置。由于较低的灵敏度和检测范围，无论框架电极将如何被驱动，2D触摸检测系统通常都将能够与该布局的2D电极网格170一起操作。然而，当2D传感器网格170可用于提供Tx激励时，使用框架电极110-140的更敏感的3D感测将是高度有益的。作为反例，假设2D网格170被设置为地电势或DC，则其将具有与3D测量值类似的作为实际目标手指的效果，并且2D网格170的这种影响将部分地或完全地掩蔽手指对测量值的影响。在图12的传感器布局的示例中，左框架电极140和右框架电极120将主要用于检测x方向上的手部位置，并且顶部电极110和底部电极130将主要用于检测y方向上的手部位置。3D框架电极的驱动序列在表1的右列(“CVD–节点B”)中列出。对于所有2D网格电极，2D网格电极的驱动基本上相同，如表1“虚拟地-节点A”中所列出的，并且2D网格电极的子集正被驱动和感测，而其余的2D网格电极仅被驱动但未被感测到或被置于恒定的电势。
图13示出了一种方法，其中四个电极110a、120a、130a和140a布置在2D网格170的一个边缘旁边，这允许在x方向上而不是在y方向上更好地3D定位。
图14示出了一种方法，其中四个电极110a-140a布置在2D网格170的一个边缘旁边，另一个/>电极180布置在2D网格170的另一个边缘旁边。
尽管事实上期望在3D感测期间使用2D网格170来提供激励，但上述独立解决方案不能容易地同时彼此紧邻地操作：这两种解决方案均执行电容感测，并且虽然此类系统对其电环境的影响通常在范围上受到限制，但一旦系统彼此接近地操作，它们就可被认为是使用相同的物理通道。这还意味着，除非系统被适当地配置用于联合操作，否则每个都将另一个感知为噪声源，这可能劣化或完全塌缩性能。
如背景技术部分中所讨论的，该问题的现有解决方案并行实现两个系统，一个用于2D触摸感测，一个用于3D中程感测，并且这两个系统确实在共享通道资源方面借助时分复用协作，即实际上每次仅两个系统中的一个正在感测。这是每个系统在响应时间、灵敏度、噪声稳健性和电磁发射方面的性能折衷。
根据各种实施方案，对于2D虚拟地自电容感测，经由芯片焊盘连接到2D电极网格的一个或多个感测电极的电节点在采集阶段被驱动，从而将节点的电势从较高电平改变为较低水平(阶段Q1)或反之亦然(阶段Q2)。电节点及其连接的电极的这种驱动可用作用于框架电极上的3D测量的Tx激励，参见：图4中的‘3D Tx’。因此，2D和3D感测的载波频率需要匹配。当前未被感测的2D电极仍然可以用相同的激励驱动，使得由2D网格170激励的电场—其影响3D框架电极测量值—与一次感测2D网格170的哪个2D电极无关。这具有可完全独立于2D感测来处理3D框架电极测量数据的评估的优点，因为3D测量仅受2D网格的外观的影响，即2D电极如何被驱动，而不受2D内部信号评估的影响。此外，驱动当前未被感测的电极也产生前述抑制驱动电极之间的互电容影响的效果。
由于利用这种方法，2D电网电极上的自电容测量可最多至100％的时间执行，即，它们不像现有技术解决方案那样受到时分复用3D感测的限制，并且不再存在对第一触摸检测的附加延迟。
在图6的时序图中示出了所得的驱动和感测序列的第一示例，该时序图还示出了各个时序阶段和一个EAC的注释。
‘2D mXT自电容节点A’可以与仅2D触摸感测系统相同的方式驱动，参见，图3。同时，可以通过例如在采集阶段Q1和Q2结束时测量电势来获得3D测量值，其中信号‘2D mXT自电容’用作Tx激励。
图15示出了具有水平和竖直导电传感器线或电极的2D网格并且围绕3D Rx框架电极110-140的标准矩形触摸面板170。电极中的每个电流连接到焊盘510，该焊盘自身连接到电路520中的电节点。
图16示出了具有水平和竖直导电传感器线或电极的2D网格的标准矩形触摸面板170，其中一些导电传感器线或电极永久性地连接到类型A或类型B的电节点，并且一些例如电极530、540和560可在类型A或类型B的节点之间由相应的复用器570复用。可以看出，任何可用的电极均可永久地分配给2D或3D检测电路中的一者。例如，为了形成类似于图15的电极110-140的帧，取代电极540，可将电极580可变地分配给3D检测电路。根据应用的具体要求，任何合适的固定、可配置或混合配置都是可能的。
图17示出了具有标准矩形触摸面板170的另一个实施方案，该矩形触摸面板170具有水平和竖直导电传感器线或电极的2D网格，并且围绕3D Rx拐角电极610、620、630、640。
图18示出了标准电容触摸按钮650和标准电容滑块电极布置660以及3D Rx框架电极110-140。
图10示出了使用例如来自框架电极的测量数据在a)中程位置和手势检测之间切换的可能状态图，以及来自测量数据(例如，来自2D电极网格)的自电容悬停检测，以及b)只要检测到2D电极网格的触摸，纯触摸和悬停检测模式就是活动的。只有在检测到初始触摸时，并且可能对于任何种类的校准扫描，才需要切换到后一模式。
在另选的具体实施中，还在检测一个或多个触摸时执行3D测量。例如，它们是在2D电极网格上进行自电容测量的同时执行的，这可例如以重复的方式并且与互电容测量交替地发生。
预充电子阶段P1_A2和P1_B2以及同样P2_A2和P2_B2可具有相同的开始时间和/或相同的停止时间，但这不是必需的。例如，在图6中，我们看到P1_A2在P1_B2之前开始–P1_B2的开始是当3D Rx焊盘信号跳到Vdd时–并且然后P1_A2和P1_B2重叠一段时间，直到P1_B2如图6所示结束，或者P1_A2结束(在图6中不可见)。在下文中，提出了所提出的方法的非优选变体以及它们的优点和缺点。
交错感测：
表1示出了用于2D虚拟地(节点A)和3D CVD测量(节点B)的EAC的不同阶段或时隙。利用该优选方法，根据各种实施方案，2D感测和3D感测两者在阶段Q1和Q2期间发生。另选地，这两个阶段也可用于3D感测，其中“2D mXT自电容”信号仅为这些3D CVD测量提供激励，即，在阶段Q1和Q2期间不感测2D线。相反，2D感测将在扩展阶段P1_A1和P2_A1期间发生。这在图7的另选时序图中示出。在时间上将2D和3D测量的采集阶段分开之后，可选择当前未被感测的电极上的信号以支持当前测量。例如，用于3D感测的焊盘可在2D采集阶段期间被设定为恒定电势，如图7所示，或者它们可被驱动至与用于2D电极的焊盘(图7中未示出)相同的电势。该方法可被解释为EAC内的交错2D和3D测量，其中用Tx激励驱动2D网格(的部分)以用于3D感测，而不用于2D自电容测量。潜在的缺点可为，与图6中的优选方法相比，激励的该附加部分增加了总体功耗和电磁辐射。
该交错感测解决方案的其他潜在缺点可为：1)模数转换：用于2D/悬停测量和3D的采样时间实例是交错的。即，需要单独控制2D/悬停测量和3D测量的ADC时序，或者对于所有ADC的公共时序，需要丢弃每隔一个所得的数字样本，即丢弃2D/悬停测量样本，同时保持3D/>测量样本，反之亦然。后者将为ADC转换速度要求的大约两倍。然而，考虑到现有技术系统由于EMC约束而通常在40-50kHz下操作，所得的最大采样频率仍将仅为200kHz。
2)信号稳定时间：由于交错测量，与在相同载波频率下操作的优选方法或仅2D/3D的系统相比，可用于信号稳定的时间减少。这可能与具有ITO电极和较高工作频率的较大显示器相关。然而，考虑到EMC约束和现有技术方法的所得操作频率选择(～40-50kHz)，目前不期望更高的载波频率。
具有对VVE_high和VVE_low的预充电的2D VE自电容测量：代替分别在预充电阶段P1_A2和P2_A2期间，将2D感测节点驱动到VPC,high＝Vdd和VPC,low＝Vss，它们也可被驱动至其他电势。例如，它们可被驱动至VPC,high＝VVE_high和VPC,low＝VVE_low，如例如图8所示，其中电势分别在阶段P1和P2期间是恒定的。由于节点已经在相应的先前采集阶段期间被驱动到这些电压，因此主动驱动可能甚至不是必要的，并且焊盘可以另选地设置为三态。这在图6a中进一步示出。图6b示出了用于此类测量的示例性系统配置。在该实施方案中，积分器包括被配置为积分器的运算放大器710，其中反相输入可与传感器电极720耦接，并且非反相输入可选择性地与VVE_high或VVE_low耦接。
-2D CVD自电容测量：代替在阶段Q1和Q2期间主动驱动2D传感器节点，另选的方法是将它们设置为DC处的高阻抗，类似于3D CVD传感器节点。此外，在阶段P1_A2和P2_A2期间焊盘被驱动到的预充电电势可分别被选择为Vdd和Vss以实现更好的灵敏度。
为了限制用于2D自电容测量的感测线的数量，同时执行3D中程测量(例如，由于有限数量的模拟接收通道)，两条或更多条2D感测线可短路到待感测的相同电节点。当连接相邻线时，悬停定位在仅连接少数(例如两个或三个)线时仍应具有足够的准确度。作为极端情况，所有水平、所有竖直或所有2D感测线将连接到单个2D感测节点。当然，这将不再允许执行任何2D位置估计，而是仅允许接近和(第一)触摸检测。另外，电极网格170的电容负载将可能对信号驱动具有挑战性。
与现有技术的时分复用解决方案相比，各种实施方案带来了许多优点：
2D第一触摸响应时间保持与纯2D触摸检测系统一样短，即，对第一触摸检测将不存在任何附加延迟：与现有技术的方法相反，其中2D扫描仅可例如在10ms中的2ms期间执行，对于所提出的解决方案，不再存在此类限制。第一触摸响应时间是对于用户体验和营销两者而言高度重要的特征，这是主要的销售点。
在现有技术的解决方案中，2D测量时间非常有限-仅足以产生可靠的首次触摸检测。利用所提出的解决方案，由于时分复用不再存在时间限制，因此2D信号的SNR可显著受益，这将允许例如近距离悬停检测。在使用例如并同时进行2D悬停检测的中程位置估计的情况下，中程(较粗分辨率)和近范围(较细分辨率)之间的逐渐过渡变得可能。
电磁辐射对于顾客来说是非常关键的。利用现有技术的方法和所提出的方法两者，在100％的时间内都存在电激励。但是仅采用所提出的方法，由于该激励而可用的模拟信息在100％的时间可用于2D和3D感测两者。例如，对于现有技术的方法，其仅为83％。相反，这意味着利用所提出的方法，我们可以降低激励信号的振幅，从而减少辐射，同时仍然产生与现有技术相同的SNR。
3D测量的改善的噪声稳健性：数字低通滤波器通常期望以规则的时间间隔采样的输入值。当样本缺失时，它们的过滤性能变差，现有技术的时分复用系统就是这种情况。对于所提出的方法，数据采集保持不间断，因此数字滤波器的噪声抑制等于图19中没有时分复用的情况。
整体感测系统I的简化：由于更高级别的算法，所获取的数据看起来好像将已经分别用仅2D或仅3D的系统获得的那样，算法进展可更容易地分布到更宽的产品范围上：仅2D/3D的系统与所提出的方法之间的区分将变得过时。这允许更短的研发周期。
总体感测系统II的简化：用于电容感测的典型系统采用自适应频率选择算法，该自适应频率选择算法允许在当前载波频率下的噪声水平过高时切换至另一载波频率。由于利用所提出的方法，2D系统和3D系统两者在相同的载波频率下操作，因此仅需要用于找到最佳或良好载波频率的一个算法实例。
所提出的方法提供了用于2D和3D位置和手势检测的硅。此外，此类解决方案可使用例如6位数模转换器来支持多级虚拟地电势，这意味着可更好地优化阶段Q1_A1、Q2_A1期间的驱动信号的形状(并且还可能支持P1_A1和P2_A1)以减少电磁辐射。相对于2D感测性能，仅重要的是节点电势分别在Q1和Q2期间基本上/大体上减小或增大，并且最终达到限定值，如由于在Q1_A2和Q2_A2期间将节点驱动到特定停止值所提供的。
2D电极网格的电极可连接到与GestIC电极相同的电路，或者它们可连接到一个或多个其它电路。在后一种情况下，需要在两个或更多个电路之间建立信令链路。

Claims (37)

1.一种传感器系统，所述传感器系统组合了第一检测系统和第二检测系统；
其中所述传感器系统被配置成向所述第一检测系统和所述第二检测系统的电极提供驱动信号，其中所述驱动信号包括由基本采集周期的重复组成的驱动序列，每个基本采集周期包括两个连续的主要阶段，
其中在第一主要阶段期间，所述传感器系统被配置为在所述第一主要阶段的预充电阶段期间，在所述第一主要阶段的所述预充电阶段的至少一段时间内，将与所述第一检测系统的至少一个电极耦接的节点A驱动到第一电势，并且在所述第一主要阶段的采集阶段期间，在所述第一主要阶段的所述采集阶段的至少一段时间内将节点A驱动到第一中间电势，以及在所述第一主要阶段的所述预充电阶段的至少一段时间内将与所述第二检测系统的至少一个电极耦接的节点B驱动到第二电势，并且然后在所述第一主要阶段的所述采集阶段的至少一段时间内将节点B切换到直流电流处的高阻抗，并且
其中在第二主要阶段期间，所述传感器系统被配置为在所述第二主要阶段的预充电阶段期间，在所述第二主要阶段的所述预充电阶段的至少一段时间内，将节点A驱动至第三电势，以及在所述第二主要阶段的采集阶段期间，在所述第二主要阶段的采集阶段的至少一段时间内将节点A驱动到第二中间电势，并且在所述第二主要阶段的所述预充电阶段的至少一段时间内将节点B驱动到第四电势，然后在所述第二主要阶段的所述采集阶段的至少一段时间内将节点B切换成直流电流处的高阻抗，以及
其中所述第一检测系统还被配置成在节点A上执行电测量，并且
其中所述第二检测系统还被配置成在节点B上执行电测量。
2.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述第一检测系统还被配置成在节点A上执行电测量，同时将节点A分别驱动到所述第一中间电势和所述第二中间电势，并且
其中所述第二检测系统被进一步配置为测量节点B上在将节点B切换成在直流电流处的高阻抗之后达到的电势。
3.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述第一中间电势低于所述第一电势，并且其中所述第二中间电势高于所述第三电势。
4.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述第一电势高于所述第二中间电势，并且其中所述第三电势低于所述第一中间电势。
5.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述第一电势等于所述第二中间电势，并且其中所述第三电势等于所述第一中间电势。
6.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述传感器系统被配置成在每个预充电阶段期间，在第一时间间隔之后，在第二时间间隔期间将所述节点A驱动至所述第一电势或所述第三电势，并且在每个采集阶段期间，在第三时间间隔之后将所述节点A分别驱动至所述第二中间电势或所述第一中间电势。
7.根据权利要求6所述的传感器系统，其中所述传感器系统被配置为在所述第二时间间隔之后将节点A切换到三态。
8.根据权利要求6所述的传感器系统，其中所述传感器系统被配置成在每个预充电阶段期间，在第四时间间隔之后，在第五时间间隔期间将所述节点B驱动到所述第二电势或所述第四电势，并且然后将节点B切换到三态，并且在每个采集阶段期间，将节点B保持在直流电流处的高阻抗。
9.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述第一电势和所述第二电势相同，并且其中所述第三电势和所述第四电势相同。
10.根据权利要求6所述的传感器系统，其中当节点A处于所述第一电势或所述第三电势并且节点B处于所述第二电势或所述第四电势时的时间间隔分别重叠。
11.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述传感器系统被配置为在所述第一主要阶段的所述预充电阶段期间将节点A保持在所述第一电势，并且在所述第一主要阶段的所述采集阶段期间将节点A驱动至所述第一中间电势，并且
其中在所述第二主要阶段的所述预充电阶段期间，将节点A保持在所述第三电势，并且在所述第二主要阶段的所述采集阶段期间，将节点A驱动至所述第二中间电势。
12.根据权利要求1所述的传感器系统，其中每个电节点电流耦接或连接到集成电路的端口，其中这些端口中的每个端口连接到芯片封装的焊盘。
13.根据权利要求1所述的传感器系统，其中节点A用于触摸和/或悬停检测。
14.根据权利要求1所述的传感器系统，其中节点B用于中程位置和手势检测。
15.根据权利要求1所述的传感器系统，其中模数转换器被配置成在所述采集阶段期间进行采样。
16.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述传感器系统被设计用于检测触摸面板上或触摸面板前面或附近的至少一个对象的位置。
17.根据权利要求1所述的传感器系统，其中由所述第一电势和所述第三电势之间的切换限定的载波频率介于1kHz和1000kHz之间。
18.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述系统包括一个或多个节点A，并且每个节点A连接到触摸面板的电极。
19.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述系统包括一个或多个节点B，并且至少一个节点B连接到触摸面板的电极。
20.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述系统包括一个或多个节点A和至少一个节点B，所述节点B连接到布置在触摸面板附近的所述第二检测系统的电极。
21.根据权利要求1所述的传感器系统，其中节点A是用于2D触摸和悬停检测的第一微控制器的一部分，并且节点B是用于3D中程位置和手势检测的第二微控制器的一部分。
22.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述节点A和B是用于联合2D触摸和悬停检测以及3D位置和手势检测的微控制器的一部分。
23.根据权利要求22所述的传感器系统，其中所述传感器系统允许在3D中程位置检测、2D悬停位置检测和触摸位置检测之间无缝过渡。
24.根据权利要求1所述的传感器系统，其中连接到节点A的电极用于触摸和/或悬停检测。
25.根据权利要求1所述的传感器系统，其中连接到节点B的电极用于3D无触摸位置和/或手势检测。
26.一种用于组合第一检测系统和第二检测系统的方法，所述方法包括：
向所述第一检测系统和所述第二检测系统的电极提供驱动信号，其中所述驱动信号包括由基本采集周期的重复组成的驱动序列，每个基本采集周期(EAC)由两个连续的主要阶段组成，
其中在第一主要阶段期间，在所述第一主要阶段的预充电阶段期间，在所述第一主要阶段的所述预充电阶段的至少一段时间内，将与所述第一检测系统的至少一个电极耦接的节点A驱动至第一电势，并且在所述第一主要阶段的采集阶段期间，在所述第一主要阶段的所述采集阶段的至少一段时间内将节点A驱动到第一中间电势，并且在所述第一主要阶段的所述预充电阶段的至少一段时间内将与所述第二检测系统的至少一个电极耦接的节点B驱动到第二电势，并且然后在所述第一主要阶段的所述采集阶段的至少一段时间内将节点B切换成直流电流处的高阻抗，以及
其中在第二主要阶段期间，在所述第二主要阶段的预充电阶段期间，在所述第二主要阶段的预充电阶段的至少一段时间内，将节点A驱动到第三电势，并且在所述第二主要阶段的采集阶段期间，在所述第二主要阶段的所述采集阶段的至少一段时间内将节点A驱动到第二中间电势，并且在所述第二主要阶段的所述预充电阶段的至少一段时间内将节点B驱动到第四电势，并且然后在所述第二主要阶段的所述采集阶段的至少一段时间内将节点B切换成直流电流处的高阻抗，
在节点A上执行电测量，以及
在节点B上执行电测量。
27.根据权利要求26所述的方法，还包括当将节点A分别驱动到所述第一中间电势和所述第二中间电势时，在节点A上执行电测量，以及测量节点B上在将节点B切换成直流电流处的高阻抗之后达到的电势。
28.根据权利要求26所述的方法，其中所述第一中间电势低于所述第一电势，并且其中所述第二中间电势高于所述第三电势。
29.根据权利要求26所述的方法，其中所述第一电势高于所述第二中间电势，并且其中所述第三电势低于所述第一中间电势。
30.根据权利要求26所述的方法，其中所述第一电势等于所述第二中间电势，并且其中所述第三电势等于所述第一中间电势。
31.根据权利要求26所述的方法，其中在第一时间间隔之后的每个预充电阶段期间，节点A在第二时间间隔期间被驱动至所述第一电势或所述第三电势，并且在每个采集阶段期间，节点A在第三时间间隔之后分别被驱动至所述第二中间电势或所述第一中间电势。
32.根据权利要求31所述的方法，其中在所述第二时间间隔之后，节点A被切换至三态。
33.根据权利要求26所述的方法，其中在第四时间间隔之后的每个预充电阶段期间，节点B在第五时间间隔期间被驱动至所述第二电势或所述第四电势，并且然后节点B被切换至三态，并且在每个采集阶段期间，节点B保持在直流电流处的高阻抗。
34.根据权利要求26所述的方法，其中所述第一电势和所述第二电势相同，并且其中所述第三电势和所述第四电势相同。
35.根据权利要求31所述的方法，其中当节点A处于所述第一电势或所述第三电势并且节点B处于所述第二电势或所述第四电势时的时间间隔分别重叠。
36.根据权利要求26所述的方法，其中在所述第一主要阶段的所述预充电阶段期间，所述节点A保持在所述第一电势，并且在所述第一主要阶段的所述采集阶段期间，所述节点A被驱动至第一中间电势，并且
其中在所述第二主要阶段的所述预充电阶段期间，所述节点A被保持在所述第三电势，并且在所述第二主要阶段的所述采集阶段期间，所述节点A被驱动到所述第二中间电势。
37.一种用于组合第一检测系统和第二检测系统的方法，所述方法包括根据权利要求1至25中的任一个传感器系统的操作。
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