CN112148145A - 具有混合触摸检测的触摸表面 - Google Patents

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CN112148145A CN202010580510.6A CN202010580510A CN112148145A CN 112148145 A CN112148145 A CN 112148145A CN 202010580510 A CN202010580510 A CN 202010580510A CN 112148145 A CN112148145 A CN 112148145A
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Abstract

本发明涉及一种触摸表面(1)，其包括：电极(2、3)的行的阵列；用于在行上的输入点处注入输入电压(VDRIVE)的单元；用于测量所述行上的第二点处的输出电压(VSENSE)的单元，p为阵列中将这两个点分开的数值最小的节距，该阵列在这两个点之间的部分类似于电阻(R(p))和电容(C)的电偶极子，输出电压(VSENSE)等于输入电压(VDRIVE)与由复函数(HSENSE)表示的传递函数的乘积。用于测量的单元包括：用于从传递函数中提取幅度(G)和相位
Figure DDA0002552147230000011
的单元；用于计算所述幅度和所述相位的混合函数
Figure DDA0002552147230000012
的单元，所述混合函数使由等式(1)定义的和(Σ)最小化：等式1
Figure DDA0002552147230000013
。

Description

具有混合触摸检测的触摸表面
技术领域
本发明的领域是由具有中或高电阻率的透明导电材料制成的大型触摸屏。
背景技术
大多数触摸屏通过电子检测来工作。触摸屏则由导电电极的行和列的阵列组成。触摸检测是通过将电信号注入行和列的阵列中并测量由用户的一个或多个手指与触摸屏接触引起的输出信号变化来实现的。应当注意，在本文的其余部分中，用于指代包括触摸表面的设备的术语触摸板和触摸屏可以互换使用。
在许多应用中，触摸屏被布置在观看设备上以对其进行控制。因此，电极阵列应当尽可能不显眼，以免干扰显示的图像。
即使不透明金属电极非常薄，其使用也会产生光学伪像，并且它们不容易用于蚀刻工艺，这使得它们更加昂贵。举例来说，参考“微网(micromesh)”或基于银或碳的材料的使用。此外，通常使用透明材料来制造电极以限制这些问题。
透明材料的使用通常不太适合于模拟测量，所述模拟测量对由所用材料的电阻率引起的衰减较敏感。事实上，透明材料的电阻率比金属高得多。例如，铟锡氧化物(IndiumTin Oxide，缩写为ITO)表现出良好的透明性，但具有约为每平方50欧姆的中电阻率。
在触摸屏的情况下，寻求的是由若干毫微微法拉的电容变化引起的信号，这需要在约为几百kHz的高频下进行测量。
当该行是电阻性的时，该测量根据测量点的位置而变化。此外，如果在透明行的末端测量此变化，则该行的电阻和信号衰减最大，由要测量的电容C和该行的电阻R形成一阶RC滤波器。
因此，灵敏度随着距信号注入点的距离增加而沿着相同的列或相同的行减小。触摸板不再是同样敏感的。灵敏度的这种损失可能具有严重的后果，例如当用户的手戴手套时导致错过检测。
为了部分减少这种不便，优选将信号注入最短的电极中，触摸板通常是矩形的。
为了解决该问题，第一种解决方案包括通过增加ITO层的厚度来降低其电阻率，但是这也降低了触摸屏的透明度。
第二种解决方案包括在相同行的两侧注入测量信号。此外，在该行的两端布置强信号。
然而，这种两侧注入的解决方案仅转移了问题。板中间(这是最常用的区域)的灵敏度保持较低。此外，在屏幕中央的这种低灵敏度对于大尺寸的屏幕来说更糟。
最后，这种双重注入还将访问轨道或轨迹的数量加倍，并将连接加倍。
这些不同不便导致增加触摸板的价格，增加其边框的尺寸以及降低其可靠性，这大大降低了产品的竞争力和交付给用户的价值。
另外，测量原理也有影响。当前产品使用电荷转移方法，该方法包括测量一行的充电时间，该方法被称为“自模式”，或测量行/列交叉点的充电时间，该方法被称为“互模式”。
为了执行这种类型的测量，可以注入正弦信号，然后对它们进行幅度解调，幅度的变化与用户触摸产生的电容成正比。这种技术被称为“投射式电容触摸”。
发明内容
尽管集成到类型为“ASIC”(“专用集成电路”)的电子电路中要稍微复杂一些，但是频率解决方案具有一定数量的优点，如下所述：
-在电磁兼容性领域，这种正弦信号比方波信号污染少。如有必要，可以将发出的一些射线推出其他电子仪器的灵敏度范围之外。
-此外，利用同步解调进行的幅度测量可以提供相对较好的抗干扰能力。
然而，与被称为“现货(surétagère)”或“COTS”(“商用现货(Commercial-Off-The-Shelf)”)的标准控制器一起使用的技术相比，频率解决方案的巨大优势在于可以使用不同的信号频率。
该优点具有多种应用。以下专利描述了其中一些。
-标题为“具有多频电容检测的多点触摸设备”的专利EP 2 535 793描述了一种触摸设备，其中在“双点触摸”或“双触摸”应用的情况下，使用两种不同的频率可以消除重影按压(appui
Figure BDA0002552147210000031
)；
-标题为“具有多点触摸屏的电容式触摸设备”的专利FR 3009 099描述了一种触摸屏，该触摸屏包括两个并列的区域，每个区域使用不同的频率以避免干扰；
-标题为“具有故障检测单元的多频电容检测的多点触摸设备”的专利EP 2 793110描述了一种采用不同频率来测量板的完整性并检测断行的设备；
-标题为“具有按压模拟单元的电容式触摸设备”的专利FR 3 009 101描述了一种使用特定频率进行按压模拟的设备；
-标题为“用于具有电容式触摸表面的显示设备的电容式加密狗”的专利EP 2 891947描述了一种与触摸屏接触的数据传输设备，该设备采用一组与触摸屏不同的频率。
更具体地，在互模式下，对投射式电容触摸板上的按压的测量类似于电偶极子，其在其输入端接收被称为“驱动(Drive)”的正弦电信号，并在其输出端生成被称为“感测(Sense)”的调制电信号。
在图1和图2中描绘了该原理，其示出了取决于用户的手指U是否触摸触摸板的输出信号的变化。这两个图示出了由玻璃制成的包括电极阵列的触摸板1的简化部分。在图1和图2中，示出的部分包括布置在玻璃板下方的两个电极2和3。第一电极2传递输入信号，并且第二电极3传递输出信号。弯曲的虚线4代表由输入信号生成的场线。
从图1可以看出，如果用户未触摸触摸板，则电场线的大部分被电极3引受。相反，如果用户的手指触摸触摸板，则这些场线大部分被手指引受。
通过对输出信号进行幅度解调，获得代表按压的值。一般而言，偶极子等效于串联RC滤波器。对于给定的频率，信号的衰减随电阻R的值的增加而变强。然而，电阻的增加也会导致输出信号和输入信号之间的相移变化。
作为示例，图3示出了根据信号被提取的列的距离的、信号的衰减和相关的相移的变化。衰减ΔA和相移
Figure BDA0002552147210000032
以任意单位示出，并且相移曲线为细线。从该图中可以看出，衰减的变化与相移的变化是相反的。
在互模式下，遇到具有相同性质的信号，但是幅度的衰减和相位滞后在触摸板的两个维度上变化。
根据本发明的信号检测基于该原理。为了减轻输出信号的衰减，其与按压的位置有关，不是简单地分析输出信号的幅度，而是分析混合函数，该混合函数结合了输出信号的幅度和相移，使得该混合函数在触摸板的行或列的整个长度上不变。
更具体地，本发明的主题是一种触摸表面，其包括：电极行阵列；用于在行上的输入点处注入至少一个正弦输入电压(VDRIVE)的单元，所述输入电压是以确定的频率以及已知的幅度和相位发送的；用于测量所述行上的第二点处的输出电压(VSENSE)电子单元，p表示阵列中将第一点与第二点分开的数值最小的节距(pas)，该阵列在第一点与第二点之间的部分类似于具有电阻(R(p))和电容(C)的电偶极子，输出电压(VSENSE)等于输入电压(VDRIVE)与由复函数(HSENSE)表示的传递函数的乘积，其特征在于，用于测量的所述单元包括以下电子单元：
-用于从复传递函数中提取增益(G)和相位
Figure BDA0002552147210000041
的电子单元；
-用于计算所述幅度和所述相位的混合函数
Figure BDA0002552147210000042
的电子单元，所述混合函数使由等式(1)定义的总和(∑)最小化：
等式1
Figure BDA0002552147210000043
Figure BDA0002552147210000044
对应于该行中的点i处的按压；
-用于根据混合函数(S)的值来确定该值是否代表在触摸表面上的第二点处的按压的单元。
有利地，复平面中的复函数(HSENSE)的变化类似于偏心椭圆(e)，混合函数
Figure BDA0002552147210000045
等于幅度G与由等式(2)定义的函数
Figure BDA0002552147210000046
的乘积：
等式2
Figure BDA0002552147210000047
有利地，用于提取的电子单元包括：
-以与输入电压相同的频率发送的两个数字信号的发生器，这两个信号是正交的；
-用于输出电压的模数转换器，其提供经采样的数字电压；
-两个乘法器，其用于将经采样的数字电压乘以正交的这两个数字信号中的每一个数字信号；
-两个积分器，其用于在大于一的多个周期上对来自两个乘法器的两个信号进行积分；
-计算单元，其能够基于前面积分的两个信号来计算传递函数的增益(G)和相位
Figure BDA0002552147210000051
有利地，用于测量的单元包括用于对混合函数
Figure BDA0002552147210000052
进行电子滤波的单元。
附图说明
附图说明了本发明：
图1示出了在没有用户的按压的情况下根据现有技术的触摸板中的输出信号；
图2示出了在存在用户的按压的情况下根据现有技术的触摸板中的输出信号；
图3示出了根据现有技术的根据在触摸板中提取信号的列的距离的、输出信号的衰减和相移的变化；
图4示出了代表根据本发明的触摸板的按压区域的电子偶极子；
图5示出了根据本发明的触摸板中的输出信号的衰减和相移的变化；
图6示出了根据本发明的触摸板中的具有RC网络形式的上述电子偶极子；
图7示出了根据本发明的根据触摸板中提取信号的列的距离的混合信号；
图8示出了表示混合前的输出信号的向量。
图9示出了表示混合后的输出信号的向量。
图10示出了用于从输出信号提取幅度和相位的功能单元的电子框图。
具体实施方式
根据本发明的触摸表面包括电极的行和列的阵列。对按压的测量是“投射式电容”型的。该测量以互模式工作。发送的信号的脉冲由ω表示。通常，与该脉冲相对应的频率在50kHz至1MHz之间。
作为非限制性示例，根据本发明的触摸板具有在400毫米至800毫米之间的对角线。电极阵列的节距通常在5毫米至7毫米之间。
例如，具有203毫米的高度和324毫米的长度的16∶10格式的触摸板具有30行和48列，其节距为7毫米。该触摸板的对角线约为400毫米。
图4示出了代表触摸板的按压区域的电子偶极子D。该偶极子D的输入信号是注入值VDRIVE(ω)，并且输出信号是测量值VSENSE(ω)。该偶极子D的特征在于其传递函数HSENSE(ω)。
在图5中示出了输入信号和输出信号的幅度随时间的变化。在图5中，输入信号由实线表示，而输出信号由虚线表示。如图所示，输出信号的幅度ASENSE与输入信号的幅度ADRIVE不同，并且也被相移了相移
Figure BDA0002552147210000061
因此，可以用具有以下形式的复表示法来表述传递函数HSENSE(ω)：
Figure BDA0002552147210000062
Figure BDA0002552147210000063
GSENSE表示对应于输入幅度与输出幅度之比的偶极子的增益，以及
Figure BDA0002552147210000064
表示偶极子的相位。
如图6所示，可以将D比作串联RC网络，其中，C是操作者U产生的电容和接触点级别处的互耦合电容的组合，并且R是接触点的电阻。
在这种情况下，量GSENSE和
Figure BDA0002552147210000065
满足以下两个等式：
等式3
Figure BDA0002552147210000066
等式4
Figure BDA0002552147210000067
在根据现有技术的设备中，对VSENSE的测量是通过所谓的电荷转移方法，通过测量电容C的充电时间来执行的。因此，仅测量偶极子的增益GSENSE。从等式3可以看出，如果电容C或电阻R为零，则增益等于1。
换言之，在行的开始，衰减为零，并且随着距触摸板边缘的距离增加，增益随电阻R的增加而减小。
根据本发明的触摸表面的用于测量的单元包括能够同时获得偶极子D的幅度和相位的装置。在行的开始，电阻为零，这导致了零相移。随着距行边缘的距离增加，电阻R的增加导致相位滞后。此外，与增益GSENSE随电阻R减小而不同，相移
Figure BDA0002552147210000068
随电阻R而增加。
本发明的核心是利用这两个测量值并且创建混合函数
Figure BDA0002552147210000069
该混合函数通过组合增益G和相移
Figure BDA00025521472100000610
而实际上保持不变，而不考虑测量点的位置。
如果p表示阵列中将施加输入信号的第一点与测量信号的第二点分开的节距的数值，这两个点之间的电阻由R(p)表示，则函数S应当满足以下等式1：
等式1
Figure BDA0002552147210000071
Figure BDA0002552147210000072
对应于该行上位于第一点和第二点之间的点i处的混合函数S的值。
另外，
Figure BDA0002552147210000073
因此，可以通过实验来计算函数S。在第一种情况下，S可能是直接的加法，但板的性质和大小以及所用的测量频率以及寄生电容耦合通常意味着，在第二种情况下，函数S不是线性的。
此外，图7示出了，根据输入点与测量点之间距离的增益G、等于增益和相应相移之和的混合函数S、增益的噪声BG和混合函数S的噪声BS，增益G及其相关联的噪声BG用实线表示，并且混合函数S及其相关联的噪声BS用虚线表示。
如图7所示，以这种方式混合的信号不再沿行衰减。实际上，它甚至趋于增加。相反，噪声也会增加。因此，优选使用对噪声进行积分的非线性模型。
在沿着板按压的情况下，增益G和相移
Figure BDA0002552147210000074
的变化类似于椭圆矢量的行为。如果
Figure BDA0002552147210000075
表示极坐标为G和
Figure BDA0002552147210000076
并且因此其附标(affixe)为复数
Figure BDA0002552147210000077
的向量，则可以看出，在给定了相移
Figure BDA0002552147210000078
的最大值的情况下，可以通过椭圆的起点很好地近似此矢量沿板的空间演变：图8示出了这种椭圆。水平箭头表示触摸板开始处的向量
Figure BDA0002552147210000079
并且倾斜箭头表示触摸板末端的向量
Figure BDA00025521472100000710
Figure BDA00025521472100000711
的附标为GMAX·ei0，并且
Figure BDA00025521472100000712
的附标为
Figure BDA00025521472100000713
椭圆长轴的长度由在板开始处达到的、增益G的最大值给出，并且其偏心率e通过沿板进行的测量来确定。
混合函数的目的是使增益G的最大值保持恒定，从而修改
Figure BDA00025521472100000714
的范数以使其达到长轴的长度。确切地说，因此必须用混合函数
Figure BDA00025521472100000715
代替G，在当前情况下，其值是
Figure BDA00025521472100000716
其中：
Figure BDA00025521472100000717
在这种情况下，如果利用与前面相同的矢量符号来表示混合函数
Figure BDA0002552147210000081
则该函数S将描述圆的一部分，如图9所示。圆的半径值为GMAX。
在测量增益G上的噪声和相移
Figure BDA0002552147210000082
上的噪声并确定它们的频谱和幅度特性之后，可以处理噪声，特别是增益G上的噪声和相移
Figure BDA0002552147210000083
上的噪声之间的相关性，以最佳地降低乘积
Figure BDA0002552147210000084
的噪声。举例来说，该处理可以包括匹配滤波或时间失配。
因此，触摸表面的用于计算的电子单元应当能够基于输出信号VSENSE(ω)的知识来提取其幅度和相位。根据这两项信息，可以计算出增益G，然后计算出混合函数S。
对于本领域技术人员而言，测量幅度和相位不会带来任何特定问题。举例来说，图10的框图示出了该提取功能单元的电子实施例。该电子功能单元包括：
-输出电压的模数转换器，其提供经采样的数字电压。该转换器未在图10中示出。采样的数量应覆盖脉冲ω的多个周期；
-以与电压VSENSE相同的脉冲ω发送的两个数字信号的发生器10，这两个信号是正交的。这些信号在图10中由函数Cos(ωt)和Sin(ωt)表示。
-两个乘法器11和12，其用于将经采样的数字电压乘以正交的这两个数字信号中的每一个数字信号；
-两个积分器13和14，其用于在大于一的多个周期上对来自两个乘法器11和12的两个信号进行积分。来自第一积分器的第一输出信号由Q表示，并且第二输出信号由I表示；
-计算单元15，其可以基于前面积分的两个信号，根据以下公式来计算输入信号VSENSE的幅度(A)和相位
Figure BDA0002552147210000085
Figure BDA0002552147210000086
并且
Figure BDA0002552147210000087
在知晓了输出信号的幅度和相位之后，就可以容易地确定增益G，然后确定混合函数
Figure BDA0002552147210000088
根据本发明的测量单元的优点是重要的。事实上，混合函数使得能够获得仅表示按压的信号，而不依赖于板的电阻分量。
此外，可以戴着手套使用触摸板的整个区域而不会遗漏按压检测。
通过避免寻址触摸板的两侧，该解决方案使得能够使用标准触摸板。它允许使用低成本的透明导电材料，例如ITO。
另外，混合使得能够以二次方的方式降低测量噪声，同时信号增加相位值，这提供了将信噪比提高6dB的可能性。

Claims (4)

1.一种触摸表面(1)，包括：电极(2、3)的行的阵列；用于在行上的输入点处注入至少一个正弦输入电压(VDRIVE)的单元，所述输入电压是以确定的频率以及已知的幅度和相位发送的；用于测量所述行上的第二点处的输出电压(VSENSE)电子单元，p表示所述阵列中将所述第一点与所述第二点分开的数值最小的节距，所述阵列在所述第一点与所述第二点之间的部分类似于具有电阻(R(p))和电容(C)的电偶极子，所述输出电压(VSENSE)等于所述输入电压(VDRIVE)与由复函数(HSENSE)表示的传递函数的乘积，其特征在于，用于测量的所述单元包括以下电子单元：
-用于从复传递函数中提取增益(G)和相位
Figure FDA0002552147200000011
的电子单元；
-用于计算所述幅度和所述相位的混合函数
Figure FDA0002552147200000012
的电子单元，所述混合函数使由等式(1)定义的总和(Σ)最小化：
等式1
Figure FDA0002552147200000013
Figure FDA0002552147200000014
对应于所述行上的点i处的按压；
-用于根据所述混合函数(S)的值来确定该值是否代表在所述触摸表面上的所述第二点处的按压的单元。
2.根据权利要求1所述的触摸表面，其特征在于，所述复平面中的所述复函数(HSENSE)的变化类似于偏心椭圆(e)，所述混合函数
Figure FDA0002552147200000015
等于幅度G与由等式(2)定义的函数
Figure FDA0002552147200000016
的乘积：
等式2
Figure FDA0002552147200000017
3.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的触摸表面，其特征在于，用于提取的所述电子单元包括：
-以与所述输入电压相同的频率发送的两个数字信号的发生器(10)，所述两个信号是正交的；
-用于所述输出电压的模数转换器，其提供经采样的数字电压；
-两个乘法器(11、12)，其用于将所述经采样的数字电压乘以正交的所述两个数字信号中的每一个数字信号；
-两个积分器(13、14)，其用于在大于一的多个周期上对来自所述两个乘法器的所述两个信号进行积分；
-计算单元(15)，其能够基于前面积分的所述两个信号来计算所述传递函数的所述增益(G)和所述相位
Figure FDA0002552147200000021
4.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的触摸表面，其特征在于，用于测量的所述单元包括用于对所述混合函数
Figure FDA0002552147200000022
进行电子滤波的单元。
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