CN113452359A

CN113452359A - 用于检测电容传感器和触觉开关的操作的电路和方法

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Publication number: CN113452359A
Application number: CN202110252755.0A
Authority: CN
Inventors: 永井啓; 太田垣贵康; 后藤贤介; 山本泰典
Original assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Current assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Priority date: 2020-03-24
Filing date: 2021-03-09
Publication date: 2021-09-28

Abstract

本发明题为用于检测电容传感器和触觉开关的操作的电路和方法。本发明涉及用于检测电容传感器和触觉开关的操作的电路和方法。该电路可包括多个输入端子，其中至少一个输入端子用于检测电容传感器的操作，并且至少一个输入端子用于检测触觉传感器的操作。该电路可包括响应于模式信号的三个电容器和两个转移门。

Description

用于检测电容传感器和触觉开关的操作的电路和方法

技术领域

本发明涉及用于检测电容传感器和触觉开关的操作的电路和方法。

背景技术

许多电子设备配备有电容触摸传感器和触觉开关的组合。常规设备需要两个单独的检测电路，一个检测触觉开关的操作，另一个检测电容传感器的触摸事件。每个检测电路均可连接到共同的处理电路。用于电容传感器和触觉开关的单独且不同的检测电路可能会增加设备的成本和复杂性。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供电容触摸传感器和触觉开关的组合的常规电子设备需要两个单独的检测电路，一个检测触觉开关的操作，另一个检测电容传感器的触摸事件，这可能会增加设备的成本和复杂性。

本发明技术的各种实施方案可提供用于检测电路的方法和装置。检测电路可包括多个输入端子，其中至少一个输入端子用于检测电容传感器的操作，并且至少一个输入端子用于检测触觉开关的操作。该检测电路可包括响应于模式信号的三个电容器和两个转移门。

根据第一方面，一种能够连接到电容传感器和触觉开关的电路包括：第一输入端子，该第一输入端子能够连接到电容传感器；第一输出端子，该第一输出端子能够将第一参考电压施加到电容传感器；第一电容器，该第一电容器连接到第一输入端子并且具有第一电容；第二输入端子，该第二输入端子能够连接到触觉开关；第二输出端子，该第二输出端子能够将第二参考电压施加到触觉开关；第二电容器，该第二电容器连接到第二输入端子并且具有第二电容；第三电容器，该第三电容器连接到第一电容器和第二电容器，其中第三电容器具有可变电容；和放大器，该放大器连接到第一电容器和第三电容器并且被配置为将输入电容转换为输出电压。

在一个实施方案中，第二电容器与第三电容器串联连接。

在一个实施方案中，第一电容器和第三电容器连接到放大器的同一输入端子。

在一个实施方案中，该电路还包括：第一转移门，该第一转移门连接在第一输出端子和第一电容器之间，其中第一转移门响应于在第一值和第二值之间交替的模式信号；和第二转移门，该第二转移门连接在第二输出端子和第二电容器之间，其中第二转移门响应于模式信号。

在一个实施方案中，该电路还包括反相器，该反相器包括：输出端子，该输出端子连接到第二电容器和第三电容器；和输入端子，该输入端子连接到第一参考电压。

在一个实施方案中，第二参考电压是第一参考电压的反相。

根据第二方面，一种用于检测电容传感器和触觉开关的操作的方法包括：生成具有第一值和第二值的模式信号；施加第一值；检测电容传感器的操作，包括：检测第一输入电容的变化，其中第一输入电容基于第三电容；施加第二值；以及检测触觉开关的操作，包括：检测第二输入电容的变化，其中第二输入电容基于第二电容、第三电容和第四电容。

在一个实施方案中，该方法还包括生成参考电压，以及将参考电压施加到电容传感器和触觉开关。

在一个实施方案中，第一输入电容的减小对应于触摸事件。

在一个实施方案中，第二输入电容的减小对应于触觉开关的接通位置。

本发明实现的技术效果是提供单个电路以检测触觉开关的操作和电容传感器的触摸事件两者。

附图说明

当结合以下示例性附图考虑时，可参照具体实施方式更全面地了解本技术。在以下附图中，通篇以类似附图标记指代各附图中的类似元件和步骤。

图1是根据本发明技术的示例性实施方案的传感器系统的框图；

图2是根据本发明技术的示例性实施方案的传感器系统的局部电路图；

图3代表性地示出了根据本发明技术的示例性实施方案的触觉开关的电容水平；

图4A是根据本发明技术的示例性实施方案的在第一操作阶段期间触觉开关断开的传感器系统的局部电路图；

图4B是根据本发明技术的示例性实施方案的在第二操作阶段期间触觉开关断开的传感器系统的局部电路图；

图5A是根据本发明技术的示例性实施方案的在第一操作阶段期间触觉开关接通的传感器系统的局部电路图；

图5B是根据本发明技术的示例性实施方案的在第二操作阶段期间触觉开关接通的传感器系统的局部电路图；

图6是根据本发明技术的示例性实施方案的传感器系统的电路图；并且

图7是根据本发明技术的另选的实施方案的传感器系统的电路图。

具体实施方式

本发明技术可按照功能块组件和电路图进行描述。这样的功能块和电路图可以通过被配置为执行指定功能并且实现各种结果的任何数量的部件实现。例如，本发明技术可采用可执行各种功能的各类模数转换器、电容器、放大器、功率源、开关等。根据本发明技术的各个方面的用于检测电路的方法和装置可结合各种输入设备诸如电容传感器、触觉开关等一起操作。此外，用于检测电路的方法和装置可集成在任何合适的电子系统和/或设备中，诸如“智能设备”、可穿戴设备、消费性电子器件、便携式设备、医疗设备等。

参考图1，示例性传感器系统100可集成在主机系统(未示出)诸如汽车中。在一个应用中，传感器系统100可集成在汽车的内舱中，并且可用于控制各种内部功能，诸如车内照明、自动窗等。传感器系统100可提供各种输入设备，诸如按钮、开关、拨号盘、滑块、按键或小键盘、导航板、触摸板等。传感器系统100可使用单个检测电路115来检测各种传感器和开关的操作。在示例性实施方案中，传感器系统100可包括电容传感器130和触觉开关125。在示例性实施方案中，检测电路115可检测电容传感器130的触摸事件和触觉开关125的操作两者。

传感器系统100可包括任何数量的电容传感器130和触觉开关125。在一个实施方案中，传感器系统100可包括多个电容传感器110，诸如电容传感器130(1)～130(N)。传感器系统100还可包括多个触觉开关105，诸如触觉开关125(1)～125(N)。

电容传感器130可被配置为互电容传感器，以通过测量发射电极(未示出)和接收电极(未示出)之间的电容变化来检测物体(未示出)。例如，在操作中，当电源被施加到发射电极时，发射电极和接收电极形成电场(未示出)。

互电容触摸感测可用于检测电场内的物体(即，接近感测)。例如，当诸如手、指尖、笔尖等的物体进入电场时，电场被破坏并且导致发射电极和接收电极之间的电容发生变化。电容的变化可指示物体与电极的表面的接近。因此，物体可能不需要物理地触摸电极就能实现电容变化。

作为接近感测的替代或补充，互电容触摸感测可用作直接触摸传感器，其中可基于电容的变化来检测与电极的直接接触。接近触摸和直接触摸可被称为触摸事件。

一般来讲，随着物体的接近，诸如当一个人的手指靠近电容传感器130时，物体吸收电场的一部分，从而减少能量的量并且因此减小电容。随着物体越来越接近电容传感器130的表面，物体吸收电场的更多部分，并且可继续减小电容。输出电压和对应的数字输出将根据电容的变化而变化。例如，电容的减小可能导致输出电压和对应的数字输出增大。由于数字输出根据检测到的能量的量而变化，因此定量或以其他方式估计物体和电极的表面之间的距离可以是可能的。

触觉开关125由用户物理地操纵以接通和关断触觉开关125，并且可包括任何合适的机械开关，诸如按钮开关、拨动开关等。可基于传感器系统100的应用和环境来选择特定类型的触觉开关。

参考图2、图6和图7，检测电路110可被配置为通过检测输入电容Cin和输入电容Cin的后续变化来检测电容传感器130和触觉开关125的操作。检测电路110还可被配置为将输入电容转换为输出电压Vout，其中输出电压Vout与电容成比例，因此，输出电压的变化与电容的变化成比例。在示例性实施方案中，检测电路110可包括具有第一电容C₀的第一电容器215、具有第二电容C₁的第二电容器210和具有第三电容C₂的第三电容器230。在另选的实施方案中，第一电容器215、第二电容器210和第三电容器230可布置在检测电路115的外部，例如，第一电容器215、第二电容器210和第三电容器230可布置在与放大器225分开的芯片上。

检测电路110还可包括多个输入端子(例如，输入端子Cin0、Cin1、Cin2、Cin3、Cin4、Cin5、Cref)和多个输出端子(例如，输出端子Cdrv和TactC)。

在示例性实施方案中，第一输出端子Cdrv和第一输入端子(例如，Cin0)可连接到电容传感器130。第一电容器215可连接到第一输入端子并且具有第一电容C₀。第一输出端子Cdrv可接收参考电压Vref，其中该参考电压是供电电压Vdd和接地Gnd中的一者。

类似地，第二输出端子TactC和第二输入端子(例如，Cin3)可连接到触觉传感器125。第二电容器210可连接到第二输入端子并且具有第二电容C₁。检测电路115可包括连接在第二电容器210和第一输出端子Cdrv之间的反相器220。具体地，输入端子可连接到参考电压Vref，并且反相器220的输出端子可连接到第二电容器210和第三电容器230。因此，反相器220接收参考电压Vref并且生成反相参考电压Vref_inv，并且将其施加到第二电容器210。

第三电容器230可连接到第一电容器215和第二电容器210，其中第三电容器230的第三电容C₂具有可变电容。另外，第二电容器210可与第三电容器230串联连接。

检测电路110可包括多个转移门(transfer gate)(例如，转移门200、205、700、705、710、715、720、725；也称为传输门(transmission gate))，其中每个转移门均连接到对应的输入端子或输出端子。例如，第一转移门(例如，转移门705)连接在第一输出端子Cdrv和第一电容器215之间，并且第二转移门(例如，转移门205)连接在第二输出端子TactC和第二电容器210之间。第一转移门705和第二转移门205可被配置为接收模式信号TactMode并且对其作出响应。模式信号可在第一值(LO)和第二值(HI)之间交替。因此，第一门705和第二门205可基于模式信号的值断开和闭合。逻辑电路(未示出)可生成模式信号。

其他转移门诸如转移门200、700、710、715、720和725可连接到检测电路115的输入端子。例如，第三转移门(例如，转移门700)可连接到第一输入端子Cin0，并且第四转移门(例如，转移门200)可连接到第二输入端子Cin3。第三转移门和第四转移门可被配置为从逻辑电路接收控制信号(未示出)并且对其作出响应，其中逻辑电路可被配置为一次断开一个转移门。

在示例性实施方案中，每个转移门(例如，转移门200、205、700和705)均可包括具有p沟道设备和n沟道设备的模拟开关，或适用于转移模拟信号的任何其他设备。

在各种实施方案中，检测电路115还可包括转换电路以将来自对应输入端子的输入电容Cin转换为对应的输出电压Vout。在示例性实施方案中，转换电路可包括放大器225和反馈开关，诸如第一反馈开关500和第二反馈开关730。

在示例性实施方案中，第一电容器215和第三电容器230可连接到放大器225的共同的输入端子。

在一个实施方案中，检测电路115可被配置为执行差分测量(例如，如图6所示)，或者在另选的实施方案中，执行单端测量(例如，如图7所示)。在任一种情况下，放大器225可在放大器225的输入端子处接收输入电容Cin并且将输入电容转换为输出电压。

在差分测量情况下，并且参考图6，检测电路115的初始条件由下式给出：C₀:Cref＝C_2b:C_2a。换句话讲，第一电容器215的电容(C₀)和参考端子(Cref)处的电容的比等于电容器230(b)的电容(即，C_2b)和电容器230(a)的电容(即，C_2a)的比。因此，放大器225的输入端子处的输入信号相等。在初始条件期间，触觉开关125关断并且在电容传感器130处不存在触摸事件，并且输入电容Cin由下式给出：Cin＝C₀-C_2b。当触觉开关125接通时，输入电容Cin由下式给出：Cin＝C₀-(C_2b+C₁)。因此，当触觉开关125接通时(或当在电容传感器130上已发生触摸事件时)，输入电容Cin减小，这导致放大器225处的输入电容Cin减小。

在单端测量情况下，并且参考图4、图5和图7，初始条件由下式给出：C₀＝C₂，并且Cin＝C₀-C₂。当触觉开关125接通时，输入电容Cin由下式给出：Cin＝C₀-(C₂+C₁)。因此，当触觉开关125接通时以及当在电容传感器130上已发生触摸事件时，输入电容Cin减小，这导致放大器225处的输入电容Cin减小。

在各种实施方案中，转换电路还可包括反馈电容器Cf以补偿放大器225的输入信号中的改变的电容。在示例性实施方案中，放大器225连接到第一反馈电容器Cf1和第二反馈电容器Cf2，其中第一反馈电容器Cf1耦接在放大器225的输出端子和第一输入端子之间，第二反馈电容器Cf2耦接在放大器225的输出端子和第二输入端子之间。

在各种实施方案中，传感器系统100还可包括主处理器(MCU)120，以将输出电压Vout转换为数字值，检测输出电压Vout和/或数字值的变化，并且根据输出电压Vout和/或数字值的变化来检测数字值何时达到和/或超过预定阈值。一般来讲，输出电压Vout与输入电容成比例。主MCU120可监视数字值，并且一旦数字输出达到或超过预定阈值，主MCU便作出响应。达到或超过预定阈值的数字值可指示电容传感器130的触摸事件或触觉开关125的物理操纵。例如，主MCU 120可基于数字值来控制对应设备或系统(诸如灯)的操作。

在操作中，并且参考图3至图7，传感器系统100检测电容传感器130的触摸事件和触觉开关125的物理操纵。在各种实施方案中，操作转移门，使得一次将一个输入端子连接到放大器225。在各种实施方案中，逻辑电路可生成模式信号TactMode，并且将模式信号施加到第一转移门705和第二转移门205。

当模式信号处于低值时，检测电路115监视电容传感器130的触摸事件，即第一转移门705和第二转移门205被禁用，并且检测电路115从电容传感器输入端子(例如，Cin0、Cin1和Cin2)接收输入电容信号。例如，可经由来自逻辑电路的控制信号来启用转移门700，并且放大器端子处的输入电容Cin可对应于输入端子Cin0的电容。接下来，可启用转移门710，并且放大器端子处的输入电容Cin可对应于输入端子Cin1处的电容。接下来，可启用转移门715，并且放大器端子处的输入电容Cin可对应于输入端子Cin2处的电容。

当模式信号处于高值时，检测电路115监视触觉开关125的操作，即第一转移门705和第二转移门205断开，并且检测电路115从触觉开关输入端子(例如，Cin3、Cin4、Cin5)接收输入电容信号。例如，经由转移门200、720和725的顺序操作，放大器端子处的输入电容Cin可对应于输入端子Cin3的电容，然后对应于输入端子Cin4的电容，然后对应于输入端子Cin5的电容。

在模式信号为高的同时，一次启用一个连接到触觉开关输入端子的转移门以轮询对应的触觉开关的操作。当一个转移门(例如，转移门200)断开时，传感器系统100在两种状态(等待状态和测量状态)之间交替。在等待状态期间，第一反馈开关500闭合，并且在测量状态期间，第一反馈开关500断开。

参考图4A至图4B，如果触觉开关125关断(未按压)，则当第一反馈开关500从闭合位置断开时，输入电容Cin保持相同。触觉开关关断时的输入电容Cin由下式给出：Cin＝C₀-C₂。

参考图5A至图5B，如果触觉开关125接通(按压)，则等待状态期间的输入电容Cin由下式给出：Cin＝C₀-C₂。在测量状态期间，第一反馈开关500断开，并且输入电容Cin由下式给出：Cin＝C₀–(C₂+C₁)。换句话讲，触觉开关125处于接通位置时的输入电容Cin小于触觉开关125处于关断位置时的输入电容Cin。主MCU 120可通过监视输出电压Vout来检测输入电容的减小，并且因此检测到触觉开关125已被操作到接通位置。

所示和所述特定具体实施方式用于展示所述技术及其最佳模式，而不旨在以任何方式另外限制本技术的范围。实际上，为简洁起见，系统的常规制造、连接、制备和其他功能方面可能未详细描述。此外，多张图中示出的连接线旨在表示各种元件之间的示例性功能关系和/或步骤。在实际系统中可能存在多个替代的或另外的功能关系或物理连接。

在上述描述中，已结合具体示例性实施方案描述了所述技术。然而，可在不脱离所述的本发明技术的范围的情况下作出各种修改和改变。以示例性而非限制性方式考虑说明和附图，并且所有此类修改旨在包括在本技术的范围内。因此，应通过所述的一般实施方案及其在法律意义上的等同形式，而不是仅通过上述具体示例确定所述技术的范围。例如，可以任何适当的顺序执行任何方法或过程实施方案中列举的步骤，并且不限于具体示例中提供的明确顺序。另外，任何系统实施方案中列举的组件和/或元件可以多种排列方式组合，以产生与本发明技术基本上相同的结果，并且因此不限于具体示例中阐述的具体配置。

上文已经针对具体实施方案描述了有益效果、其它优点和问题解决方案。然而，任何有益效果、优点、问题解决方案或者可使任何具体有益效果、优点或解决方案出现或变得更明显的任何要素都不应被解释为关键、所需或必要特征或组成部分。

术语“包含”、“包括”或其任何变型形式旨在提及非排它性的包括，使得包括一系列要素的过程、方法、制品、组合物或装置不仅仅包括这些列举的要素，而且还可包括未明确列出的或此类过程、方法、制品、组合物或装置固有的其它要素。除了未具体引用的那些，本技术的实施所用的上述结构、布置、应用、比例、元件、材料或部件的其它组合和/或修改可在不脱离其一般原理的情况下变化或以其它方式特别适于具体环境、制造规范、设计参数或其它操作要求。

上文已结合示例性实施方案描述了本技术。然而，可在不脱离本技术的范围的情况下对示例性实施方案作出改变和修改。这些和其他改变或修改旨在包括在本发明技术的范围内。

在一个实施方案中，第二电容器与第三电容器串联连接。

在一个实施方案中，电路还包括连接在第一输出端子和第一电容器之间的第一转移门，其中第一转移门响应于模式信号。

在一个实施方案中，电路还包括连接在第二输出端子和第二电容器之间的第二转移门，其中第二转移门响应于模式信号。

在一个实施方案中，模式信号在第一值和第二值之间交替。

在一个实施方案中，第二参考电压是第一参考电压的反相。

在一个实施方案中，模式信号在第一值和第二值之间交替。

在一个实施方案中，第一输入电容的减小对应于触摸事件。

根据第三方面，一种系统包括：电容传感器；触觉开关；和检测电路，该检测电路被配置为检测电容传感器和触觉开关的操作，并且包括：第一输入端子和第一输出端子，该第一输入端子和第一输出端子连接到电容传感器，其中第一输出端子被配置为将第一参考电压施加到电容传感器；第二输入端子和第二输出端子，该第二输入端子和第二输出端子连接到触觉开关，其中第二输出端子被配置为将第二参考电压施加到触觉开关；第一电容器，该第一电容器连接到第一输入端子和第一输出端子；第一转移门，该第一转移门连接在第一电容器和第一输出端子之间；第二电容器，该第二电容器与第三电容器串联连接，其中串联连接的电容器连接在第二输入端子和第二输出端子之间；第二转移门，该第二转移门连接在第二电容器和第二输出端子之间；和放大器，该放大器连接到第一电容器和第三电容器。

在一个实施方案中，第一电容器具有第一电容，第二电容器具有第二电容，并且第三电容器具有第三电容，并且放大器被配置为基于第一电容、第二电容和第三电容来生成输出电压。

在一个实施方案中，第三电容器具有可变电容。

在一个实施方案中，第二参考电压是第一参考电压的反相。

在一个实施方案中，第一转移门和第二转移门响应于具有第一值和第二值的模式信号。

在一个实施方案中，该系统还包括反相器，该反相器包括：输出端子，该输出端子连接到第二电容器和第三电容器；和输入端子，该输入端子连接到第一参考电压。

Claims

1.一种能够连接到电容传感器和触觉开关的电路，所述电路的特征在于包括：

第一输入端子，所述第一输入端子能够连接到所述电容传感器；

第一输出端子，所述第一输出端子能够将第一参考电压施加到所述电容传感器；

第一电容器，所述第一电容器连接到所述第一输入端子并且具有第一电容；

第二输入端子，所述第二输入端子能够连接到所述触觉开关；

第二输出端子，所述第二输出端子能够将第二参考电压施加到所述触觉开关；

第二电容器，所述第二电容器连接到所述第二输入端子并且具有第二电容；

第三电容器，所述第三电容器连接到所述第一电容器和所述第二电容器，其中所述第三电容器具有可变电容；和

放大器，所述放大器连接到所述第一电容器和所述第三电容器并且被配置为将输入电容转换为输出电压。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于所述第二电容器与所述第三电容器串联连接。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于所述第一电容器和所述第三电容器连接到所述放大器的同一输入端子。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征还在于包括：

第一转移门，所述第一转移门连接在所述第一输出端子和所述第一电容器之间，其中所述第一转移门响应于在第一值和第二值之间交替的模式信号；和

第二转移门，所述第二转移门连接在所述第二输出端子和所述第二电容器之间，其中所述第二转移门响应于所述模式信号。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征还在于包括反相器，所述反相器包括：

输出端子，所述输出端子连接到所述第二电容器和所述第三电容器；和

输入端子，所述输入端子连接到所述第一参考电压。

6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于所述第二参考电压是所述第一参考电压的反相。

7.一种用于检测电容传感器和触觉开关的操作的方法，所述方法的特征在于包括：

生成模式信号，所述模式信号具有第一值和第二值；

施加所述第一值；

检测所述电容传感器的操作，包括：

检测第一输入电容的变化，其中所述第一输入电容基于第三电容；

施加所述第二值；以及

检测所述触觉开关的操作，包括：

检测第二输入电容的变化，其中所述第二输入电容基于第二电容、所述第三电容和第四电容。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征还在于包括：生成参考电压，以及将所述参考电压施加到所述电容传感器和所述触觉开关。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述第一输入电容的减小对应于触摸事件。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述第二输入电容的减小对应于所述触觉开关的接通位置。