CN1945516A - 二维位置传感器 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于确定物体沿着第一和第二方向的位置的电容位置传感器。传感器包括具有在其单个表面上安装有电极的排列的基底。排列电极以定义以列和行的方式排列的感测单元的阵列以便形成感测区。每个感测单元包括列感测电极和行感测电极，同一列中的感测单元的列感测电极电耦合在一起，同一行中的感测单元的行感测电极也电耦合在一起。其中行中的至少一行的相对端的感测单元的行感测电极通过形成于感测区外部的电连接而连接在一起以使在感测区内不需要电连接进行交叉，这样就提供了具有电极只在基底的一侧上的感测区的电容位置传感器。

Description

二维位置传感器
技术领域
本发明涉及一种用于确定在二维感测区域内物体位置的电容位置传感器。
背景技术
二维触敏位置传感器的使用越来越普遍。例子包括有：在笔记本电脑中使用位置传感器取代鼠标定点设备，作为用于接收用户的输入以控制设备的控制面板，或者尤其作为具有X-Y坐标输出的玻璃触摸屏幕设备。一些应用需要透明的感测层以便于显示在屏幕下可以看得见，而其他一些应用仅仅需要不透明的触摸表面，例如用于厨房用具或者计算机外围设备上的键盘。
触敏位置传感器因为能提供更健壮的接口且常被认为更加美观舒适而通常优先于机械装置被选用。而且因为触敏位置传感器不需要移动部分以使能被用户使用，所以相对于其对应的机械装置来说它们有较少的磨损，能够设置于密封的外部表面内。这使得在那些有灰尘或者流体进入受控制设备危检的场合下使用它们尤其具有吸引力。
有很多涉及二维(2D)触摸面板或屏幕的技术，他们通常可以分为两类：能报告或多或少的连续性的X-Y坐标的类型(“XY”类型)，包括具有预先定义的通过物理几何方式固定的按键区域的离散的感测表面(“DISCRETE”类型)的类型。XY类型主要用在LCD上或者其他显示器类型上，而后者用在具有固定功能的键盘里。也有例外的情况，例如，笔记本电脑上的触膜垫表面报告XY位置却是不透明的。XY类型总是包括在用户侧的感测表面或者接触区域的“第一表面”。例如，连续电阻和电容触摸屏包括必须被用户在物理地压下或者几乎直接触摸或者至多通过薄的绝缘层(如在鼠标接触垫中)触摸的感测层。这些类型需要产品有前盖开口以允许用户直接或近似直接地接触感测层。这种类型的严重的缺点是面板上必须有开口，这需要密封以防止湿气和灰尘，因此在安装上昂贵。此外，感测层直接暴露使用很容易因尖锐物体或磨损而毁坏。虽然我们知道健壮的电容类型埋藏了导线在玻璃层里面(例如US5844506[1])，但这些仍然需要在面板上的必须密封的前盖开口，并且因为需要交叉X和Y导体而需要两个感测层作为矩阵。此外，这些屏幕生产非常昂贵，事实上不能大规模生产；另外，已知感测电路复杂、昂贵。
在离散触摸按钮领域，电容按键能够被放置于不需要前盖开口的固体表面后面这一点已经长时间已知。然而，这种类型只能提供有限的分辨率，如由离散电极形状的位置预先定义的。一个这样的例子在US4954823[2]里的图4和6中可以找到。然而众所周知，这些电极可以由单层的透明导体如铟锡氧化物(Indium Tin Oxide)(“ITO”)制造而成以允许放置在没有前盖的显示器上，这可以例如通过将该层作为膜施加到面板的子部分的后面，然而这种技术被限于基于离散电极的布置、尺寸和数量的离散接触区域。
图1示意性地显示了US4954823[2]中描述的这种类型的触摸垫2的平面图，但它是可以正交阵列布置的。触摸垫2包括安装在绝缘基片6上的离散电极4的网格。每一个电极与控制器8中的电容测量电路的通道连接。US5463388[3]结合其图1描述了这个几何图形以显示这样的一个阵列如何能够用于通过确定来自于每个垫的信号的质心的方法确定与感测层接近的物体的位置。然而US5463388[3]不能显示如何实现这样一种设计，而是作为替代与连续X-Y位置的质心计算一起，描述一种导体矩阵。实际上，在每个感测垫上，让太多的感测通道作为一个是不实际的，如下边描述的矩阵排列更有效。
图2示意性显示了在US5463388[3]中描述的基于导体矩阵的位置传感器12。位置传感器12包括多个安装在绝缘基底16上表面的垂直对准的带状电极(列)14和多个安装在该绝缘基底相对的下表面上的水平对准的带状电极(行)15。每一个垂直带状电极与控制器18中电容测量电路的通道连接，这种类型的位置传感器允许通过对在行和列间而不是离散的垫片间的电容的质心的计算输出连续性的X-Y坐标，然而这种类型需要两个感测层以至于矩降跟踪能够被指定路线而且不允许使用光学上的透明材料。
理想的触摸表面将不再需要前盖开口(或者至少使其可选择)，将会具有便宜的能够应用于面板表面后面的感测表面，其能凸出合理厚度的面板材料(例如多达4mm的玻璃或塑料)，可选择地仅需要一个感测层，无需在感测区交叉，能使用带有象ITO这样的透明感测层，具有XY类型的输出，和紧凑、便宜的驱动电路。还没有已知的任何现有技术能实现这些理想的目标。
发明内容
根据本发明的第一个方面，提供一种用于确定感测区内物体位置的电容位置传感器，该传感器包括具有其上安装有电极的排列表面的基底，其中这些电极定义了以列和行的方式排列的感测单元的阵列以形成感测区。每个感测单元包括列感测电极和行感测电极，位于同一列的感测单元的列感测电极电耦合在一起，位于同一行的感测单元的行感测电极电耦合在一起，其中所述行的至少一行的相对端的感测单元的行感测电极通过相应的形成于感测区外部的行环绕连接相互电耦合在一起。
这样就能够提供一种电极只在基底的单层上的位置传感器。而且，因为这种位置传感器使用了感测电极的行和列的交叉阵列(也就是矩阵)，与基于离散电极阵列的传感器相比，需要较少的测量通道。
因为这种位置传感器基于仅在单一表面上的感测电极，与已知的双面位置传感器相比，它能够更便宜的生产。这也意味着感测电极能够被直接淀积在其相对的另一面是无法使用的(例如显示屏幕)的表面上。这种感测电极也能够淀积在装置外壳的内表面，这样就消除了对保护盖的需要，如果电极也需要放置在外表面上，保护盖也许是需要的。
电行环绕连接可以包括安装在基底上的导电路径，这允许感测区外部的连接被与感测区内部的感测电极在同一个处理步骤完成。可选择地，行环绕连接可以由适当地连接于对应的行感测电极的自由导线制成。
在感测区边缘的感测单元列的列感测电极可以以类似的方式通过形成于感测区外部的列环绕连接相互电耦合在一起。
位置传感器可以进一步包括多个连接于行感测电极的行中相应的行和列感测电极的列中相应的列的电容测量通道，其中每一个测量通道可以操作以产生代表在感测电极的与其相关的行或列和系统接地之间的电容的信号。
此外，位置传感器可以进一步包括处理器，其可操作用于通过比较来自列感测电极的列的信号确定物体沿第一方向的位置和通过比较来自行感测电极的行的信号来确定物体沿着第二方向的位置。
这允许对触摸位置的确定通过使用其他传统的连接于感测元件的电路来完成。
电容测量通道可以包括电荷转移电路，因为这提供了一个可靠的且健壮的测量可能在典型实现中期望到的水平的电容的方法，然而，其它形式的电容测量电路同样可以被使用。通常，优先使用这样一个电容驱动电路，该电容驱动电路以实质上相位同步的方式驱动所有行和列连接以防止电场交叉加载入邻近的行和列，这在US5463388[3]中也进行了描述，其中所有的行和列导体由单一的振荡器驱动。
感测单元可以排列成3或4列。这能提供在对于大部分应用来说通常大小的感测区上具有足够分辨率的位置传感器。
每一个感测单元中的列和行感测电极可以彼此间相互交错(例如通过彼此相互盘旋或交错/盘绕)，尤其在行和列间距大于一个典型手指的间距的设计中。这提供了一个更加一致的来自位于每一个交叉位置的X和Y驱动器的信号的混合，从而允许更好的关于手指触摸上覆的表面的位置的汇报，这在US5463388[3]中也进行了描述，例如图2。在行和列间距相似于或小于人的手指的布局中，使用其它电极图案排列就足够了，例如如图8中所示的菱形阵列，下面进一步描述。
位置传感器可以包括透明的基底和透明的电极(例如由淀积在基底上的铟锡氧化物(ITO)形成)。这允许把它放置在显示屏幕上而不会使下面显示的东西模糊。这样显示屏幕可以配置以向用户显示“虚拟”的可以通过用户把他们的手指放置在屏幕上邻近位置传感器的适当的部分而被选择的按钮，用户接触的位置然后能够与“虚拟”的正在被显示的按钮的位置相比较以确定哪一个按钮已经被选择。
根据本发明的第二个方面，提供了一种包括根据本发明的第一个方面的位置传感器的装置。这种位置传感器可以使用在很多类型的装置中。该装置例如可以是例如位置传感器覆盖在显示器上的便携的/手持的装置，比如个人数字助理(PDA)，多媒体播放器，移动(蜂窝)电话，可重新配置的远程控制器，或者照相机，或者摄像机。可选择地，位置传感器同样可以使用在像厨房没备、电话亭等这样大尺寸的设备上。不透明类型能够流行用于PC-型的跟踪垫，键盘和其他现有技术中众所周知的人机界面装置中。
根据本发明的第三个方面，提供了一种构造放置于基底上的电容敏感表面的方法，当物体接近所述的表面时，所述表面汇报有效感测区内物体的X-Y坐标位置，所述方法包括步骤：(a)在有效感测区内淀积单层的行和列组成图案的导电材料，该图案包括与电容感测通道的各电容感测通道连接的电极的行和列，其中在有效区域内至少一行或列被分成多个段；(b)将分成的多个段用电导体连接在一起，其中导体被放置在有效感测区的外部；(c)连接行和列到各多通道电容传感器电路的各感测通道，所述多通道电容传感器电路具有多个代表着行和列上电容的幅度的输出；及(d)提供可操作用于处理多个输出以便以XY位置的形式确定邻近物体的坐标位置的处理器。
处理器可操作以补偿由组成图案的导电材料的物理几何形状引入的位置失真。
处理器可操作以计算跨行的信号的质心和跨列的信号的质心。
根据本发明的第四个方面，提供了一种用于确定感测区内物体的位置的电容位置传感器，所述传感器包括具有在其上安装有导电电极的排列的表面的基底，其中所述电极定义了以列和行的方式排列的感测单元阵列以形成感测区，每个感测单元包括列感测电极和行感测电极，同一列中的感测单元的列感测电极电耦合在一起，同一行中的感测单元的行感测电极电耦合在一起，其中至少一列感测电极包括在感测区内连续的脊骨，至少另一列通过感测区外部的连接电连续。
附图说明
为了更好地理解本发明和显示本发明如何被实现，现在作为实例参考附图，其中：
图1示意性地显示了已知的二维电容位置传感器的平面图；
图2示意性地显示了另一个已知的二维电容位置传感器的平面图；
图3示意性地显示了根据本发明的一个实施例的二维电容位置传感器的平面图；
图4示意性地显示了包括图3的位置传感器的装置的透视图；
图5A和5B是示意性显示了作为感测单元的列的数量的函数(图5A)和行的数量的函数(图5B)的电容的曲线图，该感测单元用于确定邻近图4所示装置的位置传感器的物体的位置。
图6示意性地显示了如图4所示装置的二维电容位置传感器和显示屏幕的平面图；
图7和8示意性地显示了根据本发明的另一实施例的二维电容位置传感器的平面图；
图9示意性地显示了邻近根据本发明的一个实施例的位置传感器的物体的汇报的位置与实际位置相比较的平面图；
图10示意性地显示了根据本发明的一个实施例的位置传感器的希望的键位置轮廓与汇报的键位置轮廓比较的显示平面图。
具体实施方式
图3示意地显示了根据本发明的一个实施例的二维触敏电容位置传感器22的平面图。位置传感器22可操作用于确定物体沿着第一方向(x)和第二方向(y)的位置，第一方向和第二方向的定向显示在图的左上角。传感器22包括基底24，基底24上安装有感测电极26的排列，感测电极26定义了感测区，在该感测区内接近传感器的物体(例如手指或笔尖)的位置可以被确定。基底24是透明的塑料材料并且电极由透明的用传统的技术淀积在基底24上的铟锡氧化物(ITO)膜构成。这样，传感器的感测区是透明的，能够放置在显示屏幕的上边而不会使感测区后面显示的东西模糊。在其它的例子中，位置传感器可以不用于在显示器上定位而且可以不是透明的；在这些例子中，ITO层可以被例如是象铜压制的PCB这样的更经济的材料替代。
基底24上的感测电极的图案是将感测区分成以行和列的方式排列的感测单元28的阵列(格子)。(要知道这里的术语“行”和“列”是用于便于区分两个方向，不应该被理解为意味着水平或垂直之一的定向)。作为示例，在图3中感测单元28之一用虚的轮廓线来标识。在这个位置传感器里有沿着Y-方向对准的四列传感单元和沿着X-方向对准的五行传感单元(总共20个传感单元)。图3中显示的最上边的一行方向的感测单元被看作为行y1，下一行为y2，依次向下一直到行y5，同样列传感器从左到右依次为列x1到x4。这样图3中用虚的轮廓线来显示的感测单元28位于行y1和列x3的交叉点上。
每一个感测单元包括行感测电极30和列感测电极32，行感测电极30和列感测电极被安排在每一个感测单元28中以彼此交错(这种情况下通过彼此相互方形盘旋)，但不会电连接，因为行和列感测电极相互交错(缠绕)，接近给定的感测单元的物体能提供到两个电极的有效的电容耦合，不管物体在感测单元中位于哪个位置。典型的交错范围与被测量以提供最好结果的典型物体的电容覆盖范围(footprint)为同一量级或较小。感测单元28的尺寸和形状与要测量的物体的尺寸和形状可比或者较大(在实用的限度内)。
同一行中所有感测单元的行感测电极30电连接在一起形成了行感测电极的五个单独的行，同样，同一列中所有感测单元的列感测电极32电连接在一起形成了列感测电极的四个单独的列。
列x2的列感测电极通过连接51互相连接在一起，连接51也可以称为脊骨(spine)，在感测区内通过淀积在基底上的电极之一的一部分形成，运行于列x2和x3之间。这种连接为感测区的长度。这样，一个单独的连续的淀积在基底24上的导电电极提供了列x2中的所有感测单元的列感测电极32和它们的交叉点。列x3中的列感测电极同样通过连接53相互连接在一起，连接53在感测区内形成并作为脊骨也运行于列x2和x3之间。这样，又一个单独的连续的淀积在底24上的导电电极提供了列x3中的所有感测单元的列感测电极32和它们的交叉点。
在行y2中的、列x1和x2中的行感测电极30也通过一个形成于感测区中的连接而连接在一起，这样，一个单独的连续的淀积在基底24上的导电电极34提供了行y2中、列x1和x2中的感测单元的行感测电极和它们的交叉点。行y2中、列x3和x4中的行感测电极同样通过形成于感测区中的连接而连接在一起以至于又一个单独的连续的电极36也提供了这些行感测电极和它们的交叉点。然而，由于处于列x2和x3间以在它们相应的列感测电极间连接的基底上的连接(脊骨)，行y2中的列x1和x2中的行感测电极不能通过一个形成于基底表面上的连接而连接到行y2、列x3和x4中的行感测电极。这样，在感测区外侧提供了在该行的两个相对(即在列x1和x4中)端的行感测电极间的连接38。连接38在感测区外侧以将电极34和电极36连接在一起，电极34提供行y2、列x1和x2中的行感测电极，电极36提供行y2、列x3和x4中的行感测电极，这样该行中的所有行感测电极电连接在一起。感测区外侧同样的环绕连接被形成以保证其它行的对应的行感测电极连接在一起。还要注意，虽然图3中显示了一个在行y1相对两端的行感测电极之间的行感测区外侧的连接，但其是不需要的，因为列x2和x3的列感测电极之间的脊骨连接不需要刚好扩展到感测区的边缘，而可以用沿着感测区顶端边缘的连接将行y1中的行感测电极连接起来(图中没有显示出)。
列x1中的每一个列感测电极由基底上的独立的电极构成，这些独立的电极通过形成于感测区外部的(即外面的)连接40连接在一起，列x4中的列感测电极通过连接41以与列x1中的感测电极同样的方式连接在一起。照这样，外边的两列在感测区中可以不连续以允许通过行电极接入单元，而各列仍然成为一个整体。
在这个例子中，各种形成于感测区的外部在相应的行的相对端的感测单元中的行感测电极和感测区外围列中的列感测电极之间的连接由自由导线做成，这些导线使用传统的技术以合适的方式连接于感测区的电极。因为这些连接由自由导线建立，所以从需要使用形成于感测区外部的连接到电极在各个地方相互的交叉连接都没有产生什么困难。在可选择的一种设计中，形成于感测区的外部的连接与形成感测区的电极一样可以由基底上的导电路径来提供，这可能是有益的，因为形成感测区的电极和形成感测区外部连接的电路径可以在单一的处理步骤中完成。传统的电跳线可能使用在那些感测区外部连接相互交叉的地方。而在另一个可选择的更优选的设计中，配线通过与形成连接一些连接节点的感测区的电极相似的基底上的导电路径，加上淀积在这些导体上边的电介质绝缘体，加上在电介质绝缘体上形成图案的导电墨水(银质墨水)以便把所有剩余的需要连接的节点连接在一起的结合来完成。这会产生低成本、薄的平的表面，它仅仅需要众所周知的处理步骤而并不需要离散跳线。
应该理解的是，行和列的数量不必如图3所示的那样分别为5行4列，其他的行和列的数量可以被使用以适应不同的几何形状。还有，虽然行和列被显示为相同的基本尺寸时产生正方形单元28，行和列也可以不用匹配或者是甚至不统一尺寸产生长方形的单元28或者可能像梯形这样的其他形状。另外，在单元28的区域相互交错的情况下，他们不需要如所示的有角的交错的形状。这种交错可以是圆形、螺旋形或者其他能达到同样效果的形状。
位置传感器22进一步包括一系列的电容测量通道42，分别耦合到行感测电极的行的相应行和列感测电极的列的相应列。每一个测量通道可以操作以产生代表感测电极相关的行或列与系统接地间的电容值的信号。电容测量通道42如图3所示为两个独立的触排，其中一个触排耦合到行感测电极(标记为y1到y5的测量通道)的行，一个触排耦合到列感测电极(标记为x1到x4的测量通道)的列。然而，应理解，实际上，所有的测量通道电路都将极有可能在一个如可编程序的或者特定于应用的集成电路这样的单一的单元中提供。另外，虽然如图3显示了9个独立的测量通道，电容测量通道同样能够由单一的电容测量通道利用适当的多路复用技术来提供，虽然这不是一个优选的操作模式。US5463388[3]中所描述的这种电路或类似的电路同样能被使用，该电路当使用扫描复用器时确实以单一的振荡器同时驱动所有的行和列以便通过上覆的基底传描一系列分层的感测电场。优选地，感测通道42是如US5730165[4]或US6466036[5]中所描述的这种多路同相电荷传输类型的传感器。以相位同步的方式驱动这样的感测电路中的多个能提供希望的分层的电场流。
还应注意的是，基底在进一步混合电场时提供了有价值的功能，因此不仅来自X和Y线上的场在单元28上方较好地混合，而且感测梯度也产生在单元28的临近的单元间，即使单元28的尺寸比实际物体更宽，这也将提升提供在X和Y尺寸上内插的位置的能力。较厚的面板更易于有较好的混合性能，因此有更好的内插位置的能力。
代表通过测量通道42测得的电容值的信号提供给处理电路44。处理电路被配置用以确定通过接近位置传感器的物体施加于感测区的电容负荷的内插位置。沿着x-方向的电容负荷的内插位置根据来自与列感测电极的列相关的电容测量通道的信号确定，沿着y-方向的电容负荷的内插位置根据来自与行感测电极的行相关的电容测量通道的信号确定。一旦沿着X-方向和Y-方向的物体的位置已经确定，该位置就报告给主控制器46以便于控制器能采取合适的动作。
图4示意显示了包括图3中所示的位置传感器22的装置50的透视图，该例子中的装置是手持多媒体播放器，它包括用于容纳该装置的控制电子电路(图中没有显示出)的外壳52和液晶显示屏54。能够在显示屏上看到各种各样的文字行，例如，表示该装置的一个命令菜单的文字行。位置传感器的感测区覆盖在显示器屏幕54上，使在形成于感测区的外部的各行和列感测电极之间的电连接隐藏于外壳52里面不被看见。电极层完全在外壳里面，在塑料盖子的下面，是一个施加于外壳内部的膜层。这提供了没有开口因此也不需要前盖的控制表面。带有外部节点连接的单一层透明ITO的使用提供了高清晰度和低成本。用户可以通过指向合适的位置从显示在屏幕54上的命令菜单中进行选择，位置传感器汇报触摸的位置给装置的控制器，该控制器又确定将执行哪个命令。这将通过比较触摸的位置和当前显示菜单的项目的位置来完成。
图4还显示了位于点P的手指56，点P接近位置传感器22并且在显示屏幕54的上方。在位置传感器22附近的手指56的存在影响了感测电极的行和列的每一个的电容，该电容不同地决定于手指在感测区的位置，这样处理电路44能够根据由对应的测量通道提供的信号确定触摸的位置。
图5A和5B示意地显示了当手指56位于如图4所示的位置时由电容测量通道42产生的用于定位传感器22的信号，图5A显示了与列感测电极(x1到x4)的列中相应的列对应的信号Cx。垂直虚线示意性地代表列的每一个的边界，图5B显示了来自与行感测电极的行(y1到y5)中相应的行的信号Cy，垂直虚线代表行的每一个的边界。由电容测量通道提供的信号依据以希望的方式执行的传统的技术已经被处理，这些技术例如背景电容去除、接触阈值检测、标准化和滤波。
从图5A中可以看出，对于列x2，手指56的存在提供了到系统接地的电容耦合最大的增加(例如列x2显示最大的信号值)，这意味着对应着由手指56施加的电容负荷的插值或质心的点P在列x2内。另外，列x3的到系统接地的电容耦合的增加大于列x1的。这意味着与列x1相比点P更接近于列x3。点P沿着x-方向的位置的确定通过比较来自列感测电极的不同列的信号，尤其是通过确定信号值的插值或质心来实现。这能够用传统的处理技术来完成。这种情况下，图5A中所示的信号分布的插值或者质心被确定在位置Xp。假设列是单位宽度，列x1的左侧的边界x＝0，那么点P沿x-方向的位置大约是x＝1.8个单位，如图5A中箭头所标记的那样。相似的分析也适用于来自行感测电极的行的信号。假设行是单位宽度，行y1的最顶端的边界为y＝0，那么点P沿y-方向的位置在Yp，大约是y＝2.8个单位，也被标记为一个箭头。这样手指的位置P就被确定为在点(x，y)＝(1.8，2.8)处。要注意的是，由手指对邻近的列/行的不同的电容耦合所提供的固有的插值意味着由手指施加的电容负荷的插值或质心(也就是接触的认定的位置)能以一个比感测单元的特征尺寸更好的分辨率被确定。
根据本发明的一些实施例的从位置传感器汇报出的XY位置可能失真，这依赖于单元的尺寸、位置和形状。然而，实际使用中这对菜单按钮使用或者其它形式的输入几乎没有任何实际的影响，因位汇报的位置能够容易地被纠正，例如通过检查表，或者，菜单按钮的坐标能够只对任何失真进行补偿。由单元尺寸引起的XY失真从一个单元到下一个单元是可重复的，因为它是与模式本身有关的一个物理现象。
例如，图9显示了图3所示类型的键盘或触摸屏，它有感测单元28的5×4阵列，对角线91从左上角到右下角穿过表面，代替地，实际汇报的位置可能是按照实线93那样。汇报的线93能够容易在X和Y上使用纠正算法或者检查表进行纠正，所以最终汇报的位置被适当地纠正以沿着理想的线91。映射到位置传感器22的感测区中的可选择的键可能反向失真以补偿如图10所示的汇报的失真。在这里，实际上希望的键的轮廓101和102失真成汇报的形状103和104。用于键的识别的键的轮廓可被失真为同样的汇报的轮廓形状103和104(如所示)，而不是试图纠正汇报的X-Y数据。如果这能做到，就会使得汇报的键与希望的形状101和102一样。
图6简要显示了图4所示装置50的用于显示命令菜单的显示屏幕54的平面图。显示给用户的命令菜单包括显示数字0到9的一系列的方框轮廓，包括单词“ENTER”的一个方框轮廓，一个部分被阴影填充的并且具有灰度等级的方框的方框轮廓，其中标记在方框轮廓旁边的灰度等级表示正在被播放音乐的音量作为最大音量的一部分。一个由虚线划分了界限的区域也显示在显示器54上，该区域显示了一些之前输入了的命令。与覆盖在显示屏幕上的位置传感器相关的感测电极的图案也显示在图6中，虽然应当理解位置传感器是透明的且实际上将看不见。虽然感测层和相关的电子设备能汇报X-Y位置，按钮的位置是任意的，就像在任何一个模拟触摸屏幕输入设备中。这样，任何已知的界面模式都能上屏幕的表面上部署，该模式例如菜单按钮，滑动器，滚动轮，手势识别，特征识别等等，而且，这些图案不需要与单元对准，可以任意放置在表面上。
图7示意显示了一个根据本发明的另一实施例的二维电容位置传感器72的平面图。该位置传感器也有5行感测单元(标记为y1到y5)，但只有3列感测单元(标记为x1到x3)。列x2在感测区内形成了连续的脊骨73，并且显示了在感测区外部把各行连接在一起的连接38(与图3所示的相应编号了的连接相似)，连接40，41(与图3所示的相应编号了的连接相似)在感测区外部使外侧的列连续。这个位置传感器总共有15个感测单元。这意味着同图3中所示的位置传感器22相比，如果它有与该传感器相同尺寸的感测区，在X-方向上通常它将会有较小的位置分辨率。可选择地，同图3中所示的传感器相比，如果它有较小的感测区，它可以有相同(或更好)的位置分辨率。图7中所示的位置传感器72的操作与图3的位置传感器22的操作相似并且可以从其得到理解。
图8示意显示了一个根据本发明的另一实施例的二维电容位置传感器82的平面图。该位置传感器有5行3列的感测单元。第一感测单元84和第二感测单元86通过虚线轮廓加以识别。在这个例子中，每一个感测单元的行和列感测电极彼此没有相互盘旋，在列x2的感测单元(例如感测单元84)中，列感测电极作为脊骨连续贯穿感测单元，而行感测电极包括位于列感测电极任意一端的两个导电区域。在感测区边缘的列中的感测单元(也就是列x1和x3，例如感测单元86)里，行感测电极连续贯穿感测单元，而列感测电极包括位于行感测电极任意一端的两个导电区域。图8中所示位置传感器82的操作与图3和图7中所示的位置传感器22和72也相似，可以从其得到理解。应理解，图8所示的感测单元也可以认为是交错的，虽然是以一种最小的方式。这表明除了菱形或者接近相互盘绕的路径外，其它的基本形状也是可能的。一个重要的方面是：在一个单元里，存在行电极的部分和列电极的部分。
给定的位置传感器中感测区的尺寸大小将依赖于它的实现。例如在如图4中所示类型的手持移动装置中，象4cm(X-方向)×5cm(Y-方向)尺寸大小的感测区可能是合适的。这将提供象1cm2尺寸大小的感测单元。这可以同手指尖的典型大小相比较，这样可确保当它被用于感测用户手指的位置时，有一个好的到每一个感测单元中的行和列感测电极的电容耦合。然而，更大的或者更小的感测区域同样能够被使用。也不需要列和行有同样的宽度，虽然如果他们不相同，那将意味着位置分辨率可能在两个方向上不相同。
而且，对于在提供仅有单一层的感测区内的感测电极(也就是基底的一侧的感测电极)的感测区的同时可使用的行的数量没有限制。图3、7和8所示的图案可以在y上简单地重复，对应的附加的电容测量通道被提供给行感测电极的附加的各行。然而，对于仅在基底一侧有感测电极的位置传感器，有多于4行和4列是不可能的。
进一步需要理解的是，位置传感器在感测区中有连续的脊骨用于在不在感测区边缘的列中的到感测电极之间进行连接是没有必要的。例如，与图3中的列x2和x3相关的脊骨在沿着它们的长度方向上的一些点可以断开，而在感测区外部形成在断点上面和下面相应组的列感测电极间的连接。例如，行y2和y3之间的脊骨可以断开以使这些行的列x1和x2中的行感测电极通过连接能够被连接到列x3和x4中的行感测电极，所述连接形成于感测区内并且穿过脊骨内的断点。然后这些行将不需要形成于感测区外部的连接，虽然形成于感测区外部的连接对于列x2和x3还是需要的。
应该理解的是，体现本发明的位置传感器可以结合很多附加的特征。例如，在某些应用中，希望有一个“唤醒”功能，借此整个装置“睡眠”或者处于某种静止或背景状态。在这种情况下，常希望有一个仅因为一定距离远的人体部分的接近而产生的唤醒信号。当单元处于背景状态时，元件可以作为一个单一的大的电容电极被驱动而不考虑位置定位。在这种状态期间，电子驱动器逻辑查找一个非常小的信号变化，该信号变化不必足够大到能够象处理二维坐标那样，但是要足够大到能够确定一个物体或人位于附近，电子设备然后“唤醒”整个系统，元件被驱动以至于再一次成为一个真正的位置传感器。
最后，要注意的是，虽然术语“接触”在上面的描述中频繁使用，上面所描述类型的位置传感器能够充分敏感使其能够记录邻近的手指(或者如笔尖这样的其他物体)的位置而不需要物理接触，因此这里使用的术语“接触”应该有相应的解释。
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Claims (27)

1.一种用于确定感测区内物体的位置的电容位置传感器，该传感器包括具有在其上安装有电极的排列的表面的基底，其中所述电极定义了以列和行的方式排列的感测单元的阵列以形成感测区，每个感测单元包括列感测电极和行感测电极，同一列中的感测单元的列感测电极电耦合在一起，同一行中的感测单元的行感测电极电耦合在一起，其中所述行的至少一行的相对端的感测单元的行感测电极通过相应的形成于感测区外部的行环绕连接相互电耦合在一起。
2.如权利要求1的位置传感器，其中行环绕连接包括一个淀积在基底上的导电路径。
3.如权利要求1的位置传感器，其中行环绕连接包括连接到相应的行感测电极的自由导线。
4.如任一前述权利要求的位置传感器，其中位于感测区边缘的感测单元列的列感测电极通过形成于感测区外部的列环绕连接相互电耦合在一起。
5.如权利要求4的位置传感器，其中列环绕连接包括淀积在基底上的导电路径。
6.如权利要求4的位置传感器，其中列环绕连接包括连接到相应的列感测电极的自由导线。
7.如任一前述权利要求的位置传感器，进一步包括多个与感测电极的行和列中相应的行和列连接的电容测量通道，其中每一个测量通道可操作以产生代表感测电极中与其相关的列或行与系统接地之间的电容的信号。
8.如权利要求7的位置传感器，进一步包括可操作用于通过相互比较来自不同列的信号确定感测区内物体沿着第一方向的位置和通过相互比较来自不同行的信号确定感测区内物体沿着第二方向的位置的处理器。
9.如权利要求7或8的位置传感器，其中电容测量通道包括电荷转移电路。
10.如权利要求7到9的任一个的位置传感器，其中电容测量通道被配置成基本上相位互相同步地驱动多个感测电极。
11.如权利要求1到10的任一个的位置传感器，其中感测单元排列成3列。
12.如权利要求1到10的任一个的位置传感器，其中感测单元排列成4列。
13.如任一前述权利要求的位置传感器，其中每一个感测单元中的列感测电极和行感测电极彼此间相互交错。
14.如任一前述权利要求的位置传感器，其中基底由透明材料形成。
15.如任一前述权利要求的位置传感器，其中电极由透明的导电材料形成。
16.如权利要求15的位置传感器，其中透明的导电材料是淀积在基底上的铟锡氧化物(ITO)膜。
17.如权利要求15或16的位置传感器，进一步包括图形显示器，其中感测区中的电极被放置在图形显示器上面以提供触摸屏幕。
18.如任一前述权利要求的位置传感器，进一步包括绝缘面板，其中感测区中的电极被放置在绝缘面板的下面以提供键盘。
19.一种包括任一上述权利要求的位置传感器的装置。
20.一种构造放置于基底上的电容敏感表面的方法，当物体接近所述的表面时，所述表面汇报有效感测区内物体的X-Y坐标位置，所述方法包括步骤：
(a)在有效感测区内淀积单层形成图案的导电材料，该图案包括连接到电容感测通道中的相应电容感测通道的电极的行和列，其中在有效区域内至少一行或列被分成多个段；
(b)将分成的多个段用电导体连接在一起，其中导体被放置在有效感测区的外部；
(c)连接行和列到多通道电容传感器电路的相应的感测通道，所述多通道电容传感器电路具有多个代表行和列上电容的幅度的输出；及
(d)提供可操作用于处理所述多个输出以便以XY位置的形式确定邻近物体的坐标位置的处理器。
21.如权利要求20的方法，其中处理器可操作以补偿由组成图案的导电材料的物理几何形状引起的位置失真。
22.如权利要求20或21的方法，其中处理器可操作以计算跨行的信号的质心和跨列的信号的质心。
23.如权利要求20或21的方法，其中处理器可操作以计算跨行的信号的插值和跨列的信号的插值。
24.如权利要求20到23任意之一的方法，其中电容感测通道使用基本上彼此相位同步的驱动信号。
25.一种用于确定感测区内物体的位置的电容位置传感器，该传感器包括具有在其上安装有导电电极的排列的表面的基底，其中所述电极定义了以列和行的方式排列的感测单元的阵列以形成感测区，每个感测单元包括列感测电极和行感测电极，同一列中的感测单元的列感测电极电耦合在一起，同一行中的感测单元的行感测电极电耦合在一起，其中至少一列感测电极包括在感测区内连续的脊骨，至少另一列感测电极通过感测区外部的连接电连续。
26.如权利要求25的位置传感器，其中导电电极是透明的，并且所述位置传感器进一步包括图形显示器，其中感测区内的导电电极被放置在图形显示器上面以提供触摸屏幕。
27.如权利要求25或26的位置传感器，进一步包括绝缘面板，其中感测区中的导电电极被放置在绝缘面板的下面以提供键盘。
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