发明内容
为解决上述技术问题,本实用新型提供一种感测精度较高的电容式感测系统以及具有所述电容式感测系统的电子设备。
为实现上述目的,本实用新型提供如下技术方案:
一种电容式感测系统,包括:
传感器板,用于以电容方式耦合到目标物体来执行感测操作;
电容检测电路,所述电容检测电路包括信号传输端和接地端,所述电容检测电路用于通过所述信号传输端提供第一激励信号给所述传感器板,以驱动所述传感器板执行感测操作,所述电容检测电路的接地端用于加载第一调制信号,所述第一激励信号随所述第一调制信号的变化而变化。
优选地,所述第一激励信号随所述第一调制信号的变化而变化,用以减小所述传感器板与所述接地端之间寄生电容的充放电电量。
优选地,所述第一调制信号与所述第一激励信号为电压信号,所述第一激励信号的电压随所述第一调制信号的电压的升高而升高、随所述第一调制信号的电压的降低而降低。
优选地,所述第一激励信号的幅度变化大小与所述第一调制信号的幅度变化大小对应相同。
优选地,所述第一激励信号与所述第一调制信号为周期性变化的信号。
优选地,所述第一激励信号与所述第一调制信号或为同频信号,或为同频同相信号,或为同幅同频同相信号,或为同频信号、且所述第一激励信号的相位相对第一调制信号的相位具有一定的延迟。
优选地,所述接地端用于加载第一电源信号,所述第一电源信号包括所述第一调制信号,所述电容检测电路进一步包括电源端,所述电源端用于加载第二电源信号,第二电源信号的电压高于第一电源信号的电压,所述第二电源信号随所述第一调制信号的变化而变化,或者所述第二电源信号随所述第一电源信号的变化而变化。
优选地,所述第二电源信号与所述第一调制信号为同频信号,或者所述第二电源信号与所述第一电源信号为同频信号。
优选地,所述第一电源信号、所述第二电源信号均为电压信号,所第二电源信号的电压随所述第一调制信号的电压的升高而升高、随所述第一调制信号的电压的降低而降低,或者所第二电源信号的电压随所述第一电源信号的电压的升高而升高、随所述第一电源信号的电压的降低而降低。
优选地,所述第二电源信号与所述第一电源信号之间的电压差为所述电容检测电路工作的电源电压。
优选地,所述电容检测电路中的电压均随所述第一电源信号的电压的升高而升高、随所述第一电源信号的电压的降低而降低。
优选地,所述第一调制信号至少包括第一电平与第二电平,所述第一电平的电压不同于所述第二电平的电压。
优选地,所述第一调制信号包括第一电平与第二电平交替出现的方波信号,其中,所述第一电平与第二电平的电压情况为下述三种情况中的任意一种:
第一:第一电平的电压为正电压,第二电平的电压为0;
第二:第一电平的电压为0,第二电平的电压为负电压;
第三:第一电平的电压为正电压,第二电平的电压为负电压,所述第一电平的电压的绝对值等于或者不等于所述第二电平的电压的绝对值。
优选地,所述电容检测电路在所述接地端的电平为第一电平时,从所述传感器板读取第一信号,并在所述接地端的电平为第二电平时,从所述传感器板读取第二信号,通过所述读取的第一信号与第二信号获得目标物体的预定信息。
优选地,所述第一调制信号进一步包括第三电平,所述第二电平的电压介于第一电平的电压与第三电平的电压之间,所述第一调制信号包括由第一电平、第二电平、第三电平三者构成的二级阶梯方波信号。
优选地,所述电容检测电路在所述接地端的电平为第一电平时,从所述传感器板读取第一信号,在所述接地端的电平为第二电平时,从所述传感器板读取第二信号,在所述接地端的电平为第三电平时,从所述传感器板读取第三信号,并在所述接地端的电平从第三电平切换为第二电平时,从所述传感器板读取第四信号,通过所述读取的第一信号、第二信号、第三信号与第四信号获得目标物体的预定信息。
优选地,所述电容式感测系统进一步包括控制电路,所述电容检测电路的接地端与所述控制电路电连接,所述控制电路用于施加所述第一调制信号到所述电容检测电路的接地端。
优选地,所述电容检测电路的电源端与所述控制电路电连接,所述控制电路用于施加所述第一电源信号给所述接地端,施加第二电源信号给所述电源端。
优选地,所述控制电路包括接地端,所述控制电路的接地端的电压为0伏、或者为所述电容式感测系统所在的电子设备的系统地电压、或者为一电子设备的系统地电压、或者为恒定电压。
优选地,所述电容式感测系统进一步包括屏蔽电极,所述屏蔽电极至少设置于所述传感器板的周围。
优选地,所述屏蔽电极为下述的任意一种情况:
第一,所述屏蔽电极包括多个电极,分布于所述传感器板的周围;
第二,所述屏蔽电极为中间镂空的电极,所述传感器板对应所述屏蔽电极的镂空区域设置;
第三,所述屏蔽电极与所述传感器板层叠设置,且沿垂直层叠的方向,所述屏蔽电极的周边超出所述传感器板的外围。
优选地,所述电容式感测系统进一步包括散热板,所述散热板用于对所述电容式感测系统进行散热,所述散热板还用于作为所述屏蔽电极。
优选地,所述传感器板与所述散热板层叠设置,沿垂直层叠的方向,所述散热板的外围超出所述传感器板的边缘。
优选地,所述电容式感测系统进一步包括多个引线框,所述屏蔽电极与所述多个引线框位于同一层,由相同材料制成。
优选地,所述电容检测电路与所述传感器板集成在一电容检测电路芯片中,所述电容式感测系统进一步包括基板,所述电容检测电路芯片设置在所述基板上,所述屏蔽电极设置在所述基板上。
优选地,所述基板为印刷电路板或软性电路板。
优选地,所述屏蔽电极由金属或者其它导电材料制成。
优选地,所述屏蔽电极电连接至所述电容检测电路的接地端,用于接收所述第一调制信号。
优选地,所述传感器板包括多个电容感测极板,所述电容检测电路通过量测多个电容感测极板与所述目标物体之间的电容,来获得所述目标物体的预定信息。
优选地,所述多个电容感测极板排列成感应阵列,所述屏蔽电极至少设置在所述感应阵列的周围。
优选地,所述电容检测电路除用于在所述接地端加载所述第一调制信号时、提供所述第一激励信号驱动所述传感器板来执行第一检测模式外,还进一步用于在所述接地端加载第二调制信号时、提供第二激励信号驱动所述传感器板来执行第二检测模式,其中,第一调制信号不同于第二调制信号,第一激励信号不同于第二激励信号。
优选地,所述第二激励信号随所述第二调制信号的变化而变化。
优选地,所述第二激励信号随所述第二调制信号的变化而变化,用以减小所述传感器板与所述接地端之间寄生电容的充放电电量。
优选地,所述第二调制信号与所述第二激励信号为电压信号,所述第二激励信号的电压随所述第二调制信号的电压的升高而升高、随所述第二调制信号的电压的降低而降低。
优选地,所述第二激励信号的幅度变化大小与所述第二调制信号的幅度变化大小对应相同。
优选地,所述第二激励信号与所述第二调制信号为周期性变化的信号。
优选地,所述第二激励信号与所述第二调制信号或为同频信号,或为同频同相信号,或为同幅同频同相信号,或为同频信号、且所述第二激励信号的相位相对第二调制信号的相位具有一定的延迟。38、根据权利要求31所述的电容式感测系统,其特征在于,所述第二调制信号至少包括第四电平与第五电平,其中,第四电平的电压不同于第五电平的电压。
优选地,第一检测模式为指纹感测模式,第二检测模式为触摸检测模式,其中,当所述电容式感测系统处于触摸检测模式时,所述电容检测电路用于驱动所述传感器板执行触摸检测操作,感测目标物体对所述传感器板的触摸;当所述电容式感测系统处于指纹检测模式时,所述电容检测电路用于驱动所述传感器板执行指纹感测操作,感测目标物体的指纹。
优选地,第一调制信号与第二调制信号均为周期性变化的信号,其中,第一调制信号的频率大于第二调制信号的频率。
优选地,第一调制信号的电压峰峰值大于第二调制信号的电压峰峰值。
优选地,第一激励信号与第二激励信号均为周期性变化的信号,其中,第一激励信号的频率大于第二激励信号的频率。
优选地,第一激励信号的电压峰峰值大于第二激励信号的电压峰峰值。
优选地,所述电容检测电路根据所述传感器板是否被触摸,来对应驱动所述传感器板是否执行指纹感测操作;
若所述传感器板被触摸,所述电容检测电路则切换提供第二调制信号为第一调制信号给所述接地端、切换提供第二激励信号为第一激励信号给传感器板,用以执行指纹感测;
若所述传感器板未被触摸,所述电容检测电路提供第二调制信号给所述接地端、提供第二激励信号给所述传感器板,用以执行触摸感测。
优选地,所述电容检测电路通过量测所述传感器板与所述目标物体之间的电容感测所述传感器板是否被触摸。
优选地,所述电容检测电路集成于一电容检测电路芯片中,所述控制电路集成于一控制电路芯片中,所述电容检测电路芯片和所述控制电路芯片或者封装在一个集成电路封装里,或者分别封装在两个集成电路封装里。
优选地,所述电容式感测系统进一步包括屏蔽电极,所述屏蔽电极至少设置于所述传感器板的周围,其中:
内含所述电容检测电路芯片的集成电路封装包括与所述电容检测电路芯片相连接的引线框,所述屏蔽电极与所述引线框位于同一层,且由相同材料制成;或/和
内含所述电容检测电路芯片的集成电路封装包括散热板,所述散热板用于对所述电容检测电路芯片进行散热,还用于作为所述屏蔽电极上;或/和
内含所述电容检测电路芯片的集成电路封装包括基板,所述电容检测电路芯片设置在所述基板上,所述基板进一步设置所述屏蔽电极。
优选地,所述电容检测电路驱动所述传感器板执行感测操作,以获得所述目标物体的预定信息,其中,所述预定信息包括目标物体的生物特征信息和/或触摸操作信息。
优选地,所述生物特征信息为指纹信息。
优选地,所述触摸操作信息为是否有目标物体接近或触摸所述传感器板。
优选地,所述电容式感测系统为指纹感测系统。
优选地,所述电容式感测系统为节省驱动环的电容式感测系统。
优选地, 所述电容检测电路通过提供所述第一激励信号对所述传感器板进行自电容检测,以实现感测操作。
优选地,所述电容式感测系统用于感测目标物体为手指的预定信息。
优选地,所述传感器板包括多个电容感测极板,所述电容检测电路包括多个感测单元和多个选择单元,每一感测单元通过一选择单元与至少一电容感测极板连接,每一感测单元进一步与所述接地端电连接,每一感测单元通过所述选择单元给所述电容感测极板提供第一激励信号,并接收来自所述电容感测极板的感测信号,通过所述感测信号获得目标物体的预定信息。
优选地,所述选择单元用于选择感测单元与哪些电容感测极板电导通,其中,通过所述多个选择单元,所述电容检测电路同时或分时输出所述第一激励信号给所述多个电容感测极板。
优选地,所述感测单元包括运算放大器和反馈支路,所述运算放大器包括同相端、反相端、和输出端,所述反相端通过一选择单元连接至少一电容感测极板,所述反馈支路连接于反相端与输出端之间,所述运算放大器连接所述接地端。
优选地,所述运算放大器的同相端接收一参考电压,所述参考电压随所述第一调制信号的电压升高而升高、随所述第一调制信号的电压下降而下降。
优选地,所述反相端输出所述第一激励信号给所述电容感测极板。
优选地,所述运算放大器工作时处于虚短状态。
优选地,所述反馈支路包括一反馈电容,所述反馈电容连接于反相端与输出端之间,所述感测单元进一步包括计算单元,所述计算单元与所述输出端连接,所述计算单元通过所述反馈电容上的电荷或电压变化来获得所述目标物体的预定信息。
优选地,所述传感器板包括多个电容感测极板,所述电容检测电路通过量测多个电容感测极板与所述目标物体之间的电容,来获得所述目标物体的预定信息。
本实用新型进一步提供一种电子设备,其中,所述电子设备包括如上所述的电容式感测系统。
优选地,所述电子设备进一步包括显示装置、控制按钮、壳体中任意一种、二种或全部,所述电容式感测系统或者设置于所述显示装置的显示区域中,或者设置于所述控制按钮下,或者设置于所述壳体内。
本实用新型上述电容式感测系统、电子设备通过提供第一调制信号,第一激励信号随第一调制信号的变化而变化,从而降低所述接地端与所述电容感测极板之间的寄生电容的充放电电量,进而可以提高感测精度。
本实用新型又提供一种电容式感测系统,包括:
传感器板,用于以电容耦合方式耦合到目标物体来执行感测操作;
电容检测电路,所述电容检测电路包括信号传输端和调制端,所述电容检测电路用于通过所述信号传输端提供第一激励信号给所述传感器板,以驱动所述传感器板执行感测操作,所述电容检测电路的调制端用于加载第一调制信号,所述第一激励信号随所述第一调制信号的变化而变化。
优选地,所述电容检测电路中的电压均随所述调制端的电压的变化而变化。
优选地,所述第一激励信号随所述第一调制信号的变化而变化,用以减小所述传感器板与所述接地端之间寄生电容的充放电电量。
优选地,所述第一调制信号与所述第一激励信号为电压信号,所述第一激励信号的电压随所述第一调制信号的电压的升高而升高、随所述第一调制信号的电压的降低而降低。
优选地,所述第一激励信号的幅度变化大小与所述第一调制信号的幅度变化大小对应相同。
优选地,所述第一激励信号与所述第一调制信号为周期性变化的信号。
优选地,所述第一激励信号与所述第一调制信号或为同频信号,或为同频同相信号,或为同幅同频同相信号,或为同频信号、且所述第一激励信号的相位相对第一调制信号的相位具有一定的延迟。
优选地,所述电容检测电路包括电源端、接地端,所述接地端用于加载第一电源信号,所述电源端用于加载第二电源信号,第二电源信号与第一电源信号之间的电压差为所述电容检测电路工作的电源电压。
优选地,所述调制端为所述电源端与所述接地端二者中之一者,其中:当所述电源端为所述调制端时,所述第二电源信号包括所述第一调制信号,所述第一电源信号的电压随所述第二电源信号的电压的升高而升高、随所述第二电源信号的电压的降低而降低;或当所述接地端为所述调制端时,所述第一电源信号包括所述第一调制信号,所述第二电源信号的电压随所述第一电源信号的电压升高而升高、随所述第一电源信号的电压降低而降低。
优选地,所述电容检测电路进一步包括参考电压端,所述参考电压端用于加载第三电源信号,所述第三电源信号的电压介于所述第二电源信号的电压与第一电源信号的电压之间,所述调制端为所述电源端、所述接地端、所述参考电压端三者中之一者,其中:
当所述电源端为所述调制端时,所述第二电源信号包括所述第一调制信号,所述第一电源信号、第三电源信号的电压均随所述第二电源信号的电压的升高而升高、随所述第二电源信号的电压的降低而降低;或当所述接地端为所述调制端时,所述第一电源信号包括所述第一调制信号,所述第二电源信号、第三电源信号的电压均随所述第一电源信号的电压的升高而升高、随所述第一电源信号的电压的降低而降低;或当所述参考电压端为所述调制端时,所述第三电源信号包括所述第一调制信号,所述第一电源信号、第二电源信号的电压均随所述第三电源信号的电压的升高而升高、随所述第三电源信号的电压的降低而降低。
优选地,所述第一调制信号至少包括第一电平与第二电平,所述第一电平的电压不同于所述第二电平的电压。
优选地,所述电容式感测系统除用于在所述调制端加载第一调制信号时、提供第一激励信号驱动所述传感器板来执行第一检测模式外,还进一步用于在所述调制端加载第二调制信号时,提供第二激励信号驱动所述传感器板来执行第二检测模式,其中,第一调制信号不同于第二调制信号,第一激励信号不同于第二激励信号。
优选地,所述第二激励信号随所述第二调制信号的变化而变化。
优选地,所述第二激励信号随所述第二调制信号的变化而变化,用以减小所述传感器板与所述接地端之间寄生电容的充放电电量。
优选地,所述第二调制信号与所述第二激励信号为电压信号,所述第二激励信号的电压随所述第二调制信号的电压的升高而升高、随所述第二调制信号的电压的降低而降低。
优选地,所述第二激励信号的幅度变化大小与所述第二调制信号的幅度变化大小对应相同。
优选地,所述第二激励信号与所述第二调制信号为周期性变化的信号。
优选地,所述第二激励信号与所述第二调制信号或为同频信号,或为同频同相信号,或为同幅同频同相信号,或为同频信号、且所述第二激励信号的相位相对第二调制信号的相位具有一定的延迟。
优选地,所述第一检测模式与所述第二检测模式中一种为指纹检测模式,另一种为触摸检测模式,其中,当所述电容式感测系统处于触摸检测模式时,所述电容检测电路用于驱动所述传感器板执行触摸检测操作,以感测是否有目标物体对所述传感器板进行触摸;当所述电容式感测系统处于指纹检测模式时,所述电容检测电路用于驱动所述传感器板执行指纹感测操作,以感测目标物体的指纹是否为预设指纹。
优选地,所述第二调制信号包括第四电平与第五电平,所述第四电平的电压不同于所述第五电平的电压。
优选地,第一调制信号与第二调制信号均为周期性变化的信号,其中,第一调制信号的频率大于第二调制信号的频率。
优选地,第一调制信号的电压峰峰值大于第二调制信号的电压峰峰值。
优选地,第一激励信号与第二激励信号均为周期性变化的信号,其中,第一激励信号的频率大于第二调激励信号的频率。
优选地,第一激励信号的电压峰峰值大于第二激励信号的电压峰峰值。
优选地,所述电容检测电路根据所述传感器板是否被触摸,来对应驱动所述传感器板是否执行指纹感测操作;
若所述传感器板被触摸,所述电容检测电路则切换提供第二调制信号为第一调制信号给所述接地端、切换提供第二激励信号为第一激励信号给传感器板,用以执行指纹感测;
若所述传感器板未被触摸,所述电容检测电路提供第二调制信号给所述接地端、提供第二激励信号给所述传感器板,用以执行触摸感测。
优选地,所述电容检测电路通过量测所述传感器板与所述目标物体之间的电容感测所述传感器板是否被触摸。
优选地,所述电容式感测系统进一步包括控制电路,所述控制电路与所述电源端、接地端分别连接,用于为所述电源端提供所述第二电源信号,为所述接地端提供第一电源信号。
优选地,所述电容检测电路用于对所述传感器板执行自电容检测。
优选地,所述电容式感测系统为指纹感测系统。
优选地,所述电容式感测系统为节省驱动环的指纹感测系统。
优选地,所述传感器板包括多个电容感测极板,所述电容检测电路通过量测所述多个电容感测极板与目标物体之间的电容大小来执行来感测操作,获得目标物体的预定信息。
优选地,所述预定信息包括生物特征信息和/或触摸操作信息。
优选地,所述生物特征信息包括指纹、掌纹。
优选地,所述触摸操作信息为所述传感器板是否有被接近或触摸的操作信息。
优选地,所述电容式感测系统进一步包括屏蔽电极,所述屏蔽电极至少设置于所述传感器板的周围。
优选地,所述屏蔽电极电连接至所述调制端,所述屏蔽电极接收所述第一调制信号。
优选地,所述电容式感测系统进一步包括散热板,所述散热板用于对所述电容式感测系统进行散热,所述散热板还用于作为所述屏蔽电极。
本实用新型又提供一种电子设备,其中,所述电子设备包括如上所述的电容式感测系统。
本实用新型上述电容式感测系统、电子设备通过提供第一调制信号,第一激励信号随第一调制信号的变化而变化,从而降低所述调制端与所述电容感测极板之间的寄生电容的充放电电量,进而可以提高感测精度。
具体实施方式
正如背景技术所述,现有的电子设备的电容式感测系统的感测精度较低,而影响所述电容式感测系统的感测精度较低的因素较多,经发明人的大量研究发现:所述电容检测电路的接地端与所述传感器板之间存在寄生电容,且所述接地端通常加载一恒定电压信号,而传感器板上加载不断变化的电压信号,从而使得所述寄生电容存在充放电,相应地,所述电容检测电路检测到的电荷不仅包括目标物体与传感器板之间构成的电容由于电压变化引起的电荷,还包括所述寄生电容由于电压的变化引起的电荷,进而影响感测精度。
基于上述研究,为解决所述电容式感测系统的感测精度较低的问题,发明人通过大量的创造性劳动,对应提出感测精度较高的电容式感测系统以及具有所述电容式感测系统的电子设备。其中,所述电容式感测系统或为触摸感测系统、或为生物特征感测系统、或为多功能感测系统、或为其它合适类型的感测系统,所述多功能感测系统例如为既可执行触摸感测功能又可执行生物特征感测功能的系统。进一步地,所述生物特征感测系统为指纹、掌纹等感测系统或其它合适类型的生物特征感测系统。
进一步地,在本实用新型的描述中,需要理解的是,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
下述实施例中第一调制信号为用于生物特征感测时的调制信号,第二调制信号为用于检测是否有触摸操作时的调制信号,但是,可以理解地,也可将用于生物特征感测时的调制信号命名为第二调制信号,将用于检测是否有触摸操作时的调制信号命名为第一调制信号,因此,本文并不局限将名称“第一调制信号”仅限于为用于生物特征感测时的调制信号,将名称“第二调制信号”为用于检测是否有触摸操作时的调制信号。类似地,第一电源信号、第二电源信号的名称也可互换。
下面将结合本实用新型实施例中的附图,对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本实用新型保护的范围。请参考图1,图1为本实用新型电子设备较佳实施方式的方框结构示意图。所述电子设备100如为手机、平板电脑、GPS导航系统、电视等设备。所述电子设备100包括电容式感测系统10。所述电容式感测系统10用于感测目标物体1的预定信息,并根据感测到预定信息确定是否执行相应的功能。所述预定信息包括生物特征信息或/和触摸信息。所述生物特征信息包括指纹信息。所述触摸信息为是否有目标物体接近或触摸所述电容式感测系统10。所述目标物体1可以为手指、也可以为用户身体的其它部分,如脚趾等,甚至也可以为其它合适类型的物体,而并不限于人体。
以所述电容式感测系统10为指纹感测系统为例,所述指纹感测系统用于感测指纹信息,若感测到的指纹信息与预先存储的指纹信息一致,则对应执行开机、解锁、支付、直接调用预定应用程序等功能;若感测到的指纹信息与预先存储的指纹信息不一致,则不执行所述功能。所述预定应用程序如为微博、微信等,且在所述电子设备100处于待机、锁屏等状态下均可以直接调用所述预定应用程序。
再或者,以所述电容式感测系统10为触摸感测系统为例,所述触摸感测系统用于感测触摸操作,若感测到目标物体1的触摸或接近,则对应执行触发功能,如触发电子设备100内的一预定装置开始工作或者是开始执行另一工作。
又或者,以所述电容式感测系统10为兼具触摸感测与指纹感测两种功能的系统为例,所述电容式感测系统10首先执行触摸感测功能,当感测到触摸操作后,则切换执行触摸感测功能为指纹感测功能,感测目标物体1的指纹,如感测到的指纹与预设的指纹一致,则对应执行相应的功能。在指纹感测正确之后或在多次检测指纹不成功之后,所述电容式感测系统10再切换为触摸感测功能,从而达到节省电能的效果。
所述电容式感测系统10包括传感器板11和电容检测电路13。所述传感器板11用于以电容方式耦合到目标物体1来执行感测操作。所述电容检测电路13包括信号传输端T和接地端13a。所述电容检测电路13用于通过所述信号传输端T提供第一激励信号给所述传感器板11,以驱动所述传感器11板执行感测操作,从而获得所述目标物体1的预定信息。所述电容检测电路13的接地端13a用于加载第一调制信号,所述第一激励信号随所述第一调制信号的变化而变化。
所述第一激励信号随所述第一调制信号的变化而变化,用以减小所述传感器板与所述接地端之间寄生电容的充放电电量。
由于所述接地端13a加载第一调制信号,所述第一激励信号随所述第一调制信号的变化而变化,从而减小所述接地端13a与所述传感器板11之间的寄生电容C1的充放电电量。进而,所述寄生电容C1对所述传感器板11与目标物体1之间的电容的叠加效果减小,可以提高感测精度。
所述第一调制信号与所述第一激励信号为电压信号。优选地,所述第一激励信号的电压随所述第一调制信号的电压的升高而升高、随所述第一调制信号的电压的降低而降低。
更优选地,所述第一激励信号的幅度变化大小与所述第一调制信号的幅度变化大小对应相同。从而,使得所述接地端13a与所述传感器板11之间的寄生电容C1的充放电电量为0,相应地,所述寄生电容C1等效为0。进而,所述寄生电容C1对所述传感器板11与目标物体1之间的电容的叠消除,从而可进一步提高感测精度。
在本实施例中,所述第一激励信号与所述第一调制信号为周期性变化的信号。然,本实用新型并不限制所述第一激励信号与所述第一调制信号为周期性变化的信号,在其它实施例中,所述第一激励信号与所述第一调制信号也可为非周期性变化的信号,只要二者同步变化,能够减小接地端13a与传感器板11之间的寄生电容的充放电电量即可。
优选地,所述第一激励信号与所述第一调制信号或为同频信号,或为同频同相信号,或为同幅同频同相信号,或为同频信号、且所述第一激励信号的相位相对第一调制信号的相位具有一定的延迟,延迟如为1纳秒。
在本实施例中,所述电容检测电路13通过量测传感器板11与目标物体1之间的电容,来检测目标物体1的预定信息。优选地,所述电容检测电路13通过所述接地端13a加载所述第一调制信号,并提供随所述第一调制信号变化而变化的第一激励信号对所述传感器板11进行自电容检测,以实现感测操作。
请参阅图2,图2为图1所示传感器板11的一实施方式的结构示意图。所述传感器板11包括多个电容感测极板11a。在本实施例中,所述多个电容感测极板11a为矩形,然,所述多个电容感测极板11a的形状并不局限于此,在其它实施方式中,所述多个电容感测极板11a也可为其它规则或不规则形状。优选地,所述多个电容感测极板11a排列成感应阵列,用于执行感测操作。需要说明的是,所述多个电容感测极板11a可以成规则阵列排列,如方阵,也可以成非规则排列。
优选地,每一电容感测极板11a形成一自电容。当目标物体1触摸或接近所述电容感测极板11a时,所述电容感测极板11a附近的电场改变,相应地,所述电容感测极板11a的自电容改变。自电容检测即是检测电容感测极板11a由于目标物体1(例如指纹)的输入而导致的自电容变化。
以所述电容式感测系统10为指纹感测系统、目标物体1对应为手指为例,当手指与所述传感器板11之间稳定耦合时,传感器板11上电压的变化,则传感器板11和手指之间的电容所存储的电量发生变化,通过检测这个电量变化量,就可以测出电容的大小。由于传感器板11和接地端13a上的电压基本同步变化,传感器板11和接地端13a之间的电压差保持不变,则寄生电容C1没有充放电,从而其等效电容为零。这样,电容检测电路13所检测到的电荷基本都是由传感器板11和手指直接构成的电容的电压变化而引起的,减少了寄生电容C1的影响。
进一步地,当接地端13a上施加的第一调制信号幅度越大,则传感器板11与手指之间的电压变化越大,对应地,传感器板11与手指构成的电容的电荷变化越大,所述电容检测电路13检测到的电荷量变化越大。如果噪声不变,则电容检测电路13检测到的来自传感器板11所输出的感测信号的信噪比将线性增加。所以,提高施加在接地端13a上的第一调制信号的幅度峰峰值,会增加所述电容检测系统10的信噪比,比如提高到10V,15V,甚至20V。
请参阅图3,图3为第一激励信号与第一调制信号的波形示意图。其中字母“M”代表第一激励信号,字母“N”代表第一调制信号。在本实施方式中,以所述第一调制信号与第一激励信号均为周期性变化的方波信号为例进行说明。所述第一调制信号的低电平为0V,高电平为10V。所述第一激励信号的低电平为1.2V,高电平为11.2V。然,可以理解地,在其它变更实施方式中,所述第一调制信号、第一激励信号的高电平与低电平也可为电压,以及其它合适类型的信号,如正弦波。
请继续参阅图1,所述接地端13a用于加载第一电源信号,所述第一电源信号包括所述第一调制信号。所述电容检测电路13进一步包括电源端13b,所述电源端13b加载第二电源信号,所述第二电源信号为电压信号,且所述电源信号的电压高于第一电源信号的电压,所述第二电源信号随所述第一调制信号的变化而变化,或者所述第二电源信号随所述第一电源信号的变化而变化。
所述第二电源信号与所述第一电源信号之间的电压差为所述电容检测电路13工作的电源电压。优选地,所述电容检测电路13中的电压均随所述第一电源信号的电压的升高而升高、随所述第一电源信号的电压的降低而降低。
相应地,所第二电源信号的电压随所述第一调制信号的电压的升高而升高、随所述第一调制信号的电压的降低而降低,或者所第二电源信号的电压随所述第一电源信号的电压的升高而升高、随所述第一电源信号的电压的降低而降低。
更优选地,所述第二电源信号与所述第一调制信号为同频信号,或者所述第二电源信号与所述第一电源信号为同频信号。
在上述中,以所述第一调制信号仅包括高、低两个电平交替变化的方波信号为例进行了说明,然,所述第一调制信号并不仅限于高、低两个电平交替变化。所述第一调制信号是至少包括第一电平与第二电平、且所述第一电平的电压不同于所述第二电平的电压的信号。在另一实施方式中,第一电平为高电平,例如为10V,第二电平为低电平,例如为0V。可变更地,第一电平也可为低电平,第二电平为高电平,且高、低电平的电压大小也可根据实际需要对应调整。
所述第一调制信号包括第一电平与第二电平交替出现的方波信号。优选地,所述第一调制信号为周期性变化的方波信号。然,所述第一调制信号并不限于方波信号,也可以为正弦波,三角波等其它合适类型的信号。其中,所述第一电平与第二电平的电压情况为下述三种情况中的任意一种:
第一:第一电平的电压为正电压,第二电平的电压为0;
第二:第一电平的电压为0,第二电平的电压为负电压;
第三:第一电平的电压为正电压,第二电平的电压为负电压,所述第一电平的电压的绝对值等于或者不等于所述第二电平的电压的绝对值。
对于上述第三种情况,当正负电压的中心值恰好或者接近为电子设备100的系统地电压时,则其平均对外电压为0V或者接近为0V,对电子设备100内的其它元件或者外部物体所造成的低频激励将显著减少。例如,当第一调制信号的电平为0到10伏的方波时,等效有一个5V的直流信号,这个直流信号将对外产生电场,可能引起电流流过人体或增加对外辐射或者影响到电子设备100内的其它器件。
所述电容检测电路13在所述接地端13a加载第一电平时,从所述传感器板11读取第一信号,并在所述接地端13a加载第二电平时,从所述传感器板11读取第二信号,通过所述读取的第一信号与第二信号获得所述目标物体1的预定信息。
请参阅图4,图4为所述第一调制信号的另一实施方式的波形图。所述第一调制信号包括所述第一电平、所述第二电平、和第三电平,所述第二电平的电压介于第一电平的电压与第三电平的电压之间,所述第一调制信号包括由第一电平、第二电平、第三电平三者构成的二级阶梯方波信号。
所述电容检测电路13在所述接地端13a提供第一电平给所述传感器板11时,从所述传感器板11读取第一信号,在所述接地端13a提供第二电平给所述传感器板11时,从所述传感器板11读取第二信号,在所述接地端13a提供第三电平给所述传感器板11时,从所述传感器板11读取第三信号,并在所述接地端13a从提供第三电平切换为提供第二电平时,从所述传感器板11读取第四信号,通过所述读取的第一信号、第二信号、第三信号与第四信号获得目标物体1的预定信息。
请再参阅图1,优选地,所述电容式感测系统10进一步包括控制电路15,所述电容检测电路13的接地端13a与所述控制电路15电连接,所述控制电路15用于施加所述第一调制信号到所述电容检测电路13的接地端13a。
进一步地,所述电容检测电路13的电源端13b与所述控制电路15电连接,所述控制电路15用于控制所述电容检测电路13的电源端13b与接地端13a之间的电压差保持一致。所述控制电路15提供所述第一电源信号给所述接地端13a,提供第二电源信号给所述电源端13b,从而为所述电容检测电路13正常工作提供所需的电源电压。
所述控制电路15包括接地端15a、电源端15b、第一输出端15c、第二输出端15d。其中,第一输出端15c与所述电容检测电路13的接地端13a连接,用于输出所述第一电源信号给所述接地端13a。所述第二输出端15d与所述电容检测电路13的电源端13b连接,用于输出所述第二电源信号给所述电源端13b。所述控制电路15的接地端15a的电压为0伏、或者为所述电子设备100的系统地电压、或者为恒定电压。所述控制电路15的电源端15b用于接收电源电压。另外,所述控制电路15与所述电容检测电路13之间也设置通信接口(未标示),以进行信息通信。
请继续参阅图1,优选地,所述电子设备100进一步包括主控芯片20,所述主控芯片20与所述控制电路15的接地端15a、电源端15b连接,用于为所述主控电路15提供系统地电压与电源电压,为所述控制电路15供电。另外,所述主控芯片20与所述控制电路15之间进一步设置有通信接口(未标示),以进行信息通信。所述系统地电压通常为电子设备100的供电电源的负极的电压。供电电源如为电池。
请参阅图5,图5为图1所示电容检测电路13的结构示意图。所述电容检测电路13进一步包括多个感测单元13c和多个选择单元13d。每一感测单元13c分别通过一选择单元13d连接至多个电容感测极板11a。所述选择单元13d用于在电容检测电路13工作时,对应控制电容感测极板11a与感测单元13电连接的数量。在本实施方式中,每一选择单元13d包括开关S(图未示)。所述开关S分别与所述感测单元13c和至少一电容感测极板11a连接。
当所述电容检测电路13提供第一激励信号给所述电容感测电极11a时,通过所述选择单元13d,可选择每一感测单元13c与相连接的电容感测极板11a均电导通,从而,使得所述第一激励信号同时输出给所有电容感测极板11a。然,在其它实施方式中,也可通过所述选择单元13d,每次只控制部分电容感测极板11a与所述多个感测单元13c电导通,如此,通过多次选择之后,每一感测单元13c与相连接的电容感测极板11a均电导通过,从而,使得所述第一激励信号分时输出给所述多个电容感测极板11a。
当所述电容检测电路13接收所述多个电容感测极板11a输出的感测信号时,通过所述选择单元13d,每次只控制每一感测单元13c分别与一电容感测极板11a电连接,来接收感测信号。如此,通过多次控制,获得所有电容感测极板11a输出的感测信号。然,在其它实施方式中,也可每次控制每一感测单元13c分别与多个(如2个)电容感测极板11a电连接,来接收感测信号。相应地,所述电容检测电路13通过接收到的感测信号获得目标物体1的预定信息。
请参阅图6,图6为图5所示感测单元13c的电路结构示意图。所述感测单元13c包括运算放大器131、反馈支路133、和计算单元135。所述运算放大器131包括同相端a、反相端b、和输出端d。所述反馈支路133连接于反相端与输出端之间。所述计算单元135与所述输出端d连接。所述反馈支路133包括一反馈电容Cf,所述反馈电容Cf连接于反相端b与输出端d之间。
所述运算放大器131的同相端a接收一参考电压Vref。所述参考电压Vref由一参考电压产生电路19提供。需要说明的是,所述参考电压产生电路19可为所述电容检测系统10中的一电路,也可为所述电子设备100中的另一电路。所述运算放大器131的反相端b则通过所述选择单元13d与电容感测极板11a连接。所述运算放大器进一步与所述电源端13b和接地端13a分别电连接。
当电容检测电路13工作时,所述运算放大器131处于虚短状态,即同相端13a与反相端13b相当于短接,二者电位相同,即同相端a的电位也为参考电压Vref。进一步地,所述参考电压Vref随接地端13a所接收到的第一调制信号的变化而变化。从而,当接地端13a输出第一调制信号给运算放大器131时,同相端a与反相端b的电位随第一调制信号的变化而变化,相应地,与运算放大器131的反相端b电导通的电容感测极板11a则接收到的第一激励信号随第一调制信号的变化而变化。
当目标物体1接近或触摸所述电容感测极板11a时,则发生的电荷变化通过与反相端b相连接的反馈电容Cf传输给计算单元135。所述计算单元135根据电荷变化情况对应获得目标物体1的预定信息。在本实施例中,是以电荷变化来计算预定信息的,在其它实施方式中,也可通过计算电压变化来获得预定信息。
以所述电容式感测系统10为指纹感测系统为例,每个电容感测极板11a都可以检测手指与其相耦合的电容的大小。手指指纹存在脊和谷,脊相比谷更靠近所述传感器板11,因而电容更大;谷相比脊更远离所述传感器板11,因而电容更小。根据电容感测极板11a与手指指纹形成电容的大小,可以检测每一电容感测极板11a所对应区域上的指纹的脊和谷。
为了更准确的读取指纹信息,通常传感器板11设计成阵列状,一个电容感测极板11a中心与其邻近的电容感测极板11a中心的距离大约为50um。为了达到这样的精度,通常采用半导体工艺直接在集成电路上实现传感器板11和电容检测电路13。为了便于设计,又把控制电路15和电容检测电路13分开,分别设计成控制芯片和电容检测芯片,其中电容检测芯片包括传感器板11和电容检测电路13。通常手指在十数毫米范围,这样一个手指,通常对应多个电容感测极板11a。为了减少成本,节约空间,即使放置多个电容感测极板11a,其数量亦相当有限,例如为160×64个电容感测极板11a,其面积约为8mm×3.2mm。而手指面积通常远大于传感器板11的面积。手指和传感器板11形成的电场示意图如图6。
请参阅图7,图7为所述传感器板11与手指之间的电场线分布示意图。根据电场分布的物理规律,所述传感器板11周边的电容感测极板11a与所述目标物体1之间的电场不同于所述传感器板11中间的电容感测极板11a与所述目标物体1之间的电场。由图7可见,中间的电场分布比较均匀,而周边的电场是发散的,由此造成获取的指纹信息在边缘会有失真现象。
为了解决指纹信息在边缘失真的问题,本实用新型提出在所述电容式感测系统10中进一步设置屏蔽电极17(见后述图8)的技术方案。所述屏蔽电极17由导电物质制成,如为金属或者其它导电材料。所述屏蔽电极17至少设置于所述感应阵列的周围。所述屏蔽电极17接收电信号,但是所述屏蔽电极17并不用于执行检测功能,相应地,所述屏蔽电极17不输出数据。
请一并参阅图8与图9,图8为在图2所示的传感器板11周围区域设置屏蔽电极17的结构示意图。图9为图8所示传感器板11与手指之间的电场线分布示意图。在本实施方式中,所述屏蔽电极17与图1所示的电容检测电路13的接地端13a电连接。所述屏蔽电极17接收所述第一电源信号。相应地,所述屏蔽电极17的电压与所述传感器11电压基本同步变化。从而,由图8所示,所述传感器板11周边的电场与中部的电场一样均匀,可以提高所采集的预定信息的质量。
然,本实用新型并不局限于此,在其它实施方式中,所述屏蔽电极17也可以与所述电子设备100中的另一信号电路(图未示)连接,所述信号电路提供与接地端13a相同的信号、或者与传感器板11相同的信号给所述屏蔽电极17。
进一步地,在本实施方式中,所述屏蔽电极17为一中间镂空的电极,所述传感器11板对应所述屏蔽电极17的镂空区域设置,优选地,所述屏蔽电极17为一封闭环形电极,环绕于所述传感器板11的周围。然,在其它实施方式中,所述屏蔽电极17也可包括多个电极,并分布于所述传感器板11的周围;又或者,所述屏蔽电极17为一整层电极或者多个电极,其与所述传感器板11层叠设置,且沿垂直层叠的方向,所述屏蔽电极17的周边超出所述传感器板11的外围。
更进一步地,发明人通过大量研究发现,如果额外设置屏蔽电极17不仅会增加电容式感测系统10的体积重量、而且还会增加制造成本外,相应地,发明人通过大量的创造性劳动,发现利用所述电容感测系统10本身存在的导电元件复用兼做所述屏蔽电极17、或/和利用制作本身存在的导电元件的同时利用需要裁切掉的导电材料同时制作所述屏蔽电极17,具体说明如下。
优选地,所述电容检测电路13集成于一电容检测电路芯片中,所述控制电路15集成于一控制电路芯片中。所述电容检测电路芯片和所述控制电路芯片或者封装在一个集成电路封装里,或者分别封装在两个集成电路封装里。
根据电容检测电路芯片的封装方式不同,现以封装方式分别为方形扁平无引脚封装(Quad Flat No-lead Package, 简称QFN)与球栅阵列封装(Ball Grid Array Package,简称BGA)进行说明。然,并不局限于这两种封装方式,也可以为其它封装方式。
封装方式QFN
请一并参见图10与图11,图10为封装方式为QFN的电容检测电路芯片封装结构的正面部分示意图。图11为图10所示电容检测电路芯片封装结构沿XI-XI线的剖面结构示意图。所述电容检测电路芯片封装结构30包括散热板31、导线32、引线框(lead frame)33、引线框35、电容检测电路芯片37。所述引线框35由导电材料制成,位于所述电容检测电路芯片37周围,并与电容检测电路芯片37通过导线32连接,为所述电容检测电路芯片37传输信号。
进一步地,电容检测电路芯片37与散热板31层叠设置,且沿垂直层叠的方向,散热板31的边缘超出所述电容检测电路芯片37的周边。所述散热板31由导电材料制成,其用于散热,另外,所述散热板31进一步用于与所述接地端13a电连接,还用作为所述屏蔽电极17。由于散热板31复用作为屏蔽电极17,无需额外再制作屏蔽电极17,从而电容式感测系统10的体积较小、重量较轻、且制造成本较低。
又或者,在制作引线框35时,由制作引线框35的同层材料制作形成所述屏蔽电极17,优选地,也在制作引线框35的同时制作形成所述屏蔽电极17,从而节省制程、节省材料,从而节省成本。所述屏蔽电极17位于所述散热板17与所述引线框35之间的位置,或者与引线框35共同配合环绕所述散热板31设置。
在本实施方式中,所述散热板31与引线框35位于同一层。可变更地,所述屏蔽电极17也可以由制作散热板31的同层材料同时制作形成。
球栅阵列封装BGA
请参见图12,图12为封装方式为BGA的电容检测电路芯片封装结构的正面部分示意图。所述电容检测电路芯片封装结构40包括基板41、电容检测电路芯片43、屏蔽电极17。所述电容检测电路芯片43与屏蔽电极17设置在所述基板41上,且优选地,所述电容检测电路芯片43与屏蔽电极17位于所述基板41的同一侧。所述屏蔽电极17设置在所述电容检测电路芯片43周围。所述基板41例如为印刷电路板、或软性电路板。
进一步地,在其它实施方式中,所述电容检测系统10包括两种检测模式,分别为第一检测模式和第二检测模式。所述电容检测电路10除用于在所述接地端13a加载所述第一调制信号时、提供随所述第一调制信号的变化而变化的第一激励信号驱动所述传感器板11来执行第一检测模式外,还进一步用于在所述接地端13a加载第二调制信号时、提供随所述第二调制信号的变化而变化的第二激励信号驱动所述传感器板11来执行第二检测模式,其中,第一调制信号不同于第二调制信号,第二激励信号不同于第一激励信号。所述控制电路15提供给所述接地端13a的第一电源信号包括所述第二调制信号。
所述电容式感测系统10通过分别执行所述第一、第二检测模式,进而可执行至少二种功能不同的感测操作,从而增加所述电容式感测系统10的感测功能,增强电子设备100的可用性。
优选地,所述第二激励信号随所述第二调制信号的变化而变化,用以减小所述传感器板与所述接地端之间寄生电容的充放电电量。
所述第二调制信号、第二激励信号均为电压信号,优选地,所述第二激励信号的电压随所述第二调制信号的电压的升高而升高、随所述第二调制信号的电压的降低而降低,或者所述第二激励信号的电压随所述第一电源信号的电压的升高而升高、随所述第一电源信号的电压的降低而降低。
更优选地,所述第二激励信号的幅度变化大小与第二调制信号的幅度变化大小相同。
优选地,所述第二激励信号与所述第二调制信号为周期性变化的信号。
所述第二激励信号与所述第二调制信号或为同频信号,或为同频同相信号,或为同幅同频同相信号,或为同频信号、且所述第二激励信号的相位相对第二调制信号的相位具有一定的延迟,延迟如为1纳秒。
所述第二调制信号至少包括第四电平与第五电平,其中,第四电平的电压不同于第五电平的电压。
更进一步地,发明人通过大量研究发现问题:接地端13a和电子设备100的系统地,如接地端15a,之间还存在寄生电容C2(见图1),当激励接地端13a时,同时会激励这个寄生电容C2,当寄生电容C2比较大,激励频率比较高时,则会产生较大的功耗。发明人通过大量的创造性的劳动发现,可以通过如下方式来降低功耗。
所述电容式感测系统10工作时,先执行第二检测模式,当所述电容式感测系统感测到的目标物体的预定操作时,才启动第一检测模式或切换第二检测模式为第一检测模式进行检测操作,其中,第二检测模式相较于第一检测模式节省功耗。
相应地,所述第二激励信号随所述第二调制信号的变化而变化,除用以减小所述传感器板与所述接地端之间寄生电容的充放电电量,还可进一步用以减小电容式感测系统10的功耗。
优选地,第二激励信号的频率小于第一激励信号的频率,或/和第二激励信号的电压峰峰值小于第一激励信号的电压峰峰值,从而达到减小功耗的目的。
对应地,第二调制信号的频率小于第一调制信号的频率,或/和第二调制信号的电压峰峰值小于第一调制信号的电压峰峰值,从而还可进一步减小功耗。例如,以第一检测模式为指纹感测模式、第二检测模式为触摸检测模式为例进行说明。当所述电容式感测系统10处于触摸检测模式时,所述电容检测电路13用于驱动所述传感器板11执行触摸检测操作,感测目标物体1对所述传感器板11的触摸;当所述电容式感测系统10处于指纹检测模式时,所述电容检测电路13用于驱动所述传感器板11执行指纹感测操作,感测目标物体1的指纹。
所述电容检测电路13通过量测传感器板11与目标物体1之间的电容来感测触摸操作,检测时:先进行触摸检测,检测到有触摸发生时,再启动指纹检测或切换触摸检测为指纹检测,以达到节省功耗的目的。
具体地,所述电容检测电路13判断所述传感器板11是否被触摸;
若是,则切换提供第二调制信号为第一调制信号给所述接地端13a、切换提供第二激励信号为第一激励信号给所述传感器板11,来执行指纹感测;
若否,则提供第二调制信号给所述接地端13a、提供第二激励信号给所述传感器板11,来执行触摸感测。当所述电容式感测系统10处于触摸检测模式时,对所述第二调制信号、第二激励信号这二者其中之一或全部采用1V电压峰峰值,用于检测是否有触摸发生,例如,第二激励信号的电压峰峰值为1V,第二调制信号的电压峰峰值为1V;当容式感测系统10处于指纹检测模式时,对第一调制信号、第一激励信号这二者其中之一或全部采用10V电压峰峰值,用于检测指纹,例如,第一激励信号的电压峰峰值为10V,第一调制信号的电压峰峰值为10V。从而,达到减小所述电容式感测系统10的功耗的目的,相应地,具有所述电容式感测系统10的电子设备100的功耗也较小。
另外,优选地,所述第一激励信号与所述第二激励信号均为周期性变化的信号,其中,第一激励信号的频率大于第二激励信号的频率。对应地,第一调制信号与第二调制信号均为周期性变化的信号,其中,第一调制信号的频率大于第二调制信号的频率。在执行触摸检测时,第二激励信号与第二调制信号的频率如为100KHz。在执行指纹检测时,第一激励信号与第一调制信号的频率如为1MHz。从而,使得所述电容式感测系统10的功耗进一步减小。
当电容式感测系统10处于触摸检测模式时,仅仅检测触摸是否发生,不需要像指纹识别那么高的分辨率,因此,多个电容感测极板11a甚至所有的电容感测极板11a可以连接到一起进行检测。
优选地,本实用新型的电容式感测系统10为节省驱动环的感测系统。现有技术中,一种电容感测系统包括驱动环、传感器板、电容检测电路。通过在驱动环上施加激励,驱动环直接接触手指,驱动环上激励传导到手指,驱动手指电位改变。这个方案,一方面需要增加一个驱动环,增加了成本;另一方面驱动环是无法施加太高电压,比如4V。当电压过高时,电流流过人体会造成不舒服的感觉。通常,电压越高,则信号能量越大,则接收到的信号的信噪比越高,系统性能越好。这个方案限制了整个系统方案的性能。相对地,本实用新型的电容式感测系统10设计比较灵活,性能较好,成本较低,人体也接触时的舒适感较高。
需要说明的是,上述利用电容式感测系统10中本身导电元件复用屏蔽电极17的技术方案也并不局限于节省驱动环的电容式感测系统10中,也可适用其它合适的电容式感测系统中,如带有驱动环的这种电容式感测系统中,对于本领域的一般技术人员而言,其根据本实用新型的指导、教导是可以合理推出相关的技术方案的,应均属于本实用新型所揭示的保护范围。
请参阅图13,图13为本实用新型电子设备100的另一结构示意图。所述电子设备100进一步包括显示装置50、控制按钮60、壳体70。所述电容式感测系统10或者设置于所述显示装置50的显示区域中,或者设置于所述控制按钮60下方,或者设置于所述壳体70内。
此外,可变更地,也可在所述电源端加载第一调制信号,所述接地端对应施加有随第一调制信号变化而变化的信号,同样可解决所述寄生电容的影响。
(二) 另外,在有的电容检测电路中,还存在参考电压端。所述参考电压端加载第三电源信号,且第三电源信号的电压介于所述第一电源信号的电压与第二电源信号的电压之间。
类似地,也可在所述参考电压端加载第一调制信号,所述接地端施加有随第一调制信号变化而变化的信号,同样可解决所述寄生电容的影响。
(三) 类似地,也可在电容式感测系统的电容检测电路中的其它某一端口加载所述第一调制信号,所述接地端施加有随第一调制信号变化而变化的信号,同样可解决所述寄生电容的影响。
鉴于上述(一)(二)(三),定义电容检测电路存在一调制端,此调制端加载随所述随时间变化的第一调制信号,所述调制端或为接地端,或为其它端口,当为其它端口时,所述接地端的电压随所述第一调制信号的变化而对应变化。
对应地,本实用新型进一步提供另一种电容式感测系统以及具有所述电容式感测系统的电子设备。此处所述的电容式感测系统、电子设备与上述电容式感测系统10、电子设备100类似,因此,为了简便说明,关于此处的电容式感测系统、电子设备的说明未配有相关附图,下述内容涉及的电容式感测系统以及电子设备中与电容式感测系统10、电子设备100中名称相同的元件可同样参考附图1-13。
所述电容式感测系统包括:
传感器板,用于以电容耦合方式耦合到目标物体来执行感测操作;
电容检测电路,所述电容检测电路包括信号传输端和调制端,所述电容检测电路用于通过所述信号传输端提供第一激励信号给所述传感器板,以驱动所述传感器板执行感测操作,所述电容检测电路的调制端用于加载第一调制信号,所述第一激励信号随所述第一调制信号的变化而变化。
其中,所述第一激励信号随所述第一调制信号的变化而变化,用以减小所述传感器板与所述调制端之间寄生电容的充放电电量。
进一步地,所述电容检测电路中的电压均随所述调制端的电压的变化而变化。优选地,所述电容检测电路中的电压均随所述调制端的电压的升高而升高、随所述调制端的电压的降低而降低。
优选地,所述第一调制信号与所述第一激励信号为电压信号,所述第一激励信号的电压随所述第一调制信号的电压的升高而升高、随所述第一调制信号的电压的降低而降低。
更优选地,所述第一激励信号的幅度变化大小与所述第一调制信号的幅度变化大小对应相同。优选地,所述第一激励信号与所述第一调制信号为周期性变化的信号。
更优选地,所述第一激励信号与所述第一调制信号或为同频信号,或为同频同相信号,或为同幅同频同相信号,或为同频信号、且所述第一激励信号的相位相对第一调制信号的相位具有一定的延迟。
所述电容检测电路包括电源端、接地端,所述接地端用于加载第一电源信号,所述电源端用于加载第二电源信号,第二电源信号与第一电源信号之间的电压差为所述电容检测电路工作的电源电压。
在一实施方式中,所述调制端为所述电源端与所述接地端二者中之一者,其中:
当所述电源端为所述调制端时,所述第二电源信号包括所述第一调制信号,所述第一电源信号随所述第二电源信号的变化而变化;或当所述接地端为所述调制端时,所述第一电源信号包括所述第一调制信号,所述第二电源信号的电压随所述第一电源信号的电压升高而升高、随所述第一电源信号的电压降低而降低。
所述电容检测电路进一步包括参考电压端,所述参考电压端用于加载第三电源信号,所述第三电源信号的电压介于所述第二电源信号的电压与第一电源信号的电压之间。
在另一实施方式中,所述调制端为所述电源端、所述接地端、所述参考电压端三者中之一者,其中:当所述电源端为所述调制端时,所述第二电源信号包括所述第一调制信号,所述第一电源信号、第三电源信号均随所述第二电源信号的变化而变化;或当所述接地端为所述调制端时,所述第一电源信号包括所述第一调制信号,所述第二电源信号、第三电源信号均随所述第一电源信号的变化而变化;或当所述参考电压端为所述调制端时,所述第三电源信号包括所述第一调制信号,所述第一电源信号、第二电源信号均随所述第三电源信号的变化而变化。
所述第一调制信号至少包括第一电平与第二电平,所述第一电平的电压不同于所述第二电平的电压。
所述电容式感测系统除用于在所述调制端加载第一调制信号时、提供第一激励信号驱动所述传感器板来执行第一检测模式外,还进一步用于在所述调制端加载第二调制信号时,提供第二激励信号驱动所述传感器板来执行第二检测模式,其中,第一调制信号不同于第二调制信号、第一激励信号不同于第二激励信号。
其中,所述第二激励信号随所述第二调制信号的变化而变化,用以减小所述传感器板与所述接地端之间寄生电容的充放电电量。
优选地,所述第二调制信号与所述第二激励信号为电压信号,所述第二激励信号的电压随所述第二调制信号的电压的升高而升高、随所述第二调制信号的电压的降低而降低。
更优选地,所述第二激励信号的幅度变化大小与所述第二调制信号的幅度变化大小对应相同。
优选地,所述第二激励信号与所述第二调制信号为周期性变化的信号。
更优选地,所述第二激励信号与所述第二调制信号或为同频信号,或为同频同相信号,或为同幅同频同相信号,或为同频信号、且所述第二激励信号的相位相对第二调制信号的相位具有一定的延迟。
其中,在一实施方式中,所述第一检测模式与所述第二检测模式中一种为指纹检测模式,另一种为触摸检测模式,其中,当所述电容式感测系统处于触摸检测模式时,所述电容检测电路用于驱动所述传感器板执行触摸检测操作,感测是否有目标物体对所述传感器板进行触摸;当所述电容式感测系统处于指纹检测模式时,所述电容检测电路用于驱动所述传感器板执行指纹感测操作,感测目标物体的指纹是否为预设指纹。
所述电容检测电路用于对所述传感器板执行自电容检测。
所述第二调制信号包括第四电平与第五电平,所述第四电平的电压不同于所述第五电平的电压。
第一调制信号与第二调制信号均为周期性变化的信号,其中,第一调制信号的频率大于第二调制信号的频率。所述第一激励信号与第二激励信号均为周期性变化的信号,其中,第一激励信号的频率大于第二激励信号的频率。
第一调制信号的第一电平与第二电平的电压峰峰值大于第二调制信号的第四电平与第五电平的电压峰峰值。第一激励信号的电压峰峰值大于第二激励信号的电压峰峰值。
所述电容检测电路通过量测传感器板与目标物体之间的电容来感测触摸操作,所述电容检测电路判断所述传感器板是否被触摸;
若是,则切换提供第二调制信号为第一调制信号给所述接地端、切换提供第二激励信号为第一激励信号给所述传感器板来执行指纹感测;
若否,则提供第二调制信号给所述接地端、提供第二激励信号给所述传感器板,执行触摸检测。从而,可以先执行触摸感测,再根据是否有触摸操作来决定是否执行指纹感测,进而节省功耗。
所述电容式感测系统进一步包括控制电路,所述控制电路与所述电源端、接地端分别连接,用于为所述电源端提供所述第二电源信号,为所述接地端提供第一电源信号。所述电容式感测系统为节省驱动环的指纹感测系统。
所述传感器板包括多个电容感测极板,所述电容检测电路通过量测所述多个电容感测极板与目标物体之间的电容大小来执行来感测操作,获得目标物体的预定信息。
所述预定信息包括生物特征信息和/或触摸操作信息。
所述生物特征信息包括指纹、掌纹。
所述触摸操作信息为所述传感器板是否有被接近或触摸的操作信息。
优选地,所述电容式感测系统进一步包括屏蔽电极,所述屏蔽电极至少设置于所述传感器板的周围。
所述屏蔽电极电连接至所述调制端,所述屏蔽电极接收所述第一电源信号。
所述电容式感测系统进一步包括散热板,所述散热板用于对所述电容式感测系统进行散热,所述散热板还用于作为所述屏蔽电极。
需要说明的是,此处所述的电容感测系统与上述电容感测系统10的主要区别在于:所述调制端并不限于所述接地端13a、也可能是电源端13b、参考电压端、或者其它端口。而对于其它结构,此处所述电容感测系统可与上述电容感测系统10相同或者不同均可。
由上述内容可知,本实用新型的电容式感测系统通过提供第一调制信号给调制端,且,提供给所述电容感测极板的第一激励信号是随第一调制信号的变化而变化的,从而降低所述调制端与所述电容感测极板之间的寄生电容的充放电电量,进而可以提高电容式感测系统的感测精度。相应地,具有所述电容式感测系统的电子设备的感测精度也较高,进而提高电子设备的质量以及实用性。
请参阅图14,图14为本发明电容式感测系统的检测方法流程图。所述检测方法适用于上述各实施方式所述的电容式感测系统,然,也适用其它合适类型的电容式感测系统,本发明并不做具体限制。所述电容式感测系统包括多个电容感测极板和电容检测电路,所述电容检测电路包括调制端,所述检测方法包括:
S1:提供第一激励信号给所述多个电容感测极板,驱动所述多个电容感测极板执行感测操作;
S2:提供第一调制信号给所述调制端,其中,所述第一激励信号随所述第一调制信号的变化而变化。
需要说明的是,所述多个电容感测极板用于以电容方式耦合到目标物体,通过执行感测操作,以获得所述目标物体的预定信息。
优选地,所述第一激励信号随所述第一调制信号的变化而变化,用以减小所述多个电容感测极板与所述调制端之间寄生电容的充放电电量。
进一步地,所述电容检测电路中的电压均随所述第一调制信号的电压的变化而变化。
优选地,所述第一调制信号与所述第一激励信号为电压信号,所述第一激励信号的电压随所述第一调制信号的电压的升高而升高、随所述第一调制信号的电压的降低而降低。
更优选地,所述第一激励信号的幅度变化大小与所述第一调制信号的幅度变化大小对应相同。
优选地,所述第一激励信号与所述第一调制信号为周期性变化的信号。
更优选地,所述第一激励信号与所述第一调制信号或为同频信号,或为同频同相信号,或为同幅同频同相信号,或为同频信号、且所述第一激励信号的相位相对第一调制信号的相位具有一定的延迟。
所述检测方法进一步包括:
提供第二激励信号给所述多个电容感测极板执行感测操作;
提供第二调制信号给所述调制端,其中,所述第二激励信号随所述第二调制信号的变化而变化。所述第二激励信号不同于所述第一激励信号,所述第二调制信号不同于所述第一调制信号。从而,驱动所述电容式感测系统执行两种不同检测模式,分别为第一检测模式与第二检测模式。具体地,第一检测模式对应提供第一激励信号给所述多个电容感测极板,提供第一调制信号给所述调制端;第二检测模式对应提供第二激励信号给所述多个电容感测极板,提供第二调制信号给所述调制端。相应地,使得所述电容式感测系统增加感测功能。
优选地,所述第二激励信号随所述第二调制信号的变化而变化,用以减小所述多个电容感测极板与所述调制端之间寄生电容的充放电电量。
优选地,所述第二调制信号与所述第二激励信号为电压信号,所述第二激励信号的电压随所述第二调制信号的电压的升高而升高、随所述第二调制信号的电压的降低而降低。
更优选地,所述第二激励信号的幅度变化大小与所述第二调制信号的幅度变化大小对应相同。
优选地,所述第二激励信号与所述第二调制信号为周期性变化的信号。
更优选地,所述第二激励信号与所述第二调制信号或为同频信号,或为同频同相信号,或为同幅同频同相信号,或为同频信号、且所述第二激励信号的相位相对第二调制信号的相位具有一定的延迟。
优选地,第二检测模式较第一检测模式省电,在检测时,先驱动所述电容式感测系统执行第二检测模式,在第二检测模式下,感测到目标物体的预定操作之后,再启动第一检测模式或切换第二检测模式为第一检测模式,从而节省电能。
为了节省功耗,优选地,第一调制信号的频率大于第二调制信号的频率;或/和
第一调制信号的电压峰峰值大于第二调制信号的电压峰峰值。
例如,所述检测方法提供第一激励信号给所述多个电容感测极板,用于驱动所述多个电容感测极板执行指纹感测操作;提供第二激励信号给所述多个电容感测极板,用于驱动所述多个电容感测极板执行触摸操作。
具体地,所述检测方法通过量测所述多个电容感测极板与目标物体之间的电容来感测目标物体的触摸操作,判断所述多个电容感测极板是否被目标物体触摸;
若是,则切换提供第二调制信号为第一调制信号给所述接地端、切换提供第二激励信号为第一激励信号给传感器板,来执行指纹感测;
若否,则提供第二调制信号给所述接地端、提供第二激励信号给所述传感器板,来执行触摸感测。
其中,执行触摸检测时,第一激励信号的电压峰峰值为10V,频率为1MHz,对应地,第一调制信号的电压峰峰值为10V,频率为1MHz;相对地,第二激励信号的电压峰峰值为1V,频率为100KHz,对应地,第二调制信号的电压峰峰值为1V,频率为100KHz。可见,触摸检测模式下电容式感测系统消耗的电能小于指纹检测模式电容式感测系统消耗的电能,从而通过先执行触摸检测再执行指纹检测来降低电容式感测系统的功耗。
所述电容式感测系统进一步包括屏蔽电极,所述屏蔽电极至少设置在所述多个电容感测极板的外围,优选地,所述检测方法进一步包括:
提供所述第一调制信号给所述屏蔽电极。从而可以提高所述多个电容感测极板所获得的目标物体的预定信息的准确度。
优选地,所述检测方法通过量测所述多个电容感测极板与目标物体之间的电容,来感测目标物体的预定信息。
所述预定信息包括目标物体的生物特征信息和/或触摸操作信息。
其中,所述生物特征信息为指纹信息。
其中,所述触摸操作信息为是否有目标物体接近或触摸所述多个电容感测极板。
更优选地,所述检测方法通过量测所述多个电容感测极板与目标物体之间的自电容,来感测目标物体的预定信息。
所述电容检测电路包括接地端与电源端,所述检测方法进一步包括:
提供第一电源信号给所述接地端;
提供第二电源信号给所述电源端,所述第二电源信号与所述第一电源信号的电压差为所述电容检测电路工作的电源电压。
在一实施方式中,所述调制端为所述电源端与所述接地端二者中之一者,其中:当所述电源端为所述调制端时,所述第二电源信号包括所述第一调制信号,所述第一电源信号的电压随所述第二电源信号的电压的升高而升高、随所述第二电源信号的电压的降低而降低;或当所述接地端为所述调制端时,所述第一电源信号包括所述第一调制信号,所述第二电源信号的电压随所述第一电源信号的电压升高而升高、随所述第一电源信号的电压降低而降低。
所述电容检测电路进一步包括参考电压端,所述检测方法进一步包括:
提供第三电源信号给所述参考电压端,所述第三电源信号的电压介于所述第二电源信号的电压与第一电源信号的电压之间。
在另一实施方式中,所述调制端为所述电源端、所述接地端、所述参考电压端三者中之一者:当所述电源端为所述调制端时,所述第二电源信号包括所述第一调制信号,所述第一电源信号、第三电源信号的电压均随所述第二电源信号的电压的升高而升高、随所述第二电源信号的电压的降低而降低;或当所述接地端为所述调制端时,所述第一电源信号包括所述第一调制信号,所述第二电源信号、第三电源信号的电压均随所述第一电源信号的电压的升高而升高、随所述第一电源信号的电压的降低而降低;或
当所述参考电压端为所述调制端时,所述第三电源信号包括所述第一调制信号,所述第一电源信号、第二电源信号的电压均随所述第三电源信号的电压的升高而升高、随所述第三电源信号的电压的降低而降低。
优选地,上述调制端为接地端。
本发明上述检测方法可使得所述调制端与所述多个电容感测极板之间的寄生电容的等效电容变小,从而提高感测精度。另外,通过先执行触摸感测,再决定是否执行指纹感测,从而还可进一步减小电容式感测系统的功耗。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。