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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft allgemein Berührungssensoren.
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Stand der Technik
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Ein Berührungssensor kann das Vorhandensein und die Position einer Berührung oder die Nähe eines Objekts (wie etwa eines Fingers eines Benutzers oder eines Eingabestifts) innerhalb eines berührungsempfindlichen Bereichs des Berührungssensors erfassen, der zum Beispiel über einen Anzeigebildschirm gelegt ist. Bei einer berührungsempfindlichen Anzeigeanwendung ermöglicht der Berührungssensor, dass ein Benutzer direkt mit dem Anzeigeinhalt auf dem Bildschirm anstatt indirekt über eine Maus oder ein Touchpad interagiert. Ein Berührungssensor kann an einem Desktop-Computer, einem Laptop-Computer, einem Tablet-Computer, einem PDA, einem Smartphone, einem Satellitennavigationsgerät, einem tragbaren Medienwiedergabegerät, einer tragbaren Spielekonsole, einem Infoterminal, einem Verkaufsautomaten oder einem anderen geeigneten Gerät angebracht oder als ein Teil desselben vorgesehen sein. Auch ein Steuerpaneel an einem Haushaltsgerät oder einem anderen Gerät kann einen Berührungssensor enthalten.
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Es gibt verschiedene Typen von Berührungssensoren wie etwa resistive Berührungsbildschirme, akustische Oberflächenwellen-Berührungsbildschirme und kapazitive Berührungsbildschirme. Eine Bezugnahme auf einen Berührungssensor kann sich auch auf einen Berührungsbildschirm beziehen und umgekehrt. Wenn ein Objekt die Oberfläche eines kapazitiven Berührungsbildschirms berührt oder sich derselben nähert, tritt eine Änderung in der Kapazität in dem Berührungsbildschirm an der Position der Berührung oder Näherung auf. Eine Berührungssensor-Steuereinrichtung kann die Änderung in der Kapazität verarbeiten, um deren Position auf dem Berührungsbildschirm zu bestimmen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt einen beispielhaften Berührungssensor mit einer beispielhaften Berührungssensor-Steuereinrichtung.
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2 zeigt ein beispielhaftes System zum Kompensieren einer an einem kapazitiven Knoten einer Gegenkapazitätsimplementierung des Berührungssensors von 1 vorhandenen Ladung.
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3 zeigt ein beispielhaftes System zum Kompensieren der an einem kapazitiven Knoten einer Eigenkapazitätsimplementierung des Berührungssensors von 1 vorhandenen Ladung.
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4 zeigt ein beispielhaftes Verfahren zum Kompensieren einer an einem kapazitiven Knoten eines Berührungssensors vorhandenen Ladung.
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Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
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1 zeigt einen beispielhaften Berührungssensor 10 mit einer beispielhaften Berührungssensor-Steuereinrichtung 12. Der Berührungssensor 10 und die Berührungssensor-Steuereinrichtung 12 können das Vorhandensein und die Position einer Berührung oder die Nähe eines Objekts innerhalb eines berührungsempfindlichen Bereichs des Berührungssensors 10 erfassen. Im Folgenden kann sich eine Bezugnahme auf einen Berührungssensor sowohl auf den Berührungssensor als auch auf die assoziierte Berührungssensor-Steuereinrichtung beziehen. Entsprechend kann sich eine Bezugnahme auf eine Berührungssensor-Steuereinrichtung sowohl auf die Berührungssensor-Steuereinrichtung als auch auf den assoziierten Berührungssensor beziehen. Der Berührungssensor 10 kann einen oder mehrere berührungsempfindliche Bereiche umfassen. Der Berührungssensor 10 kann eine Anordnung von Treiber- und Messelektroden (oder eine Anordnung von Elektroden eines einzelnen Typs) auf einem oder mehreren Substraten, die aus einem dielektrischen Material ausgebildet sein können, umfassen. Eine Bezugnahme auf einen Berührungssensor kann sich sowohl auf die Elektroden des Berührungssensors als auch auf das oder die Substrate, auf denen die Elektroden angeordnet sind, beziehen. Alternativ dazu kann sich eine Bezugnahme auf einen Berührungssensor auf die Elektroden des Berührungssensors, aber nicht auf das oder die Substrate, auf denen die Elektroden angeordnet sind, beziehen.
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Eine Elektrode (wobei es sich um eine Erdungselektrode, eine Schutzelektrode, eine Treiberelektrode oder eine Messelektrode handeln kann) kann durch einen Bereich aus einem leitenden Material in einer Form wie etwa einem Kreis, einem Quadrat, einem Rechteck, einer dünnen Linie oder einer anderen geeigneten Form oder einer geeigneten Kombination aus denselben gebildet werden. Ein oder mehrere Schnitte in einer oder mehreren Schichten des leitenden Materials können (wenigstens teilweise) die Form einer Elektrode bestimmen, wobei die Fläche der Form (wenigstens teilweise) durch diese Schnitte begrenzt werden kann. In bestimmten Ausführungsformen kann das leitende Material einer Elektrode ungefähr 100% der Fläche der Form einnehmen. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann eine Elektrode aus einem transparenten Material wie etwa Indiumzinnoxid (ITO) ausgebildet sein, wobei das ITO der Elektrode ungefähr 100% der Fläche der Form einnehmen kann (dies wird gelegentlich auch als 100%-Füllung bezeichnet). In bestimmten Ausführungsformen kann das leitende Material einer Elektrode wesentlich weniger als 100% der Fläche der Form einnehmen. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann eine Elektrode einen oder mehreren opaken Materialien wie etwa aus dünnen Linien aus Metall oder einem anderen leitenden Material (FLM) wie etwa Kupfer, Silber oder einem kupfer- oder silberbasierten Material bestehen, wobei die dünnen Linien aus einem leitenden Material ungefähr 5% der Fläche der Form in einem schraffierten, netzartigen oder anderen geeigneten Muster einnehmen können. Eine Bezugnahme auf FLM kann sich auf ein derartiges Material beziehen. Es werden hier bestimmte Elektroden aus einem bestimmten leitenden Material beschrieben, die bestimmte Formen mit bestimmten Füllungsprozentsätzen in bestimmten Mustern bilden, wobei gemäß der Erfindung aber auch beliebige andere, geeignete Elektroden aus einem beliebigen, geeigneten leitenden Material verwendet werden können, die beliebige Formen mit beliebigen Füllungsprozentsätzen in beliebigen Mustern bilden können.
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Dabei können die Formen der Elektroden (oder anderen Elemente) eines Berührungssensors ein oder mehrere Makromerkmale des Berührungssensors vollständig oder teilweise bilden. Eine oder mehrere Eigenschaften der Implementierung dieser Formen (wie etwa der leitenden Materialien, der Füllungen oder der Muster in den Formen) können ein oder mehrere Mikromerkmale des Berührungssensors vollständig oder teilweise bilden. Ein oder mehrere der Makromerkmale eines Berührungssensors können eine oder mehrere Eigenschaften seiner Funktionalität bestimmen, und ein oder mehrere Mikromerkmale des Berührungssensors können eine oder mehrere optische Eigenschaften des Berührungssensors wie etwa die Durchlässigkeit, die Brechung oder die Reflexion bestimmen.
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Ein mechanischer Stapel kann das Substrat (oder die mehreren Substrate) und das leitende Material der Treiber- oder Messelektroden des Berührungssensors 10 enthalten. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann der mechanische Stapel eine erste Schicht aus einem optisch klaren Kleber (OCA) unter einem Deckpaneel umfassen. Das Deckpaneel kann klar sein und kann aus einem elastischen Material ausgebildet sein, das für eine wiederholte Berührung geeignet ist, wobei es sich zum Beispiel um Glas, Polycarbonat oder Poly(methylmethacrylat) (PMMA) handeln kann. Gemäß der Erfindung kann ein beliebiges, geeignetes Deckpaneel aus einem beliebigen, geeigneten Material verwendet werden. Die erste Schicht aus OCA kann zwischen dem Deckpaneel und dem Substrat angeordnet sein, wobei das leitende Material die Treiber- oder Messelektroden bildet. Der mechanische Stapel kann auch eine zweite Schicht aus OCA und eine dielektrische Schicht (die aus PET oder einem anderen geeigneten Material ausgebildet ist, das demjenigen des Substrats mit dem leitenden Material für die Treiber- oder Messelektroden ähnlich ist) umfassen. Alternativ hierzu kann eine dünne Beschichtung aus einem dielektrischen Material anstelle der zweiten Schicht aus OCA und der dielektrischen Schicht aufgetragen werden. Die zweite Schicht aus OCA kann zwischen dem Substrat mit dem leitenden Material für die Treiber- oder Messelektroden und der dielektrischen Schicht angeordnet sein; und die dielektrische Schicht kann zwischen der zweiten Schicht aus OCA und einem Luftspalt zu einem Display eines Geräts, das den Berührungssensor 10 und die Berührungssensor-Steuereinrichtung 12 enthält, angeordnet sein. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann das Deckpaneel eine Dicke von ungefähr 1 mm aufweisen, kann die erste Schicht aus OCA eine Dicke von ungefähr 0,05 mm aufweisen, kann das Substrat mit dem leitenden Material für die Treiber- und Messelektroden eine Dicke von ungefähr 0,05 mm aufweisen, kann die zweite Schicht aus OCA eine Dicke von ungefähr 0,05 mm aufweisen und kann die dielektrische Schicht eine Dicke von ungefähr 0,05 mm aufweisen. Es wird hier ein bestimmter mechanischer Stapel mit einer bestimmten Anzahl von bestimmten Schichten aus bestimmten Materialien und mit bestimmten Dicken beschrieben, wobei gemäß der Erfindung jedoch auch ein beliebiger anderer, geeigneter mechanischer Stapel mit einer beliebigen, geeigneten Anzahl von beliebigen, geeigneten Schichten aus beliebigen, geeigneten Materialien und mit beliebigen, geeigneten Dicken verwendet werden kann. Zum Beispiel kann in bestimmten Ausführungsformen eine Schicht aus einem Kleber oder einem dielektrischen Material anstelle der dielektrischen Schicht, der zweiten Schicht aus OCA und dem oben genannten Luftspalt vorgesehen sein, wobei in diesem Fall kein Luftspalt zu dem Display vorhanden ist.
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In bestimmten Ausführungsformen kann der mechanische Stapel mit dem darin enthaltenen Substrat und den Treiber- oder Messelektroden in einem Anzeigepaneel (d. h. also als ein In-Zellen-Sensor) oder an einem Anzeigepaneel (d. h. also als ein An-Zellen-Sensor) ausgebildet sein. Bei einem In-Zellen-Sensor kann die Anzeige auf demselben Substrat wie die Treiber- oder Messelektroden vorgesehen sein. Das Anzeigepaneel kann eine Flüssigkristallanzeige (LCD) eine LED-Anzeige, eine LED-Hintergrundbeleuchtungs-LCD oder eine beliebige andere, geeignete elektronische Anzeige sein und kann durch den Berührungssensor 10, der den berührungsempfindlichen Bereich bildet, hindurch sichtbar sein. Es werden hier bestimmte Anzeigetypen beschrieben, wobei die Erfindung jedoch in Verbindung mit beliebigen, geeigneten Anzeigetypen realisiert werden kann.
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Ein oder mehrere Teile des Substrats des Berührungssensors 10 können aus Polyethylenterephthalat (PET) oder einem anderen geeigneten Material ausgebildet sein. Gemäß der Erfindung kann jedoch auch ein beliebiges anderes, geeignetes Substrat verwendet werden, in dem beliebige, geeignete Teile aus einem beliebigen, geeigneten Material ausgebildet sein können. In bestimmten Ausführungsformen können die Treiber- oder Messelektroden in dem Berührungssensor 10 vollständig oder teilweise aus ITO ausgebildet sein. In bestimmten Ausführungsformen können die Treiber- oder Messelektroden in dem Berührungssensor 10 aus dünnen Linien aus Metall oder einem anderen leitenden Material ausgebildet sein. In einem nicht einschränkenden Beispiel können ein oder mehrere Teile des leitenden Materials aus Kupfer oder einem kupferbasierten Material ausgebildet sein und eine Dicke von ungefähr 5 μm oder weniger und eine Breite von ungefähr 10 μm oder weniger aufweisen. In einem anderen Beispiel können ein oder mehrere Teile des leitenden Materials aus Silber oder einem silberbasierten Material ausgebildet sein und eine Dicke von ungefähr 5 μm oder weniger und eine Breite von ungefähr 10 μm oder weniger aufweisen. Gemäß der Erfindung können aber auch beliebige andere, geeignete Elektroden aus einem beliebigen, geeigneten Material verwendet werden.
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Der Berührungssensor 10 kann eine kapazitive Form von Berührungserfassung implementieren. In einer Gegenkapazitätsimplementierung kann der Berührungssensor 10 eine Anordnung aus Treiber- und Messelektroden umfassen, die eine Anordnung von kapazitiven Knoten bilden. Eine Treiberelektrode und eine Messelektrode können einen kapazitiven Knoten bilden. Die Treiber- und Messelektroden des kapazitiven Knotens können einander nahe kommen, stellen aber keinen elektrischen Kontakt miteinander her. Statt dessen sind die Treiber- und Messelektroden über einen dazwischen liegenden Zwischenraum kapazitiv miteinander gekoppelt. Eine Puls- oder Wechselspannung, die an der Treiberelektrode (durch die Berührungssensor-Steuereinrichtung 12) angelegt wird, kann eine Ladung an der Messelektrode induzieren, wobei die induzierte Ladungsmenge einem externen Einfluss (wie etwa einer Berührung oder der Nähe eines Objekts) unterliegen kann. Wenn ein Objekt den kapazitiven Knoten berührt oder in die Nähe desselben gelangt, kann eine Kapazitätsänderung an dem kapazitiven Knoten auftreten, wobei die Berührungssensor-Steuereinrichtung 12 die Kapazitätsänderung messen kann. Durch das Messen von Kapazitätsänderungen über die gesamte Anordnung kann die Berührungssensor-Steuereinrichtung 12 die Position der Berührung oder Näherung in dem oder den berührungsempfindlichen Bereichen des Berührungssensors 10 bestimmen.
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Bei einer Eigenkapazitätsimplementierung kann der Berührungssensor 10 eine Anordnung von Elektroden eines einzelnen Typs umfassen, die jeweils einen kapazitiven Knoten bilden können. Wenn ein Objekt den kapazitiven Knoten berührt oder in die Nähe desselben gelangt, kann eine Änderung in der Eigenkapazität an dem kapazitiven Knoten auftreten, wobei die Berührungssensor-Steuereinrichtung 12 die Kapazitätsänderung zum Beispiel als eine Änderung der Ladungsmenge messen kann, die zum Heben der Spannung an dem kapazitiven Knoten um eine vorbestimmte Größe erforderlich ist. Wie bei der Gegenkapazitätsimplementierung kann die Berührungssensor-Steuereinrichtung 12 durch das Messen von Kapazitätsänderungen über die gesamte Anordnung die Position der Berührung oder Näherung in dem oder den berührungsempfindlichen Bereichen des Berührungssensors 10 bestimmen. Gemäß der Erfindung kann aber auch eine beliebige andere, geeignete Form von kapazitiver Berührungserfassung verwendet werden.
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In bestimmten Ausführungsformen können eine oder mehrere Treiberelektroden gemeinsam eine Treiberleitung bilden, die sich horizontal oder vertikal oder in einer beliebigen anderen, geeigneten Ausrichtung erstreckt. Entsprechend können eine oder mehrere Messelektroden gemeinsam eine Messleitung bilden, die sich horizontal oder vertikal oder in einer beliebigen anderen, geeigneten Ausrichtung erstreckt. In bestimmten Ausführungsformen können die Treiberleitungen im Wesentlichen senkrecht zu den Messleitungen verlaufen. Eine Bezugnahme auf eine Treiberleitung kann sich auch auf eine oder mehrere Treiberelektroden in der Treiberleitung beziehen oder umgekehrt. Entsprechend kann sich eine Bezugnahme auf eine Messleitung auch auf eine oder mehrere Messelektroden in der Messleitung beziehen oder umgekehrt.
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Der Berührungssensor 10 kann Treiber- und Messelektroden aufweisen, die in einem Muster auf einer Seite eines einzelnen Substrats angeordnet sind. Bei einer derartigen Konfiguration kann ein Paar von Treiber- und Messelektroden, die über einen dazwischen liegenden Zwischenraum kapazitiv miteinander gekoppelt sind, einen kapazitiven Knoten bilden. Für eine Eigenkapazitätsimplementierung können Elektroden eines einzelnen Typs in einem Muster auf einem einzelnen Substrat angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ zu den in einem Muster auf einer Seite eines einzelnen Substrats angeordneten Treiber- und Messelektroden kann der Berührungssensor 10 Treiberelektroden, die in einem Muster auf einer Seite eines Substrats angeordnet sind, und Messelektroden, die in einem Muster auf einer anderen Seite des Substrats angeordnet sind, umfassen. Außerdem kann der Berührungssensor 10 Treiberelektroden, die in einem Muster auf einer Seite eines Substrats angeordnet sind, und Messelektroden, die in einem Muster auf einer Seite eines anderen Substrats angeordnet sind, umfassen. Bei derartigen Konfigurationen kann eine Kreuzung aus einer Treiberelektrode und einer Messelektrode einen kapazitiven Knoten bilden. Eine derartige Kreuzung kann eine Position sein, an der die Treiber- und die Messelektrode einander „kreuzen” oder sich in ihren jeweiligen Ebenen am nächsten kommen. Die Treiber- und Messelektroden stellen keinen elektrischen Kontakt miteinander her, sondern sind über ein Dielektrikum an der Kreuzung kapazitiv miteinander gekoppelt. Es werden hier bestimmte Konfigurationen von bestimmten Elektroden zum Bilden von bestimmten Knoten beschrieben, wobei gemäß der Erfindung aber auch eine beliebige andere, geeignete Konfiguration aus beliebigen, geeigneten Elektroden zum Bilden von beliebigen, geeigneten Knoten verwendet werden kann. Außerdem können gemäß der Erfindung beliebige, geeignete Elektroden verwendet werden, die auf einer beliebigen, geeigneten Anzahl von beliebigen, geeigneten Substraten in beliebigen, geeigneten Mustern angeordnet sind.
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Wie oben beschrieben, kann eine Kapazitätsänderung an einem kapazitiven Knoten des Berührungssensors 10 eine Berührungs- oder Näherungseingabe an der Position des kapazitiven Knotens angeben. Die Berührungssensor-Steuereinrichtung 12 kann die Kapazitätsänderung erfassen und verarbeiten, um das Vorhandensein und die Position der Berührungs- oder Näherungseingabe zu bestimmen. Die Berührungssensor-Steuereinrichtung 12 kann dann Informationen bezüglich der Berührungs- oder Näherungseingabe zu einer oder mehreren anderen Komponenten (wie etwa einer oder mehreren zentralen Verarbeitungseinheiten (CPUs)) eines Geräts leiten, das einen Berührungssensor 10 und eine Berührungssensor-Steuereinrichtung 12 umfasst, die auf die Berührungs- oder Näherungseingabe reagieren können, indem sie eine damit assoziierte Funktion des Geräts (oder eine auf dem Gerät ausgeführte Anwendung) einleiten. Es wird hier eine bestimmte Berührungssensor-Steuereinrichtung mit einer bestimmten Funktionalität mit Bezug auf ein bestimmtes Gerät und einen bestimmten Berührungssensor beschrieben, wobei gemäß der Erfindung aber auch eine beliebige andere, geeignete Berührungssensor-Steuereinrichtung mit einer beliebigen, geeigneten Funktionalität mit Bezug auf ein beliebiges, geeignetes Gerät und einen beliebigen, geeigneten Berührungssensor verwendet werden kann.
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Die Berührungssensor-Steuereinrichtung 12 kann eine oder mehrere integrierte Schaltkreise (ICs) wie etwa allgemeine Mikroprozessoren, Mikrocontroller, programmierbare logische Einrichtungen oder Anordnungen und anwendungsspezifische ICs (ASICs) umfassen. Zum Beispiel kann die Steuereinrichtung 12 ein computerlesbares Speichermedium enthalten, das eine Logik speichert, die bei einer Ausführung durch einen Prozessor betrieben werden kann, um eine oder mehrere Funktionen der hier beschriebenen Steuereinrichtung 12 auszuführen. In bestimmten Ausführungsformen ist die Berührungssensor-Steuereinrichtung 12 auf einer flexiblen Leiterplatte (FPC) angeordnet, die wie weiter unten beschrieben mit dem Substrat des Berührungssensors 10 verbunden ist. Die FPC kann aktiv oder passiv sein. In bestimmten Ausführungsformen sind mehrere Berührungssensor-Steuereinrichtungen 12 auf der FPC angeordnet. Die Berührungssensor-Steuereinrichtung 12 kann eine Prozessoreinheit, eine Treibereinheit, eine Messeinheit und eine Speichereinheit umfassen. Die Treibereinheit kann Treibersignale zu den Treiberelektroden des Berührungssensors 10 zuführen. Die Messeinheit kann die Ladung an den kapazitiven Knoten des Berührungssensors 10 messen und kann Messsignale, die die Kapazitäten an den kapazitiven Knoten wiedergeben, zu der Prozessoreinheit führen. Die Prozessoreinheit kann die Zufuhr der Treibersignale zu den Treiberelektroden durch die Treibereinheit steuern und Messsignale von der Messeinheit verarbeiten, um das Vorhandensein und die Position einer Berührungs- oder Näherungseingabe innerhalb des oder den berührungsempfindlichen Bereichen des Berührungssensors 10 zu erfassen und zu verarbeiten. Die Prozessoreinheit kann außerdem Änderungen in der Position einer Berührungs- oder Näherungseingabe innerhalb des oder den berührungsempfindlichen Bereichen des Berührungssensors 10 verfolgen. Die Speichereinheit kann eine Programmierung für die Ausführung durch die Prozessoreinheit einschließlich einer Programmierung zum Steuern der Treibereinheit für das Zuführen von Treibersignalen zu den Treiberelektroden, einer Programmierung zum Verarbeiten von Messsignalen aus der Messeinheit und anderen geeigneten Programmierungen speichern. Es wird hier eine bestimmte Berührungssensor-Steuereinrichtung mit einer bestimmten Implementierung und bestimmten Komponenten beschrieben, wobei die Erfindung aber auch eine beliebige andere, geeignete Berührungssensor-Steuereinrichtung mit einer beliebigen, geeigneten Implementierung und beliebigen, geeigneten Komponenten verwenden kann.
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Leiterbahnen 14 aus einem leitenden Material, die auf dem Substrat des Berührungssensors 10 angeordnet sind, können die Treiber- oder Messelektroden des Berührungssensors 10 mit Verbindungsinseln 16 verbinden, die ebenfalls auf dem Substrat des Berührungssensors 10 angeordnet sind. Wie weiter unten beschrieben, sorgen die Verbindungsinseln 16 für eine Verbindung der Leiterbahnen 14 mit der Berührungssensor-Steuereinrichtung 12. Die Leiterbahnen 14 können sich in und um (z. B. an den Rändern) der berührungsempfindlichen Bereiche des Berührungssensors 10 erstrecken. Bestimmte Leiterbahnen 14 können Treiberverbindungen für eine Verbindung der Berührungssensor-Steuereinrichtung 12 mit den Treiberelektroden des Berührungssensors 10 vorsehen, über welche die Treibereinheit der Berührungssensor-Steuereinrichtung 12 Treibersignale zu den Treiberelektroden zuführen kann. Andere Leiterbahnen 14 können Messverbindungen für die Verbindung der Berührungssensor-Steuereinrichtung 12 mit den Messelektroden des Berührungssensors 10 vorsehen, über welche die Messeinheit der Berührungssensor-Steuereinrichtung 12 die Ladung an den kapazitiven Knoten des Berührungssensors 10 messen kann. Die Leiterbahnen 14 können aus feinen Linien aus Metall oder einem anderen leitenden Material ausgebildet sein. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann das leitende Material der Leiterbahnen 14 Kupfer oder ein kupferbasiertes Material sein und eine Breite von ungefähr 100 μm oder weniger aufweisen. In einem anderen Beispiel kann das leitende Material der Leiterbahnen 14 Silber oder ein silberbasiertes Material sein und eine Breite von ungefähr 100 μm oder weniger aufweisen. In bestimmten Ausführungsformen können die Leiterbahnen 14 vollständig oder teilweise aus ITO zusätzlich oder alternativ zu den feinen Linien aus Metall oder einem anderen leitenden Material ausgebildet sein. Es werden hier bestimmte Leiterbahnen aus bestimmten Materialien und mit bestimmten Breiten beschrieben, wobei die Erfindung jedoch auch beliebige andere, geeignete Leiterbahnen aus beliebigen, geeigneten Materialien und mit beliebigen, geeigneten Breiten verwenden kann. Zusätzlich zu den Leiterbahnen 14 kann der Berührungssensor 10 eine oder mehrere Erdungsleitungen umfassen, die an einem Erdungsanschluss (der eine Verbindungsinsel 16 sein kann) an einem Rand des Substrats des Berührungssensors 10 (ähnlich wie die Leiterbahnen 14) enden.
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Verbindungsinseln 16 können entlang einer oder mehrerer Ränder des Substrats außerhalb des oder der berührungsempfindlichen Bereiche des Berührungssensors 10 angeordnet sein. Wie weiter oben beschrieben, kann die Berührungssensor-Steuereinrichtung 12 auf einer FPC angeordnet sein. Die Verbindungsinseln 16 können aus demselben Material wie die Leiterbahnen 14 ausgebildet sein und können unter Verwendung eines anisotropischen, leitenden Films (ACF) mit der FPC verbunden sein. Eine Verbindung 18 kann leitende Linien auf der FPC umfassen, die die Berührunssensor-Steuereinrichtung 12 mit Verbindungsinseln 16 verbinden, die wiederum die Berührungssensor-Steuereinrichtung 12 mit den Leiterbahnen 14 und mit den Treiber- oder Messelektroden des Berührungssensors 10 verbinden. In einer anderen Ausführungsform können die Verbindungsinseln 16 mit einem elektromechanischen Stecker (wie etwa einem Draht-Leiterplatten-Stecker, für den keine Einsteckkraft aufgewendet werden muss) verbunden werden, wobei in dieser Ausführungsform die Verbindung 18 keine FPC umfassen muss. Die Erfindung kann aber auch eine beliebige andere, geeignete Verbindung 18 zwischen der Berührungssensor-Steuereinrichtung 12 und dem Berührungssensor 10 verwenden.
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2 zeigt ein beispielhaftes System 200 zum Kompensieren einer an einem kapazitiven Knoten Cx,y einer Gegenkapazitätsimplementierung eines Berührungssensors 10 von 1 vorhandenen Ladung. In dem Beispiel von 2 enthält das System 200 eine Steuereinrichtung 12a und einen Berührungssensor 10a. Die Steuereinrichtung 12a und der Berührungssensor 10a können jeweils beliebige, geeignete Eigenschaften der Steuereinrichtung 12 und des Berührungssensors 10 wie oben beschrieben enthalten. In der gezeigten Ausführungsform enthält die Steuereinrichtung 12a einen Kompensationskondensator Ccomp, einen Multiplexer 208, eine Integrationsschaltung 210, einen Analog-Digital-Wandler (ADW) 212 oder einen beliebigen anderen Spannungspegelerfasser, einen Treiber 214, einen Wechselrichter 215 und einen Schalter 224. Die Integrationsschaltung 210 enthält einen Operationsverstärker 216, einen Multiplexer 218, ein Schaltsystem 220 und einen Integrationskondensator Cint. In der gezeigten Ausführungsform ist der Cint mit einem negativen Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 216 parallel zu dem Schaltsystem 220 verbunden. Ein positiver Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 216 ist mit einer Spannung wie z. B. der halben Bezugsspannung Vref verbunden. Die parallele Kombination aus dem Integrationskondensator Cint und dem Schaltsystem 220 bildet eine Regelschleife mit dem Operationsverstärker 216. Die Steuereinrichtung 12a kann mit einem Berührungssensor 10a über eine oder mehrere Treiberleitungen x und eine oder mehrere Messleitungen y verbunden sein.
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In bestimmten Ausführungsformen können der Ccomp und die Integrationsschaltung 210 derart betrieben werden, dass die Steuereinrichtung 12a eine an dem Cx,y vorhandene Basisladung kompensieren kann. Die Basisladung ist eine an dem Cx,y vorhandene Ladungsmenge, wenn keine Berührung in Bezug auf den Cx,y vorhanden ist (bzw. wenn sich das Objekt 222 nicht in der Nähe des Cx,y befindet). Die Basisladung kann durch ein von der Steuereinrichtung 12a an den Cx,y gesendetes Treibersignal induziert werden. Wenn sich ein Objekt 222 in der Nähe des Cx,y befindet, kann das Objekt eine Änderung in der effektiven Kapazität des Cx,y verursachen, indem es Ladung von dem Cx,y absorbiert. In typischen Situationen ist die Änderung der effektiven Kapazität klein und beträgt z. B. ungefähr 10 Prozent. Dementsprechend kann in einer derartigen Situation die an dem Cx,y vorhandene Ladung, wenn ein Treibersignal an den Cx,y gesendet wird, ungefähr 90 Prozent der Basisladung betragen. Die Differenz zwischen der Basisladung des Cx,y und der tatsächlich während der Messung an dem Cx,y vorhandenen Ladung wird hier als Delta-Ladung bezeichnet. In bestimmten Ausführungsformen kann eine ausreichende Größe der Delta-Ladung eine Berührungs- oder Näherungseingabe in Bezug auf den Cx,y angeben.
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In typischen Berührungssensoren wird die an dem Cx,y vorhandene Ladung analysiert, um zu bestimmen, ob eine Berührung in Bezug auf den Cx,y aufgetreten ist. In einer verrauschten Umgebung muss die Ladung unter Umständen mehrere Male für viele aufeinander folgende Treibersignale abgetastet werden, um eine Berührung zuverlässig festzustellen, weil die Differenz zwischen der Basisladung des Cx,y und der während einer Berührung vorhandenen Ladung klein ist. In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden der Ccomp und die Schaltung 210 betrieben, um die Basisladung aus der Messung zu entfernen, sodass nur die Delta-Ladung abgetastet und analysiert wird, um zu bestimmen, ob eine Berührung aufgetreten ist. Wenn also keine Berührung vorhanden ist, dann wird eine Ladung, die im Wesentlichen gleich null ist, durch die Integrationsschaltung 210 gesammelt. Wenn jedoch eine Berührung vorhanden ist, dann wird eine auf der Delta-Ladung basierende Ladung durch die Integrationsschaltung 210 für die Messung gesammelt. Zum Beispiel kann die durch die Integrationsschaltung 210 gesammelte Ladung die Delta-Ladung selbst oder eine verstärkte Version der Delta-Ladung sein. In bestimmten Ausführungsformen kann eine Verstärkung der Delta-Ladung die Anzahl von Messabtastungen reduzieren, die erforderlich sind, um eine Berührung an einem kapazitiven Knoten Cx,y zuverlässig zu erfassen. Eine Verstärkung kann auch in Situationen verwendet werden, in denen die gesamte Ladung an dem Cx,y gemessen wird, wobei jedoch eine Sättigung des Operationsverstärkers viel früher eintritt, was sich negativ auf die Genauigkeit der Messungen auswirkt. Eine Kompensation für die Basisladung des Cx,y gestattet, dass eine Berührung durch das Messen von weniger Abtastungen erfasst wird. Dementsprechend können verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung technische Vorteile wie etwa eine Reduktion des Stromverbrauchs, eine Erhöhung der Messgeschwindigkeit und/oder eine Erhöhung der Genauigkeit der Berührungserfassung bieten. Das System 200 und entsprechende andere Ausführungsformen können auch den Vorteil bieten, dass sie weitgehend immun gegenüber einer Temperaturveränderung sind, sodass die Basisladung über einen großen Bereich von Betriebstemperaturen hinweg korrekt kompensiert werden kann.
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In bestimmten Ausführungsformen ist der Berührungssensor 10a ein Gegenkapazitäts-Berührungssensor, der eine Anordnung von Treiberelektroden und Messelektroden enthält, die jeweils mit entsprechenden Treiberleitungen x oder Messleitungen y verbunden sind. Jede Kreuzung aus einer Treiberelektrode und einer Messelektrode bildet einen kapazitiven Knoten Cx,y. Die Steuereinrichtung 12a kann eine Änderung in der Kapazität erfassen und verarbeiten, um das Vorhandensein und die Position einer Berührungs- oder Näherungseingabe zu bestimmen. Die Steuereinrichtung 12a kann eine oder mehrere integrierte Schaltungen (ICs) wie etwa Universal-Mikroprozessoren, Mikrocontroller, programmierbare logische Einrichtungen oder Anordnungen und anwendungsspezifische ICs (ASICs) umfassen. Es wird hier eine bestimmte Steuereinrichtung in dem System 200 beschrieben, wobei die Erfindung jedoch eine beliebige, geeignete Steuereinrichtung in dem System 200 verwenden kann.
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Der Treiber 214 sendet ein Treibersignal an eine oder mehrere Treiberelektroden über die Treiberleitungen x. Das Treibersignal kann einen oder mehrere Spannungsübergänge wie etwa einen Übergang von einer hohen Spannung zu einer niedrigen Spannung oder umgekehrt aufweisen. In bestimmten Ausführungsformen ist die hohe Spannung eine Versorgungsspannung mit einer Größe Vref, die auch als eine Versorgungsspannung für den Operationsverstärker 216, den Wechselrichter 215 oder den ADW 212 verwendet wird, während die niedrige Spannung eine Erde der Steuereinrichtung 12a ist. In anderen Ausführungsformen können beliebige andere, geeignete hohe und niedrige Spannungen verwendet werden.
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Das Treibersignal kann eine Ladung an der assoziierten Messelektrode über den kapazitiven Knoten Cx,y induzieren. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann der Treiber 214 als ein Wechselrichter mit einem p-Typ-Metalloxid-Halbleiter(PMOS)-Transistor px und einem n-Typ-Metalloxid-Halbleiter(NMOS)-Transistor nx implementiert werden. Der Treiber 214 kann auch durch andere Schaltungen wie etwa einen analogen Puffer zum Vorsehen von vorbestimmten Spannungspegeln realisiert werden. Eine Interaktion zwischen einem Objekt 222 und dem Berührungssensor 10a kann die an einer oder mehreren Messelektroden induzierte Ladungsmenge beeinflussen. Die induzierte Ladung wird durch die Steuereinrichtung 12a als eine Änderung der Kapazität erfasst.
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Der Treiber 214 kann auch das Treibersignal an den Wechselrichter 215 senden. In bestimmten Ausführungsformen sendet der Treiber 214 das Treibersignal gleichzeitig an die eine oder die mehreren Treiberelektroden und an den Wechselrichter 215. Der Wechselrichter 215 empfängt und invertiert das Treibersignal. Zum Beispiel kann der Wechselrichter 215 eine niedrige Spannung empfangen und eine hohe Spannung ausgeben oder aber eine hohe Spannung empfangen und eine niedrige Spannung ausgeben.
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Das invertierte Treibersignal wird an einem Kompensationskondensator Ccomp angelegt. Das invertierte Treibersignal kann eine Ladung an einer oder mehreren der Elektroden des Kondensators Ccomp induzieren. In bestimmten Ausführungsformen ist die Kapazität des Ccomp im Wesentlichen gleich der Kapazität des Cx,y. In derartigen Ausführungsformen kann die Anlegung des invertierten Treibersignals an dem Ccomp bewirken, dass eine durch den Ccomp gespeicherte Ladung induziert wird, die im Wesentlichen die gleiche Größe aufweist wie die durch das Treibersignal induzierte und an dem Cx,y gespeicherte Ladung, wenn keine Berührung gegeben ist. Die durch den Ccomp gespeicherte Ladung weist jedoch eine Polarität auf, die der Polarität der durch den Cx,y gespeicherten Ladung entgegen gesetzt ist. Wenn also die durch den Cx,y und den Ccomp gespeicherten Ladungen zu einem Summierungs-Übergang (z. B. zu dem Knoten, der den Multiplexer 218 mit dem Schalter 224 verbindet) freigegeben werden, kann die an dem Ccomp vorhandene Ladung die an dem Cx,y vorhandene Basisladung (d. h. die an dem Cx,y vorhandene Ladung, wenn keine Berührung gegeben ist) aufheben. Dementsprechend wird nur die nicht aufgehobene Ladung zu der Integrationsschaltung 210 zugeführt, um zu analysieren, ob eine Berührung aufgetreten ist. Die nicht aufgehobene Ladung ist die oben genannte Delta-Ladung, d. h. die Differenz zwischen der Basisladung des Cx,y und der tatsächlich an dem Cx,y vorhandenen Ladung.
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Ein einzelnes Kondensatorsystem Ccomp und eine einzelne Integrationsschaltung 210 können verwendet werden, um eine Ladung für einen oder mehrere kapazitive Knoten Cx,y zu kompensieren und die durch die kapazitiven Knoten Cx,y gespeicherten Delta-Ladungen zu messen. In bestimmten Ausführungsformen wählt der Multiplexer 218 der Integrationsschaltung 210 eine der mit dem Multiplexer 218 verbundenen Messleitungen y aus. Der Multiplexer 218 sieht einen Pfad zwischen der Messleitung y und der Integrationsschaltung 210 vor, sodass sich eine Ladung von dem kapazitiven Knoten Cx,y oder dem Kondensatorsystem Ccomp in der Schaltung 210 für eine Messung akkumulieren kann. Der Multiplexer 218 wählt dann eine andere Messleitung y für die Messung aus. In bestimmten Ausführungsformen wählt der Multiplexer 218 jede Messleitung y in Übereinstimmung mit einer vorbestimmten Sequenz aus.
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In bestimmten Ausführungsformen kann der Ccomp ein abstimmbares Kondensatorsystem sein, das einen oder mehrere Kondensatoren umfasst. Zu einem beliebigen, geeigneten Zeitpunkt wie etwa während der Herstellung kann der Kapazitätswert des Ccomp abgestimmt werden, um der Kapazität eines oder mehrerer kapazitiver Knoten Cx,y zu entsprechen. In bestimmten Ausführungsformen weisen die Werte von kapazitiven Knoten Cx,y, die nahe zueinander angeordnet sind, allgemein die gleiche Kapazität auf. Dementsprechend kann der Ccomp auf diese Kapazität abgestimmt werden und verwendet werden, um die Ladung für mehrere verschiedene kapazitive Knoten Cx,y zu kompensieren. In einigen Ausführungsformen kann der Ccomp verwendet werden, um die Ladung für distinkte kapazitive Knoten Cx,y mit jeweils verschiedenen Kapazitäten zu kompensieren. Zum Beispiel kann ein erster Code den Ccomp auf eine Kapazität eines ersten kapazitiven Knotens Cx,y setzen, während der erste kapazitive Knoten gemessen wird. Ein zweiter Code kann den Ccomp auf die Kapazität eines zweiten kapazitiven Knotens Cx,y setzen, während der zweite kapazitive Knoten gemessen wird. Derartige Ausführungsformen können für Berührungssensoren nützlich sein, die eine Anordnung von kapazitiven Knoten (wobei jeder kapazitive Knoten allgemein die gleiche Kapazität aufweist) sowie einen oder mehrere andere kapazitive Knoten wie etwa kapazitive Tasten, Räder oder Schieber (die andere Kapazitäten als die kapazitiven Knoten der Anordnung aufweisen können) enthalten. Eine geeignete Anzahl von Codes mit einer beliebigen, geeigneten Auflösung kann verwendet werden, um die Kapazität des Ccomp abzustimmen. In bestimmten Ausführungsformen können die hier beschriebenen Ladungskompensationstechniken wahlweise aktiviert werden. Zum Beispiel kann in bestimmten Ausführungsformen die Kompensation der Basisladung ausgeschaltet werden, indem der Schalter 224 geöffnet wird, und eingeschaltet werden, indem der Schalter 224 geschlossen wird.
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In bestimmten Ausführungsformen können dasselbe Kondensatorsystem Ccomp und die Integrationsschaltung 210 verwendet werden, um eine Ladung für Gegenkapazitätsknoten und Eigenkapazitätsknoten zu kompensieren und die an den kapazitiven Knoten vorhandenen Delta-Ladungen zu messen. Zum Beispiel kann der Multiplexer 218 mit einer oder mehreren Messleitungen y, die jeweils mit einer Messelektrode eines kapazitiven Knotens gekoppelt sind, und mit einer oder mehreren Leitungen, die jeweils mit einer Elektrode eines eine Eigenkapazität nutzenden Knotens (z. B. Cs in 3) gekoppelt sind, gekoppelt werden. In bestimmten Ausführungsformen können die Messsequenzen zum Messen der Delta-Ladung eines kapazitiven Knotens Cx,y, der eine Gegenkapazität nutzt, und zum Messen der Delta-Ladung eines kapazitiven Knotens Cs, der eine Eigenkapazität nutzt, verschieden sein. Beispielhafte Sequenzen werden hier in Verbindung mit 4 beschrieben.
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Die Integrationsschaltung 210 kann in verschiedenen Modi betrieben werden. Zum Beispiel kann in einem ersten Modus das Schaltsystem 220 eine Verbindung zwischen dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 216 und dem negativen Eingangsanschluss des Operationsverstärkers implementieren, um den Integrationskondensator Cint zu umgehen. Das Umgehen des Integrationskondensatorsystems Cint macht den Operationsverstärker 216 zu einem Einheitsverstärker, der die Spannung eines negativen Eingangsanschlusses des Operationsverstärkers 216 und die gewählte Eingabe des Multiplexers 218 (d. h. der Messleitung y) zu der Spannung eines positiven Anschlusses des Operationsverstärkers 216 treibt. In der gezeigten Ausführungsform ist diese Spannung gleich der halben Bezugsspannung (Vref/2). Durch das Schließen der Regelschleife des Operationsverstärkers 216 wird auch eine durch das Integrationskondensatorsystem Cint gespeicherte Ladung entfernt.
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In einem anderen Beispiel wird in einem zweiten Modus das mit der Regelschleife des Operationsverstärkers 216 gekoppelte Schaltsystem 220 geöffnet, sodass ein Integrator gebildet wird, der den Integrationskondensator Cint und den Operationsverstärker 216 verwendet. Durch das Öffnen des Schaltsystems 220 wird der Integrationskondensator Cint zwischen dem negativen Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des Integrators gekoppelt. Der Integrator erzeugt eine Spannung, die eine Funktion der von der ausgewählten Messleitung y und dem Kondensatorsystem Ccomp übertragenen Ladungsmenge ist. In bestimmten Ausführungsformen kann die Spannung auf der Basis der Ladungsmenge zu dem ADW 212 geführt werden, um zu einer digitalen Wiedergabe der Spannung gewandelt zu werden, die dann verarbeitet werden kann, um zu bestimmen, ob eine Berührung an dem Cx,y aufgetreten ist.
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In einem weiteren Beispiel wird in einem dritten Modus das Schaltsystem 220 derart geöffnet, dass die Polarität des Integrationskondensators Cint in Bezug auf die Polarität des Cint in dem zweiten Modus umgekehrt wird. Wenn zum Beispiel in dem zweiten Modus eine erste Elektrode des Cint mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 216 gekoppelt ist und eine zweite Elektrode des Cint mit dem negativen Eingangsanschluss des Operationsverstärkers gekoppelt ist, ist in dem dritten Modus die erste Elektrode des Cint mit dem negativen Eingangsanschluss des Operationsverstärkers gekoppelt und ist die zweite Elektrode des Cint mit dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers gekoppelt.
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In bestimmten Ausführungsformen tritt die Schaltung 210 in den zweiten Betriebsmodus ein, bevor das Treibersignal übergeführt wird (z. B. von einer hohen Spannung zu einer niedrigen Spannung). Das Treibersignal wird übergeführt, und die Schaltung 210 integriert die Summe der resultierenden Ladungen, die an dem Cx,y und dem Ccomp vorhanden sind, und speichert die Ladung an dem Cint. Die Schaltung 210 tritt dann in den dritten Betriebsmodus ein, bevor das Treibersignal zurück zu seinem ursprünglichen Wert übergeführt wird (z. B. von einer niedrigen Spannung zu einer hohen Spannung). Die Schaltung 210 integriert wiederum die Summe der resultierenden Ladungen an dem Cx,y und dem Ccomp addiert diese zu der bereits durch den Cint gespeicherten Ladung (wobei die Polarität von dem Cint umgekehrt wird, bevor das Integrieren der durch den zweiten Übergang induzierten Ladung verhindert, dass die neue Ladung die bereits in dem Cint vorhandene Ladung aufhebt). In bestimmten Ausführungsformen kann die Spannung auf der Basis der durch den Cint gespeicherten Ladungsmenge aufgrund von beiden Übergängen des Treibersignals zu dem ADW 212 für eine Wandlung zu einer digitalen Wiedergabe der Spannung geführt werden. Ausführungsformen, die eine Integration der durch das Treibersignal induzierten Ladung bei beiden Übergängen (d. h. von hoch zu niedrig und von niedrig zu hoch) vorsehen, können übliche Modusinterferenzen reduzieren oder beseitigen.
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Der Cint kann einen oder mehrere Kondensatoren mit einer beliebigen geeigneten Kapazität aufweisen. In bestimmten Ausführungsformen kann der Cint im Wesentlichen dieselbe Kapazität wie der Cx,y aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann der Cint eine kleinere Kapazität als der Cx,y aufweisen, sodass die Verstärkung des Operationsverstärkers 216 größer als eins ist. In derartigen Ausführungsformen kann die Verstärkung der Delta-Ladung zu genaueren Messungen und Stromeinsparungen führen, weil weniger Messungen erforderlich sind, um zu bestimmen, ob eine Berührung in Bezug auf den Cx,y aufgetreten ist. In bestimmten Ausführungsformen kann die Kapazität des Cint dynamisch eingestellt werden, um einen großen Dynamikbereich für die Ausgangsspannung der Integrationsschaltung 210 vorzusehen. Zum Beispiel können ein oder mehrere digitale Codes an das Kondensatorsystem Cint gesendet werden, um dessen Kapazität zu konfigurieren.
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Der Multiplexer 208 kann betrieben werden, um einen Eingang auszuwählen und den Eingang mit dem ADW 212 zu koppeln. Zum Beispiel kann in Ausführungsformen mit mehreren Integrationsschaltungen 210 der Multiplexer 208 eine bestimmte Integrationsschaltung 210 für die Kopplung mit dem ADW auswählen. Der Multiplexer 208 kann zwischen den Integrationsschaltungen 210 wechseln, sodass eine Spannung von jeder Integrationsschaltung 210 durch den ADW 212 zu einem digitalen Wert gewandelt werden kann.
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3 zeigt ein beispielhaftes System 300 zum Kompensieren der an einem kapazitiven Knoten Cs einer Eigenkapazitätsimplementierung des Berührungssensors von 1 vorhandenen Ladung. Dementsprechend ist der kapazitive Knoten Cs des Systems 300 mit einer einzelnen Elektrode gezeigt, während der kapazitive Knoten Cx,y des Systems 200 zwei Elektroden enthält. In dem Beispiel von 3 enthält das System 300 eine Steuereinrichtung 12b und einen Berührungssensor 10b. Die Steuereinrichtung 12b enthält ein Kondensatorsystem Ccomp, einen Multiplexer 308, eine Integrationsschaltung 310, einen ADW 312 oder einen anderen Spannungspegelerfasser, einen Treiber 314, einen Wechselrichter 315 und ein Schaltsystem 324. Die Integrationsschaltung 310 enthält einen Operationsverstärker 316, einen Multiplexer 318, ein Schaltsystem 320 und einen Integrationskondensator Cint. In der gezeigten Ausführungsform ist der Cint mit einem negativen Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 316 parallel zu dem Schaltsystem 320 gekoppelt. Ein positiver Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 316 ist mit einer Spannung wie z. B. der halben Bezugsspannung Vref gekoppelt. Die parallele Kombination des Integrationskondensators Cint und des Schaltsystems 320 bildet eine Regelschleife mit dem Operationsverstärker 316. Die Steuereinrichtung 12b kann mit dem Berührungssensor 10b über eine oder mehrere Leitungen z gekoppelt sein. Jede Komponente von 3 kann beliebige, geeignete Eigenschaften der entsprechenden Komponente von 2 aufweisen. Zum Beispiel können der Berührungssensor 10b, der Treiber 314, der Wechselrichter 315, das Ccomp-Schaltsystem 324, die Integrationsschaltung 310, der Multiplexer 308 und der ADW 312 beliebige, geeignete Eigenschaften aufweisen, die oben jeweils mit Bezug auf den Berührungssensor 10a, den Treiber 214, den Wechselrichter 215, das Ccomp-Schaltsystem 224, die Integrationsschaltung 210, den Multiplexer 208 und den ADW 212 beschrieben wurden.
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Der Eigenkapazitäts-Berührungssensor 10b enthält eine oder mehrere Elektroden, die mit einer assoziierten Leitung z gekoppelt sind, die als eine Treiberleitung und eine Messleitung dient. Der Eigenkapazitäts-Berührungssensor 110b erfasst das Vorhandensein eines Objekts 322 durch eine Interaktion zwischen dem Objekt 322 und einem durch eine oder mehrere Elektroden des Eigenkapazitäts-Berührungssensors 110b erzeugten elektrischen Feld. Der Eigenkapazitäts-Berührungssensor 10b kann eine oder mehrere kapazitive Knoten Cs enthalten, die jeweils eine einzelne Elektrode enthalten. Die Eigenkapazitätsimplementierung des Systems 300 kann auf ähnliche Weise betrieben werden wie das System 200. Dabei wird eine an Cs vorhandene und durch ein Treibersignal, wenn keine Berührung gegeben ist, induzierte Basisladung durch den Kompensationskondensator Ccomp kompensiert. Dementsprechend wird nur die Delta-Ladung (d. h. die Differenz zwischen der Basisladung und der tatsächlichen Ladung bei Cs) oder eine aus der Delta-Ladung abgeleitete Ladungsmenge (d. h. eine verstärkte Größe der Delta-Ladung) durch die Integrationsschaltung 310 integriert und in dem Integrationskondensator Cint gespeichert. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Ccomp dimensioniert sein, um eine durch eine parasitäre Kapazität Cpx induzierte Ladung zusätzlich zu der durch den Cs gespeicherten Basisladung aufzuheben. In bestimmten Ausführungsformen kann eine Spannung auf der Basis der durch den Cint gespeicherten Ladungsmenge zu dem ADW 212 geführt werden, um zu einer digitalen Wiedergabe der Spannung gewandelt zu werden. Ein beispielhafter Satz von Operationen des Systems 300 wird im größeren Detail mit Bezug auf 4 beschrieben.
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Die Systeme von 1, 2 und 3 wurden vorstehend mit bestimmten Komponenten beschrieben, wobei dem Fachmann jedoch deutlich sein sollte, dass die Systeme von 1, 2 und 3 aber auch eine beliebige Kombination aus den jeweils beschriebenen Komponenten, Optionen und Merkmalen aufweisen können. Zum Beispiel können beliebige der hier beschriebenen Optionen oder Merkmale in beliebigen Kombinationen mit den Ausführungsformen von 1, 2 und 3 verwendet werden.
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4 zeigt ein beispielhaftes Verfahren zum Kompensieren einer an einem kapazitiven Knoten eines Berührungssensors vorhandenen Ladung. Das Verfahren wird mit Bezug auf das System 200 von 2 beschrieben, wobei jedoch verschiedene Schritte des Verfahrens auch mit alternativen Ausführungsformen verwendet werden können. Das Verfahren beginnt in Schritt 402, in dem eine erste Spannung an einer ersten Elektrode eines kapazitiven Knotens angelegt wird. Zum Beispiel kann der Treiber 214 Vref an einer Treiberelektrode des Cx,y anlegen. In Schritt 404 wird eine zweite Spannung an einer ersten Elektrode eines Kompensationskondensators angelegt. Zum Beispiel kann der Treiber 214 Vref zur Erde invertieren und die invertierte Spannung an der oberen Elektrode des Ccomp anlegen. In Schritt 406 wird eine dritte Spannung an einer zweiten Elektrode des kapazitiven Knotens angelegt. Zum Beispiel kann ein Operationsverstärker 216 in den Einheitsverstärkungsmodus versetzt werden, indem das Schaltsystem 220 geschlossen wird. Dementsprechend wird der Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers auf Vref/2 gesetzt. Diese Spannung wird an der Messelektrode des Cx,y über den Multiplexer 218 angelegt. Indem die Spannung der ausgewählten Messleitung y bei im Wesentlichen Vref/2 gehalten wird, wird zu Beginn der Ladungsübertragung und am Ende der Ladungsübertragung der Effekt der parasitären Kapazitäten Cpy auf die Messleitungen aufgehoben. In bestimmten Ausführungsformen kann diese Spannung auch an der unteren Elektrode des Ccomp angelegt werden und können parasitäre Kapazitäten Cpx an der Treiberleitung angelegt werden.
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In verschiedenen Ausführungsformen können zwei oder mehr der Schritte 402, 404 und 406 gleichzeitig durchgeführt werden. Das System 200 kann sich also in einem Zustand befinden, in dem die Treiberelektrode des Cx,y auf Vref gesetzt ist, die obere Elektrode des Ccomp auf die Erde gesetzt ist und die Messelektrode von Cx,y auf Vref/2 gesetzt ist. In Schritt 408 wird ein Integrator gelöscht. Zum Beispiel kann die Ladung eines Integrationskondensators des Integrators gelöscht werden. Zum Beispiel kann die Ladung des Cint gelöscht werden, in dem das Schaltsystem 220 geschlossen wird. In bestimmten Ausführungsformen kann der Schritt 408 gleichzeitig zu dem Schritt 406 durchgeführt werden. Zum Beispiel können die Schritte 406 und 408 jeweils durch das Schließen des Schaltsystems 220 durchgeführt werden. In verschiedenen Ausführungsformen werden die Schritte 406 und 408 vor den Schritten 402 und 404 durchgeführt.
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In Schritt 410 wird die zweite Spannung an der ersten Elektrode des kapazitiven Knotens angelegt. Zum Beispiel kann das durch den Treiber 214 zugeführte Treibersignal von Vref zu der Erde übergehen und kann das Treibersignal an der Treiberelektrode des Cx,y angelegt werden. In Schritt 412 wird die erste Spannung an der ersten Elektrode des Kompensationskondensators angelegt. Zum Beispiel kann das geerdete Treibersignal von dem Treiber 214 durch den Wechselrichter 215 zu Vref invertiert werden und kann Vref an der oberen Elektrode des Ccomp angelegt werden. In bestimmten Ausführungsformen können die Schritte 410 und 412 gleichzeitig durchgeführt werden.
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In Schritt 414 kann eine nicht aufgehobene Ladung integriert werden. Zum Beispiel kann das Schaltsystem 220 schließen, damit die Integrationsschaltung 210 die von dem Cx,y und dem Ccomp empfangene Ladung integrieren kann. In bestimmten Ausführungsformen wird wenigstens ein Teil der durch die Integrationsschaltung 210 des Cx,y empfangenen Ladung durch die von dem Ccomp empfangene Ladung aufgehoben. Wie weiter oben beschrieben, kann der Ccomp konfiguriert sein, um eine Ladungsmenge zu speichern, die ungefähr gleich der durch den Cx,y gespeicherten Ladungsmenge ist und die entgegen gesetzte Polarität aufweist, wenn keine Berührung gegeben ist. Wenn also keine Berührung in Bezug auf den Cx,y gegeben ist, können die von dem Cx,y und dem Ccomp empfangenen Ladungen einander aufheben, sodass im Wesentlichen keine Ladung durch den Cint gespeichert wird. In dem Fall einer Berührung kann der Ccomp eine Ladung speichern, die sich von der durch den Cx,y gespeicherten Ladung aufgrund der durch die Berührung verursachten Effekte unterscheidet. Zum Beispiel kann eine Berührung durch ein passives Objekt wie etwa einen Finger die durch den Cx,y gespeicherte Ladungsmenge vermindern. In einem anderen Beispiel kann eine Berührung durch einen aktiven Eingabestift die durch den Cx,y gespeicherte Ladungsmenge erhöhen oder vermindern. In einer Situation, in welcher die Größe der durch den Ccomp gespeicherten Ladung größer als die Größe der durch den Cx,y gespeicherten Ladung ist, wird nach der Aufhebung der gesamten Ladung von Cx,y durch die entgegen gesetzte Ladung des Ccomp der Rest der Ladung des Ccomp integriert und durch den Cint gespeichert. In einer Situation, in welcher die Größe der durch den Ccomp gespeicherten Ladung kleiner als die Größe der durch den Cx,y gespeicherten Ladung ist, wird nach der Aufhebung der gesamten Ladung des Ccomp durch die entgegen gesetzte Ladung des Cx,y der Rest der Ladung des Cx,y integriert und durch den Cint gespeichert. Allgemein ist die integrierte Ladung gleich der Änderung der Ladung an dem Cx,y aufgrund der Berührung (d. h. gleich der Delta-Ladung) oder wird aus derselben abgeleitet (d. h. es kann eine Verstärkung durch die Integrationsschaltung 210 durchgeführt werden).
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In Schritt 416 wird die Polarität des Integratorkondensators umgekehrt. Zum Beispiel kann das Schaltsystem 220 einen oder mehrere Schalter öffnen oder schließen, sodass die Polarität des Integratorkondensators Cint in Bezug auf den Ausgangsanschluss und den negativen Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 216 umgekehrt wird. In Schritt 418 wird die erste Spannung erneut an der ersten Elektrode des kapazitiven Knotens angelegt. Zum Beispiel kann der Treiber 214 Vref an der Treiberelektrode des Cx,y anlegen. In Schritt 420 wird die zweite Spannung an der ersten Elektrode des Kompensationskondensators angelegt. Zum Beispiel kann der Treiber 214 Vref zu der Erde invertieren und die invertierte Spannung an der oberen Elektrode des Ccomp anlegen. In verschiedenen Ausführungsformen können die Schritte 418 und 420 gleichzeitig durchgeführt werden.
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In Reaktion auf das Anlegen dieser Spannungen an dem Cx,y und dem Ccomp kann die durch die Integrationsschaltung 210 von dem Cx,y und dem Ccomp empfangene Ladung erneut kombiniert werden und wird die nicht aufgehobene Ladung integriert und zu der bereits durch den Cint gespeicherten Ladung addiert. In Schritt 422 wird die Ausgabe der Integrationsschaltung zu einem digitalen Wert gewandelt. Zum Beispiel kann die Integrationsschaltung 210 eine Spannung auf der Basis der durch den Cint gespeicherten Ladung ausgeben. Diese Spannung kann an den ADW 212 gesendet werden, der sie zu einem digitalen Wert wandelt. Der digitale Wert kann dann weiter verarbeitet werden, um zu bestimmen, ob eine Berührung an dem Cx,y aufgetreten ist.
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Bestimmte Ausführungsformen können ggf. einen oder mehrere Schritte des Verfahrens von 4 wiederholen. Zum Beispiel können die Schritte des Verfahrens mehrere Male durchgeführt werden, um mehrere digitale Werte zu erhalten, die gemeinsam verarbeitet werden, um zu bestimmen, ob eine Berührung an dem Cx,y aufgetreten ist. Es werden hier bestimmte Schritte des Verfahrens von 4 in einer bestimmten Reihenfolge beschrieben, wobei aber beliebige, geeignete Schritte des Verfahrens von 4 in einer beliebigen, geeigneten Reihenfolge ausgeführt werden können. Weiterhin werden hier bestimmte Komponenten, Einrichtungen oder Systeme zum Ausführen von bestimmten Schritten des Verfahrens von 4 genannt, wobei aber eine beliebige, geeignete Kombination von beliebigen, geeigneten Komponenten, Einrichtungen oder Systemen verwendet werden kann, um beliebige, geeignete Schritte des Verfahrens von 4 auszuführen.
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Ein Kompensationsverfahren für eine Eigenkapazitätsimplementierung kann auch einen oder mehrere der Schritte des Verfahrens von 4 umfassen. In bestimmten Ausführungsformen kann ein Kompensationsverfahren für eine Eigenkapazitätsimplementierung einen Prozess verwenden, der sich von dem Prozess für eine Gegenkapazitätsimplementierung unterscheidet. Zum Beispiel kann in einem beispielhaften Prozess zum Kompensieren einer Basisladung in einer Eigenkapazitätsimplementierung von 3 eine erste Spannung (z. B. Vref) an der Elektrode des kapazitiven Knotens Cs durch den Treiber 314 angelegt werden. Gleichzeitig können der Ccomp und der Cint entladen werden. Zum Beispiel können die Elektroden des Ccomp miteinander kurzgeschlossen werden und können die Elektroden des Cint miteinander kurzgeschlossen werden, um die darin gespeicherten Ladungen zu entladen. Der Treiber 314 kann dann von dem Cs getrennt werden, wobei die obere Elektrode des Ccomp mit einer zweiten Spannung (z. B. der Erde) verbunden wird, während die untere Platte über den Multiplexer 318 mit dem Cs verbunden wird. Dies hat zur Folge, dass die Ladung zwischen dem Cs und dem Ccomp ausgeglichen wird. Die untere Platte des Ccomp wird dann von dem Cs getrennt, während die obere Platte mit der Erde verbunden bleibt. Die Ladung des Ccomp wird dann durch die Integrationsschaltung 310 integriert und in dem Cint gespeichert. Diese Ladung kann in einer Ausgabespannung resultieren, die durch den ADW 312 zu einem digitalen Wert gewandelt werden kann. In anderen Ausführungsformen bleibt die Ladung in dem Cint gespeichert, wobei weitere Schritte durchgeführt werden, um eine Differentialmessung zu bewerkstelligen. Zum Beispiel kann der Cs dann durch den Treiber 314 zu der zweiten Spannung (z. B. zu der Erde) getrieben werden, während der Ccomp entladen wird. Der Treiber 314 wird dann von dem Cs getrennt, und die obere Elektrode des Ccomp wird mit der ersten Spannung (z. B. Vref) verbunden, während die untere Elektrode über den Multiplexer 318 mit dem Cs verbunden ist. Die Ladung wird wiederum zwischen dem Cs und dem Ccomp ausgeglichen. Die untere Elektrode des Ccomp kann dann von dem Cs getrennt werden, während die obere Elektrode mit Vref verbunden bleibt. Die untere Elektrode des Ccomp ist mit der Integrationsschaltung 310 verbunden, und die durch den Ccomp gespeicherte Ladung wird durch die Integrationsschaltung 310 integriert und zu der bereits durch den Cint gespeicherten Ladung addiert. Die resultierende Spannungsausgabe der Integrationsschaltung 310 kann durch den ADW 312 zu einem digitalen Wert gewandelt werden
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Unter einem computerlesbaren Speichermedium ist hier ein nicht-transistorisches, dinghaftes und durch einen Computer lesbares Speichermedium zu verstehen. Zum Beispiel kann ein computerlesbares Speichermedium einen Halbleiter-basierten oder anderen IC (wie etwa eine feldprogrammierbare Gatteranordnung (FPGA) oder einen ASIC), eine Festplatte, ein Festplattenlaufwerk, ein hybrides Festplattenlaufwerk, eine optische Platte, ein Optikplattenlaufwerk, eine magnetooptische Platte, ein magnetooptisches Laufwerk, eine Diskette, ein Diskettenlaufwerk, ein Magnetband, ein holografisches Speichermedium, ein Festkörperlaufwerk, ein RAM-Laufwerk, eine SECURE DIGITAL-Karte, ein SECURE DIGITAL-Laufwerk oder ein anderes geeignetes, computerlesbares Speichermedium oder eine Kombination aus zwei oder mehr derselben sein. Ein computerlesbares, nicht-transistorisches Medium kann flüchtig und/oder nicht-flüchtig sein.
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Das Wort „oder” ist einschließend und nicht ausschließend zu verstehen, sofern dies nicht eigens anders angegeben ist oder anders durch den Kontext zu verstehen ist. Eine Formulierung „A oder B” bedeutet also „A und/oder B”, sofern dies nicht anderes angegeben oder anders durch den Kontext zu verstehen ist. Weiterhin kann das Wort „und” eine gemeinsame oder jeweils einzelne Beziehung bezeichnen, sofern dies nicht eigens anders angegeben ist oder anders durch den Kontext zu verstehen ist. Eine Formulierung „A und B” bedeutet also „A und B, gemeinsam oder einzeln”, sofern dies nicht eigens anders angegeben ist oder anders durch den Kontext zu verstehen ist.
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Die Offenbarung umfasst alle für den Fachmann verständlichen Änderungen, Ersetzungen, Variationen und Modifikationen an den hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen. Entsprechend umfassen auch die beigefügten Ansprüche alle für den Fachmann verständlichen Änderungen, Ersetzungen, Variationen und Modifikationen an den hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen. Weiterhin schließt eine Bezugnahme in den beigefügten Ansprüchen auf eine Vorrichtung oder ein System oder auf eine Komponente einer Vorrichtung oder eines Systems, die bzw. das ausgebildet, angeordnet, befähigt, konfiguriert, aktiviert oder betriebsbereit für die Ausführung einer bestimmten Funktion ist, diese Vorrichtung, dieses System oder diese Komponente unabhängig davon ein, ob die Vorrichtung, das System oder die Komponente oder die bestimmte Funktion aktiviert, eingeschaltet oder entriegelt ist, solange die Vorrichtung, das System oder die Komponente derart ausgebildet, angeordnet, befähigt, konfiguriert, aktiviert oder betriebsbereit ist.
