DE112018003731T5

DE112018003731T5 - Verfahren zum Kombinieren von Eigen- und Gegenkapazitätserfassung

Info

Publication number: DE112018003731T5
Application number: DE112018003731.2T
Authority: DE
Inventors: Roman Ogirko; Andriy Maharyta
Original assignee: Cypress Semiconductor Corp
Current assignee: Cypress Semiconductor Corp
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2018-07-11
Publication date: 2020-04-16
Also published as: JP6814324B2; WO2019018184A1; CN111108465A; KR20200027559A; KR102308936B1; US10146390B1; CN111108465B; JP2020526850A

Abstract

Ein Kapazitätserfassungsverfahren umfasst das Erzeugen eines ersten Satzes von Strömen durch das Vorladen, für jede Übertragungs(TX)-Elektrode eines Satzes von TX-Elektroden, einer Eigenkapazität der TX-Elektrode und einer Gegenkapazität zwischen der TX-Elektrode und einer Empfangs(RX)-Elektrode eines Satzes von RX-Elektroden durch das Anlegen einer ersten Erregungsspannung, die der TX-Elektrode entspricht, an die TX-Elektrode, um einen ersten Strom des ersten Satzes von Strömen zu induzieren, das Erzeugen eines zweiten Satzes von Strömen durch das Anlegen, für jede TX-Elektrode, einer Referenzspannung an die TX-Elektrode, um einen zweiten Strom des zweiten Satzes von Strömen zu induzieren, und, für jede TX-Elektrode, das Berechnen der Eigenkapazität der TX-Elektrode basierend auf dem zweiten Satz von Strömen und das Berechnen der Gegenkapazität zwischen der TX-Elektrode und jeder RX-Elektrode basierend auf dem ersten Satz von Strömen.

Description

VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung ist eine internationale Anmeldung der US-Patentanmeldung Nummer 15/850,119 , eingereicht am 21. Dezember 2017, die die Priorität der provisorischen US-Anmeldung Nr. 62/535,402 , eingereicht am 21. Juli 2017, beansprucht, die hierin alle durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit einbezogen sind.
GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Offenbarung betrifft das Gebiet der Kapazitätserfassung und insbesondere Verfahren zur Erfassung von Eigenkapazität (SC, Self Capacitance) und Gegenkapazität (MC, Mutual Capacitance).
STAND DER TECHNIK
Rechenvorrichtungen, wie etwa Notebook-Computer, Personal Data Assistants (PDA), Kioske und Mobiltelefone, weisen Benutzerschnittstellenvorrichtungen auf, die auch als HID-Schnittstellenvorrichtungen (HID = Human Interface Device) bekannt sind. Eine Art einer Benutzerschnittstellenvorrichtung ist ein Berührungssensor-Pad (auch gemeinhin als ein Touchpad bezeichnet), das verwendet werden kann, um die Funktion einer Maus eines Personal Computers (PC) zu emulieren. Ein Berührungssensor-Pad repliziert die X/Y-Bewegung einer Maus, indem es zwei definierte Achsen verwendet, die eine Sammlung von Sensorelektroden enthalten, die die Position eines oder mehrerer Objekte, wie etwa eines Fingers oder Stifts, erkennen. Das Berührungssensor-Pad stellt eine Benutzerschnittstellenvorrichtung bereit, um Funktionen wie etwa das Positionieren eines Zeigers oder das Auswählen eines Gegenstands auf einer Anzeige durchzuführen. Eine andere Art einer Benutzerschnittstellenvorrichtung ist ein Berührungsbildschirm. Berührungsbildschirme, auch als Touchscreens, Berührungsfenster, Berührungsfelder oder Touchscreen-Felder bekannt, sind transparente Anzeigeauflagen, die es einer Anzeige gestatten, als eine Eingabevorrichtung verwendet zu werden, sodass die Tastatur und/oder die Maus als die primäre Eingabevorrichtung für eine Interaktion mit den Inhalten der Anzeige entfernt werden. Andere Benutzerschnittstellenvorrichtungen umfassen Tasten, Schieber usw., die verwendet werden können, um Berührungen, Tippbewegungen, Ziehbewegungen und andere Gesten zu erkennen.
Für die Implementierung dieser und anderer Arten von Benutzerschnittstellenvorrichtungen werden zunehmend Kapazitätserfassungssysteme verwendet, die funktionieren, indem sie an Elektroden erzeugte elektrische Signale, die Änderungen der Kapazität widerspiegeln, erfassen. Solche Änderungen der Kapazität können ein Berührungsereignis oder das Vorhandensein eines leitfähigen Objekts, wie etwa eines Fingers, nahe den Elektroden anzeigen. Die Kapazitätsänderungen der Erfassungselektroden können dann von einer elektrischen Schaltung gemessen werden, die die an den kapazitiven Erfassungselementen gemessenen Kapazitäten in digitale Werte umwandelt, damit diese von einer Host-Vorrichtung interpretiert werden. Jedoch kann die Genauigkeit bestehender Kapazitätsmessschaltungen durch Rauschen und Fluktuationen verschlechtert werden, die die Treibspannungen, Stromquellenausgänge, Schaltfrequenzen und andere Signale innerhalb der Messschaltung beeinflussen. Eine solche Messungenauigkeit kann in einer ungenauen Positionierung oder Berührungserkennung in einer kapazitätsbasierten Benutzerschnittstellenvorrichtung resultieren.
Figurenliste
Die vorliegende Offenbarung ist in den Figuren der begleitenden Zeichnungen beispielhaft und nicht begrenzend illustriert.

1 ist ein Blockdiagramm, das ein Kapazitätserfassungssystem gemäß einer Ausführungsform darstellt.
2 illustriert ein Kapazitätserfassungssystem in einem Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform.
3 illustriert Schaltungsdiagramme für Stufen eines Mehrphasenerfassungsprozesses gemäß einer Ausführungsform.
4A-4D illustrieren gemäß einer Ausführungsform Schaltungsdiagramme, die Stufen in einem Mehrphasenprozess zur kombinierten Erfassung von Eigenkapazität und Gegenkapazität darstellen.
5 illustriert eine Ausführungsform eines Systems zur kombinierten Erfassung von Eigenkapazität und Gegenkapazität.
6 ist ein Timing-Diagramm gemäß einer Ausführungsform, das Signale, die in einem Kapazitätserfassungssystem erzeugt werden, illustriert.
7 illustriert eine Ausführungsform eines Systems zur kombinierten Erfassung von Eigenkapazität und Gegenkapazität.
8 ist ein Timing-Diagramm gemäß einer Ausführungsform, das Signale, die in einem Kapazitätserfassungssystem erzeugt werden, illustriert.
9 illustriert eine Ausführungsform eines Systems zur kombinierten Erfassung von Eigenkapazität und Gegenkapazität.
10A-10D illustrieren Schaltungsdiagramme gemäß einer Ausführungsform, die Stufen in einem Mehrphasenprozess zur kombinierten Erfassung von Eigenkapazität und Gegenkapazität darstellen.
11 ist ein Timing-Diagramm gemäß einer Ausführungsform, das Signale, die in einem Kapazitätserfassungssystem erzeugt werden, illustriert.
12A-12B illustrieren Schaltungsdiagramme gemäß einer Ausführungsform, die Stufen in einem Mehrphasenprozess zur kombinierten Erfassung von Eigenkapazität und Gegenkapazität darstellen.
13 ist ein Timing-Diagramm gemäß einer Ausführungsform, das Signale, die in einem Kapazitätserfassungssystem erzeugt werden, illustriert.
14A-14B illustrieren Schaltungsdiagramme gemäß einer Ausführungsform, die Stufen in einem Kapazitätserfassungsprozess, der ein Basisliniensignal kompensiert, darstellen.
15 illustriert Schaltungsdiagramme gemäß einer Ausführungsform, die Stufen in einem Basislinienkompensationsprozess darstellen.
16 ist ein Timing-Diagramm gemäß einer Ausführungsform, das Signale, die während eines Basislinienkompensationsprozesses erzeugt werden, illustriert.
17A-17B illustrieren Schaltungsdiagramme gemäß einer Ausführungsform, die Stufen in einem Kapazitätserfassungsprozess, der ein Basisliniensignal kompensiert, darstellen.
18 illustriert ein Schaltungsdiagramm für einen Basislinienkompensationsprozess gemäß einer Ausführungsform.
19 ist ein Timing-Diagramm gemäß einer Ausführungsform, das Signale, die während eines Basislinienkompensationsprozesses erzeugt werden, illustriert.
20A-20D illustrieren Schaltungsdiagramme gemäß einer Ausführungsform, die Stufen in einem Kapazitätserfassungsprozess, der ein Basisliniensignal kompensiert, darstellen.
21 illustriert einen Prozess zum Durchführen einer kombinierten Erfassung von Eigenkapazität und Gegenkapazität gemäß einer Ausführungsform.
22 illustriert einen Prozess zum Berechnen von Eigenkapazität und Gegenkapazität.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung legt zahlreiche spezifische Details dar, wie etwa Beispiele spezifischer Systeme, Komponenten, Verfahren und so weiter, um ein gutes Verständnis diverser Ausführungsformen des beanspruchten Gegenstands bereitzustellen. Es wird einem Fachmann jedoch klar sein, dass mindestens einige Ausführungsformen ohne diese spezifischen Details ausgeübt werden können. In anderen Fällen werden hinlänglich bekannte Komponenten oder Verfahren nicht im Detail beschrieben oder werden in einem einfachen Blockdiagrammformat präsentiert, um ein unnötiges Verschleiern des beanspruchten Gegenstands zu vermeiden. Die dargelegten spezifischen Details sind daher lediglich beispielhaft. Bestimmte Implementierungen können von diesen beispielhaften Details abweichen und trotzdem als im Geist und Umfang des beanspruchten Gegenstands enthalten angesehen werden.
Rechenvorrichtungen, die Eingaben über eine kapazitive Berührungserfassungsoberfläche, wie etwa einen Touchscreen oder ein Trackpad, akzeptieren, profitieren von der Fähigkeit, zwischen Flüssigkeiten auf der Erfassungsoberfläche und tatsächlichen Finger- oder Stiftberührungen, die als Eingaben für die Vorrichtung gedacht sind, zu unterscheiden. Ein Ansatz, um durch Flüssigkeiten verursachte Kontakte zu verwerfen, besteht darin, die Eigenkapazitäten von Elektroden in der Berührungssensoranordnung zu messen. So beeinflusst Wasser auf der Erfassungsoberfläche beispielsweise die Gegenkapazität zwischen Elektroden, beeinflusst aber nicht die Eigenkapazität einer Elektrode, welche im Allgemeinen die Kapazität zwischen der Elektrode und Masse darstellt. Gemäß einem Ansatz kann die Eigenkapazität über die gesamte Berührungserfassungsoberfläche gemessen werden, indem ein Erregungssignal phasengleich an einen Teilsatz der Sensorelektroden in der Sensoranordnung angelegt wird. So kann beispielsweise in einer Sensoranordnung, die Zeilenelektroden umfasst, welche Spaltenelektroden schneiden, ein Erregungssignal an alle der Zeilenelektroden oder an alle der Spaltenelektroden angelegt werden. Gegenkapazitätsmessungen werden in separaten Scan-Zyklen durchgeführt; beispielsweise kann die Vorrichtung abwechselnd Eigenkapazitäts- und Gegenkapazitäts-Scans durchführen.
Dieser Ansatz führt jedoch aufgrund der phasengleichen Erregung mehrerer Elektroden für die Eigenkapazitätsmessung zu erheblichen elektromagnetischen Emissionen, die die bei einer Verwendung in Kraftfahrzeugen oder anderen Fahrzeugen geltenden Grenzen überschreiten können. Ferner können auf diese Weise erlangte Eigenkapazitätsmessungen durch Gegenkapazitäten zwischen den erregten Sensorelektroden (z. B. Zeilenelektroden) und den nicht erregten Sensorelektroden (z. B Spaltenelektroden) beeinflusst werden; demgemäß umfassen solche Implementierungen als Mehraufwand einen zusätzlichen Abschirmtreiber, um die Auswirkung der Gegenkapazitäten zu reduzieren. Auch resultieren die separaten Eigenkapazitäts- und Gegenkapazitäts-Scans in einer langsameren Aktualisierungsrate für abgelesene Positionswerte, die von den Gegenkapazitätsmessungen abgeleitet werden.
In einer Ausführungsform kann eine Kapazitätserfassungsvorrichtung diese Probleme lösen, indem sie eine Mehrphasenerfassungsprozedur verwendet, um die Gegenkapazitäten gleichzeitig mit den Eigenkapazitäten zu messen. Eine solche Kapazitätserfassungsvorrichtung umfasst zusätzliche Schaltkreise, um zu gestatten, dass Spannungssignale, die während der Vorlade- und Erfassungsstufen einer Mehrphasen-Eigenkapazitätserfassungssequenz an die Elektroden angelegt werden, auch für das Erregen von Gegenkapazitäten zwischen Elektroden verwendet werden. Die Empfindlichkeit der abgelesenen Eigenkapazitätswerte gegenüber Schwankungen der Gegenkapazität wird durch Datenverarbeitung unterdrückt.
Diese kombinierte Eigenkapazitäts- und Gegenkapazitätsmessung erzeugt eine niedrige Menge an elektromagnetischen Emissionen, ähnlich wie bei einem alleinigen Gegenkapazitäts-Scan, und kann deshalb für Anwendungen, in denen niedrige Emissionskenndaten eine wichtige Rolle spielen, verwendet werden. Im Vergleich zu einer Eigenkapazitätserfassung, die eine phasengleiche Erregung von Elektroden verwendet, können die Emissionen um einen Faktor von 100 oder mehr reduziert werden. Auch benötigt die kombinierte Eigenkapazitäts- und Gegenkapazitätserfassungslösung keine zwei separaten Prozeduren, um die Eigenkapazitäten und Gegenkapazitäten an der Sensoranordnung zu messen. Stattdessen werden die Eigenkapazitäts- und Gegenkapazitätswerte durch eine einheitliche Scan-Prozedur erlangt. Diese Lösung kann auch ohne zusätzliche Abschirmung zum Entfernen der Auswirkung von Gegenkapazitätsschwankungen auf die abgelesenen Eigenkapazitätswerte arbeiten. Die abgelesenen Eigenkapazitäts- und Gegenkapazitätswerte werden durch Datenverarbeitungstechniken angemessen separiert, sodass der Sensor zwischen Flüssigkeiten auf der Erfassungsoberfläche und gewollten Berührungen unterscheiden kann.
1 illustriert ein funktionales Blockdiagramm eines Kapazitätserfassungssystems 100, das kombinierte Eigenkapazitäts- und Gegenkapazitätsmessungen gemäß einer Ausführungsform durchführt. In dem Erfassungssystem 100 misst die Verarbeitungsvorrichtung 110 Eigenkapazitäten und Gegenkapazitäten an Elektroden in der kapazitiven Sensoranordnung 130. Die Sensoranordnung 130 umfasst einen Satz von einer oder mehreren TX-Sensorelektroden und einen Satz von einer oder mehreren RX-Sensorelektroden. Jede der TX-Sensorelektroden ist über eine der TX-Leitungen 111 mit der Verarbeitungsvorrichtung 110 verbunden, während jede der RX-Sensorelektroden über eine der RX-Leitungen 112 mit der Verarbeitungsvorrichtung 110 verbunden ist. Die Verarbeitungsvorrichtung 110 führt eine Verarbeitung der gemessenen Kapazitätswerte durch, um zwischen gewollten Berührungen und ungewollten Berührungen (z. B. Flüssigkeit auf der Sensoroberfläche) zu unterscheiden und um die Stellen der gewollten Berührungen zu bestimmen.
Die Verarbeitungsvorrichtung 110 meldet die Stellen gewollter Berührungen an die Host-Vorrichtung 150. Die Host-Vorrichtung 150 führt basierend auf den gemeldeten Berührungsstellen eine oder mehrere Funktionen aus. In einer Ausführungsform kann die Verarbeitungsvorrichtung 110 die gemessenen Eigenkapazitäten und Gegenkapazitäten an die Host-Vorrichtung 150 melden und kann die weitere Verarbeitung der gemessenen Werte in der Host-Vorrichtung 150 durchgeführt werden.
Die Verarbeitungsvorrichtung 110 umfasst eine Anzahl von Komponenten, um Erregungssignale an die Sensoranordnung 130 zu liefern, die resultierenden Signale (z. B. Strom oder Ladung) an der Sensoranordnung zu messen und die Eigenkapazitäten und Gegenkapazitäten basierend auf den Messungen zu berechnen. Der Multiplexer 113 umfasst Schaltschaltkreise, die die unterschiedlichen Sensorelektroden selektiv mit Erregungssignalen oder Messkanälen verbinden. Der TX-Generator 115 erzeugt ein TX-Signal als ein Erregungssignal, das über den Multiplexer 113 und die TX-Leitungen 111 selektiv an die TX-Sensorelektroden in der Anordnung 130 angelegt wird. Ein Vtx-Generator 114 erzeugt eine Spannung Vtx, die beim Erzeugen des TX-Erregungssignals selektiv an die Sensorelektroden angelegt werden kann. Der Multiplexer 113 kann auch eine Massespannung selektiv an die Sensorelektroden anlegen.
Der Multiplexer 113 kann die Elektroden in der Sensoranordnung 130 auch selektiv mit den Ladung-in-Code-Wandlern 116 verbinden, sodass die Mengen an Ladung, die durch die Erregung der Elektroden erzeugt werden, gemessen werden können. In einer Ausführungsform integrieren die Ladung-in-Code-Wandler 116 Strom über einen eingestellten Zeitraum und wandeln die resultierende gemessene Ladung in einen digitalen Code um, der zur weiteren Verarbeitung verwendet werden kann. Die Basislinienkompensationsschaltung 117 liefert ein Basislinienkompensationssignal an die Kapazität-in-Code-Wandler 116, das den Effekt eines Basisliniensignals der Sensoranordnung reduziert. Alternativ kann die Basislinienkompensationsschaltung 117 das Kompensationssignal an eine Abschirmelektrode unter der Sensoranordnung 130 anlegen.
Die Kanal-Engine 118 empfängt die digitalen Codes, die die an jeder Elektrode gemessene Ladung darstellen, und liefert die Rohwerte an das Dekonvolutionsmodul 119, das Dekonvolutionsoperationen an den Werten durchführt, um eine Gegenkapazitätskarte 120 und einen Eigenkapazitätsvektor 121 zu erzeugen. Die Gegenkapazitätskarte 120 wird als eine Matrix von Werten dargestellt, die Dimensionen aufweist, die der Anzahl von Zeilenelektroden und Spaltenelektroden in der Sensoranordnung entsprechen, sodass eine Gegenkapazität jedes Schnittpunkts zwischen einer der Zeilenelektroden und einer der Spaltenelektroden durch ein Element in der Matrix dargestellt wird. Der Eigenkapazitätsvektor umfasst ein Element für jede TX-Elektrode (z. B. Zeilenelektrode), das die Eigenkapazität der TX-Elektrode darstellt.
Die Gegenkapazitäten 120 und Eigenkapazitäten 121 werden an den Nachverarbeitungs- und Kommunikationsblock 122 übertragen. Der Nachverarbeitungsblock 122 führt zusätzliche Berechnungen durch, um das Vorhandensein beliebiger gewollter Berührungen zu erkennen und um die Stellen solcher Berührungen basierend auf den Kapazitäten 120-121 zu bestimmen. Die Berührungsstellen werden von dem Block 122 an die Host-Vorrichtung 150 übertragen.
2 illustriert ein Blockdiagramm eines Fahrzeugs 200, in dem das Kapazitätserfassungssystem 100 implementiert ist, gemäß einer Ausführungsform. Das Erfassungssystem 100 umfasst den Host 150, die Verarbeitungsvorrichtung 110 und die Sensoranordnung 130. In einer Ausführungsform ist die Sensoranordnung 130 aus einem transparenten, leitfähigen Material wie etwa Indium-Zinnoxid (ITO, Indium Tin Oxide) hergestellt und liegt auf einer Anzeige 202. Die Host-Vorrichtung 150 steuert die Anzeige 202 und aktualisiert die Anzeige als Reaktion auf die an der Sensoranordnung 130 gemessenen Eigenkapazitäten und Gegenkapazitäten, sodass die Anzeige 202 und die Sensoranordnung 130 zusammen wie ein Berührungsbildschirm funktionieren.
Die Host-Vorrichtung 150 empfängt über die Sensoranordnung 130 Eingaben, die dazu verwendet werden können, ein oder mehrere Subsysteme 201 des Fahrzeugs 200 zu steuern. Somit werden die Fahrzeugsubsysteme 201 basierend auf den an der Sensoranordnung 130 gemessenen Eigen- und Gegenkapazitäten, die Benutzereingaben darstellen, gesteuert. Die Fahrzeugsubsysteme 201 können die Klimatisierung des Fahrzeugs, sein Motormanagement, sein Infotainment und/oder andere elektronisch gesteuerte Fahrzeugsysteme umfassen.
3 illustriert zwei Stufen des Betriebs einer Kapazitätserfassungsschaltung 300, die eine Mehrphasen-Eigenkapazitätserfassung durchführt, gemäß einer Ausführungsform. Die Kapazitätserfassungsschaltung 300 misst Eigenkapazitäten von zwei Elektroden RX-1 und RX-N, die die erste RX-Elektrode und die N-te RX-Elektrode in der Sensoranordnung 130 darstellen. Die Kapazitäten Cs1 und CsN stellen die Eigenkapazitäten der Elektroden RX-1 bzw. RX-N dar.
Während der Vorladestufe sind die Erfassungselektroden RX-1 und RX-N durch Öffnen der Schalter SW3-1 und SW3-N von dem Erfassungskanal 301 isoliert. Demgemäß sind die Erfassungselektroden RX-1 und RX-N voneinander isoliert und können auf unterschiedliche Spannungen vorgeladen werden. In der Sensoranordnung 130 als Ganzes können einige Elektroden auf Vtx vorgeladen werden, während andere auf Masse vorgeladen werden. Wie illustriert, ist SW2-1 geschlossen, während SW1-1 offen ist, sodass die Elektrode RX-1 mit Masse verbunden ist und RX-N mit Vtx verbunden ist. Die Eigenkapazitäten Cs1 und CsN werden somit auf Masse bzw. auf Vtx vorgeladen.
Während der Erfassungsstufe werden die Schalter SW2-1 und SW2-N geöffnet, um die Sensorelektroden RX-1 und RX-N von ihren jeweiligen Vorladespannungen zu trennen. Die Sensorelektroden RX-1 und RX-N werden durch Schließen der Schalter SW3-1 und SW3-N mit dem Erfassungskanal 301 verbunden. Die Spannung Vref wird an jeder der Elektroden RX-1 und RX-N aufrechterhalten. Eine Ladung Q1 fließt in die Eigenkapazität Cs1 der Elektrode RX-1, da RX-1 auf eine niedrigere Spannung als Vref vorgeladen wurde. Eine Ladung QN fließt aus der Eigenkapazität CsN, da RX-N auf eine höhere Spannung Vtx als Vref vorgeladen wurde. Wenn dieser Prozess für alle der RX-Elektroden (RX-1, RX-2... RX-N) in der Sensoranordnung 130 durchgeführt wird, empfängt der Erfassungskanal 301 eine Ladung Qin gemäß der unten stehenden Gleichung 1: $Q i n = Q 1 + Q 2 + \dots Q N;$
In Gleichung 1 stellen die Werte (Q1, Q2, ... QN) die Ladung dar, die nach der Vorladestufe jeweils in den Eigenkapazitäten (Cs1, Cs2, ... CsN) gespeichert ist. Die Gleichung 1 kann umgeschrieben werden, wie in der unten stehenden Gleichung 2 gezeigt: $\begin{array}{l} Qin = S1 \cdot U t x \cdot C s 1 + S 2 \cdot U t x \cdot C s 2 + \dots + S N \cdot U t x \cdot C s N = \\ = U t x \cdot [S 1 S 2 \dots Sn] \cdot [\begin{matrix} C s 1 \\ C s 2 \\ M \\ C s N \end{matrix}] = u t x \cdot S \cdot Csx; \end{array}$
In Gleichung 2 stellt (S1-Sn) die Erregungssequenz für einen Messzyklus dar, die durch die Elemente 1, -1 und 0 dargestellt wird. Ein Wert von 1 gibt eine Erregung in einer positiven Richtung an, ein Wert von -1 gibt eine Erregung in einer negativen Richtung an und ein Wert von 0 gibt an, dass keine Erregungsspannung an die Sensorelektrode angelegt wird. Demgemäß stellt Utx die Änderung der an die Elektrode angelegten Spannung von der Vorladestufe zur Erfassungsstufe dar. Wie in Gleichung 2 angezeigt, ist Utx für alle Elektroden gleich; in alternativen Ausführungsformen kann Utx von Elektrode zu Elektrode unterschiedlich sein.
Wird der Sensor nacheinander mit N unterschiedlichen Erregungssequenzen erregt, kann die Erregungsprozedur als eine Erregungsmatrix S mit den Werten S11-SNN dargestellt werden, wie in der unten stehenden Gleichung 3 angezeigt. $Qin = U t x \cdot [\begin{matrix} S 11 & S 21 & L & S N 1 \\ S 12 & S 22 & L & S N 2 \\ M & M & O & M \\ S 1 N & S 2 N & O & S N N \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} C s 1 \\ C s 2 \\ M \\ C s N \end{matrix}] = U t x \cdot S \cdot C s x;$
In der Erregungsmatrix S werden Elemente in derselben Zeile (z. B. S11, S21, ... SN1) zur selben Zeit an unterschiedliche Elektroden angelegt, während Elemente in derselben Spalte (z. B. S11, S12, ... S1N) zu unterschiedlichen Zeiten an dieselbe Elektrode angelegt werden. Weist die Erregungsmatrix S eine inverse Form S^-1 auf, können die erfassten Eigenkapazitäten durch das Durchführen einer Dekonvolution der gemessenen Ladungswerte Qin bestimmt werden, wie in der unten stehenden Gleichung 4 gezeigt, wobei D die Dekonvolutionsmatrix ist: $C s x = \frac{[\begin{matrix} D 11 & D 21 & L & D N 1 \\ D 12 & D 22 & L & D N 2 \\ M & M & O & M \\ D 1 N & D 2 N & L & D N N \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} Q i n 1 \\ Q i n 2 \\ M \\ Q i n N \end{matrix}]}{U t x} = \frac{D \cdot Qin}{U t x}; D = S^{- 1};$
Eine Erregung der Sensorelektroden mit einer Kombination von gegenphasigen Signalen reduziert die Emissionen des Sensors im Vergleich zu der phasengleichen Erregung aller der Zeilen- oder Spaltensensorelektroden. Die Emission hängt von der Summe der Erregungssequenzelemente (z. B. S11-SNN) ab. Ist die Summe der Elemente beispielsweise gleich 1, ist die über einen Abstand hinweg zu beobachtende Emission ähnlich der Emission, die durch die Erregung einer einzelnen Elektrode erzeugt wird. Zusätzlich umfasst die Dekonvolutionsberechnung Ladungsmessungen für mehrere Sensorelektroden, was nach der Dekonvolution in einem Mittelungseffekt resultiert, der das Erfassungsresultat wiederum weniger empfindlich gegenüber in den Sensor eingebrachtes Rauschen macht.
In einer Ausführungsform kann eine Sensorelektrode in einer anfänglichen Vorladephase in einer positiven Richtung und in einer nachfolgenden Vorladephase in einer negativen Richtung erregt werden. Demgemäß schwankt die an die Sensorelektrode angelegte Spannung von Vtx auf Masse. Im Verlauf mehrerer Zyklen schwankt die periodische Spannung zwischen Vtx und Masse und kann an eine TX-Sensorelektrode angelegt werden, um als Gegenkapazitätserregungssignal zum Messen einer Gegenkapazität zwischen der TX-Sensorelektrode und einer oder mehrerer RX-Elektroden verwendet zu werden.
4A, 4B, 4C und 4D illustrieren jeweils Stufen A, B, C und D eines Mehrphasenmessprozesses, der Eigenkapazitäten und Gegenkapazitäten gleichzeitig misst, gemäß einer Ausführungsform. In den Vorladestufen A und C verbinden die Schalter SW1 und SW2 die TX-Sensorelektrode abwechselnd mit Masse und Vtx. Zwischen jeder der Vorladestufen A und C werden die Schalter SW1 und SW2 geöffnet und verbindet der Schalter SW3 die TX-Sensorelektrode mit dem Erfassungskanal 401, der an seinen Eingängen eine Referenzspannung Vref aufrechterhält. Als Resultat laden und entladen die induzierten Ströme Itx und Irx die Eigenkapazität der TX-Elektrode und die Gegenkapazität zwischen der TX-Elektrode und der RX-Elektrode. Die Gegenkapazität Cm wird über den gesamten Erregungsspannungsbereich (von 0 V bis Vtx), der während der Stufen B, C (die den Strom Irx in einer Richtung induzieren) und der Stufen D, A (die den Strom Irx in der entgegengesetzten Richtung induzieren) angelegt wird, geladen und entladen. Die Eigenkapazität der TX-Elektrode wird während der Stufen B und D erfasst, wenn der Erfassungskanal 401 über den Schalter SW3 mit der TX-Elektrode verbunden ist. Der Kapazitätsmessprozess wiederholt die Stufen A, B, C und D sequentiell und fängt nach dem Abschließen der Stufe D wieder mit der Stufe A an.
Wie in 4A illustriert, verbindet während der Stufe A der Schalter SW2 die TX-Elektrode mit Masse, um einen Strom Irx zum Erhöhen der Ladung in der Gegenkapazität zu induzieren, während gleichzeitig die Ladung in der Eigenkapazität verringert wird. Relativ zu der vorherigen Stufe D ändert sich die an die TX-Elektrode angelegte Spannung von Vref auf 0 V, sodass die Potenzialdifferenz über die Gegenkapazität Cm hinweg erhöht wird. Relativ zu der vorherigen Stufe D verringert sich die Potenzialdifferenz über die Eigenkapazität Cstx hinweg, da beide Seiten von Cstx nun geerdet sind.
In 4B sind die Schalter SW1 und SW2 offen, um die TX-Elektrode während der Stufe B von Vtx und Masse zu trennen. Der Schalter SW3 ist geschlossen, um die TX-Elektrode mit dem Erfassungskanal 401 zu verbinden. Der Erfassungskanal 401 erhält eine Spannung Vref an der TX-Elektrode aufrecht und induziert so einen Strom Itx, der die Ladung in der Eigenkapazität Cstx erhöht. Der Strom Irx ist ein Teil von Itx, der die in der Gegenkapazität Cm gespeicherte Ladung verringert. Relativ zu der vorherigen Stufe A erhöht sich die Spannung an der TX-Elektrode von 0 V auf Vref und erhöht so die Potenzialdifferenz über die Eigenkapazität Cstx hinweg. Die Potenzialdifferenz über die Gegenkapazität Cm hinweg wird verringert, da beide Seiten von Cm nun bei Vref liegen.
Wie in 4C illustriert, verbindet während der Stufe C der Schalter SW1 die TX-Elektrode mit Vtx, um einen Strom Irx zum Erhöhen der Ladung in sowohl der Eigenkapazität Cstx als auch der Gegenkapazität Cm zu erhöhen. Relativ zu der vorherigen Stufe B erhöht sich die an die TX-Elektrode angelegte Spannung von Vref auf Vtx, sodass die Potenzialdifferenz über die Gegenkapazität Cm hinweg erhöht wird. Relativ zu der vorherigen Stufe B erhöht sich auch die Potenzialdifferenz über die Eigenkapazität Cstx hinweg.
In 4D sind die Schalter SW1 und SW2 offen, um die TX-Elektrode während der Stufe D von Vtx und Masse zu trennen. Der Schalter SW3 ist geschlossen, um die TX-Elektrode mit dem Erfassungskanal 401 zu verbinden. Der Erfassungskanal 401 erhält eine Spannung Vref an der TX-Elektrode aufrecht und induziert so einen Strom Itx, der die Ladung in der Eigenkapazität Cstx verringert. Der Strom Irx verringert die in der Gegenkapazität Cm gespeicherte Ladung. Relativ zu der vorherigen Stufe C verringert sich die Spannung an der TX-Elektrode von Vtx auf Vref und verringert so die Potenzialdifferenz über die Eigenkapazität Cstx hinweg. Die Potenzialdifferenz über die Gegenkapazität Cm hinweg wird auch verringert, da beide Seiten von Cm nun bei Vref liegen.

Die unten stehende Tabelle 1 stellt für jede der Stufen A, B, C und D die Ladung dar, die jeweils auf der TX- und RX-Seite an die Erfassungskanäle 401 und 402 transferiert wird. In Tabelle 1 wird die Ladung, die während der Stufen A, B, C und D an den TX-Erfassungsknoten transferiert wird, jeweils als QtxA, QtxB, QtxC und QtxD dargestellt. Die während der Stufen A, B, C und D an den RX-Knoten transferierte Ladung wird jeweils als QrxA, QrxB, QrxC und QrxD dargestellt. TABELLE 1: Während der Erregungsstufe transferierte Ladung

Stufe	An den TX-Knoten transferierte Ladung	An den RX-Knoten transferierte Ladung
A	QtxA = 0	QrxA = Uref-Cm
B	QtxB = Uref-(Cstx + Cm)	QrxB = -UrefiCm
C	QtxC = 0	QrxC = (Uref - Utx)·Cm
D	QtxD = (Uref - Utx)·(Cstx + Cm)	QrxD = (Utx - Uref)·Cm

Die Ladung in dem TX-Knoten (der die TX-Elektrode darstellt), der mit dem Eingang des TX-Erfassungskanals 401 gekoppelt ist, erhöht sich während der Stufe B und verringert sich während der Stufe D, da Uref kleiner als Utx ist. Demgemäß ergibt sich die Gesamtladung Qtx, die an dem Eingang des TX-Erfassungskanals 401 für alle Stufen gemessen wird, entsprechend der unten stehenden Gleichung 5. $Q t x = Q t x B - Q t x D = U t x \cdot (C s t x + C m)$
Die Ladung in dem RX-Knoten (der die RX-Elektrode darstellt), der mit dem Eingang des RX-Erfassungskanals 402 gekoppelt ist, erhöht sich während der Stufen D und A und verringert sich während der Stufen B und C. Demgemäß ergibt sich die Gesamtladung Qrx, die an dem Eingang des TX-Erfassungskanals 402 gemessen wird, entsprechend der unten stehenden Gleichung 6. $\begin{matrix} Q r x = (Q r x D + Q r x A) - (Q r x B + Q r x C) \\ = {(U t x - U r e f) \cdot C m + U r e f \cdot C m} - {- U r e f \cdot C m + (U r e f - U t x) \cdot C m} \\ = 2 \cdot U t x \cdot C m \end{matrix}$
Die Integrationsperiode des Eigenkapazitätserfassungskanals 401 ist halb so lang wie die Integrationsperiode des Gegenkapazitätserfassungskanals 402. Demgemäß kann der Effekt der Gegenkapazität Cm auf die Ladung Qtx, die durch den TX-Erfassungskanal 401 gemessen wird, wie in Gleichung 7 gezeigt eliminiert werden, um Qtx' zu erhalten, die die aufgrund der Eigenkapazität Cstx gemessene Ladung darstellt. $Q t x' = Q t x - 0,5 \cdot Q r x = U t x \cdot (C s t x + C m) - U t x \cdot C m = U t x \cdot C s t x$
5 illustriert gemäß einer Ausführungsform einen Teil des Erfassungssystems 100, der konfiguriert ist, um das oben stehende Verfahren zur Eigenkapazitäts- und Gegenkapazitätserfassung für mehrere TX- und RX-Sensorelektroden in einer Sensoranordnung 130 durchzuführen. Der illustrierte Teil des Erfassungssystems 100 umfasst die Sensoranordnung 130 und Komponenten der Verarbeitungsvorrichtung 110. Die Verarbeitungsvorrichtung 110 umfasst einen Satz von TX-Anschlüssen, wobei ein TX-Anschluss mit jeder TX-Sensorelektrode in der Sensoranordnung 130 verbunden ist. Der Satz von TX-Anschlüssen umfasst die TX-Anschlüsse 601-1, 601-2, 601-N, die jeweils mit einer entsprechenden ersten, zweiten und N-ten TX-Sensorelektrode verbunden sind. Die Verarbeitungsvorrichtung 110 umfasst zusätzliche TX-Anschlüsse für die anderen TX-Elektroden, die in 5 der Klarheit halber weggelassen sind. Jede der RX-Sensorelektroden in der Anordnung 130 ist über einen RX-Multiplexer 606 mit einer von einem Satz von Ladung-in-Code-Wandlervorrichtungen (d. h. Ladungs-ADC-Vorrichtungen) (z. B. 605) verbunden.
Jeder der TX-Anschlüsse 601-1-601-N weist eine ähnliche Struktur wie der TX-Anschluss 601-1 auf und arbeitet auf ähnliche Art. Der TX-Anschluss 601-1 umfasst die Schalter SW1-1, SW2-1 und SW3-1, die auf ähnliche Art arbeiten wie die jeweiligen Schalter SW1, SW2 und SW3, die in den 4A-4D illustriert sind. Das Timing dieser Schalter wird durch den TX-Sequenzgenerator 115 basierend auf einer Schaltfrequenz Ftx gesteuert. Das durch den TX-Sequenzgenerator 115 erzeugte Lesefreigabesignal (RdE-Signal, RdE = Read Enable) steuert den Schalter SW3-1, der geschlossen werden kann, um einen TX-Pin 603-1 (der mit der ersten TX-Elektrode verbunden ist) mit einem Eigenkapazitätslesebus 602 zu verbinden. Die entsprechenden SW3-Schalter in den anderen TX-Anschlüssen werden auch durch das RdE-Signal geschlossen, sodass alle der TX-Elektroden zur selben Zeit mit dem Bus 602 verbunden werden. Der Bus 602 ist mit dem Eingang eines Ladungs-Analog-Digital-Wandlers (Ladungs-ADC, ADC = Analog-to-Digital Converter) 604, oder Ladung-in-Code-Wandlers, des TX-Erfassungskanals verbunden, um die Eigenkapazität der TX-Elektrode auf ähnliche Art wie der TX-Erfassungskanal 401 in den Figuren C1-C4 zu erfassen. Der Ladungs-ADC 604 für den Eigenkapazitätserfassungs-TX-Kanal ist ähnlich wie die Ladungs-ADCs (z. B. 605) für die Gegenkapazitätserfassungs-RX-Kanäle; jedoch kann der Ladungs-ADC 604 eine unterschiedliche Verstärkung aufweisen, um die größere erfasste Kapazität zu kompensieren. Der Eigenkapazitätserfassungs-TX-Kanal misst eine Summe induzierter Ströme von mehreren TX-Anschlüssen (z. B. 601-1-601-N), während die Gegenkapazitätserfassungs-RX-Kanäle (z. B. Ladungs-ADC 605) jeweils Ströme messen, die an einer einzelnen RX-Elektrode induziert werden.
In einer Ausführungsform legen zwei oder mehrere der TX-Anschlüsse komplementäre Signale an ihre jeweiligen TX-Elektroden an, wie durch die Matrix S definiert. Beispielsweise legt der TX-Anschluss 601-1 ein Signal an die erste TX-Elektrode an, indem durch das Betätigen der Schalter SW1-1, SW2-1 und SW3-1 abwechselnd die Spannungen Vtx, Vref und Masse an die TX Elektrode angelegt werden. Der TX-Anschluss 601-2 legt ein Signal an die zweite TX-Elektrode an, das zu dem durch den TX-Anschluss 601-1 an die erste TX-Elektrode angelegten Signal komplementär ist. Wenn der TX-Anschluss 601-1 Vtx an die erste TX-Elektrode anlegt, verbindet der TX-Anschluss 601-2 die zweite TX-Elektrode mit Masse. Wenn der TX-Anschluss 601-1 die erste TX-Elektrode mit Masse verbindet, legt der TX-Anschluss 601-2 Vtx an die zweite TX-Elektrode an. In einem ausreichenden Abstand zu den TX-Elektroden heben sich somit aufgrund der unterschiedlichen Erregung die durch die zwei Signale erzeugten Emissionen auf.
6 illustriert gemäß einer Ausführungsform ein Timing-Diagramm für Signale, die während des Betriebs des Erfassungssystems 100 erzeugt werden. Die Wellenformen SW1, SW2 und SW3 zeigen die Steuersignale für das Betätigen der Schalter in den TX-Anschlüssen, wie etwa SW1-1, SW2-1 und SW3-1. Um das gegenphasige Erregungssignal zu erzeugen, werden die Steuersignale für die Schalter SW1 und SW2 getauscht. Wie zuvor beschrieben, legt jeder TX-Anschluss eine Sequenz von Spannungen, die dieser TX-Elektrode entspricht, an seine TX-Elektrode an, wie durch die Mehrphasenerregungssequenzmatrix S angezeigt. Die Wellenformen +TX und -TX zeigen die Erregungssignalmuster, die jeweils den Elementen +1 und -1 in der Matrix S entsprechen.
Die Wellenformen I-SC-Eigen und I-RX-Gegen illustrieren die Ströme, die jeweils durch den Eigenkapazitätserfassungskanal (z. B. 401) und den Gegenkapazitätserfassungskanal (z. B. 402) empfangen werden. In einer Ausführungsform integrieren die Eigen- und Gegenkapazitätserfassungskanäle die I-SC-Eigen- und I-RX-Gegen-Ströme in der positiven und der negativen Richtung. Demgemäß stellt SC-VintP die Integration positiver Pulse von I-SC-Eigen dar, stellt SC-VintN die Integration negativer Pulse von I-SC-Eigen dar, stellt MC-VintP die Integration positiver Pulse von I-RX-Gegen dar und stellt MC-VintN die Integration negativer Pulse von I-RX-Gegen dar.
Die Pfeile 701 zeigen den Zusammenhang zwischen Strompulsen in dem I-SC-Eigen-Strom und den resultierenden Erhöhungen oder Verringerungen in den integrierten Wellenformen SC-VintP und SC-VintN an. Die Pfeile 702 zeigen den Zusammenhang zwischen Strompulsen in dem I-RX-Gegen-Strom und den resultierenden Erhöhungen oder Verringerungen in den integrierten Wellenformen MC-VintP und MC-VintN an.
Das Gegen/Eigen-Sync-Signal (das dem an die Ladungs-ADCs 604 und 605 gelieferten Sync-Signal entspricht) ist während Perioden, in denen positive Strompulse auftreten, aktiviert und während Perioden, in denen negative Strompulse auftreten, deaktiviert, sodass die positiven und negativen Pulse unter Verwendung unterschiedlicher Integrationskondensatoren integriert werden können. Die steigenden und fallenden Übergänge des Gegen/Eigen-Sync-Signals zeigen jeweils die Start- und Endzeitpunkte der Integration für positive Ströme und die Start- und Endzeitpunkte der Integration für negative Ströme an. Die Signale SC-VintP, SC-VintN, MC-VintP und MC-VintN stellen die Spannungen der Integrationskondensatoren dar und sind durch Erhöhungen oder Verringerungen aufgrund der positiven oder negativen Strompulse von I-SC-Eigen und I-RX-Gegen gekennzeichnet (wie durch 701, 702 angezeigt), gefolgt von einer linearen Entladung durch einen Referenzstrom. Die Entladezeit wird durch die Menge an empfangener eingehender Ladung beeinflusst.
In einer Ausführungsform können die Gegenkapazitäten für jeden Schnittpunkt von TX- und RX-Sensorelektroden basierend auf der Erregungsmustermatrix S und der gemessenen Ladung, die als Resultat der induzierten Ströme transferiert wird, bestimmt werden. Jede Zeile der Matrix S entspricht einem Erregungsmuster, das in jedem Schritt der Sensorerregung an die TX-Elektroden in der Sensoranordnung 130 angelegt wird. Eine Matrix Cx kann verwendet werden, um die Gegenkapazitäten für die Sensoranordnung 130 darzustellen. Jede Spalte von Werten in der Matrix Cx stellt die Gegenkapazitäten dar, die Schnittpunkten mit TX-Elektroden entlang der Länge einer einzelnen RX-Elektrode entsprechen. Das Produkt der Matrizen S und Cx, skaliert durch die Erregungsspannungsdifferenz Utx, ist eine Matrix QXm, die die Signale, die durch die RX-Kanäle gemessen werden, darstellt, entsprechend der unten stehenden Gleichung 8. $Q X m = U t x \cdot S \cdot C x$
Die Zeilen der Matrix QXm stellen die Signale (d. h. die gemessene Ladung) dar, die durch jedes Erregungsmuster, dargestellt durch entsprechende Zeilen der Erregungsmatrix S, erzeugt werden. Die Matrix QXm stellt konvolvierte Daten dar, die dekonvolviert werden können, um die Gegenkapazitäten zu berechnen. Die QXm konvolvierter Daten wird mit einer Lösungsmatrix S^-1 multipliziert, die die Umkehrung der Erregungsmatrix ist, wie in Gleichung 9 gezeigt. $Cx = \frac{S^{- 1} \cdot QXm}{U t x}$
Die Werte in der resultierenden Matrix Cx stellen die Gegenkapazitäten zwischen den TX-Elektroden und den RX-Elektroden dar.
Um die Eigenkapazitäten für jede der TX-Elektroden zu berechnen, werden zuerst die parasitären Kapazitäten basierend auf den an die TX-Elektroden angelegten Spannungen und den induzierten Strömen berechnet. Die parasitären Kapazitäten können als ein Spaltenvektor Cp dargestellt werden. Das Resultat der Eigenkapazitätserfassung ist ein Spaltenvektor QXp, wie in der unten stehenden Gleichung 10 ausgedrückt. $Q X p = U t x \cdot S \cdot C p$
Unter Verwendung der inversen Erregungsmatrix S^-1 kann eine Dekonvolutionsberechnung durchgeführt werden, um die Eigenkapazitätswerte für die TX-Elektroden wiederzuerlangen, wie in Gleichung 11 gezeigt. $C p = \frac{S^{- 1} \cdot Q X p}{U t x}$
Der Spaltenvektor Cp stellt die Werte der parasitären Kapazitäten, wie sie durch die TX-Erfassungskanäle gemessen werden, dar; jede dieser parasitären Kapazitäten umfasst die Eigenkapazität der assoziierten TX-Elektrode und die Gegenkapazität zwischen der TX-Elektrode und den schneidenden RX-Elektroden. Die Eigenkapazität für jede TX-Elektrode wird berechnet, indem die Summe der zuvor berechneten Gegenkapazitäten für die TX-Elektrode von der parasitären Kapazität für die TX-Elektrode abzogen wird. Die Beziehung ist in der unten stehenden Gleichung 12 gezeigt. $C p = C m s + C s$
Die Werte für den Vektor Cms können anhand der zuvor bestimmten Gegenkapazitätskarte Cx berechnet werden, wie in Gleichung 13 gezeigt. $C m s = \sum_{r} C x [r, c]$
In Gleichung 13 stellt r den Zeilenindex und stellt c den Spaltenindex der Gegenkapazitätskarte Cx dar. Die gewünschten Eigenkapazitätswerte (als Matrix Cs) können wie in Gleichung 14 gezeigt berechnet werden. $C s = C p - C m s$
Die oben stehenden Berechnungen zum Bestimmen der Gegenkapazitäten, parasitären Kapazitäten und Eigenkapazitäten werden in einer Verarbeitungslogik (z. B. Kanal-Engine 118, Dekonvolutionsmodul 119 usw.) in der Verarbeitungsvorrichtung 110 durchgeführt. In alternativen Ausführungsformen können diese Berechnungen in der Host-Vorrichtung 150 oder in einer anderen Vorrichtung durchgeführt werden.
7 illustriert einen Teil des Kapazitätserfassungssystems 100 zum Durchführen eines sechsstufigen Erfassungsprozesses zum gleichzeitigen Messen von Eigenkapazitäten und Gegenkapazitäten gemäß einer Ausführungsform. Der Messschaltkreis, wie er in 7 illustriert ist, ist ähnlich wie der Schaltkreis in 5, umfasst aber zusätzlich einen TX-Eigenkapazitätskanalschalter SWsc und RX-Kanalschalter SWRx, die es gestatten, die Erfassungskanäle selektiv zu trennen. Ferner steuert der TX-Sequenzgenerator 115 die Schalter (SWsc, SW3-1, SW1-1 usw.) gemäß einem unterschiedlichen Timing, um die Messungen unter Verwendung eines sechsstufigen Prozesses durchzuführen, wie unten stehend beschrieben.
In dem vierstufigen Prozess, wie er mit Bezug auf die 4A-4D beschrieben ist, unterliegt der Eigenkapazitätserfassungskanal aufgrund von unterschiedlichen Zeitkonstanten der TX-Sensorelektroden, die mit seinem Eingang verbunden sind, zu Beginn der Stufen B und D hohen Stromspitzen. Diese Stromspitzen können eine Eingangsstufe des Eigenkapazitätserfassungskanals sättigen und die abgelesenen Kanalwerte verzerren. In einer Ausführungsform vermeidet ein sechsstufiger Prozess dieses Problem, indem zwei zusätzliche Stufen hinzugefügt werden, mit einer zusätzlichen Stufe zwischen jeder Vorladestufe (d. h. wenn die TX-Elektrode mit Vtx oder Masse verbunden ist) und Erfassungsstufe (d. h. wenn die TX-Elektrode mit dem Erfassungskanal verbunden ist).
Während der zusätzlichen Stufen sind die TX-Erfassungselektroden mit dem Eigenkapazitätslesebus 602 verbunden, während der Schalter SWsc offen ist, um den Bus 602 von dem Ladungs-ADC 604 zu trennen. Während dieser „Verbund“-Stufe wird die in mehreren TX-Elektrodenleitungen gesammelte Ladung zwischen allen der TX-Elektrodenleitungen aufgeteilt. Am Ende der Verbundstufe ist die Ladung gleich der Summe der Erregungssequenzelemente, wie in der Matrix S bereitgestellt, multipliziert mit einer in einer einzelnen TX-Elektrodenleitung gesammelten Ladung, wie durch die unten stehende Gleichung 15 beschrieben. $Q x = U e x \cdot C x \cdot \sum S_{i}$
Somit sind die Stromzustände beim Erreichen der Erfassungsstufen vorhersehbar und kann das Vorkommen von Stromspitzen, die sich negativ auf die durch den TX-Erfassungskanal ausgelesenen Werte auswirken, vermieden werden. In der Erfassungsstufe wird der Schalter SWsc geschlossen und werden die Schalter SWRx geöffnet. Der Schalter SW3-1 und die entsprechenden SW3-Schalter in den anderen TX-Anschlüssen bleiben geschlossen, um jede der TX-Sensorelektroden mit dem Eigenkapazitätslesebus 602 zu verbinden.
8 ist ein Timing-Diagramm, das den sechsstufigen Betrieb des Kapazitätserfassungssystems, wie es in 7 illustriert ist, gemäß einer Ausführungsform illustriert. Die sechs Stufen sind in 8 als Stufen A, B, C, D, E und F angezeigt. Die Stufen A und D sind Vorladestufen, die Stufen B und E sind Verbundstufen und die Stufen C und F sind Erfassungsstufen. Die Wellenformen SW1, SW2 und SW3 zeigen die Steuersignale für das Betätigen der Schalter in den TX-Anschlüssen, wie etwa SW1-1, SW2-1 und SW3-1. Die TXx-Wellenform illustriert das Signal an der TX-Sensorelektrode, das aus dem Betätigen der Schalter resultiert. Die Wellenformen SWsc und SWRx zeigen die Steuersignale für das jeweilige Betätigen der Schalter SWsc und SWRx.
Die Wellenformen linSC und IinMC illustrieren die Ströme, die jeweils durch den Eigenkapazitätserfassungskanal 604 und einen Gegenkapazitätserfassungskanal (z. B. 605) empfangen werden. SC-VintP stellt die Integration positiver Pulse von IinSC dar, SC-VintN stellt die Integration negativer Pulse von IinSC dar, MC-VintP stellt die Integration positiver Pulse von IinMC dar und MC-VintN stellt die Integration negativer Pulse von IinMC dar.
Die Pfeile 901 zeigen den Zusammenhang zwischen Strompulsen in dem linSC-Strom und den resultierenden Erhöhungen oder Verringerungen in den integrierten Wellenformen SC-VintP und SC-VintN an. Die Pfeile 902 zeigen auch den Zusammenhang zwischen Strompulsen in dem I-RX-Gegen-Strom und den resultierenden Erhöhungen oder Verringerungen in den integrierten Wellenformen MC-VintP und MC-VintN an. Das Signal CintP ist während Perioden, in denen positive Strompulse auftreten, aktiviert und während Perioden, in denen negative Strompulse auftreten, deaktiviert, sodass die positiven und negativen Pulse unter Verwendung unterschiedlicher Integrationskondensatoren integriert werden können. Ähnlich ist CintN die Umkehrung von CintP und ist während Perioden, in denen positive Strompulse auftreten, deaktiviert und während Perioden, in denen negative Strompulse auftreten, aktiviert. Fallende Flankenübergänge von CintP und CintN zeigen die Integrationsendzeitpunkte für ihre jeweiligen Integrationskondensatoren in jedem Erfassungskanal an. Die Signale SC-VintP, SC-VintN, MC-VintP und MC-VintN stellen die Spannungen der Integrationskondensatoren dar und sind durch Erhöhungen oder Verringerungen aufgrund der positiven oder negativen Strompulse von IinSC und linMC gekennzeichnet (wie durch 901, 902 angezeigt), gefolgt von einer linearen Entladung durch einen Referenzstrom. Die Entladezeit wird durch die Menge an empfangener eingehender Ladung beeinflusst.
In den oben stehenden Ansätzen werden die Eigenkapazitäten durch das Subtrahieren der Effekte der Gegenkapazitäten von den gemessenen parasitären Kapazitäten berechnet, wie in der oben stehenden Gleichung 14 beschrieben. Die parasitäre Kapazität für eine TX-Elektrode ist die Summe aus der Eigenkapazität der TX-Elektrode (zwischen der TX-Elektrode und Masse) und den Gegenkapazitäten zwischen der TX-Elektrode und schneidenden RX-Elektroden. In einer Ausführungsform kann die Wirksamkeit dieses Ansatzes durch die Genauigkeit der Verstärkung der Eigenkapazitäts- und Gegenkapazitätserfassungskanäle begrenzt sein. Eine Ungenauigkeit bei der Verstärkung des Erfassungskanals kann Verzerrungen in die Eigenkapazitätsmessungen einbringen, die mit Signalen vergleichbar sind, die durch Objekte erzeugt werden, die sich in einem moderaten Abstand von der Erfassungsoberfläche befinden, wie etwa ein Finger, der eine schwebende Geste durchführt oder von einem Handschuh bedeckt ist. In einer Ausführungsform werden solche Objekte leichter in einem Erfassungssystem erkannt, das die Potenzialdifferenz über die Gegenkapazitäten hinweg entfernt, indem es während der Verbund- und Erfassungsstufen einen leitfähigen Pfad zwischen den Sensorelektroden bereitstellt. Auf diese Weise wird die in den Gegenkapazitäten gesammelte Ladung eliminiert.
9 illustriert gemäß einer Ausführungsform einen Teil eines Erfassungssystems 100, in dem die Ladung, die in den Gegenkapazitäten zwischen Sensorelektroden gespeichert ist, während der Verbund- und Erfassungsstufen eliminiert wird. In 9 ist jede der Sensorelektroden in der KxM-Anordnung 130 über einen einheitlichen Pin-Multiplexer (MUX) mit den Erfassungskanälen verbunden. Beispielsweise sind die K TX-Sensorelektroden mit den Pin-MUX 1001-1, 1001-2, 1001-3... 1001-K verbunden. Die M RX-Sensorelektroden sind mit den Pin-MUX 1002-1, 1002-2... 1002-M verbunden. Jede der Pin-MUX-Einheiten ist eine Art von Anschluss, der das Anlegen eines Erregungssignals (über das Schalten von SW1 und SW2) an die verbundene Sensorelektrode gestattet, sodass die Elektrode über den SC-Bus 1015 (durch Schließen von SW3) mit dem Eigenkapazitätskanal (SC-Kanal) 1011 verbunden wird oder sodass die Elektrode via den RX-Bus 1014 (durch Schließen von SWRx) mit einem der Gegenkapazitätskanäle (MC-Kanäle) 1012 verbunden wird.
Jeder Pin-MUX speichert seine Konfiguration in seiner eigenen Software-Steuerlogikeinheit (z. B. 1003-1). Die Konfiguration wird über die Sequenzkonfigurationsbusse 1010 und 1013 von einer Host-Vorrichtung 150 an jeden Pin-MUX übertragen. In einer Ausführungsform sind die Busse 1010 und 1013 als ein einzelner Bus implementiert.
Wenn SW3 geschlossen ist und alle anderen Schalter offen sind, sind alle der Sensorelektroden mit einem gemeinsamen Busleiter (d. h. SC-Bus 1015) verbunden. Somit kann der Schalter SW3 als ein Entladeschalter arbeiten, um selektiv einen leitfähigen Pfad zwischen den TX-Elektroden und den RX-Elektroden bereitzustellen, sodass Ladung, die in der Gegenkapazität zwischen den TX- und RX-Elektroden gespeichert ist, entladen werden kann.
10A, 10B, 10C und 10D illustrieren gemäß einer Ausführungsform einen vierstufigen Prozess zum Messen von Eigenkapazitäten und Gegenkapazitäten unter Verwendung einer Gegenkapazitätsentladetechnik. Die illustrierte Erfassungsschaltung umfasst die TX-Elektroden Tx1 und TxK und eine RX-Elektrode RxM, die die TX-Elektroden schneidet. Die Eigenkapazitäten der TX-Elektroden Tx1 und TxK sind jeweils als Csx1 und CsxK angezeigt. Die Gegenkapazität zwischen Tx1 und RxM ist als Cm1 angezeigt und die Gegenkapazität zwischen TxK und RxM ist als CmK angezeigt. Obwohl der Klarheit halber nur Tx1 und TxK illustriert sind, sind in der Praxis die anderen TX-Sensorelektroden und ihre assoziierten Schalter in der Schaltung verbunden und arbeiten auf ähnliche Weise wie Tx1 und TxK.
10A illustriert eine Vorladestufe A, in der gemäß der in einer Matrix S definierten Mehrphasenerregungssequenz die TX-Elektroden Tx1 und TxK durch die Schalter SW1-1, SW2-1, SW1-K und SW2-K jeweils auf Masse und die TX-Spannung Vtx vorgeladen werden. Zu diesem Zeitpunkt ist die RX-Elektrode RxM über SWRx mit dem Gegenkapazitätserfassungskanal 1102 verbunden, der an seinem Eingang die Referenzspannung Vref aufrechterhält. Die Gegenkapazitäten Cm1 und CmK werden aufgrund der Potenzialdifferenzen über diese Kapazitäten hinweg geladen. Der Gegenkapazitätserfassungskanal 1102 misst den Strom Irx, der durch das Laden der Gegenkapazitäten erzeugt wird.
10B illustriert eine Erfassungsstufe C des Prozesses, die auf die Stufe A folgt (eine optionale Stufe B wird in nachfolgenden Paragraphen beschrieben). Während der Erfassungsstufe C ist der Gegenkapazitätserfassungskanal 1102 durch Öffnen des Schalters SWRx von RxM getrennt. Alle der Sensorelektroden sind durch das Schließen der SW3-Schalter (d. h. SW3-1, SW3-K, SW3-M) für jede Elektrode mit dem SC-Bus 1015 verbunden und der Eigenkapazitätserfassungskanal 1101 ist durch das Schließen des SWsc-Schalters mit dem SC-Bus 1015 verbunden. Die Gegenkapazitäten Cm1 und CmK werden über den Strom Icm entladen. Gleichzeitig erhält der Eigenkapazitätserfassungskanal 1101 an seinem Eingang, mit dem die TX-Elektroden Tx1 und TxK verbunden sind, die Referenzspannung Vref aufrecht. Demgemäß teilen die Eigenkapazitäten Csx1 und CsxK ihre Ladung über den SC-Bus 1015 zwischen den TX-Elektroden auf, während sie durch den induzierten Strom Itx wieder auf die Referenzspannung Vref geladen werden. Die in der Eigenkapazität Csrx der RX-Elektrode RxM gesammelte Ladung wirkt sich nicht auf die Messung aus, da sie vor der Erfassungsstufe C auf Vref vorgeladen wurde.
10C illustriert eine Vorladestufe D, die auf die Stufe C folgt, in der gemäß der in der Matrix S definierten Mehrphasenerregungssequenz die TX-Elektroden Tx1 und TxK durch die Schalter SW1-1, SW2-1, SW1-K und SW2-K jeweils auf die TX-Spannung Vtx und Masse vorgeladen werden. Zu diesem Zeitpunkt ist die RX-Elektrode RxM über SWRx mit dem Gegenkapazitätserfassungskanal 1102 verbunden, der an seinem Eingang die Referenzspannung Vref aufrechterhält. Die Gegenkapazitäten Cm1 und CmK werden aufgrund der Potenzialdifferenzen über diese Kapazitäten hinweg geladen. Der Gegenkapazitätserfassungskanal 1102 misst den Strom Irx, der durch das Laden der Gegenkapazitäten erzeugt wird.
10D illustriert eine Erfassungsstufe F des Prozesses (eine optionale Stufe E wird in nachfolgenden Paragraphen beschrieben). Während der Erfassungsstufe F ist der Gegenkapazitätserfassungskanal 1102 durch Öffnen des Schalters SWRx von RxM getrennt. Alle der Sensorelektroden sind durch das Schließen der SW3-Schalter (d. h. SW3-1, SW3-K, SW3-M) für jede Elektrode mit dem SC-Bus 1015 verbunden und der Eigenkapazitätserfassungskanal 1101 ist durch das Schließen des SWsc-Schalters mit dem SC-Bus 1015 verbunden. Die Gegenkapazitäten Cm1 und CmK werden über den Strom Icm entladen. Gleichzeitig erhält der Eigenkapazitätserfassungskanal 1101 an seinem Eingang, mit dem die TX-Elektroden Tx1 und TxK verbunden sind, die Referenzspannung Vref aufrecht. Demgemäß teilen die Eigenkapazitäten Csx1 und CsxK ihre Ladung über den SC-Bus 1015 zwischen den TX-Elektroden auf, während sie durch den induzierten Strom Itx wieder auf die Referenzspannung Vref geladen werden. Die in der Eigenkapazität Csrx der RX-Elektrode RxM gesammelte Ladung wirkt sich nicht auf die Messung aus, da sie vor der Erfassungsstufe C auf Vref vorgeladen wurde. Relativ zu der Stufe C fließt Itx in der Stufe F in der entgegengesetzten Richtung, da in der vorhergehenden Vorladestufe D die TX-Elektroden Tx1 und TxK auf Spannungen geladen wurden, die zu denen in der Vorladestufe A verwendeten Spannungen komplementär sind.
11 illustriert gemäß einer Ausführungsform ein Timing-Diagramm für Signale, die während des vierstufigen Eigenkapazitäts- und Gegenkapazitätsmessprozesses, der die Gegenkapazitätsentladungstechnik implementiert, erzeugt werden, wie in den 10A-10D illustriert. Die vier Stufen sind in 11 als Stufen A, C, D und F angezeigt. Die Stufen A und D sind Vorladestufen und die Stufen C und F sind Erfassungsstufen. Die Wellenformen SW1, SW2 und SW3 zeigen die Steuersignale für das Betätigen der Schalter in den TX-Pin-MUX, wie etwa SW1-1, SW2-1 und SW3-1. Die Tx1-Wellenform illustriert das Signal an der TX-Sensorelektrode Tx1, das aus dem Betätigen der Schalter resultiert. Die Wellenformen SWsc und SWRx zeigen die Steuersignale für das jeweilige Betätigen der Schalter SWsc und SWRx.
Die Wellenformen linSC und IinMC illustrieren die Ströme, die jeweils durch den Eigenkapazitätserfassungskanal 1101 und einen Gegenkapazitätserfassungskanal 1102 empfangen werden. SC-VintP stellt die Integration positiver Pulse von IinSC dar, SC-VintN stellt die Integration negativer Pulse von IinSC dar, MC-VintP stellt die Integration positiver Pulse von IinMC dar und MC-VintN stellt die Integration negativer Pulse von IinMC dar.
Das Verfahren zur kombinierten Erfassung von Eigenkapazität und Gegenkapazität mit dem Gegenkapazitätsentlademechanismus kann auch als sechsstufiger Prozess implementiert werden, bei dem die Verbundstufen B und E hinzugefügt werden. Die Verbundstufe B ist in 12A illustriert und tritt nach der Vorladestufe A und vor der Erfassungsstufe C auf. Die Verbundstufe E ist in 12B illustriert und tritt nach der Vorladestufe D und vor der Erfassungsstufe F auf. Die Stufen A, C, D und F arbeiten wie zuvor in den 10A-10D beschrieben. Während der Verbundstufen B und E sind alle der TX-Sensorelektroden (z. B. Tx1, TxK) über geschlossene SW3-Schalter (z. B. SW3-1 und SW3-K) mit dem SC-Bus 1015 verbunden. Jegliche Ladung, die zu diesem Zeitpunkt in den Eigenkapazitäten (z. B. Csx1, CsxK) der TX-Elektroden gespeichert ist, wird über den SC-Bus 1015 unter allen der TX-Elektroden aufgeteilt. Gleichzeitig empfängt der Gegenkapazitätserfassungskanal 1102 Ladung aufgrund des Stroms Irx, der durch die Potenzialdifferenzen über die Gegenkapazitäten wie etwa Cm1 und Cmk hinweg induziert wird.
13 ist ein Timing-Diagramm gemäß einer Ausführungsform, das Signale zeigt, die während des sechsstufigen Eigenkapazitäts- und Gegenkapazitätsmessprozesses, der die Gegenkapazitätsentladungstechnik implementiert, erzeugt werden, wie in den Figuren Ea1-Eb2 illustriert.
14A und 14B illustrieren gemäß einer Ausführungsform eine Kapazitätserfassungsschaltung 1900 zum Durchführen eines sechsstufigen kombinierten Eigenkapazitäts- und Gegenkapazitätserfassungsprozesses mit Gegenkapazitätsentladung, die einen Basislinienkompensationsschaltkreis umfasst. Die Erfassungsschaltung 1900 umfasst zwei TX-Sensorelektroden Tx1 und TxK und zwei RX-Sensorelektroden Rx1 und RxM. Die Kapazitäten Cstx1, CstxK, Csrx1 und CsrxM stellen die jeweiligen Eigenkapazitäten für die Elektroden Tx1, TxK, Rx1 und RxM dar. Die Elektrode Tx1 ist mit dem Pin-MUX 1001-1 verbunden, die Elektrode TxK ist mit dem Pin-MUX 1001-K verbunden, die Elektrode Rx1 ist mit dem Pin-MUX 1002-1 verbunden und die Elektrode RxM ist mit dem Pin-MUX 1002-M verbunden. Die Elektroden Tx1, TxK, Rx1 und RxM können über jeweilige Schalter SW3-1, SW3-K, SW3-18 und SW3-M in den Pin-MUX selektiv mit dem SC-Bus 1015 verbunden werden und können über jeweilige Schalter SWref-1, SWref-K, Swref-18 und SWref-M selektiv mit einem Referenzbus 1901 verbunden werden.
Die Schalter SWRx-1, SWRx-K, SWRx-18 und SWRx-M gestatten es den Elektroden Tx1, TxK, Rx1 und RxM, über den Rx-Bus 1014 selektiv mit separaten Rx-Erfassungskanälen verbunden zu werden. Wie in 14A illustriert, sind die Elektroden Rx1 und RxM jeweils mit den Erfassungskanälen 1012-18 und 1012-M verbunden. Ähnlich wie bei den SW1- und SW2-Schaltern, die mit den TX-Elektroden verbunden sind, können SW1-18, SW2-18, SW1-M und SW2-M betätigt werden, um die RX-Elektroden Rx1 und RxM selektiv mit Vtx- und Massespannungen zu verbinden, um Erregungssignale für diese Elektroden zu erzeugen.
Wie in 14A illustriert, befindet sich die Erfassungsschaltung 1900 in einer Vorladestufe, in der die Sensorelektrode Tx1 mit der Erregungsspannung Vtx verbunden ist und Vref an Rx1 angelegt ist. 14B illustriert die Erfassungsstufe, in der die Sensorelektroden durch den SC-Bus 1015 miteinander und durch den SWsc-Schalter mit dem Niedrigimpedanzeingang des Eigenkapazitätserfassungskanals 1101 verbunden sind. Während dieser Stufe werden die Gegenkapazitäten (z. B. Cm1, CmK) über den Strom Icm entladen und speichern die Sensorelektroden eine Ladung, die ungefähr gleich der in einer einzelnen Leitung gesammelten Ladung multipliziert mit der Summe der Mehrphasenerregungssequenzelemente (d. h. aus Matrix S) ist. Diese Ladung wird durch den Ladungs-ADC des Eigenkapazitätserfassungskanals 1101 empfangen.
Diese Ladung kann durch einen Betrieb des Sensors erzeugt werden, selbst wenn an der Erfassungsoberfläche kein Objekt vorhanden ist, was in einem Basisliniensignal resultiert. Durch einen Basislinienkompensationssignalgenerator 1903 wird eine Basislinienkompensationsspannung erzeugt und an eine Abschirmung 1902 angelegt, um das Basisliniensignal zu kompensieren. Durch das Anlegen einer Basislinienkompensationsspannung, die die relativ zu der Spannung an den Sensorelektroden entgegengesetzte Polarität aufweist, wird an dem Eingang des Eigenkapazitätserfassungskanals 1101 ein Strom erzeugt, der verwendet werden kann, um den von den Sensorelektroden erzeugten Strom zu kompensieren. Wenn die an die Abschirmung 1902 angelegte Kompensationsspannung dieselbe wie die Sensorspannung relativ zu der Referenzspannung Vref ist, empfängt der Ladungs-ADC des Erfassungskanals 1101 die Ladung Null. Eine Modulation der an die Abschirmung 1902 angelegten Basislinienkompensationsspannung wird durch das Betätigen der Schalter SWup, SWmid und SWdn durchgeführt.
Die Kapazitäten zwischen den Sensorelektroden können mit der Temperatur variieren; jedoch werden diese Kapazitäten dazu verwendet, das Basislinienkompensationssignal zu erzeugen, da die Basislinienkompensationsspannung an die Abschirmung angelegt wird. Als Resultat sind die in dem Sensor gesammelte Ladung und die durch die Abschirmung 1902 eingebrachte Ladung korreliert und wird die Empfindlichkeit gegenüber Wärmeschwankungen verringert.
15 illustriert drei Konfigurationen einer äquivalenten Schaltung, in denen eine Basislinienkompensationsspannung an einen Abschirmleiter 1902 angelegt wird. Bei einer Sensoranordnung 150, die N TX-Elektroden aufweist, kann eine Mehrphasensequenz S die Elemente [S₁, S₂, ... S_N] umfassen, wobei jedes Element S_x gleich +1 oder -1 ist. Jedes Element S_x ist ein Mehrphasensequenzgewichtskoeffizient, der ein Vorzeichen aufweist, das die Phase des Erregungssignals, das an die entsprechende Elektrode angelegt wird, darstellt.
Wenn die Summe der Elemente gleich 1 ist (d. h. ΣS = +1), dann umfasst die Sequenz S eine ungerade Anzahl von Elementen. Der Sensor kann als zu einem Sensor äquivalent betrachtet werden, in dem eine einzelne Elektrodenleitung auf die Erregungsspannung Vtx vorgeladen ist, während die mittlere Ladung in den übrigen Elektroden null ist. Die Konfiguration 2101 illustriert dieses Szenario, wobei die Eigenkapazität Cs1 einer einzelnen Elektrode auf Vtx vorgeladen ist, während die positiv geladenen Kapazitäten Cs2 und die negativ geladenen Kapazitäten CsN einer geraden Anzahl von übrigen Elektroden miteinander verbunden sind und kollektiv die Ladung Null speichern.
Nachdem alle der Sensorelektroden mit dem SC-Bus 1015 verbunden sind (wie in der Konfiguration 2102), wird die in Cs1 gespeicherte Ladung mit den anderen Elektroden geteilt, sodass die Spannung an dem SC-Bus 1015 - Vref + (Vtx - Vref) / N ist, wobei N die Anzahl an verbundenen Elektroden ist. Wird die Spannung der Abschirmung 1902 um eine Menge Δ (gleich (Vtx - Vref) / N) reduziert, ist die resultierende Spannung an der Abschirmung 1902 Vref - (Vtx - Vref) / N (wie in der Konfiguration 2103 gezeigt). Die resultierende Spannung an dem SC-Bus 1015 wird um die gleiche Menge auf die Referenzspannung Vref reduziert. Demgemäß empfängt, wenn die Spannung Vref an dem SC-Bus 1015 an einen Eingang eines Erfassungskanal-ADC angelegt wird und dessen anderer Eingang auch mit der Referenzspannung Vref verbunden ist, der ADC einen Strom Null.
16 illustriert ein Timing-Diagramm, das die Signale zeigt, die an einer beispielhaften TX-Elektrode und der Abschirmung 1902 erzeugt werden. Wie in 16 illustriert, variiert das an die Abschirmung 1902 angelegte Basislinienkompensationssignal über einen Bereich Δ, wobei es zu Beginn jeder Verbundstufe einen Übergang aufweist. Die gestrichelten Linien zeigen Signale an, die in einer alternativen Konfiguration erzeugt werden, in der die Verbund- und Erfassungsstufen zeitlich geteilt werden.
17A und 17B illustrieren gemäß einer Ausführungsform eine Kapazitätserfassungsschaltung 2300 zum Durchführen eines sechsstufigen kombinierten Eigenkapazitäts- und Gegenkapazitätserfassungsprozesses mit Gegenkapazitätsentladung, die einen Basislinienkompensationsschaltkreis umfasst. Die Erfassungsschaltung 2300 arbeitet auf ähnliche Weise wie die Erfassungsschaltung 1900, mit der Ausnahme, dass die Spannung an der Abschirmung 1902 konstant ist und dass die an den Ladungs-ADC des Erfassungskanals 1101 gelieferte Referenzspannung mit dem Basislinienkompensationssignal moduliert wird. Wie in den 17A und 17B illustriert, erzeugt der Basislinienkompensationssignalgenerator 2303 ein Basislinienkompensationssignal, das nicht an die Abschirmung 1902, sondern an den unteren Eingang des ADC für den Erfassungskanal 1101 angelegt wird.
18 illustriert eine äquivalente Schaltung 2500, die die Erfassungsschaltung 2300 während einer Erfassungsstufe darstellt, in der eine Basislinienkompensationsspannung an einen Eingang des Erfassungskanals angelegt wird, um ein Basisliniensignal der Erfassungsschaltung 2300 zu kompensieren. In der Schaltung 2500 legt der Basislinienkompensationssignalgenerator 2303 das Basisliniensignal Vref - (Vtx - Vref) / N an den unteren Eingang des ADC an, während die gleiche Spannung an den oberen Eingang angelegt wird. Deshalb wird durch den Erfassungskanal 1101 kein Strom erkannt.
19 illustriert ein Timing-Diagramm, das die Signale zeigt, die an einer beispielhaften TX-Elektrode und dem unteren Eingang des Erfassungskanal-ADC erzeugt werden. In 19 variiert das an den ADC angelegte Basislinienkompensationssignal über einen Bereich Δ, wobei es zu Beginn jeder Verbundstufe einen Übergang aufweist. Die gestrichelten Linien zeigen Signale an, die in einer alternativen Konfiguration erzeugt werden, in der die Verbund- und Erfassungsstufen zeitlich geteilt werden.
20A, 20B, 20C und 20D illustrieren gemäß einer Ausführungsform Stufen zum Durchführen eines Messprozesses, bei dem die Ladung, die in der Kapazität Cf zwischen den Sensorelektroden und einem leitfähigen Objekt 2701 (z. B. einem Finger eines Benutzers) nahe der Sensoranordnung gesammelt wird, gemessen wird, ohne dabei durch Kapazitäten zwischen den Elektroden und der Abschirmung beeinflusst zu werden. Das Objekt 2701 kann als ein Knoten, der über einen Widerstand Rb mit Masse verbunden ist, modelliert werden. 20A illustriert eine Vorladestufe, in der ein Erregungssignalmuster an die Sensorelektroden angelegt wird, das die Kapazitäten Cs zwischen den erregten Elektroden und der Abschirmung 2702, die Gegenkapazitäten Cm zwischen Elektroden und die Kapazitäten Cf zwischen dem Objekt 2701 und den Elektroden nahe dem Objekt lädt.
20B illustriert eine Gegenkapazitätsentladestufe, in der Ladung, die in den Gegenkapazitäten Cm zwischen Sensorelektroden gesammelt ist, durch Verbinden der Sensorelektroden untereinander entladen wird. Nach dem Verbinden wird die in den Gegenkapazitäten gespeicherte Ladung unter allen Elektroden aufgeteilt. Die Kapazitäten Cs und Cf speichern eine Ladungsmenge, die der über alle der Sensorelektroden hinweg gemittelten gesamten Gegenkapazitätsladung entspricht. In dieser Stufe wird der Schalter 2704 auch geöffnet, um die Abschirmung 2702 von der Referenzspannung Vref zu trennen.
20C illustriert eine Eigenkapazitätsentladestufe, in der die Sensorelektroden durch das Schließen des Schalters 2703 mit der Abschirmung 2702 verbunden werden. Die Kapazitäten Cs zwischen den Elektroden und der Abschirmung 2702 werden entladen. Die Ladung, die in den Kapazitäten Cf zwischen dem Objekt 2701 und den Sensorelektroden gespeichert ist, verbleibt.
20D illustriert eine Erfassungsstufe, in der die verbleibende Ladung, die in den Kapazitäten Cf gespeichert ist, gemessen wird. Die Sensorelektroden sind über den geschlossenen Schalter 2703 mit der Abschirmung 2702 verbunden und die Abschirmung 2702 ist über den geschlossenen Schalter 2705 mit dem Erfassungskanal 2706 verbunden. Somit wird die in den Kapazitäten Cf gespeicherte Ladung durch den Erfassungskanal 2706 empfangen. Schwankungen der Sensortemperatur wirken sich nicht auf die Messung von Cf aus. Ferner ist das theoretische Basisliniensignal Null, da das Basisliniensignal aus Abschirmmängeln resultiert. Jedoch könnte von einer LCD-Anzeige 2707, die über eine Kapazität Cshld kapazitiv mit der Abschirmung gekoppelt ist, Rauschen in die Abschirmung 2702 eingebracht werden.
21 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Messprozess 3100 zum Durchführen kombinierter Eigenkapazitäts- und Gegenkapazitätsmessungen einer kapazitiven Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform illustriert. Der Messprozess 3100 wird durch Komponenten des Erfassungssystems 100 durchgeführt, die die Sensoranordnung 130, die Verarbeitungsvorrichtung 110 und den Host 150 umfassen. Der Prozess 3100 umfasst Operationen zum Durchführen eines sechsstufigen Messprozesses, wobei die Stufen A, B, C, D, E und F jeweils eine Vorlade-, eine Verbund-, eine Erfassungs-, eine Vorlade-, eine Verbund- und eine Erfassungsstufe darstellen, die in einer Schleife wiederholt werden.
Die Operationen in der Vorladestufe A des Prozesses 3100 entsprechen den Schaltungskonfigurationen, die in 4A, Stufe A (für die Phase +1); 4C, Stufe C (für die Phase -1); 10A, Stufe A (für die Phase +1); und 10C, Stufe D (für die Phase -1) illustriert sind. Die Stufe A umfasst die Blöcke 3101 und 3103.
In Block 3101 lädt die Verarbeitungsvorrichtung 100 während der Vorladestufe A die Eigenkapazitäten Cstx für jede TX-Elektrode und die Gegenkapazität Cm zwischen der TX-Elektrode und den RX-Elektroden, die die TX-Elektrode schneiden, vor, indem eine Erregungsspannung an die TX-Elektrode angelegt wird. In einer Ausführungsform werden die TX-Elektroden jeweils auf eine der Erregungsspannungen Vtx oder 0 V vorgeladen, abhängig von dem entsprechenden Wert (z. B. +1 oder -1) für die TX-Elektrode, der in der Erregungsmatrix S gespeichert ist.
Die Erregungsmatrix S kann eine Erregungsspannung für eine TX-Elektrode anzeigen, die komplementär zu der Erregungsspannung für eine andere TX-Elektrode ist. In einer Ausführungsform befinden sich komplementäre Spannungen an entgegengesetzten Enden des dynamischen Bereichs des Signals; demgemäß sind Vtx und 0 V komplementär zueinander, da das TX-Signal zwischen 0 V und Vtx variiert. Die komplementären Erregungsspannungen werden zur selben Zeit an unterschiedliche TX-Elektroden angelegt.
Das Anlegen der Erregungsspannung Vtx oder 0 V induziert einen Strom Irx für jede TX-Elektrode, der durch die Gegenkapazität Cm fließt, wobei die Richtung von Irx davon abhängt, ob die Erregungsspannung Vtx oder 0 V ist. Somit erzeugt Block 3101 einen ersten Satz von induzierten Strömen, umfassend einen Strom Irx für jede TX-Elektrode, an die eine entsprechende Erregungsspannung angelegt wird. Der Strom Irx wird durch den Gegenkapazitätserfassungskanal (z. B. 402 in den Figuren C1, C3 oder 1102 in den Figuren Ea1, Ea3) gemessen.
In Block 3103 stoppt die Verarbeitungslogik 110 am Ende der Stufe A jegliche vorherige Integrationsprozesse durch einen Eigenkapazitätserfassungskanal (z. B. 401, 1101), die während einer vorherigen Iteration der Schleife des Messprozesses 3100 (z. B. in Block 3131) eventuell gestartet wurden, bevor mit der nächsten Stufe B fortgefahren wird. In einer Ausführungsform wird der Integrationsprozess beendet, indem als Reaktion auf eine steigende oder fallende Flanke des Gegen/Eigen-Sync-Signals oder des CintP- oder CintN-Signals eine Entladung von Integrationskondensatoren durch einen Referenzstrom gestartet wird. Am Ende der Stufe A wird die Integration durch die Gegenkapazitätserfassungskanäle (z. B. 402, 1102) von der Polarität her umgeschaltet; beispielsweise wird die Integration positiver Ladung beendet und die Integration negativer Ladung gestartet oder umgekehrt. Die Integrationskondensatoren der Gegenkapazitätserfassungskanäle werden auch durch einen Referenzstrom entladen, der das Entladen der Kondensatoren startet, wenn die Integration endet.
In einer Ausführungsform kann die Verbundstufe B optional umgangen werden, um einen vierstufigen Messprozess zu implementieren. In diesem Fall fährt der Prozess 3100 nach der Stufe A in Block 3107 mit der Erfassungsstufe C fort. Bei einem sechsstufigen Prozess fährt der Prozess 3100 nach der Stufe A in Block 3107 mit der Verbundstufe B fort. Die Operationen in der Verbundstufe B des Prozesses 3100 entsprechen den Schaltungskonfigurationen, die in 12A, Stufe B (für die Phase +1) und 12B, Stufe E (für die Phase -1) illustriert sind. Die Stufe B umfasst den Block 3105.
In Block 3105 verbindet die Verarbeitungsvorrichtung 110 jede der TX-Elektroden mit einem gemeinsamen Busleiter. Mit Bezug auf 9 werden beispielsweise die mit den Pin-MUX 1001-1-1001-K verbundenen TX-Elektroden über ihre jeweiligen SW3-Schalter mit dem SC-Bus 1015 verbunden, bevor der Schalter SWsc geschlossen wird. Ähnlich werden, mit Bezug auf 7, die mit den TX-Anschlüssen 601-1-601-N verbundenen TX-Elektroden mit dem SC-Bus 602 verbunden, bevor SWsc geschlossen wird. Nach Block 3105 der Stufe B fährt der Prozess 3100 in Block 3107 mit der Stufe C fort.
Die Operationen in der Erfassungsstufe C des Prozesses 3100 entsprechen den Schaltungskonfigurationen, die in 4B, Stufe B (für die Phase +1); 4D, Stufe D (für die Phase -1); 10B, Stufe C (für die Phase +1); und 10D, Stufe F (für die Phase -1) illustriert sind. Die Stufe C umfasst die Blöcke 3107-3115.
In Block 3107 verbindet die Verarbeitungsvorrichtung 110 jede TX-Elektrode über die Schalter SW3 und SWsc mit einem Ladung-in-Code-Wandler eines Eigenkapazitätserfassungskanals (z. B. 401 in den Figuren C2, C4 oder 1101 in den Figuren Ea2, Ea4). Der Erfassungskanal erhält an seinen Eingängen eine Referenzspannung Vref aufrecht; demgemäß wird die Referenzspannung Vref an jede der verbundenen TX-Elektroden angelegt. Die Änderung des Potenzials induziert für jede TX-Elektrode einen Strom Itx, der durch den Erfassungskanal 401 oder 1101 gemessen werden kann. Somit erzeugt Block 3107 einen zweiten Satz von induzierten Strömen, umfassend einen Strom Itx für jede TX-Elektrode, die mit dem Erfassungskanal verbunden ist.
In einer Ausführungsform stellt die Verarbeitungsvorrichtung 110 in Block 3109 einen leitfähigen Pfad bereit, um die Gegenkapazität Cm zwischen jeder TX-Elektrode und einer RX-Elektrode, die die TX-Elektrode schneidet, zu entladen. Mit Bezug auf 10B wird die Gegenkapazität Cm1 beispielsweise entladen, indem sowohl die TX-Elektrode Tx1 als auch die RX-Elektrode RxM durch das Schließen der Schalter SW3-M und SW3-1 mit dem SC-Bus 1015 verbunden werden.
In einer Ausführungsform umfasst der Prozess 3100 den Block 3111, in dem ein Basislinienkompensationsschaltkreis 1903 verwendet wird, um ein Basislinienkompensationssignal an eine Abschirmung 1902 anzulegen, die mit allen Elektroden in der Sensoranordnung 130 kapazitiv gekoppelt ist, wie mit Bezug auf die Figuren Fa1-Fa4 beschrieben. Das Anlegen des Basislinienkompensationssignals an die Abschirmung 1902 reduziert einen Basislinienstrom, der an einem Ladung-in-Code-Wandler des Eigenkapazitätserfassungskanals (z. B. 1101) empfangen wird.
In einer Ausführungsform umfasst der Prozess 3100 den Block 3113, in dem ein Basislinienkompensationsschaltkreis 2303, wie in 17A illustriert, verwendet wird, um ein Basislinienkompensationssignal an einen Referenzeingang des Ladung-in-Code-Wandlers des Eigenkapazitätserfassungskanals anzulegen, wie mit Bezug auf die 17A-19 beschrieben. Durch das Anlegen des Basislinienkompensationssignals an den Referenzeingang des Ladung-in-Code-Wandlers wird ein Basislinienausgang des Ladung-in-Code-Wandlers reduziert.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Basislinienkompensationssignal nur an die Abschirmung 1902, wie in Block 3111 bereitgestellt, oder nur an den Referenzeingang des Ladung-in-Code-Wandlers, wie in Block 3113 bereitgestellt, angelegt werden; alternativ kann eine Kombination dieser zwei Ansätze verwendet werden, um ein Basisliniensignal zu kompensieren.
In Block 3115 misst die Verarbeitungsvorrichtung 110 eine Summe des zweiten Satzes von Itx-Strömen, die in Block 3107 erzeugt werden, indem sie Ladung von dem zweiten Satz von Itx-Strömen in einem Ladung-in-Code-Wandler (d. h. einem Ladungs-ADC) des Eigenkapazitätsmesskanals integriert, dessen Eingang mit den TX-Elektroden verbunden ist. Die Integration beginnt mit dem Start der Erfassungsstufe C und fährt bis zum Ende der nächsten Vorladestufe (d. h. in Block 3119) fort.
Die Operationen in der Vorladestufe D des Prozesses 3100 entsprechen den Schaltungskonfigurationen, die in 4C, Stufe C (für die Phase +1); 4A, Stufe A (für die Phase -1); 10C, Stufe D (für die Phase +1); und 10A, Stufe A (für die Phase -1) illustriert sind. Die Stufe D umfasst die Blöcke 3117 und 3119.
Die Vorladestufe D umfasst ähnliche Operationen wie die Vorladestufe A, mit der Ausnahme, dass die Verarbeitungsvorrichtung 110, wie in Block 3117 bereitgestellt, eine zweite Erregungsspannung an jede TX-Elektrode anlegt, die zu der an dieselbe TX-Elektrode während der Stufe A in Block 3101 angelegten Erregungsspannung komplementär ist. Wurde beispielsweise in Stufe A an eine bestimmte TX-Elektrode 0 V angelegt, so würde in Block 3117 der Stufe D die komplementäre Erregungsspannung Vtx an dieselbe X-Elektrode angelegt. In Block 3119 wird die zuvor gestartete Eigenkapazitätsladungsintegration gestoppt und die Polarität der laufenden Gegenkapazitätsladungsintegration umgeschaltet, auf ähnliche Weise wie in Block 3103 bereitgestellt.
Die Operationen in der Verbundstufe E des Prozesses 3100 entsprechen den Schaltungskonfigurationen, die in 12B, Stufe E (für die Phase +1) und 12A, Stufe B (für die Phase -1) illustriert sind. Die Stufe E umfasst die Blöcke 3119 und 3121. Während der Verbundstufe E verbindet die Verarbeitungsvorrichtung 110 jede TX-Elektrode mit einem gemeinsamen Busleiter (z. B. SC-Bus 1015), wie in Block 3105 ähnlich bereitgestellt.
Die Operationen in der Erfassungsstufe F des Prozesses 3100 entsprechen den Schaltungskonfigurationen, die in Figur C4, Stufe D (für die Phase +1); Figur C2, Stufe B (für die Phase -1); Figur Ea4, Stufe F (für die Phase +1); und Figur Ea2, Stufe C (für die Phase -1) illustriert sind. Die Stufe F umfasst die Blöcke 3123-3131.
Die Erfassungsstufe F umfasst ähnliche Operationen wie die Erfassungsstufe C. In Block 3123 verbindet die Verarbeitungsvorrichtung 110 wieder jede TX-Elektrode über die Schalter SW3 und SWsc mit dem Ladung-in-Code-Wandler eines Eigenkapazitätserfassungskanals, der ähnlich wie in Block 3107 die Referenzspannung Vref an der TX-Elektrode aufrechterhält. Wie in Block 3125 bereitgestellt, kann die Verarbeitungsvorrichtung 110 einen leitfähigen Pfad bereitstellen, um die Gegenkapazität Cm ähnlich wie in Block 3109 zu entladen.
Eine Basislinienkompensation kann auch auf ähnliche Weise wie zuvor beschrieben durchgeführt werden, indem, wie in Block 3127 bereitgestellt, ein Basislinienkompensationssignal an eine Abschirmung 1902 angelegt wird, indem, wie in Block 3129 bereitgestellt, das Basislinienkompensationssignal an einen Referenzeingang des Ladung-in-Code-Wandlers angelegt wird oder durch eine Kombination dieser Ansätze. Die Operationen der Blöcke 3127 und 3129 sind jeweils ähnlich wie die in den Blöcken 3111 und 3113 bereitgestellten Operationen.
In Block 3131 misst die Verarbeitungsvorrichtung 110 eine Summe des zweiten Satzes von Itx-Strömen, die in Block 3123 erzeugt werden, indem sie Ladung von dem zweiten Satz von Itx-Strömen in einem Ladung-in-Code-Wandler (d. h. einem Ladungs-ADC) des Eigenkapazitätsmesskanals integriert, dessen Eingang mit den TX-Elektroden verbunden ist. Die Integration beginnt mit dem Start der Erfassungsstufe F und fährt bis zum Ende der nächsten Vorladestufe (d. h. in Block 3103) fort.
Von Block 3131 aus kehrt der Prozess 3100 zu Block 3101 der Stufe A zurück. Der Prozess 3100 wiederholt somit die Stufen A, B, C, D, E und F (oder alternativ die Stufen A, C, D und F) in einer sequentiellen Schleife, um kontinuierlich die Ströme zu erzeugen, anhand derer die Eigenkapazitäten und Gegenkapazitäten der Sensorelektroden gemessen werden.
22 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Prozess 3200 zum Berechnen der Eigenkapazitäten und Gegenkapazitäten basierend auf den Messungen, die durch den Prozess 3100 erlangt werden, gemäß einer Ausführungsform illustriert. Der Berechnungsprozess 3200 wird durch Komponenten des Kapazitätserfassungssystems 100 durchgeführt, die die Verarbeitungsvorrichtung 110 und/oder die Host-Vorrichtung 150 umfassen.
In Block 3201 des Prozesses 3200 berechnet die Verarbeitungsvorrichtung 110 für jede TX-Elektrode in der Sensoranordnung 130 die Gegenkapazität zwischen der TX-Elektrode und jeder RX-Elektrode des Satzes der Sensoranordnung 130 basierend auf den Messungen, die für den ersten Satz von Irx-Strömen aufgenommen wurden. Insbesondere führt die Verarbeitungsvorrichtung 110 an den an den RX-Kanälen gemessenen Ladungswerten QXm eine Dekonvolutionsoperation durch, wie zuvor mit Bezug auf Gleichung 8 und Gleichung 9 beschrieben.
In Block 3203 berechnet die Verarbeitungslogik 110 eine parasitäre Kapazität für jede TX-Elektrode in der Sensoranordnung 130 basierend auf der an die TX-Elektrode angelegten Referenzspannung Vref und den aus den induzierten TX-Strömen Itx erlangten Ladungsmessungen QXp, wie zuvor mit Bezug auf Gleichung 10 und Gleichung 11 beschrieben.
In Block 3205 berechnet die Verarbeitungsvorrichtung 110 für jede TX-Elektrode eine Eigenkapazität gemäß Gleichung 14, wobei die berechneten Gegenkapazitäten von den parasitären Kapazitäten subtrahiert werden, wie zuvor mit Bezug auf Gleichung 12, Gleichung 13 und Gleichung 14 beschrieben.
In Block 3207 bestimmt die Verarbeitungsvorrichtung 110, ob ein in den berechneten Gegenkapazitäten erkanntes Signal mit einem in den berechneten Eigenkapazitäten erkannten Signal korreliert ist. Beispielsweise kann die berechnete Gegenkapazitätskarte 120 Gegenkapazitätswerte umfassen, die als Resultat eines leitfähigen Objekts, wie etwa eines Fingers, nahe den Sensorelektrodenschnittpunkten, die den erhöhten Werten entsprechen, erhöht sind. Die Verarbeitungsvorrichtung 110 bestimmt, ob Eigenkapazitätswerte des Eigenkapazitätsvektors 121 für die entsprechenden Stellen auch erhöht sind. Dies ist insbesondere wahr, wenn die Eigenkapazitäten auch für Elektroden erhöht sind, die mit Schnittpunkten, an denen Gegenkapazitäten erhöht sind, assoziiert sind. In einer Ausführungsform erkennt die Verarbeitungsvorrichtung 110 eine Erhöhung der Eigenkapazitäten, indem sie jeden Eigenkapazitätswert mit einer Schwellenmenge vergleicht.
In Block 3207 können Erhöhungen der Gegenkapazitäten, die nicht mit entsprechenden Erhöhungen der Eigenkapazitäten korreliert sind, das Vorhandensein von Wasser oder anderen Flüssigkeiten auf der Erfassungsoberfläche anzeigen. Damit diese Arten von Kontakten korrekt als ungewollte Berührungen interpretiert werden, fährt der Prozess 3200 in Block 3209 fort und verwirft das Vorhandensein des Objekts als Reaktion auf das Erkennen in Block 3207, dass das Objekt die Gegenkapazität ändert, ohne dabei die Eigenkapazität um mehr als die Schwellenmenge zu ändern.
Falls in Block 3207 die Erhöhungen der Gegenkapazitätswerte mit Erhöhungen der Eigenkapazitätswerte korreliert sind, fährt der Prozess 3200 mit Block 3211 fort. In Block 3211 erkennt die Verarbeitungsvorrichtung 110 somit als Reaktion auf das Erkennen, dass das Objekt sowohl die Eigenkapazität der TX-Elektrode als auch die Gegenkapazität zwischen der TX-Elektrode und der RX-Elektrode ändert, das Vorhandensein des Objekts an einem Schnittpunkt zwischen einer TX-Elektrode und einer RX-Elektrode. Die Gegenkapazitäten zeigen deshalb die Stelle des Kontakts an der Berührungserfassungsoberfläche an.
In Block 3213 empfängt die Host-Vorrichtung 150 die Stelle des Kontakts, wie sie durch die berechneten Gegenkapazitäten angezeigt wird, und führt als Reaktion auf den Kontakt eine Funktion durch. Beispielsweise kann die Host-Vorrichtung 150 eine Anzeige 202 aktualisieren, um eine aktualisierte Cursorposition oder einen Tastendruck zu zeigen. In einer Ausführungsform steuert die Host-Vorrichtung 150 als Reaktion auf die erkannte Kontaktstelle elektronische Subsysteme 201 in einem Fahrzeug 200.
An den vorausgehenden Ausführungsformen können verschiedene Modifikationen vorgenommen werden; beispielsweise können Signale, die als mit einer hohen Spannung aktiviert beschrieben sind, stattdessen mit einer niedrigen Spannung aktiviert sein, oder können spezifizierte Komponenten durch andere Komponenten, die eine ähnliche Funktionalität aufweisen, ersetzt werden. Wie hierin beschrieben, können leitfähige Elektroden, die „elektrisch verbunden“ oder „elektrisch gekoppelt“ sind, so gekoppelt sein, dass zwischen den leitfähigen Elektroden ein leitfähiger Pfad mit einem relativ niedrigen Widerstand besteht. Quantitäten, Maße oder andere Werte, die als „im Wesentlichen“ gleich beschrieben sind, können nominell gleich sein, müssen aber nicht genau gleich sein (mit Schwankungen aufgrund von Fertigungstoleranzen, Umgebungsbedingungen, Quantisierungs- oder Rundungsfehlern und/oder anderen Faktoren) oder können ausreichend dicht an gleich sein, um einen beabsichtigten Effekt oder Nutzen zu erzielen.
Hierin beschriebene Ausführungsformen umfassen verschiedene Operationen. Diese Operationen können durch Hardwarekomponenten, Software, Firmware oder eine Kombination daraus durchgeführt werden. Wie hierin verwendet, kann der Begriff „gekoppelt mit“ das direkte oder indirekte Koppeln durch eine oder mehrere dazwischenliegende Komponenten bedeuten. Beliebige Signale, die über verschiedene, hierin beschriebene Busse bereitgestellt werden, können mit anderen Signalen per Zeitmultiplex zusammengefasst und über einen oder mehrere gemeinsame Busse bereitgestellt werden. Zusätzlich kann die Querverbindung zwischen Schaltungskomponenten oder Blöcken als Busse oder als einzelne Signalleitungen gezeigt sein. Jeder der Busse kann alternativ eine oder mehrere einzelne Signalleitungen sein und jede der einzelnen Signalleitungen kann alternativ ein Bus sein.
Gewisse Ausführungsformen können als ein Computerprogrammprodukt implementiert sein, das auf einem computerlesbaren Medium gespeicherte Anweisungen umfassen kann. Diese Anweisungen können verwendet werden, um einen allgemeinen Prozessor oder einen Spezialprozessor so zu programmieren, dass dieser die beschriebenen Operationen durchführt. Ein computerlesbares Medium umfasst einen beliebigen Mechanismus zum Speichern oder Übertragen von Informationen in einer Form (z. B. Software, Verarbeitungsanwendung), die von einer Maschine (z. B. einem Computer) gelesen werden kann. Das computerlesbare Speichermedium kann, ohne darauf begrenzt zu sein, Folgendes umfassen: ein magnetisches Speichermedium (z. B. Diskette); ein optisches Speichermedium (z. B. CD-ROM); ein magneto-optisches Speichermedium; einen Festspeicher (ROM); einen Arbeitsspeicher (RAM); einen löschbaren programmierbaren Speicher (z. B. EPROM und EEPROM); einen Flash-Speicher oder eine andere Art von Medium, die für das Speichern elektronischer Anweisungen geeignet ist.
Zusätzlich können einige Ausführungsformen in Distributed-Computing-Umgebungen ausgeübt werden, in denen das computerlesbare Medium auf mehr als einem Computersystem gespeichert und/oder von mehr als einem Computersystem ausgeführt wird. Zusätzlich können die zwischen Computersystemen transferierten Informationen entweder per Pull oder per Push über das Übertragungsmedium, das die Computersysteme verbindet, übermittelt werden.
Obwohl die Operationen des/der Verfahren(s) hierin in einer bestimmten Reihenfolge gezeigt und beschrieben sind, kann die Reihenfolge der Operationen jedes Verfahrens verändert werden, sodass gewisse Operationen in einer umgekehrten Reihenfolge durchgeführt werden können oder sodass eine gewisse Operation zumindest teilweise zeitgleich mit anderen Operationen durchgeführt werden kann. In einer anderen Ausführungsform können Anweisungen oder Sub-Operationen individueller Operationen in einer intermittierenden und/oder alternierenden Art und Weise stattfinden.
In der vorausgehenden Patentbeschreibung wurde der beanspruchte Gegenstand mit Bezug auf spezifische Ausführungsbeispiele desselben beschrieben. Es wird jedoch offenkundig sein, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen daran vorgenommen werden können, ohne von dem breiteren Geist und Umfang der Erfindung, wie in den angehängten Ansprüchen dargelegt, abzuweichen. Demgemäß sind die Patentbeschreibung und die Zeichnungen eher in einem illustrativen als in einem einschränkenden Sinn zu betrachten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 15850119 [0001]
US 62535402 [0001]

Claims

Ein Kapazitätserfassungsverfahren, das Folgendes beinhaltet: Erzeugen eines ersten Satzes von einem oder mehreren Strömen durch Vorladen, für jede Übertragungs(TX)-Elektrode eines Satzes von einer oder mehreren TX-Elektroden, einer Eigenkapazität der TX-Elektrode und einer Gegenkapazität zwischen der TX-Elektrode und einer Empfangs(RX)-Elektrode eines Satzes von einer oder mehreren RX-Elektroden durch Anlegen einer ersten Erregungsspannung, die der TX-Elektrode entspricht, an die TX-Elektrode, um einen ersten Strom des ersten Satzes von Strömen zu induzieren; Erzeugen eines zweiten Satzes von einem oder mehreren Strömen durch Anlegen, für jede TX-Elektrode des Satzes von TX-Elektroden, einer Referenzspannung an die TX-Elektrode, um einen zweiten Strom des zweiten Satzes von Strömen zu induzieren; und für jede TX-Elektrode des Satzes von TX-Elektroden, Berechnen der Eigenkapazität der TX-Elektrode basierend auf dem zweiten Satz von Strömen und Berechnen der Gegenkapazität zwischen der TX-Elektrode und jeder RX-Elektrode in dem Satz von RX-Elektroden basierend auf dem ersten Satz von Strömen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei für jede TX-Elektrode des Satzes von TX-Elektroden das Berechnen der Eigenkapazität der TX-Elektrode Folgendes beinhaltet: Berechnen einer parasitären Kapazität für die TX-Elektrode basierend auf der an die TX-Elektrode angelegten Referenzspannung und dem induzierten zweiten Strom; Berechnen einer Gegenkapazität zwischen der TX-Elektrode und jeder RX-Elektrode des Satzes von RX-Elektroden durch Durchführen einer Dekonvolutionsoperation basierend auf dem ersten Satz von Strömen; und Subtrahieren einer Summe der Gegenkapazitäten von der parasitären Kapazität.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei für jede TX-Elektrode des Satzes von TX-Elektroden das Anlegen der ersten Erregungsspannung während einer ersten Stufe durchgeführt wird, wobei das Anlegen der Referenzspannung während einer zweiten Stufe, die auf die erste Stufe folgt, durchgeführt wird und wobei das Verfahren für jede TX-Elektrode des Satzes von TX-Elektroden ferner Folgendes beinhaltet: Anlegen, an die TX-Elektrode, einer zweiten Erregungsspannung, die zu der ersten Erregungsspannung komplementär ist, während einer dritten Stufe, die auf die zweite Stufe folgt; und Anlegen der Referenzspannung an die TX-Elektrode während einer vierten Stufe, die auf die dritte Stufe folgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei für jede TX-Elektrode in dem Satz von TX-Elektroden das Anlegen der Referenzspannung an die TX-Elektrode das Verbinden der TX-Elektrode mit einem Ladung-in-Code-Wandler beinhaltet, wobei das Verfahren vor dem Verbinden der TX-Elektrode mit dem Ladung-in-Code-Wandler ferner das Verbinden jeder des Satzes von TX-Elektroden mit einem gemeinsamen Busleiter beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei für eine erste TX-Elektrode und eine zweite TX-Elektrode des Satzes von TX-Elektroden die erste Erregungsspannung, die der ersten TX-Elektrode entspricht, zu der ersten Erregungsspannung, die der zweiten TX-Elektrode entspricht, komplementär ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner für jede TX-Elektrode des Satzes von TX-Elektroden vor dem Anlegen der Referenzspannung an die TX-Elektrode das Entladen der Gegenkapazität zwischen der TX-Elektrode und einer RX-Elektrode des Satzes von RX-Elektroden durch Bereitstellen eines leitfähigen Pfads zwischen der TX-Elektrode und der RX-Elektrode beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner das Anlegen eines Basislinienkompensationssignals an eine Abschirmung beinhaltet, um einen Basislinienstrom, der an einem Ladung-in-Code-Wandler von dem Satz von TX-Elektroden empfangen wird, zu reduzieren, wobei für jede TX-Elektrode in dem Satz von TX-Elektroden die Eigenkapazität der TX-Elektrode eine Kapazität zwischen der TX-Elektrode und der Abschirmung ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner Folgendes beinhaltet: Messen einer Summe des zweiten Satzes von Strömen durch Integrieren von Ladung von dem zweiten Satz von Strömen in einem Ladung-in-Code-Wandler, der einen ersten Eingang, der mit jeder TX-Elektrode des Satzes von TX-Elektroden gekoppelt ist, aufweist; und Anlegen eines Basislinienkompensationssignals an einen zweiten Eingang des Ladung-in-Code-Wandlers, um einen Basislinienausgang des Ladung-in-Code-Wandlers zu reduzieren.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das für eine oder mehrere TX-Elektroden des Satzes von TX-Elektroden ferner Folgendes beinhaltet: Erkennen eines Vorhandenseins eines Objekts an der TX-Elektrode als Reaktion auf das Erkennen, dass das Objekt sowohl die Eigenkapazität der TX-Elektrode als auch die Gegenkapazität zwischen der TX-Elektrode und einer des Satzes von RX-Elektroden ändert; und Verwerfen des Vorhandenseins des Objekts als Reaktion auf das Erkennen, dass das Objekt die Gegenkapazität ändert, ohne dabei die Eigenkapazität um mehr als eine Schwellenmenge zu ändern.
Eine Kapazitätserfassungsschaltung, die Folgendes beinhaltet: einen Satz von einem oder mehreren Übertragungs(TX)-Anschlüssen, die für Folgendes konfiguriert sind: Erzeugen eines ersten Satzes von einem oder mehreren Strömen, wobei für jeden TX-Anschluss des Satzes von TX-Anschlüssen der TX-Anschluss mit einer TX-Elektrode eines Satzes von einer oder mehreren TX-Elektroden gekoppelt ist und konfiguriert ist, um eine Eigenkapazität der TX-Elektrode und eine Gegenkapazität zwischen der TX-Elektrode und einer Empfangs(RX)-Elektrode eines Satzes von einer oder mehreren RX-Elektroden vorzuladen, indem eine erste Erregungsspannung, die der TX-Elektrode entspricht, an die TX-Elektrode angelegt wird, um einen ersten Strom des ersten Satzes von Strömen zu induzieren, und Erzeugen eines zweiten Satzes von einem oder mehreren Strömen, wobei für jeden TX-Anschluss des Satzes von TX-Anschlüssen der TX-Anschluss konfiguriert ist, um eine Referenzspannung an die TX-Elektrode anzulegen, um einen zweiten Strom des zweiten Satzes von Strömen zu induzieren; und eine Verarbeitungslogik, die mit dem Satz von TX-Anschlüssen gekoppelt ist, wobei die Verarbeitungslogik für jede TX-Elektrode des Satzes von TX-Elektroden für Folgendes konfiguriert ist: Berechnen der Eigenkapazität der TX-Elektrode basierend auf dem zweiten Satz von Strömen; und Berechnen der Gegenkapazität zwischen der TX-Elektrode und jeder RX-Elektrode in dem Satz von RX-Elektroden basierend auf dem ersten Satz von Strömen.
Kapazitätserfassungsschaltung gemäß Anspruch 10, die ferner Folgendes beinhaltet: einen Eigenkapazitätserfassungskanal, der mit dem Satz von TX-Anschlüssen gekoppelt ist und konfiguriert ist, um eine Summe des zweiten Satzes von einem oder mehreren Strömen zu messen; und einen Satz von Gegenkapazitätserfassungskanälen, die mit dem Satz von RX-Elektroden gekoppelt sind und konfiguriert sind, um den ersten Satz von Strömen zu messen, wobei jeder TX-Anschluss des Satzes von TX-Anschlüssen ferner Folgendes beinhaltet: einen ersten Schalter zum Anlegen der Referenzspannung an die mit dem TX-Anschluss gekoppelte TX-Elektrode und einen zweiten Schalter zum Anlegen der ersten Erregungsspannung an die TX-Elektrode.
Kapazitätserfassungsschaltung gemäß Anspruch 10, wobei für einen ersten TX-Anschluss und einen zweiten TX-Anschluss des Satzes von TX-Anschlüssen: die erste Erregungsspannung, die durch den ersten TX-Anschluss an die mit dem ersten TX-Anschluss gekoppelte TX-Elektrode angelegt wird, zu der ersten Erregungsspannung, die durch den zweiten TX-Anschluss an die mit dem zweiten TX-Anschluss gekoppelte TX-Elektrode angelegt wird, komplementär ist.
Kapazitätserfassungsschaltung gemäß Anspruch 10, wobei für jeden TX-Anschluss des Satzes von TX-Anschlüssen: der TX-Anschluss konfiguriert ist, um die erste Erregungsspannung während einer ersten Stufe an die mit dem TX-Anschluss gekoppelte TX-Elektrode anzulegen, und der TX-Anschluss konfiguriert ist, um die Referenzspannung während einer zweiten Stufe, die auf die erste Stufe folgt, an die TX-Elektrode anzulegen, und wobei der TX-Anschluss ferner konfiguriert ist, um für jeden TX-Anschluss des Satzes von TX-Anschlüssen: eine zweite Erregungsspannung, die zu der ersten Erregungsspannung komplementär ist, während einer dritten Stufe, die auf die zweite Stufe folgt, an die TX-Elektrode anzulegen, und die Referenzspannung während einer vierten Stufe, die auf die dritte Stufe folgt, an die TX-Elektrode anzulegen.
Kapazitätserfassungsschaltung gemäß Anspruch 10, wobei die Verarbeitungslogik für jede TX-Elektrode des Satzes von TX-Elektroden ferner für Folgendes konfiguriert ist: Berechnen einer parasitären Kapazität für die TX-Elektrode basierend auf der an die TX-Elektrode angelegten Referenzspannung und dem durch die Referenzspannung induzierten zweiten Strom; Berechnen einer Gegenkapazität zwischen der TX-Elektrode und jeder RX-Elektrode des Satzes von RX-Elektroden durch Durchführen einer Dekonvolutionsoperation basierend auf dem ersten Satz von Strömen; und Subtrahieren einer Summe der Gegenkapazitäten von der parasitären Kapazität.
Kapazitätserfassungsschaltung gemäß Anspruch 10, wobei: der Satz von TX-Anschlüssen ferner einen ersten Satz von Schaltern beinhaltet, die konfiguriert sind, um jede TX-Elektrode in dem Satz von TX-Elektroden mit einem gemeinsamen Busleiter zu verbinden; und die Kapazitätserfassungsschaltung ferner einen Eigenkapazitätskanalschalter beinhaltet, der konfiguriert ist, um den gemeinsamen Busleiter mit einem Ladung-in-Code-Wandler zu verbinden, während jede TX-Elektrode des Satzes von TX-Elektroden mit dem gemeinsamen Busleiter verbunden ist.
Kapazitätserfassungsschaltung gemäß Anspruch 10, wobei für jeden TX-Anschluss des Satzes von TX-Anschlüssen der TX-Anschluss ferner einen Entladeschalter beinhaltet, der konfiguriert ist, um selektiv einen leitfähigen Pfad zwischen der mit dem TX-Anschluss gekoppelten TX-Elektrode und jeder RX-Elektrode des Satzes von RX-Elektroden bereitzustellen.
Ein Kapazitätserfassungssystem, das Folgendes beinhaltet: eine kapazitive Sensoranordnung, die einen Satz von einer oder mehreren TX-Elektroden und einen Satz von einer oder mehreren RX-Elektroden beinhaltet; einen Satz von einem oder mehreren Übertragungs(TX)-Anschlüssen, die für Folgendes konfiguriert sind: Erzeugen eines ersten Satzes von einem oder mehreren Strömen, wobei für jeden TX-Anschluss des Satzes von TX-Anschlüssen der TX-Anschluss mit einer TX-Elektrode des Satzes von TX-Elektroden gekoppelt ist und konfiguriert ist, um eine Eigenkapazität der TX-Elektrode und eine Gegenkapazität zwischen der TX-Elektrode und einer Empfangs(RX)-Elektrode eines Satzes von einer oder mehreren RX-Elektroden vorzuladen, indem eine erste Erregungsspannung, die der TX-Elektrode entspricht, an die TX-Elektrode angelegt wird, um einen ersten Strom des ersten Satzes von Strömen zu induzieren, und Erzeugen eines zweiten Satzes von einem oder mehreren Strömen, wobei für jeden TX-Anschluss des Satzes von TX-Anschlüssen der TX-Anschluss konfiguriert ist, um eine Referenzspannung an die TX-Elektrode anzulegen, um einen zweiten Strom des zweiten Satzes von Strömen zu induzieren; eine Verarbeitungslogik, die mit dem Satz von TX-Anschlüssen gekoppelt ist, wobei die Verarbeitungslogik für jede TX-Elektrode des Satzes von TX-Elektroden für Folgendes konfiguriert ist: Berechnen der Eigenkapazität der TX-Elektrode basierend auf dem zweiten Satz von Strömen, Berechnen der Gegenkapazität zwischen der TX-Elektrode und jeder RX-Elektrode in dem Satz von RX-Elektroden basierend auf dem ersten Satz von Strömen; und eine Host-Vorrichtung, die mit der Verarbeitungslogik gekoppelt ist und konfiguriert ist, um basierend auf Folgendem eine oder mehrere Funktionen auszuführen: einem Satz von Eigenkapazitäten, der die Eigenkapazität für jede TX-Elektrode des Satzes von TX-Elektroden umfasst, und einem Satz von Gegenkapazitäten, der die Gegenkapazität zwischen jeder TX-Elektrode in dem Satz von TX-Elektroden und jeder RX-Elektrode in dem Satz von RX-Elektroden umfasst.
Kapazitätserfassungssystem gemäß Anspruch 17, wobei für einen ersten TX-Anschluss und einen zweiten TX-Anschluss des Satzes von TX-Anschlüssen: die erste Erregungsspannung, die durch den ersten TX-Anschluss an die mit dem ersten TX-Anschluss gekoppelte TX-Elektrode angelegt wird, zu der ersten Erregungsspannung, die durch den zweiten TX-Anschluss an die mit dem zweiten TX-Anschluss gekoppelte TX-Elektrode angelegt wird, komplementär ist.
Kapazitätserfassungssystem gemäß Anspruch 17, das ferner Folgendes beinhaltet: eine mit der Host-Vorrichtung gekoppelte Anzeige, wobei die kapazitive Sensoranordnung auf der Anzeige liegt und wobei die Host-Vorrichtung konfiguriert ist, um die Anzeige als Reaktion auf den Satz von Eigenkapazitäten und den Satz von Gegenkapazitäten zu aktualisieren.
Kapazitätserfassungssystem gemäß Anspruch 17, das ferner Folgendes beinhaltet: ein mit der Host-Vorrichtung gekoppeltes Fahrzeug, wobei die Host-Vorrichtung konfiguriert ist, um ein oder mehrere Fahrzeugsubsysteme in dem Fahrzeug basierend auf dem Satz von Eigenkapazitäten und dem Satz von Gegenkapazitäten zu steuern.