TW201430672A - 並行驅動電容式觸控感測裝置及傳輸系統 - Google Patents

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Abstract

一種並行驅動電容式觸控感測裝置，包含一驅動端、一電容感測陣列以及一偵測端。該驅動端於一圖框之每一驅動時段對該電容感測陣列之複數頻道同時輸入編碼及調變後驅動信號。該偵測端於該圖框偵測該等頻道之一偵測矩陣並解碼該偵測矩陣以產生相對每一該等頻道之一二維偵測向量。

Description

並行驅動電容式觸控感測裝置及傳輸系統
本發明係關於一種傳輸系統，特別是關於一種並行驅動電容式觸控感測裝置。
電容式感測器(capacitive sensor)通常包含一對電極用以感測一手指。當手指存在時會造成該對電極間的電荷移轉(charge transfer)量發生改變，因此可根據一電壓變化來偵測手指的存在與否。將複數電極對排列成一陣列則可形成一感測陣列。
圖1A及圖1B顯示一種習知電容式感測器之示意圖，其包含一第一電極91、一第二電極92、一驅動電路93以及一偵測電路94。該驅動電路93用以輸入一驅動信號至該第一電極91，該第一電極91及該第二電極92間會產生電場以將電荷轉移至該第二電極92，該偵測電路94則可偵測該第二電極92之電荷轉移量。
當一手指存在時，例如以等校電路8來表示，該手指會擾亂該第一電極91及該第二電極92間的電場而降低電荷移轉量，該偵測電路94則可偵測到電壓值變化，如此便可藉以判斷該手指的存在。
習知主動電容式觸控感測器(active capacitive sensor)的原理例如可參照美國專利公開第2010/0096193號以及美國專利第6,452,514號。
參照圖1C所示，該偵測電路94通常包含一偵測開關941及一偵測單元942，該偵測單元942在該偵測開關941之開啟期間內方能偵測該第二電極92上的電壓值。然而，不同面板中感測陣列的信號線上會具有不同電容值，該驅動電路93輸入的驅動信號相對不同的感測陣列會出現不同的相位差(phase shift)。因此，該偵測開關941之開啟期間須針對不同 面板進行校正，否則便無法偵測正確的電壓值，而此校正步驟增加了製作複雜度。
有鑑於此，本發明提出一種可克服相位差影響的並行驅動電容式觸控感測裝置及傳輸系統。
本發明之一目的在提供一種電容式觸控感測裝置及其偵測方法，其利用兩連續信號調變一偵測信號以排除感測陣列信號線所造成的相位差的影響。
本發明另一目的在提供一種並行驅動電容式觸控感測裝置及傳輸系統，其可於一傳輸圖框內多次偵測每一頻道，藉以增加訊雜比。
本發明提供一種電容式觸控感測裝置，包含一第一電極、一第二電極、一驅動單元、一偵測電路以及一處理單元。該第一電極及該第二電極用以形成一耦合電容。該驅動單元用以發出一驅動信號至該第一電極。該偵測電路耦接該第二電極，用以偵測該驅動信號透過該耦合電容耦合至該第二電極之一偵測信號，利用兩信號分別調變該偵測信號並產生一二維偵測向量。該處理單元用以計算該二維偵測向量之一向量範數並比較該向量範數與一門檻值以判斷一碰觸事件。
本發明另提供一種電容式觸控感測裝置之偵測方法，該電容式觸控感測裝置包含一感測單元，其包含一第一電極及一第二電極用以形成一耦合電容。該偵測方法包含：輸入一驅動信號至該感測單元之該第一電極；以兩信號分別調變該驅動信號透過該耦合電容耦合至該第二電極之一偵測信號以產生一對調變後偵測信號；以及計算該對調變後偵測信號之大小(scale)並據以判斷一碰觸事件。
本發明另提供一種電容式觸控感測裝置，包含一電容感測陣列、複數驅動單元、一偵測電路以及一處理單元。該電容感測陣列包含陣列排列的複數感測單元，每一感測單元包含一第一電極及一第二電極用以形成一耦合電容。該等驅動單元耦接該等感測單元之第一電極，用以依序輸出一驅動信號至該第一電極。該偵測電路耦接該等感測單元之第二電極，用以依序偵測該驅動信號透過該耦合電容耦合至該第二電極之一偵測信號，利用兩信號分別調變該偵測信號以產生一對調變後偵測信號。該處 理單元根據該對調變後偵測信號判斷一碰觸事件及一碰觸位置。
本發明另提供一種並行驅動電容式觸控感測裝置，包含一驅動單元、一電容感測陣列、一編碼單元、一調變單元、一偵測電路以及一解碼單元。該驅動單元用以輸出一驅動信號。該電容感測陣列包含複數感測單元行列式地排列。該編碼單元相對每列該等感測單元對該驅動信號進行編碼，以輸出編碼後驅動信號。該調變單元相對每列該等感測單元對該編碼後驅動信號進行調變，以同時輸出編碼及調變後驅動信號至每列該等感測單元。該偵測電路耦接該電容感測陣列，用以根據每行該等感測單元之一偵測信號輸出一偵測矩陣。該解碼單元對該偵測矩陣進行解碼，以輸出相對每一該等感測單元之一二維偵測向量。
本發明另提供一種並行驅動電容式觸控感測裝置，包含一電容感測陣列、一驅動端以及一偵測端。該電容感測陣列具有複數頻道。該驅動端用以於該電容感測陣列之一圖框之複數驅動時段的每一該等驅動時段同時對該等頻道輸入編碼及調變後驅動信號。該偵測端依序耦接該電容感測陣列之該等頻道，解碼偵測該等頻道所求得之一偵測矩陣以相對每一該等頻道產生一二維偵測向量，並計算該二維偵測向量之一向量範數。
本發明另提供一種傳輸系統，包含一傳輸端、一同步單元以及一偵測端。該傳輸端包含複數行動元件、複數編碼單元以及複數發射單元。每一該等行動元件輸出一調變後傳送信號。該等編碼單元對應於每一該等行動元件並對該調變後傳送信號進行編碼以輸出編碼及調變後傳送信號。該等發射單元對應於每一該等行動元件並於一傳輸圖框之複數時段的每一該等時段發射該等行動元件之該等編碼及調變後傳送信號。該同步單元用以同步不同的該等行動元件之該等編碼及調變後傳送信號之該等時段。該偵測端包含一接收單元以及一解碼單元。該接收單元相對每一該等時段接收該等編碼及調變後傳送信號並產生一偵測矩陣。該解碼單元解碼該偵測矩陣以產生相對每一該等行動元件之一接收信號。
一實施例中，可使用一哈達馬矩陣進行編碼並使用該哈達馬矩陣之一反哈達馬矩陣進行解碼。
一實施例中，可僅使用相位調變進行信號調變；或同時使用相位及振幅調變進行信號調變。
一實施例中，該向量範數(norm of vector)可利用座標旋轉數位計算機(CORDIC)求得。
一實施例中，該兩信號係為連續信號，例如可為彼此正交或非正交的兩連續信號。例如，該兩信號可為正弦信號及餘弦信號，其間的相位差可等於、大於或小於零度。
一實施例中，該驅動信號可為一時變信號，例如一週期信號。
一實施例中，該偵測電路另包含至少一積分器以及至少一類比數位轉換單元。該積分器用以積分經調變的該偵測信號。該類比數位轉換單元用以數位化經調變及積分的該偵測信號以產生該二維偵測向量之兩分量。
本發明實施例之電容式觸控感測裝置中，當一物件靠近該感測單元時，該向量範數可能變大或變小。因此，透過比較該向量範數與一門檻值，即可判定該物件是否存在該感測單元附近，且由於該向量範數僅為純量，故可排除感測陣列中信號線的相位移(phase shift)所造成的影響以增加判斷精確度。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯，下文將配合所附圖示，詳細說明如下。此外，於本發明之說明中，相同之構件係以相同之符號表示，於此先述明。
10、1011~10nm‧‧‧感測單元
101、91‧‧‧第一電極
102、92‧‧‧第二電極
103‧‧‧耦合電容
11‧‧‧時序控制器
12、121~12n‧‧‧驅動單元
13、94‧‧‧偵測電路
131、131'‧‧‧乘法器
132、132'‧‧‧積分器
133、133'‧‧‧類比數位轉換單元
14‧‧‧處理單元
2‧‧‧並行驅動電容式觸控感測裝置
2T‧‧‧驅動端
2R、3R‧‧‧偵測端
200‧‧‧電容感測陣列
2011~20nn‧‧‧感測單元
22‧‧‧驅動單元
23‧‧‧偵測電路
24‧‧‧處理單元
25、351~35n‧‧‧編碼單元
26‧‧‧調變單元
27、37‧‧‧解碼單元
3T‧‧‧傳輸端
3S‧‧‧同步單元
321~32n‧‧‧行動元件
381~38b‧‧‧發射單元
39‧‧‧接收單元
93‧‧‧驅動電路
941‧‧‧偵測開關
942‧‧‧偵測單元
8‧‧‧手指
x(t)、X(t)‧‧‧驅動信號
y(t)‧‧‧偵測信號
y1(t)、y2(t)‧‧‧調變後偵測信號
SW1~SWm‧‧‧開關元件
S1、S2‧‧‧連續信號
S31~S34‧‧‧步驟
I、Q‧‧‧偵測向量之分量
圖1A~1C顯示習知主動電容式觸控感測器之方塊示意圖。
圖2顯示本發明實施例之電容式觸控感測裝置之示意圖。
圖3A~3B顯示本發明實施例之電容式觸控感測裝置之另一示意圖。
圖4顯示本發明實施例之電容式觸控感測裝置中，向量 範數與門檻值之示意圖。
圖5顯示本發明另一實施例之電容式觸控感測裝置之示意圖。
圖6顯示圖5之電容式觸控感測裝置之運作流程圖。
圖7顯示本發明實施例之並行驅動電容式觸控感測裝置之示意圖。
圖8顯示本發明實施例之並行驅動電容式觸控感測裝置之各驅動時段中各頻道之驅動信號之示意圖。
圖9顯示本發明實施例之傳輸系統之方塊示意圖。
請參照圖2所示，其顯示本發明實施例之電容式觸控感測裝置之示意圖。本實施例之電容式觸控感測裝置包含一感測單元10、一驅動單元12、一偵測電路13以及一處理單元14。該電容式觸控感測裝置係透過判斷該感測單元10之電荷變化來偵測一物件(例如，但不限於，一手指或一金屬片)是否接近該感測單元10。
該感測單元10包含一第一電極101(例如驅動電極)及一第二電極102(例如接收電極)，當一電壓信號輸入至該第一電極101時，該第一電極101與該第二電極102間可產生電場並形成一耦合電容103。該第一電極101與該第二電極102可適當配置而並無特定限制，只要能形成該耦合電容103即可(例如透過一介電層)；其中，該第一電極101與該第二電極102間產生電場及耦合電容103的原理已為習知，故於此不贅述。本發明的精神在於消除信號線上電容所造成的相位差對偵測結果的影響。
該驅動單元12例如為一信號產生單元，其可發出一驅動信號x(t)至該感測單元10之第一電極101。該驅動信號x(t)可為一時變信號，例如一週期信號。其他實施例中，該驅動信號x(t)亦可為脈衝信號，例如方波、三角波等，但並不以此為限。該驅動信號x(t)透過該耦合電容103可耦合一偵測信號y(t)至該感測單元10之第二電極102。
該偵測電路13耦接該感測單元10之第二電極102，用以偵 測該偵測信號y(t)，並利用兩信號分別調變該偵測信號y(t)並產生一對調變後偵測信號以作為一二維偵測向量的兩分量I、Q；其中，該兩信號可為連續信號，例如彼此正交或非正交的連續信號或兩向量。一實施例中，該兩信號為正弦信號及餘弦信號；其中，所述正弦信號及餘弦信號之相位差可為零亦可不為零。
該處理單元14用以計算該對調變後偵測信號之大小(scale)以作為該二維偵測向量(I,Q)之一向量範數(norm of vector)，並比較該向量範數與一門檻值TH以判斷一碰觸事件(touch event)。一實施例中，該處理單元14可利用軟體的方式計算出該向量範數；另一實施例中，該處理單元14亦可利用硬體或韌體的方式來進行計算，例如採用圖4所示的座標旋轉數位計算機(CORDIC,coordinate rotation digital computer)來計算出該向量範數；其中，CORDIC為一種習知快速演算法。例如，當沒有任何物件接近該感測單元10時，假設該處理單元14計算出的該向量範數為R；當一物件接近該感測單元10時，該向量範數減少為R'；當該向量範數R'小於該門檻值TH時，該處理單元14則可判定一物件位於該感測單元10附近並造成一碰觸事件。必須說明的是，當其他物件，例如金屬片，接近該感測單元10時，也有可能造成該向量範數R增加，因此該處理單元14也可在該向量範數變化為大於一預設門檻值時判定為一碰觸事件。
另一實施例中，該處理單元14可將二維偵測向量之兩分量I及Q利用正交振幅位移鍵控(QASK)進行編碼，例如16-QASK。該處理單元14中已事前將QASK編碼中的一部分編碼對應為碰觸事件而另一部分編碼對應為未碰觸。當該處理單元14根據調變後偵測信號計算出目前兩分量I及Q的QASK編碼時，即可判定一物件是否接近該感測單元10。
圖3A及3B顯示本發明實施例之電容式觸控感測裝置之另一示意圖，其顯示出該偵測電路13的實施方式。
圖3A中，該偵測電路13包含兩乘法器131及131'、兩積分器132及132'、兩類比數位轉換單元(ADC)133及133'，用以處理該偵測信號y(t)以產生一二維偵測向量(I,Q)。該兩乘法器131及131'用以分別將兩信號，例如此時顯示為以及，與該偵測信號y(t)進行調變以產生一對調變後偵測信號y1(t)及y2(t)。為了取樣該對調變後 偵測信號y1(t)及y2(t)，利用該兩積分器132及132'對該對調變後偵測信號y1(t)及y2(t)進行積分；本實施例中，該兩積分器132及132'的形式並無特定限制，例如可為電容器(capacitor)。該兩類比數位轉換單元133及133'則用以數位化經積分的該對調變後偵測信號y1(t)及y2(t)以產生該二維偵測向量之兩數位分量I、Q。可以了解的是，該兩類比數位轉換單元133及133'在該兩積分器132及132'的電位變化穩定時開始擷取數位資料。所述兩信號除了使用上述的兩連續信號外，亦可為兩向量，例如S1=[1 0 -1 0]且S2=[0 -1 0 1]以簡化電路架構。所述兩信號只要是能夠簡化調變及解調變過程的適當簡化向量均可，並無特定限制。
圖3B中，該偵測電路13包含一乘法器131、一積分器132及一類比數位轉換單元133，而兩信號S1及S2係經過一多工器130輸入該乘法器131以與該偵測信號y(t)進行調變來產生兩調變後偵測信號y1(t)及y2(t)。此外，該乘法器131、該積分器132及該類比數位轉換單元133的功能與圖3A相同，故於此不再贅述。
綜上所述，本發明實施例之電容式觸控感測裝置之偵測方法包含下列步驟：輸入一驅動信號至一感測單元之第一電極；以兩信號分別調變該驅動信號透過一耦合電容耦合至一第二電極之一偵測信號以產生一對調變後偵測信號；以及計算該對調變後偵測信號之大小並據以判斷一碰觸事件。
例如參照圖3A及3B所示，該驅動單元12輸入一驅動信號x(t)至該感測單元10之第一電極101後，該驅動信號x(t)透過該耦合電容103耦合一偵測信號y(t)至該感測單元10之第二電極102。接著，該偵測電路13以兩信號S1及S2分別調變該偵測信號y(t)以產生一對調變後偵測信號y1(t)及y2(t)。該處理單元14計算該對調變後偵測信號y1(t)及y2(t)之大小並據以判斷一碰觸事件；其中，計算該對調變後偵測信號y1(t)及y2(t)之大小的方式例如可參照圖4及其相關說明。此外，在計算該對調變後偵測信號y1(t)及y2(t)之大小前，可利用該積分器132及/或132'積分該對調變後偵測信號y1(t)及y2(t)後，由該類比數位轉換單元133及/或133'進行數位化以輸出該二維偵測向量(I,Q)之兩數位分量I、Q。
請參照圖5所示，其顯示本發明另一實施例之電容式觸控 感測裝置之示意圖。陣列排列的複數感測單元10可形成一電容感測陣列，每一列(row)感測單元10由一驅動單元121~12n驅動且該偵測電路13透過複數開關元件SW1~SWm偵測每一行(column)感測單元10的輸出信號。如圖5所示，驅動單元121用以驅動第一列感測單元1011~101m；驅動單元122用以驅動第二列感測單元1021~102m；...；驅動單元12n用以驅動第n列感測單元10n1~10nm；其中，n及m為正整數且其數值可根據電容感測陣列之尺寸及解析度決定，並無特定限制。
本實施例中，每一感測單元10(此處以圓圈表示)均包含一第一電極及一第二電極用以形成一耦合電容，如圖2、3A及3B所示。該等驅動單元121~12n分別耦接至一列感測單元10之第一電極。一時序控制器11則用以控制該等驅動單元121~12n依序輸出一驅動信號x(t)至該等感測單元10之第一電極。
該偵測電路13透過複數開關元件SW1~SWm分別耦接一行感測單元10之第二電極，用以依序偵測該驅動信號x(t)透過該等感測單元10之耦合電容耦合至該第二電極之一偵測信號y(t)，並利用兩信號分別調變該偵測信號y(t)以產生一對調變後偵測信號；其中，產生該對調變後偵測信號的方式已詳述於圖3A及3B及其相關說明，故於此不贅述。
該處理單元14則根據該對調變後偵測信號判斷一碰觸事件及一碰觸位置。如前所述，該處理單元14可計算該對調變後偵測信號所形成之一二維偵測向量之一向量範數，當該向量範數小於等於或大於等於一門檻值TH時判定該碰觸事件，如圖4所示。
本實施例中，當該時序控制器11控制該驅動單元121輸出該驅動信號x(t)至第一列感測單元1011~101m時，該等開關元件SW1~SWm則依序被開啟以使該偵測電路13能夠依序偵測第一列感測單元1011~101m的每一個感測單元所輸出的偵測信號y(t)。接著，該時序控制器11依序控制其他驅動單元122~12N輸出該驅動信號x(t)至每一列感測單元。當該偵測電路13偵測過所有感測單元後，則完成一個掃描週期(scan period)。該處理單元14則將一掃描週期中發生該碰觸事件之感測單元的位置判定為該碰觸位置。可以了解的是，所述碰觸位置可能不只發生於一個感測單元10，該處理單元14可將複數感測單元10的位置均視作碰觸位置，或將相鄰的複 數感測單元10其中之一(例如中心或重心)的位置視作一碰觸位置。
參照圖6所示，其顯示本發明實施例之電容式觸控感測裝置之運作流程圖，包含下列步驟：輸入一驅動信號至一電容感測陣列之一感測單元(步驟S31)；以兩信號分別調變該感測單元輸出之一偵測信號以產生一對調變後偵測信號(步驟S32)；積分並數位化該對調變後偵測信號(步驟S33)；以及判斷一碰觸事件及一碰觸位置(步驟S34)。本實施例之運作方式已詳述於圖5及其相關說明，故於此不再贅述。
另一實施例中，為了節省圖5中電容式觸控感測裝置的耗能，該時序控制器11可控制複數驅動單元121~12n同時輸出該驅動信號x(t)至相對應列的感測單元。該偵測電路13則以不同的兩連續信號S1、S2分別調變每一列偵測信號y(t)以進行區別。除此之外，判斷碰觸事件及碰觸位置的方式則類似圖5，故於此不再贅述。
本發明實施例中，該偵測電路13可另包含濾波器及/或放大器等元件，以增加信號品質。此外，該處理單元14亦可與該偵測電路13合併為單一元件。
如上所述，信號傳輸過程中信號線上電容所造成的相位差可透過計算二維偵測向量的向量範數(norm of vector)被忽略；換句話說，如果各頻道的驅動信號x(t)間存在相位差，其亦可以透過計算二維偵測向量的向量範數被忽略。因此本發明另一實施例中，可利用彼此具相位差之複數驅動信號在相同驅動時段(drive time slot)並行驅動(concurrent drive)不同頻道(channel)，並在接收端透過計算各頻道之二維偵測向量的向量範數來判定一碰觸事件及/或一碰觸位置。此外，本實施例中不同頻道的相位調變係實施於驅動信號x(t)，故接收端不需另外再使用兩信號分別調變偵測信號y(t)。本實施例之詳細實施方式說明如下。
請參照圖7所示，其顯示本發明實施例之並行驅動電容式觸控感測裝置2之示意圖。該並行驅動電容式觸控感測裝置2包含一驅動端2T、一電容感測陣列200以及一偵測端2R；其中，該電容感測陣列200具有複數頻道。例如，該電容感測陣列200包含複數感測單元(例如2011~20nn)行列式地排列，此處所述頻道係指該驅動端2T驅動一感測單元並由該偵測端2R偵測該感測單元之一信號路徑。
該驅動端2T用以於該電容感測陣列200之一掃描週期(或稱圖框frame)之複數驅動時段的每一該等驅動時段同時對該等頻道輸入編碼及調變後驅動信號；該偵測端2R依序耦接該電容感測陣列200之該等頻道，並解碼偵測該等頻道所求得之一偵測矩陣以相對每一該等頻道產生一二維偵測向量，並計算該二維偵測向量之一向量範數；其中，該偵測矩陣之每一矩陣元素(matrix element)係為每一該等驅動時段中求得之一偵測信號，且該偵測矩陣係為一維矩陣。此外，該偵測端2R另比較該向量範數與一門檻值以判斷一碰觸事件及/或一碰觸位置(如圖4)。一實施例中，該等驅動時段之一數目等於該等頻道之一數目。
本實施例中，該編碼及調變後驅動信號可使用一哈達馬矩陣進行編碼，該偵測端2R則使用該哈達馬矩陣之一反哈達馬矩陣解碼該偵測矩陣。該編碼及調變後驅動信號可僅進行相位調變，或同時進行相位及振幅調變，例如可使用正交振幅調變(QAM)來實現。
一實施例中，該並行驅動電容式觸控感測裝置2包含一驅動單元22、一編碼單元25、一調變單元26、該電容感測陣列200、一偵測電路23、一解碼單元27以及一處理單元24。一實施例中，該驅動單元22、該編碼單元25及該調變單元26共同組成該驅動端2T；而該偵測電路23、該解碼單元27及該處理單元24共同組成該偵測端2R。
另一實施例中，該編碼單元25及該調變單元26可組合成單一編碼調變單元；該解碼單元27亦可包含於該處理單元24內。
該驅動單元22輸出一驅動信號X(t)至該編碼單元25，此處以X(t)=Vd×exp(jwt)作為例示；其中，Vd為一驅動電壓值、w為一驅動頻率而t為時間。如前一實施例中所述，該驅動信號X(t)並不限於連續信號。另一實施中，該驅動單元22輸出複數相同的驅動信號X(t)至該編碼單元25。
該編碼單元25相對每列感測單元對該驅動信號X(t)進行編碼，以輸出一編碼後驅動信號Xc(t)。一實施例中，該編碼單元25可使用一編碼矩陣，例如哈達馬矩陣(Hadamard matrix)對該驅動信號X(t)進行編碼。可以了解的是，只要是能夠使各頻道透過編碼進行區別，亦可使用其他編碼矩陣。此外，該編碼矩陣之尺寸可根據頻道數而決定。
該調變單元26相對每列感測單元對該編碼後驅動信號Xc(t) 進行相位調變，以輸出編碼及調變後驅動信號至每列感測單元；所述相位調變係使輸入至每列感測單元之該編碼及調變後驅動信號彼此間具有一相位差；藉此，可抑制該偵測電路23中的類比數位轉換單元(ADC)的輸入電壓(如圖3A及3B)，以避免超出類比數位轉換單元的偵測範圍。其它實施例中，亦可對編碼後驅動信號Xc(t)同時進行振幅及相位調變，例如使用正交振幅調變。例如圖7中，該調變單元26輸出一編碼及調變後驅動信號X1(tk)至第一頻道、一編碼及調變後驅動信號X2(tk)至第二頻道、...以及一編碼及調變後驅動信號Xn(tk)至第n頻道；其中，k表示一掃描週期的各驅動時段。
例如編碼矩陣可利用式(1)所示的矩陣表示且各矩陣元素可以ars表示，其中，各矩陣元素ars的下標r相對於各驅動時段而各矩陣元素ars的下標s相對於各頻道，
調變單元26的運作可利用數學式(2)所示的對角矩陣(diagonal matrix)表示，其中，x1~xn係為複數(complex number)且較佳彼此間具有一相位差。x1~xn係用以分別對不同頻道進行相位調變。當使用正交振幅調變(QAM)作為調變機制時，x1~xn彼此間具有一振幅差以及一相位差；其中，x1~xn的下標相對於各頻道。
請同時參照圖7及8所示，根據式(1)及式(2)，該調變單元26例如於一第一時段k=1同時輸出一驅動信號X(t)a11x1至第一頻道、一驅動信號X(t)a12x2至第二頻道...以及一驅動信號X(t)a1nxn至第n頻道；該調變單元26於一第二時段k=2同時輸出一驅動信號X(t)a21x1至第一頻道、一驅動信號X(t)a22x2至第二頻道...以及一驅動信號X(t)a2nxn至第n頻道；該調變單元26於一第n時段k=n同時輸出一驅動信號X(t)an1x1至第一頻道、一驅動信號X(t)an2x2至第二頻道...以及一驅動信號X(t)annxn至第n頻道。 當所有時段k=1~k=n的編碼及調變後驅動信號X1(tk)~Xn(tk)輸入至該電容感測陣列200後，則完成一個驅動圖框的動作。
如前所述，該電容感測陣列200包含第一列感測單元2011~201n、第二列感測單元2021~202n...以及第n列感測單元20n1~20nn(即頻道1~n)。該等驅動信號X(t)a11x1、X(t)a12x2~X(t)a1nxn於第一時段k=1時分別輸入至第一列感測單元2011~201n、第二列感測單元2021~202n...以及第n列感測單元20n1~20nn。其他時段k=2~k=n輸入至每列感測單元的驅動信號亦顯示於圖8。此外，該電容感測陣列200中的線路相對于不同頻道的驅動信號具有不同的電抗，其例如可使用一維矩陣[y1 y2...yn]T數學地表示該電容感測陣列200之電抗矩陣。在一掃描週期內，當該電容感測陣列200未被碰觸時，該電抗矩陣大致維持不變；而當發生碰觸事件時，該電抗矩陣的至少一個矩陣元素出現改變，因而改變該偵測信號y(t)。
如圖7所示，該電容感測陣列200的每行感測單元係分別透過一開關元件SW1~SWn耦接至該偵測電路23。於一掃描週期的每一驅動時段k=1~k=n內，該等開關元件SW1~SWn依序耦接相對應的一行感測單元至該偵測電路23，以使該偵測電路23根據每行感測單元之一偵測信號y(t)產生一偵測矩陣。例如圖7顯示開關元件SW2將該電容感測陣列200的第二行感測單元耦接至該偵測電路23。
因此，一掃描周期完成(即一張圖框)後，從該電容感測陣列200之每行感測單元所輸出之偵測信號y(t)則可以數學地表示成式(3)所示的X(t)×[編碼矩陣]×[調變矩陣]×[電抗矩陣]；其中，編碼矩陣的矩陣元素由所使用的編碼方式而定；調變矩陣的矩陣元素由調變機制而定而電抗矩陣的矩陣元素則由電容感測陣列200決定。如前所述，該偵測電路23包含至少一積分器及至少一類比數位轉換單元(例如圖3A、3B所示)，用以根據該偵測信號y(t)求得二維偵測向量(I+jQ)之兩數位分量I、Q。
因此，該偵測電路23在一掃描周期完成後所輸出的二維偵 測向量可以一偵測矩陣[(I1+jQ1)(I2+jQ2)...(In+jQn)]T表示；其中，(I1+jQ1)為根據一行(例如第二行)感測單元於第一驅動時段k=1之偵測信號y(t)所求得之二維偵測向量，由於編碼及調變後驅動信號X1(tk)~Xn(tk)係於該第一驅動時段k=1內分別輸入各頻道，因此該二維偵測向量(I1+jQ1)係為包含了第一驅動時段k=1內所有頻道之偵測信號的疊加(superposition)。同理，(I2+jQ2)為根據一行感測單元於第二驅動時段k=2之偵測信號y(t)所求得的二維偵測向量且包含了第二驅動時段k=2內所有頻道之偵測信號的疊加；…；In+jQn為根據一行感測單元於第n驅動時段k=n之偵測信號y(t)所求得的二維偵測向量且包含了第n驅動時段k=n內所有頻道之偵測信號的疊加。
為了去耦合(decoupling)各頻道疊加的偵測信號，該偵測電路23將該偵測矩陣傳送至該解碼單元27以進行解碼。該解碼單元27則輸出一行(例如第二行)感測單元中每一頻道(即感測單元)的二維偵測向量，如式(4)所示；例如，頻道1的二維偵測向量表示為(i1+jq1)、頻道2的二維偵測向量表示為(i2+jq2)...以及頻道n的二維偵測向量表示為(in+jqn)；其中，i及q為二維偵測向量之兩數位分量。圖7中，一掃描週期完成後，該解碼單元27可針對每一行感測單元輸出一組二維偵測向量(i+jq)，亦即此時為n組[(i1+jq1)(i2+jq2)...(in+jqn)]T。該解碼單元27係使用該編碼矩陣的反矩陣來對疊加的偵測信號(即該偵測矩陣)進行去耦合；例如，哈達馬矩陣的反矩陣。
最後，該處理單元24可計算每一頻道的二維偵測向量之向量範數，並將求得之該向量範數與一門檻值TH進行比較，如圖4所示。
藉此，在一個掃描周期完成後，該處理單元24則可根據n×n個向量範數與門檻值TH的比較結果判斷該電容感測陣列200之一碰觸事件及/或一碰觸位置；其中，n表示陣列尺寸。
此外，當本實施例中該驅動信號X(t)還實施振幅調變時，該處理單元24可另包含一自動準位控制(ALC)來消除振幅偏移。例如，該處理單元24內(或另行設置記憶單元)可事先儲存有該電容感測陣列200未 被觸壓時該自動準位控制的控制參數，其使各感測單元之偵測結果大致相同。藉此，當發生觸碰時，則可更精確的判定碰觸事件。
此外，如前所述，每一該等感測單元(2011~20nn)包含一第一電極101及一第二電極102用以形成一耦合電容103(如圖2、3A及3B)。該編碼及調變後驅動信號X1(tk)~Xn(tk)耦接至該第一電極101；該偵測電路23耦接該第二電極102，用以偵測該編碼及調變後驅動信號X1(tk)~xn(tk)透過該耦合電容103耦合至該第二電極102之該偵測信號y(t)。
本發明之並行傳輸方法另可應用於其他傳輸系統，用以取代傳統的分時多工調變(TDM)傳輸並增加訊雜比(SNR)。例如一行動無線電系統(mobile radio system)中，式(3)中的偵測信號y(t)不包含電抗矩陣[y1 y2...yn]T的調變效應。此外，在電容感測陣列的應用中，每一圖框(frame)中該調變矩陣均大致相同。然而，於行動無線電系統的應用中，該調變矩陣由每一行動元件(mobile element)之調變向量取代；由於不同圖框中所耦接的行動元件可能不同，因此每一圖框之調變向量根據耦接的行動元件而決定，例如可由每一行動元件於每一圖框自行更新(update)該調變向量x1~xn，其用以調變所輸出的傳送信號。複數行動元件則取代該驅動單元22以輸出各自的傳送信號X1(t)~Xn(t)。此時，式(3)的偵測矩陣則可以式(5)的數學式取代，其中各矩陣元素的下標r相對於各行動元件而各矩陣元素的下標s相對於一圖框之傳送時段。
例如參照圖9所示，其顯示本發明實施例之傳輸系統之方塊示意圖，其包含一傳輸端3T以及一偵測端3R；其中，該傳輸端3T相對於圖7之驅動端2T而該偵測端3R相對於圖7之偵測端2R。此外，為了同步從該傳輸端3T發出的傳送信號，本實施例之傳輸系統另包含一同步單元3S，例如一全球定位系統(GPS)。本實施例中，該同步單元3S可為任何適當裝置只要該等傳送信號之傳送時段能夠於到達一接收天線時達成時間同步即可，例如使用一中央同步信號。
該傳輸端3T包含複數行動元件321~32n、複數編碼單元351~35n以及複數發射單元381~38n且各行動元件之該編碼及調變後傳送信號從其各自的天線發送；亦即，各行動元件分別包含一編碼單元、一傳輸單元以及一天線。該偵測端3R包含一接收單元39、一解碼單元37以及一接收天線。
每一該等行動元件321~32n輸出一調變後傳送信號X1(t)x1~Xn(t)xn；其中，該等調變後傳送信號X1(t)x1~Xn(t)xn係使用相位調變之傳送信號，或使用相位及振幅調變之傳送信號，例如以QAM調變。如前所述，該等調變向量x1~xn係由該等行動元件321~32n於每一傳輸圖框自行更新。
該等編碼單元351~35n用以對該等調變後傳送信號X1(t)x1~Xn(t)xn進行編碼以輸出編碼及調變後傳送信號Xc1(t)~Xcn(t)；其中，該編碼單元35可使用一哈達馬矩陣進行編碼且各行動元件之該調變後傳送信號係由該哈達馬矩陣之不同列進行編碼以在該接收端3R與其他行動元件區隔。如前所述，只要是使用能夠區別各頻道傳送信號的一預設編碼矩陣即可，並不限定使用哈達馬矩陣。該等發射單元381~38n在沒有載波相位同步下，於每一傳送時段透過各自的天線發出該等行動元件321~32n的編碼及調變後傳送信號Xc1(t)~Xcn(t)。不同行動元件之編碼及調變後傳送信號之該等傳送時段可由該同步單元35正確地同步。所有n個編碼及調變後傳送信號Xc1(t)~Xcn(t)當到達接收天線時於RF鏈結線性地被疊加。
該接收單元39從該接收天線相對每一該等時段接收該等編碼及調變後傳送信號Xc1(t)~Xcn(t)並產生如式(5)所示之一偵測矩陣y(t)；其中，該偵測矩陣y(t)之每一矩陣元素係為一複數。該解碼單元37解碼該偵測矩陣y(t)以產生相對每一該等行動元件321~32n之一接收信號，如同前一實施例之電容式觸控感測裝置所述；例如，該解碼單元37可使用一反哈達馬矩陣進行解碼。可以了解的是，若該編碼矩陣並非哈達馬矩陣，該解碼單元37則不使用反哈達馬矩陣，而使用該編碼矩陣之反矩陣。
本實施例中，一傳輸圖框中發出該等編碼及調變後傳送信號Xc(t)之時段的次數較佳等於該等行動元件321~32n之個數。本實施例中，由於該偵測端3R於每一傳輸圖框可多次接收每個頻道傳送信號，故可 有效增加訊雜比。
綜上所述，習知傳輸系統係利用分時多工調變來傳送資訊，因而具有較低的訊雜比。因此，本發明另提出一種並行驅動電容式觸控感測裝置(圖7)及傳輸系統(圖9)，其於每一傳輸時段均針對每一頻道輸入驅動信號並讀取偵測信號。由於每一掃描週期內每一頻道的工作周期(duty cycle)增加了，因而可有效提升訊雜比以增加判斷精度。
雖然本發明已以前述實例揭示，然其並非用以限定本發明，任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
2‧‧‧並行驅動電容式觸控感測裝置
200‧‧‧電容感測陣列
2011~20nn‧‧‧感測單元
22‧‧‧驅動單元
23‧‧‧偵測電路
24‧‧‧處理單元
25‧‧‧編碼單元
26‧‧‧調變單元
27‧‧‧解碼單元
2T‧‧‧驅動端
2R‧‧‧偵測端
SW1~SWn‧‧‧開關元件

Claims (20)

  1. 一種並行驅動電容式觸控感測裝置，包含：一驅動單元，用以輸出一驅動信號；一電容感測陣列，包含複數感測單元行列式地排列；一編碼單元，相對每列該等感測單元對該驅動信號進行編碼，以輸出編碼後驅動信號；一調變單元，相對每列該等感測單元對該編碼後驅動信號進行調變，以同時輸出編碼及調變後驅動信號至每列該等感測單元；一偵測電路，耦接該電容感測陣列，用以根據每行該等感測單元之一偵測信號輸出一偵測矩陣；以及一解碼單元，對該偵測矩陣進行解碼，以輸出相對每一該等感測單元之一二維偵測向量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，另包含一處理單元用以計算該二維偵測向量之一向量範數。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之感測裝置，其中該處理單元另比較該向量範數與一門檻值以判斷一碰觸事件及一碰觸位置至少其中之一。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，其中該編碼單元使用一哈達馬矩陣對該驅動信號進行編碼。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之感測裝置，其中該解碼單元使用該哈達馬矩陣之一反矩陣解碼該偵測矩陣。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，其中該調變單元相對每列該等感測單元調變該編碼後驅動信號之一相位。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，其中該調變單元使用正交振幅調變相對每列該等感測單元調變該編碼後驅動信號。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，其中該偵測電路透過複數開關元件分別耦接該電容感測陣列之每行該等感測單元。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，其中每一該等感測單元包含一第一電極及一第二電極用以形成一耦合電容，該編碼及調變後驅動信號耦接至該第一電極，該偵測電路耦接該第二電極用以偵測該編碼及調變後驅動信號透過該耦合電容耦合至該第二電極之該偵測信號。
  10. 一種並行驅動電容式觸控感測裝置，包含：一電容感測陣列，具有複數頻道；一驅動端，用以於該電容感測陣列之一圖框之複數驅動時段的每一該等驅動時段同時對該等頻道輸入編碼及調變後驅動信號；以及一偵測端，依序耦接該電容感測陣列之該等頻道，解碼偵測該等頻道所求得之一偵測矩陣以相對每一該等頻道產生一二維偵測向量，並計算該二維偵測向量之一向量範數。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之感測裝置，其中該編碼及調變後驅動信號係使用一哈達馬矩陣進行編碼並使用相位調變進行調變。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之感測裝置，其中該編碼及調變後驅動信號係使用一哈達馬矩陣進行編碼並使用正交振幅調變進行調變。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之感測裝置，其中該偵測端另比較該向量範數與一門檻值以判斷一碰觸事件及一碰觸位置至少其中之一。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之感測裝置，其中該等驅動時段之一數目等於該等頻道之一數目。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之感測裝置，其中該編碼及調變後驅動信號係使用一哈達馬矩陣進行編碼，該偵測端係使用該哈達馬矩陣之一反矩陣解碼該偵測矩陣。
  16. 如申請專利範圍第10項所述之感測裝置，其中該偵測矩陣之每一矩陣元素為每一該等驅動時段之一偵測信號。
  17. 一種傳輸系統，包含：一傳輸端，包含：複數行動元件，每一該等行動元件輸出一調變後傳送信號；複數編碼單元，對應於每一該等行動元件，對該調變後傳送信號進行編碼以輸出編碼及調變後傳送信號；及複數發射單元，對應於每一該等行動元件，於一傳輸圖框之複數時段的每一該等時段發射該等行動元件之該等編碼及調變後傳送信號；一同步單元，用以同步不同的該等行動元件之該等編碼及調變後傳送信號之該等時段；以及 一偵測端，包含：一接收單元，相對每一該等時段接收該等編碼及調變後傳送信號並產生一偵測矩陣；及一解碼單元，解碼該偵測矩陣以產生相對每一該等行動元件之一接收信號。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之傳輸系統，其中該等編碼單元係使用一哈達馬矩陣進行編碼。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之傳輸系統，其中該解碼單元係使用該哈達馬矩陣之一反矩陣進行解碼。
  20. 如申請專利範圍第17項所述之傳輸系統，其中該調變後傳送信號係使用相位調變之一傳送信號，或使用相位及振幅調變之一傳送信號。
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