TW201640301A - 用於感測器之正交頻分掃描方法 - Google Patents

用於感測器之正交頻分掃描方法 Download PDF

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Abstract

在實施例中，一設備包括經組態以操作性地耦接至一感測器(例如，一觸控面板感測器、一指紋感測器)之一控制器。該感測器包括複數個驅動電極及複數個感測電極。節點形成於該複數個驅動電極與該等感測電極之交叉點處。該控制器包括操作性地耦接至該複數個驅動電極之輸出電路。該輸出電路經組態以產生獨特驅動信號以驅動觸控面板感測器之對應驅動電極。該觸控面板控制器亦包括操作性地耦接至該等感測電極之輸入電路。該輸入電路經組態以量測形成於該複數個驅動電極之每一交叉點處的互電容以建立緊接於該感測器之一或多個物件之一影像。

Description

用於感測器之正交頻分掃描方法
觸控面板為允許電子裝置之操作者使用諸如手指、手寫筆等等之器具而將輸入提供至該裝置的人機介面(human machine interface；HMI)。舉例而言，操作者可使用其手指以操縱電子顯示器(諸如附接至行動計算裝置之顯示器、個人電腦(PC)，或連接至網路之終端機)上之影像。在一些狀況下，操作者可同時使用兩個或兩個以上手指以提供獨特命令，諸如：放大命令，其係藉由使兩個手指遠離彼此進行移動而執行；縮小命令，其係藉由使兩個手指朝向彼此進行移動而執行；等等。
觸控螢幕為併有上覆於顯示器之觸控面板以偵測該螢幕之顯示區域內的觸控之存在及/或位置的電子視覺顯示器。觸控螢幕在諸如一體式電腦、平板電腦、衛星導航裝置、遊戲裝置、媒體裝置及智慧型電話之裝置中係常見的。觸控螢幕使得操作者能夠直接地與由下伏於觸控面板之顯示器顯示的資訊互動，而非間接地與由滑鼠或觸控板控制之指標互動。電容性觸控面板常常與觸控螢幕裝置一起使用。電容性觸控面板通常包括塗佈有諸如氧化銦錫(ITO)之透明導體的諸如玻璃之絕緣體。因為人體亦為電導體，所以觸控該面板之表面會引起該面板之靜電場失真，此相當於電容改變。
指紋感測器為用以擷取指紋圖案(例如，指紋之即時掃描)之數位 影像的電子裝置。即時掃描可用以建立生物識別範本，其可被儲存及用於匹配目的。
在實施例中，一種設備包括經組態以操作性地耦接至一感測器(例如，一觸控面板感測器、一指紋感測器)之一控制器。該感測器包括複數個驅動電極及複數個感測電極。節點(「像素」)形成於該複數個驅動電極及該等感測電極之交叉點處。該控制器包括操作性地耦接至該複數個驅動電極之輸出電路。該輸出電路經組態以產生獨特驅動信號以驅動該感測器之對應驅動電極。該控制器亦包括操作性地耦接至該等感測電極之輸入電路。該輸入電路經組態以量測形成於該複數個驅動電極及該複數個感測電極之每一交叉點處的互電容以建立緊接於該感測器之一或多個物件之一影像。
提供此【發明內容】而以簡化形式介紹下文在【實施方式】中進一步所描述之概念之選擇。此【發明內容】並不意欲識別所主張主題之關鍵特徵或基本特徵，亦不意欲用作輔助來判定所主張主題之範疇。
100‧‧‧感測器系統
102‧‧‧感測器
104‧‧‧輸出電路
106‧‧‧輸入電路/感測電路
108‧‧‧控制器
110‧‧‧驅動線
112‧‧‧感測線
113‧‧‧成像電路
118‧‧‧交叉點/像素
122‧‧‧頻率產生器
124‧‧‧數位至類比轉換器(DAC)
126‧‧‧緩衝器
128‧‧‧低通濾波器
130‧‧‧緩衝器
132‧‧‧類比至數位轉換器(ADC)
134‧‧‧快速傅立葉變換模組
202‧‧‧在感測器上方執行觸控事件之物件
204‧‧‧在感測器上方之物件
206‧‧‧在感測器上方之物件
1002‧‧‧手寫筆電路
2f‧‧‧頻率特性
3f‧‧‧頻率特性
4f‧‧‧頻率特性
f‧‧‧頻率特性
T‧‧‧週期
參考附圖來描述詳細描述。在描述及圖中之不同情況下使用相同參考編號可指示相似或相同項目。
圖1為根據本發明之一實例實施的說明觸控面板感測器系統之方塊圖。
圖2為說明觸控面板感測器系統之方塊圖，其中正在觸控感測器上方執行觸控事件。
圖3及圖4為說明各種驅動信號振幅相對於驅動信號頻率之圖解圖形，其中圖3說明不在觸控感測器上方執行觸控事件之振幅，且圖4說明根據圖2所說明之觸控事件的振幅。
圖5為說明觸控面板感測器系統之方塊圖，其中正在觸控感測器 上方執行觸控事件。
圖6及圖7為說明各種驅動信號振幅相對於驅動信號頻率之圖解圖形，其中圖6說明不在觸控感測器上方執行觸控事件之振幅，且圖7說明根據圖5所說明之觸控事件的振幅。
圖8為根據本發明之另一實例實施的說明觸控面板感測器系統之方塊圖，其中頻率產生器經組態以產生具有呈交錯形式之頻率特性的驅動信號。
圖9為根據本發明之另一實例實施的說明觸控面板感測器系統之方塊圖，其中頻率產生器經組態以產生具有載波頻率之驅動信號。
圖10為根據本發明之另一實例實施的說明觸控面板感測器系統之方塊圖，其中手寫筆正在觸控感測器上方執行觸控事件。
圖11至圖13說明根據本發明之一實例實施的各種圖解資料傳輸協定。
概觀
通常，量測觸控感測器上之傳輸器線與接收器線之交叉點處的互電容係順著該感測器一次掃描一個列。若觸控感測器必須以100個訊框/秒(fps)進行更新且若在每一訊框中存在50個列以供掃描，則每一列僅具有200μs(1/[(100fps)(50個列)])。在一些量測方法中，同時驅動多個列。在驅動波形已傳播通過感測器路徑之後，該等波形可在感測器之輸入電路(例如，接收器)處被一起加總。
可由接收器使用各種驅動信號之正交性以識別該等驅動信號中之每一者之改變來判定阻抗如何在每一交叉點處改變。在觸控感測器或指紋感測器之狀況下，該等感測器之每一驅動線係由自身具有正交信號之驅動信號驅動。該等信號可在訊框時間期間連續地執行，且結果為整個觸控螢幕或指紋感測器主動地量測電容改變。
在實施例中，一種設備包括經組態以操作性地耦接至感測器(例如，觸控面板感測器、指紋感測器)之控制器。感測器包括複數個驅動電極及複數個感測電極。節點(「像素」)形成於複數個驅動電極及感測電極之交叉點處。控制器包括操作性地耦接至複數個驅動電極之輸出電路。輸出電路經組態以產生獨特驅動信號以驅動觸控面板感測器之對應驅動電極。控制器亦包括操作性地耦接至感測電極之輸入電路。輸入電路經組態以量測形成於複數個驅動電極及複數個感測電極之每一交叉點處的互電容以在感測器上建立物件之影像。另外，影像之進一步信號處理可判定手指之位置或與指紋相關聯之獨特特性(例如，獨特凸紋線圖案等等)。舉例而言，如上文所描述，每一驅動信號可具有正交於其他驅動信號之頻率特性的頻率特性。
因此，接收器可量測信號之振幅及/或相位後移，以便判定阻抗已如何沿著自傳輸器(例如，輸出電路)至接收器(例如，輸入電路)之路徑改變。出於較大準確度起見而將量測一起平均化。
實例實施
圖1說明根據本發明之一實例實施的感測器系統100。在一實施中，感測器系統100包含觸控面板感測器系統。在另一實施中，感測器系統100包含指紋感測器系統。感測器系統100包括感測器102(例如，觸控面板感測器、指紋感測器)、輸出電路104(例如，具有多個感測器驅動器之傳輸器)、輸入電路106(例如，接收器)，及控制器108。如所展示，控制器108操作性地連接(經由通信介面)至感測器102。在一或多個實施中，感測器102用以使手指及/或手掌成像於其表面上方。在另一實施中，感測器102用以使定位於感測器102上方之手指之指紋凸紋線成像。舉例而言，感測器102可包括具有複數個列跡線(例如，電極)或驅動線110及複數個行跡線(例如，電極)或感測線112之電容性感測媒體，以用於偵測歸因於面板之表面上方之手指或手掌的電容改 變。因此，術語「線」、「電極」及「跡線」可在本文中被可互換地使用。控制器108(利用成像電路113)可實施用以處理感測器影像之功能以判定手指及/或手掌之位置。在一或多個實施中，控制器108經組態以偵測觸控事件(例如，指紋、手掌等等)、手寫筆裝置事件及暫留事件之存在。
在一特定實施中，感測器102為定位於顯示裝置(諸如液晶顯示器、陰極射線管、電漿顯示器或其類似者)前方或內之透明面板。然而，在其他實施中，顯示裝置與觸控面板感測器可為分離的(亦即，觸控面板感測器非定位於顯示裝置前方)。列跡線及行跡線可由諸如氧化銦錫(ITO)或氧化銻錫(ATO)之透明導電材料形成，但亦可使用諸如銅或銀之其他透明及非透明材料。在一些實施中，列跡線與行跡線可彼此垂直，使得列跡線及行跡線界定座標系統，且每一座標位置包含形成於列跡線與行跡線之交叉點118處的電容器，如本文中更詳細地所描述。在其他實施中，其他非笛卡爾(Cartesian)定向亦屬可能。如上文所描述，感測器系統100經組態以偵測觸控事件(例如，指紋、手掌)、手寫筆事件及暫留事件。
控制器108經組態以與感測器102介接以刺激感測器102(例如，刺激驅動線)且自感測線偵測(例如，讀取)電容改變。在一或多個實施中，控制器108包含經組態以驅動該等驅動線110(例如，驅動通道、驅動電極)之特殊應用積體電路(ASIC)。在一實施中，控制器108可包含將處理功能提供至系統100之韌體及/或ASIC。
如圖1所展示，控制器108包括經組態以輸出具有波形特性之驅動信號的輸出電路104(例如，傳輸器)。如所展示，輸出電路104包含用於產生具有波形特性之多個信號的頻率產生器122。舉例而言，頻率產生器122經組態以產生具有相對於其他信號之波形特性的獨特波形(例如，頻率)特性之多個信號。頻率產生器122以通信方式連接至多個數 位至類比轉換器124(DAC)，且每一DAC 124以通信方式連接至各別緩衝器126。每一緩衝器126電連接至各別驅動線110。在一實施中，輸出電路包括數目等於驅動線110之數目的DAC 124及緩衝器126。然而，在某一實施中，感測器驅動器可包含能夠產生驅動信號之其他合適裝置。
頻率產生器122經組態以產生用於每一各別驅動線110之獨特信號。舉例而言，頻率產生器122經組態以產生用於第一驅動線110之第一信號，且經組態以產生用於第二驅動線110之第二信號(等等)。在一實施中，頻率產生器122產生相對於鄰近信號具有正交頻率特性之信號。舉例而言，驅動第一驅動線110之第一信號相對於驅動第二驅動線110之第二信號可具有正交頻率特性(其中第二驅動線110直接地鄰近於第一驅動線110)。
驅動線110(例如，列)與感測線112(例如，行)之每一交叉點118表示具有特性互電容之像素。朝向對應像素118移動之接地物件(例如，手指、手寫筆等等)可使存在於對應列與行交叉點之間的電場分流，此造成彼位置處之互電容減小。在操作期間，可藉由驅動(經由感測器驅動器)具有波形對應於特定頻率特性之預定電壓信號的對應驅動線110而對每一列(或行)依序地充電。量測每一交叉點118之電容。亦即，感測電路106經組態以量測驅動線110與感測線112之間的驅動信號之電容耦合以判定物件相對於每一節點(例如，交叉點118像素)之電容。
控制器108經組態以致使頻率產生器122產生驅動信號以用於掃描感測器102(例如，量測或判定感測器102內之電容改變)。舉例而言，控制器108經組態以致使輸出電路104輸出具有預定義頻率特性之信號(例如，產生在預定義頻率範圍內發生之輸出信號)。感測電路106經組態以監測(例如，判定)在給定時間中轉移之電荷以偵測每一節點處之 電容改變。使用感測器102內發生電容改變之位置及彼等改變之量值以使緊接於感測器102(例如，在感測器102上方)之手指及/或手掌成像。
在一些實施中，感測電路106(例如，接收器)可包括以通信方式連接至各別感測線112之低通濾波器128(例如，抗頻疊濾波器)。低通濾波器128連接至各別緩衝器130，且緩衝器130以通信方式連接至各別類比至數位轉換器(ADC)132。感測電路106亦包括以通信方式連接至ADC 132之快速傅立葉(Fourier)變換模組134。以高效方式計算離散傅立葉變換之快速傅立葉變換模組134將來自ADC之時間資料轉換成其對應頻率表示。快速傅立葉變換模組134以通信方式耦接至電容量測模組134。驅動信號含有獨特頻率，且電容量測模組134監測彼等頻率之振幅改變以判定互電容是否已在感測器上之任何像素處改變。通常，電容量測模組134在不存在緊接於感測器102之物件時判定互電容之基線量測。來自基線量測之互電容改變可指示物件緊接於螢幕(例如，在螢幕上方、在螢幕上等等)。因為在環境中通常存在大量雜訊，所以挑戰係決定互電容改變係歸因於物件抑或雜訊。
緩衝器126經組態以緩衝由感測器DAC 124產生之信號，且將經緩衝驅動信號輸出至感測器102(例如，驅動感測器102之驅動線110)。DAC 124經組態以將自頻率產生器122接收之各別信號轉換成對應類比信號。在實施中，感測器DAC 124可產生具有由以下方程式表示之波形特性的信號：A1．sin(ωt)，方程式1，其中A1表示信號之振幅，ω表示信號之角頻率，且t表示時間。如上文所描述，每一DAC 124產生用於各別驅動線之獨特信號。舉例而言，DAC 124可產生相對於鄰近驅動信號具有正交頻率特性之信號。在一些實施中，感測器DAC 124可經組態以輸出正弦波。然而，在其他實施中，感測器DAC 124可經組態以輸出具有其他波形特性(諸如方 波、小波等等)之其他信號。
在一或多個實施中，系統100經組態以量測互電容(CM)改變。互電容(CM)為發生於兩個電荷保持物件(例如，導體)之間的電容。在此情況下，互電容為構成感測器102之驅動線110與感測線112之間的電容。
圖2說明在感測器102上方執行觸控事件之物件202(例如，手指觸控)。如所展示，每一驅動線110接收相對於驅動其他驅動線110之其他驅動信號(例如，具有頻率特性f至4f之信號)的獨特驅動信號(具有不同頻率特性之信號)。感測器102上方之物件縮減驅動線110與感測線112之間的互電容，且因此縮減橫越該兩個線轉移之信號。舉例而言，與頻率特性3f相關聯之驅動線110相對於與頻率特性f、2f及4f相關聯之驅動線具有振幅縮減之信號(參見圖3及圖4)。因此，電容量測模組134經組態以建立緊接(例如，暫留事件、觸控事件)於感測器102之表面之物件(手指、手掌等等)之影像。成像電路可判定正在感測器102上方執行之觸控事件的近似位置。舉例而言，成像電路被提供何些驅動信號被提供至何些驅動線110之資料，且經組態以基於經修改信號(例如，具有頻率特性3f之信號)來判定近似位置。舉例而言，成像電路可判定近似位置，此係因為電容量測模組134偵測到具有頻率特性3f之信號已被修改(藉由觸控事件)以及指示哪一驅動線110係由具有頻率特性3f之驅動信號驅動的資料已被提供至成像電路。
圖5說明在感測器102上方之物件204、206。在此實例中，物件206在與頻率特性3f相關聯之驅動線110上方，且另一物件在與頻率特性2f相關聯之驅動線110上方。因此，具有頻率特性2f及3f之驅動信號的振幅特性相對於具有頻率特性1f及4f之驅動信號被修改(參見圖6及圖7)。
在一些實施中，如圖8所展示，頻率產生器122經組態以修改驅動信號之頻率特性。舉例而言，頻率產生器122可經組態以在預定基礎上使驅動該等驅動線110之頻率特性交錯，使得該等驅動線具有數目與在 取樣週期期間採取之量測之數目近似相同的量測。此等頻率亦可在外部干擾(例如，來自外部信號之干擾)的情況下被修改。舉例而言，頻率產生器122可將頻率特性修改至在干擾頻帶外之頻率。
在一或多個實施中，如圖9所展示，頻率產生器122經組態以產生經調變至載波頻率(fC)之驅動信號。舉例而言，頻率產生器經組態以產生具有低於感測器102之3dB頻率之載波頻率特性的正交驅動信號。
在一或多個實施中，手寫筆裝置用以在螢幕上書寫文字、繪製物件、選擇物件、操縱物件、移動物件，等等(參見圖10)。在此等實施中，手寫筆裝置包含使信號傳輸通過手寫筆裝置之末端(例如，手寫筆裝置之尖端)的傳輸器。手寫筆產生專用正交信號(例如，不同於指派至感測器之正交信號的正交信號)。像素118用以判定手寫筆裝置之位置。舉例而言，感測器102可利用時分多工功能以在週期T內在觸控成像(上文所描述)與手寫筆裝置成像(參見圖11)之間切換。然而，在手寫筆裝置成像期間，將控制器108中之傳輸器通道轉換成接收器通道以判定手寫筆裝置(其包括傳輸器)之第二座標。現有接收器通道用以判定手寫筆裝置之第一座標。
在實施中，感測器102可最初處於觸控偵測模式(例如，觸控掃描模式)，如圖12所展示。手寫筆可傳輸(例如，廣播)具有正交頻率之組合的同步信號(例如，前向錯誤校正碼信號)(參見圖13)，其修改緊接像素118處之信號。高階手寫筆電路1002偵測此等手寫筆信號之存在，此致使控制器108進行手寫筆掃描以定位手寫筆裝置且自手寫筆裝置接收資料(參見圖12)。在緩衝時間之後，控制器108起始觸控掃描以使手指成像。只要存在手寫筆裝置，控制器108就繼續在手寫筆掃描與觸控掃描之間切換。一旦手寫筆裝置移出範圍或停止傳輸，控制器108就切換至觸控掃描達與不存在(例如，未偵測到)手寫筆裝置之時間一樣長的時間。
在手寫筆裝置傳輸同步信號之後，其傳輸表示身分識別資訊、與手寫筆相關聯之按鈕之狀態、電池電量、傾角及/或與手寫筆裝置相關聯之壓力的資料(參見圖13)。可將資料編碼至手寫筆裝置之專用正交信號上。可包括前向錯誤校正以改良在存在內部雜訊或外部雜訊的情況下在控制器處解碼正確資料的可能性。
因為手寫筆裝置進行傳輸且不具有接收能力，所以手寫筆裝置不會鎖相至外部信號。因此，只要存在手寫筆裝置，控制器108就可鎖相至手寫筆裝置，使得控制器108在手寫筆裝置正進行傳輸時的週期之部分中將其傳輸器切換至接收器。手寫筆裝置電路可具有用以使控制器之時序與手寫筆之時序對準的鎖相方法。然而，在控制器108之時序與手寫筆裝置之時序之間可存在某一誤差。因此，手寫筆掃描與觸控掃描之間的某一緩衝週期可為必要的。舉例而言，圖11說明手寫筆掃描與觸控掃描之間的1/8週期。
結論
雖然已以特定於結構特徵及/或程序操作之語言描述主題，但應理解，所附申請專利範圍中所定義之主題未必限於上文所描述之特定特徵或動作。實情為，上文所描述之特定特徵及動作被揭示為實施申請專利範圍之實例形式。
100‧‧‧感測器系統
102‧‧‧感測器
104‧‧‧輸出電路
106‧‧‧輸入電路/感測電路
108‧‧‧控制器
110‧‧‧驅動線
112‧‧‧感測線
113‧‧‧成像電路
118‧‧‧交叉點/像素
122‧‧‧頻率產生器
124‧‧‧數位至類比轉換器(DAC)
126‧‧‧緩衝器
128‧‧‧低通濾波器
130‧‧‧緩衝器
132‧‧‧類比至數位轉換器(ADC)
134‧‧‧快速傅立葉變換模組
2f‧‧‧頻率特性
3f‧‧‧頻率特性
4f‧‧‧頻率特性
f‧‧‧頻率特性

Claims (9)

  1. 一種設備，其包含：經組態以操作性地耦接至一感測器之一控制器，該感測器包括複數個驅動電極及複數個感測電極，複數個節點形成於該複數個驅動電極與該複數個感測電極之交叉點處，觸控面板控制器包含：操作性地耦接至該複數個驅動電極之輸出電路，該輸出電路經組態以產生用於該複數個驅動電極中之一第一驅動電極的一第一驅動信號且產生用於該複數個驅動電極中之一第二驅動電極的一第二驅動信號，該第一驅動信號不同於該第二驅動電極；及操作性地耦接至該複數個感測電極之輸入電路，該輸入電路經組態以量測形成於該複數個驅動電極及該複數個感測電極之每一交叉點處的互電容以建立緊接於該感測器之一或多個物件之一影像。
  2. 如請求項1之設備，其中該第一驅動信號之一頻率特性正交於該第二驅動信號之一頻率特性。
  3. 如請求項1之設備，其中該輸出電路經組態以產生用於該複數個驅動電極中之一第三驅動電極的一第三驅動信號，該第三驅動信號不同於該第一驅動信號及該第二驅動信號。
  4. 如請求項3之設備，其中用於該第三驅動信號之一頻率特性正交於該第一驅動信號之一頻率特性及該第二驅動信號之一頻率特性。
  5. 如請求項1之設備，其中該一或多個物件包含一手寫筆裝置。
  6. 如請求項1之設備，其中該輸出電路包含經組態以產生複數個驅 動信號之一頻率產生器、以通信方式耦接至該頻率產生器之複數個數位至類比轉換器、及複數個緩衝器，該複數個緩衝器中之每一緩衝器耦接至該複數個數位至類比轉換器中之一各別數位至類比轉換器，每一緩衝器耦接至該複數個驅動電極中之一各別驅動電極。
  7. 如請求項1之設備，其中該感測器包含一觸控面板感測器。
  8. 如請求項1之設備，其中該感測器包含一指紋感測器。
  9. 如請求項1之設備，其中事件包含以下各者中之至少一者：一觸控事件；一手寫筆與該感測器接洽；或一指紋與該感測器介接。
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