TW201643675A - 具有多個傳輸電極之電容式感測器系統 - Google Patents

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Abstract

一種電容式感測器系統具有：一接收電極，其有至一接地平面或接地電極之一電容式耦合；一第一傳輸電極，其配置在該接收電極與該接地平面之間且具有相對於該接收電極之一大小，使得該傳輸電極覆蓋該接收電極之一表面區域；及一第二傳輸電極，其毗鄰於該接收電極配置且不與該第一傳輸電極耦合，其中以高於該第一傳輸電極之一交流電壓驅動該第二傳輸電極。

Description

具有多個傳輸電極之電容式感測器系統 相關專利申請案
本申請案主張於2015年4月22日申請之共同擁有之美國臨時專利申請案第62/151,172號之優先權，該美國臨時專利申請案據此出於所有目的以引用之方式併入本文中。
本發明係關於電容式感測器系統。
通常在諸如觸控螢幕之顯示器應用中實施電容式感測器裝置。使用互電容式及自電容式感測之不同感測技術係用於偵測一觸控位置。進一步開發提供非觸控輸入系統，其產生一交流電近場並用(舉例而言)圍繞一顯示器配置在一框架中之四個電極來量測此一場之畸變以判定進入該場之物件之三維位置資料。此一系統亦稱為GestIC®系統並已由本申請案之受讓人開發，且一個一般闡述(舉例而言)在由Microchip Technology公司於2013年公開之申請案註解「MGC3130-Sabrewing Single-Zone Evaluation Kit User’s Guide」中予以揭示，該申請案註解據此以引用方式併入。圖8展示此系統，其有四個接收電極A、B、C、D，配置在該等接收電極A、B、C、D下之一傳輸電極820，以及與該等接收電極A、B、C、D耦合並提供用於傳輸電極820之一交流驅動信號之一控制器810。控制器810可提供用於一電腦系統 或任何其他後處理裝置之輸出信號。因此，如圖8中所展示之系統800可操作為類似於一電腦滑鼠或一鍵盤之一輸入裝置。舉例而言，可藉由將接收電極A、B、C、D配置成環繞一顯示器螢幕而將該裝置容易地整合於一顯示器內。
然而，存在對電容式感測系統之一需要以為感測器獲得較多靈敏度來為需要較大感測器大小/靈敏度之應用(特定而言顯示器應用)提供條件。根據各種實施例，具有不同電壓位準之多個傳輸電極可用於在不過驅動感測輸入之情況下增加互耦合效應並維持自感測效應。
根據一實施例，一種電容式感測器系統可包括：一接收電極，其具有至一接地平面或接地電極之一電容式耦合；一第一傳輸電極，其配置在接收電極與接地平面之間且具有相對於接收電極之一大小，使得傳輸電極覆蓋接收電極之一表面區域；及一第二傳輸電極，其毗鄰於接收電極配置且不與第一傳輸電極耦合，其中以高於第一傳輸電極之一交流電壓驅動第二傳輸電極。
根據又一實施例，驅動該第一及第二傳輸電極之一第一及第二信號可具有相同頻率且可同相。根據又一實施例，第二傳輸電極可與第一傳輸電極共面配置。根據又一實施例，第二傳輸電極可與接收電極共面配置。根據又一實施例，第二傳輸電極可至少部分環繞接收電極。根據又一實施例，第二傳輸電極可配置在第一傳輸電極下方。根據又一實施例，第一傳輸電極可經分段。根據又一實施例，第二傳輸電極可經分段。根據又一實施例，第二傳輸電極可大於第一傳輸電極。根據又一實施例，電容式電極系統可進一步包括產生饋送至第一及第二傳輸電極之第一及第二驅動信號之一控制器。根據又一實施例，電容式電極系統可進一步包括接收不同於第一及第二傳輸電極之一電壓之至少一個進一步傳輸電極。根據又一實施例，第二及第三傳 輸電極可與接收電極共面配置，其中第二傳輸電極至少部分環繞接收電極，且其中第三傳輸電極至少部分環繞第二傳輸電極。
根據另一實施例，一種用於操作一電容式感測器之方法，該電容式感測器包括：一接收電極，其具有至一接地平面或接地電極之一電容式耦合；一第一傳輸電極，其配置在接收電極與接地平面之間且具有相對於接收電極之一大小，使得傳輸電極覆蓋接收電極之一表面區域；及一第二傳輸電極，其毗鄰於接收電極配置且不與第一傳輸電極耦合，其中該方法包括以高於第一傳輸電極之一交流電壓驅動第二傳輸電極之步驟。
根據該方法之又一實施例，驅動該第一及第二傳輸電極之一第一及第二信號可具有相同頻率且可同相。根據該方法之又一實施例，第二傳輸電極可與第一傳輸電極共面配置，或其中第二傳輸電極可與接收電極共面配置。根據該方法之又一實施例，第二傳輸電極可至少部分環繞接收電極。根據該方法之又一實施例，可將第二傳輸電極配置在第一傳輸電極下方。根據該方法之又一實施例，可將第一及/或第二傳輸電極分段。根據該方法之又一實施例，第二傳輸電極可大於第一傳輸電極。根據該方法之又一實施例，電極系統可包括至少一個進一步傳輸電極且該方法包括將不同於用於第一及第二傳輸電極之電壓之一電壓饋送至第三傳輸電極之步驟。根據該方法之又一實施例，可將第二及第三傳輸電極與接收電極共面配置，其中第二傳輸電極至少部分環繞接收電極，且其中第三傳輸電極至少部分環繞第二傳輸電極。
根據又一實施例，一種裝置可包括一顯示器，及圍繞該顯示器以一框架方式配置之四個電極群組，其中每一電極群組可包括：一接收電極，其具有至一接地平面或接地電極之一電容式耦合；一第一傳輸電極，其配置在接收電極與接地平面之間且具有相對於接收電極之 一大小，使得傳輸電極覆蓋接收電極之一表面區域；及一第二傳輸電極，其毗鄰於接收電極配置且不與第一傳輸電極耦合，其中以高於第一傳輸電極之一交流電壓驅動第二傳輸電極。
110‧‧‧物件
120‧‧‧接地電極
800‧‧‧系統
810‧‧‧控制器
820‧‧‧傳輸電極
900‧‧‧感測器電路
910‧‧‧控制器
920‧‧‧放大器級
930‧‧‧放大器級
1000‧‧‧系統
1010a‧‧‧傳輸電極/第一傳輸電極
1010b‧‧‧傳輸電極/第一傳輸電極
1010c‧‧‧傳輸電極/第一傳輸電極
1010d‧‧‧傳輸電極/第一傳輸電極
1020a‧‧‧傳輸電極/第二傳輸電極
1020b‧‧‧傳輸電極/第二傳輸電極
1020c‧‧‧傳輸電極/第二傳輸電極
1020d‧‧‧傳輸電極/第二傳輸電極
1040‧‧‧手勢控制器
1050‧‧‧顯示器螢幕
CHand-Gnd‧‧‧接地
CRx-Gnd‧‧‧電容式耦合/基極耦合
CTx1-Rx‧‧‧低基極耦合/高耦合
CTx2-Rx‧‧‧低電容式耦合
Rx‧‧‧接收電極/電極
Tx1‧‧‧傳輸電極/傳輸電極分段/第一傳輸電極
Tx2‧‧‧第二傳輸電極/傳輸電極
Tx3‧‧‧傳輸電極
U1‧‧‧信號電壓/高電壓傳輸信號/低電壓
U2‧‧‧高電壓
圖1展示一習用感測器配置；圖2及圖3展示根據一實施例之感測器電極配置；圖4至圖7a展示電極配置之各種實施例之剖面圖；圖7b至圖7d展示根據圖7a之各實施例之俯視圖；圖8展示一習用手勢偵測系統；圖9展示根據一實施例之一驅動電路方塊圖；圖10展示根據一實施例之一手勢偵測系統。
如(舉例而言)圖8中所展示，GestIC®系統之大小限制於接收電極A、B、C、D之靈敏度。根據各種實施例，可將輸入信號之位準增加3倍及更多倍且可達成需要一較高系統靈敏度之一新應用領域。所提議之技術並不限於GestIC®系統而是可用於各種電容式量測系統中。
如圖1中所展示，一傳輸電極Tx1置於接收電極Rx與一接地電極120之間。用由接收電極Rx接收之一特定頻率刺激傳輸電極Tx1。傳輸電極Tx1使電極Rx免於接地，換言之，其減少電容式耦合CRx-Gnd。效應將係Rx電極之一經減少基極自電容。因此，一人手之一接近將產生一較大信號移位(自電容量測)。然而，Tx1之信號電壓受限制，此乃因高電壓位準將過驅動感測輸入。對互電容量測而言，在於傳輸電極Tx與接收電極Rx之間具有一低基極耦合CTx1-Rx之情況下工作係有益的。傳輸電極Tx未必一定在接收電極Rx下方。當在Tx與Rx電極之間的基極耦合低時，可在較高電壓之情況下工作，此乃因不會容易地過驅動輸入。舉例而言，當一人手接近並將雜散場分流至接地CHand-Gnd 時，用於Tx信號之較高電壓將導致接收電極Rx上之一較高信號移位。
圖1展示一習用傳輸電極Tx，其中下伏於接收電極Rx之部分以加陰影線展示且剩餘部分不加陰影線。特定而言如圖1中所展示，Tx1之加陰影線部分減少基極耦合CRX-GND並因此改良自電容量測。Tx1之不加陰影線部分提供用於互電容量測之一直場。Tx1之加陰影線部分具有至Rx之一高耦合且Tx信號電壓U1受限制以避免過驅動信號輸入。Tx之不加陰影線部分將需要用於最佳互電容量測輸出之一高電壓傳輸信號(U1)。
如圖2及圖3中所展示，根據各種實施例，引入未使Rx免於接地的一第二傳輸電極Tx2，換言之，第二傳輸電極Tx2未配置在接地電極120與接收電極Rx之間。此第二傳輸電極Tx2使系統能夠最佳化互電容量測及自電容量測並通過傳輸電極Tx2上之一較高電壓獲得並提供一顯著較高總體靈敏度。此較高電壓在一互電容量測之情況下提供信號移位之一增益。在Tx2處之較高電壓不產生關於過驅動Tx1低電壓之問題且自Rx至GND之較低基極耦合CRx-GND在一高電壓之情況下避免過驅動輸入。感測器之Rx及Tx感測器通道之數目並不受限制。
實際上，將如圖1中所展示之單個傳輸電極分裂成兩個或兩個以上電極分段，其中藉由不同信號驅動個別電極分段。舉例而言，具有至接收電極RX之高耦合(CTx1-Rx)之傳輸電極Tx1將在一低電壓(U1)之情況下被驅動以避免過驅動輸入。傳輸電極Tx2具有至接收電極Rx之一低電容式耦合(CTx2-Rx)且將在一高電壓(U2)之情況下被驅動以達成最佳互效應(而非輸入之過驅動)。可將傳輸電極分裂成複數個傳輸電極且該系統未必限制於如圖2及圖3中所展示之兩個傳輸電極。圖2也展示一物件110(例如一手)及其電容式耦合(舉例而言，CRX-Hand與接收電極RX,CHand-Gnd與接地Gnd，及CTx2-Hand與傳輸電極Tx2)。
根據一實施例，可用一第一交流信號(舉例而言具有一第一振幅(舉例而言介於0伏特至20伏特之間)之一方波信號)驅動第一傳輸電極。第二傳輸信號可源自第一信號但具有一更高振幅，舉例而言，6伏特至40伏特。因此，根據一實施例，在信號之間不存在相移且僅兩個驅動信號之振幅不同。
各種實施例使得可添加3D手勢偵測作為對具有(舉例而言)5"至17"之一大小之顯示器之一輸入方法。如上文所提及，根據各種實施例之方法及系統亦可適用於各種其他電容式量測技術，舉例而言，其結合Microchip's Pcap解決方案亦有效。各種實施例允許用於較大顯示器之一經組合2D至3D輸入解決方案。此外，一般而言可擴大習用GestIC系統之靈敏度/偵測範圍。
圖4展示其中傳輸電極分段Tx1經配置於彼此上方且介於接收電極與接地電極之間的另一實施例。此處，根據一實施例，配置在第二傳輸電極Tx2上方之第一傳輸電極Tx1之大小小於第二傳輸電極。此外，根據一實施例，接收電極可小於第一傳輸電極。
圖5展示其中僅第一傳輸電極Tx1配置在接收電極Rx與接地電極120之間的又一可能實施例。第二傳輸電極Tx2與接收電極Rx共面配置。再次地，根據一實施例，第一傳輸電極Tx之大小可小於第二傳輸電極Tx2。
圖6展示其中再次地僅第一傳輸電極Tx1配置在接收電極Rx與接地電極120之間的又一實施例。然而，第二傳輸電極Tx2與第一傳輸電極Tx1共面配置。再者，根據一實施例，第一傳輸電極Tx之大小可小於第二傳輸電極Tx2。
圖7a展示其中提供三個傳輸電極之又一實施例。再次地，僅第一傳輸電極Tx1配置在接收電極Rx與接地電極120之間。第二傳輸電極Tx2與接收電極Rx共面配置。其他兩個傳輸電極Tx2及Tx3皆成環形且 因此環繞接收電極Tx。圖7b及圖7c展示圖7a中所展示之實施例之可能實施方案之俯視圖。如可見，傳輸電極Tx2及Tx3未必完全環繞接收電極Rx。可提供開孔，尤其若在同一層中提供饋送線。此外，根據其他實施例，可將傳輸電極Tx2及/或Tx3各自分段成複數個分段，其中一傳輸電極之每一分段皆接收與圖7d之實施例中所展示相同之信號。
圖9展示具有一控制器910之一感測器電路900之一方塊圖，該控制器910產生饋送至兩個放大器級920及930之一驅動信號，諸如一方波信號或一正弦信號。第一放大器級可係具有1之一增益之一緩衝級而第二級930可給出3之一增益。其他增益比率可適用。因此，產生僅振幅不同之兩個交流驅動信號。然後，分別將此等信號饋送至第一傳輸電極Tx1及第二傳輸電極Tx2。控制器可進一步經組態以自一相關聯接收電極Rx接收一信號。放大器級920、930可係如圖9中所展示之外部驅動器或可整合於控制器910內。
如圖9中所展示之系統可提供用於一個以上感測器配置之驅動及接收信號。舉例而言，可藉由提供與每一接收電極A、B、C、D相關聯之單獨傳輸電極來增強如圖8中所展示之一系統。可根據上文所論述之實施例中之任一者相對於接收電極A、B、C、D配置傳輸電極。圖10展示此一系統1000之一可能實施方案。類似於圖8之實施例，四個接收電極A、B、C、及D以一框架方式配置成(舉例而言)環繞一顯示器螢幕1050。每一接收電極A、B、C、D分別具有兩個相關聯傳輸電極1010a、1010b、1010c、1010d及1020a、1020b、1020c、1020d。一手勢控制器1040提供驅動信號。根據一項實施例，第一傳輸電極1010a、1010b、1010c、1010d可全部接收相同交流信號。類似地，第二傳輸電極1020a、1020b、1020c、1020d可全部接收相同信號。然而，根據其他實施例，每一電極群組可接收相對於另一群組之一不同 頻率或相移信號。如圖10中所進一步展示，第一傳輸電極全部具有與各別接收電極大約相同之大小或略大以覆蓋各別接收電極之區域。
110‧‧‧物件
120‧‧‧接地電極
CRx-Gnd‧‧‧電容式耦合/基極耦合
CTx1-Rx‧‧‧低基極耦合/高耦合
Rx‧‧‧接收電極/電極
U1‧‧‧信號電壓/高電壓傳輸信號/低電壓
U2‧‧‧高電壓
Tx1‧‧‧傳輸電極/傳輸電極分段/第一傳輸電極
Tx2‧‧‧第二傳輸電極/傳輸電極

Claims (22)

  1. 一種電容式感測器系統，其包括：一接收電極，其具有至一接地平面或接地電極之一電容式耦合，一第一傳輸電極，其配置在該接收電極與該接地平面之間且具有相對於該接收電極之一大小，使得該傳輸電極覆蓋該接收電極之一表面區域，及一第二傳輸電極，其毗鄰於該接收電極配置且不與該第一傳輸電極耦合，其中以高於該第一傳輸電極之一交流電壓驅動該第二傳輸電極。
  2. 如請求項1之電容式感測器系統，其中驅動該第一及第二傳輸電極之一第一及第二信號具有相同頻率且同相。
  3. 如請求項1之電容式感測器系統，其中該第二傳輸電極與該第一傳輸電極共面配置。
  4. 如請求項1之電容式感測器系統，其中該第二傳輸電極與該接收電極共面配置。
  5. 如請求項4之電容式感測器系統，其中該第二傳輸電極至少部分環繞該接收電極。
  6. 如請求項1之電容式感測器系統，其中該第二傳輸電極配置在該第一傳輸電極下方。
  7. 如請求項1之電容式感測器系統，其中該第一傳輸電極經分段。
  8. 如請求項1之電容式感測器系統，其中該第二傳輸電極經分段。
  9. 如請求項1之電容式感測器系統，其中該第二傳輸電極大於該第一傳輸電極。
  10. 如請求項1之電容式感測器系統，其進一步包括產生饋送至該等 第一及第二傳輸電極之第一及第二驅動信號之一控制器。
  11. 如請求項1之電容式感測器系統，其進一步包括接收不同於該等第一及第二傳輸電極之一電壓之至少一個進一步傳輸電極。
  12. 如請求項11之電容式感測器系統，其中該等第二及第三傳輸電極與該接收電極共面配置，其中該第二傳輸電極至少部分環繞該接收電極，且其中該第三傳輸電極至少部分環繞該第二傳輸電極。
  13. 一種用於操作一電容式感測器之方法，該電容式感測器包括：一接收電極，其具有至一接地平面或接地電極之一電容式耦合；一第一傳輸電極，其配置在該接收電極與該接地平面之間且具有相對於該接收電極之一大小，使得該傳輸電極覆蓋該接收電極之一表面區域；及一第二傳輸電極，其毗鄰於該接收電極配置且不與該第一傳輸電極耦合，該方法包括以下步驟：以高於該第一傳輸電極之一交流電壓驅動該第二傳輸電極。
  14. 如請求項13之方法，其中驅動該第一及第二傳輸電極之一第一及第二信號具有相同頻率且同相。
  15. 如請求項13之方法，其中將該第二傳輸電極與該第一傳輸電極共面配置，或其中將該第二傳輸電極與該接收電極共面配置。
  16. 如請求項15之方法，其中該第二傳輸電極至少部分環繞該接收電極。
  17. 如請求項13之方法，其中將該第二傳輸電極配置在該第一傳輸電極下方。
  18. 如請求項13之方法，其中將該第一及/或第二傳輸電極分段。
  19. 如請求項13之方法，其中該第二傳輸電極大於該第一傳輸電極。
  20. 如請求項13之方法，其中該電極系統包括至少一個進一步傳輸 電極且該方法包括將不同於用於該等第一及第二傳輸電極之電壓之一電壓請送至該第三傳輸電極之步驟。
  21. 如請求項20之方法，其中將該等第二及第三傳輸電極與該接收電極共面配置，其中該第二傳輸電極至少部分環繞該接收電極，且其中該第三傳輸電極至少部分環繞該第二傳輸電極。
  22. 一種裝置，其包括：一顯示器；及四個電極群組，其圍繞該顯示器以一框架方式配置，其中每一電極群組包括：一接收電極，其具有至一接地平面或接地電極之一電容式耦合，一第一傳輸電極，其配置在該接收電極與該接地平面之間且具有相對於該接收電極之一大小，使得該傳輸電極覆蓋該接收電極之一表面區域，及一第二傳輸電極，其毗鄰於該接收電極配置且不與該第一傳輸電極耦合，其中以高於該第一傳輸電極之一交流電壓驅動該第二傳輸電極。
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