1339356 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係為一種利用電流源控制及補償觸控電容感測方法及 其裝置’特別是關於一種應用於觸控螢幕(Touch Screen)、滑動開 關（SUder)、矩陣開關(Matrix)、滑輪開關（Wheel)或筆觸螢幕 (Pen-Pad)等觸控裝置，可利用電流源來控制及補償觸控電容感測 器的方法及其裝置。
【先前技術】 按’由於科技的進步，觸控技術的應用已經普遍發展在許多 家電設備上’例如在烤箱和煎鍋的不透明玻璃面板後面，即是採 用分離式觸控按鍵來實現。這些觸控按鍵逐漸替代了機械按鍵， 因為機械按鍵的使用壽命短，而且還必需在面板上開孔安裝按鍵 的相關成本。
此外，觸控螢幕已成為目前最重要的應用技術，而觸控螢幕 的觸控技術有電阻搞控及電容式驗等，電喊難§幕在被 刮擦和產生裂紋後會很快老化，所以電容式觸控技術具有耐用、 成本低等特點，而逐漸成為觸控的首選技術。 ^界常常會有-個錯誤峨念，認為電容式觸控技術，其人 f 一定要接地，^旨才級_控，其實手指能贼應觸控是因 為^表面帶有f荷，因此例如在車上要接聽電話的制只需要 手才曰在10cm内輕輕一揮，並不一定要碰到，即可偵測刻板小的電 容值啟動觸控。 目前的觸控螢幕大都是多重觸控點(Multi_pa賴測，即同時可 =複數侧控職觸控，而需要侧_控點電容值常常是报 二二二計出對應的複數組電容感測器及感測電容，才 此Ρ妍异及反應’但如此電容感測器電路的設計成本也相應提 5 丄339356 兩。 立如圖一係為習知4組觸控點的電容式觸控感測器電路架構示 思圖，一般觸控感測器1皆設計成積體電路.，該觸控感測器丨連接 有4組的觸控輸入點(D! _D4)2及4組的感測電容器(Cs! _Cs4)3 ，而每 一觸控輸入點2亦都連接有一觸控電容器(Cxl_Cx4)5，當手指觸碰 每一觸控輸入點2時，該觸控電容器5都會感應出一觸控電容值， 再將觸控電容器5所感應的電容值轉移至所對應的感測電容器3上 ”因此4要不斷地對觸控電容器5進行充放電，以便轉移觸控點電 容器5的f荷量至躺電容器3 ’再__電容㈤的電容值來判 斷觸控輸入點是否被觸控，因此觸控輸入點越多，則偵測的速度 就會越慢。 另外，外部環境的溫度、濕度及幹擾源p^〇ise)也會影響到電 容感測器對觸控點電容值的偵測。因此針對習知的電容式觸控感 測器而言，對於偵測的觸控點電容值太小時，偵測時的雜散電容 值太大時，以及鄰近多重觸控點電容值太相近時，都不容易被偵 測出來，而造成無法觸控或誤觸控的問題。 職是，本案發明人即為解決上述現有電容式觸控感測技術的 缺失與不便，乃特潛心研究並配合學理之運用，提出一種控制電 流源的增加或減少，以便對觸控感測器之外部觸控點電容器先行 充電或感測電容器放電’以類似提高或降低觸控電容值的偵測電 壓，並可加速對觸控點電容值的偵測，因此可有效改善因環境幹 擾或多重觸點太相近的情形或電容值太小時情況。 【發明内容】 本發明之目的係提供一種電流源控制及補償觸控電容感測方 法及其裝置，用以解決當要求偵測觸控電容很小時，或者在雜散 電容很大的環境下’或者相鄰觸控輸入點的觸控電容值报相近時 6 ，皆可偵測分辨出來是否有被手指觸控產生。 為達成上述目的，本發明之主要技術特徵係在摆 補償觸控電容感測方法，係由—電容感測器連 ;一感，器所組成，每-觸控= 接觸控電谷益，該方法先清除該感測電容器之 1容器；接著產生-可變概源對該觸控電容器充電1電/“ ㈣荷’累積至該感測電容器上 1 積電壓(Vs)，計數-N=N+1之計數值；—直重覆至 累 =:=r，且該計數值 i 一 :二，控輸入點及一感測電容器’每一觸控輸入點又各連 接-觸控電容器，該電容感測器内包括一控制單元可藉由= 作；—多功單"1係連接該控制單元，受該控^ 70之控制選擇任-該難輸人點及其連接之觸控電；法 源控制及爾單元係連接該㈣單元及鮮功單元^該^ 元之控制產生_可變f流源，可職多功單元所選擇之^ 器充電；-電容偵測單元係連接該控解力、料元二 流源控制及補償單元及域測電m該控解元之用/ 移轉該多功單元所選擇之觸控電容器上的電荷累積至該容 器上’或可配合該可變電流源對該感測t容器放電；及 位量測計鮮元係連接雛鮮元及該_電容^，受該 元之控制’用以計數該電容偵測單元移轉該觸控電容器電Y 累積至5玄感測電谷器上的次數，以判斷是否有手指觸控產生。。 為達成上述目的，本發明之另_技術特徵係在於提供上 流源控制及猶難電容感·法及其裝置，其巾該電流源控制 1339356 及補償單元所產生之可變電流源係可依要求，在觸控電容值很小 的偵測環境下，增加可變電流源對該觸控電容器充電量，俾使該 觸控電容仍可以被偵測到。 為達成上述目的，本發明之又一技術特徵係在於提供上述電 源控制及補償觸控電容感測方法及其裝置，其中該電流源控制 及補償單元所產生之可變電流_可依要求，在雜散電容很大的 電路環境下’產生㈣可魏流源_感測電㈣放電，俾便流 走雜散電容所帶的電荷，使該感測電容Μ剩下觸 移轉的電荷。 ° 為達成上述目的’本㈣之再—技娜㈣在讀供上述電 流源控制及補償觸控電容感測方法及其驗，其中㈣容準位量 測計數單元之計數值N，可依要求增加為瞻數，以提高相鄰二觸 控輸入點之馳電容仙近時的解析度，增加分辨的能力。 【實施方式】 為了使貴審查委員能更進-步瞭解本發明為達成預定目的 ，取之技=、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明 ”附圖’相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且 具體之瞭解’然輯_式僅提供參考與說日，並非用來對本 發明加以限制者。 請參閱圖二所示’係為本發明以4組觸控輸人點為實施例之觸 控感測器電路架構示賴。本發明之觸域__主要包括有 ^一觸Ξ感測器11、—或—個以上觸控輸入點12及一感測電容 一施:!說明二該觸控感測器11係連接有4組觸控輸 於-觸轉m、=測電谷器(CS)13，該觸控輸人點12係可分佈 :古工’複數觸控板上，每*"該觸控輸人點12亦皆對應 連接有一觸控電容器(Cxl-Cx4)l4。 8 1339356 首先要說明的是電容器式觸控技術是利用在觸控輸入點 (Dl-D4)12有被接觸及沒有被接觸時所帶的電荷是不同的，而準確 的將此電荷量偵測出來，則可判斷該觸控輸入點有否被接觸，但 由於觸控輸入點的周遭會有寄生電容存在，且有時該些寄生電^ 的電容值較觸控電容器14大，如此會讓觸控感測器丨丨無法偵測。 而有時觸控感測器11需要偵測很小的觸控電容值，因此需要 很高的靈敏度，但如果該觸控感測器丨〗在一個電荷很重的區域， 又需要偵測一個靈敏度很高的電荷時，要如何分辯呢?本發明的解 決辦法是增加該觸控感測器11的解析度。 舉例來S兒，一個觸控電容器14的電荷移轉到感測電容器丨3， 需要i〇bit的解析度才能解析偵測小電荷，但10bitA/D轉換器 (Analog to Digital Converter)的硬體成本非常昂貴，但若使用傳統 一次移轉lbit小電荷的方法，又需要花費較長的軟體偵測時間，所 以如何增加解析度常常需要考慮硬體成本及軟體執行速度的問 題，因此本發明利用電流源的控制及補償來解決此問題，利用其 中4bit是可控制的電流，去注入觸控輸入點12，如此並不會多耗^ 時間，亦不會影響實際偵測，以本發明的實施例說明如下。 請參閱圖三所示，係為本發明實施例之觸控感測器内部模擬 方塊圖。本發明之觸控感測器1H系設計成一積體電路，其内部電 路可模擬成一控制單元（C〇ntr〇ner)2〇、一多功單元 (MultipleXer)21、一電流源控制及補償單元(Current Soufce for
Control and Compensation%、一 電容偵測單元（Capacit〇r Detector)23及一電容準位量測計數單元(Capadt〇r Level Mea_ Counter)24，如圖二所示，本發明之觸控感測器丨丨除連接一或一個 以上的觸控輸入點12外，且僅連接一感測電容器13。 …其中該，制單元20係連接該多功單元2卜電流源控制及補償 單兀22、電容偵測單元23及電容準位量測計數單元24 ,其可藉由 9 1339356 軟體控制所有侧電路元件_作，該多功單元21又連接該些觸 控輸入點12、電流源控制及補償單元22及電容偵測單元乃，該電 流源控制及補償單元22又連接至該電容細單元23，而該電容债 測單元23及電容準位量測計數單⑽分職接該感測電容器此 兩端。 Φ
該多功單元21賴擬成-多功n，可受該㈣單元2()控制選 擇任一該觸控輸入點及其連接之觸控電容器，主要有二種動作狀 態，其一是由該電流源控制及補償單元22產生可變 該觸控輸，進行預先充電，其二是由該電=;=移 *亥觸控電^1114上的電荷累積至該感測電容器13上，以伽否 有觸控產生。 '' 該電流源控制及補償單元22除了產生可變電流源對該些觸控 電容器14之减充電外’亦可將可變電流源傳送至該電容偵測單 元23 ’對碱測電容15做預先的放電動作。因此該電容偵測單元 23可由控制器2()控制’-方面移轉及累積該觸控電容㈣上的電 荷’另-方面可贿合電絲控制及補償單元22，讓^感測電容 器15做電壓補償增加或減少的效果，再配合該電容準位量測叶數 單元24，計數該電容偵測單元23移轉該觸控電容器14上的電荷 積至該感測電容器D上的次數，以判斷是否有手指觸控產生。57、 請-併參閱圖三及圖四所示，係為本發明實施例之基本的動 作流程圖，一開始為啟始化步驟，該控制單元2〇會將該電容準位 董測计數早元24清除為零(S401) ’並將該感測電容器η之電荷、生☆ (S402) ’以及將該多功單疋21所選擇之該觸控輪入點i 2之觸栌 器14之電荷清除(S403)。 接著進行預充電步驟’該㈣單元2〇會控_電_控 補償單元22產I可魏麵㈣該多功單元21逐—_觸控 入點12之觸控電容器14進行預先充電(S404)。 工 10 元控3電荷的轉移累積步驟，該控制單 _料功單元21轉移該觸控電容 t上的電何，累積至該感測電容器13上(剛），且每轉移一次電 何该電容雜量摩t鮮心會雜—次，使計^N=N+l(麵) 並判斷_測電容器13所累積的累積電壓(Vs)是否小於一來考電 篇），若贼測電細3因荷所產㈣累積電壓 2抑在固疋時間内達到—參考電壓(VreQ，且該電容準位量測 =數單TC24的計數值N又符合標料，如該計數_在9师⑴之 間，y能都表示手指有觸碰到觸控輸入點12(S4〇8)。 若累積電壓(Vs)仍小於該參考電壓(Vref)則先判斷是否超過該 巧時間”若否則_步驟S4Q3繼續累積電荷，若是則表示 手才曰未觸碰到觸控輸人點12 ’而進行下—觸控輸人點丨2的觸控電 容偵測。 ^舉例來說，假設當有某一觸控輸入點12被觸碰時，其觸控電 谷，為10p，則該可變電流源對該觸控電容器14所需充電會產生！ ，單位的基本電荷i，而充電的時間假設約4卩如。若該感測電容 器13累積電荷所產生的累積電壓(Vs)在該固定時間(假設400pSec) 内達到參考電壓(Vref) ’補電料位量測計數單元25的計數值1^[ 又符合標準(假設100次)時，則表示手指產生觸控。 接著本發明以三種狀態之動作流程說明以可變電流源解決其 觸控電谷太小時、其二雜散電容太大時、其三觸控點電容太相 近時的問題β假設在一般環境下，當手指觸碰時，該觸控電容器 14所產生的觸控電容值為10ρ，但在第一環境中，要求觸控電容值 lp時仍能被偵測到，·當在第二環境中，該手指觸碰時的觸控電容 值為l〇P，而電路中卻有loop的雜散電容；當在第三環境中，要求 能偵測到相近的至少二個觸控輸入點12同時被觸碰時，該相近的 兩觸控電容皆能被分辨到。 133935-6 in = t境的實施例中’當要求手指可麟開觸控輸入點 cm仍,、、、要求可以被彳貞測到時’這時該觸控輸入點12的觸控電容 值可能為lp ’其動作流程仍和圖四的基本動作—樣，只是每欠在 步驟S4_，該可㈣絲對簡控電容㈣錢需要多花費1〇 2間’才能產生1個單元本储4，本發日柯以增加該 電祕控做猶單元22產生可1G倍的可魏麵_觸控電容 ，如此仍财在相同時間_測標準下判斷觸控輸入點 碰到。在一般環境下’此方式也可使用在加快手指移 φ 動速度计算方面，用以加速偵測是否有手指觸碰。 境的實施例中，觸控電^^電容是吻，而雜散電 谷疋·Ρ的情形’請_併參閱圖三及圖五所示，係為本發明解決 雜散電容存在__作流細。同樣地—開始為啟始化步驟， 該控制單元騎將㈣容準錄晰數單元μ清除树(s5叫，並 將該感測電容器13之電荷清除(S502)，以及將該多功單元21所選 之該觸控輸入點12之觸控電容器14之電荷清除(S5〇3)。 ' ^著進行就電步驟，該㈣單元歸_魏流源控制及 補仏早凡22產生一可變電流源經過逐一對該觸控電 • 先充電(S504)。 丁貝 _當充電完畢後進行驗f容電荷的赫累積步驟，該控制單 元20會控制該電容偵測單元23轉移該觸控電容器14上的電^，累 積至該感測電容器13上(S505)。但由於整個電路中有1〇〇p雜^電容 存在，因此若直接將該觸控電容器14上的電荷累積至該^電ς 态13上，會將該ΐ〇0ρ的雜散電容同時轉移至該感測電容 造成誤偵測。 因此每次在轉移觸控電容器Μ電荷時，該控制單元％會㈣ 該電流源控制及補償單元22產生!〇個單位的負基本電荷量的^ 電流源，同時透過該電容偵測單元23對該感測電容器13放電(S5〇6) 12 1339356 電容所帶的電荷會先流走’此時該感測電容器13中所 移^的電何只剩下手指接觸的觸控電容器14所移轉的電荷。 糾移—次電荷，該電料位量測計數單元25會計數一次， a ° N==N+1 (S507)’並判斷該感測電容器13所的累積電壓(Vs)
jit—參考電壓(vre⑽5G8),料積電壓⑽等於或大於該 二電墾(Vr_ef)，且該電容準位量測計數單元24的計數值又符合押 竿時’即表示手指有觸碰到觸控輸人點12(S5G9)，若累積電壓^ 乃小於雜考電壓(Vref)則先判斷是否超過賴定時間(S5!〇)，若 =則回到步驟s5g：3繼續累積電荷，若是貞，丨表示手指未觸碰到觸控 輸入點12，而進行下一觸控輸入點12的觸控電容偵測。 二 其中控制可變電流源除了可去除雜散電容之外，針對2個以上 相近觸控輸入點12需要更精確的被分辨觸碰時，也需要^ 測，！3放掉電荷，達到標準偵麵的電荷降:要= 電容準位量測計數單元24的計數值累積次數增加以 測電壓。 卡1貝 因為該感測電容器13累積電荷所產生的電壓(vs)是固定的，不 可能無窮盡的累積電荷於該感測電容器13上，但到底要放掉該感 測電容器13多少f荷，紐再重新充電’這些都是可以經過記錄 及計算的，所以使用該感測電容器13的大小也變得較有彈性。 另外一般電容觸控測量時，解析度會有逐漸遞減的現象，因 為一般電容器的電荷移轉，無論是串聯或並聯，皆會發生所累積 電％越來越少的現象，呈現指數形(exp〇nentjal)飽和狀況，這時的 解析度和剛開始時差異很大，利用本發明控制可變電流源的偵測 方式，可記錄該感測電容器13所放掉的電荷量，以保持解析度的 不會有太大的差異，亦即該感測電容所累積的累積電壓(Vs)達到參 考電壓(Vref)值，並不需要太高，而且因放電很快，完全不影響操 作時間。 ^曰” 13 133935.6 • 請一併參閱圖三及圖六所示，係為本發明提高精確度之動作 流程示意圖。同樣地-開始為啟始化步驟，該控制單元合將崎 電容準位量測計數單元24清除為零(测），並將該感測電^ 13 之電荷清除(S602)，以及將該多功單元所選擇之該觸控輸入點12 之觸控電容器14之電荷清除(S603)。 ‘ 接著進行預充電步驟，戎控制單元2〇會控制該電流源控制及 補4員卓元22產生一可變電流源經過逐一對該觸控電容器μ進行預 先充電(S604)。當充電完畢後進行觸控電容電荷的轉移累積步驟， m 該控制單元20會控制該電容偵測單元23轉移該觸控電容器丨4上的 電荷，累積至該感測電容器13上(S605)。 母轉移一次電荷，該電容準位量測計數單元24會計數一次 (S606)，並判斷該感測電容器13所累積的累積電壓(Vs)是否小於一 參考電壓(Vref)(S607)，若該感測電容器丨3累積電荷所產生的累積 電壓(Vs)，在固定時間内達到該參考電壓(Vref)，且該電容準位量 測計數單元24的計數值又符合標準時，即表示手指有觸碰到觸控 輸入點12(S608)。 為提高解析度本發明增加該感測電容器13累積電荷的次數為 鲁 爪倍，因此若累積電壓(Vs)仍小於參考電壓(Vref)則先判斷該電容 準位里測计數單元24的計數值N是否為m的借數(S609)，若否則回 到步驟S603繼續累積電荷。若n為m的倍數，則該控制單元2〇會控 制該電流源控制及補償單元22產生一負基本電荷量的可變電流源 ，透過該電容偵測單元23對該感測電容器13放電(S610)，並記錄放 電的電荷量，再回到步驟S603重新累積電荷。 舉例說明’假設二個相鄰的觸控輸入點丨2被觸碰時，一個是 l〇P’而另一個是9·5ρ，因為電容值相近造成不好分辨，就1〇p的觸 控點而言，假設可變電流源產生丨個單位的基本電荷量，m參數是 25，N為m的倍數即為25, 50, 75, 100, 125, 150…等等，而該電流源 1339356 控制及補鮮元紐生可㈣麟為貞賴解位的基本電荷量 ，所以每一次N為m倍數時，會放電10個單位的電荷量因此里 原本假設計數100次(N=i〇〇)時會有1000個單位的電荷量，再因』 過5次的放電流失500個單位的電荷量，總共是15〇〇個單位電荷量 ’最後當感測電容ϋ 13所累積的累積電壓(Vs)超過該來考= (Vref)時，該N值為 1500/1〇=15〇。 〆 就9.5p的觸控點而言，同樣計數1〇〇次(N=l〇〇)時，有ι〇〇〇個單 位的電荷量，但9·5Ρ是會經過6次的放電流失600個單位的電荷量， 參 總共是1600個單元電荷量，最後該感測電容器U的累積電壓⑽ 超過該參考電壓(Vre〇時，該雌為腦/9<5=169，所以兩個觸= 入點12所累積計數值是150和169 ’差距是19 ,原本是_和1〇6 差距是6，因此增加累積電荷次數是可以提高解析度，使相鄰觸控 輸入點的電容值相時’很容分辨出來，所以本發明利用控制可^ 電，源的方法來控制感測電容器13電荷的放電，除了可去除雜散 電容外，相鄰觸控輸入點因為電容值相近，而造成不好分辨.月， 就可增加分辨的能力。 、， 、最後丄本發明利用可變電流源控制及補償電容感測方法，對 • 於速度计算也是有幫助的，由於多重觸控輸入點常常需要伯測移 動的速度，如果都用習知的高解析度方法未測量電容，並從電容 值的變化去瞭解獅的速度及方向，實在是很浪費時間的，本發 明可以增加可變電流源注入觸控輸入點12對觸控電容器14的充電 丄以減少該電容準位量測計數單元24的累計，用外差法估算電 谷值，就可以知道移動的速度及方向，例如手指線性移動時，只 要偵測到任意2個觸控點時，利用外差法就可以估算移動的速度^ 方士，而不必逐一偵測計算每一個觸控電容器的電容值，所以可 以節省f餘的計算時間，CPU的速度也可以降低，並比較省電。 職是，本發明確能藉上述所揭露之技術，提供一種電流源控 15 1339356 制及麵的f容感測方法及裝置，可以滿足在溫度或濕度的環境 t響下\f者佈局的影響下，或者規格變動下，仍能快速摘剛手 指觸=電容的存在’避然不同於習知者的設計，堪能提高整體之 使用價值’又其巾請前未見於刊物或公開使用，誠已符合發明專 利之要件，菱依法提出發明專利申請。 惟，上述所揭露之圖式、說明，僅為本發明之實施例而已， 凡精於此項技藝者當可依據上述之制作其他種種之改良，而這 些改變仍屬於本發明之發明精神及以下所界定之專利範圍中。 【圖式簡單說明】 圖一係為習知4組觸控點的電容式觸控感測器電路架構示意 圖； 圖二係為本發明以4組觸控輸入點為實施例之觸控感測器 路架構示意圖； 〜° 圖三係為本發明實施例之觸控感測器内部模擬方塊圖； 圖四係為本發明實施例之基本的動作流程圖； 圖五係為本發明解決雜散電容存在問題的動作流程圖；及 圖六係為本發明提高精確度之動作流程示意圖。 【主要元件符號說明】 1 觸控感測器 2 觸控輸入點 3 感測電容器 5 觸控電容器 10 觸控感測電路 11 觸控感測器 12 觸控輸入點 1339356 13 感測電容器 14 觸控電容器 20 控制單元 21 多功單元 22 電流源控制及補償單元 23 電容偵測單元 24 電容準位量測計數單元