TWI512581B - 電容方式的大型多點觸摸屏的信號檢測系統 - Google Patents

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Description

電容方式的大型多點觸摸屏的信號檢測系統
本發明涉及觸控式螢幕的信號檢測系統，詳細地說，涉及一種為體現應用互電容(Mutualcapacitive)方式的大型多點觸控式螢幕而能夠有效減小RC時間遲延、信號失真、雜訊的影響、寄生電阻及寄生電容的電容方式的大型多點觸控式螢幕的信號檢測系統。
最近日益普及並加裝於ATM(自動櫃員機)、KIOSK(公用電話亭)、POS(銷售終端)、PDA(個人數位助理)、導航儀、MP3、智慧手機、平板電腦等許多裝置的觸控式螢幕，在提供便利的介面這一點上受到巨大矚目，隨著IT產業的發展，預計在多種領域的需要將進一步增加。
目前使用中的觸控式螢幕的種類通常有電阻膜(Resistive)方式、超聲波(SAW)方式、紅外線(Infrared)方式、光學(Optical，Camera)方式、電容(Capacitive)方式，各方式具有優點和缺點。
其中，電容方式能夠體現精密的多點觸摸功能，從這一點而言，比其他方式更加出色，在市場中佔有最大佔有率，就最近獲得巨大人氣的智慧手機和平板電腦而言，大部分也採用電容方式。
就電容方式而言，對觸控式螢幕的面板施加電壓後，當諸如手指的物體觸碰面板時，因在手與面板之間發生的靜電容量而引起電壓變化，通過這種電壓的變化來識別觸摸的位置。另外，電容方式的觸控式螢幕與其他方式相比，其優點是：解析度和耐久性出色，透過率良好，在製造成本方面，除電阻膜方式之外也相當有利，同時，像紅外線方式、超聲波方式、光學方式一樣，受表面異物影響或周邊環境影響小，能夠不困難地識別多 點觸摸。
與其他方式相比，電容方式的觸控式螢幕雖然在多種特性方面處於優勢，但是，當要體現大型多點觸控式螢幕時，隨著觸摸面板的增大，其中存在的寄生電阻和電容增加，從而RC時間遲延嚴重，存在不容易製作成大型面積的問題。
最近，隨著教育科學技術部推進以IT技術為基礎的智慧教育，大型面積的多點觸控式螢幕的需求正在增大，但是，由於電容方式觸控式螢幕的技術局限，大部分大型面積觸控式螢幕以紅外線方式或照相機方式進行製造。
就這些方式而言，當觸摸點的數量增加時，對其進行識別需要另外的演算法，因而難以視為體現真正多點觸摸，其效率和精密度也比電容方式低。
因此，旨在體現準確識別多點觸摸且觸摸特性優秀的大型面積觸控式螢幕的電容方式大型觸控式螢幕研究開發如火如荼。
本發明正是為了解決如上問題而研發的，本發明的目的在於提供一種電容方式的大型多點觸控式螢幕的信號檢測系統，改善配線結構，緩解RC時間遲延和信號失真問題，提取鄰接電極間的信號的差異值並進行放大，使用對其進行再次積累的方式，因而能夠減小作為原有觸控式螢幕重要問題的雜訊影響。
為實現如上目的，針對利用在驅動側電極與接收側電極之間發生的耦合電容判別觸摸的觸控式螢幕的信號檢測系統，本發明的第1實施例的特徵在於包括：觸摸圖案部，其由多個驅動側電極與多個接收側電極配置成既定的圖案；驅動部，其對從一側末端的驅動側電極向另一側方向鄰接的驅動側電極依次接入驅動信號，使未接入驅動信號的驅動側電極浮置；接收部，其連接於所述接收側電極的一側末端，提取鄰接的接收側電極之間的差異值進行放大並輸出，在各接收側電極連接有電容器，表現出浮置效果。
此時，優選所述接收部包括：電容器部，其連接於各接收側電極的末端，蓄積基於驅動信號的電荷；提取部，其提取一個接收側電極和與之鄰接的接收側電極間信號的差異值；放大部，其對所述提取部的差異值進行放大；累積部，其對被放大的差異值進行積累、存儲後輸出；信號轉換部，其把從所述累積部輸出的累積信號轉換成數位值。
針對利用在驅動側電極與接收側電極之間發生的耦合電容判別觸摸的觸控式螢幕的信號檢測系統，本發明的第2實施例的特徵在於包括：觸摸圖案部，其由多個驅動側電極與多個接收側電極配置成既定圖案；驅動部，其對從一側末端的驅動側電極向另一側方向依次鄰接的兩個驅動側電極同時接入驅動信號，且接入驅動信號使得輸入於兩驅動側電極的脈衝間發生時間差異，使未接入驅動信號的驅動側電極浮置；接收部，其連接於所述接收側電極的一側末端，提取鄰接的接收側電極之間的差異值進行放大並輸出，減除接入驅動信號的兩驅動側電極所產生的各差異值並輸出，在各接收側電極連接有電容器，表現出浮置效果。
此時，所述驅動部可以使與接入驅動信號的驅動側電極鄰接的驅動側電極接地，使除接入了驅動信號或接地的驅動側電極之外的其餘驅動側電極浮置。
另外，優選所述接收部包括：電容器部，其連接於各接收側電極的末端，蓄積基於驅動信號的電荷；提取部，其提取一個接收側電極和與之鄰接的接收側電極間信號的差異值；放大部，其對所述提取部的差異值進行放大；偏移補正部，其存儲對一個驅動側電極的驅動信號的放大差異值，從對另一驅動側電極的驅動信號的放大差異值中減除所述存儲的差異值；累積部，其積累所述偏移補正部的輸出值，存儲後進行輸出；信號轉換部，其把從所述累積部輸出的累積信號轉換為數位值並輸出。
在所述第1實施例或第3實施例中，優選所述驅動部構成得在驅動信號 接入時，同時向相應驅動側電極的兩末端部分接入驅動信號。
另外，優選所述接收部(30)把鄰接的接收側電極分類為既定束，按各接收側電極束安裝。
另外，優選所述電容器部及提取部具有密勒電容器結構。
另外，優選所述接收部還包括使各個接收側電極重置的重置部。
通過本發明，能夠有效解決以大型面積體現原有電容方式觸控式螢幕時成為大問題的雜訊影響及信號失真現象，由於減小了隨著螢幕的大型化而增加的寄生電阻(Parastic resistance)及寄生電容(Parastic Capacitance)，因而能夠體現精密而特性卓越的電容方式的大型多點觸控式螢幕。
從而，通過在教育及工業一線需求增加的大型多點觸控式螢幕市場中普及特性比原有紅外線或照相機方式觸控式螢幕更卓越的電容方式觸控式螢幕，能夠實現更高效的業務處理，能夠提供更好的服務。
10‧‧‧觸摸圖案部
11‧‧‧驅動側電極
12‧‧‧接收側電極
20‧‧‧驅動部
30‧‧‧接收部
31‧‧‧電容器部
32‧‧‧提取部
33‧‧‧放大部
34‧‧‧累積部
35‧‧‧信號轉換部
36‧‧‧重置部
37‧‧‧偏移補正部
圖1是顯示本發明第1實施例的構成的框圖。
圖2是顯示本發明中的觸摸圖案部的配線結構的結構圖。
圖3是比較以往觸摸圖案部的信號流程與本發明的觸摸圖案部的信號流程的電路圖。
圖4是顯示驅動信號接入驅動側電極兩末端部分的情形的電路圖。
圖5是顯示電荷放大器(Charge Amplifier)結構中的密勒效應的說明圖。
圖6是本發明第1實施例的接收部的電路圖。
圖7是分割圖6的電路進行放大的電路圖。
圖8是顯示累積部的概念的電路圖。
圖9是顯示在圖6的電路圖中各開關的開閉順序的順序圖。
圖10是顯示圖6的1號框的密勒電容器結構的電路圖。
圖11是顯示圖6的第2至第3框的結構的電路圖。
圖12是顯示S/H的構成的電路圖。
圖13是顯示S/H的運算放大器(OP AMP)電路的結構的電路圖。
圖14是顯示圖6的各框所需的電流供應結構的電路圖。
圖15是顯示根據是否發生觸摸而產生的電壓波形的第1參照圖。
圖16是顯示根據是否發生觸摸而產生的電壓波形的第2參照圖。
圖17是顯示根據是否發生觸摸而產生的電壓波形的第3參照圖。
圖18是顯示通過雜訊生成器而生成的雜訊波形的圖表。
圖19是顯示本發明的類比的電壓波形的第1圖表。
圖20是顯示本發明的類比的電壓波形的第2圖表。
圖21是顯示本發明的類比的電壓波形的第3圖表。
圖22是顯示本發明第2實施例的構成的框圖。
圖23是顯示在本發明第2實施例中接入的驅動信號的概念圖。
圖24是顯示圖22中的與接入驅動信號的驅動側電極鄰接的驅動側電極接地的情形的概念圖。
圖25是顯示對偏移進行補正的方式的電路圖。
圖26是顯示圖25的電路圖中各開關的開閉順序的順序圖。
圖27是顯示對偏移進行補正的另一方式的電路圖。
圖28是顯示圖27的電路圖中各開關的開閉順序的順序圖。
圖29是添加了使密勒電容器結構重置的開關的電路圖。
下面參照附圖，詳細說明本發明電容方式的大型多點觸控式螢幕的信號檢測系統的構成。
電容方式的觸控式螢幕根據感知觸摸的方法，有自電容(Self Capacitive)方式和互電容(Mutual Capacitive)方式，本發明使用後者的互電容方式。
如果簡要說明，就自電容方式而言，當以手指觸摸觸摸面板時，在手指與觸摸面板間生成電容(capacitance)追加部分，通過因該追加部分而對面板施加的電壓變化量來檢測信號。就該方式而言，如果觸摸點的數達到兩個以上，則產生鬼點，存在無法如實識別觸摸位置的缺點。
就本發明中使用的互電容方式而言，向觸摸圖案部(10)接入信號的驅動側電極(11)與接收信號的接收側電極(12)以既定圖案形成有多個，在觸摸點，利用在這兩電極間發生的耦合電容(coupling capacitance)來檢測信號。具體而言，當觸摸發生時，驅動側電極(11)與接收側電極(12)間存在的電場出現變化，兩電極間的耦合電容減小，這導致傳遞到接收部(30)的電壓信號的變化，從而通過其來識別觸摸的位置。就這種互電容方式而言，具有在理論上能夠體現觸摸點個數無限制的多點觸摸的優點。
圖1是顯示本發明第1實施例的構成的框圖，本發明以觸摸圖案部(10)、驅動部(20)、接收部(30)為主要結構構成。
本發明的觸摸圖案部(10)如前所述，由多個驅動側電極(11)與接收側電極(12)形成既定圖案構成。此時，驅動側電極(11)與接收側電極(12)形成的圖案的形態可以多樣地體現，這些不同的形態產生相互不同的耦合電容。
商用化的觸摸圖案部的圖案形狀因開發廠商而非常多樣，根據電極的形狀，代表性的有鑽石圖案、橫條圖案、雪花圖案、網格圖案等。觸摸圖案部的圖案形狀還與觸摸靈敏度有著緊密關聯，因此，商用化的圖案大部分受到專利保護，在本發明中，觸摸圖案部(10)不受到特定形態的約束。另外，在本發明的實施例中，應用了一般使用的條形(Bar)圖案的觸摸圖案部(10)，該橫條圖案形成得使所述驅動側電極(11)與接收側電極(12)按既定間隔直交。
圖2是顯示本發明中的觸摸圖案部的配線結構的結構圖，圖3是比較以往觸摸圖案部的信號流程與本發明的觸摸圖案部的信號流程的電路圖，圖4是顯示驅動信號接入驅動側電極兩末端部分的情形的電路圖，顯示出驅動側電極(11)橫向形成、接收側電極(12)縱向形成的情形。
在圖3至圖4中，顯示出在驅動側電極(11)與接收側電極(12)之間，以既定間隔圖示了耦合電容，要說明的是所示的耦合電容在相應地點發生觸摸時，其大小減小。
所述驅動部(20)向從一側末端的驅動側電極至另一側方向的鄰接的驅動側電極逐個依次接入驅動信號。此時，與向驅動側電極的一側接入驅動 信號的方式相比，在本發明中使用同時向相應驅動側電極(11)的兩末端部分接入驅動信號，使未接入驅動信號的驅動側電極浮置(Floating)的方式。這在不接入驅動信號時，所述驅動部(20)作為電容器進行作用，表現出浮置的效果。
在本發明中，同時向相應驅動側電極(11)的兩末端部分接入驅動信號，是為了一同減小隨著觸摸圖案部(10)的大型化而增加的電容和電阻(resistance)。當同時在驅動側電極(11)的兩側接入驅動信號時，信號的必須移動路徑縮短，移動路徑的縮短意味著路徑上的寄生電阻及寄生電容減小。即，如圖4所示，在驅動側電極(11)的一側末端觀察時位於遠處的觸摸點，如果從相反側末端觀察則位於近處，驅動信號的移動路徑縮短，信號的移動路徑上存在的寄生電阻與寄生電容的大小減小。另外，在驅動側電極(11)的兩側同時施加驅動信號，除如上所述效果之外，還具有在兩側強有力地接入驅動信號(charge)的效果，因而極大地減小RC時間遲延。
另外，在原有的電容方式的觸控式螢幕中，使接收側電極(12)連接於運算放大器(Op Amp)的輸入端子。利用運算放大器的理由是為了通過密勒(Miller)效應，相對減小寄生電容的影響。附圖5是顯示在電荷放大器(Charge Amplifier)結構中的密勒效應的說明圖，由此可知，CFB借助於密勒效應而與OpAmp的放大比相應地增大，因而能夠極大地減小寄生電容Crx的影響。
從信號大小的角度而言，放大CFB，使CFB與寄生電容Crx相比變得相當大，從而使Crx的影響在相當程度上減小，這固然正確，但如果把運算放大器用於接收電路，則與之連接的節點成為低電阻(low impedance)，因而可以視為其自身使圖案的耦合電容形成為信號路徑上的寄生電容。
另外，就原有的電容方式觸控式螢幕而言，驅動部也是將發送驅動信號的驅動側電極之外的其他驅動側電極連接於特定電壓或接地(Earth)，這也可以視為把其他耦合電容形成為信號路徑上的寄生電容。
如上所述，處於信號路徑上的耦合電容因處於接收電路上的運算放大器而成為低電阻(low impedance)節點，而且，由於驅動電路的低電阻(low impedance)節點而作為實際上的寄生電容進行作用。圖3的(a)顯示出這種情 形。
此時，這種寄生電容的形成，將誘發更大的RC時間遲延，運算放大器的密勒效應無法發揮減小這種RC時間遲延的作用。此時，如果不是按原有方式使接收側電極連接於運算放大器的輸入節點，使未接入驅動信號的其餘驅動側電極連結於某種電壓或地面，而是使所有電極浮置，那麼，處於路徑上的其他耦合電容所引起的寄生電容幾乎不形成，從而極大地減小RC時間遲延。圖3的(b)顯示出這種情形。
為減小RC時間遲延，本發明的驅動部(20)使未接入驅動信號的驅動側電極浮置，在驅動側電極(11)兩側接入驅動信號，本發明的驅動部(20)如要準確地應用於體現大型多點觸控式螢幕，則需要有符合所述驅動部(20)結構的感知方式，這通過所述接收部(30)提供。
在本發明中，所述接收部如圖2所示，優選把鄰接的接收側電極(12)分類成既定的束，按各接收側電極束安裝，在附圖2中，顯示了1個接收部以6個接收側電極為一束連接的情形。
在說明如上所述的本發明的配線結構之前，對導線的電阻大小與耦合電容如何形成進行考查，首先，在電阻的大小相同的情況下，如下式所示，具有與導線長度成正比、與導線的厚度和寬度成反比的關係。
(ρ：電阻率，L：導線長度，w：導線寬度，h：導線厚度)
接下來，就在導線間發生的耦合電容而言，當假定導線具有普通的圓筒形的形態時，如下式所示，具有與電線的長度成正比、與導線間間隔成反比的關係。
(L：導線長度，h：導線間間隔，r：導線半徑)
考慮了這種導線的電阻性(resistive)、電容性(capacitive)成分的週邊配線的提案結構如圖2所示。觸摸圖案的形態雖然表現為條形(Bar)圖案，但與何種圖案無關，提案配線結構均可應用。
在本發明中，將焦點置於：最大限度使信號路徑上存在的寄生電阻一致，使信號間的耦合電容也最大限度一致，收窄信號的RC時間遲延分佈，減小信號的失真。在接收側電極(12)中，為最大限度使這種寄生電阻一致，把接收側電極(12)構成多束。
如圖4所示，當如此把鄰接的多個接收側電極(12)分成束時，幾乎沒有最小路徑與最大路徑的長度差異，因而也幾乎沒有其電阻值的差異。另外，在各個接收側電極束內，使長度長的電線形成得厚，而且，使長度短的電線形成得薄，能夠進一步減小電阻值的差異。
另外，為最大限度使寄生電容一致，在一束中，越向週邊，兩電線間相向的長度越增加，因而使電線間的間隔逐漸增加。如此使電線間的間隔逐漸增加的結構，在驅動側電極(11)中也同樣能夠應用。
最後，使驅動側電極(11)的束向接收側電極(12)束的相反方向連接。在圖2中，顯示出在上側連接接收側電極(12)、驅動側電極(11)連接於下側的結構。如果具有這種結構，那麼，與驅動側電極(11)的位置無關，信號移動路徑的長度幾乎一致，能夠最大限度使信號路徑的寄生電阻一致。
另外，所述接收部(30)連接於所述接收側電極(12)的一側末端，提取鄰接的接收側電極之間的差異值進行放大並輸出，在各接收側電極連接有電容器(capacitor)，使得表現出浮置的效果。這與前面說明的使未接入驅動信 號的驅動側電極浮置的理由相同，是為了減小RC時間遲延，並非是完全的電路斷開，而是使得借助於電容器的作用而表現出浮置效果。
所述接收部(30)具體包括：電容器部(31)，其連接於各接收側電極(12)的末端，蓄積基於驅動信號的電荷；提取部(32)，其提取一個接收側電極和與之鄰接的接收側電極間信號的差異值；放大部(33)，其對所述提取部(32)的差異值進行放大；累積部(34)，其對被放大的差異值進行積累、存儲後輸出；信號轉換部(35)，其把從所述累積部(34)輸出的累積信號轉換成數位值進行輸出。
所述電容器部(31)首先將接收側電極(12)作為浮置的概念，在接收側電極(12)的一側末端部分連接大小較小的電容器(capacitor)。因此，如果把驅動信號接入驅動側電極(11)，則與其對應的信號出現在連接於接收側電極(12)的電容器部(31)。
另外，在本發明中，為縮短觸控式螢幕的回應(response)時間，使得針對接入驅動信號的一個驅動側電極，同時處理連接的所有接收側電極(12)的對應信號。如果針對一個驅動信號，只處理一個接收側電極的輸出值，那麼，掃描全體觸摸圖案部(10)需要大量時間，因此，為體現大型觸控式螢幕，應同時處理所有接收側電極(12)的對應信號。
所述提取部(32)在與接入驅動信號相應的對應信號輸出到連接於所述接收側電極(12)的電容器部(31)後，把該信號與鄰接的接收側電極的對應信號進行比較，提取其差異。這樣與鄰接的接收側電極的信號進行比較，是為了減小對全面或局部發生的共模(common)雜訊的影響。即，如果發生雜訊，則在鄰接的兩電極中以相似的形態出現，因此，為抵消雜訊的影響，提取鄰接的兩電極的信號差異值。
通過所述提取部(32)提取的鄰接的對應信號的差異值具有較小的值，因而通過所述放大部(33)進行放大。如此放大的差異值，考慮到可能殘存的雜訊的影響，把該值通過多次的驅動信號接入，積累於所述累積部(34)，以便能夠提高信噪比(SNR：Signal-to-Noise Ratio)，使雜訊移動平均(moving average)。
最後，如此積累並最終輸出的差異值由於是類比信號，為進行數文書處理，通過信號轉換部(35)轉換成數位值，轉換的值經後續的數文書處理，判讀觸摸點的位置。
圖6是本發明第1實施例的接收部的電路圖，該電路的整體動作如前面的記載，在驅動電壓接入驅動側電極(11)後，與之對應的電壓出現在連接於接收側電極(12)的電容器部(31)，比較鄰接的兩導線的對應電壓，提取其差異值，對提取的差異值進行放大後，積累該放大值並存儲，然後傳遞給作為A/D轉換部(Analog-DigitalConverter，類比數位轉換器)的信號轉換部，最終把積累類比值轉換成數位值。
圖7是分割圖6的電路進行放大的電路圖，下面分成用粗實線圈劃的第1框、第2框、第3框，對動作進行說明。
圖7的第1框是電容器部(31)和提取部(32)，直接連接於接收側電極(12)，對應於驅動信號的電壓值出現於第1框的電容器。另外，通過Φ6開關的接通/斷開，提取鄰接的兩接收側電極之間的差異值。
第2框是發揮把提取的差異值放大N倍的作用的放大部(33)。最後，第3框是發揮對放大的差異值進行積累的作用的累積部(34)，各框的各詳細要素的動作如下。
首先，在驅動信號從低電平轉換為高電平之前，把Φ2、Φ5開關置於接通狀態，使得因這種轉換而發生的驅動信號(charge)能夠蓄積於電容器(C1，C2，Cd)。
此時，如要在這些電容器蓄積發生電荷，則應把一側端形成低電阻，因此，把Φ1、Φ3開關也置於接通狀態。另外，在第3框的集成(integration)電容器(Cint)中，在該過程中不許流入電荷，因此，Φr、Φ4開關置於接通狀態，Φ6開關置於斷開狀態。
因驅動信號的低電平到高電平轉換而產生的電荷充分蓄積於電容器(C1，C2，Cd)後，使Φ2開關斷開。此時，使Φ1開關也斷開，而且，使其與Φ2開關同時斷開。
在本發明中，說明了使Φ1、Φ2開關同時斷開的動作，但根據需要，可以適宜地調節Φ1開關與Φ2開關的切換順序。
首先，使Φ1開關斷開，然後使Φ2開關斷開，這是用於減小在使Φ1開關斷開時可能發生的電荷注入(charge injection)的影響的切換順序。當Φ1開關所造成的電荷注入問題嚴重時，需要這種切換動作。
然後，使Φ2開關斷開，然後使Φ1開關慢慢斷開，這是用於防止雜訊流入、N-MOSFET(N溝道金屬氧化物半導體場效應電晶體)超出飽和區域，減少Φ1開關的電荷注入影響的切換順序。在與使Φ2開關斷開後使Φ1開關斷開的動作，可解除密勒電容器結構與圖7的第2框結構有頻寬差異時可能發生的問題。
在對後續動作進行說明之前，如第1框中所示，所述電容器部(31)及提取部(32)以密勒電容器結構構成，該密勒電容器結構由兩個電容器和開關、N-MOSFET、電流源構成。即，由兩個電容器(C1，C2)、開關Φ1、N-MOSFET，電流源構成的結構顯示於圖7的第1框中。
如前述的說明，第1框是用於蓄積因驅動信號而發生的電荷的結構，可以單純由一個電容器構成，但如圖7的第1框所示構成的理由，是為了獲得電容的密勒效應。用於如上述獲得電容的密勒效應的結構，也可以說是本發明的核心技術之一。
即，通過這種結構，在以後與Cd電容器中蓄積的電壓比較時，Cd的大小與密勒電容器(C1)相比，小到可以忽略不計的程度，因此，Cd的電壓加入到該結構的密勒電容器(C1)的電壓，從而能夠提取兩電壓的比較準確的差異值。如果不具有這種密勒電容器(Miller capacitor)結構，而是單純利用一個電容器，那麼，與電壓比較時，Cd的電壓形成兩電壓值之間的某種特定電壓，這樣一來，則無法提取兩電壓的準確的差異值。
另外，如要利用一個電容器，提取比較準確的差異值，那麼，電容器的大小應非常大。因此，採用密勒電容器的結構，只利用較小大小的電容器，也能夠提取鄰接接收側電極間的比較準確的電壓差異值。
除此之外，如果具有密勒電容器的結構，則還能獲得的另一優點是幾乎可以忽略不計Φ5開關斷開時發生的電荷注入(charge injection)問題。即，在開關與電容器共存的結構中，存在這中電荷注入問題，如果利用密勒電容器結構，則即使隨著Φ5開關的關閉而發生電荷注入，因此而產生的變化為可以忽略不計的程度。
但是，就具有這種優點的密勒電容器結構而言，存在該效果所需的必要條件。這就是N-MOSFET應處於飽和(saturation)區域。為滿足這種條件，正如以上提及的，使Φ1開關與Φ2開關同時斷開。如果使Φ1開關先於Φ2開關斷開，那麼，雜訊從觸摸圖案流入接收部時，在該雜訊作用下，N-MOSFET的觸發電壓動搖，N-MOSFET可能會超出飽和區域，因此為阻止該現象，使Φ1開關與Φ2開關同時斷開。
使Φ1開關與Φ2開關斷開後的動作，是提取與鄰接的接收側電極的電壓差異，對該差異進行放大，並把該放大值傳遞給集成電容器(Cint)的準備動作，為此，使Φ3開關斷開，在短時間間隔後，使Φ4開關斷開。
如此依次使開關斷開的理由，是為了使因Φ3開關斷開而造成的電荷注入無法進入輸出側。即，這是因為在Φ3開關斷開的瞬間，Φ4開關必須接通，位於第2框與第3框之間的C3才能發揮阻止因Φ3開關斷開而發生的電荷注入的作用。
在依次使Φ3開關與Φ4開關斷開後，使Φ5開關斷開，然後使Φ6接通。從而對鄰接的接收側電極之間的兩電壓進行比較，提取差異值，差異值被第2框放大N倍，如此放大的值被傳遞給第3框。
為使電壓的差異值放大N倍，把第2框的電容器的大小以Cd/N，通過電容式分割(capacitive division)使兩電壓的差異放大N倍。另外，因Φ5開關斷開而產生的電荷注入如前面的說明，因密勒電容器結構而幾乎可以忽略不計。如上一系列過程繼續反復，在第3框集成電容器(Cing)積累鄰接接收側電極間電壓差異值的放大值。
圖8是顯示累積部的概念的電路圖。所述累積部(34)作為記憶某種信號(電壓)並在之後保持至應記憶的信號出現為止的採樣與保持(sample and hold，S/H)電路，在附圖上也標記為S/H。
在S/H中有兩條支線和電容器，這是為了在對對應於一個驅動側電極的積累電壓值進行採樣(sampling)的同時，對對應於其前側驅動側電極的積累電壓值進行保持，並傳遞給信號轉換部(35)。即，通過同時進行採樣與向信號轉換部的傳遞，減少掃描全體觸摸圖案部的時間。
S/H的Φ6、1開關和Φ6、2開關是與第3框的Φ6同時接通/斷開的開關，使得當一個開關反復接通/斷開時，其他開關繼續斷開，只在一個電容器中對一個驅動側電極的積累值進行採樣。另外，使處於反復採樣的電容器支線的Φh開關斷開，使處於其餘支線的Φh開關接通，準備使該支線存在的保持電壓值傳遞給信號轉換部(35)。(向位於緩衝器後的電容器輸出該電壓值)
然後，借助於Φtr，保持電壓值被傳遞到信號轉換部(ADC)。
最後，位於第1框上側的Φk開關是用於使接收電極迅速重置的開關，同時也是發揮阻止因驅動信號的高電平到低電平(High-to-Low)轉換而發生的相反電荷的作用的重置部(36)。
向相反方向發生電荷，可在提取電壓差異值時，誘發相反符號的差異，因而能夠阻止這種相反方向的電荷的發生。
圖9是顯示在圖6的電路圖中各開關的開閉順序的順序圖，顯示出所有開關的接通/斷開動作順序。
下面說明具體設計所述圖6的電路的示例和此時應考慮的事項。
圖10是顯示圖6的1號框的密勒電容器結構的電路圖。
Φ2、Φ5、Φ6、Φk的開關均設計成互補式(Complementary)結構。使用這種互補式結構的開關的理由如下。
如果在從觸摸圖案部流入接收部的電壓下發生雜訊，則電壓以由Φk開關(重置部)產生的重置電壓為基準上下動搖。此時，如果把該重置電壓設為 地面(GND)，則發生流入接收部(30)的電壓降至0以下的情形，如果電壓降至0以下，則由於MOSFET的反向二極體而會發生電荷洩漏的現象，如果開關的觸發電壓從0切換到VDD(電源電壓)，流入接收部的電壓降至0以下後，則也會無法使開關完全斷開。
為阻止這種現象，把Φk開關產生的重置電壓設為VDD/2，以此為基準，使流入接收部的電壓上下動搖。另外，在這種動作中，為使開關完全接通，採用了互補式結構。
就這種結構的開關而言，除與電壓的電平無關地使開關完全接通的特徵之外，還具有當開關斷開時減小電荷注入的優點。
接下來，就Φ1開關的情形而言，也是通過設置N-MOSFET和達到其大小的一半的虛擬(dummy)MOSFET，來減小電荷注入的影響。
而且，就密勒電容器結構的情形而言，通過調節電流源的電流大小與N-MOSFET的尺寸，使其的BW充分地大，達到25MHz左右，以便能夠在雜訊變化下迅速恢復。
最後，就Φk開關的情形而言，由於應使觸摸圖案的接收電極迅速重置，因此將其大小設計得比其他開關大10倍。
圖11是顯示圖6的第2框至第3框的結構的電路圖。
Φ3開關設計成能夠通過設置N-MOSFET和達到其大小的一半的虛擬(dummy)MOSFET來減小電荷注入的影響。另外，為了實現對電壓的差異進行放大的結構，採用了能夠表現出電容式分割(capacitive division)效果的結構，簡單地通過NMOSFET和電流源來體現。為使電壓放大N倍，把第2框的電容器大小帶入Cd/N，為了使得能夠調節放大比，設置多種大小的電容器Cd，以便能夠從中選擇一個。在用於蓄積電壓的被放大的差異值的第3框中，設計了折疊式共源共柵運算放大器(folded cascode amp)。不使用單純的單晶體管放大器，而使用這種折疊式共源共柵運算放大器，從而把集成電容器中積累的電壓的起始帶入VDD/2。
這是因為在比較兩鄰接接收側電極並提取差異值時，根據鄰接接收側 電極的更大電壓值位於右側還是位於左側，電荷的移動方向不同，集成電容器中蓄積的電壓也向相反方向蓄積，因此，將其起始電壓帶入作為兩方向的最終到達地點0和作為VDD中間電壓的VDD/2。就Φ4的開關而言，為減小電荷注入的影響，也採用虛擬開關(dummy switch)的結構。
最後，就Φ6開關的情形而言，使用了互補式結構的開關，以便能夠與集成電容器的最終積累值的電壓水準無關地全部通過，這還能夠發揮減小電荷注入的影響的作用。
圖12是顯示S/H的構成的電路圖。
就S/H的開關的情形而言，應能夠使從0至VDD的電壓水準全部通過，因此，設計成互補開關結構，從而能夠附帶地減小電荷注入的影響。就緩衝器(Buffer)的情形而言，應具有軌對軌輸入輸出(rail-to-rail input output)結構，為使偏移(offset)不過多發生，增益應充分大，應能夠把對應一個驅動電極的所有值在短時間內傳遞給所有ADC，因此，當把大型面積當作目標時，判斷認為至少需要10MHz以上的BW和充分的轉換速率。為製造滿足這種結構的緩衝器，設計了圖13的放大器。
圖13是顯示S/H的運算放大器電路的結構的電路圖，為實現軌對軌水準的輸入，輸入端採用了互補式結構，輸出端也為軌對軌水準，在確保穩定度的狀態下，BW應具有較大，因此，只有輸出端的節點設計成作為高電阻節點的一種的電流鏡式(current mirror type)放大器。另外，為獲得相對較高的電壓增益，把輸出端設計成共源共柵形態。在共源共柵形態下所需的偏置電壓(VN,VP)如圖13(a)圖中所示，通過電流與二極體(M49,M50，M52,M53)形成。
最後，圖14是顯示圖6各框所需的電流供應結構的電路圖。
其設計成能夠通過既定的外部電壓VM和電阻Rcr形成需要的電流，把形成的電流通過共源共柵電流鏡(cascode current mirror)進行複製，形成比較準確的多個電流源。為此，設計放大器，把放大器的輸出端子與負輸入(minus input)端子通過源極跟隨器(source follower)(M78)進行連接。另外，共 源共柵電流鏡的偏置電壓通過該電流鏡中流動的電流與電阻R1、R2的大小形成。最後，由於放大器的偏置電流即使不準確也無妨，因此，通過VDD和電阻以及一端的MOSFET鏡形成。
下面對通過Cadence工具模擬本發明接收部動作的結果進行說明。為進行模擬，通過RC建模，把觸摸圖案構成電路形式後，向該模型接入電壓，觀察與其對應的信號，從而確認接收部的動作。觸摸圖案全部包括寄生電阻、耦合電容、垂直(vertical)電容並進行了建模。
圖15是顯示根據是否發生觸摸而產生的電壓波形的第1參照圖，圖16是顯示根據是否發生觸摸而產生的電壓波形的第2參照圖，圖17是顯示根據是否發生觸摸而產生的電壓波形的第3參照圖。
為驗證本發明的接收部，觀察了S/H的電容器電壓。如果在實際模擬波形之前，首先通過接收部的結構表現出其理論性形態，則與圖15至18中圖示所示。
如果存儲了發生觸摸的接收側電極的電壓值的Cd的電壓值，與存儲了未發生觸摸的接收側電極的電壓值的C1、C2的電壓值進行比較，那麼，由於C1的密勒效應，Cd電壓附加於C1的電壓。
此時，如果發生觸摸，則發生更低的電壓，因此，Cd的電壓在電壓比較時上升，因此，電壓放大結構的輸出呈下降的形態。
結果，其在蓄積電荷的過程中，使S/H電容器的電壓分階段地增加。在相反的情況下，使S/H電容器的電壓相反地分階段地減少，如果比較的兩接收側電極的觸摸狀態相同(全部觸摸、全部不觸摸)，那麼，無因電壓比較而出現的電壓變化，因此，S/H的電容器的電壓也保持恒定。
圖19是顯示本發明的類比的電壓波形的第1圖表，實際類比波形如圖19所示。
這是無雜訊情況下的類比波形。為對觸摸進行建模，把構成觸摸的點的耦合電容設置成比其他耦合電容小。
此時可以確認，波形的形態與上面披露的理論形態類似，因此，可以 說這驗證了電路的正常動作。圖19的(a)波形如實呈現了電壓的形態，此時可以看出，應保持恒定的電壓略微向下傾斜。可以說這種傾斜現象是在反復的積分過程中，因諸如開關的電荷注入的附屬性影響所致。此時，如果把這種因影響而傾斜的值設置為基本值，把其餘值設置為該基本值的相對值，那麼在觸摸面板中，以觸摸點為基準，左側與右側的電壓波形形態相反，鑒於這一事實，後面的通過數文書處理判別觸摸點將輕而易舉。
以基本值為基準觀察的波形形態如圖19的(b)波形所示。因此，朝向上下的兩波形以作為基本值的中央直線為基準，呈現幾乎對稱的形態。
圖18是顯示通過雜訊生成器生成的雜訊波形的圖表，圖20是顯示本發明的類比的電壓波形的第2圖表，圖20是對圖18所示的顯示雜訊進行建模，並接入觸摸圖案RC模型時的波形形態。建模時使顯示雜訊通過觸摸圖案的垂直(vertical)電容流入。
此處的波形也證明了電路的正常動作，從而可以類推，在觸摸的判別方面沒有問題。圖20的(b)波形也是以基本值為基準觀察的波形的形態。
圖21是顯示本發明的類比的電壓波形的第3圖表，是全部接入顯示雜訊與觸摸雜訊(60Hz，50kHz雜訊)時的波形形態。為對雜訊的流入進行建模，使電容位於噪音源與實現觸摸的觸摸圖案間。
所述的波形雖然也會觀察到比前述的波形有所失真的形態，但其形態大體一致，因而證明電路的正常動作，從而可以類推，可以進行觸摸的判別。圖21的(b)波形也是以基本值為基準觀察的波形形態。
如上的模擬波形證明了本發明的接收部的正常動作，把如此獲得的波形的最終值通過A/D轉換部進行數位轉換，經過數文書處理後，可通過其實現觸摸判別。
圖22是顯示本發明第2實施例的構成的框圖，圖23是顯示在本發明第2實施例中接入的驅動信號的概念圖，顯示出添加了偏移補正部的情形，該偏移補正部用於解決上述本發明第1實施例的在電路本身中發生的偏移。
本發明的第2實施例由觸摸圖案部(10)、驅動部(20)和接收部(30)構成， 其中，所述觸摸圖案部(10)由驅動側電極(11)和接收側電極(12)構成。利用在驅動側電極與接收側電極之間發生的耦合電容來判別觸摸，這種觸控式螢幕的信號檢測系統的基本概念與第1實施例相同，因此，以下只記述與第1實施例的差異，省略對相同構成及重複說明的記載。
具體而言，所述驅動部(20)向鄰接的兩個驅動側電極同時接入驅動信號，接入驅動信號使得接入兩驅動側電極的脈衝間發生時間差異，通過接入驅動信號的兩驅動側電極的信號差來補正偏移。當然，與第1實施例中一樣，使未接入驅動信號的驅動側電極浮置，優選使驅動信號同時接入驅動側電極的兩末端部分。
此時，接入一個驅動側電極的驅動信號是用於存儲偏移的驅動信號，接入另一驅動側電極的驅動信號是用於減除前面驅動側電極存儲的偏移，輸出為輸出信號的驅動信號。
所述接收部(20)連接於所述接收側電極的一側末端，提取鄰接的接收側電極之間的差異值並進行放大、輸出，在這一點上與第1實施例中類似，但借助施加於兩個驅動側電極的驅動信號，接收側電極之間的差異值連續生成兩個，因此，從後面發生的差異值中減除前面發生的差異值並輸出。另外，與第1實施例中一樣，未從所述驅動側電極接收驅動信號的接收側電極浮置。
具體而言，所述接收部(30)包括：電容器部(31)，其連接於各接收側電極(12)的末端，蓄積基於驅動信號的電荷；放大部(33)，其提取一個接收側電極和與之鄰接的接收側電極間的信號差異值；放大部(33)，其對所述提取部(32)的差異值進行放大；偏移補正部(37)，其存儲對一個驅動側電極的驅動信號的放大差異值，從對另一驅動側電極的驅動信號的放大差異值中減除所述存儲的差異值；累積部(34)，其積累所述偏移補正部(37)的輸出值，存儲後進行輸出；信號轉換部(35)，其把從所述累積部(34)輸出的累積信號轉換為數位值並輸出。
根據兩種方式對具體的動作進行說明。圖25是顯示對偏移進行補正的方式的電路圖，圖26是顯示圖25的電路圖中各開關的開閉順序的順序圖。
在向第一驅動側電極接入驅動信號時，使Φ4開關接通，把此時發生的放大差異值存儲於C3電容器。在C3電容器中存儲偏移值後，保持使Φ4開關斷開的狀態，使C3中存儲的值加以保持。然後，向下一驅動側電極接入驅動信號，對由此發生的信號的差異值進行放大，從該放大值中減除通過前一驅動側電極存儲的偏移值後，把該值累積於Cint。如果交替進行驅動，同時繼續累積去除了偏移的放大差異值。
圖27是顯示對偏移進行補正的另一方式的電路圖，圖28是顯示圖27的電路圖中各開關的開閉順序的順序圖，顯示出使用與如上通過圖25說明的方法不同的方法對偏移進行補正的情形。
在這種情況下，在驅動信號接入驅動側電極的部分相同，但差異在於存儲偏移的電容器不是C3，而是Cint。因而在工作方式上發生差異。在這種情況下，根據第一驅動信號而存儲偏移的步驟(phase)中的Cint連接路徑與下一步驟中的Cint連接路徑交替(swapping)，從而實現偏移補正。如圖25所示，就C3中存儲偏移的結構而言，當Cint中流入既定的偏移誘發電荷(charge)時，無法對該偏移進行補正，但在如圖27所示的結構中，可以說使因這種路徑而發生的偏移也可以補正。
圖29是添加了使密勒電容器結構重置的開關的電路圖，從圖26及28的開關順序來看，也包括作為使C1、C2電容器(Miller Cap)重置的開關的Φrst開關的動作。這是為使電容器的初始值更明確。
圖24是顯示圖22中的與接入驅動信號的驅動側電極鄰接的驅動側電極接地的情形的概念圖，顯示出所述驅動部(20)使與接入驅動信號的驅動側電極鄰接的驅動側電極接地，使除接入驅動信號或接地的驅動側電極之外的其餘驅動側電極浮置的情形。
即，就截止目前的方式而言，連接於驅動側電極的配線相互密集配置，因此，由於配線之間的耦合電容，在未接入驅動信號的驅動側電極中也發生並非所需的信號。
可以說這種信號的影響雖然很小，但卻會成為向接收部輸出錯誤值的因素。因此，為阻止這種現象，不是使除接入驅動信號的驅動側電極之外 的其他所有驅動側電極浮置，而是使與接入驅動信號的驅動側電極最鄰接的兩電極接地(grounding)，獲得遮罩效果，減少進入其他驅動側電極的耦合信號。
如果以前面說明的結構進行說明，為驅動驅動側電極，如圖2所示，展開多條配線。此時，在該配線鄰接(堆疊)的附近，在配線之間必須存在耦合電容。由於這種耦合電容，並非所需的信號發生耦合，接入浮置的其他驅動側電極，這將導致並非所需的輸出。因此，為消除這種問題，使與接入驅動信號的驅動側電極最鄰接的兩驅動側電極接地。在這種情況下，在RC遲延方面雖然稍有犧牲(浮置的目的是減小RC遲延)，但越是大型面積的觸控式螢幕，該犧牲越微不足道。
本發明的權利並非限定於以上說明的實施例，由權利要求書記載的內容所定義，不言而喻，本發明所屬技術領域的技術人員可以在權利要求書記載的權利範圍內進行多種變更及改造。
10‧‧‧觸摸圖案部
11‧‧‧驅動側電極
12‧‧‧接收側電極
20‧‧‧驅動部
30‧‧‧接收部
31‧‧‧電容器部
32‧‧‧提取部
33‧‧‧放大部
34‧‧‧累積部
35‧‧‧信號轉換部
36‧‧‧重置部
37‧‧‧偏移補正部

Claims (7)

  1. 一種電容方式的大型多點觸控式螢幕的信號檢測系統，透過耦合電容判別一觸摸，其特徵在於，該信號檢測系統包括：觸摸圖案部，其由多個驅動側電極與多個接收側電極配置成既定的圖案；驅動部，與該些驅動側電極連接且該驅動部對從一側末端的驅動側電極向另一側方向鄰接的驅動側電極依次接入驅動信號，其中，該驅動部使未接入驅動信號的驅動側電極處於一浮置狀態，以及；接收部，其連接於所述接收側電極的一側末端，並包含有：一電容器部，其連接於各接收側電極的末端，蓄積基於驅動信號的電荷，其中該電容器部提供該接收側電極一浮置效果；一提取部，其提取一個接收側電極和與之鄰接的接收側電極間信號的差異值；一放大部，與該提取部的一出口端連接，其對所述提取部的差異值進行放大；一累積部，與該放大部的一出口端連接，其對被放大的差異值進行積累、存儲後輸出；一信號轉換部，與該累積部的一出口端連接其把從所述累積部輸出的累積信號轉換成數位值。
  2. 一種電容方式的大型多點觸控式螢幕的信號檢測系統，透過耦合電容判別一觸摸，其特徵在於，該信號檢測系統包括：觸摸圖案部，其由多個驅動側電極與多個接收側電極配置成既定圖案；驅動部，與該些驅動側電極連接且該驅動部對從一側末端的驅動側電極向另一側方向依次鄰接的兩個驅動側電極同時接入驅動信號，其中，該驅動訊號的一第一驅動訊號與該驅動訊號的一第二驅動訊號具有一時間差異，且該驅動部使未接入驅動信號的驅動側電極處於一浮置狀態，以及；接收部，其連接於所述接收側電極的一側末端，該接收部包 括：一電容器部，其連接於各接收側電極的末端，蓄積基於驅動信號的電荷，且該電容器部提供該接收側電極一浮置效果；一提取部，其提取一個接收側電極和與之鄰接的接收側電極間信號的差異值；一放大部，與該提取部的一出口端連接，其對所述提取部的差異值進行放大；一累積部，與該放大部的一出口端連接，其對被放大的差異值進行積累、存儲後輸出；一信號轉換部，與該累積部的一出口端連接其把從所述累積部輸出的累積信號轉換成數位值。
  3. 如請求項2所述的電容方式的大型多點觸控式螢幕的信號檢測系統，其中：所述驅動部使與接入驅動信號的驅動側電極鄰接的驅動側電極接地，使除接入了驅動信號或接地的驅動側電極之外的其餘驅動側電極浮置。
  4. 如請求項1或2所述的電容方式的大型多點觸控式螢幕的信號檢測系統，其中：所述驅動部構成得在驅動信號接入時，同時向相應驅動側電極的兩末端部分接入驅動信號。
  5. 如請求項1或2所述的電容方式的大型多點觸控式螢幕的信號檢測系統，其中：所述接收部把鄰接的接收側電極分類為既定束，按各接收側電極束進行安裝。
  6. 如請求項1或2所述的電容方式的大型多點觸控式螢幕的信號檢測系統，其中：所述電容器部及提取部具有密勒電容器結構。
  7. 如請求項1或2所述的電容方式的大型多點觸控式螢幕的信號檢測系統，其中：所述接收部還包括使各個接收側電極重置的重置部。
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