TWI687860B - 電容式感測系統中目標物件耦合至饋入線路之補償 - Google Patents

電容式感測系統中目標物件耦合至饋入線路之補償 Download PDF

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Abstract

本發明揭示一種輸入裝置，其具有經組態用於電容式感測之一或多個電極、一電子電路、連接該一或多個電極與該電子電路之一或多個導電饋入線路，其中該裝置經組態以根據來自另一電極之至少一其他信號而增加或減小透過一關聯饋入線路從該等電極之至少一者接收之一信號。

Description

電容式感測系統中目標物件耦合至饋入線路之補償 相關專利申請案
本申請案主張2014年6月26日申請之共同擁有的美國臨時專利申請案第62/017,671號之優先權；該案出於所有目的而以引用的方式併入本文中。
本發明係關於電容式感測系統與操作此系統之方法，特定言之，係關於該電容式感測系統中一目標物件電容耦合至饋入線路之補償。
「GestIC®」積體電路(亦稱為由Applicant所製造的MGC3130)係一高度靈敏電容式感測技術，其靈敏度顯露在本發明中所解決之問題。關於GestIC®技術之各種應用筆記可在Applicant的網站上下載，例如，由Microchip Technology公司2013年發表之應用筆記「MGC3130-Sabrewing Single-Zone Evaluation Kit User’s Guide」以引用的方式併入本文中。
此一積體電路與各種電極耦合，用於產生一交流電場，例如使用饋送至一傳輸電極之一100kHz方波信號。使用複數個接收電極來感測所產生之電場中的失真，且處理所接收之信號以計算一物件(諸如進入偵測場之一手指或一手)之一三維位置。
積體電路與電極之間的饋入線路可在此一系統中引起非所要的 額外電容耦合。其他基於電容式感測系統(諸如一維(例如按鈕)或二維(例如觸按板)感測系統)可面臨類似問題。
因此，在電容式感測器系統中，需要一種對所感測之信號的改良解耦或評估。
根據一實施例，一種輸入裝置可包括經組態用於電容式感測之一或多個電極、一電子電路、連接該等電極與該電子電路之一或多個導電饋入線路，其中該裝置經組態以根據來自另一電極之至少一其他信號而增加或減小透過一關聯饋入線路從電極之至少一者接收之一信號。
根據又一實施例，關聯饋入線路可經繞線成至少部分與另一電極平行。根據又一實施例，該關聯饋入線路可經繞線於另一電極附近。根據又一實施例，輸入裝置可進一步包括經連接至電子電路之一或多個額外饋入線路，該等饋入線路不與任何電極連接，其中藉由該一或多個額外饋入線路產生至少一其他信號，其中該一或多個額外饋入線路各自操作為一電極。根據又一實施例，一額外饋入線路可經配置於另一饋入線路附近。根據又一實施例，一額外饋入線路可至少部分與另一饋入線路平行延伸。根據又一實施例，一額外饋入線路可經配置於另一電極附近。根據又一實施例，輸入裝置可包括類比電路，以接收、放大及過濾信號。根據又一實施例，該輸入裝置可包括數位電路以處理所接收的信號。根據又一實施例，電子電路可包括一處理器，該處理器經組態以計算一三維偵測空間內之一物件之一位置，或從所接收之感測器信號偵測該物件之運動型樣或示意動作。根據又一實施例，一電極可被分成多個片段，且一饋入線路經繞線於至少兩個電極片段之間，其中該等電極片段係透過一連接線路電連接。根據又一實施例，可藉由接收自該多個片段電極之以一補償因數倍增之一信 號來校正來自與經繞線於至少兩個電極片段之間之饋入線路連接之一電極之一信號。
根據另一實施例，一種用於補償在一電容式感測器系統(包括透過一或多個導電饋入線路與一電子電路耦合的一或多個電極)中寄生電容耦合作用的方法可包括：根據來自另一電極之至少一其他信號，而增加或減小透過一關聯饋入線路從電極之至少一者接收之一信號之步驟。
根據又一實施例，該方法可進一步包括繞線關聯饋入線路與另一電極平行。根據又一實施例，該方法可進一步包括繞線關聯饋入線路在另一電極附近。根據又一實施例，該方法可進一步包括配置經連接至電子電路之一或多個額外饋入線路，該等饋入線路不與任何電極連接，其中藉由該一或多個額外饋入線路產生至少一其他信號，其中該一或多個額外饋入線路各自操作為一電極。根據該方法之又一實施例，一額外饋入線路可經配置在另一饋入線路附近。根據該方法之又一實施例，一額外饋入線路可經配置在另一電極附近。根據該方法之又一實施例，一額外饋入線路可至少部分與另一饋入線路平行延伸。根據又一實施例，該方法可進一步包括藉由一類比電路來增加或減小信號之步驟。根據又一實施例，該方法可進一步包括藉由一數位電路來增加或減小信號之步驟。根據又一實施例，該方法可進一步包括從所接收之感測器信號計算一三維偵測空間內之一物件之一位置。根據又一實施例，該方法可進一步包括將一電極分成多個片段，且將一饋入線路繞線在至少兩個電極片段之間，其中該等電極片段係透過一連接線路電連接。根據又一實施例，該方法可進一步包括藉由接收自多個片段電極之以一補償因數倍增之一信號校正來自一電極之一信號，該電極與繞線於至少兩個電極片段之間之饋入線路連接。
210‧‧‧銲墊
220‧‧‧纜線
310‧‧‧評估電路
圖1：電極S係與饋入線路FS連接，該饋入線路FS繞線在電極W外。
圖2：電極S係與饋入線路FS連接，該饋入線路FS繞線在電極W內。
圖3：一物件F位於近電極S與W處，具有各自耦合CFS與CFW。
圖4：一物件F位於電極W上方與饋入線路FS上方，具有一耦合CFW與一寄生耦合CFFS。
圖5：一物件F位於系統中間，其與具有各自耦合CFN、CFS及CFW的電極N、S及W相互作用。
圖6：一物件F位於饋入線路FN、FS及FW上方，具有各自寄生耦合CFFN、CFFS及CFFW。
圖7：不連接至一電極的一額外饋入線路FD與其他饋入線路FN、FS、FW及FE平行。
圖8：一物件F位於系統中間，其與具有各自耦合CFN、CFS及CFW之電極N、S及W相互作用，而不直接與饋入線路FD相互作用。
圖9：一物件F位於具有各自寄生耦合CFFN、CFFS、CFFW及CFFD之饋入線路FN、FS、FW及FD上方。
圖10：虛擬饋入線路隨同南饋入線路一起延伸。
圖11：電極W被分為W1與W2兩者，且饋入線路FN繞線在W1與W2之間。同樣地，饋入線路FE通過於被分為兩個區域S1與S2的電極S之間。饋入線路FS1與FS2在銲墊BP上結合，FW1與FW2同樣如此。
圖12：其中使用更多銲墊且在可撓性PCB上之通孔FV用來連結FW1與FW2以及FS1與FS2之實例。
圖13：具有兩個虛擬線路之一PCB的一俯視圖。
圖14：展示與一電容電極連接之一饋入線路的一寄生電容耦合。
圖15：展示一實例，其中饋入線路繞線在接收電極下方。
圖16：展示用於相加或減去信號之一電路的一實例。
圖17：展示具有一虛擬線路之一電極設置的一實例。
使用電容式感測之人機介面裝置(HID)包括感測器電極，該等感測器電極常常形成於導電材料層(例如，銅條)中。此等電極係使用導電材料製成(可能相同)之所謂的饋入線路來電連接至一偵測單元。該偵測單元之量測值尤其取決於感測器電極附近之一目標物件(手指/手)的位置，其影響電極與目標之間的電容耦合，產生一目標量測信號。在下文中，一例示性偵測系統係基於GestIC®-技術。然而，各種實施例並不限制於此一系統，而可改良其他基於電容偵測系統的效能。
問題是，當不有效地屏蔽一饋入線路使之免受目標物件影響時，該饋入線路常常照樣被影響。運用具有少數層之構造(實例：單一層PCB或ITO玻璃)的屏蔽並不總是實用的。接著，目標物件影響一量測值，甚至當該目標物件位於其不應影響量測值的位置時。評估量測資料之信號處理演算法通常假定一系統模型，其中一感測器之量測取決於目標相對於感測器電極之位置(但不在饋入線路上)，出於簡單與因此系統之堅固性的緣故。假設饋入線路未屏蔽，此等假定接著可變得錯誤，引起系統之效能降低。
圖14展示在手指與電極之間由一物件(例如，一手指)引起之典型的電容耦合，以及在手指與饋入線路之間之非所要的電容耦合，該饋入線路連接電極至一評估電路。
根據各種實施例，可藉由在軟體(之一小部分)中減去另一電極之量測值，來補償或至少部分補償目標物件與饋入線路之間之非所要耦合對量測資料的影響，其係假定為以與目標對饋入線路之一類似方式被影響。此其他電極可為一預存在電極或出於補償目的而特別地引入 之一虛擬或補償電極。
在所有圖式中，參考符號「B」係指固持電極之板或基板。參考符號「F」係指待偵測物件，諸如例如，一手、手指或其他。參考符號「N、W、S及E」係指具有實質有效表面的主要電極，該等電極意在與待偵測物件耦合。參考符號「IC」係指感測器電路。參考符號「FN、FW、FS及FE」係指導電饋入線路，其電連結電極至感測器電路。參考符號「FD」係指一額外饋入線路。參考符號「FLEX」係指與表面結合固持電極之一可撓性PCB；其中運用標註為「BP」之銲墊完成結合。
圖1展示具有一傳輸電極與複數個偵測電極(例如，配置在一印刷電路板B上)之使用一近交流電場偵測方法之一典型的輸入裝置配置。然而，可應用其他基板。頂端銅平面經圖案化以產生實際接收電極N、W、S及E。此外，饋入線路FN、FW、FS及FE經圖案化以連接該等接收電極與一評估電路(諸如一GestIC MGC3130積體電路)。傳輸電極在圖1中未展示且通常係配置在印刷電路板之底部上或一中間層內。傳輸電極大致覆蓋接收電極N、W、S及E的整個區域。或者，傳輸電極亦可在頂層的中心。傳輸電極可覆蓋由接收電極所定義之整個區域或甚至更大。根據其他實施例，傳輸電極無需覆蓋全部區域。僅覆蓋中心區域或該中心區域之一部分之一傳輸電極將亦可運作。
如圖1與圖2中所展示，可依取決於各自繞線之不同方式來配置饋入線路FN、FW、FS及FE。例如，圖1展示用於接收電極S之饋入線路FS繞著接收電極W外部，而在圖2中路徑經選擇為沿著接收電極W內部。
圖3展示一使用者之一接近中手指F及其相對於接收電極W與S之相關聯電容耦合的作用。此一耦合產生交流電場之不同衰減，且積體電路IC內之評估電路能夠從所接收之資料計算手指之一位置。
可產生如圖4中所展示之一問題情形。此處，手指F位於接收電極W上方。應注意，一寄生耦合CFFS出現在手指F與南饋入線路FS之間。此一寄生耦合可導致類似於圖3之情形(其中手指與電極S及W兩者合理地耦合)之信號之一錯誤解釋。
根據各種實施例，可提供下列解決方案：南電極S具有沿著電極W延伸之一長饋入線路FS，故可校正電極S信號，例如藉由方程式(1)。
Scorr=S-ksw*W (1)其中Scorr係經校正之S信號，且ksw係針對W對S之影響或針對手指與W或手指與FS之間之耦合之相似物之一校正因數。亦可運用一更複雜的校正函數來計算Scorr，該校正函數涉及(例如)具有一個以上單一因數k之一多項式或任何其他線性或非線性函數，且不僅僅涉及W電極之信號。此在數學中通常被稱為空間映射技術。類比電路可併入積體電路IC內以執行補償。圖16展示此一電路之一實例，此電路一般被稱為一求和放大器，其中不同的權重與正負號被施加至不同的輸入信號V1、V2、V3、V4(對應於來自電極S、W、E或N之信號)，且其中經校正之輸出Scorr(基於或等於Vout)係一加權和的結果。一詳細描述可見於Microchips申請案筆記682、圖7及方程式5中，該案之全文以引用的方式併入本文中。經連接至供應電壓之電容器係選用的。或者根據其他實施例，可使用數位電路，特定言之，韌體可執行各自補償。
此處，詞「信號」可應用於不同的情形。術語「信號」可指藉由一饋入線路所攜載之電位的交流電(AC)變動；且可運用一差動放大器或一反相放大器來反相並按比例調整該「信號」。「信號」亦可指在一較長週期期間所觀察之一饋入線路的平均AC振幅。此處，可運用類比積分器電路來執行此平均值。「信號」可指一類比轉數位轉換器 電路之輸出。信號可指來自一組ADC值之一數學計算的結果，如同數位解調變或在積體電路中實施之級聯積分器梳形(CIC)濾波器的輸出，該積體電路由Applicant製造且可稱為「MGC3130」。
若饋入線路繞線在與電極相同的層上，則手指對該饋入線路之作用可包含一些誤差，此係因為僅存在一個手指位置用於完美補償。若手指更接近饋入線路或更接近電極，則一補償誤差可發生。若電極屏蔽與校正相關聯之饋入線路，則此誤差可被保持得低。接著，將以相同方式影響電極與饋入線路兩者。圖15展示一配置，其中接收電極配置在頂層上。或者，該等接收電極亦可配置在一中間層內。在如圖15中所展示之此實施例中，至東電極(E)之饋入線路(FE)經繞線在北電極(N)下方以保持此補償誤差較小。例如，如圖15中所展示，饋入線路FE及FS可經繞線在電極層下方的一底層或一中間層上。如在印刷電路製造技術中已知，通孔可用來切換至另一層的繞線安排。
可運用額外饋入線路(FD)來獲得補償精確度之又一改良，用一方式佈置額外饋入線路以重現一饋入線路與物件之耦合；額外饋入線路與其他饋入線路共面並非強制的。額外饋入線路亦可經限制以僅出現於饋入線路之經選擇區段，例如其中其他屏蔽不實用或與其他信號之減法不給出最佳補償，因為饋入係在一不同的位置上，如圖17中所展示。亦可出於提供更精確量之校正的目的而調整額外饋入線路之表面，而無需電子手段。因此，額外饋入線路或若干饋入線路可在形狀上更寬或更窄。此外，根據一些實施例，可使用雷射修整來調整一各自補償饋入線路的電容。根據其他實施例，亦可在軟體中進行任何調整。圖7、圖10及圖17展示根據此一配置之各種實例的一透視圖。在圖13中展示組合圖7與圖10之補償饋入線路的一俯視圖，其中分別用參考符號FD1與FD2標記該等補償饋入線路。圖10中之補償饋入線路 FD與饋入線路FS平行延伸。運用圖13中之參考符號310來展示評估電路。根據一些實施例，可針對每一饋入線路提供一補償饋入線路。然而，如圖13中所展示，一第一補償饋入線路FD1可用於其中所有饋入線路平行延伸之區段的補償，且在圖13之實施例中，僅一第二補償饋入線路FD2用於長饋入線路FN。若對於一些情況饋入線路必須與其他電極分開繞線且因此接收一不同信號，則可使用一額外虛擬線路(FD)。圖17展示使用一虛擬饋入線路(FD)之此一設置的補償，用於對至東電極(FE)之饋入的補償。
圖8與圖9展示一手指F在其接近感測器裝置時的一例示性電容耦合。圖8展示一手指F接近在感測器配置之主要偵測區域內及與主要接收電極的各自電容耦合。圖9展示手指F接近其中所有饋入線路連接至評估裝置IC之區域的一位置及其電容耦合。
參考圖11與圖12揭示又一改良，其中臨界饋入線路FN與FE經繞線在電極W與S內。此等饋入線路之靈敏度輪廓因此很好地對應於電極W與S之靈敏度。因此，接收電極W與S被分成兩個，但藉由饋入線路電耦合在一起。可在圖11之實施例中之頂層上執行分裂電極W1、W2及S1、S2的耦合。或者，如圖12中所展示，耦合可經配置在底端(虛線跡線)或任何中間層上。
圖11之實施例亦展示用於連接一纜線220之銲墊210，特定言之，若評估裝置非配置在印刷電路板B上之一帶式纜線或一可撓性平坦連接纜線。根據其他實施例，特定言之，如圖1至圖10、圖13、圖15及圖17中所展示，當評估裝置經配置在印刷電路板上時，一底層可用來連接饋入線路與積體電路IC。圖11與圖12中之連接虛線展示此一互連。

Claims (22)

  1. 一種輸入裝置，其包括：經組態用於電容式感測之一或多個電極、一電子電路、連接該等電極與該電子電路之一或多個導電饋入線路，其中該裝置經組態以根據(in function of)來自另一電極之至少一其他信號而增加或減小透過一關聯饋入線路從該等電極之至少一者接收之一信號，其中該輸入裝置進一步包括經連接至該電子電路之一或多個額外饋入線路，該一或多個額外饋入線路不與任何電極連接，其中藉由該一或多個額外饋入線路來產生該至少一其他信號，其中該一或多個額外饋入線路各自操作為一電極。
  2. 如請求項1之輸入裝置，其中該關聯饋入線路經繞線成至少部分與該另一電極平行。
  3. 如請求項1之輸入裝置，其中該關聯饋入線路經繞線在該另一電極附近。
  4. 如請求項1之輸入裝置，其中該一或多個額外饋入線路之一者經配置在另一饋入線路附近。
  5. 如請求項4之輸入裝置，其中該一或多個額外饋入線路之一者至少部分與該另一饋入線路平行延伸。
  6. 如請求項1之輸入裝置，其中該一或多個額外饋入線路之一者經配置在另一電極附近。
  7. 如請求項1之輸入裝置，其包括類比電路以增加或減小該信號。
  8. 如請求項1之輸入裝置，其包括數位電路以增加或減小該信號。
  9. 如請求項1之輸入裝置，其中該電子電路包括一處理器，該處理器經組態以計算一三維偵測空間內之一物件之一位置，或從所接收之感測器信號偵測該物件之運動型樣或示意動作。
  10. 一種輸入裝置，其包括：經組態用於電容式感測之一或多個電極、一電子電路、連接該等電極與該電子電路之一或多個導電饋入線路，其中該裝置經組態以根據來自另一電極之至少一其他信號而增加或減小透過一關聯饋入線路從該等電極之至少一者接收之一信號，其中一電極被分成多個電極片段，且一饋入線路經繞線在至少兩個電極片段之間，其中該等電極片段係透過一連接線路電連接(galvanically connected)。
  11. 如請求項10之輸入裝置，其中藉由接收自該多個電極片段之以一補償因數倍增之一信號來校正來自與經繞線在該至少兩個電極片段之間之該饋入線路連接之一電極之一信號。
  12. 一種用於補償一電容式感測器系統中之寄生電容耦合作用的方法，該系統包括透過一或多個導電饋入線路與一電子電路耦合的一或多個電極，該方法包括：根據來自另一電極之至少一其他信號而增加或減小透過一關聯饋入線路從該等電極之至少一者接收之一信號的步驟，及配置經連接至該電子電路之一或多個額外饋入線路，該一或多個額外饋入線路不與任何電極連接，其中該至少一其他信號藉由該一或多個額外饋入線路而產生，其中該一或多個額外饋入線路各自操作為一電極。
  13. 如請求項12之方法，進一步包括繞線該關聯饋入線路與該另一電極平行。
  14. 如請求項12之方法，進一步包括繞線該關聯饋入線路在該另一電極附近。
  15. 如請求項12之方法，其中該一或多個額外饋入線路之一者經配置在另一饋入線路附近。
  16. 如請求項12之方法，其中該一或多個額外饋入線路之一者經配置在另一電極附近。
  17. 如請求項16之方法，其中該一或多個額外饋入線路之一者至少部分與該另一饋入線路平行延伸。
  18. 如請求項12之方法，其包括藉由一類比電路來增加或減小該信號之該步驟。
  19. 如請求項12之方法，其包括藉由一數位電路來增加或減小該信號之該步驟。
  20. 如請求項12之方法，進一步包括從所接收之感測器信號計算一三維偵測空間內之一物件之一位置。
  21. 一種用於補償一電容式感測器系統中之寄生電容耦合作用的方法，該系統包括透過一或多個導電饋入線路與一電子電路耦合的一或多個電極，該方法包括：根據來自另一電極之至少一其他信號而增加或減小透過一關聯饋入線路從該等電極之至少一者接收之一信號的步驟，及將一電極分成多個電極片段，且將一饋入線路繞線在至少兩個電極片段之間，其中該等電極片段係透過一連接線路電連接(galvanically connected)。
  22. 如請求項21之方法，進一步包括藉由接收自該多個電極片段之以一補償因數倍增之一信號來校正來自與繞線在該至少兩個電極片段之間之該饋入線路連接之一電極之一信號。
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