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用于電容感測的電流反饋技術.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510633615.2

申請日:

2015.09.29

公開號:

CN105468215A

公開日:

2016.04.06

當前法律狀態:

實審

有效性:

審中

法律詳情: 實質審查的生效IPC(主分類):G06F 3/044申請日:20150929|||公開
IPC分類號: G06F3/044 主分類號: G06F3/044
申請人: 辛納普蒂克斯公司
發明人: T.S.達塔羅
地址: 美國加利福尼亞州
優先權: 14/502884 2014.09.30 US
專利代理機構: 中國專利代理(香港)有限公司72001 代理人: 鄭冀之; 張懿
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510633615.2

授權公告號:

|||

法律狀態公告日:

2017.10.24|||2016.04.06

法律狀態類型:

實質審查的生效|||公開

摘要

本公開的示例一般提供采用輸入裝置進行電容感測的電流反饋技術。用于輸入裝置的處理系統包括具有同相輸入、反相輸入和輸出的運算放大器。電壓源耦合到同相輸入。第一電壓控制電流源耦合在輸出與反相輸入之間,以形成反饋通路。第二電壓控制電流源耦合到輸出,并且配置用于基于輸出處的控制電壓來修改電容器上的電荷。確定模塊耦合到電容器,并且配置用于基于電容器上的電荷來確定反相輸入處的電容測量。

權利要求書

1.一種用于輸入裝置的處理系統,包括:
具有同相輸入、反相輸入和輸出的運算放大器;
耦合到所述同相輸入的電壓源;
第一電壓控制電流源,耦合在所述輸出與所述反相輸入之間,以
形成反饋通路;
第二電壓控制電流源,耦合到所述輸出,并且配置用于基于所述
輸出處的控制電壓來修改電容器上的電荷;以及
確定模塊,耦合到所述電容器,并且配置用于基于所述電容器上
的電荷來確定所述反相輸入處的電容測量。
2.如權利要求1所述的處理系統,其中,所述第一電壓控制電流
源配置用于基于所述控制電壓將輸入感測信號驅動到傳感器電極上,
同時所述第二電壓控制電流源修改所述電容器上的電荷。
3.如權利要求2所述的處理系統,其中,所述電壓源配置用于將
輸入電壓驅動到所述同相輸入上,以使所述第一電壓控制電流源將所
述輸入感測信號驅動到所述傳感器電極上。
4.如權利要求2所述的處理系統,其中,所述電容測量包括所述
傳感器電極與輸入物體之間的電容。
5.如權利要求2所述的處理系統,其中,所述電容測量包括所述
傳感器電極與輸入物體之間的第一電容以及所述傳感器電極與接收
器電極之間的第二電容。
6.如權利要求1所述的處理系統,其中,所述第一電壓控制電流
源配置用于耦合到傳感器電極,以及所述電容測量包括所述傳感器電
極與發射器電極之間的電容。
7.如權利要求6所述的處理系統,其中,所述電壓源配置用于在
互電容感測時間周期期間將基本上恒定的輸入電壓驅動到所述同相
輸入上。
8.如權利要求7所述的處理系統,其中,所述第一電壓控制電流
源配置用于在自電容感測時間周期期間基于所述控制電壓將輸入感
測信號驅動到所述傳感器電極上。
9.如權利要求1所述的處理系統,其中,所述電容器的電容是基
本上恒定的。
10.一種用于電容感測的輸入裝置,包括:
多個傳感器電極;以及
處理系統,耦合到所述多個傳感器電極,所述處理系統包括:
具有同相輸入、反相輸入和輸出的運算放大器;
耦合到所述同相輸入的電壓源;
第一電壓控制電流源,耦合在所述輸出與所述反相輸入之間,以
形成反饋通路;
第二電壓控制電流源,耦合到所述輸出,并且配置成基于所述輸
出處的控制電壓來修改電容器上的電荷;以及
確定模塊,耦合到所述電容器,并且配置成:
基于所述電容器上的電荷來確定與所述多個傳感器電極中包含
并且耦合到所述反相輸入的傳感器電極關聯的電容測量;以及
基于所述電容測量來確定位置信息。
11.如權利要求10所述的輸入裝置,其中,所述第一電壓控制
電流源耦合到所述傳感器電極,并且配置成基于所述控制電壓將輸入
感測信號驅動到所述傳感器電極上,同時所述第二電壓控制電流源修
改所述電容器上的電荷。
12.如權利要求11所述的輸入裝置,其中,所述電壓源配置成
將輸入電壓驅動到所述同相輸入上,以使所述第一電壓控制電流源將
所述輸入感測信號驅動到所述傳感器電極上。
13.如權利要求11所述的輸入裝置,其中,所述電容測量包括
所述傳感器電極與輸入物體之間的電容。
14.如權利要求11所述的輸入裝置,其中,所述電容測量包括
所述傳感器電極與輸入物體之間的第一電容以及所述傳感器電極與
接收器電極之間的第二電容。
15.如權利要求10所述的輸入裝置,其中,所述電壓源配置成
在互電容感測時間周期期間將基本上恒定的輸入電壓驅動到所述同
相輸入上,以及所述電容測量包括所述互電容感測時間周期期間在所
述傳感器電極與發射器電極之間的電容。
16.如權利要求15所述的輸入裝置,其中,所述第一電壓控制
電流源配置成在自電容感測時間周期期間基于所述控制電壓將輸入
感測信號驅動到所述傳感器電極上。
17.一種采用傳感器電極進行輸入感測的方法,所述方法包括:
將輸入電壓驅動到運算放大器的同相輸入,其中第一電壓控制電
流源耦合在所述運算放大器的輸出與所述運算放大器的反相輸入之
間,以形成反饋通路;
經由耦合到所述輸出的第二電壓控制電流源、基于所述輸出處的
控制電壓來修改電容器上的電荷;以及
基于所述電容器上的電荷來確定與耦合到所述反相輸入的傳感
器電極關聯的電容測量。
18.如權利要求17所述的方法,其中,將所述輸入電壓驅動到
所述同相輸入使所述第一電壓控制電流源將輸入感測信號驅動到所
述傳感器電極上,同時所述第二電壓控制電流源修改所述電容器上的
電荷。
19.如權利要求18所述的方法,其中,所述電容測量包括所述
傳感器電極與輸入物體之間的電容。
20.如權利要求18所述的方法,其中,所述電容測量包括所述
傳感器電極與輸入物體之間的第一電容以及所述傳感器電極與接收
器電極之間的第二電容。
21.如權利要求17所述的方法,其中,所述電容測量包括所述
傳感器電極與發射器電極之間的電容。
22.如權利要求21所述的方法,還包括在互電容感測時間周期
期間將基本上恒定的輸入電壓驅動到所述同相輸入上。
23.如權利要求22所述的方法,其中,將所述輸入電壓驅動到
所述同相輸入使所述第一電壓控制電流源在自電容感測時間周期期
間將輸入感測信號驅動到所述傳感器電極上。

說明書

用于電容感測的電流反饋技術

技術領域

本發明的實施例一般涉及用于采用輸入裝置進行電容感測的電
流反饋技術。

背景技術

包括接近傳感器裝置(通常又稱作觸摸板或觸摸傳感器裝置)的
輸入裝置廣泛用于多種電子系統中。接近傳感器裝置通常包括常常通
過表面來區分的感測區,其中接近傳感器裝置確定一個或多個輸入物
體的存在、位置和/或運動。接近傳感器裝置可用來提供電子系統的接
口。例如,接近傳感器裝置常常用作較大計算系統的輸入裝置,例如
筆記本或臺式計算機中集成的或者作為其外設的觸摸板。接近傳感器
裝置還常常用于較小計算系統,例如蜂窩電話或平板計算機中集成的
觸摸屏中。

接近傳感器裝置可包括一種或多種類型的電極,其配置用于傳
送和/或接收輸入感測信號。電極可耦合到處理系統,其確定所獲取輸
入感測信號的各種特性,以便檢測輸入物體的存在和/或位置。處理經
由電極所接收的輸入感測信號一般要求大組件、例如多個大電容器和
/或電阻器。例如,接收器組件可耦合到每個單獨電極(或者耦合到每
組電極),從而要求數十或數百個較大電容器和/或電阻器包含在接近
傳感器裝置中。另外,隨著接近傳感器裝置的特征尺寸減小,接收器
組件的數量一般必須增加,從而進一步增加接近傳感器裝置的尺寸。

相應地,需要減小用來執行接近傳感器裝置中的輸入感測的組
件的尺寸。

發明內容

本發明的實施例一般提供一種用于輸入裝置的處理系統。該處
理系統包括具有同相輸入、反相輸入和輸出的運算放大器。電壓源耦
合到同相輸入。該處理系統還包括第一電壓控制電流源、第二電壓控
制電流源和確定模塊。第一電壓控制電流源耦合在輸出與反相輸入之
間,以形成反饋通路。第二電壓控制電流源耦合到輸出,并且配置用
于基于輸出處的控制電壓來修改電容器上的電荷。確定模塊耦合到電
容器,并且配置用于基于電容器上的電荷來確定反相輸入處的電容測
量。

本發明的實施例還可提供一種用于電容感測的輸入裝置。該輸
入裝置包括多個傳感器電極和處理系統。處理系統耦合到多個傳感器
電極。該處理系統包括具有同相輸入、反相輸入和輸出的運算放大器。
電壓源耦合到同相輸入。該處理系統還包括第一電壓控制電流源、第
二電壓控制電流源和確定模塊。第一電壓控制電流源耦合在輸出與反
相輸入之間,以形成反饋通路。第二電壓控制電流源耦合到輸出,并
且配置成基于輸出處的控制電壓來修改電容器上的電荷。確定模塊耦
合到電容器,并且配置成基于電容器上的電荷來確定與多個傳感器電
極中包含并且耦合到反相輸入的傳感器電極關聯的電容測量。確定模
塊還配置成基于電容測量來確定位置信息。

本發明的實施例還可提供一種采用傳感器電極進行輸入感測的
方法。該方法包括將輸入電壓驅動到運算放大器的同相輸入上。第一
電壓控制電流源耦合在運算放大器的輸出與運算放大器的反相輸入
之間,以形成反饋通路。該方法還包括經由耦合到輸出的第二電壓控
制電流源基于輸出處的控制電壓來修改電容器上的電荷。該方法還包
括基于電容器上的電荷來確定與耦合到反相輸入的傳感器電極關聯
的電容測量。

附圖說明

為了能夠詳細了解上述特征的方式,可參照實施例進行以上概
述的更具體描述,實施例的一部分在附圖中示出。但是要注意,附圖
僅示出本發明的實施例,因此不是要被理解為限制其范圍,因為本發
明可容許其他同樣有效的實施例。

圖1是按照本發明的實施例的示范輸入裝置的框圖。

圖2是按照本發明的實施例、圖1的輸入裝置的局部示意平面
圖。

圖3是按照本發明的實施例、圖1的處理系統中包含的感測電
路的局部示意圖。

圖4是按照本發明的實施例、圖3的感測電路配置用于跨電容
感測的局部示意圖。

圖5是按照本發明的實施例、包括配置成執行跨電容感測和/或
絕對電容感測的兩個感測電路的處理系統的局部示意圖。

圖6是按照本發明的實施例、使用圖3的感測電路來執行輸入
感測的方法的流程圖。

圖7是按照本發明的實施例、使用圖5的感測電路來執行輸入
感測的方法的流程圖。

為了便于理解,相同的參考標號在可能的情況下用于表示附圖
共同的相同元件。考慮到一個實施例中公開的元素可有利地用于其他
實施例而無需具體說明。

具體實施方式

以下詳細描述實際上只是示范性的,而不是要限制本發明或者
本發明的應用和使用。此外,并不是意在通過前面的技術領域、背景、
概述或者以下詳細描述中提供的任何明確表達或暗示的理論進行限
制。

本發明的各個實施例一般提供用于使用電壓控制電流源(VCCS)
來傳送、接收和/或處理輸入感測信號的方法和系統。使用VCCS來執
行輸入感測允許處理系統的尺寸被減小。例如,代替在處理系統中使
用大電容器和/或電阻器,VCCS可以以靈活的方式實現,以傳送、接
收和/或處理各種類型的輸入感測信號。相應地,處理系統的總尺寸可
減小。

現在來看附圖,圖1是按照本發明的實施例的示范輸入裝置100
的框圖。輸入裝置100可配置成向電子系統(未示出)提供輸入。如本
文檔所使用的術語“電子系統”或(或“電子裝置”)廣義地表示能夠電子
地處理信息的任何系統。電子系統的一些非限制性示例包括所有尺寸
和形狀的個人計算機,例如臺式計算機、膝上型計算機、上網本計算
機、平板、萬維網瀏覽器、電子書閱讀器和個人數字助理(PDA)。電
子系統的附加示例包括合成輸入裝置,例如包括輸入裝置100和獨立
操縱桿或按鍵開關的物理鍵盤。其他示范電子系統包括諸如數據輸入
裝置(包括遙控和鼠標)和數據輸出裝置(包括顯示屏幕和打印機)之類
的外圍設備。其他示例包括遠程終端、信息亭和視頻游戲機(例如視頻
游戲控制臺、便攜游戲裝置等)。其他示例包括通信裝置(包括蜂窩電
話、例如智能電話)和媒體裝置(包括記錄器、編輯器和播放器、例如
電視機、機頂盒、音樂播放器、數碼相框和數碼相機)。另外,電子系
統可以是對于輸入裝置的主機或從機。

輸入裝置100能夠實現為電子系統的物理部分,或者能夠與電
子系統在物理上分隔。適當地,輸入裝置100可使用下列的任一個或
多個與電子系統的部分進行通信:總線、網絡以及其他有線或無線互
連(包括串行和/或并行連接)。示例包括I2C、SPI、PS/2、通用串行總
線(USB)、藍牙、RF和IRDA。

在圖1所示的實施例中,輸入裝置100示為接近傳感器裝置(又
常常稱作“觸摸板”或“觸摸傳感器裝置”),其配置成感測由一個或多個
輸入物體140在感測區120中提供的輸入。輸入物體140的示例包括
手指和觸控筆,如圖1所示。

感測區120包含輸入裝置100之上、周圍、之中和/或附近的任
何空間,其中輸入裝置100能夠檢測用戶輸入(例如由一個或多個輸入
物體140所提供的用戶輸入)。特定感測區的尺寸、形狀和位置可從實
施例到實施例發生很大的改變。在一些實施例中,感測區120沿一個
或多個方向從輸入裝置100的表面延伸到空間中,直到信噪比充分地
阻止準確的物體檢測。在各個實施例中,這個感測區120沿特定方向
所延伸的距離可以是大約小于一毫米、數毫米、數厘米或者以上,并
且可隨所使用的感測技術的類型和預期的精度而極大地改變。因此,
一些實施例感測輸入,其包括沒有與輸入裝置100的任何表面相接觸、
與輸入裝置100的輸入表面(例如觸摸表面)相接觸、與耦合某個量的
所施加力或壓力的輸入裝置100的輸入表面相接觸和/或它們的組合。
在各個實施例中,可由傳感器電極所在的殼體的表面、由施加在傳感
器電極或者任何殼體之上的面板等,來提供輸入表面。在一些實施例
中,感測區120在投射到輸入裝置100的輸入表面時具有矩形形狀。
面板(例如LCD透鏡)可為輸入物體提供有用的接觸表面。

輸入裝置100可利用傳感器組件和感測技術的任何組合來檢測
感測區120中的用戶輸入。輸入裝置100包括用于檢測用戶輸入的一
個或多個感測元件。一些實現配置成提供跨越一維、二維、三維或更
高維的空間的圖像。一些實現配置成提供沿特定軸或平面的輸入的投
影。光標、菜單、列表和項目可作為圖形用戶界面的部分來顯示,并
且可縮放、定位、選擇、滾動或移動。

在輸入裝置100的一些電容實現中,施加電壓或電流以創建電
場。附近的輸入物體引起電場的變化,并且產生電容耦合的可檢測變
化,其可作為電壓、電流等的變化來檢測。

一些電容實現利用電容感測元件的陣列或者其他規則或不規則
圖案來創建電場。在一些電容實現中,獨立感測元件可歐姆地短接在
一起,以便形成較大的傳感器電極。一些電容實現利用電阻片,其可
以是電阻均勻的。

一些電容實現利用基于傳感器電極與輸入物體之間的電容耦合
的變化的“自電容”或(或“絕對電容”)感測方法。在各個實施例中,傳
感器電極附近的輸入物體改變傳感器電極附近的電場,從而改變所測
量電容耦合。在一些實現中,絕對電容感測方法通過相對參考電壓(例
如系統地)來調制傳感器電極以及通過檢測傳感器電極與輸入物體之
間的電容耦合進行操作。

一些電容實現利用基于傳感器電極之間的電容耦合的變化的
“互電容”(或“跨電容”)感測方法。在各個實施例中,傳感器電極附近
的輸入物體改變傳感器電極之間的電場,從而改變所測量電容耦合。
在一個實現中,跨電容感測方法通過下列步驟進行操作:檢測一個或
多個發射器傳感器電極(又稱作“發射器電極”或“發射器”)與一個或多
個接收器傳感器電極(又稱作“接收器電極”或“接收器”)之間的電容耦
合。發射器傳感器電極可相對于參考電壓(例如系統地)來調制,以傳
送發射器信號。接收器傳感器電極可相對于參考電壓基本上保持為恒
定,以促進所產生信號的接收。在其他實施例中,接收器傳感器電極
可在接收所產生信號的同時來調制。所產生信號可包括與一個或多個
發射器信號和/或與一個或多個環境干擾源(例如其他電磁信號)對應
的(一個或多個)影響。傳感器電極可以是專用發射器或接收器,或者
可配置成既傳送又接收。另外,傳感器電極可配置成在不同時間周期
期間執行絕對電容感測和/或跨電容感測,或者傳感器電極可配置成在
(一個或多個)相同時間周期期間同時執行絕對電容感測和跨電容感
測。

圖1中,處理系統110示為輸入裝置100的一部分。處理系統
110配置成操作輸入裝置100的硬件,以檢測感測區120中的輸入。
處理系統110包括一個或多個集成電路(IC)的部分或全部和/或其他電
路組件。在一些實施例中,處理系統110包括感測電路,其可包括驅
動器電路和/或接收器電路。例如,互電容傳感器裝置的處理系統110
可包括:驅動器電路,配置成將輸入感測信號驅動到發射器電極上;
和/或接收器電路,配置成采用接收器電極來接收信號。在其他實施例
中,同一感測電路用來既將輸入感測信號驅動到感測元件150上,并
且采用感測元件150來接收所產生信號。另外,處理系統110還可包
括電子可讀指令,例如固件代碼、軟件代碼和/或其它類似物。

在一些實施例中,處理系統110中包含的組件定位在一起,例
如輸入裝置100的感測元件150附近。在其他實施例中,處理系統110
的組件在物理上是獨立的,其中一個或多個組件位于靠近輸入裝置
100的感測元件150,而一個或多個組件位于其他位置。例如,輸入
裝置100可以是耦合到臺式計算機的外設,并且處理系統110可包括
配置成運行于臺式計算機的中央處理器上的軟件以及與中央處理器
分隔的一個或多個IC(也許具有關聯固件)。作為另一個示例,輸入裝
置100可在物理上集成到電話中,并且處理系統110可包括作為電話
的主處理器的一部分的電路和固件。在一些實施例中,處理系統110
專用于實現輸入裝置100。在其他實施例中,處理系統110還執行其
他功能,例如操作顯示屏幕、驅動觸覺致動器等。

處理系統110可實現為操控處理系統110的不同功能的一組模
塊。各模塊可包括作為處理系統110的一部分的電路、固件、軟件或
者它們的組合。在各個實施例中,可使用模塊的不同組合。示例模塊
包括:硬件操作模塊,用于操作諸如傳感器電極和顯示屏幕之類的硬
件;數據處理模塊,用于處理諸如傳感器信號和位置信息之類的數據;
以及報告模塊,用于報告信息。其他示例模塊包括:傳感器操作模塊,
配置成操作感測元件150以檢測輸入;識別模塊,配置成識別例如模
式變更手勢等的手勢;以及模式變更模塊,用于變更操作模式。

在一些實施例中,處理系統110直接通過使一個或多個動作被
執行,來響應感測區120中的用戶輸入(或者沒有用戶輸入)。示例動
作包括變更操作模式以及諸如光標移動、選擇、菜單導航和其他功能
之類的GUI動作。在一些實施例中,處理系統110向電子系統的某個
部分(例如向電子系統中與處理系統110分離的中央處理系統,若這種
獨立中央處理系統存在的話)提供與輸入(或者沒有輸入)有關的信息。
在一些實施例中,電子系統的某個部分處理從處理系統110所接收的
信息,以便對用戶輸入起作用,例如促進全系列的動作,包括模式變
更動作和GUI動作。

例如,在一些實施例中,處理系統110操作輸入裝置100的感
測元件150,以便產生指示感測區120中的輸入(或者沒有輸入)的電
信號。處理系統110可在產生提供給電子系統的信息中對電信號執行
任何適當量的處理。例如,處理系統110可數字化從傳感器電極所得
到的模擬電信號。作為另一個示例,處理系統110可執行濾波或者其
他信號調節。作為又一個示例,處理系統110可減去或者以其他方式
考慮基準,使得信息反映電信號與基準之間的差。在附加示例中,處
理系統110可確定位置信息,將輸入識別為命令,識別筆跡等。

如本文所使用的術語“位置信息”廣義地包含絕對位置、相對位
置、速度、加速度和其他類型的空間信息。示范“零維”位置信息包括
近/遠或接觸/無接觸信息。示范“一維”位置信息包括沿軸的位置。示
范“二維”位置信息包括平面中的運動。示范“三維”位置信息包括空間
中的瞬時或平均速度。其他示例包括空間信息的其他表示。還可確定
和/或存儲與一種或多種類型的位置信息有關的歷史數據,包括例如隨
時間來跟蹤位置、運動或者瞬時速度的歷史數據。

在一些實施例中,輸入裝置100采用由處理系統110或者由另
外某種處理系統所操作的附加輸入組件來實現。這些附加輸入組件可
提供用于感測區120中的輸入的冗余功能性或者某種其他功能性。圖
1示出感測區120附近的按鈕130,其能夠用來促進使用輸入裝置100
對項目的選擇。其他類型的附加輸入組件包括滑塊、球、輪、開關等。
相反,在一些實施例中,輸入裝置100可以在沒有其他輸入組件的情
況下實現。

在一些實施例中,輸入裝置100包括觸摸屏界面,并且感測區
120重疊顯示屏幕的有效區的至少一部分。例如,輸入裝置100可包
括覆蓋顯示屏幕、基本上透明的傳感器電極,并且提供用于關聯電子
系統的觸摸屏界面。顯示屏幕可以是能夠向用戶顯示可視界面的任何
類型的動態顯示器,并且可包括任何類型的發光二極管(LED)、有機
LED(OLED)、陰極射線管(CRT)、液晶顯示器(LCD)、等離子體、電
致發光(EL)或者其他顯示技術。輸入裝置100和顯示屏幕可共享物理
元件。例如,一些實施例可將相同電組件的一部分用于顯示和感測。
作為另一個示例,顯示屏幕可部分或全部由處理系統110來操作。

應當理解,雖然在全功能設備的上下文中描述本發明的許多實
施例,但是本發明的機制能夠作為各種形式的程序產品(例如軟件)來
分配。例如,本發明的機制可作為電子處理器可讀的信息承載介質上
的軟件程序來實現和分配(例如,處理系統110可讀的非暫時計算機可
讀和/或可記錄/可寫信息承載介質)。另外,本發明的實施例同樣適用,
而與用于執行分配的介質的特定類型無關。非暫時的電子可讀介質的
示例包括各種光盤、存儲棒、存儲卡、存儲模塊等。電子可讀介質可
基于閃速、光、磁、全息或者任何其他存儲技術。

圖2是按照本發明的實施例、圖1的輸入裝置100的局部示意
平面圖。輸入裝置100包括感測元件陣列150和處理系統110。感測
元件陣列150包括傳感器電極,例如多個發射器電極210(例如210-1、
210-2、210-3等)和多個接收器電極220(例如220-1、220-2、220-3等)。
雖然發射器電極210和接收器電極220示為矩形,但是在其他實施例
中,發射器電極210和接收器電極220可以是任何實用幾何形狀。處
理系統110例如通過一個或多個布線跡線(圖2中未示出)耦合到感測
元件陣列150。

感測元件150可在顯示裝置160外部的襯底上形成。例如,接
收器電極220可在輸入裝置100的透鏡的外表面上設置在顯示裝置
160的濾色器玻璃與輸入裝置100的透鏡之間或者薄膜晶體管襯底
(TFT襯底)與顯示裝置160的濾色器玻璃之間。在其他實施例中,發
射器電極210和/或接收器電極220包括一個或多個公共電極,其用來
執行輸入感測以及更新顯示裝置160。

雖然處理系統110在圖2中示為體現為單個集成電路(IC)(例如
集成控制器),但是輸入裝置100可包括任何適當數量的IC。例如,
處理系統110的功能可在一個以上IC中實現,以驅動輸入感測信號(例
如經由驅動器電路)和/或采用感測元件陣列150來接收所產生信號(例
如經由接收器電路)。在一些實施例中,處理系統110包括確定模塊
250,其接收所產生信號(例如經由接收器電路),并且基于所產生信號
來確定輸入物體140的存在。例如,在一些實施例中,確定模塊250
基于接收器電路所接收的電壓、電流、電荷等,來確定與一個或多個
感測元件150關聯的電容測量。另外,處理系統110可配置成(例如經
由驅動器電路)將調制信號驅動到至少一個感測元件150上,以檢測至
少一個傳感器電極與輸入物體140之間的絕對電容的變化。

在一些實施例中,處理系統110的一個或多個IC可實現成控制
顯示裝置160元件。例如,一個IC可配置成執行輸入感測,而另一
個IC可配置成執行顯示更新。在一些實施例中,一個IC可配置成操
作發射器電極210,而另一個IC可配置成操作接收器電極220。在存
在一個以上IC的實施例中,處理系統110的獨立IC之間的通信可通
過同步機構(其對提供給公共電極的信號進行定序)來實現。備選地,
該同步機構對于IC的任一個可以是內部的。

發射器電極210和接收器電極220通過一個或多個絕緣體(其將
發射器電極210與接收器電極220分隔并且防止相互電短接)相互歐姆
地隔離。電絕緣材料在電極相交的跨接區分隔發射器電極210和接收
器電極220。在一種這樣的配置中,發射器電極210和/或接收器電極
220采用連接同一電極的不同部分的跳線來形成。在其他配置中,發
射器電極210和接收器電極220通過一層或多層電絕緣材料或者通過
一個或多個襯底來分隔,如下面更詳細描述。在又一些配置中,發射
器電極210和接收器電極220可選地設置在輸入裝置100的單層上。
相應地,在這類實施例中,沒有跨接區域可存在于發射器電極210與
接收器電極220之間。

發射器電極210與接收器電極220之間的局部電容耦合的區域
可稱作“電容像素”。發射器電極210與接收器電極220之間的電容耦
合隨著與發射器電極210和接收器電極220關聯的感測區120中的輸
入物體的接近和運動而變化。在其他實施例、例如包括矩陣傳感器的
實施例中,術語“電容像素”可表示感測元件150與輸入物體140之間
的局部電容(例如絕對電容)。

在一些實施例中,“掃描”傳感器圖案以確定這些電容耦合。也
就是說,驅動發射器電極210以傳送發射器信號。可操作發射器以使
得一次一個發射器電極210進行傳送,或者多個發射器電極210同時進
行傳送。在多個發射器電極210同時進行傳送的情況下,這多個發射
器電極210可傳送相同的發射器信號,并且實際上產生實際上更大的
發射器電極210,或者這多個發射器電極210可傳送不同的發射器信
號。例如,多個發射器電極210可按照使它們對接收器電極220的所產
生信號的組合影響能夠被單獨確定的一個或多個編碼方案來傳送不
同的發射器信號。相應地,在實現矩陣感測技術的實施例中,可掃描
感測元件150,以感測電極上的絕對電容的變化。

可單一或者多樣地操作接收器電極220以獲取所產生信號。所產
生信號可用來確定電容像素處的電容耦合的測量。

來自電容像素的一組測量形成“電容圖像”(又稱作“電容幀”),其
表示像素處的電容耦合。可對多個時間周期來獲取多個電容圖像,以
及它們之間的差用來得出與感測區120中的輸入有關的信息。例如,
對連續時間周期所獲取的連續電容圖像能夠用來跟蹤進入、離開感測
區120以及在感測區120中的一個或多個輸入物體140的(一個或多個)
運動。

如上所述,處理系統110可包括耦合到傳感器電極的感測電路。
在一些實施例中,獨立感測電路可耦合到各傳感器電極。在其他實施
例中,傳感器電極可編組為包括任何數量的傳感器電極(例如每電極集
合2、4、8、16、32等個傳感器電極)的電極集合,并且獨立感測電路
可耦合到各電極集合。因此,處理系統110可包括數十、數百、數千
等個獨立感測電路。

通常,處理系統中包含的感測電路實現較大組件,例如大電容
器和/或電阻器。例如,在包括32個獨立感測電路—各耦合到一個或
多個傳感器電極—的處理系統中,各感測電路可包括大約為30皮法
(pF)的電容器。因此,由所有感測電路所要求的總表面積會相當大。

相應地,為了減小處理系統110中包含的感測電路(例如驅動器
電路和/或接收器電路)的尺寸要求,感測電路中的一個或多個組件可
采用電壓控制電流源(VCCS)來取代。采用VCCS取代一個或多個感測
電路組件可允許處理系統110的表面積減小,同時仍然使輸入感測信
號能夠由處理系統110準確地傳送、接收和/或處理。下面結合圖3-7
更詳細描述這類技術。

用于電容感測的電流反饋技術

圖3是按照本發明的實施例、圖1的處理系統110中包含的感測電
路310的局部示意圖。感測電路310可包括運算放大器320、第一電壓
控制電流源(VCCS)330、第二VCCS335、電壓源340以及具有已知電
容值的已知電容器350。感測電路310可耦合到具有未知電容值的未知
電容器355。在一些實施例中,未知電容器355可包括傳感器電極(例如
發射器電極210或接收器電極220)或者一組傳感器電極。運算放大器
320包括反相輸入322、同相輸入324和輸出326。

如所示,第一VCCS330耦合在運算放大器320的輸出326與運算
放大器320的反相輸入322之間,以形成反饋通路332。第二VCCS335
耦合在運算放大器320的輸出326與已知電容器350之間。電壓源340耦
合到運算放大器320的同相輸入324。

在感測電路310的操作期間,輸入電壓由電壓源340施加到同相
輸入324,從而在運算放大器320的輸出326產生控制電壓VC。運算放
大器320的輸出326處的控制電壓VC則使第一VCCS330生成電流,其
修改未知電容器355所儲存的電荷。類似地,運算放大器320的輸出326
處的控制電壓VC使第二VCCS335生成電流,其修改已知電容器350
所儲存的電荷。

在各個實施例中,給定控制電壓VC下的第一VCCS330的輸出
處的電流與那個相同控制電壓VC下的第二VCCS335的輸出處的電流
之間存在已知關系。相應地,通過監測已知電容器350兩端的電壓VO
的變化,能夠確定傳遞給未知電容器355或者從未知電容器355接收的
電荷量。相應地,運算放大器320將通過修改控制電壓VC來響應未知
電容器355所儲存的電荷量的變化。然后,響應控制電壓VC的變化,
第二VCCS335可向已知電容器350添加電荷或者從已知電容器350去
除電荷。因此,由未知電容器355所儲存的電荷量的變化能夠基于已
知電容器350兩端的電壓VO的變化來確定。

在一些實施例中,縮放因子K用來建立第一VCCS330的電壓/
電流行為與第二VCCS335的電壓/電流行為之間的關系。例如,第二
VCCS335可設計成產生由第一VCCS330在給定電壓下產生的電流的
已知分數(例如1/2、1/4、1/10等)。通過將感測電路310設計成使得第
二VCCS335在給定電壓下產生比第一VCCS330要小的電流,可使用
較小已知電容器350,從而減小感測電路310的總尺寸。也就是說,當
第二VCCS335設計成在給定電壓下產生比第一VCCS330要小的電
流時,已知電容器350不需要具有與未知電容器相同的電容。相反,
為了確定未知電容器355的電容,可將縮放因子K應用于已知電容器
350兩端的電壓VO。但是,在其他實施例中,第一VCCS330和第二
VCCS335可具有基本上相同的電壓/電流特性,從而使未知電容器355
的特性能夠直接從已知電容器350的特性來推斷,而無需應用縮放因
子。

作為對使用縮放因子K來補償第一VCCS330與第二VCCS335
之間的差的補充或替代,第二VCCS335可使用電荷消除技術和/或偏
置技術,以便允許已知電容350的尺寸被減小。例如,由第二VCCS335
所使用的電荷消除技術可在滿足某些條件時從已知電容器350去除固
定電荷量。可使用的一種類型的電荷消除技術是粗基準校正(CBC)。
為了執行CBC,可調電容器的一側可耦合到各感測電路的輸入(例如
V-和V-’),而可調電容器的另一側采用電壓源來驅動。因此,可調電
容器可消除等于電壓源的ΔV乘以可調電容器的電容的電荷量。在一
些實施例中,CBC可通過采用電壓源生成方波來執行。方波可具有極
性,其與被傳送給傳感器電極的輸入感測信號的極性相反。

另外,可使用的一種類型的電荷減法技術是電流傳送體(CC)。
CC包括參考電容器和電壓源。CC測量由電壓源輸送到參考電容器的
電荷量,將該電荷量與因子(例如2、5、10等)相乘,并且然后將相乘
電荷輸送到未知電容(例如未知電容器355)。相應地,在上述技術的任
一種中,已知電容器(例如已知電容器350)上的電荷將是將反相輸入
(例如反相輸入322)處的電壓偏移到同相輸入(例如同相輸入324)處的
電壓所需要的電荷量與被消除、偏置、減去等的電荷量之間的差。因
此,可跟蹤向/從未知電容器355所傳遞的電荷量,同時允許已知電容
器350的尺寸被減小。

在各個實施例中,未知電容器355的電容可使用等式1-4來確定,
其中Qunknown是未知電容器355上的電荷,Cunknown是未知電容器355上
的電容,V-是施加到未知電容器355的電壓,Qknown是已知電容器350
上的電荷,Cknown是已知電容器350上的電容,VO是施加到已知電容
器350的電壓,以及K是縮放因子。

Qunknown=CunknownV-(等式1)

Qknown=KQunknown(等式2)

V O = Q k n o w n C k n o w n ]]>(等式3)

C u n k n o w n = C k n o w n V O V _ / K ]]>(等式4)

如上所述,未知電容器355可包括一個或多個傳感器電極。例如,
在絕對電容感測配置中,一個或多個傳感器電極耦合到感測電路310
的反相輸入322和第一VCCS330,以及電壓源340配置成將輸入感測
信號(例如方波、正弦電壓、恒定電壓等)驅動到運算放大器320的同相
輸入324。作為響應,運算放大器320輸出控制電壓VC,從而使第一
VCCS330向(一個或多個)傳感器電極添加電荷和/或從(一個或多個)
傳感器電極去除電荷。另外,輸出控制電壓VC使第二VCCS335向已
知電容器350添加電荷和/或從已知電容器350去除電荷。此外,未知電
容器355的變化可通過使用上述等式4跟蹤已知電容器350兩端的電壓
VO來檢測。相應地,通過跟蹤向已知電容器350所添加和/或從已知電
容器350所去除的電荷量,可確定(一個或多個)傳感器電極的電容的變
化(例如,因輸入物體140的存在或者不存在引起)。

因此,將第一VCCS330包含在感測電路310的反饋通路332中使
感測電路310的尺寸被減小,同時仍然使感測電路310能夠準確地確定
向/從未知電容器所傳遞/接收的電荷量。下面描述利用VCCS來執行
輸入感測的附加技術。

圖4是按照本發明的實施例、圖3的感測電路310配置用于跨電容
感測的局部示意圖。如所示,感測電路310可耦合到配置用于跨電容
感測的未知電容455。例如,在一些實施例中,運算放大器的反相輸
入322電耦合到一個或多個傳感器電極(例如一個或多個接收器電極),
以及一個或多個傳感器電極電容地耦合到輸入裝置100中包含的一個
或多個發射器電極210。

當采用感測電路310來執行跨電容感測時,耦合到同相輸入324
的電壓源340可保持在基本上恒定的電壓。然后,當從一個或多個發
射器電極210接收輸入感測信號的同時,反相輸入322處的電壓V-的變
化使第二VCCS335修改已知電容器350上的電荷。未知電容455的變
化(例如因輸入感測信號和/或因輸入物體140的存在或者不存在引起)
則可例如使用上述等式4、基于已知電容器350兩端的電壓VO來確定。

圖5是按照本發明的實施例、包括配置成執行跨電容感測和/或絕
對電容感測的兩個感測電路310的處理系統110的局部示意圖。在一些
實施例中,感測電路310-1耦合到一個或多個第一傳感器電極,以及感
測電路310-2耦合到一個或多個第二傳感器電極。因此,第一未知電容
器355-1可對應于(一個或多個)第一傳感器電極的絕對電容,以及第二
未知電容器355-2可對應于(一個或多個)第二傳感器電極的絕對電容。
另外,第三未知電容器555可對應于(一個或多個)第一傳感器電極與
(一個或多個)第二傳感器電極之間的電容耦合。

當執行跨電容感測時,(一個或多個)第一傳感器電極可作為(一
個或多個)發射器電極210來操作,以及(一個或多個)第二傳感器電極
可作為(一個或多個)接收器電極220來操作。在這類實施例中,感測電
路310-2中包含的電壓源340-2可將恒定電壓施加到運算放大器320-2
的同相輸入。相應地,因為V-'保持在基本上恒定的電壓,所以基本
上將沒有電流流經第二未知電容器355-2。然后,感測電路310-1中包
含的電壓源340-1可將電壓(例如方波、正弦電壓等)施加到運算放大器
320-1的同相輸入,從而使輸入感測信號被驅動到(一個或多個)發射器
電極210上。驅動到(一個或多個)發射器電極210上的總電流量(ITX)可
由感測電路310-1基于已知電容器350-1兩端的電壓VO來確定(例如經
由確定模塊250)。另外,當感測電路310-1將輸入感測信號驅動到(一
個或多個)發射器電極上的同時,由(一個或多個)接收器電極220從(一
個或多個)發射器電極210所接收的總電流量(IRX)可基于已知電容器
350-2兩端的電壓VO'來確定。從(一個或多個)發射器電極210驅動到(一
個或多個)接收器電極220的總電流量(IRX)則可用來確定第三未知電容
器555的電容。另外,因為基本上不存在經過第二未知電容器355-2的
電流(當V-'保持在基本上恒定的電壓時),所以由第一未知電容器355-1
所接收的電流量(ICTX)可通過從驅動到(一個或多個)發射器電極210的
總電流量(ITX)中減去(一個或多個)接收器電極220所接收的總電流量
(IRX)來確定,如下等式5所示。

ICTX=ITX-IRX(等式5)

在相同或其他實施例中,可操作感測電路310-2中包含的電壓源
340-2以將輸入感測信號驅動到(一個或多個)第二傳感器電極上,同時
感測電路310-1中包含的電壓源340-1將基本上恒定的電壓施加到運算
放大器320-1的同相輸入上。也就是說,(一個或多個)第一傳感器電極
和(一個或多個)第二傳感器電極的角色可反轉,使得(一個或多個)第一
傳感器電極作為(一個或多個)接收器電極220來操作,而(一個或多個)
第二傳感器電極作為(一個或多個)發射器電極210來操作。第二未知電
容器355-2的絕對電容則可使用等式5從傳送給(一個或多個)第二傳感
器電極的總電流量中減去(一個或多個)第一傳感器電極所接收的電流
量來確定。因此,可在不同時間周期期間操作(一個或多個)第一傳感
器電極和(一個或多個)第二傳感器電極的每個用于絕對感測。另外,
在(一個或多個)第一傳感器電極或(一個或多個)第二傳感器電極的任
一個被操作以進行絕對感測的同時,可獲取(例如未知電容器555的)
跨電容測量。

相應地,可操作感測電路310-1和310-2,以使用(一個或多個)第
一傳感器電極和(一個或多個)第二傳感器電極其中之一或兩者、結合
絕對電容感測來執行跨電容感測。為了確保(一個或多個)第一傳感器
電極和(一個或多個)第二傳感器電極的每個的絕對電容(例如分別為
第一未知電容355-1和第二未知電容355-2)能夠與其他未知電容(例如
第三未知電容555)有效地隔離,可在非重疊時間周期期間操作(一個或
多個)第一傳感器電極和(一個或多個)第二傳感器電極,以進行絕對感
測。例如,(一個或多個)第一傳感器電極和(一個或多個)第二傳感器電
極的角色(例如發射器電極210的角色和接收器電極220的角色)在各感
測循環之后、在多個感測循環之后或者基于某種其它輸入感測模式來
反轉。

圖6是按照本發明的實施例、使用圖3的感測電路310來執行輸入
感測的方法600的流程圖。雖然方法600結合圖1-5來描述,但是本領域
的技術人員將會理解,配置成按照任何適當順序來執行該方法的任何
系統均落入本發明的范圍之內。

方法600開始于步驟610,其中,電壓源340將輸入電壓驅動到
運算放大器的同相輸入324上。如上所述,第一VCCS330耦合在運
算放大器320的輸出326與運算放大器320的反相輸入322之間,以
形成反饋通路332。隨后,在步驟620,運算放大器320的輸出326
處的控制電壓VC使第一VCCS330將輸入感測信號驅動到與運算放
大器320的反相輸入322耦合的一個或多個傳感器電極上。

在步驟630,第二VCCS335基于運算放大器的輸出326處的控
制電壓VC來修改已知電容器350上的電荷。然后,在步驟640,確定
模塊250基于已知電容器350上的電荷來確定與一個或多個傳感器電
極關聯的電容測量。例如,一個或多個傳感器電極的電容可基于已知
電容器350兩端的電壓VO來確定。

圖7是按照本發明的實施例、使用圖5的感測電路310-1、310-2
來執行輸入感測的方法700的流程圖。雖然方法700結合圖1-5來描述,
但是本領域的技術人員將會理解,配置成按照任何適當順序來執行該
方法的任何系統均落入本發明的范圍之內。

方法700開始于步驟710,其中,感測電路310-1的電壓源340-1
將輸入電壓驅動到運算放大器320-1的同相輸入上。在步驟712,感
測電路310-2的電壓源340-2將基本上恒定的電壓施加到運算放大器
320-2的同相輸入。隨后,在步驟720,運算放大器320-1的輸出326
處的控制電壓VC使VCCS330-1將輸入感測信號驅動到(一個或多個)
第一傳感器電極上。在步驟722,(一個或多個)第二傳感器電極例如
經由(一個或多個)第一傳感器電極與(一個或多個)第二傳感器電極之
間的跨電容耦合來接收來自(一個或多個)第一傳感器電極的電荷。

在步驟730,VCCS335-1基于運算放大器320-1的輸出處的控
制電壓VC來修改第一已知電容器350-1上的電荷。在步驟732,VCCS
335-2基于運算放大器320-2的輸出處的控制電壓VC'來修改第二已知
電容器350-2上的電荷。然后,在步驟740,確定模塊250確定(一個
或多個)第一傳感器電極的絕對電容和/或(一個或多個)第一傳感器電
極與(一個或多個)第二傳感器電極之間的跨電容。絕對電容和跨電容
可例如基于上述等式4和5來確定。然后,在步驟750,切換(一個或
多個)第一傳感器電極和(一個或多個)第二傳感器電極的角色,使得(一
個或多個)第一傳感器電極作為(一個或多個)接收器電極220來操作,
而(一個或多個)第二傳感器電極作為(一個或多個)發射器電極210來
操作。

相應地,在步驟760,感測電路310-2的電壓源340-2將輸入電
壓施加到運算放大器320-2的同相輸入。在步驟762,感測電路310-1
的電壓源340-1將基本上恒定的電壓施加到運算放大器320-1的同相
輸入。隨后,在步驟770,運算放大器320-2的輸出處的控制電壓VC'
使VCCS330-2將輸入感測信號驅動到(一個或多個)第二傳感器電極
上。在步驟772,(一個或多個)第一傳感器電極例如經由(一個或多個)
第一傳感器電極與(一個或多個)第二傳感器電極之間的跨電容耦合來
接收來自(一個或多個)第二傳感器電極的電荷。

在步驟780,VCCS335-2基于運算放大器320-2的輸出處的控
制電壓VC'來修改第二已知電容器350-2上的電荷。在步驟782,VCCS
335-1基于運算放大器320-1的輸出處的控制電壓VC來修改第一已知
電容器350-1上的電荷。然后,在步驟790,確定模塊250例如基于
上述等式4和5來確定(一個或多個)第二傳感器電極的絕對電容和/或
(一個或多個)第一傳感器電極與(一個或多個)第二傳感器電極之間的
跨電容。然后,可再次切換(一個或多個)第一傳感器電極和(一個或多
個)第二傳感器電極的角色,以及方法700可返回到步驟710。

在一些實施例中,步驟710和步驟712在基本上相同的時間來
執行,以及步驟720和步驟722在基本上相同的時間來執行。另外,
在一些實施例中,步驟760和步驟762在基本上相同的時間來執行,
以及步驟770和步驟772在基本上相同的時間來執行。

因此,提供本文中提出的實施例和示例,以便最好地說明本發
明及其特定應用,并且由此使本領域的技術人員能夠實施和使用本發
明。但是,本領域的技術人員將會知道,僅為了便于說明和舉例而提
供以上描述和示例。所提出的描述不是意在涵蓋本發明的各個方面或
者將本發明局限于所公開的精確形式。

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