专利名称：：二维位置传感器的制作方法
技术领域：
：本发明涉及2维位置传感器。更明确地说，本发明涉及基于电容性接近感测技术的类型的2维位置传感器。此些传感器可被称为2维电容性换能(2DCT)传感器。2DCT传感器是基于检测由于指向物体的接近而导致的传感器电极与接地或另一电极的电容性耦合中的扰动。所述扰动的测得位置对应于所述指向物体的测得位置。
背景技术：
：2DCT传感器通常由人的手指或铁笔激活。实例装置包含触摸屏和对触摸敏感的键盘/小键盘，其例如用于控制消费型电子装置/家庭用具，且可能结合下伏显示器，例如液晶显示器(LCD)或阴极射线管(CRT)。可并入有2DCT传感器的其它装置包含(例如)用于反馈控制用途的机器中所使用的笔控输入写字板(pen-i叩uttablet)和编码器。2DCT传感器至少能够借助于电容感测机制来报告与物体或人体部位的位置有关的2维坐标、笛卡儿坐标或其它坐标。使用2DCT传感器的装置已变得越来越普及和常见，不仅是结合个人计算机，而且结合各种各样的其它用具，例如个人数字助理(PDA)、销售点(POS)终端、电子信息和售票信息查询机、厨房用具等。2DCT传感器通常因许多原因而比机械开关优选。举例来说，2DCT传感器不需要移动的零件，且因此与其对应的机械装置相比不易磨损。2DCT传感器还可以相对较小的大小制作，以便可提供对应地较小且紧密封装的小键盘阵列。此外，2DCT传感器可提供在环境密封的外表面/覆盖面板的下方。这使得2DCT传感器在潮湿环境或有污物或流体进入正被控制的装置的危险的地方的使用具有吸引力。此外，制造商通常更喜欢在其产品中使用基于2DCT传感器的接口，因为此些接口通常被消费者视为在美学上比常规机械输入机构(例如按钮)更能令人愉悦。US5,730,165描述一种电容性感测装置，其依靠测量感测电极到系统参考电位(接地)的电容。US5,730,165中所描述的原理利用无源电容性感测技术。US5，730，165的内容以全文引用的方式并入本文中，作为本发明的背景资料。总地来说，无源电容性传感器使用耦合到电容测量电路的感测电极。每一电容测量电路测量其相关联感测电极到系统接地的电容(电容性耦合)。当所述感测电极附近不存在指向物体时，测得电容具有背景/静态值。此值取决于感测电极和通往所述感测电极的连接导线等等的几何形状和4布局，以及相邻物体的性质和位置(例如感测电极对附近接地平面的接近)。当指向物体(例如用户的手指)靠近感测电极时，指向物体表现为虚拟接地。此用于增加感测电极到接地的测得电容。冈此测得电容的增加被视为指示指向物体的存在。US5,730,165主要针对离散(单按钮)测量，而不是针对2D位置传感器应用。然而，US5,730,165中所描述的原理(例如)通过提供电极以界定离散感测区域的2D阵列或呈矩阵配置的电极的行和列而容易地适用于2DCT传感器。后来作为第11/752,615号美国正规专利申请案(其在2007年12月6日被公布为US2006/0279395)申请的第60/803,510号美国临时专利申请案描述一种包括衬底的2DCT传感器，所述衬底具有由电极图案界定的敏感区域，其中通过无源感测技术感测电极。US6,288,707所描述类型的电容测量电路(如第60/803,510号美国申请案的图5中所示)耦合到感测电极，以用于确定由于用户的手指或其它物体靠近感测电极而导致的电容变化。在US5,730,165和US7,148,704中可找到传感器电路和驱动传感器电路的方法的其它细节。已经发现存在与依靠无源感测技术而操作的2DCT传感器相关联的-些限制。举例来说，无源2DCT传感器对外部接地负载特别敏感。也就是说，此些传感器的敏感性可能由于附近的到达接地的低阻抗连接的存在而显著降低，这可能限制其适用性。举例来说，一些类型的显示屏幕技术在可视屏幕上提供到达接地的低阻抗耦合。这意味着上覆于显示屏幕上的无源2DCT将通常表现欠佳，因为通过屏幕本身到达接地的相对较强的耦合会降低2DCT对由靠近的指向物体导致的到达接地的任何额外耦合的敏感性。类似效应意味着2DCT传感器可能对其环境的变化相对敏感，例如2DCT传感器可能因为到达外部物体的电容性耦合(接地负载)的差异而根据其位置不同地表现。2DCT传感器还对环境条件(例如温度、湿度、积累的污物和溢出流体等)相对敏感。所有这些情况均影响传感器的可靠性和敏感性。此外，与无源2DCT感测相关联的测量电路通常具有高输入阻抗。这使得无源传感器易发生电噪声拾取，例如射频(RF)噪声。此情况可能降低传感器的可靠性/敏感性，且还对传感器设计造成约束(例如，在感测电极与相关联的电路之间使用相对较长的连接导线/迹线的自由受到限制)。本发明的目标是开发一种经改进的2DCT传感器，其解决某些已知2DCT传感器且特别是第60/803，510号美国申请案中描述的依靠无源电容性感测技术的那些2DCT传感器的上文所提及的问题。
发明内容根据本发明的第一方面，提供一种二维位置传感器，其包括衬底，所述衬底具有由电极图案界定的敏感区域，所述电极图案包含驱动电极和感测电极，驱动电极和感测电极大体上在第一方向(在下文中是x方向)上延伸，且在第二方向(在下文中是y方向，其中x和y方向可沿任一激活轴定向，但大体上朝向彼此正交定向)上交错，其中感测电极包括第一、第二和第三群组的元件，其形状经设计以使得第一和第二群组的元件中的邻近元件在敏感区域的一部分上方在x方向上共同延伸，且第二和第三群组的元件中的邻近元件在另一部分上.方在x方向上共同延伸，且其中驱动电极经布置以与感测电极电容性耦合。本发明的2DCT传感器使用有源电容性感测。已发现有源2DCT传感器不易发生上文所提及的与无源2DCT传感器相关联的效应。本发明的有源2DCT传感器是基于测量两个电极之间的电容性耦合，而不是单个感测电极与系统接地之间的电容性耦合。US6,452,514中描述有源电容性感测技术下的原理，US6,452,514的内容以引用的方式并入本文中。在有源型传感器中，一个电极(所谓的驱动电极)被供应有振荡驱动信号。通过测量由振荡驱动信号转移到感测电极的电荷量来确定驱动信号到感测电极的电容性耦合的程度。所转移的电荷的量(即感测电极处所经历的信号的强度)是电极之间的电容性耦合的量度。当电极附近不存在指向物体时，感测电极上的测得信号具有背景/静态值。然而，当指向物体(例如用户的手指)靠近电极(或更明确地说，靠近使电极分离的区附近)时，指向物体充当虚拟接地，且吸收来自驱动电极的驱动信号(电荷)中的一些信号。此举用于降低驱动信号的耦合到感测电极的分量的强度。因此，感测电极上的测得信号的减小被视为指示指向物体的存在。US6,452,514中所描述的有源传感器包括在衬底一侧上在行中延伸的驱动电极以及在衬底另一侧上在列中延伸的感测电极，以便界定NXM个触摸键的阵列。每一键对应于驱动电极与感测电极之间的相交部分。因此，US6，452，514中所描述的键阵列可被称为矩阵式阵列，其具有与给定行中的键相关联的单个驱动电极以及与给定列中的键相关联的单个感测电极。这减少了所需的驱动和感测通道的数目，因为单个驱动通道同时驱动给定行中的所有键，且单个感测通道感测给定列中的所有键。可通过驱动适当的行且感测适当的列来确定不同键的位置处的电极之间的电容性耦合。举例来说，为了确定与行2和列3的相交部分处的键相关联的电极之间的电容性耦合，将驱动信号施加到行2的驱动电极，而与列3的感测电极相关联的感测通道是活动的。来自活动感测通道的输出反映与正研究的键相关联的电极之间的电容性耦合。可通过依次经过驱动与感测通道的不同组合来扫描不同的键。在一种模式下，驱动电极可被循序地驱动，而感测屯极全部被连续地监视。感测电极中的一者(或一者以上)上的信号变化指示指向物体的存在。经历变化的感测电极界定一个维度上的位置，经历改变时正被驱动的驱动电极界定另一维度上的位置。当以集成电路(IC)芯片封装来实施US6,452,514中所描述种类的驱动和感测通道电路时，每一驱动通道需要一个引脚输出，而每一感测通道需要两个引脚输出。因此，对于根据本发明的包括nXm个感测区域的阵列的2DCT传感器来说，矩阵式阵列需要N+2M个引脚输出(或M+2N个引脚输出，视哪些行和列为驱动或感测电极而定)。然而，离散(非矩阵式阵列)需要3NM个引脚输出。电路连接(且尤其是IC芯片实施方案中的引脚输出)无论是在金钱方面还是在实施其所需的物理空间和复杂性方面都是昂贵的。有利的是，本发明的2DCT传感器针对每一驱动通道仅需要一个引脚输出，且针对每一感测通道仅需要两个引脚输出。所述传感器可优选进一步包括控制器，所述控制器包括驱动单元，其用于将驱动信号施加到驱动(D)电极；以及感测单元，其用于测量从感测(S)电极接收到的表示驱动信号在驱动电极与感测电极之间的耦合程度的感测信号。由于感测通道实施起来通常比驱动通道昂贵，所以可提供根据本发明的较便宜的传感器，其可使用以集成芯片实施的控制器，所述传感器比己知的矩阵式无源电容性位置传感器需要较少的引脚输出。所述控制器可优选进一步包括处理单元，其用于根据对通过将驱动信号施加到驱动电极而获得的感测信号的分析来计算相互作用的物体的位置。每一轴上的位置确定可包含内插，以便可确定位置。即，处理单元优选可操作以通过从感测电极群组的共同延伸对获得的感测信号之间的内插来确定x方向上的位置，且通过从施加到驱动电极的不同驱动信号序列获得的感测信号之间的内插来确定y方向上的位置。所述电极可由透明材料制成，例如氧化铟锡(ITO)、OrgaconTM或任何其它合适材料。衬底也可由透明材料制成，例如玻璃或透明的塑料材料，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)(例如帕斯派克斯有机玻璃(Perspex))、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)(例如LexanTM)或环烯烃共聚物(COP)(例如ZeonorTM或Topas)。然而，在一些应用中，情况可能是电极和/或衬底是不透明的(例如不透明塑料上的金属电极)以(例如)形成鼠标垫或轨迹垫。共同延伸的感测电极群组可在其共同延伸的距离上具有互补锥形，以提供比率度量(ratiometric)电容性信号。或者，共同延伸的相应的感测电极群组的元件在其共同延伸的距离上具有不同面积的邻近块，以提供比率度量电容性信号。感测电极可以多种地形形式构造，以便提供共同延伸。举例来说，驱动和感测电极可互相交叉，以便提供所述电容性耦合。在敏感区域上，驱动和感测电极有利地由导电材料形成，所述导电材料不超过实质性小于邻近驱动电极行之间的在y方向上的特性间距(例如小2倍、3倍、4倍、5倍、6倍、7倍、8倍、9倍或10倍)的特征宽度。这使导电材料的量保持较低，同时提供大量电容性耦合，这对噪声降低和信号强度具有益处。在优选实施例中，第一和第三感测电极群组中的至少一者的元件形成在y方向上由通道分离的两个区段，且其中第二感测电极群组的元件通过穿过通道到达敏感区域一侧的导电迹线外部连接到感测单元。这种类型的布置(如果提供的话，还可应用于其它感测电极群组)确保了通往感测电极群组中的内部群组的导电迹线不会在感测电极群组中的外围群组的成对驱动电极与感测电极之间经过。因此避免了原本将发生的其电容性耦合的减小。如果存在通过敏感区域的一侧外部连接到感测单元的至少三个感测电极群组(被称为外围、中间和内部感测电极)，那么内部感测电极的元件通过导电迹线(其在y方向上从所述一侧朝内部感测电极的元件逐渐变宽)外部连接到感测单元的情况是有利的。这减小了到达内部感测电极群组的路径的电阻，且避免了此些群组的敏感性的降低。举例来说，外围和中间感测电极的元件可形成在y方向上分离的两个区段，其中中间感测电极的每一元件的两个区段通过在外围感测电极的两个区段之间经过并到达敏感区域的所述一侧且在其间留下通道的相应导电迹线外部连接到感测单元，且其中内部感测电极的元件通过在形成于外围感测电极和中间感测电极的区段之间经过的通道的导电迹线外部连接到感测单元。感测电极群组中的至少一者的元件在敏感区域的平面内为中空的情况也可能是有利的。这是减少并不显著有助于与驱动电极的电容性耦合的导电材料的一种方式。其它措施也是可能的，例如通过如上文所涉及的具有较小特征宽度的基于线的电极形式的互相交叉和使用。将理解，物体的位置由适当的坐标系界定，最常见的是xy笛卡儿系统，其中坐标是正交的，但它们可处于非正交角度。此外，在下文中，为了方便而分别称为x或水平以及y和垂直，但这并不暗示与真实空间(例如相对于重力方向)的特定对准。根据本发明的第二方面，提供一种并入有根据本发明的第一方面的二维位置传感器的控制面板。根据本发明的第三方面，提供一种具有并入有根据本发明的第一方面的二维位置传感器的控制面板的设备。根据本发明的第四方面，提供一种感测二维位置传感器的敏感区域上的激活位置的方法，所述敏感区域由包含驱动电极和感测电极的电极图案界定，驱动电极和感测电极两者大体上在第一方向(在下文中是x方向)上延伸，且在第二方向(在下文中是y方向)上交错，其中感测电极包括第一、第二和第三元件群组，所述群组的形状经设计以使得第一和第二群组的元件中的邻近元件在敏感区域的一部分上方在X方向上共同延伸，且第二和第三群组的元件中的邻近元件在另一部分上方在x方向上共同延伸，且其中驱动电极经布置以与感测电极电容性耦合，所述方法包括将驱动信号施加到驱动电极；测量从每一感测电极群组接收到的表示驱动信号在驱动电极与每一感测电极群组之间的电容性耦合程度的感测信号；通过从共同延伸的感测电极群组对获得的感测信号之间的内插来确定X方向上的位置；以及通过从施加到驱动电极的不同驱动信号序列获得的感测信号之间的内插来确定y方向上的位置。为了更好地理解本发明，且为了展示可如何实行本发明，现在以举例方式参考附图。图1是根据本发明实施例的位置传感器的前侧的视图。图1A展示图1的驱动电极如何经由驱动通道耦合到传感器的控制器的主驱动单元内的驱动单元。图1B是图1的电极图案的一部分的示意性分解图。图1C示意性地展示可用于测量从驱动电极中的被驱动电极转移到感测电极的电荷的电路。图1D示意性地展示图1C的电路的操作的时序关系。图1E示意性地展示适合与图1的位置传感器一起使用的驱动信号时序。图2到图12展示体现本发明的位置传感器的其它电极图案。图13展示体现本发明的另外其它传感器。图14、图14A和图14B展示传感器装置的另外其它实施例，其中图14展示完整的电极图案，图14A仅展示一行感测电极，且图14B仅展示驱动电极。图15和图15A展示传感器装置的另外其它实施例。图16和图16A展示传感器装置的另外其它实施例。图15到图18展示体现本发明的另外其它传感器。图17展示体现本发明的另外其它传感器。图18展示体现本发明的另外其它传感器。图19示意性地展示并入有根据本发明实施例的传感器的便携式个人计算机。图20示意性地展示并入有根据本发明实施例的传感器的洗衣机。9图21示意性地展示并入有根据本发明实施例的传感器的蜂窝式电话。具体实施例方式图1是根据本发明实施例的位置传感器10的前侧的视图。位置传感器的前侧通常是在所述传感器和并入有所述传感器的设备的正常使用期间面向用户的侧。传感器10包括衬底40,其带有电极图案30,电极图案30界定传感器的敏感区域；以及控制器20。控制器20通过连接件24耦合到电极图案内的电极。电极图案在衬底的一侧上，通常在衬底的与在正常使用期间面向用户的侧相对的侧上。可使用常规技术(例如，光刻、沉积或蚀刻或去活技术)来提供衬底40上的电极图案30。衬底具有介电材料，例如塑料膜，在此情况下为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。包括电极图案的电极具有透明导电材料，在此情况下为氧化铟锡(ITO)。或者，电极可由不透明的导电材料(例如金属，例如铜)形成。可使用合适的压敏粘合剂(PSA)(其可为透明的以允许光透射)将衬底接合到上覆面板(未图示)。因此，传感器的敏感区域整体上是透明的。如果是透明的，那么可在下伏显示器上使用传感器层而不会造成模糊。在其它实施例中，如果传感器层是不透明的，那么其可包括常规印刷电路板或具有铜电极图案的其它衬底，例如以供在移动电话小键盘中使用。控制器20提供以下功能性驱动单元12，其用于将驱动信号供应到电极图案30的多个部分；感测单元14，其用于感测来自电极图案30的其它部分的信号；以及处理单元16，其用于基于针对施加到电极图案的不同部分的驱动信号经历的不同感测信号而计算位置。控制器20因此控制驱动和感测单元的操作，以及处理单元16中对来自感测单元14的响应的处理，以便确定邻近传感器10的物体(例如手指或铁笔)的位置。图l中将驱动单元12、感测单元14和处理单元16示意性地展示为控制器内的单独元件。然而，一般来说，所有这些元件的功能性将由单个集成电路芯片(例如，经合适编程的通用微处理器或现场可编程门阵列或专用集成电路)提供。参看图l，电极52是由在x方向上延伸的纵向条表示的驱动(D)电极。邻近的驱动电极52由三个感测(S)电极群组62、64、66间隔开。图1A展示驱动电极52如何经由驱动通道D卜D2、D3、D4、D5、D6、D7、Ds耦合到传感器的控制器20的主驱动单元内的相应驱动单元DD,、DD2、DD3、DD4、DD5、DD6、DD7、DD8。在此实例中，针对每一驱动通道提供单独的驱动单元，但也可使用具有适当多路复用的单个驱动单元。每一驱动通道将驱动信号供应到三个驱动电极52的群组，但D,或Ds除外，其供应-个驱动电极。驱动电极52每一者通过电阻器70的链或行彼此连接。或者，可使用单个电阻性条带。驱动通道由控制器20控制以将驱动信号施加到相应的电极。三个感测电极群组62、64、66每一者分别经由感测或接收通道S卜S2、S3耦合到控制器20的感测单元14，如图1A中所示。感测通道还受控制器20控制以从相应的感测电极接收信号。图1B是图1的电极图案的一部分的示意性分解图。请注意，每一中央感测电极64经由将邻近侧感测电极66分成由通道分离的两个部分66A和66B的导电迹线或馈通件(feed-through)65连接到外部电路连接件S2。此布置与例如下文在图18中所示的替代布置相比是有利的(图18复制了第60/803,510号共同待决美国专利申请案的图11),因为此布置避免了到在侧感测电极与邻近的驱动电极中的一者之间经过的中央电极的馈通，这在图11中所示的类型的设计中具有减少驱动电极与受影响的感测电极之间的相互作用的效应。因此到达一个或一个以上感测电极群组的馈通连接经布置以再分另一感测电极群组，以避免位于直接邻近于驱动电极中的任一者处的馈通连接。此方法可在各种各样的电极图案中使用，使得到达--个感测电极群组的馈通连接不会在驱动电极与同所述驱动电极配对的另一感测电极群组之间经过。如图1、图1A和图1B中所示，将感测电极分类为三个群组。锥形电极62的第一群组布置在电极图案的敏感区域的左侧。将锥形电极62切割成两个区段62A和62B，从而在其间界定通道。具有双锥形的三角形电极64的第二群组经布置以使得电极分别从敏感区域的左侧和右侧朝中心向内延伸。锥形电极66的第三群组布置在电极图案的敏感区域的右侧。将锥形电极66切割为两个区段66A和66B,从而在其间界定通道。第一和第二电极群组在x方向上的范围的一部分(图1B中标记为区I)上方共同延伸，且第二和第三群组在区II上方共同延伸。所述不同的区提供比率度量电容性信号，其指示用户的手指在传感器的存在感测电极的部分上的电容性耦合。有利的是，靠近传感器的用户的手指由两个不同电极群组感测，以提供信号的有益混合，且因此确定手指或其它物体在传感器上的x位置。如先前所提及，分别将第一和第三群组的感测电极切割为两个区段以在其间界定通道。左侧电极62A与62B之间的通道具有来自第二群组电极64的经过其中且在敏感区域的左侧周界附近终止的导电迹线63。除提供与充当到达感测通道的馈通件的导电迹线65的对称性之外，导电迹线63不起作用。即，右侧电极66A与66B之间的每一通道允许来自第二群组64的导电迹线65经过其中且耦合到感测通道S2。如图1B中所示，每一驱动条形电极52通过导电线连接到其垂直邻近的条，且具有与之串连的离散电阻器70。驱动电极经由导电迹线外部连接到来自控制器中的相应驱动11单元的驱动通道D,至D8。在图1、图1A、图1B中，展示驱动通道D,至D8连接到每第二个驱动电极，即每一驱动通道驱动一群组三个电极52。因此，本发明的传感器10包括多个被驱动电极以及多个感测电极，从而包括在传感器的敏感区域上的互连电极网络。可将每一相邻对的驱动元件与感测元件视为对应于可根据US6,452,514中描述的技术操作的离散传感器区域。在使用中，在测量采集循环中确定物体的位置(在所述循环中条形电极52由相应驱动通道循序地驱动)，且由感测通道确定从每一条形电极转移到感测电极的电荷的量。图1C示意性地展示可用于测量从驱动电极中的被驱动的驱动电极转移到感测电极的电荷的电路，驱动电极在给定时间被驱动，且感测电极具有自电容。此主要由所述电极的几何形状确定，尤其是在它们最靠近的区中。因此，将被驱动的驱动电极示意性地展示为电容器105的第一板100，且将感测电极示意性地展示为电容器105的第二板104。US6,452,514中更全面地描述图1C所示类型的电路。所述电路部分地基于US5,730,165中所揭示的电荷转移("QT")设备和方法，US5,730,165的内容如上文所述以引用的方式并入本文中。图1C中将与目前被驱动的电极IOO相关联的驱动通道、与感测电极104相关联的感测通道以及传感器控制器的元件展示为组合式处理电路400。处理电路400包括取样开关401、电荷积分器402(此处展示为简单的电容器)、放大器403和复位开关404，且还可包括任选的电荷消除构件405。图1D示意性地展示来自驱动通道101的被驱动电极驱动信号与开关401的取样时序之间的时序关系。驱动通道101和取样开关401具备合适的同步构件(其可为微处理器或其它数字控制器408)以维持此关系。在所示的实施方案中，复位开关404最初是闭合的，以便使电荷积分器402复位到已知的初始状态(例如，零伏)。接着断开复位开关404，且在其后的某一时间，将取样开关401在驱动通道101发射正转变的间隔中经由开关的端子1连接到电荷积分器402，且其后重新连接到端子O，端子O是电接地或另一合适的参考电位。驱动通道101接着返回到接地，且所述过程再次重复总共"n"个循环(其中n可为1(即O次重复)、2(1次重复)、3(2次重复)等等)。驱动信号在电荷积分器与感测电极断开之前不返回到接地的情况可能是有帮助的，因为否则相等且相反的电荷将在正和负向沿期间流到感测通道中/从感测通道流出，从而导致没有净转移或电荷进入电荷检测器中。在所需数目的循环之后，取样开关401保持在位置0，而电荷积分器402上的电压由测量构件407测量，测量构件407可包括放大器、ADC或手边的可适合于所述应用的其它电路。在进行测量之后，再次闭合复位开关404，且重新开始所述循环，但是用下一个驱动通道和被驱动电极依次代替图1C中示意性地展示的驱动通道101和被驱动电极100。对给定的被驱动电极进行测量的过程在此处被称为长度"n"的测量"突发"，其中"n"可在从1到任一有限数的范围内。电路的敏感性与"n"正相关，且与电荷积分器402的值反相关。将理解，标示为402的电路元件提供也可由其它构件实现的电荷积分功能，且这种类型的电路不限于如由402所示的以接地为参考的电容器的使用。电荷积分器402可为用以求流经感测电路中的电荷的积分的基于运算放大器的积分器也应是不言而喻的。此些积分器还使用电容器来储存电荷。可注意，尽管积分器增加了电路的复杂性，但它们为感测电流提供了更理想的求和点负载且提供更动态的范围。如果使用较慢速度的积分器，那么可能有必要在402的位置中使用单独的电容器，以在较高速度下临时储存电荷，直到积分器可及时吸收所述电荷为止，但此电容器的值与并入到基于运算放大器的积分器中的积分电容器的值相比变得相对不重要。在选定极性(在此情况下为正向的)的驱动信号的变化期间，取样开关401将传感器的感测电极在不连接到电荷积分器402时连接到接地可能是有帮助的。这是因为这可形成人造接地平面，从而减少RF发射，且还如上文所述准许具有与正被电荷积分器402感测到的电荷相反的极性的耦合电荷适当地消耗和中和。还有可能使用电阻器来接地在感测电极上，以在驱动通道101的转变之间实现相同的效应。作为单刀双掷(SPDT)开关401的替代方案，如果以适当的方式定时，那么可使用两个独立开关。如US5，730，165中所述，存在可能用于操纵和确定对信号振幅的检测或测量的许多信号处理选项。US5,730,165还描述图1C中所描绘的布置的增益关系，虽然是依据单电极系统。本情况下的增益关系是相同的。US4,879,461中以及US5,730,165中描述了对信号消除构件405的利用。US4,879,461的揭示内容以引用的方式并入本文中。信号消除的目的是在产生每-一突发(驱动通道的正向转变)的同时减少电荷积分器402上的电压(即，电荷)累积，以便准许被驱动电极与接收感测电极之间的较高耦合。此方法的一个益处是以相对较低的成本允许对电极之间的耦合的较小偏差敏感的较大感测区域。此些较大感测耦合存在于例如可用于人触摸感测垫中的物理上相对较大的电极中。电荷消除准许测量具有较大线性的耦合的量，因为线性取决于从被驱动电极100到感测电极104的耦合电荷在一突发期间被吸收到"虚拟接地"节点中的能力。假如允许电荷积分器402上的电压在一突发期间明显升高，那么所述电压将会以反指数方式升高。此指数分量对线性且因此对可用动态范围具有有害影响。驱动通道可为简单的CMOS逻辑门，其依靠常规上稳定电源供电且由传感器控制器20控制以提供选定持续时间的周期性的多个电压脉冲(或在简单的实施方案中，为从低到高或从高到低电压的单个转变，即一个脉冲的突发)。或者，驱动通道可包括正弦产生器或具有另一合适波形的循环电压的产生器。因此在施加到被驱动电极的一连串电压循环的上升和下降沿上产生变化的电场。假定被驱动电极和感测电极充当具有电容CE的电容器的相对板。因为感测电极电容性地耦合到被驱动电极，因此其接收或吸收由被驱动的列电极产生的变化的电场。这通过变化的电场的电容性微分而导致感测电极中由被驱动电极上的变化的电压引起的电流流动。所述电流将朝向(或视极性而定，从)感测单元14中的感测通道流动。如上文所述，感测通道可包括电荷测量电路，其经配置以测量由感测电极中引起的电流导致的进入感测通道/从感测通道出来(视极性而定)的电荷流动。电容性微分通过管理流经电容器的电流的等式而发生，艮P:其中lE为流动到感测通道S的瞬时电流，且dV/dt为电压施加到被驱动电极D,的变化速率。在沿转变期间耦合到感测电极(且因此进入感测通道S中/从感测通道S出来)的电荷的量是上述等式随时间过去的积分，即在每一转变时耦合的电荷qe与上升时间V(即，dV/dt)无关，且仅取决于被驱动电极处的电压摆动(其可容易固定)以及被驱动电极与感测电极之间的耦合电容q的量值。因此，响应于施加到被驱动电极的驱动信号的变化而耦合到包括感测通道的电荷检测器中/从其中耦合出来的电荷的确定是被驱动电极与感测电极之间的耦合电容Ce的量度。常规平行板电容器的电容几乎与板(至少针对与其间隔相比在范围上较大的板)之间的空间外部的区的电特性无关。然而，对于包括处于一平面内的相邻电极的电容器，情况不是这样的。这是因为在被驱动电极与感测电极之间连接的电场中的至少一些电场从衬底"溢"出。这意味着被驱动电极与感测电极之间的电容性耦合(即，Ce的量但)在某种程度上对电极附近的"溢出的"电场延伸到其中的区的电特性敏感。14在无任何邻近物体的情况下，CE的量值主要由电极的几何形状以及传感器衬底的厚度和介电常数确定。然而，如果物体存在于电场将向衬底外溢出到的区中，那么此区中的电场可由物体的电特性修改。这导致电极之间的电容性耦合改变，且因此耦合到包括感测通道的电荷检测器中/从其耦合的测得电荷改变。举例来说，如果用户将手指放置在由溢出的电场中的一些电场占用的空间的区中，那么电极之间的电荷的电容性耦合将减少，因为用户将具有到达接地(或其它附近结构，其路径将完成到控制感测元件的电路的接地参考电位)的大量电容。此减少的耦合之所以发生是因为正常耦合在被驱动电极与感测电极之间的溢出电场部分地从电极转向接地。这是因为邻近于传感器的物体用以使电场分路而远离电极之间的直接耦合。因此，通过监视耦合在被驱动电极与感测电极之间的电荷的量，可识别耦合在它们之间的电荷的量的变化，并将其用于确定是否有物体邻近于传感器(即，溢出电场延伸到其中的区的电特性是否已改变)。本发明的二维位置传感器或触摸屏传感器因此依靠有源电容性感测技术而不是无源电容性感测技术，有源电容性感测技术提供对物体位置的更佳确定、在物体在传感器上方移动时提供输出信号的更大线性，且提供传感器对由靠近的物体导致的电容性变化的较大敏感性。另外，如先前所述，本发明的传感器与已知传感器相比更通用且受接地负载的影响较小。如先前所述，本发明的传感器按照US6,452,514中描述的矩阵感测原理操作。此矩阵感测涉及两个电极(驱动电极与感测电极)之间的电容性场变化，而不是确定从感测电极到参考电位(例如，接地)的电容的变化。本发明的触摸屏传感器中的此矩阵感测涉及与无源传感器中通常更"开放"的电容性电场相比更"封闭"的电容性电场。这改进了传感器的电容敏感性。图1E示意性地展示适合与图1、图1A和图1B所示类型的装置一起使用的驱动信号时序。实例驱动信号假定装置具有六个驱动通道D,到D6，每一驱动通道连接到每第四个驱动电极52，从而在邻近的驱动通道连接之间留下两个驱动电极，如先前所述，所述驱动电极由电阻性阶梯连接。装置的整个敏感区域由六个驱动信号的序列取样，针对每一驱动通道有一个驱动信号。在说明中，假定在时间tl将驱动电压V施加到通道D,，其它通道保持在接地。接着在时间t2、t3、t4、t5和t6，分别用同一驱动电压V来驱动通道D2到D6，而其它通道保持在接地。将了解，驱动的次序并不重要，只是通过驱动所述驱动通道中的每一者来收集信号数据的整个集合。此外，驱动电压全部便利地为相同，但这也不是重要的。另外，将通过使所说明的电压反相来实现相同效果。依靠一连15串电阻(例如由邻近的驱动电极之间的离散电阻器或薄膜电阻性条带形成)，当用量值为V的电压脉冲驱动给定通道而其它通道接地时，电压从连接到被驱动通道的驱动电极一直到最近的接地驱动通道，从V降低到零。在所说明的实例中，电压降低三倍，因为存在两个中间驱动电极。如果存在三个中间驱动电极，那么电压将降低四倍，依此类推。通过三个感测电极群组S,、S2、S3中具有两个最强信号的两个群组的信号强度的比率度量内插来获得触摸或其它激活的x位置。触摸或其它激活的y位置也由信号强度的比率度量内插获得，但方式稍微不同。一旦从tl到t6处的六个驱动事件收集到6个信号的整个集合，便选择得出最强信号的两个邻近事件，且y位置由这两个信号的信号强度的比率度量内插来确定。举例来说，如果通过驱动通道D2和D3而获得最强的一对邻近信号，且驱动D2时所获得的信号比驱动D3时所获得的信号大两倍，那么确定触摸已在从D2驱动电极朝D3驱动电极的路线的1/3处发生。图2、图3、图4和图5展示体现本发明的可应用于并入到电容性位置传感器中的衬底的其它电极图案。所述电极图案类似于图1的图案，且相同参考标号用于表示相同特征。条形电极52是驱动(D)电极，且感测(S)电极62、64、66布置成三个群组。在图2中将注意，电极图案包括第一感测电极群组62和第二感测电极群组64，其为锥形且在x方向上的一部分范围中在x方向上一起共同延伸；以及第二感测电极群组64和第三感测电极群组66，其为锥形且在x方向的另一部分范围中一起共同延伸。图1到图5中所说明的电极图案是实际大小。传感器电极的布置对使不同传感器电极群组之间的电场的相互作用优化且因此对准确地确定物体位置来说是重要的。传感器电极群组的布置使得本发明的传感器有可能同时解译并确定靠近传感器的一个以上物体的位置。传感器有可能辨识在传感器的单独部分上的感测电极上的两个不同位置中的同时触摸，前提是所述两个位置在y方向上隔开至少一个(优选两个)驱动通道。否则，在处理单元中进行的内插将得出在两处同时触摸之间的一位置处已发生了单次触摸的结论。图6到图12说明体现本发明的其它电极图案。每一传感器具有两个驱动通道D卜D2以及三个感测通道S,、S2、S3。每一驱动通道将驱动信号供应到两个驱动电极52。图6到图12中所说明的图案为实际大小。除了图6的包括四个感测电极群组的传感器外，所有传感器均包括三个感测电极群组。视传感器的设计而定，本发明的传感器可包括三个或四个以上感测电极群组。举例来说，如果电极图案的宽度在x方向上增加以容纳较大大小的电容性传感器，那么可存在五个或五个以上感测电极群组。举例来说，下文所描述且图14、图15和图16中所说明的传感器每一者具有六个感测电极群组，且图13中所说明的传感器具有七个感测电极群组。图13展示根据另一实施例的电极图案。带有图13中所说明的电极图案的衬底包括与先前实施例相比大小较大的电极图案。图13的电极图案具有与相对于先前实施例而描述的电极图案类似的特征且根据与其相同的原理操作。然而，驱动电极52和感测电极62、64、66包括突起或齿状物，其互锁或互相交叉以形成错综的图案。驱动电极52包括突出到第一、第二和第三感测电极群组的邻近齿状物之间的间距中的具有渐进的长度的齿状物、条或尖齿。在图13的电极布置中，第一感测电极群组62和第三感测电极群组66位于驱动电极的一侧(即，每一相应驱动电极下方)，且第二感测电极群组位于驱动电极的相对侧(即，每一相应驱动电极上方)。因此，每一相应驱动电极52有效地"夹"在感测电极之间，且包括从每一相应电极的相对侧突出以与感测电极的对应齿状物之间的间距互相啮合的齿状物。可将驱动电极52描述为具有以合适的配置布置的干线，例如如图所示的V形配置。如先前所述，V形电极的每-臂在每一侧均形成有具有渐进的长度的齿状物。感测电极的齿状物也具有渐进的长度以与驱动电极最佳地啮合。图14展示基于与图13的实施例类似的原理的另一实施例。为了分出图14的细节，图14A示意性地展示一行感测电极S,到S6，即最上面的一行，且图14B示意性地展示在x方向上延伸的六个驱动电极行Da到Df，每一行由与垂直(即在y方向上)延伸的平行齿状物、条或尖齿(其彼此具有相同的垂直范围)交叉的正弦延伸的干线或脊线形成。除正弦曲线的峰值和低谷外，每一尖齿延伸穿过所述脊线，一部分在脊线上方且一部分在脊线下方。脊线上方的部分与布置在脊线上方的感测电极S2、S4和S6互相交叉，且脊线下方的部分与布置在脊线下方的感测电极S,、S3和Ss互相交叉。驱动电极行借助于布置在如图14B中示意性地展示的相关垫之间的所说明装置的左侧上的五个电阻器R,到Rs而布置在电压阶梯中。将理解，可类似于如上文相对于图1的实施例所述而驱动此装置，借此用驱动电压来驱动D,和D2中的每一者，而另一者接地，且通过从这两个驱动事件获得的感测信号之间的内插来确定激活的y坐标。在装置的右侧，邻近的驱动电极行在无电阻器的情况下连接，但如果需要的话，一个电阻器可连接在图14B的右侧所示的相关垫中的每一者之间。同样如图14B中所示，存在两个驱动通道D,和D2，其连接到最上和最下驱动电极行。感测电极以6个群组S,到Ss形成，其中群组S,、S2和S3从左侧连接，且群组S4、S5和S6从右侧连接。所述群组相互重叠以在x方向上提供五个感测范围，其由如上文相对于图1的实施例而描述的两个最大信号之间的比率度量分析来确定。将理解，此设计可改变以具有不同数目的感测电极群组、不同数目的驱动电极行、每多个驱动电极(包含一个)不同数目的驱动通道，等等。图15展示根据另一实施例的具有相关联电极图案的传感器。提供六个传感器电极群组S,到S6，其以与先前实施例类似的方式重叠，以便允许激活的x位置的比率度量确定。每一感测电极行的上方和下方的侧面有一驱动电极52。此实施例的先前实施例没有的特殊特征是通往最内感测电极群组S3和S4的馈通连接的逐步加宽。图15A示意性地说明此特征。群组S3的每一感测电极64的馈通件均具有宽度(垂直尺寸)以递增方式增加的三个部分。最窄的部分643从敏感区域的最左侧引出，且侧面有群组S2的感测电极66的馈通件。在正x方向上前进，在感测电极S,的较短的上部元件68B终止之后，感测电极64的馈通件加宽到部分642中，且在感测电极Si的较长的下部元件68A终止之后，馈通件再次加宽到部分643中。逐渐加宽的益处在于最内部的感测电极与相关联的感测通道的感测电路之间的电阻减小，从而降低最内部的感测电极将借以具有比外部感测电极小的敏感性的效应。图16展示根据其它实施例的具有相关联电极图案的传感器，除最内部的感测电极的导电材料被挖空外，所述实施例与图15的实施例相同。图16A示意性地说明此特征。展示感测电极群组S3的所说明的感测电极64被挖空。感测电极群组S3和S4的所有感测电极均如从图16明显看出的那样被类似地挖空。此方法的优点源于以下情况的实现在使用本发明所涉及的被驱动和感测电极的种类的有源感测中，信号主要仅受成对的驱动电极与感测电极的直接接近区域影响。位于远离相关联的驱动电极的更远距离处的感测电极中的导电材料并不显著地有助于所述信号，且因此很大程度上是多余的。此外，已证实此额外导电材料可显著地导致环境噪声的拾取。因此，通过挖空较大的中央感测电极，与图15的电极布置相比用图16的电极布置实现经改进的信噪比。更严格地说，要遵循的设计方法是确保感测电极不会远离其相关联的驱动电极而延伸超过给定距离，其中所述给定距离是指示在其上收集大多数信号(例如，信号的至少50%、60%、70%、80%、卯％或99%)的感测深度的特性距离。图17展示根据可参考图15的实施例而理解的其它实施例的具有相关联电极图案的传感器。所述电极图案与图15的实施例相比修改之处在于插入额外的中央脊线以提供感测电极69的额外感测电极群组，其彼此垂直连接，且通过装置的顶部而非侧部连接到相关联的感测通道。在所说明的实例中，离散桥接组件连接件71连接驱动电极的左侧和右侧，以跨感测电极69的垂直邻近的感测电极之间的导电路径而桥接。将从第60/803,510号共同待决申请案及其随后的正规申请US11/752,615(其在2007年12月6日作为US2006/0279395公布)理解此一般方法。第60/803,510号共同待决美国专利申请案及其随后的正规申请US11/752,615(作为US2006/0279395公布)中描述的电极图案以引用的方式并入本文中。第60/803,510号美国专利申请案的电极图案类似于上文中描述的电极图案，且此些图案可用于基于上文所述的根据本发明的有源电容性感测技术来测量电容，尽管并未为此而优化。图18说明与第60/803,510号美国申请案的图11相同的电极图案。图18的电极图案可应用于并入到体现本发明的电容性位置传感器中的衬底。纵向(条形)电极52是驱动(D)电极，且以交错布置布置在邻近驱动电极之间的电极是感测(S)电极。此实施例包括四个感测电极群组62、64、66和88。感测电极62、64、66可由导电迹线连接到接收通道S,、S2、S3。同样，感测电极88可连接接收通道S4。接收通道S,、S2、S3、S4将信号从感测电极传输到控制器中的感测单元。驱动通道Dx(未图示)将驱动信号发送到感测电极群组52。控制器中的驱动单元将驱动信号供应到相应的驱动电极或驱动电极群组。如上文更详细地描述，可通过中断或减少驱动电极与一个或一个以上感测电极之间的电容性耦合且处理来自感测电极的信号以计算手指位置来确定物体在传感器上的位置。第60/803,510号美国申请案的图2、图3、图4和图6到图15中所说明的电极图案以引用的方式并入本文中，且形成本发明的揭示内容的一部分。使用如US6,452,514中描述的有源(或矩阵)电容性感测来驱动并感测第60/803,510号美国申请案的图2、图3、图4和图6到图15的实施例，且所述实施例提供如上文所述的优点。将了解，本发明的传感器可适用于许多类型的装置/用具。举例来说，传感器可与炉灶、烤架、洗衣机、滚筒式干洗机、洗碗机、微波炉、食物搅拌器、烤面包机、饮料机、计算机、家用视听设备、个人计算机、便携式媒体播放器、PDA、手机、计算机、游戏控制台等等一起使用。图19展示移动个人计算机(PC)120的实例。根据本技术的触摸传感器可用于形成笔记型PC120的输入控制面板的一部分或整体。在图中，展示PC120，其包含附接到底座124的显示装置122，底座124容纳处理器和通常与PC相关联的其它组件。输入控制面板126包含键盘128。输入控制面板126进一步包含对触摸敏感的鼠标垫130。可使用根据本发明的触摸传感器来实施所述鼠标垫。此外，显示装置122也可用根据本发明的上覆于其顶部上以提供触摸屏的触摸传感器来实施。这对平板PC可能特别有用。图20示意性地展示并入有控制面板93的洗衣机91，控制面板93并入有根据本发明的传感器。图21示意性地展示蜂窝式电话95，其可并入有根据本发明的实施例的一个或一个以上传感器。根据本发明的二维传感器98可用于提供具有按钮99的按钮面板，或可为19与按钮面板共同延伸的单独传感器。举例来说，按钮面板可保留为机械组合件，且提供所述传感器以允许用户在按钮面板区域上执行绘画、书写或命令手势，例如以用中文或其它亚洲字符编写文本消息。屏幕97也可上覆有根据本发明的传感器。更一般地说，可结合具有人机界面的任何用具而使用本发明。还有可能提供类似于上文所述的传感器的传感器，其与其可用于控制的装置/用具分开提供，(例如)以提供对预先存在的用具的升级。还有可能提供可经配置以操作多种不同用具的通用传感器。举例来说，可提供具有可编程键的传感器，装置/用具提供商可通过适当地配置(例如通过重新编程)来使所述键与所要功能相关联。权利要求1.一种二维位置传感器，其包括具有由电极图案界定的敏感区域的衬底，所述电极图案包含大体上在第一方向——下文为x方向——上延伸且在第二方向——下文为y方向——上交错的驱动电极和感测电极，其中所述感测电极包括第一、第二和第三元件群组，其形状经设计以使得所述第一和第二群组的所述元件中的邻近元件在所述敏感区域的一部分上方在所述x方向上共同延伸，且所述第二和第三群组的所述元件中的邻近元件在另一部分上方在所述x方向上共同延伸，且其中所述驱动电极经布置以与所述感测电极电容性地耦合，其中所述传感器进一步包括控制器，所述控制器包括驱动单元，其用于将驱动信号施加到所述驱动电极；以及感测单元，其用于测量从所述感测电极的每一群组接收到的表示所述驱动信号在所述驱动电极与所述感测电极的每一群组之间的电容性耦合的程度的感测信号。2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述控制器进一步包括处理单元，其用于根据对通过将驱动信号施加到所述驱动电极而获得的所述感测信号的分析来计算与所述敏感区域的相互作用的位置。3.根据权利要求2所述的传感器，其中所述处理单元可操作以通过从共同延伸的感测电极群组对获得的感测信号之间的内插来确定所述x方向上的位置。4.根据权利要求2或3所述的传感器，其中所述处理单元可操作以通过借助用相应的驱动信号循序地驱动所述驱动电极获得的感测信号之间的内插来确定所述y方向上的位置。5.根据权利要求1到4中任一权利要求所述的传感器，其中所述共同延伸的感测电极群组在其共同延伸距离上方具有互补锥形，以提供比率度量电容性信号。6.根据权利要求1到4中任一权利要求所述的传感器，其中共同延伸的相应感测电极群组的所述元件在其共同延伸距离上方具有面积不同的邻近块，以提供比率度量电容性信号。7.根据权利要求1到4中任一权利要求所述的传感器，其中所述驱动和感测电极互相交叉以便提供所述电容性耦合。8.根据权利要求7所述的传感器，其中在所述敏感区域上方，所述驱动和感测电极由不超过实质性小于邻近的驱动电极行之间在所述y方向上的特性间距的特征宽度的导电材料形成。9.根据任一前述权利要求所述的传感器，其中所述第一和第三感测电极群组中的至少一者的所述元件形成在所述y方向上由通道分离的两个区段，且其中所述第二感测电极群组的所述元件通过穿过所述通道到达所述敏感区域一侧的导电迹线在外部连接到所述感测单元。10.根据任一前述权利要求所述的传感器，其中存在通过所述敏感区域的一侧在外部连接到所述感测单元的至少三个感测电极群组，被称为外围、中间和内部感测电极，其中所述内部感测电极的所述元件通过导电迹线在外部连接到所述感测单元，所述导电迹线在所述y方向上从所述一侧朝所述内部感测电极的所述元件逐渐变宽。11.根据任一前述权利要求所述的传感器，其中所述感测电极群组中的至少一者的所述元件在所述敏感区域的平面内是中空的。12.—种控制面板，其并入有根据任一前述权利要求所述的二维位置传感器。13.—种具有控制面板的设备，所述控制面板并入有根据任一前述权利要求所述的二维位置传感器。14.---种感测二维位置传感器的敏感区域上的激活位置的方法，所述敏感区域由包含驱动电极和感测电极的电极图案界定，所述驱动电极和感测电极两者大体上在第一方向一一下文为x方向一一上延伸，且在第二方向一一下文为y方向一一上交错，其中所述感测电极包括第一、第二和第三元件群组，其形状经设计以使得所述第一和第二群组的所述元件中的邻近元件在所述敏感区域的一部分上方在所述x方向上共同延伸，且所述第二和第三群组的所述元件中的邻近元件在另一部分上方在所述x方向上共同延伸，且其中所述驱动电极经布置以与所述感测电极电容性地耦合，所述方法包括将驱动信号施加到所述驱动电极；测量从所述感测电极的每一群组接收到的表示所述驱动信号在所述驱动电极与所述感测电极的每一群组之间的电容性耦合的程度的感测信号；通过从共同延伸的感测电极群组对获得的感测信号之间的内插来确定所述x方向上的位置；以及通过借助用相应的驱动信号循序地驱动所述驱动电极获得的感测信号之间的内插来确定所述y方向上的位置。全文摘要本发明提供一种二维位置传感器，其由驱动电极(52)和感测电极(62、64、66)形成，所述驱动电极和感测电极两者在x方向上延伸且在y方向上交错。所述感测电极包括若干个群组，其中的两个群组在x方向上的范围的每一不同部分上方在x方向上共同延伸。所述驱动和感测电极另外经布置以彼此电容性地耦合。在使用中，将驱动信号施加到所述驱动电极，且接着从被测量的感测电极接收结果感测信号。如下在x和y方向上确定所述传感器上的触摸或铁笔激活的位置在x方向上，所述位置通过从共同延伸的感测电极对获得的感测信号之间的内插确定，且在y方向上通过从施加到所述驱动电极的不同驱动信号序列获得的感测信号之间的内插确定。文档编号G06F3/041GK101663638SQ200880011275公开日2010年3月3日申请日期2008年4月2日优先权日2007年4月5日发明者哈拉尔德·菲利普,埃萨特·伊尔马兹,彼得·蒂莫西·斯利曼,萨米埃尔·布吕内,鲁本·赫里斯托福申请人:爱特梅尔公司