电容性感测系统的制作方法

本发明大体上涉及(例如)用于触摸/位置感测的电容性触摸感测。

背景技术：

电容性感测是用于人机接口装置(HID)的常见技术。实例应用为触摸及位置感测。

针对位置感测，沿着界定的传感器轨道(例如，沿着线性轨道的位置或围绕圆形轨道的径向位置)感测触摸位置。HID电容性位置传感器包含经配置以界定传感器轨道(例如，线性滑块或圆形盘)的电容性传感器。

一种电容性感测技术使用投射自电容，其中电容性传感器(电极)被安置于具有背景图案的衬底(例如PCB)上。传感器电极经配置以界定传感器轨道，其中包含位置标记/图案化的叠加(涂层)对应于界定的传感器轨道。传感器电极通过激发/获取通道耦合到传感器电子器件。

当使用激发信号驱动传感器电极时，其形成具有传感器接地的寄生电容，从而通过叠加投射感测电场(“E场”)且在对应于由传感器电极所界定的传感器轨道的叠加的表面上形成感测区域。电容性传感器可配置有底层屏蔽，由传感器电子器件驱动所述底层屏蔽以产生具有与传感器E场相同的极性及相位的屏蔽E场，从而集中(聚焦)感测方向上的传感器E场，且增加灵敏度。

当手指(人体导体)沿着传感器轨道触摸感测区域时，触摸/接触区域中的投射E场改变，从而有效地将触摸电容加入于与触摸位置相关联的投射电容(传感器电极的寄生电容)。由传感器电子器件所测量的触摸位置处的总传感器电容对应于投射/寄生电容与触摸电容的总和。

技术实现要素：

在所描述的实例中，一种电容性感测系统适于沿着界定的传感器轨道基于触摸电容感测触摸位置，其中触摸电容是基于触摸位置及触摸压力。

所描述的实例包含用于电容性感测的方法，其适于沿着界定的传感器轨道基于触摸电容感测触摸位置，其中触摸电容是基于触摸位置及触摸压力。所述方法可结合电容性传感器操作，所述电容性传感器包含第一及第二电容性传感器电极，所述第一及第二电容性传感器电极在互补配置中并置以界定具有一个端处的第一位置及另一端处的第二位置的传感器轨道。互补的第一及第二传感器电极经配置使得传感器轨道的触摸位置处的触摸接触区域在两个传感器电极之上延伸，且使得随着触摸位置(触摸接触区域)沿着传感器轨道从所述第一位置移动到所述第二位置，第一传感器电极的第一电极电容C_SA单调地减小，且第二传感器电极的第二电极电容C_SB单调地增加，且所述触摸电容对应于C_SA与C_SB的组合。

在一些所描述的实例中，所述方法涉及：(a)从所述第一及第二互补电极获取相应的电容读数C_SA及C_SB；(b)基于位置及压力函数产生触摸位置信息，其中所述位置函数基于C_SA及C_SB产生位置信息，且所述压力函数基于C_SA及C_SB产生压力信息；及(c)基于所述触摸位置信息产生对应于所述触摸位置的压力补偿触摸位置数据，其包含对触摸电容中归因于触摸压力的改变的补偿。

附图说明

图1A说明电容性位置感测系统的实例功能实施例，例如，可将所述电容性位置感测系统调适为用于感测触摸位置的HID(人机接口装置)。

图1B说明相对于触摸电容的传感器电容。

图2A及2B说明使用具有双互补传感器电极的电容性传感器的实例替代HID传感器轨道配置。

图3A及3B在功能上说明图1A的实例电容性传感器的实例传感器配置，其中双电容性电极具有互补三角轮廓。

图4A/4B是说明相对于位置及压力的传感器电容C_SA及C_SB的实例绘图。

图5A/5B是表示使用双互补电容测量C_SA及C_SB根据触摸位置信息产生压力补偿触摸位置数据的实例方法的实例绘图。

图6A/6B/6C是与(尤其是)通过产生触摸压力信息以基于(C_SA*C_SB)的指数函数(明确来说，(C_SA/C_SB)^(C_SA*C_SB)^-P)校正触摸位置信息来产生压力补偿触摸位置数据相关联的实例绘图。

图7A/7B是表示使用双互补电容测量C_SA及C_SB根据触摸位置信息产生压力补偿触摸位置数据的实例方法的实例绘图，其中根据位置及压力函数产生触摸位置信息，其中：(a)位置函数根据(C_SA-C_SB)产生位置信息；及(b)压力函数根据(C_SA+C_SB)产生压力信息。

具体实施方式

在所描述的实例中，设备/方法使用用于具有压力补偿的电容性位置感测的双电极电容性传感器。

由具有压力补偿的电容性位置感测所解决的一个问题是：基于电容性触摸的位置的准确检测，其中触摸电容归因于触摸压力而改变。

在简要概述中，用于电容性位置感测(其使用双电极电容而具有压力补偿)的设备/方法适于沿着界定的传感器轨道基于触摸电容感测触摸位置，其中触摸电容是基于触摸位置及触摸压力。在实例实施例中，电容性感测系统包含电容性传感器，其包含：第一及第二电容性传感器电极，其在互补配置中并置以界定具有一个端处的第一位置及另一端处的第二位置的传感器轨道。互补的第一及第二传感器电极经配置使得传感器轨道的触摸位置处的触摸接触区域在两个传感器电极之上延伸。随着触摸位置(触摸接触区域)沿着传感器轨道从所述第一位置移动到所述第二位置：(a)第一传感器电极的第一电极电容C_SA单调地减小；及(b)第二传感器电极的第二电极电容C_SB单调地增加；使得(c)所述触摸电容对应于C_SA与C_SB的组合。

传感器单元耦合到第一及第二传感器电极，且经配置以产生对应于触摸位置的压力补偿触摸位置数据，其包含：(a)获取电路，其经配置以相应地从第一及第二传感器电极获取电容读数C_SA及C_SB；及(b)转换电路，其经配置以基于位置及压力函数产生触摸位置信息，其中位置函数基于C_SA及C_SB产生位置信息，且压力函数基于C_SA及C_SB产生压力信息。传感器单元经配置以基于触摸位置信息产生压力补偿触摸位置数据，其包含对触摸电容中归因于触摸压力的改变的补偿。

在实例实施例中，位置函数根据(C_SA/C_SB)产生位置信息，且压力函数根据(C_SA*C_SB)(例如，(C_SA*C_SB)的指数函数)产生压力信息。在其它实例实施例中，基于(C_SA/C_SB)^(C_SA*C_SB)^-P产生触摸位置信息。

在实例实施例中，传感器单元可实施有电容到数字转换器(CDC)及位置处理器。CDC可经配置以驱动第一及第二传感器电极，及获取电容读数C_SA及C_SB，及将其转换成对应触摸位置信息。位置处理器可经配置以根据基于位置及压力函数的触摸位置信息产生压力补偿触摸位置数据。

图1A说明电容性位置感测系统10的实例功能实施例，例如，可将电容性位置感测系统10调适为用于感测触摸位置的HID(人机接口装置)。电容性位置感测系统10包含具有双传感器电极11A/11B的电容性传感器11及相关联的传感器电子器件13A/13B。

双电极电容性传感器11特征在于HID位置感测配置，其中双传感器电极11A/11B经配置用于针对沿着所界定传感器轨道的位置感测而布置的特定传感器轨道布局。图1A的实例HID电容性传感器配置是位置1与位置2之间的线性传感器轨道布局，例如，具有横向位置感测的HID线性滑块。

根据所选择的电容性感测技术以协作方式配置双电极电容性传感器11(11A/11B)及相关联的传感器电子器件13A/13B。图1A的实例电容性感测配置是基于投射自电容，例如通过来自双传感器电容器电极11A/11B的电容性电荷转移。替代电容性感测配置是基于并入有相应传感器电极11A/11B(振荡回路电容器)的相应传感器LC谐振器的谐振状态。

可将传感器电子器件(在功能上单独地说明为13A/13B)实施为通过相应激发/获取通道耦合到相应传感器电容器电极11A/11B的单个电容到数字/数据转换(CDC)单元。针对电容性感测(每一通道)基于多相位电容性电荷转移，CDC可实施(例如)有包含电荷转移(反馈)电容器的开关电容器放大器。举例来说，CDC可选择性地在激发/电荷相位(其中相应传感器电极开关耦合到激发源以投射传感器E场)与转移/放电相位(其中传感器电极开关耦合到电荷转移电容器)之间切换，其中在连续电荷转移循环中测量传感器电容C_SA/C_SB。

针对图1A的实例HID位置感测配置，双电容性电极11A/11B配置有互补三角轮廓，其并置成界定HID线性传感器轨道布局的矩形布置。在图1A的功能说明中未展示与基于投射自电容(例如，叠加)的电容性感测配置相关联的其它常规元件(参见图3A)。

手指21沿着HID传感器轨道的触摸位置对应于触摸/接触区域25，其中手指21接触电容性电极11A/11B。传感器11经配置使得触摸/接触区域25跨越两个电容性电极11A/11B而延伸。图1A中的功能说明并非按比例绘制的。举例来说，针对大约10mm的手指接触区域25，具有矩形配置(线性传感器轨道)的线性传感器11的典型宽度将为1mm，借此确保手指接触区域25覆盖两个传感器电极11A/11B的连续部分。

沿着HID传感器轨道的触摸位置是基于触摸电容，其中触摸电容是基于触摸位置及触摸压力。

图1B说明相对于触摸电容的传感器电容。传感器11由具有叠加15的传感器电极11A/11B表示。手指21接触接触区域25处的传感器叠加15。

传感器电容C_S是触摸/接触区域25处的触摸电容C_T及人体电容C_B两者的测量。人体电容也可(例如)通过固持系统/装置(例如，移动手持机)耦合到传感器接地。

触摸电容C_T及人体电容C_B有效地串联，使得传感器电容C_S为：

C_S＝C_T*C_B/(C_T+C_B)≈C_T

其中(C_B>>C_T)。举例来说，人体电容C_B可为约nF，而触摸电容将为约pF。

触摸电容C_T受触摸压力的影响。压力相关电容为触摸区域25及皮肤层压缩两者的函数。压力增加接触区域，从而增加触摸电容。此外，压力通过压缩较不导电的皮肤表皮而增加电容，使得更导电的皮肤表皮更接近于传感器11的表面(借此接收更多的投射传感器E场)。

参看图1A，电容性感测系统10经配置以沿着HID传感器轨道(位置1与2之间)感测触摸位置。实例HID传感器轨道布局配置使用三角轮廓传感器电极11A/11B，其在互补矩形布置中并置以界定线性HID传感器轨道。

传感器电极11A/11B经配置使得：(a)传感器轨道的触摸位置处的触摸接触区域在两个传感器电极之上延伸；及(b)随着触摸位置(触摸接触区域)沿着传感器轨道从位置1移动到位置2，与传感器电极11A相关联的电极电容C_SA单调地减小，且与传感器电极11B相关联的电极电容C_SB单调地增加。触摸电容对应于C_SA与C_SB的组合。

图1A说明实例HID布局配置，其中传感器电极11A/11B配置有互补三角轮廓，其在矩形布置中并置以界定线性HID传感器轨道(例如，用于滑块/横向位置感测)。此实例HID布局配置并非用于使用根据所描述的实例的双电极电容性传感器的电容性位置感测的设计/配置要求或约束。传感器的设计要求是：(a)布置于界定HID传感器轨道布局的并置的互补配置中所布置的双传感器电极；(b)传感器电极经配置/布置使得：(1)触摸/接触区域跨越两个传感器电极而延伸；及(2)随着触摸位置(接触区域)沿着传感器轨道移动，与一个传感器电极相关联的电极电容(C_SA)单调地减小，且与另一以互补方式配置的传感器电极相关联的电极电容(C_SB)单调地增加，使得触摸电容对应于C_SA与C_SB的组合。

图2A说明实例HID传感器轨道配置，其中传感器31配置有电容性电极31A及31B，将电容性电极31A及31B配置为界定线性传感器轨道布局的互补交错的片段。针对每一电极，电极片段耦合到相应传感器电子器件33A及33B。手指41在具有触摸/接触区域45的触摸位置中跨越连续的传感器电极片段而延伸。随着触摸位置(接触区域)沿着HID传感器轨道(位置1到位置2)移动，与传感器电极片段31A相关联的电极电容C_SA单调地减小，且与以互补方式配置的传感器电极片段31B相关联的电极电容C_SB单调地增加。

图2B说明实例HID传感器轨道布局配置，其中传感器51配置有具有轮廓的电容性电极51A及51B，其布置于界定盘形(圆形)传感器轨道布局的并置的互补配置中。随着触摸位置(接触区域)围绕传感器轨道盘顺时针移动，与具有轮廓的传感器电极51A相关联的电极电容C_SA单调地减小，且与具有互补轮廓的传感器电极51B相关联的电极电容C_SB单调地增加。

图3A及3B在功能上说明图1A的实例电容性传感器的实例传感器配置，其中双电容性电极具有互补三角轮廓。可将相同传感器配置调适成其它HID传感器轨道配置(例如，图2A/2B中所说明)。

图3A说明具有双三角轮廓的电极11A/11B且包含叠加15的电容性传感器11。图3B说明具有双三角轮廓的电极11A/11B且具有叠加15的传感器11，且其包含相应驱动屏蔽17A/17B，其各自配置有与相关联的传感器电极11A/11B大体上相同的三角轮廓。基于投射自电容的电容性传感器可使用驱动屏蔽配置以通过取消寄生电容而增加灵敏度，及(例如)通过驱动具有与传感器投射E场相同的极性及相位的屏蔽17A/17B在优选的感测方向上集中投射传感器E场。传感器电子器件(例如，CDC单元)可经配置以提供屏蔽驱动。

参看图1A/1B，沿着HID传感器轨道的触摸位置是基于触摸电容的，其中触摸电容是基于触摸位置及触摸压力。包含具有双互补传感器电极11A/11B的传感器11的电容性感测系统10实施具有压力补偿的电容性位置感测以基于触摸压力校正触摸位置。

传感器电子器件13A/13B经配置以获取双互补传感器电容测量C_SA及C_SB。可基于以下各物将互补电容测量C_SA及C_SB转换成触摸位置信息：基于互补电容测量C_SA及C_SB所产生的位置及压力信息。根据触摸位置信息，传感器电子器件13A/13B产生压力补偿触摸位置数据，其包含针对触摸压力电容的改变校正触摸位置电容。

如上文所描述，可将传感器电子器件13A/13B实施为电容到数字/数据转换(CDC)单元。举例来说，可将CDC单元实施为介接到位置处理器(例如，MCU)的CDC电路。可通过双激发/获取通道将CDC电路介接到双(互补)电极传感器11(11A/11B)，且CDC电路经配置以驱动双互补传感器电极11A/11B，且获取互补电容读数C_SA及C_SB，可基于位置及压力函数(下文描述)将互补电容读数C_SA及C_SB转换为对应触摸位置信息/样本。位置处理器可经配置以接收触摸位置信息/样本，且产生压力补偿触摸位置数据。如果传感器经配置以用于驱动屏蔽，那么CDC可提供与电极激发驱动同步的屏蔽驱动。

图4A/4B是说明传感器电容C_SA及C_SB相对于位置及压力的关系的实例绘图。图4A是说明传感器电容C_SA及C_SB随着沿着HID传感器轨道(x变化)的触摸位置的互补变化的实例绘图。图4B是说明传感器电容C_SA及C_SB随着触摸压力(表示为正交于HID传感器轨道的z变化)的变化的实例绘图。压力相关变化影响并联(非互补)的传感器电容C_SA及C_SB。

特定来说，图4A说明使用双互补传感器电极的电容性位置感测。随着触摸位置沿着HID传感器轨道(x方向)移动：(a)一个传感器电极的传感器电容C_SA单调地减小；及(b)另一传感器电极第二传感器电极的传感器电容C_SB单调地增加。触摸电容对应于C_SA与C_SB触摸电容测量的组合。

还参看图1A/1B，实例电容性感测系统10基于根据从双电极电容性传感器11所获取的双互补电容测量C_SA及C_SB产生压力补偿触摸位置数据来实施具有压力补偿的电容性触摸位置感测。传感器电子器件13A/13B包含转换电路，其经配置以基于位置及压力函数产生触摸位置信息，其中：(a)位置函数基于C_SA及C_SB产生位置信息；且(b)压力函数基于C_SA及C_SB产生压力信息。传感器电子器件13A/13B可经配置以基于触摸位置信息产生压力补偿触摸位置数据，其包含对触摸电容中归因于触摸压力的改变的补偿。

图5A/5B及6A/6B/6C是表示根据触摸位置信息使用双互补电容测量C_SA及C_SB产生压力补偿触摸位置数据的实例方法的实例绘图。根据位置及压力函数产生触摸位置信息，其中：(a)位置函数根据(C_SA/C_SB)产生位置信息；及(b)压力函数根据(C_SA*C_SB)产生压力信息。

图5A是说明处于较低、中间及较高压力下的互补传感器电容C_SA及C_SB的实例绘图。压力变化可大于位置变化。图5B是说明压力函数(C_SA*C_SB)的实例绘图。函数(C_SA*C_SB)将为压力的单调函数。

根据位置及压力两者，C_SA及C_SB为非线性的，使得位置函数C_SA/C_SB及压力函数C_SA*C_SB为非线性的。可基于压力函数C_SA*C_SB校正从位置函数C_SA/C_SB导出的触摸位置信息。举例来说，可基于以下任一者产生触摸位置信息：(a)基于从使用传感器电容C_SA及C_SB所存取的查找表导出的压力校正因子校正所述位置信息(C_SA/C_SB)；或(b)基于(C_SA*C_SB)的指数函数校正位置信息(C_SA/C_SB)。

图6A/6B/6C是与(尤其是)通过产生触摸压力信息以基于(C_SA*C_SB)的指数函数(明确来说，(C_SA/C_SB)^(C_SA*C_SB)^-P)校正触摸位置信息来产生压力补偿触摸位置数据相关联的实例绘图。

图6A是说明不具有压力补偿的位置信息的实例绘图。图6B是说明根据位置信息产生的压力补偿位置数据的实例绘图，所述位置信息是根据(C_SA*C_SB)^-P的指数函数产生的，使得压力补偿触摸位置数据对应于：(C_SA/C_SB)^(C_SA*C_SB)^-P。图6C是说明压力补偿触摸位置数据(规范化为(1,-1))的实例绘图。

图7A/7B是表示根据触摸位置信息使用双互补电容测量C_SA及C_SB产生压力补偿触摸位置数据的实例方法的实例绘图，其中根据位置及压力函数产生触摸位置信息，其中：(a)位置函数根据(C_SA-C_SB)产生位置信息；及(b)压力函数根据(C_SA+C_SB)产生压力信息。

图7A是其中由位置函数(C_SA-C_SB)近似位置函数(C_SA/C_SB)的实例绘图。图7B是其中由(C_SA+C_SB)近似压力函数(C_SA*C_SB)的实例绘图。这些近似值可用于其中传感器电容的相对变化较小(小范围的运动)的应用或需要较低分辨率的应用。此方法的一个优点是：位置处理器(即使不具有乘法器)可处理位置信息。

在所描述的实施例中，修改为可能的，且在权利要求书的范围内，其它实施例为可能的。