抗emi的平衡触摸传感器和方法

专利名称：抗emi的平衡触摸传感器和方法
技术领域：
本发明涉及传感器或控制致动器，用于检测操作者的肢体或身体部分、金属物体的存在，或移动液体/气体界面的接近。
背景技术：
电子或电容固态开关和触摸面板被用于各种应用，以代替传统的机械开关，用于包括厨灶、微波炉等的应用。与机械开关不同，触摸面板不包括可能断裂或损坏的移动部分。和衬底一起使用的机械开关需要某种类型的穿过该衬底的开口来安装该开关。这些开口，以及开关中本身的开口使得灰尘、水和其它污染物通过衬底而聚集在开关内。某些环境包括相对大量的污染物，这些污染物能够通过衬底开口，导致衬底后的元件电短路或损坏。然而，触摸面板可以形成在连续的衬底片上，而在该衬底上没有任何开口。而且，触摸面板容易清洁，没有开口或洞来聚集污染物。
现有的接触面板设计提供附着到衬底的两面(即，在衬底的“前”面和衬底的“背”面)的触摸板电极。典型地，锡氧化锑(TAO)电极被附着到衬底的“前”面，另外的电极被附着到“背”面。当用户接触TAO电极时，触摸板被激活。这种设计将TAO电极暴露在外，可能会由于擦拭，洗涤剂，和喷砂清理垫而损坏。而且，TAO电极增加了触摸板的成本和复杂性。
触摸板通常使用高阻抗设计，当水或其它液体出现在衬底上时这可能导致触摸板故障。这对于经常出现液体的区域，如厨房提出了一个问题。由于板具有比水高的阻抗，所以水作为由触摸板产生的电场的导体。因此，电场沿着阻抗最低的路径；即，水。而且，由于该高阻抗设计，静电可能导致触摸板故障。由于触摸板的高阻抗，而阻止静电快速消散。
现有的触摸板设计还有与邻近的触摸板之间的串扰的问题。当由一个触摸板产生的电场干扰由邻近的触摸板产生的场时，发生串扰，导致错误的激活，如激活错误的触摸板，或同时激活两个触摸板。
已有的触摸板设计提供单独的无源板。没有有源元件位于触摸板很接近的位置。相反，引线连接每个无源触摸板以激活检测电路。触摸板引线取决于触摸板相对于检测电路的位置而具有不同的长度。而且，引线取决于线路的路由路径而具有不同的形状。引线长度和形状的差异导致每条线路上的信号电平将被衰减到不同的电平。例如，一条长并有许多拐角的引线可能比短且有较少拐角的引线更显著地衰减检测信号。因此，由检测电路接收的信号从一个板到下一个之间变化很大。从而，检测电路必须被设计以补偿信号电平中的大的差异。具有非统一引线长度和形状的触摸板设计还以不可预知的形式对环境产生电磁干扰(Electro-Magnetic Interference，EMI)，并且可能不符合日益严格的电磁兼容(Electro-Magnetic Compatibility，EMC)标准。
许多现有的触摸面板在每个触摸板的临近处使用接地机制，如接地环。这些接地机制代表附加的元件，其必须被放置和附着在每个触摸板附近，从而增加了触摸板的复杂性。此外，某些接地机制对每个单独的触摸板需要不同的配置，以使呈现给检测电路的信号电平的差异最小。因此，需要额外的设计时间来设计各种接地机制。
其它已有的触摸传感系统也以不可预知的形式对环境产生电磁干扰(EMI)，并且可能不符合日益严格的电磁兼容(EMC)标准。
因此，需要一种用于感应操作者的输入的系统，其符合严格的电磁干扰EMI公差和EMC标准。

发明内容
本发明的触摸传感器和方法通过提供附着到绝缘衬底上的有源、低阻抗触摸传感器而解决了上述问题和与现有设计相关的其他问题，并符合严格的EMI公差和EMC标准。本发明的触摸传感器具有选择的板面积的第一导电电极板和基本上以定距离间隔关系围绕第一电极的第二导电电极。所述第二电极定义了一个导电表面积，其基本等于第一电极的选择的板面积。第一电极板可以是封闭、连续的几何形状，其具有提供人肢体充分接触覆盖的区域。有源电元件放置在非常接近电极的位置。
出现在基本上等面积的第一和第二电极上的噪音或干扰信号有效地相互减去以提供EMI的共模抑制。
本发明的触摸板可以用来代替现有的触摸板，或代替传统的开关。当用户用人肢体，如指尖来接触衬底时，触摸板被激活。触摸板可以用来打开或关断设备、调节温度、设置时钟或定时器，或者由传统开关执行的任何其它功能。除了解决与现有触摸板设计相关的问题外，本发明在目前使用膜式开关的应用(如影印机和传真机)中尤其有用。本发明的触摸板设计可以运行在衬底上存在液体的情况和存在静电的情况。该触摸板非常适合用于厨房或其它水、油和其它液体常见的环境，如炉子、烤箱和内置炉灶面的控制面板。
在优选的形式中，触摸板电极被附着到衬底的背面。衬底的背面对着前面或“触摸”面，从而防止用户接触电极。由于触摸板不位于衬底的前面，所以板不会被擦拭、洗涤剂或任何其它接触衬底前面的污染物损坏。此外，由于在衬底的前面上不需要TAO板，所以触摸面板的成本和复杂性降低。
在优选的形式中，振荡器通过增益调节电阻电连接到内部和外部电极，并传递在下降缘具有很陡的斜率的类似方波的信号。该振荡器在外部电极和中心电极之间产生弧形的横向电场。该电场路径是弧形的，并穿过衬底延伸并通过前面，横向地突出衬底的平面。内部和外部电极信号作为共模信号施加到差分传感电路的输入端，并且当内部和外部电极之间的响应的差异足够大时，传感电路改变状态(如，从高到低)。当衬底被受控液体接触时，传感电路状态改变。
在优选的形式中，优选地配置为表面安装的专用集成电路(ASIC)的有源电元件被置于每个传感器。优选地，ASIC连接到每个传感器的中心板电极和外部电极。ASIC用来放大并缓冲传感器处的检测信号，从而减小各个传感器之间的信号电平的差异，该差异是由于不同的引线长度和引线路由路径而产生的。多个传感器可以被布置在衬底上。
应用已经发现，等面积或平衡的板电极设计提供提高的电磁抗扰度，并且格外适用于感应人肢体的存在。噪音或EMI抗扰度来自于对寄生噪音或干扰信号的共模抑制。这种“共模”抑制可归于中心板和外部环电极的等面积，其看来接收基本上相等(当有基本相等的面积时)的寄生噪音或干扰信号或者受其影响，因此，当一个电极的信号被从另一个电极的信号减去时，共同的噪音/干扰信号互相抵消。结合该平衡板设计的传感器比需要附加滤波电路的设计更便宜并更小，其中滤波电路具有扼流圈和电容器或防护层。
用于给电极赋能并感应由电极产生的弧形电场中的变化的电路可选地结合在称为TSl00芯片的ASIC或芯片中，用于感应人肢体(如手指)、金属物体或液体与气体界面的存在。在示例性实施例中，TSl00和导电性印刷电路一起使用，用于有源传感器区域，该区域具有通过偏置电阻连接到TSl00并由随时变场驱动的内部板电极和外部环电极。在产生的弧形电场中的微变通过内部板和外部环电极被感应。已有的板具有不相等的表面积，并被发现具有有限的EMI抗扰度。本发明的平衡、等面积的电极(即，内部板和外部环)优选地具有几乎同样的表面积，并产生对EMI的高度抗扰性或公差的板设计。这种EMI公差在配置满足严格的EMC标准的系统中也是有用的。
本发明的平衡板设计和方法还很适用于需要传感器封装或密封在全浇注外壳中的应用，因为封装或浇注过程相等地影响平衡的不同电极，并使传感器的调节更可预见和可重复。该平衡板设计具有随时间和更宽范围的环境条件而更相容的、可重复的性能，其中环境条件包括温度、湿度的变化和污染物的存在。
平衡板设计可以在平面电路上实施，或者可以使用例如以3-D配置折叠或浇注的弹性衬底被结合进复杂的三维结构中，以提供定向传感。
考虑到下述其特定实施例的详细描述，尤其是当结合附图时，本发明的上述和进一步的特征和优点将变得更加显而易见，其中附图中不同图中的相同的参考标记用于指代相同的元件。


图l是侧视图，根据本发明说明了包括平衡板传感器电极图案的印刷电路板上的导电轨迹(conductive trace)，示出了弧形电场线。
图2是平面图，根据本发明说明了包括平衡板传感器电极图案的印刷电路板上的导电轨迹的元件侧布局。
图3是平面图，根据本发明说明了包括平衡板传感器电极图案的印刷电路板上的导电轨迹的元件侧布局，其具有地平面。
图4是根据本发明说明电路元件和导电轨迹的示意图。
图5是说明在图2和4的印刷电路板上的元件的轮廓的平面图；图6是侧视图，说明了包括双侧平衡板传感器电极图案的印刷电路板的相对侧上的导电轨迹。
图7是平面图，说明了包括双侧平衡板传感器电极图案的印刷电路板的一侧上的导电轨迹的元件侧布局。
图8是说明了在图7的印刷电路板的另一侧上的导电轨迹的非元件侧布局的平面图。
图9a是说明了具有偏移板的平面平衡板传感器电极图案；图9b是图9a的具有抵消板的平面平衡板传感器电极图案的侧视图。
图10是双侧平衡板传感器电极图案的侧视图，其在印刷电路板的相对侧上具有内部和外部环电极。
图11是说明了图10的印刷电路板上的导电轨迹的底侧布局的平面图。
图12是说明了图l0和1l的印刷电路板上的导电轨迹的顶侧布局的平面图。
图13是说明了在弹性衬底上实施的平衡板传感器电极图案设计的平面图。
图14是透视图，根据本发明说明了图13的平衡板传感器电极图案设计，其具有以三维结构缠绕以提供定向传感的弹性衬底。
图15根据本发明说明了具有微凹衬底的聚焦的敏感度平衡触摸传感器的边缘视图。
具体实施例方式
参考图l-5所示的示例性实施例，抗EMI的平衡触摸传感器20包括印刷电路板或衬底21上的导电轨迹，其中该印刷电路板或衬底21带有平衡板传感器电极图案，其具有在第二或外部电极24内的第一板或内部电极22。第二电极24限定了基本等于第一电极22的板表面积的导电表面积。可选的导电接地环25至少部分地围绕第二电极24，以将一个板电极与另一个板电极或周围环境隔离开。如图1中所示，触摸传感器的电场线27感应用户手指、金属物体或液体/气体界面的存在。
单个触摸板传感器20如图l所示，其附着到绝缘衬底21上。衬底21优选地具有基本均匀的厚度，并能够用任何类型的结构支撑绝缘材料，如玻璃，陶瓷或塑料制成。可选地，衬底可能具有变化的厚度，包括降低，只要衬底几何形状以可控的并可再现的方式变化。在优选实施例中，衬底21由纤维强化塑料或环氧树脂制成，并具有均匀的约2mm的厚度。衬底21的厚度随着特定的应用而变化，使得在需要附加力的地方可以使用较厚的衬底。衬底2l可以由弹性材料制成，用于传感器20必须符合非平面形的应用，或需要定向传感器的应用中。
如果衬底21由玻璃制成，则衬底可以薄到约0.1mm，厚到约10mm。如果衬底2l由塑料制成，衬底厚度可以少于1mm，类似于在塑料薄膜开关中使用的材料。薄的衬底2l可以允许触摸板被戴着手套或连指手套的用户操作。
衬底21具有对着背面21b的前面21f(如图1所示)。用户通过触摸衬底2l的前面2lf激活触摸板传感器20。如上所述，触摸板传感器20包括薄的导电的内部电极22，和基本围绕内部电极的、薄的导电的外部电极24。非导电的宽阔PCB表面或沟道26位于内部电极22和外部电极24之间。如在平面图中看到的，电极22和24放置得使沟道26具有基本一致的宽度。
对于用户控制输入或固态触摸开关应用，内部电极22优选具有这样的尺寸，即当接触时，电极基本被用户的指尖或其它肢体覆盖。测试已经显示，相等的面积或平衡板电极设计提供提高的电磁抗扰度，并且格外适用于感应用户手指或人肢体、金属物体的存在，或移动的液体/气体界面的接近(如，指示液面)。
虽然没有希望束缚到任何特定理论，但是噪音或EMI抗扰度看来似乎源于寄生噪音或干扰信号的共模抑制。这种“共模”抑制作用于内部电极22和外部环24的相等面积，其接收或受寄生噪音或干扰信号基本相等地影响(当面积基本相等时)。当一个电极的信号被有效地从另一个电极的信号减去时(如，作为差分电路的输入)，共同的噪音/干扰信号互相抵消。这导致高信噪比。平衡触摸传感器20结合了平衡板设计并且比需要附加滤波电路的设计制造更便宜，并且更小，其中滤波电路具有扼流圈和电容器或防护层(shielding)。电极的信号在差分传感电路中被互相减去，其中差分传感电路作为图4所示的TSl00集成电路30的一部分被包括。
如图2和3所示，内部电极22在平面图中基本呈矩形，并包括交替导电和非导电区域的图案，以提供导电材料的选择的板面积。外部电极24在平面图中具有基本矩形的形状，其符合内部电极22的形状，并被非导电沟道区域26从那里隔开。可以理解，各种封闭的、连续的几何导电形状都可以被用于内部电极22，包括但不限于，矩形、梯形、圆形、椭圆形、三角形、六角形和八角形。不管内部电极22的形状，外部电极24利用提供电极间的空间的沟道26以等间隔关系基本线性地围绕内部电极22。应当进一步理解，各种连续的几何导电形状也可以被用于外部电极24，包括但不限于，矩形、梯形、圆形、椭圆形、三角形、六角形和八角形，只要外部电极24基本线性地围绕内部电极22。
中心电极22可以是导体的固态区域，或者可以具有多个孔或网眼或栅格图案。优选地，中心电极22具有多个共面的电触点，其具有相同的电势。可选地，中心电极可以是不位于一个平面上的三维形状。
如图2和4所示，选通线28连接到外部电极24。ASIC传感器IC提供振荡器输出脉冲列或方波信号给内部电极22和外部电极24。在优选实施例中，振荡器信号是以约32kHz的频率在0和+5伏之间振荡的方波。
如图1和2所示，平衡板或电极图案具有用于内部电极(如内部板22)的导电轨迹面积，其等于(或在PCB制造公差内尽可能等于)相应的外部电极环(如外部电极24)的面积。内部电极22和外部电极24都被固体导电轨迹材料的周界环绕，以提供接地环25。
在周围具有遍布的寄生噪音或干扰信号的环境中，平衡板设计通过共模抑制表现噪音或电磁干扰(EMI)抗扰度，其中中心板和外部环电极每个具有基本相等的寄生噪音或干扰信号接收面积。对于薄的导电轨迹，这个信号接收面积等于导电表面积。周围的寄生噪音或干扰信号导致在内部电极和外部电极中产生基本同样的感生寄生噪音或干扰信号。由于相等的或平衡的接收面积受寄生噪音或干扰信号的影响基本相等，所以当一个电极的信号被从另一个电极的信号减去时，从第一和第二电极感应的寄生噪音/干扰信号对两个电极是公共的，并具有基本相等的幅值，互相抵消。
图2是按比例绘制的，说明包括多个导电轨迹段的中心电极22，该多个导电轨迹段限定了闭合矩形的箱形外围，该外围包括四个壁22a、22b、22c和22d，该四壁围绕十个平行的、拉长的导电段22e、22f、22g、22h、22i、22j、22k、22l、22m和22n，这些导电段沿着它们的长度被非导电衬底表面段彼此分隔，并通过至少一个末端连接到围绕的壁22a、22b、22c和22d中的至少一个。在图2和3的实施例中，内部电极22包括中心区域，其具有非导电轨迹表面积，该表面积由相对的导电段(22g和22j，22h和22k，22i和22l)之间的间隙限定，以提供具有与外部电极24基本相等的表面积或平面面积的内部电极22。对于光触传感器来说，中心区域中的间隙可以使用透光衬底，以允许光通过板面积的中心。
被布置得之间留有间隙的较短导电段(如22g和22j)，可以被构造为圆形末端，如图所示，或者可以具有尖形的末端或方形的末端。
图3说明了印刷电路板21上的导电轨迹的元件侧布局，其中印刷电路板21包括平衡板内部电极22和外部电极24，并具有形成在导电轨迹材料(如铜箔)中的接地环25，其邻近导电地平面32。图3的实施例提供附加的防护层以进一步减少EMI的影响。
在图2和3说明的实施例中，黑色的轨迹表示导电轨迹材料(如铜箔、沉积铜或锡或焊接导电材料)的位置。基本为矩形的内部板22具有约12毫米(mm)的水平延伸，和约9mm的垂直延伸。平行于导电轨迹22e-22m的内部电极板22每个约1mm宽，并且被约等宽的非导电PCB表面部分分隔，其中每个导电轨迹在一端或两端被围绕的导电轨迹材料连接到电阻(如，对板22为R1，如图4示意性所示)。内部电极22不完全被上部外部电极24环绕，上部外部电极24约1.5mm宽，并且连接到“TS100”触摸传感器ASIC 30。传感器ASIC30连接在内部电极22和外部电极24之间，并用作放大和缓冲传感器处的检测信号，从而减小在单个传感器之间的信号电平的差值，该差值是由于不同的引线长度和引线路由路径引起的。
连接到场效应传感器的平衡电极的ASIC30是有源设备，并且，在说明的实施例中，优选地被构造为以美国专利6,320,282中描述的方式运行，该专利被授予Caldwell，将其整体内容结合在这里作为参考。如上所述，简单的平衡场效应单元具有两个电极(如22，24)，一个ASIC(如30)和两个增益调节电阻(34和36)。本发明的TS-100 ASIC的引出脚类似于在’282专利的图4中示出的情况，但是引出脚有细微的变化。TS-100 ASIC可以从触摸传感器LLC获得。具体地，对于在这个申请中示出的TS-100 ASIC，输入电源(Vdd)连接在脚1上，接地连接在脚2上，传感器信号输出连接在脚3上，外部电极电阻(如36)连接到脚4，“振荡器输出”连接在脚5，并且内部板电极电阻(如34)连接到脚6。可选地，ASIC可以被构造为通过使增益调节在ASIC的内部而消除了对增益调节电阻34和36的需求。
场效应传感器或单元的灵敏度通过调节增益调节电阻34和36的值而被调节。
本发明的传感器可以适用于多种应用，并且增益电阻可以被改变，以引起期望的电压响应。本发明的传感器与其它传感器的类似之处在于该传感器对测量的激励的响应必须被调节或校准，以避免饱和(即，增益/灵敏度设置太高)，并避免漏检(即，增益/灵敏度设置太低)。对于多数应用，使传感器响应产生在线性区域的增益调节电阻值是最好的。调节方法典型地将传感器组件放置在目的感应环境中，并且在判定电路的输入处的电路测试点(如在Caldwell的’282专利的图4中的点90和91)被作为阻抗的函数来监视。调节增益调节电阻的阻抗值以提供在传感器的线性响应的中间范围内的输出。
平衡触摸传感器20被测试以判断是否从平衡的板结构产生增强的EMI抗扰度或公差。图4是根据本发明说明和已测试的平衡板传感器电极一起使用的电路元件和导电轨迹的示意图。板布局和元件布置如图5所示。内部电极22与第一增益调节或偏置电阻34串联连接，该第一增益调节或偏置电阻34具有以后作为上述增益调节过程的一部分将要选择的值。类似地，外部电极24与第二调节或偏置电阻36串联连接，该第二调节或偏置电阻36具有以后作为上述调节过程的一部分将要选择的阻抗值。调节或偏置电阻34和36优选地为表面安装设备，额定在十六分之一瓦，具有百分之一(1％)的公差。如图4所示，调节电阻36还连接到选通线28。内部电极22连接到触摸传感器集成电路30的脚6，其是用于内部电极的感应线。外部电极24连接到触摸传感器集成电路30的脚4，其是用于外部电极的感应线。内部电极22和外部电极24还通过偏置电阻34和36连接到触摸传感器ASIC 30的脚5。可选的外围接地环25至少部分地围绕外部电极24，并优选连接到PCB21上的地平面。传感器IC30的脚1连接到5伏电源线，其由5.1伏齐纳二极管42调节，并由电容器40(0.1μF，16V)和电容器44(还是0.1μF，16V)滤波。可选地，变压器46通过一对串联连接的150欧姆的电阻48，50连接到电源输入端62。终端64提供接地连接，终端66是触摸传感器信号终端，其通过可选扼流圈60和串联的10欧姆电阻56连接到传感器IC30。信号线被电容器58(0.1μF，16V)滤波，传感器状态的视觉指示由通过2KΩ电阻52连接的发光二极管(LED)54提供。
在说明的实施例中，当人、液体或金属与衬底21接触时，为用户产生一个指示器信号，可视地指示感应的情况和任何要集成到传感器20的受控设备67的激活。例如，受控设备67可以是船底排水泵(bilge pump)，其当在传感器位置感应或检测到船底液面时被激活；电气用具用电动机或加热元件，其当感应到用户的手指或其它肢体时被激活；或者螺线管或电机，其当在选择的位置(如，沿着轨迹)检测到金属物体时被激活。传感器IC30是有源电元件，并且电耦合到第一和第二电极22，24，使得人、金属或液体与衬底21的接触激活任何与平衡传感器20集成的受控设备67。
现在参考图5的电路布局和图2和3的导电图案，当为一个选择的应用调节原型触摸传感器20时，技术员选择调节或偏置电阻34，36的值，以在原型传感器中提供可接受的灵敏度水平。对于一个给定的传感器20，具有选择的值的调节电阻34，36被焊接在传感器IC30和PCB21上被平衡板电极22，24占用的面积之间的位置。平衡触摸传感器20比非平衡电极结构更容易调节，调节过程更类似于提供可重复的感应性能。一旦确定了调节电阻值，那么那些调节电阻值就可以被用于制造大量传感器。
用于给电极赋能并感应由电极产生的弧形电场27中的变化的电路可以使用离散元件来产生，但是可选地可以结合在集成电路(IC)或称为TS100芯片的芯片中，用于感应人肢体(如手指)、金属物体或液体与空气的界面的存在。在示例性的实施例中，TS100和导电印刷电路板一起用于有源传感器面积，该面积具有通过偏置电阻34，36连接到TS100，并由时变场驱动的内部电极22和外部环电极24。产生的弧形电场中的差动变化通过内部和外部电极22，24被感应到。已有的电极或板不是等表面面积的，并被发现具有相对差的EMI抗扰度。平衡等面积的电极(即，内板22和外环24)优选地具有同样的表面(或平面)面积，并产生具有高EMI抗扰度或公差的板设计。这种EMI公差在配置系统以满足严格的EMC标准时也是有用的。
本发明的平衡的板设计和方法还非常适用于需要传感器封装或密封在全浇注(over molded)外壳中的应用，因为封装或浇注过程相等地影响平衡的差分电极(如22，24)，并使具有偏置电阻34，36的传感器的调节更可预见和可重复。平衡板触摸器20提供随时问和在更宽范围的环境条件中的更一致的、可重复的性能，其中更宽范围的环境条件包括温度、湿度的变化和污染物的存在。
在如图6、7和8所示的第二实施例中，双侧印刷电路板68的两侧制造了双侧平衡电极图案69，其具有在PCB68的第一侧上的第一电极轨迹70，与PCB68的第二侧上的第二电极轨迹72相对。如图6、7和8所示，双侧平衡电极图案69包括元件侧布局(最好参见图7)，其在PCB68的一侧上的均匀间隔的线中具有用于第二电极72的导电轨迹；其中这些线被均匀间隔的非导电沟道73隔开。图8示出了PCB68的另一侧，其承载了在均匀分隔的线中用于第一电极70的导电轨迹，并示出了轨迹间的非导电沟道71。图6的侧视图示出了被稍微偏移的电极图案，以使每个第一电极导电轨迹70位于与第二侧非导电沟道段73相对，并且在沟道任一侧上的相邻的第二电极轨迹72之间，并且每个第二电极导电轨迹72位于与第一侧非导电沟道71相对，并且在每个沟道71的任一侧上的相邻的第一电极轨迹70之间。第一电极轨迹70和第二电极轨迹72基本等面积。
在如图9a和9b所示的第三实施例中，平面平衡板传感器电极图案78包括位于PCB一侧上并且与第二电极82并排的的第一电极板80。图9a说明了具有偏移电极80，82的平面平衡板传感器电极图案78。图9b示出了具有偏移电极80，82和三侧或“U”形接地环84的平面平衡板传感器电极图案78的横截面侧视图。第一电极80和第二电极82是具有基本等面积的导电材料的薄轨迹。如上所述的实施例，第一电极80通过第一偏置或调节电阻34连接到传感器IC30，第二电极82通过第二偏置或调节电阻36连接到传感器IC30。
使用两侧PCB的其它实施例也适用于多种应用。图10、11和12说明了平衡板传感器电极图案90，其具有在印刷电路板88的与外部环电极94相对的侧上的内部环电极92。图11是按比例绘制的图，说明了在图10的印刷电路板上的导电轨迹的底侧布局，其中图10是一个横截面侧视图。两侧印刷电路板88支撑两侧平衡电极图案90，两侧平衡电极图案90具有在PCB88的第一侧上的固态内部圆形电极轨迹92，其与PCB的第二侧上的更大直径的外部环电极轨迹94相对。图12是按比例绘制的图，说明在印刷电路板88上的导电轨迹的顶侧布局。第一电极90和第二电极94是基本等表面积的薄导电轨迹，并且，如上述实施例所示，第一电极90通过第一偏置或调节电阻34连接到传感器IC30，第二电极94通过第二偏置或调节电阻36连接到传感器IC30。
平衡电极设计可以在刚性的平面电路上实现，或者可以使用例如折叠、浇注的弹性衬底结合进复杂的三维结构，或以其它方式成形为三维(3-D)布置，以提供定向传感。图13是在弹性衬底102上实现的平衡板传感器电极图案100的顶部平面图。
如图13所示，传感器可以和并排朝向的电极104，106一起使用。并排结构对感应沿着选择的路径进行移动的物体是有用的，其中电极中的一个(如104)放置得非常接近该路径。处于术语的目的，“并排”应该被广泛地理解为，意味着任何间隔电极朝向不是共轴的或同心的，使得第二电极不围绕或环绕第一板电极。第一电极和第二电极可以被定尺寸和间隔，以使得当并排时，电极间的非导电间隔基本为矩形、三角形或不规则形状。
可替代地，通过折叠弹性PCB或衬底102以将电极放置在不同的平面上，沿着对准轴互相同轴地排列内部电极104和外部电极106的三维(3-D)几何允许对准或定向传感。许多3-D形状都是可能的。图14是透视图，说明了平衡板传感器电极图案设计100，其具有弹性衬底102，该弹性衬底102围绕一个模型或标牌布置，并以三维结构缠绕，以沿着对准轴并且以选择的如0.0715英寸的电极对电极间隔互相同轴地对准内部电极104和外部电极106。这个间隔优选地由厚度等于所选择的间隔的模型或隙片110控制。同轴排列或堆叠的电极还可以沿着斜线排列，具有或不具有接地环，以在穿过衬底的方向上提高传感器单元的灵敏度，同时使单元占用的空间最小。
图15说明了具有微凹衬底122的聚焦的敏感度平衡触摸传感器120的侧视图，其中内部板电极124安装在横向偏移突出凹坑126上。凹坑或突起126从衬底的剩余部分的平面偏移选择的偏移距离128，外部电极130和接地环132安装在衬底122的平面部分。最好调节聚焦的敏感度平衡触摸传感器120以当用户手指134按压凹坑126附近的衬底时允许检测和必需的传感器状态改变，但是当用户将大的肢体如胳膊覆盖在整个传感器120上时，其不被激活，并且不对状态改变起反应。
本领域技术人员可以理解，本发明的方法和传感器系统可获得抗EMI和符合EMC标准的触摸传感器。这里使用的术语“平衡”意味着，当第一触摸传感器电极和第二触摸传感器电极一起使用时(如，在不同的电路中)，第一和第二电极上的噪音或寄生信号的平衡特征将有效地互相抵消，剩下期望的触摸传感器信号。
已经描述了一种新的和改进的方法和结构的优选实施例，应该相信，考虑到这里阐述的教导，将对本领域技术人员建议其它修改，变化和改变。因此，应当理解，所有这些变化，修改和改变将会落在由所附权利要求限定的本发明的范围内。
权利要求
1.一种用于检测人、金属或液体接触并且能够激活受控设备的低阻抗、抗EMI的触摸传感器装置，所述触摸传感器装置包括绝缘衬底，其具有第一和第二相对表面；第一导电电极板，其置于所述衬底的所述第一表面上，以连续形状限定导电材料的选择的板表面积；第二导电电极，其以与所述第一电极板间隔的、共面的和基本围绕的关系置于所述衬底的所述第一表面上，并限定了导电材料的选择的表面积；其中所述第一电极板表面积基本等于所述第二电极表面积；以及有源电元件，其置于所述衬底上，接近所述第一和第二电极，并电耦合到所述第一和第二电极，使得人、金属或液体与所述衬底的接触激活所述受控设备。
2.如权利要求1所述的低阻抗、抗EMI的触摸传感器装置，其中振荡器信号线置于所述衬底上，并电耦合至所述第二电极。
3.如权利要求2所述的低阻抗、抗EMI的触摸传感器装置，其中振荡器信号被施加到所述振荡器线，选通信号在所述第一和第二电极之间产生电场。
4.如权利要求3所述的低阻抗、抗EMI的触摸传感器装置，其中所述电场具有弧形路径，该弧形路径始于所述第二电极，并终止于所述第一电极。
5.如权利要求1所述的低阻抗、抗EMI的触摸传感器装置，还包括感应线，其置于所述衬底上，并连接到所述第一电极。
6.如权利要求5所述的低阻抗、抗EMI的触摸传感器装置，其中所述触摸传感器产生指示所述触摸传感器的状态的检测信号。
7.如权利要求6所述的低阻抗、抗EMI的触摸传感器装置，其中当所述人、金属或液体接触所述衬底时，所述检测信号的电平改变。
8.如权利要求1所述的低阻抗、抗EMI的触摸传感器装置，其中所述衬底由从玻璃、塑料和玻璃纤维强化环氧树脂组成的组中所选择的材料制成。
9.如权利要求1所述的低阻抗、抗EMI的触摸传感器装置，其中沟槽位于所述第一和第二电极之间，所述沟槽具有通常均匀的宽度。
10.如权利要求1所述的低阻抗、抗EMI的触摸传感器装置，其中多个所述传感器电极置于所述衬底的所述第一表面上。
11.一种用于检测人、金属或液体的接触并能够激活受控设备的低阻抗、抗EMI的触摸传感器装置，所述触摸传感器装置包括绝缘衬底，其具有第一和第二相对表面；第一导电电极板，其以封闭、连续的形状置于所述衬底上，具有选择的导电表面积以提供接触区域；第二导电电极，其以与所述第一电极间隔的关系置于载板上，并限定了选择的第二电极导电表面积；其中所述第一电极的导电表面积基本等于所述第二电极的导电表面积；有源电元件，其置于所述载板上，接近所述第一和第二电极，并电耦合到所述第一和第二电极；以及以使得人、金属或液体与所述衬底的接触激活所述受控设备。
12.如权利要求11所述的低阻抗、抗EMI的触摸传感器装置，其中所述衬底的所述第一表面是非触摸表面，所述衬底的所述第二表面是触摸表面。
13.如权利要求11所述的低阻抗、抗EMI的触摸传感器装置，其中所述衬底的所述第一表面承载所述第一电极和与所述第一电极并排的所述第二电极。
14.如权利要求13所述的低阻抗、抗EMI的触摸传感器装置，其中所述衬底是弹性的，并适于符合任意的三维形状。
15.如权利要求11所述的低阻抗、抗EMI的触摸传感器装置，还包括发光二极管，其置于所述衬底上，接近所述第一和第二电极，并通过所述有源电元件电耦合至所述第一和第二电极，使得与所述衬底的接触可视地指示所述受控设备的激活。
16.如权利要求11所述的低阻抗、抗EMI的触摸传感器装置，还包括至少一个电阻，其置于所述衬底的所述第一表面上，并电耦合在所述第一和第二电极之间。
17.一种用于检测人的触摸并且能够产生用于激活受控设备的控制输入检测信号的传感器，所述传感器包括具有基本均匀厚度的绝缘衬底，其具有第一和第二相对表面；第一导电电极板，其以封闭、连续的形状覆盖所述衬底的所述第一表面上的选择的面积，该形状具有提供基本覆盖人与所述衬底第二表面的接触的面积；第二导电电极，其以与所述第一电极板间隔并基本围绕的关系覆盖所述衬底的所述第一表面上的选择的面积；有源电元件，其置于所述衬底上，接近所述第一和第二电极，并电耦合到所述第一和第二电极，使得人与所述衬底第二表面的接触激活所述受控设备；其中置于所述衬底的所述第一表面上的第一薄导电电极板包括平衡板电极，该平衡板电极的表面积基本等于所述第二导电电极的表面积。
18.如权利要求17所述的传感器，其中所述平衡板电极包括基本为平面的电极，其具有多个相互连接的导电轨迹，这些导电轨迹由非导电绝缘材料段隔开。
19.如权利要求18所述的传感器，其中所述平衡板电极具有基本为矩形的导电周界。
20.如权利要求17所述的传感器，其中所述衬底包括一个平面，其承载横向突起，并且其中所述平衡板电极被偏移并置于所述横向突起上，并且所述第二电极置于所述衬底平面上，与所述偏移板电极基本同心对准。
21.一种用于检测人的触摸并能够产生用于激活受控设备的控制输入检测信号的传感器，所述传感器包括具有基本均匀厚度的绝缘衬底，其具有第一和第二相对表面；第一导电电极板，其以封闭、连续的形状覆盖所述衬底的所述第一表面上的选择的面积，该形状具有提供基本覆盖人与所述衬底第二表面的接触的面积；第二导电电极，当在平面图中看时，其以与所述第一电极板间隔并基本围绕的关系覆盖所述衬底的所述第二表面上的选择的面积；有源电元件，其置于所述衬底上，接近所述第一和第二电极，并电耦合到所述第一和第二电极，使得人与所述衬底第二表面的接触激活所述受控设备；其中所述第一导电电极板包括平衡板电极，该平衡板电极的表面积基本等于所述第二导电电极的表面积。
22.如权利要求21所述的传感器，其中所述平衡板电极包括基本平面的圆形导电电极。
23.如权利要求22所述的传感器，其中所述第二导电电极包括周围基本为平面的导体电极。
24.如权利要求21所述的传感器，其中所述第一电极板包括平行、拉伸、基本平面的导电电极段的第一阵列，其中这些导体电极段都在一端由第一横向导电段连接，并由拉伸的非导电段侧向隔开。
25.如权利要求24所述的传感器，其中所述第二导电电极包括平行、拉伸、基本平面的导体电极段的第二阵列，其中这些导体电极段都在一端由第二横向导电段连接，并由拉伸的非导电段侧向隔开，其中所述第二阵列在所述衬底上从所述第一阵列偏移，使得所述第一阵列的平行、拉伸、导电的电极段每一个都与所述第二阵列的拉伸非导电段对准。
26.一种用于处理触摸传感器场效应信号的方法，包括(a)提供绝缘衬底；(b)提供第一导电电极板，其以封闭、连续的几何形状覆盖所述衬底上的选择的表面积；(c)提供第二导电电极板，其以与所述第一电极板间隔的关系覆盖所述衬底上的选择的表面积；其中所述第一导电电极板的表面积基本等于所述第二导电电极的表面积；(d)在所述第一电极和所述第二电极之间产生弧形电场；(e)感应所述电场中的变化；(f)感应所述第一电极和所述第二电极上的寄生或EMI信号；以及(g)当所述寄生或EMI信号出现在所述第一和第二电极上时，抑制所述寄生或EMI信号。
全文摘要
一种抗EMI、低电阻的触摸传感器检测操作者的肢体或身体部分、金属物体与绝缘衬底的接触，或移动的液体/气体界面的接近。该触摸传感器包括第一导电电极板和基本等面积的第二导电电极，该第二导电电极通过非导电的绝缘体沟道与第一电极间隔开。该第一和第二电极可选地置于衬底的同一表面上。包括振荡器和差分传感电路的有源电元件位于衬底上，接近第一和第二电极，并电耦合至第一和第二电极。出现在基本等面积的第一和第二电极上的噪音或干扰信号通过提供EMI共模抑制而互相减去。
文档编号H03K17/94GK101019322SQ200580028065
公开日2007年8月15日 申请日期2005年6月23日 优先权日2004年6月24日
发明者罗杰·D·布尔迪, 迈克尔·乔恩·泰勒 申请人:触摸传感器技术有限责任公司