专利名称：用于确定触摸输入的装置和方法
技术领域：
本发明涉及用于感测触摸面上的触摸输入的装置和方法，并且更特别地，涉及用于检测触摸输入的电子电路和方法。
背景技术：
触摸面上的触摸输入被广泛地用作输入方法(input methodology) 0连同设备 (appliance)控制面板、智能电话和其他手持装置一起，触摸输入可能是人所共知的。然而， 触摸屏和触摸输入正在各种各样的应用上作为用户界面而获得广泛地接受。触摸面对于触摸具有合适的敏感度也是重要的。如果所述表面是“太敏感”的，则其可能对噪音是敏感的 (susc印tible)，或者其可能记录(register)错误的触摸。如果所述表面是“太不敏感”的， 则其可能不能精确地记录所期望的触摸，或不能完全地记录触摸。具有对触摸的改进的敏感度，电容感测已被良好地确立为检测各种刺激(包括触摸输入)的方法。电容传感器通常需要典型地被称为电极、元件、或板的至少一个电子元件。在一些情况下，可以存在一个、两个或更多电容电极、元件或板的网络。这些元件在几何上被设计为导致形成非刺激状态以及刺激状态两者中的网络电场。基于非刺激状态和刺激状态之间的差异产生输出的许多方法是本领域已知的。根据一种已知的方法，提供包括至少一个电极的电容传感器。所述电极在几何上可以被设计为检测由于刺激(例如附近对象的出现)而引起的电容变化。测量电路将所述电极的输出转换为与所述电极的所述电容变化线性成比例或非线性成比例的电压、电流、频率、周期或脉冲宽度。随后，所述电子测量电路相对于预定的参考值评估所述电容变化。电容变化超过所述预定的参考值指示所述对象接近所述电容传感器。关于前述方法的问题包括(1)不能补偿不同对象之间的电介质差异；( 对环境条件的敏感性；(3)不能补偿制造公差和组件材料的差异；以及⑷当被配置为触摸传感器时，不管手指是否是戴手套的，均不能检测所述触摸面处的输入。为了(in an attempt to) 克服前述问题，已知的测量电路典型地在各种非刺激条件上平均所述电容输出以获得所期望的参考值。随后，所述作为结果产生的(resulting)参考值可以被用于确定是否存在足够指示有效刺激的出现的成比例的变化(如上所述)。然而，平均的或补偿的参考值的确定经常需要软件或专用微控制器中的处理，这些而又会对所述整个系统增加成本以及不需要的复杂性。即使使用平均算法，一些变量(诸如增加的触摸基底厚度)不能被充分地补偿以消除敏感性差异。例如，考虑如图1中所示的，提供电容传感器20以感测靠着(against)给定的基底M的人的手指22。当将所述手指22带向所述基底M时，其随着变化的接近度观、30、 32、34、36而接近电极26。一旦所述手指22已经接近并移动到第一距离观，所述电极沈和对应的测量电路38将试图检测如上所述的刺激，其中输出与所述刺激成比例。在该第一距离处，所述手指实际上距所述电极沈足够远，以致实际上不存在刺激条件。然而，当所述手指22接近所述基底时，所述测量电路38评估相对于所述预定参考值的刺激的程度，以确定有效刺激的出现或未出现。为了考虑(account for)环境中的变化，可以设置若干参考值以最佳的识别有效刺激事件。然而，这种系统将必须考虑(account for)多个因素，包括结构材料的组成和差异，不同材料的厚度差异，这些材料的接合(bonding)的制造工艺和差异， 所述(一个或多个)电极的尺寸的尺寸公差，以及用户的敏感度偏好。可替代地，现有技术系统能够在各种非刺激条件上平均所述电容输出，以获得单个的、补偿的参考值。然而，补偿的参考值的所述确定可能是昂贵的以及不实际的，因为需要软件或专用微控制器中的处理，并潜在地延迟所述相关联的电容传感器的响应时间，以及当所述电容传感器被配置作为触摸传感器时，最终可能不能克服敏感性差异或检测有效刺激(诸如戴手套的或不戴手套的手指)。
发明内容
通过本发明，前述问题被克服，在本发明中，通过监视刺激(诸如手指)的位置相对于触摸面的变化率而确定触摸输入。当所述变化率落入最小值之下时触摸被确定，推定所述刺激何时接合(engage)所述表面。在所公开的实施例中，所述装置包括电容传感器，所述电容传感器具有电极和处理单元，所述处理单元被电耦合到所述电极并被配置为基于所述电极电容的所述变化率确定刺激的出现。所述装置可以进一步包括邻近所述电极的基底，其中所述刺激对应于对象靠着(against)或接近所述基底的位置。所述处理单元被配置为响应于所述电极电容的所述变化率小于第一预定值，并响应于所述电极电容的绝对值大于第二预定值而确定刺激的出现。在本发明的另一方面，提供了用于检测刺激的方法。所述方法包括提供电容传感器、所述电容传感器包括输出，测量所述电容传感器输出的变化率，以及基于所述电容传感器输出的所述变化率确定刺激的出现。所述方法进一步包括基于所述电容传感器的所述变化率小于第一参考值而确定对象已经相对于所述电容传感器停止移动。所述测量步骤包括在连续的采样间隔上检测所述电容传感器输出中的变化，以及所述刺激可以对应于邻近所述电容传感器的金属传感器(例如RPM传感器)或靠着基底压在所述电容传感器上面的对象的位置。当根据附图和随附的权利要求查看时，根据本发明的以下描述，本发明的这些和其他特征和优势将变得显而易见。
图1是电容传感器和相关联的测量电路的表示。图2是示出了本发明的实施例的控制流的流程图。图3A-;3B是根据本发明的实施例的测量和定时接口电路的功能框图。图4是图3A的所述测量电路的电容传感器102的电路图。图5是图3A的所述测量电路的刺激检测电路104的电路图。
图6是图3A的所述测量电路的输入锁存缓冲器106的电路图。图7是图3A的所述测量电路的第一时域差分锁存缓冲器108的电路图。图8是图3A的所述测量电路的第二时域差分锁存缓冲器110的电路图。图9是图3A的所述测量电路的阈值锁存缓冲器112的电路图。图10是用于图3A的所述测量电路的时序图。图11是图示了图3A的所述测量电路的输入锁存和刺激率的电压对时间(voltage versustime)的图。图12是图示了图3A的所述测量电路的时间差分输出的电压对时间的图。图13是图示了图3A的所述测量电路的输出的电压对时间的图。
具体实施例方式如在此处设想(contemplated)和公开的本发明可以相对于已知的电容传感系统和方法极大地提高电容传感器的性能。特别地，下面提出的系统和方法利用电容传感器输出的变化率，当对象从某远距离处接近所述电容传感器时所述电容传感器输出的变化率的绝对值保持为正，并且当所述对象相对于所述电容传感器停止移动时所述变化率迅速下降。例如，再次考虑图1，图1描绘了正在朝向触摸基底M、电容传感器沈和相关联的测量电路38移动的人的手指22。当所述手指22位于相对于所述基底M的第一距离观时，所述手指22离所述电容传感器沈足够远，以致实际上不存在刺激条件。如果所述手指22被移动到更近处而位于第二距离30，则在所述电容传感器沈处会存在少量的电容改变以及因此由所述测量电路38检测到的成比例的变化。如果所述手指22被移到第三距离 32或第四距离34，则基于更接近所述电容传感器沈而存在甚至更大的电容改变的插入。 此外，当所述手指22接近所述电容传感器沈时，所述传感器输出的所述变化率的绝对值已保持为正。然而，当所述手指靠着所述基底M压在所述电容传感器26上面而停止移动时，所述电容传感器输出相对于(with respect to)时间的所述变化率(ds/dt)将下降至零，或接近零。当然，当所述手指22接触到所述基底M时，ds/dt可以继续保持为正直到所述指尖22已停止移动并在来自所述用户的较大压力下使其自身与所述基底表面相适配 (conformed itself to the substrate surface)。然而，如果所述手指22接触到并随后随着施加的很小的压力而立即停止移动，则ds/dt会显著地下降。在每种情况下，所述测量电路38可以提供基于ds/dt的输出以指示所述手指已压紧所述触摸基底M。虽然被描述为法线移动到所述触摸基底对，但所述测量电路100同样地适合于响应对象沿着或平行于所述触摸基底M的移动而提供输出。根据图2，显示了用于根据本发明的实施例产生输出以指示有效刺激的方法的框图。所述方法包括在步骤50和时间T1处测量电容传感器的输出，或“传感输入(Sense Input) ”。随后，在步骤52将所述“传感输入”锁存或存储为用于将来的变化率计算的“上次输入(Last Input) 步骤M指示连续的控制环的开始，包括在步骤Μ、在时间T2处测量电容传感器的输出的步骤。在步骤56，将来自时间T2的所述传感输入与定位点(setpoint) 值相比较。所述定位点值对应于在其中允许有效输入的邻近区域，并能够被宽松地设置以提供复位，用于在未出现有效刺激时将所述输出切换(toggle)为关。即，所述定位点被设置以对应于所述基底表面M之上的距离。例如，如果在步骤56在时间T2处的所述传感输入没有超过所述定位点，则在步骤58所述对象被评估为在所述邻近区域之外或之上，并且所述输出为“关”。然而，如果在步骤56所述传感输入超过所述定位点值，则所述对象被评估为在所述邻近区域之内。在该情况下，在步骤60通过确定在时间T2处的所述传感输入和在时间T1处的所述上次输入之间的差异(ds)，以及对于所述连续的操作控制环的给定期间 (dt)，ds/dt被确定。对象越快朝向所述电容传感器移动，ds/dt的值越大。相反地，所述对象越慢接近所述电容传感器，ds/dt的值越低。在步骤62，将ds/dt与阈值进行比较。如果在步骤62，ds/dt超过所述阈值，则通过将来自时间T2的所述传感输入锁存为所述上次输入。在步骤64所述处理重新开始。然而，如果在步骤62，ds/dt落入所述阈值之下，则在步骤66产生输出以指示所述对象相对于所述电容传感器已停止移动，或已经几乎停止移动。 同样地，如果在步骤62，ds/dt落入所述阈值之下并且如果在步骤56所述传感输入随后被确定为小于所述定位点值，则所述对象可以被确定为已从所述电容传感器退回。应该注意的是也可以使用上面所公开的方法的可替代实施例。在一个实施例中， 例如，处理步骤50和52被省略。在该实施例中，所述方法开始于在步骤M和在时间T1确定所述传感值。在未出现针对时间Ttl的有效上次输入时，所述控制环的第一迭代的结果被简单地忽略。在这方面，在步骤64中将来自时间T1的所述传感输入存储为所述上次输入， 用于与所述控制环的第二迭代中来自时间T2的所述传感输入相比较。在又另一实施例中， 决定步骤56和处理步骤58被省略。在该实施例中，基于决定步骤62的所述输出(即相对于阈值的ds/dt)确定有效刺激条件的出现或未出现。可替代地，可以基于ds/dt的值确定有效刺激条件的出现或未出现，而不管阈值。在该例子中，从正ds/dt过渡到负ds/dt可以指示有效触摸输入(例如，对象短暂地接触触摸基底)。可替代地，可以将在连续的扫描间隔上的处理块60的输出与目标曲线(profile)相比较，用于确定有效刺激条件的出现或未出现。或用于在不同的刺激条件之间进行区别。可替代地，处理快60的所述输出可以与最大值相比较以区别噪音和静电放电。同样地，上面所公开的方法可以包括附加的决定块 (未示出)以将处理块60的所述输出与最小值相比较，以辨别(discriminate against)由例如环境温度或湿度的改变引起的慢的电容变化。因此，本发明提供了用于基于ds/dt (单独和结合一个或多个参考值两者并跨越各种应用)确定有效刺激条件的方法。图3A-;3B示出了根据本发明的实施例的用于电容传感器的测量电路100和定时接口电路101。图3A中提出的所述测量电路100仅是用于基于电容传感器输出相对于时间的变化率(ds/dt)而确定邻近对象的出现的集成电路的一个例子。根据图3A，所述测量电路 100在功能项上(in functional terms)被图示为包括以下子单元刺激检测电路104，用于检测电容传感器102的输出中的变化；输入锁存缓冲器106，用于锁存并缓冲所述刺激检测104输出；时域差分测量电路108，以确定所述电容传感器输出相对于时间的所述变化率 (ds/dt)；时域差分比较器电路110，以将与ds/dt成比例的值与第一预定参考值相比较；以及刺激比较器电路112，以将与所述电容传感器输出成比例的值与第二预定参考值相比较。 此外，图:3B中示出了定时接口电路101，用于为如下面结合图10所论述的所述测量电路 101提供控制信号。如图;3B中所示的所述定时接口电路101包括偏移输出(bias output)、 干线电压(rail voltage)输入、接地和一系列到所述测量电路100的每个对应的子单元的电连接。虽然没有示出，所述定时接口电路101也可以包括用于接收启动信号的输入，例如脉冲波形。现在返回到图3A，所述测量电路100包括分别对应于决定步骤62和56的输出的第一数字输出114和第二数字输出116，如上面结合图2所描述的。特别地，被标记为TDD_ OUTPUT的所述第一数字输出114是以指示与ds/dt成比例的值是否超过第一参考值的值。 相似地，被标记为THRESH_0UTPUT的所述第二数字输出116是以指示与所述电容传感器输出成比例的值是否超过第二参考值的值。因此，结合上面结合图2所论述的方法的数字逻辑中可以使用所所述输出114、116，以确定邻近对象的出现。此外，虽然图3A-3B中所示为模拟实施例，应该注意使用数字逻辑中使用已知的软件方法的微控制器，可以相似地实现所述测量电路100和所述定时电路101中的任一个或两者的功能性。例如，利用微控制器， 可以使用具有计数器的比较器、模拟到数字转换器和如本领域中已知的其他各种装置测量电容输出。根据图4，电容传感器102被提供以模仿(model)对应于对象朝向和远离所述电容传感器的移动的所述电容变化。图4中的所述电容传感器104被选择以包括主电极 120(0. IpF)，所述主电极被电耦合到一系列次电极122(0. OlpF)。所述主电极120表示没有刺激的基电容。为了模拟对象朝向所述电容传感器102的移动，振荡器126以1. 2ms间隔驱动一系列压控开关128以增量地增加所述电容传感器102的电容，类似于在其中正在接近的对象可以增加所述电容传感器的电容的方式。由于所述振荡器波形是如在图11中所示的斜坡波形，故所述振荡器也增量地降低所述电容传感器102的电容，类似于在其中正在退回的对象可以将所述电容传感器的电容返回到标称水平(nominal levels)的方式。 在本实施例中，所述振荡器波形包括2. OV的峰值电压和大约的上升时间以近似所述最小周期，在其中人的手指可以从电极120，122的有效范围之外接近所述电容传感器102。 此外，所述振荡器126物理上不是所述电容传感器102的一部分，而是被用于便于说明电容是如何被邻近对象插入所述电容传感器中的。如本领域普通技术人员将会理解的，图4的所述电容传感器可以可替代地由可变电容器表示。此外，为了说明的目的选择图4中所示的所述特定电容传感器102，并且本发明的所述测量电路100可以连同具有输出的任何电容传感器102 —起而被使用。现在参考图5，刺激检测电路104被提供，用于检测电容传感器102的输出。当下面结合图5论述所述特定的电路时，应该注意也可以使用可操作以检测电容传感器102 的输出的任何刺激检测电路104。图5中的所述刺激检测电路104包括输入132，所述输入132被电耦合到N-MOS有源器件134的栅极端子(gate terminal)，以及通过4k Ω低阻抗负载136被电耦合到所述N-MOS有源器件134的源极端子(source terminal)。通过向串联耦合的P-MOS有源器件138和N-MOS有源器件140的各个栅极端子施加控制-选通(control-strobe)波形(被标记为CTRL_STR0BE)，所述输入端子132中的电压值被选择性地监视。作为结果产生的推-拉驱动141被连接到所述N-MOS有源器件134的所述源极端子，并且被连接到低阻抗负载136的端子。此外，控制-电荷输入144横跨反相器 (inverter) 146而向P-MOS有源器件148的所述栅极端子施加选通波形(被标记为CTRL_ CHRG)，以将电容器件150拉到3. 3V。在所述控制-选通波形之前的预定时期施加所述控制-电荷波形。所述1. OpF采样和保持电容器150被连接在所述P-MOS有源器件148的漏极端子和接地之间，以收集与所述电容传感器102的输出成比例的电荷。PNP晶体管152以及采样和保持电容器150被配置作为负峰值检测器，其存储与所述电容传感器102的所述电容输出成比例的电压。该存储在电容器150中的电压被提供作为到缓冲器IM的输入。 缓冲器巧4是包括到干线电压(VDDA)、接地(VSSA)、偏移(IBIAS)、正输入(INP)和负输入 (INN)的电连接的单位增益运算放大器。此外，PD和XPA可以被用于使op-amp无效，其在本实施例中被显示为持续地打开。如所显示的，所述缓冲器154向所述输入锁存缓冲器106 提供低阻抗输出156。现在参考图6，所述低阻抗刺激检测器输出156被电耦合到所述输入锁存缓冲器 106的所述输入端子158。如上所述，所述输入锁存缓冲器106可操作以缓冲所述刺激检测输出156，用于传递到(pass through to)所述时域差分测量电路108和所述刺激比较器电路112。所述输入锁存缓冲器输入158被电耦合到传输门160，其可操作以将所述输入电压传递到0. 5pF采样和保持电容器162。所述传输门160通过反相器166、168和170凭借 (via)控制信号(被标记为CTRL_INP)而工作。传输门160包括到干线电压(VDD)、接地 (VSS)以及控制所述传输门160的操作的EN和EP的电连接。如果所述控制信号为高，例如EN为正并且EP为负，则所述传输门可操作以将所述输入电压传递到所述采样和保持电容器162。如果所述控制信号为低，例如EN为负并且EP为正，则所述传输门不将所述输入电压传递到所述采样和保持电容器162。因此，所述控制信号提供了 3.3V，3ys选通波形， 以选择性地将刺激检测电路104的所述输出传送到所述采样和保持电容器162。存储在电容器162中的该电压被提供作为到缓冲器172的输入。缓冲器172可操作以防止所述输入锁存缓冲器106装载连续电路或否则(or otherwise)干扰它们的操作，并且向所述输入锁存缓冲器输出174提供功率增益。以如上面结合缓冲器IM而论述的同样的方式，缓冲器 174是包括到干线电压(VDDA)、接地(VSSA)、偏移(IBIAS)、正输入(INP)和负输入(INN) 的电连接的单位增益运算放大器。所述输入锁存缓冲器106的所述输出端子174被电耦合到所述时域差分测量电路 108的所述输入端子176。如上所述，所述时域差分测量电路108可操作以确定所述可应用的控制环的连续迭代之间的ds/dt。现在参考图7，所述时域差分测量电路108的输入被电连接为经过传输门178，其而又凭借总是打开的控制信号(被标记为CTRL_TDD)而被操作。所述传输门178可操作以将所述输入电压传递到0. 5pF采样和保持电容器190、192，并实际上将所述传输门178输出从所述输入端子176隔离。如可选地所显示的，所述传输门 178适合于在其中存在多个到所述时域差分测量电路108的输入的潜在的应用。例如，在仅一个电容传感器被测量的地方，不需要所述传输门178。同样如在图7中所示的，存储在采样和保持电容器190和192中的所述(一个或多个)电压被提供分别作为到缓冲器198 和200的输入。以如上面所论述的同样的方式，所述时域差分测量电路108中的每个缓冲器198、200是包括到干线电压(VDDA)、接地(VSSA)、偏移(IBIAS)、正输入(INP)和负输入 (INN)的电连接的单位增益运算放大器。“last pass”缓冲器198(被标记为LAST_P_0UT) 的输出施加给差分放大器202作为所述正输入或非反相输入(INP)。相似地，“this pass" 缓冲器200 (被标记为THIS_P_0UT)的输出被施加给差分放大器202作为负输入或反相输入(INN)。因此，所述差分放大器输出与连续采样上的输入电压之间的变化成比例。在工作中，所述定时接口电路101在时间T1处经由端子204和反相器206、208、210将传输门控制信号(被标记为CTRL_LAST_P)施加到传输门194，以实际上将所述输入锁存输出174传递到所述“last pass”采样和保持电容器190。作为结果产生的、被存储在电容器190上的电压(被标记为LAST_P_H0LD)对应于图2的处理步骤64中的所述上次输入。在时间T2 处，所述定时接口电路101经由端子212和反相器214、216、218将传输门控制信号(被标记为CTRL_THIS_P)施加给所述传输门196，以实际上将所述输入锁存输出174传递到所述 "this pass”采样和保持电容器192。作为结果产生的、被存储在电容器192上的电压(被标记为THIS_P_H0LD)对应于图2的处理步骤M中的所述传感输入。如上所述，所述对应的电压(LAST_P_H0LD和THIS_P_H0LD)分别通过运算放大器198、200而被缓冲，并且被传送到差分放大器202。当电阻性负载Rl = R3以及R2 = R4时，根据以下公式确定所述差分放大器输出(被标记为TDD_DETECT)TDD_DETECT = R2/R1* (LAST_P_0UT_THIS_P_0UT)此外，应该注意电阻性负载 Rl、 R2、R3、R4是常量并可以根据所期望的敏感度而被预选。因此，作为结果产生的输出TDD_ DETECT与所述电容传感器输出相对于时间的变化率成比例(k*ds/dt)。现在参考图8，所述时域差分测量电路108的所述输出端子被电耦合到所述时域差分比较器电路110的所述输入端子2 。所述时域差分比较器电路输入2 电耦合到传输门228，其可操作以将所述输入电压传递到0. 5pF采样和保持电容器230。所述传输门2 通过反相器234、236和238凭借控制信号(被标记为CTRL_TDD_0UT)而工作。传输门2 包括电连接干线电压(VDD)、接地(VSS)以及控制所述传输门2 的操作的EN和EP。如果所述控制信号低，例如EN为负以及EP为正，则所述传输门2 不将所述输入电压传递到所述采样和保持电容器230。相反地，如果所述控制信号为高，例如EN为正以及EP为负，则所述传输门2 可操作以将所述输入电压传递到所述采样和保持电容器230。该作为结果产生的、被存储在电容器230中的电压(被标记为TDD_H0LD)被提供作为到比较器MO的输入。所述比较器240包括到干线电压(VDDA)、接地(VSSA)、偏移(IBIAS)、正输入(INP)和负输入(INN)的电连接。此外，XPD和PD被提供以使所述比较器240无效，在本实施例中其保持在“开(on)”状态。所述比较器240可操作用于将TDD_H0LD与第一预定参考值相比较。高参考值将需要较大的变化率(ds/dt)以产生输出，以及同样的，较低的参考值将需要较低的变化率(ds/dt)以产生输出。分压器242被连接在干线电压和接地之间并且被选择以向所述比较器负或反相输入(INN)提供稳定的参考电压。当所述非反相输入(INP)处于比所述反相输入(INN)更高的电压时，所述比较器输出被标记为TDD_0UT)为高。相反地，当所述非反相输入处于比所述反相输入更低的电压时，所述比较器输出244为低。在本实施例中，高输出可以指示对象正在接近所述电容传感器102，具有在最小参考值之上的正变化率，而低输出可以指示对象已经相对于所述电容传感器102停止移动或几乎停止移动，或正在从所述电容传感器102退开。现在参考图9，所述测量电路100也包括被电耦合到所述输入锁存缓冲器106的所述输出174的刺激比较器电路112。如图2的决定步骤56中所显示的，所述刺激比较器电路112可操作以将当前相关的传感输入与第二参考值相比较，以确定对象是否在如早先所提及的预定区域或邻近区域内。所述刺激比较器电路输入246被电耦合到传输门M8，其可操作以将所述输入电压传递到0. 5pF采样和保持电容器250。所述传输门M8以如上面所述的方式工作，响应控制信号(被标记为CTRL_THRESH)以从对应的输入隔离所述传输门输出。被提供到所述采样和保持电容器250的电压自身被提供作为用于比较器沈0的非反相输入(INP)，其将所述当前相关的传感输入电压与所述第二预定参考值相比较。第二分压器262被连接在所述干线电压和接地之间，以向所述比较器反相输入(INN)提供稳定的阈值电压。当所述非反相输入处于比所述反相输入更高的电压时，所述比较器输出264(被标记为THRESH_0UT)为高。相反地，当所述非反相输入处于比所述反相输入更低的电压时，所述比较器260输出为低。在本实施例中，高输出可以指示对象接近所述电容传感器或在预定区域内，而低输出可以指示未出现接近所述电容传感器的对象，或在预定区域之外，其中可以根据如上所述的用户偏好变化所述区域。在图10中示出了根据本实施例的控制信号的先后顺序(sequencing)。在给定的扫描间隔之前，所述定时接口电路101在输入204提供控制信号(CTRL_LAST_P)以用对应于图2中的块64处的上次输入的值对图7中的采样和保持电容器190充电。该波形(象图 10中所示的剩余波形(remaining waveforms))可以包括3. 3V峰值电压和3. 0 μ s脉冲宽度。在2μ s间隔之后，以及开始当前扫描间隔，所述定时接口电路101通过反相器146向 P-MOS有源器件148提供控制信号(CTRL_CHRG)以用3. 3V干线电压对图5中的采样和保持电容器150充电。在2μ s间隔之后，所述定时接口电路101在输入142向推拉驱动141 提供控制信号(CTRL_STR0BE)，其导致N-MOS有源器件134在I3K-OUT输出与所述电容传感器输出130成比例的负脉冲。负峰值检测器晶体管152以及采样和保持电容器150获取与 PK_0UT成比例的电压并在缓冲器154的输入处保持该值(PK_DETECT_0UT)。在采样和保持电容器150处的电压因此在输出156处被缓冲。在2μ s间隔之后，定时接口电路101向图 6中的输入175提供控制信号(CTRL_INP)以使所述刺激检测器输出156能够传递到采样和保持电容器162。依次，所述输入锁存缓冲器输出174(0utput 174 out)横跨图7中的传输门178而被施加。在2 μ s间隔之后，所述定时接口电路101向图7中的输入212提供控制信号(CTRL_THIS_P)，以用与用于当前扫描间隔的所述输入锁存缓冲器输出成比例的电压对采样和保持电容器192充电。如上面所论述的，所述时域差分测量电路110的输出随后被产生以对应于所述电容传感器输出相对于时间的变化率(ds/dt)。在2μ s间隔之后，定时接口电路101向图8中的输入232提供控制信号(CTRL_TDD_0UT)以用与ds/dt成比例的电压(用于在比较器MO中与所述第一参考值相比较)对采样和保持电容器230充电。 最后，定时接口电路101向图9的输入252提供控制信号(CTRL_THRESH)以用与所述电容传感器输出成比例的值(用于在比较器260中与所述第二参考值相比较)对采样和保持电容器250充电。可以根据图11-13进一步理解所述测量电路100的操作。开始于时间Ttl，所示为图11-12的χ轴上的％is，如上面结合图4所论述的，电容被增加和去除，并且如图11中所示的刺激率。所述插入时期大约2%is，随后是在相等时间期间上的电容的相似的减小。当手指(i)从所述电容传感器的有效范围之外的起始位置接近所述触摸基底，( )压紧所述触摸基底，以及(iii)返回到所述起始位置时，所述48ms时期被选择以接近所述电容传感器的所述输出。如本领域普通技术人员将会理解的，图11中的所述刺激率是近似值，并且可能不精确地与在出现人的手指的情况下的所述电容传感器输出相关联。同样如图11中所示的，所述输入锁存缓冲器输出(INPUT_LATCH)以与当手指接近所述触摸表面时所检测的电容的量成反向关系的方式而变化。特别地，图11图示了在所述输入锁存缓冲器输出中的从标称2. 3V到1. 3V的步进式的下降。所述输入锁存缓冲器输出中的所述步进式的下降与手指从无限远到所述触摸基底的移动相关。在本实施例中，所述测量电路包括1. 2ms扫描间隔，以在所述刺激时期上至少二十次采样所述电容输出。 可替代地，可以实现2. 4ms扫描间隔以在所述时期上仅十次采样所述电容输出。图12图示了随时间的所述时域差分锁存缓冲器输出(TDD_DETECT)。如上所述， TDD_DETECT与所述电容传感器输出相对于时间的变化率成比例，由k*ds/dt表示，其中k 是与所述时域差分测量电路108的增益相关的常量。当所述刺激率随时间增加以复制手指从无限远到所述触摸基底的移动时，TDD_DETECT近似地保持常量。然而，当所述刺激率在 29ms接近峰值并下降到零时，所述时域差分比较器输出停止产生可辨别的输出电压。图13图示了分别对应于所述时域差分比较器电路110和所述刺激比较器电路112 的比较器240和沈0的输出。在6. Oms处，仅两个扫描间隔之后，比较器MO的输出(TDD_ OUTPUT)为高，以指示对象正在用最小参考值或第一参考值之上的正变化率接近所述电容传感器。相似地，在大约8. 5ms处，大约四个扫描间隔之后，比较器沈0的输出(THRESH_ OUT)为高，以指示对象接近所述电容传感器并在所述邻近区域内。在^ms处，比较器MO 的输出为低，指示对象已经相对于所述电容传感器停止移动或几乎停止移动，或者可能正在相对于所述电容传感器退回。最后，在大约49ms处，比较器240的输出为低，指示对象未出现在所述邻近区域内。当所述对象从所述电容传感器102退回到所述邻近区域之外的位置时，该输出也指示已存在负变化率。如上所述，如上面结合图2所论述的，TDD_0UTPUT和 THRESH_0UT分别对应于决定步骤62和56的输出。因此，例如，在与上面结合图2所论述的方法相结合的数字逻辑中，可以使用TDD_0UTPUT和THRESH_0UT，以基于所述电容传感器输出相对于时间的所述变化率确定邻近对象的出现。虽然结合用于检测对象邻近的电容传感器论述了上面的实施例，但本发明可以被应用到电容液平面感测、电容触摸屏、电容滑动器输入器件、电容速度传感器、电容距离传感器、或者能够归约(reduce)到电容器网络等同物的任何其他类型的电场感测技术(其中相对运动被应用并能够基于所述电容传感器输出相对于时间的所述变化率产生差分信号)。此外，本发明可以被应用到非电容传感器，包括，例如，一个或多个光学或磁性传感器， 以确定一个或多个对象相对于所述光学或磁性传感器的邻近、速度或方位。可以从本发明产生(accrue)若干附加的益处。通过使用所述电容传感器输出的变化率，测量电路能够独立于基底厚度的变化，并独立于正在接近的对象的微小电介质差异(例如，布覆的(clothed)对徒手)而确定有效刺激。此外，在触摸传感器应用中，所述测量电路可以通过记录变化力度(varying degrees of force)的触摸输入而适应于用户偏好的敏感度。例如，当对手指施加对着基底的最小压力时，所述测量电路将检测有效刺激事件并在所述传感器输出的所述变化率下降到零不久之后(soon after)记录触摸。同样地，当对手指施加对着所述基底的更大的压力时，在指尖已经停止移动并在来自所述用户的更大的压力下已使其自身与所述基底表面相适配之后，所述测量电路将检测有效刺激事件。在这方面，本发明实时地适应于用户偏好。因此，本发明的实施例提供了多个改进。上面的论述是本发明的当前实施例的说明。可以做出各种变化和改变，而不背离如随后的权利要求中提出的本发明的精神和扩展方面(broader aspects)，其将根据包括等同物的原则的专利法的理论而被解释。
权利要求
1.一种电容传感器，包括电极；处理单元，所述处理单元被电耦合到所述电极，并被配置为基于所述电极电容的变化率确定刺激的出现。
2.如权利要求1所述的电容传感器，其特征在于，所述电容传感器进一步包括提供邻近所述电极的基底，其中所述刺激对应于紧靠所述基底的对象的位置。
3.如权利要求1所述的电容传感器，其特征在于，其中所述处理单元被配置为响应于小于第一预定值的所述电极电容的所述变化率而确定刺激的出现。
4.如权利要求1所述的电容传感器，其特征在于，其中所述处理单元被配置为响应于与所述电极电容成比例的锁存的值大于第二预定值而确定刺激的出现。
5.如权利要求1所述的电容传感器，其特征在于，其中所述处理单元包括差分放大器， 用于提供与所述电极电容的所述变化率成比例的输出。
6.如权利要求5所述的电容传感器，其特征在于，其中所述差分放大器可操作用于比较对应于所述电极电容的连续测量的第一和第二锁存的值。
7.如权利要求6所述的电容传感器，其特征在于，所述电容传感器进一步包括第一比较器，所述第一比较器可操作用于将与所述差分放大器的所述输出成比例的信号与第一预定参考值相比较。
8.如权利要求7所述的电容传感器，其特征在于，其中所述处理单元包括第二比较器， 所述第二比较器可操作用于将与所述电极电容成比例的信号与第二预定参考值相比较。
9.如权利要求8所述的电容传感器，其特征在于，其中所述处理单元基于所述第一和第二比较器的所述输出确定刺激的出现。
10.一种用于检测刺激的方法，包括提供电容传感器，所述电容传感器包括输出；测量所述电容传感器输出的变化率；以及基于所述电容传感器输出的所述变化率确定刺激的出现。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，其中所述确定步骤包括响应于超过预定阈值的所述电容传感器输出而确定刺激的出现。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，其中所述刺激对应于接近所述电容传感器的对象。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括当所述电容传感器输出的所述变化率小于预定参考值时确定所述对象已经相对于所述电容传感器停止移动。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括提供邻近所述电容传感器的基底，其中所述刺激对应于紧靠所述基底的对象的位置。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，其中所述刺激对应于邻近所述电容传感器的液平面。
16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，其中所述测量步骤是响应于超过预定阈值的所述电容传感器输出。
17.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，其中所述测量步骤包括在连续采样间隔上检测所述电容传感器输出中的变化。
18.一种电容触摸系统，包括多个电极，所述多个电极响应于人操作者的触摸以在每个电极产生电容变化；以及邻近所述多个电极的电介质基底；测量电路，所述测量电路被耦合到所述多个电极中的每一个，并且被配置为基于所述电极电容的变化率来确定所述基底上的触摸输入的出现。
19.如权利要求18所述的电容触摸系统，其特征在于，其中所述测量电路可操作用于基于小于第一预定值的所述电极电容的所述时间变化率确定触摸输入。
20.如权利要求19所述的电容触摸系统，其特征在于，其中所述测量电路可操作用于基于与大于第二预定值的所述电极电容成比例的锁存的值确定触摸输入。
21.如权利要求18所述的电容触摸系统，其特征在于，其中所述测量电路包括差分放大器，所述差分放大器可操作用于比较对应于所述电极电容的连续测量的第一和第二锁存的值；以及第一比较器，所述第一比较器可操作用于将所述差分放大器的所述输出与第一预定参考值相比较。
22.如权利要求21所述的电容触摸系统，其特征在于，其中所述测量电路进一步包括第二比较器，所述第二比较器可操作用于将与所述电极电容成比例的信号与第二预定参考值相比较。
23.如权利要求22所述的电容触摸系统，其特征在于，其中所述触摸输入的出现是基于所述第一和第二比较器的所述输出。
24.一种检测输入表面上的触摸输入的方法，包括监视对象和所述输入表面之间的距离的变化率；以及确定所述变化率达到预定标准。
25.如权利要求M所述的方法，其特征在于，其中所述确定步骤包括确定已落入预定值之下的所述变化率。
26.如权利要求M所述的方法，其特征在于，其中所述对象包括手指。
27.一种用于检测输入表面上的触摸输入的装置，包括检测器，所述检测器输出表示出对象和所述输入表面之间的距离的第一信号；以及处理器，所述处理器监视所述第一信号的变化率并且当所述变化率达到预定标准时输出第二信号。
28.如权利要求27所述的装置，其特征在于，其中所述预定标准对应于落入预定值之下的所述变化率。
29.如权利要求27所述的装置，其特征在于，其中所述对象包括手指。
30.如权利要求1所述的电容传感器，其特征在于，其中所述处理单元被配置为在所述电极电容的第一变化率和所述电极电容的第二变化率之间区分，其中电极电容的所述第一和第二变化率对应于至少一个刺激。
31.如权利要求1所述的电容传感器，其特征在于，其中所述处理单元被配置为基于所述电极电容的所述变化率过滤电磁干扰。
32.如权利要求31所述的电容传感器，其特征在于，其中当所述电极电容的所述变化率超过最大值时，所述处理单元被配置为过滤电磁干扰。
33.如权利要求1所述的电容传感器，其特征在于，其中所述处理单元被配置为在所述电极电容的第一变化率和所述电极电容的第二变化率之间区分以过滤电磁干扰。
34.如权利要求1所述的电容传感器，其特征在于，其中当所述电极电容的所述变化率小于最小值时，所述处理单元被配置为过滤电容中的渐进变化。
35.如权利要求34所述的电容传感器，其特征在于，其中所述渐进变化涉及周围环境中的变化。
全文摘要
一种用于检测刺激的电容传感器。所述电容传感器包括电极和处理单元，所述处理单元被电耦合到所述电极并被配置为基于所述电极电容的变化率确定刺激的出现。基底被置于邻近所述电极处，其中所述刺激对应于紧靠所述基底的对象的位置。所述处理单元可操作用于基于所述电极电容的连续测量确定时间变化率。此外，所述处理单元可操作用于响应于小于参考值的所述时间变化率确定刺激的出现。
文档编号G06F3/045GK102362250SQ201080014043
公开日2012年2月22日 申请日期2010年3月24日 优先权日2009年3月25日
发明者D·W·考德威尔, W·D·谢菲尔 申请人:阿尔申蒂斯有限责任公司