电容式触控装置及感测方法
【专利摘要】本发明提供一种电容式触控装置及感测方法。该电容式触控装置包括：电容式触控面板，以及感测装置。其中，感测装置耦接电容式触控面板，且其经配置以感测该电容式触控面板上的静电场变化，并据以产生至少一触控感测信号。
【专利说明】电容式触控装置及感测方法
【技术领域】
[0001]本发明是有关于一种感测技术，且特别是有关于一种电容式触控装置及感测方法。
【背景技术】
[0002]投射电容式触控面板的工作原理主要是检测手指的静电电容对投射电容式触控面板内形成于各XY电极间的感应电容所带来的“电容变化”，且常见的投射电容式触控面板的定位(感应)法具有自容式(Self-capacitance,或谓自感式)与互容式(Mutual-capacitance,或谓互感式)。
[0003]然而，现今较常见的自容式与互容式的定位(感应)法都必须要利用一个独立的激励源(excitation signal,例如方波脉冲)以对相关的电容进行充电。再加上,在触碰前后电容变化量相当小(大约只有零点几PF)，以至于在触碰前后所各别感测输出的感测信号的差异过小(大约只有几个mV)，从而使得信噪比(SNR)偏低而不易准确地判断出是否有触碰事件的发生。为了要增加信噪比(SNR)以提升定位(感应)的准确度，最直接的方式就是加大激励源(方波脉冲)的振幅，但此举却会衍生出额外功耗与成本的问题。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明的一实施例提出一种电容式触控装置，其包括:电容式触控面板与感测装置。其中，感测装置耦接电容式触控面板，且其经配置以感测电容式触控面板上的静电场变化，并据以产生至少一触控感测信号。
[0005]在本发明的一实施例中，电容式触控面板具有至少一感应电极，而感测装置包括:至少一感测单元，其经配置以感测感应电极上的静电场变化，以产生所述触控感测信号。
[0006]在本发明的一实施例中，感测单元根据感应电极上的静电场的变化量来改变所述触控感测信号的振幅。
[0007]在本发明的一实施例中，所述至少一触控感测信号包括多个触控感测信号。基此，电容式触控装置可以还包括:判读单元，耦接感测装置，且其经配置以接收并处理所述多个触控感测信号，并据以判断电容式触控面板上是否有发生单点或多点的触碰事件。
[0008]在本发明的一实施例中，电容式触控面板至少为一投射电容式触控面板。
[0009]在发明的另一实施例提出一种感测方法，适于电容式触控面板，其包括:感测电容式触控面板的至少一感应电极上的静电场变化，以获得一感测结果；以及根据所述感测结果以产生至少一触控感测信号。
[0010]在本发明的一实施例中，所述触控感测信号在感应电极上的静电场有发生变化时具有第一振幅；以及所述触控感测信号在感应电极上的静电场有发生变化时具有第二振幅；以及第一振幅相异于第二振幅。
[0011]基于上述，本发明是通过测电容式触控面板内各感应电极上的静电场是否有发生变化来进行投射电容式触控面板的定位(而非采用传统的感测电容变化量的方式)。由于电容式触控面板内各感应电极上的静电场的能量通常都有好几十kv，所以本发明无须采用独立的激励源就可以获得较佳的信噪比(SNR)，从而得以简单且准确地判断出是否有触碰事件的发生。
[0012]为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举具体的实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
[0013]然而，应了解的是，上述一般描述及以下【具体实施方式】仅为例示性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]下面的所附图式是本发明的说明书的一部分，示出了本发明的示例实施例，所附图式与说明书的描述一起说明本发明的原理。
[0015]图1示出为本发明一实施例的适于电容式触控装置10的示意图；
[0016]图2示出为图1的一感测单元107的具体实施示意图；
[0017]图3示出为图1的一感测单元107的另一具体实施示意图；
[0018]图4示出为图1的一感测单元107的另一具体实施示意图；
[0019]图5示出为本发明一实施例的适于(投射)电容式触控面板的感测方法流程图。
[0020]附图标记说明:
[0021]10:电容式触控装置；
[0022]101:电容式触控面板；
[0023]103:感测装置；
[0024]105:判读单元；
[0025]107:感测单元；
[0026]SE:感应电极；
[0027]D、D’:二极管；
[0028]T、T，、TR、TR’:NM0S 晶体管；
[0029]R:电阻；
[0030]R’:主动负载；
[0031]VDD:系统电压；
[0032]GND:接地电位；
[0033]TS:触控感测信号；
[0034]Vbias:偏压；
[0035]S50US503:本发明一实施例的适于电容式触控面板的感测方法流程图各步骤。【具体实施方式】
[0036]现将详细参考本发明的实施例，在附图中说明所述实施例的实例。另外，凡可能之处，在图式及实施方式中使用相同标号的元件/构件代表相同或类似部分。
[0037]图1示出为本发明一实施例的适于电容式触控装置(capacitive touchapparatus) 10的示意图。请参阅图1,电容式触控装置10包括:电容式触控面板(capacitive touch panel) 101、感测装置(sensing device) 103,以及判读单兀(judgmentunit) 105。其中，电容式触控面板101可以为投射电容式触控面板(projective capacitivetouch panel),但并不限制于此。在此条件下，电容式触控面板101中可以包含M*N或M+N个XY感应电极SE，其中M*N表示为电容式触控面板101的感测解析度(sensingresolution),其与电容式触控面板101的显示解析度(display resolution)不一定相同。
[0038]另外，感测装置103耦接在电容式触控面板101与判读单元105之间，且其经配置以在无采用任何独立激励源(excitation source)的条件下感测电容式触控面板101上的静电场变化(variation of electrostatic fields),并据以产生多个触控感测信号(touch sensing signals) TS {Μ, N}给判读单元105。更清楚来说,感测装置103可以包含Μ*Ν或Μ+Ν个结构相同的感测单元107。该些感测单元107分别对应到电容式触控面板101中的Μ*Ν或Μ+Ν个XY感应电极SE，且经配置以对应地感测Μ*Ν或Μ+Ν个XY感应电极SE上的静电场变化，以产生触控感测信号(touch sensing signals)TS{Μ, N}。
[0039]如此一来，判读单元105即可接收(例如:以多工的方式接收，但并不限制于此)并处理(例如:模-数转换，但并不限制于此)来自感测装置103所产生的触控感测信号TS {Μ，N}，并据以判断电容式触控面板101上是否有发生单点或多点的触碰事件(single-touch event or mult1-touch event)。
[0040]在此，由于所有感测单元107的结构都相同，故以下将采以解释/说明单一感测单兀107的方式来阐述本实施例的(静电场)感测方案/概念。
[0041]图2示出为图1的一感测单元107的具体实施示意图。请合并参阅图1与图2,图2所示的感测单元107是对应至电容式触控面板101中的某一个(XY)感应电极SE(以下称为“说明感应电极” SE)，且其整体上包括:二极管(diode)D、NMOS (N-Mental-Oxide-Semiconductor)晶体管(transistor)T,以及电阻(resistor)R0 其中，二极管 D 的阳极(anode)率禹接至偏压Vbias,而二极管D的阴极(cathode)则稱接至说明感应电极SE。
[0042]NMOS晶体管T的栅极(gate)耦接二极管D的阴极，而NMOS晶体管T的源极(source)则稱接至接地电位(ground potential)GND。电阻R的第一端稱接至系统电压(system voltage) VDD,而电阻R的第二端则f禹接至NMOS晶体管T的漏极(drain)以产生对应的触控感测信号TS。在此条件下，当某一介质(例如手指，但并不限制于此)靠近说明感应电极SE时，则说明感应电极SE上的静电场会发生变化。举例来说，假设手指带正电，故而说明感应电极SE会受带正电的手指的吸引而带负电，且基于同性相斥的缘故，说明感应电极SE上的正电会跑向NMOS晶体管T的栅极。此时，NMOS晶体管T的栅极电压(Vg)可以表示为如下方程式丄:
[0043]Vg= ε AE/Cgs 丄，
[0044]其中，ε为介质的介电常数汸为说明感应电极SE的面积；Ε为电场能量；以及Cgs为NMOS晶体管T的栅源极等效电容。
[0045]由于说明感应电极SE上的正电会跑向NMOS晶体管T的栅极，故而NMOS晶体管T的栅源极(Vgs)会增加(亦即，Vgs = Vg+Vbias),以至于NMOS晶体管T的漏极电流(Id)会增加/变大，从而使得所对应产生的触控感测信号TS具有第一振幅，亦即:Vdsl，其可表示如下方程式2: [0046]Vdsl = VDD-(Id^R) 2。
[0047]由此可知，NMOS晶体管T的漏极电流(Id)可以看作是电场的强度。也就是说，手指越靠近说明感应电极SE，则NMOS晶体管T的漏极电流(Id)越大。
[0048]另一方面，当手指未靠近说明感应电极SE时，则说明感应电极SE上的静电场就不会发生变化，即此时不会有正电子跑向说明感应电极SE的栅极。基此，由于说明感应电极SE上的静电场没有发生变化，所以NMOS晶体管T的栅源极(Vgs)会等于偏压Vbias (亦即，Vgs = Vbias)，以至于NMOS晶体管T的漏极电流(Id)会下降/变小，从而使得所对应产生的触控感测信号TS具有第二振幅，亦即:Vds2，其可表示如下方程式2:
[0049]Vds2 = VDD-(Id*R) 3。
[0050]由此可知，由于方程式2中的NMOS晶体管T的漏极电流(Id)大于方程式3中的NMOS晶体管T的漏极电流(Id)，故而所计算出的Vdsl会小于Vds2。其中，Vdsl与Vds2的差异(Λ V，即有触碰与未触碰的触控感测信号TS间的差异)基于具有好几十kV的静电场能量的缘故而至少具有零点几V至几V (但并不限制于此)。在此条件下，判读单元105即可事先内建Vds2，并据以判断其与感测单元107所输出的触控感测信号TS的差异后，就可准确地得知是否有触碰事件的发生。
[0051]在此值得一提的是，虽然上述实施例的感测单元107是以NMOS晶体管T为例来进行说明，但是本发明并不限制于此。换言之，感测单元107中NMOS晶体管T亦可置换为PMOS (P-Mental-Oxide-Semiconductor)晶体管(即，图 2 所不的互补(complementary)电路型态)，只要维持感测单元107既定的运作方式即可，而该些变形的实施方式亦属于本发明所欲保护的范畴之一。
[0052]甚至，虽然上述实施例已阐述出实现感测单元107的具体电路结构，但是本发明并不限制于此。换言之，只要可以根据感应电极(SE)上的静电场的变化量来改变触控感测信号(TS)的振幅的其他电路结构(circuit configuration)的感测单元都属于本发明所欲保护的范畴之一。
[0053]举例来说，图3示出为图1的一感测单元107的另一具体实施示意图。请合并参阅图2与图3，图2与图3所示的实施例的相异之处仅在于:图3所示的实施例只是将图2所示的被动负载(即，电阻R)更替为主动负载R’而已。其中，主动负载R’可以NMOS晶体管TR来实施。NMOS晶体管TR的栅极与漏极耦接至系统电压VDD，而NMOS晶体管TR的源极则耦接至NMOS晶体管T的漏极以产生对应的触控感测信号TS。图3所示的实施例的运作方式与图2类似，故而在此并不再加以赘述。
[0054]另一方面，图4示出为图1的一感测单元107的另一具体实施示意图。请合并参阅图3与图4，图3与图4所示的实施例的相异之处仅在于:图4所示的实施例更具有自偏压(self-biasing)的特性。更清楚来说，相较于图3,图4所示的实施例更多出了 NMOS晶体管T与TR’以及二极管D’。其中，NMOS晶体管TR’的栅极与漏极耦接至系统电压VDD，而NMOS晶体管TR’的源极则耦接二极管D的阳极以提供偏压Vbias。二极管D’的阳极耦接NMOS晶体管TR’的源极。NMOS晶体管T’的栅极耦接二极管D’的阴极，NMOS晶体管T’的漏极耦接NMOS晶体管TR’的源极，而NMOS晶体管T’的源极则耦接至接地电位GND。图4所示的实施例的运作方式亦与图2类似，故而在此并不再加以赘述。
[0055]基于上述实施例所揭示/教示的内容，图5示出为本发明一实施例的适于(投射)电容式触控面板的感测方法流程图。请参阅图5，本实施例的适于(投射)电容式触控面板的感测方法包括:[0056]感测电容式触控面板的至少一感应电极上的静电场变化，以获得一感测结果(步骤S501);以及
[0057]根据所获得的感测结果以产生至少一触控感测信号(步骤S503)。
[0058]相似地，所产生的触控感测信号在感应电极上的静电场有发生变化时具有第一振幅；所产生的触控感测信号在感应电极上的静电场有发生变化时具有第二振幅；以及第一振幅相异于第二振幅。
[0059]综上所述，本发明是通过测电容式触控面板内各(XY)感应电极上的静电场是否有发生变化来进行投射电容式触控面板的定位(而非采用传统的感测电容变化量的方式)。由于电容式触控面板内各感应电极上的静电场的能量通常都有好几十kV，所以本发明无须采用独立的激励源就可以获得较佳的信噪比(SNR)，从而得以简单且准确地判断出是否有触碰事件的发生。
[0060]最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
【权利要求】
1.一种电容式触控装置，其特征在于，包括: 一电容式触控面板；以及 一感测装置，耦接该电容式触控面板，且其经配置以感测该电容式触控面板上的静电场变化，并据以产生至少一触控感测信号。
2.根据权利要求1所述的电容式触控装置，其特征在于，该电容式触控面板具有至少一感应电极，而该感测装置包括: 至少一感测单元，其经配置以感测该感应电极上的静电场变化，以产生该触控感测信号。
3.根据权利要求2所述的电容式触控装置，其特征在于，该感测单元包括: 一二极管，其阳极耦接至一偏压，而其阴极则耦接至该感应电极； 一 NMOS晶体管，其栅极耦接该二极管的阴极，而其源极则耦接至一接地电位；以及一电阻，其第一端耦接至一系统电压，而其第二端则耦接至该NMOS晶体管的漏极以产生该触控感测信号。
4.根据权利要求2所述的电容式触控装置，其特征在于，该感测单元包括: 一第一二极管，其阳极耦接至一偏压，而其阴极则耦接至该感应电极； 一第一 NMOS晶体管，其栅极耦接该第一二极管的阴极，而其源极则耦接至一接地电位；以及 一第二 NMOS晶体管，其栅极与`漏极耦接至一系统电压，而其源极则耦接至该第一 NMOS晶体管的漏极以产生该触控感测信号。
5.根据权利要求4所述的电容式触控装置，其特征在于，该感测单元还包括: 一第三NMOS晶体管，其栅极与漏极耦接至该系统电压，而其源极则耦接该第一二极管的阳极以提供该偏压； 一第二二极管，其阳极耦接该第三NMOS晶体管的源极；以及 一第四NMOS晶体管，其栅极耦接该第二二极管的阴极，其漏极耦接该第三NMOS晶体管的源极，而其源极则耦接至该接地电位。
6.根据权利要求1所述的电容式触控装置，其特征在于，该感测装置在无采用一独立激励源的条件下感测该电容式触控面板上的静电场变化。
7.根据权利要求6所述的电容式触控装置，其特征在于: 当一介质靠近所感应电极时，则该感应电极上的静电场会发生变化，以使得该触控感测信号具有一第一振幅； 当该介质未靠近该感应电极时，则该感应电极上的静电场不会发生变化，以使得该触控感测信号具有一第二振幅；以及该第一振幅相异于该第二振幅。
8.根据权利要求2所述的电容式触控装置，其特征在于，该感测单元根据该感应电极上的静电场的变化量来改变该触控感测信号的振幅。
9.根据权利要求1所述的电容式触控装置，其特征在于，所述至少一触控感测信号包括多个触控感测信号，而该电容式触控装置还包括: 一判读单元，耦接该感测装置，且其经配置以接收并处理该些触控感测信号，并据以判断该电容式触控面板上是否有发生单点或多点的触碰事件。
10.一种感测方法，适于一电容式触控面板，其特征在于，该感测方法包括:感测该电容式触控面板的至少一感应电极上的静电场变化，以获得一感测结果；以及根据该感测结果以产生至少一触控感测信号。
【文档编号】G06F3/044GK103577007SQ201210280481
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年8月8日 优先权日:2012年8月8日
【发明者】赖曜宏, 陈治雄, 卢志文, 郭亘伦 申请人:胜力光电股份有限公司