用于控制触摸传感器的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于控制触摸传感器(20)的方法。触摸传感器(20)包括支撑层(21)以及位于其上的导电传感器结构(22-27)。导电传感器结构(22-27)形成多个电容器(28)，电容器的电容响应于用户触摸或者接近电容器(28)而改变。导电传感器结构(22-27)包括压阻材料，压阻材料响应于施加至支撑层(21)的力提供电阻改变。根据该方法，向导电传感器结构(22-27)供应交变电信号(30)，用于扫描电容器(28)。基于交变电信号(30)和电容器(28)的电容来确定用户触摸触摸传感器(20)的致动位置。电信号是导电传感器结构(22-27)的电阻的函数，基于交变电信号(30)对调制电信号进行检测和同步。
【专利说明】用于控制触摸传感器的方法
【技术领域】
[0001 ] 本申请涉及一种用于控制触摸传感器的方法，尤其涉及一种用于检测致动位置以及检测施加至触摸传感器的力的方法，在所述致动位置，用户触摸或者接近触摸传感器。此外本申请涉及一种用于控制触摸传感器的控制器、传感器布置以及包括传感器布置的装置。
【背景技术】
[0002]在本领域中，用于经由用户界面控制装置尤其是移动或者便携式装置的触摸传感器是公知的。触摸传感器可以包括触敏面板，该触敏面板布置于形成所谓触摸屏的显示器的顶部。触摸屏提供了操作装置的非常直观的方式。信息能够显示在显示器上，响应于所显示的信息，用户可以触摸显示器用于引发动作或者操作。当用户接近或者触摸触摸传感器时，触摸传感器可以通过检测电容的改变而工作。此外触摸传感器可以提供方位信息，该信息指示用户在何处触摸或者接近触摸传感器。因此，可以提供二维用户界面。关于复杂应用，三维用户界面可以是优选的。通过测量由用户施加至触摸屏的表面的力可以实现第三输入尺寸。应变式传感器可以用来测量例如由用户施加在玻璃窗上的力所产生的触摸屏的玻璃窗上的应变。但是，应变式传感相对于存在于该应变式传感器的环境中的电噪声是非常敏感的。例如，显示器以及触摸传感器会传递在若干伏特的电压水平(例如5至10V)下为几百kHz的噪声信号(例如正方形波信号)，这会干扰应变式传感。
[0003]因此，需要提供一种尤其是相对于电噪声和电磁噪声简单、可靠以及稳健的应变的测量。
【发明内容】
[0004]根据本发明，该目的通过由权利要求1限定的用于控制触摸传感器的方法、由权利要求9限定的用于控制触摸传感器的控制器、由权利要求11限定的传感器布置以及由权利要求13限定的装置来实现。从属权利要求限定本发明的优选及有利实施方式。
[0005]根据本发明的方案，提供了一种用于控制触摸传感器的方法。触摸传感器包括支撑层，(例如玻璃窗或者树脂窗)以及位于其上的导电传感器结构。导电传感器结构形成多个电容器。每个电容器的电容均响应于用户触摸或者接近对应的电容器而改变。导电传感器结构包括压阻材料，此外其构造为提供响应于施加至支撑层的力而改变的电阻。例如，电阻可以响应于当由用户向支撑层施加的力使支撑层弯折时施加至压阻材料的变化应变而改变。根据该方法，向导电传感器结构供应交变电信号，用于扫描多个电容器。基于交变电信号和多个电容器的电容来确定用户触摸或者接近触摸传感器的致动位置。此外，检测电信号，该电信号是导电传感器结构的电阻的函数，并且检测到的电信号被同步调制。同步调制是基于交变电信号来执行的。此外经调制的电信号可以被低通滤波。
[0006]是导电传感器结构的电阻的函数的电信号响应于施加至支撑层的力而变化。但是，电信号会被噪声、电子部件中的直流漂移和线路噪声拾取所干扰。通过在向导电传感器结构供应交变电信号的同时检测电信号，并且同步地调制电信号以及低通滤波经调制的电信号，可以恢复对应于该电阻的振幅信息。所有干扰都混入交变电信号的载波频率，并且能够依靠低通滤波器被移除。因此，噪声水平将极大地降低。此外，触摸和力感测之间不需要同步。力感测能够在触摸感测进行的同时进行。不需要存在在力被测量的同时触摸感测关闭的消隐期，反之亦然。因而，总扫描速率将加速，并且能够简化用于实现该方法的硬件和软件。
[0007]根据一实施方式，用锁相放大器对检测到的电信号执行调制和滤波。锁相放大是一种用于从干扰噪音中分离小的窄带信号的技术。锁相放大器充当结合的检测器和窄带滤波器。当所期望的信号的频率和相位是已知的时，在存在大量不相关噪声的情况下能够检测非常小的信号。使用直流励磁的感测电路会被电子部件中的热电偶效应、Ι/f噪声、直流漂移以及线性噪声拾取所引起的误差所困扰。通过用交变电信号励磁力传感电路、用放大器放大检测到的电信号并且同步调制和低通滤波所得到的信号，来自传感器电路的交流相位和振幅信息被恢复作为滤波器的输出端处的直流信号。干扰被混合至交变电信号的载波频率并且依靠低通滤波器被移除。
[0008]根据其它实施方式，对检测到的电信号执行调制的步骤包括将检测到的电信号乘以交变电信号。因而，能够易于完成对检测到的电信号的调制。在将检测到的电信号转换为对应的数字信号之后，将检测到的电信号乘以交变电信号可以在模拟电路中执行或者可以在数字域中执行(例如在数字信号处理器中)。
[0009]根据其它实施方式，利用惠斯通电桥检测电信号。导电传感器结构的压阻材料的一部分可以构成惠斯通电桥的分支。通过向导电传感器结构供应交变电信号，惠斯通电桥被供应交变电信号作为供给电压。惠斯通电桥能够检测小信号值或者信号值中的微小改变，因此可有利地用于检测电信号，所述电信号是导电传感器结构的电阻的函数。
[0010]根据其它实施方式，通过将检测到的电信号转换为数字信号并且基于交变电信号对数字信号执行同步调制，来执行检测到的电信号的调制。数字信号的同步调制的步骤可以包括:确定数字信号的频谱；以及基于交变电信号的频谱和频率来生成经调制的数字信号。
[0011]根据本发明的另一方案，提供了一种用于控制触摸传感器的控制器。触摸传感器包括支撑层以及位于其上的导电传感器结构。导电传感器结构形成多个电容器。电容器可以布置成矩阵，所述矩阵包括若干行和若干列的导电线。电容器可以构成在行和列的交叉点处。电容器的电容响应于用户触摸或者接近对应电容器而改变。导电传感器结构包括压阻材料，并且构造为提供响应于施加至支撑层的力而改变的电阻。控制器构造为向导电传感器结构供应交变电信号，用于扫描多个电容器。交变电信号可以供应至导电传感器结构，使得例如用交变电信号对各列顺序地通电并且在各行处执行电容感测。基于交变电信号和多个电容器的电容来确定致动位置，在所述致动位置，用户触摸或者接近触摸传感器。此夕卜，控制器构造为检测电信号，该电信号是导电传感器结构的电阻的函数。例如，通过导电传感器结构的列之一的电流可以作为电信号被检测。最后，控制器构造为基于交变电信号对检测到的电信号执行同步调制。因而，控制器能够检测噪声水平极大降低的电阻。基于所述电阻，控制器能够确定施加至支撑层的力。
[0012]此外，控制器可以构造为执行上述方法和实施方式。
[0013]根据本发明的又一方面，提供了一种传感器布置，该传感器布置包括上述控制器和上述触摸传感器。导电传感器结构的压阻材料可以包括例如铟锡氧化物(ITO)、石墨烯或者碳纳米管。这些材料提供压阻特性并且可以透明支撑层(例如玻璃表面或者树脂表面)上涂覆为薄层。这些材料的薄层具有高透明度，因而传感器布置可以布置于显示器的顶部，用于构成用于用户界面的触摸屏。
[0014]根据本发明的另一方面，提供了一种包括上述传感器布置的装置。该装置包括移动或者便携式装置，例如移动电话、个人数字辅助机、移动音乐播放器或者移动导航系统。
[0015]虽然在上述概要和下述详细描述中描述的具体特征结合了特定实施方式和方案来描述，应该理解的是本实施方式和方案的特征可以彼此结合，除非另外特别指明。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]现在将参考附图更详细地描述本发明。
[0017]图1示出了根据本发明的实施方式的传感器布置。
[0018]图2示出了根据本发明的实施方式的装置。
[0019]图3示出了根据本发明的另一实施方式的触摸传感器。
【具体实施方式】
[0020]在下文中，将更详细描述本发明的示例性实施方式。应该理解的是，给出以下描述仅仅是为了阐明本发明的原理，而不应被视为具有限制意义。或者，本发明的范围仅仅由附随的权利要求限定，而不旨在通过下文的示例性实施方式限定。
[0021]应该理解的是，此处描述的各种示例性实施方式的特征可以彼此结合，除非另外特别指出。在不同附图和下文描述中，相同的附图标记指代类似或者相同部件。
[0022]图1示出了传感器布置10，其包括触摸传感器20和用于控制触摸传感器20的控制器电路。
[0023]触摸传感器20包括支撑层21以及位于其上的导电传感器结构22至27。支撑层21可以包括例如绝缘透明材料，例如玻璃窗或者树脂窗。导电传感器结构22至27包括压阻材料，例如铟锡氧化物(ITO)、石墨烯或者碳纳米管。如图1所示，导电传感器结构22至27可以包括成行布置的纵向电极22至24和按列布置的纵向电极25至27。行电极22至24彼此间隔开，因此彼此电绝缘。列电极25至27也彼此间隔开，因此彼此电绝缘。在行电极22至24和列电极25至27之间的交叉点处，通过额外的绝缘层(未示出)将行电极22至24与列电极25至27绝缘开来。其中一个交叉点由附图标记28指代。在交叉点28处，在行电极22至24和列电极25至27之间形成电容器。当用户在交叉点28触摸或者接近电容器时，对应电容器的电容变化。此外，当用户在支撑层21上施加力时，支撑层21可以略微变形，因而应变的改变施加至电极22至27。由于电极22至27的材料的压阻特性，因此电极22至27的电阻响应于应变的改变而变化，因而电阻响应于施加至支撑层21的力而变化。图1示出的传感器结构的布置仅仅是一种示例性布置。还可以使用其他布置，例如电极的菱形布置，在该布置中，当用户接近或者触摸触摸传感器20时，在两个相邻的菱形区域之间发生电容的改变。菱形区域还可以以行和列的方式联接。
[0024]上述触摸传感器20被示出具有三行电极22至24和三列电极25至27。但是，这些数量仅仅是示例性的，并且基于触摸传感器20的尺寸和所需的分辨率，可以使用任何其他数量的行和列的电极。
[0025]此外图1示出了用于控制触摸传感器20的控制电路。所述控制电路包括交变电流源(AC源)30、开关矩阵31、感测单元32和微控制器33。AC源30驱动开关矩阵31，使得行电极25至27被触发，例如顺序地或者以预定次序被触发。由于AC源30和开关矩阵31，因此向列电极25至27中的每个供应交变信号。感测单元32监控行电极22至24并且感测行电极22至24的电容。例如，感测单元可以包括切换矩阵，用于选择性地一个接一个地单独监控行电极22至24并且感测对应的电容。微控制器33通过将由开关矩阵31实际触发了哪个列电极25至27与由感测单元32感测的每个行电极22至24的感测电容相关联，基于在交叉点28处的电容器上电容的改变来确定触摸位置，在该位置，用户触摸或者接近触摸传感器20。
[0026]此外控制电路包括惠斯通电桥(Wheatstone bridge) 40、AC放大器41和锁相放大器42。惠斯通电桥40包括三个电阻器43至45，并且触摸传感器20的电极22至27中的至少一个用作第四电阻器。惠斯通电桥的电阻器以正方形连接。AC源30经由开关矩阵31向电阻器的正方形的一条对角线供应电压。放大器41的输入感测惠斯通电桥40的电阻器的正方形的另一对角线上的电压。惠斯通电桥适于测量电阻的微小改变。由于应力改变时触摸传感器20的电极22至27的压阻材料仅仅提供了非常微小的改变，所以惠斯通电桥40是测量例如电极25的电阻改变的非常适当的方式。但是，电极25的电阻或者电阻改变的任何其他类型的高精度测量都可以用来代替惠斯通电桥40。放大器41的输出被馈送至锁相放大器42中。锁相放大器42包括调制器46和低通滤波器47。来自AC源30的信号被馈送至调制器46。调制器46可以包括乘法器，该乘法器将放大器41的输出和来自AC源30的信号相乘。因而，来自放大器41的输出信号用AC源30同步调制。低通滤波器47对来自调制器46的经调制的输出进行滤波，并且提供以下信号，所述信号响应于列电极25的电阻改变而变化。来自低通滤波器47的输出可以供给至微控制器33，微控制器33从列电极25的电阻改变来确定从用户施加至触摸传感器20的力。
[0027]通过监控电极22至27的压阻材料的电阻改变来进行的力感测通常会被电容触摸感测和可以靠近触摸传感器20布置的显示器的磁场干扰。锁相放大器42有助于从干扰噪声中分离小的窄带信号。锁相放大器充当组合式的检测器和窄带滤波器。当所检测的信号的频率和相位是已知的时，在存在大量不相关噪声的情况下能够检测非常小的信号。来自AC源30的频率和相位是已知的，因而，通过调制由惠斯通电桥40所检测到的信号，不相关的噪声能够被容易移除。
[0028]图2示出了移动装置50，移动装置50包括触摸传感器20和上述控制电路(未示出)。移动装置50可以包括例如移动电话，即所谓的智能手机。触摸传感器20可以布置成与装置50的显示器(未示出)组合以形成用于装置50的用户界面的所谓触摸屏。如结合图1的描述，控制电路可以确定致动位置以及额外地确定由用户施加至触摸传感器20的力，在该致动位置，用户触摸或者接近触摸传感器20。
[0029]图3示出了触摸传感器20和用于驱动触摸传感器20的电路的另一实施方式。触摸传感器20包括支撑层21以及位于其上的导电传感器结构71至79。支撑层21可以包括例如绝缘透明的材料，例如玻璃窗或者树脂窗。导电传感器结构包括电极结构79，该电极结构79形成例如电容触摸传感器结构，类似结合图1的上述实施方式的电极22至27。此夕卜，导电传感器结构包括结构71至78，所述结构71至78布置在例如支撑层21的四侧上，并且构造为提供响应于施加至支撑层21的力电阻的改变。结构71至78包括压阻材料，例如铟锡氧化物(ITO)、石墨烯或者碳纳米管。因此，结构71至78作为应变式传感器结构。成对的应变式传感器结构71至78均联接至对应的惠斯通电桥40、放大器41以及锁相放大器42，由此在图3中为了清除起见，仅仅示出了联接至应变式传感器结构对71、72的部件40至42。为了清晰原因，电极结构79以及开关矩阵31、32和控制器33的详细结构在图3中未示出。
[0030]导电传感器结构71至79 (即电极结构79以及应变式传感器结构71至78)连接至AC源30并且被供给交变电信号。如结合上述图1中描述的，来自AC源30的交变信号可以用来基于来自电极结构79的信号来确定触摸位置以及基于来自应变式传感器结构71至78的由锁相放大器42处理的信号来确定施加至支撑层21的力，这两者彼此不影响。
[0031]尽管上述已经描述了示例性实施方式，但是其他实施方式还可以实施各种修改。例如，惠斯通电桥40的电阻器33至35中的一个或多个可以被触摸传感器20的其他电极22至27替换。此外，锁相放大器42可以实施在数字域中，例如实施在微控制器33的软件中。因此，放大器41的输出可以用模数转换器转换为对应的数字信号，并且可以对微控制器33中的数字信号执行调制和低通滤波。为了调制和低通滤波数字域中的数字信号，可以通过微控制器33确定数字信号的频谱，并且可以基于AC源30的频谱和频率来生成经调制的数字信号。
[0032]最终，应该理解的是，所有上述实施方式都被视为包含在由随附权利要求限定的本发明中。
【权利要求】
1.一种用于控制触摸传感器的方法，所述触摸传感器(20)包括支撑层(21)和位于其上的导电传感器结构(22-27)，其中，所述导电传感器结构(22-27)形成多个电容器(28)，这多个电容器(28)的电容响应于用户触摸或者接近对应的电容器(28)而改变，并且其中所述导电传感器结构(22-27)包括压阻材料，并且构造为提供响应于施加至所述支撑层(21)的力而改变的电阻，所述方法包括: -向所述导电传感器结构(22-27)供应交变电信号(30),用于扫描所述多个电容器(28)； -基于所述交变电信号(30)和所述多个电容器(28)的电容来确定致动位置，在所述致动位置，用户触摸或者接近所述触摸传感器(20)； -检测电信号，该电信号是所述导电传感器结构(22-27)的电阻的函数；以及 -基于所述交变电信号(30)对检测到的电信号执行同步调制。
2.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括: -对经调制的电信号进行低通滤波。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，对检测到的电信号执行调制和滤波的步骤包括利用锁相放大器(42)对检测到的电信号进行调制和滤波。
4.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，对检测到的电信号执行调制的步骤包括将检测到的电信号乘以所述交变电信号(30)。
5.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，检测所述电信号的步骤包括利用惠斯通电桥(40)检测该电信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述导电传感器结构(22-27)的压阻材料的一部分(25)构成所述惠斯通电桥(40)的分支，并且所述惠斯通电桥(40)被供应所述交变电信号(30)来作为供给电压。
7.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，对检测到的电信号执行调制的步骤包括: -将检测到的电信号转换为数字信号；以及 -基于所述交变电信号(30)对所述数字信号执行同步调制。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，对所述数字信号执行调制的步骤包括: -确定所述数字信号的频谱；以及 -基于所述交变电信号(30)的频谱和频率来生成经调制的数字信号。
9.一种用于控制触摸传感器的控制器，所述触摸传感器(20)包括支撑层(21)以及位于其上的导电传感器结构(22-27)，其中，所述导电传感器结构(22-27)形成多个电容器(28)，这多个电容器(28)的电容响应于用户触摸或者接近对应的电容器(28)而改变，并且其中所述导电传感器结构(22-27)包括压阻材料，并且构造为提供响应于施加至所述支撑层(21)的力而改变的电阻，所述控制器(30-42)构造为: -向所述导电传感器结构(22-27)供应交变电信号(30),用于扫描所述多个电容器(28)； -基于所述交变电信号(30)和所述多个电容器(28)的电容来确定致动位置，在所述致动位置，用户触摸或者接近所述触摸传感器(20)； -检测电信号，该电信号是所述导电传感器结构(22-27)的电阻的函数；以及 -基于所述交变电信号(30)对检测到的电信号执行同步调制。
10.根据权利要求9所述的控制器，其中，所述控制器构造为执行根据权利要求2至8中任一项所述的方法的步骤。
11.一种传感器布置，该传感器布置包括: -根据权利要求9或者10所述的控制器(30-42)；以及 -触摸传感器(20)。
12.根据权利要求11所述的传感器布置，其中，所述压阻材料包括由以下物质构成的组中的至少一种材料:铟锡氧化物、石墨烯和碳纳米管。
13.一种装置，该装置包括根据权利要求11或者12所述的传感器布置(10)，其中，所述装置包括由以下装置构成的组中的至少一个装置(50):移动电话；个人数字辅助机；移动音乐播放器；以及导航系统。
【文档编号】G06F3/041GK104185833SQ201280071435
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2012年3月15日 优先权日:2012年3月15日
【发明者】G·克林霍尔特 申请人:索尼移动通讯有限公司