电容式触控传感装置及其检测方法
【专利摘要】一种电容式触控传感装置，包含传感单元、驱动单元、检测电路以及处理单元。所述传感单元包含用以形成耦合电容的第一电极和第二电极。所述驱动单元输入驱动信号至所述传感单元。所述检测电路用以检测所述驱动信号经过所述耦合电容耦合的检测信号并利用两个信号分别调变所述检测信号以产生二维检测向量。所述处理单元根据所述二维检测向量判断碰触事件。
【专利说明】电容式触控传感装置及其检测方法
【技术领域】
[0001]本发明是关于一种触控系统，特别是关于一种主动电容式触控传感装置。
【背景技术】
[0002]电容式传感器(capacitive sensor)通常包含用以传感手指的一对电极。当手指存在时会造成所述一对电极间的电荷移转(charge transfer)量发生改变,因此可根据电压变化来检测手指的存在与否。将多个电极对排列成阵列则可形成传感阵列。
[0003]图1A和图1B显不一种已知电容式传感器的不意图，其包含第一电极91、第二电极92、驱动电路93以及检测电路94。所述驱动电路93用以输入驱动信号至所述第一电极91，所述第一电极91和所述第二电极92间会产生电场以将电荷转移至所述第二电极92，所述检测电路94则可检测所述第二电极92的电荷转移量。
[0004]当手指存在时，例如以等校电路8来表示，所述手指会扰乱所述第一电极91和所述第二电极92间的电场而降低电荷移转量，所述检测电路94则可检测到电压值变化，如此便可借此判断所述手指的存在。
[0005]已知主动电容式触控传感器(active capacitive sensor)的原理例如可参照美国专利公开第2010/0096193号以及美国专利第6，452，514号。
[0006]参照图1C所示，所述检测电路94通常包含检测开关941和检测单元942，所述检测单元942在所述检测开关941的开启期间内方能检测所述第二电极92上的电压值。然而，不同面板中传感阵列的信号线上会具有不同电容值，所述驱动电路93输入的驱动信号相对不同的传感阵列会出现不同的相位差(phase shift)。因此，所述检测开关941的开启期间须针对不同面板进行校正，否则便无法检测正确的电压值，而此校正步骤增加了制作复杂度。
[0007]有鉴于此，本发明提出一种不受信号线产生的相位差影响的电容式触控传感装置和其检测方法。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种电容式触控传感装置和其检测方法，其利用两连续信号调变检测信号以排除传感阵列信号线所造成的相位差的影响。
[0009]本发明提供一种电容式触控传感装置，包含第一电极、第二电极、驱动单元、检测电路以及处理单元。所述第一电极和所述第二电极用以形成耦合电容。所述驱动单元用以发出驱动信号至所述第一电极。所述检测电路耦接所述第二电极，用以检测所述驱动信号通过所述耦合电容耦合至所述第二电极的检测信号，利用两信号分别调变所述检测信号并产生二维检测向量。所述处理单元用以计算所述二维检测向量的向量范数并比较所述向量范数与阈值以判断碰触事件。
[0010]本发明还提供一种电容式触控传感装置的检测方法，所述电容式触控传感装置包含传感单元，其包含第一电极和第二电极用以形成耦合电容。所述检测方法包含:输入驱动信号至所述传感单元的所述第一电极；以两信号分别调变所述驱动信号通过所述耦合电容耦合至所述第二电极的检测信号以产生一对调变后检测信号；以及计算所述一对调变后检测信号的大小(scale)并据此判断碰触事件。
[0011]本发明还提供一种电容式触控传感装置，包含电容传感阵列、多个驱动单元、检测电路以及处理单元。所述电容传感阵列包含阵列排列的多个传感单元，每一传感单元包含第一电极和第二电极用以形成耦合电容。所述驱动单元耦接所述传感单元的第一电极，用以依次输出驱动信号至所述第一电极。所述检测电路耦接所述传感单元的第二电极，用以依次检测所述驱动信号通过所述耦合电容耦合至所述第二电极的检测信号，利用两信号分别调变所述检测信号以产生一对调变后检测信号。所述处理单元根据所述一对调变后检测信号判断碰触事件和碰触位置。
[0012]一实施例中，所述向量范数(norm of vector)可利用坐标旋转数位计算机(CORDIC)求得。
[0013]一实施例中，所述两信号为连续信号,例如可为彼此正交或非正交的两连续信号。例如，所述两信号可为正弦信号和余弦信号，其间的相位差可等于、大于或小于零度。
[0014]一实施例中，所述驱动信号可为时变信号，例如周期信号。
[0015]一实施例中，所述检测电路还包含至少一个积分器以及至少一个类比数位转换单元。所述积分器用以积分通过调变的所述检测信号。所述类比数位转换单元用以数位化通过调变和积分的所述检测信号以产生所述二维检测向量的两分量。
[0016]本发明实施例的电容式触控传感装置中，当物体靠近所述传感单元时，所述向量范数可能变大或变小。因此，通过比较所述向量范数与阈值，即可判定所述物体是否存在所述传感单元附近，且由于所述向量范数仅为纯量，故可排除传感阵列中信号线的相位移(phase shift)所造成的影响以增加判断精确度。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1A-1C显示已知主动电容式触控传感器的方块示意图；
[0018]图2显示本发明实施例的电容式触控传感装置的示意图；
[0019]图3A-3B显示本发明实施例的电容式触控传感装置的另一示意图；
[0020]图4显示本发明实施例的电容式触控传感装置中，向量范数与阈值的示意图；
[0021]图5显示本发明另一实施例的电容式触控传感装置的示意图；
[0022]图6显示图5的电容式触控传感装置的运作流程图。
[0023]附图标记说明
[0024]10传感单元101、91第一电极
[0025]102、92第二电极103耦合电容
[0026]11时序控制器动单元
[0027]13、94检测电路131、131'乘法器
[0028]132、132'积分器133、133'类比数位转换单元
[0029]14处理单元93驱动电路
[0030]941检测开关942检测单元
[0031]8手指X (t)驱动信号[0032]y (t)检测信号yi (t)、y2 (t)调变后检测信号
[0033]SW1-SWm开关元件31、&连续信号
[0034]S31-S34步骤1、Q检测向量的分量。
【具体实施方式】
[0035]为了让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显，下文将配合所附图示，作详细说明如下。在本发明的说明中，相同的构件是以相同的符号表示，在此提前说明。
[0036]请参照图2所示，其显示本发明实施例的电容式触控传感装置的示意图。本实施例的电容式触控传感装置包含传感单元10、驱动单元12、检测电路13以及处理单元14。所述电容式触控传感装置是通过判断所述传感单元10的电荷变化来检测物体(例如，但不限于，手指或金属片)是否接近所述传感单元10。
[0037]所述传感单元10包含第一电极101 (例如驱动电极)和第二电极102 (例如接收电极)，当电压信号输入至所述第一电极101时，所述第一电极101与所述第二电极102间可产生电场并形成耦合电容103。所述第一电极101与所述第二电极102可适当配置而并无特定限制，只要 能形成所述耦合电容103即可(例如通过介电层);其中，所述第一电极101与所述第二电极102间产生电场和耦合电容103的原理已为已知，故于此不赘述。本发明的精神在于消除信号线上电容所造成的相位差对检测结果的影响。
[0038]所述驱动单元12例如为信号产生单元，其可发出驱动信号X (t)至所述传感单元10的第一电极101。所述驱动信号X (t)可为时变信号，例如周期信号。其他实施例中，所述驱动信号X (t)亦可为脉冲信号，例如方波、三角波等，但并不以此为限。所述驱动信号X (t)通过所述耦合电容103可耦合检测信号y (t)至所述传感单元10的第二电极102。
[0039]所述检测电路13耦接所述传感单元10的第二电极102，用以检测所述检测信号y(t)，并利用两信号分别调变所述检测信号y (t)并产生一对调变后检测信号以作为二维检测向量的两分量1、Q ;其中，所述两信号可为连续信号，例如彼此正交或非正交的连续信号或两向量。一实施例中，所述两信号为正弦信号和余弦信号；其中，所述正弦信号和余弦信号的相位差可为零也可不为零。
[0040]所述处理单元14用以计算所述一对调变后检测信号的大小(scale)以作为所述二维检测向量(I, Q)的向量范数(norm of vector),并比较所述向量范数与阈值TH以判断碰触事件(touch event)。一实施例中,所述处理单元14可利用软体的方式计算出所述向
量范数R=^l2+(；2 ;另一实施例中，所述处理单元14也可利用硬体或韧体的方式来进行
计算，例如采用图4所示的坐标旋转数位计算机(CORDIC, coordinate rotation digital
computer)来计算出所述向量范数R= 2 + q2 ;其中，CORDIC为一种已知快速演算法。例
如，当没有任何物体接近所述传感单元10时，假设所述处理单元14计算出的所述向量范数为R ;当物体接近所述传感单元10时,所述向量范数减少为R';当所述向量范数R'小于所述阈值TH时，所述处理单元14则可判定物体位于所述传感单元10附近并造成碰触事件。必须说明的是，当其他物体，例如金属片，接近所述传感单元10时，也有可能造成所述向量范数R增加，因此所述处理单元14也可在所述向量范数变化为大于预设阈值时判定为碰触事件。[0041]另一实施例中，所述处理单元14可将二维检测向量的两分量I和Q利用正交振幅位移键控(QASK)进行编码，例如16-QASK。所述处理单元14中已事前将QASK编码中的一部分编码对应为碰触事件而另一部分编码对应为未碰触。当所述处理单元14根据调变后检测信号计算出目前两分量I和Q的QASK编码时，即可判定物体是否接近所述传感单元10。
[0042]图3A和3B显示本发明实施例的电容式触控传感装置的另一示意图，其显示出所述检测电路13的实施方式。
[0043]图3A中，所述检测电路13包含两乘法器131和131’、两积分器132和132 ^、两类比数位转换单元(ADC) 133和133'，用以处理所述检测信号y (t)以产生二维检测向量(I1Q)0所述两乘法器131和131'用以分别将两信号，例如此时显示为Si=^/^7fcos(敁)
以及与所述检测信号y (t)进行调变以产生一对调变后检测信号yi (t)和72 (t)。为了取样所述一对调变后检测信号yi (0和72 (t)，利用所述两积分器132和132'对所述一对调变后检测信号yi (0和72 (t)进行积分；本实施例中，所述两积分器132和132'的形式并无特定限制，例如可为电容器(capacitor)。所述两类比数位转换单元133和133'则用以数位化经积分的所述一对调变后检测信号yi (t^Py2 (t)以产生所述二维检测向量的两数位分量1、Q。可以了解的是，所述两类比数位转换单元133和133'在所述两积分器132和132'的电位变化稳定时开始获取数位资料。所述两信号除了使用上述的两连续信号外，也可为两向量，例如S1=LlO-1O]且&=[0-101]以简化电路架构。所述两信号只要是能够简化调变和解调变过程的适当简化向量均可，并无特定限制。
[0044]图3B中，所述检测电路13包含乘法器131、积分器132和类比数位转换单元133，而两信号S1和S2经过多工器130输入所述乘法器131以与所述检测信号I (t)进行调变来产生两调变后检测信 号Y1 (0和72 (t)。此外，所述乘法器131、所述积分器132和所述类比数位转换单元133的功能与图3A相同，故于此不再赘述。
[0045]综上所述，本发明实施例的电容式触控传感装置的检测方法包含下列步骤:输入驱动信号至传感单元的第一电极；以两信号分别调变所述驱动信号通过耦合电容耦合至第二电极的检测信号以产生一对调变后检测信号；以及计算所述一对调变后检测信号的大小并据以判断碰触事件。
[0046]例如参照图3A和3B所示，所述驱动单元12输入驱动信号x (t)至所述传感单元10的第一电极101后，所述驱动信号X (t)通过所述耦合电容103耦合检测信号I (t)至所述传感单元10的第二电极102。接着，所述检测电路13以两信号S1和S2分别调变所述检测信号y (t)以产生一对调变后检测信号yi (〖)和％ (t)。所述处理单元14计算所述一对调变后检测信号Y1 (0和％ (t)的大小并据此判断碰触事件；其中，计算所述一对调变后检测信号Y1 (0和72 (t)的大小的方式例如可参照图4和其相关说明。此外，在计算所述一对调变后检测信号Y1 (〖)和72 (t)的大小前，可利用所述积分器132和/或132'积分所述一对调变后检测信号Y1 (t)和y2 (t)后，由所述类比数位转换单元133和/或133'进行数位化以输出所述二维检测向量(I，Q)的两数位分量1、Q。
[0047]请参照图5所示，其显示本发明另一实施例的电容式触控传感装置的示意图。阵列排列的多个传感单元10可形成电容传感阵列，每一列传感单元10由驱动单元
动且所述检测电路13通过多个开关元件SW1-SWm检测每一行传感单元10的输出信号。如图5所示，驱动单元W1用以驱动第一列传感单元IO11-1Olm ;驱动单元122用以驱动第二列传感单元IO21-1O2m ；…;驱动单元12n用以驱动第η列传感单元IOnl-1Onm ;其中，η和m为正整数且其数值可根据电容传感阵列的尺寸和解析度决定，并无特定限制。
[0048]本实施例中，每一传感单兀10 (此处以圆圈表不)均包含第一电极和第二电极用以形成耦合电容，如图2、3A和3B所示。所述驱动单元121-12n分别耦接至一列传感单元10的第一电极。时序控制器11则用以控制所述驱动单元12r12n依次输出驱动信号X (t)至所述传感单元10的第一电极。
[0049]所述检测电路13通过多个开关元件SW1-SWm分别耦接一行传感单元10的第二电极，用以依次检测所述驱动信号X (t)通过所述传感单元10的耦合电容耦合至所述第二电极的检测信号y (t)，并利用两信号分别调变所述检测信号y (t)以产生一对调变后检测信号；其中，产生所述一对调变后检测信号的方式已详述于图3A和3B和其相关说明，故于此不赘述。
[0050]所述处理单元14则根据所述一对调变后检测信号判断碰触事件和碰触位置。如前所述，所述处理单元14可计算所述一对调变后检测信号所形成的二维检测向量的向量范数，当所述向量范数小于等于或大于等于阈值TH时判定所述碰触事件，如图4所示。
[0051]本实施例中，当所述时序控制器11控制所述驱动单元U1输出所述驱动信号x(t)至第一列传感单元10n_10lm时，所述开关元件SW1-SWm则依次被开启以使所述检测电路13能够依次检测第一列传感单元10n_10lm的每一个传感单元所输出的检测信号y(t)。接着，所述时序控制器11依次控制其他驱动单元122-12N输出所述驱动信号X (t)至每一列传感单元。当所述检测电路13检测过所有传感单元后，则完成一个扫描周期(scan period)。所述处理单元14则将扫描周期中发生所述碰触事件的传感单元的位置判定为所述碰触位置。可以了解的是，所述碰触位置可能不只发生于一个传感单元10，所述处理单元14可将多个传感单元10的位置均视作碰触位置，或将多个传感单元10其中之一(例如中心或重心)的位置视作碰触位置。
[0052]参照图6所示，其显示本发明实施例的电容式触控传感装置的运作流程图，包含下列步骤:输入驱动信号至电容传感阵列的传感单元(步骤S31);以两信号分别调变所述传感单元输出的检测信号以产生一对调变后检测信号(步骤S32);积分并数位化所述一对调变后检测信号(步骤S33);以及判断碰触事件和碰触位置(步骤s34)。本实施例的运作方式已详述于图5和其相关说明，故于此不再赘述。
[0053]另一实施例中，为了节省图5中电容式触控传感装置的耗能，所述时序控制器11可控制多个驱动单元121-12?同时输出所述驱动信号X (t)至相对应列的传感单元。所述检测电路13则以不同的两连续信号SpS2分别调变每一列检测信号y (t)以进行区别。除此之外，判断碰触事件和碰触位置的方式则类似图5，故于此不再赘述。
[0054]本发明实施 例中，所述检测电路13可还包含滤波器和/或放大器等元件，以增加信号品质。此外，所述处理单元14也可与所述检测电路13合并为单一元件。
[0055]综上所述，已知主动电容式触控传感器必须针对不同触控面板进行调校以正确检测电压信号，因而具有较高的制作复杂度。本发明还提出一种电容式触控传感装置(图2、3A和3B)和其检测方法(图6)，其利用两连续信号分别调变检测信号并根据调变后检测信号的向量范数来判定碰触事件(图4)，借此排除传感阵列信号线所造成的相位差的影响并简化制程。
[0056]虽然本发明已被前述实施例披露，但是其并非用以限定本发明，任何本发明所属【技术领域】中具有通常知识的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的范围为准。
【权利要求】
1.一种电容式触控传感装置，该电容式触控传感装置包含: 第一电极和第二电极，用以形成耦合电容； 驱动单元，用以发出驱动信号至所述第一电极； 检测电路，耦接所述第二电极，用以检测所述驱动信号通过所述耦合电容耦合至所述第二电极的检测信号，利用两个信号分别调变所述检测信号并产生二维检测向量；以及处理单元，用以计算所述二维检测向量的向量范数并将该向量范数与阈值进行比较以判断碰触事件。
2.根据权利要求1所述的电容式触控传感装置，其中所述两个信号为彼此正交的连续信号。
3.根据权利要求1所述的电容式触控传感装置，其中所述两个信号为正弦信号和余弦信号。
4.根据权利要求1所述的电容式触控传感装置，其中所述处理单元利用坐标旋转数位计算机计算所述 向量范数。
5.根据权利要求1所述的电容式触控传感装置，其中所述驱动信号为周期信号。
6.根据权利要求1所述的电容式触控传感装置，其中所述检测电路还包含至少一个积分器以及至少一个类比数位转换单元，所述积分器用以积分经过调变的所述检测信号；所述类比数位转换单元用以数位化经过调变和积分的所述检测信号以产生所述二维检测向量的两个分量。
7.一种电容式触控传感装置的检测方法，所述电容式触控传感装置包含传感单元，该传感单元包含用以形成耦合电容的第一电极和第二电极，所述检测方法包含: 输入驱动信号至所述传感单元的所述第一电极； 以两个信号分别调变所述驱动信号通过所述耦合电容耦合至所述第二电极的检测信号以产生一对调变后检测信号；以及 计算所述一对调变后检测信号的大小并据此判断碰触事件。
8.根据权利要求7所述的检测方法，其中所述一对调变后检测信号的大小为所述一对调变后检测信号所形成的二维向量的向量范数。
9.根据权利要求8所述的检测方法，其中所述向量范数是利用坐标旋转数位计算机所求得的。
10.根据权利要求7所述的检测方法，其中所述两个信号为正弦信号和余弦信号。
11.根据权利要求7所述的检测方法，其中所述两个信号为彼此正交的连续信号。
12.根据权利要求7所述的检测方法，其中所述驱动信号为周期信号。
13.根据权利要求7所述的检测方法，其中在计算所述一对调变后检测信号的大小之前还包含: 积分并数位化所述一对调变后检测信号。
14.一种电容式触控传感装置，该电容式触控传感装置包含: 电容传感阵列，包含阵列排列的多个传感单元，每一个传感单元包含用以形成耦合电容的第一电极和第二电极； 多个驱动单元，耦接所述传感单元的第一电极，用以依次输出驱动信号至所述第一电极；检测电路，耦接所述传感单元的第二电极，用以依次检测所述驱动信号通过所述耦合电容耦合至所述第二电极的检测信号，利用两个信号分别调变所述检测信号以产生一对调变后检测信号；以及 处理单元，根据所述一对调变后检测信号判断碰触事件和碰触位置。
15.根据权利要求14所述的电容式触控传感装置，其中所述两个信号为彼此正交的连续信号。
16.根据权利要求14所述的电容式触控传感装置，其中所述两个信号为正弦信号和余弦信号。
17.根据权利要求14所述的电容式触控传感装置，其中所述驱动信号为周期信号。
18.根据权利要求14所述的电容式触控传感装置，其中所述处理单元计算所述一对调变后检测信号所形成的二维检测向量的向量范数，当所述向量范数小于或大于阈值时判定所述碰触事件发生。
19.根据权利 要求18所述的电容式触控传感装置，其中所述处理单元利用坐标旋转数位计算机计算所述向量范数。
20.根据权利要求14所述的电容式触控传感装置，其中所述处理单元将扫描周期中发生所述碰触事件的至少一个所述传感单元的位置判定为所述碰触位置。
【文档编号】G06F3/044GK103970382SQ201310047307
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2013年2月6日 优先权日:2013年2月6日
【发明者】许恩峰, 肯·克兰德尔, 陈信嘉, 高铭璨 申请人:原相科技股份有限公司