基线电容校准的制作方法

基线电容校准的制作方法
【专利摘要】本发明的实施例提供一种创建位于电容式触摸屏上的电容传感器的基线电容CP的统计模型的方法。在包括电容式触摸屏的电子设备的特定状态下测量电容传感器的感测电容CS。当与电容传感器不进行物理接触时，感测电容CS被存储作为基线电容CP。然后基线电容CP被用于为电子设备的特定状态创建统计模型。当与电容传感器进行物理接触时，从感测电容CS的值中减去电容传感器的基线电容CP的值，然后其结果CF=（CS－CP）被发送到触摸检测电路。
【专利说明】基线电容校准
【背景技术】
[0001]自从引入智能手机和平板PC(个人计算机)以来，电容式触摸屏越来越受欢迎。电 容式触摸屏的尺寸变得越来越大，并且存在对这些屏幕的响应性、分辨率和智能性的不断 增长的需求。
[0002]电容式触摸屏通常由电容传感器(也称为节点)的阵列组成，其中每个电容传感 器100 (见图1)包含电寄生电容Cp (下文称为基线电容)。与电容传感器100进行物理 接触(例如，手指触摸)将添加与Cp并联的第二电容Cf (下文称为前景电容(foreground capacitance)),从而为所触摸的传感器产生的整体感测电容Cs是Cf + CP。理想地,在测量 和校准后，前景电容Cf可以从感测电容Cs中提取(S卩Cf=Cs - Cp)。
[0003]当具体节点上经校准的前景电容Cf大于预定阈值时，可以检测到与电容传感器 100接触。因为电容式触摸屏上的每个单独电容传感器100的基线电容Cp可以相互不同， 所以计算出的每个单独电容传感器100的前景电容Cf可能不同，这使得更难感测到何时已 经接触。基线电容Cp中的这些差异可能由例如用于创建电容传感器的电路布局的各种变 化造成，或者它们可能由用于制作电容式触摸屏的工艺中的制造变化造成。
[0004]此外，计算出的电容传感器的前景电容Cf取决于包含电容式触摸屏的电子设备的 操作状态。例如，当蜂窝电话被插上电源充电时相比当打电话时，基线电容Cp可能不同。电 容Cf也可能随着设备老化或由于环境影响而变化。使用电容式触摸屏的其他电子设备包 括手持个人计算机、平板个人计算机、便携式个人计算机、监视器和电视。
[0005]基线电容Cp的精确校准对于精确检测与电容式触摸屏的接触是有用的。
【专利附图】

【附图说明】
[0006]图1是示出电容式触摸屏上的传感器的横截面以及电容式触摸屏上的电容的示 意图。(现有技术)
[0007]图2是指示电容传感器的位置的电容式触摸屏的布局图。(现有技术)
[0008]图3是两根手指与电容式触摸屏进行接触所导致的传感器中的电容变化的图表。 (现有技术)
[0009]图4a是对电容器进行充电的电压源的示意图。(现有技术)
[0010]图4b是已充电电容器和未充电电容器的不意图。(现有技术)
[0011]图4c是电荷从一个电容器转移到另一电容器的示意图。(现有技术)
[0012]图5是电荷转移电路的不意图。(现有技术)
[0013]图6是根据本发明的一个实施例的离线基线电容统计识别电路的方框图。
[0014]图7是根据本发明的一个实施例的在线基线电容校准电路的方框图。
[0015]图8是根据本发明的一个实施例作为时间和蜂窝电话状态的函数的基线电容Cs 的图表。
[0016]图9是示出确定电容式触摸屏上的电容传感器的基线电容Cp的统计模型的方法 的流程图。【具体实施方式】
[0017]附图和说明书总体上公开了一种确定位于电子设备(例如蜂窝电话)的电容式触摸屏上的电容传感器的基线电容Cp的统计模型的方法和装置。在电子设备的特定状态期间 (例如当蜂窝电话正在充电时)测量电容传感器的感测电容cs。当不与电容传感器进行物理接触(例如手指触摸屏幕)时，感测电容Cs被存储作为基线电容CP。然后基线电容Cp被用于为电子设备的特定状态创建统计模型。
[0018]当与电容传感器进行物理接触时，从感测电容Cs的值中减去电容传感器的基线电容Cp的值，然后发送其结果Cf= (CS — CP)到触摸检测电路。当检测到无触摸时，Cf被用于更新所述模型。对于电容式触摸屏上的每个电容传感器，重复该程序直到已经确定每个感测电容Cs的统计模型。然后，每个电容传感器的统计模型被用于更加精确地检测何时与电容式触摸屏进行物理接触。
[0019]图1是示出电容式触摸屏100上的传感器112的横截面的示意图。两层铟锡氧化物(ITO)电极102和104覆盖在液晶显示屏108上。一层介电材料(例如塑料或派热克斯玻璃)106位于两层电极102和104之间。也示出了基线电容Cp和前景电容CF。
[0020]考虑图2中所示的电容式触摸屏，其具有M行电极RE[0]-RE[M_1]和N列电极 CE[0]-CE[N-1]。图2中所示的电容式触摸屏具有MXN个电容传感器Stl,(节点)，其中每个传感器在每列和每行电极的交叉点处具有基线电容CP。在图2中用虚线正方形表示每列和每行电极的交叉点。在列电极和行电极的交叉点处，电极不是直接连接的(即它们彼此不短路)。靠近传感器的手指110 (也可以使用不同于手指的其他物体，如触控笔 (stylus))分流部分电场到地面，这相当于添加与Cp并联的前景电容CF。因此，节点上的感测电容变成:
[0021]方程式I) Cs=Cp + Cf
[0022]电容式触摸屏200上的每个传感器Stl,可以被看作是图像中的像素。在从(；中校准基线电容Cp后，每个节点上剩余的前景电容Cf有效地构成与电容式触摸屏200 的触摸或接触的二维图像。触摸可以被检测为图像中的峰顶，该图像具有如在峰顶形状中反映的手指尺寸、形状、方向和压力的各种属性。
[0023]图3是两根手指与电容式触摸屏进行接触所导致的传感器上的电容变化的图表。 图3示出了传感器的电容在与两根手指接触的地方(即有效节点)发生改变。在该示例中， 未触摸传感器(即无效节点)的数量明显大于被触摸传感器(即有效节点)的数量。
[0024]图4a至图4c是电荷转移技术的原理图。如图4a至图4c所示，电荷转移的实现分为两个阶段:预充电阶段和转移阶段。在图4a所示的预充电阶段中，用已知电压源￥&& 对电容器C进行充电，以便在稳定状态下，电荷Q等于Q= (Vdrive*C),如图4b所示。在图4c 所示的转移阶段中，基准电容器CMf与C并联连接，以便C上的电荷被转移到CMf上。Cref上的电压是^^_。根据总电荷守恒定律，我们得到:
[0025]方程式2) Vdrive*C=Vsense (C+Cref)
[0026]其可以重新整理为:
[0027]方程式3 ) Vsense=C/ (C+Cref) *Vdrive
[0028]在这种情况下，因为C,ef > > C，我们得到:[0029]方程式4 ) Vsense= (C/Cref) *Vdrive
[0030]方程式4使得能够将传感器的电容C估算为驱动电压VdHve、感测电压Vsense和基准 电容CMf之间的比例关系。在本发明的一个实施例中，此关系连同其他关系一起用于确定 在电容式触摸屏上何处进行接触。
[0031]图5中示出了使用电荷转移来确定传感器的电容的替代方法。利用了运算放大器 502并且倒转了 Vsense的极性。这种使用电荷转移来确定传感器的电容的方法也提供了驱动 电压Vtwv6、感测电压Vsense和电容C之间的比例关系:
[0032]方程式5 ) Vsense=gCVdrive，其中 g 是常数。
[0033]图6是根据本发明的一个实施例的离线基线电容统计识别电路的方框图。在该实 施例中，当与电容传感器没有进行物理接触时，离线基线电容统计识别电路602测量电容 传感器的感测电容Cs。因为与电容传感器没有进行物理接触，所以感测电容Cs等于基线电 容CP。基线电容Cp的值被输出以创建基线电容Cp统计信息。
[0034]在本发明的该实施例中，为电容式触摸屏上的每个电容传感器计算基线电容Cp统 计信息。另外，针对电子设备可以操作的所有可能状态为每个电容传感器计算电容Cp统计 信息。例如，可以在电子设备(如蜂窝电话)充电过程中确定该设备的基线电容Cp统计信息。 在另一示例中，可以在用靠近人脸的电话通话的过程中确定电子设备(如蜂窝电话)的基线 电容Cp统计信息。在进一步的示例中，可以在电话合理地远离人脸的电话通话过程中确定 电子设备(如蜂窝电话)的基线电容Cp统计信息。
[0035]在本发明的一个实施例中，离线基线电容统计识别电路为电容式触摸屏上的每个 单独传感器创建基线电容Cp的高斯混合模型。高斯混合模型包括与每个单独传感器关联 的基线电容的平均值、方差和权重。然而，其他统计模型也可以被用于表征基线电容Cp。
[0036]在本发明的另一实施例中，图7中所示的在线基线电容校准电路702从感测电容 Cs中去除基线电容CP，并更新每个电容传感器的基线电容Cp。感测电容Cs与从离线基线电 容统计识别电路602获得的基线电容统计706进行比较。如果当前电容测量被分类为基线 电容Cp (即不存在与电容传感器的物理接触)，则背景/前景电容分类器704不会输出前景 电容Cf到触摸检测电路。相反，当前感测电容Cs被保存为基线电容CP，并且基线电容统计 706被更新。当感测电容Cs被分类为前景电容Cf (即与电容传感器进行物理接触)时，前景 电容Cf被输出到触摸检测电路。
[0037]图8是根据本发明的一个实施例作为时间和蜂窝电话状态的函数的基线电容Cs 的图表。在此示例中，蜂窝电话从0秒到大约120秒处于正在充电的状态。当没有与电容 传感器进行接触802时，感测电容Cs大约为100皮法(pF)。因此，背景/前景电容分类器 704不会输出前景电容Cf到触摸检测电路。相反，当前感测电容Cs被保存为基线电容CP， 并且基线电容统计706被更新。
[0038]当蜂窝电话处于正在充电的状态并且与电容传感器进行物理接触804时，感测电 容Cs在其峰顶大约为108皮法(pF)。因为与电容传感器进行物理接触，所以背景/前景电 容分类器704将感测电容Cs作为前景电容Cf输出到触摸检测电路。在这种情况下，不更新 背景模型。
[0039]同样在此示例中，蜂窝电话从120秒到350秒处于正在用于打话的状态。在此期 间的一个点处，当没有与电容传感器进行接触802时，感测电容Cs大约为110皮法(pF)。因此，背景/前景电容分类器704不会输出前景电容Cf到触摸检测电路。相反，当前感测电 容Cs被保存为基线电容CP，并且基线电容统计706被更新。
[0040]当蜂窝电话处于正在用于打电话的状态并且与电容传感器进行物理接触804时， 感测电容Cs在其峰顶约为118皮法(pF)。因为与电容传感器进行物理接触，所以背景/前 景电容分类器704将感测电容Cs作为前景电容Cf输出到触摸检测电路。
[0041 ] 在此示例中，单独电容传感器的基线电容Cp统计被存储用于每个状态，即充电时 间状态和电话通话时间状态。如图8所示，对于每个传感器，背景/前景电容分类器704在 无触摸(即没有物理接触)时间期间收集和更新基线电容Cp统计，并且当在该传感器上检测 到触摸时停止更新。从电容式触摸屏的角度来看，针对那些远离发生接触的位置的电容传 感器进行基线电容校准，并且针对那些靠近发生接触的地方的节点停止基线电容校准。
[0042]因为仅在进行接触时输出Cf，所以触摸检测电路被较不频繁地触发，并因此减少 电子设备上的功耗。另外，由于当与电容传感器进行接触时本发明的该实施例停止更新基 线电容Cs信息，因此由持久接触诱发的电容不会被分类为基线电容Cp。
[0043]在这些状态期间，针对电容式触摸屏上的所有电容传感器获得基线电容Cp统计。 例如，所存储的统计可以是高斯混合模型。高斯混合模型包括在电子设备使用的每个状态 期间每个电容传感器的基线电容Cp的平均值、方差和权重。因为在电子设备的寿命期间可 以为电容式触摸屏上的每个电容传感器收集统计信息，所以可以以实时方式解决基线电容 Cp的老化、操作和环境变化。
[0044]图9是示出一种确定电容式触摸屏上的电容传感器的基线电容Cp的统计模型的 方法的流程图。在该实施例中，在902处测量电容式触摸屏上的电容传感器的感测电容Cs。 接着，在904处确定电子设备(如蜂窝电话)的操作状态。该操作状态可以是例如当电子设 备正在充电时，或者该状态可以是当电子设备上进行电话交谈时。在确定电子设备的状态 后，该方法在906处确定是否与电容传感器进行物理接触(例如触摸)。
[0045]当没有与电容传感器进行物理接触时，在908处保存所测得的感测电容Cs的值作 为基线电容Cp。此基线电容Cp与其他先前存储的基线电容Cp —起使用来为特定的电容传 感器创建基线电容Cp的统计模型。在当前基线电容Cp被存储后，该方法在开始902处启动 测量该电容传感器的感测电容Cs，或者启动测量另一电容传感器的感测电容Cs。
[0046]如步骤910所示，当与电容传感器进行物理接触时，从测得的感测电容Cs中减去 基线电容Cp的值以得到前景电容Cf，其中Cf=Cs - CP。然后，如步骤912所示，前景电容Cf 被发送到触摸检测电路。在前景电容Cf被发送到触摸检测电路后，该方法在开始902处启 动测量该电容传感器的感测电容Cs，或者启动测量另一电容传感器的感测电容Cs。
[0047]为了说明和描述的目的，已经呈现了前面的描述。其目的不是穷举或限制本发明 到所公开的精确形式，且根据上述教导，其他修改和变化都是可能的。选择和描述各实施 例，以便最好地解释适用原则及其实际应用，从而使本领域技术人员能够最好地利用适合 于预期的特定用途的各种实施例和各种修改。预期所附权利要求书被解读为包括除了现有 技术限制的实施例以外的其他替代实施例。
【权利要求】
1.一种确定基线电容Cp的统计模型的非瞬时性机器实现方法，其包括:测量电容传感器的感测电容Cs，其中所述电容传感器位于电容式触摸屏上，其中所述电容式触摸屏位于电子设备上；确定所述电子设备的状态；当与所述电容传感器不进行物理接触时，基于所述电子设备的状态存储所述感测电容 Cs的值作为基线电容Cp ；重复前面的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电子设备的状态是从由在对所述电子设备充电、在所述电子设备靠近人脸的电话通话过程中和在所述电子设备充分远离人脸的电话通话过程中组成的群组中选择的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述电子设备是从由蜂窝电话、手持个人计算机、 平板个人计算机、便携式个人计算机、监视器和电视组成的群组中选择的。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述基线电容Cp的所述统计模型是高斯混合模型。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在所述电子设备的制造过程中计算基线电容Cp的所述统计模型。
6.根据权利要求5所述的方法，其中在所述电子设备的操作过程中重新计算基线电容 Cp的所述统计模型。
7.一种创建基线电容Cp的统计模型的非瞬时性机器实现方法，其包括:测量电容传感器的感测电容Cs，其中所述电容`传感器位于电容式触摸屏上，其中所述电容式触摸屏位于电子设备上；确定所述电子设备的状态；当与所述电容传感器不进行物理接触时，基于所述电子设备的状态存储所述感测电容 Cs的值作为基线电容Cp ；当与所述电容传感器进行物理接触时，从感测电容Cs的值中减去所述电容传感器的所述基线电容Cp的值，并且发送其结果Cf= (Cs - Cp)到触摸检测电路；重复前面的步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述电子设备的状态是从由在对所述电子设备充电、在所述电子设备靠近人脸的电话通话过程中和在所述电子设备充分远离人脸的电话通话过程中组成的群组中选择的。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述电子设备是从由蜂窝电话、手持个人计算机、 平板个人计算机、便携式个人计算机、监视器和电视组成的群组中选择的。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述基线电容Cp的所述统计模型是高斯混合模型。
11.根据权利要求7所述的方法，其中在所述电子设备的制造过程中计算基线电容Cp 的所述统计模型。
12.根据权利要求11所述的方法，其中在所述电子设备的操作过程中重新计算基线电容Cp的所述统计模型。
13.一种用于确定基线电容Cp的统计模型的装置，其包括:电容分类器电路，所述电容分类器电路具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；基线电容统计电路，所述基线电容统计电路具有连接到所述电容分类器电路的所述第一输出端的输入端和连接到所述电容分类器电路的第二输入端的输出端；其中电子设备上的电容式触摸屏上的电容传感器的感测电容Cs的值是由所述电容分类器电路的所述第一输入端感测的；其中所述电子设备的状态是由所述电容分类器电路确定的；其中当与所述电容传感器不进行物理接触时，所述感测电容Cs的值被从所述电容分类器电路的所述第一输出端发送到所述基线电容统计电路的所述输入端，其中所述感测电容 Cs被存储在所述基线电容统计电路中，以更新在所述电子设备的状态过程中确定的基线电容Cp;其中当与所述电容传感器进行物理接触时，所述电容传感器的所述基线电容Cp的值被从感测电容Cs的值中减去，并且其结果Cf= (Cs - Cp)被从所述电容分类器电路的所述第二输出端发送到触摸检测电路。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述电子设备的状态是从由在对所述电子设备充电、在所述电子设备靠近人脸的电话通话过程中和在所述电子设备充分远离人脸的电话通话过程中组成的群组中选择的。
15.根据权利要求13所述的装置，其中所述电子设备是从由蜂窝电话、手持个人计算机、平板个人计算机、便携式个人计算机、监视器和电视组成的群组中选择的。
16.根据权利要求13所述的装置，其中所述基线电容Cp的所述统计模型是高斯混合模型。
17.根据权利要求13所述的装置，其中在所述电子设备的制造过程中计算基线电容Cp 的所述统计模型。
18.根据权利要求13所述的装置，其中在所述电子设备的操作过程中重新计算基线电容Cp的所述统计模型。
【文档编号】G06F3/044GK103488360SQ201310216861
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年6月3日 优先权日:2012年6月7日
【发明者】C·E·罗, E·博卡 申请人:德克萨斯仪器股份有限公司