用于传感器的正交频分扫描方法与流程

优先权要求

本申请案要求2015年2月6日申请且名为“用于传感器的正交频分扫描方法(orthogonalfrequencydivisionscanningmethodforsensors)”的美国临时专利申请案第62/112,778号及2016年2月4日申请且名为“用于传感器的正交频分扫描方法(orthogonalfrequencydivisionscanningmethodforsensors)”的美国专利申请案第15/016,112号的优先权，所述专利申请案两者特此以引用的方式并入。

背景技术：

触摸面板为允许电子装置的操作者使用诸如手指、手写笔等等的器具而将输入提供到所述装置的人机接口(humanmachineinterface；hmi)。举例来说，操作者可使用其手指以操纵电子显示器(诸如附接到移动计算设备的显示器、个人计算机(pc)，或连接到网络的终端机)上的图像。在一些状况下，操作者可同时使用两个或两个以上手指以提供独特命令，诸如：放大命令，其是通过使两个手指远离彼此进行移动而执行；缩小命令，其是通过使两个手指朝向彼此进行移动而执行；等等。

触摸屏幕为并有覆盖在显示器上的触摸面板以检测所述屏幕的显示区域内的触摸的存在及/或位置的电子视觉显示器。触摸屏幕在诸如一体式计算机、平板计算机、卫星导航装置、游戏设备、媒体装置及智能电话的装置中是常见的。触摸屏幕使得操作者能够直接地与由位于触摸面板下的显示器显示的信息互动，而非间接地与由鼠标或触摸板控制的指针互动。电容性触摸面板常常与触摸屏幕装置一起使用。电容性触摸面板通常包含涂布有诸如氧化铟锡(ito)的透明导体的诸如玻璃的绝缘体。因为人体也是电导体，所以触摸所述面板的表面会引起所述面板的静电场畸变，此相当于电容改变。

指纹传感器为用以捕获指纹图案(例如，指纹的实时扫描)的数字图像的电子装置。实时扫描可用以形成生物识别模板，其可被存储及用于匹配目的。

技术实现要素：

在实施例中，一种设备包含经配置以操作性地耦接到传感器(例如，触摸面板传感器、指纹传感器)的控制器。所述传感器包含多个驱动电极及多个感测电极。节点(“像素”)形成在所述多个驱动电极及所述感测电极的交叉点处。所述控制器包含操作性地耦接到所述多个驱动电极的输出电路。所述输出电路经配置以产生独特驱动信号以驱动所述传感器的对应驱动电极。所述控制器还包含操作性地耦接到所述感测电极的输入电路。所述输入电路经配置以测量形成在所述多个驱动电极及所述多个感测电极的每一交叉点处的互电容以形成接近于所述传感器的一或多个对象的图像。

提供此[发明内容]而以简化形式介绍下文在[实施方式]中进一步所描述的概念的选择。此[发明内容]并不旨在识别所要求主题的关键特征或基本特征，也不旨在用作辅助来确定所要求主题的范围。

附图说明

参考附图来描述详细描述。在描述及图中的不同情况下使用相同参考编号可指示相似或相同项目。

图1为根据本发明的一实例实施方案的说明触摸面板传感器系统的框图。

图2为说明触摸面板传感器系统的框图，其中正在触摸传感器上方执行触摸事件。

图3及4为说明各种驱动信号振幅相对于驱动信号频率的图解图形，其中图3说明不在触摸传感器上方执行触摸事件的振幅，且图4说明根据图2所说明的触摸事件的振幅。

图5为说明触摸面板传感器系统的框图，其中正在触摸传感器上方执行触摸事件。

图6及7为说明各种驱动信号振幅相对于驱动信号频率的图解图形，其中图6说明不在触摸传感器上方执行触摸事件的振幅，且图7说明根据图5所说明的触摸事件的振幅。

图8为根据本发明的另一实例实施方案的说明触摸面板传感器系统的框图，其中频率产生器经配置以产生具有呈交错形式的频率特性的驱动信号。

图9为根据本发明的另一实例实施方案的说明触摸面板传感器系统的框图，其中频率产生器经配置以产生具有载波频率的驱动信号。

图10为根据本发明的另一实例实施方案的说明触摸面板传感器系统的框图，其中手写笔正在触摸传感器上方执行触摸事件。

图11到13说明根据本发明的一实例实施方案的各种图解数据发射协议。

具体实施方式

概观

通常，测量触摸传感器上的发射器线与接收器线的交叉点处的互电容时顺着所述传感器一次扫描一个行。如果触摸传感器必须以100个帧/秒(fps)进行更新且如果在每一帧中存在50个行以供扫描，那么每一行仅具有200μs(1/[(100fps)(50个行)])。在一些测量方法中，同时驱动多个行。在驱动波形已传播通过传感器路径之后，所述波形可在传感器的输入电路(例如，接收器)处被一起加总。

可由接收器使用各种驱动信号的正交性以识别所述驱动信号中的每一者的改变来确定阻抗如何在每一交叉点处改变。在触摸传感器或指纹传感器的状况下，所述传感器的每一驱动线是由自身具有正交信号的驱动信号驱动。所述信号可在帧时间期间连续地运行，且结果为整个触摸屏幕或指纹传感器主动地测量电容改变。

在实施例中，一种设备包含经配置以操作性地耦接到传感器(例如，触摸面板传感器、指纹传感器)的控制器。传感器包含多个驱动电极及多个感测电极。节点(“像素”)形成在多个驱动电极及感测电极的交叉点处。控制器包含操作性地耦接到多个驱动电极的输出电路。输出电路经配置以产生独特驱动信号以驱动触摸面板传感器的对应驱动电极。控制器还包含操作性地耦接到感测电极的输入电路。输入电路经配置以测量形成在多个驱动电极及多个感测电极的每一交叉点处的互电容以在传感器上形成对象的图像。另外，图像的进一步信号处理可确定手指的位置或与指纹相关联的独特特性(例如，独特凸纹线图案等等)。举例来说，如上文所描述，每一驱动信号可具有正交于其它驱动信号的频率特性的频率特性。

因此，接收器可测量信号的振幅及/或相位延迟，以便确定阻抗已如何沿着从发射器(例如，输出电路)到接收器(例如，输入电路)的路径改变。出于较大准确度起见而将测量一起平均化。

实例实施方案

图1说明根据本发明的一实例实施方案的传感器系统100。在一实施方案中，传感器系统100包括触摸面板传感器系统。在另一实施方案中，传感器系统100包括指纹传感器系统。传感器系统100包含传感器102(例如，触摸面板传感器、指纹传感器)、输出电路104(例如，具有多个传感器驱动器的发射器)、输入电路106(例如，接收器)，及控制器108。如所展示，控制器108操作性地连接(经由通信接口)到传感器102。在一或多个实施方案中，传感器102用以使在其表面上方的手指及/或手掌成像。在另一实施方案中，传感器102用以使定位在传感器102上方的手指的指纹凸纹线成像。举例来说，传感器102可包含具有多个行迹线(例如，电极)或驱动线110及多个列迹线(例如，电极)或感测线112的电容性感测媒体，以用于检测归因于面板的表面上方的手指或手掌的电容改变。因此，术语“线”、“电极”及“迹线”可在本文中被可互换地使用。控制器108(利用成像电路113)可实施用以处理传感器图像的功能以确定手指及/或手掌的位置。在一或多个实施方案中，控制器108经配置以检测触摸事件(例如，指纹、手掌等等)、手写笔装置事件及暂留事件的存在。

在一特定实施方案中，传感器102为定位在显示装置(诸如液晶显示器、阴极射线管、等离子显示器或其类似者)前方或内的透明面板。然而，在其它实施方案中，显示装置与触摸面板传感器可为分离的(即，触摸面板传感器并非定位在显示装置前方)。行迹线及列迹线可由诸如氧化铟锡(ito)或氧化锑锡(ato)的透明导电材料形成，但还可使用诸如铜或银的其它透明及非透明材料。在一些实施方案中，行迹线与列迹线可彼此垂直，使得行迹线及列迹线界定坐标系统，且每一坐标位置包括形成在行迹线与列迹线的交叉点118处的电容器，如本文中更详细地所描述。在其它实施方案中，其它非笛卡尔(cartesian)定向也是可能的。如上文所描述，传感器系统100经配置以检测触摸事件(例如，指纹、手掌)、手写笔事件及暂留事件。

控制器108经配置以与传感器102介接以刺激传感器102(例如，刺激驱动线)且从感测线检测(例如，读取)电容改变。在一或多个实施方案中，控制器108包括经配置以驱动所述驱动线110(例如，驱动信道、驱动电极)的专用集成电路(asic)。在一实施方案中，控制器108可包括将处理功能提供到系统100的固件及/或asic。

如图1所展示，控制器108包含经配置以输出具有波形特性的驱动信号的输出电路104(例如，发射器)。如所展示，输出电路104包括用于产生具有波形特性的多个信号的频率产生器122。举例来说，频率产生器122经配置以产生具有相对于其它信号的波形特性的独特波形(例如，频率)特性的多个信号。频率产生器122以通信方式连接到多个数模转换器124(dac)，且每一dac124以通信方式连接到相应缓冲器126。每一缓冲器126电连接到相应驱动线110。在一实施方案中，输出电路包含数目等于驱动线110的数目的dac124及缓冲器126。然而，在某一实施方案中，传感器驱动器可包括能够产生驱动信号的其它合适装置。

频率产生器122经配置以产生用于每一相应驱动线110的独特信号。举例来说，频率产生器122经配置以产生用于第一驱动线110的第一信号，且经配置以产生用于第二驱动线110的第二信号(等等)。在一实施方案中，频率产生器122产生相对于邻近信号具有正交频率特性的信号。举例来说，驱动第一驱动线110的第一信号相对于驱动第二驱动线110的第二信号可具有正交频率特性(其中第二驱动线110直接地邻近于第一驱动线110)。

驱动线110(例如，行)与感测线112(例如，列)的每一交叉点118表示具有特性互电容的像素。朝向对应像素118移动的接地对象(例如，手指、手写笔等等)可使存在于对应行与列交叉点之间的电场分流，此造成那个位置处的互电容减小。在操作期间，可通过驱动(经由传感器驱动器)具有波形对应于特定频率特性的预定电压信号的对应驱动线110而对每一行(或列)依序地充电。测量每一交叉点118的电容。即，感测电路106经配置以测量驱动线110与感测线112之间的驱动信号的电容耦合以确定对象相对于每一节点(例如，交叉点118像素)的电容。

控制器108经配置以致使频率产生器122产生驱动信号以用于扫描传感器102(例如，测量或确定传感器102内的电容改变)。举例来说，控制器108经配置以致使输出电路104输出具有预定义频率特性的信号(例如，产生在预定义频率范围内发生的输出信号)。感测电路106经配置以监测(例如，确定)在给定时间中转移的电荷以检测每一节点处的电容改变。使用传感器102内发生电容改变的位置及那些改变的量值以使接近于传感器102(例如，在传感器102上方)的手指及/或手掌成像。

在一些实施方案中，感测电路106(例如，接收器)可包含以通信方式连接到相应感测线112的低通滤波器128(例如，抗频叠滤波器)。低通滤波器128连接到相应缓冲器130，且缓冲器130以通信方式连接到相应模数转换器(adc)132。感测电路106还包含以通信方式连接到adc132的快速傅里叶(fourier)变换模块134。以高效方式计算离散傅里叶变换的快速傅里叶变换模块134将来自adc的时间数据转换成其对应频率表示。快速傅里叶变换模块134以通信方式耦接到电容测量模块134。驱动信号含有独特频率，且电容测量模块134监测那些频率的振幅改变以确定互电容是否已在传感器上的任何像素处改变。通常，电容测量模块134在不存在接近于传感器102的对象时确定互电容的基线测量。来自基线测量的互电容改变可指示对象接近于屏幕(例如，在屏幕上方、在屏幕上等等)。因为在环境中通常存在大量噪声，所以挑战是决定互电容改变是归因于对象还是噪声。

缓冲器126经配置以缓冲由传感器dac124产生的信号，且将经缓冲驱动信号输出到传感器102(例如，驱动传感器102的驱动线110)。dac124经配置以将从频率产生器122接收的相应信号转换成对应模拟信号。在实施方案中，传感器dac124可产生具有由以下方程式表示的波形特性的信号：

a1·sin(ωt)，方程式1，

其中a1表示信号的振幅，ω表示信号的角频率，且t表示时间。如上文所描述，每一dac124产生用于相应驱动线的独特信号。举例来说，dac124可产生相对于邻近驱动信号具有正交频率特性的信号。在一些实施方案中，传感器dac124可经配置以输出正弦波。然而，在其它实施方案中，传感器dac124可经配置以输出具有其它波形特性(诸如方波、小波等等)的其它信号。

在一或多个实施方案中，系统100经配置以测量互电容(cm)改变。互电容(cm)为发生在两个电荷保持对象(例如，导体)之间的电容。在此情况下，互电容为构成传感器102的驱动线110与感测线112之间的电容。

图2说明在传感器102上方执行触摸事件的对象202(例如，手指触摸)。如所展示，每一驱动线110接收相对于驱动其它驱动线110的其它驱动信号(例如，具有频率特性f到4f的信号)的独特驱动信号(具有不同频率特性的信号)。传感器102上方的对象缩减驱动线110与感测线112之间的互电容，且因此缩减横越所述两个线转移的信号。举例来说，与频率特性3f相关联的驱动线110相对于与频率特性f、2f及4f相关联的驱动线具有振幅缩减的信号(参见图3及4)。因此，电容测量模块134经配置以形成紧接(例如，暂留事件、触摸事件)于传感器102的表面的对象(手指、手掌等等)的图像。成像电路可确定正在传感器102上方执行的触摸事件的近似位置。举例来说，成像电路被提供何些驱动信号被提供到何些驱动线110的数据，且经配置以基于经修改信号(例如，具有频率特性3f的信号)来确定近似位置。举例来说，成像电路可确定近似位置，这是因为电容测量模块134检测到具有频率特性3f的信号已被修改(通过触摸事件)以及指示哪一驱动线110是由具有频率特性3f的驱动信号驱动的数据已被提供到成像电路。

图5说明在传感器102上方的对象204、206。在此实例中，对象206在与频率特性3f相关联的驱动线110上方，且另一对象在与频率特性2f相关联的驱动线110上方。因此，具有频率特性2f及3f的驱动信号的振幅特性相对于具有频率特性1f及4f的驱动信号被修改(参见图6及7)。

在一些实施方案中，如图8所展示，频率产生器122经配置以修改驱动信号的频率特性。举例来说，频率产生器122可经配置以在预定基础上使驱动所述驱动线110的频率特性交错，使得所述驱动线具有数目与在采样周期期间采取的测量的数目近似相同的测量。这些频率还可在外部干扰(例如，来自外部信号的干扰)的情况下被修改。举例来说，频率产生器122可将频率特性修改到在干扰宽带外的频率。

在一或多个实施方案中，如图9所展示，频率产生器122经配置以产生经调制到载波频率(fc)的驱动信号。举例来说，频率产生器经配置以产生具有低于传感器102的3db频率的载波频率特性的正交驱动信号。

在一或多个实施方案中，手写笔装置用以在屏幕上书写文字、绘制对象、选择对象、操纵对象、移动对象，等等(参见图10)。在这些实施方案中，手写笔装置包括使信号发射通过手写笔装置的末端(例如，手写笔装置的尖端)的发射器。手写笔产生专用正交信号(例如，不同于分配到传感器的正交信号的正交信号)。像素118用以确定手写笔装置的位置。举例来说，传感器102可利用时分多路复用功能性以在周期t内在触摸成像(上文所描述)与手写笔装置成像(参见图11)之间切换。然而，在手写笔装置成像期间，将控制器108中的发射器信道转换成接收器信道以确定手写笔装置(其包含发射器)的第二坐标。现有接收器信道用以确定手写笔装置的第一坐标。

在实施方案中，传感器102可最初处于触摸检测模式(例如，触摸扫描模式)，如图12所展示。手写笔可发射(例如，广播)具有正交频率的组合的同步信号(例如，前向错误校正码信号)(参见图13)，其修改紧接像素118处的信号。高级手写笔电路1002检测这些手写笔信号的存在，此致使控制器108进行手写笔扫描以定位手写笔装置且从手写笔装置接收数据(参见图12)。在缓冲时间之后，控制器108启动触摸扫描以使手指成像。只要存在手写笔装置，控制器108就继续在手写笔扫描与触摸扫描之间切换。一旦手写笔装置移出范围或停止发射，控制器108就切换到触摸扫描达与不存在(例如，未检测到)手写笔装置的时间一样长的时间。

在手写笔装置发射同步信号之后，其发射表示身份识别信息、与手写笔相关联的按钮的状态、电池电量、倾角及/或与手写笔装置相关联的压力的数据(参见图13)。可将数据编码到手写笔装置的专用正交信号上。可包含前向错误校正以改良在存在内部噪声或外部噪声的情况下在控制器处译码正确数据的可能性。

因为手写笔装置进行发射且不具有接收能力，所以手写笔装置不会锁相到外部信号。因此，只要存在手写笔装置，控制器108就可锁相到手写笔装置，使得控制器108在手写笔装置正进行发射时的周期的部分中将其发射器切换到接收器。手写笔装置电路可具有用以使控制器的时序与手写笔的时序对准的锁相方法。然而，在控制器108的时序与手写笔装置的时序之间可存在某一误差。因此，手写笔扫描与触摸扫描之间的某一缓冲周期可为必要的。举例来说，图11说明手写笔扫描与触摸扫描之间的1/8周期。

结论

虽然已以特定于结构特征及/或程序操作的语言描述主题，但应理解，所附权利要求书中所定义的主题未必限于上文所描述的特定特征或动作。实情为，上文所描述的特定特征及动作被揭示为实施权利要求书的实例形式。