压电传感器元件检测的制作方法

本申请大致涉及电子装置的触摸用户界面，更具体地，涉及触摸用户界面的压电感测。

背景技术：

对于触摸用户界面，触摸的感测可以分为两个阶段：首先，检测界面是否被触摸，其次识别触摸事件是按压、轻滑或用户做出的任何类型的动作。这种触摸用户界面可以使用压电传感器元件来实现，每个压电传感器元件对应于用户界面的离散触摸点。在最简单的情况下，每个压电传感器元件可以对应一个触摸开关。在许多用户界面中，需要多个离散的触摸开关或触摸点，例如，对于qwerty键盘，高达100个或更多个。

现在，在触摸用户界面中如果监测许多压电传感器元件的电信号来进行触摸检测，则一种配置是每个压电传感器元件需要一个监测装置，或者一种替代配置是许多压电传感器元件通过多路复用器连接到一个监测装置。在第一种配置中，这种装置的电流消耗随着装置中压电传感器元件数量的增加而增加，因为具有多个压电传感器元件的装置中的每个监测样本都需要电流来运行。在第二种配置中，每个压电传感器元件都必须通过多路复用器对其进行选择来进行连续的轮询，从而收集监测样品。当压电传感器元件不产生任何信号时，持续轮询在装置的非激活阶段也需要电流来运行。这需要装置能够检测任意一个压电传感器元件何时开始产生信号，由此装置能够变成激活阶段以进行触摸检测。

在两种配置中(即监测装置和压电传感器元件数量相等的装置以及将压电传感器元件信号多路复用到单个监测装置的配置)，装置在非激活阶段具有恒定且显著的能耗。

同样在两种配置中，装置的能耗随着压电传感器元件的数量而显著增长。

在上述装置的第一种配置中，随着需要监测的压电传感器元件的数量的增加，电连接每个压电传感器元件所需的导线数量和连接数量线性增加。结果是，由于需要大量电路元件和导线来电连接每个压电传感器元件，因此装置具有复杂且笨重的机械和机电结构，这导致了用户界面的制造成本增加、可靠性降低、压电传感器元件密度受限。

在上述装置的第二种配置中(即对源自每个压电传感器元件的信号进行多路复用，或者进行时间交错检测)，电连接所需的导线和元件较少并且其空间较小。另一方面，由于所有压电传感器元件的轮询速度有限，对于可靠的触摸信号检测，对装置中的所有压电传感器元件进行轮询可能过于耗时，特别是在高阻抗测量中信号还需要较长的稳定时间。对轮询速度进行加速能够用于提高信号检测可靠性，但是这会导致装置的功耗增加，并且提高了触摸检测电路的性能要求(例如，在触摸检测电路中模数转换器所需的采样速度和精度)。

还可以使用公知的矩阵检测方法，在该方法中，存在被馈送到由列和行组成的压电传感器元件矩阵的激活信号，并且作为对所馈送的信号的响应，根据在一个或多个开关或触摸点处的触摸对信号传输特性的变化进行检测。在检测装置的这种替代方案中，馈送激活信号与轮询多路复用信号相比，甚至可能需要更高的电能，并且无论用户界面是否被触摸，都应该在连续的方式下馈送信号。因此，对于触摸式小键盘用户界面的标准要求而言，装置的电功耗太高。

以通过使压电传感器元件变形所累积的电荷为基础的压电感测被证明是触摸感测的最节能的方法(例如，专利参考文献us8810105)。然而，对于具有多个触摸开关的小键盘，没有足够可靠且快速的触摸检测方法。

技术实现要素：

提供本发明内容是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念将在下面的具体实施方式中进一步描述。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。

一个目的是提供压电传感器元件的检测。该目的通过独立权利要求的特征实现。在从属权利要求、说明书和附图中提供了进一步的实施形式。

根据第一方面，一种装置包括：压电传感器元件矩阵，其包括压电传感器元件的行和压电传感器元件的列；测量电路，配置为检测至少一个触摸，其中，测量电路被构造成多个行和多个列；以及唤醒触发器，被配置为检测至少一个触摸，并且还配置为当检测到至少一个触摸时将矩阵触发为运行模式。该装置被配置为例如仅使用单个活动检测和触摸识别电路来检测多个压电传感器元件的按压事件。可以降低复杂性和能耗。

在装置的可能实施方式中，矩阵被配置为低功率模式、待机模式或非激活模式，直到唤醒触发器触发矩阵为止。

在装置的另一可能实施方式中，唤醒触发器配置为维持模拟比较器以监测所述至少一个触摸的检测。

在装置的另一可能实施方案中，唤醒触发器配置为维持模数转换器adc信道以监测至少一个触摸的检测。

在装置的另一可能实施方式中，还包括控制器，配置为基于至少一个触摸或多个触摸来检测不同的灵敏度阈值，以便识别不同类型的触摸事件。

在装置的另一可能实施方式中，控制器配置为同时检测矩阵的多个触摸。

在装置的另一可能实施方式中，控制器配置为检测行和列对上的预定信号差异，以便检测多个触摸。

在装置的另一可能实施方式中，控制器配置为检测至少一个触摸的信号与任何其他压电传感器元件始发信号之间的信号差异，以便识别至少一个触摸并忽略另一个压电传感器元件始发信号。

在装置的另一可能实施方式中，与连接到压电传感器元件被触摸的行和列的测量电路相比，连接到压电传感器元件未被触摸的行和列的其他测量电路检测到的信号明显更弱。

在装置的另一可能实施方式中，控制器配置为检测至少一个触摸的信号的极性和压电传感器元件的任何其他信号的极性，并比较这些信号以识别出至少一个触摸。

在装置的另一可能实施方案中，唤醒触发器包括模拟比较器，配置为监测隔离的公共参考网络之间的电压差。其中，唤醒触发器还包括开关，其中比较器配置为打开开关以将矩阵激活成运行模式。

在装置的另一可能实施方案中，唤醒触发器包括模数信道，配置为监测隔离的公共参考网络之间的电压差，以及其中，唤醒触发器还包括开关，其中，控制器配置为打开开关以将矩阵激活成运行模式。

在装置的另一可能实施方案中，还包括电阻器，与开关并联。

在装置的另一可能实施方式中，测量电路包括信号调节滤波器和检测装置。

在装置的另一可能实施方式中，测量电路被配置为仅对应每一行和每一列。

在装置的另一可能实施方式中，测量电路还包括一个或多个受控开关，配置为对每一行和每一列的信道进行多路复用。

根据另一方面，一种方法包括：通过测量电路检测至少一个触摸，其中，测量电路被构造成多个行和多个列，并且其中压电传感器元件的矩阵包括压电传感器元件的行和压电传感器元件的列；通过唤醒触发器检测至少一个触摸；以及当检测到至少一个触摸时将矩阵触发成运行模式。

根据第三方面，提供了一种计算机程序，包括程序代码，该程序代码配置为当在计算机上执行计算机程序时执行根据第二方面所述的方法。

许多附加特征将更容易理解，因为通过参考结合附图考虑的以下详细描述，它们将变得更好理解。

附图说明

从以下基于附图阅读的详细描述中将更好地理解本说明书，其中：

图1示出了根据一个实施例的检测电路的示意图；

图2示出了根据另一实施例的检测电路的示意图；

图3示出了根据一个实施例的用于检测电路的低待机功率唤醒电路的示意图；

图4示出了根据一个实施例的低待机功率唤醒电路的示意图；

图5示出了根据一个实施例的信号参考电压创建和信号调节电路的实施方式的示意图；以及

图6示出了根据实施例的检测电路的模拟压电传感器信号的示意图，其示出了用于对具有多行和多列的矩阵中的压电传感器元件所发出的触摸进行检测的能力。

在附图中，相同的附图标记用于表示相同的部件。根据实施例，附图标记列表可以如下所示：

10：压电传感器元件矩阵，以4*4为例；

11a-11p：单独的压电传感器元件，都具有相同的制造容差；

12a-12d：信道选择开关，为给定的adc输入选择适当的矩阵行；

13a-13d：信道选择开关，为给定的adc输入选择适当的矩阵列；

14：隔离开关，将vref网的两部分断开成处于待机状态的独立公共参考网

141和142，从而能够用adc33检测公共参考网141和142之间的电压差。

21a-21h：信号调节滤波器：带宽限制，幅度缩放；

30：控制器装置(微控制器芯片)，用于通过hw和sw来检测和解译压电传感器元件信号，并控制系统的操作和配置；

31a-31h：模数转换器(adc)，在控制器30内部起作用，其中一个adc对应控制器30的相应输入信道，或单个adc，其可以在内部被多路复用于控制器30的若干输入信道；

32：信号参考偏压(vref)发生装置，用于压电传感器元件矩阵10和多个adc31；

33：adc转换信道，用于测量公共参考网141和142的电压差；

141：压电传感器元件11的矩阵的行的公共参考网；

142：压电传感器元件11的矩阵的列的公共参考网；

143：模拟比较器，用于测量公共参考网141和142的电压差；

144：控制器装置30的数字输入，用于监测143的输出；

145：电阻器，具有高欧姆值(例如560k欧姆)，用于在开关14断开期间为公共参考网络141和142提供相等的dc偏置电压。

15：从压电传感器元件矩阵10到信号调节滤波器21的导线，该导线也与行或列有关；

21：压电传感器元件信号调节滤波器：带宽限制、幅度缩放；

22、23：压电传感器元件信号缩放电阻器，作为分压器电路，用于衰减输入信号，其中，根据所需的信号缩放，可以调节电阻器22和23的值，或者将电阻器22短路并移除电阻器23；

24：电阻器，用于与电容器25一起制成低通滤波器，其中，可根据所需特性改变值；

25：电容器，用于与电阻器24一起制成低通滤波器，其中，可根据所需特性改变值。

35：控制器装置30的电源电压；

36a、36b：参考电压生成电路，用于为公共参考网140提供充足的电平；

37：控制器装置30的地电平；

140：公共参考网，用于压电传感器元件11的信号。

具体实施方式

以下结合附图提供的详细描述旨在描述实施例，而不旨在表示实施例仅可以被构造成这些形式或仅可以以这些形式使用实施例。然而，可以通过不同的实施例来实现相同或等同的功能和结构。

因此，为了对由压电传感器元件产生的信号进行可靠地触摸检测和识别，可能需要具有一定程度的多行和多列的矩阵形式的检测电路，以降低布线复杂性和能耗。此外，当不需要对各个压电传感器元件进行触摸检测时，可能希望能够在用户界面的非激活阶段将检测电路保持在低功率模式，并在需要用户界面转换成激活阶段时唤醒用户界面，以这种方式，由压电传感器元件所累积的能量仅用于触发唤醒。该能量源自在触摸用户界面时施加压力的用户，并且通过弯曲压电传感器元件而被转换成电荷。

根据实施例，一种装置包括压电传感器元件矩阵，该压电传感器元件矩阵包括压电传感器元件的行和压电传感器元件的列。每个压电传感器元件可以检测触摸。该装置具有配置成检测至少一个触摸的测量电路，其中测量电路被构造成多个行和多个列。检测可以以行和列以及它们各自的电子器件为基础。此外，唤醒触发器配置成检测至少一个触摸并且还配置成当检测到至少一个触摸时将矩阵触发成运行模式。矩阵可以处于待机模式且消耗非常低的功率。因此，该装置被配置为例如仅使用单个活动检测和触摸识别电路来检测多个压电传感器元件的按压事件。该装置具有一种矩阵，该矩阵具有压电传感器元件的多个行和多个列以及其它们各自的检测电子器件，以降低触摸小键盘的复杂性和能耗。

因为不需要每个压电传感器元件11单独具有adc信道31、调节滤波器21和导线，所以压电传感器元件矩阵10和微控制器30之间的电子器件的复杂性降低。相反，压电传感器元件矩阵10的每行和每列可以仅具有测量电路。

当压电传感器元件矩阵10的所有行和列同时连接到微控制器30的adc信道31时，不存在与“选择一行、扫描所有列、选择下一行、扫描所有列”的方法原本所需的相关延迟，这就要花费时间考虑压电传感器元件和高阻抗滤波器电路等的所有稳定时间。此外，在非常快速地对源自压电传感器元件11的信号进行连续或并行采集(“采样”)之后，由于控制器30使用连接到压电传感器矩阵10的所有adc31，所以控制器30快速且有效地检查信号值之间的任意电压差是否超过了为触摸事件设置的灵敏度阈值，由此表明：(例如)在该压电传感器元件矩阵10中，其端子连接到发出信号的所述行和列的压电传感器元件11被触摸，所述信号值是作为压电传感器矩阵10中行和列处的电压的表示而获取的。

不需要向压电传感器元件矩阵10馈送能量或这样的信号(向压电传感器元件矩阵10馈送能量或这样的信号要测量与馈送信号相关的时间常数、电容或类似的特性变化，以对应于压电传感器元件11上的压力)。当例如用户触摸到用户界面(该用户界面使用压电传感器元件11)所产生的压力使压电传感器元件11变形时，由于压电效应产生的能量，控制器30在所述电路中测到的adc31处的测量信号的任何变化均源自压电传感器元件11。

虽然以下实施例使用16个压电传感器元件11，但应该理解，压电传感器元件11的数量可以改变，并且不限于16个。此外，微控制器30例如可以是微控制器、微处理器、现场可编程门阵列、专用集成电路或能够运行检测算法的任何其他装置，其中嵌入有软件、硬件或它们的组合。

现在参考图1的实施例，其中示出了矩阵10中的16个压电传感器元件11，其中，各个压电传感器元件11a-11p连接到由信号调节滤波器21a-21h以及检测装置31a-31h(模数转换器)组成的电路，模数转换器与要检测的矩阵10的行和列的组合数量一样多。因此，4×4矩阵在控制器装置30处需要8个信号输入信道。如果8个信道在控制器装置30内被多路复用，则adc31的数量可以减少到一个。信号调节滤波器21a-21h的数量也等于矩阵10中行和列的数量。控制器装置30还包括电压参考电路32(vref)，其为矩阵10中的压电传感器元件11产生合适的dc偏置电压，以便能够在适合于adc的信号范围内具有可由adc31a-31h检测的变化的电压信号。信号调节滤波器21a-21h的一个实施例如图5所示，其中，对于受到电阻器22和23的电阻分压且频率受到低通滤波器元件24和25限制的压电传感器元件11信号的电压幅度衰减，给出了一种可能的拓扑结构。可以选择每个电阻器22和23的电气值以提供合适的调节效果(零欧姆(无滤波)和高阻抗(低频截止)之间的任何效果)。在图5中，还有vref电路32的示例，其利用电源电压35和地电平37之间的电阻分压器36a和36b来实现，并且与压电传感器元件信号调节滤波器21连接。

参见图1，摁压压电传感器元件11所累积的能量可能瞬间偏离一电压值，该电压值与连接到所述(被触摸的)压电传感器元件11的端子的压电传感器元件矩阵10的行和列有关，该过程可以被adc31a-31h检测到。根据在adc31中读取的这些电压信号，控制器装置30通过处理模数转换结果可以识别出各个压电传感器元件11被按压、触摸或者轻滑。

在图2中，示出了压电传感器元件矩阵10的实施例，其中从压电传感器元件矩阵10的多个列和行到控制器30的电连接被多路复用以节省控制器30内的检测装置31a-31d的数量。用压电传感器元件矩阵10的各行的受控开关12a-12d和各列的受控开关13a-13d完成多路复用。受控装置30通过数字信号(仅仅为了清楚起见，未在图2的电路中明确示出)控制开关12a-12d和13a-13d。与图1所示的实施例相比，可以执行压电传感器元件矩阵10中的触摸检测任务，并且所需的检测装置31a-31d的数量明显减少。

在图3中，图2的配置配备了低功耗唤醒触发电路，其由可控开关14构成，该可控开关14根据控制器装置30的控制断开和连接公共参考网络141和142。当系统处于低功率、待机状态或非激活阶段时，未用adc31a-31d进行检测，因此不消耗用于检测功能的能量，公共参考网络141和142通过开关14的非导通状态隔离。为了给网络提供相同的dc偏置电压，高欧姆值电阻器145与开关14并联连接。模拟比较器143监测两个隔离的公共参考网络141和142之间的电压差。模拟比较器143可以具有预定义的触发电压阈值电平，必须超过该触发电压阈值电平以在电路中可靠地区分所需的触摸检测信号和噪声。当模拟比较器143在公共参考网络141和142之间检测到触摸压电传感器元件11所产生的电压差时，触发控制器30以进行唤醒，从而使开关14导通，并通过激活检测器adc31a-31d来开始监测压电传感器元件矩阵10的行和列。唤醒序列可以在如此短的时间内完成，以至于对于同一压电传感器元件11(产生用于唤醒的信号的压电传感器元件11)的信号，仍然能够可靠地执行控制器30中的触摸检测和识别。

在图4中，示出了低功率唤醒触发功能的实施例，该功能用于检测受控制器30控制的从电路的待机模式转换到电路的正常运行模式的需求。在该实施例中，在控制器30内部的另一个adc信道33用于检测公共参考网141和142之间的电压变化，公共参考网141和142首先通过断开的开关14彼此隔离，但是通过与开关并联的高欧姆电阻器145具有相同的dc偏置电压。当adc33检测到公共参考网络141和142之间的电压变化时，控制器装置30激活adc31a-31d，并将公共参考网络141和142连接在一起，使得vref网络对于所有可检测信道来说都是公共的。在图6中，时域中示出的模拟电压曲线表示adc输入31处的信号，检测触摸以及识别被触摸的压电传感器元件11正是以这些信号为基础。从单个触摸识别测试中捕获电压曲线，其中图1的压电传感器元件11a在50毫秒时被按压并持续20毫秒的时间段，同样的，图1的压电传感器元件11h在300毫秒时被按压并持续20毫秒的时间段。上面的曲线表示从连接到图1的adc31a的压电传感器元件矩阵10的行处的压电传感器元件11a发出的检测信号，以及从连接到adc31h的压电传感器元件矩阵10的列处的相同压电传感器元件11a发出的检测信号。下面的曲线表示从连接到矩阵10的行和列的压电传感器元件11h发出的信号，它们分别在图1的adc31b和adc31e处被检测到。

为了检测矩阵10中被触摸的压电传感器元件11的行和列，与压电传感器元件矩阵10中的其他列和行的任何其他压电传感器元件11的始发信号差异相比，或者与存储在控制器30中的预定参考值相比，在adc31处得到的压电传感器元件矩阵10中的该列和行的压电传感器元件11的始发信号幅度的差异较大。换句话说，基于adc31从矩阵10的列和行测量的足够大的信号差进行触摸检测，该信号差超过adc31测量的矩阵10的其他列和行的信号差，和/或存储在控制器30中的用于触摸检测的设定灵敏度阈值。

连接到矩阵10中压电传感器元件11未被触摸的行和列的其他adc31与连接到矩阵10中压电传感器元件11被触摸的行和列的adc31相比，检测到的信号明显更弱。这在图6表示为300毫秒处的adc31a和31h的信号(上面的曲线)和50毫秒处adc31b和31e的信号(下面的曲线)。用户可以同时触摸、按压、轻滑或以其他方式致动图1的矩阵10的若干压电传感器元件11，以便在压电传感器元件矩阵10的几对行和列上提供足够大的信号差异，这可以通过相同的原理在微控制器30中检测和识别出。不同且可调节的灵敏度阈值可用于在微控制器30中识别不同类型的触摸事件。

本文描述的功能可以至少部分地由诸如软件组件的一个或多个计算机程序产品组件来执行。根据一个实施例，该装置包括处理器(例如微控制器30)，由程序代码配置为当执行程序代码时执行所述操作和功能的实施例。替代地或另外地，本文描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑组件执行。例如但不限于，可以使用的示例类型的硬件逻辑组件包括现场可编程门阵列(fpga)、程序专用集成电路(asic)、程序专用标准产品(assp)、片上系统(soc)、复杂可编程逻辑器件(cpld)和图形处理单元(gpu)。

本文给出的任何范围或装置值可以延伸或改变，但不会丧失所寻求的效果。除非明确禁止，否则任何实施例可以与另一实施例组合。

尽管用结构特征和/或动作专用的语言描述了本主题，但应理解，所附权利要求书中限定的主题不必限于上述具体特征或动作。相反，上面描述的具体特征和动作是作为实现权利要求的示例而公开的，并且其他等同特征和动作旨在落入权利要求的范围内。

应当理解，上述益处和优点可以涉及一个实施例，或者可以涉及多个实施例。实施例不限于解决任何或所有已声明问题的那些实施例或具有任何或所有已声明益处和优点的那些实施例。还应进一步理解，所引用的“一个”条目可以指一个或多个这种条目。

本文描述的方法的步骤可以以任何合适的顺序实施，或者在适当的情况下同时进行。另外，在不脱离本文描述的主题的精神和范围的情况下，可以从任何该方法中删除各个框。上述任何实施例的各方面可以与所描述的任何其他实施例的各方面组合以形成另一个实施例，但不会丧失所寻求的效果。

术语“包括”在本文中用于表示包括所识别的方法、模块或元件，但是这样的框或元件不包括排他列表，并且该方法或装置可以包含附加的模块或元件。

应当理解，以上描述仅作为示例给出，并且本领域技术人员可以进行各种修改。以上说明书、示例和数据提供了示例性实施例的结构和使用的完整描述。尽管上面已经以一定程度的特殊性或者参考一个或多个单独的实施例描述了各种实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本说明书的精神或范围的情况下对所公开的实施例进行多种改动。