用于确定触摸输入刺激的装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于检测刺激的装置和方法，且更具体地涉及用于检测触摸输入和手 写笔输入的装置和方法。
【背景技术】
[0002] 现今存在设计成感测人触摸的存在的人机接口（HMI)设备。在一些情况下，这些 HMI接口包括用于向机器接口提供来自人的输入的手写笔。手写笔可完全代替直接的人接 口或可补充人接口。这些HMI设备可使用光、声、机电(开关)磁场、电场、电磁场或这些刺激 的组合。
[0003] 今天存在的以及使用电场的三个现有和当前触摸技术通常被称为投影式电容、电 容式和差分感测。投影式电容通常与结合相同的大概尺寸的显示器使用的透明触摸屏相 关，并与这样的显示器组装在一起以便允许来自显示器的光通过投影式电容触摸屏感测元 件的感测元件。投影式电容通常被实现有高分辨率能力，其中触摸区域的选择可以比手 指的实际尺寸小得多。投影式电容广泛用在个人电子设备例如蜂窝电话、个人数字助理 (PDA)、智能电话、笔记本计算机、膝上型计算机、桌上型监视器和具有显示器的其它用户设 备上。与投影式电容相反，电容感测通常被应用在处理通常响应于比投影式电容低得多的 分辨率的单个输入的应用中，例如按钮或低分辨率滑块。这些较低分辨率输入感测应用使 用被设计成对手指大小的输入做出响应的电极结构。然而，电容检测可代替投影式电容来 使用，且在原理上投影式电容通常是电容的子集实现。差分感测技术使用电场、低阻抗感测 技术和特有的感测电极，其结合特定的电子感测电路来允许对人触摸的准确、鲁棒的感测， 而不使用软件。
[0004] 电容、投影式电容和差分检测具有至少两个共同属性：1)它们都使用电场作为刺 激用于测量人机交互，以及2)它们依赖于由工程师确定的预先确定阈值，该预先确定阈值 对应于当特定刺激变化由于人机交互而出现时的触摸。
[0005] 图1和2示出用于使用多电极和单电极电容感测的基本单输入传感器配置。图2 示出具有用于通过电介质基片102进行感测的单个电极100的简单电容传感器。触摸刺激 被插在单个电极100所位于的电介质102的相对侧上。图1示出具有电介质基片102和至 少两个电极100、104的多电极电容传感器。类似于图2,触摸刺激将被插在多个电极100、 104所位于的电介质102的相对侧上。与上面的图1和2中的结构有关的这些电容感测技 术从单个或多个电极感测电容中的变化，使得在刺激信号被处理之后，将有当手指或手写 笔接近感测电极时将改变的输出信号。输出信号被处理，使得当特定值(预先确定阈值）被 达到时，触摸响应将出现。这个预先确定阈值将对应于位于触摸表面之上的触摸区内的触 摸位置。被制造容差、介电常数、电介质厚度、电极面积和电子感测电路变化影响的变化将 使在传感器电极之上的实际触摸位置也改变。
[0006] 参考图3到7。图3示出如图2所示的单电极电容传感器的电气示意图和方框图， 以及在图4到7中示出的时序图、用于利用单个电极来检测和处理触摸输入的基本技术。Ce 代表在图2中示出的单电极感测元件的有效净电容。Ce将根据所存在的电容来改变，即， 在"无触摸"的情况下Ce将具有比当"触摸"存在时低的电容值，在触摸存在时，Ce将具有 更高的电容值。Cs代表模数转换器106、预先确定阈值电路108和输出响应110的采样电 容器。控制设备A、B和C代表电子开关，其中当它们被接通时将在最小电阻模式(理想地， 零欧姆）中以及当被断开时在高电阻模式(理想地，无限电阻）中。
[0007] 图4、5、6和7是用于描述用于使用单个电极Ce感测触摸输出的感测技术的基本 操作的时序图。图4示出控制设备A的控制信号的时序图。当控制信号在3. 00的值处时， 控制设备接通，且当控制信号在〇. 〇〇的值处时，控制设备断开。同样的道理也适用于在图 5和6中的控制设备B和C的控制信号。在图6中的时间tl，控制信号C变高，使控制设备 接通，将Ce连接到Cs。也在时间tl，控制信号A和B如所示是低的，使控制设备A和B断 开。在时间t2,控制设备A接通，释放存在于Ce和Cs上的任何电荷到地，如在图7中的从 1.00的电压值下降到0.00的电压Vs所指示的。在时间t3,控制设备A断开。在时间t4， 控制设备C断开，使Ce与Cs隔离。在时间t5,控制设备B接通，将采样电容器Cs充电到 VdcL图7示出从0.00的值充电到3. 00的Vdd值的电压Vs。在时间t7,控制设备C接通， 将Cs连接到Ce,使Cs上的电荷重新分布到Cs和Ce且因此电压Vs与Ce上的电容的量成 比例地下降。Cs的电容是恒定的。较低的电压将根据下面的方程来下降： Vs=Vdd*(Cs/(Cs+Ce)) 在时间t7,在图7中示出1.00的"无触摸"值。如果存在触摸事件，则电容Ce将在比 "无触摸"电容值高的值处。基于上面陈述的方程，Vs在图7中被示为.500的较低值。在 时间t8,控制设备C断开，使传感器电容器Ce从采样电容器Cs分离。Vs的值将保持在与 触摸条件成比例的采样值--"无触摸"条件的较高值和"触摸"条件的较低值--处。
[0008] 在这里描述了利用多个电极的替代的电容检测技术。参考图1、8到12。图8示出 如图1所示的多电极电容传感器的电气示意图和方框图以及在图9到12中示出的时序图、 用于利用多个电极来检测和处理触摸输入的基本技术。Ce代表在图1中示出的多(双）电 极感测元件的有效净电容。Ce将根据所存在的电容来改变，S卩，在"无触摸"的情况下Ce将 较高的电容值，在触摸存在时，Ce将具有较低的电容值。Cs代表模数转换器的采样电容器。 控制设备A和C代表电子开关，其中当它们被接通时将在最小电阻模式(理想地，零欧姆)中 以及当被断开时在高电阻模式(理想地，无限电阻）中。控制设备B被表示为用于在控制设 备B的输出上产生驱动信号的MOSFET电路。图9、10、11和12是用于描述用于使用多电极 电容传感器Ce来感测触摸输出的感测技术的基本操作的时序图。图11示出控制设备C的 控制信号的时序图。当控制信号在3. 00的值处时，控制设备接通，且当控制信号在0. 00的 值处时，控制设备断开。同样的道理也适用于在图9中的控制设备A的控制信号。图10示 出从0. 00的值改变到3. 00的值的输出驱动信号B的时序图。
[0009] 在图11中的时间tl，控制信号C变高，引起控制设备C接通，将Ce连接到Cs。也 在时间tl，控制信号A是低的，使控制设备A断开，且输出B是低的，这两个状态分别在图 11和10中示出。在时间t2,控制设备A接通，将可能存储在Ce和Cs上的任何电荷释放到 地，如在图12中的从1.00的电压值下降到0.00的电压Vs所指示的。在时间t3,控制设 备A断开。在时间t4,输出设备B接通，使施加到传感器电极结构的电压从0. 00的值改变 到3. 00。电压刺激将使Vs的值上升到与Ce的电容成比例的值，如由对于"无触摸"条件从 0. OO上升到I. OO的值的电压所示的。如果手指/附件或其它触摸输入设备接近或接触触 摸表面，则Ce的电容将在"触摸条件"的较低有效电容处，使在Vs处的电压稳定在如在"触 摸条件"处的.500的值所指示的较低值处。这两个条件都在图12中示出。在时间t5,控 制设备C断开，使Ce与Cs隔离。在时间t6,控制设备B变低，将刺激从电极结构Ce移除。 Cs的电容是恒定的。较低的电压将根据下面的方程来下降： Vs=Vdd*(Cs/(Cs+Ce)) 在时间t6,在图12中示出1.00的"无触摸"值。如果存在触摸事件，则电容Ce将在比 "无触摸"电容值高的值处。基于上面陈述的方程，Vs在图12中被示为.500的较低值，使 电容器Ce从采样电容器Cs断开。Vs的值将保持在与触摸条件成比例的采样值--"无触 摸"条件的较高值和"触摸"条件的较低值--处。这个双电极感测技术的一个有用的属性 是，如果水落在触摸传感器结构的触摸表面上，则Ce本质上在值上变高，然后使Vs在值上 增加。这是有用的，因为与正常触摸事件比较，Vs在水的相反的方向上移动。这个信息在 内在地区分开由于水落在触摸表面上所致的错误触摸事件中非常有用。
[0010] 在上面的两种情况中，不管单个电极还是两个电极，模数转换器106都将Vs的值 转换成可由预先确定阈值处理电路108处理的数字值。将如何确定预先确定阈值的两个示 例可以是：1)预先确定阈值等于一电压值，其中当Vs等于或小于相同的所述电压值时，则 存在有效触摸事件，即，当V(采样）〈=Vp (预先确定阈值）时，有效触摸事件存在，或2) 预先确定阈值等于一电压值，其中当在"无触摸" Vs值和Vs之间的差异等于或大于同一所 述电压值时，则存在有效触摸事件，即，当[("无触摸"电压的值）-(Vs)] >=V(预先确 定阈值）时，有效触摸事件存在。阈值处理电路108将采用Vs的数字表示，且阈值处理电 路108将接着使用与上面描述的处理类似的预先确定阈值处理，来处理并决定是否存在将 由用于与外部世界正确地通过接口连接的输出响应电路110处理的有效触摸事件。预先 确定阈值必须由电容或场效应传感器的应用的设计者确定。预先确定阈值是最终与采样值 比较的值，采样值与然后被解释为触摸事件的触摸刺激成比例。存在已经开发的使用利用 预先确定阈值的这种方法的很多技术。甚至使用多个感测电极的差分感测技术也要求在一 组电极上感测的值具有相对于其它组电极的特定值，例如作为示例在差分双电极感测结构 中，两个电极都需要等于彼此，以便对应有触摸事件，且电极之一可能需要小于另一个以对 应没有触摸事件(逻辑上无触摸)。不论技术如何，当使用预先确定阈值技术时，除了 "无触 摸"或"触摸"事件之外，存在可最终影响在图7和12中的采样电压例如Vs的值的其它变 量。触摸基片的介电常数的变化、传感器板面积的有效变化、耦合到传感器结构的手指的面 积的变化、基于玻璃基片的容差的变化、采样电路中的变化、温度、湿气等都可导致错误或 欠/过敏感的触摸感测响应。图1和2示出在触摸表面上的对应于预先确定阈值的位置， 例如以考虑可影响触摸敏感度或"触摸感觉"的其它因素的变化性。如果设计者必须考虑 在手指/附件或其它触摸输入设备上的手套的使用，则在触摸表面上的将对应于预先确定 阈值的位置将必须是较大的距离以适应手套绝缘的厚度。当然，当手指/附件或其它触摸 输入设备将要接近触摸表面时，即使手指/附件或其它触摸输入设备实际上不接触触摸表 面，预先确定阈值处理电路108也将登记有效触摸事件。预先确定阈值的对应位置可能就 在触摸表面处。在这种情况下，设计者将考虑由于手指/附件在最初接触触摸表面之后变 平而引起的信号贡献的量。当手指到玻璃的电容耦合增加时，刺激信号继续增加，这将使图 3中的电容Ce增加以及图8中的电容Ce降低。设计者必须考虑影响预先确定阈值应是什 么的所有变量。非常重要的是，在考虑所有这些变量之后，预先确定阈值不被设置到这样 的值，使得当手指/附件或其它触摸输入设备被带到触摸表面时，将没有有效触摸事件被 识别出。相反，预先确定阈值不应被设置为引起错误致动。所有上述变量--包括环境条 件--需要被考虑以确定用于设置预先确定阈值的正确折衷。
【发明内容】
[0011] 提供了一种电容传感器。在一个实施例中，电容传感器包括限定电容耦合的第一 和第二电极以及电f禹合到第一和第二电极以基于电容f禹合的变化率来确定刺激的存在的 处理单元。处理单元操作用于响应于电容耦合大于预先确定阈值而确定时间变化率。基片 被定位成相邻于第一和第二电极，其中刺激对应于抵靠基片的物体的放置。
[0012] 在另一实施例中，电容传感器包括内电极和外电极。内电极和外电极实质上是共 面的，且外电极实质上包围内电极，与内电极间隔开。内电极可选地限定间隔开的片段，且 外电极可选地插在内电极的间隔开的片段之间。处理单元操作用于响应于刺激(例如接近 电容传感器的物体）而确定在内电极和外电极之间的电容耦合的变化率。
[0013] 在又一实施例中，电容传感器包括用于将第一和第二共面电极在其上支持的刚性 基片，并包括通过多个隔板在第一和第二电极上支持的柔性基片。柔性基片响应于在远离 第一和第二电极的柔性基片的一部分上的触摸输入向下朝着内电极和外电极是柔性的。处 理单元可操作用于响应于抵靠柔性基片的触摸输入而确定在第一和第二电极之间的电容 耦合的变化率。
[0014] 在又一实施例中，电容传感器包括与第一和第二电极间隔开的选通电极（strobe electrode)。选通电极通常是平面的，并与第一和第二电极共同延伸以分别限定第一和第 二电容耦合。刚性基片插在选通电极与第一和第二电极之间。处理单元可操作用于可选地 响应于第一和第二电容耦合超过预先确定阈值而确定第一和第二电容耦合的变化率以指 示触摸输入。
[0015] 在甚至另一实施例中，电容传感器包括在第一方向上延伸的多个电极行和在横切 第一方向的第二方向上延伸的多个电极列。多个电极行和多个电极列在实质上不重叠的对 齐中。在其它实施例中，电极列与电极行的重叠对齐。处理单元可操作用于确定多个电极 行的电容的变化率和多个电极列的电容的变化率以指示在二维中的刺激的存在。相邻电极 行可选地形成电容耦合，其中处理单元进一步适合于测量电容耦合的变化率。此外，相邻电 极列可选地形成电容耦合，其中处理单元进一步适合于测量电容耦合的变化率。
[0016] 从本发明的下面的描述中，当根据附图和所附权利要求看时，本发明的这些和其 它特征和优点将变得明显。
[0017] 在详细解释本发明的实施例之前，应理解，本发明不限于在下面的描述中阐述的 或在附图中示出的操作的细节或部件的构造和布置的细节。本发明可在各种其它实施 例中实现，并以未在本文明确公开的可选方式来实践或执行。此外，应理解，本文使用的 短语和术语是为了描述的目的，且不应被视为限制性的。"包括（including)"和"包含 (comprising)"及其变形的使用意味着包括在其后列出的项和其等效形式以及其额外的项 和等效形式。此外，在各种实施例的描述中可使用列举。除非另有明确规定，列举的使用不 应被解释为将本发明限制到部件的任何特定的顺序或数量。列举的使用也不应被解释为从 本发明的范围排除可与所列举的步骤或部件组合或组合到所列举的步骤或部件组合中的 任何额外的步骤或部件。
【附图说明】
[0018] 图1是用于差分感测技术的包括多个电极的触摸传感器的图示； 图2是用于电容感测技术的包括单个电极的触摸传感器的图示； 图3是对应于图2所示的单电极触摸传感器的电路图； 图4是图3的电路的第一时序图； 图5是图3的电路的第二时序图； 图6是图3的电路的第三时序图； 图7是图3的电路的第四时序图； 图8是对应于图1所示的多电极触摸传感器的电路图； 图9是图8的电路的第一时序图； 图10是图8的电路的第二时序图； 图11是图8的电路的第三时序图； 图12是图8的电路的第四时序图； 图13是用于确定与单个电极的接近度的包括有效区的触摸传感器的图示； 图14是用于时域差分感测的包括多个电极的触摸传感器的图示； 图15是用于时域差分感测的包括单个电极的触摸传感器的图示； 图16是接近包括单个电极和激活区的触摸传感器的手指的图示； 图17是示出图16所示的触摸传感器的电压与时间的关系的第一曲线； 图18是示出图16所示的触摸传感器的电压与时间的关系的第二曲线； 图19是示出图16所示的触摸传感器的电压与时间的关系的第三曲线； 图20是示出图16所示的触摸传感器的操作的流程图； 图21是示出图16所示的触摸传感器的定时接口电路的方框图； 图22是用于确定刺激（S)是否大于接近度阈值（X)的包括有效区的触摸传感器； 图23是包括多个电极和时域差分感测电路的触摸传感器的电路图； 图24是示出图23所示的触摸传感器的刺激与时间的关系的曲线； 图25是示出图23所示的触摸传感器的刺激的变化率与时间的关系的曲线； 图26是包括四个电极和时域差分特征处理电路的触摸传感器的电路图； 图27是用在图26所示的触摸传感器上的四个圆形电极的描绘； 图28是用在图27所描绘的四个圆形电极和图26所示的触摸传感器上的接地平面的 描绘； 图29是停留在包括单个电极的触摸传感器上的手指的第一图示； 图30是停留在包括单个电极的触摸传感器上的手指的第二图示； 图31是示出图26所示的触摸传感器的刺激与时间的关系的曲线； 图32是示出图26所示的触摸传感器的刺激的变化率与时间的关系的曲线； 图33是用在图26所示的触摸传感器上的四个非圆形电极的描绘； 图34是用在图33所描绘的四个非圆形电极和图26所示的触摸传感器上的接地平面 的描绘； 图35是包括用在时域差分逻辑上的多个电极和有效区的触摸传感器的图示； 图36是包括时域差分处理电路的多电极触摸传感器的电路图； 图37是包括八个单或双电极和时域差分处理电路的触摸传感器的电路图； 图38是用在图37所示的触摸传感器上的八个单电极的描绘； 图39是用在图37所示的触摸传感器上的八个双电极的描绘； 图40是用在图37所示的触摸传感器上的十二个双电极的描绘； 图41是包括插在柔性基片和刚性基片之间的单电极的触摸传感器的图示； 图42是接近图41所示的触摸传感器的手指的图示； 图43是使与图41所示的触摸传感器相关的柔性基片偏斜的手指的图示； 图44是示出图41-43所示的触摸传感器的刺激与时间的关系的曲线； 图45是示出图41-43所示的触摸传感器的刺激的变化率与时间的关系的曲线； 图46是包括插在两个刚性基片之间的单个电极的触摸传感器的图示； 图47是接近图46所示的触摸传感器的手指的图示； 图48是包括传感器电极和插在上和下刚性基片之间的偏置电极的触摸传感器的图 示； 图49是包括插在上和下刚性基片之间的