人手的3d位置和手势检测的制作方法
【专利说明】
[0001] 本发明中的政府权力
[0002] 本发明是利用国家科学基金会授予的、授权No.ECCS-1202168和No.CCF-1218206 之下的政府支持做出的。政府在本发明中具有某些权力。
[0003] 对现有领域申请的交叉引用
[0004] 本申请要求于2013年10月18日提交的美国临时申请61/892, 516以及于2013 年5月7日提交的美国临时申请61/820, 242的优先权，将其全部都并入本申请中。
技术领域
[0005] -般而言，本发明涉及用于触摸检测的系统和方法，且更具体地，本发明涉及三维 触摸检测。
【背景技术】
[0006] 电容式触摸屏已经实现了用于显示的令人叹服的接口。三维（3D)检测，其中也可 以在到大约20-30cm距离的平面外距离中检测用户手势，代表了可以实质上丰富用户体验 的新的接口可能性，尤其是对大型显示器而言。挑战是当检测到由用户与检测电极交互导 致的较小的电容扰动时在这些距离实现灵敏度。在电容检测方法中，自电容能够实现比互 电容（即，在电极之间）大很多的距离，但是在多点触摸期间，其可能遭受到寄生效应。对 于3D检测而言，检测这样的系统的距离仍过于受限。需要改进的技术来实现3D检测，尤其 是在手势可以在平面外长度到大约20-30cm距离中被检测到的地方。
【发明内容】
[0007] 公开了一种三维触摸检测系统，其具有配置成探测位于触摸表面之上的触摸输入 的触摸表面。该系统包括设置在触摸表面上的多个电容式触摸检测检测，每一电极具有基 线电容和基于触摸输入的触摸电容。振荡平面设置在触摸表面之下。触摸检测器被配置成 利用AC信号驱动触摸检测电极中的一个，AC信号的频率基于电极电容中从基准电容到触 摸电容的变化从基准频率转换到触摸频率。触摸检测器被配置成将振荡平面驱动到触摸频 率。
[0008] 触摸平面可以是具有位于振荡平面之下的公共电极的显示器。多个电容性触摸检 测电极可以包含多个行电极和多个列电极。多个电容性触摸检测电极可以二维阵列配置。 振荡平面可以被配置为矩形区域。振荡平面可以被配置具有多个可独立驱动的部分。
[0009] 触摸检测器可以被配置成基于从基准电容到触摸电容的电极电容的变化，确定从 触摸表面到触摸输入的距离Z。多个电容性触摸检测电极可以相对于触摸表面具有X-Y几 何关系且触摸检测器可以被配置成基于多个电容性触摸检测电极相对于触摸表面的X-Y 几何配置确定触摸输入的X-Y位置。系统可以被配置具有频率读出集成电路（1C)，触摸表 面被配置具有电容到频率转换电路，且频率读出1C被配置具有频率到数字转换电路。电感 线圈可以与电容到频率转换电路耦合，频率读出1C可以与电感线圈电感地耦合。
[0010] 也公开了一种用于与配置成探测位于触摸表面之上的触摸输入的触摸表面一起 使用的三维触摸检测方法。该方法包括提供多个设置在触摸表面上的电容性触摸检测电 极，每一电极具有基准电容和基于触摸输入的触摸电容。振荡平面设置在触摸表面之下。利 用AC信号区域触摸检测电极中的一个，该AC信号的频率基于从基准电容到触摸电容的电 极电容的变化从基准频率转换到触摸频率。振荡平面被驱动到触摸频率。
[0011] 触摸表面可以是具有设置在振荡平面之下的公共电极的显示器。多个电容性触摸 检测电极可以包括多个行电极和多个列电极。多个电容性触摸检测电极可以二维阵列配 置。振荡平面可以被配置为矩形区域。振荡平面可以被配置具有多个可独立驱动的部分。
[0012] 可以基于从基准电容到触摸电容的电极电容的变化驱动从触摸表面到触摸输入 的距离Z。多个电容性触摸检测电极可以相对于触摸表面具有X-Y几何关系。可以基于多 个电容性触摸检测电极相对于触摸表面的X-Y几何配置来确定触摸输入的X-Y位置。可以 提供频率读出集成电路（1C)。触摸表面可以配置有电容到频率转换电路且频率读出1C可 以被配置有频率到数字转换电路。电感线圈可以与电容到频率转换电路耦合，频率读出1C 与电感线圈电感性地耦合。
[0013] 附图简要说明
[0014] 图la表示包含触摸传感器和公共电极的显示器的框图；
[0015] 图lb表示包含与公共电极的平面相分离的触摸检测电极的显示器的框图；
[0016] 图lc表示可以与显示器或其他触摸表面集成的触摸检测系统50的框图；
[0017] 图2a表不读出信道的框图；
[0018] 图2b表示示出了描绘针对在附近和在远处的读出信道100的频率调制响应的仿 真波形的图；
[0019] 图3a表示检测振荡器（S0)和混频器的框图；
[0020] 图3b表示示出S0电压和电流相对于频率的图；
[0021] 图4a表示用于从fSENSE生成数字TDC输入的前置放大器和比较器链的框图。
[0022] 图4b表示示出前置放大器输入和比较器输出相对于时间的图；
[0023] 图5a表示示出了针对放置在检测电极之上的手指绘制的读出SNR和TDC码（具 有RMS条）相对于距离的图；
[0024] 图5b表示示出了当将显示噪声（从零到各种峰-峰值）直接驱动到0P上时的 TDC码（具有RMS条）的图；
[0025] 图6表示示出了测量概况和与目前发展状况的比较的表；
[0026] 图7表示原型频率-读出1C的图；
[0027] 图8表示示出包含基于柔性像素的大区域检测表、柔性电容到频率（C2F)转换表 和定制CMOS读出1C的系统架构的框图；
[0028] 图9表示示出了C2F表和CMOS读出1C的另外细节的框图；
[0029] 图10表示检测振荡器（S0)的框图；
[0030] 图1la表示示出了针对四个标称S0频率（3. 0MHz、2. 4MHz、1. 7MHz、1. 3MHz)的电 感参数的表，且图lib示出了针对四个标称SO频率（3.0MHz、2.4MHz、1.7MHz、1.3MHz)的电 感参数的图；
[0031] 图12表示扫描电路的框图；
[0032] 图13a和图13b表示示出了针对链中的电平转换器和第N个扫描单元所测量的操 作波形的图；
[0033] 图14表示原型触摸检测系统的图；
[0034] 图15a表示示出了针对位于检测电极之上的手所绘制的读出SNR和TDC码（具有 RMS条）相对于距离的图；
[0035] 图15b表示示出了针对在检测电极之上5cm的手读出SNR与TDC码相对于水平位 移的图；
[0036] 图16a表示示出了由TFT扫描电路产生的循环EN〈1-4〉信号的图；
[0037] 图16b表示示出了在将手擦过距离6cm的一行电极的同时从CMOS读出1C获得的 频移的图；以及
[0038] 图17表示示出了原型触摸检测系统的性能概况的表。
【具体实施方式】
[0039] 本申请中公开了增强型3D检测系统。在一实施例中，该系统具有40x40cm2检测 面积且检测距离达大约30cm。通过并入若干技术来获得该距离。例如，可以通过频率调制 来执行电容检测，以及通过由能够将读出系统中的噪声源以及杂散噪声源从显示耦合滤除 的高Q振荡器增强频率读出的灵敏度。可以通过将检测电极和周围的接地平面或接地特征 之间的静电耦合消除来增强电容信号。
[0040] 图la表示包含触摸检测电极22a-22c的显示器20的框图。显示器20包括上玻 璃片24、下玻璃片26和公共电极28。在该示例中，触摸检测电极22a-22c由铟锡氧化物 (ΙΤ0)形成。应该理解的是，可以在不偏离本公开的范围的情况下使用其他材料。还应该理 解的是，可以提供任何数目的触摸检测电极。还应该理解的是，可以如在下文详细讨论的， 以各种形状来形成触摸检测电极。为了最小化典型显示器的厚度，触摸检测电极22a-22c 以到公共电极28的平面的渐渐变大的最小间距的方式结合。这导致了从检测电极到显示 器（直接地和通过相邻电极）的较大的静电耦合（边缘通量），这大大降低了在远处的用户 可实现的耦合。
[0041] 图lb表示包含触摸检测电极32a-32c的显示器30的框图。显示器30包括与图 la类似的上玻璃34、下玻璃36和公共电极38。再次在该示例中，触摸检测电极22a-22c由 ΙΤ0形成。再次应该理解的是，可以在不偏离本公开的范围的情况下使用其他材料。如结 合图la所讨论的，还应该理解的是，可以设置任何数目的触摸检测电极且触摸检测电极可 以以各种形状形成。在该示例中，触摸检测电极32a-32c通过振荡平面（0P)40与公共电极 38的平面隔离开。一般而言，在触摸检测电极32a-32c与0P40之间的耦合减轻了到在下 方的显示器的接地平面边缘的电场。
[0042] 图lc表示可以与一般以虚线示出的显示器或其他触摸表面60结合的触摸检测系 统50的框图。如所示出的，触摸检测电极62a-62d、63a-63d在触摸表面上形成为行/列格 式的条且一个接一个地与一般由附图标记70示出的检测器连接。应该理解的是，可以在不 偏离本公开范围的情况下使用各种检测器。一般而言，检测器70基于在多个触摸检测电极 中的一个处