一种在导电装饰层表面感应多点触控的传感器及控制方法与流程

1.本发明涉及一种在导电装饰层表面感应多点触控的传感器及控制方法，适用于具有导电装饰层此类场景下的多逻辑信号输出，尤其是反映人类肢体触摸位置和/或运动轨迹的逻辑信号。


背景技术：

2.随着社会生活水平的提高，人们愈发追求对生活空间的美化，使得生活中的装饰层(也称装饰物)随处可见。有些装饰层能够导电，如表面电镀、喷涂或粘接导电材料，或直接采用金属材料制成装饰，在当前智能化趋势下，人们对这一类型的装饰层衍生出利用其表面来感应多点触控，进而输出不同逻辑信号实现人机交互控制的需求。
3.目前的导电装饰层实现多点触控，比较常见的是在导电装饰层下布置完全被覆盖的检测电极，靠导电装饰层轻微变形来实现多点触控，但从实验来看，此种方案适于导电装饰层为薄板状的情况，如果导电装饰层很厚，当人类肢体(如手指)触摸时无法产生变形则无法检测，并且检测的灵敏度也与触摸时的力度有很大相关。
4.专利cn201110296706.3采用在中央触控屏四周布置电极，利用触控屏上ito导电玻璃本身的方阻与周边布置的电极形成rc电路，通过检测rc电路震荡频率计算手指触碰点的位置坐标，进而实施相应控制。这种技术在触控屏等非导电体上可以使用，但ito本身导电，将之贴设到导电装饰层上时，导电装饰层会对ito产生干扰，影响检测准确度。
5.专利cn201710893997.1同样在中央触控屏四周布置电极，通过向电极加载震荡电压信号，当用户的手指从电极a的上方移动至电极b的上方时，电极a输出的信号将发生变化，震荡频率从较低逐渐恢复至初始震荡频率，而电极b输出的信号的震荡频率将从初始的震荡频率逐渐减小。因此，可以通过多个电极输出的信号的震荡频率变化情况确定手指的运动轨迹，如从左到右，从上到下，但同样专利cn201710893997.1的触控屏为非导电体，并且该方案只能检测手指运动轨迹，如要检测手指位置还需配合现有触摸屏的位置检测电路。
6.现有成熟技术的电容数字转换电路(cdc)，例如adi7142、adi7147，采用δ-σ调制方式通过多次对被测电容进行充放电并与参考电容比较的方法(参见：us patent number:5,134,401)直接将被测电容值转换成数字值，可以将对电容的测量灵敏度提高到1ff级别，容易满足测量系统对电容测量灵敏度的要求，特别是，这些芯片的设计具有多个通道，使得电路设计简单方便，从而有效降低成本和安装难度。
7.专利cn202010346417.9、cn202020539977.1为我司此前申请的传感器方案，基本利用在中央电极四周布置其他电极(简称检测电极)的方式，配合电容数字转换电路(cdc)进行单独按键检测，但其属于非接触式，中央电极也非金属板，跟接触控制有很大不同。主要在于触摸时电容的变化很大，比如说中央电极，其在非触摸状态下自电容c0一般为ff级别，如果将中央电极体积做大，可能可以达到1-200ff，而触摸状态下，c0会增长到200-300pf，触不触摸c0的数量相差几个量级。而检测电极在非触摸时自电容c1为几到十几ff，检
测电极分布于中央电极四周，其与中央电极之间形成的互电容c
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受距离、电极面积影响一般为pf级别，这就导致一个问题，当人类肢体触摸中央电极时，中央电极的自电容c0就会变得很大，此时在高频交流的作用下，中央电极的容抗就会变得很小，基本可以等效成中央电极对地短路，导致c1与c
10
变成并联关系，而c1很小、c
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很大，导致c1根本无法检测出来。
8.因而，如何在触摸导电装饰层的情况下，精确判断人类肢体或手指的触摸位置和/或运动轨迹，实现多点触控输出多个逻辑信号，还是一个待需解决的命题。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于改善现有技术中的不足之处，设计一种利用常见导电装饰层构建的电容传感器，其能够在触摸导电装饰层的情况下，准确判断人类肢体如手指的触摸位置和/或运动轨迹，实现多点触控，同时方便扩展，成本也利于广泛普及。
10.本发明提供一种在导电装饰层表面感应多点触控的传感器，包括导电装饰层、电容数字转换电路、控制模块，
11.所述传感器包括布置在导电装饰层周边的至少两个检测电极，以及位于检测电极与导电装饰层之间的电介质；
12.所述检测电极，不被所述导电装饰层完全覆盖，且在检测电极所临近的导电装饰层边缘的切线方向上，所述检测电极相对于该边缘至少外露出0.5mm的距离和/或至少外露出2.5mm2的电极面积；
13.所述电容数字转换电路包括电容激励信号电路，所述电容激励信号电路产生高频方波激励信号；
14.所述导电装饰层以及各个所述检测电极分别连接所述电容数字转换电路，电容数字转换电路与所述控制模块相连；
15.所述控制模块，依据人类肢体对导电装饰层的触摸输出触发信号，以及
16.依据人类肢体触摸导电装饰层之前或之后的各个检测电极的自电容值或自电容比值输出反映人类肢体触摸位置的第一逻辑信号，和/或依据人类肢体触摸导电装饰层前后的各个检测电极的自电容值或自电容比值输出反映人类肢体运动轨迹的第二逻辑信号。
17.上述导电装饰层可以做成长条、圆形、方形或者不规则形状，用作汽车内饰的一部分，比如导电装饰层作为汽车内饰中的金属装饰条，也可以用于其他具有导电装饰层且需要输出多个逻辑信号的场景，如电视、智能窗帘等设备上的金属边框，或者是金属把手、冰箱、电梯、带金属外壳的手机等设备的触控。
18.检测电极的位置可以设于导电装饰层的部分或者全部周边，比如说位于导电装饰层的一侧、对称的两侧或者是包围导电装饰层，并内藏使人类肢体不可触碰，当然即便检测电极裸露也可以使用，只是使用时需要注意避免触碰，或者在程序上设置过滤掉意外触碰的情况。检测电极的分布可以沿x、y、z中任意一个方向排成一列，如此，以各个检测电极的位置作为坐标构建坐标系时，所构建出来的坐标系则为一维坐标系。或者检测电极可以不用排成一列，而是分布在一个平面内，如在xy平面内既有x向分布也有y向分布，此时以各个检测电极的位置作为坐标构建坐标系时，所构建出来的坐标系则为二维坐标系。还可以检测电极分布在三维空间内，即既有x向分布也有y向分布还有z向分布，如部分检测电极位于xy平面而部分检测电极距xy平面存在一定z向高度，则以各个检测电极的位置作为坐标构
建坐标系时，所构建出来的坐标系则为三维坐标系。
19.上述电介质可以是在一定条件下才可以变得导电的物质，如空气，也可以是是一个绝缘体。当电介质直接使用为绝缘体时，可以完全避免导电装饰层与检测电极之间短接的可能，提高系统稳定性。
20.基于上述结构，要想在触摸导电装饰层的情况下能把检测电极的自电容检测出来，需要让检测电极离导电装饰层越远越好，但离得太远，一方面是设备体积的增大，结构限制不允许，更重要的是离得太远，人类肢体去触摸导电装饰层时，检测电极的自电容也变得很小，导致识别的准确度、灵敏度大幅下降，因此检测电极不能离导电装饰层太远，需要离它近些，但也不是越近越好，即便是在cdc的配合下，也至少需要露出0.5mm的距离和/或至少外露出2.5mm2的电极面积，才能够检测到人类肢体与检测电极之间形成的自电容，同时越近，则检测电极与导电装饰层之间的互电容也就变得越大，这是个冲突。本发明中，通过以下操作避免这个冲突，实现触摸导电装饰层情况下的判断人类肢体如手指的触摸位置和/或运动轨迹，具体包括：
21.在人类肢体接近导电装饰层的过程中，周期性分时测量各个检测电极与人类肢体形成的自电容值；
22.依据人类肢体触摸导电装饰层之前或之后的各个检测电极的自电容值或自电容比值输出反映人类肢体触摸位置的第一逻辑信号，和/或依据人类肢体触摸导电装饰层前后的各个检测电极的自电容值或自电容比值输出反映人类肢体运动轨迹的第二逻辑信号；
23.依据人类肢体对导电装饰层的触摸输出触发信号。
24.本发明的电极布置和操作方法，具有以下优点：
25.第一、通过识别人类肢体对导电装饰层的触摸产生触发信号，以触发信号为界限，利用其之前或之后检测电极的自电容值或自电容比值，来在cdc的配合下准确判断人类肢体触摸位置，在不增设硬件的情况下，巧妙避开触摸导致导电装饰层等效接地带来的无法识别问题。触摸位置检测出来后，根据触摸位置，输出相应的控制指令，就可实现多点触控。
26.第二、还可以依据触发信号前后检测电极的自电容值或自电容比值，来识别人类肢体运动轨迹，如划动手势，进而依据划动手势输出相应控制，实现位置、手势的双重检测，极大拓展输出指令数量的上限。
27.第三、逻辑信号输出数量的调整或者识别细腻度只需增减检测电极即可实现，方便后期根据实际需求进行灵活拓展，同时结构较为简单，仅需在常见装饰上增设几片电极片即可实现，整体成本可控，利于广泛普及。
28.上述中，对于触摸位置的确定方法，可以采用为：
29.依据在每个坐标轴方向上的最大自电容值来判断对应坐标轴坐标后获得唯一空间坐标作为所述触摸位置。比如当检测电极沿x轴排成一列时，由于没有y和z轴分量，可以直接选择自电容值最大的电极所在位置作为触摸位置，而当检测电极在同一平面不只分布在导电装饰层一侧时，比如在xy平面上包围导电装饰层，则可以获取x轴方向上自电容值最大的电极所在的x轴坐标，获取获取y轴方向上自电容值最大的电极所在的y轴坐标，构成坐标(x，y)作为触摸位置，同理，当检测电极不只在xy平面包围导电装饰层，并且相互间有高低差时，考虑z轴分量构成空间坐标(x，y，z)。
30.或者，对于触摸位置的确定方法，还可以采用为：
31.依据每个坐标轴方向上的两个检测电极的自电容比值是否小于设定阈值来判断对应坐标轴坐标后合成唯一空间坐标作为所述触摸位置，所述自电容比值是指对应坐标轴方向上最远的检测电极的自电容值和相反方向上最近的检测电极的自电容值之比。此种方式通过利用最远及最近电极自电容差异大的特性，来识别位置，能够得到更准确的识别度。
32.本发明中，运动轨迹可以依据人类肢体触摸导电装饰层前后的触摸位置变化来生成，其中运动轨迹包含有点击、划动中的一种或多种。具体而言，当人类肢体触摸导电装饰层前后的触摸位置不变时，可以判断人类肢体只是在导电装饰层上做点击动作，当前后触摸位置发生变化时，可以判断做的是划动动作，并以触摸前的位置为起点，触摸后的位置为终点分析出轨迹。
33.本发明中，还可以采用主动屏蔽方式解决触摸导电装饰层等效接地问题，具体是在人类肢体触摸导电装饰层之前或之后，芯片通过放大器控制激励，使导电装饰层与检测电极等电位，以此实现主动屏蔽掉导电装饰层。此时，由于导电装饰层与检测电极等电位，两者之间的互电容为零，互电容与检测电极的自电容不再并联，而是断开关系，此时也能检测到检测电极的自电容。这个方案中，需要使用驱动力强的芯片来确保激励实现等电位，会带来成本上的略微提高。也可以使用驱动力弱的芯片，此时虽然无法达到等电位，但也可以缩小导电装饰层与检测电极之间的互电容，互电容一旦缩小，则检测电极的自电容识别准确度及灵敏度就会提高，达到最优效果。
34.本发明的方法中，还记录了上述第一逻辑信号、触发信号、第二逻辑信号三者产生的时间点，判别时，如果其中任意两者之间的时间间隔不在设定范围内，如时间间隔过长或过短，或者人类肢体触摸或离开导电装饰层时导电装饰层的自电容值的变化幅度未超过设定阈值，都判别为无效动作，避免错误触发。
35.本发明中，上述控制模块可以采用mcu，随着电子技术的不断发展，出现了电容数字转换电路401与控制模块mcu合二为一的芯片，如cypress的psoc 4100s plus系列等但其功能组成如故。
附图说明
36.图1是导电装饰层布置电极的顶视图。
37.图2是导电装饰层布置电极的刨视图。
38.图3是电路原理框图。
39.图4是电极及导电饰层相互间形成的电容示意图。
40.图5是人触摸导电饰层前后，导电饰层的理论自电容变化。
41.图6是一个电极的等效电路图。
42.图7是手指于各个电极间形成的电容示意图。
43.图8是圆形导电装饰层电极布置示意图。
44.图9是条形导电装饰电极布置示意图。
具体实施方式
45.本发明提供一种在导电装饰层表面感应多点触控的传感器，如图1、图2、图3所示包括导电装饰层100、电容数字转换电路401、控制模块402，还包括布置在导电装饰层周边
的至少两个检测电极201、202，以及位于检测电极与导电装饰层之间的电介质300。
46.所述检测电极201、202，不被所述导电装饰层100完全覆盖，且在检测电极所临近的导电装饰层100边缘的切线方向上，所述检测电极相对于该边缘至少外露出h＝0.5mm的距离和/或至少外露出s＝2.5mm2的电极面积。
47.所述电容数字转换电路401，即cdc，包括电容激励信号电路，所述电容激励信号电路产生高频方波激励信号。
48.所述导电装饰层100以及各个所述检测电极201、202分别连接所述电容数字转换电路401，电容数字转换电路401与所述控制模块相连402。
49.所述控制模块402，依据人类肢体对导电装饰层100的触摸输出触发信号，以及依据人类肢体触摸导电装饰层100之前或之后的各个检测电极的自电容值或自电容比值输出反映人类肢体触摸位置的第一逻辑信号，和/或依据人类肢体触摸导电装饰层前后的各个检测电极的自电容值或自电容比值输出反映人类肢体运动轨迹的第二逻辑信号。
50.如图7、图8、图9，上述导电装饰层可以做成长条、圆形、方形或者不规则形状，用作汽车内饰的一部分，比如导电装饰层作为汽车内饰中的金属装饰条，也可以用于其他具有导电装饰层且需要输出多个逻辑信号的场景，如金属把手或者是电视、智能窗帘等设备上的金属边框。
51.检测电极的位置可以设于导电装饰层的部分或者全部周边，比如说如图1、图9的位于导电装饰层的一侧，对称的两侧或者是如图7、图8的包围导电装饰层，并内藏使人类肢体不可触碰，当然即便检测电极裸露也可以使用，只是使用时需要注意避免触碰，或者在程序上设置过滤掉意外触碰的情况。检测电极的分布可以沿x、y、z中任意一个方向排成一列，如此，以各个检测电极的位置作为坐标构建坐标系时，所构建出来的坐标系则为一维坐标系，如图1，两个检测电极201、202布置于导电装饰层100的一侧沿x轴方向排列成一列，或者如图9，3个检测电极201、202、203布置于导电装饰层100的一侧沿x轴方向排列成一列，此时仅可能在x轴方向分区检测触碰导电装饰条的位置，也即是构建出来的坐标系为一维坐标系。或者检测电极可以不用排成一列，而是分布在一个平面内，如图7、图8所示，图7中检测电极201、202、203、207、208、209分别排列在方形导电装饰层100的y轴方向，而检测电极204、205、206、210、211、212则排列在方形导电装饰层的x轴方向，此时在xy平面内既有x向分布也有y向分布，此时以各个检测电极的位置作为坐标构建坐标系时，所构建出来的坐标系则为二维坐标系。当然检测电极201～212还可以在z轴方向错层布置，也即是分布在三维空间内，即既有x向分布也有y向分布还有z向分布，如部分检测电极位于xy平面而部分检测电极距xy平面存在一定z向高度，则以各个检测电极的位置作为坐标构建坐标系时，所构建出来的坐标系则为三维坐标系。
52.参照图1，图2上述电介质300可以是在一定条件下才可以变得导电的物质，如空气，也可以是是一个绝缘体。当电介质直接使用为绝缘体时，可以完全避免导电装饰层100与检测电极201，202之间短接的可能，提供系统稳定性。
53.参照图1、图2、图4、图6，基于上述结构，图6是影响测量的电容的等效电路图，其中c1是需要检测的电容，其变化范围是1～50ff，c0是导电饰板对地形成的自电容，其范围1～200pf，c10是检测电极和导电饰板间形成的互电容1～2pf。导电饰板要想在触摸导电装饰层100的情况下能把检测电极201、202的自电容检测出来，需要让检测电极201、202离导电
装饰层100越远越好，但离得太远，一方面是设备体积的增大，结构限制不允许，更重要的是离得太远，人类肢体去触摸导电装饰层100时，检测电极201、202的自电容c1、c2也变得很小，导致识别的准确度、灵敏度大幅下降，因此检测电极100不能离导电装饰层太远，需要离它近些，但也不是越近越好，即便是在cdc的配合下，也至少需要露出d＝0.5mm的距离和/或至少外露出s＝2.5mm2的电极面积，才能够检测到人类肢体与检测电极201、202之间形成的自电容c1、c2，同时越近，则检测电极与导电装饰层之间的互电容c
10
、c
20
也就变得越大，这是个冲突。本发明中，通过以下操作避免这个冲突，实现触摸导电装饰层100情况下的判断人类肢体如手指的触摸位置和/或运动轨迹，具体包括：
54.在人类肢体接近导电装饰层的过程中，周期性分时测量各个检测电极与人类肢体形成的自电容值；
55.如图5中，在理论上，t0-t1为人类肢体接近导电装饰层的过程，t1-t2为人类肢体接触导电饰层的时间段，t2之后为人类肢体离开导电饰层的时间段。
56.依据人类肢体触摸导电装饰层100之前即图5中t0-t1的时间段或图5中t2之后的各个检测电极的自电容值或自电容比值输出反映人类肢体触摸位置的第一逻辑信号，和/或依据人类肢体触摸导电装饰层前后的各个检测电极的自电容值或自电容比值输出反映人类肢体运动轨迹的第二逻辑信号；
57.依据人类肢体对导电装饰层100的触摸输出触发信号。
58.本发明的电极布置和操作方法，具有以下优点：
59.(1)通过识别人类肢体对导电装饰层100的触摸产生触发信号，以触发信号为界限，利用其之前t0-t1时间段或之后t2之后的时间段检测电极100的自电容值或自电容比值，来在cdc的配合下准确判断人类肢体触摸位置，在不增设硬件的情况下，巧妙避开触摸导致导电装饰层等效接地带来的无法识别问题。触摸位置检测出来后，根据触摸位置，输出相应的控制指令，就可实现多点触控。
60.(2)还可以依据触发信号前后检测电极的自电容值或自电容比值，来识别人类肢体运动轨迹，如划动手势，进而依据划动手势输出相应控制，实现位置、手势的双重检测，极大拓展输出指令数量的上限。
61.(3)逻辑信号输出数量的调整或者识别细粒度只需增减检测电极即可实现，方便后期根据实际需求进行灵活拓展，同时结构较为简单，仅需在常见装饰上增设几片电极片即可实现，整体成本可控，利于广泛普及。
62.上述中，对于触摸位置的确定方法，可以采用为：
63.依据在每个坐标轴方向上的最大自电容值来判断对应坐标轴坐标后获得唯一空间坐标作为所述触摸位置。比如当检测电极沿x轴排成一列时，由于没有y和z轴分量，可以直接选择自电容值最大的电极所在位置作为触摸位置，而当检测电极在同一平面不只分布在导电装饰层一侧时，比如在xy平面上包围导电装饰层100如图7，当人手指接近导电饰板100时，通过检测比较导电饰板与手指对地形成的自电容c1～c12则可以获取x轴方向上自电容值最大的电极所在的x轴坐标，获取获取y轴方向上自电容值最大的电极所在的y轴坐标，构成坐标(x，y)作为触摸位置，同理，当检测电极不知在xy平面包围导电装饰层，并且相互间有高低差时，考虑z轴分量构成空间坐标(x，y,z)。
64.或者，对于触摸位置的确定方法，还可以采用为：
65.依据每个坐标轴方向上的两个检测电极的自电容比值是否小于设定阈值来判断对应坐标轴坐标后合成唯一空间坐标作为所述触摸位置，所述自电容比值是指对应坐标轴方向上最远的检测电极的自电容值和相反方向上最近的检测电极的自电容值之比。此种方式通过利用最远及最近电极自电容差异大的特性，来识别位置，能够得到更准确的识别度。
66.本发明中，运动轨迹可以依据人类肢体触摸导电装饰层100前后的触摸位置变化来生成，其中运动轨迹包含有点击、划动中的一种或多种。具体而言，当人类肢体触摸导电装饰层前后的触摸位置不变时，可以判断人类肢体只是在导电装饰层上做点击动作，当前后触摸位置发生变化时，可以判断做的是划动动作，并以触摸前的位置为起点，触摸后的位置为终点分析出轨迹。
67.如图4、图5、图6，本发明中，还可以采用主动屏蔽方式解决触摸导电装饰层等效接地问题，具体是在人类肢体触摸导电装饰层100之前或之后，芯片通过放大器410控制激励，使导电装饰层与检测电极等电位，以此实现主动屏蔽掉导电装饰层100。此时，由于导电装饰层与检测电极等电位，两者之间的互电容c
10
、c
20
近似为零，互电容c
10
、c
20
与检测电极的自电容c1、c2不再并联，而是断开关系，此时也能检测到检测电极的自电容。这个方案中，需要使用驱动力强的芯片来确保激励实现等电位，会带来成本上的略微提高。也可以使用驱动力弱的芯片，此时虽然无法达到等电位，但也可以缩小导电装饰层与检测电极之间的互电容，互电容一旦缩小，则检测电极的自电容识别准确度及灵敏度就会提高，达到最优效果。
68.参照图5，本发明的方法中，还记录了上述第一逻辑信号、触发信号之间、第二逻辑信号三者产生的时间点，判别时，如果其中任意两者之间的时间间隔不在设定范围内，如时间间隔过长或过短，或者人类肢体触摸或离开导电装饰层时导电装饰层的自电容值的变化幅度未超过设定阈值，都判别为无效动作，避免错误触发。
69.本发明中，上述控制模块可以采用mcu，随着电子技术的不断发展，出现了电容数字转换电路401与控制模块mcu合二为一的芯片，如cypress的psoc 4100s plus系列等但其功能组成如故。
70.最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。