[0002] 本申请案主张2014年8月20日申请的共同拥有的第62/039,734号美国临时专利申请案的优先权，所述申请案出于所有目的特此以引用的方式并入本文中。
技术领域
[0003] 本
发明涉及电容式感测系统及其操作方法，特定来说，本发明涉及使用
电场效应的电容式感测系统的电极布置。
背景技术
[0004] 集成
电路(也被称为由本申请案的受让人制造的MGC3130)为可用于三维无触摸手势检测及跟踪(使用准静态交变近场电场，例如大约100到200kHz)的高度敏感电容式感测技术。此系统通常使用发射电极，所述发射电极接收例如
正弦波或方波
信号的交变信号以产生所述电场。多个接收电极以类似
框架的方式布置于(例如)发射电极上方，且可在集成电路装置内通过
信号处理而从所接收的信号重建对象的三维
位置。
[0005] 使用此集成电路装置的人机
接口装置(HID)需要通常形成于导电材料的层(例如，印刷
电路板层(PCB)的
铜条)中的
传感器电极。这些电极电连接到集成电路中的检测单元。在检测系统中，常规电极布置可形成于多层印刷电路板上，其
中底层的全部或大部分通常用作为发射器且较小接收电极及补偿电极可形成于顶层上。可设置两个以上的层以建立还可增加此类电极布置的制造成本的电极。
[0006] 手势检测单元的测量值尤其取决于传感器电极周边的目标对象(
手指/手)的影响电极与目标之间的
电容耦合的位置，从而产生取决于交变电场的失真的目标测量信号。所述手势在
检测区域上方执行且无需触摸相应装置的任何区域。此外，触摸检测还可需要执行/起始所述装置的特定功能。
[0007] 工业设计的平整度及制造成本正驱动消费及其它行业中的投影电容式触摸显示器。现今，消费显示应用中越来越多的触摸面板是
单层电极设计，其更易于制造、能获取更高产率、更薄且显著降低成本。此外，单层设计可提供更好的光学特性(更高透明度)。现今的两层 电极设计是进入利用3D手
位置跟踪及
手势识别的此早期批量市场的障碍。
发明内容
[0008] 因此，需要较便宜的电极布置。根据
实施例，一种电极布置可包括矩阵，所述矩阵具有布置于单层中的电容式触摸传感器的行及列，其中每一触摸传感器包括第一电极及相关联的第二电极，其中连接所述矩阵的每一行中的所述第一电极且连接所述矩阵的每一列中的所述第二电极，且其中所述电极布置进一步包括电容耦合件，所述电容耦合件可经操作以将交变发射信号仅馈送到经连接的第一电极的顶行及底行且馈送到经连接的第二电极的最左列及最右列。
[0009] 根据另一实施例，电容耦合件可包括第一电容器、第二电容器、第三电容器及第四电容器，其中所述第一电容器的第一
端子连接到顶行电极，所述第二电容器的第一端子连接到底行电极，所述第三电容器的第一端子连接到最左列电极，且所述第四电容器的第一端子连接到最右列电极，且其中第一电容器、第二电容器、第三电容器及第四电容器的第二端子经共同连接且接收交变发射信号。根据另一实施例，电极布置可进一步包括
接触区域，所述接触区域包括经配置以将电连接提供到行及列的电连接的多个
馈线。根据另一实施例，电极布置可进一步包括位衬底，在所述衬底的顶侧上布置第一电极及第二电极。根据另一实施例，所述衬底可为柔性衬底。根据另一实施例，电极布置可进一步包括切换电路，所述切换电路在第一操作模式中将行及列与触摸检测装置耦合且在第二操作模式中将顶行、底行、最左列及最右列分别与非触摸手势检测装置的相应输入耦合。根据另一实施例，第一电极及第二电极可操作为第一操作模式中的投影电容式触摸传感器。根据另一实施例，四个电极可由顶行、底行、最左列及最右列形成，在第二操作模式期间通过电容耦合件接收连续交变发射信号且通过确定所述四个电极中的每一者的负载而经评估。根据另一实施例，在第二操作模式中，未经使用的电极经共同切换以接收所述交变发射信号。根据另一实施例，第一电极及第二电极各自为梳子状且以交叉指形的形式经布置。
[0010] 根据另一实施例，传感器布置可包括如以上所描述的电极布置，其中所述电极布置进一步布置于衬底的顶部上且包括连接区域，所述连接区域包括经配置以将行电极及列电极与连接器连接的多个馈线。
[0011] 根据另一实施例，传感器布置可进一步包括与馈线连接的
控制器，其中所述控制器经配置以以第一模式或第二模式操作，其中所述第一模式将由顶行、底行、最右列及最左列形成的电极用于无触摸手势检测且第二模式将第一电极及第二电极用作为投影电容式触摸传感器以用于基于触摸的检测模式。
[0012] 根据另一实施例，其描述一种用于操作传感器布置的方法，所述传感器布置包括矩阵，所述矩阵具有布置于单层中的电容式触摸传感器的行及列，其中每一触摸传感器包括第一电极及相关联的第二电极，其中连接所述矩阵的每一行中的所述第一电极且连接所述矩阵的每一列中的所述第二电极，所述方法可包括以下步骤：在第一操作模式中，在测量循环期间将连续交变发射信号通过电容耦合件仅馈送到由经连接的第一电极的顶行及底行及经连接的第二电极的最左列及最右列形成的手势检测电极，且通过处理手势检测电极中的信号以评估所述手势检测电极的负载而确定进入由所述手势检测电极产生的电场的对象的三维位置；且在第二操作模式中，关闭交变发射信号且测量每一电容式触摸传感器的电容以确定是否已触摸电容式触摸传感器。
[0013] 根据以上方法的另一实施例，在第一模式中还将交变发射信号电容馈送到矩阵的每一另外未经使用的第一电极及第二电极。
附图说明
[0014] 图1及2展示用于电容式三维手势检测的常规传感器布置。
[0015] 图3展示根据图1或2的传感器布置的简化等效电路。
[0016] 图4展示具有栅格状
中心电极的一层传感器布置的第一实施例。
[0017] 图5展示具有发射中心电极的一层传感器布置的第二实施例。
[0018] 图6展示具有多个投影电容式触摸传感器电极的一层传感器布置的第三实施例。
[0019] 图7展示具有多个投影电容式触摸传感器电极的一层传感器布置的第四实施例。
[0020] 图8展示使用具有多个投影电容式触摸传感器电极的一层传感器布置的传感器电路的第一实施例。
[0021] 图9展示使用具有多个投影电容式触摸传感器电极的一层传感器布置的传感器电路的第二实施例。
[0022] 图10展示使用具有多个投影电容式触摸传感器电极的一层传感器布置的传感器电路的第三实施例。
具体实施方式
[0023] 根据各种实施例，可设计传感器布置，特定来说，可设计使用准静态交变近场电场的效应的用于非触摸三维手势检测系统的传感器布置，所述传感器布置提供较低材料及制造成本、较薄传感器设计及透明设计的较好光学性能。
[0024] 如上文所提及，三维电容式非触摸检测系统产生准静态电场，其中评估由进入所述电场的对象引起的所述电场中的扰动。所述评估允许电场确定所述对象(例如用户的手指)的三维位置，且跟踪所述对象的位置以进一步确定是否已执行预定手势池中的手势。此系统还可操作为三维无触摸
鼠标或控制任何种类的适合操作。此系统通常使用接收例如正弦波或方波信号(例如具有100到200kHz的
频率)的交变信号以产生准静态交变电场的发射电极。与(例如)互电容或自电容测量相反，发射电极经永久供应有产生器信号且当在测量期间永久
支撑电场时，测量产生的电场中的扰动。系统不评估单个脉冲、由单个或多重脉冲产生的
电压及传感器电极的相关联的电荷变化，这是由于(例如)电容式
分压器或用于互电容或自电容测量的电荷时间测量单元在电容测量系统中是常见的。在一些实施例中，多个接收电极(例如)以框架方式经布置以评估由发射电极产生的准静态电场，且可在集成电路装置内通过信号处理而自所接收的信号重建对象的三维位置。在其它实施例中，相同电极用于发射及接收且同时产生相同电场，评估测量由电场中的扰动产生的每一发射器/接收器电极上的负载。
[0025] 所揭示的各种实施例提供消除电极设计中的两个电极层中的一者的解决方案，例如(例如)用于微芯公司(Microchip)的 3D手跟踪及手势辨识技术的电极布置。然而，所揭示的设计可用于其它类型的传感器装置且不限制于 3D手跟踪及手势辨识技术。根据各种实施例，将描述可如何将TX及RX电极集成于仅一个单电极层中的技术。所描述的技术适用于使用类似于针对 系统提出的电极设计的任何电极系统，但不限制于此系统。此外，揭示单层电极如何可集成到一层投影电容式(pCAP)触摸矩阵设计中的解决方案。
[0026] 图1及2展示常规两层电极布置。在图1中展示的设计包含中心接收电极RXCenter而在图2中展示的实施例使用具有开放中心区域的框架设计。在两种设计中，在不同顶层位置处存在提供关于在电极布置上的区域中执行手势的对象(例如，手)的空间信息的四个接收电极RXNorth、RXEast、RXSouth及RXWest。这些接收电极(RX)接收由下层发射电极TXbottom产生的交变电场。非导电载体材料110、120(例如，塑料、PCB材料、玻璃等等)将RX电极与发射电极(TX)隔离。底层中的TX电极TXbottom激发电场且屏蔽RX电极使其免受背部噪声的干扰。可由(例如)馈送到TX电极TXbottom的100kHz方波信号产生电场。接着，在区域(例如，在载体材料110、120上方大约高达10到15cm处)中由发射电极TXbottom投影相应电场。(例如)使用其手在此区域内执行手势的用户扰动电场且可由四个RX电极RXNorth、RXEast、RXSouth及RXWest检测这些扰动。从所接收的信号，可处理三维位置。信号偏差、第一偏差及第二偏差以及到每一电极的经计算、经线性化的距离可用于执行手势比较/评估。
[0027] 图3展示简化的等效电路。CRxTx代表RX与TX电极之间的电容且可为大约10到30pF。CRxG代表从RX电极到地面的电容且可为大约10到30pF。CH代表用户手与RX电极之间的电容且可为大约1fF到1pF。CBuf代表与电极耦合的RX输入
缓冲器的高阻抗输入电容且可为大约
6pF。
[0028] 非触摸近场检测系统(例如在 技术中使用中的一者)测量由用户手对经由TX电极激发的电场的影响引起的RX输入幅度变化。设计目标是为了最大化所接收的信号的信号偏差。
[0029] 在两层电极设计中，一般来说，堆叠的电极设置提供RX电极对底下噪声源(例如
电子电路及
液晶显示器)及对地面的优良屏蔽。
[0030] 在最优电极设计中，CRxTx及CRxG电容是较小的且具有类似尺寸。此案例在(例如)从微芯技术公司(Microchip Technology Inc.)获得的“ 设计指南、电极及系统设计MGC3130( Design guide,Electrodes and System Design MGC3130)”中描述且以引用的方式并入本文中，其中CRxG的下限为检测电路的输入电容(例如，4到5pF)。在两层设计中，Rx-TX电极距离及所得载体材料的低电容率允许较小CRxTx，其中屏蔽TX层保证代表RX电极电容到地面的小CRxG值。
[0031] 根据各种实施例，在其中TX及RX电极依据定义在相同层中的单层设计中，必须保证沿Z方向的充足电场传播。
[0032] 根据各种实施例，用于这些类型的检测电路的TX电极可为：
[0033] a)在与RX电极相同的层中的分离TX结构；
[0034] b)RX电极本身；
[0035] c)同一层中的电容式或
电阻式触摸面板的电极结构。
[0036] 在单层设计中，馈线的布线是极其重要的，这是因为层间通孔连接依据定义是不可行的。最优设计完全不具有任何馈线交叉点。所提及的各种实施例展示如何实现此类设计的实例。
[0037] 在特定电极技术中可允许桥接的存在，例如箔或玻璃上的ITO、印刷箔等等。然而，此类技术是昂贵的。桥接可在连接电极板的柔性缆线上实现。此外，桥接可在PCB及连接到电极的芯片上实现。
[0038] 图4的设计展示将TX电极集成到RX电极层中的解决方案。从两侧流动到较低地面的环形围绕RX电极420的TX电极410起作用。每RX电极420的TX环410的一个中断430允许相应RX电极馈线440的连接。仅需要每电极中的一个RX馈线440，如图4中所展示。
[0039] 围绕每一RX电极420的TX环410屏蔽地面使其免受外部装置部分(例如金属
外壳)的干扰且因此维持敏感度。相较于常规设计，举例来说，如图1及2中所展示的 设计，TX电极环410不提供与地面下方的屏蔽。为了维持如上文所提及的大概相似的CRXTX及CRXG值，TX环410归因于RX电极420下方离地面的较小距离而必须更靠近RX电极420。地面可为(例如)透明一层电极结构下的显示器。
[0040] 个别框架电极TX环410还形成用于任选RX中心电极450(例如用于 设计中)的TX结构。在不需要(例如)用于中心触摸检测的RX中心电极的情况中，中心区域可有利地由TX电极510填充，如图5中所展示。电场分配及系统的敏感度增加。在图5的所提及的设计中，仅需要一个TX馈线520。中心电极510直接连接到环绕电极420及/或任何其它可得环形结构的环形结构410，如图5中所展示。
[0041] 根据一些实施例，完整一层投影电容式触摸矩阵可集成到此框架电极结构的中心区域中，如图6中所展示。将近场接收电极420及内部pCAP电极610中的所有电极馈线布线通过一个隅
角620且无任何交叉。此设计节省成本，这是因为其仅需要从电极到
电子电路板的一个连接器且不需要一层电极板或玻璃605上的桥接。任何必要连接可形成于控制器PCB上或连接器内，如图6中所指示。
[0042] 根据
现有技术水平，在柔性连接器、电子电路板(PCB)及触摸控制器芯片上完成使得pCAP矩阵形成电极列及行所需的桥接。在图6中，连接由点表示。所有其它交叉需要桥接。
[0043] 在为避免两种测量之间的干扰的PCAP与 之间的时分复用操作的情况中，在 操作期间(在下文中，GTX为 TX发射信号)可利用GTX信号驱动完整触摸矩阵。因此，共同切换触摸电极610以形成连接到环形结构410的单个发射电极。在板605外部(例如)由相应切换电路执行此切换。这具有 操作期间的经界定及强电场以及pCAP与 之间的最快越区移交的优势。pCAP电极610上无剩余电荷可影响十分敏感的
测量。通常可内置于控制器芯片上的模拟多路复用器可用于允许此操作模式。举例来说， 芯片或任何其它适合无触摸检测装置可经设计以执行此功能，或使用(例如)模拟多路复用器芯片来外部实施。
[0044] 图7展示与一层电极布置结合的pCAP一层触摸矩阵设计的另一实例。pCAP TX及RX电极710在本文中被实现为梳子结构。图7进一步展示衬底605可经延伸或设计以提供连接器区段720，所述连接器区段允许连接到馈送电极的个别馈线、接收电极及多个pCAP电极710的连接。
[0045] 衬底605在任何实施例中可为刚性印刷电路板，其包括接收连接器720或可包括直接形成如所属技术领域所已知的印刷电路连接器的区段720的区域。替代地，所述衬底可为提供连接器或柔性PCB的柔性衬底，所述柔性PCB形成可插入到连接器中的连接区段720。
[0046] 根据一些实施例的又一解决方案在图8中展示且其为 系统的RX-TX电容的离散实现。TX信号经由每一电极420的离散CTX耦合电容810而耦合到RX电极420上。CTX电容810可为离散组件或集成到 芯片上。为了满足优化准则(CTX＝CRXTX)等于CRXG，耦合电容CTX_North到CTX_West应单独经调谐(例如，5pF、10pF、15pF…50pF)。图8展示无需专属TX电极。
RX电极420分配电场且对由用户的手引起的电场变化是敏感的。因此，每一电极420同时操作为发射器及接收器，其中通过确定每一电极420上的负载而执行接收功能。此解决方案更简单且更易于实现，这是因为可由近似法来完成CTX调谐。无需电场模拟来匹配CRXTX及CRXG。
另一方面，接地屏蔽可归因于RX电极420上的高阻抗TX信号而具有较低效应。将中心区域用于 触摸区域( 中心电极450)且用于pCAP矩阵(610、710)与之前解决方案是
相同的。
[0047] 如图7及8的实施例中所展示，由以交叉指形的方式布置的上梳子状结构及下梳子状结构形成pCAP电极710。此类pCAP电极710可布置为矩阵，如图7到9中所展示。通过将特定上电极与下电极组合可形成可用于双功能的行及列。在手势检测模式(在下文中也被称为模式)中，完整行或列可单独用于形成类似于电极420的电极。在pCAP模式中，这些电极如最初希望那样使用。接着，可使用优选布置于
传感器板外部的切换电路以任一模式操作面板。
[0048] 图9展示具有(例如)15个pCAP传感器710的单层触摸矩阵是如何可在pCAP模式与信号获取模式之间共享的。在本文中， 电极由梳子结构电极的元件形成且接着可用作为发射及接收结构。每一pCAP传感器710由上梳子结构电极及下梳子结构电极组成。顶行的上电极经连接在一起以形成NORTH电极930。每一行中的最后pCAP传感器的下元件经连接在一起以形成EAST电极940。底行的上pCAP电极经连接以形成SOUTH电极950且每一行中的每一第一pCAP电极的下电极经连接在一起以形成WEST电极960。此连接方案仍允许当系统在pCAP模式中操作时单独地评估每一pCAP电极对，这是因为下电极经连接以形成列且上电极经连接以形成行。当系统在手势检测模式中操作时，手势检测TX信号GTX可经由
开关920电容耦合到手势检测GRX电极(此处为CTX_East、CTX_South、CTX_West、CTX_North)中。
[0049] 那些外电极930…960用作为手势检测模式中的输出且在pCAP测量期间必须设置为高阻抗。这可由关闭GTX信号的模拟开关/多路复用器电路完成。
[0050] 此解决方案的优势是更紧凑的电极设计，其中有源pCAP触摸区域达到边界。在此设计中，有必要保证电极图案(例如，梳子)比较长馈线更敏感。因此，馈线的表面应比电极中的一者更小。一般来说，馈线应十分薄(例如，使用“
纳米线”技术)。
[0051] 相对于图10，为了获取高 模式敏感度，在 模式操作期间利用发射信号GTX驱动提供对地面的更好屏蔽及沿Z方向的更好电场分配的内部电极区域。通过此方法，内部电极上的pCAP操作中的剩余电荷被有效地馈送到预定电势且不发生pCAP模式与模式之间的传递效应。
[0052] 如图10中展示的开关/模拟多路复用器1010展示电极是如何可在pCAP与操作之间切换的。一般来说， GTX及pCAP TX可根据一些实施例为不同信号。归因于简单性(较低HW及FW复杂性)，两个信号还可根据其它实施例而是相同的。
[0053] 在图10中，在pCAP模式及 模式操作中展示不同输入阶段。在 模式及pCAP模式中还可使用(部分)相同输入及信号调节电路。
[0054] 根据各种实施例，各种电极布置可用于触摸面板及具有(例如)MGC3130及后续3D手势及触摸控制器(例如，MGC3430)的显示应用(例如，在倾斜中到达10”)。如上文所提及，在大多数实例中使用 技术来实施无触摸手势检测系统。然而，各种实施例不限于此系统。产生准静态交变电场及检测扰动的其它系统以及其它电容式3D检测系统可从类似传感器布置中受益。
