專利名稱：高速耐噪聲多點觸控裝置及其控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及觸敏裝置，尤其涉及依賴于用戶的手指或其他觸摸工具與觸摸裝置之間的電容耦合的那些，其尤其應(yīng)用于能夠檢測同時施加于觸摸裝置的不同部分處的多次觸摸的此類裝置。
背景技術(shù)：
觸敏裝置通過減少或消除對機(jī)械按鈕、小鍵盤、鍵盤和指示裝置的需求，而允許用戶方便地與電子系統(tǒng)和顯示器進(jìn)行交互。例如，用戶只需要在由圖標(biāo)標(biāo)識的位置觸摸即顯觸摸屏，即可執(zhí)行一系列復(fù)雜的指令。有若干類型的技術(shù)用于實現(xiàn)觸敏裝置，包括(例如)電阻、紅外、電容、表面聲波、電磁、近場成像等。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)電容式觸敏裝置在大量應(yīng)用中有很好的效果。在許多觸敏裝置中，當(dāng)傳感器內(nèi)的導(dǎo)電物體電容耦合至導(dǎo)電性觸摸工具(例如用戶的手指)吋，感測輸入。一般來講，只要兩個導(dǎo)電構(gòu)件彼此靠近但未實際接觸，這兩者之間便會形成電容。就電容式觸敏裝置而言，手指之類的物體接近觸敏表面時，該物體和靠近該物體的感測點之間會形成微小的電容。通過檢測每個感測點處電容的變化并記錄感測點的位置，感測電路就能識別多個物體并確定當(dāng)物體在整個觸摸表面上移動時物體的特性。用于以電容方式測量觸摸情況的已知技術(shù)有兩種。第一種是測量對地電容，其中信號施加到電極上?？拷姌O的觸摸導(dǎo)致信號電流從電極經(jīng)過手指之類的物體流到電氣接地。用于以電容方式測量觸摸情況的第二種技術(shù)是通過互電容?；ル娙菔接|摸屏將信號施加至受驅(qū)動電極上，該電極通過電場電容耦合至接收電扱。靠近的物體會減小兩個電極之間的信號耦合，因為該物體會減小電容耦合。在第二種技術(shù)的背景下，各個其他技術(shù)已用于測量電極之間的互電容。在這樣ー種技術(shù)中，耦合至接收電極的電容器用于積聚與驅(qū)動信號的多個脈沖相關(guān)的多個電荷。因此，驅(qū)動信號的每個脈沖均僅貢獻(xiàn)積聚在此“積分電容器”上的總電荷的一小部分。參考美國專利6，452，514(Philipp)。此技術(shù)具有良好的抗擾性，但其速度可能根據(jù)該積分電容器充電所需的脈沖數(shù)量而有限。

發(fā)明內(nèi)容
本專利申請尤其公開了能夠檢測同時或在重疊的時間內(nèi)施加至觸摸裝置不同部分處的多次觸摸的觸敏裝置。此外，觸摸裝置無需采用積分電容器來測量驅(qū)動電極與接收電極之間的電容耦合。相反，在至少ー些實施例中，來自驅(qū)動信號的單個脈沖可為測量特定驅(qū)動電極與特定接收電極之間或甚至特定驅(qū)動電極與多個(例如全部)接收電極之間的電容耦合所需的全部。為此，假設(shè)合適的脈沖形狀用于驅(qū)動信號，則微分電路優(yōu)選地連接到接收電扱，以使得為每個接收電極產(chǎn)生驅(qū)動信號的差分表示(稱為響應(yīng)信號)。在一個示例性實施例中，每個微分電路均可包括運(yùn)算放大器(op amp)，其具有連接在該運(yùn)算放大器的反相輸入與該運(yùn)算放大器的輸出之間的反饋電阻器，并且該反相輸入也連接至給定接收電扱。還可使用其他已知的微分電路設(shè)計，前提是電路提供以某種形式包括驅(qū)動信號對時間的導(dǎo)數(shù)的至少ー個近似值的輸出。響應(yīng)信號的特性振幅(諸如，峰值振幅或平均振幅)表征所采樣的驅(qū)動電極與接收電極之間的電容耦合。與特定驅(qū)動電極和接收電極相對應(yīng)的節(jié)點處的觸摸具有減小電容耦合及減小特性振幅的作用。甚至可僅通過驅(qū)動信號的單個脈沖來測量這種振幅減小情況?？梢源朔绞絹頇z測觸摸裝置不同部分處的或在時間上重疊的多次觸摸。如果期望降低噪聲，可將來自驅(qū)動信號的選定數(shù)量的多個脈沖用于每個驅(qū)動/接收電極對(即，節(jié)點)，并且 振幅測量值經(jīng)測量或經(jīng)其他方式處理或過濾以提供較低的噪聲測量值。本專利申請還公開了包括觸摸面板、驅(qū)動單元、感測單元和測量單元的觸敏裝置。該面板可包括觸摸表面以及界定電極矩陣的多個電極，該多個電極包括多個驅(qū)動電極和多個接收電極。每個驅(qū)動電極均在矩陣的各個節(jié)點處電容耦合至每個接收電極。所述面板被構(gòu)造為使得靠近這些節(jié)點中的一個給定節(jié)點的觸摸表面上的觸摸可改變與給定節(jié)點相關(guān)的驅(qū)動電極與接收電極之間的耦合電容。驅(qū)動單元又被構(gòu)造用于產(chǎn)生驅(qū)動信號且(例如)通過多路復(fù)用器而將該驅(qū)動信號逐一地傳送至驅(qū)動電扱。該驅(qū)動信號可為或包括僅ー個単獨驅(qū)動脈沖，或其可包括多個或一系列此類驅(qū)動脈沖。感測單元可被構(gòu)造用于針對傳送至每個驅(qū)動電極的每個驅(qū)動信號為電容耦合至此驅(qū)動電極的多個接收電極產(chǎn)生響應(yīng)信號，每個響應(yīng)信號均包括驅(qū)動信號的差分表示。這些響應(yīng)信號中每個的振幅響應(yīng)于相關(guān)節(jié)點處的耦合電容。最后，測量單元優(yōu)選地被構(gòu)造用于測量每個節(jié)點的每個響應(yīng)信號的振幅，并且如果存在時間上重疊的多次觸摸，由此確定觸摸表面上的時間上重疊的多次觸摸的位置。可調(diào)整或選擇用于驅(qū)動信號中的(多個)驅(qū)動脈沖的形狀，以便向響應(yīng)信號提供所需的波形。例如，如果矩形用于驅(qū)動脈沖，則由感測單元產(chǎn)生的響應(yīng)信號通常包括一對極性相反的沖擊脈沖，此對沖擊脈沖的峰值振幅可用峰值檢測器和任選的采樣/保持緩沖器來分離?；蛘撸绻x擇斜坡形驅(qū)動脈沖，則響應(yīng)信號通常包括名義上呈矩形的脈沖形狀，即其包括位于兩個較陡的高至低過渡之間的較恒定振幅平穩(wěn)段，其實例將在下文描述。此矩形響應(yīng)信號允許可消除某些電路元件，并且總體簡化觸摸裝置，如以下進(jìn)ー步所述。本專利申請還公開了包括觸摸面板、驅(qū)動單元和感測單元的觸敏裝置。該面板包括觸摸表面以及界定電極矩陣的多個電極，該電極矩陣被構(gòu)造為使得靠近該矩陣的給定節(jié)點的觸摸表面上的觸摸改變這兩個電極之間的耦合電容。該驅(qū)動單元連接到電極矩陣且被構(gòu)造用于產(chǎn)生包括ー個或多個斜坡脈沖的驅(qū)動信號。該感測単元也連接到電極矩陣，并且被構(gòu)造用于響應(yīng)于驅(qū)動信號來產(chǎn)生包括ー個或多個矩形脈沖的至少ー個響應(yīng)信號，該至少一個響應(yīng)信號的振幅響應(yīng)于觸摸表面上的觸摸。本文還討論了相關(guān)方法、系統(tǒng)和制品。
本專利申請的這些方面和其他方面通過下文的具體描述將顯而易見。然而，在任何情況下都不應(yīng)將上述發(fā)明內(nèi)容理解為是對受權(quán)利要求書保護(hù)的主題的限制，該主題僅受所附權(quán)利要求書的限定，并且在審查期間可以進(jìn)行修改。


圖I為觸摸裝置的示意圖；圖2為用于觸摸裝置中的觸摸面板的一部分的示意性側(cè)視圖；圖3a為觸摸裝置的不意圖，其中相關(guān)的驅(qū)動電路和檢測電路在一個驅(qū)動電極以及與其電容耦合的一個接收電極的背景下示出；圖3b為與圖3a的觸敏裝置類似但包括附加電路以說明接收電極上的信號強(qiáng)度差異的觸敏裝置的示意圖； 圖3c為與圖3a的觸敏裝置類似但包括附加電路以說明來自(例如)顯示器的噪聲的觸敏裝置的示意圖；圖3d為與圖3a的觸敏裝置類似但包括附加電路以適應(yīng)來自(例如)顯示器的噪聲的觸敏裝置的示意圖；圖3e為與圖3a的觸敏裝置類似但包括附加電路以適應(yīng)(例如)低阻抗觸摸屏的觸敏裝置的示意圖；圖4a為用于圖3a的觸摸裝置的驅(qū)動信號和相應(yīng)(模型化)響應(yīng)信號的坐標(biāo)圖，其中驅(qū)動信號包括矩形脈沖且響應(yīng)信號包括沖擊脈沖；圖4b為示出用于三個受驅(qū)動電極的模型化波形以及三個接收電極上的相關(guān)響應(yīng)波形的坐標(biāo)圖；圖5a為與圖4a的坐標(biāo)圖類似但針對不同驅(qū)動信號的坐標(biāo)圖，該驅(qū)動信號包括斜坡脈沖且響應(yīng)信號包括矩形狀脈沖；圖5b為示出用于三個受驅(qū)動電極的模型化波形以及三個接收電極上的相關(guān)響應(yīng)波形的坐標(biāo)圖(與圖4b類似)；圖6a為另ー個驅(qū)動信號的坐標(biāo)圖以及用于圖3a的觸摸裝置的預(yù)期響應(yīng)信號的示意性描繪，該驅(qū)動信號包括斜坡脈沖且該響應(yīng)信號包括矩形脈沖；圖6b為示出用于三個受驅(qū)動電極的模型化波形以及三個接收電極上的相關(guān)響應(yīng)波形的坐標(biāo)圖(與圖4b和圖5b類似)；圖7為用于圖3c的觸摸裝置的驅(qū)動信號和相應(yīng)(模型化)響應(yīng)信號的坐標(biāo)圖,其中驅(qū)動信號包括矩形脈沖且響應(yīng)信號包括沖擊脈沖；以及圖8為觸摸裝置的示意圖，該觸摸裝置包括具有電容耦合電極的4X8矩陣的觸摸面板，以及可用于檢測觸摸面板上的多次同時觸摸的各種電路元件。 在這些附圖中，相同的附圖標(biāo)號指示類似的元件。
具體實施例方式在圖I中，示出了示例性觸摸裝置110。該裝置110包括連接至電子電路的觸摸面板112，為了簡便起見，將電子電路一起集合成標(biāo)記為114且統(tǒng)稱為控制器的單個示意框。所示的觸摸面板112具有列電極116a_e和行電極118a_e的5 X 5矩陣，但還可使用其他數(shù)量的電極和其他矩陣尺寸。面板112通常是大致透明的，以使得用戶能夠透過面板112來觀察物體，諸如計算機(jī)、手持裝置、移動電話或其他外圍設(shè)備的像素化顯示器。邊界120表示面板112的觀察區(qū)域且還優(yōu)選地表示此顯示器(如果使用)的觀察區(qū)域。從平面圖的視角看，電極116a-e、118a_e在觀察區(qū)域120上空間地分布。為了易于說明，這些電極被示出為較寬且顯眼，但實際上電極可較窄且用戶不易察覺。此外，這些電極可設(shè)計為在矩陣的節(jié)點附近處具有可變寬度，如以菱形墊或其他形狀的墊形式増加的寬度，以便增大電極間的邊緣場，從而增強(qiáng)觸摸對于電極間電容耦合的效果。在示例性實施例中，電極可由銦錫氧化物(ITO)或其他合適的導(dǎo)電材料構(gòu)成。從深度的角度，列電極可位于與行電極不同的平面內(nèi)(從圖I的角度，列電極116a_e位于行電極118a_e的下面)，以使得列電極與行電極之間不進(jìn)行顯著的歐姆接觸，并且使得給定列電極與給定行電極之間的唯一顯著的電耦合為電容耦合。電極矩陣通常位于防護(hù)玻璃、塑料薄膜等的下面，使得電極受到保護(hù)而不與用戶的手指或其他觸摸相關(guān)工具發(fā)生直接物理接觸。此類防護(hù)玻璃、薄膜等的暴露表面可 被稱為觸摸表面。另外，在顯示型應(yīng)用中，背屏蔽件可設(shè)置在顯示器與觸摸面板112之間。此背屏蔽件通常由玻璃或薄膜上的導(dǎo)電ITO涂層組成，并且可接地或由降低從外部電干擾源到觸摸面板112中的信號耦合的波形來驅(qū)動。其他背屏蔽方法在本領(lǐng)域中是已知的。通常，背屏蔽件減少由觸摸面板112感測的噪聲，這在ー些實施例中可提供改善的觸摸靈敏度(例如，能夠感測較輕的觸摸)和更快的響應(yīng)時間。當(dāng)來自(例如)LCD顯示器的噪聲強(qiáng)度隨距離而快速降低時，有時結(jié)合其他噪聲降低方法(包括使觸摸面板112與顯示器隔開)來使用背屏蔽件。除這些技術(shù)之外，以下參考各種實施例來討論處理噪聲問題的其他方法。給定行電極和列電極之間的電容耦合主要取決于電極彼此最靠近的區(qū)域中的電極的幾何形狀。此類區(qū)域?qū)?yīng)電極矩陣的“節(jié)點”，圖I中標(biāo)出了其中的ー些節(jié)點。例如，列電極116a與行電極118d之間的電容耦合主要發(fā)生在節(jié)點122處，并且列電極116b與行電極118e之間的電容耦合主要發(fā)生在節(jié)點124處。圖I的5X5矩陣具有25個此類節(jié)點，這些節(jié)點中的任一者均可由控制器114經(jīng)由適當(dāng)選擇將各個列電極116a_e単獨地連接到該控制器的控制線126中的一者以及適當(dāng)選擇將各個行電極118a_e単獨地連接到該控制器的控制線128中的一者來尋址。當(dāng)用戶的手指130或其他觸摸工具接觸或近接觸裝置110的觸摸表面吋，如觸摸位置131處所示，該手指電容耦合至電極矩陣。該手指從矩陣，尤其從最靠近該觸摸位置的這些電極吸引電荷，這樣便可改變對應(yīng)于(多個)最近節(jié)點的電極之間的耦合電容。例如，觸摸位置131處的觸摸最靠近對應(yīng)于電極116c/118b的節(jié)點。如以下進(jìn)ー步所述，耦合電容的這種變化可由控制器114檢測且被解讀為116a/118b節(jié)點處或附近的觸摸。優(yōu)選地，控制器被構(gòu)造為快速檢測矩陣所有節(jié)點的電容變化(如果有的話)，并且能夠分析相鄰節(jié)點的電容變化大小，從而通過內(nèi)插法準(zhǔn)確確定節(jié)點之間的觸摸位置。此外，控制器114有利地被設(shè)計為檢測同時或在重疊的時間內(nèi)施加至觸摸裝置的不同部分處的多次不同觸摸。因此，例如，如果在手指130觸摸的同吋，另ー個手指132在觸摸位置133處觸摸裝置110的觸摸表面，或者如果各次觸摸至少在時間上重疊，則控制器優(yōu)選地能夠檢測這兩次觸摸的位置131、133，并且在觸摸輸出114a上提供此類位置。控制器114能夠檢測的同時發(fā)生的或時間上重疊的不同觸摸的數(shù)量優(yōu)選地不限于2，例如，它可以為3、4或更多，取決于電極矩陣的大小。
如以下進(jìn)ー步所述，控制器114優(yōu)選地采用使其能夠快速確定電極矩陣的某些或所有節(jié)點處的耦合電容的各種電路模塊和組件。例如，控制器優(yōu)選包括至少ー個信號發(fā)生器或驅(qū)動單元。驅(qū)動單元將驅(qū)動信號傳輸至一組電極，該組電極被稱為驅(qū)動電極。在圖I的實施例中，列電極116a_e可用作驅(qū)動電極，或者可如此使用行電極118a_e。驅(qū)動信號優(yōu)選地一次傳送至一個驅(qū)動電極，如按照從第一個驅(qū)動電極到最后ー個驅(qū)動電極的掃描順序。當(dāng)此類電極中的每ー個被驅(qū)動時，控制器監(jiān)測被稱為接收電極的另ー組電極。控制器114可以包括連接到所有接收電極的一個或多個感測単元。對于傳送至每個驅(qū)動電極的每個驅(qū)動信號，(多個)感測單元為多個接收電極產(chǎn)生響應(yīng)信號。優(yōu)選地，(多個)感測單元被設(shè)計為使得每個響應(yīng)信號均包括驅(qū)動信號的差分表示。例如，如果驅(qū)動信號由可將電壓表示為時間函數(shù)的函數(shù)f(t)來表示，則響應(yīng)信號可為或包括至少近似的函數(shù)g(t)，其中g(shù)(t)=df(t)/dt。換句話講，g(t)為驅(qū)動信號f(t)對時間的導(dǎo)數(shù)。根據(jù)用于控制器114中的電路的設(shè)計細(xì)節(jié)，響應(yīng)信號可包括(I)単獨的g(t);或(2)具有恒定偏移量的g(t)(g(t)+a);或(3)具有乘法比例因數(shù)的g(t) (b*g(t))，該比例因數(shù)能夠為正或負(fù)，并且其大小能夠大于I或大于O小于I ;或(4)(例如)它們的組合。在任何情況下，響應(yīng)信號的振幅與所驅(qū)動的驅(qū)動電極與所監(jiān)測的特定接收電極之間的耦合電容有利地相關(guān)。當(dāng)然，g(t)的 振幅也與原函數(shù)f(t)的振幅成比例。應(yīng)注意，如果需要的話，可僅使用驅(qū)動信號的單個脈沖來確定給定節(jié)點的g(t)的振幅?？刂破鬟€可包括辨識和分離響應(yīng)信號的振幅的電路。為此，示例性電路裝置可包括ー個或多個峰值檢測器、采樣/保持緩沖器和/或低通濾波器，其選擇可取決于驅(qū)動信號和相應(yīng)響應(yīng)信號的性質(zhì)?？刂破鬟€可包括一個或多個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，以將模擬振幅轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。ー個或多個多路復(fù)用器還可用于避免電路元件的不必要重復(fù)。當(dāng)然，控制器中還優(yōu)選地包括儲存所測量振幅和相關(guān)參數(shù)的ー個或多個存儲設(shè)備，以及進(jìn)行必要的計算和控制功能的微處理器。通過測量電極矩陣中每個節(jié)點的響應(yīng)信號的振幅，控制器可產(chǎn)生與電極矩陣的每個節(jié)點的耦合電容相關(guān)的測量值矩陣。這些測量值可與此前獲得的參考值的類似矩陣比較，以便確定由于存在觸摸而已發(fā)生耦合電容變化的節(jié)點(如果有的話)?，F(xiàn)轉(zhuǎn)到圖2，我們從中可看到用于觸摸裝置中的觸摸面板210的一部分的示意性側(cè)視圖。該面板210包括前層212、包括第一組電極的第一電極層214、絕緣層216、包括優(yōu)選地正交于第一組電極的第二組電極218a-e的第二電極層218以及后層220。層212的暴露表面212a或?qū)?20的暴露表面220a可為或包括觸摸面板210的觸摸表面。圖3a示出觸摸裝置310，其中相關(guān)的控制器電路(諸如，驅(qū)動電路和檢測電路)在觸摸面板312的背景下示出，該觸摸面板具有ー個驅(qū)動電極314以及ー個經(jīng)由耦合電容Ce與其電容耦合的接收電極316。閱讀者應(yīng)了解這是觸摸面板的一般化情況，其中驅(qū)動電極314可為多個驅(qū)動電極中的一者，并且接收電極316同樣地可為多個接收電極中的一者，它們在觸摸面板上布置成矩陣形式。其實，在能夠與本文所述的觸摸測量技術(shù)中的至少某些一起使用的所關(guān)注的ー個具體實施例中，觸摸面板可包括40X64 (40行，64列)矩陣裝置，其具有縱橫比為16:10的19英寸對角矩形觀察區(qū)域。在這種情況下，電極的均勻間隔可為約O. 25英寸。由于該實施例的尺寸，電極可具有與其相關(guān)的顯著的雜散阻抗，例如行電極的電阻為40ΚΩ且列電極的電阻為64ΚΩ。對于良好的人為因素觸摸響應(yīng)而言，如果需要，可使測量矩陣的所有2，560(40*64=2560)個節(jié)點處的耦合電容的響應(yīng)時間較快，例如小于20毫秒或甚至小于10毫秒。如果將行電極用作驅(qū)動電極且將列電極用作接收電極，并且如果同時對所有列電極進(jìn)行采樣，則有(例如)20msec (或IOmsec)以供按順序掃描40行電極，每個行電極(驅(qū)動電極)的時間預(yù)算為O. 5msec (或O. 25msec)。以其電氣特性(呈集總電路元件模型的形式)而非以其物理特性來描述的圖3a的驅(qū)動電極314和接收電極316表示可存在于具有小于40X64矩陣的觸摸裝置中的電極，但這不應(yīng)視為限制性的。在圖3a的此代表性實施例中，集總電路模型中所示的串聯(lián)電阻R均可具有10ΚΩ的值，并且集總電路模型中所示的雜散電容C均可具有20皮法(pf)的值，但當(dāng)然這些值無論如何不應(yīng)視為限制性的。在此代表性實施例中，耦合電容C。名義上為2pf，并且用戶的手指318在電極314、316之間的節(jié)點處的觸摸的存在導(dǎo)致耦合電容C。下降約25%至約I. 5pf的值。再次地，這些值不應(yīng)視為限制性的。根據(jù)先前所述的控制器，觸摸裝置310使用特定的電路來詢問面板312，以便確定 面板312的每個節(jié)點處的耦合電容C。。就這一點而言，閱讀者應(yīng)了解控制器可通過確定指示或響應(yīng)于耦合電容的參數(shù)值(例如，響應(yīng)信號的振幅)來確定耦合電容，如上所述且如以下進(jìn)ー步所述。為完成此任務(wù)，裝置310優(yōu)選地包括連接到驅(qū)動電極314的低阻抗驅(qū)動單元320 ;連接到接收電極316的感測單元322，該感測單元結(jié)合耦合電容對由驅(qū)動單元提供的驅(qū)動信號進(jìn)行微分；以及將由感測單元322產(chǎn)生的響應(yīng)信號的振幅轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)単元324。根據(jù)由驅(qū)動單元320提供的驅(qū)動信號的性質(zhì)(且因此還根據(jù)由感測單元322產(chǎn)生的響應(yīng)信號的性質(zhì))，裝置310還可包括在該實施例中還用作采樣/保持緩沖器的峰值檢測電路326a，以及可操作以使峰值檢測器復(fù)位的相關(guān)復(fù)位電路326b。在大多數(shù)實際應(yīng)用中，裝置310還將包括位于信號發(fā)生器320與觸摸面板312之間的多路復(fù)用器，以便能夠在給定時間對多個驅(qū)動電極中的任ー者進(jìn)行尋址；以及位于感測単元322 (或任選的電路326b)與ADC單元324之間的多路復(fù)用器，以使得單個ADC單元快速地對與多個接收電極相關(guān)的振幅進(jìn)行采樣，從而避免每個接收電極均需要ー個ADC單元的花費(fèi)。驅(qū)動單元320優(yōu)選地為或包括具有內(nèi)阻抗的電壓電源，該內(nèi)阻抗優(yōu)選地足夠低，以維持良好的信號完整性、減少注入式噪聲和/或維持快速信號上升和下降時間。驅(qū)動單元320在其輸出處向驅(qū)動電極314提供時變驅(qū)動信號。該驅(qū)動信號基本上可由單個孤立脈沖組成，或其可包括多個此類脈沖或形成連續(xù)的AC波形或波形包(諸如正弦波、方波、三角波等等)的一系列脈沖。就這一點而言，術(shù)語“脈沖”廣義上用來指不同的信號變化且不限于具有短持續(xù)時間和高振幅的矩形。如果希望快速檢測觸摸面板上的(多次)觸摸，則驅(qū)動信號優(yōu)選地僅包括獲得給定節(jié)點處的耦合電容的可靠測量值所需的最小數(shù)量的脈沖。這對具有大電極矩陣(即，大量待感測的節(jié)點)的觸摸面板而言尤為重要。(多個)驅(qū)動脈沖的峰值或最大振幅優(yōu)選地較高(例如，3至20伏持)，以提供良好的信噪比。雖然在圖3a中示出了來自僅一端的驅(qū)動電極314，但在ー些實施例中，驅(qū)動單元320可被構(gòu)造為來自其兩端的驅(qū)動電極314。例如，這在電極314具有高電阻時(從而增強(qiáng)驅(qū)動信號衰減性和對噪聲污染的敏感性)可能有用，其可存在于基于ITO的大矩陣型觸摸傳感器上。閱讀者應(yīng)記住驅(qū)動單元320的輸出處提供的驅(qū)動信號與傳送至特定驅(qū)動電極314的驅(qū)動信號之間可存在差異。當(dāng)(例如)多路復(fù)用器或其他開關(guān)裝置設(shè)置在驅(qū)動單元320和觸摸面板312之間以便將驅(qū)動単元(例如)逐一地選擇性地連接到多個驅(qū)動電極時，該差異變得重要。在此情況下，驅(qū)動單元320在其輸出處可具有連續(xù)的AC波形，諸如方波、三角波等，然而憑借多路復(fù)用器的開關(guān)動作，可將此波形的僅ー個脈沖或僅幾個脈沖一次傳送至任何給定驅(qū)動電極。例如，可將連續(xù)的AC波形的一個脈沖傳送至第一驅(qū)動電極，可將該AC波形的下一個脈沖傳送至下ー個驅(qū)動電極，依此類推直至已驅(qū)動所有驅(qū)動電極，于是將該AC波形的下一個脈沖再次傳送至第一驅(qū)動電扱，依此類推，重復(fù)循環(huán)。如下結(jié)合圖4至圖6進(jìn)ー步所述，用于驅(qū)動信號中的脈沖形狀可影響待用于所述裝置中的檢測/測量電子器件的選擇?？捎玫拿}沖形狀的例子包括矩形脈沖、斜坡脈沖(對稱或非対稱)以及正弦波(例如鐘形)脈沖。如果需要，驅(qū)動單元320可程序化以在不同時間提供不同脈沖。例如，如果該驅(qū)動単元通過多路復(fù)用器而連接到多個驅(qū)動電極，則該驅(qū)動單元可經(jīng)程序化以向不同驅(qū)動電極提供不同信號電平，從而補(bǔ)償線路電阻和雜散電容中的電極間變化。例如，設(shè)置在需要穿過(多個)接收電極的長導(dǎo)電長度的位置處的驅(qū)動電極用比設(shè)置在需要較短導(dǎo)電長度的位 置處的驅(qū)動電極振幅高的驅(qū)動信號有利地驅(qū)動，以便補(bǔ)償與這些接收電極相關(guān)的損失。(例如,參見圖I的電極矩陣,如果行電極118a_e為驅(qū)動電極，則由于控制線126靠近電極118e布置，電極118a上的驅(qū)動信號通過長度比電極118e上的驅(qū)動信號長的接收電極116a_e來連接。)以這種方式向不同驅(qū)動電極提供不同驅(qū)動信號電平尤其有利于大電極矩陣，因為未因觸摸屏內(nèi)的損失而程序化大量檢測電路(對應(yīng)于接收電極的數(shù)量)，而是以選定量來調(diào)整僅ー個驅(qū)動信號，并且以不同量(視情況而定)來調(diào)整傳送至不同驅(qū)動電極的驅(qū)動信號。向驅(qū)動電極314提供的驅(qū)動信號經(jīng)由耦合電容C。而電容耦合至接收電極316，該接收電極又連接至感測單元322。因此，感測單元322在其輸入處322a接收驅(qū)動信號(如由電極314、316和耦合電容C。傳輸?shù)?，并由此在輸出處322b產(chǎn)生響應(yīng)信號。優(yōu)選地，感測単元被設(shè)計為使得所述響應(yīng)信號包括驅(qū)動信號的差分表示，該驅(qū)動信號的振幅響應(yīng)于耦合電容C。。即由感測單元產(chǎn)生的響應(yīng)信號優(yōu)選地以某種形式地包括驅(qū)動信號對時間的導(dǎo)數(shù)的至少ー個近似值。例如,該響應(yīng)信號可包括驅(qū)動信號的時間導(dǎo)數(shù),或者(例如)經(jīng)反相、放大(包括小于I的放大率)、電壓或振幅偏移和/或時間偏移的此信號形式的時間導(dǎo)數(shù)。為了重復(fù)先前的討論，如果傳送至驅(qū)動電極的驅(qū)動信號由函數(shù)f(t)來表示，則響應(yīng)信號可為或包括至少近似的函數(shù)g(t),其中g(shù)(t)=df (t)/dt。圖3a中示出了執(zhí)行此功能的示例性電路。該電路的輸入(顯示在322a處)為運(yùn)算放大器322c的反相輸入(_)。將該運(yùn)算放大器的另ー個輸入(非反相輸入(+))設(shè)置為可進(jìn)行優(yōu)化以得到最大信號范圍的共用參考電平。在圖3中，為了簡便起見，該參考電平被示為接地電位，但還可使用非零偏移電壓。反饋電阻器322d連接在運(yùn)算放大器的輸出處322b與反相輸入處之間。當(dāng)以這種方式連接時，將運(yùn)算放大器322c的反相輸入處(即，輸入處322a)保持作為虛擬接地相加點，并且在該點處未觀察到信號。這還意味著接收電極316維持在大體上等于運(yùn)算放大器的非反相輸入所保持的電壓的恒定電壓。反饋電阻器322d可經(jīng)選擇以使信號電平最大化同時保持較低的信號失真，并且可以其他方式設(shè)定或調(diào)整,如本文所述。以這種方式連接的運(yùn)算放大器322c結(jié)合耦合電容C。具有產(chǎn)生傳送至驅(qū)動電極314的驅(qū)動信號的差分表示的效果。具體地講，在任何給定時間流過反饋電阻器322d的電流I由以下給出I ^ Cc*dV/dt,其中C。為耦合電容，V表示傳送至驅(qū)動電極的時變驅(qū)動信號，并且dV/dt為V對時間的導(dǎo)數(shù)。雖然該公式名義上是正確的，但閱讀者應(yīng)了解其未考慮由(例如)所用電極的寄生電阻與電容、運(yùn)算放大器的特性與限制等(這些可影響電流I的大小和動態(tài)響應(yīng))導(dǎo)致的各種ニ階效應(yīng)。然而，流過反饋電阻器的電流I在輸出處322b產(chǎn)生對應(yīng)于以上所述的響應(yīng)信號的電壓信號。由于流過反饋電阻器的電流的方向，該響應(yīng)信號反相，前提是正dV/dt(V隨時間而増大)在輸出處322b產(chǎn)生負(fù)電壓，并且負(fù)dV/dt (V隨時間而減小)在輸出處322b產(chǎn)生正電壓，以下結(jié)合圖4至圖6給出具體實例。這可表示為Ves ^ _Rf*Cc*dV/dt，其中Vks表示在任何給定時間在輸出處322b的響應(yīng)信號電壓，并且Rf為反饋電阻器322d的電阻。應(yīng)注意響應(yīng)信號的振幅(電壓)名義上與耦合電容C。成比例。因此，因為 電極314、318的節(jié)點處的觸摸減小了耦合電容C。，所以可分析由感測單元322提供的響應(yīng)信號的峰值振幅或其他特性振幅的測量值以確定該節(jié)點處存在觸摸。在接收電極316為多個接收電極中的一者的實施例中，可能有利的是包括用于每個接收電極的專用感測單元322。此外，可能有利的是向不同感測單元提供不同的放大量(例如，不同運(yùn)算放大器的反饋電阻器的值不同)以補(bǔ)償觸摸屏內(nèi)針對不同驅(qū)動電極的不同信號損失。例如，設(shè)置在需要穿過(多個)驅(qū)動電極的長導(dǎo)電長度的位置處的接收電極有利地具有比設(shè)置在需要較短導(dǎo)電長度的位置處的接收電極大的放大率，以便補(bǔ)償與這些驅(qū)動電極相關(guān)的損失。(例如，參見圖I的電極矩陣，如果行電極116a_e為接收電極，則由于控制線128靠近電極116e布置，從電極116a接收的信號通過長度比從電極116e接收的信號長的驅(qū)動電極118a_e來連接。)以這種方式向不同接收電極提供不同的放大量尤其有利于大電極矩陣，因為這可減少因觸摸屏內(nèi)的損失而程序化大量檢測電路(對應(yīng)于接收電極的數(shù)量)的需要。如上所述，裝置310還可包括在該實施例中還用作采樣/保持緩沖器的峰值檢測電路326a，以及可操作以使峰值檢測器復(fù)位的相關(guān)復(fù)位電路326b。這些電路元件可用于由感測單元322產(chǎn)生的響應(yīng)信號的峰值振幅被用作耦合電容C。的測量值的情況中。這些情況可包括由感測單元322提供的響應(yīng)信號為高瞬態(tài)的實施例，例如在ー個或多個矩形脈沖用于驅(qū)動信號的情況中(參見(例如)以下的圖4a)。在這些情況下，峰值檢測器326a工作，以使響應(yīng)信號的峰值振幅維持較長的時間，以允許通過ADC324進(jìn)行可靠的采樣且轉(zhuǎn)換為數(shù)值。在具有多個接收電極的實施例中，單個ADC可循環(huán)地連接到每個接收電極的檢測電路，這需要每個檢測電路將測量電壓維持較長的時間段。在ADC324進(jìn)行測量后，可通過操作復(fù)位電路326b使峰值檢測器復(fù)位，以使得可在后續(xù)循環(huán)中測量新峰值。針對峰值檢測器326a而描述的ニ極管/電容器組合的基本操作(包括其能夠使峰值電壓維持較長的時間段而不通過感測単元322使電容器放電)對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言將顯而易見，而無需進(jìn)ー步解釋。同樣地，復(fù)位電路326b響應(yīng)于觸點326c處提供的合適復(fù)位控制信號的基本操作對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言將顯而易見。應(yīng)注意本文中已充分考慮能夠執(zhí)行所述感測単元、峰值檢測器、采樣/保持緩沖器和/或復(fù)位電路(無論在硬件、軟件或其組合中)的一個或多個功能的其他已知電子裝置。
如前所述，優(yōu)選地提供ADC324以將與響應(yīng)信號相關(guān)的幅值轉(zhuǎn)換為與數(shù)字組件(諸如，用于進(jìn)ー步處理的微處理器)一起使用的數(shù)字格式。ADC可具有任何合適的設(shè)計，例如其可包括高速逐次逼近寄存器(SAR)和/或Σ-Λ型轉(zhuǎn)換器。關(guān)于給定節(jié)點的所測量幅值的進(jìn)一步處理，該所測量幅值可儲存在存儲寄存器中。如果需要，(例如)為了降低噪聲目的，可儲存并平均化與該給定節(jié)點相關(guān)的多個此類值。此外，優(yōu)選地將所測量幅值與參考值比較，以便確定耦合電容是否已減小，即所述給定節(jié)點處是否存在一定量的觸摸。此比較可涉及(例如)從參考值減去測量值。在涉及包括許多節(jié)點的大觸摸矩陣的實施例中，所有節(jié)點的測量值均可儲存在存儲器中，并且可単獨地與各個參考值比較，以便確定每個節(jié)點處是否存在一定量的觸摸。通過分析比較數(shù)據(jù)，如果在觸摸表面上存在時間上重疊的多次觸摸，則可確定時間上重疊的多次觸摸的位置。能夠檢測的時間上重疊的觸摸的次數(shù)可僅受觸摸面板中的電極柵的尺寸以及驅(qū)動/檢測電路的速率限制。在示例性實施例中，對鄰近節(jié)點所檢測的差異進(jìn)行內(nèi)插，以便準(zhǔn)確確定位于節(jié)點之間的觸摸位置。圖3b示出觸摸裝置348，其與圖3a中示出的觸摸裝置310類似，不同的是其包括 作為差動放大器的輸入的電壓電源349，該差動放大器是感測単元322的一部分。根據(jù)需要，該電壓輸入被構(gòu)造用于使電路輸出在ADC的感測范圍內(nèi)。例如，ー些ADC的感測范圍為O. 5V至+3V。感測單元322輸出信號的峰值應(yīng)在此范圍內(nèi)，以準(zhǔn)確地使電壓數(shù)字化。對于所有接收電極，可將電壓電源349 (或増益，在感測單元322的背景下)固定為ー種電壓，或其可針對特定接收電極進(jìn)行調(diào)整。在一些實施例中，使用電阻梯形網(wǎng)絡(luò)向4至10個接收電極的組中的感測單元提供不同電壓。在一些實施例中，設(shè)置增益以補(bǔ)償由受驅(qū)動電極上的電阻所導(dǎo)致的信號減弱。圖3c示出觸摸裝置350，其與圖3a中示出的觸摸裝置310類似，但包括在ー些實施例中可更好地適應(yīng)來自顯示器(諸如IXD顯示器)的噪聲的附加電路。IXD尋址頻率總體上接近或重疊于控制器114用來與觸摸面板112進(jìn)行交互的頻率。這導(dǎo)致接收電極上產(chǎn)生可顯示為共模信號的噪聲。差動放大器可用于消除此共模信號。圖3c中示出的電路增加了差動放大器352和附加峰值檢測電路351 (被構(gòu)造用于檢測負(fù)電壓的峰值)以及附加復(fù)位電路353。圖3d示出了觸摸裝置362，其與圖3a中所示的觸摸裝置310相似，但包括在ー些實施例中可以更好地適應(yīng)來自顯示器的噪聲的附加電路，顯示器例如為IXD顯示器，并且更具體地講為采用面內(nèi)切換技術(shù)的LCD顯示器，該技術(shù)可改善顯示器視角但會向相鄰設(shè)置的觸摸傳感器中引入某些偽假噪聲。偽假噪聲的特征可在干與施加給驅(qū)動電極的脈沖和信號具有相同頻帶的電磁干擾。圖3d增添了一個電阻器，位置在感測單元322之后，但在示為包含在峰值檢測電路326a中的電容器之前。電阻器顯示為在峰值檢測電路326a中的ニ極管之后發(fā)揮作用，但也可以在ニ極管之前發(fā)揮作用。此電阻器限制峰值檢測電路326a中的充電效應(yīng)免受施加給驅(qū)動電極的任何脈沖或信號的影響。因此，在測量周期中可以使用更多數(shù)量的脈沖(例如8個脈沖而不是3個)，這將減小那些脈沖中受正噪聲脈沖污染或由正異常噪聲產(chǎn)生的某部分脈沖的影響。當(dāng)然，在不含圖3d的附加電阻器而在峰值檢測電路326a中使用相對大的電容器的實施例如3a中，可以使用更多數(shù)量的脈沖。然而，在每個采樣周期后，峰值檢測電路326a將放電，并且放電時間與電容器所持的電荷量相稱。圖3d的附加電阻器將使峰值檢測電路326a的電容器中蓄積的電荷更小，從而允許更快的放電時間。圖3e示出了觸摸裝置360，其與圖3a中示出的觸摸裝置310類似，但包括附加電路，其在一些實施例中可更好地適應(yīng)具有較低電阻的電極的觸摸面板。此類觸摸面板可具有由銅、金、銀或其他金屬微導(dǎo)線構(gòu)成的電極，并具有〈10ΚΩ的電阻水平。為了適應(yīng)較低電阻的電極，觸摸裝置360在低阻抗穩(wěn)定電路361所示中增添了電阻器和電容器。此附加電路通過以放大器統(tǒng)ー環(huán)路增益交叉頻率增加45度相補(bǔ)角而穩(wěn)定放大器322c的環(huán)路增益。圖3a至3e所示的任何實施例都可在例如應(yīng)用型專用集成電路(ASIC)中具體實施?，F(xiàn)轉(zhuǎn)到圖4a，我們從中可看到特定驅(qū)動信號410的電壓-時間坐標(biāo)圖以及由圖3a中所示類型的感測單元產(chǎn)生的(模型化)響應(yīng)信號412的相應(yīng)電壓-時間坐標(biāo)圖。為了該模型的目的，假定驅(qū)動電極、接收電極以及耦合電容(包括其上的觸摸效應(yīng)，即電容從2. Opf減至I. 5pf)的電子特性為如以上結(jié)合圖3a的代表性實施例所述。此外，假定運(yùn)算放大器 322c的反饋電阻器322d為約2ΜΩ?？煽吹津?qū)動信號410為方波，其包括一系列矩形脈沖411a、411c、411e、-411k0假定將此整個信號傳送至特定驅(qū)動電極，但在許多實施例中可在給定時間將較小數(shù)量(例如，僅ー個或兩個)的脈沖傳送至給定驅(qū)動電極，此后可將ー個或多個脈沖傳送至不同的驅(qū)動電極等?？煽吹接筛袦y單元產(chǎn)生的響應(yīng)信號412包括多個沖擊脈沖413a-l，每個矩形脈沖411a對應(yīng)兩個沖擊脈沖，如對于差分方波所期望的。因此，例如，驅(qū)動脈沖411a產(chǎn)生與矩形脈沖的正向變換(左側(cè))相關(guān)的負(fù)向沖擊脈沖413a以及與矩形脈沖的負(fù)向變換(右側(cè))相關(guān)的正向沖擊脈沖413b。這些沖擊脈沖由于運(yùn)算放大器的信號帶寬以及觸摸屏的RC濾波效應(yīng)而呈圓形。盡管與信號410對時間的理想導(dǎo)數(shù)存在這些偏差，但響應(yīng)信號412可視為包括驅(qū)動信號的差分表不。如圖所示，驅(qū)動脈沖411a、411c、411e、…411k均具有相同的振幅，但如上所述還可傳送不同振幅的脈沖。然而，盡管這些驅(qū)動脈沖具有共同的振幅，但可看到發(fā)生在時段412a內(nèi)的沖擊脈沖413a-g具有第一峰值振幅，并且可看到發(fā)生在時段412b內(nèi)的沖擊脈沖413h-l具有小于第一峰值振幅的第二峰值振幅。這是因為上述模型在沖擊脈沖413g之后和沖擊脈沖413h之前的時間點弓丨入耦合電容C。變化，該變化對應(yīng)于從非觸摸狀態(tài)(Ce=2pf·)到觸摸狀態(tài)(Cc=LSpf)的轉(zhuǎn)變。沖擊脈沖在時段412b期間所減小的峰值振幅可易于測量且與適用節(jié)點處的觸摸事件相關(guān)。沖擊脈沖413a_l的瞬態(tài)性使其尤其適干與峰值檢測器和采樣/保持緩沖器一起使用(如結(jié)合圖3所述)，以使得可由ADC獲得峰值振幅的準(zhǔn)確測量值且對其進(jìn)行采樣。圖4b示出坐標(biāo)圖，其示出了來自包括順序驅(qū)動的受驅(qū)動電極的ー個實施例的代表性波形。波形430、431和432表示三個單獨的(可彼此相鄰)受驅(qū)動電極(例如，矩陣型傳感器上的第一行、第二行和第三行)上的時段t期間的脈沖信號。波形433、434和435表示由三個單獨的接收電極(例如，矩陣型傳感器上的列)上的相同時段期間的脈沖信號引起的差分輸出。應(yīng)注意每個接收電極(列)具有類似的響應(yīng)曲線。按順序驅(qū)動對應(yīng)于波形432、431和431的受驅(qū)動電極。驅(qū)動每個電極后(由波形430、431或432任何ー個表示)，表示峰值振幅的電壓將可用于與每個接收電極(列)(如上文結(jié)合圖3所述)相關(guān)的峰值檢測電路中。因此，驅(qū)動每個驅(qū)動電極(行)后，對峰值檢測電路上所有接收電極(列)的所得電壓采樣，然后相關(guān)的峰值檢測電路復(fù)位，接著驅(qū)動下一順序驅(qū)動電極(以此類推)。這樣，矩陣型電容式觸摸傳感器中的每個節(jié)點均可単獨地尋址和采樣。圖5a示出ー對坐標(biāo)圖，其與圖4a的坐標(biāo)圖類似，并且針對電子構(gòu)型相同的驅(qū)動電極、接收電極、耦合電容和感測單元，但驅(qū)動信號形狀不同。圖5a的驅(qū)動信號510包括斜坡脈沖511a、511c、511e、-511i,以使得所得響應(yīng)信號512包括矩形脈沖513a_j。由上述模型預(yù)測的矩形脈沖呈現(xiàn)出具有稍微圓角的幾乎垂直的高/低過渡，為了簡便起見，已將這些過渡重繪為垂直線和尖拐角。這些矩形脈沖的上升和下降時間受所用驅(qū)動電極和接收電極中的RC傳輸線限制。驅(qū)動脈沖511a等通過對稱斜坡形狀來表征，其中每個脈沖的前半部分具有正向斜度，并且后半部分具有相同大小的負(fù)向斜度。然后，還將此対稱性轉(zhuǎn)至響應(yīng)信號512，其中負(fù)向脈沖513a、513c等被正向脈沖513b、513d等大體上相抵。與圖4a的說明類似，該模型在矩形脈沖513e之后和矩形脈沖513f之前的時間點(即，從時段512a到時段512b的過渡)引入耦合電容C。變化，該變化對應(yīng)于從非觸摸狀態(tài)((；=2ρ ·)到觸摸狀態(tài)(Cc=LSpf)的轉(zhuǎn)變。時段412b期間發(fā)生的響應(yīng)信號脈沖的減小振幅可易于測量且與適 用節(jié)點處的觸摸事件相關(guān)。圖5a中值得注意的ー個特征為各脈沖513a_j的各平穩(wěn)段處的響應(yīng)信號512的較穩(wěn)態(tài)特性(在給定脈沖的時間標(biāo)度內(nèi))，其中負(fù)向脈沖513a、513c等的“平穩(wěn)段”被理解為脈沖形狀的“底部”，而脈沖513b、513d等的“平穩(wěn)段”為脈沖形狀的“頂部”。此穩(wěn)態(tài)特性是驅(qū)動脈沖在其相當(dāng)大一部分上具有恒定斜度(即，斜坡形狀)所致。在一些實施例中，觸摸裝置設(shè)計者可希望利用此穩(wěn)態(tài)特性以便消除不必要的電路零件并減少成本。具體地講，因為響應(yīng)信號本身在脈沖的時間標(biāo)度內(nèi)維持基本上恒定的振幅(脈沖的平穩(wěn)段)，并且因為此恒定振幅指示或響應(yīng)于耦合電容C。，所以可不再需要結(jié)合圖3a所描述的峰值檢測器、采樣/保持緩沖器和復(fù)位電路且可將其從系統(tǒng)中排除，前提條件是穩(wěn)態(tài)特性的時間標(biāo)度對ADC而言足夠長以對振幅進(jìn)行采樣和測量。如果需要，為了降低噪聲，可通過低通濾波器來發(fā)送由感測單元在這些情況下產(chǎn)生的響應(yīng)信號，選擇該低通濾波器的截止頻率，以大體上維持與未經(jīng)過濾的脈沖相同的總保真度或形狀，同時過濾掉較高頻率的噪聲。然后可向ADC提供此濾波器的輸出(即，經(jīng)過濾的響應(yīng)信號)。當(dāng)然，對于斜坡型驅(qū)動脈沖而言，在一些情況下，不論是否利用低通濾波器，可能有利的是保留峰值檢測器、采樣/保持緩沖器和復(fù)位電路。如果需要，整流電路可用于在響應(yīng)信號(參見(例如)圖4a的信號412和圖5a的信號512)中產(chǎn)生正向脈沖和負(fù)向脈沖的觸摸裝置實施例中。這些信號的整流可對其他電路功能(諸如，峰值檢測和模數(shù)轉(zhuǎn)換)具有相應(yīng)的有益效果。就圖5a的信號512而言，由于各個信號的対稱性，所以該信號的經(jīng)整流形式有利地大體上連續(xù)維持穩(wěn)態(tài)電壓電平(忽略由運(yùn)算放大器限制和RC傳輸線效應(yīng)引起的瞬態(tài)效應(yīng))。圖5b示出多對坐標(biāo)圖，其示出了來自包括順序驅(qū)動的受驅(qū)動電極的實施例的代表性波形，其與圖4b類似，不同的是其使用不同類型的受驅(qū)動波形。波形760、761和762為三個單獨的(可彼此相鄰)受驅(qū)動電極(例如，矩陣型傳感器上的第一行、第二行和第三行)上的時段t期間的代表性受驅(qū)動三角脈沖信號。波形763、764和765為相同時段期間在接收電極(例如列)上可看到的各個所得波形?，F(xiàn)轉(zhuǎn)到圖6a，其中的坐標(biāo)圖對與圖5a和圖4a的坐標(biāo)圖類似，并且假定驅(qū)動電極、接收電極、耦合電容和感測單元的電子構(gòu)型相同，但使用另ー種驅(qū)動信號形狀。圖6b的驅(qū)動信號610包括斜坡脈沖611a_e，其產(chǎn)生具有大體上矩形脈沖613a_e的所得響應(yīng)信號612。與圖5a的對稱斜坡形狀不同，斜坡脈沖611a_e為非對稱，以便使斜坡使用的脈沖時間占比最大化。然而，此斜坡最大化導(dǎo)致每個驅(qū)動脈沖的ー側(cè)上出現(xiàn)快速低至高過渡，這產(chǎn)生限制響應(yīng)信號612的各矩形脈沖的負(fù)向沖擊脈沖。盡管所得結(jié)果與完全的矩形性存在偏差，但脈沖613a_e大體上呈矩形，前提是這些脈沖在兩個較大幅的高至低過渡之間要維持較恒定的振幅平穩(wěn)段。就這一點而言，且以類似于圖5a的信號512的方式，由于驅(qū)動脈沖在其相當(dāng)大一部分上具有恒定斜度(即，斜坡形狀)，信號612的脈沖包括穩(wěn)態(tài)特性。因此，觸摸裝置設(shè)計者可再次希望通過排除峰值檢測器、采樣/保持緩沖器和復(fù)位電路來利用此穩(wěn)態(tài)特性，前提條件是穩(wěn)態(tài)特性的時間標(biāo)度對ADC而言足夠長以對振幅進(jìn)行采樣和測量。還可將低通濾波器増加至電路設(shè)計中，如上所述。圖6b示出ー對坐標(biāo)圖，其示出了來自包括順序驅(qū)動的受驅(qū)動電極的實施例的代表性波形，其與圖4b和5b類似，不同的是其使用不同類型的受驅(qū)動波形。波形750、751和752為三個単獨的(可彼此相鄰)受驅(qū)動電極(例如，矩陣型傳感器上的第一行、第二行和第 三行)上的時段t期間的代表性受驅(qū)動斜坡脈沖信號。波形753、754和755 (圖7b)以及763,764和765 (圖7c)為相同時段期間在接收電極(例如列)上可看到的各個所得波形。現(xiàn)轉(zhuǎn)到圖7，我們從中可看到脈沖驅(qū)動信號807的電壓-時間坐標(biāo)圖以及(模型化的)第一響應(yīng)信號801和第二響應(yīng)信號802的相應(yīng)電壓-時間坐標(biāo)圖，這兩個信號可為分別由圖3c中所示電路的感測單元322和差動放大器352產(chǎn)生的輸出。為了該模型的目的，假定驅(qū)動電極、接收電極以及耦合電容(包括其上的觸摸效應(yīng)，即電容從2. Opf減至I. 5pf)的電子特性為如以上結(jié)合圖3a的代表性實施例所述。第一響應(yīng)信號801為來自感測單元322的模型化輸出。其包括正弦曲線形式，該形式指示與接收作為來自LCD面板的噪聲的共模信號類似的共模信號。響應(yīng)信號802為來自差動放大器352的各個模型化輸出(為了說明的目的，其被示為短虛線；實際輸出將為實線)。來自差動放大器352的輸出實際上為脈沖的總和(為了進(jìn)行示意性的說明，圖中未按比例繪制)。圖7上的各個脈沖(803a...d、804e、f、g)具有與圖4a中的脈沖413a…k相同的曲線，但在圖7中脈沖因縮放比例而看起來不同。第一負(fù)脈沖(803a)經(jīng)峰值檢測且匯總在放大器的反相輸入上，從而給出響應(yīng)信號802上的第一步驟(步驟805a)。然后，正脈沖(804e)經(jīng)峰值檢測且匯總在放大器上的非反相輸入上，從而在輸出處給出正峰值與負(fù)峰值的總和(步驟805b)。步驟805b后，隨后的脈沖和共模信號實質(zhì)上均不影響響應(yīng)信號802的電壓電平。觸摸可通過以下方式感測在一系列脈沖后(即，在電壓達(dá)到由步驟805b限定的平穩(wěn)段后)測量由波形802表示的第一電壓采樣，使用復(fù)位電路353和326b (圖3c)復(fù)位峰值檢測器，然后使用相同或類似的過程測量第二電壓采樣，以此類推。在某些實施例中，這些采樣電壓相對于某個閾值的變化指示觸摸。圖8為觸摸裝置710的示意圖，該觸摸裝置包括具有電容耦合電極的4X8矩陣的觸摸面板712，以及可用于檢測觸摸面板上的多次同時觸摸的各種電路元件。該電極矩陣包括由平行驅(qū)動電極a、b、c和d組成的上電極陣列。還包括由平行接收電極El、E2、E3、E4、E5、E6、E7和E8組成的下陣列。上電極陣列和下電極陣列被布置為彼此正交。對于該矩陣的各種節(jié)點，將每對正交電極之間的電容耦合(以上稱為給定節(jié)點的耦合電容C。)標(biāo)記為Cla、C2a、C3a、C4a、Clb、C2b和C3b等直至C8d (如所示)，在非觸摸狀態(tài)下這些電容耦合的值均可近似相等，但其在施加觸摸時減小，如前所述。圖中還示出了各種接收電極與接地(C1-C8)之間以及各種驅(qū)動電極與接地(a’至d’)之間的電容。通過如參考圖3a所述的下列電路來監(jiān)測此矩陣的32個節(jié)點(即與其相關(guān)的互電容或耦合電容):驅(qū)動單元714 ;多路復(fù)用器716 ;感測單元S1-S8 ;任選的峰值檢測器P1-P8，其還可用作采樣/保持緩沖器；多路復(fù)用器718 ;以及ADC720 ;和控制器722，如圖所示這些均用合適的導(dǎo)電跡線或電線來連接(不同的是，為了便于說明，從圖中省去了控制器722與各峰值檢測器P1-P7之間的連接)。在操作中，控制器722使驅(qū)動單元714產(chǎn)生包括ー個或多個驅(qū)動脈沖的驅(qū)動信號，驅(qū)動脈沖通過多路復(fù)用器716的操作而傳送至驅(qū)動電極a。驅(qū)動信號經(jīng)由接收電極E1-E8與驅(qū)動電極a的各個互電容而耦合至各接收電極E1-E8。耦合信號使感測單元S1-S8同時或大體上同時產(chǎn)生各接收電極的響應(yīng)信號。因此，在操作裝置710的此時間點，傳送至驅(qū)動電極a的驅(qū)動信號(其可包括(例如)最多5個、4個、3個或2個驅(qū)動脈沖，或可僅有ー個驅(qū) 動脈沖)同時使感測單元SI產(chǎn)生其振幅指示節(jié)點El/a的耦合電容Cla的響應(yīng)信號，使感測單元S2產(chǎn)生其振幅指示節(jié)點E2/a的耦合電容C2a的響應(yīng)信號等，以此類推，其他感測單元S3-S8對應(yīng)于節(jié)點E3/a至E8/a。如果響應(yīng)信號具有高瞬態(tài)性，(例如)正如圖4a的信號412，則可提供峰值檢測器P1-P8來檢測由感測單元S1-S8提供的各個響應(yīng)信號的峰值振幅，并且任選地對其輸出處提供給多路復(fù)用器718的這些振幅進(jìn)行采樣且保持?；蛘?，如果響應(yīng)信號具有顯著的穩(wěn)態(tài)特性，例如如果其以ー個或多個矩形脈沖的形式(正如上述信號512和612)，則可用低通濾波器來代替峰值檢測器，或可簡單地省去峰值檢測器，使得感測單元的輸出直接饋送至多路復(fù)用器718中。在任一種情況下，當(dāng)將特性振幅信號(例如，響應(yīng)信號的峰值振幅或平均振幅)傳送至多路復(fù)用器718時，控制器722快速循環(huán)多路復(fù)用器718以使得ADC720首先連接到峰值檢測器Pl (如果存在，(例如)或連接到低通濾波器，或連接到SI)以測量與節(jié)點El/a相關(guān)的特性振幅，然后連接到峰值檢測器P2以測量與節(jié)點E2/a相關(guān)的特性振幅，以此類推，最后連接到峰值檢測器P8以測量與節(jié)點E8/a相關(guān)的特性振幅。當(dāng)測量這些特性振幅時，將這些值儲存在控制器722中。如果峰值檢測器包括采樣/保持緩沖器，則控制器在測量完成后使峰值檢測器復(fù)位。在下ー個操作階段中，控制器722循環(huán)多路復(fù)用器714以將驅(qū)動單元714連接到驅(qū)動電極b，并且使驅(qū)動單元產(chǎn)生還包括ー個或多個驅(qū)動脈沖的另ー個驅(qū)動信號(此時傳送至電極b)。傳送至電極b的驅(qū)動信號可與此前傳送至電極a的驅(qū)動信號相同或不同。例如，鑒于與上述觸摸面板損失有關(guān)的原因，由于電極b更靠近獲得響應(yīng)信號的感測電極E1-E8的端部(因此損失降低)，所以傳送至電極b的驅(qū)動信號可具有比傳送至電極a的驅(qū)動信號小的振幅。在任何情況下，傳送至電極b的驅(qū)動信號同時使感測單元SI產(chǎn)生其振幅指示節(jié)點El/b的耦合電容Clb的響應(yīng)信號，使感測單元S2產(chǎn)生其振幅指示節(jié)點E2/b的耦合電容C2b的響應(yīng)信號等，以此類推，其他感測單元S3-S8對應(yīng)于節(jié)點E3/b至E8/b。以上結(jié)合第一操作階段所述的峰值檢測器P1-P8或采樣/保持緩沖器或低通濾波器的存在或不存在在此同樣適用。在任何情況下，當(dāng)將特性振幅信號(例如，響應(yīng)信號的峰值振幅或平均振幅)傳送至多路復(fù)用器718時，控制器722快速循環(huán)多路復(fù)用器718以使得ADC720首先連接到峰值檢測器Pl (如果存在，(例如)或連接到低通濾波器，或連接到SI)以測量與節(jié)點El/b相關(guān)的特性振幅，然后連接到峰值檢測器P2以測量與節(jié)點E2/b相關(guān)的特性振幅，以此類推，最后連接到峰值檢測器P8以測量與節(jié)點E8/b相關(guān)的特性振幅。當(dāng)測量這些特性振幅吋，將這些值儲存在控制器722中。如果峰值檢測器包括采樣/保持緩沖器，則控制器在測量完成后使峰值檢測器復(fù)位。然后兩個以上的操作階段以類似方式進(jìn)行，其中將驅(qū)動信號傳送至電極c且測量和儲存與節(jié)點El/c至E8/c相關(guān)的特性振幅，然后將驅(qū)動信號傳送至電極d且測量和儲存與節(jié)點El/d至E8/d相關(guān)的特性振幅。此時，已在極短的時幀(例如，在ー些情況下為(例如)小于20msec或小于IOmsec)內(nèi)測量和儲存觸摸矩陣的所有節(jié)點的特性振幅。然后，控制器722可將這些振幅與各節(jié)點的參考振幅比較，以獲得各節(jié)點的比較值(例如差值)。如果參考振幅代表非觸摸狀態(tài)，則給定節(jié)點的零差值指示此節(jié)點處“無觸摸”發(fā)生另一方面，顯著的差值表示該節(jié)點處的觸摸(其可包括部分觸摸)。如果相鄰節(jié)點具有顯著的差值，則控制器722可采用內(nèi)插技術(shù)，如上所述。 除非另外指示，否則本說明書和權(quán)利要求書中用來表示數(shù)量、特性量度等的所有數(shù)值應(yīng)當(dāng)理解為由術(shù)語“約”來修飾。因此，除非有相反的指示，否則說明書和權(quán)利要求書中列出的數(shù)值參數(shù)均為近似值，并且根據(jù)本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員利用本專利申請的教導(dǎo)內(nèi)容獲得的所需特性而改變。每ー個數(shù)值參數(shù)并不_在限制等同原則在權(quán)利要求書保護(hù)范圍內(nèi)的應(yīng)用，至少應(yīng)該根據(jù)所報告數(shù)值的有效數(shù)位和通過慣常的四舍五入法來解釋每ー個數(shù)值參數(shù)。雖然限定本發(fā)明大致范圍的數(shù)值范圍和參數(shù)是近似值，但就本文所述具體實例中的任何數(shù)值而言，都是按盡量合理的精確程度給出。然而，任何數(shù)值可以很好地包含與測試或測量限制相關(guān)的誤差。在不偏離本發(fā)明范圍和精神的前提下，對本發(fā)明的各種修改和更改對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說應(yīng)是顯而易見的，而且應(yīng)該理解，本發(fā)明不僅限于本文所提供的示例性實施例。例如，除非另外指明，否則讀者應(yīng)當(dāng)假設(shè)，一個本發(fā)明所公開的實施例的特征也可應(yīng)用于所有其他公開的實施例。應(yīng)該理解，所有本文引用的美國專利、專利申請公開和其他專利和非專利文檔通過引用的方式并入，達(dá)到它們不與上述公開抵觸的程度。
權(quán)利要求
1.一種被構(gòu)造為檢測靠近第一電極和第二電極的物體的存在性的電路，所述第一電極由多個驅(qū)動信號驅(qū)動，所述第二電極承載由于第一電極上的驅(qū)動信號電容耦合至第二電極所產(chǎn)生的驅(qū)動信號，所述第二電極耦合到感測電路，所述感測電路被構(gòu)造成針對每個驅(qū)動信號生成響應(yīng)信號，所述響應(yīng)信號包含所述驅(qū)動信號的差分表示，所述響應(yīng)信號具有響應(yīng)所述第一電極和所述第二電極之間的所述電容耦合的振幅，所述感測電路還包括峰值檢測器，所述峰值檢測器被構(gòu)造成提供峰值檢測器輸出，所述峰值檢測器輸出表示所述響應(yīng)信號的最大振幅，所述峰值檢測器包括至少ー個電容器和ニ極管，并且其中在生成所述響應(yīng)信號的位置與所述峰值檢測器的所述電容器之間的電路中設(shè)置電阻器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電路，還包括耦接到所述峰值檢測器的測量單元，所述測量単元被構(gòu)造成接收峰值檢測器輸出，并根據(jù)峰值檢測器輸出提供指示靠近所述第一電極和所述第二電極的所述物體存在性的信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電路，其中所述峰值檢測器還包括設(shè)置在所述電容器與生成所述響應(yīng)信號的位置之間的ニ極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路，其中所述多個驅(qū)動信號包括多個矩形脈沖。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電路，還包括耦接到所述峰值檢測器的所述電容器的復(fù)位開關(guān)，所述復(fù)位開關(guān)被構(gòu)造成響應(yīng)復(fù)位信號而使各個電容器放電。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電路，其中所述驅(qū)動信號包括多個斜坡脈沖。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電路，還包括位于所述第一電極和所述第二電極附近的顯示器，所述顯示器的輸出響應(yīng)來自所述測量単元的信號并指示位于所述第一電極和所述第二電極附近的物體的存在性。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電路，其中所述測量單元還包括被構(gòu)造成減少或消除共模噪聲的差動放大器。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電路，其中所述響應(yīng)信號由包括至少ー個差動放大器的電路產(chǎn)生，并且其中所述差動放大器包括負(fù)電阻反饋回路，所述負(fù)電阻反饋回路包括串聯(lián)的電容器和電阻器，所述電容器和所述電阻器與另ー電阻器并聯(lián)布置以穩(wěn)定環(huán)路響應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種觸敏裝置，所述觸敏裝置包括觸摸面板、驅(qū)動單元、感測單元和測量單元。施加至所述面板的節(jié)點處的觸摸改變所述觸摸面板的兩個電極(驅(qū)動電極和感測電極)之間的電容耦合。所述驅(qū)動單元將可包括一個或多個驅(qū)動脈沖的驅(qū)動信號傳送至所述驅(qū)動電極。所述感測電路耦合到所述感測電極，并生成包含所述驅(qū)動信號差分表示的響應(yīng)信號，然后饋通電阻器。所述響應(yīng)信號的振幅響應(yīng)于所述電極之間的所述電容耦合，并且經(jīng)測量以提供所述節(jié)點處的觸摸的指示。
文檔編號G06F3/041GK102687104SQ201180005386
公開日2012年9月19日 申請日期2011年1月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月5日
發(fā)明者克雷格·A·科代羅, 托馬斯·J·雷貝斯基 申請人:3M創(chuàng)新有限公司