用于確定觸摸輸入刺激的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于檢測刺激的裝置和方法，且更具體地涉及用于檢測觸摸輸入和手 寫筆輸入的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)今存在設(shè)計成感測人觸摸的存在的人機接口（HMI)設(shè)備。在一些情況下，這些 HMI接口包括用于向機器接口提供來自人的輸入的手寫筆。手寫筆可完全代替直接的人接 口或可補充人接口。這些HMI設(shè)備可使用光、聲、機電(開關(guān))磁場、電場、電磁場或這些刺激 的組合。
[0003] 今天存在的以及使用電場的三個現(xiàn)有和當(dāng)前觸摸技術(shù)通常被稱為投影式電容、電 容式和差分感測。投影式電容通常與結(jié)合相同的大概尺寸的顯示器使用的透明觸摸屏相 關(guān)，并與這樣的顯示器組裝在一起以便允許來自顯示器的光通過投影式電容觸摸屏感測元 件的感測元件。投影式電容通常被實現(xiàn)有高分辨率能力，其中觸摸區(qū)域的選擇可以比手 指的實際尺寸小得多。投影式電容廣泛用在個人電子設(shè)備例如蜂窩電話、個人數(shù)字助理 (PDA)、智能電話、筆記本計算機、膝上型計算機、桌上型監(jiān)視器和具有顯示器的其它用戶設(shè) 備上。與投影式電容相反，電容感測通常被應(yīng)用在處理通常響應(yīng)于比投影式電容低得多的 分辨率的單個輸入的應(yīng)用中，例如按鈕或低分辨率滑塊。這些較低分辨率輸入感測應(yīng)用使 用被設(shè)計成對手指大小的輸入做出響應(yīng)的電極結(jié)構(gòu)。然而，電容檢測可代替投影式電容來 使用，且在原理上投影式電容通常是電容的子集實現(xiàn)。差分感測技術(shù)使用電場、低阻抗感測 技術(shù)和特有的感測電極，其結(jié)合特定的電子感測電路來允許對人觸摸的準確、魯棒的感測， 而不使用軟件。
[0004] 電容、投影式電容和差分檢測具有至少兩個共同屬性：1)它們都使用電場作為刺 激用于測量人機交互，以及2)它們依賴于由工程師確定的預(yù)先確定閾值，該預(yù)先確定閾值 對應(yīng)于當(dāng)特定刺激變化由于人機交互而出現(xiàn)時的觸摸。
[0005] 圖1和2示出用于使用多電極和單電極電容感測的基本單輸入傳感器配置。圖2 示出具有用于通過電介質(zhì)基片102進行感測的單個電極100的簡單電容傳感器。觸摸刺激 被插在單個電極100所位于的電介質(zhì)102的相對側(cè)上。圖1示出具有電介質(zhì)基片102和至 少兩個電極100、104的多電極電容傳感器。類似于圖2,觸摸刺激將被插在多個電極100、 104所位于的電介質(zhì)102的相對側(cè)上。與上面的圖1和2中的結(jié)構(gòu)有關(guān)的這些電容感測技 術(shù)從單個或多個電極感測電容中的變化，使得在刺激信號被處理之后，將有當(dāng)手指或手寫 筆接近感測電極時將改變的輸出信號。輸出信號被處理，使得當(dāng)特定值(預(yù)先確定閾值）被 達到時，觸摸響應(yīng)將出現(xiàn)。這個預(yù)先確定閾值將對應(yīng)于位于觸摸表面之上的觸摸區(qū)內(nèi)的觸 摸位置。被制造容差、介電常數(shù)、電介質(zhì)厚度、電極面積和電子感測電路變化影響的變化將 使在傳感器電極之上的實際觸摸位置也改變。
[0006] 參考圖3到7。圖3示出如圖2所示的單電極電容傳感器的電氣示意圖和方框圖， 以及在圖4到7中示出的時序圖、用于利用單個電極來檢測和處理觸摸輸入的基本技術(shù)。Ce 代表在圖2中示出的單電極感測元件的有效凈電容。Ce將根據(jù)所存在的電容來改變，即， 在"無觸摸"的情況下Ce將具有比當(dāng)"觸摸"存在時低的電容值，在觸摸存在時，Ce將具有 更高的電容值。Cs代表模數(shù)轉(zhuǎn)換器106、預(yù)先確定閾值電路108和輸出響應(yīng)110的采樣電 容器?？刂圃O(shè)備A、B和C代表電子開關(guān)，其中當(dāng)它們被接通時將在最小電阻模式(理想地， 零歐姆）中以及當(dāng)被斷開時在高電阻模式(理想地，無限電阻）中。
[0007] 圖4、5、6和7是用于描述用于使用單個電極Ce感測觸摸輸出的感測技術(shù)的基本 操作的時序圖。圖4示出控制設(shè)備A的控制信號的時序圖。當(dāng)控制信號在3. 00的值處時， 控制設(shè)備接通，且當(dāng)控制信號在〇. 〇〇的值處時，控制設(shè)備斷開。同樣的道理也適用于在圖 5和6中的控制設(shè)備B和C的控制信號。在圖6中的時間tl，控制信號C變高，使控制設(shè)備 接通，將Ce連接到Cs。也在時間tl，控制信號A和B如所示是低的，使控制設(shè)備A和B斷 開。在時間t2,控制設(shè)備A接通，釋放存在于Ce和Cs上的任何電荷到地，如在圖7中的從 1.00的電壓值下降到0.00的電壓Vs所指示的。在時間t3,控制設(shè)備A斷開。在時間t4， 控制設(shè)備C斷開，使Ce與Cs隔離。在時間t5,控制設(shè)備B接通，將采樣電容器Cs充電到 VdcL圖7示出從0.00的值充電到3. 00的Vdd值的電壓Vs。在時間t7,控制設(shè)備C接通， 將Cs連接到Ce,使Cs上的電荷重新分布到Cs和Ce且因此電壓Vs與Ce上的電容的量成 比例地下降。Cs的電容是恒定的。較低的電壓將根據(jù)下面的方程來下降： Vs=Vdd*(Cs/(Cs+Ce)) 在時間t7,在圖7中示出1.00的"無觸摸"值。如果存在觸摸事件，則電容Ce將在比 "無觸摸"電容值高的值處。基于上面陳述的方程，Vs在圖7中被示為.500的較低值。在 時間t8,控制設(shè)備C斷開，使傳感器電容器Ce從采樣電容器Cs分離。Vs的值將保持在與 觸摸條件成比例的采樣值--"無觸摸"條件的較高值和"觸摸"條件的較低值--處。
[0008] 在這里描述了利用多個電極的替代的電容檢測技術(shù)。參考圖1、8到12。圖8示出 如圖1所示的多電極電容傳感器的電氣示意圖和方框圖以及在圖9到12中示出的時序圖、 用于利用多個電極來檢測和處理觸摸輸入的基本技術(shù)。Ce代表在圖1中示出的多(雙）電 極感測元件的有效凈電容。Ce將根據(jù)所存在的電容來改變，S卩，在"無觸摸"的情況下Ce將 較高的電容值，在觸摸存在時，Ce將具有較低的電容值。Cs代表模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣電容器。 控制設(shè)備A和C代表電子開關(guān)，其中當(dāng)它們被接通時將在最小電阻模式(理想地，零歐姆)中 以及當(dāng)被斷開時在高電阻模式(理想地，無限電阻）中。控制設(shè)備B被表示為用于在控制設(shè) 備B的輸出上產(chǎn)生驅(qū)動信號的MOSFET電路。圖9、10、11和12是用于描述用于使用多電極 電容傳感器Ce來感測觸摸輸出的感測技術(shù)的基本操作的時序圖。圖11示出控制設(shè)備C的 控制信號的時序圖。當(dāng)控制信號在3. 00的值處時，控制設(shè)備接通，且當(dāng)控制信號在0. 00的 值處時，控制設(shè)備斷開。同樣的道理也適用于在圖9中的控制設(shè)備A的控制信號。圖10示 出從0. 00的值改變到3. 00的值的輸出驅(qū)動信號B的時序圖。
[0009] 在圖11中的時間tl，控制信號C變高，引起控制設(shè)備C接通，將Ce連接到Cs。也 在時間tl，控制信號A是低的，使控制設(shè)備A斷開，且輸出B是低的，這兩個狀態(tài)分別在圖 11和10中示出。在時間t2,控制設(shè)備A接通，將可能存儲在Ce和Cs上的任何電荷釋放到 地，如在圖12中的從1.00的電壓值下降到0.00的電壓Vs所指示的。在時間t3,控制設(shè) 備A斷開。在時間t4,輸出設(shè)備B接通，使施加到傳感器電極結(jié)構(gòu)的電壓從0. 00的值改變 到3. 00。電壓刺激將使Vs的值上升到與Ce的電容成比例的值，如由對于"無觸摸"條件從 0. OO上升到I. OO的值的電壓所示的。如果手指/附件或其它觸摸輸入設(shè)備接近或接觸觸 摸表面，則Ce的電容將在"觸摸條件"的較低有效電容處，使在Vs處的電壓穩(wěn)定在如在"觸 摸條件"處的.500的值所指示的較低值處。這兩個條件都在圖12中示出。在時間t5,控 制設(shè)備C斷開，使Ce與Cs隔離。在時間t6,控制設(shè)備B變低，將刺激從電極結(jié)構(gòu)Ce移除。 Cs的電容是恒定的。較低的電壓將根據(jù)下面的方程來下降： Vs=Vdd*(Cs/(Cs+Ce)) 在時間t6,在圖12中示出1.00的"無觸摸"值。如果存在觸摸事件，則電容Ce將在比 "無觸摸"電容值高的值處?；谏厦骊愂龅姆匠?，Vs在圖12中被示為.500的較低值，使 電容器Ce從采樣電容器Cs斷開。Vs的值將保持在與觸摸條件成比例的采樣值--"無觸 摸"條件的較高值和"觸摸"條件的較低值--處。這個雙電極感測技術(shù)的一個有用的屬性 是，如果水落在觸摸傳感器結(jié)構(gòu)的觸摸表面上，則Ce本質(zhì)上在值上變高，然后使Vs在值上 增加。這是有用的，因為與正常觸摸事件比較，Vs在水的相反的方向上移動。這個信息在 內(nèi)在地區(qū)分開由于水落在觸摸表面上所致的錯誤觸摸事件中非常有用。
[0010] 在上面的兩種情況中，不管單個電極還是兩個電極，模數(shù)轉(zhuǎn)換器106都將Vs的值 轉(zhuǎn)換成可由預(yù)先確定閾值處理電路108處理的數(shù)字值。將如何確定預(yù)先確定閾值的兩個示 例可以是：1)預(yù)先確定閾值等于一電壓值，其中當(dāng)Vs等于或小于相同的所述電壓值時，則 存在有效觸摸事件，即，當(dāng)V(采樣）〈=Vp (預(yù)先確定閾值）時，有效觸摸事件存在，或2) 預(yù)先確定閾值等于一電壓值，其中當(dāng)在"無觸摸" Vs值和Vs之間的差異等于或大于同一所 述電壓值時，則存在有效觸摸事件，即，當(dāng)[("無觸摸"電壓的值）-(Vs)] >=V(預(yù)先確 定閾值）時，有效觸摸事件存在。閾值處理電路108將采用Vs的數(shù)字表示，且閾值處理電 路108將接著使用與上面描述的處理類似的預(yù)先確定閾值處理，來處理并決定是否存在將 由用于與外部世界正確地通過接口連接的輸出響應(yīng)電路110處理的有效觸摸事件。預(yù)先 確定閾值必須由電容或場效應(yīng)傳感器的應(yīng)用的設(shè)計者確定。預(yù)先確定閾值是最終與采樣值 比較的值，采樣值與然后被解釋為觸摸事件的觸摸刺激成比例。存在已經(jīng)開發(fā)的使用利用 預(yù)先確定閾值的這種方法的很多技術(shù)。甚至使用多個感測電極的差分感測技術(shù)也要求在一 組電極上感測的值具有相對于其它組電極的特定值，例如作為示例在差分雙電極感測結(jié)構(gòu) 中，兩個電極都需要等于彼此，以便對應(yīng)有觸摸事件，且電極之一可能需要小于另一個以對 應(yīng)沒有觸摸事件(邏輯上無觸摸)。不論技術(shù)如何，當(dāng)使用預(yù)先確定閾值技術(shù)時，除了 "無觸 摸"或"觸摸"事件之外，存在可最終影響在圖7和12中的采樣電壓例如Vs的值的其它變 量。觸摸基片的介電常數(shù)的變化、傳感器板面積的有效變化、耦合到傳感器結(jié)構(gòu)的手指的面 積的變化、基于玻璃基片的容差的變化、采樣電路中的變化、溫度、濕氣等都可導(dǎo)致錯誤或 欠/過敏感的觸摸感測響應(yīng)。圖1和2示出在觸摸表面上的對應(yīng)于預(yù)先確定閾值的位置， 例如以考慮可影響觸摸敏感度或"觸摸感覺"的其它因素的變化性。如果設(shè)計者必須考慮 在手指/附件或其它觸摸輸入設(shè)備上的手套的使用，則在觸摸表面上的將對應(yīng)于預(yù)先確定 閾值的位置將必須是較大的距離以適應(yīng)手套絕緣的厚度。當(dāng)然，當(dāng)手指/附件或其它觸摸 輸入設(shè)備將要接近觸摸表面時，即使手指/附件或其它觸摸輸入設(shè)備實際上不接觸觸摸表 面，預(yù)先確定閾值處理電路108也將登記有效觸摸事件。預(yù)先確定閾值的對應(yīng)位置可能就 在觸摸表面處。在這種情況下，設(shè)計者將考慮由于手指/附件在最初接觸觸摸表面之后變 平而引起的信號貢獻的量。當(dāng)手指到玻璃的電容耦合增加時，刺激信號繼續(xù)增加，這將使圖 3中的電容Ce增加以及圖8中的電容Ce降低。設(shè)計者必須考慮影響預(yù)先確定閾值應(yīng)是什 么的所有變量。非常重要的是，在考慮所有這些變量之后，預(yù)先確定閾值不被設(shè)置到這樣 的值，使得當(dāng)手指/附件或其它觸摸輸入設(shè)備被帶到觸摸表面時，將沒有有效觸摸事件被 識別出。相反，預(yù)先確定閾值不應(yīng)被設(shè)置為引起錯誤致動。所有上述變量--包括環(huán)境條 件--需要被考慮以確定用于設(shè)置預(yù)先確定閾值的正確折衷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 提供了一種電容傳感器。在一個實施例中，電容傳感器包括限定電容耦合的第一 和第二電極以及電f禹合到第一和第二電極以基于電容f禹合的變化率來確定刺激的存在的 處理單元。處理單元操作用于響應(yīng)于電容耦合大于預(yù)先確定閾值而確定時間變化率?；?被定位成相鄰于第一和第二電極，其中刺激對應(yīng)于抵靠基片的物體的放置。
[0012] 在另一實施例中，電容傳感器包括內(nèi)電極和外電極。內(nèi)電極和外電極實質(zhì)上是共 面的，且外電極實質(zhì)上包圍內(nèi)電極，與內(nèi)電極間隔開。內(nèi)電極可選地限定間隔開的片段，且 外電極可選地插在內(nèi)電極的間隔開的片段之間。處理單元操作用于響應(yīng)于刺激(例如接近 電容傳感器的物體）而確定在內(nèi)電極和外電極之間的電容耦合的變化率。
[0013] 在又一實施例中，電容傳感器包括用于將第一和第二共面電極在其上支持的剛性 基片，并包括通過多個隔板在第一和第二電極上支持的柔性基片。柔性基片響應(yīng)于在遠離 第一和第二電極的柔性基片的一部分上的觸摸輸入向下朝著內(nèi)電極和外電極是柔性的。處 理單元可操作用于響應(yīng)于抵靠柔性基片的觸摸輸入而確定在第一和第二電極之間的電容 耦合的變化率。
[0014] 在又一實施例中，電容傳感器包括與第一和第二電極間隔開的選通電極（strobe electrode)。選通電極通常是平面的，并與第一和第二電極共同延伸以分別限定第一和第 二電容耦合。剛性基片插在選通電極與第一和第二電極之間。處理單元可操作用于可選地 響應(yīng)于第一和第二電容耦合超過預(yù)先確定閾值而確定第一和第二電容耦合的變化率以指 示觸摸輸入。
[0015] 在甚至另一實施例中，電容傳感器包括在第一方向上延伸的多個電極行和在橫切 第一方向的第二方向上延伸的多個電極列。多個電極行和多個電極列在實質(zhì)上不重疊的對 齊中。在其它實施例中，電極列與電極行的重疊對齊。處理單元可操作用于確定多個電極 行的電容的變化率和多個電極列的電容的變化率以指示在二維中的刺激的存在。相鄰電極 行可選地形成電容耦合，其中處理單元進一步適合于測量電容耦合的變化率。此外，相鄰電 極列可選地形成電容耦合，其中處理單元進一步適合于測量電容耦合的變化率。
[0016] 從本發(fā)明的下面的描述中，當(dāng)根據(jù)附圖和所附權(quán)利要求看時，本發(fā)明的這些和其 它特征和優(yōu)點將變得明顯。
[0017] 在詳細解釋本發(fā)明的實施例之前，應(yīng)理解，本發(fā)明不限于在下面的描述中闡述的 或在附圖中示出的操作的細節(jié)或部件的構(gòu)造和布置的細節(jié)。本發(fā)明可在各種其它實施 例中實現(xiàn)，并以未在本文明確公開的可選方式來實踐或執(zhí)行。此外，應(yīng)理解，本文使用的 短語和術(shù)語是為了描述的目的，且不應(yīng)被視為限制性的。"包括（including)"和"包含 (comprising)"及其變形的使用意味著包括在其后列出的項和其等效形式以及其額外的項 和等效形式。此外，在各種實施例的描述中可使用列舉。除非另有明確規(guī)定，列舉的使用不 應(yīng)被解釋為將本發(fā)明限制到部件的任何特定的順序或數(shù)量。列舉的使用也不應(yīng)被解釋為從 本發(fā)明的范圍排除可與所列舉的步驟或部件組合或組合到所列舉的步驟或部件組合中的 任何額外的步驟或部件。
【附圖說明】
[0018] 圖1是用于差分感測技術(shù)的包括多個電極的觸摸傳感器的圖示； 圖2是用于電容感測技術(shù)的包括單個電極的觸摸傳感器的圖示； 圖3是對應(yīng)于圖2所示的單電極觸摸傳感器的電路圖； 圖4是圖3的電路的第一時序圖； 圖5是圖3的電路的第二時序圖； 圖6是圖3的電路的第三時序圖； 圖7是圖3的電路的第四時序圖； 圖8是對應(yīng)于圖1所示的多電極觸摸傳感器的電路圖； 圖9是圖8的電路的第一時序圖； 圖10是圖8的電路的第二時序圖； 圖11是圖8的電路的第三時序圖； 圖12是圖8的電路的第四時序圖； 圖13是用于確定與單個電極的接近度的包括有效區(qū)的觸摸傳感器的圖示； 圖14是用于時域差分感測的包括多個電極的觸摸傳感器的圖示； 圖15是用于時域差分感測的包括單個電極的觸摸傳感器的圖示； 圖16是接近包括單個電極和激活區(qū)的觸摸傳感器的手指的圖示； 圖17是示出圖16所示的觸摸傳感器的電壓與時間的關(guān)系的第一曲線； 圖18是示出圖16所示的觸摸傳感器的電壓與時間的關(guān)系的第二曲線； 圖19是示出圖16所示的觸摸傳感器的電壓與時間的關(guān)系的第三曲線； 圖20是示出圖16所示的觸摸傳感器的操作的流程圖； 圖21是示出圖16所示的觸摸傳感器的定時接口電路的方框圖； 圖22是用于確定刺激（S)是否大于接近度閾值（X)的包括有效區(qū)的觸摸傳感器； 圖23是包括多個電極和時域差分感測電路的觸摸傳感器的電路圖； 圖24是示出圖23所示的觸摸傳感器的刺激與時間的關(guān)系的曲線； 圖25是示出圖23所示的觸摸傳感器的刺激的變化率與時間的關(guān)系的曲線； 圖26是包括四個電極和時域差分特征處理電路的觸摸傳感器的電路圖； 圖27是用在圖26所示的觸摸傳感器上的四個圓形電極的描繪； 圖28是用在圖27所描繪的四個圓形電極和圖26所示的觸摸傳感器上的接地平面的 描繪； 圖29是停留在包括單個電極的觸摸傳感器上的手指的第一圖示； 圖30是停留在包括單個電極的觸摸傳感器上的手指的第二圖示； 圖31是示出圖26所示的觸摸傳感器的刺激與時間的關(guān)系的曲線； 圖32是示出圖26所示的觸摸傳感器的刺激的變化率與時間的關(guān)系的曲線； 圖33是用在圖26所示的觸摸傳感器上的四個非圓形電極的描繪； 圖34是用在圖33所描繪的四個非圓形電極和圖26所示的觸摸傳感器上的接地平面 的描繪； 圖35是包括用在時域差分邏輯上的多個電極和有效區(qū)的觸摸傳感器的圖示； 圖36是包括時域差分處理電路的多電極觸摸傳感器的電路圖； 圖37是包括八個單或雙電極和時域差分處理電路的觸摸傳感器的電路圖； 圖38是用在圖37所示的觸摸傳感器上的八個單電極的描繪； 圖39是用在圖37所示的觸摸傳感器上的八個雙電極的描繪； 圖40是用在圖37所示的觸摸傳感器上的十二個雙電極的描繪； 圖41是包括插在柔性基片和剛性基片之間的單電極的觸摸傳感器的圖示； 圖42是接近圖41所示的觸摸傳感器的手指的圖示； 圖43是使與圖41所示的觸摸傳感器相關(guān)的柔性基片偏斜的手指的圖示； 圖44是示出圖41-43所示的觸摸傳感器的刺激與時間的關(guān)系的曲線； 圖45是示出圖41-43所示的觸摸傳感器的刺激的變化率與時間的關(guān)系的曲線； 圖46是包括插在兩個剛性基片之間的單個電極的觸摸傳感器的圖示； 圖47是接近圖46所示的觸摸傳感器的手指的圖示； 圖48是包括傳感器電極和插在上和下剛性基片之間的偏置電極的觸摸傳感器的圖 示； 圖49是包括插在上和下剛性基片之間的