專利名稱：二維位置傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
無
背景技水
本發(fā)明涉及2維位置傳感器。更特定來說，本發(fā)明涉及基于電容性接近度感測技術(shù) 的類型的2維位置傳感器。此些傳感器可稱為2維電容性變換(2DCT)傳感器。2DCT 傳感器是基于檢測由指向物體的接近引起的傳感器電極與接地或另一電極的電容性耦 合的干擾。干擾的測得位置對應(yīng)于指向物體的測得位置。
2DCT傳感器通常由人手指或觸筆致動。實例裝置包含例如用于控制消費者電子裝 置/家用電器且可能結(jié)合下伏顯示器(例如液晶顯示器(LCD)或陰極射線管(CRT)) 使用的觸摸屏幕和觸敏鍵盤/小鍵盤。可并入2DCT傳感器的其它裝置包含例如用于在用 于反饋控制目的的機(jī)器中使用的筆輸入的平板和編碼器。
采用2DCT傳感器的裝置不僅結(jié)合個人計算機(jī)而且在例如個人數(shù)字助理(PDA)、 銷售點(POS)終端、電子信息和售票亭、廚房電器等所有方式的其它電器中均已變得 日益流行和常見。2DCT傳感器因為若干原因常常稱為機(jī)械開關(guān)。舉例來說，2DCT傳 感器無需移動零件，且因此與其機(jī)械對應(yīng)物相比較不容易經(jīng)受磨損。2DCT傳感器也可 制作為尺寸相對小，使得可提供對應(yīng)小的且緊密包裝的小鍵盤陣列。此外，2DCT傳感 器可提供于環(huán)境密封的外表面/覆蓋面板下方。這使得其在潮濕環(huán)境中或在存在污物或流 體進(jìn)入裝置的危險的地方的使用變得受控地有吸引力。
此外，制造商常在其產(chǎn)品中優(yōu)選采用基于2DCT傳感器的接口，因為此些接口常被 消費者視為比常規(guī)機(jī)械輸入機(jī)構(gòu)(例如，按鈕)在美學(xué)上更讓人愉悅。
2DCT傳感器可視為廣義上屬于兩個類別。即，基于無源電容性感測技術(shù)的2DCT 傳感器，和基于有源電容性感測技術(shù)的2DCT傳感器。
無源電容性感測裝置依賴于測量感測電極到系統(tǒng)參考電位(地)的電容。此技術(shù)潛 在的原理描述于例如US 5， 730,165 [l]和US 6,466,036 [2〗中。US 5,730,165和US 6,466,036的內(nèi)容作為描述本發(fā)明的背景材料的參考以全文并入本文。廣義概述上，無源 電容性傳感器采用耦合到電容測量電路的感測電極。每一電容測量電路測量其相關(guān)聯(lián)感 測電極到系統(tǒng)接地的電容(電容性耦合)。當(dāng)不存在靠近感測電極的指向物體時，測得
5的電容具有背景/靜止值。此值取決于感測電極和到達(dá)其的連接引線的幾何形狀和布局 等，以及相鄰物體(例如，接近于接地平面附近的感測電極)的性質(zhì)和位置。當(dāng)指向物 體(例如，用戶的手指)接近感測電極時，指向物體表現(xiàn)為虛擬接地。這用以增加感測 電極到接地的測得電容。因此，采用測得電容的增加來指示指向物體的存在。
US 5，730，165禾Q US 6,466,036主要是針對離散(單個按鈕)測量，而不是針對2D 位置傳感器應(yīng)用。然而，US 5,730,165和US 6，466，036中描述的原理容易例如通過提供 電極以界定2D離散感測區(qū)域陣列或呈矩陣配置的電極行和列而應(yīng)用于2DCT傳感器。
已發(fā)現(xiàn)無源感測技術(shù)在若干應(yīng)用中非常有用且可靠。然而，存在一些缺陷。舉例來 說，無源2DCT傳感器對外部接地負(fù)載強(qiáng)烈敏感。也就是說，此些傳感器的敏感度可因 附近的到接地的低阻抗連接的存在而顯著減小。這可限制其可應(yīng)用性。舉例來說， 一些 類型的顯示器屏幕技術(shù)提供穿過可見屏幕的到接地的低阻抗耦合。這意味著覆蓋顯示器 屏幕的無源2DCT將常表現(xiàn)不佳，因為穿過屏幕本身的相對強(qiáng)的到接地的耦合減小了 2DCT對由接近的指向物體引起的任何到接地的額外耦合的敏感度。類似的效應(yīng)意味著 2DCT可對其環(huán)境中的改變相對敏感，例如，2DCT傳感器可能根據(jù)其位置而不同地表 現(xiàn)，原因是到外部物體的電容性耦合(接地負(fù)載)的差異。2DCT傳感器還對環(huán)境條件 (例如，溫度、濕度、累積污物和溢出流體等)相對敏感。所有這些影響了傳感器的可 靠性和敏感度。此外，與無源2DCT感測相關(guān)聯(lián)的測量電路大體上具有高輸入阻抗。這 使得無源傳感器容易經(jīng)受電噪聲拾取，例如射頻(RF)噪聲。這可減少傳感器的可靠新 /敏感度，且還對傳感器設(shè)計施加約束，例如，在感測電極與相關(guān)聯(lián)電路之間使用相對長 的連接引線/跡線存在有限的自由度。
另一方面，有源2DCT傳感器較不容易經(jīng)受上文提到的與無源2DCT傳感器相關(guān)聯(lián) 的效應(yīng)。有源2DCT傳感器是基于測量兩個電極之間(而不是單個感測電極與系統(tǒng)接地 之間)的電容性耦合。有源電容性感測技術(shù)潛在的原理描述于US 6，452，514 [3]中。US 6,452,514的內(nèi)容作為描述本發(fā)明的背景材料的參考以全文并入本文。在有源型傳感器 中， 一個電極(所謂的驅(qū)動電極)被供應(yīng)振蕩驅(qū)動信號。驅(qū)動信號與感測電極的電容性 耦合的程度是通過測量由振蕩驅(qū)動信號轉(zhuǎn)移到感測電極的電荷量而確定。轉(zhuǎn)移的電荷量 (即，在感測電極處所見的信號的強(qiáng)度)是電極之間的電容性耦合的指標(biāo)。當(dāng)不存在靠 近電極的指向物體時，感測電極上的測得信號具有背景/靜態(tài)值。然而，當(dāng)指向物體(例 如，用戶的手指)接近電極(或更特定來說，接近使電極分離的區(qū))時，指向物體充當(dāng) 虛擬接地，且從驅(qū)動電極吸收驅(qū)動信號(電荷)的某部分。這用以減少驅(qū)動信號的耦合 到感測電極的分量的強(qiáng)度。因此，采用感測電極上的測得信號的減小來指示指向物體的存在。
US 6,452,514中描述的2DCT有源傳感器包括在襯底的一側(cè)上成行延伸的驅(qū)動電極 和在襯底的另一側(cè)上成列延伸的感測電極，以便界定N乘M觸摸鍵的陣列。每一鍵對 應(yīng)于驅(qū)動電極與感測電極之間的交叉點。因此US 6,452,514中描述的鍵陣列可稱為矩陣 化陣列，其具有與給定列中的所有鍵相關(guān)聯(lián)的單個驅(qū)動電極(即，連接到單個驅(qū)動通道 的單個導(dǎo)電元件)和與給定行中的鍵相關(guān)聯(lián)的單個感測電極(即，連接到單個感測通道 的單個導(dǎo)電元件)。這減少了所需的驅(qū)動通道和感測通道的數(shù)目，因為單個驅(qū)動通道同 時驅(qū)動給定列中的所有鍵且單個感測通道感測給定行中的所有鍵。在不同鍵的位置處的 電極之間的電容性耦合可通過驅(qū)動適當(dāng)?shù)牧星腋袦y適當(dāng)?shù)男衼泶_定。舉例來說，為確定 與在列2與行3的交叉點處的鍵相關(guān)聯(lián)的電極之間的電容性耦合，在與行3的感測電極 相關(guān)聯(lián)的感測通道有效時將驅(qū)動信號施加于列2的驅(qū)動電極。來自有源感測通道的輸出 反映了與研究中的鍵相關(guān)聯(lián)的電極之間的電容性耦合。可通過定序通過驅(qū)動通道和感測 通道的不同組合來掃描不同的鍵。在一種模式中，可在全部連續(xù)監(jiān)視感測電極的同時循 序驅(qū)動驅(qū)動電極。感測電極中的一者(或一者以上)上的信號改變指示指向物體的存在。 上面出現(xiàn)改變的感測電極界定一個維度上的位置，當(dāng)出現(xiàn)改變時正驅(qū)動的驅(qū)動電極界定 另一維度上的位置。
US 5,648,642 [4]還揭示基于有源電容性感測的2DCT傳感器。此傳感器根據(jù)廣義上 與US 6,452,514中描述的相同基本原理而操作。US 5,648,642的傳感器在圖1A、 IB和 1C中示意性展示。這些圖分別展示傳感器的俯視圖、仰視圖和合成視圖。傳感器10包 括襯底12，其包含安置在其頂部表面16上且在第一方向上行進(jìn)以構(gòu)成傳感器10的列電 極的一組第一導(dǎo)電跡線14。 一組第二導(dǎo)電跡線18安置在其底部表面20上，且在正交的 第二方向上行進(jìn)以形成傳感器陣列10的行電極。所述組第一和第二導(dǎo)電跡線14和18 與構(gòu)成放大區(qū)域(展示為菱形)的周期性感測墊22交替地接觸。采用沿著15行和15 列導(dǎo)體的矩陣安置的感測墊的0.254 cm中心到中心菱形圖案。在墊圖案中每一方向上的 每隔一個感測墊22分別連接到襯底12的頂部表面16和底部表面20上的所述組的第一 和第二導(dǎo)電跡線14和18。
圖1A到1C所示的2DCT傳感器因此可在有源模式中操作，其中圖1A所示的經(jīng)連 接感測墊22的列14包括相應(yīng)驅(qū)動電極，且圖1B所示的經(jīng)連接感測墊22的行18包括 相應(yīng)感測電極。這些可以如US 5,648,642中和US 6,452,514中描述的循序方式進(jìn)行掃描。
因此，基于有源電容性接近度感測的2DCT傳感器可提供在某些環(huán)境中可比2DCT 無源傳感器更可靠的傳感器。此外，可采用例如圖1A到1C所示的驅(qū)動電極和感測電極的矩陣陣列來代替離散的自含驅(qū)動電極與感測電極對的陣列。這具有的優(yōu)點是減少了在 構(gòu)成2DCT傳感器的電極與相關(guān)聯(lián)驅(qū)動/感測電路之間需要做出的連接的數(shù)目。這不僅使 得布線后勤更簡單，而且減少了成本，因為需要更少的驅(qū)動/感測通道，例如，包括NX M個感測區(qū)域陣列的2DCT傳感器需要呈矩陣配置的N個驅(qū)動通道和M個感測通道， 但在離散感測區(qū)域配置中每一者所需為(NXM)。
當(dāng)在集成電路(iC)芯片封裝中實施US 6,452,514屮描述的種類的驅(qū)動和感測通道 電路時，每一驅(qū)動通道需要一個引出線，而每一感測通道需要兩個引出線。因此，對于 包括nXm感測區(qū)域陣列的2DCT傳感器，矩陣化陣列需要N+2M個引出線(或M+2N 個引出線，取決于哪些列和行是驅(qū)動或感測電極，S卩，哪些連接到驅(qū)動或感測通道)。 然而，離散(非矩陣化陣列)需要3NM個引出線。IC芯片實施方案中電路連接且尤其 是引出線在金錢方面以及在實施其所需的物體空間和復(fù)雜性方面都是昂貴的。
因此，需要提供一種基于有源電容性感測技術(shù)的2DCT傳感器，其需要更少的連接， 即，與基于矩陣化的陣列的己知2DCT傳感器相比需要更少的外部連接。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于在兩個維度上確定鄰近物體的位置的傳感 器，所述傳感器包括具有由電極圖案界定的敏感區(qū)域的襯底，其中所述電極圖案包含經(jīng) 互連以形成沿著第一方向延伸的多個行電極的第一驅(qū)動元件群組、經(jīng)互連以形成沿著第 二方向延伸的多個列電極的第二驅(qū)動元件群組，以及經(jīng)互連以形成沿著所述第一和第二 方向延伸的感測電極的感測元件群組。
通過提供在列和行中的驅(qū)動電極和在兩個方向上延伸的感測電極，提供電容性耦合 到列電極和行電極的單個感測電極。這意味著提供基于2D位置傳感器的有源電容性感 測技術(shù)，其可僅用于感測電路的一個通道，且不需要多路復(fù)用器來實現(xiàn)此技術(shù)。因此傳 感器可進(jìn)一步包括控制器，所述控制器包括用于向所述行電極和列電極施加驅(qū)動信號的 驅(qū)動單元，以及用于測量表示施加于所述行電極和列電極的所述驅(qū)動信號到所述感測電 極的耦合程度的感測信號的感測單元。由于感測通道比驅(qū)動通道一般實施起來更昂貴， 因此可提供較便宜的傳感器，其可采用在集成芯片中實施的控制器，從而需要比具有相 當(dāng)?shù)亩ㄎ唤鉀Q方案的已知矩陣化有源電容性位置傳感器少的引出線。
控制器可進(jìn)一步包括處理單元，所述處理單元用于根據(jù)對通過向所述行電極中的不 同者施加驅(qū)動信號而獲得的所述感測信號的分析來計算所述物體在一個方向上的位置， 且根據(jù)對通過向所述列電極中的不同者施加驅(qū)動信號而獲得的所述感測信號的分析來計算所述物體在另一方向上的位置。在每一軸中的位置確定可包含進(jìn)行內(nèi)插以使得可在
比列電極和行電極特征尺寸的精度更好的精度上確定位置。
所述第一驅(qū)動元件群組和所述第二驅(qū)動元件群組可位于所述襯底的相對側(cè)上。 或者，所述第一驅(qū)動元件群組和所述第二驅(qū)動元件群組可位于所述襯底的同一側(cè)上。
在所述第一驅(qū)動元件群組和所述第二驅(qū)動元件群組位于所述襯底的同一側(cè)上的實 例中，用于將所述第一驅(qū)動元件群組連接為行電極的連接可在所述傳感器的所述敏感區(qū) 域內(nèi)形成，且用于將所述第二驅(qū)動元件群組連接為列電極的連接可至少部分在所述傳感 器的所述敏感區(qū)域外(即，在傳感器的無需為單層的區(qū)中)形成，以上形成例如使用常 規(guī)的跨接線或電線。所述用于將所述第二驅(qū)動元件群組連接為列電極的連接可包含所述 傳感器的所述敏感區(qū)域內(nèi)的連接部分，所述連接部分在與來自所述驅(qū)動元件中的相應(yīng)者 的所述行電極相同的方向上延伸到所述傳感器的所述敏感區(qū)域的周邊。這允許將連接饋 出敏感區(qū)域而不必與行電極交叉。
在一個配置中，在所述列電極中的至少一者中的驅(qū)動元件包含用以允許來自另一列 電極中的驅(qū)動元件的連接到達(dá)所述列電極中的其它驅(qū)動元件的通路。在某些驅(qū)動元件由 例如此的通路劃分為兩個部分的情況下，在通路的任一側(cè)上的經(jīng)劃分驅(qū)動元件的部分可 通過例如使用常規(guī)跨接線或電線至少部分在傳感器的敏感區(qū)域外(即，在傳感器的無需 為單層的區(qū)中)形成的連接而連接在一起。
所述用于連接所述通路的任一側(cè)上的驅(qū)動元件的所述部分的連接可包含所述傳感 器的所述敏感區(qū)域內(nèi)的在與所述行電極相同的方向上延伸到所述傳感器的所述敏感區(qū) 域的周邊的連接部分。這允許連接饋出敏感區(qū)域而不必與驅(qū)動電極行交叉。
感測元件群組還可與所述第一和第二驅(qū)動元件群組位于所述襯底的同一側(cè)上。在此 情況下，用于將所述感測元件連接為所述感測電極的連接可至少部分在所述傳感器的所 述敏感區(qū)域外形成。用于將所述感測元件連接為所述感測電極的連接可包含所述傳感器 的所述敏感區(qū)域內(nèi)的連接部分，所述連接部分在與來自所述感測元件中的相應(yīng)者的所述 行電極相同的方向上延伸到所述傳感器的所述敏感區(qū)域的周邊。這允許連接饋出敏感區(qū) 域而不必與驅(qū)動電極行交叉。
所述感測元件中的至少一者可包含通路，所述通路用以允許來自列電極中的驅(qū)動元 件的連接通過所述通路到達(dá)所述列電極中的其它驅(qū)動元件。所述通路的任一側(cè)上的所述 感測元件的部分可通過至少部分在所述傳感器的所述敏感區(qū)域外形成的連接而連接在 一起。用于連接所述通路的任一側(cè)上的所述感測元件的所述部分的連接可包含所述傳感器的所述敏感區(qū)域內(nèi)的在與所述行電極相同的方向上延伸到所述傳感器的所述敏感區(qū) 域的周邊的連接部分。
所述行電極和所述列電極可彼此正交。
電極可由例如氧化銦錫(ITO)等透明材料或任何其它合適材料制成。襯底也可由 例如玻璃或透明塑料材料等透明材料制成，所述透明塑料材料例如為例如Perspex等聚 甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，或例如Zeon的Zeonex、 Ticona的Topas、 Mitsui的APE或 日本合成橡膠的Arton等環(huán)烯共聚物(COP)。然而在某些應(yīng)用中，可能的情況是電極和 /或襯底是不透明的。
將了解，行和列方向是由適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系界定，最常見的是其中所述方向正交的xy 笛卡爾坐標(biāo)系，但其可能處于非正交角度。而且，在下文中，為了方便，行和列有時分 別稱為x或水平以及y和垂直，但這不暗示與真實空間的特定對準(zhǔn)，例如相對于重力的 方向。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種包括根據(jù)本發(fā)明的第一方面的二維位置傳感器的 設(shè)備。
為了更好理解本發(fā)明且展示其可如何實行，現(xiàn)在借助于實例參考附圖。
圖1A是已知物體位置傳感器變換器的俯視圖，且展示物體位置傳感器表面層，其
包含頂部導(dǎo)電跡線層和連接到底部跡線層的導(dǎo)電墊；
圖1B是圖1A的物體位置傳感器變換器的仰視圖，且展示底部導(dǎo)電跡線層；
圖1C是圖1A和1B的物體位置傳感器變換器的合成視圖，且展示頂部與底部導(dǎo)電
跡線層兩者；
圖2是展示根據(jù)本發(fā)明實施例的位置傳感器的示意性透視圖
圖3A是展示根據(jù)本發(fā)明的實施例的位置傳感器和相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動和感測電路的前側(cè) 的示意圖3B是展示圖3B所示的位置傳感器與相關(guān)聯(lián)驅(qū)動電路的后側(cè)的示意圖； 圖3C是展示圖3A和3B所示的位置傳感器和相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動和感測電路的兩側(cè)的合 成視圖的示意圖4是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的位置傳感器的示意平面圖5A示意性展示用于與根據(jù)本發(fā)明實施例的傳感器一起使用的電路；
圖5B示意性展示圖6A所示的電路的某些元件之間的時序關(guān)系；圖6A和6B示意性展示圖4所示的傳感器的具有上覆電場線的部分的截面圖； 圖7A和7B示意性展示圖3C所示的傳感器的具有上覆電場線的部分的截面圖； 圖8A示意性展示施加于圖4所示的傳感器的行電極的驅(qū)動信號序列； 圖8B示意性展示施加于圖4所示的傳感器的列電極的驅(qū)動信號序列； 圖8C示意性展示圖8A和8B中所示的相應(yīng)驅(qū)動信號的分量的量值，所述分量在使 用圖4的傳感器的測量循環(huán)期間耦合到感測電極；
圖9示意性展示并入有根據(jù)本發(fā)明實施例的傳感器的觸敏顯示器屏幕；
圖IO示意性展示并入有根據(jù)本發(fā)明實施例的傳感器的洗衣機(jī)；以及
圖11示意性展示并入有根據(jù)本發(fā)明實施例的傳感器的蜂窩式電話。
具體實施例方式
圖2是展示根據(jù)本發(fā)明實施例的位置傳感器2的示意性透視圖。傳感器2包括支承 界定傳感器的敏感區(qū)域的電極圖案5的襯底4，以及控制器50。控制器通過連接52耦 合到電極圖案內(nèi)的電極。在此實施例中，電極圖案限于襯底的僅一側(cè)(圖2中所示的定 向的上側(cè))。在其它實例中，電極圖案5可分布在襯底的兩側(cè)上。在此透視圖中高度示 意性地展示電極圖案5。圖4中展示圖2的傳感器的電極圖案的更具代表性的圖，下文 進(jìn)一步描述。
可使用常規(guī)技術(shù)(例如，平版印刷、沉積或蝕刻技術(shù))提供襯底4上的電極圖案5。 在此實例中襯底4是透明塑料材料，在此情況下是聚對苯二甲酸乙酯(PET)。構(gòu)成電極 圖案的電極是透明導(dǎo)電材料，在此情況下是氧化銦錫(ITO)。因此，傳感器的敏感區(qū)域 整體上是透明的。這意味著可在無陰暗的情況下在下伏的顯示器上使用傳感器。然而， 在其它實施例中，傳感器可能是不透明的，例如包括常規(guī)的印刷電路板，或者具有銅電 極圖案的襯底，例如在移動電話小鍵盤中使用。
控制器50提供以下功能性用于將驅(qū)動信號供應(yīng)到電極圖案5的部分的驅(qū)動單元6， 用于感測來自電極圖案5的其它部分的信號的感測單元8，以及用于基于針對施加于電 極圖案的不同部分的驅(qū)動信號所見的不同感測信號而計算位置的處理單元7，如下文進(jìn) 一步描述?？刂破?0因此控制驅(qū)動單元和感測單元的操作，以及在處理單元7中對來 自感測單元8的響應(yīng)的處理，以便確定鄰近于傳感器2的物體(例如，手指或觸筆)的 位置。驅(qū)動單元6、感測單元8和處理單元7在圖2中示意性展示為控制器內(nèi)的單獨元 件。然而，大體上所有這些元件的功能將由單個集成電路芯片提供，例如合適編程的通 用微處理器，或現(xiàn)場可編程門陣列，或?qū)Ｓ眉呻娐?。圖3A和3B示意性展示根據(jù)本發(fā)明另一實施例的二維電容性位置傳感器32的襯底 的前表面和后表面上的電極圖案化的透視圖。圖3A和3B中展示的傳感器32廣義上類 似于圖2所示的傳感器。然而，其不同之處在于，所述電極圖案化是在傳感器襯底的兩 側(cè)上散布。然而，這不顯著影響傳感器的其它方面。因此，圖3A和3B所示的傳感器 32可包含較大程度上與圖2所示的控制器相同的控制器。
應(yīng)注意，圖3A涉及前視圖且圖3B涉及后視圖。然而將了解，術(shù)語"前"和"后" 為了方便而用于指代傳感器襯底的相對側(cè)(面)。不希望所述術(shù)語暗示針對傳感器或其 襯底的任何特定空間定向。術(shù)語"前"將大體上用于識別當(dāng)傳感器處于正常使用中時傳 感器的通常面向待感測物體的側(cè)。術(shù)語"后"將大體上用于識別相對的面(即，在正常 使用中通常背對待感測物體的面)。即使如此，仍將了解，在許多(如果不是全部)情 況下，傳感器襯底將完反轉(zhuǎn)，因為無論指向物體接近哪一側(cè)(即，無論將哪一側(cè)視為前 側(cè)且將哪 一 側(cè)視為后側(cè))，傳感器均將操作。
襯底(圖3A)的前側(cè)上的電極圖案化包括多個互連的感測元件40 (展示為黑色) 和多個驅(qū)動元件42 (展示為中灰色)。
感測元件40大體上為圓形形狀且在傳感器襯底上以規(guī)則的5乘7陣列布置。感測 元件40由感測元件連接跡線41 (圖3A中也展示為黑色)的適當(dāng)布置互連。這在此實 例中是通過將每一感測元件直接連接到其在水平行中的相鄰者來實現(xiàn)的。直接連接的感 測元件的水平行隨后由連接跡線連接在一起，所述連接跡線沿著圖3A所示的電極圖案 化的左手側(cè)行進(jìn)。因此，所有感測元件被連接在一起以提供單個感測電極，其包括在傳 感器的2D敏感區(qū)域上在兩個維度上分布的互連感測元件。感測電極經(jīng)由感測電極布線 耦合到傳感器的控制器(例如，例如圖2所示的控制器)內(nèi)的感測單元中的感測通道S。 感測通道S由控制器控制以確定耦合到感測元件的互連群組中的電荷量，如下文進(jìn)一步 描述。
在圖3A所示的襯底的側(cè)上的驅(qū)動元件42在傳感器襯底上以規(guī)則的5乘6陣列布置。 驅(qū)動元件中的相應(yīng)者位于鄰近于感測元件40中的相應(yīng)者處且位于其之間。此布置因此 提供交替的感測元件列與驅(qū)動元件列。驅(qū)動元件和感測元件彼此緊密地間隔開。驅(qū)動元 件42大體上為六邊形的(在此實例中為不規(guī)則的)，但在鄰近于感測元件40的側(cè)上具 有向內(nèi)彎曲的邊緣以適應(yīng)感測元件的圓形形狀。每一行中的驅(qū)動元件由驅(qū)動元件連接跡 線43 (圖3A中也展示為中灰色)的適當(dāng)布置連接在一起。
因此，圖3A中展示的傳感器襯底的側(cè)上的所述多個驅(qū)動元件42可視為布置為六行 電極X1、 X2、 X3、 X4、 XS和X6。對于圖3A所示的定向，這些行電極水平行進(jìn)且垂直地彼此間隔開。術(shù)語垂直和水平、頂部和底部等在本文將大體上用于指代如圖中所示的 傳感器的定向，除非上下文另外要求。將了解，不希望所述術(shù)語指代當(dāng)傳感器處于正常 使用中時其任何特定定向。此外將了解，術(shù)語列和行僅用作允許在兩個不同任意方向之 間(在此情況下，在垂直方向與水平方向之間)容易進(jìn)行區(qū)分的標(biāo)記，但大體上行和列 無需正交。
每一行驅(qū)動元件(即，每一行電極)經(jīng)由行驅(qū)動布線耦合到傳感器的控制器的驅(qū)動 單元內(nèi)的相應(yīng)驅(qū)動通道XD1、 XD2、 XD3、 XD4、 XD5ffXD6。在此實例中，為每一行電 極提供單獨的驅(qū)動通道。然而，也可使用具有適當(dāng)多路復(fù)用的單個驅(qū)動通道。驅(qū)動通道 由控制器控制以將驅(qū)動信號施加于驅(qū)動元件行(行電極)中的相應(yīng)者，如下文進(jìn)一步描 述。
襯底(圖3B)的后側(cè)的電極圖案化包括其它多個驅(qū)動元件44 (圖中再次展示為中 灰色)。這些驅(qū)動元件44在傳感器襯底上以規(guī)則的4乘7陣列布置。驅(qū)動元件44在襯 底的此側(cè)上相對于圖3A所示的襯底的面上的電極圖案化的位置可在圖3B中從圖3A中 所示的電極圖案化的淺灰色表示看見。因此，在襯底的后部上的驅(qū)動元件44位于(在 投影平面圖中)感測元件40之間，以便提供交替的感測元件行與驅(qū)動元件行。驅(qū)動元 件44和感測元件(在投影中)不重疊。驅(qū)動元件44大體上為六邊形的，但在鄰近于感 測元件40在襯底的后側(cè)上的投影的隅角處具有向內(nèi)彎曲的切口以適應(yīng)感測元件的圓形 形狀(無重疊)。每一列中的驅(qū)動元件44由驅(qū)動元件列連接跡線45 (圖3A中也展示為 中灰色)的適當(dāng)布置連接在一起。
因此，圖3B所示的傳感器襯底的后側(cè)上的所述多個驅(qū)動元件44可視為布置為四個 列電極Y1、 Y2、 ￥3和Y4。這些列電極針對圖3B所示的定向垂直行進(jìn)且彼此水平間隔 幵。
每一列驅(qū)動元件44經(jīng)由列驅(qū)動布線耦合到傳感器控制器內(nèi)的相應(yīng)驅(qū)動通道YD1、 YD2、 YDS和YD4。這些驅(qū)動通道可與耦合到行電極的驅(qū)動通道XD1、 XD2、 XD3、 XD4、 XdS和XDS相同。在此實例中，為每一列電極提供單獨的驅(qū)動通道。然而也可使用具有 適當(dāng)多路復(fù)用的單個驅(qū)動通道。驅(qū)動通道由控制器控制以將驅(qū)動信號施加于驅(qū)動元件44 的列中的相應(yīng)者，如下文進(jìn)一步描述。(具有適當(dāng)多路復(fù)用的單個驅(qū)動通道可提供所有 驅(qū)動通道XD1、 XD2、 XD3、 XD4、 XD5、 XD6、 YD1、 YD2、 YD3和YD4的功能性。)
圖3C示意性展示圖3A和3B中所示的傳感器32的正面平面圖，其中一起展示前 側(cè)(圖3A)和后側(cè)(圖3B)兩者上的電極圖案化。
因此，傳感器32包括多個經(jīng)驅(qū)動行電極、多個經(jīng)驅(qū)動列電極，以及單個感測電極，所述感測電極包括在傳感器的敏感區(qū)域上在經(jīng)驅(qū)動行電極和列電極之間散布的互連感測元件網(wǎng)。每一相鄰成對的驅(qū)動元件42、 44以及感測元件40 (如投影中所見，即，無論驅(qū)動和感測元件是否在襯底的同一側(cè)上)可視為對應(yīng)于可根據(jù)US 6,452,514 [3]中描述的技術(shù)而操作的離散傳感器區(qū)域。圖3A到3C中所示的傳感器32的操作的方式類似于操作圖2所示的傳感器2的方式的以下描述，且將從所述描述了解。
圖4示意性展示圖2所示的傳感器2的平面圖。如先前說明，此傳感器類似于圖3A到3C所示的傳感器，且不同之處僅在于，圖4所示的傳感器2的電極圖案化僅限于襯底的一側(cè)。因此，傳感器可稱為單側(cè)襯底。此所具有的優(yōu)點是對制造商來說更廉價，因為僅需要處理單層電極圖案化。
傳感器2的類似于圖3A到3C所示的傳感器32且從其以上描述將了解的方面是由相同的參考符號識別。與單側(cè)不同，圖4所示的電極圖案包含與圖3C中的電極圖案相同的基本元件。然而，這些元件中的一些經(jīng)修改以允許傳感器的敏感區(qū)域內(nèi)的單層導(dǎo)電材料(電極)內(nèi)的各種感測元件與驅(qū)動元件之間的連接的路由。
因此，圖4所示的襯底上的電極圖案化包括多個互連的感測元件60(淺灰色展示)、經(jīng)連接以形成行電極的多個驅(qū)動元件62 (中灰色展示)、以及經(jīng)連接以形成列電極的多個驅(qū)動元件64 (黑色展示)。
感測元件60大體上為圓形形狀，除了在敏感區(qū)域的左邊緣和右邊緣處的那些感測元件60之外，其在此實例中為半圓形的，但這并不重要。感測元件再次在傳感器襯底上以規(guī)則的5乘7陣列布置。感測元件60由感測元件連接跡線61 (圖4中也以淺灰色展示)的適當(dāng)布置互連。因此所有感測元件連接在一起以提供單個感測電極，其包括分布在傳感器的2D敏感區(qū)域上的兩個維度上的互連的感測元件。感測電極經(jīng)由感測電極布線耦合到傳感器2的控制器50內(nèi)的感測單元8中的感測通道S。感測通道S可操作以確定從經(jīng)驅(qū)動行/列電極中的相應(yīng)者耦合到感測元件60的互連群組中的電荷量，如下文進(jìn)一步描述。
單側(cè)傳感器中的對應(yīng)于圖3A到3C所示的雙側(cè)傳感器的行驅(qū)動元件42的驅(qū)動元件62在傳感器襯底上以規(guī)則的5乘6陣列布置。驅(qū)動元件62的相應(yīng)者位于鄰近于感測元件60的相應(yīng)者且在其之間。此布置因此提供交替的感測元件和驅(qū)動元件的列。如同之前，驅(qū)動元件和感測元件彼此緊密間隔開但不連接。驅(qū)動元件62再次大體上為六邊形的，除了敏感區(qū)域的左邊緣和右邊緣處的那些驅(qū)動元件62之外，其在此實例中為半六邊形的，但這并不重要，而在鄰近于感測元件60的側(cè)上具有向內(nèi)彎曲的邊緣以適應(yīng)感測元件的圓形形狀。每一行中的驅(qū)動元件由行驅(qū)動元件連接跡線63 (圖4中也以中灰色展示)的適當(dāng)布置連接在一起。
因此圖4中以中灰色展示的所述多個驅(qū)動元件62可視為布置為六個行電極X\X2、 X3、 X4、 XS和X6。每一行驅(qū)動元件62 (即，每一行電極)經(jīng)由行驅(qū)動布線耦合到傳感 器的控制器50的驅(qū)動單元6內(nèi)的相應(yīng)驅(qū)動通道XD1、 XD2、 XD3、 XD4、 XD5fBXD6。 這些驅(qū)動通道與圖3A的對應(yīng)標(biāo)記的驅(qū)動通道相同且將從其進(jìn)行了解。應(yīng)注意，在圖4 所示的實施例中，行驅(qū)動通道XD1、 XD2、 XD3、 XD4、 XD"和XDe針對圖4所示的定 向從傳感器2的左手側(cè)連接到其相應(yīng)的行電極X1、 X2、 X3、 X4、 XS禾BX6，而用于圖3C 所示的傳感器32的對應(yīng)驅(qū)動通道從右邊連入。然而，這并不重要。
單側(cè)傳感器中的驅(qū)動元件64對應(yīng)于圖3A到3C所示的雙側(cè)傳感器的列驅(qū)動元件44。 這些驅(qū)動元件64因此再次在傳感器襯底上以規(guī)則的4乘7陣列布置。驅(qū)動元件64的相 應(yīng)者位于感測元件60的相應(yīng)者之間，以便提供交替的感測元件行和驅(qū)動元件行。驅(qū)動 元件64和感測元件60彼此不接觸但緊密地間隔開。驅(qū)動元件64大體上為六邊形的， 但在鄰近于感測元件60的隅角處具有向內(nèi)彎曲的切口以適應(yīng)感測元件的圓形形狀。每 一列中的驅(qū)動元件64由驅(qū)動元件列連接跡線65 (圖4中也以黑色展示)的適當(dāng)布置連 接在一起。
因此所述多個驅(qū)動元件64可視為布置為四個列電極Y '、 Y2、 ￥3和Y4。每一列驅(qū) 動元件64經(jīng)由列驅(qū)動布線耦合到傳感器控制器內(nèi)的相應(yīng)驅(qū)動通道YD1、 YD2、 丫03和 YD4。這些驅(qū)動通道可與耦合到行電極的驅(qū)動通道XD1、 XD2、 XD3、 XD4、 XD5和XD6 相同。這些驅(qū)動通道與圖3B的對應(yīng)標(biāo)記的驅(qū)動通道相同且將從其進(jìn)行了解。
因為感測元件60、經(jīng)連接以形成行電極的驅(qū)動元件(所述元件可因此稱為行驅(qū)動元 件62)和經(jīng)連接以形成列電極的驅(qū)動元件(列驅(qū)動元件64)全部位于襯底的一側(cè)上， 所以需要驅(qū)動元件與感測元件之間的不同連接布局。這是因為為了維持僅單層電極圖案 化，可不存在敏感區(qū)域內(nèi)的連接跡線的交叉。這呈現(xiàn)與電極圖案分布在襯底的兩側(cè)上的 情況相比不同的拓?fù)鋯栴}。
因此，行驅(qū)動元件連接跡線63在相鄰的行驅(qū)動元件62之間直接延伸，以用與圖3A 所示的兩側(cè)傳感器相同的方式將其連接成行。用于將行電極連接到其相應(yīng)驅(qū)動通道的行 驅(qū)動布線以任何常規(guī)方式(例如，通過表面安裝的連接或懸空引線連接)將每一行中的 最左行驅(qū)動元件連接到對應(yīng)的驅(qū)動通道。
然而，對于圖3A所示的傳感器32，感測元件直接連接到其在水平行中的鄰近者， 圖4所示的傳感器2并不這樣，因為列驅(qū)動元件64妨礙此些連接。此外，圖4所示的 傳感器的大體圓形的感測元件60中的一些由行對準(zhǔn)的通路劃分為兩個部分。傳感器元件中的通路是用于允許到達(dá)列驅(qū)動元件64的連接通過到傳感器襯底/敏感區(qū)域的邊緣，使得其可連接到其相應(yīng)列中的其它驅(qū)動元件，如下文進(jìn)一步描述。因此，位于列電極￥2和YS中的列驅(qū)動元件之間的感測元件無需具備通路。位于列電極Y'和丫2中的列驅(qū)動元件之間的感測元件具備通路，所述通路足夠?qū)捯杂糜诘竭_(dá)列電極Y2中的列驅(qū)動元件的單個連接跡線通過。(同樣，位于列電極￥3和￥4中的列驅(qū)動元件之間的感測元件具備通路，所述通路足夠?qū)捯杂糜诘竭_(dá)列電極YS中的列驅(qū)動元件的單個連接跡線通過。)位于敏感區(qū)域的左手邊緣的感測元件具備通路，所述通路足夠?qū)捯杂糜谌齻€連接跡線通過。S卩，到達(dá)列電極￥2中的列驅(qū)動元件的第一連接、以及到達(dá)列丫1中的驅(qū)動元件的相應(yīng)第一和第二部分的第二和第三跡線，這些驅(qū)動元件還由用于允許到達(dá)列電極丫2中的驅(qū)動元件的連接跡線傳出到敏感區(qū)域的邊緣的通路分割。位于敏感區(qū)域的右手邊緣處的感測元件類似地具備足夠?qū)捯杂糜谌齻€連接跡線通過的通路。
感測元件因此通過感測元件連接跡線成行連接到其相鄰的感測元件，所述跡線在行驅(qū)動電極與列驅(qū)動電極的驅(qū)動元件之間的間隙中行進(jìn)。每一感測元件因此通過兩個連接跡線區(qū)段連接到其行相鄰者中的每一者， 一個區(qū)段連接每一相鄰感測元件的上半部且一個區(qū)段連接下半部。通過每相鄰對電極使用兩個連接跡線區(qū)段，由通路分割的那些電極可適當(dāng)互連以便形成單個感測電極。 一行感測元件的下部部分與鄰近行感測元件的上部部分之間的連接是在敏感區(qū)域的右手邊緣處形成。因此所有感測元件連接在一起。不同行的感測元件由沿著敏感區(qū)域的右手側(cè)形成的連接跡線連接，且具有通路的每一行中的傳感器區(qū)域的上部和下部部分由每一行傳感器元件中的未分割中心傳感器元件連接。
此外，然而，對于圖3B所示的傳感器32，列驅(qū)動元件直接連接到其在列中的相鄰者，圖4所示的傳感器2并不這樣，因為行驅(qū)動元件的經(jīng)連接行和感測元件的經(jīng)連接行妨礙此直接連接。因此列驅(qū)動元件64通過包括傳感器的敏感區(qū)域內(nèi)的部分的平行于行對準(zhǔn)而行進(jìn)的列驅(qū)動連接跡線65且通過感測區(qū)域外的部分連接為列(例如，通過常規(guī)跨接線或懸空引線進(jìn)行)。此外，且類似于某些傳感器區(qū)域，圖4所示的傳感器的列驅(qū)動元件64中的一些由行對準(zhǔn)的通路劃分為兩個部分。列驅(qū)動元件中的通路是用于允許到達(dá)列電極中的接近敏感區(qū)域中心的列驅(qū)動元件64的連接通過到傳感器襯底/敏感區(qū)域的邊緣，使得其可連接到其相應(yīng)列中的其它驅(qū)動元件，如下文進(jìn)一步描述。因此，位于列電極丫2和Y3中的列驅(qū)動元件無需具備通路。然而，列電極Y1中的列驅(qū)動元件具備通路，所述通路足夠?qū)捯杂糜诘竭_(dá)列電極￥2中的列驅(qū)動元件的單個連接跡線通過。(同樣，位于列電極丫4中的列驅(qū)動元件具備通路，所述通路足夠?qū)捯杂糜诘竭_(dá)列電極丫3中的列驅(qū)動元件的單個連接跡線通過。)內(nèi)部列電極丫2和YS中的列驅(qū)動元件因此通過傳感器襯底上的電極圖案化內(nèi)的連接跡線連接到其在同一列中的相鄰元件，所述連接跡線平行于行且通過外部列電極中的傳感器元件和驅(qū)動元件的通路到達(dá)傳感器的邊緣。驅(qū)動元件隨后可使用敏感區(qū)域外部的常規(guī)懸空布線或跨接線而彼此連接。
外部列電極Y'和Y"中的列驅(qū)動元件的上部和下部部分通過傳感器襯底上的電極圖案化內(nèi)的連接跡線而彼此連接，所述連接跡線平行于行且通過外部傳感器元件的通路。驅(qū)動元件的兩個部分隨后可使用敏感區(qū)域外部的常規(guī)懸空布線或跨接線彼此連接。此外，因為存在到達(dá)外部列電極中的每一列驅(qū)動元件的上部和下部部分兩者的傳出到敏感區(qū)域邊緣的連接跡線，所以外部列電極Y'和￥4中的列驅(qū)動元件可通過使用任何適當(dāng)連接(即，不限于單個層)在單層敏感區(qū)域外部形成的連接跡線連接到其在同一列中的相鄰元件。
因此對于圖4所示的電極圖案化，布線/連接跡線的所有交叉點是例如使用表面安裝跡線和跨接線/懸空引線的任何適當(dāng)組合或任何其它已知連接技術(shù)在敏感區(qū)域的外部形成。因此，界定傳感器的敏感區(qū)域的列電極、驅(qū)動電極和感測電極可全部具備僅單層電極圖案。
列驅(qū)動元件連接跡線應(yīng)具有的厚度要使得其呈現(xiàn)相對低的電阻，但不應(yīng)太厚，以便包括驅(qū)動信號可從其耦合到感測電極的顯著區(qū)域。因此對于用于手持式裝置應(yīng)用的特征上典型尺寸的傳感器(例如，大約5-10 cm乘5-10 cm)，個別驅(qū)動和感測元件可能具有大約幾mm到lcm等的特征尺寸，且列驅(qū)動元件連接跡線的寬度可能為例如大約幾百微米。然而，最適當(dāng)?shù)嫩E線寬度將取決于所使用的材料和所采用的特定圖案。舉例來說，銅跡線可大體上比ITO跡線薄，因為銅具有比ITO低的電阻率。此外將了解，根據(jù)本發(fā)明實施例的傳感器可固有地縮放，且可使用較小或較大的傳感器。
現(xiàn)在將描述操作圖2和4所示的傳感器2的方式。參看圖4，假定指向物體(在此情況下為用戶的手指)在圖4中在由用戶的手指紋輪廓70指示的位置處鄰近于傳感器。
在使用中，物體的位置是在測量獲取循環(huán)中確定的，其中列和行電極由其相應(yīng)驅(qū)動通道循序驅(qū)動，且由感測通道確定從每一經(jīng)驅(qū)動行和列電極轉(zhuǎn)移到感測電極的電荷量。
圖5A示意性展示可用于測量從驅(qū)動電極(可為圖2和4所示傳感器的行或列電極中的任--者)中的經(jīng)驅(qū)動一者轉(zhuǎn)移到感測電極的電荷的電路。在給定時間正驅(qū)動的驅(qū)動電極和感測電極具有自身(相互)電容。這主要由其幾何形狀確定，尤其是在其最靠近的區(qū)中。因此，經(jīng)驅(qū)動驅(qū)動電極示意性展示為電容器105的第一板100,且感測電極示意性展示為電容器105的第二板104。在US 6,452,514 [3]中更完全描述圖5A所示類型的電路。電路部分是基于US 5,730,165 [l]中揭示的電荷轉(zhuǎn)移("QT")設(shè)備和方法，其內(nèi)容如上文所述以引用的方式并入本文。
與當(dāng)前經(jīng)驅(qū)動電極00相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動通道、與感測電極104相關(guān)聯(lián)的感測通道以及傳感器控制器的元件在圖5A中展示為組合的處理電路400。處理電路400包括取樣開關(guān)401、電荷積分器402 (此處展示為簡單的電容器)、放大器403和復(fù)位開關(guān)404,且還可包括任選的電荷消除構(gòu)件405。在圖5B中示意性展示來自驅(qū)動通道101的經(jīng)驅(qū)動電極驅(qū)動信號與開關(guān)401的取樣時序之間的時序關(guān)系。驅(qū)動通道101和取樣開關(guān)401具備可為微處理器或其它數(shù)字控制器408的合適的同步構(gòu)件以維持此關(guān)系。在所示的實施方案中，復(fù)位開關(guān)404起初閉合以便將電荷積分器402復(fù)位到已知的初始狀態(tài)(例如，零伏)。復(fù)位開關(guān)404隨后斷開，且在隨后的某個時間，取樣開關(guān)401經(jīng)由開關(guān)的端子1連接到電荷積分器402并持續(xù)驅(qū)動通道101發(fā)射正轉(zhuǎn)變的間隔，且隨后重新連接到端子0,端子0為電接地或其它合適的參考電位。驅(qū)動通道101隨后返回到接地，且過程再次重復(fù)總共"n"個循環(huán)(其中n可為1 (即，O個重復(fù))、2 (1重復(fù))、3 (2重復(fù))等等)。如果在電荷積分器從感測電極斷開之前驅(qū)動信號不返回到接地，那么其可為有幫助的，因為不這樣的話， 一相等且相反的電荷將在正向邊和負(fù)向邊期間流入/流出感測通道，因此導(dǎo)致沒有進(jìn)入電荷檢測器的凈轉(zhuǎn)移或電荷。跟隨所需的循環(huán)數(shù)目，取樣開關(guān)401保持在位置O，而電荷積分器402上的電壓由測量構(gòu)件407測量，所述測量構(gòu)件407可包括對于即將進(jìn)行的應(yīng)用可為適當(dāng)?shù)姆糯笃?、ADC或其它電路。在進(jìn)行測量之后，復(fù)位開關(guān)404再次閉合，且循環(huán)重新開始，但下一驅(qū)動通道和經(jīng)驅(qū)動電極依序替換驅(qū)動通道101和經(jīng)驅(qū)動電極100，如圖5A示意性展示。針對給定經(jīng)驅(qū)動電極進(jìn)行測量的過程此處被稱作具有長度"n"的測量"突發(fā)"，其中"n"的范圍可從1到任何有限數(shù)字。電路敏感度與"n"直接相關(guān)且與電荷積分器402的值成反比。
將了解，如402指定的電路元件提供其它構(gòu)件也可完成的電荷積分功能，且此類型的電路不限于使用如402所示的接地參考電容器。還應(yīng)自明，電荷積分器402可為基于運算放大器的積分器以對在感測電路中流過的電荷進(jìn)行積分。此些積分器還使用電容器來存儲電荷?？勺⒁獾?，盡管積分器增加了電路復(fù)雜性，但其提供了用于感測電流的更理想的求和結(jié)點負(fù)載以及更動態(tài)的范圍。如果采用低速積分器，那么可能必須在402的位置中使用單獨電容器以在高速下臨時存儲電荷，直到積分器可按時地將其吸收，但此電容器的值與并入基于運算放大器的積分器中的積分電容器的值相比變得相對不關(guān)鍵。
對于取樣開關(guān)401可為有幫助的是在具有選定極性(在此情況下為正向)的驅(qū)動信號改變期間在不連接到電荷積分器402時將傳感器的感測電極連接到接地。這是因為這可產(chǎn)生人造接地平面，因此減少RF發(fā)射，且還如上所述，準(zhǔn)許具有與電荷積分器402正感測的極性相反極性的耦合電荷適當(dāng)耗散和中和。還可在感測電極上使用到接地的電阻器以實現(xiàn)驅(qū)動通道101的轉(zhuǎn)變之間的相同效應(yīng)。作為對單個SPDT開關(guān)401的替代方案，如果以適當(dāng)方式定時，則可使用兩個獨立開關(guān)。
如US 5,730,165中描述，存在許多信號處理選擇可用于信號振幅的檢測或測量的操縱和確定。US 5,730,165還描述圖5A中描繪的布置的增益關(guān)系，但是在單個電極系統(tǒng)中。當(dāng)前情況的增益關(guān)系相同。信號消除構(gòu)件405的實用性描述于US4，879，461 [5]以及US 5，730，165中。US 4,879,461的揭示內(nèi)容以引用方式并入本文。信號消除的目的是在產(chǎn)生每一突發(fā)(驅(qū)動通道的正向轉(zhuǎn)變)的同時減少電荷積分器402上的電壓(即，電荷)累積，以便準(zhǔn)許經(jīng)驅(qū)動電極與接收的感測電極之間的較高耦合。此方法的一個益處是以相對低的成本允許大的感測區(qū)域，其對電極之間的耦合的小偏差敏感。此大的感測耦合存在于物理上相對大的電極中，例如人觸摸感測墊中可能使用的電極中。電荷消除準(zhǔn)許以更高的線性度進(jìn)行耦合量的測量，因為線性度取決于從經(jīng)驅(qū)動電極IOO到感測電極104的耦合電荷經(jīng)由突發(fā)的過程被吸收到'虛擬接地'節(jié)點中的能力。如果允許電荷積分器402上的電壓在突發(fā)的過程期間相當(dāng)多地上升，那么電壓將以逆指數(shù)方式上升。此指數(shù)分量對線性度且因此對可用的動態(tài)范圍具有不利影響。
圖5A和5B僅展示可在本發(fā)明的實施例中使用的電路的一個實例。有源電極電容測量電路中使用的任何其它已知電路可同等地使用，例如US 5,648,642中描述的電路。在原理上，感測電路可為與電流計一樣簡單的事物，所述電流計經(jīng)配置以測量從經(jīng)驅(qū)動電極耦合到感測電極的信號的均方根(RMS)電流(例如，經(jīng)配置以測量電阻上的RMS電壓降的電壓計)。
為概括圖5A和5B所示的電路的操作，在激活時，電流驅(qū)動通道(其將為XD1、XD2、 XD3、 XD4、 XD5、 XD6、 YD1、 YD2、 YD3或YD4中的-一者，其取決于在測量序列中的位置)將時變驅(qū)動信號施加于相關(guān)聯(lián)的列/行電極(將為X1、 X2、 X3、 X4、 X5、X6、 Y'、 Y2、 f或丫4中的一者)。這里將假定驅(qū)動通道為XD1，且因此經(jīng)驅(qū)動電極為X1。驅(qū)動通道XD'可為簡單的CMOS邏輯門，其由常規(guī)調(diào)節(jié)的電源供電且由傳感器控制器50控制以提供具有選定持續(xù)時間的周期性多個電壓脈沖(或在簡單實施方案中，為從低到高或從高到底電壓的單個轉(zhuǎn)變，即一個脈沖的突發(fā))?；蛘?，驅(qū)動通道乂01可包括正弦產(chǎn)生器或具有具另一合適波形的循環(huán)電壓的產(chǎn)生器。因此在施加于經(jīng)驅(qū)動電極X1的電壓循環(huán)串的上升沿和下降沿上產(chǎn)生改變的電場。假定經(jīng)驅(qū)動電極乂1和感測電極充當(dāng)具有電容CE的電容器的相對板。因為感測電極電容性耦合到經(jīng)驅(qū)動電極X'，所以
19其接收或吸收由經(jīng)驅(qū)動列電極產(chǎn)生的改變的電場。這導(dǎo)致感測電極中的通過改變的電場的電容性微分由經(jīng)驅(qū)動電極X1上的改變電壓誘發(fā)的電流流動。電流將朝向感測單元8中的感測通道S (或從感測通道S，取決于極性)流動。如上所述，感測通道可包括電荷測量電路，其經(jīng)配置以測量由感測電極中誘發(fā)的電流引起的電荷流入/流出(取決于極性)感測通道。
電容性微分通過支配流過電容器的電流的等式而發(fā)生，艮卩
其中Ie是流動到感測通道S的瞬間電流，且dV/dt是施加到經(jīng)驅(qū)動電極X1的電壓的改變速率。在邊緣轉(zhuǎn)變期間耦合到感測電極(且因此進(jìn)入感測通道S/從感測通道S出來)的電荷量是以上等式隨著時間的積分，即
G￡ =c￡xv。
在每一轉(zhuǎn)變時耦合的電荷Qe與V (即，dV/dt)的上升時間無關(guān)且僅取決于經(jīng)驅(qū)動
電極處的電壓擺動(可容易固定)和經(jīng)驅(qū)動電極與感測電極之間的耦合電容ce的量值。
因此響應(yīng)于施加到經(jīng)驅(qū)動電極X1的驅(qū)動信號的改變而對耦合進(jìn)入包括感測信道s的電
荷檢測器/從其耦合出的電荷的確定是經(jīng)驅(qū)動電極X'與感測電極之間的耦合電容CE的量度。
常規(guī)平行板電容器的電容幾乎與板(至少針對與其間隔相比在范圍上較大的板)之間的空間外的區(qū)的電性質(zhì)無關(guān)。然而，對于在平面中包括相鄰電極(即，在襯底的同一
側(cè)上的相鄰驅(qū)動和感測元件，如同圖4中的傳感器的列電極和行電極兩者，以及圖3C中的傳感器的行電極)的電容器，或?qū)τ谝r底的相對側(cè)上但彼此偏移(即，并非或僅略微在投影中重疊)的相鄰驅(qū)動和感測元件，如同圖3C中的傳感器的列電極，情況并不是這樣。這是因為連接在經(jīng)驅(qū)動電極與感測電極之間的至少某些電場從襯底"溢出"。
這意味著經(jīng)驅(qū)動電極與感測電極之間的電容性耦合(即，Ce的量信)在某種程度上對"溢出的"電場延伸到的電極附近的區(qū)的電性質(zhì)敏感。
在不存在任何鄰近物體的情況下，CE的量值主要由電極的幾何形狀、以及傳感器襯底的厚度和介電常數(shù)確定(尤其在例如圖3C中的兩側(cè)傳感器中)。然而，如果物體存在于電場溢出到襯底外部而進(jìn)入的區(qū)中，那么此區(qū)中的電場可被物體的電性質(zhì)修改。這致 使電極之間的電容性耦合改變，且因此耦合進(jìn)入包括感測通道的電荷檢測器/從包括感測 通道的電荷檢測器耦合出的測得電荷改變。舉例來說，如果用戶將手指放置于由某些溢 出電場占據(jù)的空間的區(qū)中，那么電極之間的電容性電荷耦合將減少，因為用戶將具有相 當(dāng)大的到接地(或其它附近結(jié)構(gòu)，其路徑將完成到控制感測元件的電路的接地參考電位) 的電容。此減少的耦合發(fā)生，因為通常耦合在經(jīng)驅(qū)動列電極與感測行電極之間的溢出電 場被部分偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離行電極而到達(dá)地面。這是因為鄰近于傳感器的物體用以將電場分路遠(yuǎn) 離電極之間的直接耦合。
圖6A和6B示意性展示圖2和4所示的傳感器2的區(qū)的截面圖，其中示意性展示連 接在實例驅(qū)動元件與感測元件之間的電場線。因此在圖6A和6B中，襯底4的區(qū)段展示 為具有一實例驅(qū)動元件62和兩個相鄰感測元件60。
圖6A示意性展示當(dāng)圖中所示的包括驅(qū)動元件62的電極正被驅(qū)動時的電場，且不存 在鄰近于傳感器的物體。圖6B展示當(dāng)存在鄰近于傳感器的物體(即，用戶的手指，其 具有到接地的電容CJ時的電場。當(dāng)沒有鄰近于傳感器的物體時，所有的電場線連接在 經(jīng)驅(qū)動元件62與感測元件60中的一者或另一者之間。然而，當(dāng)用戶的手指鄰近于傳感 器時，傳到襯底外部的某些電場線通過手指耦合到接地。因此，較少場線連接在經(jīng)驅(qū)動 元件與感測元件之間，且其之間的電容性耦合相應(yīng)減少。
因此，通過監(jiān)視經(jīng)驅(qū)動電極與感測電極之間耦合的電荷量，其之間耦合的電荷量的 改變可被識別且用于確定是否物體鄰近于傳感器(即，溢出電場延伸到其中的區(qū)的電性 質(zhì)是否已改變)。
(為了完整起見，圖7A和7B示意性展示圖3A到3C所示的傳感器32的區(qū)的截面 圖，其中示意性展示連接在傳感器襯底的相對側(cè)上的實例驅(qū)動元件與感測元件之間的電 場線。因此在圖7A和7B中，襯底4的區(qū)段展示為具有一實例驅(qū)動元件64和兩個相鄰 感測元件60。圖7A和7B的比較展示用戶手指的存在如何減少驅(qū)動元件與感測元件之 間的電容性耦合。)
因此在使用中，在監(jiān)視感測通道同時又驅(qū)動驅(qū)動通道XD1、 XD2、 XD3、 XD4、 XD5、 XD6、 YD1、 YD2、 YD3禾tlYD4。
在時間倉Ah中，在感測通道處看見相對大的信號。這是因為在此時間倉中正驅(qū)動 的行電極X1與鄰近于此行電極的驅(qū)動元件的感測電極的感測元件之間的電容性耦合相 對不受手指的存在的干擾。即，與圖6B相比，耦合更類似于圖6A所示。
另一方面，在時間倉At2中，在感測通道處看見較弱的信號。這是因為行電極X2與鄰近于此行電極的感測電極的感測元件之間的電容性耦合受手指的存在的較強(qiáng)干擾， 因為手指靠近行電極X2。 g卩，與圖6A相比，耦合更類似于圖6B所示。
在時間倉At3中，與在時間倉At2中所見相比，在感測通道處看見相當(dāng)?shù)牡晕⑤^強(qiáng) 的信號。這是因為行電極X3與鄰近于此行電極的感測電極的感測元件之間的電容性耦 合類似地受手指的存在的干擾，但這里認(rèn)為手指質(zhì)心與行XS相比更靠近行XZ的中心， 且因此行XS稍微較不受影響。
在時間倉AU中，在感測通道處所見的信號與在時間倉Ati中所見相當(dāng)。這是因為行 電極乂4與鄰近于此行電極的感測電極的感測元件之間的電容性耦合類似地受針對行X1 和乂4的手指的存在的干擾。
時間倉Ats和At6中的感測通道信號仍較大，因為這些行足夠遠(yuǎn)離手指位置使得其不
受手指位置影響，且電容性耦合相對強(qiáng)，如圖6A所示。
因此時間倉At,到At6 (對應(yīng)于循序激活的行電極X1到X6)中所見的相對感測信號 允許確定手指在正交于行的方向上的位置。可根據(jù)感測通道中所見的最小信號的位置確 定手指的質(zhì)心。舉例來說，可依照沿著正交于行的范圍的方向的行的中心位置，以及擬 合于所述曲線圖的曲線來繪制每一行的感測通道信號。最小值的位置對應(yīng)于在正交于行 的范圍的方向(即，在行被視為在x方向上延伸的情況下，在y方向上)上計算出的物 體的位置。此方法提供行之間的內(nèi)插，使得可以比行的寬度的精度更好的精度來確定位 置。因此在此情況下，可確定行乂2與乂3之間的中點附近的y位置(但稍微較靠近行 XZ的中點，因為行乂2與稍微較低的信號相關(guān)聯(lián))。
在時間倉At7到At1()(在此期間列電極Y'到Y(jié)"被循序激活)中所見的感測信號的 類似分析允許在正交于列電極的范圍的方向上確定位置，即，在此實例中為x位置。因 此在此實例中，可確定列￥2與￥3之間的中點附近的x位置(但稍微較靠近行f的中 點，因為與行丫2相比，行丫3與稍微較低的信號相關(guān)聯(lián))。
在此實例中，確定單個觸摸位置的位置。然而，也可識別存在兩個觸摸的情況(例 如，用戶使用兩個單獨手指指示兩個位置)。舉例來說，展示兩個最小值的感測信號強(qiáng) 度對驅(qū)動行的曲線圖將指示在y方向上的相應(yīng)最小值位置處的兩個觸摸位置。多觸摸的 x方向?qū)尼槍ο嗤瑴y試循環(huán)的感測信號強(qiáng)度對驅(qū)動列電極的曲線圖中的對應(yīng)最小值位 置而為顯而顯見的(在此曲線圖中僅一個最小值將表明兩個觸摸是在相同的x位置處 (即，在同一列上))。
因此，通過在連續(xù)監(jiān)視感測電極的同時循序地掃描行和列電 ，可確定x位置和y 位置(或多個x位置和y位置)。將了解，圖2到4所示的特定圖案僅是此類型的電極圖案化和基于例如圓形或正方 形驅(qū)動元件和感測元件的類似圖案的兩個特定實例，且同樣可使用許多其它配置。
圖9示意性以平面圖展示控制面板80，其并入有圖4所示的所描述種類的觸敏位置 傳感器82?？刂泼姘?0安裝在正被控制的裝置(在此情況下為洗衣機(jī))的壁84中。位 置傳感器位于蓋面板92下方且上覆在下伏的LCD顯示器屏幕上?？刂泼姘逡虼耸怯|敏 顯示器。在此實例中LCD顯示器在控制面板80的整個區(qū)域上延伸，其中由位置傳感器 占據(jù)的區(qū)在此實例中位于靠近控制面板的中部處。觸敏顯示器在圖9中展示為一顯示器， 其展示標(biāo)記為A到F的若干菜單按鈕(例如對應(yīng)于可選擇的不同清洗程序)，用于界定 可變參數(shù)(例如，清洗溫度)的滑動標(biāo)尺94，以及向用戶顯示信息的一些文本行96。 因此，用戶可例如通過在標(biāo)記為A到F的菜單按鈕的區(qū)中觸摸控制面板來選擇清洗程序。 包括觸敏顯示器的傳感器可經(jīng)配置以使得菜單按鈕A到F的位置對應(yīng)于傳感器中的虛擬 "按鍵"的位置，借此可根據(jù)來自各個行電極和列電極的感測信號的內(nèi)插來確定敏感區(qū) 域內(nèi)的觸摸的位置，所述位置隨后與所顯示菜單按鈕的位置進(jìn)行比較以確定是否一菜單 按鈕已被選擇。從向用戶顯示的滑動溫度標(biāo)尺82中選擇溫度可以相同方式進(jìn)行。
除了觸敏顯示器82以夕卜，控制面板還包含若干額外的按鈕86和接通/斷開開關(guān)88。 這些可為觸敏按鍵或常規(guī)機(jī)械按鈕開關(guān)。在此實例中，其為觸敏按鍵，其保留了控制面 板的平坦且密封的外表面。因為在此情況下，額外的按鈕無需透明，所以其不需要由ITO 形成。因此，較廉價且較低電阻的銅電極可用于這些按鈕。此外，單個傳感器控制器集 成電路芯片可便利地用于控制包括透明傳感器和更習(xí)慣的銅電極觸敏按鈕86、 88的位 置傳感器。這可例如通過以下方式實現(xiàn)對單個控制器芯片的不同通道進(jìn)行適當(dāng)校準(zhǔn)以 考慮位置傳感器2的ITO膜和其它按鈕的銅電極的不同電阻和負(fù)載。
因此，在設(shè)計并入有觸敏位置傳感器的控制面板時設(shè)計者享有大量的自由度，且將 了解，上文所述的原理適用于許多類型的裝置/家電。舉例來說，類似的傳感器可用于爐、 烤架、洗衣機(jī)、轉(zhuǎn)筒式干燥機(jī)、洗碗機(jī)、微波爐、食物攪拌器、烤面包機(jī)、飲料機(jī)、計 算機(jī)、家用視聽設(shè)備、便攜式媒體播放器、PDA、手機(jī)、計算機(jī)等等。舉例來說，圖10 示意性展示并入根據(jù)本發(fā)明實施例的傳感器93的洗衣機(jī)91，且圖11示意性展示并入根 據(jù)本發(fā)明實施例的傳感器99和屏幕97的蜂窩式電話95。更一般地，本發(fā)明可結(jié)合具有 人機(jī)界面的任何家電使用。還可能提供類似于上文所述種類的傳感器，其是與可使用所 述傳感器進(jìn)行控制的裝置/家電分開提供的，舉例來說，為了提供對預(yù)先存在的家電的升 級。還可能提供可經(jīng)配置以操作一定范圍的不同家電的一般傳感器。舉例來說，具有給 定范圍的虛擬按鍵的傳感器，裝置/家電提供者可通過例如以再編程來適當(dāng)配置控制器而
23按其希望來將設(shè)備的功能與所述傳感器相關(guān)聯(lián)。
將了解，體現(xiàn)本發(fā)明的2DCT可并入有多種額外特征。舉例來說，在一些應(yīng)用中， 希望具有"喚醒"功能，借此整個裝置"休眠"或在某些靜態(tài)或背景狀態(tài)中。在此些情 況下，常需要具有來自距人體部位一定距離的接近度的喚醒信號。無論位置定位如何， 元件均可被作為單個大電容性電極而驅(qū)動，同時單元處于背景狀態(tài)。在此狀態(tài)期間，電 子驅(qū)動程序邏輯尋找非常小的信號改變，不一定足以作為2D坐標(biāo)來處理，但足以確定 物體或人的接近度。電子裝置隨后"喚醒"整個系統(tǒng)且驅(qū)動元件以便再次變?yōu)檎鎸嵉?2DCT。
因此已描述一種用于在兩個維度上確定鄰近物體的位置的傳感器。傳感器包括具有 由電極圖案界定的敏感區(qū)域的襯底，其中電極圖案包含經(jīng)互連以形成沿著第一方向延伸 的多個行電極的第一驅(qū)動元件群組、經(jīng)互連以形成沿著第二方向延伸的感測電極的第二 驅(qū)動元件群組，以及經(jīng)互連以形成沿著第一和第二方向延伸的感測電極的感測元件群 組。傳感器進(jìn)一步包括控制器，所述控制器包括用于向行電極和列電極施加驅(qū)動信號的 驅(qū)動單元，以及用于測量表示施加于行電極和列電極的驅(qū)動信號到感測電極的耦合程度 的感測信號的感測單元。因此，提供僅需要單個感測通道的2D位置傳感器。
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權(quán)利要求
1.一種用于在兩個維度上確定物體的位置的傳感器，所述傳感器包括具有由電極圖案界定的敏感區(qū)域的襯底，其中所述電極圖案包含經(jīng)互連以形成沿著第一方向延伸的多個行電極的第一驅(qū)動元件群組、經(jīng)互連以形成沿著第二方向延伸的多個列電極的第二驅(qū)動元件群組，以及經(jīng)互連以形成沿著所述第一和第二方向延伸的感測電極的感測元件群組。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的二維位置傳感器，其中所述傳感器進(jìn)一步包括控制器，所述 控制器包括用于向所述行電極和列電極施加驅(qū)動信號的驅(qū)動單元，以及用于測量表 示施加于所述行電極和列電極的所述驅(qū)動信號到所述感測電極的耦合程度的感測 信號的感測單元。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的二維位置傳感器，其中所述控制器進(jìn)一步包括處理單元，所 述處理單元用于根據(jù)對通過向所述行電極中的不同者施加驅(qū)動信號而獲得的所述 感測信號的分析來計算所述物體在一個方向上的位置，以及根據(jù)對通過向所述列電 極中的不同者施加驅(qū)動信號而獲得的所述感測信號的分析來計算所述物體在另一 方向上的位置。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一權(quán)利要求所述的二維位置傳感器，其中所述第一驅(qū)動元 件群組和所述第二驅(qū)動元件群組位于所述襯底的相對側(cè)上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一權(quán)利要求所述的二維位置傳感器，其中所述第一驅(qū)動元 件群組和所述第二驅(qū)動元件群組位于所述襯底的同一側(cè)上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一權(quán)利要求所述的二維位置傳感器，其中用于將所述第一 驅(qū)動元件群組連接到所述行電極中的連接是在所述傳感器的所述敏感區(qū)域內(nèi)形成， 且用于將所述第二驅(qū)動元件群組連接到所述列電極中的連接是至少部分在所述傳 感器的所述敏感區(qū)域外形成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1到6中任一權(quán)利要求所述的二維位置傳感器，其中所述用于將所述 第二驅(qū)動元件群組連接到所述列電極中的連接包含所述傳感器的所述敏感區(qū)域內(nèi)的連接部分，所述連接部分在與來自所述驅(qū)動元件中的相應(yīng)者的所述行電極相同的 方向上延伸到所述傳感器的所述敏感區(qū)域的周邊。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1到7中任一權(quán)利要求所述的二維位置傳感器，其中所述列電極中的 至少一者中的驅(qū)動元件包含用以允許來自另一列電極中的驅(qū)動元件的連接通過的 通路。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的二維位置傳感器，其中所述通路的任一側(cè)上的驅(qū)動元件的部 分通過至少部分在所述傳感器的所述敏感區(qū)域外形成的連接而連接在一起。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的二維位置傳感器，其中所述用于連接所述通路的任一側(cè)上的 驅(qū)動元件的所述部分的連接包含所述傳感器的所述敏感區(qū)域內(nèi)的連接部分，所述連 接部分在與所述行電極相同的方向上延伸到所述傳感器的所述敏感區(qū)域的周邊。
11. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的二維位置傳感器，其中所述感測元件群組與所述第一和第二 驅(qū)動元件群組位于所述襯底的所述同一側(cè)上。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1到11中任一權(quán)利要求所述的二維位置傳感器，其中用于將所述感 測元件連接到所述感測電極中的連接是至少部分在所述傳感器的所述敏感區(qū)域外 形成。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1到12中任一權(quán)利要求所述的二維位置傳感器，其中所述用于將所 述感測元件連接到所述感測電極中的連接包含所述傳感器的所述敏感區(qū)域內(nèi)的連 接部分，所述連接部分在與來自所述感測元件中的相應(yīng)者的所述行電極相同的方向 上延伸到所述傳感器的所述敏感區(qū)域的周邊。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1到13中任一權(quán)利要求所述的二維位置傳感器，其中所述感測元件 中的至少一者包含用以允許來自列電極中的驅(qū)動元件的連接通過的通路。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的二維位置傳感器，其中所述通路的任一側(cè)上的所述感測元 件中的所述至少一者的部分通過至少部分在所述傳感器的所述敏感區(qū)域外形成的 連接而連接在一起。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的二維位置傳感器，其中所述用于連接所述通路的任一側(cè)上 的所述感測元件中的所述至少一者的所述部分的連接包含所述傳感器的所述敏感 區(qū)域內(nèi)的連接部分，所述連接部分在與所述行電極相同的方向上延伸到所述傳感器 的所述敏感區(qū)域的周邊。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1到16中任一權(quán)利要求所述的二維位置傳感器，其中所述行電極和 所述列電極彼此正交。
18. —種包括根據(jù)權(quán)利要求1到17中任一權(quán)利要求所述的二維位置傳感器的設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明描述一種用于在兩個維度上確定鄰近物體的位置的傳感器。所述傳感器包括具有由電極圖案界定的敏感區(qū)域的襯底，其中所述電極圖案包含經(jīng)互連以形成沿著第一方向延伸的多個行電極的第一驅(qū)動元件群組、經(jīng)互連以形成沿著第二方向延伸的多個列電極的第二驅(qū)動元件群組，以及經(jīng)互連以形成沿著所述第一和第二方向延伸的感測電極的感測元件群組。所述傳感器進(jìn)一步包括控制器，所述控制器包括用于向所述行電極和列電極施加驅(qū)動信號的驅(qū)動單元，以及用于測量表示施加于所述行電極和列電極的所述驅(qū)動信號到所述感測電極的耦合程度的感測信號的感測單元。因此提供僅需要單個感測通道的2D位置傳感器。
文檔編號G06F3/044GK101681223SQ200880015136
公開日2010年3月24日 申請日期2008年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月7日
發(fā)明者哈拉爾德·菲利普, 艾倫·鮑恩斯, 薩米埃爾·布呂內(nèi), 馬修·特倫德 申請人:愛特梅爾公司