电容性位置传感器的制作方法

专利名称：电容性位置传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电容性位置传感器，更明确地说，本发明涉及用于检测曲线路径周围的 物体的位置的电容性位置传感器。
背景技术：
电容性位置传感器可与控制和器具、机构和机械以及计算结合而应用于人性化界面 以及材料位移感测。
一般来说，电容性位置传感器最近已变得越来越普遍并在人性化界面中得到接受且 用于机器控制。在(例如)家用电器的领域，找到可通过玻璃或塑料面板操作的电容性 触摸控制在现在是很普通的。US 6,452,514越来越多地说明了这些传感器的特征，其描 述了使用电荷转移原理的矩阵传感器方法。
由于对电容性触摸控制的市场需求不断增加，所以对较低每功能成本以及使用和配 置的较大灵活性的需求增加。类似地，非常需要处于较低价格点的电容性材料位移传感 器(例如，液面传感器、机械运动传感器、压力传感器等)，其无法用当前代的非机械 变换器来容易地满足。在许多应用中，需要具有许多键或感测位置的人性化界面，几乎 (但并不)类似于由2-D触摸屏或触摸垫提供的灵活性。
最近，已出现"滚轮"作为输入装置，以苹果计算机iPod MP3播放器(见US D472,245)为典型。这些装置具有机械输入滚动装置或电容性装置。非常需要可以适当 代价一方面克服机电控制的技术不足且另一方面克服触摸屏或其它新奇事物的成本的 新的人性化界面技术。
申请人的早期第WO2005/019766A2号国际专利申请案描述一种用于检测物体(通 常是操作者的手指)相对于电阻性感测元件的位置的电容性位置传感器，其中所述感测 元件包括感测路径，其具有沿其连接并将所述感测路径再分为多个区段的端子，每一端 子耦合到其自身的感测通道，其每一者产生对其端子与系统接地之间的电容敏感的信 号。将所述信号馈送到处理器以进行分析。处理器通过比较来自感测通道的信号来确定 物体定位于哪一区段上，并通过比较来自跨越所述区段的端子的信号来确定物体在所述 区段内的位置。以此方式，感测路径可形成于闭环(例如，用于滚动刻度盘的圆)中，其中可以直接的方式确定操作者的手指位置和移动。
GB2050621A、 US4158216、 WO03/088176A1中描述其它轮式检测器。US5977956 中描述了线性检测器。

发明内容
申请人现已开发出优于WO2005/019766A2中描述的电容性位置滚动传感器的改进。 根据WO 2005/019766A2的揭示内容，描述一种用于检测物体的位置的电容性位置传感 器，其包括
(a) 感测元件，其包括感测路径；
(b) 多个(至少三个)端子，其在沿着感测路径的不同位置处连接到感测元件以将
感测路径再分为多个区段；
(c) 多个感测通道，其连接到端子中的相应者，其中每一感测通道可操作以产生指
示其端子与系统接地之间的电容的信号；以及
(d) 处理器，其可操作以通过比较来自感测通道的信号来确定物体定位于哪一区段 上，并通过比较至少来自跨越所述区段的端子的信号来确定物体在所述区段内的位置。
在本发明中，提供一种能够检测与物体的电容性耦合的改进的电容性位置传感器， 其中可通过物体沿着传感器的感测元件的移动位移或通过物体在感测元件上的至少一 个预定绝对位置中的电容性耦合来导致所述电容性耦合。本发明的电容性位置传感器能 够在来自绝对位置的触摸与来自感测元件上的移动位移的触摸之间进行区分。
根据本发明的一方面，提供一种用于检测物体的位置的电容性位置传感器，其包括
(a) 感测元件，其包括感测路径和沿着感测元件隔开的多个感测区域；
(b) 多个(至少三个)端子，其在沿着感测路径的不同位置处连接到感测元件以将 感测路径再分为多个区段；
(c) 多个感测通道，其连接到端子中的相应者，其中每一感测通道可操作以产生指 示其端子与系统接地之间的电容的信号；以及
(d) 处理器，其可操作以(i)通过比较来自感测通道的信号来确定物体定位于哪一 区段上，并通过比较至少来自跨越所述区段的端子的信号来确定物体在所述区段内的位 置，或(ii)确定物体定位于哪一感测区域上。
本发明的电容性位置传感器能够基于触摸的持续时间和位移的距离来借助关键参 数在绝对位置中的触摸与由移动位移导致的触摸之间进行区分，所述触摸的持续时间和 位移的距离可以算法的方式编程到处理器中。为了确定为滚动，需要存在跨越至少一阈值距离(例如，角传感器中的角距离，或 线性传感器中的线性距离)的连续检测。为了确定为触摸，需要存在位于预先指派的虚 拟按钮位置的一者内的连续检测，即，检测全部位于界定虚拟按钮的某一范围的所报告 位置内。
在本发明的一实施例中，感测元件包括沿着元件位于隔开关系中的多个离散感测区 域。优选的是，存在四个离散感测区域，但可能存在更多离散感测区域，其取决于位置 传感器的应用。如果物体电容性地耦合到离散区域的任一者，那么感测通道可检测信号。 本发明的位置传感器可用于其中能够检测离散感测区域中的触摸和沿着感测路径的由 移动位移导致的触摸较为重要的不同应用中(例如，移动电话中)。用户的手指到离散 感测区域的至少一者的电容性耦合可用于选择移动电话上的所需功能。处理器可经编程 以使得在离散感测区域的一者上持续最小持续时间的轻敲或触摸足以导致电容性耦合 并产生选择预定功能的信号。在每一离散感测区域之间，可存在"无用"区，使得在这 些区中不产生输出信号。
本发明的位置传感器有利地能够在绝对位置中的触摸与由感测元件上的移动导致 的触摸之间进行区别。传感器可经编程以检测由感测元件上的物体引起的移动的最小阈 值，且如果达到所述最小阈值，那么传感器可辨识出将检测到由物体沿着感测元件的位 移导致的电容性耦合。在本发明的优选实施例中，感测元件的形状为弓形。尤其优选的 是，感测元件呈闭环的形式以用于旋转式电容性位置传感器中。
在尤其优选的实施例中，电容性位置传感器可经布置以使得最小阈值是可选择的， 且需要达到此阈值以便使电容性传感器开始产生指示由感测元件上的物体的移动导致 的触摸的信号。如果感测元件呈闭环的形式，那么旋转式电容性位置传感器可经布置以 具有选自一范围的角度阈值，所述范围可从5度到360度，但更适宜的范围将从20度 到180度。在优选实施例中，角度阈值选自40度与50度之间，45度为优选的。如果本 发明的电容性位置传感器经设定以具有45度的角度阈值，那么传感器将检测到45度角 以下的感测元件上的移动触摸，且当达到阈值时，感测元件可"解锁"以便产生指示与 物体的电容性耦合的信号。输出信号的量值可基于物体在感测元件上的位移距离。举例 来说，在旋转式电容性位置传感器实施例中，物体可沿着传感器的感测元件移动以进行 至少一次回转或进行多次回转，且物体移动的距离可确定感测通道所处理的输出信号。 本发明的此方面尤其有益地用于其中经常需要上下滚动关于(例如)联系人姓名、电话 号码和歌曲的信息的列表的移动电话装置或MP3播放器中。
当本发明的位置传感器达到"解锁"条件时，即当已通过用户的手指在感测元件上位移给定距离而达到角度阈值时，感测元件变得可自由滚动，从而允许用户通过沿着感 测元件顺时针方向或逆时针方向地移动其手指来"向上"或"向下"滚动数据列表。在 用户的手指沿着感测元件位移期间感测到电容性耦合，且当用户的手指离开感测元件时 可基于已发现的所需数据的项目而产生输出信号。在达到角度阈值之前，可检测物体到 感测元件的电容性耦合，但直到信号已通过角度阚值时才可在一个或一个以上感测通道 中产生输出信号。如果用户的手指停止滚动并持续预定时间周期，那么可能需要再次开 始滚动动作。
可优选地通过编程到处理器中的算法来重设角度阈值。通过重设本发明的电容性传 感器的阈值，产生信号输出所需的位移可变化。
在本发明的一实施例中，电容性位置传感器可进一步包括旋转式感测元件的中心区 中的一个或一个以上离散感测区域。优选的是，如果感测元件的中心区中的感测区域感 测到到物体的电容性耦合，那么使用申请人的早期US 6，993, 607和US 11/279,402中描 述的Adjacent Key S叩pressionTM技术来减少或"封锁"从感测元件产生的任何信号。由 电容性耦合导致的来自感测元件的任何输出信号也可封锁来自中心感测区域的信号。
电阻性感测元件可由单一电阻器体现，例如，其可包括沉积在衬底上以形成连续图 案的电阻性材料。这提供可以一图案范围中的任一者沉积在衬底上的容易制造的电阻性 感测元件。或者，电阻性感测元件可由多个离散电阻器制成。离散电阻器可与多个传导 感测板交替地串联连接，所述感测板提供物体与电阻性感测元件之间的增加的电容性耦 合。这提供可由广泛可用的现有零件制造的电阻性感测元件。
离散感测区域可包括电阻性材料且可形成感测元件的一部分，
电阻性感测元件可具有每单位长度大体恒定的电阻。这提供具有简单的一致响应的 电容性位置传感器。
在需要较大位置分辨率的情况下和/或当使用相对较长的电阻性感测元件时，电阻性 感测元件可包含三个以上端子。
感测通道可各包含取样电容器，其与端子和系统接地之间的电容中的对应一者串联 连接，使得当连接到电源电压时，取样电容器的每一者被供应有取决于端子的对应者与 系统接地之间的电容的电荷量。这有效地为每一感测通道提供电容性分压器，所述电容 性分压器包括取样电容器的电容，和由物体到电阻性感测元件的电容性耦合导致的到接 地的有效电容。这允许从在取样电容器的对应者上测量的电压中确定端子的每一者与系 统接地之间的电容。
例如，可使用电荷转移技术，借此感测通道的每一者包括多个开关元件，目.电容性位置传感器包含开关控制器，其经配置以允许执行开关元件的开关序列，使得所述开关 序列促使取样电容器的每一者连接到电源电压且接着与电源电压断开，且端子随后连接 到系统接地。这提供一种将取决于对应端子的每一者与系统接地之间的电容的电荷量转 移到取样电容器的每一者的简单的方式。
开关序列可执行多次，其中端子在每次执行序列之前与系统接地断开，使得在每次 执行序列期间对取样电容器进行增量式充电。这可进行可变次数，借此将取样电容器的 每一者充电到预定电平所需的序列执行次数提供指示端子的每一者与系统接地之间的 电容的信号；或者这可进行固定次数，借此固定次数的序列执行之后取样电容器的每一 者上的电荷提供指示端子的每一者与系统接地之间的电容的信号。
如果存在端子的每一者与系统接地之间的背景电容性耦合的有效电平(即，并非由 于物体的存在的缘故)，那么处理器可经配置以在比较步骤之前从信号的每一者中减去 相应背景信号。背景信号可对应于当将被检测位置的物体远离电容性位置传感器时获得 的信号。这意味着由于物体的位置对端子与系统接地之间的电容的影响可与当物体不存 在时发现的影响隔离。可在使用期间有规律地计算背景信号以解决变化的条件。
为了确定物体是否存在，且为了避免在当没有任何物体存在时试图产生指示物体的 位置的参数的过程中可能发生的混淆，处理器可经配置以将来自感测通道的相应信号求 和，且仅在所述和的量值超过检测阈值的情况下才产生指示物体的位置的参数。可根据 设计者希望电容性位置传感器有多敏感来设定所述阈值。举例来说，在控制面板上存在 若干紧密隔开的电容性位置传感器的情况下，设计者可能需要高检测阈值以防止当接近 一个电容性位置传感器时相邻电容性位置传感器中所感知的正检测。在另一情况下，较 低检测阈值可能是优选的，以便增加电容性位置传感器的敏感度。处理器可经配置以输 出指示信号的和的量值是否超过检测阈值的状态信号。这可辅助连接的设备(例如，由 控制面板控制的功能装备)作出适当响应。
一旦己产生指示物体的位置的第一参数，电容性位置传感器接着就可在稍后时间产 生指示物体的位置的第二参数，并输出指示物体在第一与第二时间之间的运动的信号。
待检测的物体可以是指针，例如手指或指示笔，其可由用户自由定位。或者，物体 可以是保持在电阻性感测元件附近的接触刷，接触刷沿着电阻性感测元件的位置可由电 容性位置传感器来检测。接触刷的位置可由用户(例如)通过转动旋钮来调节，或可耦 合到由连接的设备驱动的轴，以使得电容性位置传感器可充当编码器。
在本发明的另一实施例中，圆形元件包括串联电连接的多个离散电阻器，其中在3
个位置中进行电极连接，且其中电阻器对的接点连接到离散传导电极以形成个别感测位
8置。最低程度有用的传感器将沿着圆周具有6个电阻器且因此具有6个感测区域。 另一目的是提供通过塑料表面的"手指滚动轮"效应。
本发明的一些实施例的其它目的是提供一种具有高可靠性、密封表面、低功率消耗、 简单的设计、容易制造，以及使用现有逻辑或微控制器来操作的能力的传感器。
在US 6,466,036中，申请人教示一种电容性场传感器，其使用单一耦合板以检测到 接地的电容的变化。此设备包括一种采用充电接着转移(charge-then-tmnsfer)或充电加 转移(charge-plus-transfer)循环的电路，其使用共同集成CMOS推-拉驱动器电路。此 技术形成本发明的一些实施例的基础且以引用的方式并入本文中。
本发明的一个实施例包含感测元件、感测元件内的多个离散感测区域，和经设计以 提供圆形表面的控制电路，可从所述圆形表面读取电容性耦合到感测元件或离散感测区 域的一者的手指的位置，其中所述控制电路具有用于同时测量沿着圆周的三个电极点处 的电容的三个感测通道，且计算装置(例如，包括处理逻辑电路的处理器)计算三个点 处测量的电容量的相对变化的比率。此计算的结果是1维角坐标数加上检测状态指示符， 其两者可馈送到另一功能(例如，器具控制器)，所述功能将坐标和检测状态解译为命
令或测量值。WO2005/019766A2的揭示内容以引用的方式并入本文中。
在本发明的一实施例中，感测元件是上面具有三个不同电极的圆形元件。在每一电
极与包括电容性信号获取和信号处理构件的电路之间作出连接。所述元件通常设置在绝
缘衬底上，且足够大以容纳用于检测用途的所需目标。感测场传播通过衬底；衬底的另
一侧形成用于人触摸或机械接触刷的有效感测表面。元件上的直接触摸也是可能的，在
所述情况下，衬底仅充当机械载体。虽然假设元件可足够坚固而不需要衬底，但通常元
件将是需要机械支撑的薄层。
现进行一些定义。术语"连接"是指接电流接触或电容性耦合。"元件"是指由传
导物质制成的物理电感测元件。"电极"是指向元件作出的将其连接到适宜的驱动器/传
感器电子设备的电流连接点的一者。术语"物体"和"手指"同义地用以指代例如接触
刷或指针或指示笔等无生命物体，或者人手指或其它附件，邻近于所述元件而存在的任
一者将形成从元件的一区经由任何电路路径(不论是产生电流的还是不产生电流的)返
回电路参考的局部化电容性耦合。术语"触摸"包含物体与元件之间的物理接触，或物
体与元件之间的自由空间中的接近度，或物体与物体和元件之间存在的电介质(例如，
玻璃)之间的物理接触，或包含物体与元件之间存在的介入电介质层的自由空间中的接
近度。下文中，术语"圆周"或"圆形"是指具有任意大小的任何椭圆形、梯形或其它
闭环，以及具有开放式中间区段的轮廓形状。提及特定电路参数或定向不应理解为对本发明具有限制性，因为不使用电路或算法的变化或使用其微小变化的广泛的参数是可能 的；仅出于阐释性目的而提及特定参数和定向。


图l说明本发明一实施例，其展示移动电话；
图2示意展示结合到介电表面的一侧的图1的传导感测元件的截面图； 图3展示图2的感测元件的电极图案以及实施为微控制器的控制电路的布线； 图4A展示来自图3的轮式电极的理想通道响应信号； 图4B展示来自图3的轮式电极的真实通道响应信号；以及
图5是针对图3的传感器的实例性处理算法的流程图。
具体实施例方式
图l说明本发明一实施例，其展示移动电话。
参看图1,说明本发明一实施例，其展示具有多功能传感器5的移动电话100，所 述多功能传感器5包括形成所谓的轮的环形感测元件60、形成在感测元件60的区域内 的离散感测按钮10、 20、 30、 40，和中心感测按钮50。还展示显示器70，其位于传感 器区域上方。显示器70和多功能传感器5形成在装置的前面板80中，所述前面板80 可由适宜的塑料材料或另一经选择材料(例如，玻璃、陶瓷材料、合成材料，或例如木 材或薄木片等天然材料)制成。其还可被涂漆。
将了解，在其它实施例中，所述装置可以是音乐播放器、收音机、游戏控制台、远 程控制器，或组合了上文提及的电话、音乐播放器、视频播放器、静态摄影存储装置和 /或显示装置、收音机、游戏控制台、运行中多媒体控制器、远程控制器等的功能中的多 者的装置。
图2示意性展示容纳多功能传感器5的区的截面图。多功能传感器5形成在前面板 80的一区中，前面板80形成用于多功能传感器5的衬底。所述衬底具有上表面85，即 装置的外部表面，其具有形成在其中以作为环形感测元件60的部分的环形凹座65,以 及布置在环形凹座65的中心处以作为中心感测按钮50的部分的圆形凹座55。凹座55 和85经设计尺寸以允许人手指的触觉定位。通过研磨、模制或其它适宜的工艺形成凹 座55和85。另外四个圆形凹座75形成在环形凹座65的基底中以作为离散感测按钮10、 20、 30、 40的部分。这些另外的凹座75相对较浅以使得手指可在环形凹座周围滚动而没有不适当的阻碍，但仍然允许用户感觉到其存在。作为对另外的凹座75的替代，可 使用突起部以允许用户定位按钮10、 20、 30和40，或其它触觉反馈，例如按钮区域上 的表面粗糙度的变化。
前面板还具有下表面95，其上定位有传导感测电极104、 105、 106和108。电极108 位于中心按钮50的中心圆形凹座55下方。电极104、 105和106布置在电极108外部 且统一具有环形形状。电极104、 105和106的径向外部布置在环形凹座65 (和径向按 钮凹座75)下方。
传导电极安装在下表面95上。这可通过直接结合(例如，通过蒸发)或通过将支 撑材料薄片(未图示)(例如，柔性介电塑料材料薄膜)结合或紧固到介电表面的一侧 来实现，其中电极形成在支撑材料上。
传导电极可以多种方式形成，例如使用PCB、 FPCB、膜上银或碳、膜上ITO (氧 化铟锡)或膜上沃嘉康(Orgacon) (TM)墨水。面板80的厚度可根据所使用的材料和电 极大小通过调节为传感器选择的阈值电平而变化。通常，面板将具有lmm与10mm之 间，更通常在2 mm与6 mm之间的厚度。对于玻璃，最大可能厚度通常为约10 mm， 对于塑料材料为约5mm。
按钮区域10、 20、 30、 40可额外具有布置在电极104、 105和106下方的压力感测 元件。压力感测元件包括压力感测变换器，其可具有离散或模拟输出，且其可由(不限 于)可以可预测方式响应于所施加压力的任何形状的任何可压縮材料制成。
按钮区域10、 20、 30和40可额外具有布置在电极104、 105和106下方的触觉元 件，用以在处理器的控制下或来自装置的独立控制下提供声音或运动响应。触觉元件可 包括(不限于)响应于所施加电源的螺线管、扬声器、压电元件、马达或其它移动质量 变换器。压力感测元件和触觉元件两者可以组合形式提供。
图3在其右上部分中展示传导电极104、 105、 106和108的电极图案以及主要以可 为单一逻辑装置(例如微控制器)的处理器芯片125实施的控制电路的布线。微控制器 可优选具有推-拉型CMOS引脚结构，和可用以充当电压比较器的输入。大多数普通微 控制器I/0端口能够实现此目的，因为其具有相对固定的输入阈值电压以及近似理想的 MOSFET开关。可由单一通用可编程微处理器、微控制器或其它集成芯片(例如，现场 可编程门阵列(FPGA)或专用集成芯片(ASIC))来提供必要功能。
中心电极108具有如所说明的圆形形状。环形感测元件60的三个电极104、 105和 106的每一者具有相同形状，所述电极彼此在角度上偏移120度以形成完整的环形图案。
每一电极延伸超过感测元件60的角范围的三分之二，即越过240度。在其总体范围的径向外部(其近似与环形凹座65 —致)上，在任何特定角度，所述三个电极中的两个 电极与另一不存在的电极呈渐细关系。因此，可从缺乏来自一个电极的信号和来自另外 两个电极的信号的比率中确定手指在环形凹座中的给定位置处的触摸的角位置。
传导电极的其它几何形式可用于提供相同效果。这些种类的布置的更多细节在本人 的早期第US 6,288,707号美国专利(例如，见图4、 5和6以及提供支持的文章)以及 本人的早期WO2005/019766A2 (见图15和提供支持的文章)中提供。重要的是，相互 共同延伸的电极对在敏感区域中提供角度上的分度。
电极104、 105、 106和108具有相应端子101、 102、 103和107，其中相应连接线 针对如所说明的相应感测通道CHO、 CH1、 CH2和CH3而电连接。
针对感测通道CHO、 CH1、 CH2和CH3的连接线引导穿过相应电阻器RO、 Rl、 R2 和R3，且接着分裂为两个部分，其中每对的一个连接直接连接到微控制器芯片125的 一个引脚，且另一连接经由相应电容器C0、 Cl、 C2和C3而连接，所述电容器是用于 在突发期间进行电荷收集和累积的感测电容器。
所说明的其它引脚连接到两个输出线122和124。输出线122用于输出表示轮(即， 环形传感器)周围的运动角度5e的角度值。输出线124用于输出触摸信号，其可源自 中心触摸按钮50或位于环形感测元件上的按钮10、 20、 30、 40的任一者。所述输出可 为可经滤波为模拟形式的脉宽调制(PWM)信号，或例如众所周知的UART、 SPI或I2C 格式(或任何其它类型)的串行输出。
未说明微控制器125的其它引脚，例如用于接地和正功率、重设、时钟、地址选择 等的引脚，因为这些引脚对本发明没有直接联系且将容易为所属领域的技术人员所理 解。
参看多功能传感器5，该图以虚线展示沿着环形感测路径的四个角区段，其彼此隔
开90度且每一者跨越3o度的角。g卩，第一区段iio从角ei延伸到e2，第二区段111
从角93延伸到M，第三区段112从角65延伸到66，且第四区段113从角67延伸到98。 这四个区段展示用于环形感测路径中的四个虚拟按钮的感测区域，且对应于图1的按钮 10到40，唯一差异在于在图3中其被说明为与图1的说明相比旋转了 45度。
按钮10到40被称为虚拟按钮，因为其不具有专用电极，而是通过处理来自电极104、 105和106的信号来识别。
现描述电路的操作。来自三个环形电极的信号统一在处理器125中经处理以确定环 形感测路径上的触摸角度。
在一个实例性实施方案中，将360度的整个角范围划分为最大255份，所述实施方案针对角度使用单字节寄存器且因此提供大致1.4度的角增量。可通过微控制器的合适 编程来设定较粗略的角分辨率。通常，对于手指致动的轮，将设定角分辨率以使得每一 角增量在约10到20度与40到50度之间某处。不应使用接近180度或更大值的角增量， 因为将不可能检测滚动方向，即区分顺时针方向与逆时针方向运动。
现使用图4A来描述开关逻辑中包含的用以计算轮偏转角(wheel angle)的算法。 该图是将来自轮式电极104、 105和106的理想通道响应信号展示为角度的函数的曲线 图，其中零角度被取为处于12点或北位置。来自电极104的信号由点-虚线展示，来自 电极105的信号由虚线展示，且来自电极106的信号由点-点-虚线展示。如所说明，在 0到120度的角范围中，不存在来自电极106的信号，因为其不具有在此范围上的角范 围，且所述信号是来自电极104和105的线性变化的比率量度信号，由电极104在0度 支配且由电极105在120度支配，两个电极104和105在60度提供相等信号强度。此 外，在120到240度的角范围中，不存在来自电极104的信号，且所述信号是来自电极 105和106的比率量度信号，由电极105在120度支配且由电极106在240度支配，两 个电极105和106在180度提供相等信号强度。最后，在240到360度的角范围中，不 存在来自电极105的信号，且所述信号是来自电极106和104的比率量度信号，由电极 106在240度支配且由电极104在0度支配，两个电极106和104在300度提供相等信 号强度。作为参考，还在该曲线图中说明与虚拟按钮相关联的角区段的角范围。
图4B类似于图4A，但示意性说明现实中对于来自轮式电极的通道响应信号可能预 期的情况。将看出，来自三个电极的峰值不具有相同信号量值，而且每一电极信号具有 不同的零偏移。所述对比率量度信号的行进也不是精确线性的。可至少部分通过合适的 信号处理来解决这些与理想的偏差。
从来自电极104、 105和106的信号导出的触摸角度计算如下。
首先，与校准时发现的通道的突发长度成比例地缩放分别来自通道CHO、 CH1和 CH2的信号S0、 Sl和S2的每一者以提供规格化信号S0'、 S1邻S2'。突发长度是感测 电容器中达到由比较器设定的阈值电压所需的电荷累积的循环数目。这改进了线性。
第二，识别规格化信号so'、 sr和S2'中的最小者。从其它两个信号中减去此最小者
以提供信号A和B。最小信号还识别触摸位于轮的三个主要角区段中的哪一者中，例如， 如果S1'是最小信号，那么触摸在240与360度之间。
第三，将角度计算为[120*八/(八-B)] + s*120，其中s是区段或通道号，即在此实 例中为0、 1或2。
因此，处理器可操作以通过从跨越所确定部分的端子取得的信号的比率量度分析来确定物体在所确定部分内的位置。
将了解，这是相对高层级的描述。对于展示电荷如何累积并转移到微控制器的信号 输入的低层级的详细描述，我们参看WO2005/019766A2，明确地说，对其图5到图8 和图10的详细描述，其以引用的方式并入本文中。其它细节可参阅以引用的方式并入 本文中的US7148704。
另外，微控制器125将确定来自CH3的信号S3。其来自单一专用触摸电极108。 信号S3的获取是如现有技术(例如，本人的US 6,466,036)中描述的常规信号按钮获取。
现已描述了如何获得角度值，现描述高层级信号处理。
图5是针对多功能传感器的实例性处理算法的流程图。
在步骤Sl中，处理器确定中心按钮(CH3)是否"在检测中"。最简单地说，"在 检测中"意味着信号在单一检测循环期间在阈值以上。然而，优选使用检测积分器，借 此仅在已报告多于所设定数目的连续检测的情况下才报告一检测。 一旦一个检测下降到 阈值以下，积分中止并从零重新开始。所需的连续检测的数目可在微控制器中编程，且 可设定在1与256之间(即， 一字节寄存器)。典型的值在3与5之间。如果CH3在检 测中，那么设定有效结果旗标且流程移动到步骤S4，鉴于设定有效结果旗标而通过步骤 S4,且在步骤S5中在线124 (微控制器的引脚10)上输出触摸信号。如果CH3不在检 测中，那么过程流移动到歩骤S2，且测试轮是否在检测中。再次优选使用检测积分来提 供抗噪性。如果轮不在检测中，那么过程循环返回到步骤Sl之前。如果轮在检测中， 那么过程移动到步骤S3以确定轮检测的性质。
轮检测可被确定为滚动(即，角输入)或触摸(即，在虚拟按钮的一者上的按钮按压)。
为了确定为触摸，需要存在位于虚拟触摸按钮的预先指派的角范围的一者内的至少 m个对角度0i的连续检测，即 至少m个检测，61 < 9i < 62， 至少m个检测，e3<9i <94， 至少m个检测，65<化<06，或 至少m个检测，67 < 6i < 68
所需的检测的最小数目优选为至少3，更优选在3与10之间(包含3和10)。
为了确定为滚动，需要存在跨越至少一阈值角度的至少k个对连续增加或连续减小 的角度6i的连续检测。因此，阈值角度是必须在检测到滚动之前来回滚动的角度。对于 手指致动的传感器，这优选被设定在约IO度与卯度之间，更优选在约30与60度之间(明确地说，在40与50度之间)某处。输出是连续增加或连续减小的所报告角度序列 在其上延伸的总的角范围。用于滚动的检测的最小数目k可便利地等于用于虚拟触摸的 检测的最小数目m。数目k还优选关于感测路径的角分辨率而设定，以使得其暗示最小
角位移。
如果确定了虚拟按钮上的触摸或滚动，那么设定有效结果旗标。
在步骤S4中，如果有效结果已在中心按钮或轮中发生，那么过程行进到步骤S5， 且在微控制器的引脚9和IO的一者上输出信号，g卩，到线122和124的一者。如果已 检测到滚动，那么在线122上输出滚动的角范围59。如果已检测到触摸，那么其在线 124上输出，且具有触摸在"真实"中心按钮108上还是"虚拟"按钮110到113的一 者上的指示。在替代实施方案中，输出提供在单一引脚上。过程流接着循环返回到步骤 Sl之前的开始，并不断重复直到被合适命令中断为止。
将了解，图5的实例性过程流是许多可能的选择之一。举例来说，可并行处理轮和 中心按钮信号。此外，可在中心按钮与轮信号之间使用邻近键抑制，例如本人的早期 US 6,993， 607和US 11/279,402中所描述。此外，将了解，在替代实施例中，可省却中 心按钮。
还将了解，尽管以上描述涉及具有虚拟按钮的轮，但传导感测路径无需为圆形的。 举例来说，可使用线性路径，即所谓的滑块。操作将类似于环形路径装置，应了解，以 上实例中对角位移等的参考将用线性位移来代替。线性路径装置可有利地控制例如微波
炉和蒸煮器顶部(即，铁架)等家用器具。感测路径的其它形状也是可能的，例如 WO2005/019766A2中(明确地说，其图14A和14C中)所描述。线性感测路径对于用 于滚动穿过办公应用(例如，沿着显示区域的一侧或与显示区域邻接而垂直延伸的滑块) 的一些计算机相关装置应用也可能是优选的。
此外，手指致动不是唯一可能的实施方案。可使用旋钮致动(其中旋钮具有例如接 触刷等电容性致动器)，如WO2005/019766A2中(明确地说，参看其图11A禾B 11B或 图12)所描述。这可提供沿着感测路径的较大分辨率。
此外，将了解，可使用电阻性感测路径代替传导感测路径，如WO2005/0i9766A2 中(明确地说，参看其图3到8)所描述。电阻性感测路径可由任何电阻性材料制成， 包含碳膜、金属膜、ITO或SnO、传导性塑料、经筛网沉积的导体、经溅镀的导体等， 关于材料或沉积的方法没有限制。
以上实例展示沿着感测路径以相等角距分布的四个虚拟按钮。将了解，虚拟按钮沿 着感测路径的放置是任意的，且可在需要时在单一装置中动态地变化。此外，虚拟按钮 的数目可经任意选择，从1到根据分辨率约束的可能的最大值的任何数目都是可能的。 不管感测路径的形状如何(即、环形、线性等)都如此。
以上实例展示组成感测路径的三个电极，电极的数目可在需要时变化。对于闭环存在最小值。2是对于非闭合路径的最小值。此类电极的典型数目将在3到5的范围内。
将进一步了解，上文提及的到比较器所界定的阈值的突发仅是信号收集的一种模 式。也可使用其它电荷转移序列。举例来说，在其它方案中，与上文描述的序列类似的 开关序列可执行固定次数(而不是基于是否超过参考阈值电压的可变次数)。在固定次 数之后，可使用模拟到数字转换器来测量每一取样电容器上的电压，且所述电压用于以 与上文描述的方式类似的方式确定触摸的位置(然而，应记住，所述电压将与每一转移 循环期间转移多少电荷直接相关，且不如同突发模式那样反相关)。然而，突发模式操 作具有以下优点其可使用比较器和计数器而不是较复杂的模拟到数字转换器来实施。
还将了解，本文描述的开关方法可适于如本人的US6466036中描述的开关序列和拓 扑中的任一者，且这些以引用的方式并入本文中。
此外，将了解，触摸面板优选具有用于功率节省的休眠模式，其中在较长时间间隔 内轮询触摸表面。休眠模式将在无输入的某一持续时间之后自动激活。
存在所属领域的技术人员将了解的许多可能的变化，其涉及本文明确概述的检测方 法或开关序列的各种组合。所述方法可与任何数目的发明者的现有技术专利中教示的方 法组合，包含用于漂移补偿、校准、使用短开关闭合时间进行潮湿抑制、经由可变时序 脉冲调制(扩展频谱)实现抗噪性等的方法。
尽管相信以上相当广泛的概要描述可对所属领域的技术人员以及希望学习如何实 践本发明的人有用，但将认识到，未期望以上叙述列举所有特征和优点。
尽管已参考优选实施例描述本发明，但可在不脱离本发明的情况下作出许多修改和 变更。因此，希望所有这些修改和变更被认为是处于本发明的精神和范围内。
参考
US6452514
WO2005/019766A2
US D472，245
GB2050621A
US4158216
WO03/088176A1
US5977956
US6993607
US 11/279,402
US6466036
US6288707
US714870权利要求
1.一种用于检测物体的位置的电容性位置传感器，其包括(a)感测元件，其包括感测路径，所述感测路径具有沿着其长度的一个或一个以上指定感测区域；(b)多个端子，其在沿着所述感测路径的不同位置处连接到所述感测元件以将所述感测路径再分为多个区段；(c)多个感测通道，其连接到所述端子中的相应者，其中每一感测通道可操作以产生指示其端子与系统接地之间的电容的信号；以及(d)处理器，其可操作以通过比较来自所述感测通道的所述信号来确定所述物体定位于哪一区段上，并通过比较至少来自跨越所述区段的所述端子的所述信号来确定所述物体在所述区段内的位置，其中所述处理器可操作以分别基于触摸的持续时间和沿着所述感测路径的位移距离在所述多个感测区域的一者上的绝对位置中的按钮触摸与由沿着所述感测路径的移动位移导致的滚动触摸之间进行区分。
2. 根据权利要求l所述的电容性位置传感器，其中所述感测路径形成闭环。
3. 根据权利要求2所述的电容性位置传感器，其中所述闭环为圆形，借此形成环形感 测路径。
4. 根据权利要求3所述的电容性位置传感器，其包括布置在所述环形感测路径内的另 一电容性感测元件。
5. 根据权利要求l所述的电容性位置传感器，其中所述感测路径为线性的。
6. 根据任一前述权利要求所述的电容性位置传感器，其中所述感测路径包括多个至少 三个传导材料的渐细电极，其彼此邻近地且其间具有间隙地延伸并连接到所述端子 的相应者。
7. 根据任一前述权利要求所述的电容性位置传感器，其中所述处理器可操作以反复确 定所述物体的位置以收集连续的位置信号，且(i)如果所述连续的位置信号指明 延伸超过至少一阈值距离的位置，那么确定为滚动触摸，并响应于此而提供指示所述物体已沿着所述感测路径移动通过的距离的运动输出信号；且(ii)如果所述连 续的位置信号指明位于所述多个感测区域的一者中的位置，那么确定为按钮触摸， 并响应于此而提供指示已被致动的所述感测区域的位置输出信号。
8. 根据任一前述权利要求所述的电容性位置传感器，其中存在至少三个端子，其在沿 着所述感测路径的不同位置处连接到所述感测元件以将所述感测路径再分为至少 三个区段。
9. 根据任一前述权利要求所述的电容性位置传感器，其中存在沿着所述感测元件隔开 的多个指定感测区域。
10. —种并入有根据任何前述权利要求所述的电容性位置传感器的装置。
11. 一种检测物体的位置的方法，其包括(a) 提供电容性位置传感器，所述电容性位置传感器包括感测元件，其包括感 测路径；多个端子，其在沿着所述感测路径的不同位置处连接到所述感测元件以将 所述感测路径再分为多个区段；以及多个感测通道，其连接到所述端子中的相应者；(b) 指定所述感测路径上的至少一个感测区域； (C)使所述物体靠近所述传感器；(d) 使用每一感测通道产生指示其端子与系统接地之间的电容的信号；(e) 处理所述信号以通过比较来自所述感测通道的所述信号来确定所述物体定位 于哪一区段上，并通过比较至少来自跨越所述区段的所述端子的所述信号来确定所 述物体在所述区段内的位置，其中分别基于触摸的持续时间和沿着所述感测路径的 位移距离来确定所述多个感测区域的一者上的绝对位置中的按钮触摸和由沿着所 述感测路径的移动位移导致的滚动触摸；以及(f) 当已确定按钮触摸或滚动触摸时，分别输出位置输出信号或运动输出信号。
全文摘要
一种电容性位置传感器包括优选环形的感测路径，所述感测路径具有沿着其长度指定的一个或一个以上虚拟按钮。所述感测路径具有连接到其以将其再分为多个区段的多个端子，每一端子给指示电容的信号提供一感测通道。所述感测通道将所述信号提供到处理器(优选为微控制器)，所述处理器可操作以在用户作出用以致动所述虚拟按钮的一者的触摸与用以执行滚动功能的触摸之间进行区分。为了确定为滚动，需要存在跨越至少一阈值距离(例如，角或线性距离)的连续检测。为了确定为触摸，需要存在全部位于预先指派的虚拟按钮位置的一者内的连续检测。
文档编号G06F3/033GK101553711SQ200780022934
公开日2009年10月7日 申请日期2007年6月19日 优先权日2006年6月20日
发明者哈拉尔德·菲利普 申请人:量研科技股份有限公司