用于电容性感测按钮的无源屏蔽的系统、方法和装置

技术领域

本公开总体上涉及感测系统，并且更具体地涉及可配置为测量电容或将电容转换为代表电容的数字值的电容感测系统。

背景技术

电容感测系统可以感测在电极上生成的反映电容的改变的电信号。电容的这种改变可以指示触摸事件(即，对象与特定电极的接近度)。电容性感测元件可以用于替代机械按钮、旋钮和其他类似的机械用户接口控件。使用电容性感测元件可以消除复杂的机械开关和按钮，从而提供在恶劣条件下的可靠的操作。另外地，电容性感测元件广泛用于现代客户应用，从而在现有产品中提供新的用户接口选项。电容性感测元件的范围可以从用于触摸感测表面的单个按钮到以电容性感测阵列的形式布置的大量按钮。

电容性感测元件阵列通过测量电容性感测元件的电容并寻找指示触摸或导电对象的存在的电容的增量(改变)来工作。当导电对象(例如，手指、手或其他对象)接触或接近电容性感测元件时，电容会改变并检测到导电对象。电容性触摸感测元件的电容改变可以通过电路测量。电路将电容性感测元件的测量到的电容转换为数字值。

存在两种典型类型的电容类型：1)互电容，其中电容感测电路耦合到电容器的两个电极并且驱动/接收配置测量它们之间的电容；2)自电容，其中电容感测电路耦合到电容器的单个电极，其中第二电极连接到DC电压电平或寄生耦合到大地。触摸面板具有两种类型(1)和(2)的电容的分布式负载，并且一些触摸解决方案以独特的方式或以具有其各种感测模式的混合形式感测这两个电容。

发明内容

在许多消费者应用中，存在针对例如在屏幕、按钮等中的触摸传感器的需求，该触摸传感器对触摸和/或接近传感器的导电源进行响应。然而，这些传感器对附加的导电源(例如，水)敏感，这可能生成不期望的传感器响应或可能干扰预期的传感器响应。在许多情况下，这些传感器包括传感器垫，该传感器垫由具有阴影线的接地平面(例如，电耦合到接地电位的具有阴影线的或具有图案的传导物)包围。具有阴影线的接地平面可以帮助减少来自外部噪声源的干扰，同时在传感器电容耦合到接地电位时使寄生电容最小化(与具有实心接地层相比)。

然而，即使利用具有阴影线的接地平面，寄生电容虽然减少了，但仍会降低电容传感器的灵敏度。其他干扰源(例如，液滴)可以通过利用传感器电容调制寄生电容来进一步影响系统，这可能导致错误的电容感测测量，其与预期的电容感测测量一样大或在预期的电容感测测量的数量级上。换言之，意外的源可能影响电容感测系统，并对电容感测测量生成显著的结果。

本发明的方面通过提供一种利用屏蔽信号驱动具有阴影线的接地平面的系统和方法来解决上面提及的缺陷和其他缺陷。与传感器的电压信号相比，屏蔽信号具有相同的极性但幅度不同，用于将寄生电容维持在零电压，这可以去除它们对触摸感测系统的影响。

本发明对于无源屏蔽有许多优点。例如，不需要诸如屏蔽缓冲器或比较器之类的有源组件，这可以降低整体功耗。此外，由于没有因为稳定性要求而限制电容大小范围的屏蔽缓冲器，因此没有这样的限制。屏蔽的速度仅受通用输入/输出(GPIO)“导通”电阻的限制。此外，不需要参考电压(VREF)。

在一个实施例中，一种系统包括可以测量传感器电极的自电容的电容到数字转换器。屏蔽电极与传感器电极形成互电容。电容到数字转换器可以排序通过四个相位。在第一相位中，电容到数字转换器可以将电源电压施加到传感器电极和屏蔽电极。在第二相位中，电容到数字转换器可以将屏蔽电极耦合到接地电位。电容到数字转换器可以将传感器电极耦合到第一调制电容器，该第一调制电容器被预充电到参考电压。在第三相位中，电容到数字转换器可以将传感器电极和屏蔽电极耦合到接地电位。在第四相位中，电容到数字转换器可以将屏蔽电极耦合到接地电位，并且将传感器电极耦合到第二调制电容器，该第二调制电容器被预充电到参考电压。

附图说明

图1A示出了由具有阴影线的平面包围的传感器电极的电容感测按钮的实施例。

图1B是根据实施例的具有有源屏蔽和缓冲器以提供有源屏蔽电压的电容到数字转换器(CDC)电路。

图1C是根据实施例的在传感器电容周围的电容和在图1B的CDC的操作相位期间施加到它们的电压的表示。

图2A是根据实施例的具有无源屏蔽且不具有缓冲器的CDC电路。

图2B是根据实施例的在传感器电容周围的电容和在图2A的CDC的操作相位期间施加到它们的电压的表示。

图2C-2F是根据实施例在图2A的CDC的操作相位期间电容中的每一个电容的连接的图示。

图2G-2H是根据实施例的在图2A的CDC的操作相位期间电荷去往和来自调制电容器的移动的图示。

图2I-2J是根据实施例的在图2A的CDC的操作相位期间在调制电容上的电压的图示。

图3A是根据实施例的具有使用开关来对寄生电容进行正消除和负消除的CDC。

图3B是根据实施例的具有使用逻辑和/或固件来对寄生电容进行正消除和负消除的CDC。

图4是根据实施例的用于图3A的CDC的开关控制信号的图示。

图5A-5C是具有接地屏蔽的电容传感器和来自导电对象和液体的伴随信号的图示。

图6A-6C是具有驱动屏蔽的电容传感器和来自导电对象和液体的伴随信号的图示。

图7是根据实施例的具有用于屏蔽电极和传感器电极的替代驱动电压的CDC。

图8是根据实施例的包括至少一个传感器电极、屏蔽电极和CDC的系统。

具体实施方式

图1A示出了由具有阴影线的平面135包围的传感器电极131的电容感测按钮101的实施例。传感器电极131可以具有对地自电容CS。具有阴影线的平面135可以是接地平面或屏蔽电极。如果具有阴影线的平面135被配置作为屏蔽电极，则该具有阴影线的平面135可以具有对地电容CSH。最后，在传感器电极131与屏蔽电极135之间的边界可以形成互电容CM。虽然电容感测按钮101被示为由具有阴影线的平面包围，但在其他实施例中，电容感测按钮可以由实心接地平面包围和/或用于触摸屏。本文所描述的方法和装置可以应用于其他基于触摸的技术，例如，触摸屏。

图1B示出了电容到数字转换电路，其包括具有电路装置的有源屏蔽，该电路装置用于将跨屏蔽电极的电压(形成屏蔽电容CSH)维持在与跨传感器电极的电压(形成传感器电容CS)相同的电压。在屏蔽电极与传感器电极之间可能存在互电容(CM)。传感器电容CS可以连接到数字化电路150的一对差分输入，该数字化电路150可以将代表传感器电容CS的数字值提供给处理单元160。CS可以在一个相位中连接到第一差分输入，并且在另一相位中连接到第二差分输入。每个差分输入也可以连接到调制电容器(CMOD1和CMOD2)。差分输入和调制电容器也可以耦合到一对电流源(正和负)，以用于至少从调制电容器中添加和移除电荷。数字化电路150可以测量在传感器电容和寄生电容与调制电容器并行耦合并且向其添加或减去电荷之后，将跨调制电容器的电压返回到参考电压所需的时间量。返回调制电容器上的电压所需的时间量可以代表传感器电容CS。

在一个实施例中，可以提供电路装置以确保跨CM的电压为零。在该实施例中，屏蔽电极上的电压被维持在与传感器电极上的电压相同的电平。在该实施例中，可以将开关提供给电源电压(VDDA)和地两者以及提供给参考电压(VDDA/2)。为了提供参考电压，缓冲器105可以用于确保屏蔽电极不会错误地改变跨CMOD1或CMOD2的电容或电压。

图1C示出了电容(在图1A和图1B中示为元件101)和在电容到数字转换器的每个操作相位期间施加到每一个电容的电压信号。电容到数字转换可以包括在时间FS内发生的四个相位

在初始相位

在所有相位中，在屏蔽电极与传感器电极之间形成的在寄生(互)电容器两侧上的电位连接到相同的电压电位，从而导致在寄生(互)电容器上没有电荷累积。值得注意的是，当屏蔽电容接地时，互电容可能会被添加到转换，因为它通过CS耦合到CMOD1和CMOD2。在该配置中，寄生(互)电容可能会改变测量到的电容并降低传感器电极对地的电容(CS)的测量精度。

图2A示出了用于使在感测电容器上的感测电容(CS)数字化的电路的一个实施例，其使用无源屏蔽以从测量中移除屏蔽电容(CSH)和互电容(CM)。

在初始相位

图2B示出了电容(在图2A中示为元件201)和在电容到数字转换器的每个操作相位期间施加到每一个电容的电压信号。电容到数字转换可以包括在时间FS内发生的四个相位

在初始相位

在该配置中，在屏蔽电极与传感器电极之间形成的互电容器的寄生(互)电容被添加到传感器电容(CS)的数字化中，如被添加到CMOD1并且从CMOD2中移除。由于CM被添加到两者，其差分输入被抵消，并且寄生电容不会被添加到由数字转换器块(digitizer block)数字化并被发送给处理器块的电容。

图2C-2F示出了在

图2D示出了屏蔽电极连接到地，而传感器电极连接到CMOD1，该CMOD1先前连接到VDDA/2。CMOD1还连接到数字化电路150的输入。因此，存在跨CM的非零电压电位。CS将电荷添加到包括CMOD1、CS和CM的电路。CM从电路中移除电荷。

图2C示出了屏蔽电极和传感器电极两者耦合到地。在它们之间形成的互电容器的电压电位为零。CMOD1和CMOD2都没有耦合到传感器电极。

图2D示出了屏蔽电极耦合到地，而传感器电极耦合到CMOD1，该CMOD1先前耦合到VDDA/2。CMOD2还耦合到数字化电路150的输入。因此，存在跨CM的非零电压电位。CS和CM两者从包括CMOD1、CS和CM的电路中移除电荷。

图2I和图2J示出了在不同的操作相位

在图2J中，CMOD2在

图2G和图2H示出了根据图2A和图2B中描述的实施例的电荷i从CS和CM到CMOD1和CMOD2上的移动。对于CMOD1，CS将电荷205添加到CMOD1，从而通过在

图3A示出了电容到数字转换器300的实施例，其中屏蔽电极的连接在交替周期(FS)中耦合到VDDA或耦合到地。在该实施例中，偏移至VDDA和地的共模电平在2FS的时段内被抵消。当电容到数字电路300如上文关于图2A-J所描述的那样经过

图4示出了用于施加到图3A的电容到数字转换器310的开关的控制信号以及在Csh节点上的所得到的电压。第一控制信号401(FS)指示包括CMOD1和CMOD2的单个转换的时段。在控制信号401的时段期间，对应于

图5A和5B示出了电容感测按钮501，该电容感测按钮501包括类似于图1A的电容感测按钮101的传感器电极和屏蔽电极，其上设置有液体508。电容感测按钮501可以耦合到控制器503，该控制器503可以实现电容到数字转换电路(未示出)。电容感测按钮501的屏蔽电极可以耦合到地。图5B是电容感测按钮501的示意表示。传感器波形504可以施加到电容感测按钮501的传感器电极，从而在电容感测按钮501上产生跨CS、CM和液体的电容(CLD)的电压电位。

图5C示出了与导电对象(触摸)510.1和510.2以及水滴512的接近度相对应的电容到数字转换值的实施例。还示出了基线电容，其对应于当电容感测按钮501上不存在导电对象或水时的数字化值。在纯接地屏蔽电极的情况下，电容感测按钮501的数字化电容值可能难以在导电对象(例如，手指触摸)和水滴的接近度之间进行区分。在一些实施例中，可以扫描在自电容感测模式下操作的触摸面板，其中可以利用屏蔽信号来驱动未扫描线，以消除寄生Cm的影响，这可以应用于水滴检测并改进灵敏度。通常，本文所描述的屏蔽方法可以用于具有Csh、Cm和Cs的任何类型的架构。

图6A和6B示出了电容感测按钮601，该电容感测按钮601包括类似于图1A的电容感测按钮101的传感器电极和屏蔽电极，其上设置有液体608。电容感测按钮601可以耦合到控制器603，该控制器603可以实现电容到数字转换电路(未示出)。如上文关于图1B-1C、2A-2J和3A-3B所描述的，电容感测按钮601的屏蔽电极可以耦合到驱动信号。图6B是电容感测按钮601的示意表示。传感器波形604可以施加到电容感测按钮601的传感器电极，从而产生跨CS的电压电位。也可以将屏蔽波形606施加到屏蔽电极。CM的屏蔽侧只需在相位

图6C示出了与导电对象(触摸)610.1和610.2以及水滴612的接近度相对应的电容到数字转换值的实施例。还示出了基线电容，其对应于当电容感测按钮601上不存在导电对象或水时的数字化值。利用有源/驱动屏蔽电极，电容感测按钮601的数字化电容值可以更容易地在导电对象(例如，手指触摸)和水滴的接近度之间进行区分。

图7示出了电容到数字转换器710的实施例，其中屏蔽电极和传感器电极的连接耦合到除了VDDA、VDDA/2或接地之外的电压V1。

图8示出了电容感测系统800，该电容感测系统800可以将所提出的比率计电容并入本申请的码转换器。系统800可以包括耦合到感测电路810的至少一个电容感测按钮801。电容感测按钮801可以类似于图1A的电容感测按钮101，并且包括传感器电极831和具有阴影线的平面835。传感器电极831和具有阴影线的平面835两者可以耦合到感测电路810。在一个实施例中，感测电路810可以包括集成到单个设备中的电路装置。在另一实施例中，感测电路810的各种组件可以分布在若干个分立组件之中。为了便于解释，感测电路810在本文中被描述为单个集成电路设备。然而，在其他实施例中，感测电路可以包括多于一个集成电路设备。传感器电极831可以通过输入805耦合到感测电路810。具有阴影线的平面835可以通过输入808耦合到感测电路810。输入805可以耦合到接收通道820的输入。接收通道820可以被配置为(例如，利用所提出的电容到数字转换器)将电容感测按钮801的电容转换为数字值。接收通道820可以耦合到外部组件825，因此对于转换是必要的。外部组件可以通过输入806耦合到感测电路810。接收通道820可以耦合到决策逻辑830和MCU 840。

决策逻辑830可以被配置为处理接收通道820的输出以确定代表电容的数字值的改变是否与触摸或其他动作相关联。决策逻辑830还可以被配置为跟踪基线或背景电容值以用于触摸检测。MCU840可以用于基于系统或应用要求来配置接收通道820。接收通道820和MCU 840的配置可以在启动时、运行时期间或基于主机生成的命令的某些中断来进行。MCU 840还可以被配置为执行类似于决策逻辑830的功能，并且用于做出关于电容传感器电极831上的对象的存在或用于基线或背景电容跟踪的决策。MCU 840和决策逻辑830可以耦合到存储器单元850，以用于存储与触摸检测相关联的值。存储器单元850还可以存储由MCU840执行的程序文件和命令。在必要时，MCU 840还可以通过输入807耦合到外部组件。MCU840还可以耦合到通信接口860，该通信接口860可以用于将状态输出到主机880或另一外部设备。通信接口860也可以被配置为从外部设备接收命令。

本文描述的实施例可以用于电容感测系统的互电容感测阵列的各种设计中，或者用于自电容感测阵列中。在一个实施例中，电容感测系统检测阵列中被激活的多个感测元件，并且可以分析相邻感测元件上的信号模式以将噪声与实际信号分离。如受益于本公开的本领域普通技术人员将认识到的，本文描述的实施例不依赖于特定的电容性感测解决方案并且也可以与其他感测解决方案(包括光学感测解决方案)一起使用。

在以上描述中，阐述了许多细节。然而，对于受益于本公开的本领域普通技术人员而言，显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在一些实例中，公知的结构和设备以框图形式示出而不是详细示出，以避免混淆描述。

具体实施方式的一些部分是在算法和对计算机存储器内的数据位的操作的符号表示的方面来呈现的。这些算法描述和表示是由数据处理领域的技术人员使用以最高效地将他们的工作实质传达给本领域的其他技术人员的手段。算法在这里并且通常被认为是导致期望结果的自洽步骤序列。这些步骤是要求对物理量进行物理操纵的步骤。通常，尽管不是必须的，这些量采用能够被存储、传输、组合、比较和以其他方式操纵的电或磁信号的形式。有时，主要出于常用的原因，将这些信号称为位、值、元素、符号、字符、术语、数字等已经被证明是方便的。

然而，应该记住，所有这些和类似的术语都将与适当的物理量相关联并且仅仅是应用于这些量的方便标签。除非从上述讨论中明显地另外明确陈述，否则应当认识到的是，在整个描述中，利用诸如“加密”、“解密”、“存储”、“提供”、“导出”、“获得”、“接收”、“认证”、“删除”、“执行”、“请求”、“通信”等之类的术语的讨论指代计算系统或类似电子计算设备的动作和过程，该计算系统或类似电子计算设备将被表示为计算系统的寄存器和存储器内的物理(例如，电子)量的数据操纵和转换为类似地被表示为计算系统存储器或寄存器或其他这种信息存储装置、传输或显示设备内的物理量的其他数据。

词语“示例”或“示例性”在本文中用于表示用作示例、实例或说明。本文中描述为“示例”或“示例性”的任何方面或设计不一定被解释为优先于其他方面或设计或比其他方面或设计更有利。而是，使用词语“示例”或“示例性”旨在以具体方式呈现概念。如在本申请中使用的，术语“或”旨在表示包含性的“或”而不是排他性的“或”。即，除非另有说明或从上下文中清楚看出，否则“X包括A或B”旨在表示自然包含性排列中的任一个。即，如果X包括A；X包括B；或X包括A和B两者，则在前述实例中的任一种情况下都满足“X包括A或B”。此外，除非另有说明或从上下文中清楚看出指向单数形式，否则本申请和所附权利要求中使用的冠词“一(a)”和“一个(an)”通常应被解释为表示“一个或多个”。此外，在全文中使用术语“实施例”或“一个实施例”或“实现方式”或“一种实现方式”并不旨在意味着相同的实施例或实现方式，除非如此描述。

本文描述的实施例还可以涉及用于执行本文的操作的装置。该装置可以被专门构造用于所要求的目的，或者它可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算机。这样的计算机程序可以存储在非暂时性计算机可读存储介质中，该非暂时性计算机可读存储介质例如但不限于任何类型的磁盘，包括软盘、光盘、CD-ROM和磁光盘、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡、闪速存储器或适合存储电子指令的任何类型的介质。术语“计算机可读存储介质”应被理解为包括存储一组或多组指令的单个介质或多个介质(例如，集中式或分布式数据库和/或相关联的高速缓存和服务器)。术语“计算机可读介质”还应被理解为包括能够存储、编码或携带一组指令以供机器执行并使机器执行本实施例的方法中的任何一种或多种方法的任何介质。因此，术语“计算机可读存储介质”应被理解为包括但不限于固态存储器、光学介质、磁介质、能够存储一组指令以供机器执行并使机器执行本实施例的方法中的任何一种或多种方法的任何介质。

本文提出的算法和显示与任何特定计算机或其他装置没有内在关联。根据本文的教导，各种通用系统可以与程序一起使用，或者可以证明构造更专业的装置来执行所要求的方法步骤是方便的。各种这些系统所要求的结构将在下面的描述中出现。另外地，没有参考任何特定的编程语言来描述本实施例。应当认识到的是，可以使用多种编程语言来实现本文描述的实施例的教导。

以上描述阐述了许多具体细节(例如，具体系统、组件、方法等的示例)，以便提供对本发明的若干实施例的良好理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明的至少一些实施例。在其他实例中，公知的组件或方法没有被详细描述或以简单的框图格式呈现，以避免不必要地混淆本发明。因此，上面阐述的具体细节仅是示例性的。特定的实现方式可能与这些示例性细节不同，并且仍被认为在本发明的范围内。

应当理解，以上描述旨在是说明性的而不是限制性的。在阅读和理解以上描述之后，许多其他实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明的范围应当参考所附权利要求以及这些权利要求所享有的等效物的全部范围来确定。