電容觸摸板數據輸入裝置和鍵盤的制作方法

專利名稱：電容觸摸板數據輸入裝置和鍵盤的制作方法
技術領域：
本發明一般地涉及數據輸入和開關電路，更具體而言，涉及使用電容感應觸摸板的開關和矩陣開關板。
背景技術：
開關、矩陣開關板、和小鍵盤在我們的日常生活中是非常普及的。例如，電話(包括有繩電話、無繩電話、和無線電話)具有用于輸入電話號碼和其它信息或功能(例如常撥號碼、通訊錄、快捷撥號等)的數字鍵盤。個人數字助理(PDA)具有用于輸入命令和信息的字母數字鍵盤。甚至簡單的電子設備都可能具有一個或多個用于控制其電源、操作模式等的開關。
小鍵盤或鍵盤中的開關或鍵通常包括兩片彼此相鄰但彼此不接觸的導體。至少一片導體是活動的且通常裝有彈簧。當活動的片被按壓時，它接觸另一片導體。活動的導體片的上部通常覆蓋有絕緣材料，例如塑料、橡膠等。矩陣開關板或鍵盤可以包括這種機械操作的開關或鍵的陣列。
所有機械開關和鍵盤均具有可動部分，這些可動部分常常過早地損壞。特別地，開關中的彈簧可能在重復按壓之后遭受疲勞而折斷。機械開關還易受不利環境條件的影響。例如，濺水可能造成開關失靈，以及潮濕可能造成開關的各個部分被腐蝕，從而使它們的電氣和/或機械性能變差。機械開關和鍵盤通常龐大且笨重。而且，機械開關和鍵盤通常具有剛性或半剛性的結構。這些特性使得機械開關和鍵盤不適合一些需要諸如體積小、重量輕、和易于存放的特性的應用。
因此，如果尺寸緊湊且重量輕，這樣的開關設備或命令/數據輸入裝置將是有利的。人們期望該裝置可靠且不易受不利操作環境條件的影響。人們還期望鍵盤具有柔性結構。如果開關和鍵盤能節約成本和省電，這也是有利的。


圖1是示出根據本發明的電容讀出電路的示意圖；圖2是根據本發明的觸摸板鍵的剖視示意圖；圖3是示出根據本發明的矩陣開關或鍵盤系統的功能示意圖；以及圖4是示出根據本發明的電話鍵盤或小鍵盤系統的功能示意圖。
具體實施例方式
下文參照附圖描述本發明的多個實施例，附圖中用相同參考數字表示圖中相似結構或功能的部分。應該注意，附圖的目的僅僅是幫助描述本發明的優選實施例。它們的目的不是無遺漏地描述本發明或對本發明的范圍加以限制。此外，附圖不一定按比例繪制。
根據本發明，開關電路包括電容讀出電路，該電容讀出電路檢測用戶是否觸摸開關的鍵或墊片(pad)，然后相應地將開關導通和斷開。同樣，根據本發明鍵盤電路包括一個或多個電容讀出電路。每一讀出電路均可以與鍵盤上的一個或多個鍵相連。而且，每一鍵可以與一個或多個電容讀出電路相連。鍵盤電路還包括連接到電容讀出電路的數字譯碼電路。響應于用戶觸摸鍵盤上的鍵，譯碼電路生成解釋來自電容讀出電路的信號的數字輸出信號。
圖1是示出根據本發明的電容讀出電路100的示意圖。讀出電路100包括時鐘信號發生器102。根據本發明，時鐘信號發生器102可以包括任何種類的振蕩信號發生器。例如，可以使用阻容(RC)振蕩器、晶體振蕩器等用作時鐘信號發生器102。根據本發明的各種實施例，時鐘信號的頻率的范圍可以處于幾千赫到幾兆赫之間。然而，更高或更低的時鐘信號頻率也屬于本發明的范圍之內。時鐘信號發生器102的時鐘信號被傳送到讀出電路100中的開關112和122的控制端。根據本發明的優選實施例，開關112和122是場效應晶體管(FET)或雙極型晶體管(BJT)，并且時鐘信號被傳送到FET的柵極或BJT的基極。開關112和122分別與電容器113和123并聯。讀出電路100還包括電流源111和121。電流源111與開關112和電容器113的并聯聯結串聯。類似地，電流源121與開關122和電容器123的并聯聯結串聯。在本發明的一具體實施例中，由電流源111和121生成的電流彼此基本相等。當開關112和122斷開時，電流源111和121分別給電容器113和123充電。當開關112和122閉合時，來自電流源111和121的電流旁路過電容器113和123并流向地105。而且，閉合的開關112和122使電容器113和123放電。
根據本發明，讀出電路100中的電容器113(其又被稱作讀出電容器)讀出與電容讀出電路100相連的鍵是否被觸摸。電路示意1示出讀出電容器113包括兩個極板114和115。一片導體用作電容器113的一個極板114(其也稱作讀出極板)。電容讀出電路100的物理結構僅包括電容器113的一個極板114。當用戶觸摸或按壓與電容讀出電路100相連的鍵時，用戶的身體用作電容器113的另一個極板115。圖2示意性示出與電容讀出電路100相連的鍵150的剖視圖，并說明讀出電容器113的形成。鍵150包括覆蓋在電容器113的導電板114之上并與之接觸的絕緣介質層116。舉例來說，絕緣介質層116是開關或鍵盤的外罩、外殼、或外部遮蓋物的部分。雖然裝置的外殼可以包括各種材料，例如，塑料、橡膠、金屬等，但是覆蓋讀出電容器極板114的外殼的部分，也就是圖2所示的層116優選地由絕緣和電介質材料制成。塑料是外殼的常用材料，這是因為它是電介質、不貴，并易于制成各種形狀、顏色、硬度。絕緣介質層116也可以由柔軟材料制成，使得鍵150和相關器件可以折疊或卷成易于存放的緊湊尺寸。圖2示出根據本發明的一實施例，讀出電容器極板114為平板。這不是為了對本發明的范圍加以限制。根據本發明，電容器113的讀出電容器極板114可以具有不同的形狀和大小。另外，極板114可以包括多片的相互電連接的導體。當用戶觸摸鍵150時，用戶身體的一部分，例如，圖2所示的手指，與覆蓋在讀出電容器極板114上的絕緣介質層116接觸。如果接觸區域與覆蓋在極板114上的絕緣介質層116重疊，則用戶身體的該部分用作電容器113的另一個極板115。用戶身體的其它部分用作地105(圖1所示)。
應該注意，當用戶觸摸鍵150時，用戶身體起導體的作用。根據本發明，觸摸鍵150的用戶范圍不局限于與鍵150直接接觸的用戶身體。它包括與絕緣介質層116接觸的任何導電物體，并用作讀出電容器113的極板115。
回過來參照圖1，電容讀出電路100還包括用于比較電容器113與123之間電壓差的比較模塊130。根據本發明的一優選實施例，比較模塊130包括差動放大器134。電容器113和123分別連接到差動放大器134的第一輸入端131和第二輸入端132。差動放大器134的輸出端135連接到又被稱作集成電容器的電容器138的第一極板。電容器138的第二極板連接到地105。電容器138的第一極板還連接到比較器144的第一輸入端。比較器144的第二輸入端被連接用于接收參考電壓143。比較器144的輸出端用作比較模塊130的輸出端，并連接到讀出電路100的輸出端145。
應該注意，比較模塊130的結構不局限于上面所述和圖1所示的結構。根據本發明，比較模塊130可以是任何能夠比較輸入端131和132處的電壓脈沖信號并生成指示哪個電壓脈沖信號更高的輸出信號的電路元件。
在操作中，時鐘信號發生器102以時鐘信號頻率的速率將開關112和122周期性地導通和斷開。根據本發明的一優選實施例，開關112和122的導通和斷開狀態基本相互同步。所以，電容器113和123被周期性地和基本同時地充電和放電。讀出電容器113的電容響應于用戶是否觸摸鍵150而變化。另一方面，又被稱作參考電容器的電容器123的電容基本不變。比較模塊130比較讀出電容器113和參考電容器123的電容，以確定用戶是否觸摸鍵150以及相應地生成數字信號。
當用戶未觸摸鍵150時，用作讀出電容器113的極板115的用戶身體遠離極板114。另外，不僅絕緣介質層116而且空氣間隙也將極板115與極板114分開。由于空氣的低介電常數，所以讀出電容器113的電容顯著地小于參考電容器123的電容。在開關112和122斷開的時鐘信號階段中，在差動放大器134的輸入端131的電壓比在輸入端132的電壓上升得快。響應于輸入端131(舉例來說，反相輸入端)處的較高電壓，差動放大器134在輸出端135生成低電壓。在開關112和122閉合的時鐘信號階段中，在輸入端131和132的電壓都回到地電壓電平。所以，差動放大器134在輸出端135生成低電壓脈沖信號。脈沖的頻率等于電容器113和123被充電和放電的頻率。電容器138對來自差動放大器135的低電壓脈沖信號進行積分。特別地，在差動放大器134的輸出端135的低電壓脈沖重復地使電容器138放電，從而在比較器144的第一輸入端生成低電壓。比較器144將在它的第一輸入端的電壓與在它的第二輸入端的參考電壓143相比較。響應于第一輸入端(舉例來說，非反相輸入端)處的電壓低于第二輸入端(舉例來說，反相輸入端)處的參考電壓143，比較器144在電容讀出電路100的輸出端145生成低電壓信號。舉例來說，低電壓信號的二進制值為0。
當用戶觸摸鍵150時，作為電流讀出電路100的外部導電物體以及用作讀出電容器113的極板115的用戶身體與絕緣介質層116接觸。由于極板115向極板114接近以及絕緣介質層116的大介電常數，所以讀出電容器113的電容比當用戶未觸摸鍵150時讀出電容器113的電容大得多。根據一優選實施例，讀出電容器113的電容大于當用戶觸摸鍵150時參考電容器123的電容。在開關112和122斷開的時鐘信號階段中，在差動放大器134的輸入端131的電壓比在輸入端132的電壓上升得慢。響應于輸入端131(舉例來說，反相輸入端)處的較低電壓，差動放大器134在輸出端135生成高電壓。在開關112和122閉合的時鐘信號階段中，在輸入端131和132的電壓都回到地電壓電平。所以，差動放大器134在輸出端135生成高電壓脈沖信號。脈沖的頻率等于電容器113和123被充電和放電的頻率。電容器138對來自差動放大器134的高電壓脈沖信號進行積分。特別地，在差動放大器134的輸出端135的高電壓脈沖重復地對電容器138充電，并在比較器144的第一輸入端生成高電壓。比較器144將在它的第一輸入端的電壓與在它的第二輸入端的參考電壓143相比較。響應于第一輸入端(舉例來說，非反相輸入端)處的電壓高于第二輸入端(舉例來說，反相輸入端)處的參考電壓143，比較器144在讀出電路100的輸出端145生成高電壓信號，從而識別出鍵150被觸摸。舉例來說，高電壓信號的二進制值為1。
根據圖1所示的本發明的一具體實施例，輸出端145連接到開關元件160。在一具體實施例中，開關元件160包括N溝道場效應晶體管，以及輸出端145連接到N溝道晶體管的柵極。當用戶觸摸鍵150時，在柵極的高電壓信號導通N溝道晶體管。另一方面，當鍵150未被觸摸時，在柵極的低電壓信號斷開N溝道晶體管。在可選實施例中，輸出端145經由開關元件160中的反相器連接到N溝道晶體管的柵極。在該實施例中，觸摸鍵150會斷開N溝道晶體管，而不觸摸鍵150會導通N溝道晶體管。在另一可選實施例中，輸出端145連接到開關元件160中的P溝道場效應晶體管的柵極。在該可選實施例中，觸摸鍵150將斷開P溝道晶體管，而不觸摸鍵150將導通P溝道晶體管。在又一可選實施例中，輸出端145經由開關元件160中的反相器連接到P溝道晶體管的柵極。在該可選實施例中，觸摸鍵150將導通P溝道晶體管，而不觸摸鍵150將斷開P溝道晶體管。
根據本發明的另一具體實施例，開關元件160包括觸發器(flip-flop)和開關晶體管。觸發器連接在輸出端145和開關元件160中開關晶體管的柵極之間。每當鍵150被觸摸時，就在輸出端145處生成高電壓信號。響應于高電壓信號，觸發器改變在其輸出端的電壓電平。所以，每當鍵150被觸摸時，開關晶體管就從斷開狀態改變為導通狀態或從導通狀態改變為斷開狀態。
電容讀出電路100的性能和功率消耗取決于分別控制開關112和122使讀出電容器113和參考電容器123充電和放電的時鐘信號頻率。高頻率通常導致高性能和高功率消耗。根據本發明的各種實施例，時鐘信號的頻率范圍處于幾百赫茲到幾兆赫之間。在一優選實施例中，時鐘信號的頻率大約為幾千赫茲。時鐘信號發生器102通常包括振蕩器，該振蕩器可以是簡單的阻容(RC)振蕩器、電壓控制振蕩器、電流控制振蕩器、晶體振蕩器等。在一優選實施例中，時鐘信號發生器102包括芯片上的RC振蕩器，這是由于它簡單且省電。
電容讀出電路100的性能和功率消耗還取決于電流源111和121、讀出電容器113和參考電容器123、差動放大器134、集成電容器138、參考電壓143、和比較器144的特性。例如，集成電容器138的小電容將使得充電和放電時間短，這導致讀出電路100的快速響應時間。集成電容器138的小電容也導致電容讀出電路100的較小功率消耗。另外，大電流源111和121將導致讀出電容器113和參考電容器123的快速充電速率。根據本發明，電路設計者可以調整電容讀出電路100中各種器件的參數，以獲得期望響應時間和性能。
圖3是示出根據本發明矩陣開關或鍵盤系統300的功能電路示意圖。鍵盤系統300又被稱作電容傳感鍵盤(capacitance sensingkeyboard)、電容感應小鍵盤等。鍵盤系統300包括三位譯碼器301，該三位譯碼器具有三個位數據輸入端302、304、和306，舉例來說，三個輸入端分別對應于三位二進制數據的最低有效位、次高有效位、和最高有效位。所以，此處所述和圖3所示的鍵盤系統300能夠接收和識別八個不同值的數字數據，例如，0、1、2、3、4、5、6、和7。
鍵盤系統300還包括三個電容讀出電路312、314、和316。根據本發明的優選實施例，三個電容讀出電路312、314、和316的每個在結構上和功能上類似于上面參照圖1所述的電容讀出電路100。讀出電路312、314和316的輸出端分別連接到譯碼器301的位數據輸入端302、304、和306。讀出電路312具有讀出信號輸入端322。同樣，讀出電路314具有讀出信號輸入端324，讀出電路316具有讀出信號輸入端326。在功能上，讀出信號輸入端322、324、和326相當于圖1所示的電容讀出電路100中連接到讀出電容器113的導電板114和電流源111的節點。
根據本發明的優選實施例，鍵盤系統300包括小鍵盤，該小鍵盤由七個數據輸入鍵331、332、333、334、335、336、和337構成，用于分別輸入數字數據值1、2、3、4、5、6、和7。鍵331、332、333、334、335、336、和337包括類似于上面參照圖2所述的絕緣介質層116的絕緣介質層(圖3中未示出)。該絕緣介質層可以是覆蓋整個小鍵盤的整體塑料層。
鍵331包括導電板12，該導電板位于絕緣介質層下面并連接到讀出電路312的讀出信號輸入端322。所以，觸摸或按壓鍵331則在譯碼器301的最低有效位數據輸入端302生成高電壓信號。譯碼器301響應于數據輸入端302處的高電壓信號而生成值為1的數字信號。
鍵332包括導電板24，該導電板位于絕緣介質層下面并連接到讀出電路314的讀出信號輸入端324。所以，觸摸或按壓鍵332則在譯碼器301的次高有效位數據輸入端304生成高電壓信號。譯碼器301響應于數據輸入端304處的高電壓信號而生成值為2的數字信號。
鍵333包括兩個導電板32和34，這兩個導電板位于絕緣介質層下面。導電板32連接到讀出電路312的讀出信號輸入端322，以及導電板34連接到讀出電路314的讀出信號輸入端324。所以，觸摸或按壓鍵333則在譯碼器301的最低有效位數據輸入端302和次高有效位數據輸入端304生成高電壓信號。譯碼器301響應于數據輸入端302和304處的高電壓信號而生成值為3的數字信號。
鍵334包括導電板46，該導電板位于絕緣介質層下面并連接到讀出電路316的讀出信號輸入端326。所以，觸摸或按壓鍵334則在譯碼器301的最高有效位數據輸入端306生成高電壓信號。譯碼器301響應于數據輸入端306處的高電壓信號而生成值為4的數字信號。
鍵335包括兩個導電板52和56，這兩個導電板位于絕緣介質層下面。導電板52連接到讀出電路312的讀出信號輸入端322，以及導電板56連接到讀出電路316的讀出信號輸入端326。所以，觸摸或按壓鍵335則在譯碼器301的最低有效位數據輸入端302和最高有效位數據輸入端306生成高電壓信號。譯碼器301響應于數據輸入端302和306處的高電壓信號而生成值為5的數字信號。
鍵336包括兩個導電板64和66，這兩個導電板位于絕緣介質層下面。導電板64連接到讀出電路314的讀出信號輸入端324，以及導電板66連接到讀出電路316的讀出信號輸入端326。所以，觸摸或按壓鍵336則在譯碼器301的次高有效位數據輸入端304和最高有效位數據輸入端306生成高電壓信號。譯碼器301響應于數據輸入端304和306處的高電壓信號而生成值為6的數字信號。
鍵337包括三個導電板72、74和76，這三個導電板位于絕緣介質層下面。導電板72連接到讀出電路312的讀出信號輸入端322，導電板74連接到讀出電路314的讀出信號輸入端324，以及導電板76連接到讀出電路316的讀出信號輸入端326。所以，觸摸或按壓鍵337則在譯碼器301的最低有效位數據輸入端302、次高有效位數據輸入端304、和最高有效位數據輸入端306生成高電壓信號。譯碼器301響應于數據輸入端302、304、和306處的高電壓信號生成值為7的數字信號。
根據本發明的一優選實施例，絕緣介質層由將單片塑料或橡膠膜覆蓋在鍵盤系統300的小鍵盤中的所有鍵上制成。單片膜保護導電板免遭環境中的危險條件例如潮濕、濺水等的損害。另外，絕緣介質層可以由柔軟材料制成。所以，鍵盤系統300的小鍵盤可以尺寸緊湊且重量輕。由于在小鍵盤中沒有可動部件，所以鍵盤系統300不易受機械故障的影響，所以可靠且耐用。
此處所述的鍵盤系統300包括三位譯碼器301，所以能夠接收和識別多達八個值的數字數據。結構類似于鍵盤系統300且包括更高位數字數據譯碼器和更多讀出電路的鍵盤系統能夠識別更多的數字數據值。例如，具有8位譯碼器和八個電容讀出電路的鍵盤系統能夠識別和區別256個數字數據值。類似地，具有16位譯碼器和16個電容讀出電路的鍵盤系統能夠識別和區別65,536個數字數據值。
圖4是示出根據本發明的電話鍵盤或小鍵盤系統400的功能示意圖。由于電話鍵盤或小鍵盤系統應該能夠識別十個數字值，小鍵盤系統400包括具有四個位數據輸入端402、404、406、和408的四位譯碼器401。小鍵盤系統400還包括分別連接到譯碼器401的位數據輸入端402、404、406、和408的四個電容讀出電路412、414、416和418。根據本發明的一優選實施例，四個電容讀出電路412、414、416、和418中的每個電容讀出電路在結構上和功能上類似于上面參照圖1所述的電容讀出電路100。各電容讀出電路412、414、416、和418均具有相當于圖1所示的電容讀出電路100中連接到讀出電容器113中的導電板114和電流源111的節點的讀出信號輸入端。
四位譯碼器401能夠識別多達十六個的數字值，多于電話小鍵盤所需要的十個數據值。譯碼器401的輸出端連接到音頻發生器445，以生成響應于來自譯碼器401的數字數據信號的電話撥號音。小鍵盤系統400具有十二個按鈕。十二個按鈕中的十個按鈕對應于打電話所需的數字值1、2、3、4、5、6、7、8、9、和0。剩余的兩個按鈕對應于按鍵式電話機鍵盤上的星號(*)和井號(#)。圖4示出根據本發明的一具體實施例的十二個按鈕的電路連接。
小鍵盤系統400還包括類似于上面參照圖2所述的絕緣介質層116的絕緣介質層(圖4中未示出)。根據本發明的一優選實施例，絕緣介質層由單片塑料或橡膠膜完全覆蓋小鍵盤系統400的上表面而制成。單片膜保護導電板免遭環境中的危險條件例如潮濕、濺水等的損害。另外，絕緣介質層可以由柔性材料制成。
按鈕“1”包括一個導電板，該導電板位于絕緣介質層的下面且連接到電容讀出電路412。響應于按鈕“1”被觸摸或按壓，電容讀出電路412在譯碼器401的位數據輸入端402生成高電壓信號。譯碼器401生成對應于二進制數據值0001的譯碼數字信號。音頻發生器445接收和處理譯碼數字信號0001以及在電話系統中生成對應于“1”的撥號音。
按鈕“2”包括一個導電板，該導電板位于絕緣介質層的下面且連接到電容讀出電路414。響應于按鈕“2”被觸摸或按壓，電容讀出電路414在譯碼器401的位數據輸入端404生成高電壓信號。譯碼器401生成對應于二進制數據值0010的譯碼數字信號。音頻發生器445接收和處理譯碼數字信號0010以及在電話系統中生成對應于“2”的撥號音。
按鈕“3”包括兩個導電板，這兩個導電板位于絕緣介質層的下面且連接到電容讀出電路412和414。響應于按鈕“3”被觸摸或按壓，電容讀出電路412和414分別在譯碼器401的位數據輸入端402和404生成高電壓信號。譯碼器401生成對應于二進制數據值0011的譯碼數字信號。音頻發生器445接收和處理譯碼數字信號0011以及在電話系統中生成對應于“3”的撥號音。
按鈕“4”包括一個導電板，該導電板位于絕緣介質層的下面且連接到電容讀出電路416。響應于按鈕“4”被觸摸或按壓，電容讀出電路416在譯碼器401的位數據輸入端406生成高電壓信號。譯碼器401生成對應于二進制數據值0100的譯碼數字信號。音頻發生器445接收和處理譯碼數字信號0100以及在電話系統中生成對應于“4”的撥號音。
按鈕“5”包括兩個導電板，這兩個導電板位于絕緣介質層的下面且連接到電容讀出電路412和416。響應于按鈕“5”被觸摸或按壓，電容讀出電路412和416分別在譯碼器401的位數據輸入端402和406生成高電壓信號。譯碼器401生成對應于二進制數據值0101的譯碼數字信號。音頻發生器445接收和處理譯碼數字信號0101以及在電話系統中生成對應于“5”的撥號音。
按鈕“6”包括兩個導電板，該兩個導電板位于絕緣介質層的下面且連接到電容讀出電路414和416。響應于按鈕“6”被觸摸或按壓，電容讀出電路414和416分別在譯碼器401的位數據輸入端404和406生成高電壓信號。譯碼器401生成對應于二進制數據值0110的譯碼數字信號。音頻發生器445接收和處理譯碼數字信號0110以及在電話系統中生成對應于“6”的撥號音。
按鈕“7”包括兩個導電板，這兩個導電板位于絕緣介質層的下面且連接到電容讀出電路416和418。響應于按鈕“7”被觸摸或按壓，電容讀出電路416和418分別在譯碼器401的位數據輸入端406和408生成高電壓信號。譯碼器401生成對應于二進制數據值1100的譯碼數字信號。音頻發生器445接收和處理譯碼數字信號1100以及在電話系統中生成對應于“7”的撥號音。
按鈕“8”包括一個導電板，該導電板位于絕緣介質層的下面且連接到電容讀出電路418。響應于按鈕“8”被觸摸或按壓，電容讀出電路418在譯碼器401的位數據輸入端408生成高電壓信號。譯碼器401生成對應于二進制數據值1000的譯碼數字信號。音頻發生器445接收和處理譯碼數字信號1000以及在電話系統中生成對應于“8”的撥號音。
按鈕“9”包括兩個導電板，該兩個導電板位于絕緣介質層的下面且連接到電容讀出電路412和418。響應于按鈕“9”被觸摸或按壓，電容讀出電路412和418分別在譯碼器401的位數據輸入端402和408生成高電壓信號。譯碼器401生成對應于二進制數據值1001的譯碼數字信號。音頻發生器445接收和處理譯碼數字信號1001以及在電話系統中生成對應于“9”的撥號音。
按鈕“0”包括兩個導電板，這兩個導電板位于絕緣介質層的下面且連接到電容讀出電路414和418。響應于按鈕“0”被觸摸或按壓，電容讀出電路414和418分別在譯碼器401的位數據輸入端404和408生成高電壓信號。譯碼器401生成對應于二進制數據值1010的譯碼數字信號。音頻發生器445接收和處理譯碼數字信號1010以及在電話系統中生成對應于“0”的撥號音。
按鈕“*”包括三個導電板，這三個導電板位于絕緣介質層的下面且連接到電容讀出電路412、414、和418。響應于按鈕“*”被觸摸或按壓，電容讀出電路412、414、和418分別在譯碼器401的位數據輸入端402、404、和408生成高電壓信號。譯碼器401生成對應于二進制數據值1011的譯碼數字信號。音頻發生器445接收和處理譯碼數字信號1011以及在電話系統中生成對應于“*”的撥號音。
按鈕“#”包括三個導電板，該三個導電板位于絕緣介質層的下面且連接到電容讀出電路414、416和418。響應于按鈕“#”被觸摸或按壓，電容讀出電路414、416和418分別在譯碼器401的位數據輸入端404、406和408生成高電壓信號。譯碼器401生成對應于二進制數據值1110的譯碼數字信號。音頻發生器445接收和處理譯碼數字信號1110以及在電話系統中生成對應于“#”的撥號音。
應該明白，電話小鍵盤的連接不局限于上面參照圖4所述的內容。譯碼器401也不局限于是四位譯碼器。例如，根據本發明的可選實施例，電話小鍵盤系統可以包括連接到五個電容讀出電路的五位譯碼器。在該實施例中，與每一按鈕相關聯的導電板的數量可以局限于一個或兩個，如果想要一個小而高度敏感的小鍵盤系統，這個數量可能是有利的。
到現在應該理解已提供了電容觸摸板數據輸入、矩陣開關電路、和鍵盤系統。根據本發明，鍵盤系統響應用戶觸摸鍵盤系統中的鍵或按鈕而生成數字信號。鍵或按鈕可以包括一個或多個導電板，每個導電板連接到相應的電容讀出電路。數字數據譯碼器將電容讀出電路的輸出譯碼。這種矩陣開關布置使少量的電容讀出電路能夠支持鍵盤系統中的很多的鍵，從而簡化了電路以及提高了系統的成本經濟性和功率效率。通常，根據本發明，具有N個電容讀出電路的鍵盤系統可以支持多達2N-1個鍵，其中N是整數。
根據本發明的矩陣開關或鍵盤系統不必有可動部件，所以可靠和耐用。另外，系統可以包含在不漏水或不透氣的電介質外層中，以提供保護免遭不利操作環境條件的損害。而且，根據本發明的開關和鍵盤系統可以尺寸緊湊、重量輕和具有柔性結構。而且，它們是節約成本和省電的。根據本發明的小鍵盤系統可以用于各種需要數據和/或命令輸入的應用，例如計算機鍵盤、PDA、計算器、移動電話、設備遠程控制等。例如，PDA可以具有根據本發明的柔性字母數字小鍵盤。小鍵盤在展開時具有相對較大的區域，使得可以容易地使用字母數字小鍵盤上的每一個鍵。當不使用時，柔性小鍵盤可以折疊或卷成易于存放的緊湊尺寸。
雖然上面已描述本發明的特定實施例，但是它們的目的不是對本發明的范圍加以限制。本發明包括那些對本領域技術人員來說是顯而易見的對所述實施例的更改和變化。例如，根據本發明的開關系統可以包括通過在用戶不觸摸裝置時斷開該裝置來控制該裝置的功率消耗的單個電流讀出電路。
權利要求
1.一種數據輸入裝置，包括數據譯碼器；第一電容讀出電路模塊，其具有輸入節點和連接到所述數據譯碼器的第一輸入端的數字輸出端，所述第一電容讀出電路模塊包括連接到所述輸入節點的第一電流源、以及第二電流源；參考電容器，其具有連接到所述第二電流源的第一電極和連接到地的第二電極；以及比較模塊，其具有連接到所述輸入節點的第一輸入端、連接到所述參考電容器的所述第一電極的第二輸入端、以及連接到所述數字輸出端的輸出端；以及第一鍵，其包括連接到所述第一電容讀出電路模塊的所述輸入節點的導電板、以及覆蓋在所述導電板上的絕緣介質層。
2.根據權利要求1所述的數據輸入裝置，所述第一電容讀出電路模塊還包括第一開關，其具有連接到所述輸入節點的第一電極、連接到所述地的第二電極、和控制電極；第二開關，其具有連接到所述參考電容器的所述第一電極的第一電極、連接到所述參考電容器的所述第二電極的第二電極、以及控制電極；以及時鐘信號發生器，其連接到所述第一開關的所述控制電極，和連接到所述第二開關的所述控制電極。
3.根據權利要求2所述的數據輸入裝置，響應于導電物體觸摸所述第一鍵中的所述絕緣介質層，所述導電物體和所述第一鍵中的所述導電板形成讀出電容器，所述讀出電容器的電容大于所述第一電容讀出電路模塊中的所述參考電容器的電容。
4.根據權利要求2所述的數據輸入裝置，所述第一電容讀出電路模塊中的所述比較模塊包括差動放大器，所述差動放大器具有連接到所述輸入節點的第一輸入端、連接到所述參考電容器的所述第一電極的第二輸入端、以及連接到所述比較模塊的所述輸出端的輸出端。
5.根據權利要求4所述的數據輸入裝置，所述第一電容讀出電路模塊中的所述比較模塊還包括集成電容器，其具有連接到所述差動放大器的所述輸出端的第一電極和連接到所述地的第二電極；以及比較器，其具有連接到所述差動放大器的所述輸出端的第一輸入端、連接到參考電壓電平的第二輸入端、以及連接到所述比較模塊的所述輸出端的輸出端。
6.根據權利要求1所述的數據輸入裝置，還包括第二電容讀出電路模塊，其具有輸入節點、和連接到所述數據譯碼器的第二輸入端的數字輸出端；第二鍵，其包括連接到所述第二電容讀出電路模塊的所述輸入節點的導電板、和覆蓋在所述導電板上的絕緣介質層；以及第三鍵，其包括連接到所述第一電容讀出電路模塊的所述輸入節點的第一導電板、連接到所述第二電容讀出電路模塊的所述輸入節點的第二導電板、以及覆蓋在所述第一導電板和所述第二導電板上的絕緣介質層。
7.根據權利要求6所述的數據輸入裝置，其中所述第一鍵的所述絕緣介質層、所述第二鍵的所述絕緣介質層、和所述第三鍵的所述絕緣介質層由單片絕緣介質材料構成。
8.根據權利要求6所述的數據輸入裝置，還包括第三電容讀出電路模塊，其具有輸入節點、和連接到所述數據譯碼器的第三輸入端的數字輸出端；第四鍵，其包括連接到所述第三電容讀出電路模塊的所述輸入節點的導電板；第五鍵，其包括連接到所述第一電容讀出電路模塊的所述輸入節點的第一導電板、以及連接到所述第三電容讀出電路模塊的所述輸入節點的第二導電板；第六鍵，其包括連接到所述第二電容讀出電路模塊的所述輸入節點的第一導電板、以及連接到所述第三電容讀出電路模塊的所述輸入節點的第二導電板；第七鍵，其包括連接到所述第一電容讀出電路模塊的所述輸入節點的第一導電板、連接到所述第二電容讀出電路模塊的所述輸入節點的第二導電板、以及連接到所述第三電容讀出電路模塊的所述輸入節點的第三導電板；絕緣介質層，其覆蓋在所述第四鍵的所述導電板、所述第五鍵的所述第一導電板和所述第二導電板、所述第六鍵的所述第一導電板和所述第二導電板、以及所述第七鍵的所述第一導電板、所述第二導電板、和所述第三導電板上。
9.根據權利要求6所述的數據輸入裝置，還包括第三電容讀出電路模塊，其具有輸入節點、和連接到所述數據譯碼器的第三輸入端的數字輸出端；第四電容讀出電路模塊，其具有輸入節點、和連接到所述數據譯碼器的第四輸入端的數字輸出端；第四鍵，其包括連接到所述第三電容讀出電路模塊的所述輸入節點的導電板；第五鍵，其包括連接到所述第一電容讀出電路模塊的所述輸入節點的第一導電板、以及連接到所述第三電容讀出電路模塊的所述輸入節點的第二導電板；第六鍵，其包括連接到所述第二電容讀出電路模塊的所述輸入節點的第一導電板、以及連接到所述第三電容讀出電路模塊的所述輸入節點的第二導電板；第七鍵，其包括連接到所述第三電容讀出電路模塊的所述輸入節點的第一導電板、和連接到所述第四電容讀出電路模塊的所述輸入節點的第二導電板；第八鍵，其包括連接到所述第四電容讀出電路模塊的所述輸入節點的導電板；第九鍵，其包括連接到所述第一電容讀出電路模塊的所述輸入節點的第一導電板、和連接到所述第四電容讀出電路模塊的所述輸入節點的第二導電板；以及第十鍵，其包括連接到所述第二電容讀出電路模塊的所述輸入節點的第一導電板、和連接到所述第四電容讀出電路模塊的所述輸入節點的第二導電板。
10.根據權利要求9所述的數據輸入裝置，還包括第十一鍵，其包括連接到所述第一電容讀出電路模塊的所述輸入節點的第一導電板、連接到所述第二電容讀出電路模塊的所述輸入節點的第二導電板、以及連接到所述第四電容讀出電路模塊的所述輸入節點的第三導電板；以及第十二鍵，其包括連接到所述第二電容讀出電路模塊的所述輸入節點的第一導電板、連接到所述第三電容讀出電路模塊的所述輸入節點的第二導電板、以及連接到所述第四電容讀出電路模塊的所述輸入節點的第三導電板。
11.一種數據輸入方法，包括以下步驟提供具有多個鍵的小鍵盤，每個鍵包括至少一個讀出電容器，所述至少一個讀出電容器包括在絕緣介質層下面的導電板；通過將所述小鍵盤中的所述多個鍵中的每個鍵的至少一個讀出電容器的電容與多個參考電容器的電容分別相比較，來識別所述小鍵盤中的鍵正被觸摸；以及響應于識別出所述小鍵盤中的所述鍵正被觸摸，生成數字數據信號。
12.根據權利要求11所述的數據輸入方法，其中所述識別所述小鍵盤中的鍵正被觸摸的步驟還包括以下步驟將所述多個鍵中的每個鍵中的所述至少一個導電板連接到多個電容讀出模塊，每個所述電容讀出模塊具有參考電容器；將所述小鍵盤中的所述多個鍵中的每個鍵中的所述至少一個讀出電容器和所述多個參考電容器周期性地充電和放電；以及將所述小鍵盤中的所述多個鍵中的每個鍵中的所述至少一個讀出電容器的電壓電平與所述多個參考電容器的多個電壓電平相比較。
13.根據權利要求12所述的數據輸入方法，其中所述提供具有多個鍵的小鍵盤的步驟包括以下步驟提供具有單個導電板的第一鍵；提供具有單個導電板的第二鍵；以及提供具有兩個導電板的第三鍵；以及所述將所述多個鍵中的每個鍵中的所述至少一個導電板連接到多個電容讀出模塊的步驟包括以下步驟將所述第一鍵中的所述單個導電板連接到所述多個電容讀出模塊的第一模塊；將所述第二鍵中的所述單個導電板連接到所述多個電容讀出模塊的第二模塊；將所述第三鍵中的所述兩個導電板的第一導電板連接到所述第一電容讀出模塊；以及將所述第三鍵中的所述兩個導電板的第二導電板連接到所述第二電容讀出模塊。
14.根據權利要求12所述的數據輸入方法，其中所述識別所述小鍵盤中的鍵正被觸摸的步驟還包括以下步驟根據所述小鍵盤中的所述多個鍵中的每個鍵中的所述至少一個讀出電容器的所述電壓電平與所述多個參考電容器的所述多個電壓電平之間的多個電壓差值，生成多個電壓脈沖信號；通過對所述多個電壓脈沖信號進行積分，生成多個模擬電壓信號；以及通過將所述多個模擬電壓信號與參考電壓相比較，生成多個二進制位信號。
15.根據權利要求14所述的數據輸入方法，還包括通過譯碼所述多個二進制位信號來生成數字數據信號的步驟。
16.一種電容觸摸板矩陣開關系統，包括數據譯碼器，其具有多個輸入端；多個電容讀出電路模塊，其中的每個模塊具有輸入節點、和連接到所述數據譯碼器的所述多個輸入端中的相應的一個輸入端的數字輸出端，以及包括時鐘信號發生器；第一電流源，其連接到所述輸入節點；第二電流源；電容器，其具有連接到所述第二電流源的第一電極、和連接到地的第二電極；以及第一開關，其連接在所述輸入節點與地之間，并具有連接到所述時鐘信號發生器的控制電極；第二開關，其與所述電容器并聯，并具有連接到所述時鐘信號發生器的控制電極；以及比較模塊，其具有連接到所述輸入節點的第一輸入端、連接到所述電容器的所述第一電極的第二輸入端、以及連接到所述數字輸出端的輸出端；以及小鍵盤，其包括覆蓋多個按鈕的絕緣介質層，所述多個按鈕包括第一按鈕，其包括連接到所述多個電容讀出電路模塊的第一模塊的導電板；第二按鈕，其包括連接到所述多個電容讀出電路模塊的第二模塊的導電板；以及第三按鈕，其包括連接到所述第一電容讀出電路模塊的第一導電板、和連接到所述第二電容讀出電路模塊的第二導電板。
17.根據權利要求16所述的電容觸摸板矩陣開關系統，所述小鍵盤中的所述多個按鈕還包括第四按鈕，其包括連接到所述多個電容讀出電路模塊的第三模塊的導電板；第五按鈕，其包括連接到所述第一電容讀出電路模塊的第一導電板、和連接到所述第三電容讀出電路模塊的第二導電板；第六按鈕，其包括連接到所述第二電容讀出電路模塊的第一導電板、和連接到所述第三電容讀出電路模塊的第二導電板；第七按鈕，其包括連接到所述第三電容讀出電路模塊的第一導電板、和連接到所述多個電容讀出電路模塊的第四模塊的第二導電板；第八按鈕，其包括連接到所述第四電容讀出電路模塊的導電板；第九按鈕，其包括連接到所述第一電容讀出電路模塊的第一導電板、和連接到所述第四電容讀出電路模塊的第二導電板；以及第十按鈕，其包括連接到所述第二電容讀出電路模塊的第一導電板、和連接到所述第四電容讀出電路模塊的第二導電板。
18.根據權利要求17所述的電容觸摸板矩陣開關系統，所述小鍵盤中的所述多個按鈕還包括第十一按鈕，其包括連接到所述第一電容讀出電路模塊的第一導電板、連接到所述第二電容讀出電路模塊的第二導電板、以及連接到所述第四電容讀出電路模塊的第三導電板；以及第十二按鈕，其包括連接到所述第二電容讀出電路模塊的第一導電板、連接到所述第三電容讀出電路模塊的第二導電板、以及連接到所述第四電容讀出電路模塊的第三導電板。
19.根據權利要求16所述的電容觸摸板矩陣開關系統，所述小鍵盤中的所述多個按鈕還包括第四按鈕，其包括連接到所述多個電容讀出電路模塊的第三模塊的導電板；第五按鈕，其包括連接到所述第一電容讀出電路模塊的第一導電板、和連接到所述第三電容讀出電路模塊的第二導電板；第六按鈕，其包括連接到所述第二電容讀出電路模塊的第一導電板、和連接到所述第三電容讀出電路模塊的第二導電板；以及第七按鈕，其包括連接到所述第一電容讀出電路模塊的第一導電板、連接到所述第二電容讀出電路模塊的第二導電板和連接到所述電容讀出電路模塊的第三導電板。
20.根據權利要求16所述的電容觸摸板矩陣開關系統，所述多個電容讀出電路模塊中的每個模塊中的所述比較模塊包括差動放大器，其具有連接到所述輸入節點的第一輸入端、連接到所述電容器的所述第一電極的第二輸入端、以及輸出端；集成電容器，其具有連接到所述差動放大器的所述輸出端的第一電極、和連接到所述地的第二電極；以及比較器，其具有連接到所述差動放大器的所述輸出端的第一輸入端、連接到參考電壓電平的第二輸入端、以及連接到所述比較模塊的所述輸出端的輸出端。
全文摘要
一種數據輸入裝置(300)，包括多個由絕緣介質層下面的導電板形成的鍵。第一和第二鍵(331，332)中的每個鍵均具有一個連接到相應的電容讀出模塊(312，314)的導電板(12，24)。第三鍵(333)具有兩個導電板，一個導電板(32)連接到第一電容讀出模塊(312)，另一個導電板(34)連接到第二電容讀出模塊(314)。當用戶觸摸鍵(331)時，用戶和導電板(12)形成電容大于參考電容器(123)電容的讀出電容器(113)。相應的電容讀出模塊(312)中的比較模塊(130)生成指示鍵(331)正被觸摸的數字位信號。譯碼器(301)將多個電容讀出模塊(331，332，333)的數字位信號譯碼，以相應地生成數字數據信號。
文檔編號G06F3/00GK101027627SQ200580022035
公開日2007年8月29日 申請日期2005年4月30日 優先權日2005年4月30日
發明者高勇, 任永青 申請人:埃派克森微電子有限公司