基線電容校準的制作方法
【專利摘要】本發明的實施例提供一種創建位于電容式觸摸屏上的電容傳感器的基線電容CP的統計模型的方法。在包括電容式觸摸屏的電子設備的特定狀態下測量電容傳感器的感測電容CS。當與電容傳感器不進行物理接觸時，感測電容CS被存儲作為基線電容CP。然后基線電容CP被用于為電子設備的特定狀態創建統計模型。當與電容傳感器進行物理接觸時，從感測電容CS的值中減去電容傳感器的基線電容CP的值，然后其結果CF=（CS－CP）被發送到觸摸檢測電路。
【專利說明】基線電容校準
【背景技術】
[0001]自從引入智能手機和平板PC(個人計算機)以來，電容式觸摸屏越來越受歡迎。電 容式觸摸屏的尺寸變得越來越大，并且存在對這些屏幕的響應性、分辨率和智能性的不斷 增長的需求。
[0002]電容式觸摸屏通常由電容傳感器(也稱為節點)的陣列組成，其中每個電容傳感 器100 (見圖1)包含電寄生電容Cp (下文稱為基線電容)。與電容傳感器100進行物理 接觸(例如，手指觸摸)將添加與Cp并聯的第二電容Cf (下文稱為前景電容(foreground capacitance)),從而為所觸摸的傳感器產生的整體感測電容Cs是Cf + CP。理想地,在測量 和校準后，前景電容Cf可以從感測電容Cs中提取(S卩Cf=Cs - Cp)。
[0003]當具體節點上經校準的前景電容Cf大于預定閾值時，可以檢測到與電容傳感器 100接觸。因為電容式觸摸屏上的每個單獨電容傳感器100的基線電容Cp可以相互不同， 所以計算出的每個單獨電容傳感器100的前景電容Cf可能不同，這使得更難感測到何時已 經接觸。基線電容Cp中的這些差異可能由例如用于創建電容傳感器的電路布局的各種變 化造成，或者它們可能由用于制作電容式觸摸屏的工藝中的制造變化造成。
[0004]此外，計算出的電容傳感器的前景電容Cf取決于包含電容式觸摸屏的電子設備的 操作狀態。例如，當蜂窩電話被插上電源充電時相比當打電話時，基線電容Cp可能不同。電 容Cf也可能隨著設備老化或由于環境影響而變化。使用電容式觸摸屏的其他電子設備包 括手持個人計算機、平板個人計算機、便攜式個人計算機、監視器和電視。
[0005]基線電容Cp的精確校準對于精確檢測與電容式觸摸屏的接觸是有用的。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0006]圖1是示出電容式觸摸屏上的傳感器的橫截面以及電容式觸摸屏上的電容的示 意圖。(現有技術)
[0007]圖2是指示電容傳感器的位置的電容式觸摸屏的布局圖。(現有技術)
[0008]圖3是兩根手指與電容式觸摸屏進行接觸所導致的傳感器中的電容變化的圖表。 (現有技術)
[0009]圖4a是對電容器進行充電的電壓源的示意圖。(現有技術)
[0010]圖4b是已充電電容器和未充電電容器的不意圖。(現有技術)
[0011]圖4c是電荷從一個電容器轉移到另一電容器的示意圖。(現有技術)
[0012]圖5是電荷轉移電路的不意圖。(現有技術)
[0013]圖6是根據本發明的一個實施例的離線基線電容統計識別電路的方框圖。
[0014]圖7是根據本發明的一個實施例的在線基線電容校準電路的方框圖。
[0015]圖8是根據本發明的一個實施例作為時間和蜂窩電話狀態的函數的基線電容Cs 的圖表。
[0016]圖9是示出確定電容式觸摸屏上的電容傳感器的基線電容Cp的統計模型的方法 的流程圖。【具體實施方式】
[0017]附圖和說明書總體上公開了一種確定位于電子設備(例如蜂窩電話)的電容式觸摸屏上的電容傳感器的基線電容Cp的統計模型的方法和裝置。在電子設備的特定狀態期間 (例如當蜂窩電話正在充電時)測量電容傳感器的感測電容cs。當不與電容傳感器進行物理接觸(例如手指觸摸屏幕)時，感測電容Cs被存儲作為基線電容CP。然后基線電容Cp被用于為電子設備的特定狀態創建統計模型。
[0018]當與電容傳感器進行物理接觸時，從感測電容Cs的值中減去電容傳感器的基線電容Cp的值，然后發送其結果Cf= (CS — CP)到觸摸檢測電路。當檢測到無觸摸時，Cf被用于更新所述模型。對于電容式觸摸屏上的每個電容傳感器，重復該程序直到已經確定每個感測電容Cs的統計模型。然后，每個電容傳感器的統計模型被用于更加精確地檢測何時與電容式觸摸屏進行物理接觸。
[0019]圖1是示出電容式觸摸屏100上的傳感器112的橫截面的示意圖。兩層銦錫氧化物(ITO)電極102和104覆蓋在液晶顯示屏108上。一層介電材料(例如塑料或派熱克斯玻璃)106位于兩層電極102和104之間。也示出了基線電容Cp和前景電容CF。
[0020]考慮圖2中所示的電容式觸摸屏，其具有M行電極RE[0]-RE[M_1]和N列電極 CE[0]-CE[N-1]。圖2中所示的電容式觸摸屏具有MXN個電容傳感器Stl,(節點)，其中每個傳感器在每列和每行電極的交叉點處具有基線電容CP。在圖2中用虛線正方形表示每列和每行電極的交叉點。在列電極和行電極的交叉點處，電極不是直接連接的(即它們彼此不短路)。靠近傳感器的手指110 (也可以使用不同于手指的其他物體，如觸控筆 (stylus))分流部分電場到地面，這相當于添加與Cp并聯的前景電容CF。因此，節點上的感測電容變成:
[0021]方程式I) Cs=Cp + Cf
[0022]電容式觸摸屏200上的每個傳感器Stl,可以被看作是圖像中的像素。在從(；中校準基線電容Cp后，每個節點上剩余的前景電容Cf有效地構成與電容式觸摸屏200 的觸摸或接觸的二維圖像。觸摸可以被檢測為圖像中的峰頂，該圖像具有如在峰頂形狀中反映的手指尺寸、形狀、方向和壓力的各種屬性。
[0023]圖3是兩根手指與電容式觸摸屏進行接觸所導致的傳感器上的電容變化的圖表。 圖3示出了傳感器的電容在與兩根手指接觸的地方(即有效節點)發生改變。在該示例中， 未觸摸傳感器(即無效節點)的數量明顯大于被觸摸傳感器(即有效節點)的數量。
[0024]圖4a至圖4c是電荷轉移技術的原理圖。如圖4a至圖4c所示，電荷轉移的實現分為兩個階段:預充電階段和轉移階段。在圖4a所示的預充電階段中，用已知電壓源￥&& 對電容器C進行充電，以便在穩定狀態下，電荷Q等于Q= (Vdrive*C),如圖4b所示。在圖4c 所示的轉移階段中，基準電容器CMf與C并聯連接，以便C上的電荷被轉移到CMf上。Cref上的電壓是^^_。根據總電荷守恒定律，我們得到:
[0025]方程式2) Vdrive*C=Vsense (C+Cref)
[0026]其可以重新整理為:
[0027]方程式3 ) Vsense=C/ (C+Cref) *Vdrive
[0028]在這種情況下，因為C,ef > > C，我們得到:[0029]方程式4 ) Vsense= (C/Cref) *Vdrive
[0030]方程式4使得能夠將傳感器的電容C估算為驅動電壓VdHve、感測電壓Vsense和基準 電容CMf之間的比例關系。在本發明的一個實施例中，此關系連同其他關系一起用于確定 在電容式觸摸屏上何處進行接觸。
[0031]圖5中示出了使用電荷轉移來確定傳感器的電容的替代方法。利用了運算放大器 502并且倒轉了 Vsense的極性。這種使用電荷轉移來確定傳感器的電容的方法也提供了驅動 電壓Vtwv6、感測電壓Vsense和電容C之間的比例關系:
[0032]方程式5 ) Vsense=gCVdrive，其中 g 是常數。
[0033]圖6是根據本發明的一個實施例的離線基線電容統計識別電路的方框圖。在該實 施例中，當與電容傳感器沒有進行物理接觸時，離線基線電容統計識別電路602測量電容 傳感器的感測電容Cs。因為與電容傳感器沒有進行物理接觸，所以感測電容Cs等于基線電 容CP。基線電容Cp的值被輸出以創建基線電容Cp統計信息。
[0034]在本發明的該實施例中，為電容式觸摸屏上的每個電容傳感器計算基線電容Cp統 計信息。另外，針對電子設備可以操作的所有可能狀態為每個電容傳感器計算電容Cp統計 信息。例如，可以在電子設備(如蜂窩電話)充電過程中確定該設備的基線電容Cp統計信息。 在另一示例中，可以在用靠近人臉的電話通話的過程中確定電子設備(如蜂窩電話)的基線 電容Cp統計信息。在進一步的示例中，可以在電話合理地遠離人臉的電話通話過程中確定 電子設備(如蜂窩電話)的基線電容Cp統計信息。
[0035]在本發明的一個實施例中，離線基線電容統計識別電路為電容式觸摸屏上的每個 單獨傳感器創建基線電容Cp的高斯混合模型。高斯混合模型包括與每個單獨傳感器關聯 的基線電容的平均值、方差和權重。然而，其他統計模型也可以被用于表征基線電容Cp。
[0036]在本發明的另一實施例中，圖7中所示的在線基線電容校準電路702從感測電容 Cs中去除基線電容CP，并更新每個電容傳感器的基線電容Cp。感測電容Cs與從離線基線電 容統計識別電路602獲得的基線電容統計706進行比較。如果當前電容測量被分類為基線 電容Cp (即不存在與電容傳感器的物理接觸)，則背景/前景電容分類器704不會輸出前景 電容Cf到觸摸檢測電路。相反，當前感測電容Cs被保存為基線電容CP，并且基線電容統計 706被更新。當感測電容Cs被分類為前景電容Cf (即與電容傳感器進行物理接觸)時，前景 電容Cf被輸出到觸摸檢測電路。
[0037]圖8是根據本發明的一個實施例作為時間和蜂窩電話狀態的函數的基線電容Cs 的圖表。在此示例中，蜂窩電話從0秒到大約120秒處于正在充電的狀態。當沒有與電容 傳感器進行接觸802時，感測電容Cs大約為100皮法(pF)。因此，背景/前景電容分類器 704不會輸出前景電容Cf到觸摸檢測電路。相反，當前感測電容Cs被保存為基線電容CP， 并且基線電容統計706被更新。
[0038]當蜂窩電話處于正在充電的狀態并且與電容傳感器進行物理接觸804時，感測電 容Cs在其峰頂大約為108皮法(pF)。因為與電容傳感器進行物理接觸，所以背景/前景電 容分類器704將感測電容Cs作為前景電容Cf輸出到觸摸檢測電路。在這種情況下，不更新 背景模型。
[0039]同樣在此示例中，蜂窩電話從120秒到350秒處于正在用于打話的狀態。在此期 間的一個點處，當沒有與電容傳感器進行接觸802時，感測電容Cs大約為110皮法(pF)。因此，背景/前景電容分類器704不會輸出前景電容Cf到觸摸檢測電路。相反，當前感測電 容Cs被保存為基線電容CP，并且基線電容統計706被更新。
[0040]當蜂窩電話處于正在用于打電話的狀態并且與電容傳感器進行物理接觸804時， 感測電容Cs在其峰頂約為118皮法(pF)。因為與電容傳感器進行物理接觸，所以背景/前 景電容分類器704將感測電容Cs作為前景電容Cf輸出到觸摸檢測電路。
[0041 ] 在此示例中，單獨電容傳感器的基線電容Cp統計被存儲用于每個狀態，即充電時 間狀態和電話通話時間狀態。如圖8所示，對于每個傳感器，背景/前景電容分類器704在 無觸摸(即沒有物理接觸)時間期間收集和更新基線電容Cp統計，并且當在該傳感器上檢測 到觸摸時停止更新。從電容式觸摸屏的角度來看，針對那些遠離發生接觸的位置的電容傳 感器進行基線電容校準，并且針對那些靠近發生接觸的地方的節點停止基線電容校準。
[0042]因為僅在進行接觸時輸出Cf，所以觸摸檢測電路被較不頻繁地觸發，并因此減少 電子設備上的功耗。另外，由于當與電容傳感器進行接觸時本發明的該實施例停止更新基 線電容Cs信息，因此由持久接觸誘發的電容不會被分類為基線電容Cp。
[0043]在這些狀態期間，針對電容式觸摸屏上的所有電容傳感器獲得基線電容Cp統計。 例如，所存儲的統計可以是高斯混合模型。高斯混合模型包括在電子設備使用的每個狀態 期間每個電容傳感器的基線電容Cp的平均值、方差和權重。因為在電子設備的壽命期間可 以為電容式觸摸屏上的每個電容傳感器收集統計信息，所以可以以實時方式解決基線電容 Cp的老化、操作和環境變化。
[0044]圖9是示出一種確定電容式觸摸屏上的電容傳感器的基線電容Cp的統計模型的 方法的流程圖。在該實施例中，在902處測量電容式觸摸屏上的電容傳感器的感測電容Cs。 接著，在904處確定電子設備(如蜂窩電話)的操作狀態。該操作狀態可以是例如當電子設 備正在充電時，或者該狀態可以是當電子設備上進行電話交談時。在確定電子設備的狀態 后，該方法在906處確定是否與電容傳感器進行物理接觸(例如觸摸)。
[0045]當沒有與電容傳感器進行物理接觸時，在908處保存所測得的感測電容Cs的值作 為基線電容Cp。此基線電容Cp與其他先前存儲的基線電容Cp —起使用來為特定的電容傳 感器創建基線電容Cp的統計模型。在當前基線電容Cp被存儲后，該方法在開始902處啟動 測量該電容傳感器的感測電容Cs，或者啟動測量另一電容傳感器的感測電容Cs。
[0046]如步驟910所示，當與電容傳感器進行物理接觸時，從測得的感測電容Cs中減去 基線電容Cp的值以得到前景電容Cf，其中Cf=Cs - CP。然后，如步驟912所示，前景電容Cf 被發送到觸摸檢測電路。在前景電容Cf被發送到觸摸檢測電路后，該方法在開始902處啟 動測量該電容傳感器的感測電容Cs，或者啟動測量另一電容傳感器的感測電容Cs。
[0047]為了說明和描述的目的，已經呈現了前面的描述。其目的不是窮舉或限制本發明 到所公開的精確形式，且根據上述教導，其他修改和變化都是可能的。選擇和描述各實施 例，以便最好地解釋適用原則及其實際應用，從而使本領域技術人員能夠最好地利用適合 于預期的特定用途的各種實施例和各種修改。預期所附權利要求書被解讀為包括除了現有 技術限制的實施例以外的其他替代實施例。
【權利要求】
1.一種確定基線電容Cp的統計模型的非瞬時性機器實現方法，其包括:測量電容傳感器的感測電容Cs，其中所述電容傳感器位于電容式觸摸屏上，其中所述電容式觸摸屏位于電子設備上；確定所述電子設備的狀態；當與所述電容傳感器不進行物理接觸時，基于所述電子設備的狀態存儲所述感測電容 Cs的值作為基線電容Cp ；重復前面的步驟。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述電子設備的狀態是從由在對所述電子設備充電、在所述電子設備靠近人臉的電話通話過程中和在所述電子設備充分遠離人臉的電話通話過程中組成的群組中選擇的。
3.根據權利要求1所述的方法，其中所述電子設備是從由蜂窩電話、手持個人計算機、 平板個人計算機、便攜式個人計算機、監視器和電視組成的群組中選擇的。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述基線電容Cp的所述統計模型是高斯混合模型。
5.根據權利要求1所述的方法，其中在所述電子設備的制造過程中計算基線電容Cp的所述統計模型。
6.根據權利要求5所述的方法，其中在所述電子設備的操作過程中重新計算基線電容 Cp的所述統計模型。
7.一種創建基線電容Cp的統計模型的非瞬時性機器實現方法，其包括:測量電容傳感器的感測電容Cs，其中所述電容`傳感器位于電容式觸摸屏上，其中所述電容式觸摸屏位于電子設備上；確定所述電子設備的狀態；當與所述電容傳感器不進行物理接觸時，基于所述電子設備的狀態存儲所述感測電容 Cs的值作為基線電容Cp ；當與所述電容傳感器進行物理接觸時，從感測電容Cs的值中減去所述電容傳感器的所述基線電容Cp的值，并且發送其結果Cf= (Cs - Cp)到觸摸檢測電路；重復前面的步驟。
8.根據權利要求7所述的方法，其中所述電子設備的狀態是從由在對所述電子設備充電、在所述電子設備靠近人臉的電話通話過程中和在所述電子設備充分遠離人臉的電話通話過程中組成的群組中選擇的。
9.根據權利要求7所述的方法，其中所述電子設備是從由蜂窩電話、手持個人計算機、 平板個人計算機、便攜式個人計算機、監視器和電視組成的群組中選擇的。
10.根據權利要求7所述的方法，其中所述基線電容Cp的所述統計模型是高斯混合模型。
11.根據權利要求7所述的方法，其中在所述電子設備的制造過程中計算基線電容Cp 的所述統計模型。
12.根據權利要求11所述的方法，其中在所述電子設備的操作過程中重新計算基線電容Cp的所述統計模型。
13.一種用于確定基線電容Cp的統計模型的裝置，其包括:電容分類器電路，所述電容分類器電路具有第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端和第二輸出端；基線電容統計電路，所述基線電容統計電路具有連接到所述電容分類器電路的所述第一輸出端的輸入端和連接到所述電容分類器電路的第二輸入端的輸出端；其中電子設備上的電容式觸摸屏上的電容傳感器的感測電容Cs的值是由所述電容分類器電路的所述第一輸入端感測的；其中所述電子設備的狀態是由所述電容分類器電路確定的；其中當與所述電容傳感器不進行物理接觸時，所述感測電容Cs的值被從所述電容分類器電路的所述第一輸出端發送到所述基線電容統計電路的所述輸入端，其中所述感測電容 Cs被存儲在所述基線電容統計電路中，以更新在所述電子設備的狀態過程中確定的基線電容Cp;其中當與所述電容傳感器進行物理接觸時，所述電容傳感器的所述基線電容Cp的值被從感測電容Cs的值中減去，并且其結果Cf= (Cs - Cp)被從所述電容分類器電路的所述第二輸出端發送到觸摸檢測電路。
14.根據權利要求13所述的裝置，其中所述電子設備的狀態是從由在對所述電子設備充電、在所述電子設備靠近人臉的電話通話過程中和在所述電子設備充分遠離人臉的電話通話過程中組成的群組中選擇的。
15.根據權利要求13所述的裝置，其中所述電子設備是從由蜂窩電話、手持個人計算機、平板個人計算機、便攜式個人計算機、監視器和電視組成的群組中選擇的。
16.根據權利要求13所述的裝置，其中所述基線電容Cp的所述統計模型是高斯混合模型。
17.根據權利要求13所述的裝置，其中在所述電子設備的制造過程中計算基線電容Cp 的所述統計模型。
18.根據權利要求13所述的裝置，其中在所述電子設備的操作過程中重新計算基線電容Cp的所述統計模型。
【文檔編號】G06F3/044GK103488360SQ201310216861
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年6月3日 優先權日:2012年6月7日
【發明者】C·E·羅, E·博卡 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司