電容式感測系統中目標對象耦合到饋入線路的補償的制作方法

本申請案主張2014年6月26日申請的共同擁有的美國臨時專利申請案第62/017,671號的優先權；所述案出于所有目的而以引用的方式并入本文中。

技術領域

本發明涉及電容式感測系統及操作此系統的方法，特定地說，涉及所述電容式感測系統中目標對象電容耦合到饋入線路的補償。

背景技術：

集成電路(又稱為由Applicant所制造的MGC3130)是高度靈敏電容式感測技術，其靈敏度顯露在本發明中所解決的問題。關于技術的各種應用筆記可在Applicant的網站上下載，例如，由Microchip Technology公司2013年發表的應用筆記“MGC3130-Sabrewing Single-Zone Evaluation Kit User's Guide”以引用的方式并入本文中。

此集成電路與各種電極耦合，用于產生交流電場，例如使用饋送到發射電極的100kHz方波信號。使用多個接收電極來感測所產生的電場中的失真，且處理所接收的信號以計算對象(例如進入檢測場的手指或手)的三維位置。

集成電路與電極之間的饋入線路可在此系統中引起非想要的額外電容耦合。其它基于電容式感測系統(例如一維(例如按鈕)或二維(例如觸摸板)感測系統)可面臨類似問題。

技術實現要素：

因此，在電容式傳感器系統中，需要一種對所感測的信號的改進解耦或評估。

根據一實施例，一種輸入裝置可包括經配置用于電容式感測的一或多個電極、電子電路、連接所述電極與所述電子電路的一或多個導電饋入線路，其中所述裝置經配置以根據來自另一電極的至少一個其它信號而增加或減小經由關聯饋入線路從電極中的至少一者接收的信號。

根據又一實施例，關聯饋入線路可經繞線成至少部分與另一電極平行。根據又一實施例，所述關聯饋入線路可經繞線于另一電極附近。根據又一實施例，輸入裝置可進一步包括經連接到電子電路的一或多個額外饋入線路，所述饋入線路不與任何電極連接，其中通過所述一或多個額外饋入線路產生至少一個其它信號，其中所述一或多個額外饋入線路各自操作為電極。根據又一實施例，額外饋入線路可經布置于另一饋入線路附近。根據又一實施例，額外饋入線路可至少部分與另一饋入線路平行延伸。根據又一實施例，額外饋入線路可經布置于另一電極附近。根據又一實施例，輸入裝置可包括模擬電路，以接收、放大及過濾信號。根據又一實施例，所述輸入裝置可包括數字電路以處理所接收的信號。根據又一實施例，電子電路可包括處理器，所述處理器經配置以計算三維檢測空間內的對象的位置，或從所接收的傳感器信號檢測所述對象的運動模式或示意動作。根據又一實施例，電極可被分成多個片段，且饋入線路經繞線于至少兩個電極片段之間，其中所述電極片段是經由連接線路電連接。根據又一實施例，可通過接收自所述多個片段電極的以補償因子倍增的信號來校正來自與經繞線于至少兩個電極片段之間的饋入線路連接的電極的信號。

根據另一實施例，一種用于補償在電容式傳感器系統(包括經由一或多個導電饋入線路與電子電路耦合的一或多個電極)中寄生電容耦合作用的方法可包括：根據來自另一電極的至少一個其它信號，而增加或減小經由關聯饋入線路從電極中的至少一者接收的信號的步驟。

根據又一實施例，所述方法可進一步包括繞線關聯饋入線路與另一電極平行。根據又一實施例，所述方法可進一步包括繞線關聯饋入線路在另一電極附近。根據又一實施例，所述方法可進一步包括布置經連接到電子電路的一或多個額外饋入線路，所述饋入線路不與任何電極連接，其中通過所述一或多個額外饋入線路產生至少一個其它信號，其中所述一或多個額外饋入線路各自操作為電極。根據所述方法的又一實施例，額外饋入線路可經布置在另一饋入線路附近。根據所述方法的又一實施例，額外饋入線路可經布置在另一電極附近。根據所述方法的又一實施例，額外饋入線路可至少部分與另一饋入線路平行延伸。根據又一實施例，所述方法可進一步包括通過模擬電路來增加或減小信號的步驟。根據又一實施例，所述方法可進一步包括通過數字電路來增加或減小信號的步驟。根據又一實施例，所述方法可進一步包括從所接收的傳感器信號計算三維檢測空間內的對象的位置。根據又一實施例，所述方法可進一步包括將電極分成多個片段，且將饋入線路繞線在至少兩個電極片段之間，其中所述電極片段是經由連接線路電連接。根據又一實施例，所述方法可進一步包括通過接收自多個片段電極的以補償因子倍增的信號校正來自電極的信號，所述電極與饋入線路連接且繞線于至少兩個電極片段之間。

附圖說明

圖1：電極S是與饋入線路FS連接，所述饋入線路FS繞線在電極W外。

圖2：電極S是與饋入線路FS連接，所述饋入線路FS繞線在電極W內。

圖3：對象F位于近電極S與W處，具有相應的耦合C_FS與C_FW。

圖4：對象F位于電極W上方與饋入線路FS上方，具有耦合C_FW及寄生耦合C_FFS。

圖5：對象F位于系統中間，其與具有相應的耦合C_FN、C_FS及C_FW的電極N、S及W相互作用。

圖6：對象F位于饋入線路FN、FS及FW上方，具有相應的寄生耦合C_FFN、C_FFS及C_FFW。

圖7：不連接到電極的額外饋入線路FD與其它饋入線路FN、FS、FW及FE平行。

圖8：對象F位于系統中間，其與具有相應的耦合C_FN、C_FS及C_FW的電極N、S及W相互作用，而不直接與饋入線路FD相互作用。

圖9：對象F位于具有相應的寄生耦合C_FFN、C_FFS、C_FFW及C_FFD的饋入線路FN、FS、FW及FD上方。

圖10：虛擬饋入線路隨同南饋入線路一起延伸。

圖11：電極W被分為W1與W2兩者，且饋入線路FN繞線在W1與W2之間。同樣地，饋入線路FE通過于被分為兩個區域S1與S2的電極S之間。饋入線路FS1與FS2在焊墊BP上結合，FW1與FW2同樣如此。

圖12：其中使用更多焊墊且在柔性PCB上的通孔FV用來連結FW1與FW2以及FS1與FS2的實例。

圖13：具有兩個虛擬線路的PCB的俯視圖。

圖14：展示與電容電極連接的饋入線路的寄生電容耦合。

圖15：展示實例，其中饋入線路繞線在接收電極下方。

圖16：展示用于相加或減去信號的電路的實例。

圖17：展示具有虛擬線路的電極設置的實例。

具體實施方式

使用電容式感測的人機接口裝置(HID)包括傳感器電極，所述傳感器電極常常形成于導電材料層(例如，銅條)中。此類電極是使用導電材料制成(可能相同)的所謂的饋入線路來電連接到檢測單元。所述檢測單元的測量值尤其取決于傳感器電極附近的目標對象(手指/手)的位置，其影響電極與目標之間的電容耦合，產生目標測量信號。在下文中，示范性檢測系統是基于-技術。然而，各種實施例并不限制于此系統，而可改進其它基于電容檢測系統的性能。

問題是，當不有效地屏蔽饋入線路使之免受目標對象影響時，所述饋入線路常常照樣被影響。運用具有少數層的構造(實例：單一層PCB或ITO玻璃)的屏蔽并不總是實用的。接著，目標對象影響測量值，甚至當所述目標對象位于其不應影響測量值的位置時。評估測量數據的信號處理算法通常假定系統模型，其中傳感器的測量取決于目標相對于傳感器電極的位置(但不在饋入線路上)，出于簡單與因此系統的穩健性的緣故。假設饋入線路未屏蔽，此類假定接著可變得錯誤，引起系統的性能降低。

圖14展示在手指與電極之間由對象(例如，手指)引起的典型的電容耦合，以及在手指與饋入線路之間的非所需的電容耦合，所述饋入線路連接電極到評估電路。

根據各種實施例，可通過在軟件(的小部分)中減去另一電極的測量值，來補償或至少部分補償目標對象與饋入線路之間的非所需耦合對測量數據的影響，所述另一電極假定為以與目標對饋入線路的類似方式被影響。此其它電極可為預存在電極或出于補償目的而特別地引入的虛擬或補償電極。

在所有圖式中，參考符號“B”是指固持電極的板或襯底。參考符號“F”是指待檢測對象，例如，手、手指或其它。參考符號“N、W、S及E”是指具有基本上有效表面的主要電極，所述電極意在與待檢測對象耦合。參考符號“IC”是指傳感器電路。參考符號“FN、FW、FS及FE”是指導電饋入線路，其電鏈接電極到傳感器電路。參考符號“FD”是指額外饋入線路。參考符號“FLEX”是指與表面結合固持電極的柔性PCB；其中運用標注為“BP”的結合墊完成結合。

圖1展示具有發射電極與多個檢測電極(例如，布置在印刷電路板B上)的使用交流近場檢測方法的典型的輸入裝置布置。然而，可應用其它襯底。頂端銅平面經圖案化以產生實際接收電極N、W、S及E。此外，饋入線路FN、FW、FS及FE經圖案化以連接所述接收電極與評估電路(例如GestIC MGC3130集成電路)。發射電極在圖1中未展示且通常是布置在印刷電路板的底部側上或中間層內。發射電極大致覆蓋接收電極N、W、S及E的整個區域。或者，發射電極還可在頂層的中心。發射電極可覆蓋由接收電極所定義的整個區域或甚至更大。根據其它實施例，發射電極無需覆蓋全部區域。僅覆蓋中心區域或所述中心區域的部分的發射電極將也可運作。

如圖1與2中所展示，可依取決于相應的繞線的不同方式來布置饋入線路FN、FW、FS及FE。例如，圖1展示用于接收電極S的饋入線路FS繞著接收電極W外部，而在圖2中路徑經選擇為沿著接收電極W內部。

圖3展示用戶的接近中手指F及其相對于接收電極W與S的相關聯電容耦合的作用。此耦合產生交流電場的不同衰減，且集成電路IC內的評估電路能夠從所接收的數據計算手指的位置。

可產生如圖4中所展示的問題情形。此處，手指F位于接收電極W上方。應注意，寄生耦合C_FFS出現在手指F與南饋入線路FS之間。此寄生耦合可導致類似于圖3的情形(其中手指與電極S及W兩者合理地耦合)的信號的錯誤解釋。

根據各種實施例，可提供下列解決方案：南電極S具有沿著電極W延伸的長饋入線路FS，所以可校正電極S信號，例如通過方程式(1)。

Scorr＝S-ksw^*W (1)

其中Scorr是經校正的S信號，且ksw是針對W對S的影響或針對手指與W或手指與FS之間的耦合的相似物的校正因子。還可運用更復雜的校正函數來計算Scorr，所述校正函數涉及(例如)具有一個以上單一因子k的多項式或任何其它線性或非線性函數，且不僅僅涉及W電極的信號。此在數學中通常被稱為空間映射技術。模擬電路可并入集成電路IC內以執行補償。圖16展示此電路的實例，此電路一般被稱為求和放大器，其中不同的權重與正負號被施加到不同的輸入信號V₁、V₂、V₃、V₄(對應于來自電極S、W、E或N的信號)，且其中經校正的輸出Scorr(基于或等于V_out)是加權和的結果。詳細描述可見于Microchips申請案筆記682、圖7及方程式5中，所述案的全文以引用的方式并入本文中。經連接到供應電壓的電容器是選用的。或者根據其它實施例，可使用數字電路，特定地說，韌體可執行相應的補償。

此處，詞“信號”可應用于不同的情形。術語“信號”可指通過一個饋入線路所攜載的電勢的交流電(AC)變動；且可運用差動放大器或反相放大器來反相并按比例調整所述“信號”。“信號”還可指在較長周期期間所觀察的一個饋入線路的平均AC振幅。此處，可運用模擬積分器電路來執行此平均。“信號”可指模擬轉數字轉換器電路的輸出。信號可指依據一組ADC值的數學計算的結果，如同數字解調或在集成電路中實施的級聯積分器梳形(CIC)濾波器的輸出，所述集成電路由Applicant制造且可稱為“MGC3130”。

如果饋入線路繞線在與電極相同的層上，那么手指對所述饋入線路的作用可包含一些誤差，此是因為僅存在一個手指位置用于完美補償。如果手指更接近饋入線路或更接近電極，那么補償誤差可發生。如果電極屏蔽與校正相關聯的饋入線路，那么此誤差可被保持為低。接著，將以相同方式影響電極與饋入線路兩者。圖15展示接收電極布置在頂層上的布置。或者，所述接收電極還可布置在中間層內。在如圖15中所展示的此實施例中，到東電極(E)的饋入線路(FE)經繞線在北電極(N)下方以保持此補償誤差較小。例如，如圖15中所展示，饋入線路FE及FS可經繞線在電極層下方的底層或中間層上。如在印刷電路制造技術中已知，通孔可用來切換為到另一層的繞線安排。

可運用額外饋入線路(FD)來獲得補償精確度的進一步改進，用某種方式布置額外饋入線路以重現饋入線路與對象的耦合；額外饋入線路與其它饋入線路共面并非強制的。額外饋入線路還可經限制以僅出現于饋入線路的經選擇區段，例如其中其它屏蔽不實用或與其它信號的減法不給出最佳補償，因為饋入是在不同的位置上，如圖17中所展示。還可出于提供更精確量的校正的目的而調整額外饋入線路的表面，而無需電子手段。因此，額外饋入線路或若干饋入線路可在形狀上更寬或更窄。此外，根據一些實施例，可使用激光修整來調整相應的補償饋入線路的電容。根據其它實施例，還可在軟件中進行任何調整。圖7、10及17展示根據此布置的各種實例的透視圖。在圖13中展示組合圖7及10的補償饋入線路的俯視圖，其中分別用參考符號FD1與FD2標記所述補償饋入線路。圖10中的補償饋入線路FD與饋入線路FS平行延伸。運用圖13中的參考符號310來展示評估電路。根據一些實施例，可針對每一饋入線路提供補償饋入線路。然而，如圖13中所展示，第一補償饋入線路FD1可用于其中所有饋入線路平行延伸的區段的補償，且在圖13的實施例中，僅第二補償饋入線路FD2用于長饋入線路FN。如果對于一些情況饋入線路必須與其它電極分開繞線且因此接收不同信號，那么可使用額外虛擬線路(FD)。圖17展示使用虛擬饋入線路(FD)用于補償到東電極(FE)的饋入的此設置的補償。

圖8與9展示手指F在其接近傳感器裝置時的示范性電容耦合。圖8展示手指F接近在傳感器布置的主要檢測區域內及與主要接收電極的相應電容耦合。圖9展示手指F接近其中所有饋入線路連接到評估裝置IC的區域的位置及其電容耦合。

參考圖11與12揭示又一改進，其中臨界饋入線路FN與FE經繞線在電極W與S內。此類饋入線路的靈敏度輪廓因此很好地對應于電極W與S的靈敏度。因此，接收電極W與S被分成兩個，但通過饋入線路電耦合在一起。可在圖11的實施例中的頂層上執行分裂電極W1、W2及S1、S2的耦合。或者，如圖12中所展示，耦合可經布置在底端(虛線跡線)或任何中間層上。

圖11的實施例還展示用于連接纜線220的焊墊210，特定地說，如果評估裝置未布置在印刷電路板B上的帶式纜線或柔性平坦連接纜線。根據其它實施例，特定地說，如圖1到10、13、15及17中所展示，當評估裝置經布置在印刷電路板上時，底層可用來連接饋入線路與集成電路IC。圖11及12中的連接虛線展示此互連。