CN101283507B - 保护用于接近性检测的电荷转移电容传感器的方法和*** - Google Patents

Abstract

描述方法、***和装置用于在具有多个感测电极和至少一个保护电极的传感器中确定用于接近性检测的可测量电容。执行电荷转移处理，执行的数目等于至少两次。电荷转移处理包括利用第一开关将预定电压施加到多个感测电极中的至少一个，利用第二开关将第一保护电压施加到至少一个保护电极，共享在多个感测电极中的至少一个和滤波电容之间的电荷，以及将不同于第一保护电压的第二保护电压施加到至少一个保护电极。对滤波电容测量电压，测量的数目等于至少一次，以产生至少一个结果来确定用于接近性检测的可测量电容。

Description

保护用于接近性检测的电荷转移电容传感器的方法和***

优先权数据

本申请要求于2005年6月3日提交的美国临时专利申请序列号60/687,012、60/687,166、60/687,148、60/687,167、60/687,039和60/687,037以及2006年2月16日提交的序列号60/774,843的优先权，并且在此将它们引入以供参考。

技术领域

本发明一般涉及电容感测，并且更加特别地涉及利用转换的电荷转移技术能够检测可测量电容的装置、***和方法。

背景技术

响应电荷、电流或电压的电容传感器/感测***可以用于检测位置或接近性(或运动或存在或一些类似信息)，并且一般用作计算机、个人数字助理(PDA)、媒体播放机和记录器、电视游戏计算机、消费电子设备、蜂窝电话、投币式公用电话、销售点终端、自动柜员机、公用电话亭等的输入装置。电容感测技术用在例如用户输入按钮、滑动控制、滚动环、滚动带和其它类型的输入和控制的应用中。在这种应用中所使用的一种类型的电容传感器是按钮型传感器，其可以用于提供关于输入接近性或存在的信息。在这种应用中所使用的另一类型的电容传感器是触摸板传感器，其可以用于提供关于输入的信息，例如位置、运动；和/或沿着一个轴(1-D传感器)、两个轴(2-D传感器)或更多轴的类似信息。按钮型传感器和触摸板传感器还可以任选地被配置以提供另外的信息，例如与输入相关联的力、持续时间或电容耦合量的一些指示。基于电容感测技术的1-D和2-D触摸板传感器的实例在Trent等人的美国公布申请2004/0252109A1和在1999年3月9日授权给Gillespie等人的美国专利号5,880,411中有所描述。例如，在包括手持型计算机和笔记本型计算机的电子***的输入装置中容易发现这种1-D和2-D传感器。

用户一般通过在位于输入装置之上或输入装置之中的一个或多个传感器的感测区域中放置或移动一个或多个指状物、触针和/或物体靠近输入装置来操作电容输入装置。一旦载波信号施加到可以被检测的感测区域和关于感测区域与激励/刺激的位置信息(例如一个(或多个)位置、接近性、一个(或多个)运动和/或类似信息)相关，这就会产生电容效应。该位置信息可以又用于选择、移动、滚动或操作显示屏上的文本、图形、指针、高亮部分和/或任何其它指示器的任意组合。该位置信息还可以用于能够使用户与接口相互作用，例如控制音量、调节亮度、或实现任何其它的目的。

尽管已经广泛采用了电容传感器，但是传感器设计者仍继续寻找提高传感器的功能性和效能的方式。尤其是，工程师继续争取减少寄生噪声对这种传感器的影响。例如，许多电容传感器当前都包括屏蔽感测区域使之不受到外部噪声信号和内部噪声信号影响的地平面或其它结构。虽然在粗略恒定电压上保持的地平面和其它类型的屏蔽可以有效地防止一些寄生噪声干扰传感器操作，但它们也可以例如通过增加寄生电容来减小传感器分辨率或增加寄生效应。因此，这种装置的性能决不是理想的。

因此，希望提供用于快速地、有效地且高效地检测可测量电容同时防止由寄生噪声信号和/或增强分辨率产生的至少一些不利效应的***和方法。而且，希望创建一种可以利用容易获得的部件例如标准℃、微控制器和无源部件实施的方案。结合附图和前述的技术领域和背景技术，从随后的详细描述和所附的权利要求中，其它希望的特征和特性将是显而易见的。

发明内容

描述这样的方法、***和装置，用于在具有多个感测电极和至少一个保护电极(guarding electrode)的传感器中确定用于接近性检测的可测量电容。电荷转移处理执行至少两次。电荷转移处理包括利用第一开关将预定电压施加到多个感测电极中的至少一个，利用第二开关将第一保护电压施加到至少一个保护电极，共享在多个感测电极中的至少一个和滤波电容之间的电荷，以及将不同于第一保护电压的第二保护电压施加到至少一个保护电极。在滤波电容上测量电压，测量数目等于至少一次，以产生至少一个结果从而确定用于接近性检测的可测量电容。

利用这里描述的技术，保护电容检测方案可利用容易获得的部件便利地实施，并且在感测实施按钮、滑块、光标控制、或用户接口导航功能或任可其它功能的指状物、触针或与电容传感器相关的其它物体的位置方面尤其有用。

附图说明

在下文将结合以下附图描述本发明的各个方面，其中相同的附图标记表示相同的元件，以及：

图1A是用于利用具有保护的转换电荷转移技术检测电容的示范性技术的流程图；

图1B是包括保护电路的示范性电容接近传感器的方块图；

图1C是关于用于操作具有图1B保护电路的电容接近传感器的示范性技术的定时图；

图2A-B是施加到保护电极的示范性保护信号的定时图。

图3A-E是用于产生保护信号的保护电压的示范性电路的方块图；

图4A-E是用于产生保护信号的保护电压的示范性电路的更详细方块图；和

图5是具有电子***的接近传感器装置的示意图。

具体实施方式

以下详细描述本质上仅仅是示范性的且不是指限制本发明或本发明的应用和使用。此外，不是指由前述的技术领域、背景、发明内容或以下详细描述中提出的任何表达或理论暗示所限制。

根据各种示范性实施例，利用两个或多个开关容易设计电容检测和/或测量电路。而且，具有两个或多个保护电压的保护信号可以利用一个或多个另外的开关和一个或多个无源电子网络(其可以是简单的导线或复杂的网络)施加到保护电极；这可以用于屏蔽传感器使之不进行不希望的电耦合，由此提高传感器性能。在典型的实施中，执行电荷转移处理重复两次或多次。在电荷转移处理中，利用一个或多个开关将预定电压施加到可测量电容，并且用第二开关将第一保护电压施加到保护电极，在无源网络中可测量电容与滤波电容共享电荷并且将第二保护电压施加到保护电极。利用这种电荷转移处理，多次施加预定电压和相关的电荷共享会影响滤波电容上的电压。滤波电容上的电压可以是表示滤波电容两端的电压的电路节点处的电压。滤波电容上的电压也可以是滤波电容本身两端的电压。电荷转移处理由此可以认为是在多次执行中将电荷粗略地“结合”到滤波电容上以便过滤滤波电容的“输出”电压。电荷转移处理可仅利用开关和无源元件例如电阻、电容和/或电感进行。在重复电荷转移处理一次或多次之后，测量滤波电容上的电压(其表示滤波电容上的电荷)。一个或多个测量可以用于产生一个或多个结果并确定可测量电容。滤波电容上电压的测量可以如同将滤波电容上的电压与阈值电压相比一样简单，或如同从滤波电容提取电荷和测量电压多次的多步骤模数转换一样复杂。利用这些技术，可以容易地设计能够检测指状物、触针或其它物体的存在或接近性的电容性位置传感器。另外，这里描述的保护的各个实施例仅利用常规的开关机构(例如，控制装置的信号管脚)和无源部件(例如，一个或多个电容器、电阻、电感等)容易实施，而不需要增加成本和复杂性的额外的有源电子器件。这里描述的各种保护技术可以使用与电荷转移感测技术类似的部件和方法。与多通道集成简单耦合，这提供了高效率实施的保护。结果，利用容易可获得的且适度定价的部件仍可在各种环境下便利可靠地实施这里描述的各种保护方案(和如果希望的话感测方案)，如以下更全面描述的。

现在参考图1A，示出了用于检测可测量电容的示范性技术800，其提供保护以屏蔽可测量电容使之不进行不希望的电耦合。该方法800使用转换的电荷转移来检测可测量电容，且尤其可应用到用于物***置检测的电容的检测。该技术适当地包括如下宽泛的步骤：用电压保护进行电荷转移处理(步骤801)两次或多次(如通过步骤810重复)并选择性地测量滤波电容上的电压以产生结果(步骤824)。电荷转移处理801包括将预定电压施加到可测量电容上(步骤802)。然后，将第一保护电压施加到保护电极上(步骤804)。在预定电压施加到可测量电容停止之前，优选提供第一保护电压。然后，由可测量电容和滤波电容共享电荷(步骤806)。在该上下文中的“共享”电荷指的是有源地转换以耦合可测量电容和滤波电容，有源地转换到***中的另一地方，以另外的方式指引电荷的转移，或通过静止或其它不活动无源地使电荷转移过阻抗。然后，将第二保护电压施加到保护电极(步骤808)。第二保护电压不同于第一保护电压，并且优选在电荷共享基本结束之前施加到保护电极。电荷转移处理对于电荷转移处理总数中至少两种性能重复至少一次(步骤810)，并且可重复许多次。可以重复电荷转移处理直至滤波电容上的电压超过阈值电压，直至和/或根据任一其它方案，处理801执行预定次数。每当电荷转移处理执行时，提供第一和第二保护电压来屏蔽不希望的电耦合。

测量滤波电容上的电压以产生结果(步骤824)可以发生在任何时间，包括在电荷转移处理之前、之后和期间。另外，每次重复，可以不测量滤波电容上的电压824，可以测量滤波电容上的电压824一次或多次，以便测量结果数与执行的电荷转移处理数可以是任意比，包括一比多、一比一和多比一。当滤波电容上的电压基本恒定时，优选测量滤波电容上的电压。在确定可测量电容的值时使用一个或多个测量结果。可以根据任意技术得到可测量电容的值。在各个实施例中，基于滤波电容上的电压(其表示滤波电容上的电荷)的测量、***中已知部件的值(例如，滤波电容)、以及电荷转移处理801被执行的次数来进行该确定。如在前刚提到的，执行处理801的具体次数可根据预定值、根据与阈值电压交叉的滤波电容两端的电压、或如合适的任何其它的因素来确定。

可以按照需要重复步骤802-808和步骤824(步骤810)。例如，在接近传感器实施中，对应于每个感测电极的可测量电容一般每秒确定多次。这提供了确定传感器附近物体的接近性、以及接近性的改变的能力，和由此便于在用户输入的器件中使用该处理。由此，对于每个感测电极可以以每秒高的速率重复该处理，以能够实现每秒进行可测量电容的许多次确定。

可以用任意方式执行处理800。在各个实施例中，通过存在于数字存储器(例如位于控制器内的或与控制器通信的存储器)、或任何其它数字存储媒质(例如，光盘或磁盘、传输在载波上的调制信号等)的软件或固件执行处理800。如上论述的处理800和其各个等效物和衍生物也可以用合适的任意类型的编程电路或其它逻辑执行。

施加第一和第二保护电压的步骤可以用各种不同的技术和装置实施。例如，可以利用转换机构和无源部件(例如，一个或多个电容器、电阻、电感等)提供保护电压，而不需要增加成本和复杂性的额外有源电子器件(尽管包括DAC和跟随器这样的有源电子器件可以用于以低阻抗提供恰当的保护电压)。

现在最初参考图1B，示范性电容传感器100适当地包括三个感测电极112A-C和一个保护电极106。感测电极112A-C分别直接耦合到开关116-C。感测电极112-C还分别通过无源阻抗108A-C直接与滤波电容(“集成电容”或“集成滤波器”)110(C_F)耦合。还示出了滤波电容110直接耦合到开关118。保护电极106耦合到包括无源保护网105和一个或多个开关114的保护电压产生电路104。保护电压产生电路104提供适当的保护信号(V_G)103。而且如图1B所示的是刺激源101，其不是电容传感器100的一部分且由电容传感器100检测。尽管图1B示出了一个触针，但刺激源101可以是一个或多个指状物、触针、物体等。

尽管图1B示出了传感器100的具体配置，但应该理解的是可以有许多其它配置。电容传感器100的其它实施例可包括对于传感器合适的任意数量的感测电极、保护电极、滤波电容、无源阻抗、开关、保护电压产生电路和控制器。它们还可以是适合于传感器的任意比；例如，在如由使用的感测方案允许的多比一、一比多、一比一或多比多配置中，感测电极还可耦合到具有或没有无源阻抗的滤波电容。应当注意，虽然图1B示出了所有利用控制器102的I/O实施的开关114、116A-C和118，但这仅是一个示例性实施例，并且这些和其它开关可以用包括不同于任何控制器的分立开关的各种不同装置实施。作为另外的实例，传感器可使用由单条导线或更复杂的电路网络构成的无源保护网，或者传感器也可利用单个开关或多个开关(其可包括利用控制器、多路复用器、数模转换器(DAC)等的一个或多个I/O，因为每个多路复用器或DAC都包括多个开关)提供保护信号。可以用多种方式使用开关以提供保护信号，包括关闭开关、打开开关或以其它一些方式(例如，PWM和脉冲编码调制)启动它。因此，可以通过关闭开关以及通过打开开关施加电压，这取决于电路如何布置。也可使用另外的模拟部件(例如，用以缓冲无源保护网105的输出)。

感测电极112A-C提供可测量电容，其值表示与刺激源101有关的电场的变化。每个可测量电容代表由电容传感器100可检测的相关感测电极112A-C的有效电容。在“绝对电容”检测方案中，可测量电容代表从感测电极到***的局部接地的总有效电容。在“转移电容(trans-capacitance)”检测方案中，可测量电容代表感测电极与一个或多个驱动电极之间的总有效电容。由此，总有效电容可以是相当复杂的，涉及如由传感器设计和工作环境定义的串联和并联的电容、电阻和电感。然而，在许多情况下，可以简单模拟来自输入的可测量电容作为与固定的背景电容并联的小变化电容。

为了确定可测量电容，利用任意数量的开关114、116A-C将适当的电压信号施加给各个电极106、112A-C。在各个实施例中，开关114、116A-C的操作通过控制器102(其可以是微处理器或任意其它控制器)控制。通过利用开关116A-C施加恰当的信号，可以确定由电极112A-C(分别)显示的可测量电容。而且，通过利用开关114施加恰当的信号，可以产生合适的保护电压以产生放置在保护电极106上的保护信号103，以在传感器100的工作期间屏蔽可测量电容使之不受到不希望的噪声和其它寄生信号的影响。

保护电极106是能够展示施加的包括保护信号103的保护电压的任意结构，以防止与一个或多个可测量电容的不希望的电容耦合。尽管图1B示出了具有“梳状”外形的保护电极106，但为了便于说明示出了这种外形，并且在如可应用于传感器100的设计的任意数量的等效实施例中，保护电极106可以为任何其它形式或形状。例如，感测电极112A-C可以以一些其它图案布置或具有一些其它形状，并且保护电极106的形状可以被合适地布置。保护电极106还可以在一组感测电极的全部或部分周边的周围布线，以至少部分屏蔽该组不受环境的影响。保护电极106可以在至少一部分感测电极后面布线以屏蔽它们不受感测电极后面的任何电子器件的影响。保护电极106还可以在感测电极之间布线以屏蔽它们不受彼此的影响。保护电极不需要延伸在感测电极之间的全长或覆盖全部的感测电极以提供有用电平的保护。例如，保护电极106可以仅平行感测电极112A-C的一部分，或***感测电极112A-C的一些或全部。另外，如果使用“转移电容”检测方案，则保护电极106可在任意区域周围布线，在该区域中保护电极106会干扰感测电极112A-C和任意的驱动电极之间的电容耦合，例如感测电极112A-C和驱动电极之间的一些区域。如下所说明的，保护电极106和可测量电容之间的电容耦合可以经由开关114通过施加合适的保护电压控制。

在图1B所示的示范性实施例中，通过一个或多个电容器(例如任意数量的分立电容器)提供滤波电容110，以接收从感测电极112A-C转移的电荷。尽管所选择的具体滤波电容值将从一个实施例到另一个实施例是变化的，但每个滤波电容110的电容一般更大，或许比可测量电容的电容大仅一至两个数量级，但经常大几个数量级。例如，当可测量电容的希望值为几个皮法数量级等时，滤波电容110可设计为几个毫微法数量级。然而，滤波电容110的实际值可变化，这取决于特定的实施例。

尽管在图1B中示出了特定实例，但与保护结合的电容感测的原理可以施加在宽阵列的传感器结构100的两端。在图1B所示的示范性实施例中，每个感测电极112A-C，和由此每个相关的可测量电容，通过相关的无源阻抗108A-C耦合到共用滤波电容110。在合适的情况下，对于每个可测量电容，可选实施例可使用多个滤波电容和/或无源阻抗。可选实施例还可共享多个可测量电容之间的无源阻抗和/或滤波电容。当包括无源阻抗108A-C时，无源阻抗108A-C一般通过一个或多个非有源电子部件例如任意类型的二极管、电容器、电感、电阻等提供。通常设计每个无源阻抗108A-C具有足够大的阻抗以在可测量电容充电期间防止大量电流流入滤波电容110，如以下更全面描述的。在各个实施例中，阻抗108A-C可以是一百千欧姆或更多的数量级，尽管其它实施例可利用很不同的阻抗值。然而，再次，无源阻抗108A-C不需要存在于以其它方式实施电荷共享的所有实施例中。

传感器100的操作适当地包括电荷转移处理和由使用一个或多个开关116A-C、118易于实现的测量处理，同时利用开关114施加保护信号103。再次，尽管示出了利用控制器102的I/O实施开关114、116A-C和/或118，但开关114、116A-C和/或118可用任意类型的分立开关、多路复用器、场效应晶体管和/或其它开关结构实施，在此仅仅提出几个实例。可选地，一些开关114、116A-C、118可以用耦合到控制器102的输出管脚或输入/输出(I/O)管脚的内部逻辑/线路实施，如图1B所示。如果使用的话，这种I/O管脚还可以提供输入功能和/或另外的开关。例如，开关118可以用还连接到或包含控制器102内的输入能力的I/O 119实施。该输入能力可用于直接或间接地测量滤波电容110上的电压，并且包括多路复用器、比较器、磁滞阀值、CMOS阈值或模数转换器。这样的I/O管脚一般能够通过利用耦合到电源电压的内部开关可切换地应用一个或多个逻辑值和/或“高阻抗”或“开路”值。逻辑值可以是任意合适的电压或其它信号。例如，逻辑“高”或“1”值对应于“高”电压(例如，5伏)，逻辑“低”或“0”值对应于相对“低的”电压(例如，局部***接地，-5伏等)。选择和施加的特定信号可以从一个实施例到另一个实施例显著地变化，这取决于特定的控制器102、传感器配置和选择的感测方案。例如，电流源、上拉电阻或数模转换器(DAC)也可使用来提供适当的电压，并且可以在控制器102的外部或内部。

许多实施例的一个优点在于仅利用无源部件结合控制器102可以容易实施很通用的电容传感器100，控制器102是由一个或多个微控制器、数字信号处理器、微处理器、可编程逻辑阵列、集成电路、其它控制电路等的任意组合构成的常规数字控制器。许多这些控制器产品容易从包括亚利桑那州的Microchip Technologiesof Chandler；德克萨斯州的Freescale Semiconductor ofAustin；和德克萨斯州的TexasInstruments of Richardson等的各个商业源获得。控制器102可以包含数字存储器(例如，静态、动态或快闪随机存取存储器)，其可以用于存储用于这里包含的各种电容传感器的执行各种电荷转移处理程序所使用的数据和指令。在各个实施例操作期间，需要在传感器100的操作期间发生的仅在感测电极112A-C和它们相关的可测量电容上的电激励包含开关114、116A-C和118的操作；这种操作可响应包含在控制器102内的配置、软件、固件或其它指令而发生。

电荷转移处理，其一般重复两次或更多次，适当地包含利用第一开关施加预定电压(例如电源电压、电池电压、地或逻辑信号)以给可应用的可测量电容充电，然后在适当的情况下无源或有源地允许可应用的可测量电容与任意滤波电容(例如110)共享电荷。无源共享可以由电荷转移通过阻抗例如电阻实现，有源共享可以通过激励开关而实现，该开关将可应用可测量电容耦合到适当滤波电容。

预定电压通常是单个合宜的电压，例如电源电压、电池电压、数字逻辑电平、由电流源驱动的电阻、这些电压中任一个的分隔或放大形式等。预定电压值一般是已知的，并且一般保持不变；然而，都不需要是这种情况，只要预定电压与可应用滤波电容(例如110)上的测量电压保持比率量度(ratiometric)。例如，电容感测方案可以包含复位滤波电容到复位电压，以及还包含通过比较滤波电容一侧上的电压(相比复位电压)与阈值电压(也相比于复位电压)测量滤波电容上的电压。利用这种感测方案，预定电压和复位电压之间的差，以及阈值电压和复位电压之间的差，应保持大致相互成比例，执行电荷转移处理的平均会导致确定可测量电容。由此，由于在用于确定可测量电容的电荷转移处理执行期间从可测量电容到滤波电容共享的电荷，所以用于测量滤波电容上电压变化的阈值将与滤波电容上的电压变化成比例。尤其是，在预定电压为V_dd且复位电压为GND的情况下，阈值电压对于CMOS输入阈值可以是比率量度的，例如(1/2)*(V_dd-GND)。

图1B中所示的实例可以以如由图1C所示的方式工作。在由图1B-C所示的实施例中，每个开关116A-C施加具有“充电脉冲”201的预定电压，相比阻抗108A-C与滤波电容110的RC时间常数，该“充电脉冲”201一般具有相对短的周期，并且相比阻抗108A-C与其相关可测量电容的RC时间常数，优选具有相对短的周期。这使得在电荷转移处理期间添加到滤波电容110的电荷主要来自存储在有源可测量电容上的并且与滤波电容110共享的电荷，较少来自在施加预定电压期间通过相关阻抗(例如108A-C)流动的电流。这有助于防止过多的电流通过阻抗108A-C泄露。如图1C所示，在施加预定电压之前，每个充电脉冲201另外提供“相反的”“放电电压”(具有与预定电压相反的幅度的电压)的相对简短的持续时间。放电电压能补偿在电荷转移处理期间通过阻抗108A-C泄露的任何电流；这并不是所有实施例中需要的任选特征。在一个执行中或多个执行之间的预定电压中可以使用不只一个电压电平，并且这对于相反的电压也适用。然而，在许多情况下预定电压和相反电压(如果使用的话)具有基本不变的电压。

以下论述描述了用一个保护电极(例如106)、一个可测量电容(例如，与感测电极112A-C相关)、一个滤波电容110和通常一个无源阻抗(例如，108A-C)的操作。这是为了说明清楚，并且应该理解的是，多个可测量电容、无源阻抗和滤波电容可以包括在***中，并且它们可以串联(时间上至少部分或完全分开)或并联(时间上至少部分或完全重叠)工作。

在将预定电压施加至可测量电容之后，允许可测量电容与滤波电容共享电荷。为了允许可测量电容共享电荷，除了停止施加预定电压和中断足够的时间使电荷无源转移之外不需要任何操作。在各个实施例中，中断时间可相对短(例如，如果滤波电容直接连接到与小电阻串联的可测量电容的话)，或会出现一些延迟时间(例如，电荷转移通过与可测量电容、滤波电容和参考电压串联的较大的电阻)。在其它实施例中，允许电荷转移可包含停止施加预定电压和有源地激励一个或多个与控制器有关的开关以耦合可测量电容和滤波电容，和/或进行合适的其它操作。例如，利用“西格马-德耳塔”技术在其它实施例中会出现与滤波电容共享的电荷；例如在滤波电容经由可测量电容充电并由“德耳塔”电容(未示出)放电的处理中，反之亦然。作为另一实例，通过激励耦合且去耦合可测量电容与滤波电容或者耦合且去耦合滤波电容与电源电压的开关(未示出)会出现与滤波电容共享的电荷。在这样的实施例中，可不存在例如如图1B所示的108A-C所示的阻抗，可增加无源或有源元件，和/或如适当的由无源或有源元件代替。

其中利用一个或多个有源部件(例如，通过有源打开或关闭开关)会出现可测量电容和滤波电容之间共享电荷的电荷转移处理，清楚地表明与有源部件的这些激励共享周期的开始和结束。同样，其中通过激励开关至低阻抗参考电压，可测量电容直接连接到滤波电容一侧且耦合到滤波电容另一侧的电荷转移处理，也清楚地表明了共享周期的开始和结束。相反，无源共享电荷的电荷转移处理具有不太清楚的电荷共享周期表示。在无源共享电荷的***中，认为电荷共享周期在施加预定电压终止时开始；电荷共享周期必须在随后的充电脉冲开始(随后执行电荷转移处理)时或之前以及在滤波电容复位时或之前结束(如果使用复位并且表明一组电荷转移处理的结束)。共享周期可在随后的充电脉冲之前和在任何复位之前结束，因为电流流动在电压足够相似使得可忽略的电荷在可测量电容和滤波电容之间共享时有效地停止；这是经过足够的时间同时可测量电容和滤波电容相互耦合的情况。然而，即使在随后的充电脉冲或复位信号之前电压不是基本相等，电荷共享仍在充电脉冲或复位信号开始时结束。这是因为在滤波电容一直耦合到可测量电容的无源共享***中(例如在图1B的传感器100中)，施加充电脉冲或复位信号影响可测量电容和滤波电容之间的任何电荷共享。充电脉冲或复位信号的低阻抗路径指的是与滤波电容共享的可测量电容上的任何电荷可以忽略直至移除低阻抗源。

可在适合于所使用的传感器配置和感测方案的电荷转移处理的任意点进行测量处理，并且测量处理的性能数与适合于所使用的传感器配置和感测方案的电荷转移处理的性能可以是任意比。例如，测量处理可在可测量电容和滤波电容之间共享电荷使滤波电容上的电压位于离渐近线某些百分点内之后进行，或测量处理可在每次进行电荷转移处理时进行。相反，在施加预定电压时可进行测量处理(如果滤波电容恰当地防止在那时与可测量电容电荷共享)。可仅对于一组多次重复的电荷转移处理进行测量处理，或仅在多次重复已经发生之后进行测量处理。滤波电容上电压的测量可以如同将滤波电容上的电压与阈值电压相比一样简单(例如在“西格马-德耳塔”方案中)，或如同多步骤模数转换一样复杂(例如当进行已知数量的电荷转移处理且然后滤波电容上的电压读作多位值时)。例如在振荡器或滤波电容上的电压在低和高阈值之间驱动的其它双斜坡感测***中，以及在使用多阈值测量滤波电容上的电压的多位ADC中，也可以使用多阈值。可以进行一个或多个测量，并且如果合适的话就存储，以确定可应用的可测量电容。

可以在多篇文献中，在美国专利号5,730,165、6,466,036和6,323,846中以及在2006年6月3日由David Ely等人申请的标题为Methods and Systems for Detectinga Capacitance Using Switched Charge Transfer techniques和2006年6月3日由KirkHargreaves等人的Methods and Systems for Detecting a Capacitance Using Sigma-DeltaMeasurement Techniques的美国专利申请中，找到关于特定电容感测方案的更多细节。再有，在其它实施例中特定的电容感测技术和传感器结构100可显著地变化。

没有任何屏蔽或保护的***会受到环境的影响。因此，如在先前所述的，许多电容传感器包括地平面或屏蔽感测区域不受外部和内部噪声信号影响的其它结构。然而，地平面和保持在大约恒定电压下的其它类型的屏蔽决不是理想的，它们会增加寄生电容(或其它寄生阻抗和相关的电荷泄露)的效应并减小分辨率或动态范围。相反，驱动的低阻抗保护可以提供类似的屏蔽，而不会显著增加寄生电容的效应或减小分辨率。这是在执行导致确定可测量电容的电荷转移处理的过程期间通过减少穿过与任意保护电极有关的任何寄生电容转移到任何滤波电容上的电荷进行的。保护的电压可以通过使用来自电荷转移处理的输出提供，与保护的电压类似。可以提供该输出作为保护具有低阻抗的多个感测通道的缓冲器(或其它跟随器电路)的输入。可选地，这些保护电压还可以通过利用保护-电荷转移处理(为了保护目的执行的处理)直接提供，该保护-电荷转移处理固有地提供低阻抗的保护信号以便不需要另外的缓冲；该保护电荷转移处理还能与用于感测使用的电荷转移处理类似，但并不需要。

一般的电荷转移感测方案进行电荷转移处理多次(经常是几百次或更多)以产生用于确定可测量电容的测量。导致用于一个确定的测量的该组电荷转移处理在实施例之间变化。作为四个实例，该组对于充电到阈值的***可以在复位态和最终的阈值态之间；该组对于执行一组多个的电荷转移处理并读取一个或多个多位电压输出的***可以在初始态和最终的读取态之间；该组对于双斜面或振荡器***可以在低和高阈值之间；该组对于西格马-德耳塔***还可以是数字滤波器的采样长度。这组电荷转移处理限定了考虑总保护效应的组，或“执行电荷转移处理的过程会导致可测量电容的确定”。

为了减少在执行导致确定可测量电容的电荷转移处理的过程期间通过与保护电极有关的寄生电容转移到滤波电容上的净电荷，可以施加具有适当保护电压的保护信号。预定的充电电压施加到可测量电容会持续一些时间，且在该持续结束之前，与该预定电压相似的第一保护电压可以施加到适当的保护电极。由于预定电压一般是非常恒定的，所以第一保护电压一般可以是单一的大约恒定的电压。然后，在可测量电容和相关的滤波电容之间共享所有电荷之前(即，在电荷共享结束之前)，施加到保护电极的保护信号可改变到与相关滤波电容上的电压类似的第二保护电压。再有，尽管在该论述中使用了单数，但可以包含任意数量的保护电极、可测量电容、阻抗、滤波电容等。

在图1B所示的实施例中，在低阻抗路径上方提供保护电极106，在感测处理期间组成保护信号103的保护电压至少概略地接近有源电极(例如112A-C)上的电压。如果施加相当恒定的预定电压来充电可测量电容，则在完成施加预定电压之前施加到保护电极106的保护信号103可以包括与该预定电压相似的单一电压。然后，在滤波电容110与可测量电容之间的电荷转移结束之前(即，在共享周期结束之前)，施加到保护电极106的保护信号103可改变到与滤波电容110上的电压相似的保护电压。如果保护信号103改变到在电荷共享期间是基本恒定电压的第二保护电压并且多次执行电荷转移处理，则可以是近似滤波电容110上的电压所选择的电压。当在保护信号103中使用分立电压时该近似是适当的，因为滤波电容110上的电压在共享期间和在电荷转移处理重复之间改变。例如，施加到保护电极106的保护信号103的保护电压在可测量电容充电期间可设置到预定电压，然后从预定电压改变到合适的阈值电压(V_TH)和相关滤波电容110上的复位后电压之间的电压，以减少电荷的净转移。保护电极电压和感测电极电压之间的任何DC偏移不会影响电容耦合的保护的有效性，因为相似的电压摆幅(即，电压的相似变化)一般比施加的实际电压大，确保有效的保护。

保护信号(V_G)103的保护电压可用任意的方式产生。即使图1B-C中所示的实施例描述了由启动开关114施加电源电压的I/O产生的保护信号103，应该理解的是也可以是许多其它的实施例。例如，用于保护信号103的可选源，除了数字I/O之外，可包含分立开关、多路复用器、运算放大器(OP-AMP)、跟随器或ADC，利用电流和/或电压源，并且可与实施电荷转移处理的控制器隔开。另外，在各种等效实施例中还可以使用数模转换器、脉宽调制器等来产生保护信号103。另外，可以施加不同于由电荷转移处理使用的宽范围电压。例如，用于保护信号103的电压源(如果使用电压源，而不是电流或一些其它源)，甚至保护信号103的保护电压本身，可超出由预定电压和滤波电容复位电压限定的范围。还要明白，在具有多个保护电极106的***中使用一个或多个保护信号。另外，当感测电极处于不是用于感测的“无源的”时，可使用感测电极作为保护电极。

在图1B-C所示的实施例中，保护电极106连接到适当的保护电压产生电路104。保护电压产生电路104适当地包括一个或多个开关114，其实施为控制器102的I/O。尽管以下描述了保护电压产生电路104的特定实例(例如，结合图3A-E和4A-E)，但电路104是能够响应由开关114施加的信号在保护电极106上产生两个或多个不同值电压的任意合适的电路。在各个实施例中，电路104的无源保护网105用包括一个或多个常规的电阻、电感和/或电容器的常规无源阻抗电路(例如电压或阻抗驱动电路)实施。示出了无源保护网105直接连接到传感器100中的保护电极106；在其它实现中，开关、跟随器或其它元件可介于其间。

在一个实施例中，保护信号103包括接近等于与电荷转移处理有关的电压的电压。保护信号103包括接近施加到任意“有源的”感测电极的预定电压以在充电周期期间(例如，与可测量电容有关的一个或多个感测电极112A-C)给它们充电的“接近充电的电压”。保护信号103还包括近似等于在允许电荷共享时在共享周期期间与滤波电容110共享的任意“有源的”感测电极有关的电压的“接近共享电压”。在该实施例中，保护信号103在施加预定电压结束之前(即，在充电周期结束之前)开始将接近充电电压施加到保护电极106。接近充电电压还可以在其它时间施加，例如在整个充电周期期间或在充电周期的其它部分期间。何时施加接近充电电压是有灵活性，由于在那个周期期间驱动有源的感测电极(例如，112A-C)，并且可以忽略将保护电极106耦合到有源感测电极的寄生电容的影响。在任意有源感测电极(例如，112A-C)与有关的滤波电容110之间共享电荷结束之前，保护信号103改变以开始将接近共享电压施加到保护电极106。与施加接近充电电压类似，何时开始施加接近共享电压是有灵活性的。例如，当允许电荷在有源的感测电极(例如112A-C)之间或仅在该周期结束附近共享时可以在该周期的整个持续时间期间施加接近共享电压。为了使保护有效，当施加这两个接近的保护电压时，一般应提供相对低的阻抗。然而，当不施加这两个保护电压时，该保护不必一直用低阻抗驱动，尽管可减少作为保护的有效性。

可以以许多不同的方式补充或修改以上描述的和图1B所示的通用传感器和保护方案。在各个实施例中，包括的电容(未示出)可以包括在保护电压产生电路104中以临时存储从与感测电极112A-C有关的各个感测通道移除的电荷。在随后的操作期间该电荷会返回到合适的感测通道(一般回到电极112A-C本身)。所述的另一种方式，通过将所包括的电容上的电荷保持在相对恒定值(例如，通过利用开关114施加电信号)，可以减小在滤波电容110和包括的电容之间共享的电荷通过感测电极112A-C的净量。一般，设计包括的电容相比感测电极112A-C和保护电极106之间保护电容的具体总电容更大(至少一个数量级或更大)，并且通常比有关的滤波电容110大。在这种实施例中，低阻抗保护信号103由于包括的电容更大而相对免受与感测电极112A-C和任意其它电极耦合的影响。结果，如果感测方案有保证，则单个保护电极106可用于有效地屏蔽多个感测电极112A-C不受不希望的内部和外部的耦合，包括从一个感测通道到另一个感测通道的耦合。如所示的，甚至当用于产生保护电压的开关打开时，保护信号103也可以是低阻抗和有效的。除了这里描述的那些，也可进行许多其它增强或变更。例如，如果该输出是高阻抗的，则保护电压产生电路104的输出可有效地缓冲以提供对多个感测电极的保护。

参考图1C，示出了示范性的定时方案150，其适合于利用电荷转移感测的“切换RC时间常数”的方式操作图1B的传感器100。图1C所示的具体定时方案150主要应用到感测电极112A的可测量电容的感测。可执行相似的处理以测量与感测电极112B-C的可测量电容有关的电极上的电荷。应当注意，在各个可测量电容共享共同的滤波电容110的情况下，与感测电极有关的感测通道一般顺序地操作并且对于该特定实例不是同时的。然而，并行操作可以在等效实施例中进行，例如在每个可测量电容提供有其自己的滤波电容110，或例如编码或频率调制序列施加到了单独的感测通道的实施例中。

在定时方案150中示出的“切换的RC时间常数”感测处理期间，与感测电极112A有关的可测量电容利用开关116A提供有充电电压脉冲201。在该实施例中，开关116A利用控制器102的数字I/O实施。由于数字I/O一般提供逻辑高和低电压(例如，V_dd和GND)，所以施加具有预定电压V_dd的电荷电压脉冲很简单。在提供充电脉冲201之间，允许与感测电极112A有关的可测量电容经由无源阻抗108A放电到滤波电容110。这通过V_x117A(在耦合到开关116A的节点处对应于与感测电极112A有关的可测量电容上的电压)和V_F115(在耦合到I/O119的节点处对应于滤波电容110上的电压)的电压迹线示出。当在充电周期期间施加预定电压时Vx 117A升高到预定电压(例如，V_dd)，然后当可测量电容放电到滤波电容110中时在电荷共享周期期间随着由与感测电极112A和无源阻抗108A相关的可测量电容定义的时间常数而降低。同时，随着被与感测电极112A有关的可测量电容在共享周期期间充电，滤波电容110上的电压慢慢增加。在共享周期期间，V_x 117A和V_F 115接近同一值，因为两个各自的电容在共享电荷。在多数实施例中，共享周期将设置得足够长以能够使V_x 117A和V_F 115共享足够的电荷以便它们在共享周期结束时基本相同。这会使该***对定时变化不太敏感。

在前面的共享周期和随后的充电周期之间，将任选的“电流抵消”电压施加到可测量电容。控制“电流抵消”电压的定时以便从滤波电容110移除的“寄生”电荷的量几乎等于在充电周期期间通过无源阻抗108A加到滤波电容110的“寄生”电荷的量，并且在与滤波电容110共享之前可测量电容仍留在适当的充电电压处。对于无源阻抗108A这允许较小的值，并允许总体上更快的时间常数，而不会改变可测量电容电荷定时需求。

提供开关118的控制器102的输入/输出管脚119还测量了滤波电容上的电压115。I/O 119合适地包含或连接到比较器(其是可以用于提供信号位模数转换的一位量化器)、施密特触发器、CMOS阀值、和/或在开关118打开时能够测量各个时间(例如202A-C)的电压V_F 115的多位模数转换器部件。当比较器用于测量电压115时，V_TH可以概略等于高和低逻辑值之间的中点以简化该***。V_TH大概是具有简单的示范性CMOS阈值的高和低逻辑值之间的中点。

在图1C所示的具体实施例中，与感测电极112A有关的可测量电容被充电和放电直至滤波电容110上的电压V_F 115超过与I/O 119有关的阈值电压V_TH。当I/O 119感测到已通过阈值电压V_TH(由点202C表示)时，利用I/O 119的开关118提供复位信号203。开关118施加复位信号203，在电压V_F 115超过阈值电压V_TH之后，复位包含在滤波电容110上的电荷。图1C示出了紧接在共享周期之后和仅在电荷转移处理的一些重复已经发生之后开始(在复位滤波电容110之后)“读取”I/O 119，来测量滤波电容110上的电压。然而，如早先论述的，存在其它定时和频率选择用于测量滤波电容110上的电压并且在这里是预期的。例如，在电压V_F 115超过阈值电压V_TH之后，可以进行另外的电荷转移处理和/或进行另外的测量。

通过跟踪从施加复位信号203直至滤波电容110上的电压超过阈值电压V_TH进行的多次电荷转移循环，可以有效地确定可测量电容。也就是说，产生滤波电容110上的已知电荷量(例如，如由达到V_TH的滤波电容的测量节点处的电压所示的)进行的电荷转移处理的重复数可以有效地关联可测量电容的实际电容。同样，发生许多次电荷转移处理的振荡数或滤波电容110的复位也可以用于确定可测量电容。

图1B-C所示的实施例示出了复位信号203，通过设置将开关118耦合到局部***接地的滤波电容110的节点上的电压复位滤波电容110，以便将滤波电容的两侧设置为接地。响应于复位信号203，这可以在下降到V_RESET的迹线V_F 115中发现。在其它实施例中，滤波电容110的复位可以用多种方式完成，并且可利用的选择取决于传感器配置和所选的感测方案。在各个实施例中，可以使用复位信号203将滤波电容110的一侧，或滤波电容110两端的电压，设置到适合感测的合适的复位电压。滤波电容110的复位也可以通过将滤波电容110的一侧上的开关简单耦合到合适的电源电压来完成。可选地，在滤波电容110的两侧通过开关控制的情况下，通过在滤波电容110两侧上施加已知电压，滤波电容110上的电压可复位到预定值。另外，滤波电容110可以包括电容器网，来代替单一电容器，并且该网中的每个电容器可复位到不同的电压并且通过一个或多个开关控制，以便复位滤波电容110可涉及打开和关闭大量开关。

可周期性地、非周期性地、或以其它方式提供复位信号203，和/或在一些实施例中根本不提供复位信号203以“复位”传感器。然而，这样的***仍显示出认为是用于保护目的的“复位电压”。例如，利用RC网的其它实施例不具有用于相关滤波电容的有源复位的开关118(示于图1B中)的等效物。这种***可以代替地允许相关滤波电容上的电压以通过允许电荷转移通过无源阻抗足够量的时间接近认为是用于保护目的的“复位电压”。作为另一实例，利用振荡器或双斜坡转换的一些实施例利用交替的“充电”和“放电”电荷转移处理接近上和下阈值，并且根本不必复位；在这样的情况下，上或下阈值中之一或二者都认为是用于保护目的的“复位电压”。第三实例包括用于电容感测的西格马-德耳塔处理，其中西格马德耳塔量化器的输出大约保持在反馈阈值上，并且该反馈阈值认为是用于保护目的的“复位电压”。这些仅是其它***的几个实例，其他***没有被有源地复位，或甚至实际上复位，但仍显示出认为是用于保护目的的“复位电压”。

同样，预定的充电电压还可改变用于特定的感测***，但该***仍显示出认为是用于保护目的的“预定充电电压”。例如，利用“充电”和“放电”循环的实施例可具有两个或多个产生相对电荷转移的预定充电电压。在这些情况下，“充电”预定充电电压和“放电”预定充电电压可以用于定义保护信号103。

在各个实施例中，“阈值”电压由滤波电容上的A/D测量的电压(或代表滤波电容上的电压)或合适确定的任意其它电压来代替。通过跟踪电荷转移重复的数目和/或适合于被选感测方案的滤波电容上的最终电压，可以确定从可测量电容转移到滤波电容的电荷量。该电荷量对应于可测量电容的值。再有，可选实施例可利用其它的电荷转移方案，包括任意种类的西格马-德耳塔处理，由此滤波电容110经由可测量电容充电以及通过阻抗(未示出)的“德尔塔”电荷放电，反之亦然等等。

存在有效的保护信号103的许多选择，并且四个这种选择由迹线204(V_G0)、205(V_G1)、206(V_G2)和208(V_G3)示于图2A中。迹线204示出了“传感器匹配”选择。在施加预定电压步骤和利用转换的时间常数技术的传感器的电荷转移处理的电荷共享步骤期间，该“传感器匹配”选择可以用于使保护电极(例如106)上的电压与可测量电容上的预期电压(例如，感测电极112A上的电压V_X117A)匹配。迹线205示出了另一“传感器匹配”选择，其可以用于在施加预定电压步骤和利用具有小的或可忽略的时间常数的切换电容技术的***的电荷转移处理的电荷共享步骤期间匹配可测量电容上的期望电压。迹线206示出了对于电荷转移处理的每个重复可以用于接近可测量电容上的期望电压的“切换电压分配器”选择。迹线208示出了“脉冲编码调制”信号，其可以用于在电荷转移处理的多次执行中接近可测量电容上的期望电压。如由迹线208所示的，脉冲编码调制的影响是保护信号103的保护电压不随着电荷转移处理的每次执行过渡，但仍跟随着图案。

应该理解的是，可同步或连续地进行多种类型的电荷转移处理。例如，可使用多个类似的电荷转移处理，以同时或连续地确定多个可测量电容。还可同时使用多个类似的电荷转移处理以在总体上对于更精确的确定，获得相同可测量电容的多个确定。还可使用实际上彼此概略相对的电荷转移处理以实践更复杂的测量方案。例如，第一电荷转移处理可用于充电滤波电容，第二电荷转移处理可用于放电同一滤波电容；一次或多次测量可在滤波电容的充电和放电期间进行并且用于确定可测量电容的值。具有这种充电和放电方案在减少环境改变的影响方面是有用的。

多种类型的电荷转移处理(具有相关的保护电压)还可以用于增强保护的效果。例如，脉冲编码调制可以认为是多种类型的电荷转移处理(和相关的保护电压)的叠加。脉冲编码调制由此可以认为是以特定的顺序重复一种、两种或多种类型的电荷转移处理(和相关的保护电压)。这些不同类型的电荷转移处理(和相关的保护电压)可以应用相同的预定电压并且使用相同的部件，但可涉及不同的保护信号。例如，第一电荷转移处理(和相关的保护电压)可以包含第一保护电压和不同于第一保护电压的第二保护电压，而第二电荷转移处理(和相关的保护电压)可以包含第三保护电压和第四保护电压。在该实例中，第三保护电压可以与第一保护电压或第二保护电压相同。同样，第四保护电压可以与第一保护电压或第二保护电压相同。而且，第三保护电压和第四保护电压可以相同或不同。保护电压的定时和值可通过适合于保护可应用的感测电极的平均保护电压摆幅确定。

对于图1B-C所示的实施例，对于保护信号103以迹线204(V_G0)示出的选择可以跟踪可测量电容上的电压以帮助防止净电荷由于保护电容在滤波电容110上得到或丢失。由迹线204示出的这种“传感器匹配”保护信号显示出类似利用例如图1B-C中描述的“切换时间常数”感测技术由传感器中的有源感测电极(例如112A-C)显示出的电压的电压。例如，可以配置由迹线204所示的保护信号选择为与图1C所示的感测电极112A有关的可测量电容的电压V_X 117A所希望的电压大致相同(例如通过选择图4A中电容408与电容404的比类似于图1B中与感测电极112A有关的可测量电容与滤波电容110的比)。保护信号103的第一保护电压接近充电脉冲201的电压，而随着与由V_X 117A显示出的类似或比其更快的时间常数，保护信号103的第二保护电压衰减到与V_F 115类似的电压。保护信号103的第二保护电压还在执行电荷转移处理时变化，以便在电荷转移处理的那些执行期间具有接近与V_X 117A有关的升高的总体升高(以及电荷转移处理执行的第二保护电压的该变化率可以认为是该***的另一时间常数)。由迹线204示出的保护信号选择可以利用与由传感器100执行电荷转移处理所使用的电路相似的电路或通过与其它电荷感测电路相似的其它电路产生。通过激励开关将电荷转移到可应用的保护电容上来产生该“传感器匹配”选择的电路和方法示于图3A-3C、4A-C中并且在下面进一步论述。

在与由204所示的选择有关的单一共享周期期间，用于保护信号103的迹线205中所示的选择显示出保护电压更离散的变化，并且缺乏明显的时间常数特征。利用电荷转移处理(其有源地切换以共享可测量电容和其有关的滤波电容之间的电荷，代替通过无源阻抗无源地允许电荷共享)，迹线205的该“切换电容”选择类似感测***的“切换电容”选择。迹线205中所示的选择施加第二保护电压，该第二保护电压在单一共享周期期间保持相对不变但在多个共享周期改变，如利用用于其电荷转移处理的“切换电容”型技术在传感器中发现的。通过激励开关将电荷转移到可应用的保护电容上用于产生该“切换电容”选择的电路和方法示于图3C、4C中并且在下面进一步论述。

用于保护信号103的这些“传感器匹配”选择相比于具有“更简单的”波形(例如迹线206和208中示出的)的选择是有利的，即它们可以用于减少对于每次执行电荷转移处理由于保护电极转移到滤波电容的电荷，并且不仅仅是在执行电荷转移处理的过程期间转移的净电荷，导致了可测量电容的确定。这是通过在电荷转移处理的重复期间改变的第二保护电压来促进的。然而，如果保护信号103最小化在该组电荷转移处理执行期间出现的从保护电极106到滤波电容110的电荷净转移，则任意的保护信号103都是有效的，该组电荷转移处理最终导致滤波电容110上的电压的一次或多次测量，这用于确定可测量电容。这包括保护信号选择，其匹配与传感器***使用的电荷转移处理不同的电荷转移处理、或不匹配电荷转移处理并且在两个或多个基本恒定电压之间简单摆动(以下论述)。

在许多实施例中，将保护信号103施加到保护电极106一般是更实际的，其不会最小化在单次执行电荷转移处理期间从保护电极106转移到滤波电容110的电荷，但会最小化在该组电荷转移处理期间的电荷的净转移，该组电荷转移处理最终导致滤波电容110上的电压的一次或多次测量，这用于确定可应用的可测量电容。这可以用保护信号103完成，该保护信号103导致在电荷转移处理的一次或多次执行期间在保护电极106和滤波电容110之间的第一方向上的电荷转移，并且导致在电荷转移处理的其它执行期间相对第一方向的第二方向上的电荷转移。

如图2B所示，当可测量电容上的电压小于第二保护电压值253时在共享周期从保护电极转移到可测量电容上的电荷用在可测量电容上的电压大于第二保护电压值253时在共享周期从保护电极转移到可测量电容上的电荷有效地恢复。图2B还示出了保护信号103，该保护信号103包括在预定电压施加到可测量电容时的持续时间内的第一保护电压251和在可测量电容共享时的持续时间内的第二保护电压253。在图2B中，保护电极106和可测量电容之间的电荷转移用箭头230A-G示出。箭头230A-C表示电荷从保护电极106转移到可测量电容时的周期，箭头230E-G表示电荷从可测量电容转移到保护电极106的周期。由于在该共享周期期间电压117基本等效于第二保护电压253，所以可忽略的电荷在箭头(其表现为点)230D处转移。特定的电压值V_{G_HIGH}251和V_{G_LOW}253会从一个实施例到另一实施例显著改变。利用该方法，由于保护电容的效应转移到滤波电容的净电荷相对于在电荷转移处理期间电极上的总电荷非常少，以致于可以认为是接近于零。在电荷转移处理的执行顺序期间平衡保护电容和滤波电容110之间的电荷转移可以进一步延伸超出这里论述的实例并且这样的延伸在本发明的范围之内。

例如，用于保护信号103的一种选择将在接近预定电压的第一保护电压和接近滤波电容110上的平均电压的第二保护电压之间摆动。为了确定滤波电容110的平均电压，在该组电荷转移处理期间平均滤波电容110上的电压，该组电荷转移处理导致并且产生滤波电容110上的电压的测量，该测量用于确定可测量电容。对于用于期望的可测量电容、滤波电容、预定电压、复位电压、阈值电压的给定一组值，以及忽略(或如果模块允许的话进行说明)任何无源阻抗的效应，可以使用公知的方法来模拟该电路并确定平均的滤波电容电压将最小化任何保护电容的效应并提供有效的第二保护电压。该平均的滤波电容电压在离散点上获得，并且大概是在滤波电容110的复位和用于确定可测量电容的滤波电容110的最后测量之间执行电荷转移处理获得的滤波电容110上的电压的平均数。时常，滤波电容110上的电压变化大概是线性的，以便平均的滤波电容电压接近复位电压和阈值电压之间的中点。

还注意到，这些电容传感器是取样***(实际上或有效地)。例如，在图1B-C所示的实施例中，当没有施加预定的充电电压时，滤波电容110仅在离散的共享周期期间与可测量电容共享。另外，通常可测量电容上的电压还在电荷共享周期结束时接近滤波电容110上的电压115。因此，仅当可测量电容上的电压在充电周期结束(当施加预定的电压停止时)和电荷共享周期结束时被“取样”时，对于施加到保护电极106的保护信号103的电压匹配可测量电容上的电压是足够的。当预定电压的施加在例如图1B-C中所示的切换的时间常数***中开始时出现电荷共享周期的结束；例如在切换的电容***中，在可测量电容从滤波电容去耦时或当滤波电容从任意的参考电压去耦时会出现电荷共享周期的结束。换句话说，如果通过无源的共享***出现电荷共享，则技术上电荷一直被共享；然而，用于保护目的，电荷共享周期仅认为是继续直至随后施加预定电压(当电荷共享认为是用于保护目的的结束)。相反，如果切换发生以通过可测量和滤波电容有源地耦合和允许共享电荷，则认为切换定义了电荷共享周期的结束。

为此，可以使用由迹线206和208所示的保护信号103的选择。在由迹线206所示的“切换电压分配器”选择中，实际的保护信号103可在第一保护电压值251和第二保护电压值253之间交替，第二保护电压值253接近滤波电容110上的电压115的“平均”值。尽管把该平均的V_F选择称为“切换电压分配器”选择，但不需要电压分配器；例如，当第一和第二保护电压值251和253是电源电压、是通过DAC或传感器的另一部分获得的电压，或是利用除电压分配器之外的电路产生的电压，不需要任何电压分配器就可以获得第一和第二保护电压值251和253。简单使用“切换电压分配器”术语，因为在该类型的保护信号的许多实施例中很可能使用切换的电压分配器电路。在图1A-B描述的实施例中，第一保护电压值251可以等于预定的充电电压，第二保护电压值253可接近等于用于测量滤波电容和复位电压的阈值电压(V_TH)的平均值。用于产生该“切换的电压分配器”的电路和方法示于图3D-E、4D-E中并且在下面进一步论述。

保护信号103的定时是基于施加到可测量电容上的脉冲201的定时，保护信号103具有第一保护电压值251，而充电脉冲201施加到可测量电容，并且在脉冲201之间的电荷共享周期期间保护信号103具有第二保护电压值253。该定时是有用的，因为保护信号103可以通过***中的现有时钟驱动。然而，实际上，只要第一保护电压值在相关的充电脉冲201的结束之前开始施加，即使有时在相关的充电脉冲201开始之后仅开始施加第一保护电压值251，保护信号103可以也是有效的。同样，只要在电荷共享周期结束之前开始施加该第二保护电压值253，即使对于整个共享周期不施加第二保护电压值253，保护信号103也是有效的。保护信号206的定时由于许多原因而不与充电脉冲201正好匹配。例如，在可测量电容和滤波电容之间电荷共享开始之前，不精确的定时会导致保护信号103开始改变到第二保护电压，以致保护不太有效；为了减小这种不精确定时的影响，希望延伸保护信号103的部分。

迹线208示出了可以用较少部件实现的保护信号103的可选实施例。例如，不具有另外部件的单个I/O可以用于生成迹线208，如图4F所示。具有迹线208中所示的选择，代替施加用于每个充电脉冲201的第一保护电压值251，可以忽略保护信号103到第二保护电压值253的一个或多个变化，以调节施加的保护电压的平均摆动，并且最小化由保护电容转移到滤波电容(例如110)的净电荷。也就是说，通过延长施加一个保护电压值(例如迹线208中的第二保护电压值253)的持续时间，代替转变到另一保护电压值(例如至第一保护电压值251)，可以用与脉冲编码调制(还称为“脉冲频率调制”)类似的方式修改施加到保护电极106的平均保护电压摆幅。也就是说，通过施加较少的频率充电脉冲(例如，延长电压251和/或电压253)和具有较少的转变，与施加更多频率的充电脉冲相比，减小了保护电极106上的保护电压103的平均摆幅。注意到，平均的保护电压摆幅可以在多个循环上保持与预定充电电压摆幅的比率量度，以通过提高电源噪声抑制保持高的性能。用于生成该“脉冲编码调制”选择的电路和方法示于图3D-E、4D-E并且在下面进一步论述。

对图1B-C中示出的基本结构和操作进行许多改变。例如，图1C中所示的定时方案150假设电荷从与感测电极112A相关的可测量电容“正向”转移到滤波电容110，而等效实施例可以基于在相对的方向上共享电荷(也就是说，正电荷可以放置滤波电容110上，其通过阻抗108拉向与感测电极112A相关的可测量电容，然后通过开关114提供的脉冲201放电)。可选地，图1C中所示的基于阈值的感测方案可以用任意种类的测量方案代替，包括在执行预定数量的电荷转移处理之后，基于滤波电容110上的电压115V_F的测量的任意技术。而且，用于充电或放电可测量电容的脉冲201不必等时间间隔或具有相等持续时间。实际上，在许多实施例中，由于这里示出的许多实施例容易忍受定时的变化，所以控制器102可以处理实质上在测量处理任意点的中断或其它牵引。这尤其是在取样时间超过用于安置的时间常数时是真的。可选地，有意改变脉冲201的时间间隔会使取样频谱延伸到更好的容许噪声。

可以对图2A-B中所示的基本结构和操作进行许多改变。图2A中所示的定时方案200示出了第一保护电压大概是恒定的，并且如果出现了这种改变的话，第二保护电压是变化的。然而，由于保护电压“摆幅”(第一和第二保护电压之间的差，除过渡周期以外)大于实际的保护电压值，所以代替第二保护电压，保护信号103也可以用第一保护电压改变实现，或第一和第二保护电压改变实现。同样，如早先论述的，用于保护电压变化的定时具有大的灵活性。

现在转到图3A-E，示出了保护电压产生电路104的各个实施例(电路104A-E)。电路104可以包括许多阻抗和开关并且如合适的话利用许多参考源。例如，图3A-D所示的每个阻抗可以代表由于单个部件或多个部件网引起的阻抗。除了开关之外的有源部件，例如多路复用器、DAC、电流源或OP-AMPS，还可以包括在保护电压产生电路104中，但在多数实施例中不需要并且没有使用所述有源部件。另外，例如，保护电压产生电路104的开关可以是任意的分立开关或继电器，或者对应于包含在如上所述的控制器102内的任意转换或多路复用功能。由电压产生电路104使用的开关可以利用控制器102的I/O管脚实现为开关114。一个I/O的输出有时可以提供多个开关；例如，能够提供电源电压和高阻抗状态的数字I/O可用于提供一个多路开关、或耦合到一个节点的两个开关的功能性。数字I/O还可提供上拉电阻、或下拉电阻或电流源。

如果利用能够提供开关和测量功能性的I/O实现任一开关，则感测***具有读取保护信号103的增加选择。这允许***响应于它所读取的提供给保护信号103的电压，动态地调节保护信号103(如果脉冲编码方案是可利用的，则例如通过改变脉冲编码)。

电路104的阻抗可以是任意常规的电阻、电感、电容和/或其它阻抗元件。由此，电路104中的阻抗两端的电压会受连接到阻抗的节点的在先历史影响。该“在先历史”影响尤其对于电容和电感元件是显著的，并且控制该影响来定义保护信号103。提供参考例如参考电压的参考源可以在控制器102的内部或外部。可以使用便利的参考。例如，参考电压可通过电源电压(V_dd，GND，-V_dd)或电池电压等提供，并且实际使用的参考电压可以直接来自通过阻抗调节的这些电压的源或一些变型。在图3A-E所示的实例中，为了便于说明，示出了一个参考电压为参考电压301，示出了第二参考电压为局部***接地；如早先论述的，通过保护信号产生电路104可以容易使用其它参考电压值。

图3A示出了包括无源保护网的保护电压产生电路104A的配置，该无源保护网包括三个阻抗304、306、308。三个阻抗304、306、308串联位于在参考电压301和地之间。开关302与阻抗304并联以及开关303与阻抗308并联。(如早先论述的，如合适的话，开关302和303可以实施为图1的开关114)。在图3A所示的实施例中，可以通过适当地切换开关302、303来提供保护信号103。当开关302关闭且开关303打开时，由参考电压301和阻抗306和308两端的电压确定保护信号103的电压。保护信号103的该电压对应于被保护的电荷转移处理的复位电压。当开关302和303打开时，保护信号103的该电压由参考电压301和阻抗304、306和308两端的电压确定。保护信号103的该电压对应于被保护的电荷转移处理中的滤波电容上的电压。当开关302打开且开关303关闭时，使保护信号103的电压驱动到GND。保护信号103的该电压对应于被保护的电荷转移处理的预定充电电压。利用恰当选择的阻抗304、306、308，例如电路104A的配置允许利用“切换时间常数”技术仿真与电荷转移处理有关的电压的保护电压产生电路，例如在图1B-C中。例如，可以配置阻抗304与由部件网形成的滤波电容对应，并且阻抗304可以耦合到多于一个的电压以精确地对应于匹配的滤波电容的电压。注意，各种复位电压和充电电压可被保护，尽管它们需要不同的切换顺序或参考电压(例如，V_dd和地)。

对于图3A所示的实施例，当开关302打开且开关303打开时，阻抗304、306和308形成具有“共同节点”的阻抗分配器，其中阻抗306连接到阻抗308且阻抗304连接到阻抗306。当开关302关闭且开关303打开时，阻抗306和308形成具有阻抗306连接到阻抗308的共同节点的不同阻抗分配器。

阻抗分配器由至少两个串联的无源阻抗构成，每个无源阻抗都耦合到至少两个节点。这些节点中之一对于这两个阻抗是共同的(两个阻抗连接到“共同节点”)。共同节点用作阻抗分配器的输出。阻抗分配器的输出是随着时间在“非共享”节点(不是共同节点的两个阻抗的节点)处施加的电压和/或电流的函数。阻抗分配器的简单实例是由两个电容或两个电阻构成的电压分配器。更复杂的阻抗分配器可具有串联或并联的不匹配的电容、电阻或电感。一个阻抗还可具有电容、电阻和电感特征的任意结合。

在图3B所示的保护电压产生电路104B的示范性实施例中，无源保护网由阻抗314构成。对于电路104B，当开关312关闭时，保护信号103适当地由参考电压301和保护信号103之间的开关312切换；保护信号103的该电压对应于预定的充电电压。当开关312打开时，保护信号103适当地切换到由阻抗314两端的电压定义的第二电压；保护信号103的该电压对应于滤波电容上的电压。可以关闭开关313以从阻抗314移除电荷；保护信号103的该电压对应于复位电压。利用恰当选择的阻抗314，电路104B的配置允许利用西格马-德耳塔形式的“切换时间常数”技术仿真与电荷转移处理有关的电压的保护电压产生电路。

图3C示出了包括由串联的两个阻抗324、326构成的无源保护网的保护电压产生电路104C的另一实施例。电路104C由三个开关322、323和325驱动。当开关322关闭且开关323和325打开时，保护信号103是参考电压301；保护信号103的该电压对应于预定的充电电压。当开关322和323打开且开关325关闭时，保护信号103由参考电压301和阻抗324、326两端的电压确定；保护信号103的该电压对应于滤波电容上的电压。当开关323和325关闭且开关322打开时，保护信号103是GND并移除阻抗326上的电荷；保护信号103的该电压对应于复位电压。当开关322和323打开且开关325关闭时，阻抗324和326形成在保护信号103输出处具有共同节点的阻抗分配器。利用恰当选择阻抗324和326，例如电路104C的配置允许利用“切换电容”技术仿真与电荷转移处理有关的电压的保护电压产生电路。

图3D示出了具有无源保护网的保护电压产生电路104D的实施例，该无源保护网包括与参考电压301和接地(GND)的开关332串联定位的两个阻抗334和336。在电路104D中，利用开关332适当地切换保护信号103。当开关332打开时，保护信号103由参考电压301和阻抗334两端的电压确定；保护信号103的该电压对应于预定电压。当开关332关闭时，保护信号103由参考电压301和阻抗334和336两端的电压确定；保护信号103的该电压对应于滤波电容上的平均电压。当开关332关闭时，阻抗334和336形成阻抗分配器，其适当地划分参考电压301，正如由所选择的阻抗部件的类型和值确定。也就是说，当开关332打开时阻抗334和336适当地用作“上拉”部件，且当开关302关闭时阻抗334和336用作阻抗分配器。在电阻用于阻抗334和336的简单情况下，阻抗分配器是常规的电压分配器且当开关332关闭时保护信号103经由阻抗336的电阻与阻抗334和336的电阻之和的比与参考电压301成正比。利用恰当选择阻抗324和326，例如电路104D的配置允许用于“切换电压分配器”类型保护信号103的保护电压产生电路104。可以进一步采用电路104D的输出，例如调制频率，以产生用于保护信号103的“脉冲编码调制”类型的波形。

图3E示出了保护信号产生电路104E的另一实施例，该保护信号产生电路104E包括分别耦合到参考电压301和地的两个开关342和343，且没有分立的阻抗。在104E的实施例中，无源保护网由此可以包括简单的导线。在电路104E中，保护信号在开关342关闭且开关343打开时参考电压301和在开关342打开且开关343关闭时接地之间适当地切换。电路104E的配置允许保护电压产生电路104提供退化的“被转换的分压器”类型保护信号103(其中在未划分的参考电压301和地之间不存在分压器和保护信号开关)。电路104E的配置对于保护信号103的“脉冲编码调制”类型的波形尤其是有用的，其中与用于检测刺激源101的所有重复电荷转移处理同步，保护信号103没有改变电压。

如图3A-3E所示的保护电压产生电路104的实施例是可以用于确定保护信号103的各个可选方案的五个实例。这里预期利用具有和没有由串联和/或并联阻抗构成的无源保护网的开关提供保护信号103的许多其它选择。这些可选方案与图3A-3E所示的那些十分相似。例如，另外的阻抗能将阻抗306耦合到与电路104A的阻抗304并联的另一参考电压。作为另一实例，代替开关313，电路104B的阻抗314可以与开关312并联。作为第三实例，代替耦合阻抗326到地，电路104C的开关325能将阻抗324耦合到参考电压301。作为另一实例，104D的开关332可耦合在阻抗334和参考电压301之间，代替耦合在阻抗336和地之间。其它可选方案更显著不同，并且包括其它配置中的阻抗和开关。

转到图4A-E，结合图1B的控制器例如控制器102示出了具有更详细的保护电压产生电路104的实例。图4A中所示的示范性电路104F，是图3A中所示的电路104A的实施例，其中阻抗304实施为电容404，阻抗306实施为电阻406以及阻抗308实施为电容408，并且开关302利用I/O 402实施以及开关303利用I/O403实施。电路104F的配置与用于实现传感器100的电荷转移处理的电路的配置十分相似(图1A)。电容408与可测量电容类似，电阻406与无源阻抗类似(例如，108A-C)，以及电容404与滤波电容110类似。利用I/O 402实施的开关302与开关118类似，并且利用I/O 403实施的开关303与利用I/O 119实施的开关116A-C类似(图1B)。I/O 403本身与I/O 119类似(图1B)。由此电路104F可以以一种方式驱动，以匹配电荷转移处理，以便保护信号103概略地匹配如图1B-C所示的电荷转移感测处理的电压117，并在用于感测的电荷转移处理的所有点处使从保护电极106到滤波电容110的电荷转移最小。即使利用电路104F产生不同于电压117的保护信号103，如果用于该组电荷转移处理的在保护电极106和滤波电容110之间转移的总电荷最小，其也仍十分有效，该组电荷转移处理会导致用于确定可测量电容值的测量。

图4B所示的实例电路104G是图3B的电路104B的实施例。开关312和313利用单个I/O 412实施，阻抗314实施为具有电阻414和电容415的网。实例电路104G可以利用与“一个I/O西格马德耳塔”类型的“切换时间常数”方法相似的方法驱动。在这种方法中，打开I/O 412的开关313(如果它还没有打开)并关闭I/O 412的开关312以施加参考电压301(其是预定电压)，然后打开I/O 412的开关312以允许电荷在***中的任意保护电容和电容415之间共享。当关闭I/O 412的开关312时，通过阻抗414充电电容415。关闭I/O 412的开关313会使电容415通过阻抗414放电。可以利用I/O 412测量电容415上的电压，并且当将预定电压施加到可测量电容时，如果有必要的话可以通过关闭I/O 412的开关313减小该电压(不会直接影响保护的电容电荷转移)。以该方式，可以将电容415上的电压控制到第二保护电压。可以与用于检测接近性并且测量可测量电容的电荷转移处理同步，重复首先打开I/O 412的开关313和关闭开关312以及然后打开I/O 412的开关312和关闭开关313的这个循环。由此可以以一种方式驱动电路104G来产生保护信号103，该保护信号在例如图1A B中所示的电荷转移处理中概略地匹配可测量电容的电压。电路104G还可以以一种方式驱动以产生保护信号103，在单个I/O西格马-德耳塔电荷转移处理中该保护信号103接近匹配可测量电容的电压。

图4C中所示的实例电路104H是图3C的电路104C的实施例。已利用I/O 422实施了开关322和323，并利用I/O 425实施了开关325。阻抗324实施为电容424，并且阻抗326实施为电容426。实例电路104H与“切换电容”电路类似，其中电容424(其是固定电容)与可测量电容类似以及电容426与滤波电容类似。实例电路104H可以利用与“切换电容”方法类似的方法驱动。在这种方法中，关闭I/O 422的开关322并打开I/O 422的开关323以将参考电压301(在图4C所示的实施例中其是预定电压)施加到电容424。然后，打开I/O 422的开关322并关闭I/O 425的开关325，以允许电荷在电容424和426之间共享。可以与用于检测接近性并且测量可测量电容的电荷转移处理同步，重复首先关闭I/O 422的开关322以及然后打开I/O 422的开关322并关闭I/O 425的开关325的这个循环。在适当数量的循环之后(例如当已经执行了用于产生用于确定可测量电容的结果的电荷转移处理的多次执行时)，可以关闭I/O 422的开关323和I/O 425的开关325以复位电容426上的电荷。由此可以以一种方式驱动电路104G以产生具有第一保护电压和第二保护电压的保护信号103，第一保护电压是预定电压，第二保护电压在电荷转移处理的执行内是基本恒定的但在复位之前在每次随后执行的电荷转移处理从复位电压升高。如果固定电容424与电容426的比可与可测量电容与滤波电容的比相比，则在电荷转移处理中该保护信号103接近可测量电容的电压。

图4D中所示的实例保护信号产生电路104I是图3D中所示的电路104D的实施例。阻抗334利用电阻434实施，阻抗336利用电阻436实施，以及开关332利用I/O 432实施。当I/O 432的开关332打开时，保护信号103接近参考电压301。当I/O 432的开关332关闭时，通过电阻436与电阻434和436之和的比，将保护信号103设置到与参考电压301成比例的电压。利用电路104I实施例，可以使用保护信号103接近与可测量电容有关的电压的平均摆幅。例如，对于图1B的传感器100，可以通过打开I/O 432的开关332并且施加参考电压301(例如，其可以是预定电压)来施加第一保护电压。然后，可以通过关闭I/O 432的开关332并且施加参考电压301的一部分(例如，其可以在可施加的阈值电压和复位电压之间的中途)来施加第二保护电压。利用第一和第二保护电压的恰当定时(其定义了它们何时和多长时间彼此相对施加)和用于感测的电荷转移处理的步骤，和利用恰当选择电阻和参考电压值，该保护信号103则可以显示出在电荷转移执行时接近可施加的可测量电容的平均电压摆幅的电压摆幅并提供有效的保护。

电路104I的信号103可以进一步适应转换开关332的脉冲编码调制。通过改变转换的频率和由此保护电压之间的转变，可以产生不同的实际保护电压摆幅。当频率转变的控制是可用时，脉冲编码调制实际上可以施加到任一电路104。然而，在保护信号103已经接近由可测量电容显示的实际电压117或其平均的情况下，脉冲编码会很少或几乎不具有优点。

图4E所示的实例保护信号产生电路104J是图3E所示的电路104E的实施例。I/O 422可以直接连接到保护电极，以便存在可忽略的阻抗。电路104E的开关344和346已利用单个I/O 422实施。当I/O 422的开关342关闭且I/O 442的开关343打开时，将保护信号103设置到逻辑“高”的参考电压301(例如，如果I/O 442是常规的数字I/O，则为V_dd)。当I/O 442的开关342打开且I/O 442的开关343关闭时，将保护信号103设置到逻辑“低”的参考电压(例如，地)。利用电路104J的实施例，由于可通过限制控制器102设置参考电压和地，所以很可能更难以产生具有用于每个电荷转移处理的摆幅的保护信号103。因此，电路104J服从脉冲编码调制。利用第一和第二保护电压之间恰当的转换率(其可以分别是预定电压和地)，对于接近由可测量电容显示的平均电压摆幅的保护信号103可以产生平均的保护电压摆幅。例如，如果对于检测接近性的电荷转移处理的每五次执行，保护信号103在第一和第二保护电压之间转换三次，则平均的保护电压摆幅是第一和第二保护电压的一个转变之间的电压摆幅的五分之三。

如早先论述的，在利用还具有测量能力的部件产生转换的所有实例4A-4E中，例如利用控制器的数字I/O，如有必要的话，I/O还可以用于测量保护信号103的电压以调节保护信号103。对于当前执行用于产生一个或多个测量的该组电荷转移处理，所述调节可发生，其中所述一个或多个测量用于确定可测量的电容，或对于下一组电荷转移处理，所述调节可发生。

如上所述，可利用商业可获得的部件例如常规的集成电路和分立电阻和/或电容器的任意组合容易实施这里描述的许多实施例。由于简单，可以产生许多不同类型的传感器100，其共享或不共享各种部件和/或开关。例如，与图1B中的感测电极112A-C有关的可测量电容耦合到共有滤波电容110，但实际上每个通道能耦合到其自身的滤波电容110。同样，在可选实施例中在感测通道之间共享一个或多个无源阻抗108A-C和/或许多开关(例如114、116A-C、118)和I/O(例如，I/O 119)。可在许多另外的通道两端采用该共享以建立能够有效感测具有单个控制器102的许多可测量电容的传感器。该共享可以显著地减小整体传感器100的成本和尺寸。

通过在共有控制器102上实施多个感测通道，可以实现许多效能。通常，在标准的印刷电路板(PCB)上容易形成感测电极和/或保护电极，因此在制造意义上复制这些元件相对廉价。在希望可测量电容相对小的情况下，则滤波电容110还可在PCB中制造。另外，可在PCB上不形成、形成一个或多个电阻、电容和电感以提供在保护电压产生电路104中使用的阻抗，例如电路104F的电容404和电阻406。结果，利用常规的制造技术和结构可以容易实施以上描述的许多不同特征。然而，在一些情况下，在许多实施例中，例如滤波电容和/或无源阻抗和其它阻抗的部件可以足够大或需要紧密足够的容限以保证分立的部件。在那些情况下，这些部件(例如，滤波电容110)可用一个或多个分立的电容器、电阻、电感和/或其它分立部件实施。

而且，甚至可以通过使用时间、频率、编码或其它多路复用技术进一步减少所需的信号管脚(例如，ADC和I/O的管脚)的总数和部件数量。

以许多图案布置感测电极112A-B还允许将设计许多不同类型的传感器布局(包括能够在一维、两维或多维中感测的触垫中发现的多维布局)。可选地，多个“按钮型”接触式传感器以及按钮型和触垫型输入装置的组合容易由各种通道形成，或者可以产生许多其它传感器布局。

如上所述，用于确定电容的装置和方法尤其可应用于接近传感器装置。现在转到图5，方块图示出了耦合到接近传感器装置11的示范性电子***10。电子***10指的是表示任意类型的个人计算机、便携式计算机、工作站、个人数字助理、电视博弈计算机、通信装置(包括无线电话和消息接发装置)、媒介装置，包括记录器和播放器(包括电视、电缆箱、音乐播放器和放象机)或能够接受用户的输入和处理信息的其它装置。因此，***10的各个实施例可包括任意类型的处理器、存储器或显示器。另外，***10的元件可经由总线、网络或其它有线或无线互连通信。接近传感器装置11可以通过任意类型的接口或连接，包括I2C、SPI、PS/2、通用串行总线(USB)、蓝牙、RF、IRDA或任意其它类型的有线或无线连接的多个非限制性示例，连接到***10。

接近传感器装置11包括控制器19和感测区域18。通过测量最终电容，接近传感器装置11对于在感测区域18内的触针114、指针和/或其它输入物体的位置敏感。这里使用的“感测区域”18指的是广泛地包含在接近传感器装置11上方、周围、之中和/或附近的任意空间，其中传感器能够检测物体的位置。在常规的实施例中，感测区域18在一个或多个方向上从传感器的表面延伸一距离进入空间直至信噪比防止物体检测。该距离可以是小于一毫米、几毫米、几厘米或更多的数量级，并且可随着感测电极的尺寸、所使用的位置感测技术的类型和所希望的精度显著改变。因此，特定感测区域18的平面性、尺寸、形状和精确位置将从一实施例到另一实施例广泛地改变。

工作时，接近传感器装置11通过测量与多个电极和指状物或感测区域18内的其它输入物体有关的可测量电容来适当地检测触针14的位置，并且利用控制器9，向电子***10提供位置的电性或电子标记。***10适当地处理该标记以接收来自用户的输入，以在显示器上移动指针或其它物体，或用于任何其它的目的。

在接触式传感器装置的一般实施中，一般施加电压以跨过感测表面产生电场。电容性接近传感器装置11则通过检测由电场变化引起的电容变化来检测物体的位置，该电场变化是由于该物体引起的。例如，接近传感器装置11的传感器可以使用电容性感测电极的阵列来支撑许多感测区域。作为另一实例，该传感器可以使用电容性感测技术与电阻感测技术结合来支撑相同的感测区域或不同的感测区域。根据用于检测物体运动的感测技术，感测区域的尺寸和形状、所希望的性能、希望的工作条件等，接近传感器装置11可以用多种不同方式实施。感测技术还可以以提供的信息的类型变化，例如提供“一维”位置信息(例如沿着感测区域)作为标量，“两维”位置信息(例如水平/垂直轴、角形的/放射状的，或横跨两维的任何其它轴)作为值的组合等。

控制器19(其常称为接近传感器处理器或接触式传感器控制器)耦合到该传感器和电子***10。通常，控制器19利用以上描述的各种技术中的任意技术来测量电容并与电子***通信。控制器19可以对从传感器接收的信号进行各种另外的处理以实现接近传感器装置11。例如，控制器19可以选择或连接单独的感测电极，检测存在/接近性，计算位置或运动信息，并在接近阈值时报告位置或运动，和/或并在将其报告给电子***10，或将其指示给用户之前说明并且等待有效的轻拍/击打/刻画/按钮/作手势。控制器19还可以确定物体运动的某些类型或组合何时发生接近该传感器。

在本说明书中，定义术语“控制器”包括一个或多个处理元件，所述一个或多个处理元件适于执行所述的操作。由此，控制器19可以包括接收来自传感器的电信号、测量传感器上电极的电容并与电子***10通信的一个或多个集成电路、固件代码和/或软件代码中的全部或部分。在一些实施例中，包括控制器19的元件将具有传感器或位于传感器附近。在其它实施例中，控制器19的一些元件可以是具有传感器并且传感器19的其它元件可以位于电子***100上或位于电子***100附近。在该实施例中，最小的处理可在传感器附近进行，大多数的处理在电子***10上进行。

再有，当在本申请中使用术语时，术语“电子***”广泛地涉及与接近传感器装置11通信的任意类型的装置。电子***10由此可以包括一种或多种类型的装置，其中接近传感器装置可以被实施或者被耦合。接近传感器装置可以实施作为电子***10的一部分，或利用任意合适的技术耦合到电子***。作为非限制性实例，电子***10由此可以包括任意类型的计算装置、媒体播放器、通信装置或另一输入装置(例如另一接触式传感器装置或小键盘)。在一些情况下，电子***10本身是较大***的***设备。例如，电子***10可以是数据输入或输出装置，例如遥控或显示装置，其利用合适的有线或无线技术与计算机或媒介***(例如，用于电视的遥控)通信。还应注意，电子***10的各个元件(处理器、存储器等)可以实施为整个***的一部分、接触式传感器装置的一部分、或其组合。另外，电子***10可以是接近传感器装置11的主或从装置。

应当注意，尽管这里描述的各个实施例指“接近传感器装置”、“接触式传感器装置”、“接近传感器”或“接触垫”，但这里使用的这些术语指的是不仅包含常规的接近传感器装置，而且包含能够检测一个或多个指状物、指示器、触针和/或其它物***置的宽范围的等效装置。这些装置可包括，而不是限于，触摸屏、触摸垫、触摸表、生物测定鉴别装置、笔迹或符号识别装置等。同样，这里使用的术语“位置”或“物***置”指的是广泛包含绝对的和相对的位置信息、以及其它类型的空间域信息例如速率、加速度等，包括在一个或多个方向上的运动测量。不同形式的位置信息还可包括时间历史成分，如同在手势识别的情况等。因此，接近传感器装置可以适当地检测物体是否存在并且可包含宽范围的等效。

还应当明白，虽然本发明的实施例在这里全面描述了接近传感器装置功能的上下文，但本发明的机制也能够被分布作为各种形式的程序产品。例如，本发明的机制可以实施并分布作为在计算机可读信号承载媒介上的接近传感器程序。另外，相等地应用本发明的实施例，而不管用于执行所述分布的特定类型的信号承载媒介。信号承载媒介的实例包括：可记录媒介例如存储卡、光和磁盘、硬盘和传输媒介例如数字和模拟通信链路。

可在这里提出的结构和技术上进行各种其它的修改和增强，而不脱离它们的基本教导。因此，提供了许多用于检测和/或量化一个或多个可测量电容的***、装置和处理。虽然已在前述的详细描述中提出了至少一个示范性实施例，但应当意识到，可存在众多的变化。例如，这里描述的技术的各种步骤，可按任意临时的顺序实施，并且不限制于这里提出的和/或要求的顺序。还应意识到，这里描述的示范性实施例仅是实例，并且不是指以任何方式限制本发明的范围、应用或配置。因此，可以在元件的功能和布置上进行各种改变，而不脱离如在所附的权利要求及其合法的等效物中阐明的本发明的范围。

Claims (52)

1.一种用于在具有多个感测电极和保护电极的传感器中确定接近性检测的可测量电容的方法，该方法包括：

执行电荷转移处理，执行的数目等于至少两次，其中电荷转移处理包括步骤：

利用第一开关将预定电压施加到多个感测电极中的至少一个；

利用第二开关将第一保护电压施加到至少一个保护电极；

共享多个感测电极中的至少一个和滤波电容之间的电荷，使得共享的电荷在滤波电容上累积；和

将不同于第一保护电压的第二保护电压施加到所述保护电极；和

测量滤波电容上的电压，测量的数目等于至少一次，以产生至少一个结果来确定接近性检测的可测量电容。

2.根据权利要求1所述的方法，其中该测量步骤包括比较滤波电容上的电压与阈值电压。

3.根据权利要求2所述的方法，其中该阈值电压是多阈值ADC的阈值。

4.根据权利要求2所述的方法，其中该阈值电压是数字输入的阈值。

5.根据权利要求2所述的方法，其中该阈值电压是比较器的阈值。

6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括利用所述数目的执行和至少一个结果确定可测量电容的值的步骤。

7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括利用可测量电容的值得到关于物体接近多个感测电极中至少一个的位置信息。

8.根据权利要求1所述的方法，其中测量的数目是至少两次。

9.根据权利要求1所述的方法，其中第一保护电压和第二保护电压中的至少一个在电荷转移处理的执行之间变化。

10.根据权利要求9所述的方法，其中第一保护电压和第二保护电压中的至少一个在电荷转移处理的执行期间变化。

11.根据权利要求1所述的方法，进一步包括执行第二电荷转移处理，执行的第二数目等于至少一次，其中第二电荷转移处理包括如下步骤：

将该预定电压引向多个感测电极中的至少一个；

将第三保护电压施加到至少一个保护电极；

在多个感测电极中的至少一个和滤波电容之间分布电荷；和

将第四保护电压施加到至少一个保护电极。

12.根据权利要求11所述的方法，其中第三和第四保护电压中的至少一个基本上等于第一和第二保护电压中的一个。

13.根据权利要求12所述的方法，其中第三和第四保护电压基本上等于第一和第二保护电压中的一个。

14.根据权利要求1所述的方法，其中利用第二开关施加第二保护电压。

15.根据权利要求1所述的方法，其中利用第三开关施加第二保护电压。

16.根据权利要求1所述的方法，其中该共享步骤包括有源地连接至少一个感测电极和滤波电容以及无源地允许电荷在至少一个感测电极和滤波电容之间转移中的一个。

17.根据权利要求1所述的方法，其中至少继续施加第一保护电压直至将预定电压施加到多个感测电极中的至少一个结束。

18.根据权利要求1所述的方法，其中在电荷转移处理多次执行的第一次执行的开始和多次测量的最后测量结束之间从至少一个保护电极转移到滤波电容的净电荷小于如果保护电极保持在基本恒定的电压上将被转移的净电荷。

19.根据权利要求1所述的方法，其中第一保护电压基本上等于预定电压。

20.根据权利要求1所述的方法，其中第一保护电压和第二保护电压之间的差不大于电荷转移处理的一次执行的充电步骤和共享步骤之间的可测量电容上电压的最大变化。

21.根据权利要求20所述的方法，其中该测量步骤包括比较滤波电容上的电压与阈值电压，以及其中第一保护电压和第二保护电压之间的差不小于预定电压和阈值电压之差的一半。

22.根据权利要求2所述的方法，其中第一保护电压基本等于预定电压，第二保护电压是阈值电压、与滤波电容有关的复位电压、和阈值电压与复位电压之间的电压中之一。

23.根据权利要求2所述的方法，其中第一保护电压的第一平均值和第二保护电压的第二平均值之间的差不大于预定电压和电荷转移处理一次执行的充电步骤和共享步骤之间的可测量电容上电压的最大变化之间的差，其中所述数目的执行获得第一平均值和第二平均值。

24.根据权利要求23所述的方法，其中第一保护电压的第一平均值和第二保护电压的第二平均值之间的差不小于预定电压和阈值电压之间差的一半。

25.根据权利要求11所述的方法，进一步包括复位滤波电容上的电压的步骤，其中一起所述数目执行的第一保护电压和第二数目执行的第三保护电压全部的第一平均值和一起所述数目执行的第二电压和第二数目执行的第四保护电压全部的第二平均值之间的差不大于预定电压和与滤波电容有关的复位电压之间的差。

26.根据权利要求1所述的方法，其中施加预定电压的步骤和共享电荷的步骤中之一与施加第一保护电压的步骤和施加第二保护电压的步骤中之一基本同时进行。

27.根据权利要求1所述的方法，其中施加第二保护信号的步骤开始不迟于共享步骤的结束。

28.根据权利要求1所述的方法，其中施加第二保护电压开始不迟于测量步骤的开始。

29.根据权利要求1所述的方法，进一步包括复位滤波电容上的电压的步骤。

30.根据权利要求1所述的方法，其中第一保护电压和第二保护电压之间的差不超过在预定电压和所述数目执行电荷转移处理的任意共享步骤期间的至少一个感测电极上的电压之间的差。

31.一种配置执行权利要求1所述的方法的数字处理器。

32.一种具有多个感测电极和保护电极的传感器，用于确定接近性检测的可测量电容，其中该传感器包括：

用于执行电荷转移处理的装置，执行的数目等于至少两次，其中该电荷转移处理包括如下步骤：

利用第一开关将预定电压施加到多个感测电极中的至少一个；

利用第二开关将第一保护电压施加到至少一个保护电极；

共享多个感测电极中至少之一和滤波电容之间的电荷，使得共享的电荷在滤波电容上累积；和

将不同于第一保护电压的第二保护电压施加到至少一个保护电极；和

用于测量滤波电容上的电压，测量的数目等于至少一次，以产生至少一个结果来确定接近性检测的可测量电容的装置。

33.一种用于测量电容的***，该***包括：

多个感测电极；

至少一个保护电极；

电网，包括耦合到该多个感测电极的至少一个滤波电容；

多个感测电极开关，每个都耦合到多个感测电极中的至少一个；

第一保护电极开关，耦合到该至少一个保护电极；和

控制器，耦合到多个感测电极开关中的每个和第一保护电极开关，其中配置该控制器以执行电荷转移处理，执行的数目等于至少两次，其中该电荷转移处理包括利用多个感测电极开关中的至少一个将预定电压施加到多个感测电极中的至少一个、利用第一保护电极开关将第一保护电压施加到该至少一个保护电极、共享该多个感测电极中的至少一个和滤波电容之间的电荷、以及将不同于第一保护电压的第二保护电压施加到该至少一个保护电极；其中进一步配置该控制器以测量滤波电容上的电压，测量的数目等于至少一次，以产生至少一个结果来确定接近性检测的可测量电容。

34.根据权利要求33所述的***，其中进一步配置该控制器以通过至少施加预定电压的一部分施加第一保护电压。

35.根据权利要求33所述的***，其中进一步配置该控制器以施加第二保护电压以便第二保护电压的施加开始不迟于共享步骤的结束。

36.根据权利要求33所述的***，其中多个感测电极开关和第一保护电极开关包括控制器的信号管脚。

37.根据权利要求33所述的***，进一步包括耦合第一保护电极开关和至少一个保护电极的无源保护网络。

38.根据权利要求37所述的***，其中该无源保护网络包括电容器和电阻之一。

39.根据权利要求37所述的***，其中该无源保护网络包括阻抗分配器。

40.根据权利要求39所述的***，其中该阻抗分配器包括耦合在至少一个保护电极和第一参考电压之间的第一部件，和耦合在第一保护电极开关和第一参考电压与第二参考电压之一之间的第二部件。

41.根据权利要求39所述的***，其中该阻抗分配器包括耦合在至少一个保护电极和第一参考电压之间的第一部件，和耦合在第二保护电极开关和第一参考电压与第二参考电压中之一之间的第二部件。

42.根据权利要求33所述的***，其中配置该控制器以通过在到参考电压和开路条件的连接之间切换第一保护电极开关，来施加第一和第二保护电压。

43.根据权利要求33所述的***，其中配置该控制器以通过在到第一参考电压和第二参考电压的连接之间切换第一保护电极开关，来施加第一和第二保护电压。

44.根据权利要求43所述的***，其中第一和第二参考电压中的至少一个包括电源电压。

45.根据权利要求43所述的***，其中第一参考电压包括第一电源电压，第二参考电压包括不同于第一电源电压的第二电源电压。

46.根据权利要求39所述的***，其中该阻抗分配器包括第一部件和第二部件，其中该第一部件包括耦合在至少一个保护电极和第一参考电压之间的电容器和电阻之一，且其中第二部件包括耦合在第一保护电极开关与第二保护电极开关之一和第一参考电压与第二参考电压之一之间的电容器和电阻之一。

47.根据权利要求39所述的***，其中该阻抗分配器包括：

耦合到第一保护电极开关和至少一个保护电极的第一节点；和

耦合到参考电压的第二节点。

48.根据权利要求39所述的***，其中多个感测电极和至少一个保护电极形成为印刷电路板的电路。

49.根据权利要求39所述的***，其中第一保护电压包括这样的电压，选择该电压使接近施加到多个感测电极的至少一个的预定电压。

50.根据权利要求39所述的***，其中第二保护电压包括具有时间常数的可变电压，选择该电压使接近滤波电容上的电压。

51.根据权利要求39所述的***，其中第二保护电压包括脉冲编码调制信号。

52.根据权利要求39所述的***，其中第二保护电压包括这样的电压，该电压接近滤波电容上的预定平均电压。

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