CN106796475B - 用于手势检测及跟踪的电极布置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉一种电极布置,其具有:发射电极,其在测量循环期间经配置以接收交变发射信号;及多个接收电极,其经配置以检测由所述发射电极形成的电场中的扰动。所述发射电极及所述接收电极布置于单层中使得单个发射电极由大体上环绕所述多个接收电极的每一接收电极的电极结构形成。
Description
相关专利申请案
本申请案主张2014年8月20日申请的共同拥有的第62/039,734号美国临时专利申请案的优先权,所述申请案出于所有目的以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及电容式感测***及其操作方法,特定来说,本发明涉及使用电场效应的电容式感测***的电极布置。
背景技术
集成电路(还被称为由本申请案的受让人制造的MGC3130)为可用于三维无触摸手势检测及跟踪(使用准静态交变近场电场,例如大约100到200kHz)的高度敏感电容式感测技术。此***通常使用发射电极,所述发射电极接收例如正弦波或方波信号的交变信号以产生所述电场。多个接收电极以类似框架的方式布置于(例如)发射电极上,且可在集成电路装置内通过信号处理而从所接收的信号重建对象的三维位置。
使用此集成电路装置的人机接口装置(HID)需要通常形成于导电材料的层(例如,印刷电路板层(PCB)的铜条)中的传感器电极。这些电极电连接到集成电路中的检测单元。在检测***中,常规电极布置可形成于多层印刷电路板上,其中底层的全部或大部分通常用作为发射器且较小接收电极及补偿电极可形成于顶层上。可设置两个以上的层以建立还可增加此类电极布置的制造成本的电极。
手势检测单元的测量值尤其取决于传感器电极周边的目标对象(手指/手)的影响电极与目标之间的电容耦合的位置,从而产生取决于交变电场的失真的目标测量信号。所述手势在检测区域上执行且无需触摸相应装置的任何区域。此外,触摸检测还可需要执行/起始所述装置的特定功能。
工业设计的平整度及制造成本正驱动消费及其它行业中的投影电容式触摸显示器。现今,消费显示应用中越来越多的触摸面板是单层电极设计,其更易于制造、能获取更高产率、更薄且显著降低成本。此外,单层设计可提供更好的光学特性(更高透明度)。现今的两层电极设计是进入利用3D手位置跟踪及手势识别的此早期批量市场的障碍。
发明内容
因此,需要较便宜的电极布置。
根据实施例,一种电极布置可包括:发射电极,其在测量循环期间经配置以接收交变发射信号;及多个接收电极,其经配置以检测由所述发射电极形成的电场中的扰动,其中所述发射电极及所述接收电极布置于单层中使得单个发射电极由大体上环绕所述多个接收电极中的每一接收电极的电极结构形成。
根据另一实施例,所述电极布置可进一步包括接触区域,所述接触区域包括经配置以提供到发射电极及每一接收电极的电连接的多个馈线。根据另一实施例,电极布置可进一步包括衬底,在所述衬底的顶侧上布置所述发射及接收电极。根据另一实施例,所述衬底可为柔性衬底。根据另一实施例,所述电极布置可进一步包括布置于所述层中的中心电极,其中接收电极环绕所述中心电极且其中接触区域包括与所述中心电极连接的馈线。根据另一实施例,所述中心电极可形成为栅格。根据另一实施例,电极布置可进一步包括布置于所述层中的中心电极,其中所述中心电极与环绕多个接收电极的发射电极结构的至少一个部分接触。根据另一实施例,电极结构可包括多个环形区段且其中每一环形区段大体上环绕所述接收电极中的一者。根据另一实施例,每一环形区段可与至少一个其它环形区段重叠,借此形成单个电极。根据另一实施例,每一环形区段可具有用于连接由环形区段环绕的接收电极的馈线的通道的开口。根据另一实施例,电极布置可进一步包括布置于中心区域中的多个投影电容式触摸传感器。根据另一实施例,每一投影电容式触摸传感器可包括第一电极及邻接所述第一电极的第二电极。根据另一实施例,所述第一电极及所述第二电极可各自为梳子状且以交叉指形的方式布置。
根据另一实施例,传感器布置可包括根据技术方案1所述的电极布置,其中所述电极布置进一步布置于衬底的顶部上且包括连接区域,所述连接区域包括经配置以将所述发射及接收电极与连接器连接的多个馈线。
根据另一实施例,传感器布置可进一步包括布置于所述衬底的顶部上的中心区域中的多个投影电容式触摸传感器。根据传感器布置的进一步实施例,每一投影电容式触摸传感器可包括第一电极及邻接所述第一电极的第二电极。根据传感器布置的进一步实施例,所述第一电极及所述第二电极可各自为梳子状且以交叉指形的方式布置。根据另一实施例,传感器布置可进一步包括与馈线连接的控制器,其中所述控制器经配置以第一模式或第二模式操作,其中所述第一模式将发射电极及多个接收电极用于无触摸手势检测且所述第二模式将多个投影电容式触摸传感器用于基于触摸的检测模式。根据传感器布置的进一步实施例,在第一模式中,多个投影电容式触摸传感器的电极可经由电容耦合而接收交变发射信号。
根据另一实施例,一种用于操作传感器布置的方法,所述传感器布置包括具有发射电极及多个接收电极的电极布置,其中所述发射电极及所述接收电极布置于单层中使得由大体上环绕所述多个接收电极的每一接收电极的电极结构形成单个发射电极,其中所述多个接收电极经布置成围绕中心区域,且其中多个投影电容式触摸传感器布置于所述中心区域中,其中所述方法可包括以下步骤:在第一操作模式中,在测量循环期间,将交变发射信号馈送到发射电极且从所述接收电极接收多个信号;处理所述信号以确定进入由所述发射电极产生的电场的对象的三维位置;且在第二操作模式中,关闭所述交变发射信号且测量每一投影电容式触摸传感器的电容以确定是否已触摸投影电容式触摸传感器。
根据本方法的进一步实施例,在所述第一模式中,交变发射信号还可电容馈送到投影电容式触摸传感器中的每一电极。
附图说明
图1及2展示用于电容式三维手势检测的常规传感器布置。
图3展示根据图1或2的传感器布置的简化等效电路。
图4展示具有栅格状中心电极的层传感器布置的第一实施例。
图5展示具有发射中心电极的层传感器布置的第二实施例。
图6展示具有多个投影电容式触摸传感器电极的层传感器布置的第三实施例。
图7展示具有多个投影电容式触摸传感器电极的层传感器布置的第四实施例。
图8展示使用具有多个投影电容式触摸传感器电极的层传感器布置的传感器电路的第一实施例。
图9展示使用具有多个投影电容式触摸传感器电极的层传感器布置的传感器电路的第二实施例。
图10展示使用具有多个投影电容式触摸传感器电极的层传感器布置的传感器电路的第三实施例。
具体实施方式
根据各种实施例,可设计传感器布置,特定来说,可设计使用准静态交变近场电场的效应的用于非触摸三维手势检测***的传感器布置,所述传感器布置提供较低材料及制造成本、较薄传感器设计及透明设计的较好光学性能。
如上文所提及,三维电容式非触摸检测***产生准静态电场,其中评估由进入所述电场的对象引起的所述电场中的扰动。所述评估允许电场确定所述对象(例如用户的手指)的三维位置,且跟踪所述对象的位置以进一步确定是否已执行来自手势的预定集区中的手势。此***还可操作为三维无触摸鼠标或控制任何种类的适合操作。此***通常使用接收例如正弦波或方波信号(例如具有100到200kHz的频率)的交变信号以产生准静态交变电场的发射电极。与(例如)相互或自身电容测量相反,发射电极经永久供应有发电机信号且当在测量中永久支撑电场时,测量产生的电场中的扰动。***不评估单个脉冲、由单个或多重脉冲产生的电压及传感器电极的相关联的电荷变化,这是由于(例如)电容式电压分配器或用于相互或自身电容测量的电荷时间测量单元在电容测量***中是常见的。在一些实施例中,多个接收电极(例如)以框架方式经布置以评估由发射电极产生的准静态电场,且可在集成电路装置内通过信号处理而从所接收的信号重建对象的三维位置。在其它实施例中,相同电极用于发射及接收且同时仍产生相同电场,评估测量由电场中的扰动产生的每一发射器/接收器电极上的负载。
所揭示的各种实施例提供消除电极设计中的两个电极层中的一者的解决方案,例如(例如)用于微芯公司(Microchip)的3D手跟踪及手势辨识技术的电极布置。然而,所揭示的设计可用于其它类型的传感器装置且不限制于3D手跟踪及手势辨识技术。根据各种实施例,将描述可如何将TX及RX电极集成在仅一个单个电极层中的技术。所描述的技术应用于使用类似于***提出的但不限制于此***的电极设计的任何电极***。此外,揭示单层电极是如何可集成到一个层投影电容式(pCAP)触摸矩阵设计中的解决方案。
图1及2展示常规两层电极布置。在图1中展示的设计包含中心接收电极RXCenter而在图2中展示的实施例使用具有开放中心区域的框架设计。在两种设计中,在不同顶层位置处存在提供关于在电极布置上方的区域中执行手势的对象(例如,手)的空间信息的四个接收电极RXNorth、RXEast、RXSouth及RXWest。这些接收电极(RX)接收由下层发射电极TXbottom产生的交变电场。非导电载体材料110、120(例如,塑料、PCB材料、玻璃等等)将RX电极与发射电极(TX)隔离。底层中的TX电极TXbottom激发电场且屏蔽RX电极使其免受背部噪声的干扰。可由(例如)馈送到TX电极TXbottom的100kHz方波信号产生电场。接着,在区域(例如,在载体材料110、120上方大约高达10到15cm处)中由发射电极TXbottom投影相应电场。(例如)使用其手在此区域内执行手势的用户扰动电场且可由四个RX电极RXNorth、RXEast、RXSouth及RXWest检测这些扰动。从所接收的信号,可处理三维位置。信号偏差、第一偏差及第二偏差以及到每一电极的经计算、经线性化的距离可用于执行手势比较/评估。
图3展示简化的等效电路。CRxTx代表RX与TX电极之间的电容且可为大约10到30pF。CRxG代表从RX电极到地面的电容且可为大约10到30pF。CH代表用户手与RX电极之间的电容且可为大约1fF到1pF。CBuf代表与电极耦合的RX输入缓冲器的高阻抗输入电容且可为大约6pF。
在两层电极设计中,一般来说,堆叠的电极设置提供RX电极对底下噪声源(例如电子电路及液晶显示器)及对地面的优良屏蔽。
在最优电极设计中,CRxTx及CRxG电容是较小的且具有类似尺寸。此案例在(例如)从微芯技术公司(Microchip Technology Inc.)获得的“设计指南、电极及***设计MGC3130(Design guide,Electrodes and System Design MGC3130)”中描述且以引用的方式并入本文中,其中CRxG的下限为检测电路的输入电容(例如,4到5pF)。在两层设计中,RX-TX电极距离及绝缘载体材料的低电容率允许较小CRxTx,其中屏蔽TX层保证代表RX电极电容到地面的小CRxG值。
根据各种实施例,在其中TX及RX电极依据定义在相同层中的单层设计中,必须保证沿z方向的充足电场传播。
根据各种实施例,用于这些类型的检测电路的TX电极可为:
a)在与RX电极相同的层中的分离TX结构;
b)RX电极本身;
c)同一层中的电容式或电阻式触摸面板的电极结构。
在单层设计中,馈线的布线是极其重要的,这是因为层间通孔连接依据定义是不可行的。最优设计完全不具有任何馈线交叉点。所提及的各种实施例展示如何实现此类设计的实例。
在特定电极技术中可允许桥接的存在,例如箔或玻璃上的ITO、印刷箔等等。然而,此类技术是昂贵的。桥接可在连接电极板的柔性缆线上实现。此外,桥接可在PCB及连接到电极的芯片上实现。
图4的设计展示将TX电极集成到RX电极层中的解决方案。从两侧流动到较低地面的环形围绕RX电极420的TX电极410起作用。每RX电极420的TX环410的一个中断430允许相应RX电极馈线440的连接。仅需要每电极中的一个RX馈线440,如图4中所展示。
围绕每一RX电极420的TX环410屏蔽地面使其免受外部装置部分(例如金属外壳)的干扰且因此维持敏感度。相较于常规设计,例如,如图1及2中所展示的设计,TX电极环410不提供与地面下方的屏蔽。为了维持如上文所提及的大概相似的CRXTX及CRXG值,TX环410归因于RX电极420下方离地面的较小距离而必须更靠近RX电极420。地面可为(例如)透明一层电极结构下的显示器。
个别框架电极TX环410还形成用于任选RX中心电极450(例如用于设计中)的TX结构。在不需要(例如)用于中心触摸检测的RX中心电极的情况中,中心区域可有利地由TX电极510填充,如图5中所展示。电场分配及***的敏感度增加。在图5的所提及的设计中,仅需要一个TX馈线520。中心电极510直接连接到环绕电极420及/或任何其它可得环形结构的环形结构410,如图5中所展示。
根据一些实施例,完整的一层投影电容式触摸矩阵可集成到此框架电极结构的中心区域中,如图6中所展示。将来自近场接收电极420及内部pCAP电极610中的所有电极馈线布线通过一个隅角620且无任何交叉。此设计可节省成本,这是因为其仅需要从电极到电子电路板的一个连接器且不需要一层电极板或玻璃605上的桥接。任何必要连接可形成于控制器PCB上或连接器内,如图6中所指示。
根据当前最先进技术,在柔性连接器、电子电路板(PCB)及触摸控制器芯片上完成使得pCAP矩阵形成电极列及行所需的桥接。在图6中,连接由点表示。所有其它交叉需要桥接。
在为避免两种测量之间的干涉的PCAP与之间的时分复用操作的情况中,在操作期间(在下文中,GTX为TX发射信号)可利用GTX信号驱动完整触摸矩阵。因此,共同切换触摸电极610以形成连接到环形结构410的单个发射电极。在板605外部(例如)由相应切换电路执行此切换。这具有操作期间的经界定及强电场以及pCAP与之间的最快越区移交的优势。pCAP电极610上无剩余电荷可影响十分敏感的测量。通常可内置于控制器芯片上的模拟多路复用器可用于允许此操作模式。例如,芯片或任何其它适合无触摸检测装置可经设计以执行此功能,或使用(例如)模拟多路复用器芯片来外部实施。
图7展示与一层电极布置结合的pCAP一层触摸矩阵设计的另一实例。pCAP TX及RX电极710在本文中被实现为梳子结构。图7进一步展示衬底605可经延伸或设计以提供连接器区段720,连接器区段720允许连接到馈送电极的个别馈线、接收电极及多个pCAP电极710的连接。
衬底605在任何实施例中可为刚性印刷电路板,其包括接收连接器720或可包括直接形成如所属技术领域已知的印刷电路连接器的区段720的区域。替代地,所述衬底可为提供连接器或柔性PCB的柔性衬底,所述柔性PCB形成可***到连接器中的连接区段720。
而根据一些实施例,另一解决方案在图8中展示且其是***的RX-TX电容的离散实现。TX信号经由每一电极420的离散CTX耦合电容810而耦合到RX电极420上。CTX电容810可为离散组件或集成在芯片上。为了满足优化准则(CTX=CRXTX)等于CRXG,耦合电容CTX_North到CTX_West应可单独经调谐(例如,5pF、10pF、15pF、……、50pF)。图8展示无需专属TX电极。RX电极420分配电场且对由用户的手引起的电场变化是敏感的。因此,每一电极420同时操作为发射器及接收器,其中通过确定各电极420上的负载而执行接收功能。此解决方案更简单且更易于实现,这是因为可由近似法来完成CTX调谐。无需电场模拟来匹配CRXTX及CRXG。另一方面,地面屏蔽可归因于RX电极420上的高阻抗TX信号而具有较低效应。将中心区域用于触摸区域(中心电极450)且用于pCAP矩阵(610、710)与之前解决方案是相同的。
如图7及8的实施例中所展示,由以交叉指形的方式布置的上梳子状结构及下梳子状结构形成pCAP电极710。此类pCAP电极710可布置为矩阵,如图7到9中所展示。通过将特定上电极与下电极组合,可形成可用于双功能的行及列。在手势检测模式(还在下文中被称为模式)中,完整行或列可单独用于形成类似于电极420的电极。在pCAP模式中,这些电极如最初希望那样被使用。接着,可使用优选布置于传感器板外部的切换电路来以任一模式操作面板。
图9展示具有(例如)15个pCAP传感器710的单层触摸矩阵是如何可在pCAP模式与信号获取模式之间共享的。在本文中,电极由梳子结构电极的元件形成且接着可用作为发射及接收结构。每一pCAP传感器710由上梳子结构电极及下梳子结构电极组成。顶行的上电极经共同连接以形成NORTH电极930。每一行中的最后pCAP传感器的下元件经共同连接以形成EAST电极940。底行的上pCAP电极经连接以形成SOUTH电极950且每一行中的每一第一pCAP电极的下电极经共同连接以形成WEST电极960。此连接方案仍允许当***在pCAP模式中操作时分开评估每一pCAP电极对,这是因为下电极经连接以形成列且上电极经连接以形成行。当***以手势检测模式操作时,手势检测TX信号GTX可经由开关920电容耦合到手势检测GRX电极(此处通过由CTX_East、CTX_South、CTX_West、CTX_North组成的电容耦合910)中。
那些外电极930、……、960用作为手势检测模式中的输出且在pCAP测量期间必须设置为高阻抗。这可由关闭GTX信号的模拟开关/多路复用器电路完成。
此解决方案的优势是更紧凑的电极设计,其中有源pCAP触摸区域达到边界。在此设计中,有必要保证电极图案(例如,梳子)比较长馈线更敏感。因此,馈线的表面应比电极中的一者更小。一般来说,馈线应十分薄(例如,使用“纳米线”技术)。
相对于图10,为了获取高模式敏感度,在模式操作期间利用发射信号GTX驱动提供对地面的更好屏蔽及沿Z方向的更好电场分配的内部电极区域。通过此方法,内部电极上的pCAP操作中的剩余电荷被有效地馈送到预定电势且不发生pCAP模式与模式之间的传递效应。
如图10中展示的开关/模拟多路复用器1010展示电极是如何可在pCAP与操作之间切换的。一般来说,GTX及pcapTX可根据一些实施例为不同信号。归因于简单性(较低HW及FW复杂性),两个信号还可根据其它实施例而是相同的。
Claims (13)
1.一种电极布置,其包括:
第一电极配置,其经配置以确定对象的三维位置,所述第一电极配置包括:发射电极,其在测量循环期间经配置以接收正弦波信号或方波信号并在所述测量循环期间永久保持所述正弦波信号或所述方波信号;及多个三维接收电极,其经布置以为围绕中心区域形成框架且其经配置以检测由所述发射电极形成的电场中的扰动,其中所述发射电极及所述三维接收电极布置于单层中以使得单个发射电极由大体上环绕每一三维接收电极的电极结构形成,从而形成具有到所述中心区域的单个开口的环,其中所述发射电极是所述电极布置中的唯一发射电极;
第二电极配置,其经配置以用于触摸检测,所述第二电极配置包括:多个投影电容式触摸传感器,其布置于中心区域中、并通过所述单个开口耦合到触摸传感器馈线;以及
控制器,其与所述触摸传感器馈线及电极馈线相连接,且所述电极馈线将所述控制器与所述多个三维接收电极和所述发射电极相连接,其中所述控制器经配置以第一模式或第二模式操作,其中所述第一模式将所述发射电极及所述多个三维接收电极用于无触摸手势检测,且所述第二模式将所述多个投影电容式触摸传感器用于基于触摸的检测模式。
2.根据权利要求1所述的电极布置,其进一步包括接触区域,所述接触区域包括所述触摸传感器馈线及所述电极馈线,所述触摸传感器馈线及所述电极馈线经配置以提供到所述发射电极、每一三维接收电极及所述多个投影电容式触摸传感器的电连接。
3.根据权利要求1所述的电极布置,其进一步包括衬底,在所述衬底的顶侧上布置所述发射电极及所述三维接收电极。
4.根据权利要求3所述的电极布置,其中所述衬底为柔性衬底。
5.根据权利要求1所述的电极布置,其中所述电极结构包括多个环形区段且其中每一环形区段大体上环绕所述三维接收电极中的一者。
6.根据权利要求5所述的电极布置,其中每一环形区段与至少一个其它环形区段重叠,借此形成单个电极。
7.根据权利要求6所述的电极布置,其中每一环形区段具有用于连接由所述环形区段环绕的三维接收电极的馈线的通道的开口。
8.根据权利要求1所述的电极布置,其中每一投影电容式触摸传感器包括第一电极及邻接所述第一电极的第二电极。
9.根据权利要求8所述的电极布置,其中所述第一电极及所述第二电极各自为梳子状且以交叉指形的方式布置。
10.根据权利要求1所述的电极布置,其中在所述第一模式中,所述多个投影电容式触摸传感器的电极经由电容耦合接收所述正弦波信号或方波信号。
11.一种传感器布置,其包括根据权利要求3所述的电极布置,其中所述电极布置进一步布置于所述衬底的顶部上且包括连接区域,所述连接区域包括经配置以将所述唯一发射电极及所述三维接收电极与连接器连接的多个馈线。
12.一种用于操作传感器布置的方法,所述传感器布置包括具有四个边缘的衬底,所述衬底包括具有唯一一个发射电极及多个三维接收电极的第一电极布置,其中所述一个发射电极及所述三维接收电极布置于所述衬底上的单层中以使得由大体上环绕所述三维接收电极的每一者的电极结构形成所述一个发射电极,其中所述多个三维接收电极经布置为每一三维接收电极与所述四个边缘中的一者相邻近并围绕中心区域从而形成框架,并且所述衬底具有第二电极布置,所述第二电极布置包括布置于所述中心区域中的多个投影电容式触摸传感器,所述方法包括:
在第一操作模式中,在测量循环期间,将正弦波信号或方波信号馈送到所述一个发射电极并在所述测量循环期间永久保持所述正弦波信号或所述方波信号,且从所述三维接收电极接收多个信号;处理所述信号以确定在不接触所述衬底的表面的情况下进入由所述一个发射电极产生的电场的对象的三维位置,其中所述电场在所述衬底上方延伸;
在第二操作模式中,关闭所述正弦波信号或方波信号且测量每一投影电容式触摸传感器的电容以确定是否已触摸投影电容式触摸传感器。
13.根据权利要求12所述的方法,其中在所述第一操作模式中,所述正弦波信号或方波信号也电容馈送到所述投影电容式触摸传感器的每一电极。
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