DE102010041464A1

DE102010041464A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Eigenkapazität unter Verwendung eines einzigen Pins

Info

Publication number: DE102010041464A1
Application number: DE102010041464A
Authority: DE
Inventors: Martin-John Simmons
Original assignee: Atmel Corp
Current assignee: Atmel Corp
Priority date: 2009-09-25
Filing date: 2010-09-27
Publication date: 2011-04-14
Also published as: US20190086457A1; TW201133321A; US20140039819A1; TWI506513B; CN102033166B; US20110073383A1; US8552994B2; US10126340B2; CN102033166A

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Messung einer Kapazität in einem Sensorgerät beschrieben, das ein oder mehrere interne Referenzschaltungselemente verwendet, und ohne die Implementierung zusätzlicher Schaltungen und externer Vorrichtungen auskommt. In manchen Ausführungsformen verwendet ein Verfahren einen Ausgangspin des Sensorgeräts und einen internen Referenzkondensator des Sensorgeräts, um eine Berührung, die auf einem Berührungspunkt oder einer mit dem Berührungssensor gekoppelten Elektrode angewendet wird, zu erkennen. Das Verfahren wendet Referenzspannungen an, um den Referenzkondensator zu laden, und misst ein von einer Elektrode erhaltenes Signal, wobei der Berührungssensor die Schaltvorgänge innerhalb des Berührungssensors steuert, um die Referenzspannungen an den Referenzkondensator anzulegen.

Description

Hintergrund
Berührungssensoren, wie z. B. Berührungstasten und Regler, werden verwendet, um eine Vielfalt von Funktionen zu verbessern und alltägliche Geräte in aufregende neue Produkte zu verwandelt. Berührungssensoren können unter Verwendung einer Vielfalt verschiedener Techniken implementiert werden, wobei eine Berührung der Oberfläche elektrische Beziehungen innerhalb des Berührungssensors ändert. Eine Qualitätsprüfung eines Berührungssensorgeräts oder einer kapazitiven Tastatur beinhaltet die Vorwegnahme der Betriebsumstände des Berührungssensors, um eine konsistente und akzeptable Leistungsfähigkeit zu bestätigen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm, das die elektrischen Parameter einer kapazitiven Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform illustriert.
2 ist ein Blockdiagramm, das ein Berührungssensorsystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform illustriert.
3 ist ein Blockdiagramm, das eine Testkonfiguration für eine kapazitive Vorrichtung wie in 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform illustriert.
4 ist eine Tabelle, die den Betrieb beim Testen der kapazitiven Vorrichtung unter Verwendung der Testkonfiguration aus 3 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform illustriert.
5 ist ein Blockdiagramm, das einen Testaufbau für ein Berührungssensorgerät gemäß einer beispielhaften Ausführungsform illustriert.
6 ist ein Blockdiagramm, das eine Testkonfiguration zur Messung der Eigenkapazität unter Verwendung eines einzigen Pins eines Berührungssensorgeräts gemäß einer beispielhaften Ausführungsform illustriert.
7 ist eine Tabelle, die dem Betrieb beim Testen der Eigenkapazität des Berührungssensorgeräts aus 5 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform illustriert.
8 ist ein Blockdiagramm des Berührungssensorgeräts aus 5 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
9 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Testen der Eigenkapazität des Berührungssensors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
Detaillierte Beschreibung
In der folgenden Beschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil derselben bilden und in denen zur Illustration konkrete ausführbare Ausführungsformen gezeigt werden. Diese Ausführungsformen werden in hinreichendem Detail beschrieben, um den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen, und es versteht sich, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können, und dass strukturelle, logische und elektrische Änderungen durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen ist daher nicht als begrenzend zu verstehen und der Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die beigefügten Patentansprüche definiert.
Die hier beschriebenen Funktionen oder Algorithmen können in Software oder als Kombination von Software und manuell ausgeführten Prozeduren in einer Ausführungsform implementiert werden. Die Software kann aus computer-ausführbaren Instruktionen bestehen, die auf einem computerlesbarem Medium, wie einem Speicher oder einer anderen Art von Speichergerät gespeichert sind. Des Weiteren entsprechen derartige Funktionen Modulen, die aus Software, Hardware, Firmware oder irgendeiner Kombination derselben besteht. Mehrere Funktionen können in einem oder mehreren Modulen wie gewünscht ausgeführt werden und die beschriebenen Ausführungsformen stellen lediglich Beispiele dar. Die Software kann auf einem digitalen Signalprozessor (DSP), einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC), einem Mikroprozessor, einem Mikrokontroller, einem virtuellen Kontrollersystem, oder einer anderen Art von Prozessor, der auf einem Computersystem läuft, wie z. B. einem Personalcomputer, Server oder einem anderen Computersystem, ausgeführt werden.
Berührungsempfindliche Anzeigen (touchscreen displays) und Benutzerschnittstellen können in verschiedenen Konfigurationen implementiert werden und können eine oder mehrere leitfähige Schichten beinhalten. Die folgende Diskussion bezieht sich auf Verfahren zum Testen eines Geräts mit einer internen Kapazität, wie z. B. einem Gegenkapazitätssensorgerät, mit einer Ansteuerschicht und einer Abtastschicht. Diese Testverfahren verwenden die elektrischen Eigenschaften und das Verhalten eines kapazitiven Sensors, um eine vereinfachte Testkonfiguration und Prozedur zur Verfügung zu stellen. Unter Ausnutzung des internen Aufbaus eines Berührungssensorgeräts können diese Testverfahren die Abhängigkeit von externer Testausrüstung in früheren Testkonfigurationen verringern.
Während die hier offenbarten Testverfahren und Vorrichtungen in Bezug auf einen kapazitiven Berührungssensor beschrieben werden, können diese Testverfahren und Vorrichtungen auch auf andere Konfigurationen angewendet werden, inklusive Einzelschicht und Mehrfachschichtkonfigurationen von kapazitiven Bahnen in einer Abtastvorrichtung. Die Technik kann auch verwendet werden, um kapazitive Tastaturen und andere Geräte, die kapazitive Sensoren verwenden, zu testen.
In einer beispielhaften Ausführungsform enthält ein Berührungssensorsystem zumindest einen Eingangsanschluss, um ein Eingangssignal von zumindest einer Elektrode zu erhalten, wobei die zumindest eine Elektrode eine Kopplungskapazität aufweist. Das Berührungssensorsystem beinhaltet darüber hinaus einen Analog/Digital-Wandler (ADC), um das empfangene kontinuierliche Analogsignal in diskrete digitale Werte zu verwandeln, die zur weiteren Verarbeitung und Berechnung verwendet werden können. Der ADC-Ausgangswert ist proportional zur Größe der Eingangsspannung (oder -strom). Der ADC kann in einer Vielzahl von Arten als elektronisches Gerät implementiert werden, wie z. B. als Direktwandler oder Flash-Umsetzer, als sukzessiver Approximationswandler, als Rampenvergleichswandler, als integrierter Wandler, als Sigma-Delta-Wandler, usw. Der digitale Ausgang kann weiter verarbeitet werden, um ein Codierungsschema anzuwenden, um den entsprechenden analogen Eingangswert zu identifizieren. Ein Berührungssensorsystem kann eine Verarbeitungseinheit beinhalten, um Operationen als Reaktion auf computerlesbare Anweisungen auszuführen. Die Operationen können die Ausgangsdaten des ADC aufnehmen. Ein Kondensator, wie z. B. ein Filterkondensator, kann mit dem ADC-Eingang gekoppelt sein. Der Kondensator kann als Referenzkondensator zur Erfassung einer Berührung auf der Berührungssensorelektrode verwendet werden. Eine Reihe von Schaltern ist als Mechanismus vorgesehen, um Ladungen auf den Referenzkondensator zu koppeln. Ein erster Schalter koppelt eine erste Referenzspannung an einen ersten Eingang von mehreren Multiplexer(MUX)-Eingängen, und ein zweiter Schalter koppelt eine zweite Referenzspannung an den ersten Eingang des MUX, wobei der MUX einen Ausgang hat, der mit einem ADC-Eingang gekoppelt ist, und wobei eine MUX-Steuereinheit zumindest einen der MUX-Eingänge auswählt, um sie als Eingabe an den ADC zur Verfügung zu stellen. Eine Schaltersteuereinheit steuert den ersten Schalter, um die erste Referenzspannung an den ersten Eingang des MUX anzulegen, und steuert den zweiten Schalter, um die zweite Referenzspannung an den ersten Eingang des MUX anzulegen. Darüber hinaus ist eine Sensorsteuereinheit angekoppelt, um einen ersten digitalen Wert von dem ADC-Ausgang nach Anlegen der ersten Referenzspannung zu empfangen, um einen zweiten digitalen Wert nach Anlegen der zweiten Referenzspannung zu empfangen, und um eine Änderung in der Kopplungskapazität der zumindest einen Elektrode als Funktion des ersten und des zweiten digitalen Werts zu bestimmen.
1 illustriert eine Äquivalentschaltung, die ein kapazitives Sensorsystem 100 mit einem kapazitiven Sensorgerät 110 repräsentiert. Das Sensorsystem 100 hat eine Elektrode 112. Die Elektrode 112 kann auf eine Berührung durch eine menschliche Hand oder ein Gerät, wie z. B. einen Stift, reagieren. Die menschliche Hand oder das Gerät hat eine Berührungskapazität C_t, die bezüglich Erde oder Masse gemessen wird. Die Elektrode 112 ist mit der Sensorschaltung 114 innerhalb des Sensorgeräts 110 gekoppelt. Da die Elektrode 112 hinter oder unterhalb einer dielektrischen Platte (nicht gezeigt) vorgesehen ist, hat der Benutzer keine direkte galvanische Verbindung mit der Berührungssensorschaltung 114.
Innerhalb des Sensorgeräts 110 kann die Sensorschaltung 114 mit der Sensorfirmware 116 gekoppelt sein, die das Sensorgerät 110 steuert und die empfangenen Berührungen an der Elektrode 112 interpretiert. Der Aufbau und die Konfiguration des Sensorgeräts 110 hat verschiedene Eigenkapazitäten, wie z. B. die Kapazität C_p1, die an einem Punkt P1 auf einem Leiter zwischen der Elektrode 112 und der Sensorschaltung 114 gemessen wird. Die Kapazität C_p1 ist die parasitäre Eingangs-/Ausgangs-(I/O)Pinkapazität, die bezüglich einer Referenzmasse betrachtet wird. Die Elektrode 112 hat eine Elektrodenkapazität C_x bezüglich einer relativen Erdspannung, die als Erde bezeichnet wird. Eine Kapazität C_p2 ist die Verdrahtungskapazität, die an einem Punkt P2 gemessen wird, und die bezüglich der Referenzmasse betrachtet wird. In dem kapazitiven Sensorsystem 100 wird die Spannung zwischen einem gegebenen Punkt und einem lokalen Schaltungsumkehrpunkt als Referenzmasse betrachtet, wobei die Referenzmassenspannung irgendein Spannungswert sein kann, mit dem die Spannungen anderer Punkte verglichen werden. Die Referenzmassenspannung kann ein spezifischer Spannungspegel sein, der an dem Sensorgerät 110 angelegt wird, oder eine Referenzebene innerhalb des Sensorgeräts 110. Im Gegensatz dazu wird Erde als ein Umkehrpunkt im freien Raum betrachtet, wie z. B. die Potentialdifferenz, die zwischen einem Finger des Benutzers und der Erde oder der Umgebung gemessen wird. Eine Berührungskapazität C_t besteht zwischen einem menschlichen Finger oder Stift und Erde. Zwischen der relativen Masse und Erde beseht eine Koppelkapazität C_f. Diese verschiedenen Kapazitäten bestehen in dem Aufbau und der Konfiguration des kapazitiven Sensorsystems 100.
In machen Beispielen beinhaltet das Testverfahren die folgenden Annahmen:

C_x >> C_p2 (1)

C_x >> C_p1 (2)

C_f >> C_x (3)

C_f >> C_r (4)

bei der Bewertung des kapazitiven Sensorsystems 100.
2 illustriert eine Touchsensorkonfiguration 200 mit dem kapazitiven Sensorgerät 110, das mit einer Berührungssensorzwischenschicht 206 gekoppelt ist. Die Berührungssensorzwischenschicht 206 kann eine oder mehrere Elektroden beinhalten, ähnlich zu den Elektroden 112 der 1. Ein Paneel 202, wie z. B. ein dielektrisches Paneel, liegt über der Berührungssensorzwischenschicht 206. Ein Anzeigemodul 204 ist unterhalb der Berührungssensorzwischenschicht 206 positioniert und durch das Paneel 202 und die Berührungssensorzwischenschicht 206 sichtbar. Das kapazitive Sensorgerät 110 empfängt Eingaben von der Berührungssensorzwischenschicht, wobei die Eingaben Anweisungen, Selektionen, oder anderen von einem Benutzer zur Verfügung gestellten Informationen entsprechen können.
Manche Ausführungsformen einer Berührungssensorkonfiguration beinhalten verschiedene Kombinationen aus Schichten, sowie verschiedene Implementierungen des abgetasteten Geräts. In dem in 2 illustrierten Beispiel ist die Berührungssensorzwischenschicht 206 als kapazitiver Sensor implementiert, wie er in einer Vielzahl von Berührungssensorgeräten verwendet wird.
3 illustriert eine Testkonfiguration 300 für ein Sensorgerät 310, das an eine Elektrode 312 gekoppelt ist. Wie in dem kapazitiven Sensorsystem 100 aus 1 ist die Elektrode 312 hinter oder unter einer dielektrischen Platte positioniert, und macht daher keine galvanische Verbindung mit einem Benutzer oder Stift, wenn eine Berührung auf dem kapazitiven Sensorsystem getätigt wird. Die Testkonfiguration beinhaltet einen Abtastkondensator C_S, der zwischen den beiden Ausgangsanschlüssen 318 und 320 des Sensorgeräts 310 positioniert ist. Das Sensorgerät 310 hat intern verschiedene Schalter, wie z. B. den Schalter S1, der verwendet wird, um den Anschluss 318 mit einer elektrischen Masse zu verbinden, den Schalter 52, der verwendet wird, um den Anschluss 320 mit einer Referenzspannung V_DD zu verbinden, und einen Schalter S3, der verwendet wird, um den Anschluss 320 mit einer Referenzmasse zu verbinden.
Unter Bezugnahme auf die Testkonfiguration 300 aus 3 wird in 4 eine Tabelle 400 zur Verfügung gestellt, die den Betrieb zum Testen des Sensorgeräts 310 illustriert. Die Spalte ganz links stellt den Index der Schritte dar, wobei die Schritte in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Die nächste Spalte gibt das Verhalten oder den Zustand des Schalters S1 an, wobei die nachfolgenden Spalten das Verhalten oder den Zustand der Schalter S2 bzw. S3 angeben. Die angegebenen Bemerkungen erläutern das Testverfahren. Das Testverfahren misst die Kapazität C_x unter Verwendung der Abtastkapazität C_s. Dies kann getan werden, durch Überwachung des Verhaltens der Kapazität C_x in Reaktion auf eine Abfolge von Impulsen oder Ladungsübertragungen. Die Impulsfolgen werden unter Verwendung der Schalter zur Verfügung gestellt. Auf diese Weise wird eine impulsartige Umschaltsequenz angelegt, um die Kapazität C_x zu bestimmen. Eine Impulsfolge ist eine Sequenz von Ladungsübertragungen. Durch Steuerung der Schalter S1, S2 und S3 überträgt die Prozedur Ladungen über den Kondensator C_s auf den Kondensator C_x durch Wiederholung der Impulsfolgen, um C_x zu messen oder zu berechnen.
Im Schritt 1 der Tabelle 400 ist der Schalter S2 offen, wohingegen die Schalter S1 und S3 geschlossen sind. Durch Verbinden beider Seiten des Abtastkondensators mit der relativen Masse wird jede auf dem Abtastkondensator gespeicherte Restladung C_s sowie die auf der Kapazität C_x der elektrodengespeicherten Ladung effektiv entladen. Dies ist eine Anfangsbedingung eines Messprozesses, die als Erfassungsphase bezeichnet wird.
Im Schritt 2 der Tabelle 400 sind die Schalter S1, S2 und S3 offen, wodurch die Kondensatoren, insbesondere der Abtastkondensator C_s schweben. Dies verhindert einen Querstrom innerhalb der Transistoren des Sensorgeräts 310.
Im Schritt 3 wird der Schalter S2 geschlossen, wohingegen die Schalter S1 und S3 offen bleiben. Ladung wird durch den Abtastkondensator C_s auf den Kondensator C_x getrieben.
In diesem Schaltzustand fließt der gleiche Strom durch C_s und C_x, so dass die auf jeden Kondensator übertragene Ladung effektiv die gleiche ist. Im Schritt 4 sind dann die Schalter S1, S2 und S3 offen, so dass der Abtastkondensator C_s schwebt. Wie im Schritt 2 wird durch das Schweben des Kondensators eine Kreuzleitung zwischen den Transistoren in dem Sensorgerät 310 verhindert. Es gibt eine Einschwingzeit, um ein Einschwingen der Ladungsverteilung zu ermöglichen.
Im Schritt 5 ist der Schalter S1 geschlossen, wohingegen die Schalter S2 und S3 offen bleiben, wodurch der Kondensator C_x entladen wird. Dies komplettiert eine Impulsfolge und die Verarbeitung kehrt (420) zum Schritt 2 für eine nächste Impulsfolge zurück. Durch die impulsfolgen-artigen Schaltvorgänge wird eine Ladung durch die Kapazität C_s auf die Kapazität C_x übertragen. Die Zeit zum Laden von C_x oder die Zahl der verwendeten Impulsfolgezyklen steht mit dem Verhältnis der Kapazitäten C_x zu C_s im Zusammenhang. Da C_x und C_s eine Spannungsteilerschaltung bilden, gilt: V(C_s) = (C_x·V_dd)/(C_s + C_x) (5) wobei V(C_s) die Spannung über dem Abtastkondensator C_s ist. Während eines jeden Impulsfolgezyklus erhöht sich V(C_s) in kleinen Schritten. Wenn V(C_s) einen vorbestimmten Spannungswert erreicht, endet die Erfassungsphase. Die Zeit, die zur Vollendung der Erfassungsphase benötigt wird, kann verwendet werden, um C_x zu berechnen.
In manchen Ausführungsformen ist die Zahl der Impulsfolgezyklen die Messung, die verwendet wird, um den Berührungssensor 310 zu evaluieren. In anderen Worten, jede Erfassung entspricht dem Zustand der Elektrode 312. Wenn die Elektrode 312 in einem Umgebungszustand ist, entspricht die Zahl der Impulsfolgezyklen für jede Erfassung ungefähr einem vorbestimmten Wert. Wenn ein menschlicher Finger oder ein Stift in die Nähe der Elektrode 312 gebracht wird, ändert sich die Zahl der Impulsfolgezyklen während der Erfassungsphase und unterscheidet sich von dem vorbestimmten Wert, wodurch eine Berührung auf der Elektrode 312 angezeigt wird.
In manchen Ausführungsformen werden wiederholte Erfassungen verwendet, um die Kapazität C_x effektiv zu messen. Wenn eine Berührung auf die Elektrode 312 angewendet wird, die als Berührungsabtastelektrode fungiert, erhöht sich die Kapazität C_t und addiert sich parallel mit der Kapazität C_x (vgl. 1). Die Erhöhung in C_t ändert die effektive Schaltung derart, dass C_t und C_x parallel geladen werden, was zu einer schnelleren Erhöhung der Spannung V(C_s) führt. Wenn daher eine Berührung auf die Elektrode 312 angewendet wird, werden weniger Impulsfolgezyklen benötigt, um den Kondensator C_s aufzuladen, um V(C_s) zu erreichen, und daher ist als Reaktion auf ein Berührungsereignis die Zahl der Impulsfolgezyklen verringert und die Impulsfolgezeit verkürzt. Die Änderung in der Zahl der Impulsfolgezyklen während einer Erfassung ist proportional zu C_t.
In manchen Ausführungsformen wird eine Kalibrierungsphase verwendet, um die vorbestimmten Werte für die Messungen zu bestimmen. Sobald der Referenzwert für die Zahl der Impulsfolgezyklen bestimmt ist, kann dieser als Schwellwert zur Erfassung einer möglichen Berührung verwendet werden. Während einer Erfassung wird eine potentielle Berührung erkannt, wenn die Zahl der Impulsfolgezyklen unter den Schwellwert fällt. Ein Prozess der Detektionsintegration (DI) kann mehrere aufeinanderfolge Erfassungen berücksichtigen, bevor ein Berührungsereignis erkannt wird. Der DI-Prozess erkennt eine Berührung auf einer Taste oder ein Berührungsereignis für die Berührungssensorkonfiguration 200 aus 2. Der DI-Prozess unterstützt bei der Vermeidung von Rauschen und anderen nachteiligen Effekten, die als Berührung interpretiert werden könnten, aber falsche Auslesungen darstellen.
5 illustriert Anwendungen der Testkonfiguration 300 auf ein Sensorgerät 510 mit mehreren Anschlüssen, die jeweils an eine Elektrode 512 gekoppelt sind. Die Testkonfiguration 500 ist dargestellt, wobei die Anschlüsse des Sensorgeräts 510 mit Abtastkondensatoren 530, 532 gekoppelt sind. Wie in 5 dargestellt, enthält der Gerätesensor 510 mehrere Anschlüsse, inklusive zumindest Anschlüsse 518, 520, 522 und 524. Die Anschlüsse 518 und 522 sind jeweils mit Elektroden 512 gekoppelt, die jeweils einen Leitungswiderstand 514 haben. Ein Abtastkondensator C_s 530 ist zwischen dem Anschluss 518 und dem Anschluss 520 angeordnet. Ein Abtastkondensator C_s 532 ist zwischen dem Anschluss 522 und dem Anschluss 524 angeordnet. Es versteht sich, dass die Testkonfiguration 500 einen Abtastkondensator C_s zu jeder Elektrode 512 hinzufügt.
Die Testkonfigurationen 300 und 500 erfordern das Hinzufügen von Abtastkondensatoren für jede Elektrode. Sowie die Zahl der Elektroden ansteigt, steigt auch die Zahl der Abtastkondensatoren. In einer beispielhaften Ausführungsform verwendet ein Testverfahren Beziehungen innerhalb eines Sensorgeräts oder einer Sensorschaltung, um die Kapazität C_x zu messen.
6 illustriert ein Sensorgerät 610 mit einer Schaltung, die einen Analog/Digital-Wandler (ADC) 616, mehrere Schalter S1 und S2, und eine Schaltersteuereinheit 630 beinhaltet. Die Konfiguration 600 eliminiert die Verwendung eines Abtastkondensators außerhalb des Sensorgeräts 610, wie er in dem System der 3 verwendet wurde. Die Berührungssensorkonfiguration 600 verwendet statt dessen einen Kondensator C₁, der mit dem ADC 616 gekoppelt ist, welcher in dem Sensorgerät 610 enthalten ist, wodurch der Schaltungsaufwand zur Implementierung der Berührungssensorkonfiguration 600 verringert wird. Während des Betriebs des Sensorgeräts 610 öffnet und schließt die Schaltersteuereinheit 630 selektiv die Schalter S1 und S2. In manchen Ausführungsformen können die Schalter S1 und S2 einzeln gesteuert werden, wobei der Schalter S1 den Punkt P1 mit einer Referenzspannung Vdd koppelt und der Schalter S2 den Punkt P1 mit einer Referenzmasse koppelt. Die Referenzspannung Vdd wird dem Sensorgerät 610 zur Verfügung gestellt, wie z. B. über einen bestimmten Pin (nicht gezeigt) oder durch Verarbeitung einer empfangenen Spannung oder eines elektrischen Signals. Die Referenzmasse kann dem Sensorgerät 610 über einen bestimmten Pin zur Verfügung gestellt werden, oder kann die Spannung an einer Stelle innerhalb des Sensorgeräts 610 sein. Der Klarheit der Beschreibung halber ist eine einzelne Elektrode 610 mit entsprechenden Kapazität C_x mit dem Anschluss 618 gekoppelt dargestellt, es versteht sich jedoch, dass das Sensorgerät 610 eine beliebige Zahl von Elektroden 612 und Anschlüssen 618 aufweisen kann. Der Anschluss 618 ist dann mit einem Multiplexer (MUX) 620 gekoppelt, wobei die Verbindung einen Leitungswiderstand 614 hat. Der MUX 620 hat mehrere Eingänge, um die an den Anschlüssen angelegten Eingaben, wie z. B. elektrische Signale, Strom oder Spannung von der Elektrode 612 am Anschluss 618 zu empfangen. Der MUX 620 hat auch Eingänge, die direkt mit der Referenzspannung Vdd und der Referenzmasse, die eine zugehörige Massespannung hat, gekoppelt sind. Ein Steuereingang 624 wird verwendet, um einen der vielen Eingänge des MUX 620 auszuwählen, wobei der ausgewählte Eingang mit dem ADC 616 verbunden wird. Die Verbindung 622 koppelt den Eingang des MUX 620 mit dem Eingang des ADC 616. Das Sensorgerät 610 ist des Weiteren so eingerichtet, dass der Schalter S1 die Verbindung des Anschluss 618 mit der Referenzspannung Vdd und der Schalter S2 die Verbindung des Anschlusses 618 mit der Referenzmasse ermöglicht.
Wie in 6 dargestellt, sind die Schalter S1 und S2 mit dem Eingang des MUX 620 verbunden. In einem Gerät mit mehreren Eingangsanschlüssen hat jeder Eingangsanschluss einen entsprechenden Satz von Schaltern, wie z. B. S1 und S2. Ein Beispiel ist in 8 dargestellt, in der eine Bank von Schaltern 811 mit einem Schaltersteuergerät 813 implementiert ist.
Das Sensorgerät 610 hat außerdem einen Kondensator C₁, der mit dem Eingang des ADC 616 gekoppelt ist. Der Kondensator C₁ stellt einen Filtereffekt zur Verfügung, um Schwankungen in den vom Ausgang des MUX 620 an den Eingang des ADC 616 gelieferten Spannungen oder Signalen zu reduzieren oder zu vermeiden. Der Kondensator C₁ kann als Referenzkondensator verwendet werden, um elektrische Änderungen an der Elektrode 612 zu erkennen. Die Spannung Vdd/2 kann dem Gerätesensor 610 über einen Pin zur Verfügung gestellt werden oder kann aus der Referenzspannung Vdd erzeugt werden.
Eine beispielhafte Ausführungsform verwendet den Kondensator C₁, um Änderungen in der Kapazität C_x zu erkennen, wodurch die Notwendigkeit des Hinzufügens eines Abtastkondensators außerhalb des Sensorgeräts 610 vermieden wird. Dies reduziert die Erfordernisse einer externen Beschaltung und stellt eine vereinfachte Konfiguration zur Berührungserfassung in der Berührungssensorkonfiguration 600 zur Verfügung. Die Schalter S1 und S2 ermöglichen impulsfolgen-artige Schaltvorgänge, um Änderungen zu messen, die einer Berührung auf der Elektrode 612 entsprechen. Ein derartiges Verfahren ist in der Tabelle 700 der 7 beschrieben. Die Spalte ganz links stellt den Index der Schritte dar, wobei die Schritte in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Die nächste Spalte gibt das Verhalten oder den Zustand des Schalters S1 an, die nachfolgenden Spalten das Verhalten des Schalters S2 bzw. des Steuereingangs. Die angegebenen Bemerkungen erläutern das Testverfahren.
Im Schritt 1 sind die Schalter S1 und S2 offen, während der Steuereingang 624 die Referenzmasse als Eingang an den MUX 620 koppelt. Dies erdet den Kondensator C₁, um jegliche Restspannung zu entladen.
In Schritt 2 ist der Schalter S1 geschlossen, während der Schalter S2 offen ist. Der Kontrolleingang 624 koppelt Vdd als Eingang an den MUX 620. In dieser Konfiguration wird der Kondensator C₁ auf einen positiven Wert geladen. Die Spannung über dem Kondensator C₁ ist die Differenz aus Vdd und Vdd/2, oder Vdd/2. In manchen Ausführungsformen wird in diesem Schritt ein Eingangssignal mit einer positiven Amplitude an dem Eingang des MUX 620 angelegt.
Im Schritt 3 sind die Schalter S1 und S2 offen und der Eingang zum MUX 620 ist der am Anschluss 618 von der Elektrode 612 empfangene Eingang. Eine erste Messung der Spannung V(C₁), die eine positive Spannung darstellt, wird durchgeführt. Die Messung wird durch den ADC 616 durchgeführt.
Im Schritt 4 bleibt der Schalter S1 offen, während der Schalter 52 geschlossen wird. Der Steuereingang 624 koppelt die Referenzmasse als Eingang an den MUX 620. Dies dient der Ladung des Kondensators C₁ auf einen negativen Wert. Die Spannung über dem Kondensator C₁ ist die Differenz aus der Massenspannung und Vdd/2, was im Vergleich zu Vdd/2 einer negativen Spannung entspricht. In manchen Ausführungsformen wird an den Eingang des MUX 620 ein Eingangssignal angelegt, das die entgegengesetzte Polarität des im Schritt 2 gelegten Eingangssignals hat, um so zwei entgegengesetzte Pulse zu verwenden. Die entgegengesetzten Pulse dienen der Unterdrückung von niedrigfrequentem Rauschen, wie z. B. dem Netzbrummen einer Spannungsversorgung. In anderen Worten, wenn ein Netzbrummen in der Referenzspannung Vdd vorhanden ist, wird diese Störung in der Massereferenzspannung GND nicht vorhanden sein. Demzufolge wird die Störung in der einen Messung auftreten, aber nicht in der anderen. Durch Vergleichen der Messungen kann das Netzbrummen entfernt werden. Im Schritt 5 sind die Schalter S1 und S2 offen und der Eingang für den MUX 620 ist der am Anschluss 618 von der Elektrode 612 empfangene Eingang. Eine zweite Messung der Spannung V(C₁) wird durchgeführt, die in dieser Situation eine negative Spannung darstellt. Die Messung wird durch den ADC 616 durchgeführt.
Durch Messung der Kapazität unter Verwendung eines positiven und eines negativen Impulses können niedrigfrequente Störungen mathematisch unterdrückt werden. Störungen können die Frequenz der Verarbeitungseinheit (nicht gezeigt) enthalten, die als Netzbrummen bezeichnet werden. Die niedrigfrequente Störung tritt mit dem gleichen Wert in den Messungen auf, wohingegen der von dem ADC 616 gemessene Wert ein positives und ein invertiertes Signal reflektiert. Dies erlaubt die Aufhebung der Störung. Die in Tabelle 700 aus 7 beschriebenen Messungen basieren auf dem Teilen der Ladung zwischen der Kapazität C_x und der Kapazität C₁.
8 illustriert eine Verarbeitungseinheit 810 mit einer Abtastschaltung 820, um Signale zu verarbeiten, die von den mit den Anschlüssen 818 gekoppelten Elektroden (nicht gezeigt) erhalten werden. Die Verarbeitungseinheit 810 enthält eine Verarbeitungseinheit 802 und einen Speicher 804, der mit der Abtastschaltung 820 über einen Kommunikationsbus 812 gekoppelt ist. Ein Schwellenspeicher 832 ist in der Abtastschaltung 820 enthalten, um Schwellwerte und Information zur Erkennung von Kapazitätsänderungen zu speichern. Es versteht sich, dass verschiedene Ausführungsformen zusätzliche Module, Schaltungen, Software, Firmware und Funktionalitäten haben können, die direkt oder über Busleitungen oder Schaltungen gekoppelt sind. Zum Beispiel kann die Verarbeitungseinheit 810 Teil einer Anwendung sein, wie sie in der Berührungssensorkonfiguration 200 aus 2 dargestellt ist. Die Abtastschaltung 820 enthält einen ADC 822, der einen digitalen Wert ausgibt, der einem empfangenen analogen. Wert entspricht. Die Anschlüsse 818 sind jeweils mit Eingängen eines MUX 824 gekoppelt, wobei jeder einen Leitungswiderstand 814 hat. Die Sensorsteuereinheit 830 kann ein Signal an den MUX 824 liefern, um einen der Eingänge des MUX 824 auszuwählen und an den ADC 822 auszugeben. Zwischen dem MUX 824 und dem ADC 822 ist eine Referenzschaltung 826 vorgesehen, die in manchen Ausführungsformen einen Referenzkondensator enthält. Die Referenzschaltung 826 wird verwendet, um eine Änderung im elektrischen Verhaften oder den Eigenschaften der Elektroden zu erkennen. Wenn eine Berührung an einer Elektrode empfangen wird, ändert sich die Kapazität der Elektrode aufgrund der Nähe des berührenden Objekts zur Elektrode, wie z. B. des menschlichen Fingers, des Stifts oder eines anderen Geräts.
Die Sensorsteuereinheit 830 kann darüber hinaus den Betrieb des ADC 822 steuern. In manchen Ausführungsformen kann der Referenzkondensator ein variabler Kondensator sein, der verwendet wird, um die Empfindlichkeit des Berührungssensors anzupassen.
Eine Bank von Schaltern 811 ist mit den Eingangsanschlüssen 818 gekoppelt, wobei jeder Eingangsanschluss ein zugehöriges Schalterpaar hat, z. B. S1 und S2, innerhalb der Bank der Schalter 811. Andere Anordnungen und Konfigurationen können implementiert werden, um eine Schaltkonfiguration wie in 6 für jeden Anschluss 818 zur Verfügung zu stellen. In anderen Worten, jeder Pin 818 hat einen Schalter S1, der mit einer Referenzspannung Vdd gekoppelt ist, und einen Schalter S2, der mit einer relativen Masse GND gekoppelt ist. Der Betrieb zum Testen jedes der Anschlüsse 818 wird in ähnlicher Weise ausgeführt wie beim Testen des Anschlusses 618. Die Bank von Schaltern 811 wird durch eine Schaltersteuereinheit 813 gesteuert, die jedes der Schalterpaare S1 und S2 innerhalb der Bank von Schaltern 811 steuert.
9 illustriert ein Verfahren 900, das mit einem Vorgang 902 zur Kalibrierung des Berührungssensorsystems, wie z. B. der Berührungssensorkonfiguration 600 aus 6, beginnt. Die Kalibrierungsphase bestimmt Schwellwerte für einen Referenzkondensator, so dass das Berührungssensorsystem in der Lage ist, zwischen einer Umgebungsbedingung, in der keine Berührung an dem Berührungssensorsystem anliegt, und einer Bedingung, in der eine Berührung angelegt wird, zu unterscheiden. Der Vorgang 904 dient der Speicherung der Schwellwerte in einem Speichergerät. Die Verarbeitung in einer Erfassungsphase entlädt 906 zunächst den Referenzkondensator, wie z. B. den Kondensator C₁ aus 6. Eine positive Spannung wird an den Referenzkondensator (Vorgang 908) angelegt und ein von der Elektrode empfangenes Signal wird gemessen (Vorgang 910). Die Verarbeitung 900 wird fortgesetzt und ein negatives Spannungssignal wird an den Referenzkondensator angelegt (Vorgang 912) und ein von der Elektrode empfangenes Signal wird gemessen (Vorgang 914).
Ein Vergleich und eine Auswertung der Messungen wird durchgeführt, um Störungen aus dem Signal zu eliminieren und ein Berührungsereignis zu erkennen. Wenn an dem Entscheidungsvorgang 920 keine Berührung erfasst wurde, kehrt die Verarbeitung zum Vorgang 906 zurück, um die nächste Erfassung zu beginnen. In anderen Worten, die Elektrode ist in einem Umgebungszustand und keine Berührung wird detektiert. Wenn eine Berührung am Entscheidungspunkt 920 detektiert wird, wird die Verarbeitung fortgesetzt, um zu bestimmen, ob die DI abgeschlossen ist (Entscheidungsvorgang 922). Wenn die DI abgeschlossen ist und die von den Elektroden empfangenen Signale den Berührungsschwellwert erfüllen, wird die Berührungserkennung bestätigt und die Verarbeitung wird fortgesetzt, um die durch die Berührung angegebene Aktion auszuführen (Vorgang 924). Wenn z. B. ein Anwender eine Berührung auf die Elektrode ausübt, um eine Taste oder einen Button auf dem Berührungssensorgerät auszuwählen, wird die mit dieser Taste verbundene Funktion implementiert, wenn die Berührung erkannt wird. Nach der Detektion der Berührung, kehrt die Verarbeitung zum Vorgang 906 zurück und eine weitere Erfassung beginnt. Wenn die DI zum Entscheidungspunkt 922 noch nicht abgeschlossen ist, kehrt die Verarbeitung zum Vorgang 906 zurück, um die laufende Erfassung fortzusetzen. In anderen Worten, eine Erfassung, die eine Berührung erkennt, wird fortgesetzt, bis die DI abgeschlossen ist, oder eine Messung empfangen wird, die den Schwellwert nicht erfüllt. Die DI ist implementiert, um fehlerhafte Messungen zu vermeiden, oder Messungen, die nicht das Ergebnis einer Berührung an der Elektrode sind, sondern Folge anderer Betriebsumstände.
Die vorliegende Diskussion dreht sich um ein Verfahren zur Messung einer Kapazität in einem Sensorgerät ohne zusätzliche Beschaltung und Geräte, die extern an dem Sensorgerät angelegt werden, wie z. B. durch Verwendung eines Ausgangspins des Sensorgeräts. Das beschriebene Messverfahren verwendet einen internen Kondensator, oder andere elektrische Komponenten, als Referenz zur Erkennung einer Berührung, die auf einen Berührungspunkt oder eine mit dem Berührungssensor gekoppelte Elektrode ausgeübt wird. Der Berührungssensor legt Ladungen an den Referenzkondensator an und misst ein von einer Elektrode empfangenes Signal. Die Messungen werden verwendet, um eine Berührung der Elektrode zu erkennen.
Die beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen können in Verbindung mit Geräten mit einer Mensch-Maschine-Schnittstelle verwendet werden. Es ist ebenfalls möglich, einen Sensor zur Verfügung zu stellen, ähnlich zu den oben beschriebenen, der getrennt von dem Gerät oder der Einrichtung, die er steuert, vorgesehen ist, z. B. um eine Aufrüstung einer bestehenden Einrichtung zur Verfügung zu stellen. Es ist ebenfalls möglich, einen generischen Sensor zur Verfügung zu stellen, der für den Betrieb einer Reihe unterschiedlicher Einrichtungen konfiguriert werden kann.
Obwohl die Testverfahren und Vorrichtungen bezüglich mehrerer Ausführungsformen beschrieben wurden, können viele Abwandlungen und Änderungen durchgeführt werden, ohne von der Erfindung abzuweichen. Die zur Verfügung gestellten Zeichnungen sind nicht dazu gedacht, eine bestimmte Größe oder bestimmte Maße eines Moduls anzugeben, sondern dienen lediglich der Klarheit des Verständnisses der Prüfung und Bewertung eines Sensorgeräts. In ähnlicher Weise können die hier beschriebenen Konzepte auf Produktverbesserungen angewendet werden, die die Einführung eines Doppelschichtgeräts beinhalten, wobei eine Messung von Werten in einem Einzelschichtgerät eine komplexe Schaltung erfordert oder sich im zusammengebauten Zustand als schwierig erweist.

Claims

Berührungssensorsystem mit: zumindest einem Eingangsanschluss zum Empfangen eines Eingangssignals von zumindest einer Elektrode, wobei die zumindest eine Elektrode eine Koppelkapazität aufweist; einem Analog/Digital-Wandler (ADC) mit einem ADC-Eingang und einem ADC-Ausgang; einem mit dem ADC-Eingang gekoppelten Kondensator; einem Multiplexer (MUX) mit mehreren MUX-Eingängen und einem MUX-Ausgang, der mit dem ADC-Eingang gekoppelt ist, wobei der zumindest eine Anschluss mit einem der mehreren MUX-Eingänge gekoppelt ist; einem ersten Schalter zum Verbinden einer ersten Referenzspannung mit einem ersten Eingang der mehreren MUX-Eingänge; einer Schaltersteuereinheit zur Steuerung des ersten Schalters, um die erste Referenzspannung an den ersten Eingang des MUX anzulegen; und einer Sensorsteuereinheit zum Empfangen eines ersten digitalen Werts von dem ADC-Ausgang nach Anlegen der ersten Referenzspannung und zur Bestimmung einer Änderung in der Koppelkapazität der zumindest einen Elektrode als Funktion des ersten digitalen Werts.
Berührungssensorsystem nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend: einen zweiten Schalter, der eine zweite Referenzspannung mit dem ersten Eingang der mehreren MUX-Eingänge verbindet; und eine MUX-Steuereinheit zur Auswahl der zumindest einen Elektrode als eine Eingabe an den ADC-Eingang, wobei die Schaltersteuereinheit des Weiteren dazu eingerichtet ist, den zweiten Schalter zu steuern, um die zweite Referenzspannung an den ersten Eingang des MUX anzulegen, und die Sensorsteuereinheit des Weiteren dazu eingerichtet ist, einen zweiten digitalen Wert nach Anlegen der zweiten Referenzspannung zu erhalten, und eine Änderung in der Koppelkapazität der zumindest einen Elektrode als Funktion des ersten digitalen Werts und des zweiten digitalen Werts zu bestimmen.
Berührungssensorsystem nach Anspruch 1, wobei die erste Referenzspannung die entgegengesetzte Polarität wie die zweite Referenzspannung hat.
Berührungssensorsystem nach Anspruch 1, wobei die Sensorsteuereinheit des Weiteren dazu eingerichtet ist, die erste und die zweite Elektrodenspannung mit einem Schwellwert zu vergleichen, um eine Berührung an der zumindest einen Elektrode zu detektieren.
Berührungssensorvorrichtung mit: einer Referenzschaltung zur Messung elektrischer Änderungen an einer Berührungssensorelektrode; einem ersten Schalter zum Anlegen eines ersten Spannungssignals an die Referenzschaltung; einem zweiten Schalter zum Anlegen eines zweiten Spannungssignals an die Referenzschaltung; und einer Messeinheit zum Messen einer ersten Änderung im elektrischen Verhalten der Berührungssensorelektrode nach Anlegen des ersten Spannungssignals und zum Messen einer zweiten Änderung im elektrischen Verhalten der Berührungssensorelektrode nach Anlegen des zweiten Spannungssignals.
Berührungssensorvorrichtung nach Anspruch 5, des Weiteren umfassend eine Steuereinheit zum Vergleichen der ersten und der zweiten Änderung im elektrischen Verhalten der Berührungssensorelektrode, um eine Berührung der Berührungssensorelektrode zu detektieren.
Berührungssensorvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Referenzschaltung umfasst: einen Kondensator mit einer Seite, die mit einem Eingang der Messeinheit gekoppelt ist, und einer entgegengesetzten Seite, die mit einer Referenzspannung gekoppelt ist, wobei das erste Spannungssignal und das zweite Spannungssignal bezüglich der Referenzspannung von entgegengesetzter Polarität sind.
Berührungssensorvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Berührungssensorvorrichtung des Weiteren einen Anschluss umfasst, um ein Eingangssignal von der Berührungssensorelektrode zu empfangen, und wobei die Messeinheit dazu eingerichtet ist, das Eingangssignal von der Berührungssensorelektrode nach Anlegen des ersten Spannungssignals und nach Anlegen des zweiten Spannungssignals zu messen.
Verfahren umfassend: Steuern eines ersten Schalters, um einen Referenzkondensator auf einen ersten Spannungspegel zu laden, wobei der Referenzkondensator mit einem Eingang eines Analog/Digital-Wandlers (ADC) gekoppelt ist; Empfangen eines ersten Analogsignals von einer Berührungssensorelektrode am Eingang des ADC; Umwandlung des ersten Analogsignals in einen ersten digitalen Wert, der an einem Ausgang des ADC zur Verfügung gestellt wird; Detektieren einer Berührung des Berührungssensorgeräts auf Basis des ersten digitalen Werts.
Verfahren nach Anspruch 9, des Weiteren umfassend: Steuern eines zweiten Schalters, um den Referenzkondensator auf einen zweiten Spannungspegel zu laden; Empfangen eines zweiten Analogsignals von der Berührungssensorelektrode am Eingang des ADC; Umwandeln des zweiten Analogsignals in einen zweiten digitalen Wert am Ausgang des ADC; und Steuern eines Multiplexers (MUX), um eine Eingabe für den ADC auszuwählen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Referenzkondensator des Weiteren mit einer Referenzspannung gekoppelt ist, und die erste Spannung und die zweite Spannung bezüglich der Referenzspannung von entgegengesetzter Polarität sind.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Referenzspannung eine Funktion des ersten Spannungspegels ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der zweite Spannungspegel eine Massespannung ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Detektion einer Berührung des Weiteren umfasst: Berechnung einer Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten digitalen Wert; und Vergleichen der Differenz mit einem Schwellenwert.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Steuern des ersten Schalters zum Laden des Referenzkondensators auf einen ersten Spannungspegel ein Schließen des ersten Schalters und ein Öffnen des zweiten Schalters umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Steuern des zweiten Schalters zum Laden des Referenzkondensators auf den zweiten Spannungspegel ein Schließen des zweiten Schalters und ein Öffnen des ersten Schalters umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Umwandlung der ersten analogen Spannung in einen ersten digitalen Wert am Ausgang des ADC ein Öffnen des ersten und des zweiten Schalters umfasst, und wobei die Umwandlung der zweiten anlogen Spannung in einen zweiten digitalen Wert am Ausgang des ADC ein Öffnen des ersten und des zweiten Schalters umfasst.
Computerlesbares Medium mit Anweisungen, die, wenn sie auf einer oder mehreren Maschinen ausgeführt werden, die eine oder mehreren. Maschinen veranlassen, die folgenden Schritte auszuführen: Steuern eines ersten Schalters, um einen Referenzkondensator auf einen ersten Spannungspegel zu laden, wobei der Referenzkondensator mit einem Eingang eines Analog/Digital-Wandlers (ADC) gekoppelt ist; Empfangen eines ersten Analogsignals von einer Berührungssensorelektrode an dem Eingang des ADC; Umwandeln des ersten Analogsignals in einen ersten digitalen Wert, der an einem Ausgang des ADC zur Verfügung gestellt wird; Steuern eines zweiten Schalters, um den Referenzkondensator auf einen zweiten Spannungspegel zu laden; Empfangen eines zweiten Analogsignals von der Berührungssensorelektrode an dem Eingang des ADC; Umwandeln des zweiten Analogsignals in einen zweiten digitalen Wert an dem Ausgang des ADC; und Detektieren einer Berührung des Berührungssensorgeräts auf Basis des ersten und des zweiten digitalen Werts.
Computerlesbares Medium nach Anspruch 18, wobei das Detektieren einer Berührung des Weiteren dazu eingerichtet ist, eine Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten digitalen Wert zu berechnen und die Differenz mit einem Schwellwert zu vergleichen.
Computerlesbares Medium nach Anspruch 18, wobei die Umwandlung der ersten analogen Spannung in einen ersten digitalen Wert am Ausgang des ADC des Weiteren ein Öffnen des ersten und des zweiten Schalters umfasst, und wobei die Umwandlung der zweiten analogen Spannung in den zweiten digitalen Wert am Ausgang des ADC des Weiteren ein Öffnen des ersten und des zweiten Schalters umfasst.