JP2018081941A - 電界測定システムのための電極設計 - Google Patents

Abstract

【課題】電界測定システムのための電極設計の提供。
【解決手段】伝送電極および少なくとも１つの受信電極を伴う電界センサデバイスのための電極配列は、第１の伝導層および第２の伝導層を有する、非伝導基板を有してもよい。第１の電極は、第１の伝導層内に配列され、第１の電極は、電界センサデバイスの受信電極であり、第２の電極は、第２の伝導層内に配列され、第２の電極は、電界センサデバイスの伝送電極であり、第２の電極は、第１の電極より大きい面積を被覆し、第２の電極は、第１の電極と第２の電極との間の静電容量を低減させるようにテクスチャ加工される。
【選択図】図５

Description

（関連出願への相互参照）
本出願は、２０１２年１０月１９日に出願された「ＥＬＥＣＴＲＯＤＥ ＤＥＳＩＧＮ
ＦＯＲ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＦＩＥＬＤ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＳＹＳＴＥＭ」という題名の米国仮出願第６１／７１５，９６６号の利益を主張する。上記文献は、その全体として本明細書において援用される。

（技術分野）
本開示は、電極に関し、特に、電界測定システムにおいて使用するための電極の設計に関する。

（背景）
特に、モバイルデバイスのためのヒューマンデバイスインターフェースは、多くの場合、必ずしも、任意の可動部品を要求しない、ユーザ入力を検出するためのセンサ配列を使用する。実施例は、アクティブ化されるためにタッチされることが要求される、タッチスクリーンおよび容量スイッチである。そのようなセンサシステムは、デバイス上に配置され、ユーザがそれらにタッチする、または非常に接近する場合、静電容量の変化が、測定され、イベントをトリガすることができる、電極を備える。これらの電極は、多くの場合、小型金属プレート、回路基板上にエッチングされた面積、またはディスプレイにおいて使用するための透明ＴＩＮ酸化物層等の金属層内の面積によって形成される。

類似電極はまた、電界測定のために使用されることができる。本タイプのセンサデバイスは、タッチせずに、従来の容量センサシステムよりデバイスから離れた距離において、物体の検出を可能にする。電界測定システムでは、電極は、送信機として使用され、個別のデバイス外またはその正面の電界を投影させる。電界は、３０〜２００ｋＨｚ、特に、７０〜１４０ｋＨｚまたは４０〜１１５ｋＨｚ信号によって発生され得、したがって、近接場では、準静的である。物体がそのような準静電界に進入するたびに、そのパラメータは、影響または変化される。同一の電極または別個の受信機電極が、これらの変化を検出するために使用されることができる。複数のそのような電極が、感知システム内で使用される場合、多次元ジェスチャ検出が、可能となり、それにタッチすることなく、デバイスの動作を可能にする。電界感知配列では、センサは、多くの場合、具体的順序で遮蔽または配列される必要があり、したがって、着信信号の評価のために、フロントエンド集積回路デバイスに結合されてもよい。

（要約）
準静電界を発生させ、物体が電界に進入すると、その電界内の擾乱を感知するシステム内で使用される電極の感度は、多くの場合、特に、固体電極を使用するシステムでは、低い。故に、改良された電極および電極配列の必要性がある。

ある実施形態によると、少なくとも１つの伝送電極および少なくとも１つの受信電極を伴う、準静電界を発生させる電界センサデバイスのための電極配列であって、第１の伝導層および第２の伝導層を有する、非伝導基板と、第１の伝導層内に配列される第１の電極であって、電界センサデバイスの受信電極である、第１の電極と、第２の伝導層内に配列される第２の電極であって、第２の電極は、電界センサデバイスの伝送電極であり、第２の電極は、第１の電極より大きい面積を被覆し、第１および／または第２の電極は、第１の電極と第２の電極との間の静電容量を低減させるようにテクスチャ加工される、第２の電極とを備える、電極配列が、開示される。

さらなる実施形態によると、第２の電極のみは、少なくとも１つの切り欠き面積を備えるようにテクスチャ加工されることができ、第２の電極は、第１の電極の類似形態を有し、第１の電極が切り欠き面積を被覆するように第１の電極の下に位置する。さらなる実施形態によると、第２の電極の面積全体は、ハッシュまたはハッチテクスチャによってテクスチャ加工されることができる。さらなる実施形態によると、テクスチャは、複数の伝導線によって形成されることができる。さらなる実施形態によると、ハッシュまたはハッチテクスチャは、均質であることができる。さらなる実施形態によると、ハッシュまたはハッチテクスチャは、編目を形成する複数の伝導線によって形成されることができる。さらなる実施形態によると、編目は、第１の平行に配列された伝導線のセットおよび第２の平行に配列された伝導線のセットによって形成されることができる。さらなる実施形態によると、第１の平行に配列された伝導線のセットは、９０度の角度で、該第２の平行に配列された伝導線のセットに交差してもよい。さらなる実施形態によると、編目は、編目を包囲する周辺伝導線を備えてもよい。さらなる実施形態によると、第２の電極は、複数の溝を提供するようにテクスチャ加工されることができる。さらなる実施形態によると、溝は、所定の距離において平行に配列されることができる。さらなる実施形態によると、第１の電極のみは、テクスチャ加工される。さらなる実施形態によると、電極配列はさらに、該第２の電極の上方に配列される複数の第１の電極と、該第２の電極への電気接続のための複数の給電線とを備えてもよい。さらなる実施形態によると、４つの第１の電極の少なくとも１セットは、長方形面積を画定するように配列されることができる。さらなる実施形態によると、電極配列はさらに、４つの電極によって画定される長方形面積内に、中心電極を備えてもよい。さらなる実施形態によると、第２の電極は、編目電極としてテクスチャ加工されることができ、４つの第１の電極の少なくとも１セットによって画定される長方形面積のみを被覆する。さらなる実施形態によると、給電線は、約０．１５ｍｍの幅を有してもよい。さらなる実施形態によると、第１の伝導層は、印刷回路基板の上層であることができる。さらなる実施形態によると、第２の伝導層は、印刷回路基板の底層であることができる。さらなる実施形態によると、第１の伝導層は、透明絶縁担体材料上の透明伝導上層であることができる。さらなる実施形態によると、第２の伝導層は、透明絶縁担体材料上の底層であることができる。さらなる実施形態によると、給電線および該第２の電極は、多層印刷回路基板の内側層内に配列されることができる。さらなる実施形態によると、多層印刷回路基板の底層は、接地に接続されることができる。さらなる実施形態によると、電極配列はさらに、該給電線を通して該受信電極と結合される、フロントエンドアナログデバイスを備えてもよい。さらなる実施形態によると、フロントエンドアナログデバイスは、該給電線を通して受信される信号を減衰させるための分圧器を備えてもよい。さらなる実施形態によると、分圧器は、周波数補償を備えてもよい。さらなる実施形態によると、電極配列は、相互から電気的に絶縁され、それぞれ、部分的伝送電極を形成する、複数の第２の電極を備えてもよい。さらなる実施形態によると、各伝送電極は、長方形電極区分によって形成されることができる。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
少なくとも１つの伝送電極および少なくとも１つの受信電極を伴う、準静電界を発生させる電界センサデバイスのための電極配列であって、前記電極配列は、
第１の伝導層および第２の伝導層を有する非伝導基板と、
前記第１の伝導層内に配列される第１の電極であって、前記第１の電極は、前記電界センサデバイスの受信電極である、第１の電極と、
前記第２の伝導層内に配列される第２の電極であって、前記第２の電極は、前記電界センサデバイスの伝送電極であり、前記第２の電極は、前記第１の電極より大きい面積を被覆し、前記第１および／または第２の電極は、前記第１の電極と前記第２の電極との間の静電容量を低減させるようにテクスチャ加工されている、第２の電極と
を備える、電極配列。
（項目２）
前記第２の電極のみは、少なくとも１つの切り欠き面積を備えるようにテクスチャ加工され、前記少なくとも１つの切り欠き面積は、前記第１の電極の類似形態を有し、前記第１の電極が前記切り欠き面積を被覆するように前記第１の電極の下に位置する、項目１に記載の電極配列。
（項目３）
前記第２の電極の面積全体は、ハッシュまたはハッチテクスチャによってテクスチャ加工されている、項目１または２に記載の電極配列。
（項目４）
前記テクスチャは、複数の伝導線によって形成されている、項目３に記載の電極配列。
（項目５）
前記ハッシュまたはハッチテクスチャは、均質である、項目３に記載の電極配列。
（項目６）
前記ハッシュまたはハッチテクスチャは、編目を形成する複数の伝導線によって形成されている、項目３−５のいずれかに記載の電極配列。
（項目７）
前記編目は、第１の平行に配列された伝導線のセットおよび第２の平行に配列された伝導線のセットによって形成されている、項目６に記載の電極配列。
（項目８）
前記第１の平行に配列された伝導線のセットは、９０度の角度で前記第２の平行に配列された伝導線のセットに交差する、項目７に記載の電極配列。
（項目９）
前記編目は、前記編目を包囲する周辺伝導線を備える、項目７に記載の電極配列。
（項目１０）
前記第２の電極は、複数の溝を提供するようにテクスチャ加工されている、項目１または２に記載の電極配列。
（項目１１）
前記溝は、所定の距離において平行に配列されている、項目１０に記載の電極配列。
（項目１２）
前記第１の電極のみは、テクスチャ加工されている、項目１に記載の電極配列。
（項目１３）
前記第２の電極の上方に配列された複数の第１の電極と、前記第２の電極への電気接続のための複数の給電線とをさらに備える、項目１に記載の電極配列。
（項目１４）
４つの第１の電極の少なくとも１セットは、長方形面積を画定するように配列されている、項目１３に記載の電極配列。
（項目１５）
前記４つの電極によって画定された長方形面積内に中心電極をさらに備える、項目１４に記載の電極配列。
（項目１６）
前記第２の電極は、編目電極としてテクスチャ加工され、前記４つの第１の電極の少なくとも１セットによって画定された長方形面積のみを被覆する、項目１４に記載の電極配列。
（項目１７）
前記給電線は、約０．１５ｍｍの幅を有する、項目１３−１６のいずれかに記載の電極配列。
（項目１８）
前記第１の伝導層は、印刷回路基板の上層である、項目１３−１７のいずれかに記載の電極配列。
（項目１９）
前記第２の伝導層は、印刷回路基板の底層である、項目１８に記載の電極配列。
（項目２０）
前記第１の伝導層は、透明絶縁担体材料上の透明伝導上層である、項目１−１７のいずれかに記載の電極配列。
（項目２１）
前記第２の伝導層は、前記透明絶縁担体材料上の底層である、項目２０に記載の電極配列。
（項目２２）
前記給電線および前記第２の電極は、多層印刷回路基板の内側層内に配列されている、項目１３−１９のいずれかに記載の電極配列。
（項目２３）
前記多層印刷回路基板の底層は、接地に接続されている、項目２２に記載の電極配列。
（項目２４）
前記給電線を通して前記受信電極と結合されたフロントエンドアナログデバイスをさらに備える、項目１３−２３のいずれかに記載の電極配列。
（項目２５）
前記フロントエンドアナログデバイスは、前記給電線を通して受信される信号を減衰させるための分圧器を備える、項目２４に記載の電極配列。
（項目２６）
前記分圧器は、周波数補償を備える、項目２５に記載の電極配列。
（項目２７）
相互から電気的に絶縁された複数の第２の電極を備え、前記複数の第２の電極のそれぞれは、部分的伝送電極を形成する、先行項目のいずれかに記載の電極配列。
（項目２８）
各伝送電極は、長方形電極区分によって形成されている、項目２７に記載の電極配列。

図１は、誘電基板の底層上の固体伝送（Ｔｘ）電極および上層上の受信（Ｒｘ）電極を示す。 図２は、種々の実施形態による、Ｒｘ電極の真下に切り欠きＴｘ電極面積を伴う、類似配列を示す。 図３は、ある実施形態による、テクスチャ加工されたＴｘ電極を示す。 図４は、別の実施形態による、テクスチャ加工されたＴｘ電極を示す。 図５は、ある実施形態による、Ｒｘ電極の真下にＴｘ切り欠きを伴う、テクスチャ加工されたＴｘ電極を示す。 図６は、標準的電極等価回路を示す。 図７は、種々の実施形態による、拡張電極等価回路を示す。 図８は、電界ジェスチャ検出システム内の伝送および受信電極の典型的配列を示す。 図９は、種々の実施形態による、最適化されたＴｘ構造を用いた信号偏差を示す。 図１０は、種々の実施形態による、センサシステムの別の実施例を示す。 図１１は、印刷回路基板、例えば、図１０に示される回路基板を通した断面図を示す。 図１２は、電極配列のさらに別の実施形態の上面図を示す。

（詳細な説明）
種々の実施形態によると、特に、統合型フロントエンドデバイスと併用するための電極設計は、追跡されるべき物体、例えば、ユーザの手に対して有意により高い感度をもたらすように改良されることができる。

図１は、準静電界センサシステムのための伝送電極１２０および単一受信電極１１０の従来のレイアウト１００を示す。より多いまたはより少ない伝送および受信電極が、使用されてもよいが、明確にする目的のために、１つのみの伝送電極が、図１に示される。また、本実施形態では、誘電担体基板１３０の上層上に配列される単一受信電極１１０のみが、示される。しかしながら、複数の別個の受信電極１１０が、誘電担体基板１３０の上層上に配列されてもよい。伝送電極１２０は、誘電担体基板１３０の底層上に配列される。本配列は、伝送電極と受信電極との間の容量結合を生じさせる。

動作時、伝送電極は、交流信号、例えば、周波数約３０〜２００ｋＨｚ、特に、約７０〜１４０ｋＨｚまたは４０〜１１５ｋＨｚを有する、マイクロコントローラによって発生される方形波信号がフィードされるであろう。他の好適な周波数範囲が、適用されてもよい。これは、伝送電極平面の上方および下方に準静電界を発生させる。ほとんどの用途では、受信電極１１０の方向に伝送電極１２０から発生された電界のみが、着目される。いったん手の静電容量Ｃ_Ｈａｎｄを有するユーザの手等の物体が、本準静電界に進入すると、受信電極における信号は、物体によって生じる容量影響のため、変化するであろう。そのような擾乱は、電極までの物体の距離に伴って変動する。フロントエンド回路は、そのような信号変化を検出し、さらに、これらの信号を評価または処理することができる。

以下により詳細に説明されるように、そのようなフロントエンド集積回路システムの信号感度は、以下である。
式中、ｄＳは、手の静電容量Ｃ_Ｈａｎｄの略線形関数である。Ｃ_ＲｘＴｘは、伝送電極と受信電極との間の静電容量である。Ｃ_Ｂｕｆは、フロントエンド集積回路デバイスの入力バッファの入力静電容量である。Ｃ_Ｌは、Ｒｘ給電線とＴｘ電極との間に生成される静電容量である。Ｃ_Ｎは、雑音結合静電容量である。Ｃ_ＲｘＧは、Ｒｘ電極と接地との間の静電容量である。パラメータ「ａ」は、入力回路内で使用される分圧器によって判定される減衰係数である。

前述の式は、分母が最小限になるとき、手に対する感度が増加することを示す。ある用途では、以下のパラメータが、影響要因である。
（ａ）Ｒｘ給電線静電容量Ｃ_Ｌ
（ｂ）Ｒｘ電極接地静電容量Ｃ_ＲｘＧ
（ｃ）ＲｘおよびＴｘ電極Ｃ_ＲｘＴｘ間の静電容量

要因（ａ）に関する第１の解決策は、Ｔｘ電極およびその給電線までのＲｘ給電線の距離を最大限にすることによって達成されることができる。なお、これは、推奨される、Ｒｘ給電線を手の影響から遮蔽することとの間のトレードオフである。種々の実施形態によると、前述の式は、接地の代わりに、Ｔｘ信号を用いてＲｘ給電線を遮蔽することがより良いことを示す。接地遮蔽は、Ｃ_ＲｘＧを増加させ、Ｃ_Ｌよりシステム感度に悪影響を及ぼすであろう。常時、Ｒｘ給電線を可能な限り薄く作製することが好ましい。これは、Ｔｘおよび接地に対する給電線静電容量ならびに給電線に対する手の影響の両方を最小限にする。

要因（ａ）に関する第２の解決策は、Ｒｘ給電線の周囲にアクティブ保護／遮蔽を使用するときに達成されることができ、保護／遮蔽は、受信およびバッファされた入力信号によってアクティブに駆動される。理想的には、本保護は、給電線を完全に包囲する同軸ケーブルであろう。他の準最適設計は、上部および／または両側からの遮蔽である。

要因（ｂ）に関する解決策は、一般に、Ｒｘ−Ｔｘ電極積層と接地との間の距離を最大限にすることによって達成されることができる。接地部品は、典型的には、統合型フロントエンドシステム内の大面積を被覆するため、電界漂遊効果が、典型的には、Ｃ_ＲｘＧを左右し、多くの場合、接地までのＲｘ電極距離を数ミリメートルを超えて増加させることは、無意味である。

要因（ｃ）に関する第１の解決策は、Ｒｘ電極とＴｘ電極との間の距離を増加させることによって達成されることができる。良好な準静的交流近接場電極設計では、Ｃ_ＲｘＴｘが、前述の式中の他の静電容量を左右する。したがって、非常に薄い電極設計が、極薄デバイス設計によって駆動されるほとんどの消費者電子デバイスにとって望ましいため、Ｒｘ電極とＴｘ電極との間の距離を単に増加させる以外の方法によって、Ｃ_ＲｘＴｘを最適化することが望ましい。これらの設計の多くは、主要印刷回路基板を使用し、基板は、例えば、図１に示されるように、非伝導担体材料としての役割を果たし得る。

種々の実施形態によると、Ｒｘ電極とＴｘ電極との間の静電容量は、減少され得る一方、Ｒｘと手との間の有用静電容量Ｃ_Ｈａｎｄは、同一の大きさを保つ。典型的統合型フロントエンド設計では、より小さいＲｘ受信電極１１０は、より大きい伝送Ｔｘ電極１２０の上部に設置されるため、Ｒｘ−Ｔｘ静電容量は、図１に示されるように、Ｒｘ電極１１０からはるかに大きいＴｘ電極１２０までの漂遊電界から生成される静電容量が重畳されたＲｘおよびＴｘの対面面積のプレート静電容量であると仮定されることができる。プレート静電容量は、Ｃ＝ε_０・ε_ｒ・Ａ／ｄとして定義される。

標的物体（例えば、ユーザの手）は、本モデルにおいて、漂遊電界のみに影響を及ぼし、ＲｘおよびＴｘの対面面積間のプレート静電容量には影響を及ぼさない。したがって、種々の実施形態によると、プレート静電容量対Ｒｘ−Ｔｘ漂遊静電容量は、最小限にされ、これによって、漂遊電界への手の影響は、最大限にされる。これは、例えば、図２における電極配列２００を用いて示されるように、Ｒｘ電極２２０の真下のＴｘ電極２１０の切り欠き２４０（開放されままである）によって達成されることができる。ここでは、再び、印刷回路基板または任意の他の好適な担体等の基板２３０は、片側に伝送電極２２０および他側に受信電極２１０を提供する。切り欠き面積２４０は、Ｒｘ電極２２０のサイズに正確に一致する必要はない。図１０を用いて以下に示されるように、切り欠き面積はまた、より大きく、例えば、４つのＲｘ電極が長方形感知面積を画定するように配列されると、外部面積全体を被覆するように延在することができる。

信号感度の前述の式はさらに、（Ｃ_ＲｘＴｘ＋Ｃ_Ｌ）が（Ｃ_Ｎ＋Ｃ_ＲｘＧ＋ａ・Ｃ_Ｂｕｆ）に等しいとき、最適信号感度がＲｘ入力と接地との間の所与の容量の収率（Ｃ_Ｎ＋Ｃ_ＲｘＧ＋ａ・Ｃ_Ｂｕｆ）であることを示す。

統合型フロントエンド回路設計の場合、Ｒｘ電極２１０は、典型的には、Ｔｘ電極２２０によって、（デバイス）接地から遮蔽される。したがって、Ｃ_ＲｘＧは、典型的には、Ｃ_ＲｘＴｘ静電容量より小さい。Ｃ_ＮおよびＣ_Ｂｕｆは、以下により詳細に論じられるように、いずれにしても非常に低い。図３に示されるように、配列３００の提案される解決策は、ＲｘとＴｘとの間の（プレート）静電容量を低減させるために、Ｔｘ電極表面３１０をハッシュ／テクスチャ化することである。図３および４は、異なる実施形態３００および４００を示し、伝送電極は、それぞれの場合において、異なるようにテクスチャ加工される。したがって、異なる構造が、可能性として考えられる。

テクスチャ加工された電極は、異なる形状を有してもよい。ハッシュまたはハッチパターンが、電極をテクスチャ化するために使用されてもよい。したがって、用語「ハッシュパターン」および「ハッチパターン」は、本開示では、同等用語と見なされる。電極をテクスチャ化する主要側面は、電極のサイズを変更せずに、有効電極面積を低減させることである。図１０は、２つのテクスチャ加工された電極１０５０および１０６０の実施例を示し、以下により詳細に論じられる。したがって、交差する接続線のグリッドが、図１０に示されるように、電極面積を形成するために使用されてもよい。他の実施形態によると、複数の平行伝導ストリップまたは伝導線が、図４に示されるように、使用されてもよい。線は全て、個別の構造の一端または両端において相互接続されてもよい。図５に示される実施形態では、付加的切り欠き５２０が、ストリップ付きパターンが伝送電極５１０のために選定される場合、種々の伝導線を分離し得る。そのような実施形態では、任意の電気的に分離された区分は、付加的給電線によって接続される、または可能である場合、周辺縁に接続されてもよい。テクスチャ加工された電極は、例えば、ディスプレイ内に、例えば、印刷回路基板または透明ＴＩＮ層の銅層によって形成されるとき、基本的に、ある量の銅または伝導材料を除去し、したがって、全体的サイズが同一のままであるまま、そのような電極の容量結合を低減させる。したがって、テクスチャは、単に、複数の伝導線によって形成されることができる。一実施形態では、これらの線は、相互に交差してもよく、他の実施形態では、交差は生じず、線は、周辺面積内において、相互に接続される。

いくつかの実施形態によると、受信電極もまた、テクスチャ加工された電極であってもよい。いくつかの実施形態では、伝送電極のみが、テクスチャ加工され、いくつかの実施形態では、受信および伝送電極の両方が、テクスチャ加工されてもよく、いくつかの実施形態では、受信電極のみが、テクスチャ加工される。

均質電界を放出するために、テクスチャがＴｘに接続される、微細かつ均質であるテクスチャを使用することが推奨され得る。図２、３、および４に示されるような解決策は、組み合わせられることもできる。例えば、図５は、図３または４の実施形態に従ってテクスチャ加工された伝送電極５１０がさらに、図２の実施形態に従って、受信電極の真下に切り欠き面積５２０を提供する、実施形態５００を示す。前述のように、切り欠き面積は、容量結合をさらに低減させるために使用され、したがって、その下にそれが配列される個別の受信電極の面積に一致する必要はない。切り欠き面積の代替として、残りの伝送電極５１０のテクスチャと比較して、異なる密度のハッシュまたはハッチパターンが、静電容量（Ｃ_ＲｘＴｘ＋Ｃ_Ｌ）および（Ｃ_Ｎ＋Ｃ_ＲｘＧ＋ａ・Ｃ_Ｂｕｆ）を平衡化するために使用されることができる。したがって、受信電極下の伝送電極Ｔｘ内の面積は、例えば、より薄い線または少ない線を伴うテクスチャを有し、それによって、Ｔｘ電極とＲｘ電極との間の静電容量を低減させてもよい。

図８は、基板８４０上の電極配列８００のさらに別の実施例の３次元図を示す。ここでは、基板の境界線に沿って、またはそれに隣接して配列される、銅等の伝導材料の伸長ストリップである、２つのＲｘ電極８１０、８２０が、示される。再び、Ｔｘ電極８３０は、図３および４に示される実施形態に従って、テクスチャ加工され、基板８４０の背面上に配列されてもよい。

図９は、種々の実施形態による、最適化されたＴｘ構造を用いた信号偏差を示す。図から分かるように、Ｔｘ電極とＲｘ電極との間の静電容量の低減は、非常に改良された偏差、したがって、より良好な信号検出をもたらす。一番下の曲線は、従来の配列の信号偏差を示す。中央の曲線は、例えば、図３に従ってハッシュ化されたＴｘ電極を用いた配列に対する結果を示す。一番上の曲線は、例えば、図５に従うハッシュ化およびＴｘ電極内の切り欠きの組み合わせの効果を示す。

図１０は、電極配列１０００のさらに別の実施形態の上面図を示す。ここでは、第１の外側受信電極１０１０ａ、ｂ、ｃ、ｄのセットが、例えば、基板の周縁上にフロントエンド回路全体を備えるようにまた設計され得る、印刷回路基板の上部の両側に配列される。第２の受信電極１０４０、ａ、ｂ、ｃ、ｄのセットは、外側電極セット１０１０、ａ、ｂ、ｃ、ｄによってフレーム化された面積の内側に配列されてもよい。第２の受信電極１０４０、ａ、ｂ、ｃ、ｄのセットは、図１０に示されるように、第１の電極１０１０、ａ、ｂ、ｃ、ｄのセットから離間されることができ、水平（ｘ−軸）に配列された電極の距離は、垂直（ｙ−軸）に配列された電極と異なってもよい。中心面積は、群集している電極面積に垂直なｚ−座標の分解能を向上させるために使用され得る、特別に設計された中心電極１０６０で充填されることができる。さらに、中心電極１０６０は、タッチ電極として使用されることができる。加えて、センサ配列全体は、外側遮蔽リング（図１０には図示せず）を備えてもよい。本実施形態では、中心電極１０６０は、伝導経路によって形成されるグリッドまたは編目によって形成される。基板の上部の全電極１０１０、１０４０、および１０６０は、ある実施形態によると、印刷回路基板の上部銅層によって形成されることができる。印刷回路基板は、多層基板であってもよく、給電線１０２０は、印刷回路基板製造の当技術分野において公知のように、個別のビアを通して、上層上の各電極１０１０、１０３０、１０６０に接続してもよい。したがって、面積１０３０は、そこから複数の給電線１０２０が個別の電極１０１、１０４０、および１０６０に接続する、一般的接続面積として使用されてもよい。他の実施形態によると、内側の第２の電極１０４０のセットは、省略されてもよく、個別のより大きい中心電極１０６０が、適宜、形成されてもよい。Ｒｘ電極１０１０、１０４０の数および配列は、当然ながら、図１０に示される配列に限定されない。他の構成も、適用されてもよい。

伝送電極１０５０は、印刷回路基板の背面上または多層印刷回路基板の内側層内に形成されることができ、パターン図１０に示されるように、グリッドパターンを有するように設計されてもよい。したがって、複数の正方形面積が、一実施形態によると、グリッドを形成するようにエッチングされてもよい。言い換えると、グリッドは、複数の交差する垂直および水平伝導線によって形成される。したがって、グリッド全体は、相互接続され、したがって、単一電極を形成する。図１０に示されるように、伝送電極１０５０は、複数の区分から成ってもよく、または言い換えると、給電線１０２０によって分割されてもよい。各区分は、区分全体を包含する、周辺伝導線を有してもよい。同様に、中心電極１０６０も、中心電極１０６０全体を包含する、そのような周辺伝導線を示す。また、中心電極１０６０内の編目は、伝送電極１０５０の編目より広く離間されるだけではなく、また、伝送電極１０５０によって形成される編目に対して、ある角度で配列される。そのようなテクスチャ加工される構造を形成するための他のパターンも、可能性として考えられる。例えば、中心電極１０６０のために使用されるものと同様の構造が、使用されてもよい。中心電極１０６０はまた、伝送電極１０５０にフィードされる主要伝送信号から導出される、位相シフト信号を受信し得る、遮蔽電極として使用されてもよい。図１０に示され、すでに前述のように、伝送電極１０５０は、外側受信電極１０１０、ａ、ｂ、ｃ、ｄと重複しない。したがって、これらの受信電極１０１０、ａ、ｂ、ｃ、ｄと伝送電極１０５０との間の容量結合は、さらに低減される。ここでは、切り欠き面積は、４つの電極１０１０ａ、ｂ、ｃ、ｄによって画定される外部周縁全体を被覆する。しかしながら、図２に提案されるような設計もまた、使用され得る。

前述のように、給電接続線は、印刷回路基板の内側層内に形成され得る。伝送電極はまた、ある実施形態によると、内側層内に形成されることができる。したがって、いくつかの実施形態によると、３層印刷回路基板では、伝送電極および給電線は、内側層内に形成されることができ、受信電極は、上層内に形成されることができる一方、底層は、ＴｘおよびＲｘ電極の両方を遮蔽する接地層として使用されてもよい。多層印刷回路基板が、同様に設計されてもよく、その場合、電極面積内の付加的層は、使用されない、または給電線のためのみに使用されてもよい。図１１は、例示的４層印刷回路基板を示し、Ｒｘ電極は、上部または第１の層内に配列され、Ｔｘ電極および給電線は、第３の層内に配列され、第４のまたは底層は、接地遮蔽層として使用される。ある実施形態によると、図１１に示されるような第２の層は、完全に省略されてもよい。他の実施形態によると、単純両面回路基板が、使用されてもよく、給電線１０２０は、底部側に配列されることができる。給電線１０２０によって分離される任意の区分は、例えば、面積１０３０内で別個に接続されてもよい。

図１２は、複数の伝送電極Ｔｘ１、Ｔｘ２…ＴｘＭが、受信電極Ｒｘ１、Ｒｘ２…ＲｘＮの真下に配列される、さらに別の実施形態の上面図を示す。各伝送電極Ｔｘ１、Ｔｘ２…ＴｘＭは、相互から電気的に絶縁され、したがって、個別の伝送電極Ｔｘ１、Ｔｘ２…ＴｘＭは、別個に制御されることができる、あるいは１つ以上またはさらに全ての伝送電極Ｔｘ１、Ｔｘ２…ＴｘＭは、同一の伝送信号がフィードされることができる。したがって、単一伝送電極Ｔｘの代わりに、複数の伝送電極Ｔｘ１、Ｔｘ２…ＴｘＭが、並列に配列されてもよく、例えば、伝送電極は、図１２に示されるように、長方形ストリップであってもよい。しかしながら、他の電極形態も、使用されてもよく、伝送電極は、均質テクスチャまたは任意の他のテクスチャを形成するように配列されてもよい。各伝送電極Ｔｘ１、Ｔｘ２…ＴｘＭは、図１１に示されるように、同一の形状を有してもよい。しかしながら、伝送電極が異なる形状および／またはサイズを有する、他の実施形態が、使用されてもよい。そのような配列は、改良された空間分解能を伴う、近接およびタッチセンサシステムを可能にし得る。伝送電極Ｔｘ１、Ｔｘ２…ＴｘＭおよび／または受信電極Ｒｘ１、Ｒｘ２…ＲｘＮはまた、前述のように、ハッシュまたはハッチパターンを使用して、特に、伝送電極と受信電極との間の静電容量に最も寄与する、伝送および受信電極の個別の部分間の静電容量を低減させ得る。

１．標準的電極等価回路
図６は、以下を伴う、標準的電極等価回路を示す。
Ｖ_ＴｘＤ−アナログフロントエンドデバイス電圧
Ｖ_Ｔｘ−伝送電極電圧
Ｖ_{ＲｘＢｕｆ}−アナログフロントエンドＲｘバッファ入力電圧
Ｖ_ｈ−Ｖ_{ＲｘＢｕｆ}を導出するための補助電圧
Ｖ_Ｎ−受信電極ｅ_Ｒｘに投入される外部雑音電圧
ｅ_Ｔｘ−システムの伝送Ｔｘ電極
ｅ_Ｒｘ−システムの受信Ｒｘ電極
Ｃ_ＴｘＧ−Ｔｘ電極と接地との間の静電容量
Ｃ_ＲｘＴｘ−Ｒｘ電極とＴｘ電極との間の静電容量
Ｃ_Ｌ−Ｔｘに対するＲｘ給電静電容量
Ｃ_ＲｘＧ−Ｒｘ電極と接地との間の静電容量
Ｃ_Ｈ−手とＲｘとの間の静電容量
Ｃ_Ｂｕｆ−アナログフロントエンドＲｘ入力バッファ間の入力静電容量
Ｒ_Ｔ−アナログフロントエンドＴｘドライバソース抵抗
Ｒ_Ｂｕｆ−アナログフロントエンドＲｘ入力バッファの入力抵抗

アナログフロントエンド、例えば、出願人によって製造された集積回路ＭＧＣ３１３０は、Ｒ_Ｔ＝８００Ωの低インピーダンス出力を有し得、最大１ｎＦまでの負荷静電容量Ｃ_ＴｘＧを駆動するように設計され得る。そのような負荷静電容量の場合、Ｖ_Ｔｘ＝Ｖ_ＴｘＤであると仮定されることができる。

２．拡張電極等価回路
図７は、以下を伴う、種々の実施形態による、拡張電極等価回路を示す。
Ｖ_ＴｘＤ−アナログフロントエンドデバイス電圧
Ｖ_Ｔｘ−伝送電極電圧
Ｖ_{ＲｘＢｕｆ}−アナログフロントエンドＲｘバッファ入力電圧
Ｖ_ｈ−Ｖ_{ＲｘＢｕｆ}を導出するための補助電圧
Ｖ_Ｎ−受信電極ｅ_Ｒｘに投入される外部雑音電圧
ｅ_Ｔｘ−システムの伝送Ｔｘ電極
ｅ_Ｒｘ−システムの受信Ｒｘ電極
Ｃ_ＴｘＧ−Ｔｘ電極と接地との間の静電容量
Ｃ_ＲｘＴｘ−Ｒｘ電極とＴｘ電極との間の静電容量
Ｃ_Ｌ−Ｔｘに対するＲｘ給電静電容量
Ｃ_ＲｘＧ−Ｒｘ電極と接地との間の静電容量
Ｃ_Ｈ−手とＲｘとの間の静電容量
Ｃ_Ｄ−分圧器静電容量
Ｃ_Ｂｕｆ−アナログフロントエンドＲｘ入力バッファ間の入力静電容量
Ｒ_Ｄ−周波数補償のための分圧器レジスタ
Ｒ_Ｂｕｆ−アナログフロントエンドＲｘ入力バッファの入力抵抗

外部静電容量Ｃ_ＤおよびレジスタＲ_Ｄは、高雑音条件下、入力バッファが過負荷されない定義されたレベルまで入力電圧Ｖ_{ＲｘＢｕｆ}を低減させるために使用されることができる。レジスタＲ_Ｄは、周波数補償分圧器を実現するために使用される。本周波数分割器のための条件（プローブヘッド回路原理）は、以下である。

チップのＴｘ出力電圧を低減させることは、望ましくない場合がある。最良信号対雑音比は、以下に示されるように、最大Ｔｘ信号を用いて達成され得る。さらに、外部Ｔｘ信号ブースト増幅器が、要求に応じて、検討されることができる。

３．受信機入力信号
バッファ入力抵抗は、３０〜２００ｋＨｚの関連周波数範囲内のバッファ入力静電容量よりはるかに低い効果を有すると仮定されることができ、さしあたり、以下と仮定される。
式中、ａ＝Ｃ_Ｄ／（Ｃ_Ｂｕｆ＋Ｃ_Ｄ）は、導入される分圧器の減衰係数である。分圧器が使用されない場合、ａ＝１およびＣ_Ｄは、短絡回路によって置換される。

４．受信機信号感度
手の影響に関する受信機信号感度は、雑音がない条件（Ｖ_Ｎ＝０）における、手の静電容量の有無にかかわらず、信号デルタとして定義される。
典型的アナログフロントエンド設定では、手の静電容量Ｃ_Ｈａｎｄは、Ｒｘ−Ｔｘ電極静電容量Ｃよりはるかに小さいと仮定されることができ、式（６）は、以下となる。
式中、ΔＳは、手の静電容量Ｃ_Ｈａｎｄの略線形関数である。式は、（７）における分母が最小限にされるとき、手に対する感度が増加することを示す。ある用途では、以下のパラメータが、影響要因である。
（ａ）Ｒｘ給電線静電容量Ｃ_Ｌ
（ｂ）Ｒｘ電極接地静電容量Ｃ_ＲｘＧ
（ｃ）Ｒｘ電極とＴｘ電極Ｃ_ＲｘＴｘとの間の静電容量
（ａ）は、Ｔｘ電極およびその給電線までのＲｘ給電線の距離を最大限にすることによって達成されることができる。なお、これは、推奨される、Ｒｘ給電線を手の影響から遮蔽することとの間のトレードオフである。式（７）は、接地の代わりに、Ｔｘ信号を用いてＲｘ給電線を遮蔽することがより良いことを示す。接地遮蔽は、Ｃ_ＲｘＧを増加させ、Ｃ_Ｌよりシステム感度に悪影響を及ぼすであろう（式（７）も参照）。常時、Ｒｘ給電線を可能な限り薄く作製することが好ましい。これは、Ｔｘおよび接地に対する給電線静電容量ならびに給電線に対する手の影響の両方を最小限にする。
（ｂ）は、一般に、Ｒｘ−Ｔｘ電極積層と接地との間の距離を最大限にすることによって達成されることができる。接地部品は、典型的には、アナログフロントエンドシステム内の大面積を被覆するため、電界漂遊効果が、典型的には、Ｃ_ＲｘＧを左右し、多くの場合、接地までのＲｘ電極距離を数ミリメートルを超えて増加させることは、無意味である。
（ｃ）は、Ｒｘ電極とＴｘ電極との間の距離を増加させることによって達成されることができる。良好なアナログフロントエンド電極設計では、Ｃ_ＲｘＴｘが、他の静電容量を左右する。したがって、例えば、切り欠き面積２４０、５２０を使用して、前述のように、Ｃ_ＲｘＴｘを最適化することが望ましい。

他の対策は、図３および４に示されるように、Ｒｘに対するその静電容量を低下させるためのＴｘ電極の構築であり得る。Ｔｘ電極を構築することは、例えば、完全に充填された伝導表面の代わりに、グリッドパターンとして、Ｔｘ電極を設計することを意味する。これは、典型的には、キーボード設計内で行われる。なお、これらの対策は、雑音に対するアナログフロントエンドシステムの遮蔽に影響を及ぼし得、電極接地静電容量Ｃ_ＲｘＧを増加させる。Ｒｘ電極の面積を縮小することも、別の可能性である。さらに、Ｒｘ電極を構築することも検討され得る。両方とも、手の静電容量Ｃ_Ｈａｎｄがまた、Ｒｘ受信電極と手との間に構築され、Ｒｘ電極設計の関数であるため、良く検討されて行われる必要がある。

５．信号偏差
アナログフロントエンドシステム内のユーザの手に対する信号偏差Ｓ_Ｄは、受信機利得ｇ_ＰＧＡによって増幅され、ＶＤＤＡ＝３．０Ｖのチップのアナログ電圧範囲を参照する、受信機信号感度である。Ｃ_Ｈａｎｄが、Ｔｘ−Ｒｘ電極静電容量と比較して小さいとき、以下となる。
Ｓ_Ｄは、典型的には、１６ビット整数値のＬＳＢ（最下位ビット）内で与えられる。

６．信号対雑音比
受信機入力信号対雑音比ＳＮＲは、式（４）の信号項と雑音項との間の比率として定義される。

それを踏まえて、ＳＮＲは、減衰係数ａおよび手から独立する。所与の結合静電容量では、ＳＮＲを最大限にするために、最大可能Ｔｘ信号レベルＶＲｘで機能することが望ましい。したがって、高雑音レベル設計では、例えば、ＬＣＤディスプレイ用途では、外部Ｔｘ信号ブースト増幅器を使用することが推奨される。随意の分圧器は、あらゆる雑音条件下、入力チャネルに過負荷をかけることを回避する減衰係数に設定される。

ＳＮＲはまた、雑音源（例えば、ＤＣ／ＤＣまたはバックライトコンバータ）までの受信Ｒｘ電極の有効距離を増加させることにより、雑音結合静電容量Ｃ_Ｎを低減させ、したがって、受信された雑音（式（４）の第２の項）を低下させることによって、改良されることができる。典型的には、低インピーダンス全面Ｔｘ電極は、デバイスの内側の雑音源から受信電極を効果的に遮蔽する。

７．実施例
第１の実施例では、分圧器は、使用されず、最適容量値が、選定される。伝送電圧レベルは、あらゆる雑音条件下、入力バッファの過負荷を回避するために、２Ｖｐｐに設定される。
Ｖ_Ｔｘ＝２Ｖ_ｐｐ
Ｖ_Ｎ＝３Ｖ_ｒｍｓ＝８．５Ｖ_ｐｐ
ａ＝１
Ｃ_ＲｘＴｘ＝１５ｐＦ
Ｃ_Ｌ＝５ｐＦ
Ｃ_ＲｘＧ＝７ｐＦ
Ｃ_Ｈ＝Ｏ．５ｐＦ
Ｃ_Ｎ＝１ｐＦ
Ｃ_Ｂｕｆ＝５ｐＦ

雑音を伴わないバッファ信号は、式（４）の第１の項に該当する。

信号デルタは、以下となる。

ＣＩＣフィルタの出力におけるデジタル信号偏差Ｓ_Ｄは、Ｇ_ＰＧＡ＝１０におけるものである。

ＳＮＲは、以下となる。

第２の実施例では、２：３分圧器が、使用され、前述と同一の最適容量値が、選定される。伝送電圧レベルは、アナログフロントエンドデバイスの最大出力レベルに設定される。
Ｖ_Ｔｘ＝３Ｖ_ｐｐ
Ｖ_Ｎ＝３Ｖ_ｒｍｓ＝８．５Ｖ_ｐｐ
ａ＝０．６６６
Ｃ_ＲｘＴｘ＝１５ｐＦ
Ｃ_Ｌ＝５ｐＦ
Ｃ_ＲｘＧ＝７ｐＦ
Ｃ_Ｈ＝０．５ｐＦ
Ｃ_Ｎ＝１ｐＦ
Ｃ_Ｂｕｆ＝５ｐＦ
Ｃ_Ｄ＝１０ｐＦ

雑音を伴わないバッファ信号は、式（４）の第１の項に該当する。

信号デルタは、以下となる。

ＣＩＣフィルタの出力におけるはデジタル信号偏差Ｓ_Ｄは、Ｇ_ＰＧＡ＝１０におけるものである。

ＳＮＲは、以下となる。

第２の実施例は、受信機入力における略同一の信号レベルでは、ＳＮＲは、予想通り、約３．５ｄＢ改良されることを実証する。手によって生成された信号偏差は、実施例１より１１％高い。

第３の実施例では、分圧器は、使用されず、典型的容量値が、選定される。伝送電圧レベルは、２Ｖｐｐに設定される。
Ｖ_Ｔｘ＝２Ｖ_ｐｐ
Ｖ_Ｎ＝３Ｖ_ｒｍｓ＝８．５Ｖ_ｐｐ
ａ＝１
Ｃ_ＲｘＴｘ＝２０ｐＦ
Ｃ_Ｌ＝１０ｐＦ
Ｃ_ＲｘＧ＝１５ｐＦ
Ｃ_Ｈ＝０．５ｐＦ
Ｃ_Ｎ＝１ｐＦ
Ｃ_ｂｕｆ＝５ｐＦ

雑音を伴わないバッファ信号は、式（４）の第１の項に該当する

信号は、以下となる。

ＣＩＣフィルタの出力におけるデジタル信号偏差Ｓ_Ｄは、Ｇ_ＰＧＡ＝１０におけるものである。

ＳＮＲは、以下となる。

第３の実施例では、再び、Ｒｘ入力バッファにおける受信された信号レベルは、前述の実施例に類似する。ＳＮＲは、第２の実施例と比較して、同じであり、より高いＴｘ伝送電圧が使用された。より高いＲｘ−Ｔｘ電極結合は、本実施例では、雑音を遮蔽する。なお、手に対する感度は、それぞれ、第１および第２の実施例と比較して、３７％および４３％下回る。

最大範囲の場合、手に対する最大信号偏差を伴う電極設計を選定し、要求に応じて、ブースト増幅器を使用して、外部雑音に対処することが望ましい。ブースト増幅器の利得は、典型的には、６を上回って超えず、分圧器静電容量が１ｐＦを上回ることを可能にするはずである。

Claims (26)

1. 電界センサデバイスのための電極配列であって、
   第１の伝導層および第２の伝導層を有する非伝導基板と、
   前記第１の伝導層内に配列された複数の受信電極と、
   前記第２の伝導層内に配列された伝送電極であって、前記伝送電極は、テクスチャ加工されている、伝送電極と
   を含む、電極配列。
2. 前記伝送電極は、前記複数の受信電極の組み合わせられた面積よりも大きい面積にわたって延在する、請求項１に記載の電極配列。
3. 前記伝送電極の面積全体は、テクスチャ加工されている、請求項１に記載の電極配列。
4. 前記テクスチャは、グリッドを形成する、請求項３に記載の電極配列。
5. 前記テクスチャは、均質である、請求項４に記載の電極配列。
6. 前記テクスチャは、編目を形成する複数の伝導線によって形成されている、請求項４に記載の電極配列。
7. 前記編目は、互いに平行に配列された伝導線の第１のセットと、互いに平行に配列された伝導線の第２のセットとによって形成されている、請求項６に記載の電極配列。
8. 前記互いに平行に配列された伝導線の第１のセットは、前記互いに平行に配列された伝導線の第２のセットに９０度の角度で交差する、請求項７に記載の電極配列。
9. 前記編目は、前記編目を包囲する周辺伝導線を含む、請求項７に記載の電極配列。
10. 前記編目を包囲する線は、前記複数の受信電極によって画定される組み合わせられた面積よりも大きい面積を包囲する、請求項９に記載の電極配列。
11. 中心受信電極を囲む４つの受信電極を含む、請求項１に記載の電極配列。
12. 前記中心受信電極は、テクスチャ加工されている、請求項１１に記載の電極配列。
13. 前記複数の受信電極との電気接続のために前記第１の伝導層内に形成された複数の給電線をさらに含む、請求項１に記載の電極配列。
14. 前記４つの受信電極のそれぞれは、前記第１の伝導層によって形成された固体で充填された電極面積を含む、請求項１１に記載の電極配列。
15. 前記非伝導基板は、印刷回路基板であり、前記複数の受信電極のうちの１つは、前記印刷回路基板の中心面積内に配列された中心電極である、請求項１に記載の電極配列。
16. 前記中心電極は、編目電極としてテクスチャ加工されている、請求項１５に記載の電極配列。
17. 前記給電線を通して前記受信電極に結合された回路をさらに含み、前記回路は、前記給電線を通して受信される信号の変化を検出するように構成されている、請求項１３に記載の電極配列。
18. 前記回路は、前記給電線を通して受信される前記信号を減衰させるための分圧器を含む、請求項１７に記載の電極配列。
19. 前記分圧器は、周波数補償を含む、請求項１８に記載の電極配列。
20. 前記第１の伝導層は、印刷回路基板の上層である、請求項１に記載の電極配列。
21. 前記第２の伝導層は、印刷回路基板の底層である、請求項２０に記載の電極配列。
22. 電界センサデバイスのための電極配列を含む印刷回路基板であって、
    第１の伝導層および第２の伝導層を有する非伝導基板と、
    前記第１の伝導層内に配列された複数の受信電極と、
    前記第２の伝導層内に配列された伝送電極であって、前記伝送電極は、テクスチャ加工されており、前記伝送電極は、前記複数の受信電極の組み合わせられた面積よりも大きい面積にわたって延在する、伝送電極と
    を含む、印刷回路基板。
23. 電界センサデバイスのための電極配列を含む印刷回路基板であって、
    第１の伝導層および第２の伝導層を有する非伝導基板と、
    前記第１の伝導層内に配列された複数の受信電極と、
    前記第２の伝導層内に配列された伝送電極であって、前記伝送電極の面積全体は、テクスチャ加工されており、前記テクスチャは、編目を形成する複数の伝導線によって形成されており、前記編目は、前記編目を包囲する周辺伝導線を含み、前記編目を包囲する線は、前記複数の受信電極によって画定される組み合わせられた面積よりも大きい面積を包囲する、伝送電極と
    を含む、印刷回路基板。
24. 前記編目は、互いに平行に配列された伝導線の第１のセットと、互いに平行に配列された伝導線の第２のセットとによって形成されており、前記互いに平行に配列された伝導線の第１のセットは、前記互いに平行に配列された伝導線の第２のセットに９０度の角度で交差する、請求項２３に記載の印刷回路基板。
25. 中心受信電極を囲む４つの受信電極を含み、前記中心受信電極は、テクスチャ加工されている、請求項２３に記載の印刷回路基板。
26. 前記４つの受信電極および前記中心受信電極に対する電気的接続のために前記第１の伝導層内に形成された複数の給電線をさらに含む、請求項２５に記載の印刷回路基板。