TWI397850B - 感測裝置及其掃描驅動方法 - Google Patents

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Description

感測裝置及其掃描驅動方法
本發明是有關於一種感測器，且特別是有關於一種感測裝置及其掃描驅動方法。
美國專利編號US5505072說明書第1圖揭露一種陣列式壓力感測器的動態響應掃描電路。此掃描電路利用一電流回饋的訊號VTEST依序掃描驅動行電極。訊號VTEST流經一壓阻式感測器，並經由一負迴授放大器擷取電壓訊號。最後經由類比數位轉換器依序讀取電壓信號建立陣列感測器的位置。
美國專利編號US5905209說明書第3圖揭露一種壓力感測器的輸出電路。此輸出電路利用接地訊號GND依序切換行電極，再經由列電極的電壓感測架構實現感測器電壓訊號擷取。
根據本發明之範例係有關於一種感測裝置及其掃描驅動方法，透過具三態特性的輸入輸出介面接口之高準位輸出、低準位輸出及高阻抗輸入等邏輯組合，適當地掃描驅動第一電極及第二電極，使得下述揭露之感測裝置能避免掃描驅動過程中造成之漏電流影響第一感測電壓的量測與辨識、實現多點觸控(Multi Touch)、解決觸摸時所造 成的鬼點(Ghost Point)現象、縮短感測裝置的掃描驅動時間。
根據本發明之範例，提出一種感測裝置。感測裝置包括第一電極、第二電極、感測元件陣列、第一電極掃描驅動電路、第二電極掃描驅動電路及控制電路。感測元件陣列係位於第一電極與第二電極之間，並於被施力觸摸後輸出至少第一感測電壓。第一電極掃描驅動電路用以依序掃描驅動第一電極，其中，被驅動之第一電極被設定為高準位輸出狀態，而未被驅動之第一電極被設定為低準位輸出狀態或接地狀態。第二電極掃描驅動電路用以依序掃描驅動第二電極，其中，被驅動之第二電極呈現為高阻抗輸入狀態，而未被驅動之第二電極被設定為低準位輸出狀態或接地狀態。控制電路用以控制第一電極掃描驅動電路及第二電極掃描驅動電路。
根據本發明之範例，提出一種感測裝置之掃描驅動方法。掃描驅動方法包括如下步驟：依序掃描驅動第一電極，被驅動之第一電極係被設定為高準位輸出狀態，而未被驅動之第一電極係被設定為低準位輸出狀態或接地狀態；依序掃描驅動第二電極，被驅動之第二電極係呈現為高阻抗輸入狀態，而未被驅動之第二電極係被設定為低準位輸出狀態或接地狀態；以及當位於第一電極與第二電極之間之感測元件陣列被觸摸，根據輸出至少一第一感測電壓。
為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
現今具備三態特性之的輸入輸出介面接口分別具有高準位輸出、低準位輸出及高阻抗輸入等三種邏輯狀態。下述實施例較佳地透過這種輸入輸出介面接口之三態邏輯組合，依序掃描驅動第一電極及第二電極，使得下述揭露之感測裝置能避免掃描驅動過程中造成之漏電流影響第一感測電壓的量測與辨識、實現多點觸控(Multi Touch)、解決觸摸時所造成的鬼點(Ghost Point)現象、縮短感測裝置的掃描驅動時間。
請參照第1圖，其繪示係為依照本發明一實施範例的一種感測裝置之示意圖。感測裝置10至少包括第一電極110、第二電極120、感測元件陣列130、第一電極掃描驅動電路140、第二電極掃描驅動電路150及控制電路160。控制電路160用以控制第一電極掃描驅動電路140及第二電極掃描驅動電路150。第一電極掃描驅動電路140用以依序掃描驅動第一電極110，其中，被驅動之第一電極110被設定為高準位輸出狀態，而未被驅動之第一電極110被設定為低準位輸出狀態。第二電極掃描驅動電路150用以依序掃描驅動第二電極120，其中，被驅動之第二電極120呈現為高阻抗輸入狀態，並將未被驅動之第二電極120被設定為低準位輸出狀態。感測元件陣列130係位於第一電極110與第二電極120之間，並於被施以觸摸、壓力、力量、重量或擠壓等各種施力方式後輸出至少一第一感測電 壓。
前述第一電極掃描驅動電路140、第二電極掃描驅動電路150及控制電路160例如係由微控制器(Microcontroller, MCU)、現場可程式化邏輯閘陣列(Field－Programmable Gate Array, FPGA)、特定功能積體電路(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)或嵌入式系統晶片(System on Chip, soC)所實現。且第一電極掃描驅動電路140及第二電極掃描驅動電路150可進一步整合於控制電路160。
前述第一電極110及第二電極120分別例如為行電極及列電極，而第一電極掃描驅動電路140及第二電極掃描驅動電路150分別例如為行電極驅動電路及列電極驅動電路。另一種架構為第一電極110及第二電極120分別例如為列電極及行電極，而第一電極掃描驅動電路140及第二電極掃描驅動電路150分別例如為列電極驅動電路及行電極驅動電路。位於第一電極110及第二電極120之間的感測元件陣列130進一步包括感測元件132，且感測元件132兩端分別耦接至第一電極110與第二電極120。
前述感測元件132可以有多種不同的實施態樣，本發明並不特定侷限感測元件132的實施態樣。舉例來說，感測元件132可以由微機電系統(Micro Electro Mechanical System, MEMS)製程或互補金氧半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)製程所產生。或者，感測元件132可經由印刷技術將電阻材料塗佈於第一電極 110及第二電極120之間所形成。不過，為方便說明起見，下述第2圖及第3圖將例舉兩種感測元件132之實施態樣，以供參考。
請參照第2圖，其繪示係為第一種感測元件之示意圖。第一種感測元件於第2圖中係以感測元件132(1)表示。感測元件132(1)包括第一接點1322、第二接點1324及電阻式感測器Rn。第一接點1322係與電阻式感測器Rn電性連接。當感測元件132(1)未被觸摸時，第二接點1324與第一接點1322之間係形成一間距1326或間隙。當感測元件132(1)被觸摸時，第一接點1322與第二接點1324接觸，使得第一電極110經由電阻式感測器Rn耦接至第二電極120。
亦即，當外部施以觸摸、壓力、力量、重量或擠壓等施力方法於感測元件132(1)時，將造成電阻式感測器Rn本身電阻值改變。前述第一電極掃描驅動電路140及第二電極掃描驅動電路150分別掃描驅動第一電極110及第二電極120，使得感測元件陣列130受力時本身電阻值改變而產生一電壓變化，此電壓變化稱為第一感測電壓。
請參照第3圖，其繪示係為第二種感測元件之示意圖。第二種感測元件於第3圖中係以感測元件132(2)表示。感測元件132(2)包括電阻式感測器Rn及開關元件1328，且開關元件1328可以例如是電晶體或二極體。當感測元件132(2)被施以觸摸、壓力、力量、重量或擠壓等施力方式時，開關元件1328係被致動導通，使得第一電 極110經由電阻式感測器Rn耦接至第二電極120。由於前述開關元件1328可以為電晶體或二極體，因此當感測元件132(2)被觸摸時，電晶體或二極體的控制端即被致動，以導通電晶體或二極體。由此可知，利用開關元件1328取代第2圖繪示之第一接點1322與第二接點1324，亦可達到如間距1326或間隙般的功效。
同樣地，當外部施以觸摸、壓力、力量、重量或擠壓等施力方式於感測元件132(2)時，將造成電阻式感測器Rn本身電阻值改變。前述第一電極掃描驅動電路140及第二電極掃描驅動電路150分別掃描驅動第一電極110及第二電極120，使得感測元件陣列130受力時本身電阻值改變而產生一電壓變化，此電壓變化稱為第一感測電壓。
請參照第4圖，其繪示係為感測元件陣列130被掃描驅動之示意圖。第一電極掃描驅動電路140及第二電極掃描驅動電路140分別依序掃描驅動第一電極110及第二電極120。舉例來說，當第一電極掃描驅動電路140驅動第一行第一列之感測元件132時，第一電極驅動器140輸出驅動信號Vdriven 至與第一行第一列之感測元件132耦接之第一電極110。由於驅動信號Vdriven 維持於高準位，因此，被驅動之第一電極110被設定為高準位輸出狀態(High)。第一電極掃描驅動電路140同時將其他不與第一行第一列之感測元件132耦接之第一電極110設定為低準位輸出狀態(Low)或直接電性連接到接地狀態。
於此同時，第二電極掃描驅動電路150將使得與第一 行第一列之感測元件132耦接之第二電極110呈現為高阻抗輸入狀態(High Impedance)。第二電極掃描驅動電路150並將其他不與第一行第一列之感測元件132耦接之第二電極120設定為低準位輸出狀態(Low)或直接電性連接到接地狀態。
如此一來，當驅動第一行第一列之感測元件132時，流經其他不與第一行第一列之感測元件132耦接之第二電極120之漏電流Io 將不會影響流經第一感測電壓之感測路徑上負截電流IL1 的穩定性與大小。所以本實施例避免掃瞄驅動時之漏電流Io 影響後端電路對第一感測電壓的量測與辨識，同時亦解決觸摸時所造成的鬼點(Ghost Point)現象。關於後端電路將於下述第5圖至第11圖中進一步說明。
請參照第5圖，其繪示係為感測元件陣列輸出第一感測電壓之第一種示意圖。前述之後端電路可直接將第二電極120電性連接控制電路160內部的數位類比轉換器。亦即，第二電極120可直接耦接至控制電路160。控制電路160經由第二電極120接收感測元件陣列130於被施以觸摸、壓力、力量、重量或擠壓等方式施力後所產生之第一感測電壓。
請參照第6圖，其繪示係為感測元件陣列輸出第一感測電壓之第二種示意圖。或者，於第二電極120與控制電路160之間配置一讀出電路170。讀出電路170用以量測感測元件陣列130於被施以觸摸、壓力、力量、重量或擠 壓等方式施力後所產生之第一感測電壓。
前述讀出電路170可以有多種不同的實施態樣，本發明並不特定侷限讀出電路170的實施態樣。不過，為方便說明起見，下述第7圖至第9圖將例舉三種不同讀出電路170之實施態樣，以供參考。
請參照第7圖，其繪示係為第一種讀出電路之示意圖。第一種讀出電路於第7圖中係以讀出電路170(1)表示。讀出電路170(1)包括多個放大器172及一多工器174。放大器172分別與第二電極120耦接。第一感測電壓經由多個放大器172，放大輸出為一第二感測電壓，而多工器用以從多個放大器172中選擇性地輸出第二感測電壓至控制電路160。
請參照第8圖，其繪示係為第二種讀出電路之示意圖。第二種讀出電路於第8圖中係以讀出電路170(2)表示。讀出電路170(2)包括一放大器172及一多工器174。控制電路160經由多工器174選擇性地與多個第二電極120其中之一電性連接，使得多工器174從第二電極120中選擇性地輸出第一感測電壓至放大器172。放大器172用以將第一感測電壓放大輸出為第二感測電壓後，並輸出第二感測電壓至控制電路160。
請參照第9圖，其繪示係為第三種讀出電路之示意圖。第三種讀出電路於第9圖中係以讀出電路170(3)表示。讀出電路170(3)包括多個放大器172。第一感測電壓經由放大器172其中之一，將第一感測電壓放大為第二感 測電壓直接輸出至控制電路160。
請參照第10圖，其繪示係為整合讀出電路於第二電極掃描驅動電路中之第一種示意圖。前述讀出電路170可進一步整合於前述第二電極掃描驅動電路150，於第10圖中係以第二電極掃描驅動電路250表示。此時第二電極掃描驅動電路250不僅能掃描驅動第二電極120，亦可量測第一感應電壓。
請參照第11圖，其繪示係為整合讀出電路於第二電極掃描驅動電路中之第二種示意圖。此外，為了減少佔用控制電路160的輸入輸出介面接口數，前述感測裝置10更包括多對一的切換裝置190。第二電極120透過此多對一的切換裝置190與單一個放大器電性連接，以減少佔用控制電路160的輸入輸出介面接口數。
請參照第12圖，其繪示係為切換裝置190之示意圖。切換裝置190包括多個開關192，開關192用以選擇性地將對應之第二電極120電性連接至第二電極掃描驅動電路350或接地端。舉例來說，若控制電路160透過4個接腳輸出控制信號時，則可控制16個開關192。因此，將能進一步有效地減少佔用控制電路160的輸入輸出介面接口數。
請參照第13圖，其繪示係為具有緩衝放大功能之感測裝置之第一種示意圖。為了降低感測元件陣列130被施以觸摸、壓力、力量、重量或擠壓等施力方式時所造成的負載效應，本實施例之感測裝置10更包括緩衝放大器 180，並藉由緩衝放大器180提高感測元件陣列130之驅動電流的掃描穩定性與驅動能力，避免掃描驅動過程中不受感測元件陣列130電阻負載變動而飄移或不穩定。
請參照第14圖，其繪示係為第二種具有緩衝放大功能之感測裝置之示意圖。或者，將前述緩衝放大器180整合於前述第一電極掃描驅動電路140，於第14圖中係以第一電極掃描驅動電路240表示。第一電極掃描驅動電路250不僅能掃描驅動第一電極110，亦具有緩衝放大的功能，以提高驅動感測元件陣列130之驅動電流的掃描穩定性與驅動能力，避免掃描驅動過程中不受感測元件陣列130電阻負載變動而飄移或不穩定。
前述感測裝置由於第一電極掃描驅動電路140及第二電極掃描驅動電路140分別依序驅動第一電極110及第二電極120時，讀出電路170同步地感測第一感測電壓，因此，本實施例能夠實現多點觸控(Multi Touch)。
另外，由於本實施例大幅地簡化驅動電路與後端電路的複雜度，因此，控制電路不需要繁瑣及複雜的資料演算與運算處理，大幅縮短感測裝置的掃描驅動時間。
請參照第15圖，其繪示係為依照本發明一實施例的一種感測裝置之掃描驅動方法之流程圖。掃描驅動方法係可應用於前述實施例之感測裝置。本發明之掃描驅動方法至少包括以下步驟。
首先如步驟310所示，第一電極掃描驅動電路140依序掃描驅動第一電極110，被驅動之第一電極110係被設 定為高準位輸出狀態，而未被驅動之第一電極110係被設定為低準位輸出狀態或直接連接到接地狀態。
再接著如步驟320所示，第二電極掃描驅動電路150依序驅動第二電極120，被驅動之第二電極120係呈現為高阻抗輸入狀態，而未被驅動之第二電極120係被設定為低準位輸出狀態或直接連接到接地狀態。
跟著如步驟330所示，當位於第一電極110與第二電極120之間之感測元件陣列130被施力觸摸後，輸出至少一第一感測電壓。
前述步驟310至330係可重複地被執行，使得前述感測元件陣列130被施以觸摸、壓力、力量、重量或擠壓等施力方式後，輸出對應之第一感測電壓。
綜上所述，雖然本發明已以一實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧感測裝置
110‧‧‧第一電極
120‧‧‧第二電極
130‧‧‧感測元件陣列
132、132(1)、132(2)‧‧‧感測元件
140、240‧‧‧第一電極掃描驅動電路
150、250、350‧‧‧第二電極掃描驅動電路
160‧‧‧控制電路
170、170(1)、170(2)、170(3)‧‧‧讀出電路
172‧‧‧放大器
174‧‧‧多工器
180‧‧‧緩衝放大器
190‧‧‧切換裝置
192‧‧‧開關
1322‧‧‧第一接點
1324‧‧‧第二接點
1326‧‧‧間距
1328‧‧‧開關元件
Rn‧‧‧電阻式感測器
第1圖繪示係為依照本發明一實施例的一種感測裝置之示意圖。
第2圖繪示係為第一種感測元件之示意圖。
第3圖繪示係為第二種感測元件之示意圖。
第4圖繪示係為感測元件陣列130被掃描驅動之示意圖。
第5圖繪示係為感測元件陣列輸出第一感測電壓之第一種示意圖。
第6圖繪示係為感測元件陣列輸出第一感測電壓之第二種示意圖。
第7圖繪示係為第一種讀出電路之示意圖。
第8圖繪示係為第二種讀出電路之示意圖。
第9圖繪示係為第三種讀出電路之示意圖。
第10圖繪示係為整合讀出電路於第二電極掃描驅動電路之第一種示意圖。
第11圖繪示係為整合讀出電路於第二電極掃描驅動電路之第二種示意圖。
第12圖繪示係為切換裝置190之示意圖。
第13圖繪示係為具有緩衝放大功能之感測裝置之第一種示意圖。
第14圖繪示係為具有緩衝放大功能之感測裝置之第二種示意圖。
第15圖繪示係為依照本發明一實施例的一種感測裝 置之掃描驅動方法之流程圖。

Claims (20)

  1. 一種感測裝置，包括：複數條第一電極；複數條第二電極；一感測元件陣列，係位於該些第一電極與該些第二電極之間，並於被施力觸摸後輸出至少一第一感測電壓；一第一電極掃描驅動電路，用以依序掃描驅動該些第一電極，其中，被該第一電極掃描驅動電路驅動之第一電極被設定為高準位輸出狀態，而未被該第一電極掃描驅動電路驅動之第一電極被設定為低準位輸出狀態或接地狀態；一第二電極掃描驅動電路，用以依序掃描驅動該些第二電極，其中，被該第二電極掃描驅動電路驅動之第二電極呈現為高阻抗輸入狀態，而未該第二電極掃描驅動電路被驅動之第二電極被設定為低準位輸出狀態或接地狀態；以及一控制電路，用以控制該第一電極掃描驅動電路及該第二電極掃描驅動電路之掃描驅動方法。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，其中該感測元件陣列包括複數個感測元件，各該些感測元件包括：一電阻式感測器；一第一接點，係與該電阻式感測器電性連接；以及一第二接點，當該感測元件未被觸摸時，該第二接點 與該第一接點之間係形成一間隙或一間距，當該感測元件被觸摸時，該第一接點與該第二接點接觸，使得該第一電極經由該電阻式感測器耦接至該第二電極。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，其中該感測元件陣列包括複數個感測元件，各該些感測元件包括：一電阻式感測器；以及一開關元件，當該感測元件被觸摸時，該開關元件係被導通，使得該第一電極經由該電阻式感測器耦接至該第二電極。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之感測裝置，其中該開關元件係為一電晶體。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之感測裝置，其中該開關元件係為一二極體。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，其中該些第二電極係耦接至該控制電路。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，更包括：一讀出電路，用以量測該第一感測電壓。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之感測裝置，其中該讀出電路包括：複數個放大器，該第一感測電壓經由該些放大器其中之一放大為一第二感測電壓；以及一多工器，用以從該些放大器中選擇性地輸出該第二感測電壓至該控制電路。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之感測裝置，其中該讀出電路包括：一多工器，用以從該些第二電極中選擇性地輸出該第一感測電壓；以及一放大器，用以放大該第一感測電壓為第二感測電壓，並輸出至該控制電路。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之感測裝置，其中該讀出電路包括：複數個放大器，該第一感測電壓經由該些放大器其中之一放大為一第二感測電壓，並輸出至該控制電路。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，其中該讀出電路係整合於該第二電極掃描驅動電路。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之感測裝置，更包括一切換裝置，係耦接於該些第二電極與該第二電極掃描驅動電路之間。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之感測裝置，其中該切換裝置包括複數個開關，各該些開關用以選擇性地將對應之第二電極電性連接至該第二電極掃描驅動電路或一接地端。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之感測裝置，更包括：一緩衝放大器，用以提高驅動該感測元件陣列之驅動電流。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之感測裝置，其中該緩衝放大器係整合於該第一電極掃描驅動電路。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之感測裝置，其中該第一電極掃描驅動電路及該第二電極掃描驅動電路係整合於該控制電路。
  17. 一種感測裝置之掃描驅動方法，包括：(a)由一第一電極掃描驅動電路依序掃描驅動複數條第一電極，被該第一電極掃描驅動電路驅動之第一電極係被設定為高準位輸出狀態，而未被該第一電極掃描驅動電路驅動之第一電極係被設定為低準位輸出狀態或接地狀態；(b)由一第二電極掃描驅動電路依序掃描驅動複數條第二電極，被該第二電極掃描驅動電路驅動之第二電極係呈現為高阻抗輸入狀態，而未被該第二電極掃描驅動電路驅動之第二電極係被設定為低準位輸出狀態或接地狀態；以及(c)當位於該些第一電極與該些第二電極之間之一感測元件陣列被施力觸摸後，輸出至少一第一感測電壓。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之掃描驅動方法，更包括：(d)量測該第一感測電壓。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之掃描驅動方法，更包括：(d)放大該第一感測電壓為第二感測電壓。
  20. 如申請專利範圍第17項所述之掃描驅動方法，更包括： (d)提高驅動該感測元件陣列之驅動電流。
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