TWI433016B - The capacitive touch panel sensing unit, and a sensing circuit sensing method - Google Patents

Description

電容式觸控面板的感測單元、感測電路及感測方法

本發明係有關一種電容式觸控面板，特別是關於一種電容式觸控面板的感測單元、感測電路及感測方法。

圖1係習知的電容式觸控面板系統，在觸控面板10之感應線之間存在電容單元，感測晶片12感測電容值的變化以判斷是否有物件碰觸。感測晶片12中具有呈陣列式排列的感測電路14感測電容值的變化，經多工器/類比數位轉換器16及數位訊號處理單元18的處理，以產生感測資訊。感測晶片12中還有時間控制單元20、微控制單元22及輸入/輸出周邊單元24控制整個晶片的運作。

此二維式的電容式觸控面板被廣泛的應用在各類電子產品上作為輸入裝置，而此種觸控面板在應用上會遭遇多指觸控定位、抗水滴及水膜干擾等問題。藉感測感應電極板之間的交互電容值，可以達成多指觸控定位，提高手指與水滴的辨識的效果。

美國專利公開號US20090273573、美國專利號US6452514及US7352192等揭露了量測交互電容值的感測電路，此技術需要較大的訊號產生器，例如脈寬調變(PWM)脈衝產生器產生脈衝以得到較好的感測效果，且為了得到較準確的感測資訊也使得電路的複雜度高。

本發明的目的，在於提出一種電容式觸控面板的感測單元、感測電路及感測方法。

根據本發明，一種電容式觸控面板的感測電路包含第一及第二感測單元分別連接該電容式觸控面板的第一及第二感應線。該第一及第二感測單元具有多種運作模式。在感測時該第一及第二感測單元分別處於激勵模式及感測模式，於第一時相利用等化導線使該第一及第二感應線達到相同電位，於第二時相，該第一感測單元使該第一感應線連接低電壓端，該第二感測單元提供充電電流施加到該第一及第二感應線之間的交互電容，同時產生等比例於該充電電流的鏡射電流。

根據本發明，一種電容式觸控面板的感測單元包含模式切換電路連接該電容式觸控面板的感應線，切換該感測單元操作於多種運作模式之間，電流鏡連接該模式切換電路，於感測模式時提供充電電流施加到該感應線，同時產生等比例於該充電電流的鏡射電流，以及取樣開關連接於該電流鏡及輸出端之間，於該感測模式時將該鏡射電流傳送到該輸出端。

根據本發明，一種電容式觸控面板的感測方法包含使該電容式觸控面板的第一及第二感應線達到同一電位，將該第一感應線連接低電壓端，以及對該第二感應線提供充電電流施加到該第一及第二感應線之間的交互電容，同時產生等比例於該充電電流的鏡射電流到輸出端。

根據本發明，一種電容式觸控面板的感測方法包含將該電容式觸控面板劃分為多個區塊，依序取得並儲存每一該區塊的投影交互電容之參考值，依序取得每一該區塊的投影交互電容的感測值，以及若該區塊的投影交互電容感測值與參考值相差超過門檻值，便詳細掃瞄該區塊並計算出物件的位置。

圖2係根據本發明的感測單元30，其位於如圖1所示的感測電路14中，具有多種運作模式，根據時間控制單元20或微控制單元22產生的控制訊號選擇運作模式及時相，其運作模式包含激勵模式及感測模式。感測單元30包含模式切換電路32用來使電容式觸控面板10上的感應線連接電流鏡34、接地端、等化導線RSCON或低電壓端VCOM，電流鏡34連接模式切換電路32，在連接感應線時提供充電電流，並感測充電電流的變化產生等比例於該充電電流的鏡射電流，以及取樣及重置開關36連接在電流鏡34及輸出端VOUT之間，將鏡射電流傳送至輸出端VOUT。電流鏡34所產生的鏡射電流和充電電流之間為固定的比例關係，此比例關係可為相等、放大或縮小。在此實施例中，模式切換電路32包含開關EQ連接於感應線及等化導線RSCON之間，開關XC連接於感應線及低電壓端VCOM之間，開關MIR連接於感應線及電流鏡34之間，以及開關DS連接於感應線及接地端之間。取樣及重置開關36包含取樣開關SMP及重置開關RST。當取樣開關SMP連通時，鏡射電流流到輸出端VOUT，被儲存起來供後端處理。於另一實施例中，低電壓端VCOM為接地端，則開關DS和XC可以合併為一個開關。又另一實施例中，重置開關RST可設置在儲存鏡射電流的外部元件上。

圖3(a)及(b)係感測單元30感測方式的第一實施例。感測單元30[y]連接感應線40運作於激勵模式下，感測單元30[x]連接感應線42運作於感測模式下，並經等化導線RSCON將感測單元30[x]及30[y]相連接。於激勵模式與感測模式時，感測單元30具有兩種同步的時相：等化時相及激勵時相。圖3(a)為等化時相，感測單元30[x]及30[y]連通開關EQ[x]、EQ[y]及MIR[x]、MIR[y]，利用等化導線RSCON使感應線40及42達到相同電位，該電位係由電流鏡34[x]及34[y]設計的電壓決定。接著切換到圖3(b)的激勵時相，感測單元30[y]斷開開關EQ[y]並連通開關XC[y]，使感應線40連接低電壓端VCOM，而此時的低電壓端VCOM等同於接地端；電容單元44於感測單元30[x]所連接的感應線42的電壓會跟著下降，為了補足電壓，電流鏡34[x]提供充電電流至感應線42，此時取樣開關SMP已經連通，因此同時產生等比例於該充電電流的鏡射電流到輸出端VOUT，而輸出電容C0就如同積分器一般，將該鏡射電流儲存起來形成輸出電壓VOUT，以提供後端的電路使用。當有物件觸碰造成電容單元44的電容值改變時，上述的充電電流量就會改變，因而使得後來輸出電容C0得到的輸出電壓VOUT有差異。

圖4(a)及(b)係感測單元30感測方式的第二實施例，其與圖3相似，但是此感測單元30[y]的低電壓端VCOM連接電容C1。圖4(a)為等化時相，感測單元30[x]及30[y]連通開關EQ[x]、EQ[y]及MIR[x]、MIR[y]，利用等化導線RSCON使感應線40 及42達到相同電位，而電容C1充電至低電壓準位。當切換到圖4(b)的激勵時相，感測單元30[y]斷開關EQ[y]並連通開關XC[y]，使感應線40連接低電壓端VCOM的電容C1；電容單元44於感測單元30[x]所連接的感應線42的電壓會跟著下降，下降的幅度會比圖3的實施例小，電流鏡34[x]為了補足電壓提供的充電電流也比圖3的實施例小，雖然感度可能因此下降，但使感測單元30[x]於運作時減低功率消耗，可達到節省能源的效果。

除了以上兩實施例所述的激勵模式及感測模式外，感測單元30的多種運作模式還可以包含固定驅動模式及非驅動模式。當模式切換電路32只固定維持連通開關XC，使感應線固定連接低電壓端VCOM以固定驅動感應線，此即為固定驅動模式。而當模式切換電路32的開關皆無連通任何端點時，感應線成為浮動節點，即為非驅動模式。此兩種模式可以配合感測時的需要，使用於電容式觸控面板之其他感應線上。

隨著觸控螢幕的盛行，觸控面板的大小也隨著觸控螢幕的尺寸成長。當觸控面板的感應線數量超出感測晶片的感測元件的數量時，可使用疊接結構(cascading structure)連接包含本發明的感測單元的感測晶片來解決此問題。如圖5所示，二維式的大尺寸觸控面板50使用包含本發明的感測單元的感測晶片52、54、56連接其感應線，感測晶片52連接第一方向的感應線，感測晶片54、56連接第二方向的感應線，感測晶片52中的感測單元全部設為激勵模式，專門做為激勵器使用，並依控制器58的設定依序產生感測所需的激勵信號，感測晶片54、56中的感測單元全部設為感測模式，做為感應器使用，等化導線RSCON連接感測晶片52、54、56，利用控制器58提供感測晶片52、54、56控制訊號及時脈訊號，讓感測晶片52、54、56同步運作，便可感測觸控面板50產生感測資訊。

雖然圖5的疊接結構解決了大尺寸觸控螢幕硬體上的問題，但是如果對所有感應線交點逐一掃描，可能會因此影響觸控螢幕的影像更新速率(frame rate)。本發明更提出另一種電容式觸控面板的感測方法，利用以下提出的混合感測(Hybrid Sensing)方式減少運算複雜度、感測時間及改善更新速率。圖6係本發明之混合感測方式分割區塊的示意圖，將電容式觸控面板依設定劃分成數個區塊。每一區塊於一感測時間內，第一方向感應線上的的感測單元同時設為感測模式，另一方向感應線上的感測單元同時設為激勵模式，此稱為投影交互電容感測(projected mutual capacitance sensing)，可感測出投影交互電容值(projected mutual capacitance)，如此可感測出所有被驅動的感應線之間的交互電容值累積的變化，再依各區塊的變化，得知那一區塊有物件觸碰，再將此區塊詳細掃描，定位出物件的位置。於另一實施例中，依設定將電容式觸控面板劃分成數個區塊時，兩相鄰區塊之交界處存在著部分重疊，即表示於某一區塊交界處之部分感應線於劃分時重覆劃分於其相鄰的區塊中。

圖7為本發明之混合感測方式的流程圖。於感測前將電容式觸控面板如圖6般劃分為多個區塊A00、A01…，於步驟S60取得並儲存每一區塊Aij的投影交互電容之參考值RAij，i、、j為系統參數。步驟S62選擇取區塊Aij的投影交互電容的感測值DAij，於步驟S64將區塊Aij的交互電容的感測值DAij與參考值RAij比較，若差異超過門檻值，便表示有物件觸碰該區塊，於是進行步驟S66，對該區塊做正常的交互電容感測，定位出物件的位置，再進行步驟S68的判斷；若差異不大，直接進行步驟S68的判斷。步驟S68係判斷是否已經將所有的區塊感測完畢，若否，便改變系統參數i、j，進行步驟S62感測下一區塊。

以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明之目的，而無意限定本發明精確地為所揭露的形式，基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述，本發明的技術思想企圖由以下的申請專利範圍及其均等來決定。

10．．．觸控面板

12．．．感測晶片

14．．．感測電路

16．．．多工器/類比數位轉換器

18．．．數位訊號處理單元

20．．．時間控制單元

22．．．微控制單元

24．．．輸入/輸出周邊單元

30．．．感測單元

32．．．模式切換電路

34．．．電流鏡

36．．．取樣及重置開關

40．．．電容單元

50．．．觸控面板

52．．．感測晶片

54．．．感測晶片

56．．．感測晶片

58．．．控制器

圖1係習知的電容式觸控面板系統；

圖2係本發明的感測單元；

圖3係圖2的感測單元的感測方式的第一實施例；

圖4係圖2的感測單元的感測方式的第二實施例；

圖5係大尺寸觸控面板使用本發明之感測晶片的疊接結構的示意圖；

圖6係本發明之混合感測方式分割區塊的示意圖；以及

圖7係本發明之混合感測方式的流程圖。

30．．．感測單元

32．．．模式切換電路

34．．．電流鏡

36．．．取樣及重置開關

Claims (28)

1. 一種電容式觸控面板的感測電路，該電容式觸控面板具有第一及第二感應線，二者之間存在交互電容，該感測電路包含：第一感測單元連接該第一感應線，其具有多種運作模式，運作於該多種運作模式之一的激勵模式時具有第一時相及第二時相，於該第二時相時使該第一感應線連接低電壓端；以及第二感測單元連接該第二感應線，並經等化導線連接該第一感測單元，運作於該多種運作模式之一的感測模式時具有同步的該第一及第二時相，於該第二時相時提供充電電流施加到該交互電容，同時產生等比例於該充電電流的鏡射電流；其中，該第一及第二感測單元於該第一時相利用該等化導線使該第一及第二感應線達到相同電位。
2. 如請求項1之感測電路，其中該低電壓端為接地端。
3. 如請求項1之感測電路，其中該第二感測單元包含：模式切換電路連接該第二感應線，切換該第二感測單元操作於該多種運作模式之間；電流鏡連接該模式切換電路，運作於該感測模式時，於該第二時相提供該充電電流，同時產生該鏡射電流；以及取樣開關連接於該電流鏡及輸出端之間，運作於該感測模式時，於該第二時相將該鏡射電流傳送到該輸出端。
4. 如請求項3之感測電路，更包含積分器連接該輸出端，儲存該鏡射電流以產生輸出電壓。
5. 如請求項4之感測電路，其中該積分器包含輸出電容。
6. 如請求項4之感測電路，更包含重置開關連接該輸出端，在取樣前重置該積分器。
7. 如請求項3之感測電路，其中該模式切換電路包含：第一開關連接於該第二感應線及等化導線之間；第二開關連接於該第二感應線及低電壓端之間；以及第三開關連接於該第二感應線及電流鏡之間。
8. 如請求項7之感測電路，其中該模式切換電路更包含第四開關連接於該第二感應線及接地端之間。
9. 如請求項3之感測電路，其中該多種運作模式更包含固定驅動模式，使該第二感應線固定連接該低電壓端。
10. 如請求項3之感測電路，其中該多種運作模式更包含非驅動模式，使該第二感應線成為浮動節點。
11. 如請求項1之感測電路，其中該第一及第二感測單元分別於兩感測晶片中。
12. 如請求項11之感測電路，其中該兩感測晶片具有相同的電路結構。
13. 一種電容式觸控面板的感測單元，該電容式觸控面板具有感應線，該感測單元包含：模式切換電路連接該感應線，切換該感測單元操作於多種運作模式之間；電流鏡連接該模式切換電路，運作於該多種運作模式之一的感測模式時，提供充電電流施加到該感應線，同時產生等比例於該充電電流的鏡射電流；以及取樣開關連接於該電流鏡及輸出端之間，於該多種運作模式之一的感測模式時，將該鏡射電流傳送到該輸出端。
14. 如請求項13之感測單元，更包含積分器連接該輸出端，儲存該鏡射電流以產生輸出電壓。
15. 如請求項14感測單元，其中該積分器包含輸出電容連接該輸出端，儲存該鏡射電流以產生該輸出電壓。
16. 如請求項15之感測單元，更包含重置開關連接該輸出端，在取樣前重置該積分器。
17. 如請求項13之感測單元，其中該模式切換電路包含：第一開關連接於該感應線及等化導線之間；第二開關連接於該感應線及低電壓端之間；以及第三開關連接於該感應線及電流鏡之間。
18. 如請求項17之感測單元，其中該模式切換電路更包含第四開關連接於該感應線及接地端之間。
19. 如請求項17之感測單元，其中該低電壓端為接地端。
20. 如請求項17之感測單元，其中該多種運作模式更包含激勵模式，其具有第一時相及第二時相，於該第一時相時使該感應線連接該等化導線，於該第二時相使該感應線連接該低電壓端。
21. 如請求項17之感測單元，其中該多種運作模式更包含固定驅動模式，使該感應線固定連接該低電壓端。
22. 如請求項17之感測單元，其中該多種運作模式更包含非驅動模式，使該感應線成為浮動節點。
23. 一種電容式觸控面板的感測方法，該電容式觸控面板具有第一及第二感應線，二者之間存在交互電容，該感測方法包含：使該第一及第二感應線達到同一電位；將該第一感應線連接低電壓端；以及對該第二感應線提供充電電流施加到該交互電容，同時產生等比例於該充電電流的鏡射電流到輸出端。
24. 如請求項23之感測方法，更包含儲存該鏡射電流產生輸出電壓。
25. 一種電容式觸控面板的感測方法，包含：將該電容式觸控面板劃分為多個區塊；依序取得並儲存每一該區塊的投影交互電容之參考值；依序取得每一該區塊的投影交互電容的感測值；以及若該區塊的投影交互電容感測值與參考值相差超過門檻值，便詳細掃瞄該區塊並計算出物件的位置。
26. 如請求項25之感測方法，其中該將該電容式觸控面板劃分為多個區塊的步驟包含該兩相鄰區塊之交界處存在著部分重疊。
27. 如請求項25之感測方法，其中該依序取得並儲存每一該區塊的投影交互電容之參考值的步驟包含：同時激勵每一該區塊在第一方向的感應線；感測每一該區塊在第二方向的感應線；得到每一該區塊的投影交互電容之參考值；以及儲存每一該區塊的投影交互電容之參考值。
28. 如請求項25之感測方法，其中該依序取得並儲存每一該區塊的投影交互電容之感測值的步驟包含：同時激勵每一該區塊在第一方向的感應線；感測每一該區塊在第二方向的感應線；得到每一該區塊的投影交互電容之感測值；以及儲存每一該區塊的投影交互電容之感測值。