CN102841704A - 利用数字代码检测物体的基于位置的属性的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

描述了利用触摸垫或具有触敏区域的其它传感器来检测手指、触针或其它物体的基于位置的属性的方法、系统和设备，所述触敏区域包括多个电极。产生作为许多截然不同的数字代码的函数的用于一个或多个电极的调制信号。将所述调制信号应用于相关的该多个电极的至少其中之一以获得受所述物体的位置电影响的合成信号。利用该多个截然不同的数字代码解调所述合成信号，以鉴别由所述物体产生的电效应。然后根据所述电效应来确定所述物体相对于该多个电极的基于位置的属性。

Description

利用数字代码检测物体的基于位置的属性的方法和系统
本申请是申请号为200680042701.5、申请日为2006年10月13日、发明名称为“利用数字数字代码检测物体的基于位置的属性的方法和系统”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明一般涉及位置或接近度(proximity)传感器，例如触摸垫，尤其涉及能够利用数字代码来检测手指、触针或其它物体的基于位置的属性的设备、系统和方法。
背景技术
位置传感器通常用作计算机、个人数字助理(PDA)、媒体播放器、视频游戏播放器、消费电子产品、无线电话、投币式公用电话、销售点终端、自动出纳机、电话亭等的输入设备。用于这些应用的一种常见类型的传感器是触摸垫传感器，例如，可以在许多笔记本类计算机上找到作为输入设备的触摸垫传感器。用户通常在传感器的感测区域附近移动手指、触针或其它激励器(stimulus)来操作该传感器。激励器在应用于该感测区域的载波信号上产生电容性、电感性或其它电效应，其中可以检测该载波信号并使其与该激励器相对于感测区域的位置或接近度相关联。该位置信息又可用来在显示屏上移动光标或其它指示仪，在屏幕上从头至尾滚动文本元素，或用于任何其它用户接口的目的。基于电容性感测技术的触摸垫式位置传感器的一个实例在1999年3月9日颁发给Gillespie等的美国专利号5,880,411中有所描述。
虽然触摸垫式位置传感器已经使用了好几年，但工程师们仍继续寻求降低成本和/或提高传感器性能的可选设计方案。具体地说，近年来相当关注减少由显示屏、电源、射频干扰和/或传感器之外的其它源所产生的噪声效应。已经不同程度地成功实现了许多采样、滤波、信号处理、屏蔽和其它降噪技术。
因此，希望提供用于在噪声存在下快速、有效和高效地检测物体的基于位置的属性的系统和方法。其它希望的特征和特性将从接下来连同附图和前述技术领域和背景技术的详细描述以及随附的权利要求书中变得显而易见。
发明内容
本发明描述了利用触摸垫或其它传感器检测手指、触针或其它物体的基于位置的属性的方法、系统和设备。根据各个实施例，该传感器包括由按照检测用户输入的适当方式排列的许多电极构成的触敏区域。产生作为许多截然不同的离散数字代码的函数的用于一个或多个电极的调制信号，其中该数字代码基本上相互正交。将该调制信号应用于相关的该多个电极的至少其中之一以获得合成信号，所述合成信号被所述物体的位置电影响。利用该多个截然不同的数字代码来解调所述合成信号以鉴别由所述物体产生的电效应。然后根据所述电效应来确定所述物体相对于该多个电极的基于位置的属性。
附图说明
在下文中将结合以下附图来描述本发明的各个方面，其中相同的数字表示相同的元件，而且：
图1A-B是示出示范性感测设备的框图；
图2是示出用于检测物体的基于位置的属性的示范性过程的流程图；
图3包括用于示范性接收的和解调的信号的两个频域曲线图；
图4描述了用于处理被感测物体的电图像的示范性情形；
图5是能够在二维空间内感测多个基于位置的属性的示范性感测设备的框图；
图6包括两个带有滤波电容器的示范性感测设备的框图：一个在公共接收电极上同时感测多个信号通道；另一个带有统一的(unified)调制和接收电极；
图7是形成于单个基底上的示范性感测设备的框图；
图8是形成于柔性基底上的示范性感测设备的框图。
具体实施方式
以下详细描述本质上仅仅是示范性的，而且并不打算限制本发明或本发明的应用和使用。此外，并不打算以前述的技术领域、背景技术、发明内容或以下的具体实施方式中存在的任何明示或暗示的理论来限制本发明。
根据各个示范性实施例，可以在诸如触摸垫之类的位置传感器内使用扩频技术来提高抗扰性和/或提供性能增强。例如，可以利用码分多路复用(CDM)来产生两个或多个截然不同的调制信号，其中将该调制信号应用于传感器内的一个(或多个)感测电极，从而增强所应用信号的有效功率。编码后的扩频调制可以涉及直接序列、跳频、跳时，或者这些或其它技术的各种混合。因为应用于敏感区域(sensitive region)的调制频率覆盖了比之间接收的频谱更宽的频谱，所以与编码调制无关的在特定频率出现的窄带噪声或中等的(moderate)宽带噪声在更窄的整个解调信号通道上具有最小效应。在多个信号通道上的噪声效应还会更加一致，使得为每个有用的信号通道保持最小的信噪比(SNR)。可以通过选择数字代码以产生避免已知噪声源的频域信号来更进一步地充分利用该概念。因此，扩频技术可以向感测区域施加增加的功率，同时降低了噪声效应，从而与可比采样周期的传统时域多路复用技术相比，导致传感器的明显改善的SNR。在传感器内应用的扩频技术也可以实现其它有利的传感器设计以及特征。以下更全面地发掘这些概念。
如这里所用的，术语“位置传感器”意欲不仅包括传统的触摸垫设备，还包括能够检测一个或多个手指、指示器、触针或其它物体的位置或接近度的大量等同设备物体。这种设备可以包括但不局限于触摸屏、触摸垫、触摸板、生物统计验证设备(例如，指纹传感器)、手写或字符识别设备等。类似地，在此所用的术语“位置”、“物体位置”和“基于位置的属性”打算广泛地包括各种绝对或相对位置或接近度信息，而且还包括其它类型的空间域信息，例如速率、速度、加速度等，包括在一个或多个方向上的运动度量。正如在手势识别等的情况下，各个基于位置的属性还可以包括时间历史分量。因此，许多不同类型的“位置传感器”能够检测广泛变化的“基于位置的属性”，超越了仅仅在由它们的应用所确定的一系列广泛的替代但等同的实施例中物体的存在或不存在。
现在回到附图并首先参照图1A，示范性传感器100适当地包括感测区域101、控制器102、带有相关驱动电路109的调制器107、以及带有适当的相关接收器电路115的解调器117。通过将各个调制信号110A-D应用于电极112A-D来检测手指、触针或其它物体121的基于位置的属性，该电极连同感测电极114一起定义了感测区域101。调制信号110A-D电容性地耦合或以其他方式电耦合到一个或多个接收电极114，从而形成许多数据传输通道113A-D。随后可以在接收电极所接收的信号116中识别由物体121在通道113A-D上产生的电效应，并且随后处理这些接收的信号以隔离物体121在感测区域101内相对于电极112A-D的位置。在以上引用的美国专利号5880411中阐述了传统的用于电容性感测和处理触摸垫中物体位置的技术的实例，尽管在一系列广泛的替代实施例中可以使用其它感测技术。
尽管各种传感器100能够检测由物体121产生的不同电效应，但是图1A-B中的示范性实施例示出了用于监控由于物体121的存在与否而导致的感测区域101上的电容变化的配置。更具体地，随着将调制信号110A-D应用于电极112A-D，在发送调制信号的每个电极112A-D与接收电极114之间形成“虚拟电容器”。如果在由该电容器产生的场内存在物体，则影响发送电极112与接收电极114之间的电容。一般地，如果存在诸如手指之类的接地的(或虚拟接地的)物体，则电极112与114之间的有效电容被减小，并且如果存在不接地的导体(例如，触针)或更高的电介质物体(dielectric object)，则该有效电容被增加。无论是哪一种情况，由于物体121的存在而引起的电容变化都会反映在输出信号116中，例如电压、电流或从接收电极114测量的电荷。
然后，通过监控由每一个调制信号110A-D生成的信号116，可以(分别地)确定物体121相对于每一个电极112A-D的存在。在图1A所示的示范性实施例中，示出了以一维感测阵列101排列的四个感测通道113A-D。在图1B的示范性实施例中，利用以112A-C与114之间的第一方向排列的几个通道113A-C和以112D-G与114之间的基本正交的方向排列的剩余通道113D-G来暗示七个通道113A-G，以允许在二维中检测图像“轮廓”，正如以下参照图4更全面描述的。实际上，在一系列广泛的替代实施例中，可以按照任何单维或多维模式来排列少至一个通道(例如按钮)或多至几打、几百或甚至是更多的感测通道。如果适当排列，一旦发送施加到各个电极的调制信号110A-D，就可以根据物体121产生的电效应来确定物体121相对于感测区域101的位置。这些效应又反映在接收的信号116中，解调并随后适当处理该信号116以得到输出信号120。
此外，还可以轻易地将传感器100配置或重新配置成仅通过分配或重新分配用来产生调制信号110的数字代码来在区域101内产生任何类型或数量的感测区。如图1A-B所示，每一个接收电极114可以接收通过许多信号通道113耦合的信号，从而导致在单个路径上提供的多个结果信号116。由于在公共路径上提供信号116，所以可以仅通过向构成该感测区的每一个发送电极112施加公共调制信号110(例如，根据公共数字代码形成的调制信号110)来永久或临时地产生许多电极的感测通道113。区域101内的感测区可以重叠和/或随时间变化，而且可以通过向一个或多个电极112简单应用不同的数字代码来轻易地进行重新配置。多于一个的电极可以是通道的一部分，而且可以将多于一个的通道调制应用到电极。
在传统的传感器中，调制信号110A-D一般是简单的正弦、或者其它周期性交流(AC)信号，利用任何形式的时域多路复用(TDM)将该信号顺序地施加到各个通道。然而，通过把通常与无线电通信相关的扩频概念应用于传感器110，可以实现许多益处。具体地说，可以采用与码分多址(CDMA)中使用的那些数字编码技术类似的数字编码技术来产生可以同时应用于区域101的各个感测区的截然不同的调制信号110A-D，从而潜在地降低传感器100的切换复杂性。
应用于传感器100内的扩频技术可以提供额外的益处，例如改善的对噪声的阻抗(resistance to noise)。例如，由于每一个信号通道113是通过应用适当的数字代码而产生的，所以可以轻易地使用代码增益(code gain)原则来改进传感器100的性能。应用于一个或多个发送电极112的每个调制信号110的增益随该代码的长度而增加。通过利用传统的代码生成技术，可以相对容易生成带有公知频谱和相关特性的数字代码的组合变化(combinatorial variation)。此外，这些组合变化提供了相对较大的潜在的截然不同的数字代码池，其中根据该数字代码产生具有希望的时域或频域特性的调制信号110，如下所述。以下更全面地描述关于特殊代码生成和信号处理技术的其他细节。
再次参照图1A-B，感测区域101是能够检测手指、触针或其它物体121的位置、接近度和/或其它基于位置的属性的任何电容性、电阻性、电感性或其它类型的传感器。示范性感测区域101包括由加利福尼亚州圣克拉拉市(Santa Clara)的Synaptics公司生产的各种传感器，该传感器通过电容性耦合或电感性耦合来适当地检测物体121的一维、二维或多维位置，尽管在一系列广泛的替代实施例中可以使用许多其他感测区域101。能够检测位置或接近度的其它类型的感测区域101包括基于声音、光或电磁特性(例如，射频、红外、紫外等)和/或任何其它效应的传感器。
控制器102是任何处理器、微控制器、神经网络、模拟计算机、编程电路或能够处理输入数据118以提取输出标记120等的其它模块。所用的特定控制电路102随着实施例广泛变化，但是在示范性实施例中，控制器102是模型T1004、T1005、T10XX或由加利福尼亚州圣克拉拉市的Synaptics公司生产的其它微控制器。在许多实施例中，控制器102包括数字存储器103和/或与该数字存储器103通信，数字存储器103适当地以任何软件或固件形式存储数字指令，其中可由控制器102执行该数字指令以实现此处所描述的各种感测、控制和其它功能。可选地，可以将存储器103的功能合并到控制器102中，使得物理上不同的存储器设备103也许不会存在于所有实施例中。物理控制器还可以合并更多的元件，包括驱动电路109和接收电路115以及其它所述的电路。
代码生成模块104是能够产生数字代码106的任何离散或集成电路、设备、模块、编程逻辑等。产生的数字代码的数量、大小和类型存在显著差异，但是在各个实施例中，该代码基本上正交于彼此，而且代码长度足以提供足够的截然不同的代码以与区域101中每一个感测区相关联。离散代码可以是二进制的、三进制的，或一般为多级的，而且可以指示驱动和非驱动状态(三态)。用于生成适于供CDM使用的数字代码的各种电路、模块和技术包括移位寄存器序列，例如Walsh-Hadamard码、m序列、Gold码、Kasami码、Barker码、延迟线多抽头序列等。可选地，可以在控制器102和/或存储器103中的查找表或其它数据结构中预定并存储数字代码，和/或可由控制器102利用任何适当的算法来生成该数字代码。在这种实施例中，代码生成模块104可能不会作为与控制器102分离的物理元件存在，而应当被认为是适当代表代码生成和/或由控制器102或其它数字处理设备执行的检索功能的逻辑模块。
在截然不同的数字代码的上下文中，术语“基本上正交”意在表达该截然不同的代码不必是数学意义上的完全相互正交，只要该截然不同的代码能够产生有意义的独立结果。因此可以为了诸如相关性、频谱或压缩率之类的各种其它属性来折衷(trade off)严格的正交性。类似地，术语“感测区”意在表达可以将单个代码应用于多个电极112来产生包括比单独电极112的任何一个大的一部分感测区域101的单个敏感区。而且，可以将多于一个的代码应用于电极，产生重叠的或在空间上过滤(spatially filtered)的“感测区”的。例如，相同代码序列的相位延迟或“移位”版本可以是不同的且基本上正交的，使得它们可以容易区分。在各种情况下，甚至有可能在相移之间进行内插。
调制器107是能够利用模块104产生的截然不同的数字代码来产生调制信号110A-D的任何电路、逻辑或其它模块。一般地，调制器107通过任何类型的调幅(AM)、调频(FM)、调相(PM)或另一种合适的技术利用数字代码106来调制载波信号111以产生调制信号110A-D。因此，可以利用任何传统的数字和/或模拟电路来实行调制器107，或者可以利用在控制器102等内所执行的软件来部分地或整个地实现调制器107。可以适当地由任何振荡器或其它信号发生器105来产生载波信号111。在适用于电容性感测触摸垫的一个实施例中，可以产生频率范围从10kHz到100MHz的信号111，尽管可以产生任何频率的或频率范围在一系列广泛的等同实施例中的这些信号。以下参照图3描述有关示范性调制功能的其他细节。在其它实施例中，根据数字代码的时钟频率、重复长度和/或其它方面来消除载波信号111并确定所应用的调制信号110A-D的频谱分量。因此在各个替代实施例中，可以消除载波信号111和/或将其概念化为直流(DC)信号。
以任何方式将调制信号110A-D应用于感测区域101的电极112A-D。在各个实施例中，调制器107适当地通过任何驱动电路109将信号应用于合适的电极112A-D，该驱动电路109包括任何种类的缩放放大器(scaling amplifier)、多路复用器、到任何电流或电压源的开关、电荷传输设备、受控阻抗等等。尽管图1示出单个驱动电路109以串联方式将调制器107和感测区域101互连，但实际上驱动电路109通常包括多个放大器、多个驱动器和/或其它信号路径，该信号路径在调制器107与感测区域101内的各个电极112之间提供并行连接，以允许调制的电极112利用相同或不同的信号同时驱动多个感测通道113。
如上所述，给感测区域101中的电极112A-D提供调制信号110A-D，并向适当的解调器117提供来自接收电极114的合成信号116。也可以提供缩放放大器、多路复用器、滤波器、鉴别器、比较器和/或其它接收电路115来对接收的信号116进行整形。解调器117是能够对感测区域101的输出116进行解调以识别由物体121产生的任何电效应的任何电路或其它模块。解调器117还可以包括解调滤波器和/或与该解调滤波器通信，该解调滤波器例如任何适当的数字或模拟低通或带通滤波器，以及任何传统的模数转换器(ADC)。在各个实施例中，解调器117接收载波信号111和/或截然不同的数字代码106的相移版本以允许对这两个信号进行解调。可选地，解调器117提供载波信号111的模拟解调，并向控制器102和/或接收电路115提供合成信号用于后续处理。类似地，在图1中由模块117表示的解调功能可以逻辑地在控制器102内的硬件、软件、固件等和/或另一个部件中提供，从而消除对单独可识别的解调电路117的需要。
在传感器100的操作过程中，可由代码生成模块104产生许多截然不同的数字代码，并利用载波频率对其进行调制以产生一组应用于感测区域101内许多电极112A-D的调制信号112A-D。物体121相对于感测区域101的位置电影响从感测区域101提供的一个或多个输出信号116。通过对合成信号116进行解调，可以识别该电效应，随后由控制器102等处理该电效应以确定关于物体121的基于位置的属性。通过利用适当的数字代码来调制电极，可以在多个频率上有效地扩展传感器的较窄的感测频率，从而改进噪声抑制。此外，对码分多路复用的使用允许同时应用每一个调制信号110A-D，从而在多个实施例中减少或消除了对单独的时域切换和控制的需要。还可以酌情由控制器102和/或另一个处理设备来进一步处理利用扩频技术从感测区域101中识别的电效应。
现在参照图2，用于检测物体相对于感测区域101的基于位置的属性的示范性过程200适当地包括以下主要步骤：产生一组用于调制信号110A-D的截然不同的数字代码(步骤201)，对由调制信号110A-D的应用而产生的每一个响应信号116进行解调(步骤204、206)，并根据在响应信号116内识别的电效应确定物体121的一个或多个基于位置的属性(步骤208)。在各种其他实施例中，可以修改在步骤202中产生的特定数字代码(步骤210)以降低噪声效应，减少该设备在其它设备上引起的干扰，或者用于其它目的。还可以执行附加的处理(步骤212)，例如单个或多个物体的处理、拒绝不希望的图像数据等。
尽管图2所示的流程图意在显示示范性过程200中所包含的各个逻辑步骤，而非字面上的软件实现，但是可以在存储器103中存储过程200中的某些或所有步骤，并由控制器102单独和/或连同传感器100的其它部件(例如，代码生成模块104、调制器107、解调器117等)来执行该步骤。各个步骤可以替代地存储在任何数字存储介质内，该数字存储介质包括任何数字存储器、可移动(transportable)介质(例如高密度磁盘、软盘、便携式存储器等)、磁介质或光介质等。可以按照任何时间顺序来应用过程200的各个步骤，或者可以任何方式在一系列广泛的替代实施例之间改变过程200的各个步骤。此外，可以组合图2所示的各个步骤，或者按照任何方式不同地组织在图2中所示的各个步骤。
如上所述，可以按照任何方式来产生用于生成调制信号110A-D的截然不同的数字代码106(步骤201)，例如通过由图1中的代码生成模块104表示的任何类型硬件或软件逻辑。例如，可以最大长度序列(MLS)等对许多反馈移位寄存器进行配置以生成任何希望长度的伪随机数字代码，其中可以轻易地以各种相位和/或和(sum)将该数字代码作为截然不同的代码序列应用到各个调制信号110A-D。除了最小DC项之外，从并行移位寄存器发出的所得到的二进制代码106序列在频谱上通常是平的。在替代实施例中，可以在控制器102内运行的软件中或其他适当的地方模拟MLS或其它用于生成数字代码106的其他程序。在其它实施例中，可以在使用前生成代码106，并将其存储在存储器103中的查找表或其它数据结构中等。在各个替代但等同的实施例中，控制器102可以直接生成或检索代码106，和/或可以通过指导单独的代码生成模块104等的操作来生成代码106。如上所述，可以按照任何方式来生成特定代码。例如，可以仅在相位上移位数字比特序列来产生多个截然不同的代码。可选地，可以使用各种方法根据其他代码来计算截然不同的代码，该方法包括求和、异或和乘法，和/或生成高维度随机和伪随机序列的其它技术。基于异或运算或乘法运算的代码生成技术可以提供在某些实施例中有用的生成线性组合的附加益处。
然后，可以用各个代码106来调制或以其他方式产生特定调制信号110A-D，其中将该调制信号110A-D应用于感测区域101中的各个感测电极112A-D(步骤202)。如上所述，物体121的存在电影响了所应用的信号，其中可以根据接收的信号116确定得到的电效应(步骤203)。
(在步骤204中)解调接收的信号通道113适当地包括从该调制的信号中提取关于物体121的位置的信息。这种提取通常涉及反转上述的调制过程。因此，除了之前调制用来产生特定合成信号116的载波信号的特定数字代码106之外，解调器117通常接收载波信号111(或与信号111同步的另一个信号)来进行模拟解调和/或信号鉴别(例如，区分噪声与希望的信号)。由于该传感器进行发送和接收，所以它几乎不必恢复载波或代码序列。
可以酌情对许多接收的信号通道113执行解调(步骤206)。在图1A所示的示范性传感器100中，在源自接收电极114的公共路径上接收由于来自调制的电极112A-D的每一个信号通道的传输而产生的信号116。即使各个感测通道113A-D都在同一时间活动(active)(例如，将调制信号110A-D同时提供给每一个调制电极112A-D)，然而，可以利用传统的CDM解调技术对每一个通道113A-D产生的结果信号116进行解调。因此，可以轻易地提取响应于任何调制信号110A-D而产生的合成信号116的特定分量(或通道)。如下所述，可以按照无数方式采用该概念在传感器100内产生若干附加特征和性能增强。例如，可以将公共调制信号110A-D应用于多个电极112A-D以增加区域101内任何特定感测区的尺寸。可以在操作过程中轻易地调整这些区以产生各种操作模式等。例如，为了使整个感测区域101充当单个按钮，可以给每一个电极112A-D提供同一调制信号110，而不以别的方式调整该传感器的性能。由于在图1中的公共路径上提供由接收电极116产生的所有信号，所以在此情况下，仅仅利用该公共调制码来解调整个接收的信号将识别物体121在感测区域101内任何地方的存在。可以采用类似的概念，以通过数字代码序列106的简单操纵来产生感测区域101上的许多独立或重叠的感测区。此外，可以仅通过适当的调制和解调来进行空间频率滤波，例如以实现手掌误触(palm rejection)或拒绝其它不适当输入。
可以在控制器102处适当接收解调信号118，使得可以确定物体121的基于位置的属性(步骤208)。可以利用线性和非线性滤波器来对这些信号进行数字滤波或模拟滤波。用于识别物体121相对于各个电极112A-D的位置的各种技术包括检测峰值电效应，基于该电效应计算质心，比较在电极112A-D之间观察到的电效应中的差异，比较电效应随时间的变化，在来自电极的信号通道之间的内插和/或根据许多其它技术。在峰值检测的情况中，通过识别哪个调制信号110A-D在合成信号116中产生了电容效应的最大相对变化来使物体121的位置与一个或多个电极112A-D相关联。也可以通过比较目前观察到的、经过缩放的(scaled)电效应与基线值(例如，根据经验确定的特定通道的平均值、时间上的平均值，根据之前的观察存储的值等等)来识别经历这种峰值(最大、最小、或以其他方式截然不同的)电效应的感测通道113A-D。其它实施例可以通过比较每一个通道113A-D的当前电效应与在相邻感测通道中观察到的当前值来识别产生峰值电效应的通道113A-D。可选地，可以计算从某些或全部调制的电极112A-D中观察到的电效应的加权平均，该加权平均或质心与物体121的位置相关。已知或后续有可能开发用于使在感测区域101上观察到的电效应与物体121的位置相关联的许多技术，而且根据应用这些技术中的任何一种可以用在各个实施例中。
通过随着时间改变用来产生调制信号110A-D的数字代码106，可以实现各个附加特征。例如，为了对接收的信号通道113实施简单的双差分数模转换，在周期、非周期或其它时间基础上逻辑反转应用到一个或多个电极112的数字代码106，以获得补充(complementary)的感测信号116。补码106可用来以相反方向驱动两个单独的ADC输入(例如，存在于驱动器115和/或解调器117中的ADC)，从而抵消信号116中许多类型的可变性或剩余畸变。步骤210和212分别描述了任选的噪声重新配置和图像处理特征，其中可以在各个实施例中实现这些特征，作为可从使用扩频技术中获得的附加益处。以下(分别连同图3和4)更详细地描述了这些特征，而且这些特征也许不会存在于所有实施例内。因为数字代码106本质上易于修改、存储和进行后续处理，所以能够实现许多信号增强、降噪和/或对传感器100的其它性能改进。此外，由于数字序列的组合能力(combinatorial power)，所以有较大量的数字代码可用。编码增益和正交性通常依赖于所使用的特定代码的线性和重叠(superposition)。尽管非线性和分散(dispersion)限制了数字代码的理论有效性，但是这些限制可被相对信号功率(以及SNR)中的增量足以抵消掉(more than offset)，其中该增量是由同时调制多于一个的电极112产生的。此外，由于在许多实施例中自感应的通道间噪声可能支配其它噪声源，所以可以提供相对稳定的动态范围。
现在参照图3A-B，与传统的单频率取样技术相比，扩频技术允许改进的噪声避免(noise avoidance)。如上所述，感测区可以对应于单个电极112，或者可以将公共调制信号110提供给多个电极112来产生更大的感测区，其中为了后续解调和计算的目的该更大的感测区可以有效地充当单个“电极”。调制后的波形110唯一地识别其所应用到的感测区，从而允许CDM和其它传统扩频技术的现成应用(readyapplication)，其中该调制后的波形是截然不同的数字代码106的函数。图3示出了强调载波信号111的频谱302与调制信号110的频谱304之间的频域差异的示范性频谱曲线图300。与单频率载波信号302成对比，在114上接收的调制信号的多频谱304要宽得多。因为调制信号的频谱304在宽得多的敏感带上分配可用功率，所以显著降低了在任何感兴趣的特定频率处或其附近的窄带噪声信号306的效应。也就是说，如果寄生(spurious)噪声信号306碰巧出现在单频(或窄带)载波信号302附近，则该噪声会压倒感测通道113内存在的任何电效应。此外，可以通过扩频技术来缓和宽带噪声308的不利效应或来自于其它调制后的电极通道310的干扰，如接收信号116的频谱曲线图所示。曲线图350示出在相对较窄的频带内包括解调信号352(对应于在解调感测区域附近物体121的存在和/或通道113的耦合)，而从其它通道接收的信号354在较宽的频带上扩展。宽带噪声308和窄带噪声306类似地在解调信号中较宽的频带356和358上扩展。然后，通过增加所应用的调制信号110的带宽，动态地提高解调信号116中的信噪比。该解调又扩展在信号频带之外的噪声，于是该信号频带变得相当窄，从而允许由窄带滤波器等轻易地提取希望的信号部分352。可以通过选择避免已知噪声源的数字代码106来进一步地发掘该概念。也就是说，可以将任何比特长度的数字代码106应用于载波信号111来产生已知对寄生噪声敏感的频率处的频谱“缝隙”。通过应用传统的傅里叶分析(例如，利用简单的快速傅里叶变换(FFT)等)，可以选择数字代码来产生具有许多希望的频谱特性的调制信号110。可以在操作过程中修改应用于任何调制电极112的代码(例如图2中的步骤210)，和/或可以预选择该代码以避免在合成信号116中预期或观察到的噪声。可选地，应用于一个或多个电极112的特殊代码106可以是随机地、伪随机地、确定性地或以其他方式在传感器操作过程中修改的，从而随着时间的过去对合成信号116或解调信号118内存在的任何噪声进行统计滤波。类似地，可由应用于不同调制电极的代码来强调(例如，用代码增益)或滤出特定的空间频率或空间位置。在操作过程中的代码移位(code shifting)可以提供除了减少非输入物体(手掌等)的噪声效应或寄生效应之外的其它益处(例如，辨别湿度或弹性)。在各种等同实施例中，可以代替修改数字代码106或除此之外调节载波信号111的频率、相位、幅度和/或波形。
现在参照图4，将多个编码后的调制信号110A-D同时应用于各个电极112A-D的扩频技术能够识别位于感测区域101内的物体121的多个存在408、410、412。多个物体可以对应于触摸垫上多个手指的存在，例如在使用中搁在传感器100上的手掌，手指和触针的同时存在，和/或输入的任何其他组合。可以沿着一个或多个轴404、406在概念上投影由各种存在408、410产生的电效应，以沿着该轴识别该物体的相对位置，如图4所示。也就是说，可以使电效应的一个(或多个)峰值与物体121相对于感测区域101的相对位置相关联。在图4的实例中，可由沿着“X”轴404和“Y”轴406投影的电效应中的增量来识别手指408。通过使峰值电效应的相对X和Y位置相关联，就可以在二维空间中(或任何其它数量的维度中)关联存在408的位置。类似地，图4A的实例示出了指示第二存在410更大的区域，该第二存在410产生了沿着轴404和406的电效应的投影。另外可以使电效应的这些多个投影相关联，以识别区域101内存在的物体121的图像(例如“外形”)。进一步地发展该概念，可以酌情对一个或多个图像408、410进行后续处理。例如，可以用区域101内多个手指的存在来执行滚动、模式选择或其它任务。类似地，如果图像被识别为由用户的手掌(或用户身体的另一个不希望的部分)所产生，随后在进一步的处理中拒绝(reject)该图像410，例如上报位置信息或其它输出信号。
在图4所示的示范性实施例中，两个轴404、406通常对应于调制电极112的多个部分或者它们的以如图1B所示的两个近似正交的方向排列的相关通道。然而，替代实施例可以包括以任何重叠、不重叠、矩阵或其它方式排列的许多电极112。在图5中示出了在二维空间中排列的带有重叠电极112A-G的传感器500的实例。在这种实施例中，可以有效独立地在两个方向(例如，与轮廓曲线图400中的轴404、406对应的X和Y方向)上测量在电极的每个交叉处的对接收通道的电效应，其中在控制器102中相关的结果提供物体121的二维表示或图像，而不是像404和406那样的两个一维“轮廓”。在这种情况下，可以在与按照第二方向排列的电极(例如，电极112D-G)分离的时间调制按照第一方向排列的电极(例如，电极112A-C)，其中通过多路复用器502向解调器117提供在任一时刻来自于任何一组电极(例如，电极112D&F)的一个或多个独立接收的信号。图5示出了通过多路复用器502耦合到调制器107和解调器117的各个电极112A-G。该多路复用器还可以在解调之前将其中一个或多个电极连接到接收电路115。实际上，可以按照任何方式连接每一个电极，以允许将信号应用于电极112的一个子集上，并在另一个子集上接收该信号。
在各个实施例中，可以为用来接收通道(例如，类似于上述的通道113)的两个或更多电极提供独立的合成信号116。此外，待用(inactive)或未用电极(例如112E&G)可以耦合到电参考(electrical reference)(例如，地)，或者利用调制信号来驱动该电极以提高活动接收通道上的空间分辨率。一般参考该参考作为屏蔽或保护信号，其中可以通过多路复用逻辑502等来应用该信号。
可以在以许多不同方式运行的传感器内等同地应用数字编码和其它扩频技术。例如，图6A示出了包括按照任何单维或多维方式排列的许多调制电极112A-B的示范性传感器600，其中调制电极112A-B与电容滤波器(例如，积分电容器610)耦合，该电容滤波器线性转换由调制电极传输的电荷。微控制器102/104等适当地产生截然不同的数字代码106，其中该数字代码106对上述耦合到电极114的电极112A-B进行调制。然而，在该情况下，该数字代码106不必打算对提供给每一个电极112A-B的电压进行编码，而是对传输到电极114的电荷定时(timingof charge)进行控制。通过控制每一个电极的充电和放电时间，然后观察在积分电容器610上收集的来自于114的电荷量，可以根据解调信号118来确定由每一个电极112A-B提供的电荷量。可以通过选择数字代码106来控制每一个电极112A-B的充电，使得仅当应该向接收电极114传输电荷时向每一个电极施加电压，否则就允许它浮置。通过把来自于单独的和/或成组的电极112A-B的电荷选择性地提供给电容器610，可以确定来自于每一个电极112A-B的耦合量(其受到物体121的接近度的影响)。
图6B给出在每个电极112上具有统一的感测和驱动的示范性传感器的替代实施例，其中一个或多个电容610对每一个电极112进行滤波或解调。代码106对驱动电路109进行调制，驱动电路109可以实现为连接到电极112的电流源。该电极对该驱动电路的响应受到该电极附近物体121的耦合的影响，并由电路604和电容器610来滤波和/或解调该合成信号(例如，由该耦合产生的电压)。对滤波后的信号进行进一步的解调以确定该物体的位置属性。此外，可以利用基本上正交的代码来同时驱动多于一个的电极，并在解调之后，一个电极112A与另一个电极112B的稳定耦合将基本上消除。这些以及许多其它位置感测方法受益于数字编码和扩频技术。
现在参照图7，可以在单个电路板或其它基底702上形成根据此处所述编码技术形成的各个传感器700。在这种实施例中，可以将形成感测区域101的电极112A-G布置在该基底的一侧，处理部件(例如，控制器102等)形成在相对侧。由于各个处理器(例如图1和5中所示的传感器100和500)并不需要感测和接收电极相互之间的物理移动，所以可以按照任何方式在基底702上严格地固定这种传感器中的电极112、114。基底702可由柔性材料制成以允许折叠或弯曲。此外，可以在该电极之上沉积或以其他方式放置保护表面704以提供一致的(consistent)介电隔离并防止潮湿、灰尘和其它环境影响。表面704还可以酌情向用户提供触觉反馈。图8示出了适当地形成在柔性基底802上的示范性传感器800。图8还示出各个处理部件可以与调制和感测电极形成在基底802的同一面上，而且基底802还可以为区域101提供触觉反馈。应当理解可以酌情组合和/或修改此处所述的各种概念、结构、部件和技术以产生多种替代实施例。
因此，提供了用于在诸如触摸垫之类的位置感测设备中检测手指、触针或其它物体的基于位置的属性的许多系统、设备和过程。虽然已经在前述的详细说明中给出了至少一个示范性实施例，但是应当理解存在大量的变型。例如，可以按照任何时间顺序来实践此处所描述的技术的各个步骤，而且该步骤并不限于此处给出的和/或要求专利保护的顺序。还应该理解此处所描述的示范性实施例仅仅是实例，而不打算以任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。因此可以在不脱离随附的权利要求书及其法律等同物中所阐述的本发明范围的前提下对元件的功能和排列进行各种变化。

Claims (20)

1.用于位置传感器的控制器，其中所述控制器包括：
驱动电路，所述驱动电路被配置为同时利用第一发送电极发送第一信号和利用第二发送电极发送第二信号，其中第一和第二信号是基于截然不同的数字代码的截然不同的信号；以及
接收器电路，所述接收器电路被配置为利用至少一个接收电极接收电效应，其中所述电效应与所述第一和第二信号相关联，其中所述第一发送电极、所述第二发送电极和所述至少一个接收电极在所述位置传感器的感测区域内并且其中所述控制器被配置为基于所述电效应来确定在所述感测区域中的至少一个输入对象的基于位置的属性。
2.根据权利要求1所述的控制器，其中所述截然不同的数字代码是数学上独立的。
3.根据权利要求1所述的控制器，其中所述截然不同的数字代码将所述第一信号定义为在第一时间期间与所述第二信号同相，并且将所述第一信号定义为在第二时间期间与所述第二信号异相。
4.根据权利要求3所述的控制器，其中所述截然不同的数字代码包括Walsh-Hadamard码。
5.根据权利要求1所述的控制器，其中所述截然不同的数字代码包括Gold码、Kasami码、Barker码和伪随机数字代码之一。
6.根据权利要求1所述的控制器，其中所述控制器进一步包括被配置为生成所述截然不同的数字代码中的每个数字代码的代码生成模块。
7.根据权利要求1所述的控制器，其中所述驱动电路被进一步配置为同时利用第三发送电极发送第一信号。
8.根据权利要求1所述的控制器，其中所述控制器被配置为基于所述电效应来调整所述截然不同的数字代码中的至少一个数字代码。
9.根据权利要求1所述的控制器，其中所述驱动电路被配置为通过以下方式中的一种方式来同时利用第一发送电极发送第一信号和利用第二发送电极发送第二信号：
根据所述截然不同的数字代码对载波信号进行幅度调制；
根据所述截然不同的数字代码对载波信号进行频率调制；以及
根据所述截然不同的数字代码对载波信号进行相位调制。
10.根据权利要求1所述的控制器，其中所述驱动电路被进一步配置为将第三发送电极与作为屏蔽的电参考耦合。
11.位置传感器，包括：
布置在第一方向上的多个发送电极；
布置在第二方向上的多个接收电极；其中所述第一方向基本上正交于所述第二方向；以及
耦合到所述多个发送电极和所述多个接收电极的控制器，所述控制器被配置为：
同时利用所述多个发送电极中的第一发送电极发送第一信号和利用所述多个发送电极中的第二发送电极发送第二信号，其中第一和第二信号是基于截然不同的数字代码的截然不同的信号；
利用所述多个接收电极中的至少一个接收电极接收与所述第一和第二信号相关联的电效应；以及
基于所述电效应来确定至少一个输入对象的基于位置的属性。
12.根据权利要求11所述的位置传感器，其中所述控制器被进一步配置为至少确定半帧(partial image)。
13.根据权利要求11所述的位置传感器，其中使用所述电效应来确定所述至少一个输入对象的所述基于位置的属性包括：
通过基于所述电效应确定第一测量和第二测量来基于所述电效应确定所述至少一个输入对象的所述基于位置的属性，其中所述第一测量反映所述第一发送电极和所述至少一个接收电极之间的电容的变化，并且其中所述第二测量反映所述第二发送电极和所述至少一个接收电极之间的电容的变化。
14.根据权利要求11所述的位置传感器，其中所述截然不同的数字代码是数学上独立的。
15.根据权利要求11所述的位置传感器，其中所述截然不同的数字代码将所述第一信号定义为在第一时间期间与所述第二信号同相，并且将所述第一信号定义为在第二时间期间与所述第二信号异相。
16.根据权利要求15所述的位置传感器，其中所述截然不同的数字代码包括Walsh-Hadamard码。
17.利用位置传感器进行电容性感测的方法，所述方法包括：
同时利用第一发送电极发送第一信号和利用第二发送电极发送第二信号，其中第一和第二信号是基于截然不同的数字代码的截然不同的信号；
利用至少一个接收电极接收电效应，其中所述电效应与所述第一和第二信号相关联，其中所述第一发送电极、所述第二发送电极和所述至少一个接收电极在所述位置传感器的感测区域内；以及
基于所述电效应来确定在所述感测区域中的至少一个输入对象的基于位置的属性。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述截然不同的数字代码是数学上独立的。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述方法进一步包括同时利用第三发送电极发送第一信号。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述方法进一步包括通过基于所述电效应确定第一测量和第二测量来基于所述电效应确定所述至少一个输入对象的所述基于位置的属性，其中所述第一测量反映所述第一发送电极和所述至少一个接收电极之间的电容的变化，并且其中所述第二测量反映所述第二发送电极和所述至少一个接收电极之间的电容的变化。
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