CN102906679B - 高速低功率多点触摸装置及其控制器 - Google Patents

Abstract

一种触敏装置包括触摸面板、驱动单元、感测单元和测量单元。对所述面板的节点施加的触摸改变所述触摸面板的两个电极（驱动电极和感测电极）之间的电容耦合。所述驱动单元将可包括一个或多个驱动脉冲的驱动信号传送至所述驱动电极。所述感测单元耦接到所述感测电极，并且产生响应信号，所述响应信号用于将电荷累积在电荷累积器中，以提供累积信号。所述累积信号响应于所述电极之间的所述电容耦合，并且经测量以在所述节点处提供对触摸的指示。

Description

高速低功率多点触摸装置及其控制器

相关专利申请的交叉引用

本申请要求于2010年5月25日提交的美国临时专利申请号61/348173的优先权，该美国临时专利申请的公开内容全文以引证方式并入本申请。

相关专利申请的交叉引用

本申请涉及于2009年5月29日提交的美国专利申请号61/182366，“HighSpeedMulti-TouchDeviceandControllerTherefor（高速多触摸装置及其控制器）”；和于2009年8月5日提交的美国专利申请号61/231471，“HighSpeedMulti-TouchDeviceandControllerTherefor（高速多触摸装置及其控制器）”；以及于2010年1月5日提交的美国专利申请号12/652,343，“HighSpeedNoiseTolerantMulti-TouchTouchDeviceandControllerTherefor（高速耐噪音多点触摸装置及其控制器）”。

技术领域

本发明总体上涉及触敏装置，尤其涉及依赖于用户的手指或其他触摸器具与触摸装置之间的电容耦合的那些，其尤其应用于能够检测同时施加于触摸装置的不同部分处的多次触摸的此类装置。

背景技术

触敏装置通过减少或消除对机械按钮、小键盘、键盘和指示装置的需求，而允许用户方便地与电子系统和显示器进行交互。例如，用户只需要在由图标标识的位置触摸即显触摸屏，即可执行一系列复杂的指令。

有若干类型的技术用于实现触敏装置，包括（例如）电阻、红外、电容、表面声波、电磁、近场成像等。人们已经发现电容式触敏装置在大量应用中有很好的效果。在许多触敏装置中，当传感器内的导电物体电容耦接至导电性触摸工具（例如用户的手指）时，感测输入。一般来讲，只要两个导电构件彼此靠近但未实际接触，这两者之间便会形成电容。就电容式触敏装置而言，手指之类的物体接近触敏表面时，该物体与靠近该物体的感测点之间会形成微小的电容。通过检测每个感测点处电容的变化并记录感测点的位置，感测电路就能识别多个物体并确定当物体在整个触摸表面上移动时物体的特性。

用于以电容方式测量触摸情况的已知技术有两种。第一种是测量对地电容，其中信号施加到电极上。靠近电极的触摸导致信号电流从电极经过手指之类的物体流到电气接地。

用于以电容方式测量触摸情况的第二种技术是通过互电容。互电容式触摸屏将信号施加至受驱动电极上，该电极通过电场而电容耦接至接收电极。靠近的物体会减小两个电极之间的信号耦合，因为该物体会减小电容耦合。

在第二种技术的背景下，各个其他技术已用于测量电极之间的互电容。在这样一种技术中，连接至接收电极的电容器用于累积与驱动信号的多个脉冲相关的多个电荷。因此，驱动信号的每个脉冲只贡献建立在此“积分电容器”上的总电压的一小部分。参考美国专利6,452,514（Philipp）。

发明内容

本申请特别公开了能够检测同时或以重叠时间施加至触摸装置的不同部分处的多次触摸的触敏装置。此外，与包括需要多个电源的操作放大器的电路相比，触摸装置可消耗少量功率。为此，假设合适的脉冲形状用于驱动信号，则在一项实施例中微分电路耦接到接收电极，以使得为每个接收电极产生驱动信号的微分化表示（称为响应信号）。在一项示例性实施例中，每个微分电路可包括单个电阻电容（RC）电路。随后使用基于晶体管的放大器放大驱动信号的微分化表示，经放大的信号随后用于在电荷累积器中建立信号，所述信号在一个或多个驱动循环之后被采样。这样，来自电荷累积器的累积信号的测量值是给定节点处的电容耦合的替代，并且此电容耦合的变化可表征手指或其他物体靠近所述给定节点（例如，对触摸屏的触摸）。在一项实施例中，晶体管放大器是电压-电流放大器，其中输入第一晶体管配置为放大此输入，以及第二晶体管配置成电源输出以对电荷累积器进行充电，所述电荷累积器在一些情况下可能就是电容器。也可使用其他已知的基于晶体管的放大电路设计，但在示例性实施例中，晶体管放大器不使用反馈，而是运行开环。在一些情况下，电路可提供输出，所述输出以某形式至少包括驱动信号对时间的导数的近似值，所述驱动信号可提供为对晶体管放大器的响应信号。晶体管放大器可经偏置，以相较于依靠一个或多个操作放大器装置进行操作的某些放大器而大大降低电路的功率消耗。

响应信号的特性振幅（诸如，峰值振幅或平均振幅）表征所采样的驱动电极与接收电极之间的电容耦合。与特定驱动电极和接收电极相对应的节点处的触摸具有减小电容耦合及减小特性振幅的作用。此振幅的减小可在驱动信号的若干脉冲上进行测量，但在一项实施例中甚至可只用驱动信号的单个脉冲进行测量。由于每个列电极具有平行接收电路，所以对触摸装置在列电极的不同部分处的同时或重叠发生的多次触摸迟早可用这种方式检测到。如果需要减少噪音，那么可能有利的是对每个驱动/接收电极对（即，节点）运用驱动信号的多个脉冲。

本申请还公开了包括触摸面板、驱动单元、感测单元和测量单元的触敏设备。该面板可包括触摸表面以及界定电极矩阵的多个电极，所述多个电极包括多个驱动电极和多个接收电极。每个驱动电极均在矩阵的各个节点处电容耦接至每个接收电极。所述面板配置成使得靠近这些节点中的一个给定节点的触摸表面上的触摸可改变与给定节点相关的驱动电极与接收电极之间的耦合电容。驱动单元又配置为产生驱动信号且（例如）通过多路复用器而将该驱动信号逐一地传送至驱动电极。该驱动信号可为或包括仅一个单独驱动脉冲，或其可包括多个或一系列此类驱动脉冲。该感测单元可配置为针对传送至每个驱动电极的每个驱动信号，为电容耦合到此驱动电极的多个接收电极产生响应信号，在一项实施例中每个响应信号包括驱动信号的微分化表示。这些响应信号中每个响应信号的振幅取决于相关节点处的耦合电容。优选运用电荷累积器来累积与每个响应信号相关的电荷，以提供累积信号，该累积信号的电压电平或其他量值也响应于电极矩阵的相关节点处的耦合电容。最后，测量单元优选配置为测量每个节点的累积信号，并且据此确定时间上重叠的多次触摸（如果在触摸表面上存在）的位置。

可调整或选择用于驱动信号中的（多个）驱动脉冲的形状，以便向响应信号提供所需的波形。例如，如果矩形用于驱动脉冲，则由感测单元产生的响应信号通常包括一对极性相反的冲击脉冲，此对冲击脉冲的峰值振幅可用峰值检测器和任选的采样/保持缓冲器来分离。或者，如果选择斜坡形驱动脉冲，那么响应信号通常包括名义上为矩形的脉冲形状，即，它包括布置在两个较陡的高至低过渡之间的较恒定的振幅平稳段。此矩形的响应信号允许去除某些电路元件，并且总体简化触摸装置。

在一些情况下，晶体管放大器可以是单极的。例如，晶体管放大器可耦接到正电源（+Vcc）并且耦接到地线，但不耦接到负电源（-Vcc）。类似地，晶体管放大器可耦接到负电源（-Vcc）并且耦接到地线，但不耦接到正电源（+Vcc）。晶体管放大器可包括第一和第二晶体管，并且在一些情况下，它可能不包括其他晶体管。每个晶体管可包括基极、集电极和发射极。一个晶体管可以是NPN类型的晶体管，而另一个可以是PNP类型的晶体管。第一晶体管的集电极可耦接到第二晶体管的基极。电荷累积器可连接在第一晶体管的发射极与第二晶体管的集电极之间。

感测单元可包括参考电路，并且所述参考电路可连接在驱动单元与晶体管放大器之间。参考电路可产生响应信号，所述响应信号可以是驱动信号的微分化表示，每个响应信号的微分基于与响应信号相关的节点的耦合电容。参考电路可包括电阻，每个节点的耦合电容通过所述电阻而放电。晶体管放大器的第一晶体管的基极可耦接到参考电路。参考电路可适于偏置第一晶体管的基极。参考电路可以是单极的，并且晶体管放大器也可以是单极的。

所公开的设备也可包括复位电路，所述复位电路配置成使电荷累积器复位。所述设备的测量单元可将来自电荷累积器的每个累积信号转换为数字表示，以表征电极矩阵的相关节点处的触摸或近触摸。

本文还讨论了相关方法、系统和制品。

本专利申请的这些方面和其他方面通过下文的具体描述将显而易见。然而，在任何情况下都不应将上述发明内容理解为是对要求保护的主题的限制，该主题仅由所附权利要求书限定，并且在审查期间可以进行修改。

附图说明

图1为触摸装置的示意图；

图2为用于触摸装置中的触摸面板的一部分的示意性侧视图；

图3为触摸装置的示意图，其中相关的驱动电路和检测电路在一个驱动电极以及与其电容耦合的一个接收电极的背景下示出；

图4为用于图3的触摸装置的驱动信号和相应（模型化）响应信号的坐标图，其中驱动信号包括矩形脉冲且响应信号包括冲击脉冲；以及，

图5为触摸装置的示意图，该触摸装置包括具有电容耦合电极的4×8矩阵的触摸面板，以及可用于检测触摸面板上的多次同时触摸的各种电路部件。

在这些附图中，相同参考标号指代类似元件。

具体实施方式

在图1中，示出了一种示例性触摸装置110。该装置110包括连接至电子电路的触摸面板112，为了简便起见，将该电子电路一起集合成标记为114且统称为控制器的单个示意框。

所示的触摸面板112具有列电极116a-e和行电极118a-e的5×5矩阵，但还可使用其他数量的电极和其他矩阵尺寸。面板112通常是大致透明的，以使得用户能够透过面板112来观察物体，诸如计算机、手持装置、移动电话或其他外围设备的像素化显示器。边界120表示面板112的观察区域且还优选地表示此显示器（如果使用）的观察区域。从平面图的视角看，电极116a-e、118a-e在观察区域120上为空间分布。为了易于说明，这些电极被示出为较宽且显眼，但实际上电极可较窄且用户不易察觉。此外，这些电极可设计为在矩阵的节点附近处具有可变的宽度，如以菱形垫或其他形状的垫形式增加的宽度，以便增大电极之间的边缘场，从而增强触摸对于电极间电容式耦合的效果。在示例性实施例中，电极可由铟锡氧化物(ITO)或其他合适的导电材料构成。从深度的角度，列电极可位于与行电极不同的平面内（从图1的角度，列电极116a-e位于行电极118a-e的下面），以使得列电极与行电极之间不进行显著的欧姆接触，并且使得给定列电极与给定行电极之间的唯一显著的电耦合为电容耦合。在其他实施例中，行电极和离散的列电极部件可布置在相同的基底上，在相同的层中，然后桥接跳线电极配置为连接离散的列电极部件（通过电介质而与列电极形成间隔），从而使用基本上单层结构而形成x电极和y电极。电极矩阵通常位于防护玻璃、塑料薄膜等的下面，使得电极受到保护而不与用户的手指或其他触摸相关工具发生直接物理接触。此类防护玻璃、薄膜等的暴露表面可被称为触摸表面。另外，在显示型应用中，背屏蔽件可设置在显示器与触摸面板112之间。此背屏蔽件通常由玻璃或薄膜上的导电ITO涂层组成，并且可接地或由降低从外部电干扰源到触摸面板112中的信号耦合的波形来驱动。其他背屏蔽方法在本领域中是已知的。通常，背屏蔽件减少由触摸面板112感测的噪音，这在一些实施例中可提供改善的触摸灵敏度（例如，能够感测较轻的触摸）和更快的响应时间。当来自（例如）LCD显示器的噪音强度随距离而快速降低时，有时结合其他噪音降低方法（包括使触摸面板112与显示器隔开）来使用背屏蔽件。除这些技术之外，以下参考各种实施例来讨论处理噪音问题的其他方法。

在给定的行电极与列电极之间的电容耦合主要取决于电极彼此最靠近的区域中的电极的几何形状。此类区域对应电极矩阵的“节点”，图1中标出了其中的一些节点。例如，列电极116a与行电极118d之间的电容耦合主要发生在节点122处，并且列电极116b与行电极118e之间的电容耦合主要发生在节点124处。图1的5×5矩阵具有25个此类节点，这些节点中的任一者均可由控制器114经由适当选择将各个列电极116a-e单独地耦接到该控制器的控制线126中的一者以及适当选择将各个行电极118a-e单独地耦接到该控制器的控制线128中的一者来寻址。

当用户的手指130或其他触摸工具接触或近接触装置110的触摸表面时，如触摸位置131处所示，该手指电容耦接至电极矩阵。该手指电容耦接至矩阵，并且使电荷离开矩阵，尤其是从最靠近触摸位置的那些电极，并且这样的话，它改变了对应于最接近节点的电极之间的耦合电容。例如，触摸位置131处的触摸最靠近对应于电极116c/118b的节点。如以下进一步所述，耦合电容的这种变化可由控制器114检测且被解释为116a/118b节点处或附近的触摸。优选地，控制器配置为快速检测矩阵所有节点的电容变化（如果有的话），并且能够分析相邻节点的电容变化大小，从而通过内插法准确确定节点之间的触摸位置。此外，控制器114有利地被设计为检测同时或以重叠时间施加至触摸装置的不同部分处的多次不同触摸。因此，例如，如果在手指130触摸的同时，另一个手指132在触摸位置133处触摸装置110的触摸表面，或者如果各次触摸至少在时间上重叠，则控制器优选地能够检测这两次触摸的位置131、133，并且在触摸输出114a上提供此类位置。控制器114能够检测的同时发生的或时间上重叠的不同触摸的次数优选地不限于2，例如，它可以为3、4或更多，取决于电极矩阵的大小。

如以下进一步所述，控制器114优选地采用使其能够快速确定电极矩阵的某些或所有节点处的耦合电容的各种电路模块和组件。例如，控制器优选包括至少一个信号发生器或驱动单元。驱动单元将驱动信号传送至一组电极，该组电极被称为驱动电极。在图1的实施例中，列电极116a-e可用作驱动电极，或者可如此使用行电极118a-e。驱动信号可用各种方法传送至电极，例如，从第一到最后一个驱动电极在扫描序列中每次一个驱动电极。当此类电极中的每一个被驱动时，控制器监测被称为接收电极的另一组电极。控制器114可以包括耦接到所有接收电极的一个或多个感测单元。对于传送至每个驱动电极的每个驱动信号，（多个）感测单元为多个接收电极产生响应信号。在一项实施例中设计了（多个）感测单元，使得每个响应信号包括驱动信号的微分化表示。例如，如果驱动信号由可将电压表示为时间函数的函数F(t)来表示，则响应信号可为或包括至少近似的函数g(t)，其中g(t)=df(t)/dt。换句话讲，g(t)为驱动信号f(t)对时间的导数。根据用于控制器114中的电路的设计细节，响应信号可包括：(1)仅仅g(t)；或(2)具有恒定偏移的g(t)(g(t)+a)；或(3)具有乘法比列因数的g(t)(b*g(t))，所述比例因数可为正或负，并且其大小可大于1，或小于1但大于0；或(4)其组合，等。在任何情况下，响应信号的振幅与所驱动的驱动电极与所监测的特定接收电极之间的耦合电容有利地相关。当然，g(t)的振幅也与原函数f(t)的振幅成比例。应注意，如果需要的话，可仅使用驱动信号的单个脉冲来确定给定节点的g(t)的振幅。在其他实施例中，响应信号未微分。例如，在以下进一步讨论的图3的电路中，R1和C_c的值可足够大，并且/或者驱动信号的调制速度可足够快，使得与R1和C_c相关的RC时间常数远远慢于驱动信号的过渡，在这种情况下，响应信号不能完全表示驱动信号的时间导数，即使响应信号将仍然是R1和C_c的函数。

控制器也可包括从一系列响应信号输入中累积电荷的电路。为此，示例性电路装置可包括一个或多个电荷累积器326a，例如，一个或多个电容器，所述电荷累积器的选择可根据驱动信号和相应的响应信号的性质。每个脉冲产生一定量的电荷累积并且每个另外的脉冲逐次添加更多。控制器也可包括一个或多个模数转换器（ADC），以将累积信号的模拟振幅转换成数字形式。一个或多个多路复用器还可用于避免电路元件的不必要重复。当然，控制器中还优选地包括储存所测量振幅和相关参数的一个或多个存储设备，以及进行必要的计算和控制功能的微处理器。

通过对与给定测量循环相关的一个或多个脉冲，测量与电极矩阵中每个节点的响应信号相关的累积的电荷的电压，控制器可产生与电极矩阵的每个节点的耦合电容相关的测量值的矩阵。这些测量值可与此前获得的参考值的类似矩阵比较，以便确定由于存在触摸而已发生耦合电容变化的节点（如果有的话）。

现转到图2，我们从中可看到用于触摸装置中的触摸面板210的一部分的示意性侧视图。该面板210包括前层212、包括第一组电极的第一电极层214、绝缘层216、包括优选地正交于第一组电极的第二组电极218a-e的第二电极层218以及后层220。层212的暴露表面212a或层220的暴露表面220a可为或包括触摸面板210的触摸表面。

图3示出触摸装置370，其中相关的控制器电路（诸如，驱动电路和检测电路）在触摸面板312的背景下示出，该触摸面板312具有一个驱动电极314以及一个经由耦合电容C_c与其电容耦合的接收电极316。阅读者应了解这是触摸面板的一般化情况，其中驱动电极314可为多个驱动电极中的一者，并且接收电极316同样地可为多个接收电极中的一者，它们在触摸面板上布置成矩阵形式。

其实，在能够与本文所述的触摸测量技术中的至少某些一起使用的所关注的一个具体实施例中，触摸面板可包括40×64（40行，64列）矩阵装置，其具有纵横比为16:10的19英寸对角矩形观察区域。在这种情况下，电极的均匀间隔可为约0.25英寸。由于该实施例的尺寸，电极可具有与其相关的显著的杂散阻抗，例如行电极的电阻为40KΩ且列电极的电阻为64KΩ。对于良好的人为因素触摸响应而言，如果需要，可使测量矩阵的所有2,560(40*64=2560)个节点处的耦合电容的响应时间较快，例如小于20毫秒或甚至小于10毫秒。如果将行电极用作驱动电极且将列电极用作接收电极，并且如果同时对所有列电极进行采样，则有（例如）20msec（或10msec）以供按顺序扫描40行电极，每个行电极（驱动电极）的时间预算为0.5msec（或0.25msec）。

以其电气特性（呈集总电路元件模型的形式）而非以其物理特性来描述的图3a的驱动电极314和接收电极316表示可存在于具有小于40×64矩阵的触摸装置中的电极，但这不应视为限制性的。在图3的此代表性实施例中，集总电路模型中所示的串联电阻R均可具有10KΩ的值，并且集总电路模型中所示的杂散电容C均可具有20皮法（pf）的值，但当然这些值无论如何不应视为限制性的。在此代表性实施例中，耦合电容C_c名义上为2pf，并且用户的手指318在电极314、316之间的节点处的触摸的存在导致耦合电容C_c下降约25%至约1.5pf的值。再次地，这些值不应视为限制性的。

根据先前所述的控制器，触摸装置370使用特定的电路来询问面板312，以便确定面板312的每个节点处的耦合电容C_c。在这点上，读者将理解控制器可通过确定表征或响应于耦合电容的参数值（例如，累积的电荷）来确定耦合电容，如上所述且如以下进一步所述。为此，装置370优选包括：低阻抗驱动单元320，其耦接到驱动电极314；感测单元369，其耦接到接收电极316，所述感测单元取决于耦合电容而产生响应信号（在一些实施例中，响应信号可完全表示驱动信号的时间导数）并且使用晶体管放大器372等开环晶体管放大器来放大响应信号；电荷累积器326a，其耦接到感测单元369，所述电荷累积器适于根据响应信号而累积电荷，从而为每个节点提供累积信号，所述累积信号与驱动信号的一个或多个脉冲相关并且其具有的振幅、量值、电荷或电压响应于对应响应信号的节点的耦合电容；以及模数转换器（ADC）单元324，所述模数转换器单元将由感测单元322产生的响应信号所产生的累积的电荷转换成数字形式。根据由驱动单元320供应的驱动信号的性质，（并且因此也根据由感测单元322产生的响应信号的性质），电荷累积器电路326a也可用作采样/保持缓冲器，并且还可包括相关的复位电路326b，所述复位电路可操作地使电荷累积器326a复位。在大多数实际应用中，装置370也包括多路复用器，所述多路复用器在信号发生器320与触摸面板312之间，从而能够在给定的时间对多个驱动电极的任何一个寻址，以及在ADC单元324之前的多路复用器，以允许单个ADC单元对与多个接收电极相关的振幅进行采样，从而避免每个接收电极需要一个ADC单元的费用。

驱动单元320优选为或包括电压源，所述电压源具有优选为足够低的内阻抗以保持好的信号完整性，减少注入式噪音，和/或保持快速的信号升降时间。驱动单元320在其输出处向驱动电极314提供时变驱动信号。该驱动信号基本上可由单个孤立脉冲组成，或其可包括多个此类脉冲或形成连续的AC波形或波形包（诸如正弦波、方波、三角波等等）的一系列脉冲。就这一点而言，术语“脉冲”广义上用来指不同的信号变化且不限于具有短持续时间和高振幅的矩形。如果希望快速检测触摸面板上的（多次）触摸，则驱动信号优选地仅包括获得给定节点处的耦合电容的可靠测量值所需的最小数量的脉冲。这对具有大电极矩阵（即，大量待感测的节点）的触摸面板而言尤为重要。（多个）驱动脉冲的峰值或最大振幅优选地较高（例如，3至20伏特），以提供良好的信噪比。虽然在图3中示出了来自仅一端的驱动电极314，但在一些实施例中，驱动单元320可配置为驱动来自其两端的电极314。例如，这在电极314具有高电阻时（从而增强驱动信号衰减性和对噪音污染的敏感性）可能有用，其可存在于基于ITO的大矩阵型触摸传感器上。

阅读者应记住驱动单元320的输出处提供的驱动信号与传送至特定驱动电极314的驱动信号之间可存在差异。当（例如）多路复用器或其他开关装置设置在驱动单元320和触摸面板312之间以便将驱动单元（例如）逐一地选择性地耦接到多个驱动电极时，该差异变得重要。在此情况下，驱动单元320在其输出处可具有连续的AC波形，诸如方波、三角波等，然而凭借多路复用器的开关动作，可将此波形的仅一个脉冲或仅几个脉冲一次传送至任何给定驱动电极。例如，可将连续的AC波形的一个脉冲传送至第一驱动电极，可将该AC波形的下一个脉冲传送至下一个驱动电极，依此类推直至已驱动所有驱动电极，于是将该AC波形的下一个脉冲再次传送至第一驱动电极，依此类推，重复循环。

如在本文其他地方所述，用于驱动信号中的脉冲的形状可影响将用于该装置中的检测/测量电子器件的选择。可用的脉冲形状的例子包括矩形脉冲、斜坡式脉冲（对称或非对称）以及正弦波（例如钟形）脉冲。

如果需要，驱动单元320可程序化以在不同时间提供不同脉冲。例如，如果该驱动单元通过多路复用器而耦接到多个驱动电极，则该驱动单元可经程序化以向不同驱动电极提供不同信号电平，从而补偿线路电阻和杂散电容中的电极间变化。例如，布置在通过接收电极需要长导电长度的位置处的驱动电极有利地用比布置在需要较短导电长度的位置处的驱动电极更大振幅的驱动信号来进行驱动，从而补偿与接收电极相关的损失。（例如，参考图1的电极矩阵，如果行电极118a-e是驱动电极，那么电极118a上的驱动信号通过比电极118e上的驱动信号更长的接收电极116a-e而进行耦合，因为在靠近电极118e处放置了控制线路126。以这种方式向不同驱动电极提供不同驱动信号电平尤其有利于大电极矩阵，因为未因触摸屏内的损失而程序化大量检测电路（对应于接收电极的数量），而是以选定量来调整仅一个驱动信号，并且以不同量（视情况而定）来调整传送至不同驱动电极的驱动信号。

向驱动电极314提供的驱动信号经由耦合电容C_c而电容耦接至接收电极316，该接收电极又连接至感测单元369。因此，感测单元369在其输入372a处接收驱动信号（如由电极314、316和耦合电容C_c传输的），并由此在输出379处产生响应信号。在一项实施例中，感测单元经设计使得响应信号包括驱动信号的微分化表示，所述驱动信号的振幅响应于耦合电容C_c。即，在一些实施例中由感测单元产生的响应信号以某形式至少包括驱动信号对时间的导数的近似值。例如，响应信号可包括驱动信号或某类信号形式的时间导数，所述信号形式被倒置、放大（包括小于1的放大）、转换成电流、在电压或振幅上偏移，和/或在时间上偏移等。为了重复先前的讨论，如果传送至驱动电极的驱动信号由函数f(t)来表示，则响应信号可为或包括至少近似的函数g(t)，其中g(t)=df(t)/dt.然而，在其他实施例中，响应信号未微分。例如，如上所述，R1和C_c的值（在装置370中）可足够大，和/或驱动信号的调制速度可足够快，使得与R1以及C_c相关的RC时间常数远远慢于驱动信号的过渡，在这种情况下，响应信号不能完全表示驱动信号的时间导数，即使响应信号将仍然是R1以及C_c的函数。或者，R1和C_c的值可足够小，和/或驱动信号的调制速度可足够慢，使得与R1以及C_c相关的RC时间常数约为或快于驱动信号的过渡，在这种情况下，响应信号可完全表示驱动信号的时间导数。经微分的信号可有利地向晶体管放大器提供短脉冲、最小化噪音耦合，并且为电荷累积器提供快速的响应时间。

图3中示出了执行此功能的示例性电路。图3描绘了触摸装置370，所述触摸装置使用基于晶体管的放大器电路372来对电容器C1进行充电，这通过ADC单元324来采样，以确定表征触摸的Cc处的电容耦合。晶体管放大器电路372包括两个晶体管，如所示的Q2和Q1其中Q2是NPN类型的晶体管以及Q1是PNP类型的电阻器，尽管也可考虑其他构造。在图中标记了每个晶体管的基极（B）、发射极（E）、以及集电极（C）。装置370中经微分的信号由电容器Cc和终端电阻器R1产生，所描绘的实施例中的电阻器R1被包含为公共参考电路373的一部分。参考电路373，其还包括通常大于R1的上拉电阻器R2，可配置为产生参考电压，以根据需要来偏置晶体管Q2例如，晶体管Q2可被偏置一个基本上等于其阈值电压的量，使其“正好开启”。终端电阻器R1可经选择以最大化微分的信号电平，同时使信号失真保持较低。在一项实施例中，公共的参考电路373配置为产生0.7V偏压。在其他构造中，它可调整为0V，这样可在传感器中减少或消除由传感器中的DC电压偏移导致的银迁移问题。在前面的情况下，晶体管放大器372的输入（点372a）保持在0.7V并且在那个点处观察来自Cc的小微分信号。

除了晶体管Q1和Q2之外，晶体管放大器还可包括所示的电阻器R3、R4以及R5，以提供合适量的放大和其他相关的电路特性。晶体管放大器372放大在点372a处出现的微分信号，随后用于电荷累积器326a中的电荷电容器C1。相比于发生在没有手指318的情况，靠近电容器Cc的手指318将在由驱动单元320提供的许多驱动波形（例如脉冲）上，导致在电容器C1中累积较少电荷。在来自驱动单元320的一个或多个脉冲之后，电容器C1上的电荷（例如，电容器C1上的电压）被采样并且由ADC324转换成数字值。在采样之后，在随后的测量循环之前，电荷累积器326a的电容器C1由复位电路326b复位。

开环晶体管放大器372放大在点372a处出现的信号，并且没有反馈环（因此，是开的），这不同于利用操作放大器的典型放大器电路。在电流放大器之前，晶体管放大器372中所示的两个双极的晶体管配置成倒置的增益级，以对电容器C1进行充电。该电路也可配置成场效应晶体管（FET）放大器对。晶体管放大器372具有约100uA的偏置电流，因为晶体管通常由参考电路373偏置，并且只在驱动脉冲出现在感测单元的输入端处时响应。注意在一些构造中，包括关于装置370所示的那些，该电路只需要正的操作电压+Vcc，相较于操作放大器包括正和负电源的构造，这只需要较低的总功率。因此，感测单元369、参考电路373和/或晶体管放大器电路372可有利地配置成单极的电路。

在接收电极316为多个接收电极中的一者的实施例中，可能有利的是包括用于每个接收电极的专用感测单元369。此外，可能有利的是向不同感测单元提供不同的放大量（例如，晶体管放大器372中那些电阻器的不同电阻器值）以补偿触摸屏内针对不同驱动电极的不同信号损失。例如，布置在通过驱动电极需要长导电长度的位置处的接收电极有利地具备比布置在需要较短导电长度的位置处的接收电极更大的振幅，从而补偿与驱动电极相关的损失。（例如，参考图1的电极矩阵，如果行电极116a-e是接收电极，那么从电极116a接收的信号通过比从电极116e接收的信号更长的驱动电极118a-e而进行耦合，因为在靠近电极116e处放置了控制线路128。以这种方式向不同接收电极提供不同的放大量尤其有利于大电极矩阵，因为这可减少因触摸屏内的损失而程序化大量检测电路（对应于接收电极的数量）的需要。

如先前所述，ADC324优选提供为将与响应信号的一个或多个脉冲相关的累积的电荷转换成数字形式，在一项实施例中是通过对其电压采样，以用于微处理器等数字部件进行进一步处理。ADC可具有任何合适的设计，例如其可包括高速逐次逼近寄存器(SAR)和/或Σ-Δ型转换器。

关于给定节点的累积的电荷值的进一步处理，累积的电荷值或电压值可储存在存储寄存器中。如果需要，（例如）为了降低噪音目的，可储存并平均化与该给定节点相关的多个此类值。此外，优选地将所测量振幅值与先前采样的（参考）值进行比较，以便确定耦合电容是否已减小，即所述给定节点处是否存在一定量的触摸。此比较可涉及（例如）从参考值减去测量值。参考值可包括正常范围内的所有先前值的平均数。给定其他环境因素的温度变化，该平均数因此将提供对传感器特性中任何长期变化的校正。在涉及含有许多节点的大触摸矩阵的实施例中，所有节点的测量值都可储存在存储器中，并且单独地与各个参考值进行比较，从而为每个节点确定Cc中的变化（阈值上的变化表征靠近节点的触摸）。通过分析比较数据，如果在触摸表面上存在时间上重叠的多次触摸，则可确定时间上重叠的多次触摸的位置。能够检测的时间上重叠的触摸的次数可仅受触摸面板中的电极栅的尺寸以及驱动/检测电路的速率限制。在示例性实施例中，对邻近节点所检测的差异进行内插，以便准确确定位于节点之间的触摸位置。

现转向图4，可看到由图3中所描绘类型的感测单元产生的特定驱动信号和相应的响应信号以及累积在电荷累积器326a上的所得信号的电压比时间图。为了该模型的目的，假定驱动电极、接收电极以及耦合电容（包括其上的触摸效应，即电容从2.0pf减至1.5pf）的电子特性为如以上结合图3的代表性实施例所述。驱动信号850a和850b描绘为方波，含有一系列的三矩形脉冲，此后在电荷累积器326a上进行测量，然后电荷累积器电路被复位。对于装置370，在此处所示的实施例中的测量循环包含逐次施加到每个驱动电极的三矩形脉冲。响应信号855a是在没有触摸的情况下在点379处的该（模型化）微分的响应，以及响应信号855b是一样的，但存在触摸。样本输出860a和860b示出了电荷累积器326a中的电容器C1的（模型化）所得的三迭代歩充电，分别是在没有触摸和有触摸状态。如图所示，在存在触摸的情况下，响应信号855b在电容器C1上产生较少电荷累积。

除了方波之外的其他波形也可用作驱动信号。例如，斜坡式输入将在855a和855b处提供阶跃函数。只要斜坡式输入可用，阶跃电压就将保持为常数。在这样的实施例中，可消除电流放大器级，并且输出电压可由ADC直接测量。在这样的实施例中，输入放大器增益将调整为与ADC的模型范围相称。如果该信号的斜坡时间较短，那么可添加采样和保持电路以保持电压，直到所有的接收线路被采样。斜坡式驱动信号可能更易受噪音的影响，但可能需要更少的脉冲（可能一个脉冲）。

非方波驱动信号的另一实例是正弦波形。这样的电路将产生类似于方波的接收信号，除了正弦波的峰将出现在正弦波循环的中间，并且更柔和，从而使其可能易受噪音的影响。每测量循环三正弦波将允许电荷在电荷累积器上累积。

图5为触摸装置710的示意图，该触摸装置包括具有电容耦合电极的4×8矩阵的触摸面板712，以及可用于检测触摸面板上的多次同时触摸的各种电路元件。该电极矩阵包括由平行驱动电极a、b、c和d组成的上电极阵列。还包括由平行接收电极E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7和E8组成的下阵列。上电极阵列和下电极阵列被布置为彼此正交。对于该矩阵的各种节点，将每对正交电极之间的电容耦合（以上称为给定节点的耦合电容C_c）标记为C1a、C2a、C3a、C4a、C1b、C2b和C3b等直至C8d（如所示），在非触摸状态下这些电容耦合的值均可近似相等，但其在施加触摸时减小，如前所述。图中还描绘了各种接收电极与接地（C1-C8）之间以及各种驱动电极与接地（a’至d’）之间的电容。

该矩阵的32个节点，即互电容或与之相关的耦合电容，由关于图3a所描述的电路进行监测：驱动单元714；多路复用器716；感测单元S1-S8；电荷累积器P1-P8，其也可作为采样/保持缓冲器；多路复用器718；以及ADC720；和控制器722，它们都如所示用合适的传导迹线或电线进行连接（除了控制器722与各个电荷累积器P1-P7之间的连接为了说明的方便而从图中省略）。

在操作中，控制器722使驱动单元714产生包括一个或多个驱动脉冲的驱动信号，驱动脉冲通过操作多路复用器716而传送至驱动电极a。驱动信号经由接收电极E1-E8与驱动电极a的各个互电容而耦接至各接收电极E1-E8。耦合信号使感测单元S1-S8同时或大体上同时产生各接收电极的响应信号。因此，在操作装置710的此时间点，传送至驱动电极a的驱动信号（其可包括（例如）最多5个、4个、3个或2个驱动脉冲，或可仅有一个驱动脉冲）同时使感测单元S1产生其振幅指示节点E1/a的耦合电容C1a的响应信号，使感测单元S2产生其振幅指示节点E2/a的耦合电容C2a的响应信号等，以此类推，其他感测单元S3-S8对应于节点E3/a至E8/a。如果响应信号具有高瞬态性，则可提供电荷累积器P1-P8来累积与由感测单元S1-S8提供的各个响应信号相关的电荷，并且任选地对其输出处提供给多路复用器718的那些电荷进行采样且保持。或者，如果响应信号具有显著的稳态特性，例如如果其以一个或多个斜坡式脉冲的形式（正如上述信号），则可用低通滤波器和/或峰值检测器来代替电荷累积器，或可简单地省去电荷累积器，使得感测单元的输出直接馈送至多路复用器718中。在任一种情况下，当将特性振幅信号传送至多路复用器718时，控制器722快速循环多路复用器718以使得ADC720首先耦接到电荷累积器P1（如果存在，（例如）或耦接到低通滤波器，或耦接到S1）以测量与节点E1/a相关的特性振幅，然后耦接到电荷累积器P2以测量与节点E2/a相关的特性振幅，以此类推，最后耦接到电荷累积器P8以测量与节点E8/a相关的特性振幅。当测量这些特性振幅时，将这些值储存在控制器722中。如果电荷累积器包括采样/保持缓冲器，则控制器在测量完成后使其复位。

在下一个操作阶段中，控制器722循环多路复用器714以将驱动单元714耦接到驱动电极b，并且使驱动单元产生还包括一个或多个驱动脉冲的另一个驱动信号（此时传送至电极b）。传送至电极b的驱动信号可与此前传送至电极a的驱动信号相同或不同。例如，鉴于与上述触摸面板损失有相关的原因，由于电极b更靠近获得响应信号的感测电极E1-E8的端部（因此损失降低），所以传送至电极b的驱动信号可具有比传送至电极a的驱动信号小的振幅。在任何情况下，传送至电极b的驱动信号同时使感测单元S1产生其振幅指示节点E1/b的耦合电容C1b的响应信号，使感测单元S2产生其振幅指示节点E2/b的耦合电容C2b的响应信号等，以此类推，其他感测单元S3-S8对应于节点E3/b至E8/b。以上结合第一操作阶段所述的电荷累积器P1-P8或采样/保持缓冲器或低通滤波器的存在或不存在在此同样适用。在任何情况下，当将特性振幅信号（例如，响应信号的累积的电荷或平均振幅）传送至多路复用器718时，控制器722快速循环多路复用器718以使得ADC720首先耦接到电荷累积器P1（如果存在，（例如）或耦接到低通滤波器，或耦接到S1）以测量与节点E1/b相关的特性振幅，然后耦接到电荷累积器P2以测量与节点E2/b相关的特性振幅，以此类推，最后耦接到电荷累积器P8以测量与节点E8/b相关的特性振幅。当测量这些特性振幅时，将这些值储存在控制器722中。如果峰值检测器包括采样/保持缓冲器，则控制器在测量完成后使峰值检测器复位。

然后两个以上的操作阶段以类似方式进行，其中将驱动信号传送至电极c且测量和储存与节点E1/c至E8/c相关的特性振幅，然后将驱动信号传送至电极d且测量和储存与节点E1/d至E8/d相关的特性振幅。

此时，已在极短的时帧（例如，在一些情况下为（例如）小于20msec或小于10msec）内测量和储存触摸矩阵的所有节点的特性振幅。然后，控制器722可将这些振幅与各节点的参考振幅比较，以获得各节点的比较值（例如差值）。如果参考振幅表示非触摸状态，则给定节点的零差值指示此节点处“无触摸”发生另一方面，显著的差值表示该节点处的触摸阈值（其可包括部分触摸）。如果相邻节点具有显著的差值，则控制器722可采用内插技术，如上所述。

除非另外指明，否则本说明书和权利要求书中用来表示数量、特性量度等的所有数值都应当理解为由术语“约”修饰。因此，除非有相反的指示，否则说明书和权利要求书中列出的数值参数均为近似值，这些近似值可根据本领域内的技术人员利用本专利申请的教导内容想要获得的所需特性而改变。每一个数值参数并不旨在限制等同原则在权利要求书范围内的应用，至少应该根据所报告的有效位数和通过应用惯常的四舍五入法来解释每一个数值参数。虽然本发明中列出大致范围的数值范围和参数是近似值，但就任何数值都是在本文所述具体实例中列出来说，它们都应在合适的情况下尽可能地精确。然而，任何数值可以适当地包含与测试或测量限制相关的误差。

在不偏离本发明的精神和范围的前提下，对本发明的各种修改和更改对于本领域内的技术人员来说应是显而易见的，而且应该理解本发明不限于本文所列出的示例性实施例。例如，除非另外指明，否则读者应当假设，所公开的一个实施例的特征也可应用于所公开的所有其他实施例。还应理解，本文引用的所有美国专利、专利申请公开案和其他专利和非专利文档通过引用的方式并入，而不与上述公开内容抵触。

Claims (10)

1.一种触敏设备，其包括：

面板，其包括触摸表面以及界定电极矩阵的多个电极，所述多个电极包括多个驱动电极和多个接收电极，每个驱动电极在所述矩阵的相应节点处电容性地耦接至每个接收电极，所述面板配置成使得在所述触摸表面上靠近所述节点中的一个给定节点的触摸，改变与所述给定节点相关的驱动电极与接收电极之间的耦合电容；

驱动单元，其配置为产生驱动信号并且将所述驱动信号传送至所述驱动电极；

感测单元，其包括开环式基于晶体管的放大器，并且配置为响应于所述驱动信号而针对所述多个接收电极产生响应信号，所述响应信号中的每个响应信号的振幅响应于相关节点处的所述耦合电容；

电荷累积器，其适于基于由所述感测单元产生的相应响应信号而为每个节点提供累积信号；以及

测量单元，其配置为测量来自所述电荷累积器的所述累积信号，并且在存在触摸的情况下，通过所述测量来确定所述触摸表面上的多次在时间上重叠的触摸的位置。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述基于晶体管的放大器是单极的。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述基于晶体管的放大器包括第一晶体管和第二晶体管。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述基于晶体管的放大器不包括除了所述第一晶体管和第二晶体管之外的晶体管。

5.根据权利要求3所述的设备，其中所述第一晶体管的集电极耦接到所述第二晶体管的基极。

6.根据权利要求3所述的设备，其中所述电荷累积器耦接在所述第一晶体管的发射极与所述第二晶体管的集电极之间。

7.根据权利要求1所述的设备，其中所述感测单元进一步包括参考电路，所述参考电路耦接在所述驱动单元与所述基于晶体管的放大器之间。

8.根据权利要求7所述的设备，其中所述参考电路产生所述响应信号，并且所述响应信号是所述驱动信号的微分化表示，每个响应信号的区别是基于与所述响应信号相关的所述节点的所述耦合电容。

9.根据权利要求7所述的设备，其中所述参考电路包括电阻，所述耦合电容通过所述电阻放电。

10.根据权利要求7所述的设备，其中所述基于晶体管的放大器包括第一晶体管和第二晶体管，并且其中所述第一晶体管的基极耦接到所述参考电路，并且所述第一晶体管的集电极耦接到所述第二晶体管的基极。