[发明专利]电容传感器接口及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电子电容传感器，尤其但不唯一地涉及一种检测电极阵列中的电容耦合变化的装置。

本发明的实施例涉及一种用于计算机的触敏屏、触控板及触敏输入装置。

本发明的其他实施例涉及在其他应用中的电容传感器的使用，如近程传感器、MEMS装置、加速度计、位置编码器及需要与电容传感器交互的任意应用，尤其需要扫描多个电容传感器的应用。

本发明的一些方面是电子滤波器和对应的信号处理方法，该方法用于从抑制环境电磁噪声的电极阵列中提取电极间的电容变化。

背景技术

图1和2的电路用于各种必须感知微小电容变化的应用领域。通过任意适当的电极排列可以实现的输入电容器30连接在恒定电势(本例中为接地)与电荷感测放大器(charge-sense amplifier)35的输入端之间，放大器35的输入端为虚拟的接地点，反馈回路配置用于保持其电势恒定。放大器35的输出端可被在图2中由开关352表示的复位电路置于适当的参考值V_init。复位后，输出电压将根据公式V_CSA＝V_init-Q/C_f反映输入电容器30的值，其中C_f为反馈电容器355的值，Q为转移电荷。存储在传感电容器中的电荷的任何变化，例如由于电容变化引起的，都能够被认为是积分器的输出端上的电压变化。现有技术中已知积分器等级(integrator stage)的各种实施方案。

块40为低通滤波器。其作用是在不明显减少传递信号的情况下去除测量的高频噪声成分。块50为追踪与保持电路或者为采样与保持电路。为使在当前电荷转换时采样新电荷，需要在电荷转移阶段结束时存储积分器的结果，并能够保持其在ADC80执行A/D转换的整个期间都有效。

图2表示XY电容传感器矩阵的电容单元的读取电路，它可以集成在触摸屏、触控板或者其他合适的装置中。输入电容器30表示存在于电极的行130与列120之间的电容，例如其能够被靠近的手指改变。为了在脉冲的上升和下降边缘注入预定参考电荷，驱动器32将确定幅度的方波脉冲V_r应用到矩阵每行(或列)的电极30。为依次访问矩阵的行，脉冲也可以依照其将来出现的情况进行定时。

参考电荷也被称之为未触摸时的参考电荷(Q_NT)，其可以放大并将其转换成电压信号的电荷感测放大器35检测。电荷量与投影的电容矩阵上的每个共面电容器的位于X和Y之间的电极的互电容C_XY成比例。当用户手指靠近矩阵表面时，将会改变共面电容器的耦合表面电场，导致互电容值C_XY变化，从而改变位于手指下方的电容器的X和Y电极之间的耦合电荷。有触摸时的新电荷量称为Q_T，其能够在新的扫描脉冲期间被检测和放大。Q_NT与Q_T之间的差值为能够被处理及转换的采样触摸信号。在非理想实际情况下，电荷感测放大器的输出V_CSA不仅受到用户手指的影响，而且还受到由电流源310表示的环境及固有噪声的影响。噪声在绝对V_CSA电平上引入误差，并可导致各种系统误差。在重要的电容式触摸应用中，取决于噪声的电平幅度及频谱特性，噪声能触发假触摸。

CSA操作能被分成如图3a所示的三个阶段。在本示例中，为简化起见，噪声源310被模型化为恒定的DC电流。C_XY电容变化通过CSA输出(V_CSA)被转换成电压。复位区间102对应于被关闭的复位开关352，使得V_CSA能够等于参考电压V_bias(此处忽略的偏置)。噪声积分周期104与电压采样周期106之间的边界被标为两个不同常数值之间的输入驱动电平V_r的过渡。在没有泄露或噪声电流V_c的理想情况下，被保留的总电荷输出V_CSA反映驱动电压V_r随着与转移到其输入端的电荷成比例的信号而变化，名义上增益等于-C_xy/C_fb。