[发明专利]电容式运动传感器

说明书

公开了基于空间频率的电容式运动传感器及其操作方法。在一个实施方式中，运动传感器包括感测单元阵列，以电容性地感测由表面接近所述阵列感应出的电容变化。运动传感器还包括处理电路，该处理电路包括复用器和处理器，以处理来自阵列的测量所述表面在平行于阵列的表面的方向上的运动的运动相关输出信号。一般来说，处理器适于执行用于以下操作的程序：控制复用器以互连阵列的感测单元，从而将阵列配置为梳状滤波器，以检测电容变化的至少一个空间频率分量，并测量所述表面在平行于阵列的方向上的运动。还公开了其它实施例。

相关申请的交叉引用

本申请是2018年3月20日提交的申请号为15/926,175的美国专利申请的国际申请，其根据35U.S.C.119(e)要求享有于2017年12月14日提交的序列号为62/598,618的美国临时专利申请的优先权的权益，所有这些申请文件通过引用以其整体并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及运动传感器，且更具体地，涉及包括感测单元阵列并使用空间频率检测来检测表面相对于阵列的运动的电容式运动传感器。

背景

能够跟踪手指或触笔在表面上的移动的运动传感器是众所周知的，并且广泛用于系统(诸如手指导航系统)中，以移动光标或输入数据。一般来说，常规的运动传感器可以根据手指或触笔的表面被感测的方式(光学地或电容性地)而被分为两种类型中的一种。

光学导航传感器使用激光或LED光源和光电二极管阵列，基于手指表面的图像或通过从粗糙表面散射相干光生成的被称为散斑(speckle)的随机光强分布来检测运动。然后，可以通过使用图像相关性的算法通过检测手指表面的图像的移动或者通过对散斑的空间频率计算，来确定运动。光学导航传感器通常具有高成本和相对较大的尺寸，这是由于需要激光器或光源，该激光器或光源必须在内部与光电二极管阵列屏蔽开，并且需要精确的光学组件来将从手指表面反射的光投射到光电二极管阵列上。光学导航传感器对环境照明也很敏感，并且当没有表面存在时由于背景光的变化，其会错误地检测到运动。最后，图像相关性运动计算可能是计算密集型的，并且需要昂贵的处理电路。

最常见类型的电容式运动传感器是电容式触控板，它使用小的电容式传感器阵列来检测手指位置，并通过比较多个连续的手指位置来确定运动。因此，应理解的是，因为如果要被跟踪的表面覆盖整个电容式传感器阵列，电容式触控板就不起作用，所以电容式触控板的显著缺点是它们必须总是大于手指的表面，并且通常要大得多，以检测手指在多个连续位置的位置。因此，大的触控板很难适应许多表面积有限的应用。另外，由于检测位置占用的时间，电容式触控板不适用于高速运动。跟踪高速运动需要更大的电容式传感器阵列。

另一类型的电容式传感器是指纹传感器。指纹传感器使用电容式阵列，通过感测在手指脊线和谷线之间的电容差，来检测指纹图像。过去，曾尝试通过比较后续图像并在每个可能的偏移处执行图像相关性计算来检测运动，将指纹传感器用作运动传感器。然而，速度受限于捕获指纹图像所需的时间和/或执行图像相关的时间。更快的运动需要更快的图像捕获和更快的计算，这限制了最大速度或增加传感器区域。此外，计算经常需要高性能处理器，这增加了成本。最后，指纹图像的捕获和传输引起了许多安全和隐私问题。

因此，需要一种便宜的运动传感器，其能够检测高速运动，并且需要较小的处理功率，以及感测区域较小。还希望运动传感器在不会引起由于检测和存储指纹图像而导致的安全性问题的情况下实现这些目标。

概述