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TW201901398A - 用於消除電容式觸控介面中之非所要電容效應的技術，以及相關系統、方法、及裝置 - Google Patents

用於消除電容式觸控介面中之非所要電容效應的技術，以及相關系統、方法、及裝置 Download PDF

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TW201901398A
TW201901398A TW107116846A TW107116846A TW201901398A TW 201901398 A TW201901398 A TW 201901398A TW 107116846 A TW107116846 A TW 107116846A TW 107116846 A TW107116846 A TW 107116846A TW 201901398 A TW201901398 A TW 201901398A
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TW
Taiwan
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voltage
measurement
circuit system
measurement cycle
sensing
Prior art date
Application number
TW107116846A
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English (en)
Inventor
安德斯 文吉
Original Assignee
美商愛特梅爾公司
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Publication date
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Abstract

本揭露的實施例大致上係關於用於消除一電容式觸控介面中之互電容效應的系統及方法，且更具體地說，用於使用軌對軌電壓實施驅動屏蔽的系統及方法。

Description

用於消除電容式觸控介面中之非所要電容效應的技術，以及相關系統、方法、及裝置 【優先權主張】
本申請案依35 U.S.C.§119(e)主張2017年5月19日申請之美國臨時專利申請案第62/508,848號之優先權，其揭露內容以全文引用方式併入本文中。
本揭露的實施例大致上係關於用於消除電容式觸控介面中之互電容效應的系統及方法，且更具體地說，用於使用軌對軌電壓(rail-to-rail voltage)實施驅動屏蔽(driven shield)的系統及方法。
觸控介面可合併有電容式鄰近感測器以偵測靠近或接觸介面之接觸敏感表面的物件。與個人電腦(包括膝上型電腦及用於平板電腦的鍵盤)併用的觸控板常包括觸控介面。螢幕可與觸控介面整合，並可與下列併用：例如，可攜式媒體播放器、電視機、智慧型手機、平板電腦、個人電腦、手錶、及其他消費性產品可合併觸控螢幕。此外，用於汽車、家電(例如，烤箱、冰箱、洗衣機等)、保全系統、 自動櫃員機(ATM)、及加熱控制系統的控制面板可合併有觸控螢幕。此等僅係一些非限制性實例。
在觸控感測表面上的水或其他液體可能在電容式鄰近感測器的操作期間導致非所要電容效應。驅動屏蔽可減少或除去電容式鄰近感測器中的此等非所要效應。典型的驅動屏蔽技術是併入一緩衝器以連續地追蹤感測電極並驅動所有其他電極或相鄰電極之子集的電極電壓。此技術的效果是，理想上在作用/所測量感測電極與所追蹤電極之間的互電容對電容測量序列不具有或具有無關緊要的電荷貢獻，且對測量係「不可見的(invisible)」。
本揭露的實施例大致上係關於一種電容式觸控電路系統。該電容式觸控電路系統包括一介面電路系統及一驅動屏蔽電路系統。該驅動屏蔽電路系統操作地耦接至該介面電路系統，並經組態以將一屏蔽電壓從在一數目個測量循環期間的一第一電壓軌改變至在該數目個測量後的一第二電壓軌
本揭露的實施例大致上係關於一種提供一驅動屏蔽的方法。該方法可包括在一數目個測量循環期間在一感測線處進行一數目個測量，該測量回應於在該感測線處的一電壓變化；及在該數目個測量循環期間改變施加至至少一個非感測線的一電壓，其中在該至少一個非感測線處的一電壓變化不同於在該感測線處的該電壓變化。
本揭露的實施例大致上係關於一種電容式觸控電路系統。該電容式觸控電路系統可包括電極電路系統、驅動屏蔽電路系統、及 自電容感測電路系統。該驅動屏蔽電路系統經組態以在兩個基準電壓軌之間驅動該電極電路系統的一或多個非作用電極，以在一作用感測電極處引致互電容效應。該自電容感測電路系統操作地耦接至該作用感測電極，並經組態以提供指示所引致之互電容效應的一或多個可測量信號。
本揭露的實施例大致上係關於一種在一觸控感測器上執行電容感測的方法。該方法包括：在一第一測量循環之一預定數目個測量相位期間在第一非作用感測線及第一非作用驅動線處驅動一第一電壓軌；在該第一測量循環期間測量一作用感測線；在一後續測量循環之前，在該等第一非作用感測線及該等第一非作用驅動線處將一第一電壓變化驅動至一第二電壓軌；及在該第二電壓軌被驅動的同時且在該第一測量循環之一最末測量相位期間測量該作用感測線。
本揭露的實施例大致上係關於一種微控制器封裝。該微控制器封裝包括一數目個可程式化輸入/輸出(I/O)引腳、感測電路系統、及一觸控控制器。該感測電路系統經組態以提供一或多個可測量信號，該一或多個可測量信號指示在該數目個可程式化I/O引腳之一或多者處的電壓變化。該觸控控制器經組態以藉由下列步驟在一數目個測量循環期間提供一驅動屏蔽電壓：在一第一測量循環期間，將與非作用驅動電極及非作用感測電極相關聯的一或多個可程式化I/O引腳保持在一第一電壓軌；及在一最末測量循環期間，將與非作用驅動電極及非作用感測電極相關聯的該一或多個可程式化I/O引腳驅動至一第二電壓軌。
102‧‧‧接觸敏感表面
104‧‧‧感測通道
106‧‧‧驅動通道
108‧‧‧介面
110‧‧‧驅動屏蔽電路系統
112‧‧‧測量電路系統
114‧‧‧核心
116‧‧‧控制器
120‧‧‧波形
130‧‧‧波形
200‧‧‧測量擷取循環
202‧‧‧產生電壓
204‧‧‧電壓
206‧‧‧驅動屏蔽
210‧‧‧P測量相位
212‧‧‧預充電相位
214‧‧‧電荷平衡相位
216‧‧‧積分及測量相位
220‧‧‧N測量相位
222‧‧‧預充電
224‧‧‧電荷分佈
226‧‧‧積分及測量
300‧‧‧電容式觸控電路
302‧‧‧電極電路系統
308‧‧‧感測電極
310‧‧‧感測電極
320‧‧‧觸控感測及測量電路系統
330‧‧‧驅動屏蔽電路系統
332‧‧‧開關
334‧‧‧開關
340‧‧‧驅動屏蔽
402‧‧‧觸控感測器
404‧‧‧感測通道
406‧‧‧驅動通道
408‧‧‧感測通道
422‧‧‧引腳
422a‧‧‧引腳
422b‧‧‧引腳
422d‧‧‧引腳
422e‧‧‧引腳
422h‧‧‧引腳
424‧‧‧介面(I/O)
430‧‧‧感測及測量電路系統
434‧‧‧感測器及測量核心
500‧‧‧觸控系統
510‧‧‧觸控感測器
512‧‧‧感測通道
514‧‧‧驅動通道
520‧‧‧微控制器
522‧‧‧輸入連接器
524‧‧‧感測電路系統
526‧‧‧類比至數位轉換器
528‧‧‧輸出連接器
530‧‧‧周邊觸控控制器
532‧‧‧感測及測量邏輯
534‧‧‧驅動屏蔽邏輯
602‧‧‧波形
604‧‧‧波形
702‧‧‧操作
704‧‧‧操作
706‧‧‧操作
708‧‧‧操作
710‧‧‧操作
802‧‧‧至GND的屏蔽
804‧‧‧至緩衝器的屏蔽
806‧‧‧至墊的屏蔽
808‧‧‧至GND的屏蔽
810‧‧‧至緩衝器的屏蔽
812‧‧‧至墊的屏蔽
S1‧‧‧感測電極
S2‧‧‧感測電極
所屬技術領域中具有通常知識者將從結合下列附圖的實施方式瞭解本揭露之各種實施例的目的及優點：圖1A顯示習知驅動屏蔽及對應電路的圖示。
圖1B顯示其特徵在於習知驅動屏蔽(諸如，圖1A的驅動屏蔽)之經連續追蹤的電壓的驅動屏蔽。
圖2顯示根據本揭露之實施例的測量擷取循環。
圖3顯示根據本揭露的實施例之驅動屏蔽實施方案及對應電路的圖示。
圖4A及圖4B顯示根據本揭露之實施例之驅動屏蔽實施方案及對應電路的圖示。
圖5顯示根據本揭露之實施例之經組態以實施軌對軌驅動屏蔽的周邊觸控控制器。
圖6顯示根據本揭露之實施例之測量擷取循環期間的驅動屏蔽序列。
圖7顯示根據本揭露之實施例之至少部分實施在微控制器的輸入/輸出處以消除互電容效應之軌對軌脈動驅動屏蔽序列的流程圖。
圖8A及圖8B繪示根據本揭露的實施例之實施驅動屏蔽的互電容拒斥系統之結果。
本文所提出之圖解闡釋非意欲係一種製造一半導體裝置之方法中之任何特定動作、此一方法之中間產物、半導體裝置、或其 組件的實際視圖，而僅僅係經採用以描述本揭露之闡釋性實施例的理想化表示。因此，圖式非必然按比例繪製。
本文描述的資訊及信號可使用多種不同技術及技巧的任一者表示。例如，可藉由電壓、電流、電磁波、磁場或粒子、光學場或粒子、或其等之任何組合來表示本說明書通篇中所引用的資料、指令、命令、資訊、信號、位元、符號、及碼片(chip)。為了清楚呈現及說明，一些圖式可將信號繪示為一單一信號。所屬技術領域中具有通常知識者將理解，該信號可表示一匯流排之信號，其中該匯流排可具有各式各樣位元寬度，並且本揭露可實施在任何數目個資料信號，包括一單一資料信號。
應理解，本文中使用諸如「第一(first)」、「第二(second)」等標號對一元件的任何指涉非限制該等元件之數量或順序，除非明確指明此類限制。更確切地說，本文中使用這些標號作為區別兩個或更多個元件或一元件之若干例項的便利方法。因此，對第一元件及第二元件的指稱非意謂僅可採用兩個元件，亦非意謂該第一元件必須以某種方式在該第二元件之前。此外，除非另有指明，否則一組元件可包含一或多個元件。同樣地，有時以單數形式指稱的元件也可包括該元件的一或多個例項。
以下描述可包括實例以幫助所屬技術領域中具有通常知識者能夠實踐所揭示的實施例。用語「例示性(exemplary)」、「舉例(by example)」、及「例如(for example)」的使用意謂著相關描述係解釋性的，且雖然本揭露的範圍意圖涵蓋實例及法律等效實例，此種用 語的使用未意圖將實施例或本揭露的範圍限制在指定組件、步驟、特徵、功能、或類似者。
作為對描述於此揭示中的實施例之目的的理解，接觸感測器可回應物件(諸如，手指或觸控筆)對於與接觸感測器之接觸感測區之接觸，或物件對於該接觸感測區的鄰近。在本揭露中，「接觸(contact)」及「觸控(touch)」可指物件與接觸感測區的實體接觸以及物件未實體接觸但存在於接觸感測區近區內二者。
本文描述的一些實施例大致上係關於用於消除電容式觸控介面中之非所要電容效應的技術。具體而言，本文描述的一些實施例係關於消除驅動及感測電極電路系統中的非所要互電容效應。因此，針對自電容感測組態，可將自電容測量與互電容效應隔絕。在一些實施例中，電容感測的唯一形式可係自電容感測。在其它實施例中，除了互電容感測外，自電容感測可例如確認指示觸控事件的互電容測量。
本文描述的一些實施例大致上係關於實施用於針對水分排斥(moisture rejection)消除非所要電容效應之技術的觸控螢幕。觸控螢幕之接觸敏感表面上的水分可引起非所要電容效應。因此，一些實施例提供一形式之水分排斥，但任何形式的非所要互電容可被視為「被排斥的」。
本文描述的一些實施例大致上係關於以韌體及一或多個通用輸入/輸出(GPIO)引腳及所供應之Vdd及Vss實施用於消除非所要電容效應之技術的觸控控制器。例如，GPIO引腳可操作地耦接至觸控感測器的驅動及感測線，並執行本文描述的一或多個驅動屏蔽技術。 在觸控擷取電路處接收的感測信號中之非所要電容效應的所有量或技術相關量被除去，該觸控擷取電路操作地耦接至觸控感測器的感測線及觸控控制器之輸入引腳。
當物件接觸電容式接觸感測器時，可在接觸位置處或接近該位置處的感測器內發生電容的變化。例如，若接觸達到特定臨限，則類比接觸感測電路可「偵測到」該接觸。「充電-然後-轉移(charge-then-transfer)」係實施在一些接觸感測電路中以在感測器處偵測電容變化的技術，藉此將感測電容器充電，並在多個電荷轉移循環期間將電荷轉移至積分電容器。與此種電荷轉移相關聯的電荷量可藉由類比至數位轉換器(ADC)轉換為數位信號，且控制器可測量此等數位信號以判定物件是否接觸感測器及與該接觸有關的資訊(例如，位置)。
自電容感測器係偵測/回應至接地之電容變化的電容場感測器。包括有使用具有浮動端的共積體CMOS推挽驅動器電路系統之採用重複充電-然後-轉移循環的電路之自電容感測器的實例在1998年3月24日頒布之美國專利第5,730,165號，標題為「Time Domain Capacitive Field Detector」中描述，該揭露全部內容以引用方式併入本文中。
互電容感測器係偵測兩個電極(驅動電極及感測電極)間的電容變化的電容場感測器。互電容感測的原理在2002年9月17日頒布之美國專利第6,452,514號，標題為「Capacitive Sensor and Array」中描述，該揭露全部內容以引用方式併入本文中。
觸控螢幕感測器係一種在用於使用者互動之顯示器螢幕上以二維(2D)配置重疊的接觸感測器。合併觸控感測器的顯示器螢幕一般稱為「觸控螢幕(touch screen)」或「觸控面板(touch panel)」，且可將彼等分組為與觸控感測器相同的類型：電阻式、表面聲波式、及電容式。電荷轉移技術的使用在美國專利第No.5,730,165號中描述，以一及二維配置之電荷轉移技術的使用在2002年10月15日頒布之美國專利第6,288,707號、標題為「Charge Transfer Capacitive Position Sensor」中描述，該揭露全部內容以引用方式併入本文中。用於觸控螢幕之使用電荷轉移技術之互電容感測器的矩陣式感測器方法在1997年7月15日頒布之美國專利第5,648,642號、標題為「Object Position Detector」中描述，該揭露全部內容以引用方式併入本文中。
美國專利第5,648,642號及美國專利第6,452,514號描述，一般而言驅動電極在基材之一側上延伸成列且感測電極在基材之另一側上延伸成行，以界定N乘M個節點的「矩陣(matrix)」陣列。各節點對應於驅動電極之導電線與感測電極的導電線之間的交會處。驅動電極同時驅動指定列上的所有節點，且感測電極感測指定行上的所有節點。在節點位置處之驅動電極及感測電極的電容耦接(互電容)或感測電極及接地的耦接(自電容)可單獨測量或兩者可測量為指示觸控事件的變化。例如，若將驅動信號施加至列2的驅動電極，且行3的感測電極係作用的，則節點位置係：(列2，行3)。可藉由排序驅動及感測電極的不同組合而掃描節點。在一模式中，驅動電極可依 序地驅動，而感測電極全部持續地受監測。在另一模式中，各感測電極可依序取樣。
例如，微控制器及數位邏輯可經實施以控制驅動電極並分析及測量接觸感測器之電極電路上的電容效應。包括微控制器的積體電路(IC)封裝可提供輸入及輸出引腳以與主機通訊；以及韌體以執行本文描述的技術及操作。在本文描述的各種實施例中，微控制器可包括，例如，周邊微控制器、基於ARM的微控制器、及AVR-8及32位元微控制器。
舉實例為例，觸控感測器的感測電極可經由觸控控制器的裝置I/O引腳操作地耦接至觸控感測電路(例如，電荷積分器)。觸控感測器的數位控制器可經由ADC/DAC引腳耦接至觸控感測電路。數位控制器的狀態機可經組態以識別觸控及與觸控有關的資訊。
圖1A及圖1B顯示實施本揭露的發明人已知之習知驅動屏蔽的實例之電容式觸控系統。圖1A繪示具有感測通道104及驅動通道106之接觸感測器的接觸敏感表面102。感測通道104耦接至介面108，該介面可耦接至驅動屏蔽電路系統110及測量電路系統112。相似地，驅動通道106耦接至介面108，該介面可將驅動通道106耦接至驅動屏蔽電路系統110及測量電路系統112。在自電容測量掃描期間，核心114中的控制器116將一引腳或引腳組操作地耦接(例如，通過多工器「MUX」)至測量電路系統112以用於自電容測量，且將用於感測通道104及驅動通道106之其餘通道的引腳操作地耦接至驅動屏蔽電路系統110。若執行總測量，控制器116將次一測量的通道 操作地耦接至測量電路系統，而將最末測量的感測器通道操作地耦接至驅動屏蔽電路系統110。驅動屏蔽電路系統110追蹤所測量之感測通道上的電壓，並將實質等效電壓Vds(亦即，驅動屏蔽)供應至其他感測通道(即，連續地供應所追蹤的電壓)。
如本文所使用的，用語「驅動屏蔽(driven shield)」係指供應至接觸感測器之感測電極及驅動電極的信號(例如，電壓)。
值得注意的是，在本揭露之發明人已知的習知驅動屏蔽實施方案中，在預充電相位的結束與測量相位之間的時間中，感測節點處的相同δ電壓經施加至驅動屏蔽。習知驅動屏蔽電路系統，諸如，繪示在圖1A中的驅動屏蔽電路系統110，需要用於除電力軌以外之類比電壓的驅動容量。
如圖1B所繪示的，感測電極S1係在測量電路系統112處測量(亦即，感測電極S1處之電容變化)。感測電極S2係非作用的，但在感測電極S1與S2之間有互電容CM。雖然未繪示，互電容可存在於電極電路系統的感測電極S1與其他驅動電極及感測電極之間。感測電極S1在至感測及測量電路系統112之輸入處的電壓VS也在經緩衝追蹤的驅動屏蔽電路系統110處接收。驅動屏蔽電路系統110在測量循環期間將在其他電極處之電壓驅動至Vds，其實質上等於VS。此驅動屏蔽Vds有效地抵消CM在感測及測量電路系統112處的效應。
圖1B繪示本揭露的發明人已知之用於圖1A的習知驅動屏蔽Vds的驅動屏蔽序列。Vs的波形120具有0/gnd及Vdd的預充 電位準。Vds的波形130追蹤Vs的波形120，具有實質相同的峰至峰電壓。
在本揭露的發明人已知之另一習知驅動屏蔽技術中，不將驅動屏蔽驅動成連續地追蹤Vs，而是在預充電之後，其在測量前仍必須穩定至與感測節點相同的電壓δ。因此，仍需要具有驅動與gnd或Vdd不同之類比電壓的能力的類比緩衝器。與參考圖1A及圖1B描述的習知驅動屏蔽一樣，在每個測量相位中，感測節點的電壓δ必須實質等於驅動屏蔽。
本揭露的發明人現在瞭解不需要在測量擷取循環的各個及每一個相位中消除互電容。更具體地說，若將完整測量擷取循環構建成包括至少兩個測量，則互電容可在一個相位中測量，然後互電容的相對者可在第二相位中測量。當兩個測量相減(或取決於配置而為相加)時，測量值的互電容部分彼此抵消。換言之，驅動屏蔽可在相位之一者中驅動，使得來自互電容的累積效應在最終結果中等於零。
舉非限制性實例為例，其中完整測量擷取循環由兩個相位(兩個相位可或可不實質對稱)組成，兩個測量在對稱點(例如，Vdd/2)附近反轉。從正感測器電容器預充電進行電荷測量，然後從負感測器電容預充電進行電荷測量。此等相位分別稱為「P測量相位」及「N測量相位」，與本揭露的各種實施例有關。由於兩個測量具有相反的正負號，因此整體結果係藉由從P測量相位及N測量相位減去結果實現。
雖然一些實施例是在類比域中描述，但所描述的技術及本揭露未受如此限制，並可在具有，例如，邏輯閘、狀態機、由微處理器執行的韌體、及其組合的數位域中執行。
圖2、圖3、圖3B、圖3C、及圖4繪示驅動屏蔽序列的實施例及相關實施方案，其具有本揭露的發明人已知之與上文描述之習知驅動屏蔽及驅動屏蔽電路系統相比的至少數個優點。在各種實施例中，驅動屏蔽將非測量的感測及驅動電極實質上驅動至兩個電壓位準，Vdd及0。由於僅使用兩個電壓位準來驅動電極電路系統，與確實包括緩衝器之圖1A所示的習知驅動屏蔽不同的是，驅動屏蔽電路不包括用以追蹤感測器電壓及驅動屏蔽的緩衝器。除去緩衝器可在功率、面積、及時序方面顯著的節約成本。
圖2繪示根據本揭露之實施例的測量擷取循環200。總測量擷取循環200具有六個相位，三個相位用於具有正預充電的測量(P測量相位210)，且三個相位用於具有負預充電之實質對稱的相對測量(N測量相位220)。第一相位係感測器的預充電相位212。第二相位係電荷平衡相位214，其中CC上的產生電壓202及CS上的電壓204應等於供應電壓的一半，亦即，½Vdd。改變CS的觸控或任何事物將導致與½Vdd的失衡，並可測得該偏差。第三相位係積分及測量相位216，其中將測量累積在積分器中的任何偏差。該結果是CS電荷與CC電荷之差的表示，轉換成橫跨積分電容器的電壓(未圖示)。
值得注意的是，如圖2所示，驅動屏蔽206係以在Vdd與0之間的軌對軌脈衝來驅動。如本文所使用的，「脈衝(pulsing)」 係指所施加電壓(例如，Vdd或-Vdd)的變化(亦即，δ)。在P測量相位210(包括在M1處的測量)的所有三個相位期間，驅動屏蔽206被保持為高(Vdd)。就在M2之前的該測量循環中的一點處，完整互電容影響已累積在測量中。就在M2處發生測量之前，驅動屏蔽206在N測量相位220的最終相位期間被向下拉。在次一測量擷取循環的後一預充電相位期間，驅動屏蔽206再度被驅動為高。在組合P結果及N結果之後的總測量電荷轉移僅表示自電容。值得注意的是，在一實施例中，測量M1及M2係在，例如，預充電相位的上升或下降邊緣期間發生。
淨效應於下文描述。
忽略來自Cc電容器平衡的恆定電荷項，並也忽略對電壓轉換的最終電荷，可將總電荷的方程式寫為下文方程式1至3所示，其中「Q」表示電荷。是方程式在描述互電容效應如何首先被累積然後消除的方面等效於實際實施方案(注意到，若將感測電極作用地驅動至Vdd/2，電壓δ在驅動屏蔽上的效應在測量中可具有與感測節點上之電壓δ相反的正負號)：QP=1/2*Vdd*(Cs+Cm) (方程式1)
QN=-1/2*Vdd*(Cs+Cm)+Vdd*Cm (方程式2)
Qtot=QP-QN=1/2*Vdd*(Cs+Cm)-(-1/2*Vdd*(Cs+Cm)+Vdd*Cm)=Vdd*Cs (方程式3)
值得注意的是，互電容效應的中間累積允許後續的消除/相減。回到圖2，就在M2之前，累積的互脈衝已達到Vdd，所以在進行測量M2之前，將-Vdd變化(從Vdd拉至0)施加在驅動屏蔽206上以抵消互電容效應。所屬技術領域中具有通常知識者將理解只要積累Vdd之相位的數目為已知並也進行消除測量，可實現本文描述技術中的許多變化。只要累積電壓δ在一些數目個測量之後等於Vdd，次一測量僅需要抵消在此數目個測量結束之後的互電容效應。
因此，在一些實施例中，在CS處的電壓變化可穩定在Vdd/3、Vdd/4等，且只要測量擷取循環累積完整互電容效應，則可將其消除。所以，對於Vdd/3，會有至少三個測量循環以累積完整Vdd，且對於Vdd/4，會有至少四個測量循環以累積完整Vdd等。
所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解正負號(正或負)僅係影響電壓方向的設計選擇及用於驅動屏蔽脈衝的記號。例如，驅動屏蔽可從低開始，在就在M1之後的第一P積分期間上拉，全程保持高，直到通過M2的N相位之結束，且然後在用於次一測量擷取循環的預充電中再次下拉。
圖3、圖4、及圖5繪示根據本揭露的實施例之實施驅動屏蔽的電容式觸控系統。
圖3繪示根據本揭露的實施例之經組態以實施驅動屏蔽的電容式觸控電路300。電容式觸控電路300包括操作地耦接至觸控感測及測量電路系統320的電極電路系統302(亦即，觸控感測器)。在電極電路系統302中，感測電極308操作地耦接至觸控感測及測量 電路系統320，並可被測量。感測電極310係非作用的，但在感測電極308與310之間有互電容Cm。雖然未繪示，互電容可存在於電極電路系統302的感測電極308與其他驅動及感測電極之間(且在所有其他非作用電極之中)。驅動屏蔽340(Vds 340)經實施為GND或Vdd其中一者的電壓驅動器，且驅動屏蔽電路系統330具有經組態以控制施加至非作用感測電極及非作用驅動電極之軌對軌電壓的兩個開關。當開關332閉合且開關334打開時，驅動屏蔽Vds 340被拉至接地。當開關332打開且開關334閉合時，驅動屏蔽Vds 340保持在Vdd。在一實施例中，開關332及334可係電晶體或二極體。所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解有其他方式實施與本揭露之實施例一致的驅動屏蔽電路系統330。
圖4A及圖4B繪示根據本揭露的實施例之一系統，其中使用通用I/O(GPIO)驅動器來驅動IC中的引腳以實施驅動屏蔽，包括軌對軌驅動屏蔽。圖4A顯示具有感測通道404及驅動通道406的觸控感測器402，其可係，例如，觸控螢幕中之接觸敏感表面的一部分。感測通道404操作地耦接至具有感測及測量電路系統430之IC的引腳422a至422d。驅動通道406操作地耦接至引腳422e至422h。IC可包括介面(I/O)424，其經組態以將感測及測量電路系統430操作地耦接至引腳422a至422h，例如，經由MUX。
在一實施例中，觸控感測及測量電路系統430係微控制器，且感測器及測量核心434係觸控控制器，係執行韌體的處理器。 控制器載入有使控制器能夠執行根據本揭露的實施例之軌對軌驅動屏蔽邏輯的韌體。
在一實施例中，引腳422的一或多者被指派給(例如，在與觸控感測器402整合期間或在設置操作期間)觸控感測器402的感測及驅動電極。舉非限制性實例為例，4×4矩陣可使用裝置上之引腳422中的8根引腳(在圖4中顯示為引腳422a至422h)，該等引腳實體地連接至觸控感測器402上的8個節點(亦即，4×4矩陣的每個方向上4條線)。控制器可經組態以將引腳422操作地耦接至觸控感測器402及驅動屏蔽Vds。控制器可經組態以將IC的通用I/O驅動器用於待驅動至gnd或Vdd的各引腳並實施驅動屏蔽。在一實施例中，GPIO引腳可經驅動至邏輯「1」或「0」(例如，Vdd或gnd)。
圖4B繪示根據本揭露的實施例之在感測通道408上執行自電容感測後的後續測量。此處，控制器將用於感測通道410的引腳422b操作地耦接至感測及測量電路系統430，並將408操作地耦接至驅動屏蔽。
在一實施例中，微控制器係嵌入在另一微控制器上的周邊控制器。嵌入式周邊控制器可包括測量邏輯，或若其具有自己的狀態機，則可操作地耦接至數位控制匯流排，並程式化成經由通用I/O驅動器或使用自已的自訂驅動器來控制測量單元的輸出引腳。
圖5顯示根據本揭露的實施例之具有嵌入有微控制器520的周邊觸控控制器530之觸控系統500的實施例。
觸控感測器510的感測通道512經由輸入連接器522操作地耦接至感測電路系統524。感測通道512及驅動通道514藉由輸出連接器528操作地耦接至觸控控制器530。在一實施例中，輸入連接器522及輸出連接器528可係微控制器520的通用輸入/輸出引腳，觸控控制器530經組態以例如使用微控制器520的通用I/O驅動器將輸出連接器528連接至軌對軌電壓(例如，0及Vdd)來控制該等引腳。在一實施例中，感測電路系統524可係或可包括電荷積分器電路。ADC 526經組態以回應於感測電路系統524的輸出而提供數位信號，該等信號可由觸控控制器530的感測及測量邏輯532使用以測量及判定觸控是否發生。周邊觸控控制器530可包括感測及測量邏輯532及驅動屏蔽邏輯534，其可實施為，例如，數位邏輯閘、可組態狀態機、或由微處理器執行的韌體。感測及測量邏輯532也可經組態以通過輸出連接器528驅動驅動通道514以執行感測操作。驅動屏蔽邏輯534可經組態以執行本文描述的軌對軌驅動屏蔽邏輯，並在感測及測量邏輯532的感測操作期間將驅動屏蔽Vds提供至驅動通道514的非作用通道及感測通道512的非作用通道。根據本揭露的實施例，取決於驅動屏蔽邏輯534的具體實施方案，感測及測量邏輯532可經組態以在非所要互電容效應已消除之後(例如，在消除測量之後)執行觸控判定。
圖6繪示根據本揭露的實施例之驅動屏蔽序列的實施例。Vds及Vs的波形602及604分別在0與Vdd之間振盪。值得注意的是，Vds的波形602在各測量循環中不等於Vs之電壓δ的軌對軌波形。
圖7繪示根據本揭露之實施例之至少部分實施在微控制器的輸入/輸出處以消除互電容效應之軌對軌脈動驅動屏蔽序列的流程圖。在操作702中，選擇將被施加驅動屏蔽的一或多個輸出。在一實施例中，輸出可係藉由使用其通用驅動器控制的可程式化輸入/輸出引腳。在操作704中，在所選擇的一或多個輸出處將驅動屏蔽保持在第一預定電壓軌。在一實施例中，第一電壓軌及第二電壓軌對應於軌對軌電壓(例如，Vdd或0)。在操作706中，自電容及互電容效應在一數目個測量期間累積。在一實施例中，測量的數目是預定的。在另一實施例中，測量的數目係基於軌對電壓軌的第一電壓軌與第二電壓軌之間的範圍。在操作708中，就在該數目個測量的最終測量(亦即，消除測量)消除互電容效應之前，將驅動屏蔽驅動至第二(亦即，相對)電壓軌(亦即，Vdd至0或0至Vdd)。在操作710中，然後將驅動屏蔽驅動回第一電壓軌。在一實施例中，驅動屏蔽輸出的序列及時序係以微控制器的韌體實施。
圖8A及圖8B繪示根據本揭露的實施例之實施驅動屏蔽的互電容排斥系統之本揭露的發明人已知之結果。圖8A及圖8B分別顯示具有至接地的驅動屏蔽(802)、至緩衝器的驅動屏蔽(804)、及至墊的驅動屏蔽(806)之測試1及測試2的測量值。至緩衝器的驅動屏蔽係習知驅動屏蔽。至墊的驅動屏蔽係根據本揭露的實施例之驅動屏蔽的實施方案。y軸係與在將非所要互電容引入系統前進行之基準測量的偏差。基準測量係綠色條形。在此實例中，在進行基準測量後，將水滴引入至接觸敏感表面。黃色條形係引入水後的測量。對於保持至 接地的屏蔽，系統將水滴視為係信號，因為系統無法區別水滴與手指觸控。對於保持在至緩衝器的屏蔽及至墊的屏蔽，系統不將水滴視為係信號，並僅記錄少量雜訊在系統中。
實施本文描述之驅動屏蔽的各種實施例之電容式觸控感測系統不必包括類比緩衝器以追蹤感測器電壓及驅動屏蔽。類比緩衝器通常需要増加裝置的面積及電力消耗預算。除去類比緩衝器節省空間、電力、及複雜性。
本揭露中之許多功能說明可經繪示、描述、或標示為模組、執行緒(thread)、步驟、或程式碼(包括韌體)之其他隔離，以更具體強調其等實施方案獨立性。模組可係至少部分以硬體、以某種或另一種形式實作。例如，一模組可實作為一硬體電路，包含自訂VLSI電路或閘陣列、現用半導體，諸如邏輯晶片、電晶體、或其他離散組件。一模組亦可以可程式化硬體裝置實作，諸如場可程式化閘陣列、可程式化陣列邏輯、可程式化邏輯裝置、或類似者。
模組亦可使用軟體或韌體實施、儲存在一實體儲存裝置(例如，一電腦可讀取儲存媒體)上、儲存在記憶體中、或其等之一組合，以供各種類型處理器執行。
可執行程式碼之一所識別模組可例如包含電腦指令之一或多個實體或邏輯區塊，其可例如組織為一執行緒、物件、程序、或函式。然而，一所識別模組之可執行碼不需要實體定位在一起，而是可包含儲存在不同位置中之散指令，當該等散指令邏輯上聯合在一起時，該等散指令包含該模組且達成針對該模組之所述用途。
的確，可執行程式碼之一模組可係一單一指令、或許多指令，且可甚至分散遍及數個不同程式碼片段、分散在不同程式之中，及跨數個儲存裝置或記憶體裝置。相似地，在本文中可在模組內識別及繪示操作資料，並且操作資料可依任何合適的形式體現及組織在任何合適類型資料結構內。操作資料可經收集為一單一資料集，或可分散遍及不同位置(包括分散遍及不同儲存裝置)，且可至少部分僅僅作為在一系統或網路上的電子信號而存在。在一模組或一模組之部分以軟體實作的情況中，該等軟體部分儲存在一或多個實體裝置(在本文中稱為電腦可讀取媒體)上。
在一些實施例中，該等軟體部分以一非暫時性狀態予以儲存，使得該等軟體部分或其等之表示保存在相同實體位置中達一段時期。另外，在一些實施例中，該等軟體部分儲存在一或多個非暫時性儲存裝置上，包括能夠儲存表示該等軟體部分之非暫時性狀態及/或信號之硬體元件，即使該等非暫時性儲存裝置之其他部分可能夠改變及/或傳輸信號。非暫時性儲存裝置的實例係快閃記憶體及隨機存取記憶體(RAM)。非暫時性儲存裝置之另一實例包括唯讀記憶體(ROM)，其能儲存表示該等軟體部分之信號及/或狀態達一段時期。然而，儲存該等信號及/或狀態的能力不會被傳輸相同於或表示該等儲存之信號及/或狀態的信號之進一步功能性而減弱。例如，一處理器可存取ROM以獲得表示該等儲存之信號及/或狀態的信號，以執行對應之軟體指令。
雖然本文中已關於某些所繪示之實施例描述本揭露，但是所屬技術領域中具有通常知識者將理解及明白，本發明不如此受限 制。反而是，可對所繪示及描述之實施例進行許多新增、刪除及修改，而未脫離本發明之範疇，如下文申請專利範圍連同其法律均等物。此外，來自一實施例之特徵可與另一實施例之特徵組合，然而仍然涵蓋在本發明之範疇內，如發明人所預期。
本揭露的額外非限制性實施例包括：
實施例1. 一種電容式觸控電路系統，該電路系統包含：一介面電路系統；及一驅動屏蔽電路系統，其操作地耦接至該介面電路系統，並經組態以將一屏蔽電壓從一數目個測量循環期間的一第一電壓軌改變至該數目個測量循環之後的一第二電壓軌。
實施例2. 如實施例1之電路系統，其中該驅動屏蔽經組態以在第二數目個測量循環開始時，將該屏蔽電壓從該第二電壓軌改變至該第一電壓軌。
實施例3. 如實施例1至2中任一項之電路系統，其中該驅動屏蔽電路系統經組態以根據一預充電循環的一上升或下降邊緣改變該屏蔽電壓。
實施例4. 如實施例1至3中任一項之電路系統，其進一步包含感測電路系統，該感測電路系統經組態以回應於一感測電極之電容的變化而提供一電壓。
實施例5. 如實施例1至4中任一項之電路系統，其中該數目個測量循環包含一第一測量循環、一最末測量循環、及在該第一測量循環與該最末測量循環之間的至少一個中間測量循環。
實施例6. 如實施例1至5中任一項之電路系統，其中從該第一測量循環至該至少一個中間測量循環的一感測器電壓變化不同於從該第一測量循環至該至少一個中間測量循環的一屏蔽電壓變化。
實施例7. 如實施例1至6中任一項之電路系統，其中從該第一測量循環至該最末測量循環的一總感測器電壓變化等於從該第一測量循環至該最末測量循環的該屏蔽電壓變化，其中該總感測器電壓變化係從該第一測量循環至該至少一個中間測量循環的一第一感測器電壓變化與從該至少一個中間測量循環及該最末測量循環的一第二感測器電壓變化之和。
實施例8. 一種提供一驅動屏蔽之方法，該方法包含：在一數目個測量循環期間在一感測線處進行一數目個測量，該測量回應於在該感測線處的一電壓變化；及在該數目個測量循環期間改變施加至至少一個非感測線的一電壓，其中在該至少一個非感測線處的一電壓變化不同於在該感測線處的該電壓變化。
實施例9. 如實施例8之方法，其中在該至少一個非感測線處的該電壓變化與在該感測線處之該電壓變化在一測量相位期間不同。
實施例10. 如實施例8至9中任一項之方法，其中該改變該電壓包含確立在一經確立第一電壓軌後的一第二電壓軌。
實施例11. 如實施例8至10中任一項之方法，其中該第一電壓軌及該第二電壓軌的至少一者等於接地，且該第一電壓軌及該第二電壓軌的至少一者等於一供應電壓。
實施例12. 如實施例8至11中任一項之方法，其中該數目個測量循環包括一第一測量循環、一最末測量循環、及在該第一測量循環與該最末測量循環之間的至少一個中間測量循環。
實施例13. 如實施例8至12中任一項之方法，其中從該第一測量循環至該最末測量循環在該感測線處的一總電壓變化等於從該第一測量循環至該最末測量循環在該至少一個非感測線處的電壓變化，其中在該感測線處的該總電壓變化係從該第一測量循環至該至少一個中間測量循環在該感測線處的一第一電壓變化與從該至少一個中間測量循環及該最末測量循環在該感測線處的一第二電壓變化之和。
實施例14. 一種電容式觸控電路系統，該電路系統包含：電極電路系統；驅動屏蔽電路系統，其經組態以在兩個基準電壓軌之間驅動該電極電路系統的一或多個非作用電極，藉以在一作用感測電極作用處引致互電容效應；及自電容感測電路系統，其操作地耦接至該作用感測電極，並經組態以提供指示所引致之互電容效應的一或多個可測量信號。
實施例15. 如實施例14之電路系統，其進一步包含測量電路系統，該測量電路系統操作地耦接至該電極電路系統且經組態以驅動一作用驅動電極藉以在該作用感測電極處引致自電容效應。
實施例16. 如實施例14至15中任一項之電路系統，其中該測量電路系統經組態以驅動該作用驅動電極，而該驅動屏蔽電路系統驅動該一或多個非作用電極。
實施例17. 如實施例14至16中任一項之電路系統，其中驅動屏蔽電路系統經組態以輸出一軌對軌脈衝，且其中該測量電路系統經組態以：產生部分包含該軌對軌脈衝之互電容效應的測量值；及組合該等測量值以產生不包括該等互電容效應的一最終測量值。
實施例18. 一種執行電容感測的方法，該方法包含：在一第一測量循環之一預定數目個測量相位期間在第一非作用感測線及第一非作用驅動線處驅動一第一電壓軌；在該第一測量循環期間測量一作用感測線；在一後續測量循環之前，在該等第一非作用感測線及該等第一非作用驅動線處將一第一電壓變化驅動至一第二電壓軌；及在該第二電壓軌被驅動的同時且在該第一測量循環之一最末測量相位期間測量該作用感測線。
實施例19. 一種微控制器封裝，其包含如實施例1至7中任一項之電容式觸控電路系統。
實施例20. 一種嵌入式微控制器封裝，其包含如實施例1至7中任一項之電容式觸控電路系統。
實施例21. 一種微控制器封裝，其包含：一數目個可程式化輸入/輸出(I/O)引腳；感測電路系統，其經組態以提供一或多個可測量信號，該一或多個可測量信號指示在該數目個可程式化I/O引腳之一或多者處的電壓變化；及一觸控控制器，其經組態以藉由下列步驟在一數目個測量循環期間提供一驅動屏蔽電壓：在一第一測量循環期間，將與非作用驅動電極及非作用感測電極相關聯的一或多個可程式化I/O引腳保持在一第一電壓軌；及在一最末測量循環期間，將 與非作用驅動電極及非作用感測電極相關聯的該一或多個可程式化I/O引腳驅動至一第二電壓軌。
實施例22. 如實施例21之微控制器封裝，其中該觸控控制器係一嵌入式微控制器。
實施例23. 如實施例21至22中任一項之微控制器封裝，其中該第一電壓軌等於接地，且該第二電壓軌等於一供應電壓。
實施例24. 如實施例21至23中任一項之微控制器封裝，其進一步包含一數位控制匯流排，且其中該觸控控制器操作地耦接至該數位控制匯流排。
實施例25. 如實施例21至24中任一項之微控制器封裝，其進一步包含操作地耦接至該數位控制匯流排的通用輸入/輸出驅動器。
實施例26. 如實施例21至25中任一項之微控制器封裝，其中該等通用I/O驅動器可回應於由該觸控控制器提供至該數位控制匯流排的一或多個數位控制信號而組態。
實施例27. 如實施例21至26中任一項之微控制器封裝，其中該觸控控制器包含經組態以控制該數目個可程式化輸入/輸出(I/O)引腳的一或多者之一或多個自訂輸入/輸出(I/O)驅動器。

Claims (27)

  1. 一種電容式觸控電路系統，該電路系統包含：一介面電路系統；及一驅動屏蔽電路系統，其操作地耦接至該介面電路系統，並經組態以將一屏蔽電壓從一數目個測量循環期間之一第一電壓軌改變至該數目個測量循環之後的一第二電壓軌。
  2. 如請求項1之電路系統，其中該驅動屏蔽經組態以在一第二數目個測量循環開始時將該屏蔽電壓從該第二電壓軌改變至該第一電壓軌。
  3. 如請求項1之電路系統，其中該驅動屏蔽電路系統經組態以根據一預充電循環的一上升或下降邊緣改變該屏蔽電壓。
  4. 如請求項1之電路系統，其進一步包含感測電路系統，該感測電路系統經組態以回應於一感測電極之電容的變化而提供一電壓。
  5. 如請求項1之電路系統，其中該數目個測量循環包含一第一測量循環、一最末測量循環、及在該第一測量循環與該最末測量循環之間的至少一個中間測量循環。
  6. 如請求項5之電路系統，其中從該第一測量循環至該至少一個中間測量循環的一感測器電壓變化不同於從該第一測量循環至該至少一個中間測量循環的一屏蔽電壓變化。
  7. 如請求項5之電路系統，其中從該第一測量循環至該最末測量循環的一總感測器電壓變化等於從該第一測量循環至該最末測量循環的該屏蔽電壓變化，其中該總感測器電壓變化係從該第一測量循環至 該至少一個中間測量循環的一第一感測器電壓變化與從該至少一個中間測量循環及該最末測量循環的一第二感測器電壓變化之和。
  8. 一種提供一驅動屏蔽之方法，該方法包含：在一數目個測量循環期間在一感測線處進行一數目個測量，該測量回應於在該感測線處的一電壓變化；及在該數目個測量循環期間改變施加至至少一個非感測線的一電壓，其中在該至少一個非感測線處的一電壓變化不同於在該感測線處的該電壓變化。
  9. 如請求項8之方法，其中在該至少一個非感測線處的該電壓變化與在該感測線處之該電壓變化在一測量相位期間不同。
  10. 如請求項9之方法，其中該改變該電壓包含確立在一經確立第一電壓軌後的一第二電壓軌。
  11. 如請求項10之方法，其中該第一電壓軌及該第二電壓軌的至少一者等於接地，且該第一電壓軌及該第二電壓軌的至少一者等於一供應電壓。
  12. 如請求項8之方法，其中該數目個測量循環包含一第一測量循環、一最末測量循環、及在該第一測量循環與該最末測量循環之間的至少一個中間測量循環。
  13. 如請求項12之方法，其中從該第一測量循環至該最末測量循環在該感測線處的一總電壓變化等於從該第一測量循環至該最末測量循環在該至少一個非感測線處的電壓變化，其中在該感測線處的該總電壓變化係從該第一測量循環至該至少一個中間測量循環在該感測 線處的一第一電壓變化與從該至少一個中間測量循環及該最末測量循環在該感測線處的一第二電壓變化之和。
  14. 一種電容式觸控電路系統，該電路系統包含：電極電路系統；驅動屏蔽電路系統，其經組態以在兩個基準電壓軌之間驅動該電極電路系統的一或多個非作用電極，以在一作用感測電極處引致互電容效應；及自電容感測電路系統，其操作地耦接至該作用感測電極，並經組態以提供指示所引致之該等互電容效應的一或多個可測量信號。
  15. 如請求項14之電路系統，其進一步包含測量電路系統，該測量電路系統操作地耦接至該電極電路系統且經組態以驅動一作用驅動電極藉以在該作用感測電極處引致自電容效應。
  16. 如請求項15之電路系統，其中該測量電路系統經組態以驅動該作用驅動電極，而該驅動屏蔽電路系統驅動該一或多個非作用電極。
  17. 如請求項14之電路系統，其中該驅動屏蔽電路系統經組態以輸出軌對軌脈衝，且其中該測量電路系統經組態以：產生測量值，該等測量值部分包含該軌對軌脈衝的互電容效應；及組合該等測量值以產生不包括該等互電容效應的一最終測量值。
  18. 一種執行電容感測的方法，該方法包含：在一第一測量循環之一預定數目個測量相位期間在第一非作用感測線及第一非作用驅動線處驅動一第一電壓軌；在該第一測量循環期間測量一作用感測線； 在一後續測量循環之前，在該等第一非作用感測線及該等第一非作用驅動線處將一第一電壓變化驅動至一第二電壓軌；及在該第二電壓軌被驅動的同時且在該第一測量循環之一最末測量相位期間測量該作用感測線。
  19. 如請求項18之方法，其進一步包含組合在該預定數目個測量相位期間的該等測量及在該後續測量循環期間的該測量。
  20. 如請求項19之方法，其進一步包含在該後續測量循環之一開始測量相位期間在第二非作用感測線及第二非作用驅動線處將一第二電壓變化驅動至該第一電壓軌。
  21. 一種微控制器封裝，其包含：一數目個可程式化輸入/輸出(I/O)引腳；感測電路系統，其經組態以提供一或多個可測量信號，該一或多個可測量信號指示在該數目個可程式化I/O引腳之一或多者處的電壓變化；及一觸控控制器，其經組態以藉由下列步驟在一數目個測量循環期間提供一驅動屏蔽電壓：在一第一測量循環期間，將與非作用驅動線及非作用感測線相關聯的一或多個可程式化I/O引腳保持至一第一電壓軌；及在一最末測量循環期間，將與非作用驅動線及非作用感測線相關聯的該一或多個可程式化I/O引腳驅動至一第二電壓軌。
  22. 如請求項21之微控制器封裝，其中該觸控控制器係一嵌入式微控制器。
  23. 如請求項21之微控制器封裝，其中該第一電壓軌等於接地，且該第二電壓軌等於一供應電壓。
  24. 如請求項21之微控制器封裝，其進一步包含一數位控制匯流排，且其中該觸控控制器操作地耦接至該數位控制匯流排。
  25. 如請求項24之微控制器封裝，其進一步包含操作地耦接至該數位控制匯流排的通用輸入/輸出驅動器。
  26. 如請求項25之微控制器封裝，其中該等通用I/O驅動器可回應於由該觸控控制器提供至該數位控制匯流排的一或多個數位控制信號而組態。
  27. 如請求項24之微控制器封裝，其中該觸控控制器包含經組態以控制該數目個可程式化輸入/輸出(I/O)引腳的一或多者之一或多個自訂輸入/輸出(I/O)驅動器。
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