TW201007176A - Adaptive capacitive sensing - Google Patents

Description

201007176 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大體上係關於半導體電路設計領域，更特定言之 係關於對適應性電容感測電路的設計。 【先前技術】 對許多電子製造商而言，優先考慮提供功能強大但使用 簡單同時保持為高度可靠的使用者介面。較風行介面中之 一些為觸碰螢幕及觸碰墊。觸碰螢幕及觸碰墊通常可偵測 在顯示器/墊區域内的觸碰位置，允許該顯示器/墊用作輸 _ 入器件，且在觸碰螢幕的狀況下’使用者可能直接與顯示 器之内容互動。此類顯示器/墊可附接至電腦，且已在新 近的個人數位助理（PDA)、膝上型電腦及衛星導航與行動 電話器件中變得越來越流行，從而使此等器件更為使用者 友好且有效。 許多觸碰螢幕/觸碰墊係基於電容感測原理設計的。此 類觸碰螢幕/觸碰墊之特徵可為用傳導連續電流通過感測 器之材料塗布的面板，其在水平軸線及垂直轴線兩者上展 © 現所儲存電子的精確受控電場以獲得電容。當該感測器的 正常電容電場（考慮其參考狀態）藉由另一電容電場（例如， ， 某人的手指）更改時’電子電路量測該參考電場之特性的 — 所传失真’且發送關於該事件的資訊至一控制器用於處 理。可用裸露的手指或用由裸露的手所持的導電器件來觸 碰電容感測器。 隨著市場上電容感測IC(積體電路）種類的不斷增多，甚 140154 201007176 至定製設計也變得更可出產。來自許多製造商（諸如， Analog Devices ^ Cypress Semiconductor ^ Freescale Semiconductor及 Quantum Research Gr〇up)的電容感測器 lc 提供了不同的電容感測方法，其中在確定使用者設定檔及 環境範圍上的按鍵資訊方面具有不同程度的可靠性。歸因 於經組態有觸碰式感測器之行動器件可經受之高度可變的 環境條件，該等器件尤其呈現顯著挑戰❶舉例而言，在一 時間，行動器件可在自由空間内，而在另一時間，其可經 «又置成緊鄰一 PC、手機或能夠在各種電場強度下發射不可 預測的頻率分量的其他電子設備。靜電放電係造成電容感 測器誤觸或不適當運作的另一可能原因，且水及其他污染 物可造成類似問題。為了克服此等及其他問題（諸如，隨 服度及時間的漂移），有時將觸碰式感測器IC嵌入持續地 校準系統之邏輯及類比子系統。藉由特徵化個別通道，此 等技術亦可適應具有迥然不同的使用者指紋及鍵設定檔的 小鍵盤，從而改良偵測及產品設計者的選項兩者。 為了預防歸因於瞬時無意觸碰、物件的接近、EMI(電磁 干優）或ESD(靜電放電）事件的錯誤觸發（faise triggering)， 一些電路已實施需要系統在暫存一觸碰之前偵測若干成功 樣本的投票式滤波器（v〇ting mter)。一些電路之特徵為實 施鄰鍵抑制（adjacent_key suppressi〇n)的信號處理邏輯，臨 鍵抑制為重複地量測每一鍵之信號強度以藉由識別最大信 號位準改變的區域來確定使用者之真正選擇*的反覆技術。 右選定鍵之信號保持高於一臨限值位準，則感測器忽略鄰 140154 201007176 近鍵。一些晶片亦實施自動漂移補償方案，自動漂移補償 方案在大多數狀況下充分作出回應以維持諸如可經歷相對 顯著溫度轉換速率之微波爐面板的應用中的偵測效能。當 無人觸碰感測器時，一演算法可週期性地估計每一輸入之 基線信號位準，從而調整偵測臨限值以維持恆定敏感度。 設計者可使用多種技術來設定臨限值位準。 在許多電容感測電路中，可設定雜訊及偵測臨限值兩 者，從而致使能夠對經歷頻繁環境改變的系統的持續軟體 校正，且努力設計用於溫度補償以維持使用恆定電流源方瘳 法的電路中電流源的準確性之方法。然而，現今產品的一 個缺陷仍然是其感測器對將不需要的大電磁信號耦合至 [觸碰]墊上之易感度，此情形通常使感測器輸出訛誤使得 錯誤觸碰被報告，或換言之，導致觸碰墊的錯誤觸發。耦 合量主要歸因於塾及連接至墊之元件的電路阻抗。一些電 容感測電路使用驰張振盪器，其甲振盪器的頻率定義電容 係正被偵測之電容。其他電荷轉移方法亦已用以確定電 容。然而，此等解決方案中之多數解決方案在高EMT環境 ® 的情況下很難保證適當操作，且錯誤偵測在許多PC應用中 已造成困擾。因此，存在對在高EMT環境中可靠地感測非 常小的電容改變而無錯誤偵測或感測器變盲（例如，未偵 測到任何電容改變）的需要。 在比較了此先前技術及如本文所描述之本發明之後先 前技術的許多其他問題及缺點對熟習此項技術者而言將變 得顯而易見。 140154 201007176 【發明内容】 -種電容感測電路可包含具有一信號路徑及一參考路徑 的一電阻電容式橋接電路，其中該信號路徑經組態以連接 至待偵測之電容。可將切換信號同時施加至該信號路徑及 • 胃參考路彳k，且可獲得—表示該參考路徑信號與該信號路 .㈣號之間的差的差信號。可藉由龍信號及切換信號進 行混頻/使兩者關聯來偵測小的電容擾動。應注意，如本 • X所描述，藉由對兩個信號進行混頻來執行關聯，其中由 該混頻操作產生的輪出指示兩個信號間的關聯程度。可使 用窄頻帶低通渡波器進行渡波混頻器/關聯器的輸出，以 實質上消除所有EMI信號。由於該窄頻帶方法允許滤除不 需要之信號，因此其致使能夠在易受高雜訊位準影響的系 統中的操作。該橋接電路亦可在按紐節點處提供低阻抗以 最小化麵易感度。以指定頻率增量對該切換信號進行頻 率步進可最小化頻帶内信號干擾，且允許在存在將以其他 _ 丨式導致感測電路失效之許多信號之情況下的操作。亦可 實施墊校準以使使用者盔雪拉 有”，、志特徵化母一按鈕通道電容且無 需按需求制定每一通道之操作。 一種感測裝置可包含具有-特定電特性(可為寄生電容) 的一介面器件（可為一按紐塾）、包括該介面器件的-感測 信號路徑、一參考信號路徑及一混頻器。該感測信號路徑 可經組態以由-控制信號驅動以獲得—輸入信號，該控制 信號可為具有-特定頻率的—週期性信號。該參考信號路 控可經組態以由該控制信號驅動以獲得一參考信號。該混 140154 201007176 頻器：經組態以產生表示該輸入信號與該參考信號之差的 ▲差L號JM吏該差信號與該控制信號關聯以獲得一輸出 L號’其中該輸出信號指示該介面器件之該特定電氣特性 的改變。 在-組實施例中，-種方法可包含藉由用具有—特定海 率之-切換信縣動—錢❹彳路縣產生—輸入信號， 其中該信號感測路徑包含具有—特定電特性的一介面器

件該方法可進一步包括:藉由用該控制信號驅動一參与 感、'】路瓜來產纟參考化號；產生表示該輸入信號與該參 考信號之差的-差信號；及藉由使該差信號與該控制信號 關聯來產生-輸出信號，其中該輸出信號指示該介面器科 之該特定電特性的改變。

-種RC橋接電路可經組態以使用關聯執行電容感測。 :感測信號路徑可包含__第—電阻器，該第—電阻器經組 態以搞接至具有—寄生電容的—按紐墊該寄生電容在使 一物件進入該按鈕墊之至少指定距離内時改變。一參考信 號路徑可包含純至-參考電容器的—參考電阻器…振 盪器可經組態以產生具有一特定頻率的一切換信號，且將 該切換仏號施加至該感測信號路徑以獲得一輸入信號，且 將》亥切換號施加至該參考信號路徑以獲得一參考信號。 該振盪器亦可將該切換信號提供至一混頻器。該混頻器可 經組態以產生表示該輸入信號與該參考信號之差的一差信 號，且使該差信號與該切換信號關聯以獲得一輸出信號。 該輸出信號將指示該按鈕墊的該寄生電容的改變。一資料 140154 201007176 轉換器可將該輸出信號之一經放大版本轉換為一數值。當 連續獲得的數值之間的差超過一指定值時，可設定一旗標 以指示在該按紐墊附近已偵測到一物件。 參考附圖及附圖之以下詳細描述’本發明的其他態樣將 變得顯而易見。 【實施方式】 可藉由在連同附圖閱讀時參考以下詳細描述來更澈底地 理解本發明之前述以及其他目標、特徵及優點。 本發明之各種實施例包含一種電容感測系統，其能夠偵 測可在一物件（諸如，指尖）靠近墊或觸碰墊時發生的墊上 之電谷增加。應注意，在許多實施例中，該塾的實際表面 可覆蓋有一絕緣層，在此種狀況下可認為該絕緣層係該墊 的一部分，且可將觸碰該墊解譯為觸碰該絕緣層。如圖1 中所展示’金屬墊104可組態於包含接地層1〇8的電路板 102上。金屬塾1〇4與接地層1〇8之間的電容藉由電容112說 明。將一物件（諸如，人體手指）置放成靠近墊1〇4或置放於 墊104上可導致墊104與接地之間的添加之電容，藉此増加 墊電谷。典型的寄生墊電容（亦即，電容112)的範圍可為5 pF至50 PF，而由人體手指帶來的典型電容增加可在1〇〇汴 至2 pF之範圍中。在一些實施例中，甚至當一物件（例如， 手指）與墊104相距一些距離時，亦可偵測到該物件/手指向 墊104的接近。此情形可導致對偵測小於〖仔（1 毫微微 法拉）之電容改變的要求。 如圖2中所展示，一種類型之電容感測裝置或系統包括 140154 201007176 一用於偵測分量值（component value)之小的改變的橋式電 路。圖2中所展示之電路可包含如所展示配置成封閉迴路 串聯的四個電容器（C丨-C4 ; 202-208)，其中一供應電壓Vs 施加至Ci 202與C4 208的共同節點且C2 204與C3 206的共同 節點繫接至共同參考（諸如，接地）。當(^/(：2的比率等於 C4/C3的比率時’節點210處的電壓v!等於節點2 12處的電 壓V2’因此由比較器214產生的誤差輸出將為零，該比較 器214可為差動誤差放大器。當將差電容AC添加到（^之 後，電壓將會改變如下：

Vs- C2

Cl 丄 + 丄 Ci + Ci c, +c2 C、 C2 C1C2 、Vs 在一組實施例中’為簡單起見’可設定c：4的值與Ci相同， 且可設定C3的值與C2相同。接著V2可計算為： (2) Fa

Ci + AC C2 + Ci + AC 、Vs 當，其可大致簡化為 (3) if AC«C2+Ci °

Ci + Ci 接著可獲得以下關係式： (4”2务-糕-点，為)。 如上述等式所指示的，電容差可導致％與％之間的小的電 壓差，該電壓差可由誤差放大器214所增益以提供一相 △C之線性誤差輸出。 140154 -10- 201007176

如先前所提及，使用諸如圖2所展示之橋接電路的電路 之系統的一個缺陷為感測器對不需要的信號至該墊上之大 電磁耦合的易感度，此情形使感測器輸出訛誤使得錯誤觸 碰會被報告。耦合量通常歸因於該墊及連接至墊之元件的 電路阻抗。圖3說明一 EMI源302可影響感測器電路306的 方式，該EMI源3 02可為來自電腦主板之數位切換雜訊或 板上切換式電源供應器引起的大的尖峰信號。額外EMI源 可包括可以50 kHz到200 kHz之速率切換且可具有~1 kV振 幅的LCD背光信號。手機亦可將高頻信號耦合至墊上。 若耦合電容Cc 304約為50 fF且墊電容Cpad 308為25 pF， 則在1 kV下將100 kHz背光信號耦合至墊上可得電壓為： • lkV = 2V > (5 ) VpadEMi

50JF 25 pf +50 fF 若，則其可為耦合電壓。若該墊阻抗包括μ，則耦合 信號將會減弱。舉例而言，將α設定為7 kD，則等式5可重

⑹ VpadEMI=7^^xkv， 其中/25# = 其中 =

jl7f25pF

河 5QJF 且將/的值設定為1 00 kHz，且，A 從而導致： 7t〇

(7) VpadEMi = —^―· 1狀=/).2197 或 219mV@900 -j32MQ 較低的墊阻抗可將對EMI的易感度減小如下所示的一數量 級： 140154 11 201007176 (8) ^ = 0.11。 參 許多現今的實施使用一馳張振盪器。圖4展示此實施的 一實例’其具有DC電流源402及比較器408，其中僅藉由 Cpad 404設定墊阻抗且因此極易受EMI信號影響。該比較器 的反相輸入端可經由開關406耦接至接地。此方法的另一 個缺陷在於以下事實：靠近驰張振盪器之振盪頻率的任何 h號可導致該振盪器鎖定干擾性EMI信號且一旦經鎖 疋’感測器便不能债測墊上的電容改變。 ❹ 圖5展示根據本發明之一實施例設計以執行電容感測之 裝置的方塊圖。該裝置可包含RC(電阻-電容）橋接電路， /、中切換信號同時施加至包含待^貞測之電容的信號路徑 及參考信號路徑。可藉由對自該參考路徑信號及該墊信號 路m獲得的差信號與該切換信號進行混頻，使兩者關 聯來制信號路徑中小的電容擾動，且可㈣擾動進行遽 波使付實質上消除所有EMI信號以達成高解析度。該橋接 電路可經組態以在按鈕節點處提供低阻抗以最小化麵易 感度…窄頻帶方法可允許濾除不需要之信號，因此致使 能夠在易受高雜訊位準影響之系統中的操作。該切換信號 播頻率步進（Frequeney仙响g)可最小化頻帶内信號干 ，且允許在存在將以其他方式導致感測電路失效之許多 ^號之情況下的操作。 呆作亦可實施自動墊校準（pad rirati°啦使得使用者無需特徵化每—按鈕通道電容且 …、需按需求制定每一通道之操作。 現將描述包含在圖^ _ 在圖5所展不之裝置中的各種組件及元 140154 12 201007176 件。 一圖5中所展不’ A1 5〇6及A2 5〇8可為緩衝器該等緩 '_ 、有適於每緩衝器可驅動之負載的驅動強度。舉例 而a，緩衝器508的負載可包含與耦接至一參考電壓（諸 乜號接地）之墊電容Cpad 512串聯的電阻Rp“ 5〇5。Rpd 505可為感測裝置内部的電阻，且Cpad 512可表示墊5i〇的 電特性，更具體言之表示寄生塾電容。再次參看圖1，圖5 中之墊510可對應於圖J中之金屬墊1〇4，且圖^中之電容

512可對應於在電路板102上形成的寄生電容112。因此， 墊510可包含展示於圖！中之金屬結構。緩衝器5〇6的負載 可包含與耦接至接地之内部（感測裝置内部）電容Cm 5〇2串 聯的内邛（感測裝置内部）電阻Rint 5〇4。電阻器$⑽及電容 器502的各別值（更具體言之，其Rc時間常數）可標稱地設 定在由内部電阻505及寄生電容512定義的預期RC值的範 圍中間。接著可在校準模式中調整電阻5〇5使得分別由電 阻器504/電容器502及電阻器505/電容器512定義的兩個時 間常數實質上相等。以下將進一步論述可與圖5的感測裝 置一起使用的可能校準方法》 OSC 514可為較佳在可驅動緩衝器506及508的頻率f〇下 具有50%之作用時間循環的振盪器。振盪器514亦可將信 號LO提供至關聯器/混頻器元件5 18。LO可具有一與施加 至緩衝器506及508之信號的相位相同的相位。振盪器514 亦可將LO的互補信號（亦即，180。異相）提供至關聯器/混頻 器元件518。在更複雜的實施中，振盪器514亦可經組態以 140154 •13· 201007176 將正交（-90。及-270。）信號提供至關聯器/混頻器元件，且可 在頻率上進行步進以最小化EMI信號對墊的影響。在一組 實施例中，Rpad 505及Cpad 512可形成用於緩衝器5〇8至墊 510之輸出信號的簡單RC濾波器，從而產生如展示於圖6 中所展示之時序/信號圖中的墊信號。 較佳地，由111)3(15〇5及（：138£1512形成的極點可處於如（9)中 定義的頻率fG。當在此條件下操作時，.可僅藉由Cpu之小 的改變來獲得最大振幅及相位改變。

在頻率下之墊信號在3fQ、5fG等下具有諧波’但最大分量 可在基頻fG，其在滿足等式（9)之條件時可偏移_45。。基頻 的振幅及相位可表達如下：

藉由應用如等式9中表達的時間常數’等式1〇可重寫為：

伴隨Cpad512内的小△(：改變（可由手指觸碰引起）的振幅及 (11) PADSIGNAL = Vs 1 1 相位的改變（例如）可計算如下

若^^△，則等式11可重寫為： ACf Cpad 140154 -14- 201007176 (13) PADSIGNAL = Vs.--J._^_加-丨（1+ △)。

Rint 504 及 Cint 502 可形成與由 Rpad 505 及 Cpad 512 形成iRC 濾波器相似的濾波器。較佳地，由Rint 5〇4及Cint 5〇2形成 的極點將與由Rpad 505及Cpad 5 12形成的極點具有相同值， 從而導致： 2^tf〇 (14) ^ 因此’在參考路徑處的信號可表達如下： (15) REF信號1 。 V2 V2 藉由此等兩個路徑及信號，可形成如圖7所展示的橋接網 路。

圖7的電路說明可由分別對應於來自圖$之内部電阻504 及内部電阻505之電阻702及706以及分別對應於亦來自圖5 之内部電容器502及（寄生）整電容512之電容器7 04及708形 成的橋接網路。關聯器/混頻器元件710_對應於來自圖5的 關聯器/混頻器元件5 1 8-可用以獲得參考信號（對應於圖5之 INb的REF信號）與墊信號（對應於圖5<ΙΝ的墊信號）的差信 號’且使該差彳§號與本地振盈器（例如，圖5之振盘器514_ 未展示於圖7中）關聯以產生一經偵測輸出（對應於圖$之 OUTb及 OUT)。 圖5中所展示之帶通濾波器（BPF)5丨6及52〇在兩個路徑中 是相同的。每一BPF(5 16及520)可包含一與一低通濾波器 (LPF)串聯之高通濾波器（HPF)，使得通過濾波器在基頻心 140154 15 201007176 下的總相移為+45° ’高通濾波器在基頻^下可具有+67·5。 的相移’且低通濾波器在基頻6下可具有22.5。的相移。 此等相位值係借助於實例在此處提供以呈現較佳實施例， 但各種其他實施例在需要時特徵可為不同相移值。BPF 5 16及520亦可經組態以使其各別輸入信號衰減使得bpf 5 16及520的各別輸出信號位準處於關聯器/混頻器元件518 之輸入的動態範圍之内。圖8中展示了一個可能的BPF實 施。在此實施中，BPF可包含一如所展示與一 LpF(電容器 810及電阻器808)串聯之HPF(電容器802及電阻器804、 ⑩ 806)以基於一輸入（IN)產生一輸出（output)。 關聯器/混頻器元件5 1 8可為一經組態以將IN與INt>之差 與來自振盪器514之信號（LO及LOb)相乘的差動混頻器/關 聯器。基頻f〇可自緩衝器508的輸出在相位上偏移_45。至墊 510，且基頻可自墊510偏移+45。通過BpF 52〇，從而產生 自緩衝器508(及因此振盪器514的輸出）至關聯器/混頻器元 件518之輸入（IN)的_45。+45。=〇。之總相移。此種關係亦適❹ 用於自振盪器514通過緩衝器506&BPF 516至關聯器/混頻 器兀件518輸入（INb)的替代路徑，從而在彼路徑中亦產生 〇°之總相移》 若在兩個輸入IN及INb之間沒有差異-例如，若不存在由 ‘ 手指觸碰引起的AC-則至關聯器/混頻器元件518中的^與 INb之差為零，從而產生一零輸出信號。若墊51〇上存在擾 動（例如，手指觸碰），且因此在總寄生電容5 12申存在一差 值AC，則墊510之信號路徑中的信號（通過緩衝器5〇8)可相 140154 -16- 201007176 對於參考信號路徑中的信號（通過緩衝器506)發生改變，且 可具有兩個獨立分量（一振幅差誘導信號及一相位差誘導 信號）。 振幅誘導信號可特徵化如下： (1 6 ) 乂 cos(2;^V + 0) — j ’ cos(2;^〇i+Θ) = (4—j’) cos(2^f〇/+Θ)， 其中

(17)

A=H (18) ,

Vl + α + Δ)2 且 (19) (1 + Δ)2 =ι + 2Δ + Δ2 η + 2△(若 A<<1)， 從而導致： (20) A'^ — Vs - ^

^2 + 2Δ V2*Vl + A 自A減去A’ ：

(21“一Ί-， 從而導致： ,^ λ/ΓΓδ-ιV2(~vTT^)w72 因此組合（16)及（22): (22) Α-Α'

Vs (λ/ΓηΔ-Ι) ° (2 3 )乂 cos(2;?/V + 6») 一 / cos(2初 + 的=| c〇s(2奋^ + 的。 如上述等式所指示，由於對於任何振幅差誘導信號（分 140154 •17- 201007176 量）可能不存在信號相移，因此可較佳在頻率fG下使差信號 與0°相移關聯，其中0°相移係相對於振盪器5 14至緩衝器 506及緩衝器508的輸出。 相位誘導信號（分量）可特徵化如下： (24) Acosp.7rfot + Θ)-Acos{l7f〇t + Θ +/S.&) 5 其中ΔΘ表示歸因於由對墊之擾動引起之AC的相移。以下 等式可用以進一步特徵化該信號： (25) cosm-cosv = -2sin(M;V)sin(M^V)， 其中 (26) w = 2咖+ Θ， 且 (27) ν = 2<ο，+ 0 + Δ0 ° 表達式24可接著重寫為： (28) Acos{l7f0t + Θ)-Acos(27f0t + θ + ^.θ) 5 從而得出： 其亦可重寫為： -Λ<9 -Λί9 (3 0) ~2Αύη(2^ί-\-θ-\- ——)sin(——) 若則表達式30可重寫為： 140154 -18 - 201007176 (31)-V^sin(^|^)sin(2^V + 0+^)° 若ΔΘ非常小，貝ij 门,、-厂 Νθ、 Αθ (3 2) sin(-^—)«-— > 且 Δ.Θ s\n{27f 〇t + θ) (33) sin(2^f 〇ί + θ + ^-)» sin(2^ΰί + θ) = ^j= < 其中ΔΘ係以弧度為單位。因此，當

(3 4) ΑΘ = -(tan-11 - tan-1 (1 + Δ))(且 tan-11 = %)。 圖13中之表展示振幅差分量對關聯器/混頻器元件518之 輸出及相位分量對輸出的貢獻之一實例。由於相位誘導△ 分量相移90°(sin對cosine)，因此為了憤測此分量，一第二 關聯器/混頻器元件可添加有一正交信號以使其與輸入信 號差（IN-INb)關聯。因此，關聯器/混頻器518可因此包含 兩個混頻器元件。圖9中展示此配置的一實例，其中關聯 器/混頻器900包含混頻器/關聯器元件902及904，其中混頻 器/關聯器元件902可偵測振幅差誘導信號分量，且混頻器/ 關聯器元件904可偵測相位誘導信號分量，如上所論述。 再i參看圖5，耦接至混頻器/關聯器518之輸出（分別為 OUT及OUTb)的兩個低通濾波器（LPF)可由RLPF(分別為524 及526)及CLPF(分別為522及528)形成，其中每一 LPF的RC 時間常數大致與資料轉換器532的轉換時間相等。總得來 說，確定每一 LPF的RC時間常數使得基於轉換時間最佳化 輸出信號（OUT及OUTb)之信雜比（SNR)。舉例而言，在一 140154 -19- 201007176 些實施例中’若資料轉換器532對輸入做2.5 ms的積分（例 如’使用一積分式ADC或ΑΣ ADC)，則該LPF的最佳頻寬 約為120.6 Hz。圖5中所展示的增益放大器530可向關聯器/ 混頻器元件5 1 8的輸出提供增益以匹配資料轉換器532的動

態範圍（具體言之，若資料轉換器532為一 ADC，則該ADC 的動態範圍）。資料轉換器532可為任何積分式ADC、逐次 逼近式暫存器（SAR)或將在指定轉換時段（在所論述實施例 中為2.5 ms)内進行積分或在轉換時段（在此實施例中為2 5 ms)結尾處取樣一次的快閃轉換器（flash converter)。取樣❹ 時間及樣本數目給定為實例且並不意謂將各種實施例限於 所提供之指定數目。在一些實施例中，資料轉換器532可 包含一由放大器530驅動的電壓頻率轉換器（VTF)。輸出頻 率將隨著放大器輸出信號之增強而降低。VTF轉換器的輸 出信號可用以形成一用以對系統時脈進行計數的啟用視窗 (enable window) ° 基於驅動電壓頻率轉換器（VTF)之放大器的資料轉換器 ❿ 之一實施例展示於圖1〇中，其中選定相應信號之波形展示 於圖11中。如圖10中所展示，一控制輸入（例如，其可自 放大器530的輸出獲得）可由VTF 1〇〇2使用以產生一頻率輸 出VTFout ’該頻率輸出¥1^〇加可提供至計數器1〇〇4。計 數器1004可開始對VTF輸出頻率VTF〇ut(例如，2〇〇 kHz)下 才曰定數目之脈衝（例如，512個脈衝）進行計數。計數器1〇〇4 亦可經組態以在轉換信號1〇1〇經確立後便針對脈衝計數之 持續時間確立一啟用信號（en)，且將該啟用信號提供至計 140154 -20· 201007176 數器1006。計數器1006可經組態以在啟用信號經確立的同 時對系統時脈1008的循環進行計數，且如所展示產生一通 過Data_out線的結果。隨著VTF輸出頻率VTFout降低（例 如，可由使一物件緊密接近墊510引起），啟用脈衝的長度 可增加，因此計數器1006可對系統時脈1008的更多循環進 行計數。圖11中的時序圖展示圖10中所展示之實施例的 VTFout(波形1102)、轉換信號1010(波形1110)、啟用信號 1012(波形1104)及clk_in(波形1106)的波形。如先前所提 及，頻率及計數值係作為實例來提供，且不同實施例可基 於各種系統考慮所需的不同值來設計。 為了偵測一觸碰（其中存在電容改變），ACowni或給定墊 (例如，墊510)上之連續轉換之間的計數差值將超過一臨限 計數值，且因此設定一旗標以指示按鈕（墊）觸碰。若系統 增益係使得給定電容改變（例如，2 pF之AC)在VTF頻率上 產生一指定百分比（例如-20%)之偏移，則連續非觸碰至觸 碰轉換的△計數可為： (3 5) ACount = Countrouch — CountN〇T〇«ch， 其中 >10#//2 = 32,000個計數 (36) CountTouch ' 512 (1-0.2)· 200kHz 且 <12 (3 7) CountN〇T〇uch = —— · 1 OM/fe = 25,600個計數， 200kHz 其中 140154 •21- 201007176 (38) Δ(：〇ι^=32,000_25,600=6,40(ΗΜ1^。 對於100 fF的觸碰，計數數目將線性地按比例調整為·· (3 9 ) · 6,4〇〇 =酬固計數。 校準 再次參看圖5,為了對不同Cpad 512電容執行校準，每一 按鈕可具有未必與其他按鈕相同的電容值，但如前所註明 電容值可在指定範圍内（例如，在某些實施例中為5 pF至5〇 pF的範圍）。用於來自振盪器514之信號的兩個路徑可相互鲁 匹配且可具有一指定相移（在一些較佳實施例中為大致 相移）。因此， (39)

RpadCpad — RjntCint —--- ο 2^〇 此可藉由在每一墊上僅存在寄生電容時對該墊執行校準常 式來達成。在一組實施例中，内部電阻Rpad 505之值可在 值上進行步進，或内部電容器可連接至Cpad 512(在圖5中 展不為電谷器513，其可切換地耦接至節點517以將電容器粵 513耦接於節點517與參考接地之間）以在關聯器/混頻器元 件518的輸出（OUT_〇UTb)獲得一指定電壓值該電壓值在 某些較佳實施例中可為大致〇 v。在一組實施例中，—個 逐-人逼近常式可用以儘可能有效率地執行Rpad 5〇5之值的 步進。為了精密的調整，亦可對内部電阻尺…5〇4之值進行 步進。（〇UT-OUTb)之指定電壓值（在此實施例中為〇 v)可 接著變成對於資料轉換器（例如，VTF轉換器）之輸入的高 140154 -22· 201007176 動態範圍的最佳值。 EMI易感度 對於OUT及OUTb處的極窄頻帶濾波器（例如，4〇〇 Hz)， 當OUT及OUTb處的經偵測信號（其可指示電容，或更具體 . 言之指示墊51〇處的電容改變）係處於DC位準時，耦合至墊 510上的所有其他信號可受到很大衰減。僅在振盪器514之 頻率f〇的指定頻率值（例如，在一些實施例中為〜4 kHz)内 參 的彼等信號可落入OUT及OUTb處的頻帶内。另外，落入 頻帶内的任何信號可進一步由資料轉換器532(或VTF轉換 器，例如，如圖10所展示）進行積分。為了進一步減小對 頻帶内信號的易感度，振盪器514可使用指定頻率步階（例 如，在某一實施例中為1 kHz步階）來跳頻，使得任何頻帶 内信號僅為頻帶内轉換時間的1/N，其中頻率步階的數 目。 圖12A及圖12B展示根據圖5中所展示之電容感測器裝置 鲁建置之電容感測電路的一電路實施例。雖然以上實施例已 受到相當詳細的描述，但其他版本係可能的。一旦充分地 瞭解了以上揭示内容，眾多變化及修改對熟習此項技術者 而言便變得顯而易見。以下申請專利範圍意欲經解譯以包 含所有此等變化及修改。注意到，本文中所使用的段落標 題僅用於組織目的且並不意謂限制本文中所提供之描述或 附於此之申請專利範圍。 【圖式簡單說明】 圖1為說明根據先前技術之原理的電容感測墊的圖； 140154 •23· 201007176 圖2為說明根據先前技術之原理組態的一橋式電容感測 電路的圖； 圖3為說明根據先前技術之原理的一 EMT源影響感測電 路之方式的圖； 圖4為根據先前技術之原理的組態有一馳張振盡器的電 容感測電路的電路圖； 圖5為根據本發明之原理的電容感測器裝置的一實施例 的圖； 圖6展示指示選擇來自圖5之裝置的信號之行為的波形； 圖7展示根據本發明之一實施例的橋式電容感測電路組 態； 圖8展示用於圖5之裝置中的帶通濾波器的一可能實施 例； 圖9展示來自圖5之組態有零度相位關聯器/混頻器元件 及正交關聯器/混頻器元件的混頻器之一實施例； 圖10展示用作圖5之裝置中之資料轉換器的電壓頻率轉 換器電路之一實施例； 圖11展示指示選擇來自圖10之電壓頻率轉換電路的信號 之行為的波形； 圖12A及圖12B展示圖5之裝置的一可能實施的一部分的 電晶體圖；及 圖13展不具有振幅差分量在關聯器/混頻器元件之輪出 處及相位差分量在輸出處之貢獻的實例值的表。 雖然本發明易受到各種修改及具有各種替代形式，但是 U0154 201007176 其特定實施例在圖丨中借助於實例來展示且將在本文中加 以詳細描述。然而，應理解，附於本發明之該等圖式及詳 細描述並不意欲將本發明限於所揭示之特定形式，而是正 相反，本發明將涵蓋在如由隨附申請專利範圍所定義之本 發明之精神及範疇内的所有修改、等效物及替代例。注意 到，諸標題僅用於組織目的且並不意謂用以限制或解譯描 述或申請專利範圍。此外，注意到，字「可」貫穿本申請 • 案係在許可意義（亦即，可能、能夠）上而非在強制意義（亦 即，必須）上使用。術語「包括」及其衍生詞意謂「包 括，但不限於」。術語「連接」意謂「直接或間接連接」， 且術語「耦接」意謂「直接或間接連接」。 【主要元件符號說明】 102 電路墊 104 金屬墊 108 接地層 112 寄生電容 202 電容器q 204 電容器C2 206 電容器c3 208 電容器c4 210 節點 212 節點 214 比較器 302 EMI源 U0154 -25- 201007176 304 306 308 402 404 406 408 502 504 505 506 508 510 512 514 516 517 518 520 522 524 526 528 530 耦合電容Cc 感測器電路 墊電容Cpad DC源

Cpad 開關 比較器 内部電容器/電容cint 内部電阻器Rint/内部電阻/電阻器/電阻Rin 内部電阻器Rpad/内部電阻/電阻Rpad 緩衝器 緩衝器 墊 (寄生）墊電容Cpad 振盪器（OSC) 帶通濾波器（BPF) 節點 關聯器/混頻器元件 帶通濾波器（BPF)

Clpf

Rlpf

Rlpf

Clpf 增益放大器 140154 -26- 201007176

532 資料轉換器 702 電阻 704 電容器 706 電阻 708 電容器 710 關聯器/混頻器元件 802 電容器 804 電阻器 806 電阻器 808 電阻器 810 電容器 900 混頻器/關聯器 902 關聯器/混頻器元件 904 關聯器/混頻器元件 1002 VTF 1004 計數器 1006 計數器 1008 系統時脈 1010 轉換信號 1012 啟用信號 1102 波形 1104 波形 1106 波形 1110 波形 140154 -27-

Claims (1)

1. 201007176 七、申請專利範圍： 1. 一種感測裝置，其包含： 第負載組件，其經組態以耦接至具有一特定電特 性的—介面器件’其中該第-負載組件及該介面器件的 該特定電特性一起形成一第一負載； 一感測信號路徑，纟包含該第—負載組件，其中該感 測信號路徑、經組態以由具有一特定頻率的一週期性控制 “號驅動以獲得一輸入信號； 一參考信號路徑，其包含一第二負載，該第二負載形 成與由該第一負載形成之一極點相當的一極點，其中該 參考彳》號路控經組態以由該控制信號驅動以獲得一參考 信號； 一混頻器，其經組態以： 產生表示該輸入信號與該參考信號之一差的一差信 號；且 使該差信號與該控制信號關聯以獲得一主輸出信 號； " 其令該主輸出信號指示該介面器件之該特定電特性之 值的一改變。 2·如請求項1之感測裝置，其中該介面器件為一感測墊， 且該特定電特性為對應於該感測墊的一寄生電容。 3.如請求項2之感測裝置，其中對應於該感測墊之該寄生 電容之值的該改變受以下各項甲之一或多者影響： 接近該感測墊的一物件；或 140154 201007176 觸碰該感測墊的—物件。 4. 5. 6.

   如請求項3之感測裳置，其中該物件為一人體手指。 如請求項2之感測裝置，其中該第一負載組件為—第一 電阻器，且該第—負載包含—第二電阻器及—電容器。 月求項1之感测敦置，$中該感測信號路徑及該參考 信號路徑各自包含經組態以由該控制信號驅動的一各別 .衝器其中該輸入仏號係基於該感測信號路徑中之該

   各別緩衝器的-輸出，且該參考信號係基於該參考信號 路徑中之該各別緩衝器的一輸出。 ° , ㈣求項1之感測裝置，其中該感測信號路徑及該參考 信號路徑各自包含一各別帶通濾波器； 其中該感測信號路徑中之該各別帶通濾波器係由來自 該介面器件的一輸出予以驅動，且其中該輸入信號係基 於該感測信號路徑中之該各別帶通濾波器的一輸出；且 其中該參考信號係基於該參考信號路徑中之該各別帶 通滤波器的一輸出。

   8·如凊求項7之感測裝置，其中該等各別帶通濾波器係相 同的。 9·如请求項7之感測裝置，其中該等各別帶通濾波器經組 態以使其各別輸入信號衰減，使得該輸入信號及該參考 信號的各別位準在該混頻器的一動態範圍内。 1〇·如請求項1之感測裝置，其進一步包含一振盪器，該振 盡器經組態以產生該控制信號且將該控制信號及該控制 信號之一互補信號提供至該混頻器。 140154 201007176 η·如請求項之感測裝置’其中該振盪器進一步經組態以 將正交信號提供至該混頻器。 12. 如請求項1()之感測裝置，其中該振逢器經組態以在頻率 上按指定增量進行步進以最小化電磁干擾（emi)信號對 該介面器件的影響。 13. 如求項1G之感測裝置’其中該振i器具有-5〇%的作 用時間猶環。 • A如：求項1之感測裝置，其進一步包含-資料轉換器， 該貝料轉換器經組態以基於該主輸出信號產生一數值。 15. 如請求項14之感測裝置，其進一步包含一放大器，該放 ^器經組態以接收該主輸出信號，且將該主輸出信號的 -經增益版本提供至該資料轉換器，以匹配該 器的—動態範圍。 16. 如請求項15之感測裝置，其中該資料轉換器包含： 一電屢頻率(VTF)轉換器，其經組態以基於該主輸出 擊 、唬的該經增益版本產生一VTF輸出信號； 第—叶數_，其經組態以對該VTF輸出信號之第一 ^目個循環進行計數，讀對該第—數目個循環之持續 時間確立一啟用信號；及 、· -第二計數器’其經組態以在該啟用信號經確立的同 、對一系統時脈之第：數目個循環進行計數，且產生一 表不該第二數目個循環的數值。 7.:明求項14之感測裝置其中該資料轉換 中之一者： ，分喟 J40154 201007176 一類比數位轉換器（ADC); 一積分式ADC ; 一逆躓逼迓式暫存器（SAR);或 一快閃轉換器。 18·:=Γ感測裝置’其中可針對該介面器件之該特 性=預設值調整該第1載組件及該第二負載 配該第一負載與該第二負載，從而校 準該感測裝置。 19.如請求項!之感測裝置’其進—步包含—電容…電 容器經組態以可切換地辆接於參考接地與㈣—負載植 件及該感測器件之-共同節點之間，以針對該介面器件 之該特定電特性的-預設值匹配該第一負載與該第二負 載’從而校準該感測裝置， ❹ 其中當該電容器搞接於參考接地與該第一負載組件及 該感測器件之該共㈣點之間時，該第—負載組件、該 介面器件的該特定電特性及該電容器一起形成該 _±la 只 载0 如明求項1之感測裝置，其中該感測裳置組態於一積體 電路上。 21‘ 一種方法，其包含： 用具有一特定頻率的一週期性控制信號驅動一信號感 測路徑以產生一輸入信號，其中該信號感測路徑包含具 有—特定電特性的一介面器件； 用該控制彳§號驅動一參考感測路徑以產生一參考_ Π0154 -4- 201007176 號； —差的一差信 主輸出信號， 電特性之值的 產生表示該輸入信號與該參考信號之 號；及 使該差信號與該控制信號關聯以產生— 八t汶輪出信號指示該介面器件之該特定 一改變。 22.

   如凊求項21之方法’其中該信號感測路徑進 接至該介面器件的一第一負載組件； 步包含耦 該方法進一步包含針對該介面器件 一預設值調整該第一負載組件的一值 號達到一大致為零的值。 之該特定電特性的 直至該主輸出信 23.如請求項22之方法 載組件； 其中該參考感測路徑包含— 罘一負 之該特定電特性的 ，直至該主輪出信

   該方法進一步包含針對該介面器件 一預設值調整該第二負載組件的一值 號達到一大致為零的值。 24. 如請求項23之方法，其中該調整該第一負載虹件之 及該調整該第二負載組件之一值係同時執行的。 25. 如請求項21之方法’其中該關聯包含以下各項中之 多者： 一或 使該差信號與該控制信號之一零相移版本關聯以僧測 該輸入信號之—振幅差誘導分量；或 ， 使該差信號與該控制信號之一-90度相移版本關聯以偵 測該輸入信號之—相位誘導分量； 140154 201007176 誘導分量及該輸入信號之 <該特定電特性之該值的 其中該輸入信號之該振幅差 該相位誘導分量係該介面器件 一改變的一結果。 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 物件靠近該介面 如請求項21之方法’其進一步包含使— 電特性之該值的該改 器件以影響該介面器件之該特定 變0 如請求項26之方法，其中該物件為—人體手指。 如請求項21之方法，其進一步句冬脸分+从， 六疋艾包3將该主輸出信號轉換 為一數值。 如請求項28之方法，其進-步包含根據在該轉換期間消 逝的-轉換時間來對該主輸出信號進行滤波，以最佳化 3亥主輸出信號的一信雜比（SNR)。 如請求項28之方法，其中該將該主輸出信號轉換為一數 值包含··放大該主輸出信號；及將該經放大之主輸出信 被轉換為該數值。 如請求項28之方法，其進一步包含： 複數次執行該轉換以獲得複數個數值；及 當該複數個數值中之任何兩個連續者之間的一差超過 一指定值時，設定一旗標以指示一物件已接近該介面器 件。 一種電路，其包含： 一感測信號路徑，其包含一第一電阻器，該第一電阻 器經組態以耦接至具有一寄生電容之一按鈕墊該寄生 電容在使一物件處於該按鈕墊的一指定距離内時改變； 140154 201007176 一參考信號路徑’其包含耦接至一第一電容器之一第 二電阻器； 一振盪器’其經組態以： 產生具有一特定頻率的一切換信號； .將該切換信號施加至該感測信號路徑以獲得一輸入 信號； 將該該切換信號施加至該參考信號路徑以獲得一參 考信號；及 • . „ 一混頻器，其經組態以： 產生表示該輸入信號與該參考信號之—差的一差信 號；且 使該差信號與該切換信號關聯以獲得一主輸出信 號； 其中S亥主輸出信號指示該按鈕墊之該寄生電容的一改 變。 ❿33.如請求項32之電路，其進一步包含一資料轉換器，該資 料轉換器經組態以產生表示該主輸出信號的一數值。 .34.如請求項33之電路’其進一步包含—放大器該放大器 經組態以放大該主輸出信號以產生具有在該資料轉換器 之-動態範圍内之-值的—經放大之主輸出信號，其中 該貝料轉換器經組態以自該經放大之主輸出信號產生該 數值。 35·如請求項32之電路，其推—丰—人 ， „ 夬進步包含一低通濾波器，該低 通濾波器經組態以對該主輸出信號進行濾波以使耦合至 140154 201007176 該按鈕墊之電磁干擾（EMI)信號衰減。 3 6.如請求項32之電路，其進一步包含該按鈕墊。 140154