具有噪声抑制的电容传感器制造技术

本公开涉及具有噪声抑制的电容传感器。一种用于例如在触摸界面中提供输出信号的传感器，该输出信号是感测电容的函数。该传感器包括分别在第一和第二相位中用于重复地施加第一和第二电压，以将感测电容充电到第一和第二充电值的充电器。采样器提供分别是该第一和第二充电值的函数的第一和第二采样信号。累计器使用累计器信号来提供输出信号。该累计器重复地递增地使用第一采样信号和递减地使用第二采样信号来提供累计器信号。该累计器信号是该感测电容的累进函数，但是倾向于消除在小于累计器的操作的重复率的频率处的第一和第二采样信号中的噪声。

Capacitive sensor with noise suppression

The present invention relates to a capacitive sensor with noise suppression. The utility model relates to a sensor which is used for providing an output signal in a touch interface. The sensor includes a charger for repeatedly applying first and second voltages in the first and second phases to charge the sensing capacitor to the first and the second charging values. The sampler provides first and second sampling signals that are functions of the first and second charging values, respectively. The accumulator is used to provide the output signal. The accumulator repeatedly and incrementally uses the first sampling signal and uses a second sampling signal to provide a cumulative signal. The accumulator signal is a progressive function of the sensing capacitance, but tends to eliminate the noise in the first and second sampling signals at a frequency that is less than the repetition rate of the operation of the accumulator.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及集成电路，并且更具体地涉及具有噪声抑制的电容传感器。
技术介绍
电容传感器可以被用于检测或测量诸如在电容触摸面板界面中的电容变化。电容界面的常见示例是触摸板和触摸屏。在电容触摸界面中，诸如人体手指或传导笔的导电物体的接近，改变触摸界面中的电场。电容传感器可以感测或测量物体相对于界面的物理位置或移动并且提供相应的模拟或数字编码输出信号。电容界面具有电容元件矩阵。感测界面中电容的变化经受干扰(称作噪声)的影响，其可能是由电源或邻近电路元件的传导，或由外部辐射的感测产生的。噪声可以处在比电容传感器的操作频率高或低的频率处。具有高水平噪声抑制的电容传感器将是有利的，特别适合用于在噪声环境中使用。附图说明通过参考随后在附图中示出的实施例的描述可以更好地理解本专利技术连同其目标和优点。图中的元件被简明和清晰示出并且不必成比例绘制。图1是可以实现本专利技术的电容触摸面板界面的截面图；图2是根据本专利技术的一个实施例的电容传感设备的示意性框图；图3是根据本专利技术的一个实施例的图2的电容传感设备的示意性电路图；图4是图3的设备操作中出现的信号相对时间的图；图5是图2的电容传感设备的另一个实施例的示意性电路图；以及图6是根据本专利技术的一个实施例的电容传感设备的又一个示例的操作中出现的信号相对时间的图。具体实施方式图1示出了可以实现本专利技术的电容触摸面板界面100。触摸面板界面100可以是控制分离显示器的触摸板(touchpad)，或触摸屏，其中显示屏集成在触摸面板下并且通过触摸面板界面100可视。电容触摸面板典型地具有诸如电容元件102的电容元件的阵列，其被嵌入在用户可以触摸的材料104的表面106下面的绝缘体材料104中。电容元件102可以并排形成在单层中，或者可以分别形成在行和列导体的两个叠层(未示出)中在行和列之间的交叉处。检测的电容可以是由手指或触笔形成的在电容元件和地之间的自电容。替代地，如图1中所示出的，检测的电容可以是在存在寄生电容CP的情况下的行电容元件和列电容元件之间的互电容CM。手指或笔108的接近改变静电场，如双头箭头示出，引入附加电容CF并改变互电容CM。图2示出用于提供输出信号NOUT的传感器200，该信号NOUT是连接到传感器200的感测电容CM的函数。图3和图5详细地示出传感器200的两个实现方式300和500。传感器200示出感测触摸界面100中的互电容CM，但是将理解，传感器200可以适合于触摸界面的其它技术，包括自电容触摸界面，并且更广泛地适于感测其它类型设备中的电容。传感器200、300、500包括充电器202、204，其分别用于以第一和第二相位Φ1、Φ2重复地施加第一和第二电压以将感测电容CM充电到第一和第二充电值。采样器206提供分别是第一和第二充电值的函数的第一和第二采样信号I3、I5。累计器208、210使用累计器信号VINT来提供输出信号NOUT。在提供累计器信号VINT中，累计器208、210重复地递增地使用第一采样信号I3和递减地使用第二采样信号I5。累计器信号VINT是感测电容CM的累进函数(progressive function)，但是倾向于消除在小于累计器的操作的重复率的频率处的第一和第二采样信号I3、I5中的噪声。累计器208、210可以包括其充电值是采样信号I3、I5的累进函数的累计器电容器CINT，并且累计器信号VINT是累计器电容器CINT上的充电值的函数。采样信号I3、I5可以是电流信号。采样器206可以包括电压到电流转换器M1、R1，用于将在感测电容CM处的电压V212转换成电流信号I1。累计器208、210可以包括至少第一电流镜M2、M3，用于控制累计器信号VINT的变化速率。第一电流镜M2、M3可以控制累计器信号VINT根据第一采样信号I3递增地变化的速率，并且可以控制电流I4至第二电流镜M4、M5的供应，该第二电流
镜控制累计器信号VINT根据第二取样信号I5递减地变化的速率。在存在至其它元件的寄生电容CP的情况下，感测电容可以是在阵列的电容元件之间的互电容CM。传感器200可以包括：开关阵列F3，用于通过第一连接212连接充电器来将预充电电压VPRE施加至选择的电容元件；和开关阵列F1、F2，用于在第一和第二相位Φ1、Φ2中的至少一个期间，通过第二连接214连接充电器来将修改电压V1、V2施加至选择的电容元件CM。采样器206可以连接至第一连接212以提供第一和第二采样信号I3、I5，同时充电器202、204与第一连接212断开。将修改电压V1、V2施加至第二连接214的充电器202、204在第一和第二相位Φ1、Φ2中的一个期间，可以将感测电容CM充电到比预充电电压VPRE所充电到的充电值高的充电值，并且在第一和第二相位Φ1、Φ2中的另一个期间可以将感测电容CM充电到比预充电电压VPRE所充电到的充电值低的充电值。替代地，将修改电压V1、V2施加到第二连接214的充电器202、204在第一和第二相位Φ1、Φ2中的一个期间，可以将感测电容CM充电到比预充电电压VPRE所充电到的充电值高的充电值，并且在第一和第二相位Φ1、Φ2中的另一个期间可以使感测电容CM处在与预充电电压VPRE所充电到的相同的充电值。更详细地，如图2中所示，累计器(208、210)具有噪声消除模块208和积分器模块210。噪声消除模块208在不同的感测(递增地和递减地)中将采样信号I3和I5施加到积分器模块210，来逐步地改变累计器信号VINT的值。累计器信号VINT被输入比较器216，比较器216将其与参考电压VREF进行比较。当累计器信号VINT分别等于初始电压和该参考电压时，比较器216输出信号。计数器220通过带通滤波器218，以时钟速率(测量的重复率)对在初始电压和参考电压VREF之间的累计器信号VINT中的步阶N的数量进行计数。该时钟速率(传感器220的操作的重复率)下的步阶N的数量是采取的时间的测量，是感测电容CM的累进函数，并且在发生触摸事件时和在没有发生触摸事件时是不同的。通过在提供累计器信号VINT中，由噪声消除模块208连续地递增地和递减地使用第一和第二采样信号I3、I5，消除了第一和第二采样信号I3、I5中在测量的重复率之下的频率处的噪声。在积分器模块210中对第一和第二采样信号I3、I5中在测量的重复率之上的频率处的噪声求平均。可以使用扩展频谱时钟(spread spectrum clock，SSC)的常规技术(其中测量的重复率周期性
地变化)降低第一和第二采样信号I3、I5中在与测量的重复率相同的频率处或在测量的重复率的倍数处的噪声。传感器200、300和500感测触摸界面100中的互电容CM，其中电容CM的两侧上的节点212和214是可访问以施加可变电压的。充电器(202、204)包括预充电器202和开关模块204。在操作中，在第一和第二相位Φ1、Φ2中的每个的开始，预充电器202将预充电电压VPRE施加至节点212。开关模块204具有用于将节点214连接到电源V1和V2的开关F1和F2。在该示例中，V1处在正电压VDD以及电源V2是地。在传感器300中，MOSFET M1、M4和M5是n型的，它们的源极连接到地(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于提供输出信号的传感器，所述输出信号是连接到所述传感器的感测电容的函数，所述传感器包括：充电器，用于分别以第一相位和第二相位重复地施加第一电压和第二电压以将所述感测电容充电到第一充电值和第二充电值；采样器，用于提供分别是所述第一充电值和所述第二充电值的函数的第一采样信号和第二采样信号；累计器，用于用累计器信号来提供所述输出信号；其中在提供所述累计器信号中，所述累计器重复地递增地使用所述第一采样信号和递减地使用所述第二采样信号，并且其中所述累计器信号是所述感测电容的累进函数，但是倾向于消除在比所述累计器的操作的重复率低的频率处的所述第一采样信号和所述第二采样信号中的噪声。

【技术特征摘要】
1.一种用于提供输出信号的传感器，所述输出信号是连接到所述传感器的感测电容的函数，所述传感器包括：充电器，用于分别以第一相位和第二相位重复地施加第一电压和第二电压以将所述感测电容充电到第一充电值和第二充电值；采样器，用于提供分别是所述第一充电值和所述第二充电值的函数的第一采样信号和第二采样信号；累计器，用于用累计器信号来提供所述输出信号；其中在提供所述累计器信号中，所述累计器重复地递增地使用所述第一采样信号和递减地使用所述第二采样信号，并且其中所述累计器信号是所述感测电容的累进函数，但是倾向于消除在比所述累计器的操作的重复率低的频率处的所述第一采样信号和所述第二采样信号中的噪声。2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述累计器包括累计器电容器，其充电值是采样信号的累进函数，并且其中所述累计器信号是所述累计器电容器上的所述充电值的函数。3.根据权利要求1所述的传感器，其中所述采样信号是电流信号。4.根据权利要求3所述的传感器，其中所述采样器包括用于将在所述感测电容处的电压转换成电流信号的电压到电流转换器。5.根据权利要求3所述的传感器，其中所述累计器包括至少第一电流镜，用于控制所述累计器信号变化的速率。6.根据权利要求5所述的传感器，其中所述第一电流镜控制所述累计器信号根据所述第一采样信号递增地变化的速率，并且控制对第二电流镜的电流供应，所述第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴晓雷，邱亮，
申请(专利权)人：飞思卡尔半导体公司，
类型：发明
国别省市：美国;US