电容式运动传感器制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电容式运动传感器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。
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。概述提供了一种基于空间频率的电容式运动传感器及其操作方法。在一个实施例中，运动传感器包括感测单元阵列，以电容性地感测在表面的结构接近阵列时的电容变化。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来检测电容变化的至少一个空间频率分量，以及测量表面在平行于阵列的方向上的运动。在一些实施例中，处理电路和阵列还被配置成使得感测单元的间距和阵列的尺寸能够在操作中动态改变，以适应可能由表面的电容变化引起的不同空间频率，从而生成具有最大强度的关于运动正在被检测的表面的输出信号。本专利技术的实施例的另外的特征和优点以及本专利技术的各种实施方式的结构和操作在下面参考附图被详细地描述。应当注意，本专利技术不限于本文中描述的具体实施方式。本文中呈现的这些实施方式只是用于例证的目的。基于本文中包含的教导，另外的实施方式对于相关领域的技术人员将是明显的。附图简述现在将参考所附示意图仅以示例的方式描述本专利技术的实施方式，所附示意图中相对应的参考符号指示相对应的部分。而且，被并入本文且形成说明书的一部分的附图示出了本专利技术的实施方式，并且连同描述一起进一步地用来解释本专利技术的原理，并使得相关领域的技术人员能够开发并使用本专利技术。图1是电容阵列的一部分的示意性框图；图2是电容阵列的一部分的示意性表示，其中发射(Tx)电极被描绘为行，而接收(Rx)电极被描绘为列；图3是具有发射和接收复用器(MUX)的电容阵列的一部分的框图；图4A是基于空间频率的电容感测单元的线性或一维(1D)阵列的示意性框图；图4B是图4A的1D阵列的输出的曲线图；图4C是电容感测单元的1D阵列的示意框图，其包括使用用于从输出中消除DC分量的差分检测器组合的多个交错感测单元；图5是用于对一维运动的基于空间频率的检测的电容感测单元的1D阵列的示意性框图；图6A是用于对二维运动的基于空间频率的检测的电容感测单元的二维(2D)阵列的示意性框图；图6B是图6A的阵列中的感测单元块的示意性框图；图7是电容式运动传感器的示意性框图，其包括电容感测单元的阵列，并使用基于空间频率的检测来检测二维运动；图8A是运动传感器的一部分的框图，其包括具有预配置的发射复用器(MUX)和接收复用器的2D阵列、以及被配置成生成四个信号(CC、CS、SC、SS)中的第一信号(CC)的差分检测器；图8B是运动传感器的一部分的框图，其包括具有预配置的发射MUX和接收MUX的2D阵列、以及被配置成生成四个信号中的第二信号(CS)的差分检测器；图8C是运动传感器的一部分的框图，其包括具有预配置的发射MUX和接收MUX的2D阵列、以及被配置成生成四个信号中的第三信号(SC)的差分检测器；图8D是运动传感器的一部分的框图，其包括具有预配置的发射MUX和接收MUX的2D阵列，以及被配置成生成四个信号中的第四信号(SS)的差分检测器；图9A是图示发射复用器的第一替代配置的框图，其中，多个发射电极接地，以实现阵列的中心或峰值空间频率的动态调整；图9B是图示发射复用器的第二替代配置的框图，其中，多个发射电极接地，以实现阵列的中心或峰值空间频率的动态调整；图9C是图示发射复用器的第三替代配置的框图，其中，多个发射电极接地，以实现阵列的中心或峰值空间频率的动态调整；图10是用于操作基于空间频率的运动传感器的方法的流程图，该基于空间频率的运动传感器包括能够被配置为多频空间滤波器的电容感测单元阵列；图11A是图示了四个感测单元块的电容感测单元的2D阵列的一部分的示意框图；图11B是图示了对二维运动的基于空间频率的检测的替代配置的感测单元的2D阵列的一部分的示意框图；和图12是用于操作基于空间频率的运动传感器的方法的流程图，该基于空间频率的运动传感器包括配置为梳状滤波器的阵列；本专利技术的实施方式的特征和优点从下面结合附本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种运动传感器，包括：/n感测单元的阵列，所述阵列电容性地感测在表面的结构接近所述阵列时的电容变化；和/n处理电路，所述处理电路包括复用器和处理器，以处理来自所述阵列的用于测量所述表面在平行于所述阵列的表面的方向上的运动的运动相关输出信号，/n其中，所述处理器适于执行用于以下操作的程序：控制所述复用器以互连所述阵列中的所述感测单元，从而将所述阵列配置为梳状滤波器，以检测所述电容变化的至少一个空间频率分量，以及测量所述表面在平行于所述阵列的方向上的运动。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171214 US 62/598,618;20180320 US 15/926,1751.一种运动传感器，包括：
感测单元的阵列，所述阵列电容性地感测在表面的结构接近所述阵列时的电容变化；和
处理电路，所述处理电路包括复用器和处理器，以处理来自所述阵列的用于测量所述表面在平行于所述阵列的表面的方向上的运动的运动相关输出信号，
其中，所述处理器适于执行用于以下操作的程序：控制所述复用器以互连所述阵列中的所述感测单元，从而将所述阵列配置为梳状滤波器，以检测所述电容变化的至少一个空间频率分量，以及测量所述表面在平行于所述阵列的方向上的运动。


2.根据权利要求1所述的运动传感器，其中，所述阵列包括感测区域，所述感测区域比相对于所述阵列移动的所述表面小。


3.根据权利要求1所述的运动传感器，其中，所述阵列是二维阵列，所述二维阵列包括沿着至少两个非平行轴布置的感测单元。


4.根据权利要求3所述的运动传感器，其中，所述处理电路还包括差分检测器，所述差分检测器耦合在复用器和所述处理器之间，以根据来自所述二维阵列的输出信号生成包括同相信号和正交信号的四个信号，所述输出信号是由沿着所述两个非平行轴的运动引起的。


5.根据权利要求4所述的运动传感器，其中，所述处理器还适于处理所述四个信号，以生成在沿着所述两个非平行轴的每个方向上的矢量，其中，所述矢量的幅度代表所述正交信号的强度，并且所述矢量的方向的改变代表沿着所述两个非平行轴的运动。


6.根据权利要求5所述的运动传感器，其中，所述处理器还适于控制所述复用器改变所述感测单元的互连，进而改变由所述阵列中的所述感测单元感测的所述空间频率分量的频率。


7.根据权利要求6所述的运动传感器，其中，所述处理器还适于比较所述四个信号在由所述阵列中的所述感测单元感测的所述空间频率分量的不同频率处的强度，并且控制所述复用器来选择对于运动正在被检测的所述表面具有最大强度的输出信号的频率。


8.根据权利要求1所述的运动传感器，其中，所述阵列是互电容阵列，包括在第一方向上延伸的多个接收(Rx)电极和在不平行于所述第一方向的第二方向上延伸的多个发射(Tx)电极，所述多个Rx电极通过绝缘体与所述Tx电极分开，并且其中，Tx电极和Rx电极的每个交叉部形成所述阵列中的互电容感测单元。


9.根据权利要求1所述的运动传感器，其中，所述阵列是自电容阵列，包括耦合到所述处理电路并在第一方向上延伸的多个第一电极、以及耦合到DC电压电平并在不平行于所述第一方向的第二方向上延伸的多个第二电极，所述多个第一电极通过绝缘体与所述第二电极隔开，并且其中，第一电极和第二电极的每个交叉部形成所述阵列中的自电容感测单元。


10.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰·佛瑞姆，维克特·奎曼，安德理·里须顿，德米特罗·普伊达，
申请(专利权)人：赛普拉斯半导体公司，
类型：发明
国别省市：美国;US