專利名稱：差動(dòng)觸膜傳感器及其控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及觸摸面板系統(tǒng)，更具體地，涉及附加在基底的一側(cè)、用來檢測用戶接觸基底相對側(cè)的觸摸傳感器。
在各種應(yīng)用中都使用觸摸面板，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械開關(guān)例如烤箱、微波爐及其它。與機(jī)械開關(guān)不同，觸摸面板不含容易斷裂或磨損的移動(dòng)部件。使用基底的機(jī)械開關(guān)需要多種穿過基底的開口，用以安裝這些開關(guān)。這些開口，以及開關(guān)本身上的孔洞，使得灰塵、水及其它污物穿過基底或納入開關(guān)中。某些環(huán)境含有大量能穿過基底開口的污物，引起短路或損壞基底下的元件。然而，觸摸面板可在基底上沒有任何開口的一連續(xù)基底板上形成。還有，由于觸摸面板上沒有開口以及積攢灰塵和其它污物的凹陷，因而很容易清潔。
現(xiàn)有觸摸面板在設(shè)計(jì)上都有附在基底兩側(cè)上，即設(shè)置在基底的“前”表面和基底的“后”表面上的觸摸墊整電極。典型地，氧化錫銻(TAO)電極附加在基底的前表面上，而另外的電極附加在后表面上。當(dāng)用戶接觸TAO電極時(shí)，觸摸墊被起動(dòng)。這樣的設(shè)計(jì)使得TAO電極容易受擦劃、清潔劑及磨砂清潔布的損環(huán)。而且，TAO電極增加了觸摸面板的成本和復(fù)雜性。
已知的觸摸面板通常采用高阻抗的設(shè)計(jì)，這在基底上出現(xiàn)一些諸如水或其它液體的污物時(shí)會(huì)使觸摸面板發(fā)生故障。在通常會(huì)發(fā)現(xiàn)液體的地方，例如廚房就會(huì)出現(xiàn)這樣的問題。由于觸摸墊具有比水更高的阻抗，水會(huì)充當(dāng)由觸摸墊產(chǎn)生的電場的導(dǎo)體。因而，電場會(huì)形成最低電阻即水的回路。還有，由于高阻抗設(shè)計(jì)，靜電能引起觸摸面板發(fā)生故障。因?yàn)楦叩挠|摸墊阻抗，阻止了靜電快速耗散。
現(xiàn)有觸摸面板的設(shè)計(jì)還有一些與鄰近觸摸墊之間的相互干擾相關(guān)的問題。當(dāng)由一個(gè)觸摸墊產(chǎn)生的電場干擾由相鄰觸摸墊產(chǎn)生的電場時(shí)會(huì)發(fā)生相互干擾，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的起動(dòng)，例如起動(dòng)錯(cuò)誤的觸摸墊或同時(shí)啟動(dòng)兩個(gè)觸摸墊。
已知的觸摸面板設(shè)計(jì)的單個(gè)觸摸墊都是無源的。在觸摸墊周圍沒有有源元件。相反，用引線將每個(gè)無源觸摸墊與有源檢測電路相連接。觸摸墊引線依據(jù)觸摸墊相對于檢測電路的位置具有不同長度。而且，引線依據(jù)其線路路徑而具有不同形狀。引線長度和形狀上的差異會(huì)引起每條線上的的信號電平衰減到不同的電平上。例如，具有許多拐角的長引線就會(huì)將檢測信號衰減得比具有很少拐角的短引線多得多。因此，由檢測電路接收的信號從一個(gè)墊到另一個(gè)墊差別很大。結(jié)果，需要將檢測電路設(shè)計(jì)成對信號電平的很大差異進(jìn)行補(bǔ)償。
許多現(xiàn)有觸摸面板使用靠近每個(gè)觸摸墊的接地機(jī)構(gòu)，例如接地環(huán)。這些接地機(jī)構(gòu)是必須位于并附加在每個(gè)觸摸墊附近的額外元件，由此增加了觸摸墊的復(fù)雜性。而且，一些接地機(jī)構(gòu)要求針對每個(gè)觸摸墊有不同的配置，以使送到檢測電路的信號電平的差異最小。因而，需要額外的設(shè)計(jì)時(shí)間來設(shè)計(jì)各種不同的接地機(jī)構(gòu)。
在烤箱、微波爐及其它中使用傳統(tǒng)的觸摸面板或觸摸傳感器時(shí)，將觸摸傳感器放在潛在地與導(dǎo)電液體或污物頻繁接觸的環(huán)境中。任何觸摸傳感器上的導(dǎo)電液體都可能產(chǎn)生虛假輸出，由此使控制電路起動(dòng)一并不需要的輸出動(dòng)作。當(dāng)這樣的液體以大量泥水或液滴的形式出現(xiàn)時(shí)，實(shí)際上能夠擴(kuò)散到二個(gè)或更多的觸膜傳感器上。這也導(dǎo)致虛假輸入信號的可能性。
最近在觸摸面板設(shè)計(jì)上的改進(jìn)包括降低觸摸傳感器本身的輸入和輸出阻抗的技術(shù)，由此使傳感器能免除污物和由于外部噪聲源而引起的虛假啟動(dòng)。美國專利No.5,594,222說明了這樣的技術(shù)。雖然這一方法比現(xiàn)有技術(shù)具有若干優(yōu)點(diǎn)，但某些屬性限制了其應(yīng)用。例如，最終的傳感器可能對溫度變化有內(nèi)在的敏感性。如果輸出端的溫度變化相對于合適的信號變化是很小的話，并且相對于由于晶體管改變引起的信號變化是很小的話，那么單個(gè)晶體管或其他放大裝置將相當(dāng)令人滿意。然而，在只有很小的動(dòng)態(tài)范圍以允許用軟件進(jìn)行補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用中，以及在溫度變化相對于合適的信號變化很大的應(yīng)用中，要使用另一方案來消除或大量減少溫度效應(yīng)。還有，盡管這一技術(shù)的低阻抗方法能夠區(qū)分具有一定阻抗的污物和具有一定阻抗的人體觸摸，但這一技術(shù)本身還不夠來區(qū)分極低的阻抗水平。這一情形的例子就是在傳感器(即內(nèi)部和外部兩個(gè)電極)上覆蓋大量污物，大大降低內(nèi)部墊的阻抗時(shí)。另一例子是諸如金屬盤的導(dǎo)電材料覆蓋整個(gè)單獨(dú)的傳感器時(shí)。
因此，希望提供一種觸摸面板，它能防止在出現(xiàn)強(qiáng)導(dǎo)電材料、相當(dāng)大的溫度變化及內(nèi)部和外部兩個(gè)電極與相應(yīng)的電路所共有的其它效應(yīng)時(shí)產(chǎn)生虛假信號。
本發(fā)明通過提供對構(gòu)成一觸摸傳感器的兩個(gè)電極之間的一比較，即使不能完全解決也能大大改進(jìn)上述問題。本發(fā)明的觸摸傳感器有一個(gè)或多個(gè)第一電極及一個(gè)或多個(gè)第二電極，它們與用來測量第一和第二電極之間的電勢差的一電路裝置相耦合。第一和第二電極通常放置在基底的同一表面，基底的相對側(cè)會(huì)用作為觸摸表面。第一電極與第二電極相隔很近，這樣當(dāng)觸摸輸入產(chǎn)生影響時(shí)可以對第一電極和第二電極上的電壓作出比較。將安裝差動(dòng)測量電路，用于排除趨向于在兩個(gè)電極上產(chǎn)生相同影響的共同模式信號，例如溫度、電噪聲、電源變化及其它輸入。
可使用本發(fā)明的觸摸墊來替換現(xiàn)有的觸摸墊或代替?zhèn)鹘y(tǒng)的開關(guān)。當(dāng)用戶用身上的一附屬部分，例如指尖接觸或接近基底時(shí)，觸摸墊被起動(dòng)，例如來打開或關(guān)閉設(shè)備，調(diào)整溫度，設(shè)定時(shí)鐘或定時(shí)器，或任何其他由傳統(tǒng)開關(guān)執(zhí)行的功能。除了改進(jìn)并解決現(xiàn)有觸摸墊設(shè)計(jì)上存在的問題，本發(fā)明在目前使用膜片開關(guān)的應(yīng)用中也很有用。本發(fā)明的觸摸墊也適合于使用在下列環(huán)境中溫度變化劇烈；存在大量污物以及觸摸墊上放有或覆蓋金屬物體。
在優(yōu)選的結(jié)構(gòu)中，一選通電極經(jīng)第一電阻器與第一電極相連，并經(jīng)第二電阻器與第二電極相連。響應(yīng)于施加在選通電極上的一選通信號，在每個(gè)電極上產(chǎn)生電場。在每個(gè)電極上形成電勢。在差動(dòng)測量電路中配置兩個(gè)晶體管，而差動(dòng)測量電路與第一和第二電極相連，用來測量第一電極和第二電極之間的電壓差。傳感導(dǎo)線被連在差動(dòng)測量電路的輸出端，在優(yōu)選實(shí)施例中它將檢測信號運(yùn)送到一峰值檢測器電路。當(dāng)用戶觸摸基底時(shí)差動(dòng)測量電路的輸出值被改變。
在優(yōu)選的結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)匹配的晶體管構(gòu)成一差動(dòng)對，每一個(gè)的位置都靠近觸摸墊。晶體管一起工作，放大差動(dòng)輸入信號，以減緩選通效應(yīng)和傳感痕跡對觸摸墊的影響，并減小觸摸墊的輸出阻抗。而且，通過使用匹配的晶體管，在溫度變化時(shí)差動(dòng)電路的輸出將變化很小。
內(nèi)部和外部電極被連接以便將輸出隔開至差動(dòng)電路，這樣當(dāng)?shù)谝浑姌O受感應(yīng)電場的影響比第二電極多時(shí)，差動(dòng)電路將提供更高的輸出電壓電平。而且，在優(yōu)選實(shí)施例中，當(dāng)在第二電極受電場的影響比第一電極多時(shí)，電路將產(chǎn)生更低的輸出。當(dāng)兩個(gè)電極產(chǎn)生相同或近似的響應(yīng)時(shí)，差動(dòng)電路的輸出將改變很小。例如當(dāng)指尖基本上壓在第一電極上而不在第二電極上時(shí)就會(huì)產(chǎn)生這些情況。這將產(chǎn)生更高的輸出信號。當(dāng)污物基本上蓋住第二(外部)電極而不在第一(內(nèi)部)電極上時(shí)則產(chǎn)生另一情形。這將產(chǎn)生更低的電平輸出信號。當(dāng)金屬墊蓋住第一和第二兩個(gè)電極時(shí)則是另一情形。如果是這一情形，在優(yōu)選實(shí)施例中兩個(gè)電極的響應(yīng)將基本相同，因此差動(dòng)測量電路的輸出同前面無觸摸情形一樣基本不改變。
通過參考下面的詳細(xì)說明及下列附圖，本發(fā)明的各種特征、優(yōu)點(diǎn)和其他應(yīng)用將變得更清楚

圖1表示從基底的后表面所看到的本發(fā)明之觸摸墊；圖2是通常地沿圖1中2-2線的截面圖；圖3與圖2類似也是截面圖，但表示有源元件安裝到基底上的另一情形
圖4是圖1和圖2所示的觸摸墊的電路的概略示意圖；圖5A、5B、5C及5D是在各種輸入激勵(lì)下的傳感輸出的波形；圖6表示選通信號的波形；及圖7與圖1類似，是本發(fā)明觸摸墊另一實(shí)施例的示意圖。
圖1、2、3、4和7中類似的示意數(shù)字表示類似元件。
參照圖1和圖2，所示的單個(gè)觸摸墊13附連在絕緣基底10上。應(yīng)當(dāng)明白，即使不是最多，也是有許多的應(yīng)用包括在基底上的多個(gè)觸摸墊及相關(guān)的電路。
可用任何一種介電材料，例如玻璃、陶瓷、塑料或類似材料制成基底10。在優(yōu)選實(shí)施例中，用玻璃制成基底10，并具有大約3mm的均勻厚度。基底10的厚度隨具體應(yīng)用而變化，這樣在要求額外的強(qiáng)度時(shí)使用更厚的基底。如果用玻璃制造基底10，則典型的基底能達(dá)到大約1.1mm薄，也能到大約5mm厚。如果基底10用塑料制造，則基底能夠比1mm還薄，與塑料膜片開關(guān)中所用的材料類似。
基底10具有前表面12和相對的后表面14。用戶通過觸膜基底10的前表面12，提供必要的激勵(lì)而起動(dòng)觸摸墊13。
觸摸墊13包括第一、導(dǎo)電或內(nèi)部電極16及基本上圍繞第一電極的第二、導(dǎo)電或外部電極18。在第一電極16和第二電極18之間有一間隔。最好，第一電極16具有的尺寸可使該電極在前表面被觸摸時(shí)由用戶的指尖或其他人身上的附屬物所覆蓋。
在優(yōu)選實(shí)施例中，第一電極16是正方形，而第二電極18具有與第一電極16的形狀一致的正方形。然而，應(yīng)當(dāng)明白，第一電極16可以采用各種幾何形狀，包括但不限于長方形、梯形、圓形、橢圓形、三角形、六邊形及八邊形。無論第一電極16的形狀如何，第二電極18至少以相間隔的關(guān)系部分地圍繞第一電極16。
可以認(rèn)識到，圖1中墊的幾何形狀是配置電極結(jié)構(gòu)的一種方式，依據(jù)其應(yīng)用及附屬物的大小也可使用許多其他形狀和尺寸。一個(gè)例子就是手可以是感興趣的附屬物，而不是手指。在這種情況下，兩個(gè)電極間的間隔可相隔很遠(yuǎn)，并且兩個(gè)電極可以大得多。
類似地，可以認(rèn)識到，圖1和7中墊的幾何形狀每一個(gè)均表示配置電極結(jié)構(gòu)的特定方式，也可依據(jù)其應(yīng)用及附屬物的大小而使用許多其他形狀和尺寸。一個(gè)例子就是兩個(gè)電極相隔很遠(yuǎn)，并且兩個(gè)電極較大。
最好，第一電極16是固體導(dǎo)體。然而，第一電極16也可具有多個(gè)孔洞，或具有網(wǎng)眼或柵格結(jié)構(gòu)。
在優(yōu)選實(shí)施例中，設(shè)置一第三電極，即選通電極22，如圖1所示。選通電極22是在基底10上形成的薄導(dǎo)體。選通電極22與第二電極18相間隔。最好，選通電極22與第二電極18的兩側(cè)相間隔，如圖1所示。選通電極22也鄰近第一電極16。以這種方式，選通電極22的一部分相隔在第二電極18和第一電極16之間，這樣單個(gè)選通電極22用作第一電極16和第二電極18兩者的選通導(dǎo)線，如圖1所示。
如圖1所示，選通電極或?qū)Ь€22與電源60相連。
選通導(dǎo)線22攜載來自電源60的一選通信號，例如優(yōu)選實(shí)施例中的方波(圖6中所示)。在優(yōu)選方波的實(shí)施例中，波形以25KHz和50KHz之間的頻率在0和+5伏特之間振蕩。另一方面，根據(jù)所采用的檢測電路，選通信號也可具有小于25KHz或大于50KHz的頻率。而且，根據(jù)可易于從被控制的裝置得到的電壓，選通信號可在0到+3伏、0到+12伏、0到+24伏、-5伏到+5伏或任何其他電壓范圍之間振蕩。
最好，選通信號具有大約7毫微秒的上升時(shí)間。然而，多達(dá)110毫微秒甚至更大的上升時(shí)間也能使用。上升時(shí)間越快，例如7毫微秒，則提供的輸入阻抗越小，可是優(yōu)選的。如下面所述，選通信號在觸摸墊處產(chǎn)生電場。
選通信號具有尖銳的上升沿(如圖6所示)，這使在選通導(dǎo)線22和每個(gè)第二電極18及第一電極16之間產(chǎn)生電勢差。電極16、18和22間的這一電勢差在電極間產(chǎn)生一弧形電場，如圖2中的虛線所示。此電場延伸穿過前表面12，并穿過基底10。盡管圖2中未示出，電極16、18和22間的電場從基底10的后表面14向下形成一類似的弧形路徑。這一路徑幾乎是圖2所示虛線的鏡面圖像，向下延伸而不是向上。
如圖2所示，產(chǎn)生的電場相互是相對的。例如，圖2所示電場路徑在第一電極16的相對側(cè)從選通電極22起始，從選通電極22到第二電極18。
再參照圖1，傳感或輸出導(dǎo)線24附加到基底10上，基底10與下面要說明的差動(dòng)電路32的輸出端相連接。傳感導(dǎo)線24攜載來自觸摸墊13的檢測或操作信號，以起動(dòng)合適的檢測或控制電路，這在我的于1997年1月14日獲得的美國專利5,594,222中進(jìn)行了詳細(xì)說明，其內(nèi)容被結(jié)合在此以作參考。
如圖1、2和4所示，表面裝配元件與觸摸墊13電連接。表面裝配元件包括連接在選通電極22和第二電極18之間的電阻28，以及連接在第一電極16和選通電極22之間的電阻30。電阻28和30可具有2.2KΩ的電阻值，如最優(yōu)實(shí)施例中所示，由此為觸摸墊13提供相對低的放電輸入阻抗。
通常由參考數(shù)字32表示的差動(dòng)電路也與電極16、18和22相連接。差動(dòng)電路32包括配置成差動(dòng)對的兩個(gè)晶體管Q1和Q2，兩個(gè)晶體管Q1和Q2的發(fā)射極經(jīng)電阻34與選通電極22相連。
晶體管Q1的基極經(jīng)第二電極18與電阻28相連，其集電極接地。晶體管Q2的基極經(jīng)第一電極16與電阻30相連。晶體管Q2的集電極與傳感導(dǎo)線24相連，并經(jīng)電阻48接地。
最好，每個(gè)晶體管Q1和Q2是PNP型晶體管，例如晶體管型號MPS3906。另外，可使用NPN型晶體管、MOSFET或任何其他有源、可觸發(fā)電子元件來代替PNP型晶體管。
圖4也示意性地說明了在各種電極16、18及22之間的雜散、寄生以及其他電容耦合。電容37表示選通電極22和第二電極18之間的電容耦合。電容33代表選通電極22和第一電極16之間的電容耦合。電容35代表第一電極場干擾(即模型化為第一電極16和地之間的電容耦合)。電容36表示雜散傳感導(dǎo)線電容。電容38代表第二電極18場干擾。電容40代表雜散選通導(dǎo)線電容。電阻29代表選通電極22的電阻。本實(shí)施例中的電阻30用來在選通脈沖的上升沿過程中對晶體管Q2加偏壓，并形成電容33和35的放電回路。類似地，電阻28形成電容37和38的放電回路，并在選通脈沖的上升沿過程中對晶體管Q1加偏壓。
差動(dòng)電路32按晶體管Q1和Q2用作為差動(dòng)對的方式工作。公共發(fā)射極電阻34用來產(chǎn)生負(fù)反饋，這將產(chǎn)生傳感器電路的差分運(yùn)算。如果晶體管Q2的基極偏壓高于Q1的基極，則更多電流將流過Q2的集電極，由此產(chǎn)生電阻48上的電壓增大。如果晶體管Q1的基極偏壓高于晶體管Q2的基極，則發(fā)射極電流的主要部分將流過晶體管Q1的集電極，由此使較少電流流過晶體管Q2的集電極，在電阻48上產(chǎn)生的電壓降低。如果晶體管Q1的基極上施加的偏壓增加，并且晶體管Q2的基極上施加的偏壓也增加到與晶體管Q1的基極上的偏壓相等的電壓，則差動(dòng)電路平衡，并且Q2的集電極電流不會(huì)有明顯增加，而電阻48上的電壓變化即使有的話也將很小。
差動(dòng)電路32關(guān)于觸摸傳感器13的操作提供了幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。這一操作可從圖5A-5D看出，圖5A-5D表示了響應(yīng)于第一和第二電極16和18上施加的各種激勵(lì)或缺少激勵(lì)時(shí)傳感導(dǎo)線24上的輸出電壓。如圖5A所示，沒有第一或第二電極激勵(lì)，選通導(dǎo)線22上的信號220將從0伏升高到大約5.0伏的最高值。盡管在傳感導(dǎo)線24上有相對小的輸出電壓240，基本上由于晶體管Q1和Q2的偏壓的細(xì)微差異，傳感線24上的輸出電壓處于最小穩(wěn)定狀態(tài)量。
如圖5B所示，在第一電極16上加有激勵(lì)(即手指尖放在第一電極16區(qū)域的前表面12上)而第二電極18上沒有激勵(lì)時(shí)，傳感導(dǎo)線24上的輸出電壓升到超過3.0V的最高值，這明顯大于穩(wěn)定狀態(tài)量，然后按指數(shù)律地下降。在圖5C中，僅在第二電極18上施加激勵(lì)時(shí)，導(dǎo)致傳感導(dǎo)線24上的電壓小于穩(wěn)定狀態(tài)電壓。最后，如圖5D所示，當(dāng)?shù)谝缓偷诙姌O16和18上都加有激勵(lì)時(shí)，輸出電壓接近穩(wěn)定狀態(tài)電壓。
差動(dòng)電路32用來產(chǎn)生與加在第一和第二電極16和18上的激勵(lì)之間的差成正比的輸出。因此，輸出24基本上對加在第一和第二電極16和18上的激勵(lì)的差異更敏感，然后是對這些激勵(lì)的幅度敏感。如果大量污物或?qū)щ姴牧戏旁诘谝缓偷诙姌O16及18之上，根據(jù)這些污物的性質(zhì)，觸摸傳感器10會(huì)產(chǎn)生不同響應(yīng)，導(dǎo)電性越高則污物趨向于產(chǎn)生更低的響應(yīng)。僅僅需要這些大量的污物同第二電極18的封閉區(qū)域一樣大。這種配置使得觸摸傳感器10大大地避免了由于在指定區(qū)域的大量污物或?qū)щ娢镔|(zhì)而產(chǎn)生虛假觸發(fā)，同時(shí)允許對第一和第二電極之間的小差異產(chǎn)生響應(yīng)。
而且，差動(dòng)電路32使得由于有源元件中溫度變化產(chǎn)生的漂移最小，由于晶體管Q1和Q2的偏壓將一起變化，這樣流過電阻48的電流將基本上不變化。最后，與電源、輸入信號、元件漂移電噪聲等相關(guān)的變化對電極16和18兩者是共同的，因而晶體管Q1和Q2將趨向于不影響差動(dòng)電路32的輸出。
除了差動(dòng)電路32之外，可使用其他方法來處理與第一和第二電極16和18相關(guān)聯(lián)的差動(dòng)信號。通常用于Norton放大器、MOS型晶體管及電壓輸入運(yùn)算放大器中的電流差值技術(shù)和鏡像技術(shù)是這類可用電路的例子。
參照圖3所示的另一實(shí)施例，電極16、18和22，以及傳感導(dǎo)線24被附連到由聚酯材料制成的柔性載體25上，聚酯材料例如固結(jié)圖(Consolidated Graphics)No.HS-500，型號561，等級2,0.005英寸厚。電極16、18和22，以及傳感導(dǎo)線24使用導(dǎo)電銀印劑形成，例如Acheson No.427SS,0.5mills厚。然后有源元件Q1和Q2被附連到電極和導(dǎo)線上。絕緣層27放在電極和導(dǎo)線之上，以保護(hù)導(dǎo)電表面。最好絕緣層27是Acheson No.ML25089,1.5mills厚。然后柔性載體25用諸如3M No.457的粘合劑29粘連到基底10上，柔性載體25能夠彎曲并扭轉(zhuǎn)，以符合基底10的形狀。
另外，參照圖2所示，電極16、18及22，以及傳感導(dǎo)線24能夠直接附連到基底10上。然后有源元件被附連到電極16、18及22，以及傳感導(dǎo)線24上。
在操作中，當(dāng)用戶接觸或接近基底10施加激勵(lì)時(shí)起動(dòng)觸摸墊13。觸摸墊13將感應(yīng)指尖或其他附屬物的接觸，這些接觸會(huì)引起電極16和18之間電場電勢的足夠破壞。
晶體管Q1和Q2的基極電流由方程Ib=C(dV/dT)來確定，其中Ib是基極電流，C是觸摸墊場的電容，而dV/dT是電壓相對于時(shí)間的變化。電壓相對于時(shí)間的變化由振蕩選通信號的電壓電平的變化而產(chǎn)生。當(dāng)用戶接觸由電極16、18和22形成的觸摸墊13時(shí)，電容33的場電容減小，而電容器35的場電容增大。由于在優(yōu)選實(shí)施例中后表面14上的電極18相對接近前表面12上的用戶接觸面，因而電容器38上的場電容也將增大，盡管其增加量沒有電容器35的場電容大。
在優(yōu)選實(shí)施例中，晶體管Q2放大并緩沖接近觸摸墊13的檢測信號。這減小了由不同導(dǎo)線長度和導(dǎo)線回路引起的觸摸墊之間信號電平的差異。通過提供更統(tǒng)一的檢測信號電平，可得到更大的放大值，同時(shí)將信號電平維持在例如0到+5伏之間。
在圖7所示的實(shí)施例中，取消選通電極22。晶體管Q1和Q2的基極仍分別與第二和第一電極18及16連接。選通信號經(jīng)電阻50和52直接加到Q1和Q2的基極上。Q1通過電阻50而被加偏壓接通且由電極18形成場電容。同樣地，Q2通過電阻52而被加偏壓接通且由電極16形成場電容。由施加在電極16和18上的瞬時(shí)電壓產(chǎn)生的場電勢差得以形成。該電勢差將引起Q1上的偏壓和Q2上的偏壓，以按比例區(qū)分與電極18和16相關(guān)的場電勢差。與圖1的電路相比這一實(shí)施例提供了第一和第二電極16和18之間更少的隔離。即使帶有較少的隔離，在許多應(yīng)用中本實(shí)施例提供的性能水平也是足夠的。從差動(dòng)電路結(jié)構(gòu)對上述諸如與應(yīng)用環(huán)境相關(guān)的效應(yīng)等公共模式影響不敏感而得到的優(yōu)點(diǎn)在圖7的另一實(shí)施例中保留下來。
雖然僅僅說明了本發(fā)明的兩個(gè)實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的專業(yè)人員應(yīng)當(dāng)明白，只要不偏離所附權(quán)利要求書的精神可進(jìn)行大量修改。
權(quán)利要求
1.一種用于在傳感導(dǎo)線上產(chǎn)生控制信號的傳感器裝置，所述裝置包括至少一個(gè)第一電極；至少一個(gè)位置靠近所述第一電極的第二電極；具有與所述第一和第二電極分別連接的第一和第二輸入節(jié)點(diǎn)，以及與傳感導(dǎo)線相連接的一輸出節(jié)點(diǎn)的電路；用來提供電信號給所述第一和第二電極的信號源；其中響應(yīng)于由所述信號源提供給所述第一和第二電極中至少一個(gè)的信號，在所述第一和第二電極之間產(chǎn)生一電場；其中配置所述第一和第二電極以便在靠近所述第一和第二電極中的至少一個(gè)出現(xiàn)激勵(lì)時(shí)影響該電場；及其中所述電路在傳感導(dǎo)線上產(chǎn)生一控制信號，此控制信號與所述第一和第二電極間的電勢差相關(guān)，而電勢差又與電場相關(guān)聯(lián)。
2.一種用來在傳感導(dǎo)線上產(chǎn)生控制信號的傳感器裝置，所述裝置包括至少一個(gè)第一電極；至少一個(gè)位置靠近所述第一電極的第二電極；位置靠近所述第一和第二電極的選通電極；具有與所述第一和第二電極分別連接的第一和第二輸入節(jié)點(diǎn)，以及與傳感導(dǎo)線相連接的一輸出節(jié)點(diǎn)的電路；用來提供電信號給所述選通電極的信號源；其中響應(yīng)于由所述信號源提供給所述選通電極的信號，在所述第一和第二電極之間產(chǎn)生一電場；其中配置所述第一和第二電極以便在靠近所述第一和第二電極中的至少一個(gè)出現(xiàn)激勵(lì)時(shí)影響該電場；及其中所述電路在傳感導(dǎo)線上產(chǎn)生一控制信號，此控制信號與所述第一和第二電極間的電勢差相關(guān)，而電勢差又與電場相關(guān)聯(lián)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中由所述信號源供給的電信號為方波脈沖。
4.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中所述電路還包括第一和第二有源元件。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述第一和第二有源元件還包括配置成差動(dòng)放大器的第一和第二晶體管。
6.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，還包括與所述第一和第二電極中的每一個(gè)相關(guān)聯(lián)的一有源元件。
7.如權(quán)利要求2所述的裝置，還包括連接在所述第一電極和所述選通電極之間的第一電阻以及連接在所述第二電極和所述選通電極之間的第二電阻。
8.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中所述第一和第二電極安裝在包括絕緣材料的基底上。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述電路也安裝在所述基底上。
10.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中所述電路安裝在柔性材料上。
11.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中所述電路位于靠近所述第一和第二電極。
12.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中所述第二電極基本上圍繞所述第一電極。
13.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中所述第一電極的大小為使其可由人身上的附屬物所覆蓋。
14.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中所述第二電極的構(gòu)形基本上與所述第一電極的構(gòu)形相符，且所述第一電極與所述第二電極隔開。
15.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述選通電極基本上位于所述第一和第二電極之間。
16.如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述第一和第二電阻中的每一個(gè)都具有一值，使得所述裝置與靠近所述第一和第二電極中至少一個(gè)的污物的阻抗相比，具有相對低的輸入阻抗。
17.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述第一和第二晶體管的發(fā)射極都經(jīng)第三電阻與所述信號源連接，以使所述第三電阻提供負(fù)反饋。
18.如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述電路還包括第一和第二有源元件，并在來自所述信號源的所述信號中的至少一個(gè)的上升沿期間，所述第一和第二電阻將所述第一和第二有源元件分別加偏壓到接通狀態(tài)。
19.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括分別連接在所述信號源和所述電路中的第一和第二輸入節(jié)點(diǎn)之間的第四電阻和第五電阻。
20.如權(quán)利要求19所述的裝置，其中所述電路還包括第一和第二有源元件，并在來自所述信號源的所述信號中的至少一個(gè)的上升沿期間，所述第四和第五電阻將所述第一和第二有源元件分別加偏壓到接通狀態(tài)。
21.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中響應(yīng)于缺少對影響所述第一和第二電極中的任何一個(gè)的電場的激勵(lì)，在傳感導(dǎo)線上的由所述電路產(chǎn)生的控制信號的電壓處于最小值。
22.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中響應(yīng)于對影響所述第一電極的電場施加激勵(lì)以及響應(yīng)于缺少對影響所述第二電極的電場的激勵(lì)，在傳感導(dǎo)線上的由所述電路產(chǎn)生的控制信號的輸出電壓上升到最大值。
23.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中響應(yīng)于對主要影響所述第二電極的電場施加激勵(lì)，在傳感導(dǎo)線上的由所述電路產(chǎn)生的控制信號的電壓低于沒有對影響所述第一或第二電極中的任何一個(gè)的電場施加激勵(lì)時(shí)的電壓。
24.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中響應(yīng)于對在所述第一和第二電極上具有大致相同效應(yīng)的電場施加激勵(lì)，在傳感導(dǎo)線上的由所述電路產(chǎn)生的控制信號的電壓大致與沒有對影響所述第一或第二電極中的任何一個(gè)的電場施加激勵(lì)時(shí)在傳感導(dǎo)線上的由所述電路產(chǎn)生的控制信號的電壓相同。
25.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中所述電路在輸出節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生與施加到第一和第二輸入節(jié)點(diǎn)的信號的電勢差成正比的輸出信號。
26.一種用來檢測是否存在要檢測的激勵(lì)的傳感器裝置，所述裝置包括至少一個(gè)第一電極；用來提供電信號給所述至少一個(gè)第一電極的信號源；其中響應(yīng)于由所述信號源提供給所述至少一個(gè)第一電極的信號，產(chǎn)生與所述至少一個(gè)第一電極相關(guān)的電場；其中靠近所述至少一個(gè)第一電極存在的激勵(lì)影響該電場；具有與所述至少一個(gè)第一電極相連的第一輸入節(jié)點(diǎn)、與參考電勢相連的第二輸入節(jié)點(diǎn)及一輸出節(jié)點(diǎn)的電路；及其中所述電路在其輸出節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生與第一和第二輸入節(jié)點(diǎn)處的電壓差相關(guān)的信號，由此輸出節(jié)點(diǎn)處的信號與靠近所述至少一個(gè)第一電極存在的激勵(lì)相關(guān)聯(lián)。
27.一種用來檢測是否存在要檢測的激勵(lì)的傳感器裝置，所述裝置包括至少一個(gè)第一電極；位置靠近所述至少一個(gè)第一電極的選通電極；用來提供電信號給所述選通電極的信號源；其中響應(yīng)于由所述信號源提供給所述選通電極的信號，產(chǎn)生與所述至少一個(gè)第一電極相關(guān)的電場；其中靠近所述至少一個(gè)第一電極存在的激勵(lì)影響該電場；具有與所述至少一個(gè)第一電極相連的第一輸入節(jié)點(diǎn)、與參考電勢相連的第二輸入節(jié)點(diǎn)及一輸出節(jié)點(diǎn)的電路；及其中所述電路在其輸出節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生與第一和第二輸入節(jié)點(diǎn)處的電壓差相關(guān)的信號，從而此輸出節(jié)點(diǎn)處的信號與靠近所述至少一個(gè)第一電極存在的激勵(lì)相關(guān)聯(lián)。
全文摘要
一種用來檢測是否存在諸如人身上的附屬物的物體的差動(dòng)觸摸傳感器裝置,該裝置具有第一電極(16),位置靠近第一電極的第二電極(18),與第一和第二電極相連的差動(dòng)電路(Q1、Q2、34、48),以及相連的,用來提供在第一和第二電極之間產(chǎn)生電場的電信號的脈沖或其他信號源(60)。在使物體接近第一電極時(shí),影響第一和第二電極之間的電場,由此影響它們之間的電壓差。差動(dòng)電路響應(yīng)于第一和第二電極之間的電壓差而提供一輸出信號。在另一實(shí)施例中,靠近所述第一和第二電極安裝一選通電極(22),并將脈沖或其他信號供給選通電極,以在選通電極和第一及第二電極之中的每一個(gè)之間感應(yīng)出電場。
文檔編號H03K17/955GK1217835SQ97193714
公開日1999年5月26日 申請日期1997年12月8日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月10日
發(fā)明者戴維·W·考德威爾 申請人:戴維·W·考德威爾