DE112008001245T5

DE112008001245T5 - Zweidimensionaler Positionssensor

Info

Publication number: DE112008001245T5
Application number: DE112008001245T
Authority: DE
Inventors: Harald Hamble Philipp; Samuel Hamble Brunet; Matthew Hamble Trend; Alan Hamble Bowens
Original assignee: Atmel Corp
Current assignee: Atmel Corp
Priority date: 2007-05-07
Filing date: 2008-04-24
Publication date: 2010-03-04
Also published as: US7821274B2; US20110022351A1; WO2008135713A1; US7986152B2; US20080278178A1; CN101681223A

Abstract

Sensor zum Bestimmen der Position eines Objekts in zwei Dimensionen, wobei der Sensor ein Substrat mit einem empfindlichen Bereich umfasst, der durch ein Muster aus Elektroden definiert wird, wobei das Elektrodenmuster eine erste Gruppe von Ansteuerelementen, die miteinander verbunden sind, um eine Vielzahl von Reihenelektroden entlang einer ersten Richtung zu bilden, eine zweite Gruppe von Ansteuerelementen, die miteinander verbunden sind, um eine Vielzahl von Spaltenelektroden entlang einer zweiten Richtung zu bilden, und eine Gruppe von Erfassungselementen, die miteinander verbunden sind, um eine Erfassungselektrode entlang der ersten und der zweiten Richtung zu bilden, umfasst.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft zweidimensionale Positionssensoren. Insbesondere betrifft die Erfindung zweidimensionale Positionssensoren, die Erfassungstechniken auf der Basis der kapazitiven Nähe verwenden. Derartige Sensoren können auch als 2DCT-Sensoren bezeichnet werden (2DCT steht für „zweidimensionale kapazitive Wandlung”). 2DCT-Sensoren erfassen eine Störung in einer kapazitiven Kopplung von Sensorelektroden, entweder zur Erde oder zu einer anderen Elektrode, die durch die Nähe eines Zeigeobjekts verursacht wird. Die gemessene Position der Störung entspricht einer gemessenen Position des Zeigeobjekts.
2DCT-Sensoren werden gewöhnlich durch den Finger eines Benutzers oder durch einen Griffel betätigt. Beispielhafte Geräte mit derartigen Sensoren sind etwa Berührungsbildschirme oder berührungsempfindliche Tastaturen/Tastenfelder wie sie etwa für die Steuerung von Unterhaltungselektronikgeräten/Haushaltsgeräten und möglicherweise in Verbindung mit einem darunter liegenden Display wie etwa einem Flüssigkristalldisplay (LCD) oder einer Kathodenstrahlröhre (CRT) verwendet werden. Andere Vorrichtungen, die 2DCT-Sensoren enthalten können, sind etwa Grafiktabletts und für die Regelung von Maschinen verwendete Codierer.
Geräte mit 2DCT-Sensoren gewinnen zunehmend an Beliebtheit und Verbreitung, nicht nur in Verbindung mit PCs, sondern auch in verschiedenen anderen Geräten wie etwa PDAs, Kassengeräten, Informationsterminals, Fahrkartenautomaten, Küchengeräten und ähnlichem. 2DCT-Sensoren werden aus verschiedenen Gründen gegenüber mechanischen Schaltern bevorzugt. Zum Beispiel benötigen 2DCT-Sensoren keine beweglichen Teile und sind damit weniger anfällig für Verschleiß als entsprechende mechanische Lösungen. Weiterhin können 2DCT-Sensoren in relativ kleinen Größen hergestellt werden, sodass eng gepackte Tastenfelder vorgesehen werden können. Außerdem können 2DCT-Sensoren unter einer gegenüber der Umwelt gedichteten Außenfläche (einem Deckpaneel) vorgesehen werden. Dies ermöglicht eine Verwendung in nassen Umgebungen oder in Umgebungen, in denen Schmutz oder Flüssigkeiten in das Gerät eindringen könnten. Und schließlich bevorzugen Hersteller Schnittstellen mit 2DCT-Sensoren in ihren Produkten, weil derartige Schnittstellen häufig durch die Kunden als ästhetisch ansprechender als herkömmliche mechanische Eingabemechanismen (wie etwa Druckknöpfe) empfunden werden.
2DCT-Sensoren lassen sich grob in zwei Kategorien unterteilen. Nämlich in solche, die auf passiven kapazitiven Erfassungstechniken beruhen, und in solche, die auf aktiven kapazitiven Erfassungstechniken beruhen.
Geräte mit einer passiven kapazitiven Erfassung messen die Kapazität einer Erfassungselektrode zu einem Systembezugspotential (Erde). Die zugrunde liegenden Prinzipien werden zum Beispiel in US 5,730,165 [1] und US 6,466,036 [2] beschrieben. Der Inhalt von US 5,730,165 und US 6,466,036 ist hier vollständig unter Bezugnahme eingeschlossen, um den Hintergrund der Erfindung näher zu beschreiben. Ganz allgemein verwenden passive kapazitive Sensoren Erfassungselektroden, die mit Kapazitätsmessungsschaltungen verbunden sind. Jede Kapazitätsmessungsschaltung misst die Kapazität (kapazitive Kopplung) der assoziierten Erfassungselektrode zu einer Systemerde. Wenn sich kein Zeigeobjekt in der Nähe der Erfassungselektrode befindet, weist die gemessene Kapazität einen Hintergrund-/Ruhewert auf. Dieser Wert hängt von der Geometrie und dem Layout der Erfassungselektrode und der zu ihr führenden Verbindung usw. sowie von der Beschaffenheit und der Position von benachbarten Objekten wie etwa der Nähe der Erfassungselektroden zu nahen Grundplatten ab. Wenn sich ein Zeigeobjekt wie etwa ein Finger des Benutzers der Erfassungselektrode nähert, erscheint das Objekt als virtuelle Erde. Dadurch wird die gemessene Kapazität der Erfassungselektrode zur Erde erhöht. Eine derartige Erhöhung der gemessenen Kapazität gibt das Vorhandensein eines Zeigeobjekts an.
US 5,730,165 und US 6,466,036 betreffen primär diskrete Messungen (einfache Tasten) und nicht Anwendungen mit zweidimensionalen Positionssensoren. Die in US 5,730,165 und US 6,466,036 beschriebenen Prinzipien lassen sich jedoch einfach auf 2DCT-Sensoren anwenden, indem zum Beispiel eine Vielzahl Elektroden vorgesehen wird, um eine zweidimensionale Anordnung von diskreten Erfassungsbereichen oder Reihen und Spalten von Elektroden in einer Matrixkonfiguration zu definieren.
Passive Erfassungstechniken haben sich in zahlreichen Anwendungen als sehr nützlich und zuverlässig erwiesen. Sie sind jedoch mit einigen Nachteilen verbunden. Zum Beispiel sind 2DCT-Sensoren sehr empfindlich gegenüber externen Erdladungen. Das heißt, die Empfindlichkeit derartiger Sensoren kann beträchtlich vermindert werden, wenn in der Nähe Verbindungen mit niedriger Impedanz zur Erde vorhanden sind. Dadurch kann ihre Anwendbarkeit eingeschränkt werden. Zum Beispiel sehen einige Typen von Anzeigebildschirmtechniken eine Kopplung mit niedriger Impedanz zur Erde über den sichtbaren Bildschirm vor. Das bedeutet, dass ein über dem Bildschirm liegender passiver 2DCT häufig nicht die erforderliche Leistung erbringt, weil die relativ starke Kopplung zur Erde durch den Bildschirm selbst die Empfindlichkeit des 2DCT gegenüber einer zusätzlichen Kopplung zur Erde aufgrund eines sich nähernden Zeigeobjekts vermindert. Ein ähnlicher Effekt sorgt dafür, dass 2DCT-Sensoren relativ empfindlich gegenüber Änderungen in der Umgebung sein können. Zum Beispiel kann sich ein 2DCT-Sensor je nach seiner Position aufgrund von Differenzen in der kapazitiven Kopplung (Erdladung) zu externen Objekten anders verhalten. 2DCT-Sensoren sind auch relativ empfindlich gegenüber Umweltbedingungen wie etwa der Temperatur, der Feuchtigkeit, Schmutzansammlungen oder vergossenen Flüssigkeiten usw. Dadurch wird jeweils die Zuverlässigkeit und die Empfindlichkeit des Sensors beeinflusst. Außerdem weist der mit einer passiven 2DCT-Erfassung assoziierte Messschaltungsaufbau allgemein eine hohe Eingangsimpedanz auf. Dies macht passive Sensoren anfällig für elektrisches Rauschen wie etwa ein Hochfrequenzrauschen. Dadurch kann die Zuverlässigkeit/Empfindlichkeit des Sensors vermindert werden, wobei außerdem das Layout des Sensors Einschränkungen unterliegt (z. B. sind Beschränkungen hinsichtlich der Verwendung von relativ langen Anschlussleitungen/Leiterbahnen zwischen den Erfassungselektroden und dem assoziierten Schaltungsaufbau gegeben).
Aktive 2DCT-Sensoren dagegen sind weniger anfällig gegenüber den oben genannten Effekten als passive 2DCT- Sensoren. Aktive 2DCT-Sensoren beruhen auf der Messung der kapazitiven Kopplung zwischen zwei Elektroden (und nicht zwischen einer einzigen Erfassungselektrode und einer Systemerde). Die den aktiven kapazitiven Erfassungstechniken zugrunde liegenden Prinzipien werden in US 6,452,514 [3] beschrieben. Der Inhalt von US 6,452,514 ist hier vollständig unter Bezugnahme eingeschlossen, um den Hintergrund der Erfindung zu verdeutlichen. In einem aktiven Sensor wird zu einer Elektrode, der so genannten Ansteuerelektrode, ein oszillierendes Ansteuersignal zugeführt. Der Grad der kapazitiven Kopplung des Ansteuersignals zu den Erfassungselektroden wird bestimmt, indem die aufgrund des oszillierenden Ansteuersignals zu der Erfassungselektrode übertragene Ladungsmenge gemessen wird. Die übertragene Ladungsmenge, d. h. die Stärke des Signals an der Erfassungselektrode, ist ein Maß für die kapazitive Kopplung zwischen den Elektroden. Wenn sich kein Zeigeobjekt in der Nähe der Elektroden befindet, weist das Messsignal an der Erfassungselektrode einen Hintergrund-/Ruhewert auf. Wenn sich jedoch ein Zeigeobjekt wie etwa ein Finger des Benutzers den Elektroden (oder insbesondere dem Bereich zwischen den Elektroden) nähert, wirkt das Zeigeobjekt als eine virtuelle Erde und zieht einen Teil des Ansteuersignals (der Ladung) von der Ansteuerelektrode ab. Dadurch wird die Stärke der mit der Sensorelektrode gekoppelten Komponente des Ansteuersignals reduziert. Eine Verminderung in dem gemessenen Signal an der Erfassungselektrode ist also ein Hinweis auf das Vorhandensein eines Zeigeobjekts.
Ein in US 6,452,514 beschriebener aktiver 2DCT-Sensor umfasst Ansteuerelektroden, die sich in Reihen auf einer Seite eines Substrats erstrecken, und Erfassungselektroden, die sich in Spalten auf der anderen Seite des Substrats erstrecken, um eine Anordnung von N mal M Berührungstasten zu definieren.
Jede Taste entspricht einer Kreuzung zwischen einer Ansteuerelektrode und einer Erfassungselektrode. Die in US 6,452,514 beschriebene Anordung von Tasten kann also als ein Matrixarray betrachtet werden, in dem eine einzelne Ansteuerelektrode (d. h. ein einzelnes leitendes Element, das mit einem einzelnen Ansteuerkanal verbunden ist) mit allen Tasten in einer bestimmten Spalte assoziiert ist und in dem eine einzelne Erfassungselektrode (d. h. ein einzelnes leitendes Element, das mit einem einzelnen Erfassungskanal verbunden ist) mit den Tasten in einer bestimmte Reihe assoziiert ist. Dadurch wird die Anzahl der erforderlichen Steuer- und Erfassungselektroden reduziert, weil ein einzelner Ansteuerkanal gleichzeitig alle Tasten in einer bestimmten Spalte ansteuert und ein einzelner Erfassungskanal gleichzeitig alle Tasten in einer bestimmten Reihe erfasst. Die kapazitive Kopplung zwischen den Elektroden an den Positionen der verschiedenen Tasten kann bestimmt werden, indem die entsprechende Spalte angesteuert wird und die entsprechende Reihe erfasst wird. Um zum Beispiel die kapazitive Kopplung zwischen den mit einer Taste an der Kreuzung der Spalte 2 und der Reihe 3 assoziierten Elektroden zu bestimmen, wird das Ansteuersignal an der Ansteuerelektrode der Spalte 2 angelegt, während der mit der Erfassungselektrode der Reihe 3 assoziierte Erfassungskanal aktiv ist. Die Ausgabe aus dem aktiven Erfassungskanal gibt die kapazitive Kopplung zwischen den mit der betreffenden Taste assoziierten Elektroden wieder. Unterschiedliche Tasten können abgetastet werden, indem verschiedene Kombinationen von Ansteuer- und Erfassungskanälen durchlaufen werden. In einem Modus können die Ansteuerelektroden nur sequentiell betrieben werden, während die Erfassungselektroden alle kontinuierlich überwacht werden. Eine Signaländerung an einer (oder mehreren) Erfassungselektroden gibt das Vorhandensein eines Zeigeobjekts an. Die Erfassungselektrode, an der die Änderung sichtbar ist, definiert eine Position in einer Dimension. Und die während der sichtbaren Änderung angesteuerte Ansteuerelektrode die Position in der anderen Dimension definiert.
US 5,648,642 [4] beschreibt einen 2DCT-Sensor mit einer aktiven kapazitiven Erfassung. Dieser Sensor wird im wesentlichen auf der Grundlage derselben Prinzipien betrieben wie in US 6,452,514 beschrieben. Der Sensor von US 5,648,642 ist schematisch in 1A, 1B und 1C gezeigt. Diese Figuren zeigen sind jeweils eine Ansicht von oben, eine Ansicht von unten und eine zusammengesetzte Ansicht des Sensors. Der Sensor 10 umfasst ein Substrat 12, das auf einer oberen Fläche 16 einen Satz von ersten Leiterbahnen 14 aufweist, die sich in einer ersten Richtung erstrecken, um Spaltenelektroden des Sensors 10 zu bilden. Ein Satz von zweiten Leiterbahnen 18 ist auf einer unteren Fläche 20 ausgebildet und erstreckt sich in einer orthogonalen zweiten Richtung, um Reihenelektroden der Sensoranordnung 10 zu bilden. Die Sätze von ersten und zweiten Leiterbahnen 14 und 18 sind alternierend in Kontakt mit periodischen Erfassungsfeldern 22, die größere Bereiche bilden, die hier rautenförmig gezeigt sind. Ein rautenförmiges Muster der Erfassungsfelder mit 0,254 cm großen Abständen zwischen den Zentren ist in einer Matrix mit 15 Reihen und 15 Spalten von Leitern vorgesehen. Jedes zweite Erfassungsfeld 22 in jeder Richtung des Feldmusters ist mit Sätzen von ersten und zweiten Leiterbahnen 14 und 18 jeweils auf der oberen Fläche 16 und der unteren Fläche 20 des Substrats 12 verbunden.
Der in 1A bis 1C gezeigte 2DCT-Sensor kann also in einem aktiven Modus betreiben werden, in dem die Spalten 14 von verbundenen Erfassungsfeldern 22 von 1A jeweils Ansteuerelektroden bilden, während die Reihen 18 von verbundenen Erfassungsfeldern 22 von 1B jeweils Erfassungselektroden bilden. Diese können sequentiell wie in US 5,648,642 und US 6,452,514 beschrieben abgetastet werden.
2DCT-Sensoren auf der Basis einer aktiven kapazitiven Näheerfassung können also Sensoren vorsehen, die unter Umständen zuverlässiger sind als passive 2DCT-Sensoren. Außerdem kann eine Matrix aus Ansteuer- und Erfassungselektroden wie etwa in 1A bis 1C gezeigt anstelle einer Anordnung von diskreten Paaren aus jeweils einer Ansteuerelektrode und einer Erfassungselektrode verwendet werden. Dies bietet den Vorteil, dass die Anzahl der erforderlichen Verbindungen zwischen den Elektroden des 2DCT-Sensors und dem assoziierten Ansteuer- und Erfassungsschaltungsaufbau reduziert ist. Dies ermöglicht nicht nur eine einfachere Verdrahtung, sondern auch eine Kostenreduktion, weil weniger Ansteuer- und Erfassungskanäle erforderlich sind, sodass z. B. ein 2DCT-Sensor mit einer Anordnung von N × M Erfassungsbereichen N Ansteuerkanäle und M Erfassungskanäle in einer Matrixkonfiguration erfordern, während in einer Konfiguration mit diskreten Erfassungsbereichen N × M derselben erforderlich sind.
Wenn ein Ansteuer- und Erfassungskanalschaltungsaufbau gemäß US 6,452,514 in einer IC-Chippackung implementiert wird, erfordert jeder Ansteuerkanal einen Ausgangsstift und erfordert jeder Erfassungskanal zwei Ausgangsstifte. Für einen 2DCT-Sensor mit einer Anordnung von n × m Erfassungsbereichen erfordert eine Matrixanordnung also N + 2M Ausgangsstifte (oder M + 2N Ausgangstifte, je nachdem ob die Spalten oder die Reihen die Ansteuer- oder die Erfassungselektroden bilden, d. h. welche derselben mit Ansteuer- oder Erfassungskanälen verbunden sind). Eine diskrete Anordnung (ohne Matrix) dagegen erfordert 3NM Ausgangsstifte. Schaltungsverbindungen und insbesondere Ausgangsstifte in IC-Chipimplementierungen sind kostspielig und benötigen viel physikalischen Raum. Außerdem ist ihre Implementierung komplex.
Es besteht deshalb ein Bedarf für einen 2DCT-Sensor, der auf aktiven kapazitiven Erfassungstechniken beruht und weniger Verbindungen benötigt, d. h. weniger externe Verbindungen benötigt als bekannte 2DCT-Sensoren mit einer Matrixanordnung.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Sensor zum Bestimmen der Position eines benachbarten Objekts in zwei Dimensionen angegeben, wobei der Sensor ein Substrat mit einem durch ein Muster aus Elektroden definierten empfindlichen Bereich umfasst, wobei das Elektrodenmuster eine erste Gruppe von Ansteuerelementen, die miteinander verbunden sind, um eine Vielzahl von Reihenelektroden entlang einer ersten Richtung zu bilden, eine zweite Gruppe von Ansteuerelementen, die miteinander verbunden sind, um eine Vielzahl von Spaltenelektroden entlang einer zweiten Richtung zu bilden, und eine Gruppe von Erfassungselementen, die miteinander verbunden sind, um eine Erfassungselektrode entlang der ersten und der zweiten Richtung zu bilden, umfasst.
Indem Ansteuerelektroden in Spalten und Reihen und eine Erfassungselektrode in beiden Richtungen vorgesehen werden, wird also eine einzelne Erfassungselektrode vorgesehen, die kapazitiv mit den Spalten- und den Reihenelektroden gekoppelt ist. Es wird also ein zweidimensionaler Positionssensor auf der Basis von aktiven kapazitiven Sensortechniken vorgesehen, der mit nur einem Kanal im Erfassungsschaltungsaufbau verwendet werden kann, ohne dass hierfür ein Multiplexer erforderlich ist. Der Sensor kann also weiterhin eine Steuereinrichtung mit einer Ansteuereinheit zum Anlegen von Ansteuersignalen an den Reihen- und Spaltenelektroden sowie eine Erfassungseinheit zum Messen von Erfassungssignalen, die den Kopplungsgrad der an den Reihen- und Spaltenelektroden angelegten Ansteuersignale zu der Erfassungselektrode wiedergeben, umfassen. Weil Erfassungskanäle allgemein kostspieliger zu implementieren sind als Ansteuerkanäle, kann ein kostengünstigerer Sensor vorgesehen werden, der eine in einem integrierten Chip implementierte Steuereinrichtung verwenden kann, die weniger Ausgangsstifte benötigt als bekannte mit einer Matrix versehene aktive kapazitive Positionssensoren mit einer vergleichbaren Positionierungsauflösung.
Die Steuereinrichtung kann weiterhin eine Verarbeitungseinheit zum Berechnen der Position des Objekts in einer Richtung aus einer Analyse der Erfassungssignale, die durch das Anlagen von Ansteuersignalen an verschiedenen Reihenelektroden erhalten werden, und zum Berechnen der Position des Objekts in einer anderen Richtung aus einer Analyse der Erfassungssignale, die durch das Anlegen von Ansteuersignalen an verschiedenen Spaltenelektroden erhalten werden, umfassen. Die Positionsbestimmung in jeder Achse kann eine Interpolation umfassen, sodass die Position mit einer höheren Präzision bestimmt werden kann als bei den charakteristischen Dimensionen der Spalten- und Reihenelektroden möglich ist.
Die erste Gruppe von Ansteuerelementen und die zweite Gruppe von Ansteuerelementen können auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats angeordnet sein.
Alternativ hierzu können die erste Gruppe von Ansteuerelementen und die zweite Gruppe von Ansteuerelementen auch auf derselben Seite des Substrats angeordnet sein.
In Beispielen, in denen die erste und die zweite Gruppe von Ansteuerelementen auf derselben Seite des Substrats angeordnet sind, können die Verbindungen zum Verbinden der ersten Gruppe von Ansteuerelementen zu den Reihenelektroden innerhalb des empfindlichen Bereichs des Sensors vorgesehen werden und können die Verbindungen zum Verbinden der zweiten Gruppe von Ansteuerelementen zu den Spaltenelektroden wenigstens teilweise außerhalb des empfindlichen Bereichs des Sensors vorgesehen werden (d. h. in einem Bereich des Sensors, der nicht einschichtig ausgebildet sein muss), wobei etwa herkömmliche Jumper oder Drähte verwendet werden. Die Verbindungen zum Verbinden der zweiten Gruppe von Ansteuerelementen zu den Spaltenelektroden können Verbindungsteile innerhalb des empfindlichen Bereichs des Sensors umfassen, die sich in derselben Richtung wie die Reihenelektroden von entsprechenden Ansteuerelementen zu einer Peripherie des empfindlichen Bereichs des Sensors erstrecken. Auf diese Weise können die Verbindungen aus dem empfindlichen Bereich herausgeführt werde, ohne die Reihenelektroden kreuzen zu müssen.
In einer Konfiguration umfassen die Ansteuerelemente in wenigstens einer der Spaltenelektroden Durchgänge, durch die sich Verbindungen von Ansteuerelementen in einer anderen Spaltenelektrode zu anderen Ansteuerelementen in dieser Spaltenelektrode erstrecken können. Wenn einige Ansteuerelemente durch einen Durchgang in zwei Teile unterteilt sind, können die Teile der unterteilten Ansteuerelemente auf beiden Seiten der Durchgänge über Verbindungen miteinander verbunden werden, die wenigstens teilweise außerhalb des empfindlichen Bereichs des Sensors vorgesehen sind (d. h. in einem Bereich des Sensors, der nicht einschichtig ausgebildet sein muss), wobei etwa herkömmliche Jumper oder Drähte verwendet werden.
Die Verbindungen für das Verbinden der Teile der Ansteuerelemente auf beiden Seiten der Durchgänge können Verbindungsteile innerhalb des empfindlichen Bereichs des Sensors umfassen, die sich in derselben Richtung wie die Reihenelektroden zu einer Peripherie des empfindlichen Bereichs erstrecken. Auf diese Weise können die Verbindungen aus dem empfindlichen Bereich herausgeführt werden, ohne die Reihen der Ansteuerelektroden kreuzen zu müssen.
Die Gruppe von Erfassungselementen kann auf derselben Seite des Substrats wie die erste und die zweite Gruppe von Ansteuerelementen angeordnet sein. In diesem Fall können Verbindungen zum Verbinden der Erfassungselemente zu der Erfassungselektrode wenigstens teilweise außerhalb des empfindlichen Bereichs des Sensors vorgesehen sein. Die Verbindungen zum Verbinden der Erfassungselemente zu der Erfassungselektrode kann Verbindungsteile innerhalb des empfindlichen Bereichs des Sensors umfassen, die sich in derselben Richtung wie die Reihenelektroden von entsprechenden Erfassungselementen zu einer Peripherie des empfindlichen Bereichs des Sensors erstrecken. Auf diese Weise können Verbindungen aus dem empfindlichen Bereich herausgeführt werden, ohne die Reihen der Ansteuerelektroden kreuzen zu müssen.
Wenigstens eines der Erfassungselemente kann einen Durchgang umfassen, durch den sich Verbindungen von Ansteuerelementen in einer Spaltenelektrode zu anderen Ansteuerelementen in dieser Spaltenelektrode erstrecken können. Teile eines Erfassungselements auf beiden Seiten eines Durchgangs können über Verbindungen miteinander verbunden sein, die wenigstens teilweise außerhalb des empfindlichen Bereichs des Sensors vorgesehen sind. Die Verbindungen für eine Verbindung der Teile der Erfassungselemente auf beiden Seiten des Durchgangs können Verbindungsteile innerhalb des empfindlichen Bereichs des Sensors umfassen, die sich in derselben Richtung wie die Reihenelektroden zu einer Peripherie des empfindlichen Bereichs des Sensors erstrecken.
Die Reihenelektroden und die Spaltenelektroden können orthogonal zueinander sein.
Die Elektroden können aus einem transparenten Material wie etwa Indiumzinnoxid (ITO) oder einem anderen, geeigneten Material ausgebildet sein. Auch das Substrat auch aus einem transparenten Kunststoffmaterial ausgebildet sein, wobei es sich zum Beispiel um ein Polymethylmethacrylat (PMMA) wie etwa Perspex oder um ein Cycloolefincopolymer (COP) wie etwa Zeon Zeonex, Ticona Topas, Mitsui APE oder Japan Synthetic Rubber Arton handeln kann. In einigen Anwendungen können die Elektroden und/oder das Substrat aber auch opak sein.
Es ist zu beachten, dass die Reihen- und Spaltenrichtungen durch ein entsprechendes Koordinatensystem definiert werden, wobei es sich gewöhnlich um ein kartesisches xy-Koordinatensystem handelt, in dem die beiden Richtungen orthogonal zueinander sind. Es kann aber auch ein nicht-orthogonaler Winkel verwendet werden. Weiterhin werden die Reihen und Spalten im Folgenden manchmal jeweils auch als x-Richtung oder horizontale Richtung bzw. als y-Richtung oder vertikale Richtung bezeichnet, wobei hiermit keine konkrete Ausrichtung in einem realen Raum wie etwa mit Bezug auf die Richtung der Schwerkraft gemeint ist.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung angegeben, die einen zweidimensionalen Positionssensor gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung umfasst.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Um die Erfindung zu verdeutlichen und zu zeigen, wie dieselbe umgesetzt werden kann, wird im Folgenden beispielhaft auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen.
1A ist eine Ansicht von oben auf einen bekannten Objektpositionssensor-Wandler und zeigt die Oberflächenschicht des Objektpositionssensors, die eine obere Leiterbahnschicht und mit einer unteren Leiterbahnschicht verbundene Anschlusskontakte umfasst.
1B ist eine Ansicht von unten auf den Objektpositionssensor-Wandler von 1 und zeigt die untere Leiterbahnschicht.
1C ist eine zusammengesetzte Ansicht des Objektpositionssensor-Wandlers von 1A und zeigt die untere Leiterbahnschicht.
2 ist eine schematische perspektivische Ansicht und zeigt einen Positionssensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3A ist eine schematische Ansicht und zeigt die Vorderseite eines Positionssensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und den assoziierten Ansteuer- und Erfassungsschaltungsaufbau.
3B ist eine schematische Ansicht der Rückseite des Positionssensors von 3B mit dem assoziierten Ansteuerschaltungsaufbau.
3C ist eine schematische, zusammengesetzte Ansicht beider Seiten des Positionssensors von 3A und 3B und des assoziierten Ansteuer- und Erfassungsschaltungsaufbaus.
4 ist eine schematische Draufsicht auf einen Positionssensor gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
5A zeigt schematisch eine elektrische Schaltung für die Verwendung mit Sensoren gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
5B zeigt schematisch die Zeitbeziehung zwischen einigen Elementen der in 6A gezeigten Schaltung.
6A und 6B sind schematische Schnittansichten eines Teils des Sensors von 4 mit darüber gelegten elektrischen Feldlinien
7A und 7B sind schematische Schnittansichten eines Teils des Sensors von 3C mit darüber gelegten elektrischen Feldlinien.
8A zeigt schematisch eine Abfolge von Ansteuersignalen, die an den Reihenelektroden des Sensors von 4 angelegt werden.
8B zeigt schematisch eine Abfolge von Ansteuersignalen, die an den Spaltenelektroden des Sensors von 4 angelegt werden.
8C zeigt schematisch die Größe einer Komponente der entsprechenden Ansteuersignale von 8A und 83, die während eines den Sensor von 4 verwendenden Messzyklus mit der Erfassungselektrode gekoppelt ist.
9 zeigt schematisch einen Berührungsbildschirm mit einem Sensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
10 zeigt schematisch eine Waschmaschine mit einem Sensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
11 zeigt schematisch ein Mobiltelefon mit einem Sensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Ausführliche Beschreibung
2 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die einen Positionssensor 2 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. Der Sensor 2 umfasst ein Substrat 4, das ein Elektrodenmuster 5, das einen empfindlichen Bereich des Sensors definiert, und eine Steuereinrichtung 50 trägt. Die Steuereinrichtung ist über eine Verbindung 52 mit Elektroden in dem Elektrodenmuster verbunden. In dieser Ausführungsform ist das Elektrodenmuster auf nur eine Seite des Substrats beschränkt (auf die obere Seite in der Ausrichtung von 2). In anderen Beispielen kann das Elektrodenmuster 5 auf beide Seiten des Substrats verteilt sein. Das Elektrodenmuster 5 ist in dieser perspektivischen Ansicht stark schematisch dargestellt. Eine wirklichkeitsnähere Ansicht des Elektrodenmusters des Sensors von 2 ist in der weiter unten beschriebenen 4 gezeigt.
Das Elektrodenmuster 5 auf dem Substrat 4 kann unter Verwendung von herkömmlichen Techniken ausgebildet werden (wie z. B. Lithografie-, Abscheidungs- oder Ätztechniken). Das Substrat 4 ist in diesem Beispiel aus einem transparenten Kunststoffmaterial wie etwa Polyethylenterephthalat (PET) ausgebildet. Die Elektroden des Elektrodenmusters sind ebenfalls aus einem transparenten Material wie etwa Indiumzinnoxid (ITO) ausgebildet. Der empfindliche Bereich des Sensors ist also insgesamt transparent. Das bedeutet, dass der Sensor über einem darunter liegenden Display verwendet werden kann, ohne dieses zu verdecken. In anderen Ausführungsformen kann der Sensor jedoch auch nicht-transparent sein und zum Beispiel eine herkömmliche Leiterplatte oder ein anderes Substrat mit einem Elektrodenmuster aus Kupfer umfassen, wie es etwa in dem Tastenfeld eines Mobiltelefons verwendet wird.
Die Steuereinrichtung 50 erfüllt die Funktion einer Ansteuereinheit 6 zum Zuführen von Ansteuersignalen zu Teilen des Elektrodenmusters 5, einer Erfassungseinheit 8 zum Erfassen von Signalen von anderen Teilen des Elektrodenmusters 5 und einer Verarbeitungseinheit 7 zum Berechnen einer Position auf der Basis der verschiedenen Erfassungssignale für die an verschiedenen Teilen des Elektrodenmusters angelegten Ansteuersignale, wie weiter unten erläutert. Die Steuereinrichtung 50 steuert also den Betrieb der Ansteuer- und Erfassungseinheiten und die Verarbeitung der Reaktionen von der Erfassungseinheit 8 in der Verarbeitungseinheit 7, um die Position eines Objekts wie etwa eines Fingers oder Griffels in Nachbarschaft zu dem Sensor 2 zu bestimmen. Die Ansteuereinheit 6, die Erfassungseinheit 8 und die Verarbeitungseinheit 7 sind in 2 schematisch als separate Elemente in der Steuereinrichtung gezeigt. Allgemein werden die Funktionen aller dieser Elemente jedoch durch einen einzelnen IC-Chip vorgesehen, wobei es sich zum Beispiel um einen in geeigneter Weise programmierten Mikroprozessor, ein FPGA oder eine ASIC handeln kann.
3A und 3B zeigen schematisch entsprechende Ansichten eines Elektrodenmusters auf einer Vorderfläche und einer Rückfläche eines Substrats eines zweidimensionalen kapazitiven Positionssensors 32 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Der Sensor 32 von 3A und 3B ist im wesentlichen demjenigen von 2 ähnlich. Er unterscheidet sich jedoch dadurch, dass das Elektrodenmuster über beide Seiten des Sensorsubstrats verteilt ist. Dies betrifft jedoch nicht die anderen Aspekte des Sensors. Der Sensor 32 von 3A und 3B kann also eine Steuereinrichtung umfassen, die im wesentlichen der Steuereinrichtung von 2 ähnlich ist.
(3A wird hier als Vorderansicht bezeichnet, und 3B wird als Rückansicht bezeichnet. Es ist jedoch zu beachten, dass die Angaben „vorne” und „hinten” hier der Einfachheit halber verwendet werden, um gegenüberliegende Seiten (Flächen) des Sensorsubstrats zu bezeichnet. Diese Angaben beziehen sich nicht auf eine bestimmte räumliche Ausrichtung für den Sensor oder dessen Substrat. Die Angabe „vorne” bezieht sich allgemein auf die Seite des Sensors, die bei einer normalen Nutzung des Sensors gewöhnlich einem zu erfassenden Objekt zugewandt ist. Die Angabe „hinten” bezieht sich allgemein auf die gegenüberliegende Seite (d. h. auf die Seite, die bei einer normalen Nutzung des Sensors gewöhnlich einem zu erfassenden Objekt abgewandt ist). In vielen, wenn nicht allen Fällen kann das Sensorsubstrat jedoch auch mit einer umgekehrten Ausrichtung verwendet werden, weil der Sensor unabhängig davon betrieben werden kann, von welcher Seite sich ein Zeigeobjekt nähert (d. h. unabhängig davon, welche Seite als Vorderseite oder als Rückseite bezeichnet wird).)
Das Elektrodenmuster auf der Vorderseite des Substrats (3A) umfasst eine Vielzahl von miteinander verbundenen Erfassungselementen 40 (schwarz dargestellt) und eine Vielzahl von Ansteuerelementen 42 (mittelgrau dargestellt).
Die Erfassungselemente 40 sind allgemein kreisförmig und in einer regelmäßigen 5×7-Anordnung auf dem Sensorsubstrat angeordnet. Die Erfassungselemente 40 sind über eine entsprechende Anordnung von Erfassungselement-Leiterbahnen 41 (ebenfalls schwarz in 3A dargestellt) miteinander verbunden. Dies wird in dem vorliegenden Beispiel erreicht, indem jedes Erfassungselement direkt mit seinen Nachbarn in horizontalen Reihen verbunden ist. Die horizontalen Reihen der direkt verbundenen Erfassungselemente sind weiterhin über eine Leiterbahn verbunden, die sich auf der linken Seite des Elektrodenmusters von 3A nach unten erstreckt. Alle Erfassungselemente sind also miteinander verbunden, um eine einzelne Erfassungselektrode vorzusehen, die miteinander verbundene und in beiden Dimensionen über den zweidimensionalen empfindlichen Bereich des Sensors verteilte Erfassungselemente umfasst. Die Erfassungselektrode ist über eine Erfassungselektrodenverdrahtung mit einem Erfassungskanal S in einer Erfassungseinheit in der Steuereinrichtung des Sensors verbunden (wobei es sich etwa um die in 2 gezeigte Steuereinrichtung handeln kann). Der Erfassungskanal S wird durch die Steuereinrichtung gesteuert, um die mit der verbundenen Gruppe von Erfassungselementen gekoppelte Ladungsmenge wie weiter unten erläutert zu bestimmen.
Die Ansteuerelemente 42 auf der in 3A gezeigten Seite des Substrats sind in einer regelmäßigen 5×6-Anordnung über das Sensorsubstrat angeordnet. Entsprechende Ansteuerelemente sind nebeneinander und zwischen entsprechenden Erfassungselementen 40 angeordnet. Diese Anordnung sieht Spalten von alternierenden Erfassungs- und Ansteuerelementen vor. Die Ansteuerelemente und die Erfassungselemente sind eng zueinander beabstandet. Die Ansteuerelemente 42 sind allgemein sechseckig (nicht regelmäßig in diesem Beispiel), weisen jedoch nach innen gekrümmte Kanten auf den zu den Erfassungselementen 40 benachbarten Seiten auf, um die Kreisform der Erfassungselemente aufzunehmen. Die Ansteuerelemente in jeder Reihe sind über eine entsprechende Anordnung von Ansteuerelement-Leiterbahnen 43 (in 3A ebenfalls mittelgrau dargestellt) miteinander verbunden.
Die Vielzahl der Ansteuerelemente 42 auf der in 3A gezeigten Seite des Sensorsubstrats kann also als in sechs Reihenelektroden X¹, X², X³, X⁴, X⁵ und X⁶ organisiert betrachtet werden. In der Ausrichtung von 3A verlaufen die Reihenelektroden horizontal und sind vertikal voneinander beabstandet. (Die Angaben „vertikal” und „horizontal”, „oben” und „unten” usw. werden hier allgemein verwendet, um die Ausrichtungen der Sensoren wie in den Figuren gezeigt zu bezeichnen, außer wenn dies explizit anders angegeben ist. Es ist zu beachten, dass sich diese Angaben nicht auf eine konkrete Ausrichtung für einen Sensor während dessen normaler Nutzung beziehen. Außerdem ist zu beachten, dass die Begriffe „Spalte” und „Reihe” lediglich als unterscheidende Bezeichnungen für unterschiedliche Ausrichtungen bezeichnet werden, die jedoch beliebig sein können und in dem vorliegenden Beispiel einer vertikalen und einer horizontalen Ausrichtung entsprechen. Allgemein müssen die Reihen und Spalten jedoch nicht orthogonal zueinander sein.) Jede Reihe von Ansteuerelementen (d. h. jede Reihenelektrode) ist über eine Reihenansteuerverdrahtung mit einem entsprechenden Ansteuerkanal XD¹, XD², XD³, XD⁴, XD⁵ und XD⁶ in der Ansteuereinheit der Steuereinrichtung des Sensors verbunden. In diesem Beispiel ist ein separater Ansteuerkanal für jede Reihenelektrode vorgesehen. Es kann aber auch ein einzelner Ansteuerkanal mit einem entsprechenden Multiplexing verwendet werden. Die Ansteuerkanäle werden durch die Steuereinrichtung gesteuert, um Ansteuersignale an entsprechenden Reihen von Ansteuerelementen (Reihenelektroden) wie weiter unten beschrieben anzulegen.
Das Elektrodenmuster auf der Rückseite des Substrats (3B) umfasst eine weitere Vielzahl von Ansteuerelementen 44 (in der Figur wiederum mittelgrau dargestellt). Diese Ansteuerelemente 44 sind in einer regelmäßigen 4×7-Anordung über das Sensorsubstrat angeordnet. Die Position der Ansteuerelemente 44 auf dieser Seite des Substrats relativ zu dem Elektrodenmuster auf der in 3A gezeigten Fläche des Substrats ist in 3B als hellgraue Wiedergabe des Elektrodenmusters von 3A dargestellt. Die Ansteuerelemente 44 auf der Rückseite des Substrats sind also (in der Draufsicht) zwischen den Erfassungselementen 40 angeordnet, um Reihen von alternierenden Erfassungs- und Ansteuerelementen vorzusehen. Die Ansteuerelemente 44 sind allgemein sechseckig, weisen jedoch nach innen gekrümmte Ausschneidungen an Ecken in Nachbarschaft zu dem Vorsprung der Erfassungselemente 40 auf der Rückseite des Substrats auf, um die Kreisform der Erfassungselemente ohne Überlappung aufzunehmen. Die Ansteuerelemente 44 in jeder Spalte sind über eine entsprechende Anordnung von Ansteuerelementsäulen-Leiterbahnen 45 (in 3A ebenfalls mittelgrau dargestellt) miteinander verbunden.
Die Vielzahl von Ansteuerelementen 44 auf der Rückseite des Sensorsubstrats von 3B kann also als eine Anordnung von vier Spaltenelektroden Y¹, Y², Y³ und Y⁴ betrachtet werden. Diese Spaltenelektroden verlaufen in der Ausrichtung von 3B vertikal und sind horizontal zueinander beabstandet.
Jede Spalte von Ansteuerelementen 44 ist über eine Spaltenansteuerverdrahtung mit einem entsprechenden Ansteuerkanal YD¹, YD², YD³ und YD⁴ in der Sensorsteuereinrichtung verbunden. Diese Ansteuerkanäle können identisch mit den Ansteuerkanälen XD¹, XD², XD³, XD⁴, XD⁵ und XD⁶ sein, die mit den Reihenelektroden verbunden sind. In diesem Beispiel ist ein separater Ansteuerkanal für jede Spaltenelektrode vorgesehen. Es kann jedoch auch ein einzelner Ansteuerkanal mit einem entsprechenden Multiplexing verwendet werden. Die Ansteuerkanäle werden durch die Steuereinrichtung gesteuert, um Ansteuersignale an entsprechenden Spalten der Ansteuerelemente 44 wie weiter unten ausführlicher beschrieben anzulegen. (Ein einzelner Ansteuerkanal mit einem entsprechenden Multiplexing kann die Funktionen aller Ansteuerkanäle XD¹, XD², XD³, XD⁴, XD⁵, XD⁶, YD¹, YD², YD³ und YD⁴ vorsehen.)
3C zeigt schematisch eine Vorderansicht des Sensors 32 von 3A und 3B, wobei das Elektrodenmuster auf der Vorderseite (3A) und auf der Rückseite (3B) gemeinsam gezeigt sind.
Der Sensor 32 umfasst also eine Vielzahl von angesteuerten Reihenelektroden, eine Vielzahl von angesteuerten Spaltenelektroden und eine einzelne Erfassungselektrode, die ein Netz von miteinander verbundenen Erfassungselementen entlang der angetriebenen Reihen- und Spaltenelektroden über den empfindlichen Bereich des Sensors bildet. Jedes benachbarte Paar aus einem Ansteuerelement 42, 44 und einem Erfassungselement 40 (in der Durchsicht, d. h. unabhängig davon, ob das Ansteuer- und das Erfassungselement auf derselben Seite des Substrats sind) kann als ein diskreter Sensorbereich betrachtet werden, der in Übereinstimmung mit den in US 6,452,514 [3] beschriebenen Techniken betrieben werden kann. Die Betriebsweise für den Sensor 32 von 3A bis 3C ist ähnlich und wird durch die folgende Beschreibung der Betriebsweise des Sensors 2 von 2 verdeutlicht.
4 zeigt schematisch eine Draufsicht auf den Sensor 2 von 2. Wie zuvor genannt, ist dieser Sensor demjenigen von 3A bis 3C ähnlich und unterscheidet sich lediglich dadurch, dass das Elektrodenmuster des Sensors 2 von 4 auf nur eine Seite des Substrats beschränkt ist. Der Sensor kann also als einseitiges Substrat bezeichnet werden. Dies bietet den Vorteil, dass der Sensor einfacher hergestellt werden kann, weil nur eine Schicht des Elektrodenmusters verarbeitet werden muss.
Aspekte des Sensors 2, die dem vorstehend beschriebenen Sensor 32 von 3A bis 3C ähnlich sind, werden durch gleiche Bezugszeichen angegeben. Abgesehen davon, dass das Elektrodenmuster von 4 einseitig ausgebildet ist, umfasst es dieselben Grundelemente wie das Elektrodenmuster von 3C. Einige der Elemente sind jedoch modifiziert, um eine Führung von Verbindungen zwischen den verschiedenen Erfassungs- und Ansteuerelementen in einer einzelnen Leitermaterialschicht (Elektroden) innerhalb des empfindlichen Bereichs des Sensors zu gestatten.
Das Elektrodenmuster auf dem Substrat von 4 umfasst eine Vielzahl von miteinander verbundenen Erfassungselementen 60 (hellgrau dargestellt), eine Vielzahl von Ansteuerelementen 62, die miteinander verbunden sind, um Reihenelektroden (mittelgrau dargestellt) zu bilden, und eine Vielzahl von Ansteuerelementen 64, die miteinander verbunden sind, um Spaltenelektroden (schwarz dargestellt) zu bilden.
Die Erfassungselemente 60 sind allgemein kreisförmig, mit Ausnahme von denjenigen am linken und rechten Rand des empfindlichen Bereichs, die in diesem Beispiel halbkreisförmig sind, wobei dies jedoch nicht unbedingt der Fall sein muss. Die Erfassungselemente sind in einer regelmäßigen 5×7-Anordnung über das Sensorsubstrat angeordnet. Die Erfassungselemente 60 sind durch eine entsprechende Anordnung von Erfassungselement-Verbindungsbahnen 61 (in 4 ebenfalls hellgrau dargestellt) miteinander verbunden. Alle Erfassungselemente sind also miteinander verbunden und sehen eine einzelne Erfassungselektrode vor, die miteinander verbundene Erfassungselemente umfasst, die in beiden Dimensionen über den zweidimensionalen empfindlichen Bereich des Sensors verteilt sind. Die Erfassungselektrode ist über eine Erfassungselektrodenverdrahtung mit einem Erfassungskanal S in der Erfassungseinheit 8 in der Steuereinrichtung 50 des Sensors 2 verbunden. Das Erfassungssignal S kann betrieben werden, um eine in die miteinander verbundene Gruppe von Erfassungselementen 60 gekoppelte Ladungsmenge von entsprechenden angetriebenen Reihen-/Spaltenelektroden wie weiter unten erläutert zu bestimmen.
Die Ansteuerelemente 62 in dem einseitigen Sensor in Entsprechung zu den Reihenansteuerelementen 42 des doppelseitigen Sensors von 3A bis 3C sind in einer regelmäßigen 5×6-Anordnung über das Sensorsubstrat angeordnet. Entsprechende Ansteuerelemente 62 sind in Nachbarschaft zu entsprechenden Erfassungselementen 60 angeordnet. Diese Anordnung sieht also Spalten von alternierenden Erfassungs- und Ansteuerelementen vor. Wie zuvor sind die Ansteuerelemente und die Erfassungselemente eng zueinander beabstandet, aber nicht miteinander verbunden. Die Ansteuerelemente 62 sind wiederum sechseckig, mit Ausnahme von denjenigen am linken und rechten Rand des empfindlichen Bereichs, die in diesem Beispiel halbsechseckig sind (was jedoch nicht der Fall sein muss), weisen aber nach innen gekrümmte Kanten auf den zu den Erfassungselementen 60 benachbarten Seiten auf, um die kreisförmige Erfassungselemente aufzunehmen. Die Ansteuerelemente in jeder Reihe sind miteinander über eine entsprechende Anordnung von Reihenansteuerelement-Verbindungsbahnen 63 (in 4 ebenfalls mittelgrau dargestellt) verbunden.
Die Vielzahl von in 4 mittelgrau dargestellten Ansteuerelementen 62 können also als eine Anordnung von sechs Reihenelektroden XD¹, XD², XD³, XD⁴, XD⁵ und XD⁶ betrachtet werden. Jede Reihe von Ansteuerelementen 62 (d. h. jede Reihenelektrode) ist über eine Reihenansteuerverdrahtung mit einem entsprechenden Ansteuerkanal XD¹, XD², XD³, XD⁴, XD⁵ und XD⁶ in der Ansteuereinheit 6 der Steuereinrichtung 50 des Sensors verbunden. Diese Ansteuerkanäle sind identisch mit den durch entsprechende Bezugszeichen angegebenen Ansteuerkanälen von 3A. Es ist zu beachten, dass in der Ausführungsform von 4 die Reihenansteuerkanäle XD¹, XD², XD³, XD⁴, XD⁵ und XD⁶ mit den entsprechenden Reihenelektroden X¹, X², X³, X⁴, X⁵ und X⁶ von der linken Seite des Sensors 2 in der Ausrichtung von 4 verbunden sind, während die entsprechenden Ansteuerkanäle für den Sensor 32 von 3C von rechts verbunden sind. Dies ist jedoch nicht von Bedeutung.
Die Ansteuerelemente 64 in dem einseitigen Sensor entsprechen den Ansteuerelementen 44 des doppelseitigen Sensors von 3A bis 3C. Diese Ansteuerelemente 64 sind wiederum in einer regelmäßigen 4×7-Anordnung über das Sensorsubstrat angeordnet. Entsprechende Ansteuerelemente 64 sind zwischen entsprechenden Erfassungselementen 60 angeordnet, um Reihen von alternierenden Erfassungs- und Ansteuerelementen vorzusehen. Die Ansteuerelemente 64 und die Erfassungselemente 60 kontaktieren einander nicht, sind aber eng zueinander beabstandet. Die Ansteuerelemente 64 sind allgemein sechseckig, weisen jedoch nach innen gekrümmte Ausschneidungen an Ecken in Nachbarschaft zu den Erfassungselementen 60 auf, um die Kreisform der Erfassungselemente aufzunehmen. Die Ansteuerelemente 64 in jeder Spalte sind über eine entsprechende Anordnung von Ansteuerelementspalten-Verbindungsbahnen 65 (in 4 ebenfalls schwarz dargestellt) verbunden.
Die Vielzahl von Ansteuerelementen 64 kann also als eine Anordnung von vier Spaltenelektroden Y¹, Y², Y³ und Y⁴ betrachtet werden. Jede Spalte von Ansteuerelementen 64 ist über eine Spaltenansteuerverdrahtung mit einem entsprechenden Ansteuerkanal YD¹, YD², YD³ und YD⁴ in der Sensorsteuereinrichtung verbunden. Diese Ansteuerkanäle können identisch mit den Ansteuerkanälen XD¹, XD², XD³, XD⁴, XD⁵ und XD⁶ sein, die mit den Reihenelektroden verbunden sind. Diese Ansteuerkanäle sind identisch mit den durch entsprechende Bezugszeichen angegebenen Ansteuerkanälen von 3B.
Weil die Erfassungselemente 60, die Ansteuerelemente, die miteinander verbunden sind, um die Reihenelektroden zu bilden (diese Elemente können deshalb als Reihenansteuerelemente 62 bezeichnet werden), und die Ansteuerelemente, die miteinander verbunden sind, um die Spaltenelektroden zu bilden (Spaltenansteuerelemente 64) alle auf einer Seite des Substrats angeordnet sind, ist ein anderes Layout für die Verbindungen zwischen den Ansteuer- und Erfassungselementen erforderlich. Weil nämlich nur eine einzelne Schicht des Elektrodenmusters vorhanden ist, können keine Querverbindungen für die Verbindungsbahnen in dem empfindlichen Bereich vorgesehen werden. Dies stellt eine andere togologische Herausforderung im Vergleich zu den Fällen dar, in denen das Elektrodenmuster auf beide Seiten des Substrats verteilt ist.
Die Reihenansteuerelement-Verbindungsbahnen 63 erstrecken sich also direkt zwischen benachbarten Reihenansteuerelementen 62, um diese in gleicher Weise wie in dem zweiseitigen Sensor von 3A zu Reihen zu verbinden. Die Reihenansteuerverdrahtung für die Verbindung der Reihenelektroden mit den entsprechenden Ansteuerkanälen verbindet das am weitesten links vorgesehene Reihenansteuerelement in jeder Reihe auf eine beliebige herkömmliche Weise mit dem entsprechenden Ansteuerkanal, z. B. durch oberflächenmontierte Verbindungen oder fliegende Anschlussverbindungen.
Während jedoch in dem Sensor 32 von 3A die Erfassungselemente direkt mit ihren Nachbarn in horizontalen Reihen verbunden sind, gilt dies nicht für den Sensor 2 von 4, weil die Spaltenansteuerelemente 64 derartigen Verbindungen im Weg sind. Weiterhin sind einige der allgemein kreisförmigen Erfassungselemente 60 des Sensors von 4 durch einen gereihten Durchgang in zwei Teile unterteilt. Die Durchgänge in den Erfassungselementen dienen dazu, Verbindungen zu den Spaltenansteuerelementen 64 durch einen Rand des Sensorsubstrats/durch den empfindlichen Bereich hindurch zu gestatten, sodass diese mit anderen Ansteuerelementen in ihren entsprechenden Spalten wie weiter unten erläutert verbunden werden können. Die zwischen den Spaltenansteuerelementen in den Spaltenelektroden Y² und Y³ angeordneten Erfassungselemente müssen also nicht mit einem Durchgang versehen werden. Die zwischen Spaltenansteuerelementen in den Spaltenelektroden Y¹ und Y² angeordneten Erfassungselemente sind mit einem Durchgang versehen, der ausreichend breit ist, damit sich eine einzelne Verbindungsbahn zu dem Spaltenansteuerelement in der Spaltenelektrode Y² durch denselben erstrecken kann. (Entsprechend sind die Erfassungselemente zwischen Spaltenansteuerelementen in den Spaltenelektroden Y³ und Y⁴ mit einem Durchgang versehen, der ausreichend breit ist, damit sich eine einzelne Verbindungsbahn zu dem Spaltenansteuerelement in der Spaltenelektrode Y³ durch denselben erstrecken kann.) Die am linken Rand des empfindlichen Bereichs angeordneten Erfassungselemente sind mit einem Durchgang versehen, der ausreichend breit ist, damit sich drei Verbindungsbahnen durch denselben erstrecken können. Dabei handelt es sich um eine erste Verbindungsbahn zu dem Spaltenansteuerelement in der Spaltenelektrode Y² sowie um eine zweite und eine dritte Bahn zu entsprechend einem ersten und einem zweiten Teil der Ansteuerelemente in der Spalte Y¹, wobei diese Ansteuerelemente ebenfalls durch einen Durchgang unterteilt sind, damit die Verbindungsbahn zu den Ansteuerelementen in der Spaltenelektrode Y² nach außen zu dem Rand des empfindlichen Bereichs geführt werden kann. Die am rechten Rand des empfindlichen Bereichs angeordneten Erfassungselemente sind in ähnlicher Weise mit Durchgängen versehen, die ausreichend breit sind, damit sich drei Verbindungsbahnen durch dieselben erstrecken können.
Die Erfassungselemente sind also in Reihen mit benachbarten Erfassungselementen über Erfassungselement-Verbindungsbahnen verbunden, die in den Zwischenräumen zwischen den Ansteuerelementen der Reihenansteuerelektroden und der Spaltenansteuerelektroden verlaufen. Jedes Erfassungselement ist also mit jedem seiner Reihennachbarn über zwei Abschnitte der Verbindungsbahn verbunden, wobei der eine Abschnitt die oberen Hälften jedes benachbarten Erfassungselements verbindet und der andere Abschnitt die unteren Hälften verbindet. Indem zwei Abschnitte der Verbindungsbahn pro benachbartes Elektrodenpaar verwendet werden, können die durch einen Durchgang geteilten Elektroden korrekt miteinander verbunden werden, um die einzelne Erfassungselektrode zu bilden. Die Verbindungen zwischen den unteren Teilen einer Reihe von Erfassungselementen und den oberen Teilen einer benachbarten Reihe von Erfassungselementen sind an dem rechten Rand des empfindlichen Bereichs ausgebildet. Auf diese Weise sind alle Erfassungselemente miteinander verbunden. Die unterschiedlichen Reihen von Erfassungselementen sind über die Verbindungsbahnen miteinander verbunden, die sich auf der rechten Seite des empfindlichen Bereichs nach unten erstrecken. Und die oberen und unteren Teile der Sensorbereiche in jeder Reihe mit einem Durchgang sind über das nicht unterteilte mittige Erfassungselement in jeder Reihe von Erfassungselementen miteinander verbunden.
Und während in dem Sensor 32 von 3B die Spaltenansteuerelemente direkt mit ihren Nachbarn in Spalten verbunden sind, ist dies bei dem Sensor 2 von 4 nicht der Fall, weil die verbundenen Reihen von Reihenansteuerelementen und die verbundenen Reihen von Erfassungselementen eine derartige Verbindung blockieren. Dementsprechend sind die Spaltenansteuerelementen 64 durch Spaltenansteuer-Verbindungsbahnen 65 zu Spalten verbunden, wobei die Spaltenansteuer-Verbindungsbahnen 65 Teile in dem empfindlichen Bereich des Sensors, die parallel zu der Reihenausrichtung verlaufen, und Teile außerhalb des empfindlichen Bereichs, die z. B. durch herkömmliche Jumper oder fliegende Anschlüsse gebildet werden, umfassen. Und weiterhin sind einige der Spaltenansteuerelemente 64 des Sensors von 4 ähnlich wie die Sensorbereiche durch einen gereihten Durchgang in zwei Teile unterteilt. Die Durchgänge in den Spaltenansteuerelementen gestatten Verbindungen zu den Spaltenansteuerelementen 64 in Spaltenelektroden, die näher an der Mitte des empfindlichen Bereichs, der zu einem Rand des Sensorsubstrats/empfindlichen Bereichs durchlaufen werden muss, sind, sodass sie mit anderen Ansteuerelementen in ihren entsprechenden Spalten wie weiter unten beschrieben verbunden werden können. Die Spaltenansteuerelemente in den Spaltenelektroden Y² und Y³ müssen also nicht mit einem Durchgang versehen werden. Die Spaltenansteuerelemente in der Spaltenelektrode Y¹ sind mit einem Durchgang versehen, der ausreichend breit ist, damit sich eine einzelne Verbindungsbahn zu dem Spaltenansteuerelement in der Spaltenelektrode Y² durch denselben erstrecken kann. (Entsprechend sind die Spaltenansteuerelemente in der Spaltenelektrode Y⁴ mit einem Durchgang versehen, der ausreichend breit ist, damit sich eine einzelne Verbindungsbahn zu den Spaltenansteuerelementen in der Spaltenelektrode Y³ durch denselben erstrecken kann.) Die Spaltenansteuerelemente in den inneren Spaltenelektroden Y² und Y³ sind also mit ihren benachbarten Elementen in derselben Spalte durch Verbindungsbahnen in derselben Spalte über Verbindungsbahnen in dem Elektrodenmuster auf dem Sensorsubstrat verbunden, die sich parallel zu den Reihen und durch die Durchgänge der Erfassungselemente und die Ansteuerelemente in den äußeren Spaltenelektroden zu dem Rand des Sensors erstrecken. Die Ansteuerelemente können dann unter Verwendung einer herkömmlichen fliegenden Verdrahtung oder von Jumpern außerhalb des empfindlichen Bereichs miteinander verbunden werden.
Die oberen und unteren Teile der Spaltenansteuerelemente in den äußeren Spaltenelektroden Y¹ und Y⁴ sind über Verbindungsbahnen in dem Elektrodenmuter auf dem Sensorsubstrat miteinander verbunden, die sich parallel zu den Reihen und durch die Durchgänge der äußeren Erfassungselemente erstrecken. Die zwei Teile der Ansteuerelemente können dann unter Verwendung einer herkömmlichen fliegenden Verdrahtung oder von Jumpern außerhalb des empfindlichen Bereichs miteinander verbunden werden. Und weil eine Verbindungsbahn zu den oberen und unteren Teilen jedes Spaltenansteuerelements in den äußeren Spaltenelektroden zu dem Rand des empfindlichen Bereichs herausgeführt ist, können die Spaltenansteuerelemente in den äußeren Spaltenelektroden y¹ und y⁴ mit den benachbarten Elementen in derselben Spalte über Verbindungsbahnen außerhalb des einschichtigen empfindlichen Bereichs unter Verwendung von entsprechenden Verbindungen (die also nicht auf eine einzelne Schicht begrenzt sind) miteinander verbunden werden.
In dem Elektrodenmuster von 4 sind alle Kreuzungspunkte für die Verdrahtung und die Verbindungsbahnen außerhalb des empfindlichen Bereichs vorgesehen, z. B. indem eine entsprechende Kombination von oberflächenmontierten Bahnen und Jumpern, fliegende Anschlüssen oder eine andere bekannte Verbindungstechnik verwendet wird. Dementsprechend können die Spaltenelektroden, die Ansteuerelektroden und eine Erfassungselektrode, die den empfindlichen Bereich des Sensors definieren, alle mit nur einem einschichtigen Elektrodenmuster versehen sein.
Die Spaltenansteuerelement-Verbindungsbahnen sollten eine derartige Dicke aufweisen, dass sie einen relativ niedrigen Widerstand vorsehen, während sie andererseits nicht so dick sein sollten, dass sie eine wesentliche Fläche einnehmen, von der Ansteuersignale zu den Erfassungselektroden gekoppelt werden können. Bei einem Sensor mit einer üblichen Größe für ein 5–10 cm × 5–10 cm großes Handheld-Gerät sollten die einzelnen Ansteuer- und Erfassungselemente eine Größe in der Größenordnung von einigen wenigen mm bis einigen wenigen cm aufweisen und sollte die Breite der Spaltenansteuerelement-Verbindungsbahnen in der Größenordnung von einigen hundert Mikrometern liegen. Die optimale Bahnbreite hängt jedoch von den verwendeten Materialien und dem verwendeten spezifischen Muster ab. Zum Beispiel können Kupferbahnen allgemein dünner als ITO-Bahnen sein, weil Kupfer einen geringeren Widerstand aufweist als ITO. Außerdem ist zu beachten, dass die Sensoren gemäß den Ausführungsformen der Erfindung skaliert werden können, sodass kleinere oder größere Sensoren verwendet werden können.
Im Folgenden wird eine Betriebsweise für den Sensor 2 von 2 und 4 beschrieben. Mit Bezug auf 4 wird angenommen, dass sich ein Zeigeobjekt wie etwa der Finger eines Benutzers in Nachbarschaft zu dem Sensor an der Position befindet, die in 4 durch einen Fingerabdruck 70 wiedergegeben wird.
Während der Nutzung wird die Position eines Objekts in einem Messzyklus bestimmt, in dem die Spalten- und Reihenelektroden sequentiell durch die entsprechenden Ansteuerkanäle angesteuert werden und die von jeder angesteuerten Reihen- und Spaltenelektrode zu der Erfassungselektrode übertragene Ladungsmenge durch den Erfassungskanal bestimmt wird.
5A zeigt schematisch eine Schaltung, die verwendet werden kann, um die von einer angesteuerten Ansteuerelektrode (die eine der Reihen- oder Spaltenelektroden des Sensors von 2 und 4 sein kann) zu der Erfassungselektrode übertragene Ladung zu messen. Die zu einem bestimmten Zeitpunkt angesteuerte Ansteuerelektrode und die Erfassungselektrode weisen eine (wechselseitige) Selbstkapazität auf. Dies wird primär durch deren Geometrie, insbesondere in den einander am nächsten liegenden Bereichen, bestimmt. Die angesteuerte Ansteuerelektrode ist schematisch als eine erste Platte 100 eines Kondensators 105 gezeigt, und die Erfassungselektrode ist schematisch als eine zweite Platte 104 des Kondensators 105 gezeigt. Der Schaltungsaufbau des in 5A gezeigten Typs ist in US 6,452,514 [3] ausführlicher beschrieben. Die Schaltung beruht zum Teil auf der Ladungsübertragungsvorrichtung (QT) und den Verfahren, die in US 5,730,165 [1] angegeben werden, deren Inhalt wie bereits weiter oben genannt hier unter Bezugnahme eingeschlossen ist.
Der mit der aktuell angesteuerten Elektrode 100 assoziierte Ansteuerkanal, der mit der Erfassungselektrode 104 assoziierte Erfassungskanal und Elemente der Sensorsteuereinrichtung sind in 5A als ein kombinierter Verarbeitungsschaltungsaufbau 400 gezeigt. Der Verarbeitungsschaltungsaufbau 400 umfasst einen Abtastungsschalter 401, einen Ladungsintegrator 402 (hier als einfacher Kondensator gezeigt), einen Verstärker 403 und einen Rücksetzschalter 404 und kann optional auch eine Ladungsaufhebungseinrichtung 405 umfassen. Die Zeitbeziehungen zwischen dem angesteuerten Elektrodenansteuersignal von dem Ansteuerkanal 101 und der Abtastzeit des Schalters 401 ist schematisch in 5B gezeigt. Der Ansteuerkanal 101 und der Abtastungsschalter 401 sind mit einer geeigneten Synchronisierungseinrichtung versehen, die ein Mikroprozessor oder eine andere digitale Steuereinrichtung 408 zum Aufrechterhalten dieser Beziehung sein kann. In der gezeigten Implementierung ist der Rücksetzschalter 404 zu Beginn geschlossen, um den Ladungsintegrator 402 auf einen bekannten Ausgangszustand (z. B. null Volt) zurückzusetzen. Der Rücksetzschalter 404 wird dann geöffnet. Kurz danach wird der Abtastungsschalter 401 über den Anschluss 1 des Schalters mit dem Ladungsintegrator 402 für ein Intervall verbunden, während dem der Ansteuerkanal 101 einen positiven Übergang emittiert. Danach wird der Abtastungsschalter 401 wieder mit dem Anschluss 0 verbunden, der eine elektrische Erde oder ein anderes geeignetes Bezugspotential ist. Der Ansteuerkanal 101 kehrt dann zur Erde zurück, wobei die Verarbeitung in insgesamt „n” Zyklen (wobei n gleich 1 (d. h. 0 Wiederholungen), 2 (1 Wiederholung), 3 (2 Wiederholungen) usw. sein kann) wiederholt werden. Es kann hilfreich sein, wenn das Ansteuersignal nicht zur Erde zurückkehrt, bevor der Ladungsintegrator von der Erfassungselektrode getrennt wird, weil ansonsten eine gleiche und entgegen gesetzte Ladung in/aus dem Erfassungskanal während zu positiv oder zu negativ gehenden Flanken fließen würde, was keine Nettoübertragung oder Ladung in den Ladungsdetektor zur Folge hätte. Nach der gewünschten Anzahl von Zyklen wird der Abtastungsschalter 401 an der Position 0 gehalten, während die Spannung an dem Ladungsintegrator 402 durch eine Messeinrichtung 407 gemessen wird, die einen Verstärker, einen AD-Wandler oder eine andere für die beabsichtigte Anwendung geeigneten Schaltungsaufbau umfassen kann. Nachdem die Messung genommen wurde, wird der Rücksetzschalter 404 wieder geschlossen und wird der Zyklus neu gestartet, wobei jedoch der nächste angesteuerte Kanal und die nächste angesteuerte Elektrode in der Sequenz anstelle des Ansteuerkanals 101 und der angesteuerten Elektrode 100 verwendet werden, wie schematisch in 5A gezeigt. Der Messprozess für eine bestimmte angesteuerte Elektrode wird hier als Messungs-Burst der Länge „n” bezeichnet, wobei „n” von 1 bis zu einer beliebigen endlichen Zahl reichen kann. Die Empfindlichkeit der Schaltung steht in direktem Zusammenhang mit „n” und in umgekehrter Beziehung zu dem Wert des Ladungsintegrators 402.
Es ist zu beachten, dass das durch das Bezugszeichen 402 angegebene Schaltungselement eine Ladungsintegrationsfunktion vorsieht, die auch durch andere Einrichtungen bewerkstelligt werden kann, und dass dieser Typ von Schaltung nicht auf die Verwendung eines auf die Erde bezogenen Kondensators wie durch das Bezugszeichen 402 angegeben beschränkt ist. Es sollte auch deutlich sein, dass der Ladungsintegrator 402 ein auf einem Operationsverstärker basierender Integrator sein kann, der die durch den Erfassungsschaltungsaufbau fließende Ladung integriert. Derartige Integratoren verwenden Kondensatoren für das Speichern der Ladung. Es ist zu beachten, dass Integratoren zwar die Komplexität des Schaltungsaufbaus erhöhen, jedoch eine bessere Summierungsübergangslast für die Erfassungsströme und einen dynamischeren Bereich vorsehen. Wenn ein langsamer Integrator verwendet wird, kann es erforderlich sein, einen separaten Kondensator an der Position von 402 zu verwenden, um die Ladung vorübergehend mit hoher Geschwindigkeit zu speichern, bis sie der Integrator integrieren kann, wobei aber der Wert eines solchen Kondensators im Vergleich zu dem Wert des Integrator-Kondensators in dem auf einem Operationsverstärker basierenden Integrator nicht wichtig ist.
Es kann hilfreich sein, wenn der Abtastungsschalter 401 die Erfassungselektrode des Sensors mit der Erde verbindet, wenn diese während der Änderungen des Ansteuersignals mit der gewählten Polarität (in diesem Fall geht sie zu positiv) nicht mit dem Ladungsintegrator 402 verbunden ist. Der Grund hierfür ist, dass dadurch eine künstliche Erdungsebene geschaffen werden kann, sodass Hochfrequenz-Emissionen reduziert werden können und wie weiter oben genannt die gekoppelte Ladung mit einer Polarität, die der durch den Ladungsintegrator 402 erfassten entgegen gesetzt ist, korrekt abgeleitet und neutralisiert werden kann. Außerdem kann ein Widerstand zu der Erde an der Erfassungselektrode verwendet werden, um denselben Effekt zwischen Übergängen der Ansteuerkanälen 101 vorzusehen. Als eine Alternative zu einem einzelnen SPDT-Schalter 401 können auch zwei unabhängige Schalter verwendet werden, wenn diese entsprechend zeitlich abgestimmt sind.
Wie in US 5,730,165 beschrieben, sind viele Signalverarbeitungsoptionen für die Manipulation und Bestimmung einer Erfassung oder Messung der Signalamplitude möglich. US 5,730,165 beschreibt weiterhin die Verstärkungsbeziehung der in 5A gezeigten Anordnung, wenn auch als ein System mit einer einzelnen Elektrode. Dabei handelt es sich um dieselbe Verstärkungsbeziehung wie in dem vorliegenden Fall. Die Nützlichkeit einer Signalaufhebungseinrichtung 405 wird in US 4,879,461 [5] und in US 5,730,165 beschrieben. Die Beschreibung von US 4,879,461 ist hier unter Bezugnahme eingeschlossen. Der Zweck der Signalaufhebung besteht darin, einen Spannungsaufbau (d. h. eine Ladungsaufbau) an dem Ladungsintegrator 402 während der Erzeugung jedes Bursts (eines zu positiv gehenden Übergangs des Ansteuerkanals) zu reduzieren, um eine höhere Kopplung zwischen den angesteuerten Elektroden und den empfangenden Erfassungselektroden zu gestatten. Ein Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass eine große Erfassungsfläche ermöglicht wird, die empfindlich für kleine Abweichungen in der Kopplung zwischen den Elektroden und dennoch relativ kostengünstig ist. Derartige große Erfassungskopplungen sind in physikalisch relativ großen Elektroden vorhanden, wie sie etwa in Berührungsfeldern verwendet werden. Die Ladungsaufhebung gestattet das Messen der Kopplungsmenge mit einer größeren Linearität, weil die Linearität davon abhängig ist, dass die gekoppelte Ladung von der angesteuerten Elektrode 100 zu der Erfassungselektrode 104 während des Verlaufs eines Bursts in einen virtuellen Erdungsknoten abgeleitet werden kann. Wenn die Spannung an dem Ladungsintegrator 402 während des Verlaufs eines Bursts beträchtlich steigen dürfte, würde die Spannung umgekehrt exponentiell steigen. Diese exponentielle Komponente hat einen verheerenden Effekt auf die Linearität und damit auf den verfügbaren dynamischen Bereich.
5A und 5B zeigen nur ein Beispiel für einen Schaltungsaufbau, der in Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden kann. Es kann auch ein beliebiger anderer Schaltungsaufbau verwendet werden, wie er in einem aktiven Elektrodenkapazitäts-Messschaltungsaufbau verwendet wird, wobei es sich zum Beispiel um den in US 5,648,642 beschriebenen Schaltungsaufbau handeln kann. Im Prinzip kann der Erfassungsaufbau einfach ein Strommesser sein, der konfiguriert ist, um den Effektivstrom des von der Ansteuerelektrode zu den Erfassungselektroden gekoppelten Signals zu messen (z. B. ein Spannungsmesser, der konfiguriert ist, um einen Effektivspannungsabfall über einen Widerstand zu messen).
Der Betrieb des in 5A und 5B gezeigten Schaltungsaufbaus lässt sich wie folgt zusammenfassen. Der aktuelle Ansteuerkanal (XD¹, XD², XD³, XD⁴, XD⁵, XD⁶, YD¹, YD², YD³ oder YD⁴, je nach der Position in der Messsequenz) legt ein in der Zeit variierendes Ansteuersignal an der assoziierten Spalten-/Reihenelektrode (X¹, X², X³, X⁴, X⁵, X⁶, Y¹, Y², Y³ oder Y⁴) an. Es wird hier angenommen, dass der Ansteuerkanal SD¹ und die angesteuerte Elektrode X¹ ist. Der Ansteuerkanal XD¹ kann ein einfaches CMOS-Logikgate sein, das von einem herkömmlich geregelten Stromversorgung mit Strom versorgt wird und durch die Sensorsteuereinrichtung 50 gesteuert wird, um eine periodische Vielzahl von Spannungsimpulsen mit einer gewählten Dauer (oder in einer einfachen Implementierung einen einfachen Übergang von einer niedrigen zu einer hohen oder von einer hohen zu einer niedrigen Spannung, d. h. einen Burst eines Impulses) vorzusehen. Alternativ hierzu kann der Ansteuerkanal XD¹ einen Sinusgenerator oder einen Generator für eine zyklische Spannung mit einer anderen geeigneten Wellenform umfassen. Auf diese Weise wird also ein sich veränderndes elektrisches Feld an den Anstiegs- und Abfallflanken der an der angesteuerten Elektrode X¹ angelegten Folge von Spannungszyklen erzeugt. Es wird angenommen, dass die angesteuerte Elektrode X¹ und die Erfassungselektrode als gegenüberliegende Platten eines Kondensators mit einer Kapazität C_E wirken. Weil die Erfassungselektrode kapazitiv mit der angesteuerten Elektrode X¹ gekoppelt ist, empfängt oder leitet sie das durch die angesteuerte Reihenelektrode erzeugte, sich ändernde elektrische Feld ab. Dies hat einen Stromfluss in der Erfassungselektrode zur Folge, der durch die sich ändernde Spannung an der Ansteuerelektrode X¹ aufgrund einer kapazitiven Differenzierung der sich ändernden elektrischen Felder induziert wird. Der Strom fließt zu (oder von, je nach der Polarität) dem erfassten Kanal S in der Erfassungseinheit 8. Wie weiter oben genannt, kann der Erfassungskanal eine Ladungsmessungsschaltung umfassen, die konfiguriert ist, um den Fluss der Ladung in/aus (je nach der Polarität) dem Erfassungskanal, der durch die in der Erfassungselektrode induzierten Ströme verursacht wird, zu messen.
Die kapazitive Differenzierung wird durch die folgende, den Fluss durch einen Kondensator bestimmende Gleichung bedingt: IE = CE × dVdt wobei I_E der augenblickliche Strom ist, der zu dem Erfassungskanal S fließt, und dV/dt die Änderungsrate der an der angesteuerten Elektrode X¹ angelegten Spannung ist. Die zu der Erfassungselektrode (und damit in/aus dem Erfassungskanal S) gekoppelte Ladungsmenge während eines Flankenübergangs ist das Integral der oben genanten Gleich über die Zeit, d. h.: QE = CE × V
Die an jedem Übergang gekoppelte Ladung Q_E ist unabhängig von der Anstiegszeit von V (d. h. dV/dt) und hängt nur von der Spannungsschwankung an der angesteuerten Elektrode (die einfach fixiert werden kann) und der Größe der Kopplungskapazität C_E zwischen der angesteuerten Elektrode und der Erfassungselektrode ab. Die Bestimmung der in/aus dem Ladungsdetektor mit dem Erfassungskanal S gekoppelten Ladung in Reaktion auf Änderungen in dem an der angesteuerten Elektrode X¹ angelegten Signal ist also ein Maß für die Kopplungskapazität C_E zwischen der angesteuerten Elektrode X¹ und der Erfassungselektrode.
Die Kapazität eines herkömmlichen Kondensators mit parallelen Platten ist beinahe unabhängig von den elektrischen Eigenschaften des Bereichs außerhalb des Raums zwischen den Platten (wenigstens bei Platten, die eine große Ausdehnung im Verhältnis zu ihrem Abstand aufweisen). Dies gilt jedoch nicht für einen Kondensator, der benachbarte Elektroden in einer Ebene (d. h. benachbarte Ansteuer- und Erfassungselemente, die auf derselben Seite des Substrats liegen, wie bei dem Sensor von 4 für die Spalten- und Reihenelektroden und dem Sensor in 3C für die Reihenelektroden) oder für benachbarte Ansteuer- und Erfassungselemente auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats, die jedoch zueinander versetzt sind (d. h. einander nicht oder nur geringfügig überlappen), wie etwa bei dem Sensor von 3C für die Spaltenelektroden. Der Grund hierfür ist, dass wenigstens einige der elektrischen Felder zwischen der angesteuerten Elektrode und der Erfassungselektrode aus dem Substrat austreten. Das bedeutet, dass die kapazitive Kopplung (d. h. die Größe von C_E) zwischen der angesteuerten Elektrode und der Erfassungselektrode bis zu einem gewissen Grad empfindlich für die elektrischen Eigenschaften des Bereichs in Nachbarschaft zu den Elektroden ist, bis zu denen das ausgetretene elektrische Feld gelangt.
In Abwesenheit von benachbarten Objekten wird die Größe von C_E primär durch die Geometrie der Elektroden und durch die Dicke und die dielektrische Konstante des Sensorsubstrats (insbesondere in zweiseitigen Sensoren wie in 3C) bestimmt. Wenn jedoch ein Objekt in dem Bereich vorhanden ist, in den hinein das elektrische Feld aus dem Substrat austritt, kann das elektrische Feld in diesem Bereich durch die elektrischen Eigenschaften des Objekts modifiziert werden. Der Grund hierfür ist, dass sich die kapazitive Kopplung zwischen den Elektroden ändert, sodass die in/aus dem Ladungsdetektor gekoppelte gemessene Ladung die Änderungen des Erfassungskanals umfasst. Wenn ein Benutzer zum Beispiel einen Finger in den Bereich des Raums hält, der durch einige der ausgetretenen elektrischen Felder eingenommen wird, wird die kapazitive Kopplung zwischen den Elektroden reduziert, weil der Benutzer eine wesentliche Kapazität zu der Erde (oder zu anderen nahen Einrichtungen, deren Pfad das Erdbezugspotential des die Erfassungselemente steuernden Schaltungsaufbaus bildet) aufweist. Diese reduzierte Kopplung tritt auf, weil das ausgetretene elektrische Feld, das normalerweise zwischen der angesteuerten Spaltenelektrode und der erfassenden Reihenelektrode gekoppelt wird, teilweise von der Reihenelektrode zu der Erde abgeleitet wird. Der Grund hierfür ist, dass das Objekt in Nachbarschaft zu dem Sensor elektrische Felder von der direkten Kopplung zwischen den Elektroden abführt.
6A und 6B sind schematische Schnittansichten eines Bereichs des Sensors 2 von 2 und 4, in dem die elektrischen Feldlinien zwischen den beispielhaften Ansteuerungs- und Erfassungselementen schematisch gezeigt sind. In 6A und 6B ist ein Abschnitt des Substrats 4 mit einem beispielhaften Ansteuerelement 62 und zwei benachbarten Erfassungselementen 60 gezeigt.
6A zeigt schematisch die elektrischen Felder, wenn die in der Figur gezeigte Elektrode mit dem Ansteuerelement 62 angesteuert wird und kein Objekt in Nachbarschaft zu dem Sensor vorhanden ist. 6B zeigt die elektrischen Felder, wenn ein Objekt in Nachbarschaft zu dem Sensor vorhanden ist (d. h. der Finger des Benutzers eine Kapazität C_x zur Erde aufweist). Wenn kein Objekt in Nachbarschaft zu dem Sensor vorhanden ist, sind die elektrischen Feldlinien alle zwischen dem angesteuerten Element 62 und einem oder dem anderen der Erfassungselemente 60 verbunden. Wenn jedoch der Finger des Benutzers in Nachbarschaft zu dem Sensor vorhanden ist, werden einige der elektrischen Feldlinien, die außerhalb des Substrats verlaufen, über den Finger mit der Erde gekoppelt. Es werden also weniger Feldlinien zwischen den angesteuerten und den erfassenden Elementen verbunden, sodass die kapazitive Kopplung zwischen denselben dementsprechend reduziert ist.
Indem also die zwischen der angesteuerten Elektrode und der Erfassungselektrode gekoppelte Ladungsmenge überwacht wird, können Änderungen in der zwischen denselben gekoppelten Ladungsmenge identifiziert und verwendet werden, um zu bestimmen ob sich ein Objekt in Nachbarschaft zu dem Sensor befindet (d. h. ob sich die elektrischen Eigenschaften des Bereichs, in den sich die ausgetretenen elektrischen Felder erstrecken, verändert haben).
(Der Vollständigkeit halber zeigen 7A und 7B schematische Schnittansichten eines Bereichs des Sensors 32 von 3A bis 3C, in dem elektrische Feldlinien zwischen beispielhaften Ansteuerungs- und Erfassungselementen auf gegenüberliegenden Seiten des Sensorsubstrats schematisch gezeigt sind. In 7A und 7B ist ein Abschnitt des Substrats 4 mit einem beispielhaften Ansteuerungselement 64 und zwei benachbarten Erfassungselementen 60 gezeigt. Ein Vergleich der 7A und 7b macht deutlich, wie das Vorhandensein des Fingers eines Benutzers die kapazitive Kopplung zwischen den Ansteuerungs- und Erfassungselementen reduziert.) Während der Nutzung werden also die Ansteuerkanäle XD¹, XD², XD³, XD⁴, XD⁶, XD⁶, YD¹, YD², YD³ und YD⁴ der Reihe nach angesteuert, während der Erfassungskanal überwacht wird.
In dem Zeitabschnitt Δt₁ ist ein relativ großes Signal in dem Erfassungskanal sichtbar. Der Grund hierfür ist, dass die kapazitive Kopplung zwischen der in diesem Zeitabschnitt angesteuerten Reihenelektrode X¹ und den Erfassungselementen der Erfassungselektrode neben den Ansteuerelementen dieser Reihenelektrode relativ ungestört durch das Vorhandensein des Fingers ist. Die Kopplung ist also mehr wie die in 6A gezeigte als wie die in 6B gezeigte.
In dem Zeitabschnitt Δt₂ dagegen ist ein schwächeres Signal in dem Erfassungskanal sichtbar. Der Grund hierfür ist, dass die kapazitive Kopplung zwischen der Reihenelektrode X² und den Erfassungselementen der Erfassungselektrode neben dieser Reihenelektrode stärker durch das Vorhandensein des Fingers gestört wird, weil der Finger nahe der Reihenelektrode X² ist. Deshalb ist die Kopplung mehr wie die in 6B gezeigte als wie die in 6A gezeigte.
In dem Zeitabschnitt Δt₃ ist ein vergleichbares, wenn auch etwas stärkeres Signal in dem Erfassungskanal sichtbar als in dem Zeitabschnitt Δt₂. Der Grund hierfür ist, dass die kapazitive Kopplung zwischen der Reihenelektrode X³ und den Erfassungselementen der Erfassungselektrode neben dieser Reihenelektrode ähnlich durch das Vorhandensein des Fingers gestört wird, obwohl hier die Mitte des Fingers näher an der Mitte der Reihe X² ist als an der Reihe X³, sodass die Reihe X³ etwas weniger betroffen ist.
In dem Zeitabschnitt Δt₄ ist das in dem Erfassungskanal sichtbare Signal vergleichbar mit demjenigen, das in dem Zeitabschnitt Δt₁ sichtbar ist. Der Grund hierfür ist, dass die kapazitive Kopplung zwischen der Reihenelektrode X⁴ und den Erfassungselementen der Erfassungselektrode neben dieser Reihenelektrode ähnlich durch das Vorhandensein des Fingers für die Reihen X¹ und X⁴ gestört wird.
Das Erfassungskanalsignal in den Zeitabschnitten Δt₅ und Δt₆ ist noch größer, weil diese Reihen ausreichend weit entfernt von der Position des Fingers sind, sodass sie nicht betroffen sind und die kapazitive Kopplung wie in 6A gezeigt relativ stark ist.
Die in den Zeitabschnitten Δt₁ bis Δt₆ (und damit in Entsprechung zu den nacheinander aktivierten Reihenelektroden X¹ bis X⁶) sichtbaren relativen Erfassungssignale gestatten also eine Bestimmung der Position des Fingers in einer Richtung orthogonal zu den Reihen. Das heißt, die Mitte des Fingers kann aus der Position des in dem Erfassungskanal sichtbaren minimalen Signals bestimmt werden. Zum Beispiel können die Erfassungskanalsignale für jede Reihe als eine Funktion der mittigen Position der Reihe entlang einer Richtung orthogonal zu der Erstreckung der Reihen aufgetragen werden, wobei eine entsprechende Kurve gezeichnet werden kann. Die Position des Minimums entspricht der berechneten Position des Objekts in einer Richtung orthogonal zu der Erstreckung der Reihen – d. h. in einer y-Richtung, wenn sich die Reihen in einer x-Richtung erstrecken. Dieser Ansatz lässt eine Interpolation zwischen den Reihen zu, sodass die Position mit einer Präzision bestimmt werden kann, die besser als die Breite der Reihen ist. In diesem Fall kann also eine y-Position ungefähr in der Mitte zwischen den Reihen X² und X³ bestimmt werden (auch wenn etwas näher zu der Mitte der Reihe X², weil die Reihe X² mit einem etwas niedrigeren Signal assoziiert ist).
Eine ähnliche Analyse der in den Zeitabschnitten Δt₇ bis Δt₁₀ sichtbaren Erfassungssignale während einer sequentiellen Aktivierung der Spaltenelektroden Y¹ bis Y⁴ gestattet die Bestimmung einer Position in der Richtung orthogonal zu der Erstreckung der Spaltenelektroden, d. h. in diesem Beispiel einer x-Position. In diesem Beispiel kann also eine x-Position ungefähr in der Mitte zwischen den Spalten Y² und Y³ bestimmt werden (die jedoch etwas näher an der Mitte der Reihe Y³ ist, weil die Reihe Y³ mit einem etwas niedrigeren Signal assoziiert ist als die Reihe Y²).
In diesem Beispiel wird die Position einer einzelnen Berührungsposition bestimmt. Es können aber auch Fälle identifiziert werden, in denen zwei Berührungen vorhanden sind (z. B. gibt ein Benutzer zwei Positionen unter Verwendung von zwei Fingern an). Wenn zum Beispiel eine Kurve der Erfassungssignalstärke in Bezug auf die Ansteuerreihe zwei Minima angibt, sind zwei Berührungspositionen an den entsprechenden Minimumspositionen in der y-Richtung vorhanden. Die x-Richtung der Mehrfachberührung geht aus den entsprechenden Minimumspositionen in einer Kurve des Erfassungssignals in Bezug auf die Ansteuerungs-Spaltenelektrode für denselben Messzyklus hervor (ein einzelnes Minimum in dieser Kurve ist ein Hinweis darauf, dass die zwei Berührungen an derselben x-Position stattfinden (d. h. über derselben Spalte)).
Indem also die Reihen- und Spaltenelektroden sequentiell abgetastet werden, während die Erfassungselektrode kontinuierlich überwacht wird, können eine x- und eine y-Position (oder mehrere x- und y-Posiitonen) bestimmt werden.
Es ist zu beachten, dass die in 2 bis 4 gezeigten spezifischen Muster nur zwei besondere Beispiele dieses Typs von Elektrodenmusterung sind und dass ähnliche Muster auf der Basis von beispielsweise kreisrunden oder quadratischen Ansteuerungs- und Erfassungselementen und weiterhin viele andere Konfigurationen verwendet werden können.
9 zeigt schematisch in einer Draufsicht ein Steuerpaneel 80 mit einem Berührungspositionssensor 82 der mit Bezug auf 4 beschriebenen Art. Das Steuerpaneel 80 ist in einer Wand 84 eines gesteuerten Geräts montiert, wobei es sich in diesem Fall um eine Waschmaschine handelt. Der Positionssensor ist unter einem Abdeckungspaneel 92 angeordnet und liegt über einem darunter angebrachten LCD-Display. Das Steuerpaneel ist also ein berührungsempfindliches Display. Das LCD-Display dieses Beispiels erstreckt sich über die gesamte Fläche des Steuerpaneels 80, wobei der durch den Positionssensor eingenommene Bereich in diesem Beispiel nahe der Mitte des Steuerpaneels ist. Das berührungsempfindliche Display ist in 9 als ein Display gezeigt, das eine Anzahl von Menüschaltflächen mit Beschriftungen „A” bis „F” in Entsprechung zu verschiedenen wählbaren Waschprogrammen, einen Schieberegler 94 zum Definieren eines variablen Parameters wie etwa der Waschtemperatur und einige Textzeilen 96 zum Anzeigen von Informationen für den Benutzer enthält. Ein Benutzer kann also zum Beispiel ein Waschprogramm wählen, indem er das Steuerpaneel in dem Bereich der mit „A” bis „F” beschrifteten Schaltflächen berührt. Der Sensor mit dem berührungsempfindlichen Display kann derart konfiguriert sein, dass die Positionen der Menüschaltflächen A-F den Positionen von virtuellen „Tasten” des Sensors entsprechen, wobei die Position einer Berührung in dem empfindlichen Bereich aus einer Interpolation der Erfassungssignale von den verschiedenen Reihen- und Spaltenelektroden bestimmt werden kann und wobei die Position dann mit den Positionen der angezeigten Menüschaltflächen verglichen werden kann, um zu bestimmen, ob eine derselben gewählt wurde. Auf gleiche Weise kann eine Temperaturwahl an dem für den Benutzer angezeigten Schieberegler 82 vorgenommen werden.
Zusätzlich zu dem berührungsempfindlichen Display 82 umfasst das Steuerpaneel auch eine Anzahl von zusätzlichen Tasten 86 und einen Ein/Aus-Schalter 88. Diese können berührungsempfindliche Tasten oder herkömmliche mechanische Tastenschalter sein. In diesem Beispiel handelt es sich um berührungsempfindliche Tasten, sodass die Oberfläche des Steuerpaneels flach und dicht gehalten werden kann. Weil in diesem Fall die zusätzlichen Tasten nicht transparent sein müssen, müssen sie nicht aus ITO ausgebildet sein. Dementsprechend können kostengünstigere und mit einem geringeren Widerstand versehene Kupferelektrode für diese Tasten verwendet werden. Außerdem kann ein einzelner Sensorsteuerungs-IC-Chip verwendet werden, um den Positionssensor mit dem transparenten Sensor und die mehreren herkömmlichen berührungsempfindlichen Tasten 86, 88 zu steuern. Dies kann zum Beispiel bewerkstelligt werden, indem die verschiedenen Kanäle des einzelnen Steuerungschips entsprechend kalibriert werden, um den unterschiedlichen Widerstand zu berücksichtigen, und indem der ITO-Film des Positionssensors 2 und die Kupferelektroden der anderen Schaltflächen geladen werden.
Einem Entwickler wird also ein großer Freiheitsgrad beim Entwurf eines Steuerpaneels mit einem berührungsempfindlichen Bildschirm geboten, wobei zu beachten ist, dass die oben beschriebenen Prinzipien auf viele verschiedene Typen von Geräten angewendet werden können. Zum Beispiel können ähnliche Sensoren in Verbindung mit Öfen, Grills, Waschmaschinen, Trockner, Geschirrspülmaschinen, Mikrowellenöfen, Mixern, Brotmaschinen, Getränkeautomaten, Computern, Unterhaltungselektronikgeräten, tragbaren Medienplayern, PDAs, Mobiltelefonen, Computern usw. verwendet werden. Zum Beispiel zeigt 10 schematisch eine Waschmaschine 91 mit einem Sensor 93 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und zeigt 22 schematisch ein Mobiltelefon 95 mit einem Sensor 99 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und mit einem Display 97. Allgemein kann die Erfindung in Verbindung mit einem beliebigen Gerät verwendet werden, das eine Mensch-Maschine-Schnittstelle aufweist. Außerdem kann ein den oben beschriebenen Sensoren ähnlicher Sensor auch separat zu einem von ihm zu steuernden Gerät vorgesehen werden. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn ein bereits bestehendes Gerät aufgewertet werden soll. Außerdem kann ein generischer Sensor vorgesehen werden, der konfiguriert ist, um eine Reihe von verschiedenen Geräten zu betreiben. Zum Beispiel kann ein Sensor mit einer Reihe von virtuellen Tasten durch einen Gerätehersteller mit Funktionen einer bestimmten Vorrichtung assoziiert werden, indem dieser eine Steuereinrichtung zum Beispiel durch eine Neuprogrammierung entsprechend konfiguriert.
Es ist zu beachten, dass in 2DCTs gemäß der Erfindung verschiedene zusätzliche Funktionen integriert werden können. In einigen Anmeldungen ist es zum Beispiel wünschenswert, eine Aufweckfunktion vorzusehen, wobei das gesamte Gerät in einem Ruhezustand ruht. Dabei ist es vorteilhaft, ein Wecksignal vorzusehen, wenn sich ein menschlicher Körperteil innerhalb einer vorbestimmten Distanz zu dem Gerät befindet. Das Element kann als eine einzelne große kapazitive Elektrode ohne Rücksicht auf die Positionierung angesteuert werden, während sich die Einheit in dem Ruhezustand befindet. Während dieses Zustands sucht die elektronische Steuerlogik nach einer sehr kleinen Signaländerung, die unter Umständen nicht ausreichend groß ist, um als eine zweidimensionale Koordinate verarbeitet zu werden, aber ausreicht, um das Vorhanden sein eines Objekts oder Benutzers in der Nachbarschaft zu bestimmen. Die Elektronik „weckt” dann das gesamte System, wobei das Element gesteuert wird, um wieder als echter 2DCT zu funktionieren.
Es wurde ein Sensor zum Bestimmen der Position eines benachbarten Objekts in zwei Dimensionen beschrieben. Der Sensor umfasst ein Substrat mit einem empfindlichen Bereich, der durch ein Muster aus Elektroden definiert wird, wobei das Elektrodenmuster eine erste Gruppe von Ansteuerelementen, die miteinander verbunden sind, um eine Vielzahl von Reihenelektroden entlang einer ersten Richtung zu bilden, eine zweite Gruppe von Ansteuerelementen, die miteinander verbunden sind, um eine Vielzahl von Spaltenelektroden entlang einer zweiten Richtung zu bilden, und eine Gruppe von Erfassungselementen, die miteinander verbunden sind, um eine Erfassungselektrode entlang der ersten und der zweiten Richtung zu bilden, umfasst. Der Sensor umfasst weiterhin eine Steuereinrichtung, die eine Ansteuereinheit zum Anlegen von Ansteuersignalen an den Reihen- und Spaltenelektroden, und eine Erfassungseinheit zum Messen von Erfassungssignalen, die den Kopplungsgrad der an den Reihen- und Spaltenelektroden angelegten Ansteuersignale zu der Erfassungselektrode wiedergeben, umfasst. Es wird also ein zweidimensionaler Positionssensor angegeben, der nur einen einzelnen Erfassungskanal benötigt.
Referenzen

[1] US 5,730,165 (Philipp)
[2] US 6,466,036 (Philipp)
[3] US 6,452,514 (Philipp)
[4] US 5,648,642 (Synaptics, Incorporated)
[5] US 4,879,461 (Philipp)

Zusammenfassung
Es wird ein Sensor zum Bestimmen der Position eines benachbarten Objekts in zwei Dimensionen angegeben. Der Sensor umfasst ein Substrat mit einem empfindlichen Bereich, der durch ein Muster aus Elektroden definiert wird, wobei das Elektrodenmuster eine erste Gruppe von Ansteuerelementen, die miteinander verbunden sind, um eine Vielzahl von Reihenelektroden entlang einer ersten Richtung zu bilden, eine zweite Gruppe von Ansteuerelementen, die miteinander verbunden sind, um eine Vielzahl von Spaltenelektroden entlang einer zweiten Richtung zu bilden, und eine Gruppe von Erfassungselementen, die miteinander verbunden sind, um eine Erfassungselektrode entlang der ersten und der zweiten Richtung zu bilden, umfasst. Der Sensor umfasst weiterhin eine Steuereinrichtung, die eine Ansteuereinheit zum Anlegen von Ansteuersignalen an den Reihen- und Spaltenelektroden, und eine Erfassungseinheit zum Messen von Erfassungssignalen, die den Kopplungsgrad der an den Reihen- und Spaltenelektroden angelegten Ansteuersignale zu der Erfassungselektrode wiedergeben, umfasst. Es wird also ein zweidimensionaler Positionssensor angegeben, der nur einen einzelnen Erfassungskanal benötigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 5730165 [0005, 0005, 0006, 0006, 0081, 0085, 0085, 0085]
- US 6466036 [0005, 0005, 0006, 0006]
- US 6452514 [0008, 0008, 0009, 0010, 0011, 0012, 0014, 0062, 0081]
- US 5648642 [0011, 0011, 0012, 0086]
- US 4879461 [0085, 0085]

Claims

Sensor zum Bestimmen der Position eines Objekts in zwei Dimensionen, wobei der Sensor ein Substrat mit einem empfindlichen Bereich umfasst, der durch ein Muster aus Elektroden definiert wird, wobei das Elektrodenmuster eine erste Gruppe von Ansteuerelementen, die miteinander verbunden sind, um eine Vielzahl von Reihenelektroden entlang einer ersten Richtung zu bilden, eine zweite Gruppe von Ansteuerelementen, die miteinander verbunden sind, um eine Vielzahl von Spaltenelektroden entlang einer zweiten Richtung zu bilden, und eine Gruppe von Erfassungselementen, die miteinander verbunden sind, um eine Erfassungselektrode entlang der ersten und der zweiten Richtung zu bilden, umfasst.
Zweidimensionaler Positionssensor nach Anspruch 1, wobei der Sensor weiterhin eine Steuereinrichtung umfasst, die eine Ansteuereinheit zum Anlegen von Ansteuersignalen an den Reihen- und Spaltenelektroden und eine Sensoreinheit zum Messen von Erfassungssignalen, die den Kopplungsgrad der an den Reihen- und Spaltenelektroden angelegten Ansteuersignale zu der Erfassungselektrode wiedergeben, umfasst.
Zweidimensionaler Positionssensor nach Anspruch 2, wobei die Steuereinrichtung weiterhin eine Verarbeitungseinheit zum Berechnen der Position des Objekts in einer Richtung aus einer Analyse der Erfassungssignale, die durch das Anlegen von Ansteuersignalen an verschiedenen Reihenelektroden erhalten werden, und zum Berechnen einer Position für das Objekt in einer anderen Richtung aus einer Analyse der Erfassungssignale, die durch das Anlegen von Ansteuersignalen an verschiedenen Spaltenelektroden erhalten werden, umfasst.
Zweidimensionaler Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Gruppe von Ansteuerelementen und die zweite Gruppe von Ansteuerelementen auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats angeordnet sind.
Zweidimensionaler Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Gruppe von Ansteuerelementen und die zweite Gruppe von Ansteuerelementen auf derselben Seite des Substrats angeordnet sind.
Zweidimensionaler Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei Verbindungen zum Verbinden der ersten Gruppe von Ansteuerelementen zu den Reihenelektroden innerhalb des empfindlichen Bereichs des Sensors vorgesehen sind und Verbindungen zum Verbinden der zweiten Gruppe von Ansteuerelementen zu den Spaltenelektroden wenigstens teilweise außerhalb des empfindlichen Bereichs des Sensors vorgesehen sind.
Zweidimensionaler Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Verbindungen zum Verbinden der zweiten Gruppe von Ansteuerelementen zu den Spaltenelektroden Verbindungsteile innerhalb des empfindlichen Bereichs des Sensors umfassen, die sich in derselben Richtung wie die Reihenelektroden von entsprechenden Ansteuerelementen zu einer Peripherie des empfindlichen Bereichs des Sensors erstrecken.
Zweidimensionaler Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei Ansteuerelemente in wenigstens einer der Spaltenelektroden Durchgänge umfassen, durch die sich Verbindungen von Ansteuerelementen in einer anderen Spaltenelektrode erstrecken können.
Zweidimensionaler Positionssensor nach Anspruch 8, wobei Teile von Ansteuerelementen auf beiden Seiten der Durchgänge miteinander über Verbindungen verbunden sind, die wenigstens teilweise außerhalb des empfindlichen Bereichs des Sensors vorgesehen sind.
Zweidimensionaler Positionssensor nach Anspruch 9, wobei die Verbindungen zum Verbinden der Teile von Ansteuerelementen auf beiden Seiten der Durchgänge Verbindungsteile innerhalb des empfindlichen Bereichs des Sensors umfassen, die sich in derselben Richtung wie die Reihenelektroden zu einer Peripherie des empfindlichen Bereichs des Sensors erstrecken.
Zweidimensionaler Positionssensor nach Anspruch 5, wobei die Gruppe von Erfassungselementen auf derselben Seite des Substrats angeordnet ist wie die erste und die zweite Gruppe von Ansteuerelementen.
Zweidimensionaler Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei Verbindungen zum Verbinden der Erfassungselemente zu der Erfassungselektrode wenigstens teilweise außerhalb des empfindlichen Bereichs des Sensors vorgesehen sind.
Zweidimensionaler Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Verbindungen zum Verbinden der Erfassungselemente zu der Erfassungselektrode Verbindungsteile innerhalb des empfindlichen Bereichs des Sensors umfassen, die sich in derselben Richtung wie die Reihenelektroden von entsprechenden Erfassungselementen zu einer Peripherie des empfindlichen Bereichs des Sensors erstrecken.
Zweidimensionaler Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei wenigstens eines der Erfassungselemente einen Durchgang umfasst, durch den sich Verbindungen von Ansteuerelementen in einer Spaltenelektrode erstrecken können.
Zweidimensionaler Positionssensor nach Anspruch 14, wobei Teile wenigstens eines der Erfassungselemente auf beiden Seiten des Durchgangs miteinander durch Verbindungen verbunden sind, die wenigstens teilweise außerhalb des empfindlichen Bereichs des Sensors vorgesehen sind.
Zweidimensionaler Positionssensor nach Anspruch 15, wobei die Verbindungen zum Verbinden der Teile des wenigstens einen Erfassungselements auf beiden Seiten des Durchgangs Verbindungsteile innerhalb des empfindlichen Bereichs des Sensors umfassen, die sich in derselben Richtung wie die Reihenelektroden zu einer Peripherie des empfindlichen Bereichs des Sensors erstrecken.
Zweidimensionaler Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Reihenelektroden und die Spaltenelektroden orthogonal zueinander sind.
Vorrichtung, die einen zweidimensionalen Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 17 umfasst.