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技術 電界測定システムのための電極設計

出願人 マイクロチップテクノロジージャーマニーゲーエムベーハー
発明者 ローラントアウバウアクラウスカルトナー
出願日 2018年2月9日 (2年2ヶ月経過) 出願番号 2018-021632
公開日 2018年5月24日 (1年11ヶ月経過) 公開番号 2018-081941
状態 特許登録済
技術分野 磁界電界応動スイッチ
主要キーワード 最適容量値 長方形ストリップ 接地遮蔽 長方形電極 漂遊電界 感知面積 拡張電極 伝送電極
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2018年5月24日)のものです。
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図面 (13)

課題

電界測定システムのための電極設計の提供。

解決手段

伝送電極および少なくとも1つの受信電極を伴う電界センサデバイスのための電極配列は、第1の伝導層および第2の伝導層を有する、非伝導基板を有してもよい。第1の電極は、第1の伝導層内に配列され、第1の電極は、電界センサデバイスの受信電極であり、第2の電極は、第2の伝導層内に配列され、第2の電極は、電界センサデバイスの伝送電極であり、第2の電極は、第1の電極より大きい面積被覆し、第2の電極は、第1の電極と第2の電極との間の静電容量を低減させるようにテクスチャ加工される。

概要

背景

背景
特に、モバイルデバイスのためのヒューマンデバイスインターフェースは、多くの場合、必ずしも、任意の可動部品を要求しない、ユーザ入力を検出するためのセンサ配列を使用する。実施例は、アクティブ化されるためにタッチされることが要求される、タッチスクリーンおよび容量スイッチである。そのようなセンサシステムは、デバイス上に配置され、ユーザがそれらにタッチする、または非常に接近する場合、静電容量の変化が、測定され、イベントトリガすることができる、電極を備える。これらの電極は、多くの場合、小型金属プレート回路基板上にエッチングされた面積、またはディスプレイにおいて使用するための透明TIN酸化物層等の金属層内の面積によって形成される。

類似電極はまた、電界測定のために使用されることができる。本タイプセンサデバイスは、タッチせずに、従来の容量センサシステムよりデバイスから離れた距離において、物体の検出を可能にする。電界測定システムでは、電極は、送信機として使用され、個別のデバイス外またはその正面の電界投影させる。電界は、30〜200kHz、特に、70〜140kHzまたは40〜115kHz信号によって発生され得、したがって、近接場では、準静的である。物体がそのような準静電界進入するたびに、そのパラメータは、影響または変化される。同一の電極または別個受信機電極が、これらの変化を検出するために使用されることができる。複数のそのような電極が、感知システム内で使用される場合、多次元ジェスチャ検出が、可能となり、それにタッチすることなく、デバイスの動作を可能にする。電界感知配列では、センサは、多くの場合、具体的順序遮蔽または配列される必要があり、したがって、着信信号の評価のために、フロントエンド集積回路デバイスに結合されてもよい。

概要

電界測定システムのための電極設計の提供。伝送電極および少なくとも1つの受信電極を伴う電界センサデバイスのための電極配列は、第1の伝導層および第2の伝導層を有する、非伝導基板を有してもよい。第1の電極は、第1の伝導層内に配列され、第1の電極は、電界センサデバイスの受信電極であり、第2の電極は、第2の伝導層内に配列され、第2の電極は、電界センサデバイスの伝送電極であり、第2の電極は、第1の電極より大きい面積を被覆し、第2の電極は、第1の電極と第2の電極との間の静電容量を低減させるようにテクスチャ加工される。

目的

ここでは、再び、印刷回路基板または任意の他の好適な担体等の基板230は、片側に伝送電極220および他側に受信電極210を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

電界センサデバイスのための電極配列であって、第1の伝導層および第2の伝導層を有する非伝導基板と、前記第1の伝導層内に配列された複数の受信電極と、前記第2の伝導層内に配列された伝送電極であって、前記伝送電極は、テクスチャ加工されている、伝送電極とを含む、電極配列。

請求項2

前記伝送電極は、前記複数の受信電極の組み合わせられた面積よりも大きい面積にわたって延在する、請求項1に記載の電極配列。

請求項3

前記伝送電極の面積全体は、テクスチャ加工されている、請求項1に記載の電極配列。

請求項4

前記テクスチャは、グリッドを形成する、請求項3に記載の電極配列。

請求項5

前記テクスチャは、均質である、請求項4に記載の電極配列。

請求項6

前記テクスチャは、編目を形成する複数の伝導線によって形成されている、請求項4に記載の電極配列。

請求項7

前記編目は、互いに平行に配列された伝導線の第1のセットと、互いに平行に配列された伝導線の第2のセットとによって形成されている、請求項6に記載の電極配列。

請求項8

前記互いに平行に配列された伝導線の第1のセットは、前記互いに平行に配列された伝導線の第2のセットに90度の角度で交差する、請求項7に記載の電極配列。

請求項9

前記編目は、前記編目を包囲する周辺伝導線を含む、請求項7に記載の電極配列。

請求項10

前記編目を包囲する線は、前記複数の受信電極によって画定される組み合わせられた面積よりも大きい面積を包囲する、請求項9に記載の電極配列。

請求項11

中心受信電極を囲む4つの受信電極を含む、請求項1に記載の電極配列。

請求項12

前記中心受信電極は、テクスチャ加工されている、請求項11に記載の電極配列。

請求項13

前記複数の受信電極との電気接続のために前記第1の伝導層内に形成された複数の給電線をさらに含む、請求項1に記載の電極配列。

請求項14

前記4つの受信電極のそれぞれは、前記第1の伝導層によって形成された固体充填された電極面積を含む、請求項11に記載の電極配列。

請求項15

前記非伝導基板は、印刷回路基板であり、前記複数の受信電極のうちの1つは、前記印刷回路基板の中心面積内に配列された中心電極である、請求項1に記載の電極配列。

請求項16

前記中心電極は、編目電極としてテクスチャ加工されている、請求項15に記載の電極配列。

請求項17

前記給電線を通して前記受信電極に結合された回路をさらに含み、前記回路は、前記給電線を通して受信される信号の変化を検出するように構成されている、請求項13に記載の電極配列。

請求項18

前記回路は、前記給電線を通して受信される前記信号を減衰させるための分圧器を含む、請求項17に記載の電極配列。

請求項19

前記分圧器は、周波数補償を含む、請求項18に記載の電極配列。

請求項20

前記第1の伝導層は、印刷回路基板の上層である、請求項1に記載の電極配列。

請求項21

前記第2の伝導層は、印刷回路基板の底層である、請求項20に記載の電極配列。

請求項22

電界センサデバイスのための電極配列を含む印刷回路基板であって、第1の伝導層および第2の伝導層を有する非伝導基板と、前記第1の伝導層内に配列された複数の受信電極と、前記第2の伝導層内に配列された伝送電極であって、前記伝送電極は、テクスチャ加工されており、前記伝送電極は、前記複数の受信電極の組み合わせられた面積よりも大きい面積にわたって延在する、伝送電極とを含む、印刷回路基板。

請求項23

電界センサデバイスのための電極配列を含む印刷回路基板であって、第1の伝導層および第2の伝導層を有する非伝導基板と、前記第1の伝導層内に配列された複数の受信電極と、前記第2の伝導層内に配列された伝送電極であって、前記伝送電極の面積全体は、テクスチャ加工されており、前記テクスチャは、編目を形成する複数の伝導線によって形成されており、前記編目は、前記編目を包囲する周辺伝導線を含み、前記編目を包囲する線は、前記複数の受信電極によって画定される組み合わせられた面積よりも大きい面積を包囲する、伝送電極とを含む、印刷回路基板。

請求項24

前記編目は、互いに平行に配列された伝導線の第1のセットと、互いに平行に配列された伝導線の第2のセットとによって形成されており、前記互いに平行に配列された伝導線の第1のセットは、前記互いに平行に配列された伝導線の第2のセットに90度の角度で交差する、請求項23に記載の印刷回路基板。

請求項25

中心受信電極を囲む4つの受信電極を含み、前記中心受信電極は、テクスチャ加工されている、請求項23に記載の印刷回路基板。

請求項26

前記4つの受信電極および前記中心受信電極に対する電気的接続のために前記第1の伝導層内に形成された複数の給電線をさらに含む、請求項25に記載の印刷回路基板。

技術分野

0001

(関連出願への相互参照
本出願は、2012年10月19日に出願された「ELECTRODE DESIGN
FOR ELECTRIC FIELDMEASUREMNTSYSTEM」という題名の米国仮出願第61/715,966号の利益を主張する。上記文献は、その全体として本明細書において援用される。

0002

(技術分野)
本開示は、電極に関し、特に、電界測定システムにおいて使用するための電極の設計に関する。

背景技術

0003

背景
特に、モバイルデバイスのためのヒューマンデバイスインターフェースは、多くの場合、必ずしも、任意の可動部品を要求しない、ユーザ入力を検出するためのセンサ配列を使用する。実施例は、アクティブ化されるためにタッチされることが要求される、タッチスクリーンおよび容量スイッチである。そのようなセンサシステムは、デバイス上に配置され、ユーザがそれらにタッチする、または非常に接近する場合、静電容量の変化が、測定され、イベントトリガすることができる、電極を備える。これらの電極は、多くの場合、小型金属プレート回路基板上にエッチングされた面積、またはディスプレイにおいて使用するための透明TIN酸化物層等の金属層内の面積によって形成される。

0004

類似電極はまた、電界測定のために使用されることができる。本タイプセンサデバイスは、タッチせずに、従来の容量センサシステムよりデバイスから離れた距離において、物体の検出を可能にする。電界測定システムでは、電極は、送信機として使用され、個別のデバイス外またはその正面の電界投影させる。電界は、30〜200kHz、特に、70〜140kHzまたは40〜115kHz信号によって発生され得、したがって、近接場では、準静的である。物体がそのような準静電界進入するたびに、そのパラメータは、影響または変化される。同一の電極または別個受信機電極が、これらの変化を検出するために使用されることができる。複数のそのような電極が、感知システム内で使用される場合、多次元ジェスチャ検出が、可能となり、それにタッチすることなく、デバイスの動作を可能にする。電界感知配列では、センサは、多くの場合、具体的順序遮蔽または配列される必要があり、したがって、着信信号の評価のために、フロントエンド集積回路デバイスに結合されてもよい。

課題を解決するための手段

0005

(要約)
準静電界を発生させ、物体が電界に進入すると、その電界内の擾乱感知するシステム内で使用される電極の感度は、多くの場合、特に、固体電極を使用するシステムでは、低い。故に、改良された電極および電極配列の必要性がある。

0006

ある実施形態によると、少なくとも1つの伝送電極および少なくとも1つの受信電極を伴う、準静電界を発生させる電界センサデバイスのための電極配列であって、第1の伝導層および第2の伝導層を有する、非伝導基板と、第1の伝導層内に配列される第1の電極であって、電界センサデバイスの受信電極である、第1の電極と、第2の伝導層内に配列される第2の電極であって、第2の電極は、電界センサデバイスの伝送電極であり、第2の電極は、第1の電極より大きい面積を被覆し、第1および/または第2の電極は、第1の電極と第2の電極との間の静電容量を低減させるようにテクスチャ加工される、第2の電極とを備える、電極配列が、開示される。

0007

さらなる実施形態によると、第2の電極のみは、少なくとも1つの切り欠き面積を備えるようにテクスチャ加工されることができ、第2の電極は、第1の電極の類似形態を有し、第1の電極が切り欠き面積を被覆するように第1の電極の下に位置する。さらなる実施形態によると、第2の電極の面積全体は、ハッシュまたはハッチテクスチャによってテクスチャ加工されることができる。さらなる実施形態によると、テクスチャは、複数の伝導線によって形成されることができる。さらなる実施形態によると、ハッシュまたはハッチテクスチャは、均質であることができる。さらなる実施形態によると、ハッシュまたはハッチテクスチャは、編目を形成する複数の伝導線によって形成されることができる。さらなる実施形態によると、編目は、第1の平行に配列された伝導線のセットおよび第2の平行に配列された伝導線のセットによって形成されることができる。さらなる実施形態によると、第1の平行に配列された伝導線のセットは、90度の角度で、該第2の平行に配列された伝導線のセットに交差してもよい。さらなる実施形態によると、編目は、編目を包囲する周辺伝導線を備えてもよい。さらなる実施形態によると、第2の電極は、複数の溝を提供するようにテクスチャ加工されることができる。さらなる実施形態によると、溝は、所定の距離において平行に配列されることができる。さらなる実施形態によると、第1の電極のみは、テクスチャ加工される。さらなる実施形態によると、電極配列はさらに、該第2の電極の上方に配列される複数の第1の電極と、該第2の電極への電気接続のための複数の給電線とを備えてもよい。さらなる実施形態によると、4つの第1の電極の少なくとも1セットは、長方形面積を画定するように配列されることができる。さらなる実施形態によると、電極配列はさらに、4つの電極によって画定される長方形面積内に、中心電極を備えてもよい。さらなる実施形態によると、第2の電極は、編目電極としてテクスチャ加工されることができ、4つの第1の電極の少なくとも1セットによって画定される長方形面積のみを被覆する。さらなる実施形態によると、給電線は、約0.15mmの幅を有してもよい。さらなる実施形態によると、第1の伝導層は、印刷回路基板上層であることができる。さらなる実施形態によると、第2の伝導層は、印刷回路基板の底層であることができる。さらなる実施形態によると、第1の伝導層は、透明絶縁担体材料上の透明伝導上層であることができる。さらなる実施形態によると、第2の伝導層は、透明絶縁担体材料上の底層であることができる。さらなる実施形態によると、給電線および該第2の電極は、多層印刷回路基板内側層内に配列されることができる。さらなる実施形態によると、多層印刷回路基板の底層は、接地に接続されることができる。さらなる実施形態によると、電極配列はさらに、該給電線を通して該受信電極と結合される、フロントエンドアナログデバイスを備えてもよい。さらなる実施形態によると、フロントエンドアナログデバイスは、該給電線を通して受信される信号を減衰させるための分圧器を備えてもよい。さらなる実施形態によると、分圧器は、周波数補償を備えてもよい。さらなる実施形態によると、電極配列は、相互から電気的に絶縁され、それぞれ、部分的伝送電極を形成する、複数の第2の電極を備えてもよい。さらなる実施形態によると、各伝送電極は、長方形電極区分によって形成されることができる。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
(項目1)
少なくとも1つの伝送電極および少なくとも1つの受信電極を伴う、準静電界を発生させる電界センサデバイスのための電極配列であって、前記電極配列は、
第1の伝導層および第2の伝導層を有する非伝導基板と、
前記第1の伝導層内に配列される第1の電極であって、前記第1の電極は、前記電界センサデバイスの受信電極である、第1の電極と、
前記第2の伝導層内に配列される第2の電極であって、前記第2の電極は、前記電界センサデバイスの伝送電極であり、前記第2の電極は、前記第1の電極より大きい面積を被覆し、前記第1および/または第2の電極は、前記第1の電極と前記第2の電極との間の静電容量を低減させるようにテクスチャ加工されている、第2の電極と
を備える、電極配列。
(項目2)
前記第2の電極のみは、少なくとも1つの切り欠き面積を備えるようにテクスチャ加工され、前記少なくとも1つの切り欠き面積は、前記第1の電極の類似形態を有し、前記第1の電極が前記切り欠き面積を被覆するように前記第1の電極の下に位置する、項目1に記載の電極配列。
(項目3)
前記第2の電極の面積全体は、ハッシュまたはハッチテクスチャによってテクスチャ加工されている、項目1または2に記載の電極配列。
(項目4)
前記テクスチャは、複数の伝導線によって形成されている、項目3に記載の電極配列。
(項目5)
前記ハッシュまたはハッチテクスチャは、均質である、項目3に記載の電極配列。
(項目6)
前記ハッシュまたはハッチテクスチャは、編目を形成する複数の伝導線によって形成されている、項目3−5のいずれかに記載の電極配列。
(項目7)
前記編目は、第1の平行に配列された伝導線のセットおよび第2の平行に配列された伝導線のセットによって形成されている、項目6に記載の電極配列。
(項目8)
前記第1の平行に配列された伝導線のセットは、90度の角度で前記第2の平行に配列された伝導線のセットに交差する、項目7に記載の電極配列。
(項目9)
前記編目は、前記編目を包囲する周辺伝導線を備える、項目7に記載の電極配列。
(項目10)
前記第2の電極は、複数の溝を提供するようにテクスチャ加工されている、項目1または2に記載の電極配列。
(項目11)
前記溝は、所定の距離において平行に配列されている、項目10に記載の電極配列。
(項目12)
前記第1の電極のみは、テクスチャ加工されている、項目1に記載の電極配列。
(項目13)
前記第2の電極の上方に配列された複数の第1の電極と、前記第2の電極への電気接続のための複数の給電線とをさらに備える、項目1に記載の電極配列。
(項目14)
4つの第1の電極の少なくとも1セットは、長方形面積を画定するように配列されている、項目13に記載の電極配列。
(項目15)
前記4つの電極によって画定された長方形面積内に中心電極をさらに備える、項目14に記載の電極配列。
(項目16)
前記第2の電極は、編目電極としてテクスチャ加工され、前記4つの第1の電極の少なくとも1セットによって画定された長方形面積のみを被覆する、項目14に記載の電極配列。
(項目17)
前記給電線は、約0.15mmの幅を有する、項目13−16のいずれかに記載の電極配列。
(項目18)
前記第1の伝導層は、印刷回路基板の上層である、項目13−17のいずれかに記載の電極配列。
(項目19)
前記第2の伝導層は、印刷回路基板の底層である、項目18に記載の電極配列。
(項目20)
前記第1の伝導層は、透明絶縁担体材料上の透明伝導上層である、項目1−17のいずれかに記載の電極配列。
(項目21)
前記第2の伝導層は、前記透明絶縁担体材料上の底層である、項目20に記載の電極配列。
(項目22)
前記給電線および前記第2の電極は、多層印刷回路基板の内側層内に配列されている、項目13−19のいずれかに記載の電極配列。
(項目23)
前記多層印刷回路基板の底層は、接地に接続されている、項目22に記載の電極配列。
(項目24)
前記給電線を通して前記受信電極と結合されたフロントエンドアナログデバイスをさらに備える、項目13−23のいずれかに記載の電極配列。
(項目25)
前記フロントエンドアナログデバイスは、前記給電線を通して受信される信号を減衰させるための分圧器を備える、項目24に記載の電極配列。
(項目26)
前記分圧器は、周波数補償を備える、項目25に記載の電極配列。
(項目27)
相互から電気的に絶縁された複数の第2の電極を備え、前記複数の第2の電極のそれぞれは、部分的伝送電極を形成する、先行項目のいずれかに記載の電極配列。
(項目28)
各伝送電極は、長方形電極区分によって形成されている、項目27に記載の電極配列。

図面の簡単な説明

0008

図1は、誘電基板の底層上の固体伝送(Tx)電極および上層上の受信(Rx)電極を示す。
図2は、種々の実施形態による、Rx電極の真下に切り欠きTx電極面積を伴う、類似配列を示す。
図3は、ある実施形態による、テクスチャ加工されたTx電極を示す。
図4は、別の実施形態による、テクスチャ加工されたTx電極を示す。
図5は、ある実施形態による、Rx電極の真下にTx切り欠きを伴う、テクスチャ加工されたTx電極を示す。
図6は、標準的電極等価回路を示す。
図7は、種々の実施形態による、拡張電極等価回路を示す。
図8は、電界ジェスチャ検出システム内の伝送および受信電極の典型的配列を示す。
図9は、種々の実施形態による、最適化されたTx構造を用いた信号偏差を示す。
図10は、種々の実施形態による、センサシステムの別の実施例を示す。
図11は、印刷回路基板、例えば、図10に示される回路基板を通した断面図を示す。
図12は、電極配列のさらに別の実施形態の上面図を示す。

実施例

0009

(詳細な説明)
種々の実施形態によると、特に、統合型フロントエンドデバイスと併用するための電極設計は、追跡されるべき物体、例えば、ユーザの手に対して有意により高い感度をもたらすように改良されることができる。

0010

図1は、準静電界センサシステムのための伝送電極120および単一受信電極110の従来のレイアウト100を示す。より多いまたはより少ない伝送および受信電極が、使用されてもよいが、明確にする目的のために、1つのみの伝送電極が、図1に示される。また、本実施形態では、誘電担体基板130の上層上に配列される単一受信電極110のみが、示される。しかしながら、複数の別個の受信電極110が、誘電担体基板130の上層上に配列されてもよい。伝送電極120は、誘電担体基板130の底層上に配列される。本配列は、伝送電極と受信電極との間の容量結合を生じさせる。

0011

動作時、伝送電極は、交流信号、例えば、周波数約30〜200kHz、特に、約70〜140kHzまたは40〜115kHzを有する、マイクロコントローラによって発生される方形波信号フィードされるであろう。他の好適な周波数範囲が、適用されてもよい。これは、伝送電極平面の上方および下方に準静電界を発生させる。ほとんどの用途では、受信電極110の方向に伝送電極120から発生された電界のみが、着目される。いったん手の静電容量CHandを有するユーザの手等の物体が、本準静電界に進入すると、受信電極における信号は、物体によって生じる容量影響のため、変化するであろう。そのような擾乱は、電極までの物体の距離に伴って変動する。フロントエンド回路は、そのような信号変化を検出し、さらに、これらの信号を評価または処理することができる。

0012

以下により詳細に説明されるように、そのようなフロントエンド集積回路システムの信号感度は、以下である。



式中、dSは、手の静電容量CHandの略線形関数である。CRxTxは、伝送電極と受信電極との間の静電容量である。CBufは、フロントエンド集積回路デバイスの入力バッファ入力静電容量である。CLは、Rx給電線とTx電極との間に生成される静電容量である。CNは、雑音結合静電容量である。CRxGは、Rx電極と接地との間の静電容量である。パラメータ「a」は、入力回路内で使用される分圧器によって判定される減衰係数である。

0013

前述の式は、分母が最小限になるとき、手に対する感度が増加することを示す。ある用途では、以下のパラメータが、影響要因である。
(a)Rx給電線静電容量CL
(b)Rx電極接地静電容量CRxG
(c)RxおよびTx電極CRxTx間の静電容量

0014

要因(a)に関する第1の解決策は、Tx電極およびその給電線までのRx給電線の距離を最大限にすることによって達成されることができる。なお、これは、推奨される、Rx給電線を手の影響から遮蔽することとの間のトレードオフである。種々の実施形態によると、前述の式は、接地の代わりに、Tx信号を用いてRx給電線を遮蔽することがより良いことを示す。接地遮蔽は、CRxGを増加させ、CLよりシステム感度に悪影響を及ぼすであろう。常時、Rx給電線を可能な限り薄く作製することが好ましい。これは、Txおよび接地に対する給電線静電容量ならびに給電線に対する手の影響の両方を最小限にする。

0015

要因(a)に関する第2の解決策は、Rx給電線の周囲にアクティブ保護/遮蔽を使用するときに達成されることができ、保護/遮蔽は、受信およびバッファされた入力信号によってアクティブに駆動される。理想的には、本保護は、給電線を完全に包囲する同軸ケーブルであろう。他の準最適設計は、上部および/または両側からの遮蔽である。

0016

要因(b)に関する解決策は、一般に、Rx−Tx電極積層と接地との間の距離を最大限にすることによって達成されることができる。接地部品は、典型的には、統合型フロントエンドシステム内の大面積を被覆するため、電界漂遊効果が、典型的には、CRxGを左右し、多くの場合、接地までのRx電極距離を数ミリメートルを超えて増加させることは、無意味である。

0017

要因(c)に関する第1の解決策は、Rx電極とTx電極との間の距離を増加させることによって達成されることができる。良好な準静的交流近接場電極設計では、CRxTxが、前述の式中の他の静電容量を左右する。したがって、非常に薄い電極設計が、極薄デバイス設計によって駆動されるほとんどの消費者電子デバイスにとって望ましいため、Rx電極とTx電極との間の距離を単に増加させる以外の方法によって、CRxTxを最適化することが望ましい。これらの設計の多くは、主要印刷回路基板を使用し、基板は、例えば、図1に示されるように、非伝導担体材料としての役割を果たし得る。

0018

種々の実施形態によると、Rx電極とTx電極との間の静電容量は、減少され得る一方、Rxと手との間の有用静電容量CHandは、同一の大きさを保つ。典型的統合型フロントエンド設計では、より小さいRx受信電極110は、より大きい伝送Tx電極120の上部に設置されるため、Rx−Tx静電容量は、図1に示されるように、Rx電極110からはるかに大きいTx電極120までの漂遊電界から生成される静電容量が重畳されたRxおよびTxの対面面積のプレート静電容量であると仮定されることができる。プレート静電容量は、C=ε0・εr・A/dとして定義される。

0019

標的物体(例えば、ユーザの手)は、本モデルにおいて、漂遊電界のみに影響を及ぼし、RxおよびTxの対面面積間のプレート静電容量には影響を及ぼさない。したがって、種々の実施形態によると、プレート静電容量対Rx−Tx漂遊静電容量は、最小限にされ、これによって、漂遊電界への手の影響は、最大限にされる。これは、例えば、図2における電極配列200を用いて示されるように、Rx電極220の真下のTx電極210の切り欠き240(開放されままである)によって達成されることができる。ここでは、再び、印刷回路基板または任意の他の好適な担体等の基板230は、片側に伝送電極220および他側に受信電極210を提供する。切り欠き面積240は、Rx電極220のサイズに正確に一致する必要はない。図10を用いて以下に示されるように、切り欠き面積はまた、より大きく、例えば、4つのRx電極が長方形感知面積を画定するように配列されると、外部面積全体を被覆するように延在することができる。

0020

信号感度の前述の式はさらに、(CRxTx+CL)が(CN+CRxG+a・CBuf)に等しいとき、最適信号感度がRx入力と接地との間の所与の容量の収率(CN+CRxG+a・CBuf)であることを示す。

0021

統合型フロントエンド回路設計の場合、Rx電極210は、典型的には、Tx電極220によって、(デバイス)接地から遮蔽される。したがって、CRxGは、典型的には、CRxTx静電容量より小さい。CNおよびCBufは、以下により詳細に論じられるように、いずれにしても非常に低い。図3に示されるように、配列300の提案される解決策は、RxとTxとの間の(プレート)静電容量を低減させるために、Tx電極表面310をハッシュ/テクスチャ化することである。図3および4は、異なる実施形態300および400を示し、伝送電極は、それぞれの場合において、異なるようにテクスチャ加工される。したがって、異なる構造が、可能性として考えられる。

0022

テクスチャ加工された電極は、異なる形状を有してもよい。ハッシュまたはハッチパターンが、電極をテクスチャ化するために使用されてもよい。したがって、用語「ハッシュパターン」および「ハッチパターン」は、本開示では、同等用語と見なされる。電極をテクスチャ化する主要側面は、電極のサイズを変更せずに、有効電極面積を低減させることである。図10は、2つのテクスチャ加工された電極1050および1060の実施例を示し、以下により詳細に論じられる。したがって、交差する接続線グリッドが、図10に示されるように、電極面積を形成するために使用されてもよい。他の実施形態によると、複数の平行伝導ストリップまたは伝導線が、図4に示されるように、使用されてもよい。線は全て、個別の構造の一端または両端において相互接続されてもよい。図5に示される実施形態では、付加的切り欠き520が、ストリップ付きパターンが伝送電極510のために選定される場合、種々の伝導線を分離し得る。そのような実施形態では、任意の電気的に分離された区分は、付加的給電線によって接続される、または可能である場合、周辺縁に接続されてもよい。テクスチャ加工された電極は、例えば、ディスプレイ内に、例えば、印刷回路基板または透明TIN層銅層によって形成されるとき、基本的に、ある量の銅または伝導材料を除去し、したがって、全体的サイズが同一のままであるまま、そのような電極の容量結合を低減させる。したがって、テクスチャは、単に、複数の伝導線によって形成されることができる。一実施形態では、これらの線は、相互に交差してもよく、他の実施形態では、交差は生じず、線は、周辺面積内において、相互に接続される。

0023

いくつかの実施形態によると、受信電極もまた、テクスチャ加工された電極であってもよい。いくつかの実施形態では、伝送電極のみが、テクスチャ加工され、いくつかの実施形態では、受信および伝送電極の両方が、テクスチャ加工されてもよく、いくつかの実施形態では、受信電極のみが、テクスチャ加工される。

0024

均質電界を放出するために、テクスチャがTxに接続される、微細かつ均質であるテクスチャを使用することが推奨され得る。図2、3、および4に示されるような解決策は、組み合わせられることもできる。例えば、図5は、図3または4の実施形態に従ってテクスチャ加工された伝送電極510がさらに、図2の実施形態に従って、受信電極の真下に切り欠き面積520を提供する、実施形態500を示す。前述のように、切り欠き面積は、容量結合をさらに低減させるために使用され、したがって、その下にそれが配列される個別の受信電極の面積に一致する必要はない。切り欠き面積の代替として、残りの伝送電極510のテクスチャと比較して、異なる密度のハッシュまたはハッチパターンが、静電容量(CRxTx+CL)および(CN+CRxG+a・CBuf)を平衡化するために使用されることができる。したがって、受信電極下の伝送電極Tx内の面積は、例えば、より薄い線または少ない線を伴うテクスチャを有し、それによって、Tx電極とRx電極との間の静電容量を低減させてもよい。

0025

図8は、基板840上の電極配列800のさらに別の実施例の3次元図を示す。ここでは、基板の境界線に沿って、またはそれに隣接して配列される、銅等の伝導材料の伸長ストリップである、2つのRx電極810、820が、示される。再び、Tx電極830は、図3および4に示される実施形態に従って、テクスチャ加工され、基板840の背面上に配列されてもよい。

0026

図9は、種々の実施形態による、最適化されたTx構造を用いた信号偏差を示す。図から分かるように、Tx電極とRx電極との間の静電容量の低減は、非常に改良された偏差、したがって、より良好な信号検出をもたらす。一番下の曲線は、従来の配列の信号偏差を示す。中央の曲線は、例えば、図3に従ってハッシュ化されたTx電極を用いた配列に対する結果を示す。一番上の曲線は、例えば、図5に従うハッシュ化およびTx電極内の切り欠きの組み合わせの効果を示す。

0027

図10は、電極配列1000のさらに別の実施形態の上面図を示す。ここでは、第1の外側受信電極1010a、b、c、dのセットが、例えば、基板の周縁上にフロントエンド回路全体を備えるようにまた設計され得る、印刷回路基板の上部の両側に配列される。第2の受信電極1040、a、b、c、dのセットは、外側電極セット1010、a、b、c、dによってフレーム化された面積の内側に配列されてもよい。第2の受信電極1040、a、b、c、dのセットは、図10に示されるように、第1の電極1010、a、b、c、dのセットから離間されることができ、水平(x−軸)に配列された電極の距離は、垂直(y−軸)に配列された電極と異なってもよい。中心面積は、群集している電極面積に垂直なz−座標分解能を向上させるために使用され得る、特別に設計された中心電極1060で充填されることができる。さらに、中心電極1060は、タッチ電極として使用されることができる。加えて、センサ配列全体は、外側遮蔽リング図10には図示せず)を備えてもよい。本実施形態では、中心電極1060は、伝導経路によって形成されるグリッドまたは編目によって形成される。基板の上部の全電極1010、1040、および1060は、ある実施形態によると、印刷回路基板の上部銅層によって形成されることができる。印刷回路基板は、多層基板であってもよく、給電線1020は、印刷回路基板製造の当技術分野において公知のように、個別のビアを通して、上層上の各電極1010、1030、1060に接続してもよい。したがって、面積1030は、そこから複数の給電線1020が個別の電極101、1040、および1060に接続する、一般的接続面積として使用されてもよい。他の実施形態によると、内側の第2の電極1040のセットは、省略されてもよく、個別のより大きい中心電極1060が、適宜、形成されてもよい。Rx電極1010、1040の数および配列は、当然ながら、図10に示される配列に限定されない。他の構成も、適用されてもよい。

0028

伝送電極1050は、印刷回路基板の背面上または多層印刷回路基板の内側層内に形成されることができ、パターン図10に示されるように、グリッドパターンを有するように設計されてもよい。したがって、複数の正方形面積が、一実施形態によると、グリッドを形成するようにエッチングされてもよい。言い換えると、グリッドは、複数の交差する垂直および水平伝導線によって形成される。したがって、グリッド全体は、相互接続され、したがって、単一電極を形成する。図10に示されるように、伝送電極1050は、複数の区分から成ってもよく、または言い換えると、給電線1020によって分割されてもよい。各区分は、区分全体を包含する、周辺伝導線を有してもよい。同様に、中心電極1060も、中心電極1060全体を包含する、そのような周辺伝導線を示す。また、中心電極1060内の編目は、伝送電極1050の編目より広く離間されるだけではなく、また、伝送電極1050によって形成される編目に対して、ある角度で配列される。そのようなテクスチャ加工される構造を形成するための他のパターンも、可能性として考えられる。例えば、中心電極1060のために使用されるものと同様の構造が、使用されてもよい。中心電極1060はまた、伝送電極1050にフィードされる主要伝送信号から導出される、位相シフト信号を受信し得る、遮蔽電極として使用されてもよい。図10に示され、すでに前述のように、伝送電極1050は、外側受信電極1010、a、b、c、dと重複しない。したがって、これらの受信電極1010、a、b、c、dと伝送電極1050との間の容量結合は、さらに低減される。ここでは、切り欠き面積は、4つの電極1010a、b、c、dによって画定される外部周縁全体を被覆する。しかしながら、図2に提案されるような設計もまた、使用され得る。

0029

前述のように、給電接続線は、印刷回路基板の内側層内に形成され得る。伝送電極はまた、ある実施形態によると、内側層内に形成されることができる。したがって、いくつかの実施形態によると、3層印刷回路基板では、伝送電極および給電線は、内側層内に形成されることができ、受信電極は、上層内に形成されることができる一方、底層は、TxおよびRx電極の両方を遮蔽する接地層として使用されてもよい。多層印刷回路基板が、同様に設計されてもよく、その場合、電極面積内の付加的層は、使用されない、または給電線のためのみに使用されてもよい。図11は、例示的4層印刷回路基板を示し、Rx電極は、上部または第1の層内に配列され、Tx電極および給電線は、第3の層内に配列され、第4のまたは底層は、接地遮蔽層として使用される。ある実施形態によると、図11に示されるような第2の層は、完全に省略されてもよい。他の実施形態によると、単純両面回路基板が、使用されてもよく、給電線1020は、底部側に配列されることができる。給電線1020によって分離される任意の区分は、例えば、面積1030内で別個に接続されてもよい。

0030

図12は、複数の伝送電極Tx1、Tx2…TxMが、受信電極Rx1、Rx2…RxNの真下に配列される、さらに別の実施形態の上面図を示す。各伝送電極Tx1、Tx2…TxMは、相互から電気的に絶縁され、したがって、個別の伝送電極Tx1、Tx2…TxMは、別個に制御されることができる、あるいは1つ以上またはさらに全ての伝送電極Tx1、Tx2…TxMは、同一の伝送信号がフィードされることができる。したがって、単一伝送電極Txの代わりに、複数の伝送電極Tx1、Tx2…TxMが、並列に配列されてもよく、例えば、伝送電極は、図12に示されるように、長方形ストリップであってもよい。しかしながら、他の電極形態も、使用されてもよく、伝送電極は、均質テクスチャまたは任意の他のテクスチャを形成するように配列されてもよい。各伝送電極Tx1、Tx2…TxMは、図11に示されるように、同一の形状を有してもよい。しかしながら、伝送電極が異なる形状および/またはサイズを有する、他の実施形態が、使用されてもよい。そのような配列は、改良された空間分解能を伴う、近接およびタッチセンサシステムを可能にし得る。伝送電極Tx1、Tx2…TxMおよび/または受信電極Rx1、Rx2…RxNはまた、前述のように、ハッシュまたはハッチパターンを使用して、特に、伝送電極と受信電極との間の静電容量に最も寄与する、伝送および受信電極の個別の部分間の静電容量を低減させ得る。

0031

1.標準的電極等価回路
図6は、以下を伴う、標準的電極等価回路を示す。
VTxD−アナログフロントエンドデバイス電圧
VTx−伝送電極電圧
VRxBuf−アナログフロントエンドRxバッファ入力電圧
Vh−VRxBufを導出するための補助電圧
VN−受信電極eRxに投入される外部雑音電圧
eTx−システムの伝送Tx電極
eRx−システムの受信Rx電極
CTxG−Tx電極と接地との間の静電容量
CRxTx−Rx電極とTx電極との間の静電容量
CL−Txに対するRx給電静電容量
CRxG−Rx電極と接地との間の静電容量
CH−手とRxとの間の静電容量
CBuf−アナログフロントエンドRx入力バッファ間の入力静電容量
RT−アナログフロントエンドTxドライバソース抵抗
RBuf−アナログフロントエンドRx入力バッファの入力抵抗

0032

アナログフロントエンド、例えば、出願人によって製造された集積回路GC3130は、RT=800Ωの低インピーダンス出力を有し得、最大1nFまでの負荷静電容量CTxGを駆動するように設計され得る。そのような負荷静電容量の場合、VTx=VTxDであると仮定されることができる。

0033

2.拡張電極等価回路
図7は、以下を伴う、種々の実施形態による、拡張電極等価回路を示す。
VTxD−アナログフロントエンドデバイス電圧
VTx−伝送電極電圧
VRxBuf−アナログフロントエンドRxバッファ入力電圧
Vh−VRxBufを導出するための補助電圧
VN−受信電極eRxに投入される外部雑音電圧
eTx−システムの伝送Tx電極
eRx−システムの受信Rx電極
CTxG−Tx電極と接地との間の静電容量
CRxTx−Rx電極とTx電極との間の静電容量
CL−Txに対するRx給電静電容量
CRxG−Rx電極と接地との間の静電容量
CH−手とRxとの間の静電容量
CD−分圧器静電容量
CBuf−アナログフロントエンドRx入力バッファ間の入力静電容量
RD−周波数補償のための分圧器レジスタ
RBuf−アナログフロントエンドRx入力バッファの入力抵抗

0034

外部静電容量CDおよびレジスタRDは、高雑音条件下、入力バッファが過負荷されない定義されたレベルまで入力電圧VRxBufを低減させるために使用されることができる。レジスタRDは、周波数補償分圧器を実現するために使用される。本周波数分割器のための条件(プローブヘッド回路原理)は、以下である。

0035

チップのTx出力電圧を低減させることは、望ましくない場合がある。最良信号対雑音比は、以下に示されるように、最大Tx信号を用いて達成され得る。さらに、外部Tx信号ブースト増幅器が、要求に応じて、検討されることができる。

0036

3.受信機入力信号
バッファ入力抵抗は、30〜200kHzの関連周波数範囲内のバッファ入力静電容量よりはるかに低い効果を有すると仮定されることができ、さしあたり、以下と仮定される。



式中、a=CD/(CBuf+CD)は、導入される分圧器の減衰係数である。分圧器が使用されない場合、a=1およびCDは、短絡回路によって置換される。

0037

4.受信機信号感度
手の影響に関する受信機信号感度は、雑音がない条件(VN=0)における、手の静電容量の有無にかかわらず、信号デルタとして定義される。



典型的アナログフロントエンド設定では、手の静電容量CHandは、Rx−Tx電極静電容量Cよりはるかに小さいと仮定されることができ、式(6)は、以下となる。



式中、ΔSは、手の静電容量CHandの略線形関数である。式は、(7)における分母が最小限にされるとき、手に対する感度が増加することを示す。ある用途では、以下のパラメータが、影響要因である。
(a)Rx給電線静電容量CL
(b)Rx電極接地静電容量CRxG
(c)Rx電極とTx電極CRxTxとの間の静電容量
(a)は、Tx電極およびその給電線までのRx給電線の距離を最大限にすることによって達成されることができる。なお、これは、推奨される、Rx給電線を手の影響から遮蔽することとの間のトレードオフである。式(7)は、接地の代わりに、Tx信号を用いてRx給電線を遮蔽することがより良いことを示す。接地遮蔽は、CRxGを増加させ、CLよりシステム感度に悪影響を及ぼすであろう(式(7)も参照)。常時、Rx給電線を可能な限り薄く作製することが好ましい。これは、Txおよび接地に対する給電線静電容量ならびに給電線に対する手の影響の両方を最小限にする。
(b)は、一般に、Rx−Tx電極積層と接地との間の距離を最大限にすることによって達成されることができる。接地部品は、典型的には、アナログフロントエンドシステム内の大面積を被覆するため、電界漂遊効果が、典型的には、CRxGを左右し、多くの場合、接地までのRx電極距離を数ミリメートルを超えて増加させることは、無意味である。
(c)は、Rx電極とTx電極との間の距離を増加させることによって達成されることができる。良好なアナログフロントエンド電極設計では、CRxTxが、他の静電容量を左右する。したがって、例えば、切り欠き面積240、520を使用して、前述のように、CRxTxを最適化することが望ましい。

0038

他の対策は、図3および4に示されるように、Rxに対するその静電容量を低下させるためのTx電極の構築であり得る。Tx電極を構築することは、例えば、完全に充填された伝導表面の代わりに、グリッドパターンとして、Tx電極を設計することを意味する。これは、典型的には、キーボード設計内で行われる。なお、これらの対策は、雑音に対するアナログフロントエンドシステムの遮蔽に影響を及ぼし得、電極接地静電容量CRxGを増加させる。Rx電極の面積を縮小することも、別の可能性である。さらに、Rx電極を構築することも検討され得る。両方とも、手の静電容量CHandがまた、Rx受信電極と手との間に構築され、Rx電極設計の関数であるため、良く検討されて行われる必要がある。

0039

5.信号偏差
アナログフロントエンドシステム内のユーザの手に対する信号偏差SDは、受信機利得PGAによって増幅され、VDDA=3.0Vのチップのアナログ電圧範囲を参照する、受信機信号感度である。CHandが、Tx−Rx電極静電容量と比較して小さいとき、以下となる。



SDは、典型的には、16ビット整数値のLSB(最下位ビット)内で与えられる。

0040

6.信号対雑音比
受信機入力信号対雑音比SNRは、式(4)の信号項と雑音項との間の比率として定義される。

0041

それを踏まえて、SNRは、減衰係数aおよび手から独立する。所与の結合静電容量では、SNRを最大限にするために、最大可能Tx信号レベルVRxで機能することが望ましい。したがって、高雑音レベル設計では、例えば、LCDディスプレイ用途では、外部Tx信号ブースト増幅器を使用することが推奨される。随意の分圧器は、あらゆる雑音条件下、入力チャネルに過負荷をかけることを回避する減衰係数に設定される。

0042

SNRはまた、雑音源(例えば、DC/DCまたはバックライトコンバータ)までの受信Rx電極の有効距離を増加させることにより、雑音結合静電容量CNを低減させ、したがって、受信された雑音(式(4)の第2の項)を低下させることによって、改良されることができる。典型的には、低インピーダンス全面Tx電極は、デバイスの内側の雑音源から受信電極を効果的に遮蔽する。

0043

7.実施例
第1の実施例では、分圧器は、使用されず最適容量値が、選定される。伝送電圧レベルは、あらゆる雑音条件下、入力バッファの過負荷を回避するために、2Vppに設定される。
VTx=2Vpp
VN=3Vrms=8.5Vpp
a=1
CRxTx=15pF
CL=5pF
CRxG=7pF
CH=O.5pF
CN=1pF
CBuf=5pF

0044

雑音を伴わないバッファ信号は、式(4)の第1の項に該当する。

0045

信号デルタは、以下となる。

0046

CICフィルタの出力におけるデジタル信号偏差SDは、GPGA=10におけるものである。

0047

SNRは、以下となる。

0048

第2の実施例では、2:3分圧器が、使用され、前述と同一の最適容量値が、選定される。伝送電圧レベルは、アナログフロントエンドデバイスの最大出力レベルに設定される。
VTx=3Vpp
VN=3Vrms=8.5Vpp
a=0.666
CRxTx=15pF
CL=5pF
CRxG=7pF
CH=0.5pF
CN=1pF
CBuf=5pF
CD=10pF

0049

雑音を伴わないバッファ信号は、式(4)の第1の項に該当する。

0050

信号デルタは、以下となる。

0051

CICフィルタの出力におけるはデジタル信号偏差SDは、GPGA=10におけるものである。

0052

SNRは、以下となる。

0053

第2の実施例は、受信機入力における略同一の信号レベルでは、SNRは、予想通り、約3.5dB改良されることを実証する。手によって生成された信号偏差は、実施例1より11%高い。

0054

第3の実施例では、分圧器は、使用されず、典型的容量値が、選定される。伝送電圧レベルは、2Vppに設定される。
VTx=2Vpp
VN=3Vrms=8.5Vpp
a=1
CRxTx=20pF
CL=10pF
CRxG=15pF
CH=0.5pF
CN=1pF
Cbuf=5pF

0055

雑音を伴わないバッファ信号は、式(4)の第1の項に該当する

0056

信号は、以下となる。

0057

CICフィルタの出力におけるデジタル信号偏差SDは、GPGA=10におけるものである。

0058

SNRは、以下となる。

0059

第3の実施例では、再び、Rx入力バッファにおける受信された信号レベルは、前述の実施例に類似する。SNRは、第2の実施例と比較して、同じであり、より高いTx伝送電圧が使用された。より高いRx−Tx電極結合は、本実施例では、雑音を遮蔽する。なお、手に対する感度は、それぞれ、第1および第2の実施例と比較して、37%および43%下回る。

0060

最大範囲の場合、手に対する最大信号偏差を伴う電極設計を選定し、要求に応じて、ブースト増幅器を使用して、外部雑音に対処することが望ましい。ブースト増幅器の利得は、典型的には、6を上回って超えず、分圧器静電容量が1pFを上回ることを可能にするはずである。

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