CN100381996C - 用于测量电容的装置和传感器阵列 - Google Patents

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Abstract

提供一种电容测量装置，例如用于测量在有源矩阵液晶显示的像素电容中的变化，以提供一种“触摸屏”功能。该装置包括具有表示不同电容的多个状态的电容网络，用于将要测量的电容与所示网络的电容相比较的传感放大器，以及提供输出以指示要测量的电容是否大于网络电容的比较器。控制电路导致网络通过其状态转换，并且监视比较器的输出从而选择网络状态，该网络状态表示一个与要测量电容接进的电容。相应于由网络所表示的电容的数字测量被提供给输出并且提供对要测量电容的测量。

Description

用于测量电容的装置和传感器阵列
技术领域
本发明涉及用于测量电容的装置。该装置可用于例如在仅有电容的单个终端可用或可接触得到的场合中测量电容，这种情况的一个例子是对有源矩阵液晶显示器中的像素和数据或者“源”线电容的测量。本发明还涉及包括一个或多个这样的测量装置的传感器阵列，例如有源矩阵显示器。
背景技术
有源矩阵液晶显示器(AMLCD)可用在需要输入功能的产品中。例如，移动电话和个人数字助理(PDA)可以在AMLCD上将信息显示给用户，同时也需要来自诸电话键的用户输入。过去，是通过在显示器模块上加上额外的组件来得到传感器功能。例如，实现触摸输入的常规方式是将一个额外的装置加在显示器的前面。
US 6,028,581揭示了一种具有可用于接收触摸或图像输入的集成传感器的AMLCD。通过在每个像素的结合进一个光电二极管与实现了传感器功能。虽然这种显示器实现了某种节省成本以及性能方面的益处，例如，无需加上额外的层，但是这些优势被以下因素抵消：像素填充因数降低、有源矩阵设计复杂性，设计中必需包括额外的控制线用于每个像素上的光电二极管以及额外的TFT、光电二极管和微透镜。此外，该显示器不包括“面板上的”模数转换器，这样就增加了显示器接口的成本和复杂性。
JP5-250093揭示了一种具有可用于接收触摸输入的集成坐标检测装置的AMLCD。位置信息是通过使用一支产生电压的笔输入到有源矩阵中的，该笔在直接触摸显示器之上时可改变其下部像素的状态。虽然该系统不要求对有源矩阵做实质性改动，因此不会有像素质量的降低，但是使用专用的“有源”笔是令人不快的。
EP1455264揭示了一种具有能够将有源矩阵利用为一种输入装置而无需对矩阵做实质性改动、且无需任何外部组件。传感器电路被集成在显示基板上并且被连接到显示器源线。这种传感器电路可包括一电荷转移放大器和电荷再分布模数转换器(ADC)。这些电路被排列成在应用了合适的驱动波形后测量在显示屏上的每个像素的状态。特别地，电荷转移放大器用于测量像素电容，当用户触压显示屏并且改变液晶的单元间隙时，该电容会改变。放大器通过将像素电容(加上其所连接的源线上的寄生电容)与一虚设(dummy)电容器相比较并且输出对应于该电容差异的电压。该电压通过ADC被转化成数字输出。
这种装置的一个缺点在于放大器的输出对源线、虚拟电容和TFT中的加工变化很敏感，这就导致其范围和精度较之理想的要低。此外，极端的加工变化可能导致放大器输出的永久饱和，导致集成传感器电路故障。通过使电路设计参数最优化以提高传感放大器的范围有可能缓解加工变化的影响。但是，这只能以损失精度为代价来实现。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用于测量电容的装置，它包括：一电容器网络，其具有多个呈现各个不同电容的状态；一传感放大器，用于将要测量的电容与网络的电容相比较、并用于提供代表要测量的电容是比网络电容大还是小的输出；以及一控制电路，该控制电路响应于损失传感放大器的输出在网络状态中进行选择并提供一个对应于某状态的数字测量输出，在该状态中损失网络具有与要测量的电容接近的电容。
传感放大器的测量周期包括：给要测量的电容和电容器网络充电到相同的电压，以相同的量改变在要测量的电容中和在电容器网络中的电荷，以及比较要测量的电容及电容器网络上的电压。传感放大器可包括一电荷转移放大器。
电容器网络可包括多个通过各个电子开关并联的电容器。诸电容器可具有二进制加权电容(binary-weighted capacitances)。电容器网络还可包括一永久连接电容。
本装置可包括一连接到传感放大器输出的电压比较器。电压比较器可包括一动态闩。
本装置可包括一存储器，用于在操作的标度阶段期间存储来自控制电路的标度值，并且用于在操作的测量阶段开始时将标度值送给电容网络。
控制电路包括一计数器，它的输出被安排成选择电容器网络的状态。计数器被安排成单调地一步一步通过诸电容(step monotonically through the capacitances)，直到传感放大器的输出改变状态。
控制电路包括一逐次近似计算法寄存器，它的输出被安排成选择电容器网络状态。
根据本发明的第二方面，提供有一种传感器阵列，包括：传感器元件阵列，其中每一个元件包括一用于与覆于其上的材料共同形成一电容器的电极；至少一个根据本发明第一方面的装置；以及一开关网络，用于将电极连接到损失至少一个装置。
所述网络被安排成一次一个地将电极连接到所述装置或每个装置。
所述网络可包括一有源矩阵。该阵列包括：一有源矩阵显示器，其中所述传感器元件包括排列成行和列的图像元件，每个图像元件具有用于接收要显示的图像数据的显示数据输入及用于使来自所述数据输入的图像数据得以输入的扫描输入，每一列图像元件的数据输入被连接到相应列数据线，每一列图像数据的扫描数据被连接到相应列扫描线；一数据信号发生器，用于将数据信号提供给列数据线；一扫描信号发生器，用于将扫描信号提供给列扫描线；以及一输出装置，它被连接到列数据线、并响应于由显示器图像元件响应外部激励而在其内部产生的传感器信号，所述输出装置包括用于测量数据线和图像元件电容的所述至少一个装置。
该排列可包括一显示器基板，其上集成有所述数据信号发生器、所述扫描信号发生器、所述输出装置、以及所述阵列的电子组件。
每个图像元件可包括一图像生成元件及一电子开关。每个图像生成元件可包括一液晶元件。
所述装置或每个装置可被安排成在没有外部激励时周期地执行标度阶段。所述装置或每个装置被安排成至少在排列一导通时执行标度阶段。
这样就有可能提供较之已知装置复杂性降低、尺寸更小、能耗较少的一种装置。同时，还可获得性能上的重要改进。例如，加工变化的影响减少了，提供一种对该变化更加有抵抗性的装置。
附图说明
图1是组成本发明实施例的有源矩阵显示器和传感器阵列的示意框图；
图2是组成本发明一个实施例、且用在图1所述装置中的电容测量装置的电路框图；
图3是说明图2所述装置的操作的流程图；
图4是类似于图2的电路图，更加详细地示出电容网络；
图5是类似于图4的电路图，但示出的是一修改后的电容网络；
图6是示出如图2所示的传感放大器的电路图；
图7是示出如图2所示的比较器的电路图；
图8是用在如图2所示的控制逻辑电路中的计数器的电路框图；
图9是用在图2的控制逻辑电路中的逐次近似计算法寄存器的电路框图；
图10类似于图2，示出一种修改；
图11是表示如图10所示装置的操作的流程图；以及
图12是组成本发明一实施例的传感器阵列的示意框图。
贯穿所有附图，类似标记指代类似的部件。
具体实施方式
有源矩阵液晶显示器及传感器装置形成于显示器基板1之上，包括一个连接到输入3的时序和控制电路2，用于接收时序和控制信号以及要显示的图像数据。电路2将合适的信号提供给其形式为显示器源极驱动器4的数据信号发生器以及其形式为栅极驱动器5的扫描信号发生器。驱动器4和5可以是任何合适的类型，诸如属于标准或常规类型的，不再赘述。
显示器源极驱动器4具有多个输出，它们被连接到多个矩阵列电极上但却与其相分离，这些电极用作图像元件(像素)的有源矩阵6的列数据线。例如，显示器源极驱动器可仅在驱动器由控制电路2激活时被连接到数据线。列电极延伸贯穿有源矩阵6的整个高度，且每一个电极都被连接到相应像素列的数据输入。类似地，驱动器5具有多个输出，它们被连接到延伸贯穿矩阵6宽度的行电极。每个行电极用作行扫描线、并且被连接到相应像素列的扫描输入。
诸像素之一用附图标记10详细地图示，是属于标准有源矩阵液晶类型的。像素10包括其形式为多晶硅薄膜晶体管的电子开关11，它的源极被连接到列电极12、栅极被连接到行电极13、漏极被连接到液晶像素图像生成单元14和并联的存储电容15。
图1以图解方式说明了装置的各个部分的物理布局。所有的电子装置被集成在显示器基板1上，显示器源极驱动器4沿矩阵6的上边缘设置，而栅极驱动器5沿矩阵6的左边缘设置。驱动器4、5及矩阵6以及其相对设置可以是标准的或者常规的。
该装置还包括一输出装置19，它沿着矩阵6的底边缘设置。装置19包括多个电容测量装置或系统20，它们由来自电路2的控制信号所控制-例如激活、且它们的输入被连接到相应的列电极。装置20的输出被提供给多路复用器21，它将输出信号提供给本装置的传感输出23。
对行和列的引用并非旨在局限于水平的行和垂直的列，而是指标准的众所周知的图像数据一行一行地进入的方式。虽然在显示器中像素行通常为水平排列而图像列为垂直排列，但这不是根本性的，例如，行可以垂直排列而列做水平排列。
在应用中，用于显示的图像数据通过任何合适的源提供给本装置的输入3，并依照驱动器4和5的操作，由有源矩阵6来显示。例如，在典型的显示内容被一行一行地刷新的装置中，像素图像数据被连续地提供为图像帧，同时帧同步脉冲指示每个帧刷新周期的开始。一行行的像素图像数据依次进入显示器源极驱动器4，并且一扫描信号被提供给合适的行电极，以使图像数据得以存储在合适的像素行中。因此，矩阵6的像素行一次被刷新一行，而栅极驱动器5通常一次一行地提供扫描信号，从顶行开始，当一个帧刷新周期完成时，在底行结束。
在该操作模式中，每个显示帧包括一刷新部分，在这期间显示数据被用于一次一行地刷新像素矩阵6，紧接着是一个垂直空白时段。在显示帧周期的末尾，提供一传感器帧同步脉冲以启动一个形成装置的传感阶段的传感器帧或周期。
在传感阶段中，显示器源极驱动器4的输出与列电极相分离，装置20由电路2激活。栅极驱动器5再次依次从矩阵6的顶部到底部一次一个地扫描各行电极，由装置20提供的信号通过多路复用器21输出。
在显示阶段期间，当像素10在被刷新时，栅极驱动器5将一扫描信号提供给行电极13，它因而导通薄膜晶体管11。显示器源极驱动器14将代表图像生成元件的期望可视状态的电压提供给列电极12，同时，用于确定期望图像外观的电荷从列电极12传送到存储电容器15以及图像生成液晶元件14，后者起着电容器的作用。元件14上的电压使其以已知的方式显示所期望的图像灰度电平。液晶像素图像生成元件14构成引起显示动作的光学可变区域。
标准显示像素如附图标记10所示者可用于感测外部激励，而无需任何本质改动。例如，每个显示像素可用于检测触摸输入，如T.田中等人在SID 1986的“用于LCD直接触摸输入的数据和命令进入：集成LCD面板(Entry of Data andCommand for an LCD Direct Touch：An Integrated LCD Panel)”中所述。施加在LCD组件的顶部玻璃片上的压力将导致受压区域周围的液晶变形。该形变将导致液晶元件14的电容有可检测到的改变。电容的这种改变代表一个由液晶元件14在其内部产生的信号。
在感测期间，当含有像素10的行由来自驱动器5的扫描信号在行电极13上激活时，元件14连同电容器15通过晶体管11被连接到列电极12。作为外部激励的结果所产生像素电容的任何改变因而可到达连接于列电容12的诸装置20之一，从而作为所述激励之结果的改变了的电容由装置20转换成一数字值。
然后从帧同步脉冲开始重复操作循环，该脉冲用显示数据的下一帧启动显示刷新。显示帧时间可等于或不等于传感器帧时间。
虽然传感器帧被描述为在前一显示帧的垂直空白时段之后发生，但是传感器帧也可在其它时间发生，例如，在显示帧的空白时段内发生。在传感器帧期间，为传感器数据而扫描所有的行。或者，在多个帧的每一个帧期间，扫描像素行不同的合适的子集，从而在这多个显示帧的时段中整个矩阵都被扫描以找寻传感器数据。例如，为传感器数据而扫描的行数取决于显示帧速率，且扫描行的模式可由时序和控制电路2中的软件来确定。较之在传感器帧期间扫描整个矩阵，此类装置可用于改善所显示图像的质量，并且可允许显示起保持与不提供感测功能的常规显示器一样高的帧速率。在此所用的“合适的子集”定义为全集的一个子集，空集和全集除外。
电容测量装置在图2中更详细地说明，其包括传感放大器30、电容器网络31、比较器32、以及控制逻辑33。传感放大器30和控制逻辑33接收来自电路2或者根据来自电路2的信号所产生的信号。控制逻辑33在数字输出34提供表示测量的电容的并行数字输出。
电容器网络31被安排成在应用了来自控制逻辑33的合适控制信号后，它采取众多状态X之一。电容器网络31的每个状态x呈现一个不同的输出电容CNet，x。网络可以被安排得使CNet，x+1＞CNet，x。
传感放大器30有两个输入。第一输入被连接到电容器网络的输出(代表一个电容CNet，x)，第二输出被连接到要被测量的组件(代表另一个电容CMeas)。一旦将合适的信号应用到传感放大器30，该放大器按循环进行操作，一个操作循环由众多阶段组成，至少包括一个保持阶段。放大器30还被安排成产生两个输出电压VA和VB，从而，如果CNet，x＜CMeas，则在保持阶段有VA＞VB。相反地，如果CNet，x＞CMeas，则在保持阶段VB＞VA。
比较器32被安排成输出与传感放大器输出VB和VA的相对幅度相对应的数字信号，使得例如：
VA＞VB＝0
VA＜VB＝1
对控制逻辑33加以安排，使得当比较器输出改变状态时，输出一个对应于电容器网络的二进制数字。
由上述系统执行的电容测量序列在图3中说明，在40处开始。在41处，电容器网络设置为第一状态、比较器输出设置为低、控制逻辑被重置。在该第一状态中，电容器网络被安排成给放大器提供一个电容CNet，1，名义上小于要测量的电容CMeas。
然后传感放大器30运行第一操作循环(42)。如果在该第一循环期间CNet， 1＞CMeas，则放大器30在保持期间产生输出电压，从而VB＞VA(43)，比较器的输出状态改变为高，该转变完成但是错误的。控制逻辑33可被安排成输出指示‘溢出’的错误代码，操作在45处终止。
如果，在第一循环期间CNet，1＜CMeas，放大器30在保持期间产生输出电压，使得VA＞VB，比较器的输出保持为低，控制逻辑33被安排成将电容器网络的状态切换到第二状态(46)。由电容器网络在第二状态呈现的电容CNet，2电容大于在第一状态中呈现的电容CNet，1。然后在47处重复放大器操作循环。
对于后续的每一个操作第x个传感放大器循环，其中电容器网络处在状态x，如果CNet，x＞CMeas，放大器30在保持期间产生输出电压，使得VB＞VA(48)，比较器的输出状态变为高，且控制逻辑33输出与电容器网络31的值相对应的二进制数字(49)。电容测量序列完成。
如果，在第x个循环期间CNet，x＜CMeas，放大器30在保持期间产生输出电压，使得VA＞VB，比较器的输出保持为低，控制逻辑33被安排成将电容器网络的状态切换到第(x+1)状态。在这第(x+1)个状态中由电容器网络呈现的电容CNet，x+1大于在状态x中呈现的电容CNet，x。然后重复放大器循环。
如果在第x个传感放大器保持阶段(50)期间比较器的输出仍为低，则电容测量视为完成，但是错误的。控制逻辑可被安排成输出一指示‘溢出’的错误代码(51)。
该系统可描述为‘伪数字性的’，由于只有电压差VA-VB的符号才是重要的(相对于在EP1455264中描述的模拟操作中的数值的重要性)。比较器32将该符号转化成为控制逻辑33所用的单个比特。通过执行多重‘伪数字性的’电容比较，如上所述，来实现电容测量，就有可能较之现有技术减少系统的复杂性，因而减少尺寸和能耗。例如，较之模拟操作的情况，比较器设计的限制可减少。
通过提供增大的操作范围来减少加工变动的影响，同时不损失精确度。本系统的精确度仅受限于在电容器网络31的两个邻近状态之间能够可靠地确定出最小电容差。
虽然电容测量装置20被描述为用在有源矩阵液晶显示器的面板中以检测由触摸显示屏所导致的像素电容的变化，但装置20也可在方便时用在其他任意应用中测量电容。装置20特别适用于仅可接触到电容器的一个端子的场合中做电容测量，如上文中描述的AMLCD的情形。
在图1所示的显示器具有用于有源矩阵的每个数据线12的相应电容测量装置。但是，测量装置20比数据线12的数量少也是可能的，至少一部分装置20通过相应的多路复用器连接到若干个数据线12。
图4示出电容器网络31的一个示例。在该示例中，网络31包括(N+1)个电容器C0，…CN以及(N+1)个电子开关SW0，…SWN，例如传输门电路(transmissiongates)。控制逻辑33提供(N+1)个比特信号S0…SN来表示二进制数字，其最低位是S0。每个比特控制一个相应开关，从而使电容C0，…CN可以并行地以任意组合进行切换。每个电容器的电容Ci等于2iC，其中C是由控制逻辑输出的最低位S0所切换的最小电容器C0的值。网络31因而构成一个二进制加权的切换电容器网络。
装置20的分辨率等于最小电容器C0的值C。在操作期间，控制逻辑33步进(step)由比特S0…SN表示的二进制数字，从表示0的数字上升到数字的最大值，从而由网络31所呈现的电容从0开始按步长C增加，在0时所有的电容处于断开状态，到最大值时所有的电容C0…CN都被并联连接。网络31的电容递增，直到传感放大器30的输出电压VA和VB的差异改变极性，在该点上对待测电容的测量完成，且控制逻辑33在数字输出34处输出由比特S0…SN的当前状态所表示的数字或者是其函数的数字。
虽然电容器网络31被示为二进制加权的，其它的示例可能不是二进制加权的，例如为了产生一个确定的非线性响应。
为了实现高分辨率，就需要相对大量的电容器C0，…CN。因此电容器网络31及控制逻辑33要占据基板1大量面积。还有，控制逻辑的复杂性与在电容器网络31中的电容器数量有关。此外，执行每个测量所用的时间取决于网络31中电容器的数量，如图4所示示例。
图5示出电容器网络31的另一示例。与图4中所示不同的是，二进制加权切换电容器装置是永久地并联连接到一个参考电容CR上。电容器CR的电容值CRef较佳地选择比待测电容器的最小期望值至少小一个C值，这个C值就是由控制逻辑输出的最低位S0所控制的电容器C0的值C。例如，如果装置20形成AMLCD的一部分、并被用于确定像素电容的改变以提供一种‘触摸屏’设备，待测量电容的最小值为像素电容的最小预期值加上数据线及任何其它到装置20输入的连接的电容最小预期值。该最小预期电容应当把制造期间是加工变化、误匹配、温度效应、以及对于测量的最小电容的任何其它影响都考虑在内。
图5的装置20以图4的装置20基本相同的方式来操作。但是，在要测量的电容和由电容器网络31呈现的电容之间的比较不是从0电容或最小电容C开始，而是从参考电容CR的电容CRef开始。因此，为了同样的分辨率，可以使用具有较少电容期和开关的较小切换电容器网络，并且每次测量需要较少时间。相反地，切换网络的最小电容C可减少，以获得较高分辨率。因此，较之图4所示的装置，可提高分辨率和/或减少系统复杂性、基板面积以及测量时间。
图6是一种传感放大器30的示例，体现为电荷转移放大器。电荷转移放大器可以是任何合适的设计，例如，在森村等“单元结构的创新感应以及用于电容性指纹传感器的传感电路设计(A novel sense of cell architecture and sensing circuitscheme for capacitive fingerprint sensors)”所揭示，IEE Journal of Solid StateCircuits，，第35卷，2005年5月。电荷放大器包括互补金属氧化硅场效应晶体管(MOSFET)M1-M4、等值电容器55和56，等值电容器57和58。晶体管M3和M4的源极连接到电源线VDD，栅极连接在一起并与预充电控制线PRE相连，漏极分别连接到节点N3和N4。节点N3和N4提供传感放大器输出VA和VB，并且分别被连接到电容器55和56以及晶体管M1和M2的漏极。晶体管M1和M2的基极分别连接到节点N3和N4。晶体管M1和M2的源极分别连接到电路节点N1和N2、电容57和58、以及要测量的电容和电容器网络31。电容器57和58被连接到一起并且与抽样控制输入SAM相连。
放大器30的一个操作循环包括三个阶段，即：预充电、抽样(sample)和保持(hold)。每个阶段的操作如下：
在预充电阶段，N3和N4被预充电到供电电压VDD。节点N1和N2通过晶体管M1和M2分别升到VDD-VT1以及VDD-VT2，其中VTx是晶体管Mx的阈值电压。
在抽样阶段，固定电荷ΔQ通过电容器57和58从N1和N2释放掉，两个节点的电压均降低。如果CNet＜CMeas，则在N2产生的压降ΔV2，比在N1产生的压降ΔV1要大，从而ΔV2＞ΔV1。电荷现在开始从N3转移到N1，从N4转移到N2。由于在N1点的电压要高于N2点的电压，晶体管M1的导电性弱于M2的导电性，电荷从N3转移到N1的速率ΔQ1要小于电荷从N4到N2的速率ΔQ2。因此，在节点N4处的电压VB要比在N3处的电压VA下降得快，来自N3处的电荷转移将首先终止，因为随着VB下降时，M1的栅-源电压接近VT1，M1关闭。在N3点的电压VA，M2的栅因此而固定。由于M2的栅电压现在已经固定，从N4到N2的电荷转移继续。转移一直继续，直到N2处的电压上升，要么M2的栅-源电压变为等于VT2，要么N2处的电压变为等于N4的电压VB。
在保持阶段，在节点N1到N4处的电压固定，且转换循环完成。对于CNet＜CMeas，VA＞VB。类似地，对于CNet＞CMeas，VA＜VB。如此，电荷转移放大器30执行电容到电压的转换。
比较器32可以是任何适用于将输出电压VA和VB之间电压差异的极性转化成数字信号的类型。合适的比较器的一个示例如图7所示，它包括一动态闩电路。此类电路是众所周知的，例如，揭示在“Introduction to CMOS Op-Amps andCompparators(CMOS运算放大器和比较器入门”，R.Gregorian，Wiley 1999版。
控制逻辑33可包括一(N+1)比特二进制计数器，此类计数器的示例在图8中示出。比特的数量是由电容器网络31状态的数X决定的，由log2X表示。
计数器包括(N+1)级，其中的每一级包括一个D型触发计数器级60，以及一个D型触发闩级61。闩触发器61具有从比较器32接收“比较器输出”的时钟输入，从而闩将数字字Q<0>，…，Q<N>在装置20的输出34处提供。闩触发器61的数据输入D被连接到计数器触发器60的Q输出。
计数器还包括62和63等门电路以及64和65等电子开关，用于控制计数器的操作。门电路62具有用于激活计数器的激活输入以及用于接收时钟脉冲的时钟输入，提供给计数器触发器60的时钟输入。该类型计数器的操作是众所周知的，不再赘述。
如图8所示计数器作为控制逻辑33的操作如下。
当控制逻辑33在每个电容测量序列的开始处被重新设置时，计数器被激活，并且它的输出设置为0。第一传感放大器操作循环现在开始执行。
如果在第一传感放大器操作循环的保持阶段期间，比较器输出为高，则计数器中止，转换完成，但是错误的。在该情形中，计数器被安排成生成一个出错信号‘溢出’。
如果在第一传感放大器操作循环的保持阶段期间计数器输出保持为低，计数器递增1。电容器网络31的状态因而前进一个状态，一个增加后的电容被呈现到传感放大器30的输入。重复传感放大器循环。
对于后续的每一个传感放大器操作循环的保持阶段：
(a)如果比较器的输出为高，则计数器中止且转换完成。在该点上保持在计数器输出上的值与电容器网络31的状态相对应，测量了电容的值；
(b)如果比较器的输出保持为低，计数器递增1且重复传感放大器操作循环。
如果达到了电容器网络的最终状态而比较器的输出在相应的传感放大器保持阶段期间仍为低，则电容测量操作可视为完成但是错误的。在该情形中，计数器可被安排成生成出错信号‘溢出’。
电容测量序列所用的最大时间，tmax，因此是指数型关系：tmax＝tamp×2N，其中tamp是一个传感放大器循环所用的时间。
图9示出了逻辑控制33的另一种形式，系一逐次近似计算法寄存器(SAR)。寄存器的长度等于log2X。SAR包括一个移位寄存器，它是由D型触发器70连接成一个环而形成的、并且被安排成与提供给触发器时钟输入的时钟信号同步地传播单个的“1”比特。时钟信号通过门电路71提供，该门电路71有用于接收时钟脉冲和激活信号的输入。
SAR还包括设置/重置触发器72，诸触发器72的具有连接到NAND门电路73的输出的反向重置输入及连接到移位寄存器触发器输出的设置输入。门电路73具有用于接收比较器输出的第一输入和连接到移位寄存器输出的第二输入。
图9所示SAR作为控制逻辑33的操作如下。当SAR在每个电容测量序列的开始处被重置时，SAR的最高位要的导致电容器网络31的最大值电容CN被连接。传感放大器30执行电容比较，比较器32提供一个信号，指示要测量的电容是否比电容器网络31所呈现的电容大还是小。如果要测量的电容比电容器网络31所呈现的电容大，触发器72维持设置状态。相反地，如果要测量的电容比电容器网络31所呈现的电容小，触发72被重置。
为SAR的每一级重复该序列，以便完成电容测量。完成每个电容测量所用的时间tmax通过tamp×N给出，并且一般显著地本小于图8中示出的计数器装置的。
图10示出了一种电容测量装置20，它与图2中所示的不同之处在于配备有存储器80、且电容测量分两级执行，即标度级和测量级。对存储器80进行控制以在标度级末尾存储控制逻辑的输出、并且在测量级的第一循环将其返回至控制逻辑33。
图10的装置20的操作如图11中所示。标度级在81开始，在82处选择拟标度的电容或第一电容。例如，当装置20用于图1所示的AMLCD中时，拟标度的第一电容可以是第一像素，它的电容(与数据线电容以及任何其它相关电容并联)要在没有任何外部激励的情况下进行测量。或者，拟标度的第一电容可包括数据线及用于连接到显示器像素10的其它任何寄生电容。
在83处，执行如图3所示的测量，其结果被存储在存储器80中的标度数据文件84中。步骤85核对是否最后的电容器已被标度，如果没有，在86处选择另一个电容器并重复测量序列83。一旦所有用于标度的电容被测量了，标度级完成，且测量级开始。
如上所述，当没有外部激励被应用到显示器上时所产生的所有像素电容可以这种方式来确定并存储。每个像素值于是可作为该像素电容测量的起始点。或者，为了降低存储要求，没有像素电容的数据线电容可被测量并存储，用作后续像素电容测量的起始点。
在测量阶段，在90处选择要测量的第一电容，在91处，控制逻辑33的初始状态从保留在存储器80中的标度文件84中加载。在92处执行如图3示出的测量序列，在93处输出其结果。步骤94确定是否完成了最后的测量，如果是，在95处终止测量级。如果不是，在96处选择另一个要测量的电容器，在步骤91中该电容的初始状态从标度文件84中加载。如此，为每一测量重复步骤91到93，其中为每个要测量电容加载适当的电容器网络31初始状态。
通过在AMLCD处于“夫触摸”状态时执行标度级以便测量像素的最小电容值，可以减少在测量级期间用于每次测量的时间。标度级可以例如在AMLCD每次一加电之后立即被执行，或者可更加经常地执行以便例如解决因温度变化而产生的时间性变化。
虽然已在AMLCD的环境中对电容测量装置的应用进行了描述，但本装置不限于这种应用。例如，本装置可用在那些需要对添加在相对较大寄生电容上的相对较小的电容变化进行测量的用品中。
此类测量可在有源矩阵装置或任何其它合适的装置中执行。
图12示出在有源矩阵装置中该技术的应用示例，其中的有源矩阵装置并不是显示器的一部分。该装置可用作例如一种电容性指纹传感器以确定与该装置的传感表面相接触的手指上的纹路。
图12所示的装置类似于图1所示的，但不同的是省略了液晶层、计数器基板、以及显示器源极驱动器。而且，图1的每个像素10被代之以传感器元件，从而省略了液晶像素图像生成元件14，且并联存储电容15被一个电极所取代，该电极与覆于其上的诸如手指的材料共同构成要测量的电容。
在使用时，可执行任何前述扫描模式(省略显示刷新操作)中的任意一个，且电路30到33可体现为如以上所述。例如，栅极线驱动器5可依次向有源矩阵6的每个行电极13应用扫描信号，且电容测量装置或系统20一次一行地确定添加在寄生电容上的传感器元件10的电容。电极15与覆于其上的诸如手指的材料共同构成要测量的电容。当用于确定指纹时，被指纹脊所覆盖的电极呈现出比被指纹沟所覆盖的电极高的电容。所测量的电容因而可用于确定指纹脊和沟的位置，而该信息可以例如与所存储的指纹数据相比较以确定身份或者验证指纹。

Claims (21)

1.一种用于测量电容的装置，所述装置包括：
一电容器网络，它具有呈现各个不同电容的多个状态；
一传感放大器，用于将要测量的电容与所述网络的多个状态中的一个状态的电容相比较、并用于提供一个表示所述要测量的电容是否大于所述状态的所述电容的输出；以及
一控制电路，响应于所述传感放大器的所述输出以在所述网络的所述多个状态中选择另一个之前未被选过的状态，并且提供对应于此状态的数字测量输出，在此状态中所述网络具有一个与所述要测量电容匹配的电容。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感放大器的一个测量周期包括：将所述要测量电容与所述电容器网络充电到一相同电压，以相同的电荷量改变在所述要测量的电容及在所述电容器网络中的电荷，以及将所述要测量的电容上的电压和所述电容器网络上的电压相比较。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述传感放大器包括一电荷转移放大器。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电容器网络包括多个电子开关、及多个可经由所述电子开关并连的电容器。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述电容器具有二进制加权的电容。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述电容器网络还包括一永久性连接的电容器。
7.如权利要求1所述的装置，包括一连接到所述传感放大器的所述输出的电压比较器。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述电压比较器包括一动态闩。
9.如权利要求1所述的装置，包括一存储器，用于在操作的标度阶段期间存储来自所述控制电路的标度值，并且用于在操作的测量阶段开始时将所述标度值提供给所述电容器网络。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制电路包括一计数器，所述计数器具有安排成选择所述电容器网络状态的输出。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述计数器安排成单调地单步调试诸电容，直到所述传感放大器的所述输出改变状态。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制电路包括一逐次近似计算法寄存器，所述寄存器具有安排成选择所述电容器网络状态的输出。
13.一种传感器阵列，包括：
传感器元件的阵列，其中每一个元件包括一个电极，用于与覆于其上的材料共同形成电容器；
至少一个用于测量电容的装置，所述至少一个装置包括：
一电容器网络，该电容器网络具有多个呈现各个不同电容的状态，
一传感放大器，用于将要测量的电容与所述网络的多个状态中的一个状态的电容相比较，并用于提供一表示所述要测量的电容是否大于所述状态的所述电容的输出，
一控制电路，响应于所述传感放大器的所述输出以在所述网络的所述多个状态中选择另一个之前未被选过的状态，并提供对应于此状态的数字测量输出，在此状态中所述网络具有一个与所述要测量的电容匹配的电容，以及
一开关网络，用于将所述电极连接到所述至少一个装置。
14.如权利要求13所述的阵列，其特征在于，所述开关网络被安排成将所述电极一次一个地连接到所述至少一个装置。
15.如权利要求13所述的阵列，其特征在于，所述开关网络包括一有源矩阵。
16.如权利要求13所述的阵列，包括：一有源矩阵显示器，其中所述传感器元件包括排列成行和列的图像元件，每个所述图像元件具有用于接收要显示的图像数据的显示数据输入及用于使来自所述数据输入的所述图像数据得以输入的扫描输入，所述显示器包括列数据线和行扫描线，每一所述列的所述图像数据的所述数据输入连接到相应的所述列数据线，且每一所述行的所述图像数据的所述扫描输入连接到相应的所述行扫描线；一数据信号发生器，用于将数据信号提供给所述列数据线；一扫描信号发生器，用于将扫描信号提供给所述行扫描线；以及一输出装置，其连接于所述列数据线、并响应于由所述图像元件响应外部激励而在其内部产生的传感器信号，所述输出装置包括至少一个用于测量数据线的电容和图像元件的电容的装置。
17.如权利要求16所述的阵列，包括一在其上集成有所述数据信号发生器、所述扫描信号发生器、以及所述输出装置的显示基板。
18.如权利要求16所述的阵列，其特征在于，每个所述图像元件包括图像生成元件和电子开关。
19.如权利要求18所述的阵列，其特征在于，所述图像生成元件包括液晶元件。
20.如权利要求13所述的阵列，其特征在于，所述至少一个装置包括一存储器，用于在操作的标度阶段期间存储来自所述控制电路的标度值，并且用于在操作的测量阶段开始时将所述标度值提供给所述电容器网络，所述至少一个装置被安排成在没有外部激励的情况下周期地执行所述标度阶段。
21.如权利要求20所述的阵列，其特征在于，所述至少一个装置被安排成至少在所述阵列导通之时执行所述标度阶段。
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