[發明專利]新型大尺寸傳感陣列的讀出電路及其傳感器陣列

有效

• 申請號: 201910790765.2
• 申請日: 2019-08-26
• 公開（公告）號: CN110411483B
• 公開（公告）日: 2021-08-17
• 發明（設計）人: 廖聰維;趙涵若;于天寶;鄧聯文;羅衡;黃生祥
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G01D5/24
• 分類號: G01D5/24;H03F3/45;H03K19/0175;H03K19/0185
• 代理公司: 長沙永星專利商標事務所(普通合伙) 43001
• 代理人: 周詠;米中業

本發明公開了一種新型大尺寸傳感陣列的讀出電路，包括若干路并行通道，每一路并行通道均包括依次串接的差分檢測模塊、信號交叉耦合模塊和差分積分模塊；差分檢測模塊將大尺寸傳感陣列輸出的電荷信號轉換為第一電壓信號并上傳信號交叉耦合模塊；信號交叉耦合模塊將第一電壓信號轉換為一路正相位電壓信號和一路負相位電壓信號并上傳差分積分模塊；差分積分模塊將正相位電壓信號和負相位電壓信號進行差分積分并輸出到大尺寸傳感陣列后續的外圍信號處理電路。本發明還公開了包括所述新型大尺寸傳感陣列的讀出電路的大尺寸傳感陣列。本發明大幅提高了讀出信號的強度，使得大尺寸傳感陣列的觸控信號更易識別；而且電路簡單可靠，成本低廉。

技術領域

本發明具體涉及一種新型大尺寸傳感陣列的讀出電路及其傳感器陣列。

背景技術

陣列式的傳感器技術在現代電子產品及設備中扮演者重要的角色。近年來，陣列式的機電耦合、微機電耦合、光電耦合、聲電耦合等傳感器都取得了較大的進步。尤其是，基于薄膜電容陣列或者微機電技術(MEMS)電容陣列的觸控傳感器、指紋傳感器、加速度傳感器以及基于光電二極管/三極管的圖像傳感器在手機、平板、智能相機等消費電子產品中獲得了大量的成功應用。由于控制和傳感精準度的不斷提升，傳感陣列的讀出電路的要求越來越高。可以預見，在5G物聯網、車聯網的應用場景中，陣列式傳感器將會被更廣泛地應用。由于傳感陣列規模的擴大，多物理場之間耦合量的強度減少、干擾量和噪聲量增加，這些都要求新型的傳感陣列的讀出電路設計。圖1示意了陣列式傳感器的驅動電路、讀出電路及其連接關系。雖然傳感器的具體實現、甚至傳感機制千差萬別，但是它們都普遍地采用陣列式的布置，其驅動和讀出電路基本上相通。

以電容觸控陣列技術為例。觸控屏技術使得人機交互更加便捷，，被廣泛地應用到消費電子、工控設備、汽車電子產品中。目前，電容式觸控是最主流的觸控屏技術。相比于電阻式觸控或者紅外式觸控，電容式觸控的優勢在于支持多點觸控、抗噪聲能力強、技術成熟度高、制備成本低廉等。現階段，在汽車電子、電子白板、電子會議系統等應用場合中，大尺寸高分辨率的觸控技術是重要的發展方向。圖2示意了容式傳感器陣列的驅動電路(TX)、讀出電路(RX)及其連接關系(TX1～TXn,Rx1～Rxm)。驅動線(TX)和讀出線(RX)在位于兩個金屬層、垂直交叉地形成耦合陣列結構；TX和RX的電極材料一般都要求既導電又透明，氧化銦錫(ITO)是常見的選擇。每條線上有若干個菱形電極，相鄰兩個菱形電極之間會產生互電容。當手指觸摸屏幕時，會影響每個交點(即互電容)處的電場分布；由于一部分電力線通過人體流入地，這會造成互電容量變小，讀出線上的電荷量也變少了。因此，將此互電容大小的變化量轉化為電壓信號的變化量并讀出，通過坐標軸(TX,RX)就可以定位觸摸位置的發生。

當觸控屏的尺寸增大以后，TX以及RX線的長度都隨之增加，從而，TX以及RX線上的寄生電阻-電容(RC)值也會增加。由于驅動線TX上的充電/放電損耗，觸控讀出電路輸出信號的強度就會減小。又由于觸控屏尺寸的增大，相應的驅動通道TX和讀出通道RX的數量也會增加。為了保證一定的刷新頻率，每個驅動通道的檢測時間會減少，此時讀出通道的積分時間也會變少，信號的讀出強度會進一步地減小。

光電圖像傳感陣列和電容觸控陣列的原理較為相似。圖3示意了光電式傳感器陣列的驅動電路(TX)、讀出電路(RX)、像素電路及其連接關系(TX1～TXn,Rx1～Rxm)。這里利用光電二極管/三極管的光電泄漏電流的差異，可感知外界環境并形成圖像。類似于電容觸控陣列，當圖像空間分辨率提高、陣列規模更大時，光電圖像傳感陣列的讀出電路也面臨積分時間減少、信號讀出強度降低等問題。

傳統的傳感器陣列讀出電路設計已經較為成熟。整個讀出系統包括驅動信號發生器、電容變化讀出電路、模數轉換電路(ADC)、數據處理器等部分。驅動信號一般為方波或者其他波形，讀出電路將讀出通道傳輸出來的感應信號通過一個開關MOS管調節，提取同相的半周期信號進行積分并利用ADC讀出。然而，這種傳統的讀出電路設計無法解決大尺寸、高分辨率、高刷新率傳感器陣列所面臨的RC延遲量大、信號強度低的問題。

發明內容