具有集成控制电路的触摸开关 【发明领域】
本发明是关于触摸板系统，尤其是关于触摸开关(例如，通过将手指触摸到一个触摸垫或其周围来操作的开关)和用于替换机械开关的相关控制电路。
【发明背景】
机械开关长时间地用于控制各种类型的设备，包括家用设备、机器工具以及其它的室内和工业设施。机械开关一般地被典型地安装在基板上并要求穿透该基板。这些类型的穿透以及开关本身的穿透可以允许尘土、水和其它的污物通过该基板或被限制在该开关内，由此导致电气短路或其它的故障。
已知的触摸开关一般地包括一个具有一个或多个电极的触摸垫，这些触摸垫与复杂且与这些垫距离较远的控制或接口电路进行通信，通常将一个信号提供给包含该触摸垫的一个或多个电极，围绕所影响的电极产生一个电场。该控制/接口电路检测对电场的干扰，然后产生由一个爱控设备使用的响应。
尽管触摸开关解决了与机械式开关相关地很多问题，但是目前的触摸开关的设计不是最优的。例如，当在基板上存在有水或其它液体时，很多的触摸开关会误操作。这些污物对于围绕触摸垫产生的电场来说作用相当于一个导体，导致不期望的开关触发，这就在发现有这样的污物的区域提出一个问题，如厨房或工厂环境内。
已有的触摸开关设计通常会遇到与串音有关的问题，例如在围绕相邻的触摸垫的电场之间的干扰。串音可以导致错误触摸开关被激发或者可以导致两个开关被一个接近单一触摸垫的触摸而同时激发。
很多已知的电子开关设计由于电子噪声或影响触摸垫本身的其它噪声或从该触摸垫延伸到与其相关的控制电路的线头而可能会产生不期望的触发，这个问题对于触摸垫与控制电路距离相对较大的应用场合会更显著，这对于常规的开关设计是非常容易发生的情形。
已有的触摸开关通常要求复杂的控制电路以便与所控制的设备接口，这些控制电路很可能是由大量的分离的部件构成，而这些部件会占用电路板上大量的空间。由于其物理尺寸的原因，控制电路一般地与触摸垫相隔一定的距离。控制/接口电路的物理尺寸及其与触摸垫的距离可以加重上面讨论的很多问题，例如串音及易受到电子噪声和干扰。尺寸与距离也使得整个触摸开关板设计复杂化，导致生产浪费与复杂性的增加。
某些已知的触摸开关设计要求从开关垫到接口/控制电路或受控设备有独立的接地引线。某些使用常规的机械开关的设备并不要求这些，而且可以很容易地容纳这些接地引线。适应与这些触摸开关一起使用的设备可能要求增加特定的接地装置，如此一来增加了设计和生产时间、复杂性和费用。这些接地引线的需要可排除简单的、直接替换常规的具有触摸开关板的机械开关板。
在触摸开关设计方面的最新改进包括降低触摸开关本身的输入与输出阻抗，由此可以高度地避免由于污物或其它外部噪声源引起的误触发。美国专利5594222描述了一个低阻抗触摸开关设计，与其先前的设计相比，它在存在有污物或电子噪声的情况下不易于发生误操作。尽管该方法与先有技术相比具有很多的优点，但其具有某些限制其它应用的特性。例如，由于该开关对温度变化很敏感，只要在输出处的温度变化相对于合理的信号变化很小并且相对于由晶体管变化引入的信号变化小，随后一个单一的晶体管或其它放大装置将是非常令人满意的。但是，该技术可能要求使用附加的电路以与受控设备进行接口，由此导致整个触摸开关设计的费用与复杂性增加。在允许补偿的有小的动态范围的应用中，以及在相对于合理的信号变化的温度变化非常重要的场合，不同方法可能更好地消除或减少温度的影响。
而且，即使本技术的低阻抗方法可以区分具有有限量的阻抗的污物与具有有限量阻抗的人的触摸，本技术可能也不够区分特别低的阻抗，当整个触摸开关(例如内外电极)都被覆盖大量的污物时就会发生这种情况。类似地，当导电材料如金属盘完全地覆盖一个触摸开关时就可能存在零阻抗环境。
转让给本申请的同一受让人的且在此作为参考引入的美国专利申请08/986,927公开了一种具有不同的测量电路的触摸开关设备，它可以解决与影响触摸开关的通常模式干扰相关的很多问题。例如，具有两个电极触摸垫的一个触摸开关可以配置成围绕每个电极产生一个电场。通常的模式干扰，例如基本上覆盖两个电极的污物，很有可能会均等地影响围绕每个电极的电场，每个电极向差分测量电路提供正比于干扰的信号。由于来自电极的信号因此被认为是基本相等的，差分测量电路并不检测到差异，因而不会对通常模式干扰产生响应。另一方面，如果围绕其中一个电极的场受到干扰，由该电极提供给差分测量电路的信号很可能与由没有受到影响的电极提供的信号不同，该差分测量电路就可通过引起开关触发的一个输出来进行响应该差异。
尽管差分测量电路方法解决了本技术领域中很多已知的问题，但是对于设计和制造来说相对地要复杂和费钱。一个差分测量电路比起一个非常普通的控制电路来说要包含很多的部件，这些部件很可能占用触摸开关板上更多的空间。如此一来，比起使用非差分测量电路设计，该控制电路很可能与触摸板的距离会更远，要求在控制电路与触摸板之间有更长的引线。这在实际中可增加与电子干扰有关的问题。而且，当构造一个差分测量电路时，部件的匹配变得非常重要。正确的部件匹配产生附加的制造负担并很有可能增加费用。
尽管前面描述的改进可以降低由开关之间的串音引起的不期望的开关触发以及在控制电路上的电子干扰的影响，但是它们并不能完全地消除这些问题。而且，它们不能解决在某些触摸开关应用中独立接地电路的要求以及与其相关的问题。
发明概述
本发明的一个目标是提供一种可靠的触摸开关设备及其控制电路，该开关基本上不受污物、电子干扰和其它的靠近该触摸开关的干扰的影响，以便防止当开关受到这些干扰影响时不会发生不期望的触发。
本发明的另一个目标是简化触摸开关与很多不同应用之间的接口要求，以便该触摸开关板可以很容易地直接地、即插即用地替换机械开关板。
本发明提供的触摸开关设备包括一个触摸垫和靠近该触摸垫的控制电路，该触摸垫与控制电路可安装在一个绝缘基板上。相对于该设备的整体尺寸来说，控制电路相对要小。在本发明一个优选实施例中，控制电路基本上减少为一个或几个集成电路。在集成电路实施例中控制电路物理尺寸的压缩降低了开关受到通常模式干扰、串音以及相邻触摸开关间干扰的容易性。集成电路方案也提供了控制电路部件的更佳匹配与均衡。
本发明的各种触摸开关可以各种优选实施例的方式进行配置。在一些实施例中，触摸开关可以仿效传统的、紧凑型的机械开关。在另一些实施例中，触摸开关可以仿效瞬间紧凑型机械开关。
在一个优选实施例中，触摸开关具有一个第一电极和靠近第一电极的第二电极。其中至少一个电极是电气地连接到本地控制电路，第一、第二电极以及本地控制电路一般地放置在基板的同一表面上，与要用作触摸开关的基板的侧相对。但是，它们并不需要共平面，并且也可以放置在基板的相对侧。
在一个替换实施例中，该触摸垫具有一个电气地连接到本地控制电路的单一电极，在另一个实施例中，该触摸垫可具有多于两个的电极。
在一个优选实施例中，控制电路包括用于产生信号并将信号提供给该触摸垫以产生围绕包含触摸垫的一个或多个电极的电场的装置。可替换地，这种信号也可以在其它地方产生并提供给一个或多个电极以产生围绕其的一个或多个电场。该控制电路响应刺激(如用户指尖接触或靠近邻近该触摸开关的基板)检测对电场的干扰。该控制电路通过产生一个由受控设备(如家用电器或工业机器)使用的控制信号有选择地响应这种电场扰动。
在优选实施例中，控制电路响应在靠近第一电极或第二电极或靠近两个电极处引入的激励检测并响应在第一与第二电极之间的电势差异。这种差分测量电路可以拒绝通常的模式信号(也就是，大致等同地影响两个电极的信号)如温度、电噪声、电源波动或其它输入等。该差分测量电路也拒绝由靠近触摸开关的基板污物所导致的信号。
在优选实施例中，将一个信号施加给第一电极与第二电极，在每一个电极处就会产生一个电势，并且随后在每个电极处产生电场，两个匹配的晶体管配置在差分电路中，其中第一晶体管连接到第一电极而第二晶体管连接到第二电极，每个晶体管的输出连接到峰值检测器电路，并且每个峰值检测器电路的输出依序提供给一个决策电路。
当围绕每个电极的电场变化时，相应电极的输出就会随着变化，例如当电极被用户触摸或接近时。峰值检测器电路响应在晶体管输出的变化并提供对应于从晶体管到决策电路的峰值电势的信号。该决策电路以预定方式使用该峰值电势以提供由控制电路的其它部分使用的输出。
在优选实施例中，内外电极与决策电路的输入可操作地关联在一起，以便当对围绕第一电极的电场的干扰大于对围绕第二电极的电场的干扰程度时，该决策电路将提供一个高电平输出。相反，当对围绕第二电极的电场的干扰大于对围绕第一电极的电场的干扰程度时，该决策电路将提供一个低电平输出。当对两个电极的干扰或多或少地相等时，该决策电路将提供一个低电平输出。
当例如指尖基本上覆盖第一电极而没有覆盖第二电极时就可以产生第一条件，当例如指尖或污物基本上覆盖第二电极而没有覆盖第一电极时就可以产生第二条件，当例如污物或物体如一个金属盘覆盖第一、二电极时就可以产生第三条件。
决策电路的输出被提供给其它电路部件，例如电子锁，根据决策电路输出状态，有选择地导致控制信号从控制电路中输出。在优选实施例中，从决策电路输出的高电平最终导致从控制电路中输出一个控制信号，而对于低电平来说则没有控制信号输出。在另外一个实施例中，从决策电路中输出的低电平导致从控制电路中输出一个控制信号，而对于高电平输出则没有控制信号输出。
本发明的触摸开关设备可以完成机械开关所能完成的任何功能，例如接通或关断某个设备，或设置时钟或定时。它也可以用于替换或解决与已有的触摸开关的问题，它也可以用于直接替换机械膜型开关，本发明的触摸开关设备可以很好地适于温度变化很大、有一定量的污物或者在触摸垫上可能放置有金属物体的场合。
附图的简要描述
本发明的各种特征、优点和其它应用通过参照下面详细的描述和附图而变得更清晰：
图1是本发明的触摸开关的优选实施例的部件的透视图；
图2是本发明的集成电路芯片和双电极触摸垫的横截面图；
图3是本发明的触摸开关设备的一个实施例的平面图；
图4是配置成优选操作模式的触摸开关控制电路的电子示意表示；
图5是配置成另外一个优选操作模式的触摸开关控制电路的电子示意表示；
图6是配置成又一个优选操作模式的触摸开关控制电路的电子示意表示；
图7是配置成又一个优选操作模式的触摸开关控制电路的电子示意表示；
图8是本发明的触摸垫的另一个实施例的横截面图；
图9是本发明的触摸垫的另一个实施例的横截面图；
图10是以矩阵形成使用多个触摸开关的触摸开关板的一个实施例的示意图表示。
在这些图中类似的标号表示同一元件。
具体实施例
本发明所致力的触摸开关设备包括：具有一个或多个电极的触摸垫和控制电路。为了清晰起见，说明该控制电路的多个附图尽可能大地描述了与触摸垫有关的电路。在典型应用中，与触摸垫相比，控制电路很小，并且最好是以一个或多个集成电路芯片的形式。
图1是本发明的触摸开关设备20的一个优选实施例的透视表示。触摸开关设备20包含一个触摸垫22，一个包含具有8个输出端子PIN1-PIN8的集成电路(IC)芯片26的控制电路24，以及第一与第二电阻器R1和R2。在所示的实施例中，触摸垫22包括第一电极E1和第二电极E2，当然触摸垫也可以由多于二个或少于二个的电极构成。尽管控制电路24可能使用离散的电子部件制作，但是最好使用单一集成电路芯片形式的控制电路24，如IC芯片26。
通过IC芯片26的端子PIN1-PIN8，控制电路24电气地连接到第一与第二电阻器R1和R2、第一与第二电极E1与E2以及被配置成从一个远程设备(未示出)提供控制/电源信号的输入线30，并与它们进行通信。控制电路24也使用第一输出线32与远程设备(未示出)进行通信。在某些实施例中，第二输出线34也用于与远程设备(未示出)进行通信。
图2是本发明的典型触摸开关20的部分横截面图，其中包含有触摸开关设备的部件被安装在具有前表面36和相对的后表面37的绝缘基板35上。在所示的实施例中，第一与第二电极E1和E2被安装在基板35的后表面37上。IC芯片26也安装在基板35的后表面37上，靠近第一与第二电极E1与E2处。从图1与图2可以看出，在该优选实施例中，希望包含有控制电路24的IC芯片26安装在靠近触摸垫22的地方。
基板35一般地是由相对较硬的绝缘材料如玻璃、陶瓷或任何其它合适的绝缘材料构成。但是，基板35也可以由任何其它合适的绝缘材料包括柔性材料来构成。加固图形学(Consolidated Graphics)第NS-500号561型2级0.005英寸厚的聚酯材料就是这种合适的柔性材料的一个例子。在触摸开关设备部件安装在一个柔性基板上的实施例中，该柔性载体通常随后施加到另一个一般更硬的基板上。
在一个优选实施例中，基板35是由具有大约3mm均匀厚度的玻璃构成，在另一个优选实施例中，基板35的厚度可以更改，这取决于所用的材料的类型、其机械和电学特性以及特定应用所要求的物理长度和电子敏感度。对于玻璃和塑料基板的最大功能厚度是几英寸的数量级。但是，在多数实际应用中，玻璃基板的厚度介于大约1.1mm-大约5mm之间，而塑料基板要更薄一些。
在如图1和2所示的优选实施例中，第二电极E2基本上是围绕第一电极E1。间隔28位于第一电极E1与第二电极E2之间。第一电极的尺寸可以调整以便当用户触摸基板35的前表面36的相应部分时它可被用户的指端或人的附肢所覆盖。在一个实施例中，第一电极E1是正方形，而第二电极被布置成围绕第一电极并与其形状相符的正方形图案。
尽管在图1与图2中所说明的触摸垫几何形状代表了第一E1与第二电极E2的优选配置，应注意到电极的配置可以变化以适应各种应用场合。例如电极尺寸、形状以及位置都可以变化以适应人的部位的尺寸或用于激励触摸开关20的其它刺激。例如，一种特定的应用要求是一只手而不是一个手指来提供刺激以激励触摸开关20。在这种应用场合，第一电极E1与第二电极E2可以更大并且间距更远。
第一电极E1可采用多种不同的几何形状，包括但并不限于矩形、梯形、圆形、三角形、椭圆、六角形和八角形。不管第一电极E1的形状如何，第二电极E2可配置成以空间分离的方式至少部分地包围第一电极E1。但是，即使是第二电极部分地包围第一电极以获得本发明的好处也不是必须的。例如，第一与第二电极E1与E2可以彼此邻近。如图3所示，在另一个实施例中，第二电极也可以忽略。
而且，电极配置不必是共平面的，但是可以是三维以符合一种球面、柱面或其它几何形状。这种设计灵活性允许本发明适用于很多场合，并且其基板的形状与组成各异。在某些应用中，不必实际地接触其上或其内设置有触摸垫22和控制电路24的基板35。例如图8说明了一种触摸开关设备20，其中第一与第二电极E1、E2安装在瑟莫潘双层隔热窗110的第一面111的外表面113上，并且可被用户利用接近该窗的相对表面112的外表面114的相应刺激115来触发。
如上面所示的，第一与第二电极E1、E2并不是共平面的，它们可安装在基板的不同侧或表面上，或者在不同的基板上。例如，图9示出一种触摸开关设备20，其中第一电极E1安装于基板35的第一表面36上，而第二电极E2与IC芯片26安装于基板35的第二相对表面37上。在第一电极E1与第二电极E2位于基板的同一侧的应用中，IC芯片可以位于与电极相同的一侧，或者是不同侧。如果第一与第二电极位于基板的不同表面或不同的基板上，则IC芯片26可以安装在与任一个电极相同的表面上，或一起在不同的表面或基板上。但是最好IC芯片26安装在靠近电极的位置。
最好第一电极是一个固体导体，但是，第一电极E1可以具有多种孔径或具有网眼或格子图案。在某些实施例中，第二电极E2可以采用部分地包围第一电极E2的窄带形式。在另一个实施例中，如第一与第二电极E1、E2彼此邻近的场合，第二电极E2也可以是固体电极或具有网眼或格子图案。
控制电路24可以多种方式进行设计并且也可以使用多种电源AC、周期性变化的DC(如方波)、连续的DC等，图4-7示出了可以很容易地以多种操作模式适用于多种电源的优选的控制电路，图4实施例使用了以差分输入选通操作模式的方波DC电源；图5示出以差分输入连续DC模式的连续DC电源；图6示出了以单端输入、选通模式的方波DC电源，而图7实施例使用以单端输入连续DC模式的连续DC电源。
从图4-7中可以很明显地看出，控制电路24可很容易地适用于多种不同的操作模式，下面将详细地描述前述的四种模式以说明本发明的设计灵活性。但是，应注意到本发明并不限于这四种操作模式，在特定应用中使用的特定的操作模式及电源主要取决于受控设备的要求和规范。
图4-7上的框形区域B1和B2表示位于IC芯片26上的部件与IC芯片26外的芯片之间的划分，如电极E1和E2、电阻器R1与R2、受控设备(未示出)以及输入与输出线30、32。图4-7的框形区域B1和B2之外的部分位于IC芯片26上，并且对于这个图及其描述的操作模式都是相同的。
图4-7给出的控制电路24包括一个起动和偏置部分40，一个脉冲发生器和逻辑部分50，一个决策电路部分60和一个自锁保持部分70，它们的功能将在下面描述，前述的每一部分40，50，60，70都可以不同方式设计，在电子电路设计领域是众所周知的。
控制电路24还包括：第一、第二与第三晶体管P1、P2、P3。在此所描述的实施例中，晶体管P1-P3是P-MOS型设备，当然也可以使用N-MOS、双极型或其它类型的晶体管。控制电路24还包括一个反转器11，第一、第二与第三二极管D1-D3，第一与第二电容C1、C2，第一、二、三、四晶体管开关SW1-SW4以及第三和第四电阻R3和R4。应明白，第三与第四电阻R3与R4可以用电流源来替换。
在图4-7中所示的每个每个实施例中，第三晶体管P3的源极端子77，起动和偏置部分40的电源输入端41、51、61、71，脉冲发生器与逻辑部分50，决策电路60以及自锁保持部分70电气地连接到IC芯片26的端子PIN8上。端子PIN8依次地连接到控制电路电源输入线30，该输入线又依次地连接到电源25。一般地，电源25位于受控设备(未示出)。
起动和偏置部分40的偏置输出端子43电气地连接到第二和第四晶体管开关SW2、SW4的栅极端子G2和G4。在优选实施例中，如这里所述的，第一至四晶体管开关SW1-SW4是N-MOS型设备，当然也可以使用其它类型的晶体管。
起动和偏置部分40的开机复位输出44电气地连接到在脉冲发生器和逻辑部分50处开机复位输入54。起动和偏置部分40的开机复位输出44也电气地连接到第一和第三晶体管开关SW1和SW3的栅端子G1和G3。
起动和偏置部分40的内部接地(ground)参考输出42分别电气地连接到第一与第二电容C1和C2的低电势极102和103、第一至第四晶体管开关SW1-SW4的源端子S1、S2、S3、S4，而脉冲发生器和逻辑部分50的内部接地参考输出52、决策电路60的内部接地参考输出62、第三二体管D3的阳极98，第三与第四电阻器R3、R4的低电势端96和97连接到IC芯片26的P1N6。这里所述的节点将在后面引用为内部接地参考CHIPVSS(芯片VSS)。
发生器和逻辑部分输出50的脉冲输出53电气地连接到第一与第二晶体管P1和P2的源极端子80和81，以及连接到IC26的端子PIN2。第二晶体管P2的栅极端子83电气地连接到IC26的端子PIN3。
第一晶体管P1的漏极端子84电气地连接到第一二极管D1的阳极90及第三电阻器R3的高电势端94。第二晶体管P2的漏极端子85电气地连接到第二二极管D2的阳极91和第四电阻器R4的高电势端95。
第一二极管D1的阴极92电气地连接到决策电路60的PLUS(加)输入端64、第一与第二晶体管开关SW1和SW2的漏极端子86和87以及第一电容C1的高电势极100。第二二极管D2的阴极93电气地连接到决策电路60的MINUS(减)输入端66、第三与第四晶体管开关SW3和SW4的漏极端子88和89以及第二电容C2的高电势极101。
决策电路60的逻辑输出63电气地连接到反转器11的输入75以及自锁保持部分70的锁定触发输入73。自锁保持部分70的输出72电气地连接到IC26的端子PIN4。
在所示的实施例中，设计决策电路部分60以便当其PLUS和MINUS输入64和66分别为等电势或MINUS输入66大于PLUS输入64时其输出63是低电势。决策电路部分60输出63仅在PLUS输入64的电势高于MINUS输入66时才是高电平。
设计自锁保持部分70以便从控制电路24电源25到内部接地参考CHIPVSS没有电流通过锁定部分70，以及当决策电路部分60逻辑输出63是低电势时没有电流通过第三二极管D3。但是，当决策电路60部分逻辑输出63处于高电势时，锁定触发器输入73处于高电势，这样触发锁定电路70并使得电流从控制电路24电源25到内部接地参考CHIPVSS流通过锁定部分70，并分别通过锁定70电源输入和输出端子71和72而流通过第三二极管D3。一旦锁定70被触发了，它就保留触发状态，或者被封锁起来直到从控制电路24上撤消电源。在这种方式运行的锁定部分的设计与制造对于本技术领域内的人是众所周知的，在此不需要详细描述。
反转器11的输出端子76电气地连接到第三晶体管P3的栅极端子78，第三晶体管P3的漏极端子79电气地连接到IC26的端子PIN7。
设置第三二极管D3以防止在多路复用应用中使用触摸开关设备20时控制电路24的反偏压。在仅使用单一触摸垫22的应用场合，或使用多个触摸垫但不是多路复用的场合，它是可以忽略的。
前面描述的控制电路24的基本设计对于在图4-7中描述的四种模式都是相同的，在这四种操作模式中整个设备配置上的差异主要体现在IC26的外部端子连接，这一点将在下面进行说明。
图4描述了配置成以差分输入选通模式操作的触摸开关设备20，控制电路24一般地按照上面用于图4-7的方式配置。IC26的端子PIN2电气地连接到第一与第二电阻器R1和R2的高电势端104和105，IC26的端子PIN1电气地连接到第一电阻器R1的低电势端106与第一电极E1。IC26的端子PIN3电气地连接到第二电阻器R2的低电势端和第二电极E2。
在图4-7中表示为C3和C4的电路元件不是分立的电子元件，而且，参考符号C3和C4代表第一和第二电极E1和E2的对地电容。
IC26的端子PIN8电气地连接到输入线30，而该输入线30又电气地连接到在比如受控设备(未示出)处的一个功率信号源25。IC26的端子PIN4电气地连接到IC26的端子PIN6，由此将锁70的输出端子72连接到内部接地参考CHIPVSS和第三二极管D3的阳极98。IC26的端子PIN7在本实施例中没有被外部终接，IC26的端子PIN5电气地连接到输出线32，而该输出线又依次地电气地连接到第五电阻器R5的高电势端108以及输出线120，然后或者直接或通过一个处理器或通过一个中介设备(未示出)连接到受控设备。电阻器R5的低电势端109电气地连接到系统地。在典型应用中，电阻器R5与包含触摸开关设备20的其它部件有一定的距离。也就是说，在优选实施例中，电阻器R5可以不在触摸垫22和控制电路24的附近。
图5说明一个典型的触摸开关控制电路24，该电路可以配置成差分输入DC模式，如下面所述的。整个控制电路和设备与图4中所描述的相同，但其例外有三个，第一，在图5实施例中，IC26的端子PIN7电气地连接到电阻器R5的高电势端108以及输出线120，然后或者直接或通过一个处理器或通过一个中介设备(未示出)连接到受控设备，然而，在图4实施例中IC26的端子PIN7没有被外部终接；第二，在图5实施例中，IC26的端子PIN4和PIN6没有被彼此地电连接或外部终接，反之，在图4的实施例中却是这样；第三，在图5实施例中，IC26的端子PIN5电气地连接到电阻器R5的低电势端，但在图4实施例中，IC26的端子PIN5电气地连接到第五电阻器的高电势端以及受控设备(未示出)。如图4中实施例一样，第五电阻器R5一般地与包含触摸开关设备20的其它部件有一定的距离。
图6说明一个配置成以单端输入选通模式的触摸开关控制电路，控制电路24的配置与上面用于图4-7的一样。IC26的端子PIN2电气地连接到第一与第二电阻器R1和R2的高电势端104和105，IC26的端子PIN1电气地连接到第一电阻器R1的低电势端106与第一电极E1。IC26的端子PIN3电气地连接到第二电阻器R2的低电势端107和第六电阻器电极R6的高电势端110，以便第二电阻器R2与第六电阻器形成一个分压器。第六电阻器R6的低电势端111电气地连接到一般处于靠近IC26的端子PIN5的内部接地参考CHIPVSS。在图6中，第六电阻器R6到内部接地参考CHIPVSS的电连接由虚线A-A表示。
IC26的端子PIN8电气地连接到输入线30，而该输入线30又电气地连接到一个功率信号源25。IC26的端子PIN5电气地连接到输出线32，而该输出线又依次地电气地连接到第五电阻器R5的高电势端108以及输出线120，输出线120或者直接或通过一个处理器或通过一个中介设备(未示出)连接到受控设备。IC26的端子PIN4电气地连接到IC26的端子PIN6，在本实施例中，IC26的端子PIN7没有被外部终接。在一个典型应用中，第五电阻器R5与包含触摸开关设备20的其它部件有一定的距离。
图7表示配置成以单端输入连续DC模式运行的典型触摸开关控制电路，这一点在下面描述。控制电路24按照图4-7中所描述的进行配置。整个控制电路和设备与图6中所描述的相同，但其例外有三个，第一，在图7实施例中，IC26的端子PIN7电气地连接到第五电阻器R5的高电势端108以及输出线120，然后或者直接或通过一个处理器或其它控制器(未示出)连接到受控设备。在图6实施例中IC26的端子PIN7没有被外部终接；第二，在图7实施例中，IC26的端子PIN4和PIN6没有被电连接或外部终接，反之，在图6的实施例中却是这样；第三，在图7实施例中，IC26的端子PIN5电气地连接到第五电阻器R5的低电势端109，但在图6实施例中，IC26的端子PIN5电气地连接到第五电阻器的高电势端108以及输出线120。在典型应用中，第五电阻器R5与包含触摸开关设备20的其它部件有一定的距离。在图7中，第六电阻器R6到内部接地参考CHIPVSS的电连接由虚线‘A-A’来表示。
配置成差分输入选通模式的触摸开关设备20运行如下，参照图4，一个功率/控制信号25提供给IC26的端子PIN8，并依次提供给起动偏置部分40的功率输入端子、脉冲发生器和逻辑部分50、决策电路部分60以及自锁保持部分70的41、51、61和71。
在供电之后，并且经过一个合适的延迟间隔(大约200微秒足够了)稳定后，起动偏置部分40从输出端子44输出一个短周期开机复位信号给第一晶体管开关SW1和第三晶体管开关SW3的栅极端子G1和G3，使得第一与第三晶体管导通，并由此分别提供从第一与第二电容C1、C2的高电势极100、101到内部接地参考CHIPVSS的电流路径。该开机复位信号的周期足够使得在第一与第二电容上出现的电荷被基本上完全地放电到内部接地参考CHIPVSS。以这种方式，给决策电路部分60的PLUS和MINUS输入64和66达到初始低电势状态。
同时，起动偏置电路40从输出44发送一个开机复位信号给脉冲发生器和逻辑部分50的输入54，由此初始化它。在经过一个合适的延迟使得脉冲发生器和逻辑部分50稳定之后，脉冲发生器和逻辑部分50产生一个脉冲并通过第一与第二电阻器R1、R2将其从脉冲输出端子53输出到第一与第二电极E1和E2，以及第一、第二晶体管P1、P2的源端80和81。该脉冲可以是任意波形，如方波脉冲。
起动偏置电路40还从偏置输出43输出一个偏置电压给第二和第四晶体管开关SW2和SW4的栅极端子G2和G4。该偏压是相位输出(outofphase)，其脉冲输出给第一与第二电极E1和E2，也就是说，当脉冲输出处于高电平状态时，偏压输出是低电平状态，并且当脉冲输出是低电平状态时，偏压输出是高电平状态。
当通过第一与第二电阻器R1、R2将脉冲作用到第一与第二电极E1与E2时，在第一与第二晶体管P1、P2的栅极端子82、83处的电压初始时低于第一与第二晶体管P1、P2的源极端子80、81处的电势，因此偏置了第一与第二晶体管P1与P2，并使它们导通。随着第一与第二晶体管导通，电流将流过第三、第四电阻器R3、R4，由此分别在第一与第二二极管D1、D2的阳极端子90、91处产生一个峰值电势。
如果在第一与第二二极管D1、D2的阳极端子90、91处的峰值电势高于第一与第二电容C1、C2两端的电势，就会通过第一与第二二极管D1、D2形成一个峰值电流，使得第一与第二电容C1、C2充电，并且在PLUS与MINUS输入端处形成一个峰值电势给决策电路部分60。例如这种情况会在控制电路24已被初始化之后紧随第一脉冲之后发生，因为如上面所述的，第一与第电容C1与C2会在起动时放电。
对于本技术领域内的人很明显，第一与第二晶体管P1、P2的偏置、电流通过第三和第四电阻器R3与R4、在第一与第二二极管D1与D2的阳极90、91处产生的峰值电势以及在给决策电路60的PLUS和MINUS输入64、66处产生的峰值电势都正比于在第一与第二电极E1、E2处的电场的条件(condition)，接近电极E1、E2的电场的条件将响应在接近这些电极处出现的刺激而变化。
随着控制电路24被激活，如上面所述的，并且在接近第一和第二电极E1与E2处没有刺激时，在决策电路60的PLUS和MINUS输入64和66处的电势处于所谓的中性(neutral)状态。在中性状态时，在PLUS和MINUS输入64与66处的电势基本相等。但是，为了防止不期望的触发，最好调节控制电路24以便MINUS输入66的中性状态稍高于PLUS输入64的中性状态的电势，该调节受到改变第一与第二电极E1和E2的配置以及第一第二电阻器R1与R2的值的影响，以获取期望的中性状态电势。不管中性状态电势如何，可以想象决策电路60输出63将处于低电势，除非PLUS输入64高于MINUS输入66的电势。
随着决策电路60输出63处于低电势，反转器11使得第三晶体管P3的栅极端子处的电势位于高电平，基本上等于源极端子77处的电势。在这种状态，第三晶体管P3没有被偏置并一直保持关断状态。但在本实施例中，IC26的端子PIN7没有被终接。第三晶体管P3的漏极端子79因此处于开路状态，并且第三晶体管P3的状态不会导致该开关设备发生作用。而且，由于决策电路60输出63以及随后的锁定触发器输入73，在低状态，自锁保持电路不会被触发，并且没有电流从电流源25到内部接地参考CHIPVSS流过锁70和第三二极管D3。
在由脉冲电压，第一与第二电阻器R1、R2的值，第一与第二电极E1、E2(在图中表示为虚拟电容C3、C4)的对地电容所确定的时间周期上，在第一与第二电极E1与E2处的电势最终升到基本上与脉冲电压相等，并且因此与在第一、第二晶体管P1、P2的源极端子80和81处的电压相等，因此使得第一与第二晶体管P1和P2偏置。当达到这种状态时，第一与第二晶体管P1、P2关断，并且在第一与第二二极管D1与D2的阳极90和91处的电势开始以基本以等速率降到内部接地参考CHIPVSS水平。最终，在第一与第二二极管D1、D2处的阳极电势很有可能降到各自的阴极电势以下。在该点处，二极管D1、D2变成反偏置并且防止第一与第二电容C1和C2放电。
当输出53上的脉冲变成低电平状态时，相对于内部接地参考CHIPVSS，偏压输出变到高电平状态，并将提升的偏压施加给第二和第四晶体管开关SW2和SW4的栅极端子G2和G4。在这种状态，第二和第四晶体管开关SW2和SW4变成轻微偏置并足够导通使第一和第二电容C1、C2向内部接地参考CHIPVSS产生一个缓慢可控的放电。当下一个脉冲变成高电平状态时，偏压将返回到低电平状态，第二和第四晶体管开关SW2、SW4将关断，并且该电路按照最初所描述的响应。
当来自脉冲发生器和逻辑部分50的脉冲变成高电势时，如刺激出现在或靠近第二电极E2时，第一晶体管P1将按照上面描述的进行动作。也就是说，第一晶体管P1将首先偏置并允许一些电流流过第三电阻R3，在第一二极管D1的阳极90处产生一个峰值电势，并允许峰值电流流过第一二极管D1，由此对第一电容进行充电，并在给决策电路60的PLUS输入64处产生一个峰值电势。一旦第一电极E1处的电压响应该输入脉冲变得稳定时，第一晶体管P1将变得不偏置并会关断。
第二晶体管P2大多数是以相同的方式工作，区别在于靠近第二电极E2处出现的刺激将改变该电路段的RC时间常数，由此延长第二电极E2处电势的稳定时间。结果，第二晶体管P2将比第一晶体管P1保持更长的偏置时间周期，使得比流过第三电阻器R3更大的电流流过第四电阻器R4，由此在第二二极管D2的阳极处产生一个比在第一二极管D1的阳极90处出现的峰值电势更大的峰值电势。结果峰值电流将流过第二二极管D2，引起第二电容C2充电，并最终在给决策电路60的MINUS输入66处产生一个峰值电势，该电势要比给决策电路的PLUS输入64处的峰值电势大。由于决策电路60是配置成当MINUS输入66处的电势大于或等于PLUS输入64处的电势时其输出是低电平，因此决策电路60输入端子63将是低电平。
由于决策电路60输出端子63，以及随后的锁定触发器输入端子，在低电平时，自锁保持70不会被触发，反转器11和第三晶体管P3将按照前面描述的运行，尽管在这种配置中第三晶体管P3的状态是不重要的。
当有污物或外界物体或其它刺激基本上覆盖或作用到第一与第二电极E1、E2时，该系统将以没有刺激出现在第一电极或第二电极处时的方式进行响应。但是，由于有污物或外界物体出现在第一电极与第二电极E1、E2，对于这些电路段的RC时间常数将出现变化，因此将需要较长时间使得第一与第二电极E1、E2处的电压分别与脉冲电压基本相等。随后，第一与第二晶体管P1、P2将打开并允许比第一或第二电极E1、E2没有受刺激影响作用时的电流更多的电流流过第三、第四电阻器R3、R4。但是第一、第二晶体管P1、P2基本上是等偏置的，因此将在第一、第二二极管D1、D2的阳极90和91处产生一个基本相等的峰值电势，使得一个基本相等的峰值电流流过第一、第二二极管D1、D2，并对第一、第二电容C1、C2进行充电，并由此在决策电路60的PLUS和MINUS输入64、66处产生一个基本相等的峰值电势。在这种状态，决策电路部分60输出端子3将处于低电平，自锁保持70的锁定触发器输入端子73将是低电平状态，并且锁70保持未触发。如前面所述的，反转器11和第三晶体管P3的状态在该实施例中是不重要的。
当刺激作用在接近第一电极E1而不作用在第二电极时，第二晶体管P2将初始偏置将导通，于是电流流过第四电阻器R4，并在第二二极管D2的阳极端子90处产生一个峰值电势。一个峰值电流将流过第二二极管D2，对第二电容器C2充电，并在决策电路部分60的MINUS输入66处产生一个峰值电势。由于第二晶体管P2的栅极端子81处的电压上升到脉冲电压，第二晶体管P2将变成不偏置将关断。第二二极管D2随后变成反偏置并防止第二电容C2放电。
对于本技术领域内的人员很明显，在第一电极E1附近出现的刺激将加长第一电极E1处的电势稳定所需要的时间。结果，第一晶体管P1将比第二晶体管P2保持更长的偏置时间周期，使得比流过第四电阻器R4更大的峰值电流流过第三电阻器R3，由此在第一二极管D1的阳极90处产生一个比在第二二极管D2的阳极91处出现的峰值电势更大的峰值电势。结果，一个比流过第二二极管D2更大幅度和周期的峰值电流将流过第一二极管D1，引起第一电容C1充电，并最终在决策电路60的PLUS输入64处产生一个峰值电势，该电势要比决策电路的MINUS输入66处的峰值电势大。由于决策电路60是配置成当PLUS输入64处的电势大于MINUS输入66处的电势时其输出端子63是高电平状态，因此决策电路60输出63将是高电平。
由于决策电路60输出63处于高电平，反转器11将使得第三晶体管P3的栅极端子78处的电势比源极端子77处的电势相对低，由此使第三晶体管P3偏置并使其导通，但是由于IC26的端子PIN7在本实施例中并不终接，第三晶体管P3的状态并不重要。
由于决策电路60输出端子63处于高电势，自锁保持电路70触发器输入端子73将处于高电势，由此触发了锁70。当自锁保持70被触发时，就会从电源25到内部接地参考CHIPVSS建立一个电流路径并通过第三二极管D3，有效地短路掉电路部分24的其余部分，包括起动和偏置部分40、脉冲发生器和逻辑部分50以及决策电路部分60。在这种状态，控制电路24的这些部分将基本上被去掉电压(de-energize)并停止发生作用。
一旦被触发后，自锁保持70将保持触发状态，而不管靠近两个电极E1或E2的刺激的随后状态如何，当本例中的电源25的方波选通信号降到零时锁70就会复位。
尽管自锁保持70处于触发状态时，一个稳态信号将通过第五电阻器R5提供给并返回到受控设备(未示出)。以这种方式，触摸开关设备20模仿与保持接触的机械开关的状态的变化。
参照图5，配置成用于差分输入连续DC模式的触摸开关设备20的操作如下，该控制电路24，直到并包括决策电路60以与配置成用于差分输入选通操作模式相同的方式执行，如上面参照图表所说明的。也就是，对于在靠近第一电极E1或第二电极E2没有刺激，对于在靠近第一电极E1和第二电极E2处出现的刺激，或者对于靠近第二电极E2而不是第一电极E1处出现的刺激，决策电路60输出63将处于低电平，对于在靠近第一电极E1而不是第二电极E2处出现的刺激，该决策电路60输出63将处于高电平。
从图5中可以很容易看出，在本实施例中自锁保持电路70输出72没有被终接，并且自锁保持70在差分输入DC模式中不起作用。但是，第三晶体管P3的漏极端子79被电气地连接到内部接地参考CHIPVSS，然后连接到输出线32，并因此变成控制电路24的一个可操作部分。当决策电路60输出63处于低电平时，反转器11导致第三晶体管P3的栅极端子78处于高电势，基本上等于源极端子77的电势。在这种状态下，第三晶体管没有偏置并且不导通。当决策电路60输出63处于高电势时，反转器11导致第三晶体管P3的栅极端子78处于与源极端子77的电势相比较低的电势。在这种状态下，第三晶体管被偏置并且导通，使得电流通过第三晶体管P3和第五电阻器R5。输出线电阻器R5限制了通过第三晶体管P3的电流以便控制电路24的均衡不被短路，保持工作。
在图5所示的DC模式中，控制电路24还响应刺激从第一电极E1附近的撤消，只要在第一电极E1而不是第二电极E2附近一直存在刺激，每次脉冲变到高电平时，就会在第一二极管D1的阳极90处产生一个峰值电势，该电势大于第二二极管D2的阳极91处峰值电势。随后，在决策电路60的PLUS输入64处的峰值电势将高于MINUS输入66处的峰值电势，并且控制电路24将按照上述的进行动作。但是，当刺激消除时，并且在第一电极E1或第二电极E2附近没有刺激时，在第一电容C1上的电荷通过第二晶体管开关SW2的偏置功能最终将放电到一个中性状态。在这一点，决策电路60的PLUS输入64处的电势将不再高或基本高于MINUS输入66处的电势，并且决策电路60输出63将返回到低电平状态。
以这种方式，以差分输入DC模式工作的触摸开关设备20将模仿一个暂时的接触，推-关闭和释放-打开，机械开关。应注意，利用较小的改动，该控制电路可以被配置成模仿推-打开和释放-关闭机械开关。
参考图6，配置成用于单端输入选通操作模式的触摸开关设备20运行如下，当把脉冲施加给第一电极E1和第一与第二电阻R1与R2时，电流流过第二电阻器R2和第六电阻器R6。第二和第六电阻器R2、R6被配置成分压器；也就是说，当脉冲输出是高电平时，第二晶体管P2的栅极端子83的电平将低于第二晶体管P2的源极端子81。因此，当脉冲输出53处于高状态时，第二晶体管P2将被连续地偏置并将允许一个恒定电流流过第四电阻器，由此在第二二极管D2的阳极91处产生一个参考电势，在第二二极管D2的阳极91处的参考电势将产生一个通过第二二极管D2的电流，使得第二电容C2充电，并由此在决策电路60的MINUS输入66处产生一个参考电势。当在MINUS输入66处的参考电势基本上等于第二二极管D2的阳极91处的参考电势时，通过第二二极管D2的电流将中止。
同时，当在第一电极E1处没有刺激时，施加给第一晶体管P1的源极端子80和第一电极E1的脉冲将最初导致第一晶体管P1偏置并导通，因此通过第三电阻R3会产生电流并在第一二极管D1和阳极90处产生一个峰值电势，该峰值电势会产生通过第一二极管D1的峰值电流，对第一电容器C1充电并在决策电路的PLUS输入64处产生峰值电势。选择电阻器R1、R2、R3、R4和R6以便当在第一电极E1附近没有刺激时，在决策电路60的MINUS输入66处的参考电势将大于或等于决策电路60的PLUS端子64处的峰值电势。
在这种状态，决策电路60的输出63将处于低电势并且自锁保持70不被触发。而且反转器11将导致第三晶体管P3的栅极端子78处的电势处于高位状态，基本等于源极端子77的电势，以便第三晶体管P3不被偏置并保持关断。但是，这并没有影响，在本实施例中，第三晶体管P3的漏极端子79处于开路状态。
本实施例并不要求有一个第二电极，尽管在该模式下也可以采用双电极触摸垫。在本操作模式下采用双触摸垫时，靠近第二电极的刺激的存在与否并不会影响电路的操作。
在第一电极E1附近有刺激的情况下，第二晶体管P2的操作与上面描述的一样，但是，在第一电极E1附近存在有刺激会导致第一晶体管P1的栅极端子82的电势变得与第一晶体管的源极端子80的电势相等的时间加长。因此，第一晶体管P1会导通并且，与第二晶体管P2允许流过第四电阻R4的电流相比，第一晶体管P1允许一个相对大的电流流过第三电阻器R3。结果，在第一二极管D1的阳极90处的峰值电势将大于第二二极管D2的阳极91处的参考电势。结果，在决策电路60的PLUS输入64处的峰值电势将大于决策电路60的MINUS输入66的参考电势，并且决策电路60的输出63将因此处于高位状态。对于处于高位状态的决策电路60的输出63，反转器11导致第三晶体管P3的栅极端子78的电势处于低位状态，因此导通晶体管P3。但是，由于第三晶体管P3的漏极端子79没有被有效地终接，它不会发生作用。
由于决策电路60的输出63处于高位状态，锁定触发器输入73处于高位状态，并且触发自锁保持70，由此建立通过锁定部分70、从电源25到内部接地参考CHIPVSS以及通过第三二极管D3的电流路径，由此有效地短路掉控制电路24的均衡。自锁保持70将保持这种状态直到给锁定输入端子71的电源被消除。在锁定70被复位之前，一个连续的数字控制信号被输出给受控设备(未示出)。以这种方式，触摸开关设备20模仿与机械开关相关的状态变化。
参照图7，配置成用于单端输入连续DC模式的触摸开关设备20的运行如下，控制电路24的操作与功能基本上类似于上面参考图6针对单端输入选通模式所描述的。但是，在单端输入DC模式中，自锁保持输出72是开路，因此自锁保持70不工作。
当没有刺激施加给第一电极E1，决策电路60的输出63处于低电平，因此，给第三晶体管P3的栅极端子78的反转器11输出76处于高电势。当第三晶体管P3的栅极端子78处于高电势时，类似于源极端子77处的电势，第三晶体管P3没被偏置并且不会导通，因此没有电流流过第三晶体管P3或通过第五电阻器R5。
对于在第一电极E1附近的刺激，决策电路60的输出63以及随后的反转器11的输入75处于高位状态。反转器11将高电平输入改变为低电平输出，并将输出76提供给第三晶体管P3的栅极端子78。与源极端子77相比，对于处于低电势的栅极端子78，第三晶体管P3被偏置、导通，并且电流流过第三晶体管P3和第五电阻器R5。于是会在第五电阻器R5的阳极108处产生一个上升的电势，该电势可以通过输出线120用作给受控设备(未示出)的输入。
在图7的连续DC模式中，控制电路响应刺激从第一电极E1附近消除，只要在第一电极E1附近一直存在刺激，每次脉冲变到高电平时，就会在第一二极管D1的阳极90处产生一个峰值电势，该电势大于第二二极管D2的阳极91处参考电势。随后，在决策电路60的PLUS输入64处的峰值电势将高于MINUS输入66处的峰值电势，并且控制电路24将按照上述的进行动作。但是，当刺激从第一电极E1消除时，在第一电容C1上的电荷通过第二晶体管开关SW2的偏置功能最终将放电到一个中性状态。在这一点，决策电路60的PLUS输入64处的峰值电势将不再高于或基本高于MINUS输入66处的电势，并且决策电路60输出63将返回到低电平状态。
以这种方式，以单端输入DC模式工作的触摸开关设备20将模仿一个暂时接触机械开关，利用较小的改动，该控制电路可以被配置成模仿推-打开和释放-关闭机械开关。
至此，本说明书描述和单一开关的物理构造和操作，典型的触摸开关应用通常包括多个对一个设备进行控制的触摸开关。图10描述了包含有9个触摸开头20的开关面板，其中这9个开关配置成3×3阵列，框B3表示在触摸板上的部件，B4表示在控制设备上的部件，尽管理论上可以以这种方式放置任意多个开关，但是象这样布置的阵列可以很容易地多路复用，减少了来自受控设备的输出、输入线的数量，这是最理想的。
尽管给出了本发明的几个实施例，但对于本技术领域内的人来说，可以很容易地做出任意修改而不会脱离所附权利要求的精神。