專利名稱：電容式傳感器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電容式傳感器系統(tǒng)，特別用于檢測物體的接近，尤其也用于手勢檢測。本發(fā)明涉及一種傳感器系統(tǒng)，其中，基于電近場(electric near-fields)檢測典型為手或手指的接近或移動(dòng)，以及從中導(dǎo)出信息，該信息可以被用來控制切換動(dòng)作或者用來識(shí)別空間手勢。
背景技術(shù)：
特別地，對于手勢檢測而言，存在在可見光范圍或紅外光范圍內(nèi)的光學(xué)方法。此外，周知電容式作用系統(tǒng)，其通過電場的傳播或擾動(dòng)來獲取必要的信息。與實(shí)現(xiàn)這種系統(tǒng)相關(guān)的電路開支及成本至今仍然很高。常規(guī)系統(tǒng)中的另一問題在于這樣的事實(shí)在要求電池操作的應(yīng)用中，這種傳感器的電力需求對于實(shí)際適用性而言至關(guān)重要。此外，在有些應(yīng)用中，元件成本及空間要求是重要的，如果大規(guī)模應(yīng)用，例如在玩具業(yè)中，元件成本及空間要求可能決定應(yīng)用的領(lǐng)域。對于電容式傳感器系統(tǒng)，周知RC低通濾波器結(jié)構(gòu)的電容變化估算。作為激勵(lì)信號(hào)，使用正弦電壓或方波信號(hào)。作為關(guān)于該變化的信號(hào)指標(biāo)，對和基準(zhǔn)信號(hào)相比的幅度或相位或時(shí)間差進(jìn)行估算。在兩種(幅度或相位)方法中，電容變化與基本電容C相比的相對變化AC/C對此有影響，因?yàn)橛纱舜_定了傳感器的靈敏度或傳感器的最大檢測范圍。所以， 對于最大靈敏度而言，渴望盡可能小的基本電容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是，提供一種電容作用式傳感器系統(tǒng)，這種傳感器系統(tǒng)能用較少元件開支實(shí)現(xiàn)，并因此要求低的成本和小的空間，此外，這種傳感器系統(tǒng)的特征還在于低電力消耗，以便能用小的充電容量和/或長使用壽命的電池使其工作。這一任務(wù)根據(jù)本發(fā)明由具有權(quán)利要求1特征的電路裝置實(shí)現(xiàn)。采用幾個(gè)這種系統(tǒng)，可以進(jìn)行二維或三維位置檢測。也可以設(shè)置幾個(gè)傳感器電極， 并用多路復(fù)用器將這些傳感器電極相繼與電路連接。這種多路復(fù)用器電路可以由微控制器進(jìn)行觸發(fā)。根據(jù)本發(fā)明的電路裝置的有利實(shí)施例是從屬權(quán)利要求的內(nèi)容。


從根據(jù)下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述中得出本發(fā)明的其它細(xì)節(jié)和特征。其中圖Ia是示出根據(jù)本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)的電路圖；圖Ib是進(jìn)一步示出在物體接近期間電容器件有關(guān)電容變化的等效電路；圖2是示出電壓建立的曲線圖；圖3是示出電壓建立的另一曲線圖；圖4是示出在計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)中使用根據(jù)本發(fā)明的電路的圖5是示出使用由幾個(gè)檢測電極組成的手勢檢測系統(tǒng)的圖；以及圖6是示出使用彼此相對靠近的檢測電極實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的手勢檢測系統(tǒng)的兩個(gè)圖。
具體實(shí)施例方式在圖Ia中，示出了根據(jù)本發(fā)明的電路裝置。這種電路裝置包括根據(jù)本發(fā)明構(gòu)建的電容式接近傳感器。通過復(fù)制，可以將這種電路裝置擴(kuò)展為用于手勢檢測的傳感器系統(tǒng)。首先，具體地說明圖Ia所示的這種裝置的操作原理。采用由微控制器(μ C)提供的優(yōu)選在80kHz至120kHz頻率范圍內(nèi)的方波電壓，經(jīng)分壓器進(jìn)行信號(hào)電平調(diào)整之后，在場效應(yīng)晶體管(FET)的柵極端處達(dá)到幅值Utl，因?yàn)橛蠧l至C5表示的幾個(gè)電容性影響作用，形成指數(shù)式充電和放電，如圖2所示。寄生電容一方面由電路裝置中標(biāo)示于&處的信號(hào)電極與地電極&之間的電場耦合形成(Cl)，另一方面由手接近這些電極的耦合電容C2和電容C3形成。電容C4和電容C5是手或接地回路與地的耦合電容。首先考慮在沒有接近(C2 = C3 = C4 = 0)而只有Cl有效的基本狀態(tài)下的充電和放電。達(dá)到預(yù)定門限值usl所用的時(shí)間假定為tl。根據(jù)uE，在方波信號(hào)周期時(shí)間T的一半之后出現(xiàn)放電，并在時(shí)間t2之后，再次達(dá)到門限值uS2。因此，成立usl = u0(l-e-tl/EC1)Us2 = Uoew(1)根據(jù)該結(jié)果，切換時(shí)間為tl =-RClln(l-usl/u0)t2 = -RClln (uS2/u0)(2)在電容變化AC達(dá)到C1+AC的情況下，對于門限值的時(shí)間差達(dá)到Atl = -RAC In (l_usl/u0)，以及，Δ t2 = -R Δ C In (uS2/u0) (3)總時(shí)間差為At = Atl+At2 = RA C[ln(u0/uS2)-In (l-usl/u0)](4)等式4顯示隨著At越大，門限值Usi越接近于uQ，而uS2相比于Utl越小。這意味著在選擇門限值方面，門限值切換的適當(dāng)滯后是有利的。如果usl = uS2，有利的是將門限置于盡可能靠近Utl或0，因?yàn)檫@樣等式4中的兩項(xiàng)之一盡可能大。此外，隨著充電電阻和電容變化△(增大，時(shí)間差以及因此所致的傳感器靈敏度更高。充電電阻最大可以是，每次在方波信號(hào)的半周期T/2期間，在場效應(yīng)晶體管的柵極端處仍然出現(xiàn)作為幾乎完全的充電及放電。由于R盡可能大，這種要求決定性地取決于柵極端與地之間的有效電容Cl (參見圖la)。本電路裝置的這種基本電容由幾個(gè)寄生的特有電容構(gòu)成。一部分由FET的柵極-源極電容構(gòu)成，由于源極電阻的負(fù)反饋所致，這部分在其對輸入的影響方面大大減小。在一種示例電路中這一方面的值達(dá)到大約0. 2pF。Cl的另一組成部分由信號(hào)電極&與和地相連接的電極&之間的耦合電容提供。 為了使這種耦合電容最小，之間可以連接所謂的屏蔽電極，將屏蔽電極連接至源極跟隨器的輸出端，所以，其幾乎具有與柵極端相同的電勢，由此可以大大減小的耦合。這是 FET級的另一優(yōu)點(diǎn)方面。如果信號(hào)電極氏的連接距離更遠(yuǎn)，也可以使用FET的漏極端來驅(qū)動(dòng)同軸電纜的屏蔽編織層，并以這種方式減小電纜電容，電纜電容也構(gòu)成Cl的一部分。所有這些表明，將FET作為源極跟隨器使用來作為輸入級，帶來相當(dāng)多的益處，此外，將元件開支減至最少，使得電力需求和成本兩方面仍然非常低。對于接近情況下充電和放電過程的時(shí)間改變進(jìn)行評估而言，使用其輸入由集成斯密特觸發(fā)器切換的異或門端子，因而，對于切換門限值Usi和uS2，不再需要任何附加的比較器，因此，可以進(jìn)一步節(jié)省元件。與異或門電路輸出相連接的低通濾波器得到的直流電壓代表時(shí)間差。于是，在電源電壓Ub的條件下類似于等式4:u = RCluB/T [In (u0/uS2)-In (l-usl/u0)] (5)這里，令1/T = f，則可以看出，低通濾波器輸出處所形成的直流電壓與由μ C所提供的方波信號(hào)的頻率f成比例。由于不可避免的容差，例如，門限值中的容差，該電壓在生產(chǎn)過程中可能有所變化，容差補(bǔ)償?shù)目赡苄源嬖谟谟搔?C以這樣一種方式改變信號(hào)頻率， 使得如果沒有接近，總是得到恒定的輸出電壓。對接近檢測靈敏度有決定性的是柵極端處的電容變化AC，根據(jù)等式4，電容變化 AC導(dǎo)致相應(yīng)的時(shí)間差A(yù)t，并因此在低通濾波器輸出處導(dǎo)致成比例的電壓變化Au AC。 如上面所述的那樣，該變化首先取決于接近情況下有效的耦合電容C2至C5。圖Ia裝置的等效電路(圖lb)說明這些影響。首先對于傳感器的接地直接與大地相連接的情況，因?yàn)檫@種情況下C2和C4的并聯(lián)為最大的可能，得到最大的可能變化，由此△ C也達(dá)到最高可能值。對于沒有與大地的接地或幾乎沒有耦合(C5 0)的情況，C2和C3的串聯(lián)，也就是，身體一部分例如手與電極氏和&的耦合電容對于該變化則是決定性的。因此，在本電路設(shè)計(jì)中，重要的是形成盡可能大的C2和C3、以及盡可能小的Cl (例如通過屏蔽)。與地電極&的耦合并非必須用單獨(dú)的電極，而是根據(jù)應(yīng)用，也可以由不同的耦合呈現(xiàn)，例如借助于電池。根據(jù)圖Ia的本發(fā)明的裝置產(chǎn)生許多應(yīng)用和設(shè)計(jì)可能性，尤其對于電極形式和電極構(gòu)造，為此，給出下面的示例。圖Ia所給出的根據(jù)本發(fā)明裝置，其特征不僅在于元件方面的極低開支、以及因此所致的較低成本和較小空間要求，而且在于傳感器中極低的電力消耗，這種電力消耗實(shí)質(zhì)上由流過FET源極電阻的電流限定。如果該電阻處于數(shù)千歐范圍內(nèi)，以這種方式可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)低于1毫安的電流。這種裝置的特殊性在于，傳感器操作可以脈沖方式工作，而沒有特別的暫態(tài)問題。在用電池供電的應(yīng)用中，這經(jīng)常是勢在必行的措施，以便保證電池放電僅在微安級的范圍，并因此有相應(yīng)的長使用壽命。在脈沖模式下，低通濾波器的輸出不再是直流電壓，而是圖3中所示的充電和放電脈沖。如果接近，脈沖幅值按值A(chǔ)u升高，該值與根據(jù)等式5的連續(xù)操作的值相對應(yīng)。通過選擇相應(yīng)的較低的脈沖/間隙比，包括μC在內(nèi)可以達(dá)到幾微安的總電流。下面，給出本傳感器裝置應(yīng)用的兩個(gè)實(shí)例。在根據(jù)圖4的第一示例中，如果手接近，由根據(jù)本發(fā)明的傳感器切換無線式計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)進(jìn)入活動(dòng)狀態(tài)，以便將電池電流限制為最小可能值。為此，將信號(hào)電極安裝于外殼中上殼內(nèi)側(cè)的一部分，并且仍然可由條帶狀的地電極圍住。精確的電極設(shè)計(jì)每次都取決于外殼的形狀，其中，取決于鼠標(biāo)電子元件的設(shè)計(jì)和各自供電電池，如果手的充分接地耦合還以其他方式呈現(xiàn)，例如借助于電池，則可能可以避免單獨(dú)的接地電子元件。通過以例如 1 1000的比例應(yīng)用脈沖模式，傳感器的電池電力消耗可以減小至1至2微安。應(yīng)用接近傳感器的另一示例是用四電極系統(tǒng)檢測手勢，其原理具體示于圖5中。包括其傳感器電子元件在內(nèi)的電極系統(tǒng)仍然是集中在較小空間中的可能緊湊形式，以便能將其以緊湊方式集成在各種現(xiàn)有設(shè)備中。按這種方式，還具有上述的另外有益之處，也就是，考慮到了電池應(yīng)用的低電流消耗以及經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)。任務(wù)在于，從傳感器提供的信息中推斷出手勢相對于由電極所限定平面的χ/y坐標(biāo)。 為此，在根據(jù)圖5的系統(tǒng)中，引入與執(zhí)行手勢的手指的距離!^至！^。這樣，在電極質(zhì)心距離原點(diǎn)的間距為a的空間χ、y、ζ坐標(biāo)系中，得到下列四個(gè)等式Γι2 = (x-a) 2+y2+z2(6)r22 = (x+a) 2+y2+z2(7)r32 = χ2+ (y+a) 2+z2(8)r42 = χ2+ (y-a) 2+z2(9)通過分別取等式6與等式7或者等式8與等式9的差，立即得到x/y的坐標(biāo)χ = ^12T22) /4a(10)y = (r32-r42) /4a如等式6至等式10所示，按照與ζ無關(guān)的簡單方式，即可計(jì)算x/y坐標(biāo)。為此，必須根據(jù)施加于四個(gè)傳感器Sl至S4的輸出的信號(hào)，確定距離rl至r4。只考慮與基本狀態(tài)相比較靠近的情況下所得到的那些信號(hào)差。這些差動(dòng)信號(hào)記為ei至e4，并且在各自場效應(yīng)晶體管的柵極端處根據(jù)上述電容變化推算出。對此起決定作用的是每次手指與電極的耦合電容，手指距離電極的距離越遠(yuǎn)，耦合電容越小。由于根據(jù)上述說明所提供的信號(hào)差的幅值與電容變化成比例，這些值隨著距離增大而減小。對此，按近似估算，假設(shè)根據(jù)下式的冪律e(r) = e0(r0/r) α(11)這里，取決于電極裝置，指數(shù)α實(shí)際上等于2. . . 3。等式(11)對r的解給出r = r0(e0/e)1/a(12)采用等式10，現(xiàn)在可以根據(jù)信號(hào)ei至e4計(jì)算出坐標(biāo)χ= [(e0/ei)2/a-(e0/e2)2/a]r02/4a (13)y = [(e0/e3)2/a-(e0/e4)2/a]r02/4a (14)其中，常數(shù)％、和a取決于電極形狀和電極相對于彼此的取向。在圖6中，示出不同的電極裝置，這些電極裝置或者用短連接直接與電子元件相連接，并因此形成只有幾平方厘米大的緊湊單元，而且可以容易地集成在其他系統(tǒng)中，或者借助于同軸電纜，這樣也能離電子元件更遠(yuǎn)距離，為此，優(yōu)選的是，將電纜屏蔽編織層與傳感器的屏蔽輸出(FET的源極連接)相連接，以便在柵極端連接處保持較低的基本電容Cl。本裝置的優(yōu)點(diǎn)簡而言之，電容式接近傳感器采用根據(jù)本發(fā)明的裝置，再次凸顯了下列優(yōu)點(diǎn)1.元件方面的開支極少，只用了一個(gè)FET輸入級、一個(gè)異或門、幾個(gè)電阻以及一個(gè)電容。信號(hào)發(fā)生和處理所需要的微控制器，在傳感器集成于其他系統(tǒng)的情況下，經(jīng)常是現(xiàn)成的，并且也可以用于簡單必要的傳感器功能。2. FET如源極跟隨器那樣切換，由于負(fù)反饋，不僅提供非常小的傳感器固有電容， 而且可以作為用于屏蔽操作的輸出，以便減小決定傳感器靈敏度的基本電容。此外，這一措施提供了傳感器功能的高溫度穩(wěn)定性，并減小了樣本分散。
3.少量有源元件的結(jié)果是非常低的功率消耗，這是因?yàn)楸狙b置非常短的暫態(tài)過程，通過脈沖式工作的操作方式，可以減小至數(shù)微安，這對電池供電相當(dāng)有利。4.通過適當(dāng)選擇電極裝置，可以解決接近功能與大地的必要耦合。這對用電池供電的應(yīng)用是必不可少的。5.由于容差而必須的傳感器自校準(zhǔn)，可以以簡單方式通過頻率調(diào)整實(shí)現(xiàn)。6.通過改變柵極端處的充電電阻，可以實(shí)現(xiàn)對由于不同電極尺寸所致不同電極電容的非常靈活的調(diào)整。此外，按這種方式，還可以進(jìn)行相對于外來干擾的最優(yōu)頻率調(diào)整。7.通過靈活地選擇可能的高信號(hào)頻率，可以將傳感器的反應(yīng)時(shí)間減小至數(shù)毫秒。8.在多電極裝置類似手勢檢測中的各傳感器的情況下，全部傳感器都能以緊湊方式收容于僅數(shù)平方厘米上。在根據(jù)本發(fā)明電路情況下的特殊措施特別簡單，并且因此僅用一個(gè)FET級和一個(gè)下游異或門而不再需要附加比較器，即可實(shí)現(xiàn)省電低成本的接近傳感器。另一方面，如果被接成源極跟隨器，F(xiàn)ET級提供極小的輸入電容，并因此允許決定靈敏度的高串聯(lián)電阻，后者比常規(guī)傳感器串聯(lián)電阻高達(dá)50倍。此外，該構(gòu)造中的本級同時(shí)還提供屏蔽功能，后者在嚴(yán)酷安裝環(huán)境下能保持基本輸入電容較低，并且因此不會(huì)出現(xiàn)有關(guān)靈敏度降低。與常規(guī)傳感器比較表明，本發(fā)明根據(jù)RC過程實(shí)現(xiàn)的接近傳感器，元件數(shù)量也更少，甚至帶來更高的操作效率。根據(jù)本發(fā)明概念的特征在于特別低的功率消耗，并且尤其適合于電池應(yīng)用。成本 (其主要由電路裝置的有源元件確定)以及空間要求明顯低于常規(guī)概念。根據(jù)本發(fā)明的電路概念以特別有益的方式適合于具有幾個(gè)傳感器同時(shí)工作的系統(tǒng)，如用于手勢應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種電路裝置，其基于傳感器電極環(huán)境的介電性能的變化，產(chǎn)生與接近相關(guān)的輸出信號(hào)，所述電路裝置包括傳感器電極，其至少局部地與觀測區(qū)域相鄰；微控制器(μ C)，其輸出交流電壓；分壓器，用于調(diào)整由所述微控制器(μ C)輸出的交流電壓的電平；以及場效應(yīng)晶體管(FET)，作為阻抗變換器起作用，其中，所述場效應(yīng)晶體管以這樣一種方式集成進(jìn)所述電路裝置，使得由所述分壓器輸出的電壓施加至其柵極端，并同時(shí)施加至所述傳感器電極(Es)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路裝置，其特征在于所述場效應(yīng)晶體管作為輸入級，以源極跟隨器方式集成進(jìn)所述電路裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電路裝置，其特征在于由所述FET的柵極端電容、相對于大地的所述電極電容、以及結(jié)構(gòu)性可調(diào)電路電容所形成的寄生電容，被用作所述傳感器功能的電容器件Cl。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路裝置，其特征在于充電電阻(R)位于所述電容器件Cl 和所述柵極端的上游。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中至少一項(xiàng)權(quán)利要求所述的電路裝置，其特征在于由所述微控制器送出的方波電壓在從80kHz至120kHz的頻率范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至7中至少一項(xiàng)權(quán)利要求所述的電路裝置，其特征在于在時(shí)間間隔tl內(nèi)所述電容器件被充電直至達(dá)到預(yù)定門限值usl，以及，在所述方波信號(hào)的半個(gè)周期T 之后，所述電容器件被放電。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電路裝置，其特征在于以應(yīng)用下式這樣一種方式調(diào)整所述切換時(shí)間tl = -RClln(l-usl/u0) t2 = -RClln (uS2/u0)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中至少一項(xiàng)權(quán)利要求所述的電路裝置，其特征在于基于時(shí)間差對所述接近進(jìn)行檢測。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中至少一項(xiàng)權(quán)利要求所述的電路裝置，其特征在于以這樣一種方式確定所述充電電阻，使所述充電電阻最大是，每次在所述方波信號(hào)的半周期T/2期間，在所述場效應(yīng)晶體管的柵極端處仍然出現(xiàn)幾乎完全的充電及放電。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電路裝置，其特征在于設(shè)置與地連接的耦合電極&。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電路裝置，其特征在于所述耦合電極之間耦合電容的形式實(shí)現(xiàn)對Cl的另外貢獻(xiàn)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電路裝置，其特征在于在所述信號(hào)電極&和與地相連接的電極&之間設(shè)置屏蔽電極。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電路裝置，其特征在于該屏蔽電極與源極跟隨器的輸出相連接，并且位于與所述柵極端幾乎相等的電勢上，由此減小&與&的耦合。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中至少一項(xiàng)權(quán)利要求所述的電路裝置，其特征在于如果連接所述信號(hào)電極&的距離更遠(yuǎn)，則使用所述FET的漏極端來驅(qū)動(dòng)同軸電纜的屏蔽編織層， 以便減小電纜電容。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中至少一項(xiàng)權(quán)利要求所述的電路裝置，其特征在于為了評估在接近情況下所述充電過程和所述放電過程的時(shí)間差，使用其輸入由集成的施密特觸發(fā)器切換的異或門。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電路裝置，其特征在于所述時(shí)間差由與所述異或門輸出相連接的低通濾波器所得到的直流電壓表示。
17.—種電路裝置，其根據(jù)傳感器電極環(huán)境的介電性能變化而產(chǎn)生與接近相關(guān)的輸出信號(hào)，所述電路裝置包括傳感器電極，其至少局部地與觀測區(qū)域相鄰； 微控制器(μ C)，其輸出交流電壓；分壓器，用于調(diào)整由所述微控制器(μ C)輸出的交流電壓的電平；以及場效應(yīng)晶體管(FET)，作為阻抗變換器工作；其中，以這樣一種方式構(gòu)造所述電路，基于與充電時(shí)間和放電時(shí)間之比的變化相關(guān)的事件，對接近進(jìn)行檢測。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電容式傳感器系統(tǒng)，特別用于檢測物體的接近，尤其也用于手勢識(shí)別。本發(fā)明的任務(wù)是提供一種電容性操作傳感器系統(tǒng)，其可以用較少元件開支實(shí)現(xiàn)，并因此要求較低成本和較小空間，而且還具有低功率消耗的特性，以便用具有低充電容量和/或長工作時(shí)間的電池使其工作。上述任務(wù)根據(jù)本發(fā)明借助于一種電路構(gòu)造解決，這種電路構(gòu)造用來基于傳感器電極周圍介電性能方面的變化，產(chǎn)生與接近過程相關(guān)的輸出信號(hào)，該電路構(gòu)造具有傳感器電極，在至少有些部分與觀測區(qū)域相鄰；微控制器(μC)，用于輸出交流電壓；分壓電路，用于對微控制器(μC)輸出的交流電壓電平進(jìn)行調(diào)整；以及，場效應(yīng)晶體管(FET)，其起到阻抗變換器的作用，其中，場效應(yīng)晶體管以這樣一種方式成為電路構(gòu)造的一部分，使得由分壓電路輸出的電壓施加至其柵極輸入端，并同時(shí)施加至傳感器電極(ES)。
文檔編號(hào)H03K17/955GK102273075SQ200980154103
公開日2011年12月7日 申請日期2009年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月18日
發(fā)明者彼得.法斯豪爾 申請人:艾登特技術(shù)股份公司