多通道电容性传感器、包括所述传感器的装置和测量电容的方法

专利名称：多通道电容性传感器、包括所述传感器的装置和测量电容的方法
多通道电容性传感器、包括所述传感器的装置和测量电容
的方法
背景技术：
本发明涉及用于感测邻近于传感器的物体的存在或触碰的电容性感测。特定来 说，本发明涉及多通道电容性感测。电容性传感器目前已在人机接口中和在机器控制方面变得日益常见且被接受，例 如用于提供触敏按钮以用于激活正受控制的装置的功能。电容性位置传感器还可用于非接 口应用中，例如用于流体液面感测应用中。图1示意性展示已知类型的电容性传感器2，其可根据US 5，730，165和/或 US6, 466，036中描述的电荷转移技术而操作。所述传感器用于测量感测电极4到系统参考 电位(接地)的电容Cx。由感测电极到系统接地电位提供的电容可因此被视为等效于一个 端子连接到接地的具有电容Cx的电容器，且可称为感测电容器。传感器2的特定应用对于本说明书的目的不是重要的。然而，在此实例中，假定传 感器2用以检测邻近于感测电极4存在指向手指8。当没有手指邻近于感测电极4时，其到 接地的电容相对小。当存在手指邻近于感测电极4时(如图1中)，感测电极的到接地的 电容由于指向物体提供到虚拟接地的电容性耦合Cx而增加。因此，感测电极的测得电容的 改变指示邻近物体(例如，触敏控制中的手指或液面传感器中的流体)的存在的改变。图 1的传感器是单通道传感器，因为其可操作以测量单个感测电极4的电容。除了感测电极4以外，传感器2还包括微控制器6和取样电容器Cs。微控制器6 是通用可编程装置，其经配置以提供下文描述的功能性。感测通道的提供需要使用微控制器6的两个引脚，且这些引脚在图1中标记为P1 和P2。微控制器6的引脚P1和P2可在控制器以通常方式执行其程序时以所定义序列被驱 动为高或低。这在图1中由微控制器6内的一系列开关S1、S2、S3和S4示意性表示。开关 S1将引脚P1选择性地连接到微控制器的操作逻辑电平+V，这对应于将引脚P1驱动为高的 动作。开关S2将引脚P1选择性地连接到微控制器的系统参考电位(接地)，这对应于将引 脚P1驱动为低的动作。在任何一个时刻仅可闭合S1和S2中的一者或另一者(或两者均 不)。开关S3和S4在需要时类似地选择性地将引脚P2驱动为高或低。除了可操作以根据其程序指令将引脚P1驱动为高或低以外，微控制器还可操作 以提供连接到引脚P1的测量通道M(即，引脚P1是I/O引脚)。测量通道包括简单比较器， 其经布置以比较引脚P1上的输入电压与阈值电平Mthresh。通常，阈值电平可能为微控制器 的操作电压的一半(§口，Mthresh = +V/2)。取样电容器Cs连接于引脚PI与P2之间。感测电极4连接到引脚P2。图2展示示意性表示用于测量感测电极4到系统接地的电容的图1传感器的开关 操作序列的表。所述序列以在步骤1处开始的一系列步骤操作，如左边列中指示。顶部为 S1到S4的列指示相应开关在每一步骤中的状态。表中的“X”指示对应开关闭合，而“0” 指示对应开关断开。顶部为P1和P2的列指示对应引脚在每一步骤中的电压电平。表条目 “低”指示对应引脚被驱动为低，表条目“高”指示对应引脚被驱动为高，其中在引脚未被驱动为高或低的情况下，指示其“自由”电压电平。最后的列提供关于所述步骤的简要注释。步骤1是初始化/复位步骤。闭合开关S2和S4以使得引脚P1和P2均被驱动为 低。这实际上将感测电极4接地且将取样电容器Cs短路，使得在任一者上均没有驻留电荷。步骤2是充电步骤，其中仅闭合开关S1。因此，引脚P1被驱动为高，而引脚P2可 自由浮动。引脚P1上提供的电压+V因此对取样电容器Cs和感测电容器Cx的串联组合充
^^ o取样电容器Cs和感测电容器Cx提供+V与接地之间的电容性分压器。电容器的共 同连接处在引脚P2上的电压是Cx两端的电压(即，V(Cx))。这取决于相对电容Cs和Cx。 即，根据众所周知的电容器分压器关系，V(Cx) = V*Cs/(Cs+CX)。取样电容器Cs两端的电 压是 V(Cs)，其中 V(Cs) = V-V(Cx) o 即，V(Cs) = V*(Cx/(Cs+Cx))。步骤3是测量步骤，其中仅闭合开关S4。因此，引脚P1可自由浮动，且引脚P2被 驱动为低。将引脚P2驱动为低意味着(i)Cx上的电荷被移除(吸收到接地)，以及(ii)引 脚P1实现在充电步骤2期间在取样电容器Cs两端建立的电压V(Cs)。因此，引脚P1上的 电压为V(Cs) = V*(Cx/(Cs+Cx))。PI上的电压因此取决于由感测电极4提供的感测电容 器Cx的电容。原则上，可测量此电压以提供感测电容器的电容的指示。然而，实际上，由步 骤2中的单个充电循环提供的电压V(Cs)将较小(因为Cx<<Cs)。因此，为了提供对电 容Cx的较稳健的测量，传感器2可操作以重复执行步骤2和3 ( S卩，不执行复位步骤1)。在 步骤2和3的每次重复中，将离散增量的电荷添加到取样电容器。因此，在步骤2和3的每 次反复之后电压V(Cs)依据感测电容器Cx的量值而渐近地增加(所述增加是渐近的，因为 由于取样电容器Cs上已存在的电荷而在后续反复中添加较少电荷)。在若干这些电荷循环(即，脉冲突发)之后，可测量引脚P1上的电压且将其取为 Cx的指示。然而，这需要微控制器6的与引脚P1相关联的测量通道M具有测量模拟电压的 能力。这需要相对复杂的电路。因此，常见的不是突发固定数目的脉冲，而是简单地保持突 发(即，反复进行步骤2和3)直到电压V(Cs)达到测量阈值Mthresh为止，例如其中阈值通常 为Mthresh = V/2。取样电容器Cs两端的电压超过测量阈值(如简单比较器所确定)所需的 充电循环的数目是感测电极的到接地的电容的(逆)测量，且因此指示物体的接近或远离。 “可变突发长度”方案具有优于“固定突发长度”方案的优点，其使用比较器而不是较复杂的 电压测量功能。然而，发现两种方案提供对相对小的电容的稳健且可靠的测量。图1中的传感器是能够测量单个感测电极的电容的单通道传感器。然而，在许多 应用中，需要测量两个或两个以上感测电极的电容，即，需要提供多通道电容性传感器。举 例来说，采用电容性传感器用户接口的装置的设计者将通常希望提供一个以上触敏按钮。 此外，在其它应用中，常见的是提供与“真实”感测通道并联的参考通道。举例来说，在流体 液面应用中，参考通道可与位于容器底部处的参考感测电极相关联，使得其总是邻近于容 器中的流体。与“真实”感测通道相关联的感测电极可放置于容器上方的中途处。与“真 实”感测通道相关联的感测电极的测得电容将取决于容器中的流体是高于还是低于中途点 (即，其是否邻近于感测电极)。然而，绝对测量电容值将大体上依据传感器容限、漂移和正 被感测的流体的性质而广泛变化。因此，可能难以仅基于电容的绝对测量值来确定“真实” 感测通道的感测电极是否邻近于容器中的流体。然而，通过提供并联的参考通道，通过“真 实”感测通道确定的电容可与通过参考通道确定的电容进行比较。如果其相似，那么可假容器为一半以上装满的，如果其显著不同，那么可假定容器为一半以下装满的。图3示意性展示已知的双通道电容性传感器12。传感器12用于测量第一和第二 感测电极14-1、14-2到系统参考电位(接地)的第一和第二电容Cxl、Cx2。图3的双通道 传感器12通过简单地复制图1的感测通道而提供两个感测通道。传感器12需要经合适编 程的微控制器16的四个引脚P1、P2、P3、P4以及两个取样电容器Csl、Cs2。与相应感测电 极14-1、14-2相关联的感测通道实际上彼此完全无关，且各自以上文针对图1所示的传感 器描述的方式个别地操作。可通过添加图1所示的单个传感器通道的进一步复制而提供具有更多通道的传 感器。然而，发明人已认识到简单地使用图1的单个传感器通道的n个独立复制来提供m 通道电容性传感器的缺点。举例来说，通过此方法，每一传感器通道需要两个到控制器的连 接，因此针对m通道传感器需要总共2m个连接(例如，微控制器引脚)。此外，发明人已发 现感测通道的独立性质可导致通道间一致性的问题。举例来说，不同通道之间的不同漂移 是常见的，例如因为通道具有其自身的不同取样电容器，且这些取样电容器通常对改变的 环境条件(例如温度)相对(且不同地)敏感。在一些情况下，与已知多通道传感器相关联的不同变化的通道响应将不被视为过 度成问题。举例来说，在每一通道主要用于识别其自身信号的时间改变(例如在简单的双 态接近传感器应用中)的情况下情况可能是这样。在这些情况下，无需与其它通道的比较， 且因此不同通道的改变的相对响应不是问题。然而，在一些情况下，来自一对通道的相对信 号将是关注的主要参数。举例来说，其中一个通道用于提供参考信号以供与另一通道进行 比较，例如在流体传感器应用中可能是这种情况。因此，需要多通道电容性传感器，其提供通道之间减少的相对漂移且还需要比已 知多通道传感器少的具有增加数目的通道的连接。

发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种多通道电容性传感器，其用于测量多个感测电 极到系统参考电位的电容，所述传感器包括取样电容器，其具有第一端子和第二端子；第 一二极管，其具有耦合到所述取样电容器的所述第二端子的第一端子和耦合到第一感测电 极的第二端子；第二二极管，其具有耦合到所述取样电容器的所述第二端子的第一端子和 耦合到第二感测电极的第二端子；以及控制电路，其可操作以将驱动信号施加于所述取样 电容器的所述第一端子，且将偏置信号施加于所述第一和/或第二二极管的所述第二端 子，以便选择性地防止所述第一和/或第二二极管传导所述驱动信号。因此，根据本发明的实施例，可针对每一测量使用相同的取样电容器和驱动通道 电路测量两个或两个以上感测电极的电容。这可有助于减少通道间漂移，且因此允许例如 测得电容之间的较可靠的比较。所述二极管的所述第一端子可为阳极且所述第二端子可为阴极，其中所述驱动信 号包括相对于所述系统参考电位的正向信号。此处，偏置信号可包括施加于相应二极管的 阴极的正信号。或者，所述二极管的所述第一端子可为阴极且所述第二端子可为阳极，其中 所述驱动信号包括相对于所述系统参考电位的负向信号。此处，偏置信号可包括施加于相 应二极管的阳极的负信号。
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所述控制电路可进一步可操作以将所述第一和/或第二感测电极临时耦合到所述系统参考电位，以便选择性地移除通过所述驱动信号耦合到所述第一和/或第二感测电 极的电荷。这允许根据基于电荷转移的电容性感测的一般原理进行重复的电荷积累循环。所述控制电路可进一步可操作以将共同复位信号临时施加于所述取样电容器的 两个端子以移除通过所述驱动信号积累于所述取样电容器上的电荷。这可在电容测量之前 初始化传感器。这可结合将第一和/或第二感测电极耦合到系统参考电位以移除这些元件 上的任何残余电荷而完成。所述控制电路可进一步可操作以测量指示通过所述驱动信号耦合到所述取样电 容器的电荷量的信号。所述控制电路可操作以在测量所述指示通过所述驱动信号耦合到所述取样电容 器的电荷量的信号的同时将所述取样电容器的所述第二端子耦合到所述系统参考电位。这 提供了测量例如取样电容器两端的电压的简单方式。所述驱动信号可包括一个或一个以上电压转变。所述控制电路可操作以在每一电 压转变之后将所述取样电容器的所述第二端子耦合到所述系统参考电位。所述指示通过所述驱动信号耦合到所述取样电容器的电荷量的信号可为在所述 控制器已施加预定数目的电压转变之后所述取样电容器上的电压的测量。或者，所述指示 通过所述驱动信号耦合到所述取样电容器的电荷量的信号可为在所述取样电容器上的所 述电压的测量超过测量阈值之前由所述控制电路施加的电压转变的数目的计数。所述控制电路可进一步可操作以将所述第一感测电极的电容的测量值与所述第 二感测电极的电容的测量值进行比较。所述控制电路可进一步可操作以提供指示所述第一和/或第二感测电极的电容 的测量值的输出信号和/或指示所述第一感测电极的电容的测量值与所述第二感测电极 的电容的测量值的比较的信号。所述多通道电容性传感器可进一步包括第三二极管，所述第三二极管具有耦合到 所述取样电容器的所述第二端子的第一端子和耦合到第三感测电极的第二端子，其中所述 控制电路进一步可操作以将偏置信号施加于所述第三二极管的所述第二端子，以便选择性 地防止所述第三二极管传导所述驱动信号。更一般来说，所述多通道电容性传感器可进一步包括至少另一二极管，所述至少 另一二极管具有耦合到所述取样电容器的所述第二端子的第一端子和耦合到对应至少另 一感测电极中的一者的第二端子，其中所述控制电路进一步可操作以将偏置信号施加于所 述至少另一二极管中的一者或一者以上，以便选择性地防止所述至少另一二极管传导所述 驱动信号。所述控制电路可包括微控制器。根据本发明的第二方面，提供一种装置，其包括根据本发明第一方面的多通道传 感器。所述装置可例如包含触敏用户接口，其中感测电极提供触敏区域。在另一实例中， 所述传感器可在液面感测应用中使用。举例来说，所述装置可包括用于容纳可变数量的材 料的容器，且所述多通道传感器可经布置以使得第一感测电极的电容取决于所述容器中的 材料的液面，且第二感测电极的电容不取决于所述容器中的材料的液面，借此所述第二感测电极的电容的测量值提供参考测量值以供与所述第一感测电极的电容的测量值进行比较。根据本发明的第三方面，提供一种测量多个感测电极到系统参考电位的电容的方法，所述方法包括提供取样电容器，其具有第一端子和第二端子；提供第一二极管，其具 有耦合到所述取样电容器的所述第二端子的第一端子和耦合到第一感测电极的第二端子； 提供第二二极管，其具有耦合到所述取样电容器的所述第二端子的第一端子和耦合到第二 感测电极的第二端子；将驱动信号施加于所述取样电容器的所述第一端子；以及将偏置信 号施加于所述第一和/或第二二极管的所述第二端子，以便选择性地防止所述第一和/或 第二二极管传导所述驱动信号。


为了更好地理解本发明且展示可如何实行本发明，现在借助于实例来参看附图， 在附图中图1示意性展示已知的单通道电容性传感器；图2是示意性表示图1的电容性传感器的开关操作序列的表；图3示意性展示已知的双通道电容性传感器； 图4示意性展示根据本发明实施例的双通道电容性传感器；图5是示意性表示图4的电容性传感器的开关操作序列的表；图6示意性展示在图5的开关操作序列的不同阶段处的图4的电容性传感器；以 及图7示意性展示根据本发明实施例的四通道电容性传感器。
具体实施例方式图4示意性展示根据本发明实施例的多通道电容性传感器22。在此实例中传感器 22是双通道传感器。双通道传感器是多通道传感器的最简单形式，且因此此处着重于解释 的容易。然而，将了解，本发明的实施例可扩展到适当的较高数目的感测通道，如下文进一 步解释。传感器22用于测量第一和第二感测电极24-1、24_2到系统参考电位(接地)的 电容。由这些相应感测电极到系统接地提供的电容可视为等效于分别具有电容Cxl和Cx2 的电容器，其中每一电容器使其端子中的一者连接到虚拟接地。这些电容器可称为感测电 容器。除了所述感测电极24-1、24-2以外，传感器22还包括微控制器26、取样电容器Cs以 及第一和第二二极管Dl、D2。微控制器26是通用可编程装置，其结合取样电容器Cs和二 极管Dl、D2而经配置以提供下文所述的功能性，以用于提供指示感测电极24-1、24-2的电 容的信号。传感器22的特定应用对于本说明书的目的不是重要的。然而，在此实例中，假定 传感器22在流体液面感测应用中使用，其中第一感测通道(与第一感测电极相关联)经布 置以提供流体液面感测通道，且第二感测通道(与第二感测电极相关联)经布置以提供参 考通道。因此，在一个实施例中，第一感测电极可经布置以使得其到接地的电容取决于容器 中的流体(例如，汽油罐中的汽油)的液面，而第二感测电极经布置以使得其到接地的电容不取决于容器中的流体的液面。例如，在简单应用中，第一感测电极可位于容器的侧壁上方的中途处。电极的电容取决于流体是否邻近于电极，即容器是一半以上装满还是一半以下 装满。第二感测电极可位于容器的底部壁上。此电极的电容是相同的，而与容器是一半以 上装满还是一半以下装满无关(只要容器不是完全空的)。参考通道的提供避免了需要依 赖于第一电极的电容的绝对测量值。这是有利的，因为如上所述，绝对电容测量值可依据电 路元件容限、改变的环境条件以及正被感测的流体的性质而显著变化。因此，取决于流体液 面的信号与来自参考通道的同流体液面无关的信号(参考信号)测量值的比较是优选的。 这是因为在提供并联的参考通道中，通过流体液面感测通道确定的电容可与通过参考通道 确定的电容相比较。如果两个电容相似(或接近取决于电极几何形状的预期比率)，那么可 假定容器为一半以上装满的，如果其显著不同(或远离针对装满的容器的预期比率)，那么 可假定容器为一半以下装满的。然而，如上文提到，传感器22的特定应用不是过度重要的。举例来说，图4的双通 道传感器22可同样用以沿着图3所示的传感器12的应用的线提供两个“触碰按钮”。一 般来说，根据本发明实施例的传感器可以已知电容性传感器可使用的方式中的任一者来应 用。也就是说，根据本发明实施例的电容性传感器可在其中使用已知电容性传感器的相同 环境的任一者中使用。而且，就关注任何外部电路(例如，其中实施电容性传感器的装置的 主控制器)来说，根据本发明实施例的电容性传感器可以如常规电容性传感器的相同方式 与外部电路介接。两个感测通道的提供需要使用微控制器16的四个引脚，且这些引脚在图4中标记 为P1、P2、P3和P4。微控制器16的引脚可在控制器以通常方式执行程序时以所定义序列被 驱动为高或低。这在图4中由微控制器16内的一系列八个开关Sl到S8示意性表示。开 关Sl将引脚Pl选择性地连接到微控制器的操作逻辑电平+V，这对应于将引脚Pl驱动为高 的动作。开关S2将引脚Pl选择性地连接到微控制器的系统参考电位(接地)，这对应于 将引脚Pl驱动为低的动作。在任何一个时刻仅可闭合Sl和S2中的一者或另一者(或两 者均不)。开关S3和S4、S5和S6以及S7和S8在需要时类似地选择性地将引脚P2、P3和 P4驱动为高或低。除了可操作以根据其程序指令将引脚Pl驱动为高或低以外，微控制器还可操作 以提供连接到引脚Pl的测量通道M( S卩，引脚Pl是I/O引脚)。在此实施例中测量通道包 括简单比较器，其经布置以比较引脚Pl上的输入电压与阈值电平Mthreshtl通常，阈值电平可 能为微控制器的阈值操作电压的一半(即，Mthresh = +V/2)。取样电容器Cs具有第一端子23和第二端子24。第一端子23连接到微控制器的 引脚P1，且第二端子24连接到引脚P2。第一二极管Dl具有第一端子27和第二端子28。在此实例中，第一端子是阳极且 第二端子是阴极。第一二极管Dl的阳极27电耦合(例如，直接连接)到取样电容器的第 二端子24 (且因此还耦合到微控制器16的引脚P2)。第一二极管Dl的阴极28耦合到第一 感测电极24-1且还耦合到微控制器16的引脚P3。第二二极管D2具有第一端子29和第二端子30。在此实例中，第一端子是阳极且 第二端子是阴极。第二二极管D2的阳极29电耦合到取样电容器的第二端子24(且因此还 耦合到微控制器16的引脚P2和第一二极管的阳极27)。第二二极管D2的阴极30耦合到第二感测电极24-2且还耦合到微控制器16的引脚P4。图4的双通道传感器22隐含的一般原理在于控制器16可将偏置信号经由引脚 P3和P4选择性地施加于对应的二极管Dl和D2，使得可选择性地防止所述二极管传导经由 引脚Pi提供的驱动信号。实际上，这允许在测量多个感测电极的电容中使用单个驱动通道 (以针对基于电荷转移的电容性传感器的广泛常规方式经由引脚Pl提供)和单个取样电容 器Cs。驱动信号可耦合到感测电极中的选定单个一者，以通过偏置另一电极的二极管以使 得其不传导驱动信号来测量所述电极的电容。可又以对不同二极管的适当偏置来测量不同 感测电极的电容。有利地且不同于图3所示的传感器12，对不同感测电极的不同电容的不 同测量各自依赖于相同的取样电容器和驱动通道。以此方式提供增加水平的电路元件 共同 性有助于提供减少的通道间漂移。举例来说，在本发明的实施例中避免了来自图3的传感 器12中的两个取样电容器Csl和Cs2的电容的温度相依性差异的影响。另外且如下文进一步解释，针对每一感测通道使用单个共同取样电容器减少了每 额外感测通道所需的控制电路连接(微控制器引脚)的额外数目。将第三感测通道添加到 图3的常规类型多通道传感器12需要再两个引脚。将第三感测通道添加到根据本发明实 施例的多通道传感器可使用仅一个额外连接/引脚(即，用以提供用于第三二极管的偏置 信号/用于第三感测电极的复位信号的连接)来完成。图5展示示意性表示根据本发明实施例的用于测量感测电极24-1、24-2到系统接 地的电容的图4传感器22的开关操作序列的表。所述序列以在步骤1处开始的一系列步 骤操作，如左边列中指示。顶部为Sl到S8的列指示相应开关在每一步骤中的状态。表中 的“X”指示对应开关闭合，而“0”指示对应开关断开。顶部为P1-P2的列指示对应控制器 引脚在每一步骤处的电压电平。表条目“低”指示对应引脚被控制器驱动为低，表条目“高” 指示对应引脚被控制器驱动为高，其中在引脚未被驱动为高或低的情况下，指示其“自由” 电压电平。最后的列提供关于所述步骤的简要注释。图6A到6E示意性展示在如现在解释 的开关操作序列的不同步骤处的图4的传感器22。在此实例中，将假定首先测量第一感测 电极的电容，且其次测量第二感测电极的电容。步骤1 (图6A中表示)是初始化/复位步骤。闭合开关S2、S4、S6和S8以使得引 脚P1、P2、P3和P4均被驱动为低。这实际上将感测电极24-1、24-2两者接地且将取样电容 器Cs短路，使得在这些装置中的任一者上均没有驻留电荷。步骤2(图6B中表示)是用于与第一感测电极相关联的第一感测通道的充电步 骤。在此步骤中闭合开关Sl和S7。所有其它开关断开。因此，引脚Pl和P4被驱动为高， 而引脚P2和P3可自由浮动。弓丨脚Pl上提供的电压+V因此对取样电容器Cs和由第一感 测电极到接地的电容提供的第一感测电容器Cxl的串联组合充电。此充电依赖于第一二极 管Dl对驱动信号的正向传导(即，引脚Pl上从系统参考电位(接地)到+V的电压转变)。 第二二极管D2不传导驱动信号，因为引脚P4被驱动为高以提供防止第二二极管D2正向传 导驱动信号的偏置信号。因此，在此步骤中，取样电容器Cs和第一感测电容器Cxl提供+V与接地之间的电 容性分压器，其具有与第一二极管Dl的正向传导相关联的额外电压降Vd。一般来说，1将 相对小，原因是所涉及的相对小的电流。弓丨脚P3上的电压是Cxl上的电压。这取决于相对 电容Cs和Cxi。( BP, V(Cxl) = (V-Vd)*Cs/(Cs+Cxl))。一般来说，还将存在对引脚P2和P3与接地之间的电容的相依性，例如，内部芯片电容性耦合和其它杂散电容。然而，为了此解释的目的，将假定这些杂散电容较小且可忽略。这些杂散电容的存在不显著影响本发明 实施例的总体操作。即，引脚P3上的电压(Cxl上的电压)可通过忽略其它电路电容和电压 降Vd而合理地认为是V (Cxl) V*Cs/(Cs+Cxl)。引脚P2上的电压是Cxl上的电压加上第 一二极管Dl的电压降(即，V(P2) = (V(Cxl)+V) 0取样电容器Cs两端的电压是V(Cs)，其 中 V(Cs) =V-V(P2)。BP,V(Cs) = (V-Vd)*(Cx/(Cs+Cx))。此电压不受第二感测电极 24-2 的电容Cx2的影响，原因是由正被驱动为高的引脚P4施加的偏置信号引起的反向偏置的第 二二极管D2的阻挡作用。 步骤3(图6C中表示)是用于第一感测电极24-1的测量步骤。在步骤3中开关 S7保持闭合以维持第二二极管D2的非传导偏置。此步骤中仅有的其它闭合开关是开关S4 和S6。因此，引脚Pl可自由浮动，引脚P2和P3被驱动为低，且引脚P4保持被驱动为高。 将引脚P3驱动为低意味着Cxl上的电荷被移除(吸收到接地)。将引脚P2驱动为低意味 着Pl实现在充电步骤2期间在取样电容器Cs两端建立的电压V(Cs)。因此，引脚Pl上的 电压为V(Cs) = (V-Vd) * (Cxi/(Cs+Cxl))。Pl上的电压因此取决于由第一感测电极24-1提 供的感测电容器Cxl的电容。以与上文针对图1的单通道传感器2所述的方式广泛类似的 方式，原则上可测量引脚Pl上的此电压以提供第一感测电容器的电容的指示。然而，实际 上，由步骤2中的单个充电循环提供的电压V(Cs)将较小(因为Cxl<<Cs)。因此，为了 提供对电容Cxl的较稳健的测量，传感器2可操作以重复执行步骤2和3( S卩，不执行复位 步骤1)。在步骤2和3的每次重复中，将离散增量的电荷添加到取样电容器。因此，在步骤 2和3的每次反复之后电压V(Cs)依据第一感测电容器Cxl的量值而渐近地增加(所述增 加是渐近的，因为由于取样电容器Cs上已存在的电荷而在后续反复中添加较少电荷)。在 此充电循环的突发中，将第二二极管维持于其非传导状态(开关S7闭合以将引脚P4驱动 为高)。因此，第二感测电极的电容对驱动信号的转变中电荷向取样电容器的转移没有影 响，且仅第一感测电极的电容对此有影响。 在一些实施例中，在已执行了固定数目的电荷循环(即，步骤2和3的重复的突 发)之后，可测量引脚Pl上的电压且将其取为Cxl的指示。这可以较好地工作，但需要微 控制器16的测量通道M具有测量模拟电压的能力。因此，在此实施例中，代替突发固定数 目的循环/电压转变，控制器经配置以保持突发(即，保持反复进行步骤2和3)直到电压 V (Cs)达到测量阈值Mthresh为止。测量阈值Mttoesh可能例如为与驱动信号转变相关联的电压 摆动的约一半，例如Mthresh = V/2。取样电容器Cs两端的电压超过测量阈值(如简单比较 器所确定)所需的充电循环的数目是第一感测电极的到接地的电容的(逆)测量。此“可 变突发长度”方案具有优于“固定突发长度”方案的优点，其使用比较器而不是较复杂的电 压测量功能。然而，可同等地使用任一方案。 因此，如图5的表中指示，重复步骤2和3，直到V(Cs)超过阈值Mttoesh(如测量通 道M内的比较器确定)。如果这花费nl个循环(即，重复2nl个步骤，其等效于具有初始复 位步骤1的总体l+2nl个步骤)，那么nl提供对第一感测电极到接地的电容的逆测量。这 完成了对第一感测电极到接地的电容的测量(至少针对当前获取循环)。一般来说，值nl 将简单地视为电容的逆代替，例如以用于确定测得电容是否已从先前获取反复改变，或者 用于与来自另一感测通道的另一测得电容进行比较。也就是说，将大体上不尝试将取为指示电容的测得参数nl转换为完全经校准电容值(例如，以法拉为单位)。然而，对指示感测 电极电容的测得参数的特定使用和任何后续处理的细节将取决于当前应用，且对于理解本 发明来说并不重要。在测得第一感测电极的电容Cxl之后(S卩，在测得取决于电容的参数(nl)之后)， 传感器22继续测量第二感测电极的电容Cx2。测量第一感测电极的电容Cxl花费l+2nl个 步骤(即，nl个重复电荷测量循环，其中每循环两个步骤，加上初始复位步骤1)。因此，参 看图5所示的表，对第二感测电极的电容Cx2的测量在步骤l+2nl+l(即，在完成第一电极 的电容的测量之后的第一步骤)处开始。对第二电极的电容的测量近似地镜射对第一感测电极的电容的测量。然而，当测 量第二感测电极的电容时，开关Sl到S4以如当测量第一电极的电容时的对应步骤中相同 的序列来操作，但开关S5和S6的序列与开关S7和S8的序列交换。
因此，步骤l+2nl+l (相同于步骤1且在图6A中表示)是另一初始化/复位步骤。 开关S2、S4、S6和S8闭合，使得引脚P1、P2、P3和P4均被驱动为低。这将感测电极24-1, 24-2两者接地且将取样电容器Cs短路，因此在所述电容器中的任一者上均没有保留残余 电荷。步骤l+2nl+2 (图6D中表示)是用于与第二感测电极相关联的第二感测通道的充 电步骤。在此步骤中闭合开关Sl和S5。所有其它开关断开。因此，引脚Pl和P3被驱动为 高，而引脚P2和P4可自由浮动。引脚Pl上提供的电压+V因此对取样电容器Cs和由第二 感测电极到接地的电容提供的第二感测电容器Cx2的串联组合充电。此充电依赖于第二二 极管D2对驱动信号的正向传导。第一二极管Dl不传导驱动信号，因为引脚P3被驱动为高 以提供防止第一二极管Dl正向传导驱动信号的偏置信号。因此，在步骤l+2nl+2中，取样电容器Cs和第二感测电容器Cx2提供+V与接地之 间的电容性分压器(与同第二二极管D2的正向传导相关联的额外电压降Vd串联，此处假 定为与针对第一二极管的情况相同)。引脚P4上的电压是Cx2上的电压。这取决于相对 电容Cs和Cx2。(即，V(Cx2) = (V-Vd)*Cs/(Cs+Cx2))。引脚P2上的电压是Cx2上的电压 加上第二二极管D2的电压降(即，V(P2) = (V(Cx2)+Vd))。取样电容器Cs两端的电压是 V(Cs)，其中 V(Cs) = V-V(P2) ο BP, V(Cs) = (V-Vd)*(Cx2/(Cs+Cx2))。此电压不受第一感 测电极24-1的电容Cxl的影响，原因是由正被驱动为高的引脚P3施加的偏置信号引起的 反向偏置的第一二极管Dl的阻挡作用。步骤l+2nl+3(图6E中表示)是用于第二感测电极24_2的测量步骤。在步骤 l+2nl+3中开关S5保持闭合以维持第一二极管Dl的非传导偏置。此步骤中仅有的其它闭 合开关是开关S4和S8。因此，引脚Pl自由浮动，引脚P2和P4被驱动为低，且引脚P3保持 被驱动为高。将引脚P4驱动为低意味着Cx2上的电荷被移除(吸收到接地)。将引脚P2 驱动为低意味着Pl实现在充电步骤2n+2期间在取样电容器Cs两端建立的电压V(Cs)。因 此，引脚Pl上的电压为V(Cs) = (V-Vd) *(Cx2/(Cs+Cx2))。Pl上的电压因此取决于由第一 感测电极24-2提供的感测电容器Cx2的电容。以与上文针对与第一感测电极相关联的第 一感测通道所述的方式类似的方式，传感器22可操作以重复执行步骤2n+2和2n+3(不执 行复位步骤2n+l)。在每次重复中，将离散增量的电荷添加到取样电容器。在此充电循环的 突发中，将第一二极管维持于其非传导状态(开关S5闭合以将引脚P3驱动为高)。因此，第一感测电极的电容对驱动信号的转变中电荷向取样电容器的转移没有影响，且仅第二感 测电极的电容对此有影响。控制器再次经配置以保持突发(即，保持反复进行步骤l+2nl+2和l+2nl+3)，直 到电压V(Cs)达到测量阈值Mttoesh为止。因此，如图5的表中指示，重复步骤l+2nl+2和 l+2nl+3，直到V(Cs)超过阈值Mttoesh(如测量通道M内的比较器所确定)。假定这花费n2 个循环(即，2η2个步骤)，那么n2提供对第二感测电极到接地的电容的逆测量。这完成了 对第二感测电极到接地的电容的测量(针对当前获取循环)。因此，在1+2η1+1+2η2个步骤 之后，电容Cxl和Cx2两者均已测得且当前测量获取循环完成。步骤l+2nl+l+2n2的数目 来自针对第一和第二感测电极的nl和n2个重复循环加上两个复位/初始化步骤。因此，如上文所述，图4的传感器22可操作以使用电荷转移技术的一般原理来测 量第一和第二感测电极的电容。然而，这是以经修改方式完成，其中针对两个测量通道使用 单个取样电容器和单个驱动通道。取决于当前特定应用，微控制器可经配置以将信号输出 到用于其中实施传感器的装置的主装置控制器，且随后(立即或者在一延迟之后)在另一 获取循环中重复电容测量。将了解，对用于每一通道的电容的个别测量在许多方面中类似于常规电荷转移电 容测量方案操作的方式。因此，将了解，本文为了简明而未描述的电荷转移感测的各种特征 可容易结合本发明实施例而使用。举例来说，任何已知的信号处理方案(例如用于漂移补 偿、滤波等)以及例如自动开/关等等的方案可根据本发明实施例而使用。此外，在确定电 路组件值和定时时的典型考虑将从常规电荷转移技术中很好地了解，例如US5，730，165和 US 6，466，036中所描述，此两者以全文引用的方式并入本文中。
图4所示种类的双通道传感器的典型应用可用于测量大约Cxl = Cx2 = 4pF的电 容，且采用具有值Cs = 2nF的取样电容器。二极管可为常规的小信号二极管，例如IN4148 二极管。控制器可为可从爱特梅尔(Atmel)公司购得的经合适编程的Tiny44微控制器。逻 辑高电压+V可通常为3V。测量阈值Mthresh可通常为1.5V。定时序列中每一步骤的持续时 间可通常为约5μ s用于充电和测量，且约500 μ s用于复位。在单个电容测量中达到阈值 所需的循环数目明显取决于正测量的电容，但可通常大约为300。因此，单个电容测量可能 花费约3ms来完成。将了解，实际上，微控制器可经配置以提供步骤之间的简短间隙。这使得在此间隙 期间，从先前步骤闭合的开关可在任何断开开关针对下一步骤闭合之前断开。这可有助于 确保(例如参见图5)取样电容器Cs不会因为开关S4在开关Sl断开之前闭合而在步骤2 与3之间意外地完全充电到+V。将了解，上文描述的原理可扩展到具有大于两个感测通道的多通道传感器。图7示意性展示根据本发明实施例的多通道电容性传感器42。在此实例中传感 器42为四通道传感器，但实际上可无限地扩展到较高数目的通道，如图的底部的箭头示意 性指示。因此，传感器42用于测量第一到第四感测电极44-1到44_4到系统参考电位(接 地)的电容。此四通道传感器42是图4到6所示的双通道传感器22的扩展，且其基本操 作将从上文对双通道传感器22的描述中了解。除了四个感测电极44-1到44-4以外，传感 器42包括微控制器46、取样电容器Cs以及第一到第四二极管D1-D4。如前，微控制器46是通用可编程装置，其结合取样电容器Cs和二极管D1-D4而经配置以提供指示四个感测电 极中的每一者的电容的信号。四个感测通道的提供需要使用微控制器46的六个引脚。这些引脚在图7中标记 为Pl到P6。如前，微控制器46的引脚可被驱动为高或低。这在图7中由微控制器46内的 一系列十二个开关Sl到S12示意性表示。引脚Pl到P4耦合到取样电容器Cs、第一和第 二二极管Dl、D2以及第一和第二感测电极44-1、44-2，其耦合方式与这些元件在图4的双 通道传感器22中耦合在一起的方式相同。第三二极管D3具有第一端子和第二端子。在此实例中，第一端 子是阳极且第二端 子是阴极。第三二极管的阳极电耦合到取样电容器的第二端子(且因此还耦合到微控制器 46的引脚P2和其它二极管D1、D2、D4的阳极)。第三二极管D3的阴极耦合到第一感测电 极44-1且还耦合到微控制器46的引脚P5。第四二极管D4具有第一端子和第二端子。在此实例中，第一端子是阳极且第二端 子是阴极。第四二极管D4的阳极电耦合到取样电容器的第二端子(且因此还耦合到微控 制器46的引脚P2和其它二极管Dl到D3的阳极)。第四二极管D4的阴极耦合到第四感测 电极44-4且还耦合到微控制器46的引脚P6。四通道传感器42又测量相应感测电极的电容。前两者实际上是以如上文针对双 通道传感器所述的相同方式且使用图5中针对这些电极表示的序列来测量。在这前两个测 量期间，向第三和第四二极管(以及取决于哪一电容正在测量，第一和第二二极管中的相 关一者)提供偏置信号，因此其不将驱动信号传导到其相应的感测电极(即，将引脚P5和 P6维持为高)。额外感测电极的电容是根据相同原理来测量。因此，为了测量第三感测电极的电 容，以如用于测量第二电极的电容的相同方式来驱动引脚Pl到P3(见图5中步骤1+2Π+1到 l+2n+3的用于开关Sl到S6的设定)。然而，当对第三感测电极的电容进行取样时，将引脚 P4保持为高(以防止第二二极管D2传导)，且以如当测量第二感测电极的电容时驱动引脚 P4的相同方式来驱动引脚P5( S卩，根据图5的步骤l+2n+l到l+2n+3中用于开关S7和S8 的设定来激活开关S9和S10)。将引脚P6始终维持为高(开关Sll闭合)以防止第四二极 管D4传导。类似地，为了测量第四感测电极的电容，将引脚P3到P6全部保持为高以防止第一 到第三二极管Dl到D3传导，以与当测量其它电容时相同的方式驱动引脚Pl和P2，且以如 当测量第二感测电极的电容时驱动引脚P4的相同方式来驱动引脚P6( S卩，根据图5的步骤 l+2n+l到l+2n+3中用于开关S7和S8的设定来激活开关Sll和S12)。此原理可经扩展以包含任何数目的测量通道。每一额外通道仅需要另一个控制电 路连接/微控制器引脚(即，用以施加用于额外电路的二极管的偏置信号且用以将额外感 测电极的电荷接地的连接)。因此，对于一 m通道传感器，控制电路连接的总数目是2+m。 然而，对于图2所示种类的常规多通道传感器，每一通道独立地需要两个控制电路连接。因 此，常规m通道传感器需要总数目为2m的控制电路连接。因此，根据本发明实施例的三通道 传感器(和三个以上)需要比采用常规技术的对应多通道传感器少的控制电路连接。这在 常常需要从尽可能少的控制电路连接(例如，微控制器引脚)中得出尽可能多的功能性的 许多应用中是一显著优点。举例来说，具有八个用于电容测量的可用引脚的微控制器根据常规技术可提供四个感测通道，但根据本发明实施例可提供六个感测通道。因此，根据本发 明实施例操作的相同微控制器可支持例如较复杂的用户接口，因为可提供较多“按钮”(即， 六个按钮对四个按钮)。将了解，上文在开关方面的描述主要是在提供可被驱动为高或低的各种输出引脚 的微控制器的上下文中。然而，原则上，可使用采用离散开关(晶体管)的电路。在此情况 下，可注意到并不是图4中表示的所有开关均将是需要的。举例来说，开关S3从不闭合，因 为引脚P2仅一直被驱动为低或允许浮动。然而，开关S3在图4中展示为符合以下事实微 控制器实施方案将大体上具有将引脚P2驱动为高的能力，但在此实施例中无需这么做。在 离散电路元件实施方案中，可简单地省略开关S3。还将了解，虽然以上实例已着重于正向驱动信号，但本发明实施例同样可基于负 向驱动信号，即从系统参考电位到-V。这可通过反转二极管的方向且提供-V信号作为偏置 信号而实现。因此，已描述了一种用于测量多个感测电极到系统参考电位的电容的多通道电容 性传感器。所述传感器包括取样电容器，其具有第一端子和第二端子；第一二极管，其具 有耦合到取样电容器的第二端子的第一端子和耦合到第一感测电极的第二端子；以及第 二二极管，其具有耦合到取样电容器的第二端子的第一端子和耦合到第二感测电极的第二 端子。取样电容器和二极管耦合到控制电路(例如，以微控制器实施)。控制电路可操作以 将驱动信号(例如，一系列电压脉冲)施加于取样电容器的第一端子，同时将偏置信号施加 于二极管中的一者或另一者的第二端子，以防止所述二极管传导驱动信号。因此，可使用电 荷转移技术来在共享共同的取样电容器的同时测量多个电容。这有助于减少通道间漂移。 可通过提供另外的二极管和对应的感测电极来添加另外的测量通道。对于三个或三个以上 通道，所述方案每额外通道仅需要一个额外控制电路连接。将进一步了解，上文结合本发明的方面描述的特征将常常同样适用于本发明的其它方面且可与本发明的其它方面组合。特定来说，本发明实施例的特征可以任何适当方式 组合，而不是仅以所附权利要求书中陈述的特定组合来组合。
权利要求
一种多通道电容性传感器，其用于测量多个感测电极到系统参考电位的电容，所述传感器包括取样电容器，其具有第一端子和第二端子；第一二极管，其具有耦合到所述取样电容器的所述第二端子的第一端子和耦合到第一感测电极的第二端子；第二二极管，其具有耦合到所述取样电容器的所述第二端子的第一端子和耦合到第二感测电极的第二端子；以及控制电路，其可操作以将驱动信号施加于所述取样电容器的所述第一端子，且将偏置信号施加于所述第一和/或第二二极管的所述第二端子，以便选择性地防止所述第一和/或第二二极管传导所述驱动信号。
2.根据权利要求1所述的多通道电容性传感器，其中所述二极管的所述第一端子是阳 极且所述二极管的第二端子是阴极，且所述驱动信号包括相对于所述系统参考电位的正向 信号。
3.根据权利要求1所述的多通道电容性传感器，其中所述二极管的所述第一端子是阴 极且所述二极管的第二端子是阳极，且所述驱动信号包括相对于所述系统参考电位的负向信号。
4.根据权利要求1所述的多通道电容性传感器，其中所述控制电路进一步可操作以将 所述第一和/或第二感测电极临时耦合到所述系统参考电位，以便选择性地移除通过所述 驱动信号耦合到所述第一和/或第二感测电极的电荷。
5.根据权利要求1所述的多通道电容性传感器，其中所述控制电路进一步可操作以将 共同复位信号临时施加于所述取样电容器的两个端子以移除通过所述驱动信号积累于所 述取样电容器上的电荷。
6.根据权利要求1所述的多通道电容性传感器，其中所述控制电路进一步可操作以测 量指示通过所述驱动信号耦合到所述取样电容器的电荷量的信号。
7.根据权利要求6所述的多通道电容性传感器，其中所述控制电路可操作以在测量所 述指示通过所述驱动信号耦合到所述取样电容器的电荷量的信号的同时将所述取样电容 器的所述第二端子耦合到所述系统参考电位。
8.根据权利要求1所述的多通道电容性传感器，其中所述驱动信号包括一个或一个以 上电压转变。
9.根据权利要求8所述的多通道电容性传感器，其中所述控制电路可操作以在每一电 压转变之后将所述取样电容器的所述第二端子耦合到所述系统参考电位。
10.根据权利要求8所述的多通道电容性传感器，其中所述指示通过所述驱动信号耦 合到所述取样电容器的电荷量的信号是在所述控制器已施加预定数目的电压转变之后所 述取样电容器上的电压的测量。
11.根据权利要求8所述的多通道电容性传感器，其中所述指示通过所述驱动信号耦 合到所述取样电容器的电荷量的信号是在所述取样电容器上的所述电压的测量超过测量 阈值之前由所述控制电路施加的电压转变的数目的计数。
12.根据权利要求1所述的多通道电容性传感器，其中所述控制电路进一步可操作以 将所述第一感测电极的所述电容的测量值与所述第二感测电极的所述电容的测量值进行比较。
13.根据权利要求1所述的多通道电容性传感器，其中所述控制电路进一步可操作以 提供指示所述第一和/或第二感测电极的所述电容的测量值的输出信号和/或指示所述第 一感测电极的所述电容的测量值与所述第二感测电极的所述电容的测量值的比较的信号。
14.根据权利要求1所述的多通道电容性传感器，其进一步包括第三二极管，所述第 三二极管具有耦合到所述取样电容器的所述第二端子的第一端子和耦合到第三感测电极 的第二端子，其中所述控制电路进一步可操作以将偏置信号施加于所述第三二极管的所述 第二端子，以便选择性地防止所述第三二极管传导所述驱动信号。
15.根据权利要求1所述的多通道电容性传感器，其进一步包括至少另一二极管，所述 至少另一二极管具有耦合到所述取样电容器的所述第二端子的第一端子和耦合到对应至 少另一感测电极中的一者的第二端子，其中所述控制电路进一步可操作以将偏置信号施加 于所述至少另一二极管中的一者或一者以上，以便选择性地防止所述至少另一二极管传导 所述驱动信号。
16.根据权利要求1所述的多通道电容性传感器，其中所述控制电路包括微控制器。
17.一种装置，其包括根据权利要求1所述的多通道传感器。
18.根据权利要求17所述的装置，其中所述装置包括用于容纳可变数量的材料的容 器，且所述多通道传感器经布置以使得所述第一感测电极的所述电容取决于所述容器中的 所述材料的液面，且所述第二感测电极的所述电容不取决于所述容器中的所述材料的液 面，借此所述第二感测电极的所述电容的测量值提供参考测量值以供与所述第一感测电极 的所述电容的测量值进行比较。
19.一种测量多个感测电极到系统参考电位的电容的方法，所述方法包括提供取样电容器，其具有第一端子和第二端子；提供第一二极管，其具有耦合到所述取样电容器的所述第二端子的第一端子和耦合到 第一感测电极的第二端子；提供第二二极管，其具有耦合到所述取样电容器的所述第二端子的第一端子和耦合到 第二感测电极的第二端子；将驱动信号施加于所述取样电容器的所述第一端子；以及将偏置信号施加于所述第一和/或第二二极管的所述第二端子，以便选择性地防 止所述第一和/或第二二极管传导所述驱动信号。
全文摘要
本发明涉及多通道电容性传感器、包括所述传感器的装置和测量电容的方法。本发明提供一种多通道电容性传感器，其用于测量多个感测电极到系统参考电位的电容。所述传感器包括取样电容器，其具有第一端子和第二端子；第一二极管，其具有耦合到所述取样电容器的所述第二端子的第一端子和耦合到第一感测电极的第二端子；以及第二二极管，其具有耦合到所述取样电容器的所述第二端子的第一端子和耦合到第二感测电极的第二端子。所述取样电容器和二极管耦合到控制电路，所述控制电路例如以微控制器实施。所述控制电路可操作以将驱动信号(例如，一系列电压脉冲)施加于所述取样电容器的所述第一端子，同时将偏置信号施加于所述二极管中的一者或另一者的所述第二端子，以防止所述二极管传导所述驱动信号。因此，可使用电荷转移技术在共享共同的取样电容器的同时测量多个电容。这有助于减少通道间漂移。可通过提供另外的二极管和对应的感测电极来添加另外的测量通道。对于三个或三个以上通道，所述方案每额外通道仅需要一个额外控制电路连接。
文档编号G01R27/26GK101825663SQ201010117159
公开日2010年9月8日 申请日期2010年3月2日 优先权日2009年3月2日
发明者约翰·斯坦利·迪贝里 申请人:爱特梅尔公司