专利名称：电容式传感器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电容式传感器系统，特别用于检测物体的接近，尤其也用于手势检测。本发明涉及一种传感器系统，其中，基于电近场(electric near-fields)检测典型为手或手指的接近或移动，以及从中导出信息，该信息可以被用来控制切换动作或者用来识别空间手势。
背景技术：
特别地，对于手势检测而言，存在在可见光范围或红外光范围内的光学方法。此外，周知电容式作用系统，其通过电场的传播或扰动来获取必要的信息。与实现这种系统相关的电路开支及成本至今仍然很高。常规系统中的另一问题在于这样的事实在要求电池操作的应用中，这种传感器的电力需求对于实际适用性而言至关重要。此外，在有些应用中，元件成本及空间要求是重要的，如果大规模应用，例如在玩具业中，元件成本及空间要求可能决定应用的领域。对于电容式传感器系统，周知RC低通滤波器结构的电容变化估算。作为激励信号，使用正弦电压或方波信号。作为关于该变化的信号指标，对和基准信号相比的幅度或相位或时间差进行估算。在两种(幅度或相位)方法中，电容变化与基本电容C相比的相对变化AC/C对此有影响，因为由此确定了传感器的灵敏度或传感器的最大检测范围。所以， 对于最大灵敏度而言，渴望尽可能小的基本电容。
发明内容
本发明的任务是，提供一种电容作用式传感器系统，这种传感器系统能用较少元件开支实现，并因此要求低的成本和小的空间，此外，这种传感器系统的特征还在于低电力消耗，以便能用小的充电容量和/或长使用寿命的电池使其工作。这一任务根据本发明由具有权利要求1特征的电路装置实现。采用几个这种系统，可以进行二维或三维位置检测。也可以设置几个传感器电极， 并用多路复用器将这些传感器电极相继与电路连接。这种多路复用器电路可以由微控制器进行触发。根据本发明的电路装置的有利实施例是从属权利要求的内容。
从根据下面结合附图的详细描述中得出本发明的其它细节和特征。其中图Ia是示出根据本发明的电路结构的电路图；图Ib是进一步示出在物体接近期间电容器件有关电容变化的等效电路；图2是示出电压建立的曲线图；图3是示出电压建立的另一曲线图；图4是示出在计算机鼠标中使用根据本发明的电路的图5是示出使用由几个检测电极组成的手势检测系统的图；以及图6是示出使用彼此相对靠近的检测电极实现根据本发明的手势检测系统的两个图。
具体实施例方式在图Ia中，示出了根据本发明的电路装置。这种电路装置包括根据本发明构建的电容式接近传感器。通过复制，可以将这种电路装置扩展为用于手势检测的传感器系统。首先，具体地说明图Ia所示的这种装置的操作原理。采用由微控制器(μ C)提供的优选在80kHz至120kHz频率范围内的方波电压，经分压器进行信号电平调整之后，在场效应晶体管(FET)的栅极端处达到幅值Utl，因为有Cl至C5表示的几个电容性影响作用，形成指数式充电和放电，如图2所示。寄生电容一方面由电路装置中标示于&处的信号电极与地电极&之间的电场耦合形成(Cl)，另一方面由手接近这些电极的耦合电容C2和电容C3形成。电容C4和电容C5是手或接地回路与地的耦合电容。首先考虑在没有接近(C2 = C3 = C4 = 0)而只有Cl有效的基本状态下的充电和放电。达到预定门限值usl所用的时间假定为tl。根据uE，在方波信号周期时间T的一半之后出现放电，并在时间t2之后，再次达到门限值uS2。因此，成立usl = u0(l-e-tl/EC1)Us2 = Uoew(1)根据该结果，切换时间为tl =-RClln(l-usl/u0)t2 = -RClln (uS2/u0)(2)在电容变化AC达到C1+AC的情况下，对于门限值的时间差达到Atl = -RAC In (l_usl/u0)，以及，Δ t2 = -R Δ C In (uS2/u0) (3)总时间差为At = Atl+At2 = RA C[ln(u0/uS2)-In (l-usl/u0)](4)等式4显示随着At越大，门限值Usi越接近于uQ，而uS2相比于Utl越小。这意味着在选择门限值方面，门限值切换的适当滞后是有利的。如果usl = uS2，有利的是将门限置于尽可能靠近Utl或0，因为这样等式4中的两项之一尽可能大。此外，随着充电电阻和电容变化△(增大，时间差以及因此所致的传感器灵敏度更高。充电电阻最大可以是，每次在方波信号的半周期T/2期间，在场效应晶体管的栅极端处仍然出现作为几乎完全的充电及放电。由于R尽可能大，这种要求决定性地取决于栅极端与地之间的有效电容Cl (参见图la)。本电路装置的这种基本电容由几个寄生的特有电容构成。一部分由FET的栅极-源极电容构成，由于源极电阻的负反馈所致，这部分在其对输入的影响方面大大减小。在一种示例电路中这一方面的值达到大约0. 2pF。Cl的另一组成部分由信号电极&与和地相连接的电极&之间的耦合电容提供。 为了使这种耦合电容最小，之间可以连接所谓的屏蔽电极，将屏蔽电极连接至源极跟随器的输出端，所以，其几乎具有与栅极端相同的电势，由此可以大大减小的耦合。这是 FET级的另一优点方面。如果信号电极氏的连接距离更远，也可以使用FET的漏极端来驱动同轴电缆的屏蔽编织层，并以这种方式减小电缆电容，电缆电容也构成Cl的一部分。所有这些表明，将FET作为源极跟随器使用来作为输入级，带来相当多的益处，此外，将元件开支减至最少，使得电力需求和成本两方面仍然非常低。对于接近情况下充电和放电过程的时间改变进行评估而言，使用其输入由集成斯密特触发器切换的异或门端子，因而，对于切换门限值Usi和uS2，不再需要任何附加的比较器，因此，可以进一步节省元件。与异或门电路输出相连接的低通滤波器得到的直流电压代表时间差。于是，在电源电压Ub的条件下类似于等式4:u = RCluB/T [In (u0/uS2)-In (l-usl/u0)] (5)这里，令1/T = f，则可以看出，低通滤波器输出处所形成的直流电压与由μ C所提供的方波信号的频率f成比例。由于不可避免的容差，例如，门限值中的容差，该电压在生产过程中可能有所变化，容差补偿的可能性存在于由μ C以这样一种方式改变信号频率， 使得如果没有接近，总是得到恒定的输出电压。对接近检测灵敏度有决定性的是栅极端处的电容变化AC，根据等式4，电容变化 AC导致相应的时间差At，并因此在低通滤波器输出处导致成比例的电压变化Au AC。 如上面所述的那样，该变化首先取决于接近情况下有效的耦合电容C2至C5。图Ia装置的等效电路(图lb)说明这些影响。首先对于传感器的接地直接与大地相连接的情况，因为这种情况下C2和C4的并联为最大的可能，得到最大的可能变化，由此△ C也达到最高可能值。对于没有与大地的接地或几乎没有耦合(C5 0)的情况，C2和C3的串联，也就是，身体一部分例如手与电极氏和&的耦合电容对于该变化则是决定性的。因此，在本电路设计中，重要的是形成尽可能大的C2和C3、以及尽可能小的Cl (例如通过屏蔽)。与地电极&的耦合并非必须用单独的电极，而是根据应用，也可以由不同的耦合呈现，例如借助于电池。根据图Ia的本发明的装置产生许多应用和设计可能性，尤其对于电极形式和电极构造，为此，给出下面的示例。图Ia所给出的根据本发明装置，其特征不仅在于元件方面的极低开支、以及因此所致的较低成本和较小空间要求，而且在于传感器中极低的电力消耗，这种电力消耗实质上由流过FET源极电阻的电流限定。如果该电阻处于数千欧范围内，以这种方式可以实现远低于1毫安的电流。这种装置的特殊性在于，传感器操作可以脉冲方式工作，而没有特别的暂态问题。在用电池供电的应用中，这经常是势在必行的措施，以便保证电池放电仅在微安级的范围，并因此有相应的长使用寿命。在脉冲模式下，低通滤波器的输出不再是直流电压，而是图3中所示的充电和放电脉冲。如果接近，脉冲幅值按值Au升高，该值与根据等式5的连续操作的值相对应。通过选择相应的较低的脉冲/间隙比，包括μC在内可以达到几微安的总电流。下面，给出本传感器装置应用的两个实例。在根据图4的第一示例中，如果手接近，由根据本发明的传感器切换无线式计算机鼠标进入活动状态，以便将电池电流限制为最小可能值。为此，将信号电极安装于外壳中上壳内侧的一部分，并且仍然可由条带状的地电极围住。精确的电极设计每次都取决于外壳的形状，其中，取决于鼠标电子元件的设计和各自供电电池，如果手的充分接地耦合还以其他方式呈现，例如借助于电池，则可能可以避免单独的接地电子元件。通过以例如 1 1000的比例应用脉冲模式，传感器的电池电力消耗可以减小至1至2微安。应用接近传感器的另一示例是用四电极系统检测手势，其原理具体示于图5中。包括其传感器电子元件在内的电极系统仍然是集中在较小空间中的可能紧凑形式，以便能将其以紧凑方式集成在各种现有设备中。按这种方式，还具有上述的另外有益之处，也就是，考虑到了电池应用的低电流消耗以及经济实现。任务在于，从传感器提供的信息中推断出手势相对于由电极所限定平面的χ/y坐标。 为此，在根据图5的系统中，引入与执行手势的手指的距离!^至！^。这样，在电极质心距离原点的间距为a的空间χ、y、ζ坐标系中，得到下列四个等式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)通过分别取等式6与等式7或者等式8与等式9的差，立即得到x/y的坐标χ = ^12T22) /4a(10)y = (r32-r42) /4a如等式6至等式10所示，按照与ζ无关的简单方式，即可计算x/y坐标。为此，必须根据施加于四个传感器Sl至S4的输出的信号，确定距离rl至r4。只考虑与基本状态相比较靠近的情况下所得到的那些信号差。这些差动信号记为ei至e4，并且在各自场效应晶体管的栅极端处根据上述电容变化推算出。对此起决定作用的是每次手指与电极的耦合电容，手指距离电极的距离越远，耦合电容越小。由于根据上述说明所提供的信号差的幅值与电容变化成比例，这些值随着距离增大而减小。对此，按近似估算，假设根据下式的幂律e(r) = e0(r0/r) α(11)这里，取决于电极装置，指数α实际上等于2. . . 3。等式(11)对r的解给出r = r0(e0/e)1/a(12)采用等式10，现在可以根据信号ei至e4计算出坐标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，常数％、和a取决于电极形状和电极相对于彼此的取向。在图6中，示出不同的电极装置，这些电极装置或者用短连接直接与电子元件相连接，并因此形成只有几平方厘米大的紧凑单元，而且可以容易地集成在其他系统中，或者借助于同轴电缆，这样也能离电子元件更远距离，为此，优选的是，将电缆屏蔽编织层与传感器的屏蔽输出(FET的源极连接)相连接，以便在栅极端连接处保持较低的基本电容Cl。本装置的优点简而言之，电容式接近传感器采用根据本发明的装置，再次凸显了下列优点1.元件方面的开支极少，只用了一个FET输入级、一个异或门、几个电阻以及一个电容。信号发生和处理所需要的微控制器，在传感器集成于其他系统的情况下，经常是现成的，并且也可以用于简单必要的传感器功能。2. FET如源极跟随器那样切换，由于负反馈，不仅提供非常小的传感器固有电容， 而且可以作为用于屏蔽操作的输出，以便减小决定传感器灵敏度的基本电容。此外，这一措施提供了传感器功能的高温度稳定性，并减小了样本分散。
3.少量有源元件的结果是非常低的功率消耗，这是因为本装置非常短的暂态过程，通过脉冲式工作的操作方式，可以减小至数微安，这对电池供电相当有利。4.通过适当选择电极装置，可以解决接近功能与大地的必要耦合。这对用电池供电的应用是必不可少的。5.由于容差而必须的传感器自校准，可以以简单方式通过频率调整实现。6.通过改变栅极端处的充电电阻，可以实现对由于不同电极尺寸所致不同电极电容的非常灵活的调整。此外，按这种方式，还可以进行相对于外来干扰的最优频率调整。7.通过灵活地选择可能的高信号频率，可以将传感器的反应时间减小至数毫秒。8.在多电极装置类似手势检测中的各传感器的情况下，全部传感器都能以紧凑方式收容于仅数平方厘米上。在根据本发明电路情况下的特殊措施特别简单，并且因此仅用一个FET级和一个下游异或门而不再需要附加比较器，即可实现省电低成本的接近传感器。另一方面，如果被接成源极跟随器，FET级提供极小的输入电容，并因此允许决定灵敏度的高串联电阻，后者比常规传感器串联电阻高达50倍。此外，该构造中的本级同时还提供屏蔽功能，后者在严酷安装环境下能保持基本输入电容较低，并且因此不会出现有关灵敏度降低。与常规传感器比较表明，本发明根据RC过程实现的接近传感器，元件数量也更少，甚至带来更高的操作效率。根据本发明概念的特征在于特别低的功率消耗，并且尤其适合于电池应用。成本 (其主要由电路装置的有源元件确定)以及空间要求明显低于常规概念。根据本发明的电路概念以特别有益的方式适合于具有几个传感器同时工作的系统，如用于手势应用。
权利要求
1.一种电路装置，其基于传感器电极环境的介电性能的变化，产生与接近相关的输出信号，所述电路装置包括传感器电极，其至少局部地与观测区域相邻；微控制器(μ C)，其输出交流电压；分压器，用于调整由所述微控制器(μ C)输出的交流电压的电平；以及场效应晶体管(FET)，作为阻抗变换器起作用，其中，所述场效应晶体管以这样一种方式集成进所述电路装置，使得由所述分压器输出的电压施加至其栅极端，并同时施加至所述传感器电极(Es)。
2.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于所述场效应晶体管作为输入级，以源极跟随器方式集成进所述电路装置。
3.根据权利要求2所述的电路装置，其特征在于由所述FET的栅极端电容、相对于大地的所述电极电容、以及结构性可调电路电容所形成的寄生电容，被用作所述传感器功能的电容器件Cl。
4.根据权利要求3所述的电路装置，其特征在于充电电阻(R)位于所述电容器件Cl 和所述栅极端的上游。
5.根据权利要求1至4中至少一项权利要求所述的电路装置，其特征在于由所述微控制器送出的方波电压在从80kHz至120kHz的频率范围内。
6.根据权利要求1至7中至少一项权利要求所述的电路装置，其特征在于在时间间隔tl内所述电容器件被充电直至达到预定门限值usl，以及，在所述方波信号的半个周期T 之后，所述电容器件被放电。
7.根据权利要求6所述的电路装置，其特征在于以应用下式这样一种方式调整所述切换时间tl = -RClln(l-usl/u0) t2 = -RClln (uS2/u0)。
8.根据权利要求1至7中至少一项权利要求所述的电路装置，其特征在于基于时间差对所述接近进行检测。
9.根据权利要求1至8中至少一项权利要求所述的电路装置，其特征在于以这样一种方式确定所述充电电阻，使所述充电电阻最大是，每次在所述方波信号的半周期T/2期间，在所述场效应晶体管的栅极端处仍然出现几乎完全的充电及放电。
10.根据权利要求9所述的电路装置，其特征在于设置与地连接的耦合电极&。
11.根据权利要求10所述的电路装置，其特征在于所述耦合电极之间耦合电容的形式实现对Cl的另外贡献。
12.根据权利要求11所述的电路装置，其特征在于在所述信号电极&和与地相连接的电极&之间设置屏蔽电极。
13.根据权利要求12所述的电路装置，其特征在于该屏蔽电极与源极跟随器的输出相连接，并且位于与所述栅极端几乎相等的电势上，由此减小&与&的耦合。
14.根据权利要求1至13中至少一项权利要求所述的电路装置，其特征在于如果连接所述信号电极&的距离更远，则使用所述FET的漏极端来驱动同轴电缆的屏蔽编织层， 以便减小电缆电容。
15.根据权利要求1至14中至少一项权利要求所述的电路装置，其特征在于为了评估在接近情况下所述充电过程和所述放电过程的时间差，使用其输入由集成的施密特触发器切换的异或门。
16.根据权利要求15所述的电路装置，其特征在于所述时间差由与所述异或门输出相连接的低通滤波器所得到的直流电压表示。
17.—种电路装置，其根据传感器电极环境的介电性能变化而产生与接近相关的输出信号，所述电路装置包括传感器电极，其至少局部地与观测区域相邻； 微控制器(μ C)，其输出交流电压；分压器，用于调整由所述微控制器(μ C)输出的交流电压的电平；以及场效应晶体管(FET)，作为阻抗变换器工作；其中，以这样一种方式构造所述电路，基于与充电时间和放电时间之比的变化相关的事件，对接近进行检测。
全文摘要
本发明涉及一种电容式传感器系统，特别用于检测物体的接近，尤其也用于手势识别。本发明的任务是提供一种电容性操作传感器系统，其可以用较少元件开支实现，并因此要求较低成本和较小空间，而且还具有低功率消耗的特性，以便用具有低充电容量和/或长工作时间的电池使其工作。上述任务根据本发明借助于一种电路构造解决，这种电路构造用来基于传感器电极周围介电性能方面的变化，产生与接近过程相关的输出信号，该电路构造具有传感器电极，在至少有些部分与观测区域相邻；微控制器(μC)，用于输出交流电压；分压电路，用于对微控制器(μC)输出的交流电压电平进行调整；以及，场效应晶体管(FET)，其起到阻抗变换器的作用，其中，场效应晶体管以这样一种方式成为电路构造的一部分，使得由分压电路输出的电压施加至其栅极输入端，并同时施加至传感器电极(ES)。
文档编号H03K17/955GK102273075SQ200980154103
公开日2011年12月7日 申请日期2009年11月18日 优先权日2008年11月18日
发明者彼得.法斯豪尔 申请人:艾登特技术股份公司