附连到能够容纳物质的容器的电容传感器的制作方法

本发明涉及附连到能够容纳物质的容器的电容传感器。

背景技术：

电容传感器通过检测在通常称为发射电极和感测电极的两个电极之间形成的电容的变化来操作。在物体接近和/或接触电容传感器时，感测电路可识别物体并且可被配置成确定物体的位置、压力、方向、速度和加速度。

电容传感器还可用于检测容器内的诸如流体或粉末的物质的体积和/或料位。在该应用中，当容器中的物质的料位变化时，感测电路检测电容传感器的电容变化。用于这类应用的电容传感器可提供更加准确的测量值，并且可比常规指示器更加可靠且廉价。

技术实现要素：

本发明涉及附连到能够容纳物质的容器的电容传感器。

本技术的各种实施方案提供了沿着容器的多个平面形成的电容传感器以创建感测场。电容传感器提供附连到容器并从容器的水平底板延伸到容器的竖直侧板的第一电极，以及附连到容器的竖直侧板并与第一电极间隔开的第二电极。

本发明解决的技术问题是用于测量或检测容器内诸如流体或粉末的物质的体积和/或料位的常规指示器昂贵且不准确。

根据一个方面，附连到能够容纳物质的容器的电容传感器包括：第一电极，该第一电极附连到容器并从容器的底部部分延伸到侧壁，该侧壁连接到底部部分并从底部部分向上延伸，其中第一电极包括：第一端部，该第一端部附连到容器的底部部分；和第二端部，该第二端部附连到容器的侧壁；第二电极，该第二电极附连到容器并且包括：第三端部，该第三端部附连到容器的侧壁并邻近第一电极的第二端部定位；和第四端部，该第四端部附连到容器的侧壁并从第三端部向上定位且与第三端部竖直对齐；其中：第一电极和第二电极形成第一电容；并且第一电极和第二电极由第一间隙隔开。

在一个实施方案中，第一电容根据物质的表面相对于底部部分的高度而变化。

在一个实施方案中，第一间隙的位置对应于第一指示器水平。

在一个实施方案中，当物质的表面与第一间隙基本上对齐时，第一电容的变化最大。

在一个实施方案中，第一电极具有第一极性，并且第二电极具有相反的极性。

在一个实施方案中，电容传感器还包括附连到容器并具有第一极性的第三电极，其中第三电极包括：第五端部，该第五端部附连到顶部部分，其中顶部部分定位成基本上平行于底部部分并在底部部分上方；和第六端部，该第六端部附连到侧壁并邻近第四端部。

在一个实施方案中，第二电极和第三电极形成第二电容；第四端部和第六端部由第二间隙隔开；并且第二间隙的位置对应于第二指示器水平。

在一个实施方案中，当物质的表面与第二间隙基本上对齐时第二电容的变化最大。

在一个实施方案中，第一电极包括多个相同极性的导电元件。

在一个实施方案中，第一电极包括单个连续的导电元件。

本发明实现的技术效果是提供电容传感器，其附连到容器以提高检测精度的方式检测容器内的物质的体积和/或料位。

附图说明

当结合以下示例性附图考虑时，可参照具体实施方式更全面地了解本技术。在以下附图中，通篇以类似附图标记指代各附图中的类似元件和步骤。

图1是根据本技术的示例性实施方案的电容传感器系统的电路图；

图2示出了根据本技术的示例性实施方案的与电容传感器系统结合使用的容器的透视图；

图3示出了根据本技术的示例性实施方案的图2的容器的剖视图；

图4示出了根据本技术的替代实施方案的与电容传感器系统结合使用的容器的剖视图；

图5是示出根据图3的实施方案的第一电容的变化与液位的变化的关系的曲线图；

图6是示出根据图4的实施方案的第二电容的变化与液位的变化的关系的曲线图；

图7示出了根据本技术的第三实施方案的与电容传感器系统结合使用的容器的剖视图；并且

图8是示出根据图7的实施方案的第三电容的变化与液位的变化的关系的曲线图。

具体实施方式

本发明技术可按照功能块组件和电路图进行描述。这样的功能块和电路图可以通过被构造成执行指定功能并且实现各种结果的任何数量的部件实现。例如，本技术可采用各种类型的电容器、放大器、信号转换器、开关设备、功率源等，它们可执行各种各样的功能。根据本技术的各个方面的用于电容传感器的方法和装置可结合任何合适的系统(诸如打印机系统或监测容器中物质的量的任何其他系统)一起操作。

参考图1和图2，在本技术的各种实施方案中，传感器系统100可检测容器205中的诸如液体或粉末的物质220的量(或料位)。这可以通过将传感器系统100的一部分永久地或暂时地附连到容器205并测量传感器系统100的电容和/或输出电压(vout)的变化来实现。在各种实施方案中，传感器系统100可包括电容传感器105和检测电路110，它们彼此结合操作以测量电容传感器105的电容的变化。

参考图2-4，容器205可被配置成将物质220保持期望的时间段。例如，容器205可包括：底部部分325，诸如水平底板；和至少一个侧壁320，诸如竖直侧壁(即侧板)，其从底部部分325向上延伸。容器205还可包括由侧壁320的内表面210和底部部分325限定的内部区域，其中内部区域容纳物质220。

容器205还可包括在底部部分325内或附近的第一端口(未示出)，该第一端口允许物质220受控地释放出容器205。容器205还可包括在顶板420内或附近的第二端口(未示出)，该第二端口基本平行于底部部分325，并允许将物质220添加到容器205。

容器205可具有预定的尺寸，例如，在矩形或正方形容器的情况下，高度、宽度和长度。这样，容器205可具有等于高度、宽度和长度的乘积的最大体积(即体积＝高度×宽度×长度)。容器205可用物质220填充，诸如具有预定介电常数的液体或粉末。因此，物质220的体积可基于容器尺寸、电容数据、介电常数和/或其他相关数据来计算。

可根据期望的功能或应用调整电容传感器105的具体布置。例如，电容传感器105(电极)的大小和/或形状可被调整以附连到各种形状和大小的容器，诸如圆柱形容器、球形容器等。

第一电极130和第二电极125可附连到容器205的内部区域、容器205的外表面215和/或集成在容器205的一个或多个壁内。

在另选的实施方案中，第一电极130和第二电极125可邻近容器205定位，例如接近但不直接接触容器205的外表面215。

参考图1-3，电容传感器105可生成电场，诸如第一电场155，并且可作为接近传感器来操作，以基于容器205中的物质220的量来检测和/或测量电场中的变化。在示例性实施方案中，电容传感器105可包括彼此连通的第一电极130和第二电极125。例如，诸如第一电极130的一个电极可作为发射电极(即驱动电极)操作，而诸如第二电极125的剩余电极可作为接收电极(即输入电极)操作，反之亦然。

第一电极130和第二电极125可被配置成作为发射电极或驱动电极操作。例如，传感器系统100可包括连接在电容传感器105和检测电路110之间的多个开关，诸如开关115、116、117和118。可选择性地操作每个开关，以将第一电极130连接到驱动端子cdrv或输入端子cin，并将第二电极125连接到剩余端子。第一电极130和第二电极125可形成在绝缘衬底(未示出)诸如pcb衬底或柔性塑料衬底(未示出)内。

根据各种实施方案，第一电极130和第二电极125的操作可被排序，其中在一个时间间隔，第一电极130作为发射电极操作，然后在随后的时间间隔，第一电极130作为接收电极操作。在任何给定时间，一个电极作为接收电极操作，并且一个电极作为发射电极操作，以形成第一电场155。

每个电极130、125可包括两个终端。例如，第一电极130包括第一端部300和第二端部305。类似地，第二电极包括第三端部310和第四端部315。在各种实施方案中，第一电极130和第二电极125可彼此相邻定位。

根据各种实施方案，并且参考图2-4，第一电极130和第二电极125可附连到容器205。例如，第一电极130和第二电极125可附连到容器205的外表面215，或者容器205的内表面210。在又一配置中，第一电极130和第二电极125可形成在容器205的侧壁320内。

在各种实施方案中，第一电极130和第二电极125可布置成检测容器205中的物质220。例如，第一电极130和第二电极125可定位成形成第一电场155，并且具有随着物质220的量变化而变化的电容。例如，当容器205被物质220填充到第一料位(例如，最大料位)时，第一电极130和第二电极125可具有第一电容，并且当容器被物质220填充到第二料位(例如，最小料位)时，第一电极130和第二电极125可具有不同于第一电容的第二电容。

根据各种实施方案，第一电极130可附连到容器205的外表面215，并且从容器205的底部部分325延伸到侧壁320的外表面215。例如，第一电极130的第一端部300可附连到底部部分325，并且第一电极130的第二端部305可附连到侧壁320。

根据各种实施方案，第二电极125可附连到容器205的外表面215。例如，第二电极125的第三端部310可附连到侧壁320，并邻近第一电极130的第二端部305定位，而第四端部315也附连到侧壁320，并从第三端部310向上定位且与第三端部310竖直对齐。

根据各种实施方案，第一电极130和第二电极125由第一间隙135(例如，1毫米)隔开。例如，第一间隙135可由第一电极130的一个端部(例如，第二端部305)和第二电极125的一个端部(例如，第三端部)之间的空间限定。第一间隙135相对于容器205的位置可变化。换句话说，第一电极130和第二电极125可定位成使得第一间隙135位于例如容器205的下半部、中点或上半部内。

在各种实施方案中，传感器系统100检测物质220何时达到容器205中的第一感兴趣料位il1。第一间隙135的位置可与第一感兴趣料位il1相关。例如，第一间隙135相对于容器205的底部部分325的位置可对应于第一感兴趣料位il1。在各种实施方案中，当物质220的表面达到与第一间隙135基本上对齐的料位时，诸如在距第一间隙135的范围内，传感器系统100可经历第一电极130和第二电极125之间的电容的最大变化。例如，如果第一间隙135(和第一感兴趣料位il1)距容器205的底部部分325为10毫米(mm)，那么当物质220处于距容器205的底部部分325在8mm和12mm之间的料位时，传感器系统100可经历电容的最大变化。换句话说，当物质220的表面与第一间隙135基本上对齐时，诸如在距第一间隙1355mm或更小的范围内，电容变化最大。因此，随着物质220的量变化，传感器系统100可通过测量第一电极130和第二电极125之间的电容并检测测量电容的峰值变化来检测物质220何时处于或接近第一感兴趣料位il1。

根据第二实施方案，并参考图4，传感器系统100可包括附连到容器205的顶板420和侧壁320的第三电极400。类似于第一电极130，第三电极400可与第二电极125连通并邻近第二电极125定位，以形成第二电场455。例如，第三电极400可作为接收电极操作，并且第二电极125可作为发射电极操作，反之亦然。根据各种实施方案，第二电极125和第三电极400的操作可被排序，其中在一个时间间隔，第二电极125作为发射电极操作，然后在随后的时间间隔，第二电极125作为接收电极操作。在任何给定时间，一个电极作为接收电极操作，并且一个电极作为发射电极操作，以形成第二电场455。

根据本实施方案，第三电极400和第二电极125由第二间隙405隔开。例如，第二间隙405可由第三电极400的一个端部和第二电极125的一个端部(例如，第四端部315)之间的空间限定。第二间隙405相对于容器205的位置可变化。换句话说，第二电极125和第三电极400可定位成使得第二间隙405位于容器205的上半部内。

根据本实施方案，传感器系统100检测物质220何时达到容器205中的第二感兴趣料位il2。第二间隙405的位置可与第二感兴趣料位il2相关。例如，第二间隙405相对于容器205的底部部分325的位置可对应于第二感兴趣料位il2。在各种实施方案中，当物质220达到第二间隙405的特定范围内的料位时，传感器系统100可经历第二电极125和第三电极400之间的电容的最大变化。例如，如果第二间隙405(和第二感兴趣料位il2)距容器205的底部部分325为40毫米，那么当物质220处于当从底部部分325测量时在38mm和42mm之间的料位时，传感器系统100可经历电容的最大变化。换句话说，当物质220的表面与第二间隙405基本上对齐时，诸如在距第二间隙4055mm或更小的范围内，电容变化最大。因此，随着物质220的量变化，传感器系统100可通过测量第二电极125和第三电极400之间的电容并检测测量电容的峰值变化来检测物质220何时处于或接近第二感兴趣料位il2。

在各种实施方案中，第一电极130、第二电极125和第三电极400中的每一个可包括单个连续的导电元件，或者具有相同极性的多个导电元件(并且统称为电极)。例如，每个电极可使用任何合适的金属和/或其他导电材料形成。

在各种实施方案中，电场的强度(密度)可基于电极的位置而改变。例如，并且参考图3、图5、图7和图8，随着间隙的位置的变化和对应的感兴趣料位的变化，电容的峰值变化(即斜率)也由于电场的变化而变化。例如，在本实施方案中，第一电极130和第二电极125以及对应的第一间隙135以不同的尺寸布置，使得第一间隙135位于容器205上的不同位置(高度)。具体地，第一感兴趣料位il1(图3)在容器205上处于比第三感兴趣料位il3(图7，例如，距容器205的底部部分32520mm)更低的位置(例如，距容器205的底部部分32510mm)。据观察，每个波形的斜率在感兴趣的料位处或附近达到其最高值。根据本实施方案，当第一电极130和第二电极125被布置成提供第一感兴趣料位il1时，在第一感兴趣料位il1出现的电容峰值变化(图5，例如，il1＝191.2ff)小于在第三感兴趣料位il3出现的电容峰值变化(图8，例如，il3＝242.6ff)，因为第一电场155的强度随着感兴趣料位相对于容器205的底部325的位置(以及间隙135相对于容器205的底部325的位置)的增加而增加。

再次参考图1，检测电路110可耦合到电容传感器105，并且被配置成测量和/或检测电容传感器105的电容变化。检测电路110可包括用于感测电容变化的任何合适的系统或方法。例如，检测电路110可包括放大器165、模数转换器(adc)145和逻辑电路150。

根据各种实施方案，检测电路110可直接地或通过开关115、116、117、118间接地在输入端子cin和驱动端子cdrv处连接到电容传感器105。

检测电路110可被配置成具有预设内部电容或可变内部电容。例如，检测电路110可包括具有可调电容的可变电容器160。检测电路110还可包括连接在功率源170和电容传感器105之间的反相器120。功率源170可经由驱动端子cdrv连接到电容传感器105。

放大器165可被配置成将输入端子cin处的电容转换成电压和/或施加电压增益。例如，放大器电路165可包括差分放大器，该差分放大器包括连接到输入端子cin的反相端子(-)和连接到参考电压(诸如由电压源140提供)的非反相端子(+)。放大器165可被配置成测量反相端子和非反相端子之间的电压差。放大器165还可被配置成通过对电压差施加增益来放大信号，并且根据电压差和/或施加的增益来生成输出电压vout。

adc145可连接到放大器165的输出端子，并且被配置成将输出电压vout转换成数字值(即，ad值)。根据各种实施方案，随着电容元件的电容减小，对应的数字值增加，反之亦然。adc145可包括适于将模拟信号转换成数字信号的任何信号转换器。

检测电路110还可包括第一反馈电容器cf1和第二反馈电容器cf2。第一反馈电容器cf1可电连接在放大器165的第一输出端子和反相输入端子(-)之间，并且第二反馈电容器cf2可电连接在放大器165的第二输出端子和非反相输入端子(+)之间。第一反馈电容器cf1和第二反馈电容器cf2可具有相同的电容。第一反馈电容器cf1和第二反馈电容器cf2可分别与第一开关175和第二开关180结合操作，以便于放大器165的各种操作和增益控制。

逻辑电路150可从adc145接收数字值，解释这些值，并根据该数字值执行适当的响应和/或产生适当的输出信号。根据各种实施方案，逻辑电路150可被配置成执行各种计算，诸如加法、减法、乘法等。例如，逻辑电路150可包括逻辑门和/或其他电路来执行期望的计算。逻辑电路150可利用测量的电容和/或测量的电容的变化来确定是否出现电容的峰值变化。

在操作中，可利用传感器系统100执行多种检测方案。例如，传感器系统100可检测三维空间中物体的存在或不存在、容器中物质的料位和/或容器中物质的体积。

在各种操作中，并且参考图1和图4，传感器系统100通过测量和/或检测电容传感器105的电容和对应输出电压的变化来检测物质，所述电容和对应输出电压的变化是第一电场155的变化的结果。通常，物质220破坏第一电场155，因此容器205中物质220的量或料位的变化将导致电容传感器105的电容变化。随着电容变化，输出电压vout也变化。随着输出电压vout变化，有可能量化或以其他方式估计容器205中物质220的量和/或料位。

根据一个应用，传感器系统100可用于诸如打印机的主机设备(未示出)，并用于监测墨盒(未示出)中的墨的料位。例如，传感器系统100可连接到诸如微处理器或其他合适的处理电路的控制器(未示出)并与之连通，该控制器用于控制主机设备的操作。控制器可利用来自传感器系统100的信息来确定墨盒中的墨的料位。如果墨的料位达到第一感兴趣料位il1，则控制器可提供墨需要被补充的指示，诸如在主机设备上显示消息或提供声音指示器(嘟嘟声)。类似地，当补充墨时，在墨达到第二感兴趣料位il2时，控制器可提供表明墨盒已满的指示，诸如显示消息或提供声音指示器。

根据本申请，传感器系统100监测电容传感器105的电容和/或电容变化，并确定何时出现峰值变化。当出现峰值变化时，传感器系统100可向控制器报告该事件。

在替代应用中，传感器系统100可用于主机设备中，以基于容器的已知尺寸(例如，高度、宽度、长度)、物质的介电常数和测量的电容和/或电容变化来测量容器中物质的体积，并相应地提供期望的反馈。

所示和所述特定具体实施方式用于展示所述技术及其最佳模式，而不旨在以任何方式另外限制本技术的范围。实际上，为简洁起见，系统的常规制造、连接、制备和其他功能方面可能未详细描述。此外，多张图中示出的连接线旨在表示各种元件之间的示例性功能关系和/或步骤。在实际系统中可能存在多个替代的或另外的功能关系或物理连接。

在上述描述中，已结合具体示例性实施方案描述了所述技术。然而，可在不脱离所述的本发明技术的范围的情况下作出各种修改和改变。以示例性而非限制性方式考虑说明和附图，并且所有此类修改旨在包括在本技术的范围内。因此，应通过所述的一般实施方案及其在法律意义上的等同形式，而不是仅通过上述具体示例确定所述技术的范围。例如，可以任何适当的顺序执行任何方法或过程实施方案中列举的步骤，并且不限于具体示例中提供的明确顺序。另外，任何系统实施方案中列举的组件和/或元件可以多种排列方式组合，以产生与本发明技术基本上相同的结果，并且因此不限于具体示例中阐述的具体配置。

上文已经针对具体实施方案描述了有益效果、其它优点和问题解决方案。然而，任何有益效果、优点、问题解决方案或者可使任何具体有益效果、优点或解决方案出现或变得更明显的任何要素都不应被解释为关键、所需或必要特征或组成部分。

术语“包含”、“包括”或其任何变型形式旨在提及非排它性的包括，使得包括一系列要素的过程、方法、制品、组合物或装置不仅仅包括这些列举的要素，而且还可包括未明确列出的或此类过程、方法、制品、组合物或装置固有的其它要素。除了未具体引用的那些，本技术的实施所用的上述结构、布置、应用、比例、元件、材料或部件的其它组合和/或修改可在不脱离其一般原理的情况下变化或以其它方式特别适于具体环境、制造规范、设计参数或其它操作要求。

上文已结合示例性实施方案描述了本技术。然而，可在不脱离本技术的范围的情况下对示例性实施方案作出改变和修改。这些和其他改变或修改旨在包括在本发明技术的范围内。

根据第一方面，附连到能够容纳物质的容器的电容传感器包括：第一电极，该第一电极附连到容器并从容器的底部部分延伸到侧壁，该侧壁连接到底部部分并从底部部分向上延伸，其中第一电极包括：第一端部，该第一端部附连到容器的底部部分；和第二端部，该第二端部附连到容器的侧壁；第二电极，该第二电极附连到容器并且包括：第三端部，该第三端部附连到容器的侧壁并邻近第一电极的第二端部定位；和第四端部，该第四端部附连到容器的侧壁并从第三端部向上定位且与第三端部竖直对齐；其中：第一电极和第二电极形成第一电容；并且第一电极和第二电极由第一间隙隔开。

在一个实施方案中，第一电容根据物质的表面相对于底部部分的高度而变化。

在一个实施方案中，第一间隙的位置对应于第一指示器水平。

在一个实施方案中，当物质的表面与第一间隙基本上对齐时，第一电容的变化最大。

在一个实施方案中，第一电极具有第一极性，并且第二电极具有相反的极性。

在一个实施方案中，电容传感器还包括附连到容器并具有第一极性的第三电极，其中第三电极包括：第五端部，该第五端部附连到顶部部分，其中顶部部分定位成基本上平行于底部部分并在底部部分上方；和第六端部，该第六端部附连到侧壁并邻近第四端部。

在一个实施方案中，第二电极和第三电极形成第二电容；并且第四端部和第六端部由第二间隙隔开；

在一个实施方案中，第二间隙的位置对应于第二指示器水平。

在一个实施方案中，当物质的表面与第二间隙基本上对齐时第二电容的变化最大。

在一个实施方案中，第一电极包括多个相同极性的导电元件。

在一个实施方案中，第一电极包括单个连续的导电元件。

根据第二方面，使用电容传感器检测容器中的物质的方法包括：将电容传感器附连到容器；其中，容器包括：底部部分；和侧壁，该侧壁从底部部分向上延伸；其中，电容传感器包括：第一电极，该第一电极包括：第一端部，该第一端部附连到容器的底部部分；和第二端部，该第二端部附连到容器的侧壁；和第二电极，该第二电极包括：第三端部，该第三端部附连到容器的侧壁并邻近第一电极的第二端部定位；和第四端部，该第四端部附连到容器的侧壁并从第三端部向上定位且与第三端部竖直对齐；在第一电极和第二电极之间形成电容；以及根据物质的表面的高度检测电容的变化。

在一个实施方案中，第二端部和第三端部由间隙隔开。

在一个实施方案中，间隙的位置对应于指示器水平。

在一个实施方案中，当物质表面的高度在距离间隙5毫米的范围内时，电容的变化最大。

根据第三方面，用于监测容器中的液体量的系统包括：附连到容器的电容传感器；其中，容器包括：水平底板；和侧壁，该侧壁从水平底板向上延伸；其中，电容传感器包括：第一电极，该第一电极附连到容器并且包括：第一端部，该第一端部附连到容器的水平底板；和第二端部，该第二端部附连到容器的侧壁；和第二电极，该第二电极附连到容器并与第一电极形成第一电容，并且包括：第三端部，该第三端部附连到容器的侧壁并邻近第一电极的第二端部定位，其中，第三端部和第二端部由第一间隙隔开；和第四端部，该第四端部附连到容器的侧壁并从第三端部向上定位且与第三端部竖直对齐；和检测电路，该检测电路连接到电容传感器并被配置成：测量第一电容；根据测量的电容计算第一电容的变化；并且根据第一电容的变化确定液体表面的高度。

在一个实施方案中，第一间隙的位置对应于指示器水平。

在一个实施方案中，当液体的表面的高度与第一间隙基本上对齐时，第一电容的变化最大。

在一个实施方案中，该系统还包括第三电极，该第三电极与第二电极形成第二电容并且包括：第五端部，该第五端部附连到水平顶板，其中水平顶板定位成平行于水平底板并在水平底板上方；和第六端部，该第六端部附连到侧壁并邻近第四端部。

在一个实施方案中，第四端部和第六端部由第二间隙隔开；并且当物质的表面的高度与第二间隙基本上对齐时，第二电容的变化最大。