具有差分屏蔽的电容式传感器的制造方法
【专利说明】具有差分屏蔽的电容式传感器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本非临时专利申请请求于2013年11月27日提交的标题为“DIFFERENTIAL SHIELDSENSOR DESIGN”的在先提交的美国临时申请N0.61/909728的权益，在此通过引用以其整体并入本文。
技术领域
[0003]本发明总体上涉及传感器，并且更具体地，涉及电容式传感器的设计和采样。
【背景技术】
[0004]电容式感测是基于电容耦合的技术。电容式传感器可以检测电容式传感器附近的材料特性。该材料可以是导电的和/或具有比其周围不同的介电。电容性感测用在许多不同类型的传感器中，包括检测和测量接近度、位置或位移、湿度、流体水平和加速度。当用于检测电容变化的电容式传感器变得更加精确和可靠时，电容式传感器变得更受欢迎。例如，电容式传感器用于许多设备中，诸如笔记本电脑的触控板、数字音频播放器、计算机显示器、移动电话、移动设备、平板电脑等。设计工程师继续选择电容式传感器，用于他们的通用性、可靠性和耐用性，并降低机械开关的成本。
[0005]电容式传感器通常通过在单层或多层印刷电路板(PCB))、柔性电路和/或印刷导体提供电极而工作，其中所述电极被激发以产生电场。PCB上传感器电极形成作为虚拟电容器的一个极板。虚拟电容器的另一个板由外部对象提供，例如用户手指，或某种导电材料等。当外部对象扰乱由传感器电极产生的电场时，传感器电极可以测量传感器电极上虚拟电容器的电容变化。使用电容性测量，外部对象所造成的干扰可以被精确地检测。
【发明内容】
[0006]本发明描述了一种差分屏蔽电容式传感器的设计。该传感器设计使用差分测量以测量电容，以及一对迹线用于差分拒绝传感器迹线的反应和平衡任何寄生电容。在一些实施例中，所述传感器的设计包括在柔性电路上的底侧上的差分传感器设计，以差分平衡环境和抑制耦合到传感器的噪声。柔性电路的顶侧可以包括单端设计用于适当的环境感测。传感器的空间排列和尺寸可以根据应用的不同而不同。
【附图说明】
[0007]为了提供对本公开以及其特征和优点的完整理解，可结合附图参考下面的描述，其中，相同的附图标记表示类似的部件，其中:
[0008]图1A示出根据本发明的一些实施例，示例性差分传感器设计的顶视图；
[0009]图1B示出根据本发明的一些实施例，示例性差分传感器设计的侧视图；
[0010]图2示出根据本发明的一些实施例，另一示例性差分传感器设计的顶视图；
[0011]图3示出根据本发明的一些实施例，另一示例性差分传感器设计的顶视图；
[0012]图4A示出根据本发明的一些实施例，示例性差分传感器设计的顶视图；
[0013]图4B示出根据本发明的一些实施例，示例性差分传感器设计的侧视图；
[0014]图5示出根据本发明的一些实施例，用于充电和采样的改进电容式传感器和电路的系统；和
[0015]图6是根据本发明的一些实施例，采用差分采样检测电容式传感器的环境的示例性方法的流程图。
【具体实施方式】
[0016]一些电容式传感器相关的一些问题
[0017]基于电容式感应的用户界面是最近消费电子产品的理想功能。从手机到媒体播放器到卫星导航系统的发展趋势，提高人机界面的趋势正在演变。用户触摸引起电容变化以激活开关被很好地理解，但实现具有适当的屏蔽和路由的PCB传感器设计成为硬件设计者的一个挑战。
[0018]在许多情况下，电容式传感用在受到各种噪声源的噪音的环境下，或电极与迹线的物理设计易于受到系统内的噪声。电容响应于手指触摸的变化是微微法拉(picofarad)的一小部分，传感器或传感器迹线看到的如此微小的寄生电容降低电容式传感器控制器的动态范围。此外，传感器屏蔽不足可呈现创建嘈杂响应的耦合路径，降低由传感器可实现的信号-噪声比(SNR)并减小用户界面的分辨率。
[0019]为了解决噪音问题，一些解决方案提供了一种主动/从动(交流)的交流屏蔽信号，即减轻寄生电容、远程传感器连接、传感器路由和电容式传感器屏蔽的问题。驱动AC屏蔽信号的优点在于，传感器和传感器迹线可以由在相位上具有传感器激励的信号进行屏蔽。消除在屏蔽和传感器/传感器迹线之间的电势也消除了电容。因此，为了减小寄生电容和噪声耦合，驱动的AC屏蔽信号能淹没在传感器基板，并用作沿所有传感器迹线的保护信号。其它一些解决方案提供(虚拟)接地屏蔽以抑制在传感器的背面上的噪声源。在针对于解决天线状迹线的干扰敏感性和迹线本身的不必要电容的另一些其他解决方案中，接地屏蔽可以被提供以屏蔽长传感迹线(类似于同轴电缆)，或使用第二个电容传感线以通过共模测量系统排除干扰的影响。
[0020]使用接地屏蔽件和/或驱动AC屏蔽的解决方案往往会导致灵敏度的降低。接地屏蔽设计从传感器和传感器迹线“偷”显著量的电荷。AC屏蔽对于减少该效果要好得多，但和传感器本身相比，AC驱动波形由于和屏蔽一起加载的多余寄生电容而歪斜是常见的，因此是不理想的。
[0021]一种改进的方法:差分测暈和差分屏蔽设计
[0022]改进的电容式传感器设计或组件可以减轻本文所描述的至少一些问题。根据一个方面，改进的电容式传感器设计采用差分测量系统来测量具有差分屏蔽的传感器。具体地，所述差分测量系统被配置以差分地激发或充电改进传感器的各个部件，以及同时采样传感器的各部件(不按顺序)，以获取差分电容式传感器的测量(两个差分信号)。差分测量可以作为输入提供给差分积分器，它可以独立于在差分测量中存在的共模信号而产生测量。具有连接到一对迹线的差分屏蔽的改进传感器的差分测量可差分拒绝该传感器迹线的反应并平衡寄生电容。这一对迹线在这里称为“P迹线”和“N迹线”。使用差分方法，噪声干扰将存在于在迹线的端部测得的两个互补信号上，但显示为共模信号的干扰将由于差分信号被抵消。
[0023]改进设计的一个重要特征在于:不仅差分屏蔽由差分信号驱动，差分屏蔽也差分测量并用作电容测量的一部分。为了提供差分信号和差分测量，电容式传感器的不同部分被电连接到相应迹线，本文中被称为“P迹线”和“N迹线”。迹线的端部然后连接到电路的对应P和N个终端，其经置以进行差分电容式传感器测量。在充电阶段，该迹线的端部(与所述传感器中的相应部分)通过第一个互补/差分信号和第二个互补/差分信号分别充电或激发。互补/差分信号在此统称为“P信号”和“N信号”。在采样阶段中，迹线的端部可以连接到所述电路，用于分别进行第一互补/差分测量和第二个互补/差分测量。互补/差分信号在此统称为“P测量”和第“N测量”。P测量和N测量同时进行。最终的测量通常通过P测量和N测量之间的差来表示，以拒绝共模信号。
[0024]改进电容式传感器可以感测使用差分采样电容式传感器的环境。具体地，电容式传感器可以包括单端部、具有多个分段的分段差屏蔽部分以及一对迹线。一般来说，这些部件是导电的，或者由合适材料制成以充当电容式传感器的电极。单端部分连接到所述迹线中的一个，并且所述分段差分屏蔽部的分段被连接到任何一对迹线中的一个。
[0025]在本公开的上下文中，该环境一般是指传感器的周围，或邻近传感器的空间区域。该环境可以包括一个或多个对象，诸如材料或生命体的部件等。电容式传感器和连接到其的电路可以使得代表环境的差分信号(两个差分信号)将被获取。代表环境的差分信号(或单端引出物)可以提供对环境变化的介电常数的指示，电容式传感器上电荷量的改变和/或一个或多个对象与电容式传感器的距离等。
[0026]改进的电容式传感器的设计包括在(电)绝缘层一侧上的单端部(在此称为前侧)，以允许传感器以感测环境(例如，接近传感器的用户，接近传感器的对象，等)。此外，改进的电容式传感器的设计包括在(电)绝缘层的另一侧的分段差屏蔽部(在此称为底侧)，以差分平衡传感器周围的环境并帮助拒绝耦合到所述分段式差速器屏蔽部分的任何噪声。例如，单端部是在绝缘层的第一侧上，并且分段式差分屏蔽部是在绝缘层的第二侧。在某些情况下，单端部是在绝缘层的第一侧上，并且分段式差分屏蔽部是在所述绝缘层的第一侧和第二侧上。绝缘层的例子包括:电路板、柔性电路的柔性塑料基底和/或电绝缘材料。
[0027]分段差分屏蔽部分的不同分段被连接到相应的P和N的迹线，从而提供一个或多个“P分段”或“N分段”。在底侧上的差分屏蔽部的一个方面在于，P分段的面积或电荷贡献可以等于或平衡N段(多个)的面积或电荷贡献。措辞不同地，连接到第一迹线(P迹线)的分段差分屏蔽部中的P分段具有和连接到第二迹线(N迹线)的分段差分屏蔽部