使用自电容的位置感测设备和方法
【专利说明】使用自电容的位置感测设备和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2014年3月21日递交的美国临时专利申请N0.61/968，456的优先权，将其全部公开内容一并在此用作参考。
技术领域
[0003]本发明涉及基于对电极自电容的测量的电容性位置感测设备和方法。
【背景技术】
[0004]现有的电容性位置传感器直接测量可相对移动的电极之间的互电容，以避免或至少减少寄生电容的影响。ASIC(专用集成电路)一直是实现这种传感器的唯一方法，但只有一些应用(比如数字卡尺和水平仪)有足够大的市场来承受ASIC的高研发成本。
[0005]近期，出现了集成有电容性触摸感测电子器件的大规模生产的微控制器。它们同样可以用于除了触摸检测之外的位置感测应用。例如，Ross Jr.等人的美国专利7，997，132公开了用于通过连接到“通常与触摸屏显示器相关联的集成芯片”的一个或多个“天线探头”来感测位置或液位的电容性传感器组件。
[0006]这些微控制器感测电极的自电容，适用于键盘触摸检测。然而，对感测对象的电容只是电极的自电容的一部分，寄生电容(主要来自互连)构成其余部分。因此，这一寄生电容的贡献(以及其随污染(比如水分和凝结)的漂移)必须被消除。这通常是通过在不进行触摸的情况下监测电容并且保持触摸检测阈值刚好在其之上来完成的。尽管如此，针对位置感测，也需要其它的方式。一种明显的方式是降低寄生电容，但存在如下限制:在例如印刷电路板上，大多数寄生电容是通过衬底(其介电常数通常是空气的4到5倍)的，并强烈地随温度、水分吸收和凝结发生变化。
[0007]—种用于移除寄生电容的效果的熟知且有效的方法是使用由单位增益缓冲器(其输入与电极连接)驱动的屏蔽罩来围绕电极:通过零屏蔽罩-电极电压以及通过所提供的屏蔽实际消除了耦合。Vranish等人的美国专利5，166，679公开了由以相同电压驱动的屏蔽罩支持的电容性邻近感测元件。Vranish等人的美国专利5，214，388公开了由公共屏蔽罩支持的多个感测元件，其中具有将所有感测元件电压调整到屏蔽罩电压的电路:这将元件之间的互耦减小至可忽略的水平，从而可以同时感测所有元件。在以MotorolaMC33794和Freescale MC33941为示例的“电场成像设备”集成电路族中使用了更为简单的方式:复用器每次将一个电极切换到电容感测电路以及驱动屏蔽罩输出的单位增益缓冲器，而同时保持其余电极接地。由于这并不涉及电极之间的互耦，所以数据表(datasheet)建议每个电极使用一个同轴电缆并且将所有屏蔽罩连接到屏蔽罩输出。与微控制器不同的是，这些集成电路是不可编程的。
[0008]通常，单位增益缓冲器和复用器并不集成于集成了触摸感测的微控制器中，从而它们将不得不被添加到电路。不管是集成还是外部添加，与不具有屏蔽罩驱动输出的简单触摸感测微控制器相比，使用输出电压跟随输入电压所需的带宽和转换速率来驱动电容性负载的单位增益缓冲器需要高得多的电源电流。
[0009]最后，电容性位置传感器的常见缺陷是难以监测污染(其大多数情况下只有在被测电熔或其改变超出某一阈值时才可被检测到)。由于传感器极有可能远在达到阈值之前就变得不可依靠，所以警告将过于迟晚。
【发明内容】
[0010]本发明的一个目标是克服现有技术中的电容性位置感测设备或方法的缺陷。
[0011]因此，公开了一种基于对电极自电容进行测量的电容性位置感测设备和方法，其中包括信号电极(pickup electrode)、部分地包围所述信号电极的屏蔽电极以及信号电极附近的实质上接地可相对移动目标；所述方法包括:形成至少一个信号电极集合和至少一个屏蔽电极集合，所述信号电极集合包括一个信号电极或包括连接在一起的多个信号电极，所述屏蔽电极集合包括屏蔽电极，其余的信号电极与所述屏蔽电极相连；在所述屏蔽电极集合接地的情况下，测量所述至少一个信号电极集合的自电容C1，在信号电极集合接地的情况下，测量所述至少一个屏蔽电极集合的自电容C2，以及测量连接在一起的信号电极集合和屏蔽电极集合的自电容C3 ;由此根据所述至少一个自电容C1、所述至少一个自电容C2和所述自电容C3来计算目标的位置。
[0012]从而，可从结果(Cl_C2+C3)/2计算出信号电极集合和目标之间的互电容，结果(Cl-C2+C3)/2表示将被检测的位置。结果等于信号电极集合和目标之间的互电容，这是因为所有其它互电容抵消。与由信号电极集合馈电并驱动其它电极的单位增益缓冲器一样，这也将移除寄生电容的作用，只不过这样做电路更简单且功耗更低。
[0013]屏蔽电极的接地寄生电容(即旁路刻度尺的接地电容)同样抵消，但信号电极的接地寄生电容(即旁路目标、屏蔽罩或另一信号电极)则不抵消。然而，适当的布置可以将该寄生电容实际减少到电极的微控制器焊盘电容，该焊盘电容并不随温度或湿度改变很多，从而向结果添加常量电容。因此，通过在没有目标的情况下初始测量和计算每个信号电极集合的电容并将其存储为用于后续补偿的常量，容易实现抵消。
[0014]测量三个电容而不只是一个同样使得能够早期检测增加相邻电极间的互电容的污染(比如凝结)。该互电容等于(Cl+C2_C3)/2，并且只是微弱地受到位置的影响，从而该结果中的任意改变主要来自污染，这使得其检测在位置感测之前被破坏。通过比较，通过只是测量指示位置的互电容来检测污染只有在其超出合理值时(即过晚)才有可能。
[0015]位置检测通常需要来自一个信号电极集合和屏蔽电极集合的不止一个结果，其必须使用不同的信号和屏蔽电极集合进行重复，直到存在足够的计算互感电容为止。位置测量以足以保持由于快速运动导致的失真较小的速率进行。这可通过只是间歇地测量电容C1、C2、C3以及计算电容(Cl+C2-C3)/2来实现，电容(C1+C2-C3)/2指示污染:然后，可从后续对电容C1的单次测量中重复减去该结果(实质上不随位置和时间变化)，以找到指示位置的互电容(Cl-C2+C3)/2。
[0016]本发明的一个实施例是线性或曲线信号电极阵列，其限定了轨道，具有屏蔽物(screen)形状的目标能够以大约恒定的间隔沿所述轨道移动，其中信号电极阵列在不面对目标的侧面被屏蔽电极围绕。针对每个信号电极(这里，每个信号电极集合只包括一个电极)得到互电容结果，针对N个电极得到N个结果。从而，得到相对位置是直接的。从而，还能够得到信号阵列和目标之间的间隔，甚至是其沿轨道的变化或是俯仰角(如果屏蔽物总共覆盖了至少两个电极的话)。间隔和/或俯仰数据可更为准确地确定位置X，例如通过检测刻度尺和信号电极阵列之间的导向误差(从而对其进行补偿)。
[0017]许多目标配置可用于这种阵列。电极可以是针对紧密设备的单个屏蔽物、或用来获得更准确的增量测量的屏蔽物空间周期性序列、或具有一些缺少的屏蔽物空间周期性序列，其位置可被标识，以使得在绝对大于阵列的范围进行测量，而保持增强的准确度。这种目标配置可用于例如低成本电容性数字卡尺。
[0018]本发明的一个优选实施例是，使用微控制器的粗糙绝对位置传感器，包括电容性感测以及与增量位置传感器共享印刷电路，所述粗糙传感器使用增量传感器的刻度尺作为其目标。增量位置传感器提供组合测量的分辨率和准确度，而粗糙绝对传感器(其只需要准确地加上或减去增量传感器的间距的一半，以避免位置误差)提供其范围。组合测量是在粗糙绝对位置传感器的微控制器中计算的。该实施例可用于使测量工具(比如数字线性测量仪器或数字指示器)绝对。
[0019]优选地，粗糙绝对传感器包括覆盖所有位置的信号电极线性阵列，可移动位置传感器的定尺的顶端可利用这一范围。绝对传感器可在测量路