具有相关联的评估电路的电容式传感器装置的制作方法

本发明涉及一种用于检测靠近传感器的电容变化的电容式传感器装置。在物体或人体靠近传感器电极时，根据本发明的电容式传感器装置和相关联的评估电路检测传感器电极的电容变化。

背景技术：

电容式的靠近开关在现有技术中在车辆的应用领域中被公知。例如，EP 1505734公开了一种电容式的靠近开关和相关联的评估方法。这种电容式的靠近开关具有传感器电极并且当在传感器电极和参考电极之间获得一定的电容或电容改变时应当作出响应。为此通常在车辆的被设计用于操作检测的区域内布置多个电极。

在被带到预定电位的传感器电极与参考电极、例如车辆接地线或位于车辆下面的底部的接地线之间形成一电容。如果物体例如用户的手或用户的脚在传感器装置的敏感区域内移动，则所述电容是可变的。可以采用不同的方法检测电容本身。例如，可以将数字时钟的放电过程的数量或放电持续时间用作电容的测量值。这种评价方法在现有技术中已被充分公开。例如，DE 19617038A1也公开了靠近车辆门把手的电容式检测装置。

在已知的传感器装置中问题是，外部影响导致：即使没有用户靠近传感器电极的电容值也发生变化。传感器电极的电容高度依赖于环境，例如在传感器电极区域内的湿度、覆盖有雨、雪、冰或尘埃。在这种情况下，例如，DE 19620059A1公开了一种电容式的靠近开关，只有当响应电极和参考电极之间的电容以大于下限值的速度变化时才接通。

WO2010/045662公开了一种具有传感器电极的电容式传感器装置，其为了评估电容多次重新充电，并且与补偿电容耦合。

US 8,154,310 B1描述了一种具有电容补偿的电容式传感器，其中电流镜用来通过重新充电电流来评估电容。

然而，这些构思在以下方面不发生变化，即评估电路通常根据工作点而设计，所述工作点对应于期望的待评估的电容或电容的改变。如果电容因外部影响而显著改变，则通常也会降低评估的准确性，因为电路的设计不再对应于电容的基本值。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种改进的传感器装置和评估电路，即使在可改变的环境条件下所述传感器装置也可以以改进的方式实现电容变化。

根据本发明，该目的通过具有权利要求1所述特征的装置来实现。

根据本发明的解决方案适合于用在车辆的任何电容式传感器系统上、例如车门把手上或在尾部区域中的手势识别(例如脚踏式传感器)。

传感器装置和相关联的评估电路的基本工作原理首先在于：传感器电极重复地与电位或电压耦合，以促使对应于电容地对传感器电极充电。然后通过开关元件使得传感器电极与传感器电压的耦合断开，并且使得充了电的传感器电极与评估电路耦合。评估电路根据电流镜(Stromspiegel)亦或简单的电流源电路被复制。至关重要的是，传感器电极的放电、即待测试的电容器通过电流支路来实现，而在并联的、第二电流支路中推动与之有关的电荷流动。因此，在第二电流支路中通过多个切换周期形成可测量的电压，该电压是对传感器电极的待测量的电容的度量。

因此，传感器电极与第一开关元件耦合，该开关元件在控制作用下引起传感器电极一方面与传感器工作电压或者在切换情况下与评估电路反复和交替的耦合。该切换可以以高频的方式进行，从而切换的多个周期导致在评估电路中可评估的电荷移动。如已经阐述过的那样，按照电流镜或电流源电路的类型至少以基本的设计特征构建评估电路。相应地，评估电路具有输入-电流支路、即第一电流支路和与第一电流支路相关的第二电流支路。每个电流支路分别包括至少一个三极管，其中，三极管的基极导电式地耦合。第一电流支路通过所述的开关元件可与传感器电极耦合。因此，如果操作第一开关元件，那么先前与传感器工作电压耦合的且根据其电容充电的传感器电极通过第一电流支路放电。发生所述放电，因为第一传感器电极通过与评估电路的耦合不仅与第一电流支路上的第一三极管的基极耦合，而且通过占用所述三极管的基极和与之相连的通路可以实现传感器电极的电荷在第一三极管的集电极和发射极上导出。此外，在该第一电流支路中还布置有第一辅助电阻。

第二电流支路通过第二三极管的基极同样可与传感器电极耦合。因此，带电的传感器电极不仅与第一三极管的基极而且与第二三极管的基极耦合，并且相应地进行两个三极管的连接。在第二电流支路中、即结合第二三极管的发射极和集电极耦合参考电位(参考电压源)。参考电位可以具有与对应于传感器工作电压的电位相同的电位，但也可以是另一电位(另一电压)。此外，在第二电流支路中布置有第二辅助电阻。

因此，根据本发明的评估电路具有带有电流镜电路基本特征的电路结构，其中，待评估的电容的放电电流在电流镜中被用作输入电流。但是，在输出电流的第二电流支路中，与电流镜的经典结构有偏差地还耦合有辅助电容或保持电容。该电容可以实现测量值在传感器电极的多个切换周期上的积累，所述测量值在第二电流支路中会减小并且用作传感器电极上的电容变化的量度。“积累”在此系指，总是在电流流过电流镜时保持电容才经历电荷变化。当电流流动停止时，这种电荷变化得以保持。在下一周期中，再次引起电流流动并且电荷进一步移动。在多个周期中观察保持电容上的电压时，相应地可看到阶梯形的电压曲线，该电压曲线引起积累的电荷。完成足够多的周期使得保持电容载有电荷(并且显示出电压)，所述电荷是传感器电极的电容的量度。辅助电容在对周期的新序列评估之后例如通过暂时与地耦接而再次放电。

根据本发明，在第一电流支路中，附加的、设置有开关的电容作为补偿电容可耦合。在这种情况下“可耦合”意味着电容基本上并联于待评估的传感器电极电容地在第一电流支路中可接通，但是，设置有开关元件，该开关元件使得电容的第二连接件要么与传感器工作电压耦合，要么建立与地的耦接要么电容在该连接件上无电位(浮动)。

这种电容的耦合的主要优点在于，可以切换不同的测量区域。补偿电容的开关和用于使得传感器电极与评估电路耦合的开关通常同步。补偿电容在测量闲置时间被设置到传感器工作电压上。同时随着传感器电极的耦合及其放电到评估电路中，根据测量的区域选择进行补偿电容与地电位或无电位的控制装置的耦合。取决于电路地，对于评估电路可见的电容和对于评估电路因此可见的电流是不同的。如果在其他情况下因传感器电极的环境影响或污染而与评估电路的最佳工作点存在距离，进行补偿电容的耦合。

下面参照实施例具体介绍本发明的效果。但是在这一点上，在评估时已经采用一般方法对根据本发明的构思的基本步骤进行了说明。

在测量周期开始时，第一开关元件被接通用于使得电容式传感器电极与工作电压耦合。因此，传感器电极与评估电路解耦，而根据其电容和工作电压充电。

评估电路同时被接通，使得辅助电容(或保持电容)在第二电流支路上在一侧施加以电压，但是流过第二电流支路的电流被切断，因为在第一电流支路中没有电流流动，并且第一和第二电流支路用作电流镜。

在第二步骤中，接通第一开关元件，由此使得传感器电极与工作电压解耦，并且与评估电路、更确切地说是与电流镜的第一电流支路耦合。

如果首先不考虑补偿电容的影响，由于存在于系统中的电压现在电流将从带电的传感器电极流过第一电流镜的第一电流支路，所述电流流动会引起第二电流支路中相应的电流流动。通过电流流动再次充电的保持电容位于第二电流支路中。通过保持电容的再次充电会引起在该保持电容上的可量取的电压。

该过程被重复几次，即传感器电极与评估电路解耦、与工作电压耦合、充电并且再次与评估电路耦合，其中，保持电容在这些周期中逐渐充电积累并且形成电压。几个周期之后、例如5-15个周期之后保持电容的电压被评估，并转换为对传感器电极的电容的量度。

然而，根据本发明，在第一电流支路中设置补偿电容。该补偿电容例如并联于第一电流支路地耦合。由此在电流流过电流镜的阶段会发生不同的现象。根据补偿电容的连接方式，传感器电极的放电电流的部分不流过第一电流支路而是沿着补偿电容的方向流动。该电流丢失了电流镜像，相应地所述电流在第二电流支路中也看不到并且采用其份额不会导致保持电容器的再次充电。

因此，通过将传感器电极的电荷的一部分从电流镜的评估装置中去除、即通过在补偿电容的方向分支对传感器电极的电荷的一部分进行补偿。因为补偿电容的第二连接件与可选的电压、地或浮动-电位耦合，补偿电容的再次充电受到影响是显而易见的。相应地，补偿的程度可以通过该预选和在第二开关元件上的耦合进行调整。

根据所检测到的电压值对保持电容进行所述调整，以便将所述充过电的电压值保持在期望的范围内。

在本发明的一种优选的改进方案中，多个补偿电容例如两个补偿电容可并联地接通，其中，每个要么分离地与地可接通，要么与浮动电位可接通。由此根据补偿电容的电路的组合，对于评估电路在不同的测量范围得到可见的电流流动的变化。

在评估电路的输出电流的支路中，在那里可见的电流对于测量值的积累是有用的。在这种情况下，该电流是来自于传感器电极电容的放电还是来自于补偿电容不是至关重要的。因此，评估电路的第二支路被调整到一工作区上，并且当待评估的数据偏离工作区时，通过接通补偿电容可以将测量数据送回到工作区中。

可以看出，补偿电容可以具有相同的电容值，但这不是必要的。

在本发明的一种改进方案中，补偿电容上的补偿电压是可变的。补偿电压通过补偿电容与第一电流支路耦合。当传感器电极为了评估而与所述电压耦合时，根据在补偿电容的背离电流支路的连接件上的电压可以将电荷移动到补偿电容上。如果在补偿电容上形成“电压-背压(Gegendruck)”，那么较少的电荷流到电容上，并且相应地更大的电流流过电流镜。另一方面，如果产生是“电压-Sog”产生，那么更多的电荷从评估电路沿着补偿电容的方向被带走而更少的电流流过电流镜。

附图说明

现在借助于所附的实施例对本发明进行详述。

图1示出了在车辆上的电容的示意图；

图2以简化的框图的形式示出了本发明的第一实施例；

图3以简化的框图的形式示出了本发明的第二实施例；

具体实施方式

在图1中示出了车辆1，该车辆在尾部区域中具有电容式的传感器2。传感器2被构造为传感器电极，该传感器电极布置在车辆的后保险杠内。在希望操作行李箱盖板时，用户可以执行动作手势，尤其是将脚移动到车辆尾部的下面，因此使得传感电极的电容改变并因此打开行李箱的开口。

电极在车辆长度上在整个保险杠或一定的部段上延伸，在所述部段内用户已经执行了手势。

在图中示意性地示出了车辆的待考虑的电容。相对于实际的地电位，车辆的底盘具有通常比其余电容大多个数量级的电容。电容C底盘通常是几个100pF亦或甚至更高的电容。针对以下考虑，根据车辆底盘相对于地电位的该电容通常是可忽略的，因为车辆底盘本身相对于传感器电极形成车辆接地线，该车辆接地线在示意图中称作CMass。

此外，传感器电极2相对于地电位具有几个pF的电容例如约5pF的电容。响应地，在该示意图中CGND为5pF。

此外，可变电容ΔCS并联于CGND起作用。该变化的电容取决于环境条件或身体在传感器电极2周围区域内的运动。针对该效应基本上有不同的考虑方法，一方面，电介质围绕传感器电极2改变，另一方面，为了进行解释，(操作者的身体的)另一电容的耦合可以平行于CGND进行。然而，不取决于考虑方法，电容ΔCS是对于操作检测应当检测到的那些电容。在这种情况下电容ΔCS即电容的变化通过外部的影响或操作而比电容CGND低得多。通常情况下，电容ΔCS小于1pF例如小于0.5pF。

电容CGND通过环境影响例如干燥的盐水、润滑涂层亦或在保险杠上涂敷油漆而变化。如果电容CGND增大，实际的检测电容ΔCS将更难被检测。由传感器电极2产生电场的的磁力线通过这种干扰特别是导电层被强烈影响，并且不再充分地在检测区域内延伸。

因此，识别电容的微小变化是重要的，即使任何时候存在的基本电容都是可变的。

本发明在此开始，通过根据所检测到的测量值可以移动电路的工作点。

图2示出了相应的示意电路图。可看到，该电路在简单的电流源电路的部分中亦或在电流镜中是借用的。

传感器电极的待检测的、可变的电容CS在图中作为可变电容被示出。该电容例如与阻尼电阻R0耦合以及与第一开关元件SW1耦合。第一开关元件SW1可电子控制，并且传感器电极、即电容Cs可以与工作电压U0耦合。在另一切换位置中，通过第一开关元件SW1解耦，并且为了评估使得传感器电极与评估电路10耦合。

如图所示，在具有电容CS的传感器电极与评估电路10耦合时，传感器电极的放电在电流镜的输入电流的那一侧。为此，在三极管T1中集电极端子和基极端子连接起来并且可与传感器电极耦合。如果输入电流流过三极管T1，那么就会出现与输入电流有关联的基极-发射极-电压。

两个三极管T1和T2的基极相连接。在评估电路的、由“采样和保持”或保持电容CH、三极管T2和辅助电阻R2构成的第二电流支路中同样与电源电压U0耦合。电压UADC可获取。根据电容CH在多个测量周期上的充电的积累，该电压用作电容CS的量度。

然而，本发明以并联于电流镜的第一电流支路的方式具有补偿电容。在该实施例中，第二开关元件SW2和第三开关元件SW3与相关联的补偿电容C1和C2耦合。根据第二开关元件SW2和第三开关元件SW3的接通位置，电容通过其在图中位于下方的连接件要么可以连接到地电位上要么连接到浮置电位上。在第一开关元件SW1使得传感器电极与电源电压U0耦合的阶段中，电容器C1和C2也可以与电源电压U0耦合。

为了评估电容CS，对第一开关元件SW1进行多次切换操作，从而使得电容CS一再被充电，并且通过评估电路而放电。

在这种情况下，步骤如下：

-借助于第一开关元件SW1使得电容CS与工作电压U0耦合，由此CS根据传感器电极的电容CS充电；

-借助于第一开关元件SW1使得电容CS与工作电压U0解耦，由此使得CS保留现有的电荷；

-电容Cs与评估电路10耦合，其中，在CS与电容C1和C2之间的进行电荷平衡，其中，电荷流取决于C1和C2的充电状态以及通过第二开关元件SW2和第三开关元件SW3耦合的电位(第一开关元件SW1和第二开关元件SW2或第三开关元件SW3被同时接通)；

-不朝着C1和C2的方向流动的、未补偿的电荷部分即电荷部分CS通过电流镜的左边的第一支路引导，并且在右边的第二支路上产生对应的电流；

-在右边支路上引起的电流会导致CH上的电荷变化，该电荷变化与Cs的未补偿的电荷量相关；

-为了对CS充电再次操作SW1，并且过程重新开始，其中，在CH上积累了电荷，该电荷可以以电压UADC的形式来查询；

-步骤被重复八到十次，然后对电压UADC进行A/D转换并且表示为CH上的电荷的代表值；

-CH由积累的电荷放电，并且开始新的测量周期；

所得到的电压UADC不仅取决于转换的数目，而且取决于电源电压和电容Cs与CH的比率以及电阻R1与R2的比率。定量的比率可以通过简单的电路仿真和关于电流镜的专业知识根据相应的使用场合来调整。

如果根据确定了的值断定，所检测到的电压值UADC不在电路的设计范围内移动，即只能不够充分精确地确定变化的电容，则可以在不同的区域内且以不同的组合调整开关第二开关元件SW2、第三开关元件SW3，从而要么两个电容C1和C2保持在浮动电位上、其中一个电容与地电位耦合，要么这两个电容都与地电位耦合。

借助于图可直观地看到，通过待检测的电容再次在设计范围内移动，除了电容Cs之外接通电容C1和C2也影响评估电路。

即使在恶劣的环境条件下、特别地在传感器电极例如被盐结壳(Salzkrusten)或污垢覆盖时也可以以这种方式进行敏感的检测。因此，至关重要的是，根据需要移动哪些测定区域可以在现场(situ)对补偿区进行调整。

在本发明的改进方案中，也可以引入更多数量的补偿电容。

在图3中示出了本发明的替代的设计方案。在这种情况下，通过补偿电容器设有固定的电容C12来实现电荷补偿。然而，该电容器能与可调节的电压U1、补偿电压耦合。相应地，在该实施方式中通过可变的补偿电压U1来实现电荷补偿，而不是通过改变传感器-电容来实现。对于补偿电压在此优选的是，U1<＝U0。电压引起补偿电容上的变化的欠压或过压。因此，耦合的补偿电容根据设定的电压可以容纳不同数量的电荷，对此所述电荷在电流镜之前分路，并且不会导致保持电容的重新充电。

在本发明的范围内也可以采用预设的补偿方法的组合，因此能够可接通地布置多个电容，其中一个或多个所述电容与可调节的电压源耦合。由此可以进行十分精细的补偿调节。在此根据已知的方法来控制可调节的电压源，以在补偿电容调整电荷量，从而使得测量电路的灵敏度返回到所期望的测量范围内。

在本发明的范围内，特别是在敏感的电容的数量方面也可以是补偿电容的数量方面可以有偏差。代替所示的各敏感的电容在实施例(Cs)中具有相关联的开关元件的多个传感器电极或传感器电容可以与其评估电路耦合。此外，在针对电流镜电路的已知的设计替代方案的范围内，也可以改变电路的被构造为电流镜电路那部分。