CN101957219A - 电容式传感器系统 - Google Patents

Abstract

电容式传感器系统包括传感器电极、屏蔽电极和背电极，它们由绝缘体材料包围。传感器电极沿第一坐标线延伸。三个电极沿与第一坐标线垂直的第二坐标线前后依次布置，其中，探测范围沿第二坐标线的方向延伸到传感器电极前的空间内并以预定角度范围相对由第一和第二坐标线展开的平面的两侧延伸。绝缘体材料在传感器电极与探测范围间以半圆或半椭圆的圆柱体方式布置，圆柱体中轴线处于前述平面上，绝缘体材料至少包括直接包围传感器电极的第一厚度塑料层和以预定间距布置的第二厚度外部塑料层，绝缘体材料如此布置，使相对介电常数随着与传感器电极距离的增加首先具有包围塑料层的数值，然后下降到接近1的数值上，然后又上升到外部塑料层的数值上。

Description

电容式传感器系统

技术领域

本发明涉及一种电容式传感器系统，具有传感器电极，借助于该传感器电极会对物体进入到传感器电极前面的空间内进行采集，该电容式传感器系统具有与传感器电极相联的控制和评估电路，该控制和评估电路采集传感器电极的电容相对于基准电位的变化，方法是：该控制和评估电路将传感器电极以预先规定的频率周期性地充电和放电并且对一依赖于传感器电极周期性充电和放电的电流分布或者电压分布的至少一个参数进行评估以采集电容变化，该电容式传感器系统具有背电极(Hintergrundelektrode)、布置在传感器电极与背电极之间的屏蔽电极，该屏蔽电极通过控制和评估电路以如下方式与传感器电极相联，即，使该屏蔽电极的电位基本上跟随传感器电极的电位，其中，传感器系统的探测范围延伸到传感器电极前面的空间内。

背景技术

例如由美国专利(US-Patent)5,730,165或相应的专利文献DE 19681725B4公知一种电容式传感器系统，该电容式传感器系统具有传感器电极，借助于该传感器电极会对物体的靠近进行采集，该电容式传感器系统具有与传感器电极相联的控制和评估电路，该控制和评估电路采集传感器电极的电容相对于大地(Masse)的变化，方法是：该控制和评估电路将传感器电极以预先规定的频率周期性地反复与工作电压相联并且对一依赖于传感器电极周期性充电和放电的电流分布或者电压分布的至少一个参数进行评估以采集电容变化。依赖于传感器电极周期性充电和放电的电流分布或者电压分布的参数在此为可在电容器上测量的电压，该电压取决于聚集在电容器上的电荷，其中，这种电荷通过如下方式聚集，即，周期性反复使传感器电极通过与工作电压相联而充电并且随后通过与电容器相联经由该电容器放电。另一种类型的电容式传感器由专利文献EP 1339025B 1公知。

例如由公开文献EP 0518836A1、US 6,825,752B2、DE 10131243C 1和DE 102006044778A1公知一种电容式传感器系统，该电容式传感器系统具有传感器电极、间隔开地布置在传感器电极后面的大地背电极以及屏蔽电极，该屏蔽电极布置在传感器电极与大地背电极之间并且通过控制和评估电路以如下方式与传感器电极相联，即，使该屏蔽电极的电位跟随传感器电极的电位。由这些文献中所公知的、对传感器电极与处于地电位上的背电极之间的屏蔽电极进行的设置具有的优点是，提高这样形成的电容式传感器对传感器电极前面的空间内例如由于物体进入而发生的变化的灵敏度。这首先归因于，从传感器电极扩散的电场更强地延伸到传感器电极前面的空间(探测区域)内，因为：如在没有屏蔽电极的情况下那样，电场的大部分不再与处于地电位上的背电极短接。屏蔽电极通过如下方式与传感器电极相联，即，使该屏蔽电极跟随该传感器电极的电位，由于这种情况在屏蔽电极与背电极之间形成强电场；但实际上不从传感器电极与依据电位跟随的屏蔽电极之间形成电场。

传感器电极、屏蔽电极和背电极的公知的布置通常由电绝缘体例如塑料包裹，从而绝缘体层例如塑料层处于传感器电极上并因此处于传感器电极与传感器电极前面所要监测的空间也就是探测范围之间。已表明，在将这种电容式传感器系统应用在受污染和潮湿影响的环境中时，例如在汽车的外壳上(例如作为车门外把手内的趋近传感器(

))时，由于传感器系统的塑料包皮的外表面上沾到水或者湿气而会出现不希望的电容变化，在最不利的情况下，该电容变化导致：传感器系统错误地确定物体进入到传感器电极前面的空间内的探测范围中。

发明内容

本发明的目的因此在于，在一种开头所称类型的传感器系统中避免或者减少这种通过传感器外表面沾到湿气而造成的错误响应。

该目的依据本发明通过一种具有权利要求1特征的电容式传感器系统得以实现。

依据本发明的电容式传感器系统包括沿第一坐标线延伸的传感器电极，借助于该传感器电极会对物体进入到传感器电极前面的空间内进行采集。该坐标线例如是笛卡儿坐标系(ein kartesischesKoordinatensystem)的直线坐标线；但它也可以在空间内弯曲。电容式传感器系统此外具有与传感器电极相联的控制和评估电路，该控制和评估电路采集传感器电极的电容相对于基准电位的变化，方法是：该控制和评估电路将传感器电极以预先规定的频率周期性地充电和放电并且对一依赖于传感器电极周期性充电和放电的电流分布或者电压分布的至少一个参数进行评估以采集电容变化。该控制和评估电路例如实施周期性地充电和放电，方法是：该控制和评估电路将传感器电极以预先规定的频率周期性地反复与预先规定的电位例如工作电压电位相联。电压分布例如可以是传感器电极端子上的电压分布。参数例如可以是在聚集电荷的电容器上所测量的电压，或者是通过在传感器电极上所测量的电压直至超过开关阈值(Schaltschwelle)进行充电和放电的周期的确定数量。电容式传感器系统此外具有平行于传感器电极延伸的背电极和布置在传感器电极与背电极之间的屏蔽电极，该屏蔽电极通过控制和评估电路以如下方式与传感器电极相联，即，使该屏蔽电极的电位基本上跟随传感器电极的电位。屏蔽电极通过控制和评估电路以如下方式与传感器电极相联，即，使该屏蔽电极对传感器电极的相对于基准电位所测量的电容变化没有影响。采用“跟随”的概念在这里是为了表达：屏蔽电极的电位无需等于传感器电极的电位，并且在传感器电极的电位分布与屏蔽电极的电位之间可以存在时间上的偏差。此外，采用“基本上”一词是为了表达：屏蔽电极不必在传感器电极充电和放电的整个周期上都跟随传感器电极的电位；该屏蔽电极至少在周期的部分区段内跟随该电位就足够，例如在传感器电极充电期间跟随其电位并在传感器电极放电期间下降到大地基准电位，而传感器电极的电位仍停留在与大地不同的电位上。背电极例如接在恒定的电位(例如大地或者工作电压)上。可供选择地，背电极能够周期性地以预先规定的频率交替地接在大地和其它电位例如工作电压上，其中，这一点优选以与传感器电极互补的方式进行，就像例如这一点在本申请人平行待决的题为“Kapazitive Sensoranordnung mit einerSensorelektrode，einer Schirmelektrode und einer Hintergrundelektrode(具有传感器电极、屏蔽电极和背电极的电容式传感器系统)”的专利申请中所介绍的那样。传感器电极、屏蔽电极和背电极沿与第一坐标线垂直的第二坐标线前后依次布置，其中，传感器系统的探测范围在第二坐标线的方向上延伸到传感器电极前面的空间内以及以预先规定的角度范围(α)相对于由第一和第二坐标线展开的平面的两侧延伸。传感器电极由绝缘体材料包围，该绝缘体材料在传感器电极与探测范围之间以呈半圆形的或者半椭圆形的圆柱体的方式布置，其中，圆柱体中轴线处于由第一和第二坐标线展开的平面上，其中，探测范围与传感器电极之间的绝缘体材料至少包括直接包围传感器电极的第一厚度塑料层和以预先规定的间距布置的第二厚度的外部塑料层，其中，绝缘体材料通过如下方式布置，即，使相对介电常数随着与传感器电极距离的增加首先具有进行包围的塑料层的相对高的数值，然后下降到接近数值1的数值(例如空气的数值)上并且然后又上升到外部塑料层的相对高的数值上。

已表明，在形成受污染的外表面的塑料层与包裹传感器电极的塑料层之间有针对性地产生具有介电常数接近数值1的中间腔时，可以减少或者避免湿气污染的干扰影响。同时，与传感器电极的实心塑料包皮相比，绝缘体材料的依据本发明的布置可能有相对小的结构大小，也就是说，在干扰不灵敏度相同的情况下，传感器电极包皮的横截面尺寸相对小。

一种优选实施方式的特征在于，处于包围传感器电极的塑料层与外部塑料层之间的是充入气体的中间腔，其宽度相应于预先规定的间距而其相对介电常数接近数值1。该中间腔例如由带有径向的和/或者圆柱体形的塑料间壁的一个气隙或者多个气隙形成。在这种实施方式中，可以按照简单方式产生相对介电常数的所希望的分布。充入气体的中间腔能够可供选择地或者部分地由泡沫化的塑料区形成。例如，无论是包围传感器电极的塑料层还是外部塑料层和中间腔均可以由塑料材料制成，其中，外部的且贴靠在电极上的区域几乎完全由塑料材料组成，并且中间腔内的塑料材料是强泡沫化的。包围传感器电极的塑料层和/或者外部塑料层可以各自由多个相同类型的或者不同的塑料层组成。

在本发明的一种优选的改进方式中，包围传感器电极的塑料层与外部塑料层之间的预先规定的间距处于外部塑料层的外表面与传感器电极表面的间距的30％到90％之间的范围内，优选处于50％到70％的范围内。

优选的是，第一厚度，也就是直接包围传感器电极的塑料层厚度，和第二厚度，也就是以预先规定的间距布置的外部塑料层的厚度，均处于0.2mm到2mm之间的范围内。

包围传感器电极的塑料层与外部塑料层之间的间距优选处于0.5mm到10mm之间的范围内，优选处于1mm到4mm之间的范围内。

传感器系统的探测范围以预先规定的角度范围(α)相对于由第一和第二坐标线展开的平面的两侧延伸，该角度范围优选处于各自40°至130°之间。

在一种优选的实施方式中，传感器电极在面向屏蔽电极的侧上以及屏蔽电极和背电极由塑料套包裹，其中，塑料套承载电极并固定其位置。背电极例如作为平面板构成，该背电极在与第二坐标线垂直的平面上对称地布置在传感器电极的后面。在此，背电极在与第一和第二坐标线垂直的方向上一直延伸到以呈半圆形或者半椭圆形的圆柱体的方式布置的绝缘体材料的外部塑料层。在此优选的是，屏蔽电极在与第一和第二坐标线垂直的方向上具有大于传感器电极但小于背电极的宽度。

电容式传感器系统的一种优选实施方式的特征在于，预先规定的频率处于50kHz到5MHz之间，优选100kHz到1MHz之间的范围内。

具有优点的和/或者优选的实施方式在从属权利要求中予以说明。

附图说明

下面借助附图中所示的优选实施例对本发明进行详细说明。附图中：

图1示出依据本发明的传感器系统的横截面和所相联的控制和评估电路的原理草图；

图2A和2B示出传感器电极的可供选择的横截面形状和布置的示意性横截面；

图3A和3B示出传感器系统的示意性横截面，该传感器系统带有包围传感器电极的塑料层与外部塑料层之间的中间腔的可供选择的构成形式。

具体实施方式

图1示出依据本发明的传感器系统1的横截面的示意图，该传感器系统带有所相联的控制和评估电路5。在传感器系统1中涉及在横向于图1的图平面方向上纵向延伸的型廓(Profil)。传感器系统1包括沿第一坐标线延伸的传感器电极2。该坐标线垂直于图1的图平面地分布并且例如是笛卡儿坐标系的坐标线。在其他实施方式中，坐标线无需是直线；它也可以在空间内弯曲地分布。因此，在图1中以剖切的方式示出的型廓可以是柔性的型廓。传感器电极2在图1中简略地示出的实施例中具有呈圆形的横截面。在其他实施方式中，它可以具有不同的例如矩形的横截面。与传感器电极2平行地布置有背电极4。处于传感器电极2与背电极4之间的是屏蔽电极3。传感器电极2、屏蔽电极3和背电极4沿与第一坐标线垂直的第二坐标线前后依次布置。在图1所示的实施例中，第二坐标线竖向地分布在图平面内。第一坐标线和第二坐标线展开一个平面，该平面在图1中通过划成虚线地示出的线7来表示。在图1所示的实施例中，背电极4通过平面板形成；布置在传感器电极2与背电极4之间的屏蔽电极3在横向于平面7的方向上比传感器电极2宽，但比背电极4窄。

在图1中示意性示出的是，三个电极2、3和4分别通过信号线6与控制和评估电路5连接。背电极4例如接在大地上。控制和评估电路5以预先规定的频率对传感器电极2实施周期性地充电和放电并且对一依赖于传感器电极2周期性充电和放电的电流分布或者电压分布的至少一个参数进行评估，以采集传感器电极2的电容相对于大地的变化。屏蔽电极3通过控制和评估电路5以如下方式与传感器电极2相联，即，使该屏蔽电极的电位基本上跟随传感器电极2的电位。对电极系统的控制和对电容变化的确定例如可以如本申请人平行待决的102009031824.0号题为“Kapazitive Sensoranordnung mit einerSensorelektrode，einer Schirmelektrode und einer Hintergrundelektrode(具有传感器电极、屏蔽电极和背电极的电容式传感器系统)”的德国专利申请中所介绍的那样进行。

为了固定传感器电极2、屏蔽电极3和背电极4的相对位置并且使电极与周围电绝缘，三个电极由优选是塑料层的绝缘体层来包裹。塑料包皮以呈半圆形的圆柱体的方式布置在传感器电极2与传感器系统1前面空间8的探测范围之间。圆柱体中轴线大致处于由第一和第二坐标线展开的平面7上(包皮也可以相对于平面7稍微不对称地布置)。探测范围从平面7出发以角度α向右和向左从该平面延伸到传感器系统1前面的空间8内，其中，角度α限定了传感器系统1的探测范围的宽度。角度范围α例如处在相对于平面7两侧40°到130°之间。在图1中所示的实施例中，角度范围α约为90°，探测范围以该角度范围相对于由第一和第二坐标线展开的平面7的两侧延伸。

在图1所示的实施例中，在塑料包皮的内部，空腔11在直接包围传感器电极2的塑料层10与外部塑料层9之间构成，从而，当例如沿图1中划成虚线示出的线12从传感器电极2的表面出发在探测范围的方向上运动时，包围传感器电极2的绝缘体材料的相对介电常数首先具有包围电极2的塑料层10的相对高的数值，然后在中间腔11内下降到接近数值1的数值(例如下降到空气介电常数的数值)上并且然后又上升到外部塑料层9的相对高的数值。塑料层的相对介电常数例如处于2至5的范围内，尤其约为4。

传感器系统在图1中所示的型廓具有例如从几厘米直至约一米的长度。型廓的宽度例如为15mm而高度约为10mm。外部塑料层9的厚度例如为1mm。传感器电极2例如用厚度0.5mm的塑料层10来覆盖。中间腔的宽度处于约4mm到2mm之间。

电极2、3和4例如可以由嵌入到塑料材料内的金属带组成。在一种优选的实施方式中，电极由能导电的塑料组成。在电极2、3和4由能导电的塑料制成的更长的型廓中，可以设置的是，在电极内部嵌入由金属制成的导线。电极2、3和4例如在型廓的一端上与通向控制和评估电路5的导线6连接。

在图1所示的示例中，背电极4在型廓的整个宽度上延伸。这一点赋予了型廓附加的稳定性。

平面7内前后依次布置的电极2、3和4能够以不同的方式构成和布置。电极2、3和4也可以分别由多个平行布置的电极组成。

图2A和2B示意性示出三个电极和包围它们的塑料层的其他可设想的布置。图2A示出作为平面板构成的三个电极2、3和4的示意性布置，其中，传感器电极板2为宽度最小的带而背电极板4为宽度最大的带。三个电极带由塑料层10包裹并固定在该塑料层内。与该塑料包皮10通过间隙11间隔开的是，在传感器电极2与包含探测范围的空间8之间布置的外部塑料层9。

图2B示出另一种可能性，其中三个沿第二坐标线前后依次布置的电极2、3和4分别作为具有呈圆形的横截面的金属线构成。三个彼此平行地布置的电极线2、3和4与塑料包皮10形成一种大致相当于3芯扁平带电缆的布置。以通过中间腔11间隔开的方式，电极系统由外部塑料包皮9围住。图2B所示的传感器系统是对称的；也就是说，变换控制时，无论是图2中上面所示的电极还是下面所示的电极，均可以充当传感器电极(如图所示)。探测范围因此既可以向上延伸到空间8内又可以向下延伸。

图3A和3B示出依据本发明的传感器系统的示例性型廓的示意性横截面图。图3A和3B包含电极2、3和4的同一布置。具有呈圆形的横截面的传感器电极2布置在宽度更大的呈板形的屏蔽电极3之上并且该屏蔽电极又布置在宽度最大的呈板形的背电极4之上。图3A所示的塑料包皮的构成形式与图1的构成形式相似。但中间腔11包含多个沿型廓径向向外分布的间壁13，这些间壁赋予型廓更高的机械稳定性，尤其是反作用于外部塑料包皮9的压入。中间腔11例如被注入空气。

在依据图3B的实施方式中，外部塑料壁9与传感器电极2的塑料包皮10之间的中间腔利用不同的塑料层来填充，其中，内部塑料层以增强的方式强泡沫化。例如空间11可以利用聚氨酯泡沫或聚苯乙烯泡沫来填充(聚苯乙烯泡沫的相对介电常数约为1.03)。如果沿箭头12从传感器电极2的表面出发径向向外运动，那么塑料首先具有相对高的介电常数(例如4)，紧接着介电常数首先从塑料层向塑料层下降，在中间腔11的内部达到接近1的数值，并且随后又逐层上升，直至在外部塑料层9内又达到高数值(例如4)。

只要依据本发明的传感器型廓板条应该是柔性的，就针对包皮使用相应柔性的塑料。此外，能导电的塑料型廓可以作为必要时由金属导线穿过的传感器电极使用。型廓的所有构件例如可以被共挤压(koextrudieren)而成。

传感器型廓的精确尺寸，特别是塑料层的厚度和中间腔的宽度，取决于各自所要求的使用领域，特别是取决于探测范围的尺寸。如果这种传感器例如作为趋近传感器在车门外把手内使用，那么探测范围最多延伸超出传感器的外表面几厘米。在这种情况下，传感器系统例如可以具有几毫米的高度，其中，包围传感器电极2的塑料层10与外部塑料层9之间的中间腔(例如气隙)仅为1mm至2mm。传感器系统例如也可以在汽车尾部的下边沿上用作采集脚接近的传感器，其中，利用这种称为“脚开关”的传感器系统例如可以触发行李箱或者后盖板的打开。在这种情况下，探测范围例如从传感器系统1的表面出发延伸约20cm。传感器型廓在这种布置中的高度例如为一厘米，而包围传感器电极2的塑料层10与外部塑料层9之间的中间腔在这里则为3mm至5mm。

Claims (15)

1.电容式传感器系统(1)，具有

沿第一坐标线延伸的传感器电极(2)，借助于所述传感器电极(2)会对物体进入到所述传感器电极(2)前面的空间(8)内进行采集，

与所述传感器电极(2)相联的控制和评估电路(5)，所述控制和评估电路(5)采集所述传感器电极(2)的电容相对于基准电位的变化，方法是：所述控制和评估电路(5)将所述传感器电极(2)以预先规定的频率周期性地充电和放电并且对依赖于所述传感器电极(2)周期性充电和放电的电流分布或者电压分布的至少一个参数进行评估以采集电容变化，

平行于所述传感器电极(2)延伸的背电极(4)，

布置在所述传感器电极(2)与所述背电极(4)之间的屏蔽电极(3)，所述屏蔽电极(3)通过所述控制和评估电路(5)以如下方式与所述传感器电极(2)相联，即，使所述屏蔽电极(3)的电位基本上跟随所述传感器电极(2)的电位，

其中，所述传感器电极(2)、所述屏蔽电极(3)和所述背电极(4)沿与所述第一坐标线垂直的第二坐标线前后依次布置，其中，所述传感器系统(1)的探测范围在所述第二坐标线的方向上延伸到所述传感器电极(2)前面的所述空间(8)内并以预先规定的角度范围(α)相对于由所述第一和所述第二坐标线展开的平面(7)的两侧延伸，

其中，所述传感器电极(2)由绝缘体材料包围，所述绝缘体材料在所述传感器电极(2)与所述探测范围之间以呈半圆形的或者半椭圆形的圆柱体的方式布置，其中，圆柱体中轴线处于由所述第一和所述第二坐标线展开的所述平面(7)上，其中，所述绝缘体材料在所述探测范围与所述传感器电极(2)之间至少包括直接包围所述传感器电极(2)的第一厚度的塑料层(10)和以预先规定的间距布置的第二厚度的外部塑料层(9)，其中，所述绝缘体材料以如下方式布置，即，相对介电常数随着与所述传感器电极(2)距离的增加，首先具有所述进行包围的塑料层(10)的相对高的数值，然后下降到接近数值1的数值上，并且然后又上升到所述外部塑料层(9)的相对高的数值上。

2.按权利要求1所述的电容式传感器系统，其特征在于，充入气体的中间腔(11)处于所述包围所述传感器电极(2)的塑料层(10)与所述外部塑料层(9)之间，所述中间腔的宽度相应于所述预先规定的间距且所述中间腔的相对介电常数接近所述数值1。

3.按权利要求2所述的电容式传感器系统，其特征在于，所述充入气体的中间腔(11)由带有径向的塑料间壁(13)和/或者圆柱体状的塑料间壁的一个气隙或者多个气隙形成。

4.按权利要求2所述的电容式传感器系统，其特征在于，所述充入气体的中间腔(11)由泡沫化的塑料区形成。

5.按权利要求1-4之一所述的电容式传感器系统，其特征在于，所述包围所述传感器电极(2)的塑料层(10)和/或者所述外部塑料层(9)各自由多个塑料层组成。

6.按权利要求1-5之一所述的电容式传感器系统，其特征在于，所述包围所述传感器电极(2)的塑料层(10)与所述外部塑料层(9)之间的所述预先规定的间距处于所述外部塑料层(9)的外表面与所述传感器电极(2)表面的间距的30％到90％之间的范围内，优选处于50％到70％的范围内。

7.按权利要求1-5之一所述的电容式传感器系统，其特征在于，所述第一厚度和所述第二厚度处于0.2mm到2mm之间的范围内。

8.按权利要求1-7之一所述的电容式传感器系统，其特征在于，所述包围所述传感器电极(2)的塑料层(10)与所述外部塑料层(9)之间的所述预先规定的间距处于0.5mm到10mm之间的范围内，优选处于1mm到4mm之间的范围内。

9.按权利要求1-8之一所述的电容式传感器系统，其特征在于，所述传感器系统(1)的所述探测范围以相对于由所述第一和所述第二坐标线展开的所述平面(7)的两侧各自40°至130°之间的预先规定的角度范围(α)延伸。

10.按权利要求1-9之一所述的电容式传感器系统，其特征在于，所述传感器电极(2)在面向所述屏蔽电极(3)的侧上以及所述屏蔽电极(3)和所述背电极(4)由塑料套包裹，其中，所述塑料套承载所述电极(2、3、4)并固定其位置。

11.按权利要求1-10之一所述的电容式传感器系统，其特征在于，所述背电极(4)构成为平面板，所述背电极(4)在与所述第二坐标线垂直的平面上对称地布置在所述传感器电极(2)的后面。

12.按权利要求11所述的电容式传感器系统，其特征在于，所述背电极(4)在与所述第一和所述第二坐标线垂直的方向上一直延伸到所述以呈半圆形或者半椭圆形的圆柱体的方式布置的绝缘体材料的所述外部塑料层(9)。

13.按权利要求11或12所述的电容式传感器系统，其特征在于，所述屏蔽电极(3)在与所述第一和所述第二坐标线垂直的方向上具有大于所述传感器电极(2)但小于所述背电极(4)的宽度。

14.按权利要求1-13之一所述的电容式传感器系统，其特征在于，所述基准电位是大地并且所述背电极(4)是大地电极。

15.按权利要求1-14之一所述的电容式传感器系统，其特征在于，所述预先规定的频率处于50kHz到5MHz之间，优选100kHz到1MHz之间的范围内。

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