CN102209881A - 用于测量可变电容式结构的电容变化的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量可变电容式结构（C_X）的电容变化（ΔC_X）的设备，其包括：电源电压（V_CC）；参考电容（C_S）；用于测量参考电容的端子上的电压（V_S）的装置；测量电容式结构（C_M）；以及用于检测参考电容（C_S）的端子上的阈值电压（V_TH）的装置。所述设备被配置/被编程来使得：在可变电容式结构（C_X）已经以固定放电次数（x）被放电到参考电容（C_S）之后并且直到参考电容的端子上的电压（V_S）已达到阈值电压（V_TH），使测量电容式结构（C_M）以可变放电次数（n）放电到参考电容（C_S）。可变放电次数（n）相对于之前获得的放电次数的变化允许可变电容式结构（C_X）的电容变化（ΔC_X）被估计。

Description

用于测量可变电容式结构的电容变化的设备

技术领域

本发明涉及电荷转移电容式传感器。当这样的传感器针对所谓的司机对其车辆的“免提（Hands free）”接入而被应用于车辆的门把手时，本发明是特别有用的。

背景技术

目前，某些机动车辆装备有“免提”接入，即所述车辆的司机不再需要用钥匙打开其车辆的门。他拥有的不是钥匙而是被车辆的电子系统识别的标识标记（badge d’identification）。

为了打开门，司机首先按压门把手。有无检测传感器（capteur de présence）（此处为位于把手中的电子模块中的电荷转移电容式传感器）检测司机的手的存在。这个传感器被连接到车辆的ECU（电子控制单元），并且这个单元通过LF（低频）天线向被并入钥匙中的鉴别器发送信号。一旦接收到检测信号，鉴别器就使用RF（射频）波将其标识码发送给ECU。如果ECU将该标识码识别为授权接入车辆的标识码，则ECU打开门。相反，如果ECU并没有接收到代码或接收到的代码是错误的，则门并不打开。

这样的电容式传感器包括被并入门把手中的电容式电极和其附近环境（直接或间接接地），其中这种环境可能包括必须检测到存在的用户的身体的部分，此处例如是司机的手形成第二接地电极。当司机的手接近门的把手时，被并入到把手中的电容式电极的电容增加。该变化通过使用位于连接到被并入把手中的电容式电极的印刷电路板上的参考电容来进行测量。如果这个电容高于阈值，则意味着检测已经发生，即司机的手在把手上，或者足够靠近门的把手，并且意味着该司机要求打开门。

根据现有技术可知，电荷转移电容式传感器允许通过实现由如下多次充电和放电组成的循环来测量可变电容的电容变化：所述多次充电和放电是对被并入把手中的电极的电容进行的多次充电和发电，直到达到参考电容的端子上的固定电压阈值。被并入把手中的电极的电容变化相对于之前的循环根据使集成到把手中的电容式电极放电到参考电容的放电次数的变化被估计，其中要求使电容式电极放电到参考电容是为了达到参考电容的端子上的阈值电压。这些传感器使用如下开关：所述开关允许电流流过，以便首先通过电源电压给被并入把手中的电极的电容进行充电，然后使被并入把手中的电极的电容放电到参考电容，并且反之亦然。根据现有技术（及如图1中所示）的电荷转移、即一系列的充电和放电分为四个步骤：

●第一步：电极的第一步在于使用电源电压V_CC给电容C_X充电。为此，第一开关S1闭合，并且第二开关S2打开；

●第二步：一旦完成充电，就打开第一开关S1；

●第三步：接下来，可以开始使电极的电容C_X放电到参考电容C_S，为此，第一开关S1保持打开，而第二开关S2闭合；以及

●第四步：一旦放电完成，第二开关S2就打开。

重复电荷的转移，直到参考电容的端子上的电压V_S达到阈值电压V_TH。为了达到这个阈值而要求的使电极的电容C_X放电到参考电容C_S 的放电次数x给出了电极的电容C_X的构想。然后，为了下一次测量，参考电容C_S通过开关S被完全放电。

放电次数x的计数器和微控制器（未在图1中示出）允许电极的电容C_X被确定。

电荷转移传感器的特性通过下列等式描述：

。

参考电容的端子上的电压V_S的变化是使电极的电容C_X放电到参考电容C_S的放电次数x的函数，并且由等式（1）给出：

         （1）。

在电荷转移结束时，参考电容的端子上的电压V_S达到阈值电压V_TH，并且获得放电次数x，所述放电次数x通过下式被限定：

         (2)。

Th被限定为检测阈值，从而对应于在C_X的两个状态之间的多次电荷转移，即在C_X与C_X +ΔC_X之间的多次电荷转移。

Th等于放电次数x在电容C_X的值与电容C_X+ΔC_X的值之间的变化。

因此：

 ,

该式给出了：

。

由于根据现有技术的参考电容C_S明显地高于电极的电容C_X，所以针对电容C_X的变化ΔC_X，获得下列等式：

  （3）。

因此，利用这样的电容式传感器，电容C_X的由等式（3）限定的可测量变化ΔC_X（即传感器的灵敏度）与以下多个参数有关：参考电容C_S的存储值、电源电压V_CC、测量停止阈值电压V_TH，并且尤其是主要与电极的电容的平方C_X ²有关。然而，电极的电容C_X很难控制并且根据环境（温度、湿度、使用寿命）而变化，从而降低了传感器的灵敏度和性能。

另外，限定了测量时间的放电次数x与参考电容C_S成比例（参照等式2），该参考电容C_S本身与其它参数并且特别是与所需的灵敏度ΔC_X有关（参照等式3）。因而，参考电容C_S的值以及因此固定放电次数x（其中Th、V_CC、V_TH以及C_X为固定参数）对应于给定的传感器灵敏度ΔC_X。因此，放电次数x（即电荷转移的持续时间）或者测量电容C_X的变化直到检测的持续时间是固定的并且不能被优化。这是因为：如果为了减少测量时间而例如使放电次数x减半，则参考电容C_S根据等式（2）被减半，并且因此传感器的传感器灵敏度ΔC_X被降低，因为该传感器灵敏度ΔC_X根据等式（3）被加倍。利用这样的设备，因此在不影响灵敏度的情况下没有办法使电容式传感器的测量时间优化。

然而，电容式传感器的测量时间必须是非常快：

●门打开机制对于司机来说必须是完全透明的。这是因为后者希望与在使用机械把手打开的情况下一样快地打开门；以及

●传感器的功率消耗必须被最小化，因为当车辆停止时，该传感器工作了过长时间。由于功率消耗与测量时间有关，所以如果测量时间减少，则功率消耗降低。

然而，如上面所解释的那样，考虑到减少测量时间引起传感器的精度降低，这可能引起检测被延迟太长时间。因此，有必要在测量时间和传感器的所需的精度（即所需的灵敏度）之间进行权衡。因此，生产一种灵敏度独立于测量时间的传感器是显著有利的。

发明内容

本发明的主题是一种电荷转移电容式传感器，所述电荷转移电容式传感器的灵敏度独立于电极的电容，并且利用所述电荷转移电容式传感器可以优化测量时间，即在不影响传感器的灵敏度的情况下可以减少放电次数。

本发明的这些目标借助于用于测量可变电容式结构C_X的电容变化ΔC_X的设备来实现，该设备包括：

●电源电压V_CC；

●用于使用电源电压给可变电容式结构进行充电的装置；

●用于以固定放电次数x使可变电容式结构放电到参考电容C_S的装置；

●用于测量参考电容的端子上的电压V_S的装置；

●用于使用电源电压给测量电容式结构C_M进行充电的装置；

●用于以可变放电次数n使测量电容式结构放电到参考电容的装置；以及，

●用于检测参考电容的端子上的阈值电压V_TH的装置，

所述设备被配置/被编程来使得：在可变电容式结构已经以固定放电次数被放电到参考电容之后，测量电容式结构以可变放电次数放电到参考电容。因此，可变放电次数相对于之前获得的放电次数的变化允许可变电容式结构的电容变化被估计。

有利地，对应于可变电容式结构的电容从值C_X到值C_X+ΔC_X的变化，限定多次使测量电容式结构放电到参考电容的放电的预设检测阈值Th。

在第一实施例中，固定的和预设的使可变电容式结构放电到参考电容的放电次数通过以下等式来限定：

。

在第二实施例中，当参考电容的端之上的电压等于阈值电压时，使测量电容式结构放电到参考电容的可变放电次数通过以下等式限定：

。

根据本发明的重要特征，对可变电容式结构中的变化的测量独立于可变电容式结构并且等于：

。

明智地，测量电容式结构的值是固定的并且低于可变电容式结构的电容。

在第三实施例中，当参考电容的端子上的电压低于阈值电压时，参考电容被确定：

。

有利地，参考电容具有比可变电容式结构的电容更高的电容，并且测量电容具有比可变电容式结构的电容更低的电容。

在优选的实施例中，测量电容具有等同于剩余电容的电容。

在结合上述实施例的实施例中，所述设备进一步包括被控制来以便使可变电容式结构充电和/或放电的开关装置以及被控制来以便使测量电容充电和/或放电的开关装置。

当然，本发明适用于任何电容式传感器，用于检测装备的用户的存在，其中所述电容式传感器使用用于测量可变电容式结构的电容变化的设备，包括例如放置在所述装备内的检测电极，并且可变电容式结构在检测电极与在检测电极附近的环境之间的电容被确定，其中放置检测电极的所述装备可能是车辆的门把手。

本发明还涉及减少使用上述设备的可变电容式结构中的电容变化的测量时间的任何方法。

附图说明

本发明的其它特征和优点将在阅读以下描述和研究附图时变得明了，其中：

－图1示出了根据以上描述的现有技术的电荷转移电容式传感器的示意图；

－图2示出了并入电荷转移电容式传感器的车辆门把手的示意图；以及

－图3示出了根据本发明的电荷转移电容式传感器的示意图。

具体实施方式

如图2中所示，被并入车辆门把手6中的电荷转移电容式传感器3包括电容C_x变化的电极4以及位于印刷电路板5上的参考电容C_S，后者也被并入把手6中。当司机的手从远处位置1向近处位置2接近门的把手6时（图2），电极的电容C_X增加了量ΔC_X，使用位于与电极4相连的印刷电路板5上的参考电容C_S来测量这个变化ΔC_X。如果这个电容超过阈值，则这意味着司机的手位于在门的把手附近的位置2，并且该司机想要打开门。

（图1中所示的）现有技术说明了这样的电容式传感器，其测量可变电容的电容变化，实施由使电极的电容C_X充电和放电到参考电容C_S的大量x次充电和放电组成的循环，直到参考电容的端子上的电压V_S达到等于V_TH的固定电压阈值。电极的电容C_X相对于之前的循环的变化通过使用使电极的电容C_X放电到参考电容C_S的放电次数x的变化来估计，其中使电极的电容C_X放电到参考电容C_S被要求达到参考电容C_S的端子上的阈值电压V_TH。

本发明提出将第三电容加入这个设备，该第三电容被称作测量电容C_M（图3），以便通过使传感器的灵敏度ΔC_X独立于电极的所测量的电容C_X这种方式来测量电容C_X的变化，并且也使得在不影响灵敏度ΔC_X的情况下，可能优化直到电容式传感器的检测（即充电和/或放电次数）的测量时间。测量电容C_M接地，并由电源电压V_CC供给。两个开关S3和S4允许使用电源电压V_CC给测量电容C_M充电，然后这个电容以可变次数n被放电到参考电容C_S。

电荷转移计数器（未示出）对从测量电极C_M放电到参考电容C_S的放电次数n进行计数。

微控制器（未示出）根据该放电次数n以及根据已知的固定放电次数x计算电极的电容C_X。

测量时间与总放电次数N成比例，其中N等于固定放电次数x和可变放电次数n的总和。

根据本发明的电荷的转移分为两个阶段：捕获阶段和测量阶段。

捕获阶段包括从电极的电容C_X到参考电容C_S的常规电荷转移。与常规电荷转移的不同之处在于：电荷转移在固定放电次数x次之后停止，而不是在参考电容的端子上的电压Vs达到电压阈值V_TH时停止。

测量阶段在于以可变放电次数n将电荷从测量电容C_M转移到参考电容C_S，直到参考电容的端子上的电压V_S达到阈值电压V_TH。

在捕获阶段期间，由电极的电容C_X保持的电荷以下列方式被转移到参考电容C_S：

●第一步：第一步在于使用电源电压V_CC给电极的电容C_X进行充电，为此，第一开关S1闭合并且第二开关S2打开；

●第二步：一旦C_X充电完成，第一开关S1就打开；

●第三步：可以开始使电极的电容C_X放电到参考电容C_S。为此，第一开关S1保持打开并且第二开关S2闭合；

●第四步：一旦C_X到C_S的放电完成，第二开关S2就打开。

第三和第四开关S3和S4在该阶段期间打开。因此，在这个阶段期间，C_M既没有被充电也没有被放电。

充电和放电的这个循环被重复预设的和固定的次数x。

在测量阶段期间，由测量电容C_M保持的电荷被转移到参考电容C_S，直到这个电容的端子上的电压V_S达到阈值V_TH。

●第一步：第一步在于给测量电容C_M进行充电。为此，第三开关S3闭合并且第四开关S4打开；

●第二步：一旦C_M充电完成，第三开关S3就打开；

●第三步：可以开始使测量电容C_M放电到测量电容C_S。为此，第三开关S3保持打开并且第四开关S4闭合；

●第四步：一旦C_M到C_S的放电完成，第四开关S4就打开。

第一和第二开关S1和S2在这个阶段期间打开。因此，C_X在这个阶段期间既没有被充电也没有被放电。

重复这个循环，直到参考电容C_S的端子上的电压V_S达到阈值电压V_TH。要求达到阈值的可变次数（称为n）放电给出电容C_X的构想。然后，为了下一次测量，参考电容C_S通过闭合开关S被完全放电。

描述线性电荷转移传感器的特性的等式如下：

与现有技术（参照等式（１））相比，电荷从电极的电容C_X转移到参考电容C_S的等式原则上未改变。

然而, 描述电荷从测量电容C_M转移到参考电容C_S的等式现在与测量电容C_M和电极的电容C_X有关:

  （4）；

该等式给出了：当参考电容的端子上的电压V_S等于阈值电压V_TH时, 可变放电次数n等同于：

  (5)。

限定检测阈值Th。这个阈值等于使测量电容C_M放电到参考电容C_S的放电次数n, 从而对应于检测到司机在门的把手6上的手。例如，Th等于五，这意味着当已经执行五次从测量电容C_M到参考电容C_S的电荷转移时发生检测。这五次电荷转移表示电极的电容C_X已经改变显著的量ΔC_X，即司机的手正在碰触门的把手6并且他想要打开门。应注意的是，对阈值Th的限定与现有技术中的相同，除了该限定在本发明中适用于放电转移的可变次数n而非放电次数x以外。

Th被限定为对应于在电极的两个状态之间、即在电容C_X与电容C_X+ΔC_X之间的区别，因此，Th等于：

;

即;

；

并且因此，电极的电容C_X的变化ΔC_X由下列等式给出：

        （6）。

因此，根据本发明的传感器灵敏度ΔC_X不再与电极的可变电容C_X有关。传感器灵敏度ΔC_X现在仅由捕获阶段中的固定放电次数x和测量电容C_M以及检测阈值Th的值来确定，测量电容C_M以及检测阈值Th的值也是固定的值（参照等式6）。

为了获得电极的电容C_X的适当精确的值，测量电容C_M的值必须比电极的电容C_X的值低。测量电容C_M的值可以例如被设置为最小值，即等同于剩余电容的值，即10 pF。可能使用等式7来计算x，其中测量电容C_M的值是固定的。

        (7)。

一旦放电次数x已经被确定，参考电容C_S的值就可以被确定。这是因为，为了使从测量电容C_M到参考电容C_S的电荷转移发生，在x次从电极的电容C_X放电到参考电容C_S的放电之后，需要使参考电容的端子上的电压V_S不达到用于检测的阈值电压V_TH。因此，对V_S的约束条件是:V_S ＜ V_TH。

作为放电次数x的函数的阈值电压V_S(x)由等式（1）给出。

因此，约束条件V_S ＜ V_TH等同于：

 ，

即，

，

并且因此，

。

使用ln(1+x)的有限泰勒级数展开式：

 ，

获得

，

并且因此

  。

由于阈值电压V_TH的值低于电源电压的值，所以表达式ln（1-V_TH/V_CC）的值为负的，并且

           (8)。

因此，参考电容C_S具有给定放电次数x的最小值，以便提供精度ΔC_X。

通过调用根据本发明的参考电容C_S的值C_S2，并将该值C_S2与现有技术的参考电容C_S的值（将被称作C_S1）进行比较，所述现有技术的参考电容C_S的值通过等式（3）进行限定，即：

，

并且假设检测阈值Th的值、电极的电容C_X的值、传感器灵敏度ΔC_X的值、电源电压V_CC的值以及阈值电压V_TH参数的值在现有技术中和在本发明中是相同的，获得下式：

 。

考虑到固定放电次数x的值（在等式（7）中被限定）以及ln(1-V_TH/V_CC)的值是负的事实，获得下式：

     (9)。

测量电容C_M的值被限定为比电极的电容C_X的值低很多，因此C_S2<C_S1。

根据本发明的参考电容C_S2具有比现有技术中使用的C_S1小的值，并且这种情况是针对相同的传感器精度ΔC_X。

因此，根据本发明的放电总次数、即N低于现有技术的放电次数x。因此，在不影响传感器精度的情况下，通过本发明大大地减少了测量时间。

当然，本发明并不限于所描述的和所示出的实施例，所述实施例仅仅通过实例的方式来给出。本发明还适用于测量实施根据本发明和上述细节的设备的电容C_X的变化ΔC_X的任何方法。

Claims (15)

1. 一种用于测量可变电容式结构（C_X）的电容变化（ΔC_X）的设备，其包括：

●电源电压（V_CC）；

●用于使用电源电压（V_CC）给可变电容式结构（C_X）进行充电的装置；

●用于以固定放电次数（x）使可变电容式结构（C_X）放电到参考电容（C_S）的装置；

●用于测量参考电容的端子上的电压（V_S）的装置；

●用于使用电源电压（V_CC）给测量电容式结构（C_M）进行充电的装置；

●用于以可变放电次数（n）使测量电容式结构（C_M）放电到参考电容（C_S）的装置；以及，

●用于检测参考电容（C_S）的端子上的阈值电压（V_TH）的装置，

其特征在于，所述设备被配置/被编程来使得：在可变电容式结构（C_X）已经以固定放电次数（x）被放电到参考电容（C_S）之后，执行使测量电容式结构（C_M）以可变放电次数（n）放电到参考电容（C_S）的放电；并且其特征在于，可变放电次数（n）相对于之前获得的放电次数的变化允许可变电容式结构（C_X）的电容变化（ΔC_X）被估计。

2. 如权利要求1所述的设备，其特征在于，对应于可变电容式结构（C_X）的电容变化（ΔC_X），限定多次使测量电容式结构（C_M）放电到参考电容（C_S）的放电的预设检测阈值（Th）。

3. 如权利要求1和2所述的设备，其特征在于，使可变电容式结构（C_X）放电到参考电容（C_S）的固定放电次数（x）通过以下等式限定：

。

4. 如上述权利要求之一所述的设备，其特征在于，当参考电容的端子上的电压（V_S）等于阈值电压（V_TH）时，使测量电容式结构（C_M）放电到参考电容（C_S）的可变放电次数（n）通过以下等式限定：

。

5. 如上述权利要求之一所述的设备，其特征在于，对可变电容式结构中的变化（ΔC_X）的测量独立于可变电容式结构（C_X）并且等于：

　　。

6. 如上述权利要求中的任何一个所述的设备，其特征在于，测量电容式结构（C_M）的值是固定的并且低于可变电容式结构（C_X）的电容。

7. 如上述权利要求中的任何一个所述的设备，其特征在于，当参考电容的端子上的电压（V_S）低于阈值电压（V_TH）时，参考电容（C_S）被确定：

。

8. 如上述权利要求中的任何一个所述的设备，其特征在于，参考电容（C_S）具有比可变电容式结构（C_X）的电容更高的电容。

9. 如上述权利要求中的任何一个所述的设备，其特征在于，测量电容（C_M）具有比可变电容式结构（C_X）的电容更低的电容。

10. 如上述权利要求中的任何一个所述的设备，其特征在于，测量电容（C_M）具有等同于剩余电容的电容。

11. 如上述权利要求中的任何一个所述的设备，其特征在于，所述设备进一步包括开关装置，所述开关装置被控制来以便对可变电容式结构（C_X）进行充电和/或放电。

12. 如上述权利要求中的任何一个所述的设备，其特征在于，所述设备进一步包括开关装置，所述开关装置被控制来以便对测量电容（C_M）进行充电和/或放电。

13. 一种用于检测装备的用户的存在的电容式传感器，其使用如上述权利要求中的任何一个所述的用于测量可变电容式结构（C_X）的电容变化的设备，其特征在于，被检测到电容变化的电容式结构（C_X）包括放置在所述装备内的检测电极，其中电容式结构在所述检测电极与在所述检测电极附近的环境之间的电容被确定。

14. 如权利要求13所述的电容式传感器，其特征在于，放置有检测电极的装备是车辆的门把手。

15. 一种测量可变电容式结构（C_X）中的被称为（ΔC_X）的电容变化的方法，其使用如上述权利要求中的任何一个所述的设备。

Images