CN104303136A - 电容式传感器、用于读取电容式传感器阵的方法和用于制造电容式传感器阵的方法 - Google Patents

Abstract

电容式传感器(20)和用于读取电容式传感器阵(2)的方法，其中，所述电容式传感器阵(2)具有多个分立的电极(4)，所述电极耦合到分立的引线(8)上。第一电极(41)的引线(8)被引导，使得所述引线与至少一个第二电极(42)电容式耦合。在第一引线(8)上检测第一信号(Cm1)，该第一引线与第一电极(41)耦合，并且在第二引线(8)上检测第二信号(Cm2)，该第二引线与第二电极(42)耦合。第一电极(41)或者第二电极(42)的电容(Cf1、Cf2)通过使用预定的计算公式来确定，该计算公式考虑第一信号(Cm1)、第二信号(Cm2)和在第二电极(4)与第一引线(8)之间的电容式耦合，该第一引线与第一电极(41)耦合。

Description

电容式传感器、用于读取电容式传感器阵的方法和用于制造电容式传感器阵的方法

技术领域

本发明涉及一种电容式传感器，所述电容式传感器具有分析单元和带有多个分立的电极的传感器阵以及一种用于读取这样的电容式传感器阵的方法。

背景技术

二维的电容式传感器阵经常用作用于车辆功能的操作区(触摸板)，例如用于操作收音机或者导航仪。电容式传感器阵优选设置在机动车的仪表板中并且与屏幕或者面板组合，该显示屏或面板显示相应的车辆功能。这样的触摸板按照现有技术在使用相对厚的电路板的情况下制造，以便将在电极的引线和电极本身之间的串扰最小化并且以便能实现在相应的电极上的精确的电容测量。要测量的电容通过在电容式传感器阵的相应的电极与绝缘地铺设在触摸板上并且假定为接地的对象(例如为此特别设置的笔或者用户的手指)之间的相互作用而产生。为了将在电容式传感器阵的电极上测量的电容转化为相应的位置信号和/或接近信号，所述位置信号和/或接近信号可以传递给车辆电子器件以用于进一步分析，电容式传感器除了传感器阵之外通常具有分析单元或者分析电子器件，不言而喻地，该分析单元或者分析电子器件也可以集成到车辆的其它电子组件中。

用于制造已知的传感器阵的厚的电路板一方面意味着成本因素。另一方面厚的并且相应在机械上刚性的电路板在电容式传感器阵的应用领域中导致限制。因此，例如传感器阵与触摸板的所期望的空间形状的匹配仅可能是相当受限制的，而所述刚性的电路板不是在制造时已经必须与所述空间形状匹配，例如与触摸板的确定的凸的或者凹的表面匹配。

发明内容

本发明的任务在于，给出一种经改善的电容式传感器，一种用于读取电容式传感器阵的经改善的方法和一种用于制造电容式传感器阵的经改善的方法。

按照本发明的一个方面，给出一种用于读取电容式传感器阵的方法，其中，所述传感器阵具有多个分立的电极。所述电容式传感器阵的每个电极耦合到分立的引线上，所述引线由相应的电极延伸至传感器阵的接线区域中。通过所述引线可以读取相应的电极的电容。传感器阵的多个电极包括至少一个第一电极，所述第一电极的引线这样被引导，使得该引线与至少一个第二电极电容式耦合。在与第一电极耦合的第一引线上检测第一信号并且在与第二电极耦合的第二引线上检测第二信号。第一电极的电容或者第二电极的电容通过使用预定的计算公式来确定，其中，所述计算公式考虑第一信号、第二信号和在第二电极与第一引线之间的电容式耦合，该第一引线与第一电极耦合。

按照本发明的一方面的方法与已知的技术方案相反地不是遵循将在引线和电极之间的电容式耦合最小化的方案，而是有意地容忍所述耦合。这样在读取相应的电容时所产生的误差通过使用相应的计算公式在计算上抵消。为了使在电极引线和电极之间的串扰保持得尽可能少，可以有利地放弃使用相应的厚的电路板。此外，将电容式耦合、优选在第二电极与第一引线之间的电容代入到计算公式中，该第一引线与第一电极耦合。在第二电极和第一引线之间的电容例如可以根据经验地求解。然而同样可能的是，所述电容根据所使用的几何形状和所使用的材料(特别是材料的介电常数)来计算。通过有意地容忍在电极的引线和在其附近引导有引线的那些电极之间的电容式耦合，可以动用多种制造技术以用于制造相应的电容式传感器阵。因此，所述电极以及所有引线例如可以在使用相应的绝缘层的情况下以逐层的压制技术安装有导电的或者不导电的涂料。因为足够薄而柔性的塑料薄膜可以用作基底。所述柔性的载体(基底)允许电容式传感器阵的形状无问题地匹配于例如机动车的操作元件的空间形状。因此，操作元件(触摸板)连同相应的电容式传感器例如可以柔性地匹配于机动车的仪表板的外部形状并且集成到所述仪表板中。此外，按照本发明的一方面，这样的制造方法相对于已知的传统方法提供成本优势，所述传统方法将比较厚的电路板用作基底。

按照本发明的另一方面，给出一种用于读取电容式传感器阵的有利的方法，其中，传感器阵的多个电极包括至少一个第三电极，所述第三电极的第三引线这样被引导，使得该第三引线与第一电极、第二电极电容式耦合并且必要时与其他电极电容式耦合。此外，所述检测步骤在这样的方法中包括：检测第三引线上的第三信号，该第三引线与第三电极耦合。必要时在其他引线上检测其他信号，所述其它引线与其他电极耦合。所述其他引线例如与所述第三电极电容式耦合。所述第一、第二或者第三电极的电容通过分析相应的计算公式来确定，其中，针对第一、第二或者第三电极分别要单独地确定的计算公式，考虑第一、第二和第三信号以及必要时考虑在其他引线上的其他信号。此外，将在第二电极与第一电极的引线之间的电容、在第三引线与第一电极之间的电容、在第三引线与第二电极之间的电容和必要时在第三引线和与该引线耦合的其他电极之间的电容代入到计算公式中。借助于这样的方法，也可以可靠地读取复杂的传感器阵。

为了确定所提及的计算公式，可以有利地列出线性方程组，该线性方程组解析地或者数值地解出并且该线性方程组的解给出用于计算第一、第二和必要时第三电容的相应的计算公式。在所述线性方程组中存在用于第一、第二和必要时第三信号的第一、第二和必要时第三方程式。所述第一至第三方程式通过解析电容式传感器的相应的电容点阵列出。在此，所述电容考虑沿着通过相应的第一、第二或者必要时第三引线限定的、由第一、第二和必要时第三电极至其在传感器阵的接线区域中的输出端的路径。出现在所述路径上的电容首先是第一、第二或者必要时第三电极的第一、第二和必要时第三电容。此外，考虑在第一、第二和必要时第三引线与同所述引线相耦合的电极之间的电容。

按照本发明的另一方面，给出一种电容式传感器，该电容式传感器具有分析单元和具有多个分立的电极的传感器阵。每个分立的电极耦合到各一个分立的引线上，所述引线由相应的电极延伸至接线区域中。优选所述相应的引线直接与相应的电极电连接。例如，所述引线直接压制到电极上并且所述电极与引线按照所述方式接通。通过相应的引线可以读取相应的电极的电容。所述电容式传感器阵包括至少一个第一电极，所述第一电极的引线这样被引导，使得引线与至少一个第二电极电容式耦合。所述分析单元设计为用于：在第一引线上检测第一信号，该第一引线与第一电极耦合，并且在第二引线上检测第二信号，该第二引线与第二电极耦合。所述第一电极或者第二电极的电容通过使用预定的并且优选在分析单元中存储的计算公式来确定。所述计算公式考虑第一信号、第二信号和在第二电极与第一电极的引线之间的电容式耦合。优选所述计算公式考虑在第二电极和第一电极的引线之间的电容。如已经提及的那样，所述电容不仅可以根据经验而且可以借助于使用的几何形状和材料在理论上确定。

此外，所述电容式传感器可以有利地具有多个外部电极，这些外部电极邻接于电容式传感器阵的接线区域。优选地，所述外部电极设置在传感器阵的周边的至少一个区段中。所述外部电极将接线区域与多个内部电极分开。内部电极的引线这样被引导，使得这些引线与至少一个所述外部电极电容式耦合并且通向优选设置在传感器阵的边缘上的接线区域。按照电容式传感器的这样的实施形式，内部电极是第一电极并且外部电极是第二电极。

此外，所述内部电极的引线在外部电极的面的至少一个部分区域上引导，其中，所述引线由内部电极通过电绝缘层与外部电极分开。考虑到电容式传感器的灵活性以及成本而有利的是，所述电极、引线和/或绝缘层是以压制方法制造的层。

按照本发明的另一方面，给出一种用于制造如按照本发明的上述方面所阐述的电容式传感器的方法。在这样的制造方法中，分立的电极、电绝缘层和引线以压制方法依次安装到柔性的基底上。

按照本发明各方面的电容式传感器以及用于制造这样的电容式传感器的方法的其他优点已经在按照本发明的方法方面被提到并且应该因此不再重复。

附图说明

图1以简化的透视图示出按照一个实施例的电容式传感器阵的正面；

图2由传感器阵的背面示出所述传感器阵的局部的简化的透视图；

图3示出用于这样的传感器阵的简化的等效电路图，其中，示例性地考虑内部的和外部的电极；

图4示出用于三个在电容式传感器阵中的示例性的电极的另一种简化的等效电路图，所述传感器阵的引线通过直至两个电极被引导向相应的电极；

图5示出简化的流程图，该流程图按照实施例阐述了在电容式传感器中的信号处理路径，以及

图6以简化的视图示出机动车的副仪表板的局部，按照一种实施例的电容式传感器集成到该副仪表板中。

具体实施方式

图1示出电容式传感器阵2的正面的简化的透视图，该电容式传感器阵具有多个分立的电极4(由于清楚性的原因，电极4中仅一些配设有附图标记4)。所述电极4设置在优选透明的基底6上，该基底例如可以是足够薄的并且因此是柔性的塑料薄膜或者薄的柔性电路板。

电极4是分立的，亦即，在一个平面中(所述电容式传感器阵2沿着该平面延伸)电极4是相互间隔开的并且相互电绝缘。每个所述电极4耦合到同样分立的引线8上。优选地，所述引线8部分地压制到相应的电极上并且因此与该电极电连接或者耦合。引线8由电极4通向至电容式传感器阵2的接线区域10中。所述引线8越过邻接于接线区域10的电极4的面而通向非直接邻接于接线区域10的电极4，并且此外相对于相应的电极4通过绝缘层12电绝缘。所述电极4、引线8和绝缘层12优选以逐层的压制方法在使用适合的导电的或者不导电的涂料的情况下制造。

所述电容式传感器阵2通过以手指14或者为此设置的笔触碰来操作，该电容式传感器阵优选集成到机动车的操作区中并且例如用于操作收音机或者导航仪。通过将这样的电容式传感器阵2与例如限定不同的操作元件的面板或者处于其上的屏幕相组合可以实现触摸板。通过触碰或者运动手指14或者笔可以实施例如用于调节收音机的音量的预定的功能。

图2以局部的、简化的并且透视的视图由背面示出已经由图1已知的电容式传感器阵2。所述电容式传感器阵2具有外部电极42，所述外部电极直接邻接于接线区域10。通过所述外部电极42将设置在电容式传感器阵的内腔中的内部电极41与处于传感器阵2的外部边缘上的接线区域10分开。外部电极42的引线8由这些外部电极出发直接通到接线区域10中。与此相反，内部电极41的引线8越过外部电极42通到接线区域10中并且相对于相应的外部电极42通过绝缘层12分开。通过内部电极41的引线8的线路布局产生在该引线8和相应的外部电极42之间的电容式耦合。所产生的电容主要取决于在引线8和外部电极42之间的重叠区域的尺寸、绝缘层12的厚度和绝缘层12的材料(特别是介电常数)。在分析第一信号Cm1和第二信号Cm2时考虑电感偶合。第一信号Cm1在第一引线8上量取，该第一引线与也标记为第一电极的内部电极41连接。第二信号Cm2在第二引线8上量取，该第二引线应该与外部电极42连接并且也标记为第二电极。考虑并且修正所述电容式耦合的计算公式通过解析电容点阵来求解，该电容点阵存在于引线8和电极4之间。

图3示出在内部电极41和外部电极42(标记为第一和第二电极)与所述电极的引线8之间的电容点阵的简化的等效电路图。第一信号Cm1存在于第一引线上，该第一引线与内部第一电极41连接。所述第一电极41的电容以CF1标记并且当假定为接地的手指14或者笔与该第一电极41相互作用时产生。因为引线8越过外部第二电极42通向内部第一电极41(参看图2)，该第二电极的电容以Cf2标记，产生在引线8和外部电极42之间的电容式耦合。在引线8和第二电极42之间的电容在图3的等效电路图中以Ck12标记。

在第二引线上检测第二信号Cm2，该第二引线与内部第二电极42连接。存在于内部第二电极42上的电容当假定为接地的手指14或者笔与内部第二电极42相互作用时变化。

从在图3中示出的等效电路图得出，在第一引线上检测的第一信号Cm1如下通过在等效电路图中示出的电容来确定：

$\mathrm{Cm}1=\mathrm{Cf}1+\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{Ck}12}+\frac{1}{\mathrm{Cf}2}}$

针对存在于第二引线上的第二信号Cm2相应地得出在图3的等效电路图中示出的电容的如下相关性：

$\mathrm{Cm}2=\mathrm{Cf}2+\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{Ck}12}+\frac{1}{\mathrm{Cf}1}}$

示出的针对第一信号Cm1和第二信号Cm2的方程式组成线性方程组，该线性方程组能够根据所述参量解出以用于确定第一或者第二电极41、42的电容Cf1、Cf2。针对第一电极41的电容Cf1得出如下计算公式：

$\mathrm{Cf}1=\frac{\mathrm{Cm}1}{2}-\mathrm{Ck}12+\sqrt{\mathrm{Cm}1*(\frac{{\mathrm{Ck}12}^2}{\mathrm{Cm}2}+\frac{\mathrm{Cm}1}{1})}$

因此，第一电极41的电容Cf1可以借助第一和第二信号Cm1、Cm2以及借助在第二引线8(该引线与第二电极42连接)和第一电极41之间的电容Ck12确定。以下计算公式相应地适用于第二电极42的电容Cf2：

$\mathrm{Cf}2=\frac{\mathrm{Cm}2}{2}-\mathrm{Ck}12+\sqrt{\mathrm{Cm}2*(\frac{{\mathrm{Ck}12}^2}{\mathrm{Cm}1}+\frac{\mathrm{Cm}2}{1})}$

针对电容式传感器阵2可以得出用于确定电极41、42的相应的电容Cf1、Cf2的所示出的解析解，在所述电容式传感器阵中内部电极41的引线8仅越过电极列(即越过外部电极42)被引导。然而，如果传感器阵2具有如下电极，所述电极的引线越过多个电极4被引导，则通常不再得出用于确定电极4的相应的电容的解析解，从而必须动用数值的方法。

以下应该给出针对传感器阵2的示例性的方程组，在该传感器阵中存在第三电极4，该电极的引线8被引导通过外部第一电极41并且通过接着的内部第二电极42。在这种情况下，得出在图4中示出的等效电路图。

在第一至第三引线上检测信号Cm1、Cm2和Cm3。因为所述引线不仅越过(具有电容Cf1的)第一电极并且越过(具有电容Cf2的)第二电极通向第三电极，则除了已经已知的电容Ck12之外得出其他电容Ck13和Ck23，所述电容通过通向(具有电容Cf3的)第三电极的引线与第一电极(Ck13)和第二电极(Ck23)的电容式耦合得出。

在图4中示出的电容点阵中，针对在第一至第三引线上检测的信号Cm1、Cm2和Cm3列出如下方程式，所述方程式又组成线性方程组：

$\mathrm{Cm}1=\mathrm{Cf}1+\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{Ck}12}+\frac{1}{\mathrm{Cf}2}}+\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{Ck}13}+\frac{1}{\mathrm{Cf}3}}$

$\mathrm{Cm}2=\mathrm{Cf}2+\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{Ck}12}+\frac{1}{\mathrm{Cf}1}}+\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{Ck}23}+\frac{1}{\mathrm{Cf}3}}$

$\mathrm{Cm}3=\mathrm{Cf}3+\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{Ck}13}+\frac{1}{\mathrm{Cf}1}}+\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{Ck}23}+\frac{1}{\mathrm{Cf}2}}$

通过所述方程组的数值解又得出第一至第三电容Cf1、Cf2和Cf3的表达式，这些表达式是相应的计算公式。

图5示出信号流程的简化的视图，所述信号流程由在引线上检测的信号Cm1至Cm4出发，所述信号根据按照本发明各方面的方法来分析，所述方法在图5中标记为电极串扰补偿，从而能够计算存在于相应的电极4上的电容Cf1至Cf4。所述电容Cf1至Cf4在另一种标记为电极电容分析的步骤中分析，以便确定例如手指14在电容式传感器阵2上的位置并且借助在所述步骤中给出的位置信号或者接近信号来执行相应的功能。

图6示出机动车的副仪表板16的局部的简化视图，该副仪表板除了不同的操作元件18以外包括电容式传感器20。电容式传感器2包括电容式传感器阵2和与其连接的、优选设置在副仪表板16内部(或者也设置在机动车的其它位置上)的分析单元22。

Claims (10)

1.用于读取具有多个分立的电极(4)的电容式传感器阵(2)的方法，其中，电容式传感器阵(2)的每个电极(4)耦合到各一个分立的引线(8)上，所述引线由相应的电极(4)延伸至传感器阵(2)的接线区域(10)中并且能够通过所述引线读取相应的电极(4)的电容(Cf1、Cf2、Cf3)，其中，传感器阵(2)的多个电极(4)包括至少一个第一电极(4)，所述第一电极的引线(8)被引导，使得引线(8)与至少一个第二电极(42)电容式耦合，其中，用于读取所述电容式传感器阵(2)的方法包括以下步骤：

a)在第一引线(8)上检测第一信号(Cm1)，该第一引线与第一电极(41)耦合，并且在第二引线(8)上检测第二信号(Cm2)，该第二引线与第二电极(42)耦合；

b)通过使用预定的计算公式来确定第一电极(41)或者第二电极(42)的电容(Cf1、Cf2)，所述计算公式考虑第一信号(Cm1)、第二信号(Cm2)和在第二电极(42)与第一引线(8)之间的电容式耦合，该第一引线与第一电极(41)耦合。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，将在第二电极(42)与第一引线(8)之间的电容(Ck12)代入到计算公式中，该第一引线与第一电极(41)耦合。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述传感器阵(2)的多个电极(4)包括至少一个第三电极，所述第三电极的第三引线被引导，使得该第三引线与第一电极(41)、第二电极(42)电容式耦合并且必要时与其他电极电容式耦合，

其中，检测的步骤此外包括：

在第三引线上检测第三信号(Cm3)，该第三引线与第三电极耦合，并且必要时在其他引线上检测其他信号，这些引线与其他电极耦合，其中，所述其他电极与第三电极的引线电容式耦合，并且

其中，确定电容的步骤此外包括：

通过使用计算公式来确定第一电极(41)、第二电极(42)或者第三电极的电容(Cf1、Cf2、Cf3)，所述电容考虑第一、第二和第三信号(Cm1、Cm2、Cm3)以及必要时考虑在其他引线上的其他信号，其中，所述其他引线与一个/多个其他电极电容式耦合，并且此外将在第二电极(42)与第一电极(41)的引线(8)之间的电容(Ck12)、在第三引线与第一电极(41)之间的电容(Ck13)、在第三引线与第二电极(42)之间的电容(Ck23)和必要时在第三引线和与该第三引线耦合的其他电极之间的电容带入到计算公式中。

4.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，在确定第一、第二和必要时第三电容(Cf1、Cf2、Cf3)的步骤中使用相应的预定的第一、第二和必要时第三计算公式，并且其中为了确定所述计算公式而解析地或者数值地解出线性方程组，其中，所述线性方程组包括用于第一、第二和必要时第三信号(Cm1、Cm2、Cm3)的第一、第二和必要时第三方程式并且列出针对电容点阵的相应方程式，所述电容点阵包括第一、第二和必要时第三电容(Cf1、Cf2、Cf3)和沿着由第一、第二或者必要时第三电极(41、42)至相应的第一、第二或者必要时第三引线(8)的输出端的路径在传感器阵(2)的接线区域(10)中出现的电容(Ck12、Ck13、Ck23)，所述电容在第一、第二和必要时第三引线(8)和一个或者多个与相应的引线耦合的电极(4)之间。

5.电容式传感器(20)，包括分析单元(22)和具有多个分立的电极(4)的电容式传感器阵(2)，其中，每个电极(4)耦合到各一个分立的引线(8)上，所述引线由相应的电极(4)延伸至接线区域(10)中并且能够通过该引线读取相应的电极(4)的电容(Cf1、Cf2)，其中，所述传感器阵(2)包括至少一个第一电极(41)，所述第一电极的引线(8)被引导，使得引线(8)与至少一个第二电极(42)电容式耦合，并且其中，分析单元(22)设计为用于：

a)在第一引线(8)上检测第一信号(Cm1)，该第一引线与第一电极(41)耦合，并且在第二引线(8)上检测第二信号(Cm2)，该第二引线与第二电极(42)耦合，并且

b)通过使用计算公式来确定第一电极(41)或者第二电极(42)的电容(Cf1、Cf2)，其中，在所述预定的并且存储的计算公式中考虑第一信号(Cm1)和第二信号(Cm2)以及在第二电极(42)与第一电极(41)的引线(8)之间的电容式耦合。

6.根据权利要求5所述的电容式传感器(20)，其中，在所述计算公式中考虑在第二电极(42)与第一电极(41)的引线(8)之间的电容(Ck12)。

7.根据权利要求5或6所述的电容式传感器(20)，其中，所述电容式传感器阵(2)具有多个外部电极(41)，这些外部电极邻接于传感器阵(2)的至少一个接线区域(10)，并且所述电容式传感器阵具有多个通过外部电极(41)与接线区域(10)分开的并且设置到传感器阵(2)的内腔中的内部电极(42)，其中，所述内部电极(42)的引线(8)被引导，使得所述引线与所述外部电极(41)中的至少一个外部电极电容式耦合并且通向设置在传感器阵(2)的外部边缘上的接线区域(10)，并且其中，所述第一电极是所述内部电极(41)之一并且所述第二电极是所述外部电极(42)之一。

8.根据权利要求7所述的电容式传感器(20)，其中，所述内部电极(42)的引线(8)在外部电极(41)的面的至少一个部分区域上被引导并且所述引线(8)通过电绝缘层(12)与内部电极(42)分开。

9.根据权利要求8所述的电容式传感器(20)，其中，所述电极(4)、引线(8)和/或绝缘层(12)是以压制方法制造的层。

10.用于制造按照权利要求5至9之一所述的电容式传感器的方法，其中，分立的电极(4)、电绝缘层(12)和引线以压制方法依次安装到柔性的基底上。