CN105318896A - 使用自电容的位置感测设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种使用自电容的位置感测设备和方法。电容性位置传感器包括在被屏蔽电极部分地包围的信号电极附近的可移动目标、电容-数字转换器和用于将屏蔽电极和每个信号电极连接到转换器的输入或接地的开关。针对不同的开关设置来测量转换器的输入自电容，并根据所述测量计算信号电极和目标之间的互电容，并可以根据所述互电容得到目标的位置。电极到电极的互电容(对污染加以表示)也可根据测量计算得到。在优选实施例中，传感器使用增量位置传感器的刻度尺作为其目标，以便通过刻度尺的移动来检测位置，由此使得能够在大于增量传感器的间距的范围上进行绝对位置确定。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年3月21日递交的美国临时专利申请No.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
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
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。
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，RossJr.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。
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。
一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FreescaleMC33941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。
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。
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
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。
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(pickupelectrode)、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。
从而，可从结果(C1-C2+C3)/2计算出信号电极集合和目标之间的互电容，结果(C1-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。
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。
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(C1+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。
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(C1+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(C1-C2+C3)/2。
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)。
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。
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。
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径上位于增量传感器旁边，此处空间已可用来容纳定尺。在数字线性测量仪器中，实施例可进行添加，而不增加测量仪器的尺寸。
实施例只向公共印刷电路板添加具有集成电容性触摸感应电路的微控制器和屏蔽电极。在大多数应用中，微控制器将只是替代现有的微控制器(数字输入/输出功能所需)。实施例的低附加成本使得能够实现简单且经济的绝对测量系统。
通过使用现有的增量位置传感器ASIC可以获得好得多的性能，尤其是它们是电容性或电感性的并从而只需要电极或绕组形状的导体作为感测元件的情况下更是如此。这种ASIC(针对微功耗进行了优化)可以在接通时连续追踪位置，从而只在启动时或间歇的需要绝对传感器，从而减小了微控制器的占空比和功耗。
有利地，电感性增量位置传感器ASIC不应该与粗糙绝对电容性传感器接触。然而，在其绕组中存在的电介质(平绕组的表面上的水滴或水膜)可能会对其准确度稍有损害。如此，电容性粗糙传感器在早期对凝结的敏感性是受欢迎的，这是因为其能够在电感性传感器的准确度超标之前并在电子器件的其余部分开始故障之前进行提醒。
附图说明
图1示出了根据本发明的电容性传感器和电路。
图2示出了用于测量自电容C1的传感器装置。
图3示出了用于测量自电容C2的传感器装置。
图4示出了用于测量自电容C3的传感器装置。
图5是本发明的一种实施例中每个电极与目标的互电容的图形表示，其中使用的目标比信号电极阵列短。
图6是本发明的一种实施例中每个电极与目标的互电容的图形表示，其中使用空间周期性的目标。
图7是本发明的一种实施例中每个电极与目标的互电容的图形表示，其中使用的目标比信号电极阵列长。
图8示出了本发明的优选实施例。
具体实施方式
这里描述的位置传感器基于对电极自电容的测量，以便使用具有集成触摸感应电子器件的微控制器，当然还可使用任何合适的电路测量自电容来作为代替。所述电路必须能够测量一个或多个感测焊盘或感测管脚上的自电容，其中通过将一个或多个感测焊盘或管脚切换到对于所需准确度足够线性的电容-数字转换器而同时将其与感测焊盘切换接地来实现测量。
举例来讲，满足这些要求的电容性感测微控制器是硅实验室(SiliconLabs)C8051F99x，其通过将感测焊盘或包括至多14个感测焊盘的任意群组连接到一种连续近似电容-数字转换器(Welland的美国专利8’193’822中所公开的类型)来对它们的自电容进行测量。转换器的最敏感范围是大约60pF，并且在其13比特的默认分辨率情况下，一次转换花费约25μs。
图1示意性地示出了具有面对接地目标10的信号电极11的阵列的电容性位置传感器的截面图，所述目标10的一端10e是能够以相距阵列的恒定间隔h沿测量轴x移动的。屏蔽电极12在不面对目标的区域上围绕信号电极11的阵列。所有电极都是以边在最前(edge-on)的方式查看的。在屏蔽电极和信号电极附近，部分地描述了触摸感应微控制器200。通常，其应该在承载电极的电路上或与之很近；如果不是的话，屏蔽电极12应该围绕信号电极的所有至微控制器的连接，例如以电缆屏蔽的形式。
目标10要么是如此所示直接连接到微控制器200的接地焊盘20的，要么是通过足够大的电容与接地焊盘连接的。信号电极11和屏蔽电极12分别连接到微控制器200的感测焊盘21和感测焊盘22。在微控制器200内，感测焊盘22连接到开关221和220，并且每个感测焊盘21连接到开关211之一和开关210之一。开关221和开关211连接到微控制器的电容-数字转换器(未示出)的模拟输出231。开关220和开关210连接到接地焊盘20。
信号电极11可被选择为形成信号电极集合，以用于测量和计算集合到目标10的互电容。在示出了电容测量方法的图2、3、4中，只选择了一个信号电极11，其被重命名为11s，这是因为其如今形成信号电极集合。然而，信号电极集合还可由任意组合和数量的信号电极(均重命名为11s)形成。屏蔽电极12和与之连接的任意剩余信号电极11形成屏蔽电极集合。
电容-数字转换器测量其输入231上的自电容，使用所选的信号电极集合(这里，电极11s)进行如图2、3、4所示的三次不同测量，以便计算互电容作为结果。在每次测量期间，信号电极集合的所有信号电极11s连接在一起(这里，只有一个电极)，形成一个组合电极，并且屏蔽电极集合的所有电极11和12也连接在一起，它们形成以下三个互电容的三个电极：信号电极集合和目标之间的电容C10、屏蔽电极集合和目标之间的电容C20和屏蔽电极集合和信号电极集合之间的电容C12。为了简明，微控制器的轮廓和焊盘没有在图2-4中示出。
连接到所选信号电极集合的信号电极11s的开关211和210被类似地重命名为211s和210s。由于信号电极集合只包括一个电极，所以也只存在一个开关211s和一个开关210s。注意的是，通过在文本中将“开关211s(或210s)”替换为“多个开关211s(或210s)”，下文的描述同样适用于多电极集合的情况。
针对给定的信号电极集合，三个自电容C1、C2、C3(分别将电容-数字转换器的输入231与图2-4中所示的三个开关设置接通)是依次测量的。顺序并不重要，只要在足够短以至于使它们保持足够不变的时间帧内测量所有三个自电容即可，从而可从它们计算得到准确的结果。
图2示出了用于测量自电容C1的开关设置。信号电极集合(阴影)通过接通的开关211s(开关211和221关断)连接到转换器的输入231。屏蔽电极集合通过接通的开关210和220(开关210s关断)接地，从而在电容C20上不存在任何电压，由此没有任何位移电流从中通过。转换器的输入231处的自电容C1从而是信号电极集合的自电容，自电容C1等于其与目标10的互电容C10与其与屏蔽电极集合的互电容C12之和：
C1＝C10+C12。
图3示出了用于测量自电容C2的开关设置。屏蔽电极集合(阴影)通过接通的开关211和221(开关211s关断)连接到转换器的输入231。信号电极集合通过接通的开关210s(开关210和220关断)接地，从而在电容C10上不存在任何电压，由此没有任何位移电流从中通过。转换器的输入231处的自电容C2从而是屏蔽电极集合的自电容，自电容C2等于其与目标10的互电容C20与其与信号电极集合的互电容C12之和：
C2＝C20+C12。
图4示出了用于测量自电容C2的开关设置。所有信号和屏蔽电极(阴影)通过接通的开关211、211s和221(开关210、210s和220关断)连接到转换器的输入231，从而在电容C12上不存在任何电压，由此没有任何位移电流从中通过。转换器的输入231处的自电容C3从而是所有信号电极加上屏蔽电极或两个电极集合连接在一起的自电容。自电容C3等于信号电极和屏蔽电极集合与目标10的互电容C10和C20之和：
C3＝C10+C20。
计算(C1-C2+C3)/2的结果是得到与目标的互电容C10，这是由于所有其它互电容抵消。其不受屏蔽电极对外部导体(未示出)的寄生电容的影响，这是因为其可被认为是屏蔽罩12和目标10之间的互电容C20的一部分，从而也抵消掉了。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。
然而，所述结果会受到信号电极经由与目标不同的其他路径接地的寄生电容的影响，这是因为它们也可被认为是信号电极集合和目标之间的互电容C10的一部分，而几乎不可能将这一接地寄生电容与到实质上接地的目标的互电容相区分。
可通过合适的布置来容易地减少旁路刻度尺的这一接地地寄生电容，但除了微控制器的感测焊盘焊盘或感测管脚的不可避免的内部电容之外。不幸的是，这些焊盘的电容较小且其随温度或湿度的改变不大，导致容易对它们进行补偿，例如通过在没有目标的情况下对自电容C1、C2、C3进行初始测量，计算结果(C1-C2+C3)/2，并将其作为恒量存储在存储器中以用于修正后续结果。
测量三个自电容而不只是一个互电容还使得能够对污染进行早期检测。通常的凝结(其形成膜或滴)增加信号电极集合和屏蔽电极集合之间的互电容C12。电容C12可被计算为(C1-C2+C3)/2。由于电容C12只是被目标的位置稍微影响，所以任何电容改变都最有可能由污染导致，并从而可以在位置感测被破坏之前被检测到。作为比较，很难通过单次互电容测量(C10)来区分污染和位置改变，除非污染过于严重导致电容C10超出合理值。
在具有信号电极11的阵列的传感器中(如图1所示)，确定目标10的位置通常需要得到大多数(如果不是全部的话)信号电极与目标10的互电容C10，从而必须针对许多单电极或多电极信号电极组合重复测量。来自这些信号电极集合的位置更新应足够快，以最小化快速移动带来的失真。这可通过以下步骤得到：首先只从所测的电容C1、C2、C3计算电容C12，然后通过再次测量C1来计算电容C10，并减去存储的电容C12。这是因为电容C12与电容C10相比随位置和时间变化更小：在大多数情况下，只有在大量测量之后，水分或凝结才会显著改变。从而，首先测量和计算电容C12，存储它们并从单个信号电极集合的电容C1(通过将屏蔽电极集合接地测量)将它们减去是有道理的：计算后的结果得到电容C10，这是由于C1等于C10+C12。由于只有较为不频繁的对电容C12的更新需要测量所有电容C1、C2、C3，而更为频繁的对电容C10(指示位置)的更新只需要重复对电容C1的测量，所以需要较少次数的测量。从而可以以更快的速率来实现位置更新，以便减少由快速移动导致的追踪错误，或简单地为了节能。即使如此，电容C10仍然是被测电容C1、C2、C3的函数，只不过需要电容C12作为中间量。
本发明的实施例是与图1中所示类似的线性或曲线信号电极阵列，其限定了轨道或轴x，具有屏蔽物形状的目标10能够以恒定的间隔h沿所述轨道或轴x移动，其中信号电极阵列在不面对目标的区域被屏蔽电极12围绕。针对每个信号电极11，从三个自电容测量计算得到互电容测量，针对用于确定近似位置的N个电极得到N个结果。根据目标或屏蔽物的配置不同，所述实施例可具有不同的使用，如图5-7所示，其中以图形的方式示出了信号电极的阵列，每个信号电极的长度沿轴x为L，每个电极11以符号的方式显示为具有沿轴x的相同长度L和与电极到目标10的互电容Cm正比例的高度的重叠条。假定在没有目标的情况下，如前所述，接地的寄生电容被补偿，互电容Cm以及条的高度是零。
在图5中，目标或屏蔽物10比阵列短。直接面对屏蔽物的电极具有最大的互电容，而不面对屏蔽物的电极的互电容为零，而在边缘面对屏蔽物的电极的互电容则是实质上与重合度成比例的中间值。在这种情况中，电极的中心位置Xc大约是分割重叠条的表面的位置，其左侧和右侧具有相等的面积。
在图6中，目标或屏蔽物10具有空间周期性的配置，沿轴x方向包括具有空间周期或间距T的矩形屏蔽物(以边在最前的方式查看)的序列，T等于4个电极的长度L，即4L。以与针对单个短屏蔽物(但在间距T之内)的方式相同的方式确定屏蔽物的中心位置Xc，例如通过只选择面对一个屏蔽物的信号电极以及找到将重叠的条的表面分为左右相等部分的位置来实现。可以通过对针对每个间距T单独计算得到的位置Xc进行平均来给出更为准确的结果。较快的测量方式是将所有具有中心到中心距离等于间距T的信号电极11连接在一起(即如图6所示，每隔3个电极，从而只形成四个信号电极集合)。可选择分数的间距与电极长度(T/L)比(例如3.333)，导致三种偏移电极-屏蔽物配置，可从中计算得到更为平滑、更为线性的位置特性。这种空间周期性目标或屏蔽物配置对数字电容性卡尺来讲是一种有吸引力的方案，其中携带信号电极的滑块比刻度尺短得多。
空间周期性屏蔽物序列可以以不规则的间隔缺少屏蔽物，使得在比信号电极阵列更长的范围上能够进行绝对位置检测，同时实质上保持通过对面对阵列的多个屏蔽物的位置进行平均获得的准确度。在间距T内的准确测量可通过按刚才的描述设置信号电极来实现，同时，可通过由间距内的所有连续电极形成的集合来检测缺少的屏蔽物，然后使用逻辑从缺少的屏蔽物的位置得到绝对位置。可通过这种方式来实现绝对数字卡尺。
在图7中，目标或屏蔽物10长于阵列，并且其边缘10e相对于与其相对的电极的位置Xe与它们之间的互电容成线性关系。例如，如果得到的结果是0.7，其中刻度尺管脚对左侧的、面对电极的电极设为1，针对右侧的、不面对电极的电极设为0，则位置Xe大约等于左侧电极的数量加上电极的长度乘以0.7。
实际上，虽然没有面对目标10的电极11的电容会有一些剩余互电容，但是其中大多来自微控制器的感测焊盘输入电容。如所述，这很容易补偿。面对目标10的电极11的电容问题更大，这是因为其强烈地依赖于阵列和目标按的间隔。其可按照电极不同而发生变化，并且针对给定电极，还可随目标的位置发生变化。一种保持准确度的简单方法是得到面对目标的所述端的电极的互电容，得到没有面对所述定尺的其邻居的互电容并将其作为零进行参考，得到面对所述定尺的其另一邻居的互电容并将其作为一进行参考，最终使用这两个参考值确定中间电极的电容的值的大小：在附近参考值的帮助下确定的内插值对于长距离间隔变化较为不敏感。这些位置测量不需要使用精确的尺寸因素进行电容测量，只要其对于所有电极相同即可。由于在相同的转换器中队所有电容进行数字化，所以这种情况是明显的。
除了提供沿轴x的位置之外，还可将位置传感器测量自电容用来计算间隔，其与面对目标的信号电极的所计算的互电容大概成反比。通过对许多电极的互电容进行比较，还能得到沿轴的间隔变化，即俯仰角。还可得到偏离和摇摆，例如通过并排提供两行信号电极而不是一行。这些数据可对更准确地确定位置x有所贡献，例如通过检测定尺和信号电极之间的导向误差(其然后会被补偿)来实现。
本发明的一个优选实施例是粗糙绝对位置传感器，其与增量位置传感器共享印刷电路，并且使用增量位置传感器的定尺作为其目标。增量位置传感器在其空间周期或间距T内是高度准确的，而粗糙绝对传感器则确定间距的数量。从而，其只需准确到小于加上或减去半个间距，以避免误差：针对1毫米的典型增量传感器间距T，粗糙传感器将必须准确至±0.5毫米。很容易更加准确，尽管如此，还是针对来自污染或快速位置改变的误差源留出一定裕量。微控制器通过将根据其电容测量计算的粗糙绝对位置与从增量传感器接收的准确位置相结合来计算确切的绝对位置。
这一绝对测量系统可以是非常紧凑的，使得其适于诸如数字线性测量仪器或数字指示器的应用。它们具有固定的增量感测区域和可移动的定尺，所述定尺在一端附加到沿测量轴x导向的圆柱形探头。定尺的最小长度是固定的感测区域沿轴x的延伸与探头的总移动距离之和，定尺必须在任何位置都面对整个感测区域。这意味着在探头是完全延伸的(全伸出来)情况下，定尺仍然面对感测区域，其顶端几乎从与探头相对的端伸出。随着探头移动到其完全收回的位置，相反一端的定尺顶端移动，直到其从感测区域伸出附加总探测移动距离为止，从而必须为了容纳所述定尺留有空间，并且所述空间可用来存放粗糙绝对传感器。针对这一目的的小型且节约成本的方案是使用触摸感测微控制器的电容性传感器。
图8示出了公共印刷电路板的粗糙绝对传感器部分和共享定尺或目标的所述端。与定尺的平面垂直的维度(印刷电路和定尺的厚度，二者之间的间隔)进行了放大，以便更好地观看。间隔h实际上要小得多，以便获得随位置的足够的电容变化。
印刷电路100(透明示出)在其面对刻度尺10的底侧具有信号电极11的线性阵列。在印刷电路的顶面(即背离刻度尺的一面)上，在电极10周围以及在其之上，阵列覆盖刻度尺顶端10e的总移动距离，并别屏蔽电极12围绕。屏蔽电极12连接到微控制器200的感测焊盘22，并且每个电极11通过印刷电路线111连接到微控制器200的感测焊盘21。针对它们的长度的大部分，这些线111位于埋藏金属级，从而它们被屏蔽电极12或信号电极11从外界屏蔽。如果可以忍受一些均匀的接地电容，则线111可位于顶面上，但这事应该更窄，具有相同长度，并被屏蔽电极围绕，而且位于印刷电路之外的导体应该足够远，以保持该电容较低。
感测结构实质上上与图7及其描述中所示相同。如果将移动距离保持为足够短，以使得在总是面对刻度尺的一端具有至少一个电极并且在总不缅度刻度尺的另一端具有一个电极，则测量是直接的：首先，通过查找中间结果识别哪个信号电极面对刻度尺顶端10e，然后将其与其邻居的结果进行比较，即确定这三个结果的大小，以使得具有较大结果的邻居定为1，具有较小结果的邻居定为0；针对中间结果得到的分数反映该电极被刻度尺的覆盖程度。将该结果添加到该电极的位置，得到通过电极长度L表达的粗糙绝对位置。注意到，如果刻度尺顶端10e刚好位于一个电极(N)和另一个电极(N+1)之间的空间时的，从一个电极(N)到另一个电极(N+1)的结果可能会从0跳到1：在这种情况中，可选择任一电极，这是因为两种选择会产生相同的粗糙绝对位置(以电极长度L表达)：(N)+1等于(N+1)+0。可通过查找连续电极之间的结果中的最大转变来找到面对刻度尺顶端的信号电极，然后查找在其左侧和右侧的电极的转变：面对刻度尺顶端的信号电极位于发生最大转变的电极和发生较大转变的电极(在左侧或右侧)之间。
所述实施例仅向公共印刷电路板添加了具有集成电容触摸感测电路的微控制器以及信号和屏蔽电极。而且在大多数应用中，微控制器很有可能只是替换已经存在的微控制器(诸如数据输出之类的功能所需)。将增量测量系统转换为绝对测量系统的附加成本从而是很小的，并且通过精心设计，可以在添加的同时不增加测量仪器的尺寸。
最简单且最廉价的方案可能是使用来自相同微控制器的附加触摸感测电极来实现增量传感器。然而，增量部分的分辨率和准确度可能不比来自粗糙传感器的分辨率和准确度大很多。上文中结合图6所述的传感器(其中通过屏蔽物的周期性阵列(其中以不规则的间隔省去一些屏蔽物)来形成目标)可能是更好的方案。
可通过使用现有的电容性或电感性增量位置传感器ASIC(由于两者都可感测导电刻度尺或目标)来获得改善的性能。它们针对微功耗进行了优化，并且当接通时连续追踪其位置：从而，只在通电后或在间歇地检查时才需要绝对传感器，由此减小了微控制器的占空比和功耗。
有利地，由于电感性增量位置传感器ASIC只是对其绕组的分布电容中存在的电介质稍有敏感，所以其不会与粗糙绝对电容性传感器进行交互。在这种意义上讲，电容性粗糙位置传感器在早期阶段检测凝结的能力是受欢迎的，因为这可以在电感性传感器的准确度被严重破坏之前以及在其余电子器件开始发生故障之前作出提醒。
Claims (12)
1.一种基于对电极自电容进行测量的电容性位置感测方法，所述电极包括信号电极、部分地包围所述信号电极的屏蔽电极以及所述信号电极附近的实质上接地的可相对移动的目标，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接；
测量在所述屏蔽电极集合接地的情况下所述至少一个信号电极集合的自电容C1，测量在信号电极集合接地的情况下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。
2.根据权利要求1所述的电容性位置感测方法，其中针对所述至少一个信号电极集合计算对目标位置加以表示的结果(C1-C2+C3)。
3.根据权利要求1所述的电容性位置感测方法，其中根据所述至少一个信号电极集合计算对污染程度加以表示的结果(C1+C2-C3)。
4.根据权利要求1所述的电容性位置感测方法，其中线性或曲线信号电极阵列限定轨道，具有屏蔽物形状的目标能够以实质上恒定的间隔沿所述轨道移动。
5.一种电容性位置感测设备，包括信号电极、部分地包围所述信号电极的屏蔽电极以及所述信号电极附近的实质上接地的可相对移动的目标；还包括电容-数字转换器和开关装置，所述开关装置用于将每个电极与所述转换器的输入连接或接地；选择至少一个信号电极集合，所述信号电极集合包括一个或多个信号电极；通过将所述信号电极集合与所述转换器的输入连接并将其余信号电极和屏蔽电极接地，来数字化自电容C1；通过将所述其余电极和屏蔽电极连接到转换器的输入并将所述信号电极集合接地，来数字化自电容C2；通过将所述信号电极和所述屏蔽电极与所述转换器的输入连接，来数字化自电容C3，由此根据所述至少一个信号电极集合的自电容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。
6.根据权利要求5所述的电容性位置感测设备，其中针对所述至少一个信号电极集合计算对目标位置加以表示的结果(C1-C2+C3)。
7.根据权利要求5所述的电容性位置感测设备，其中根据所述至少一个信号电极集合计算对污染程度加以表示的结果(C1+C2-C3)。
8.根据权利要求5所述的电容性位置感测设备，其中线性或曲线信号电极阵列限定轨道，具有屏蔽物形状的目标能够以实质上恒定的间隔沿所述轨道移动。
9.根据权利要求8所述的电容性位置感测设备，其中使用增量位置感测设备的刻度尺作为目标，由此使得能够在大于所述增量传感器的间距的范围上进行绝对位置确定。
10.根据权利要求9所述的电容性位置感测设备，其中所述增量位置感测设备是电容性的或电感性的。
11.根据权利要求9所述的电容性位置感测设备，其中所述信号电极阵列面对增量位置感测设备的刻度尺边缘。
12.根据权利要求9所述的电容性位置感测设备，其中与增量位置感测设备共享公共印刷电路板。
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