CN107796294B

CN107796294B - 移动装置中的电容接近传感器和限制辐射吸收的方法

Info

Publication number: CN107796294B
Application number: CN201710794885.0A
Authority: CN
Inventors: T.库珀; C.劳埃斯亚
Original assignee: Shangshengte
Current assignee: Shangshengte
Priority date: 2016-09-07
Filing date: 2017-09-06
Publication date: 2021-03-02
Anticipated expiration: 2037-09-06
Also published as: KR102052322B1; CN112880545A; KR20180028036A; US10879896B2; EP3293953B1; US20210072863A1; US20180069549A1; CN107796294A; CN112880545B; EP3293953A1

Abstract

公开了移动装置中的电容接近传感器和限制辐射吸收的方法。一种用于检测身体部分对移动装置的接近的接近传感器，包括：用于检测所述身体部分的多个电容感测电极；电子处理电路，被布置用于测量所述电容感测电极的电容量并且用于基于如此测量的电容量生成接近信号，其中电容感测电极通过一个或多个电容元件连接在一起，以及至少一个电容感测电极可连接到所述移动装置的无线电电路从而构成所述移动装置的射频天线。

Description

移动装置中的电容接近传感器和限制辐射吸收的方法

技术领域

本发明涉及接近传感器和用于检测身体部分的接近的方法。本发明的实施例特别涉及如蜂窝电话的便携式装置，其配备有创新的传感器而能够检测身体部分的接近并且辨别如下的方向:所检测到的身体部分正从该方向接近。

背景技术

通常想要的是检测身体部分是否在距某设备的短距离处。在蜂窝电话和无线连接的移动装置（包括平板设备和其它类似的终端）的特定情况下，这种形式的接近检测可以被用作为对该设备的输入，但是对于RF发射装置而言，已知的是，使用接近指示来适配瞬时RF功率，以便符合SAR（特定吸收率）规定。SAR是在靠近地接近无线电发射装置（电话、平板设备、膝上型计算机等）时辐射在人体中的RF能量的量的测量。

已知有被布置用于检测在对象附近的身体的传感器，包括基于电感的、光学的、热的和电容的传感器。在蜂窝电话市场上，现今最常见的方法是具有良好的范围和方向性的红外光学检测。光学系统的主要缺点是其功率消耗、其组件的成本以及其在电话中的集成的成本和在电话表面上实现解决方案所需要的大小。

电容传感器具有更低的功率消耗，只要求小的面积或者不要求在电话表面上的面积，并且具有更低的成本。然而，它们是相当全向性的并且因此倾向于生成大量的错误肯定，即来自非相关方向的身体部分的检测。该错误检测的风险可以通过剧烈地减小检测范围来减小。

在本申请人名义下的专利申请EP2988479中描述了用于移动通信装置中的接近感测的电容传感器的示例，该专利申请的内容被通过引用合并于此。

在配备有RF天线的装置（例如移动蜂窝电话）中，已知的是将天线本身用作为电容感测电极。在这种情况下，天线连接到RF前端和接近检测电路这两者。电容器和电感器用于保持RF频域与典型地用于电容接近检测的低频隔离。

在这种方法中，重要的是电容检测系统可靠地操作，具有高的对于RF的抗扰度，并且具有最小化的对无线电系统的影响。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种基于电容传感器的并且具有改进的方向辨别、并且可以与射频天线一起操作的方法以及传感器。

根据本发明的一个方面，这些目的是通过所附权利要求的对象、特别是通过用于检测身体部分对移动装置的接近的接近传感器来实现的，所述接近传感器包括：用于检测所述身体部分的多个电容感测电极；电子处理电路，被布置用于测量所述电容感测电极的电容量并且用于基于如此测量的电容量生成接近信号，其中电容感测电极通过一个或多个电容元件连接在一起，以及至少一个电容感测电极可连接到所述移动装置的无线电电路从而构成所述移动装置的射频天线。所述电子处理电路具有连接到两个感测电极的两个信道，并且所述信道具有不同的灵敏度。

本发明的接近传感器可以预见感测电极和处理电路之间的电感耦合、以及电极和无线电单元之间的电容耦合。更进一步地，电子处理电路优选地被布置为排除以如下为特征的事件：由电容感测电极中的任何一个看到的具有超过给定阈值的速度的电容的改变。

检测算法可能牵涉对第一和第二本质上恒定的电容量值之间的阶梯改变的检测，并且如果应测量若干个电极，则基于从电容感测电极测量的电容量或电容的变化的加权和来生成接近值，可能导致生成方向接近值。

本发明还包括移动装置，具有与连接到用于接收和/或传输无线电信号的射频天线的无线电单元组合的上面所指定的接近传感器，接近传感器的一个或多个电容感测电极构成所述射频天线。优选地，接近传感器具有多个电容输入，每个电容输入耦合到射频天线的区段。无线电单元可以被布置为在UHF谱中通信，特别是在UHF谱的被分配给蜂窝电话服务、Wi-Fi或蓝牙的波段中通信。天线的各区段优选地是层叠在绝缘电路板上的各导电区域。

本发明的独立方面涉及一种用于检测身体部分对移动装置的接近的接近传感器，其包括：用于检测所述身体部分的至少一个电容感测电极；被布置用于测量所述电容感测电极的电容量并且用于基于如此测量的电容量生成接近信号的电子处理电路，其中电子处理电路被布置为排除以如下为特征的事件：在可能与上面指定的任何特征和限制组合的情况下由电容感测电极中的任何一个看到的具有超过给定阈值的速度的电容的改变。

附图说明

借助于通过示例方式给出的并且由各图图示的实施例的描述将更好地理解本发明，在各图中：

图1和图2示出在自由空间中以及在存在接近的身体部分的情况下接近检测器周围的电场分布；

图3示意性地图示电容接近检测器；

图4绘制出接近检测器的电容变化；

图5绘制出辨别方案；

图6示出已知的电容接近检测器的布置，其中电容电极被放置在RF天线周围或者被放置得靠近RF天线但是被与RF天线分离开；

图7示出其中天线本身被用作为传感器的设置。电容器和电感器被用于将RF信号与用于电容检测的LF信号分离开；

图8示出其中天线被分段的创新设置；

图9和图10图示其中890MHz GSM天线在蜂窝电话中被用作为分段电容检测器的本发明的变型并且图示由该天线发射的电场中的各向异性；

图11示意性地图示具有动态RF匹配电路的系统；

图12是用于将电容转换为电压的简化的理想电路；

图13绘制出与真正的接近事件相比的电感应的电容改变，并且图示脉冲抑制方法。

具体实施方式

虽然本发明可应用于包括但不限于蜂窝电话、平板设备和膝上型计算机的巨大数量的装置中，但是本描述的示例可以简单地提及电话。这不应当被解释为对本发明的限制，而仅仅是为了简明的目的而作为关注于特定实现的示例。

现在将参照各图回顾适用于本发明的电容接近检测器的功能。如图1中图解那样，电容传感器可以使用在印刷电路板或PCB 157上的导电层20作为感测电极。在该示例中，电极20被接地环25围绕、被屏蔽电极23撑托并且被介电覆层158覆盖，但是这些特征都不是本质的，至于形状，其可以是圆形的（如所示那样）或者是任何其它形状。在自由空间中，远离其它导电体，感测电极的电容将具有基线值：C_sensor = C_env，其是从电极和所有围绕导体之间的电感应来确定的。

如图中2所示，处于与传感器的接近中的导电的身体改变了电场分布，并且一般而言，引发感测电极的电容的增加：C_sensor = C_env + C_user。

很好地认识到的是，增加C_user可以比基本电容C_env更小得多。在典型的情况下，C_user可以是C_env的1％或者甚至更小。另一方面，C_env是难以预测或可靠地模拟的，因为它取决于几个不可控制的效应。然而，C_user可以通过下面的等式来估计：

其中，A是在两个电极之间的公共面积，因此是在用户的手指/手掌/面与传感器电极20之间的公共面积，d为它们间的距离，并且ε₀，ε_r指示绝对和相对的介电常数。导电效应被忽略。

图3示意性地示出电容接近检测器的结构，如其可能被采用于本发明的框架中那样。该检测器包括感测电极20，感测电极20被连接到输入端子IN以用于确定感测电极20的电容。电极的电容可以是通过如下来确定的：将确定的幅度V的可变电势施加到输入端子N，对输入电流积分以获得电荷Q，该电荷Q被通过C=Q/V而关联于电容。例如，输入电势可以按照正弦或平方律来变化。虽然图12示出如在EP2876407中描述的可以被用于该目的的简化的电路，但是实现相同功能的其它电路是可用的并且被包括在本发明的框架中。知情的读者将认识到端子IN是低阻抗节点，其电势由于放大器49的反应而与电压源47的输出相同，并且认识到输出信号V具有与源47的形状相同的形状，具有与电容20成比例的幅度。关于附加的信息，读者可以关注专利申请EP2876407，其被通过引用合并于此。

如上面提到那样，通过用户的接近而确定的电容改变C_user被叠加到大的基线值C_env，该基线值C_env是恒定的或者缓慢地漂移。本发明的传感器优选地包括偏移减去单元50，该偏移减去单元50被布置为在总电容被在ADC 55中转换成数字值之前从其减去可编程的值，以增强由接近感应出的变化并最佳地利用后者的动态范围。

图4图示偏移减去单元50的动作。上面的线图示出当导电的身体接近传感器（t=Prox（接近））并且然后移开（t=Release（释放））时总电容C_sensor如何变化。总电容C_sensor围绕C_env而居中，并且在ADC（ADCL-ADCH）的动态范围之外。下面的线图示出对偏移减去单元进行设置以使得其减去C_env、并且在ADC 55的输入处出现信号C_user=C_sensor-C_env的效果。该信号被包含在ADC范围（ADCL-ADCH）内。

在附图中，偏移补偿单元50被表示为作用在由电容到电压转换器53生成的模拟信号上的分离块。虽然这是可能的并且是偏好的实现，但其并非是唯一的实现；本发明不限于该实施例，并且示意图1的各块应当被解释为功能元件而不是在物理上分离的实体。在变型中，对偏移进行减去可以是在电容到电压转换器53中或者是在ADC 55中执行的。另外，如果接近检测器80包括若干个输入信道，则如将进一步详述的那样，可以针对每个信道在独立的单元中或者在共享的补偿电路中完成偏移补偿。

除了电容C_env+ C_user以外，输入电极20还可以拾取在其环境中生成的所有种类的信号和干扰，包括来自其被嵌入于其中的电话的信号和干扰。虽然可以通过信号处理来滤除这样的不想要的贡献，但是优选的是从一开始就对它们进行衰减。为此目的，检测器可以在感测电极20下方提供屏蔽电极23，以便把电极20从电话内部的电子器件屏蔽掉。优选地，感测电极连接到屏蔽控制单元51的输出端子，其跟随输入端子IN的可变电势。以此方式，屏蔽23并不贡献于由电极20看到的电容C_env。

数字处理器65对由ADC 55生成的数字信号进行加工，并且基于电极20的电容提供接近信号PROX。数字处理器65与主机系统100通信，例如通过总线DB与移动电话通信，并且可以通过任何形式的有线的或可编程的逻辑来实现。数字处理器65担负如精细偏移减去、噪声滤波的功能，并且当在输入IN处读取的电容与处于接近的用户的身体的部分相符合时实现声明PROX信号的决定算法。

虽然图3仅表示了一个输入端子，但是本发明的传感器并不限制成如此，并且实际上可以包括多个电容灵敏的输入端子，在这种情况下上面描述的功能块（C-V转换、偏移减去、A/D转换）可以由完全独立的信道来体现，或者还有一些功能可以是跨若干个输入信道复用的。

图5图示简单的辨别器的操作，利用可以在本发明的框架中使用的该简单的辨别器来确定身体是否处于接近中。信号C_user是在减去基线 C_env之后由电极看到的电容。当C_user超过值C_prox时设置接近标志，并且当它下降到值C_release以下时进行重置。滞后意指释放距离大于接近检测距离，并且对于避免噪声引发的暂态和多个沿来说是有用的。高灵敏度和良好的信噪比是重要的。阈值和滞后水平可以由于接近处理器或由于主机系统而是适配的，并且其它更先进的辨别方案也可以是可能的。

图6涉及现有技术中已知的具有移动装置的布置，该移动装置包括借助于射频单元57（RF）和合适的RF天线50与其它装置通信的中央处理单元（被指示为“主机”100）。为专注于本观念，我们可以考虑移动装置是使用被分配用于蜂窝电话使用的任何UHF波段（例如GSM频率（850/900/1'800/1'900MHz））的蜂窝电话。然而，本发明不限制于该特定接口，并且还可以包括其它移动装置，如例如Wi-Fi移动装置，如膝上型计算机或平板设备，或任何其它移动无线电装置。

在便携式无线电装置的情况下常见的问题是，射频能量的特定吸收率（SAR）不应当超过某些规定的限制。接近检测器于是被用于确定装置何时被带近至身体部分，并且在这种情况下降低所发射的功率以符合SAR限制，而当装置检测为没有身体部分处于接近中时恢复成以满功率进行传输。图6呈现了其中天线靠近于接近传感器60的典型布置，接近传感器60实际上是电容电极，其连接到合适的辨别和处理电路80，辨别和处理电路80对当身体部分在附近时发生的在传感器的电容上的微小的改变灵敏，并且能够基于所述电容改变来将接近信号（Prox（接近） / Release（释放））递送到主机电路。接近传感器电路80可以具有图3的结构并且可以被体现在专用的集成电路中，作为还担负其它功能的集成电路的一部分或者由集成电路和分立组件的组合来实现。进而，主机装置可以引导RF电路57并根据身体部分是否处于接近中来适配RF功率。以这种方式，接近检测器确保在保持连接性的同时符合规定的SAR限制，因为只有在必要时才降低功率。这种实现与触摸按钮的实现类似，并且传感器可以是仅连接到接近处理电路80的任何合适的导体片（金属板、PCB焊盘、FPC焊盘等）。

该解决方案的缺点是分离的电极必定占据一些空间，这些空间在现代移动装置中始终是稀缺资源，并且另外接近传感器是相当全向性的，不能区分如下的方向：身体部分从所述方向接近。

图7示出另一设置，其中RF天线50兼作用于接近处理器80的检测电极，并且节省了专用的电极将会占据的表面。在该变型中，天线连接到无线电单元57（RF）和接近处理器80这两者。已经发现的是，天线本身一般具有足够的表面来提供合适的电容信号，并且在UHF无线电信号和电容变化（其处于谱的低频端）之间的分离是通过天线和RF前端之间的电容耦合以及对接近处理器的电感耦合来获得的，如所示那样。

虽然图7的设置减少了所要求的空间，但是检测仍然是单向的。考虑到最坏的情况，检测距离必须被固定得非常高，并且当用户从任何方向（包括其中SAR水平低的那些方向）接近时功率被降低。

由于来自天线的射频发射不均匀而是倾向于在某些部分更强并且在其它部分更弱，所以就SAR顺应性和RF性能而言，有利的是，当身体部分从其中发射强的部分而不是从其中发射弱的部分接近时更容易降低功率。这可以通过如下的接近检测器来实现：该接近检测器能够递送关于接近方向的某种形式的信息，或者其灵敏度与天线的发射分布匹配。

图8示出其中天线被分在两个分段50和60中的创新设置。各分段通过电容器连接在一起，电容器的值被选取以使得对于无线电信号而言它本质上仍为短路，电容接近检测器80可以分开地读取两个分段的电容或者两个分段的电容的变化。在实践中，对于900 MHz波段下的GSM天线而言并且在所有相关的使用情况下，这可以通过插入100 pF量级的电容量来实现而不改变RF性能。接近电路一般被布置为从电极的所观察到的电容的增加来检测身体部分的接近，并且因此，相邻的电极的恒定贡献并非对于它们的功能来说是有害的。

在所呈现的示例中，天线的两个区段50和60连接到具有两个输入IN0和IN1的多信道接近检测器80，多信道接近检测器80根据是从两个电极、从一个电极或是没有从电极检测到接近来产生多值信号（ProxH（接近H）/ProxL（接近L）/Release（释放））。优选地，接近检测器的各信道具有不同的灵敏度，以使得可以针对每个区段不同地固定检测距离：右区段（高距离）连接到高灵敏度信道，并且左区段（低距离）连接到更低灵敏度的信道。主机系统可以根据哪个区段已经检测到接近来决定不同水平的功率降低（高衰减/中衰减/无衰减）。

然而，本发明不限制于两个区段和两个信道的情况，并且完全可以包括如下的实现：其中天线被分在更大数量的信道中并且在接近检测器80中实现的处理算法更复杂。

其它应用包括接近/触摸手势识别、左右手识别、检测装置是否放在桌子上等等。

图9图示在PIFA（平面翻转F天线）配置中用于900 MHz GSM波段的折叠四分之一波长天线中的创新概念的实现。在馈电点131处馈送RF信号并且通过电容器132和137将天线分在两个区段50和60中，电容器132和137可以具有大约150pF的值。指示了用于连接到电容传感器80的一个电感器135。与常规的天线的情况相比，对RF性能的仿真未示出劣化。

图10是由图9的天线发射的电场的绘图。由于在右侧处场更强，所以能够把从右边接近的身体部分与从其它方向接近的身体部分辨别开的接近传感器是有利的，并且该接近传感器提供对RF强度的优化控制。本发明的分段天线和多信道接近检测器可以递送这种辨别。

图11示出包括用于优化无线电单元57和天线50之间的耦合的RF匹配电路56的系统。这典型地是通过对直接附接到RF路径的分立的或集成的电容器进行切换来实现的。当天线还被用作为电容接近传感器时，在DC电容上的这些改变可能干扰用户的检测并且创建错误触发、不想要的检测或释放。

优选地，本发明使用如现在将参照图13描述的阶梯取消算法。为了避免错误触发，这运用了如下的事实：由于动态RF匹配所致的电容改变（曲线233）将是陡峭的并且几乎是瞬时的（阶梯234），而由用户的运动创建的相同的改变（曲线231）必定是更渐进的。此外，当用户移动或电话被移动时，在触发之前和之后的一定时间内电容C_user将是不稳定的。

根据本发明的一个方面，接近检测器监测电容信号，并且如果电容示出阶梯状的暂态，则确定RF匹配电路56是否已经介入。这可以是基于电容信号的形状、并且特别是基于暂态的陡度以及在暂态之前和之后的信号的变化性或统计离差来实现的。

在可能的实现中，滑动窗口分析监测信号并且排除其暂态速度高于给定值的阶梯。优选地，阶梯取消算法通过以下三个标准来识别不想要的事件，这三个标准可以通过逻辑与组合在一起：

1）例如通过对在阶梯之前的样本的给定深度X1的离差施加上阈值而检测的在阶梯之前的稳定基线;

2）例如通过对斜度（例如，在样本的间隔X2内的至少Y2个码的改变）施加下阈值而检测的急剧改变;

3）例如通过对在阶梯234之后的样本的给定深度X3的离差施加上阈值而检测的在阶梯之后的稳定基线。

当被检测出时，通过施加与阶梯大小对应的校正从而立即取消阶梯，因此在短的时间间隔之后将信号C_user恢复到其最初值236。在图4的电路中，这可以通过偏移校正单元50获得。上面描述的阶梯取消可以在主机系统100中执行或者优选地在接近传感器电路80中执行。

Claims

1.一种用于检测身体部分对移动装置的接近的接近传感器，包括：

用于检测所述身体部分的多个电容感测电极；

电子处理电路，被布置用于测量所述电容感测电极的电容量并且用于基于如此测量的电容量生成接近信号，其中电容感测电极通过一个或多个电容元件连接在一起，以及至少一个电容感测电极连接到所述移动装置的无线电电路从而构成所述移动装置的射频天线，

其中所述电子处理电路被布置为排除以如下为特征的事件：由所述至少一个电容感测电极看到的具有超过给定阈值的速度的电容的改变。

2.根据权利要求1所述的接近传感器，其中所述电容感测电极通过电感元件连接到所述电子处理电路。

3.根据权利要求1所述的接近传感器，其中所述电子处理电路被布置为接受以如下为特征的事件：由所述电容感测电极中的任何一个看到的从第一本质上恒定的值到第二本质上恒定的值的电容的改变。

4.根据权利要求1所述的接近传感器，其中所述电子处理电路被布置为基于从所述电容感测电极测量的电容量或电容的变化的加权和来生成接近值。

5.根据权利要求1所述的接近传感器，其中所述电子处理电路被布置为基于从所述电容感测电极测量的电容量或电容的变化来生成方向接近值。

6.一种移动装置，包括根据权利要求1所述的接近传感器与连接到用于接收和/或传输无线电信号的射频天线的无线电单元的组合，其中所述接近传感器的一个或多个电容感测电极构成所述射频天线。

7.根据权利要求6所述的移动装置，其中多信道接近传感器具有多个电容输入，每个电容输入被电感耦合到所述射频天线的区段。

8.根据权利要求7所述的移动装置，其中所述无线电单元被布置为在UHF谱中通信。

9.根据权利要求8所述的移动装置，其中所述无线电单元被布置为在UHF谱的被分配给蜂窝电话服务、Wi-Fi或蓝牙的波段中通信。

10.根据权利要求8或9所述的移动装置，其中所述天线的各区段是层叠在绝缘电路板上的导电区域。

11.一种用于检测身体部分对移动装置的接近的接近传感器，包括：

用于检测所述身体部分的至少一个电容感测电极，其中所述至少一个电容感测电极连接到所述移动装置的无线电电路以构成所述移动装置的射频天线；

电子处理电路，被布置用于测量所述电容感测电极的电容量，并且用于基于如此测量的电容量生成接近信号，其中电子处理电路被布置为排除以如下为特征的事件：由所述至少一个电容感测电极看到的具有超过给定阈值的速度的电容的改变。

12.根据权利要求11所述的接近传感器，其中所述电子处理电路被布置为接受以如下为特征的事件：由所述电容感测电极中的任何一个看到的从第一本质上恒定的值到第二本质上恒定的值的电容的改变。

13.根据权利要求11所述的接近传感器，包括用于检测所述身体部分的多个电容感测电极，所述多个电容感测电极通过一个或多个电容元件连接在一起，所述电子处理电路被布置用于测量所述电容感测电极的电容量，并且用于基于如此测量的电容量生成接近信号。