CN109150155B - 先进的电容式接近传感器 - Google Patents

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Abstract

先进的电容式接近传感器。一种接近传感器，以及配备有所述接近传感器的便携式设备，具有至少两个感测电极，一个感测电极影响另一个感测电极。通过读取两次一个电极的电容，当将反电极的电势设置到保护或让它浮动时，本发明的传感器在身体部分或另外的电等效对象与低介电常数对象之间进行辨别。

Description

先进的电容式接近传感器
技术领域
本发明涉及用于检测身体部分的接近度的接近传感器和方法。本发明的实施例特别地涉及比如蜂窝电话的便携式设备,其配备有发明性接近传感器，所述便携式设备能够将比如例如像用户的头部或一只手的身体部分与低介电常数（permittivity）对象区别开，并且识别检测的身体部分正在从其（whence）接近的方向。
背景技术
经常期望检测身体部分是否在装置的短距离处。在蜂窝电话和无线连接的移动设备（包括平板计算机和其他类似的终端）的特别的情况下，该接近检测的形式可以被用作对装置的输入，但是，针对RF发射设备，已知使用接近度指示来适配瞬时RF功率，以便遵守SAR（特定吸收比（specific absorption ratio））规则。SAR是当紧密接近无线电发射设备（电话、平板计算机、膝上型计算机等等）时在人体中辐射的RF能量的量的测量。
依赖接近度检测的便携式连接的设备的其他有用功能是：当将便携式电话带到耳边用于呼叫时，禁用便携式电话的触摸屏，以免用户可能通过用脸颊或耳朵触碰屏幕而触发不需要的动作，并且在相同的情况下，关闭屏幕背光照明以节约能量。
已知被布置用于检测靠近对象的身体的传感器，所述传感器包括基于电感、光学、热以及电容性的传感器。在蜂窝电话市场中，现今最常见的方法是用于检测靠近RF天线的对象的基于电容性的传感器。
电容式传感器经常被实现为在PCB上的金属化垫，但是在许多情况下，诸如天线（即导电线）之类的现有元件可以兼作电容式检测器，使得在无表面代价的情况下可以添加检测器。
在本申请人的名下的专利申请EP2988479中描述了在移动通信设备中用于接近度感测的电容式传感器的示例，该专利申请的内容通过引用被包括于此。
尽管有所有上述优势，常规的电容式检测器单独也几乎没有提供关于接近对象的距离和大小的信息。在给定距离处的身体部分和无生命对象，如果它足够大并足够接近，则可以生成相同的电容升高（rise），并且将不是可区别的。
电容式检测器的辨别的该缺乏可能导致在一些情况中的错误决定。一个示例是当电话或便携式设备被放置在比如是桌子或支架（holder）的支撑物上时。在该情况下，电话可以减少RF功率或在实际上不需要禁用的情况下禁用屏幕。减轻在常规电容式传感器中的这些假检测是困难的。
发明内容
本发明的目的是提供先进的电容式检测器，其可以解决上文所述的常规设备的缺点，如在所附权利要求书中记载的那样。
虽然本发明适用于设备的大阵列，设备例如膝上型计算机、平板计算机、e阅读器、可穿戴设备（wearable）、可听戴设备（hearable）、电子测量仪器，并且也适用于非便携式设备，但是为了简要起见，本说明书将简单地提及“移动电话”。但是，这不应被认为是本发明的限制性特征。
附图说明
利用通过示例的方式给出并由附图图示的实施例的描述的帮助，本发明将被更好地理解，其中：
图1和图2绘制了来自便携式连接的设备的SAR水平；
图3示意性地图示了在便携式连接的设备中的电容式接近传感器；
图4是用于将电容转换为电压的简化的理想化电路。
图5和图6图示了电容式接近检测器的电容变化。
图7示出了根据本发明的一个方面的包括电容式传感器的便携式连接的设备。
图8示出了可能的连接，其中RF天线兼作电容式传感器。
图9绘制了当在其中包括本发明的传感器的便携式设备首先接近人体的一部分，并且然后接近无生命对象时，由本发明的传感器读取的电容。
具体实施方式
图1示出了作为发射器天线和用户的身体之间的距离的函数的SAR之间的关系。曲线210可以表示与以全RF功率发射的常规蜂窝电话相关联的特定吸收率。清楚的是，吸收率超过针对小距离的法定（statutory）吸收率限制（Max）。
曲线220表示在与其RF功率已经被有意减少的电话相关联的电话中的吸收率。清楚地，该率遵守法定限制，但是，由于功率较低，所以电话的连接性将被降级。
图2图示了上述困境的解决方案。连接的设备配备有测量到用户的距离
Figure DEST_PATH_IMAGE001
的接近检测器。如通过绘图230所示出的，设备中的硬件或软件处理器在距离下降到低于触发RF功率的瞬间下降的预定限制
Figure DEST_PATH_IMAGE003
时生成逻辑信号。以该方式，当距离
Figure 808941DEST_PATH_IMAGE001
足够大以至于SAR低于最大可接受限制时，设备不遭受连接性的降级，并且功率仅在需要时才被减少。虽然图2示出了仅一个阈值
Figure DEST_PATH_IMAGE003A
，但是应该理解：设备可以确定与若干个阈值相关的距离，并且在与在任何给定的距离处的SAR限制兼容的最佳连接性的搜索中，在若干渐进的步骤中减少功率。
图3示意性地示出了电容式接近检测器的结构，如其可以被用在本发明的框架中那样。检测器包括连接到用于确定感测电极20的电容的输入终端IN的感测电极20。通过将确定幅度的可变电势
Figure 867027DEST_PATH_IMAGE004
应用到输入终端IN、对输入电流积分以获得电荷
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
可以确定电极的电容，其涉及
Figure DEST_PATH_IMAGE007
的电容。例如，输入电势可以按照正弦曲线或平方律（square law）变化。
电容式传感器读出电路80可以包括电容到电压转换单元53，其生成与由电极20所见的电容成比例的电压信号。
图4示出了可以被用于该目的的简化的电路。见多识广的读者将认识到终端IN是低阻抗节点，其电势归功于反应（reaction）与电压源47的输出相同，其可以是正方形、正弦曲线或以下任何合适的函数，并且输出信号V的幅度与电容20成比例。对于附加信息，读者被引导向专利申请EP2876407，通过引用将其合并于此。履行与图4的电路相同的功能的其他电路是可用的并且被包括在本发明的框架中。电容式传感器读出电路80的操作原理在于：用户的头部和身体具有远高于自由空间的介电常数的介电常数。因此，当用户使头部或另外的身体接近电极20时，它的电容增加微小但可测量的量。
图5和图6示意性地图示了位于本发明的接近传感器后面的电容性效应。在图5中，电容式传感器由在印刷电路板137上的盘垫（disk pad）20表示，被接地环（ground ring）25环绕。电极20优选地由保持在接地电势处或在保护电势处的保护电极124支撑，以屏蔽掉（screen out）来自位于下方的电话的电路的噪声。优选地，导电垫20、25被薄介电保护层138覆盖。当电极20连接到电容式检测器的IN终端时，其电势与周围的接地电极的电势不同，并且生成由场线表示的电场。
当身体部分接近时，如在图6中那样，它修改了电场，因为它具有与周围空气的介电常数不同的介电常数
Figure 256551DEST_PATH_IMAGE008
，并且也可能因为它的导电性。这记录为由电极20所见的电容
Figure DEST_PATH_IMAGE009
的小改变。
重要地是，感测电极20的形状几乎没有意义，并且电容式传感器也将与任意形状的电极一起运转。虽然接地环25和保护124有用，但其不是必要的，并且电场的真实形状在任何情况下都将与所表示形状非常不同，因为电极将以复杂的方式与电话的所有部件耦合。在所有情况下，无论最终配置将是什么，电极20的电容
Figure 979656DEST_PATH_IMAGE010
将具有基线值Cenv，其恒定或比如温度的环境特性一起缓慢变化，这将随着身体部分的接近轻微地并且瞬时地增加量CUser。虽然增加的确切量可能难以确切地计算先验（priori），但是可以通过下面的公式来估计它
Figure DEST_PATH_IMAGE011
其中
Figure 607078DEST_PATH_IMAGE012
是两个电极之间的公共面积，因此用户的手指/手掌/面部和传感器电极20之间的公共面积、
Figure DEST_PATH_IMAGE013
它们的距离以及
Figure 491857DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure DEST_PATH_IMAGE015
表示绝对的和相对的介电常数（dielectric permittivity）。忽略导电性效应（conductive effect）。
由于人体的高含水量，所以人体的相对介电常数是非常高的，并且通常是
Figure 834590DEST_PATH_IMAGE016
。诸如玻璃、FR4、层压塑料以及木头之类的多数的结构绝缘材料的介电常数在2和8之间。因此本发明的电容式检测器对于人体将比对于其他材料相当地更敏感，但是，如果大的低介电常数体非常靠近并且相当（fairly）大，仍然可能将大的低介电常数体误解为人体的一部分。
返回到图3，我们已经看到由用户的接近度确定的电容改变被叠加到大的基线值，其是恒定的或缓慢漂移的。本发明的传感器优选地包括偏移减法单元50，其被布置为在总电容在ADC 55中被转换为数字值之前，针对总电容减去可编程的值，以增强接近感应的变化并且最佳地利用后者的动态范围。
在附图中，偏移补偿单元50被表示为单独的框，其作用于由电容到电压转换器53生成的模拟信号。虽然这是可能的和有利的实现，但是其不是仅有的一个；本发明不限于此实施例，并且示意图1的框（blocs）应该被解释为功能元件而不是物理上的单独实体。在变型中，偏移的减法可以在电容到电压转换器53中或在ADC 55中执行。并且，如果接近检测器读出电路80包括若干输入通道，如它将被进一步详细说明的那样，则偏移补偿可以针对每个通道在独立单元中或在共享补偿电路中完成。
在电容式接近检测器中的另一个困难在于输入电极20可以拾取在它的环境中生成的所有种类的信号和干扰，包括来自其嵌入其中的电话的那些信号和干扰。虽然此类干扰可以通过信号处理被过滤，但是优选的是从开始就减弱它们。出于该目的，检测器可以提供保护电极（shield electrode）23，其在感测电极20下面，以便相对于电话内部的电子设备对其进行遮蔽。优选地，感测电极连接到保护控制单元51的输出终端，其遵从输入终端IN的可变电势。以该方式，保护23对电极20所见的电容没有贡献。在感测电极下面表示保护电极，但是保护电极可以定位在其他地方。
数字处理器65加工（elaborate）由ADC 55生成的数字信号并且基于电极20的电容提供接近信号PROX。其通过总线DB与例如移动电话的主机系统进行通信，并且可以由有线或可编程逻辑的任何形式实现。数字处理器65负责比如精细偏移减法、噪声过滤之类的功能，并且实现决定算法，所述决定算法当在输入IN1（以及输入IN2）处读取的电容与给定阈值兼容时断言（assert）PROX信号。然后，数字处理将产生被断言的名为OBJECTA和OBJECTB的信号的另一集合，例如电容增加被判断为是身体部分（头部、脸颊、手、膝盖）还是无生命对象。这些是主机然后可以使用来确定是否应该从附近的用户的身体的部分降低功率的事物。
虽然图3表示了仅一个天线终端，但是接近传感器可以具有若干个输入组INA、INB、……,每个连接到针对不同的天线终端的不同的电极，可能通过复用器共享共同的ADC。
重要地是，电容式传感器能够断开保护电极（或如果有许多，则断开保护电极中的至少一个），保持相应的保护输入在高阻抗状态。在此类情况下，相应的感测电极将是浮动的。
虽然图表示了通过开关S0断开保护电极的功能，但是还有其他的方式来实现可以被设置到期望电压或设置到高阻抗状态的终端，例如除其他之外，逻辑三状态输出（若果可变电压47是方波信号（square signal））、传输门（transmission gate）或CMOS开关。
图7示出了本发明的传感器在移动电话100中的可能的实现，其具有隐藏在前介电层之下的、连接到接近检测器的输入IN的感测电极20、连接到保护（SHIELD）终端的保护电极23，以及可选地，环绕感测电极20和保护电极23的接地屏蔽垫（guard pad）25。
优选地，移动电话包括不止一对电极。在图7中示出的示例中，感测电极20和保护电极23被接近电话的顶部放置，并且包括感测电极21和保护电极24的另一对被放置在电话100的底部处。可能地，底部感测电极21通过适当的解耦元件被连接到电容式接近传感器80并且被连接到RF收发器两者，如在图8中所示，并且兼作RF天线。
如可以理解的那样，保护电极23和24不需要低于相应的电极20和21，而是也可以在旁边，如所描绘的那样，或被部分地覆盖，面向电话的前面或背面，或在电话100上的任何位置。
本发明的接近检测器被布置为获取两个电容测量：被表示为Cmain的第一个是在保护控制单元将辅助保护电极23保持在与感测电极20相同的电势处时由主感测电极20所见的电容，以及被表示为Caux的第二个是在保护电极23正在浮动（保护（SHIELD）输出处于高阻抗状态）时由感测电极20所见的电容。如果电话包括多于一个感测/保护电极对，则在每一对中可以重复相同的序列，例如下感测电极21的电容首先将在使保护电极24保持在与其电容被测量的电极相同的电势处的情况下被测量，并且然后当保护电极24正在浮动时被测量。
本发明人已经发现将辅助电极23设置在高Z状态以允许在身体部分和低介电常数对象之间辨别的方式改变测量的电容。图9绘制了针对时间的电容Cmain（实线）和Caux（虚线）。图的左部分（间隔213）对应于用户的手的接近，以及图的右部分（间隔215）对应于低介电常数对象的接近。可以看到，虽然信号具有相似的幅度，但是Cmain和Caux对于两个对象的接近有不同的反应。在此配置中，相比于对低介电常数对象的响应，Cmain对身体部分的响应更多，并且Caux相反。有利地，数字处理器65被布置为基于电容Cmain和Caux来确定接近对象是否是人体的一部分而不是低介电常数对象。
这可以通过选择策略实现，所述策略基本上包括所有真实的接近并且至少拒绝低介电常数体的大部分。例如，当被当作二维平面中的坐标的第一电容和第二电容将点定位在预定义的接受区域之内时，或当比Cmain / Caux在预定的接受间隔内时，或者基于Cmain和Caux由另一适当的选择算法可以断言OBJECTA 或OBJECTB 信号。
参考标号
20 感测电极
21 感测电极
23 保护、辅助电极
24 保护、辅助电极
25 屏蔽电极
47 电压源
50 偏移补偿
51 保护控制
53 电容到电压转换器
55 ADC
65 数字处理器
70 显示器
80 电容式传感器电路
85 模拟接口
95 RF收发器
100 主机系统、移动电话、便携式设备
124 背电极
137 印刷电路
138 覆盖物
210 特定吸收率/全RF
213 用户的身体的接近
215 低介电常数对象的接近
220 特定吸收率/减少的RF
230 特定吸收率/智能（smart）

Claims (16)

1.一种用于便携式设备的接近传感器，所述传感器被布置用于检测身体部分与便携式设备的接近度，并且用于拒绝无生命对象，所述传感器包括：一个主电极，其面向便携式设备的外部并且保持到可变电压源的电势；一个辅助参考电极；读出电路，其可操作地被布置用于通过将相同电势应用于主电极并且应用于辅助参考电极来获取主电极的电容的第一测量，并且用于获取在将辅助参考电极保持浮动时的主电极的电容的第二测量，以及决定单元，其被布置为基于所述电容的第一测量和电容的第二测量生成接近信号。
2.根据权利要求1所述的接近传感器，其中所述无生命对象具有基本上低于人体的介电常数的介电常数。
3.根据权利要求1所述的接近传感器，其中所述主电极是导电垫，并且所述辅助参考电极是放置在主电极旁边的导电元件。
4.根据权利要求1所述的接近传感器，其包括在主电极之下的保护电极、读出电路，其被布置为将保护电极保持在辅助参考电极的电势处。
5.根据权利要求1所述的接近传感器，其中决定单元可操作地被布置为，当被当作二维平面中的坐标的电容的第一测量和电容的第二测量将点定位在预定义的接受区域之内时，生成接近信号。
6.根据权利要求1所述的接近传感器，其中决定单元可操作地被布置为，当电容的第一测量和电容的第二测量之间的比位于预定的间隔内时，生成接近信号。
7.根据权利要求1所述的接近传感器，包括电荷到电压转换器，其被布置用于生成与所述电容的第一测量和/或电容的第二测量成比例的电压电平、偏移减法单元，其可操作地被布置为从所述电压电平减去第一可编程偏移电平、模拟到数字转换器、以及数字处理器，其被编程为作为决定单元基于所述电容的第一测量和所述电容的第二测量生成接近信号。
8.一种用于确定在传感器和身体部分之间的接近度的方法，所述方法包括：获得面向检测体积并且保持到可变电压源的电势的主电极的电容的第一测量；获得主电极的电容的第二测量，由此当将相同电势应用于主电极并且应用于辅助电极时测量电容的第一测量，并且当将辅助电极保持浮动时测量电容的第二测量；基于所述电容的第一测量和电容的第二测量生成接近信号。
9.根据权利要求8所述的方法，其中以复用的方式一个接一个地测量电容的第一测量和电容的第二测量。
10.根据权利要求8所述的方法，包括从电容的第一测量减去第一可编程零值并且从电容的第二测量减去第二可编程零值。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，如果被当作二维平面中的坐标的电容的第一测量和电容的第二测量将点定位在确定的区域中，则生成接近信号。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，如果电容的第一测量和电容的第二测量之间的比位于预定的间隔内，则生成接近信号。
13.一种便携式设备，包括接近传感器，所述接近传感器被布置用于检测身体部分与便携式设备的接近度，并且用于拒绝水或污染物，所述接近传感器包括：一个主电极，其面向便携式设备的外部并且保持到可变电压源的电势；一个辅助电极；读出电路，其可操作地被布置用于通过将相同电势应用于主电极并且应用于辅助电极来获取主电极的电容的第一测量，并且用于在保持辅助电极浮动时获取主电极的电容的第二测量，以及决定单元，其被布置为基于所述电容的第一测量和电容的第二测量生成接近信号。
14.根据权利要求13所述的便携式设备，被布置为基于所述接近信号来减少无线电发射或屏幕亮度的水平，或禁用触觉输入设备。
15.根据权利要求13所述的便携式设备，是移动蜂窝电话、无线手持电话、平板计算机或膝上型计算机。
16.根据权利要求13所述的便携式设备，其中接近传感器包括多个电极对，每对具有主电极和辅助电极，读出电路，其可操作地被布置用于通过将相同电势应用于主电极并且应用于相应的辅助电极来获取主电极的电容的第一测量，并且用于在保持相应的辅助电极浮动时获取主电极中的任何电极的电容的第二测量。
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